第二篇 变压器

第二篇变压器第1页，共84页，2023年，2月20日，星期三

发电厂发出的电能（10.5～20KV）升压变压器高压电输电线用电区降压变压器配电电压→送到各用电区配电变压器降到用户电压图1-1简单的电力系统图第2页，共84页，2023年，2月20日，星期三２．变压器的分类一般分为电力变器和特种变压器两大类。电力变压器是电力系统中输配电的主要设备，容量从几十KVA～几十万KVA。电力变压器按用途分：（1）升高变压器（2）降压变压器（3）配电变压器（4）联络变压器按结构分：（1）双绕组变压器（2）三绕组变压器（3）自耦变压器按相数分：单相、三相、多相变压器第3页，共84页，2023年，2月20日，星期三

1-2电力变压器的主要结构部件1、油浸式变压器变压器器身放在灌满油的油箱内，称油浸式。一、二次绕组：输入电能的绕组称为一次绕组(或原绕组)；输出电能的绕组称为二次绕组(或副绕组)，它们通常套装在同一心柱上。高、低压绕组:电压较高的绕组称为高压绕组；电压较低的称为低压绕组。对于升压变压器，一次绕组为低压绕组，二次绕组为高压绕组；对于降压变压器，情况恰好相反，高压绕组的匝数多、导线细；低压绕组的匝数少、导线粗。铁心和绕组是变压器的主要部分，称器身。第4页，共84页，2023年，2月20日，星期三图1-3油浸式电力变压器1-讯号式温度计；

2-铭牌；

3-吸湿器；

4-储油柜

5-油表

6-安全气道

7-气体继电器

9-低压套管

10-分接开关

11-油箱

12-铁心

13-放油阀门14-线圈及绝缘

15-小车

16-接地板

8-高压套管第5页，共84页，2023年，2月20日，星期三2、干式电力变压器将变压器采用环氧树脂浇注成为一个整体，称为干式。目前在35KV及以下电压等级的配电系统广泛使用。1-3变压器的发热与温升变压器运行时,绕组有铜耗,铁耗以及附加损耗,这些损耗,一方面影响变压器的效率,一方面转变为热能,导致变压器本身的温度升高,还把热量散发到周围介质中去.各部分的温度对绝缘材料影响很大.决定变压器运行时温度高低的因素有二:一是变压器的总损耗二是其散热能力.当发热量=散热量时,变压器各部分的温度达稳定值.温升:变压器运行时各部分温度稳定时与周围环境冷却介质温度之差.变压器带额定负载长期运行时,各部分的温升不应超过国家标准规定的数值。保证工作年限为(20-30年),我国规定了环境最高温度为40℃,温升指比环境温度40℃高出的数值.第6页，共84页，2023年，2月20日，星期三1-4变压器的额定数据1．额定容量kVA2．额定电压V，kV3．额定电流A4、相数、绕组联结图与联结标号5．额定频率HZ额定值之间的关系：单相变压器：三相变压器：例2-1一台三相双绕组变压器，额定容量，一二次额定电压。求一二次额定电流。

第7页，共84页，2023年，2月20日，星期三第二章变压器的运行分析

2-1变压器的各电磁量正方向单相变压器的示意图（1）规定各量的方向仅为参考方向，并不代表实际方向。

与规定的正方向符合右手定则。

（2）

第8页，共84页，2023年，2月20日，星期三若说明变压器从电源吸收的有功功率变压器从电网中吸收无功功率

说明变压器输出有功功率。

说明变压器输出无功功率反之吸收无功功率

一次绕组中感应电势：

二次绕组中感应电势：第9页，共84页，2023年，2月20日，星期三2-2单相变压器空载运行空载运行：原绕组接交流电源上，二次绕组开路，称为～单相变压器空载运行时的示意图A→X只是参考相量，不表示该量瞬时的实际方向。第10页，共84页，2023年，2月20日，星期三主磁通、漏磁通空载电流：一次侧接至交流电网，二次侧开路时，一次绕组中的电流。空载磁势（励磁磁势）：

主磁通：与一次绕组与二次绕组同时相交链的磁通，磁路为铁芯，是变压器能量传递的媒介。漏磁通：只与自身绕组相交链的磁通，只占总磁通的（0.1-0.2）%,沿空气闭合,只起电压降作用,不能传递能量.瞬时表达式：第11页，共84页，2023年，2月20日，星期三1、主磁通感应电动势２、相量表达式：电动势的大小与磁通的交变频率、绕组匝数以及磁通幅值成正比。当频率、匝数一定时，其大小取决于主磁通的幅值。第12页，共84页，2023年，2月20日，星期三3、漏磁通感应电动势相量表示：

漏磁通路径主要是空气，其磁阻为常数，所以在频率一定时，为常数，第13页，共84页，2023年，2月20日，星期三4、空载运行电压方程一次绕组：二次侧

空载电流不超过额定电流的10%，所以忽略一次绕组的漏阻抗压降。结论：变比：第14页，共84页，2023年，2月20日，星期三变比5、励磁电流：空载电流又称励磁电流空载电流两个分量：

第15页，共84页，2023年，2月20日，星期三6.变压器空载运行的相量图以作为参考相量滞后于

表明空载时

很低，从电网中吸收大量的无功功率吸收的有功功率：

第16页，共84页，2023年，2月20日，星期三7、变压器空载运行的等效电路若用一个阻抗来等效即：变压器的励磁阻抗，—励磁电抗表明铁心磁化性能一个参数，—励磁电阻，反映铁耗的等效电阻。为两个线圈串联第17页，共84页，2023年，2月20日，星期三

为常数为变量，随饱和程度增大而减小。空载等效电路如图所示变压器空载运行时的等效电路第18页，共84页，2023年，2月20日，星期三6-3变压器的负载运行第19页，共84页，2023年，2月20日，星期三负载时上的电压方程为：

负载时，一二次绕组中都有电流流过，都产生磁动势。铁芯中的主磁通是由这两个磁动势共同产生的。即：1、负载时的磁动势及一、二次电流关系第20页，共84页，2023年，2月20日，星期三即：的数值取决于铁芯中主磁通的数值，它的大小取决于的大小。一次回路电压方程：与空载相比，但设计时很小，不变，近似不变。说明负载时的励磁磁势和空载磁势在数值上相差不大第21页，共84页，2023年，2月20日，星期三对于负载运行。励磁磁势的理解：必然改变磁路的磁动势和主磁通的大小，因此一次绕组中必有电流基本不变，产生一个的磁动势以抵消二次绕组电流产生的磁动势，维持磁动势则：上式表明，负载时一次绕组磁动势由两个分量:一为励磁磁势用来产生主磁通，从空载到负载变化不大另一分量为:用来平衡二次绕组磁势它随负载变化而变化。,为负载分量，第22页，共84页，2023年，2月20日，星期三是主要分量。电流由两个分量组成：一个是维持主磁通的励磁分量，另一个是用以补偿二次绕组去磁磁通势的负载分量。第23页，共84页，2023年，2月20日，星期三2、负载时二次电压、电流的关系二次绕组漏磁通，磁路近似线性的。第24页，共84页，2023年，2月20日，星期三变压器的基本方程式为第25页，共84页，2023年，2月20日，星期三各量的关系如下：第26页，共84页，2023年，2月20日，星期三结论:(1)上述方程不仅适用于单相变压器的稳定运行,也适用于三相变压器稳态运行,全部电磁量都指的一相。（2）铁芯中的主磁通的大小由端电压决定。（3）主磁路采用硅钢片，磁导大，即大，由很小的励磁电流就能产主较大的主磁通．（４）漏磁路主要由非铁材料构成，对应的漏电抗很小（５）掌握根据规定正方向判断变压器负载运行时功率流向及性质．第27页，共84页，2023年，2月20日，星期三４、折合算法归算的目的：导出等效电路归算的方法：是将一个匝数与一次绕组相等，电磁效应与二次绕组相同的绕组去代替的二次绕组。为二次侧折算到一次侧。当然也可以将一次侧折算到二次侧归算的算法原则：归算不改变电磁效应，即归算前后磁势平衡关系，各种能量关系均保持不变。（１）电动势和电压的归算

第28页，共84页，2023年，2月20日，星期三故：同理电动势和电压的归算是乘以变比（2）电流的归算：磁势相等电流的归算是除以变比则磁势方程:（3）阻抗的归算折算原则：功率相等第29页，共84页，2023年，2月20日，星期三阻抗的归算是乘以变比的平方变压器归算后的基本方程式第30页，共84页，2023年，2月20日，星期三经过归算以后，使原本无电路联系的双绕组变压器，一、二次绕组电动势相等，磁动势平衡方程变为电流平衡关系：即：。负载运行时的T形等效电路。变压器的T形等效电路

５、等效电路Ｔ形等效电路只适用变压器对称、稳态运行。第31页，共84页，2023年，2月20日，星期三简化等效电路：变压器负载运行时，忽略；可认为无穷大而断开，可得简化等效电路图（a）(b)☆简化等效电路不适用空载，适用正常负载运行和稳态短路。第32页，共84页，2023年，2月20日，星期三思考题：为什么在功率放大电路带扬声器负载时，在其间接一放大电路？如将一次侧折算到二次侧第33页，共84页，2023年，2月20日，星期三已知、、及变压器的各个参数，则画图的步骤为：（1）以作为参考相量，画滞后一角度；（2）在上加和得；（3）；（4）主磁通超前，画出和；（5）根据，画落后于一个角度（6）作（７）再在加上和，从而得原边电压。6.相量图第34页，共84页，2023年，2月20日，星期三第35页，共84页，2023年，2月20日，星期三简化相量图：已制好的变压器很难用实验的方法将其阻抗分开。因此，实际中常常采用简化相量图第36页，共84页，2023年，2月20日，星期三例1变压器二次绕组开路，一次绕组加额定电压时，虽然一次绕组电阻很小，但一次电流并不大，为什么？励磁阻抗代表的物理意义？电力变压器不用铁心而用空气心行不行？答（１）因为主磁通在一次绕组中产生的感应电动势基本上与一次绕组外加电压相平衡，即励磁阻抗很大，所以一次电流并不大。（２）表示单位励磁电流产生的电动势。（３）若不用铁心而用空气心，则磁阻大大增加，励磁阻抗变小，空载电流增大，以致达到满载电流，无法再增加负载。第37页，共84页，2023年，2月20日，星期三例2如图所示，单相变压器，出线端为A、X，低压绕组出线端为a、x，A和a为同极性端，

高压绕组在A和X两端加220V，ax

开路时的励磁电流为,主磁通为

励磁磁动势为，励磁阻抗为求下列三种情况下的主磁通、励磁磁动势、励磁电流和励磁阻抗。(1)AX侧开路,ax端加110V电压;(2)X和a相连,Ax端加330V电压;(3)X和x相连,Aa端加110V电压作业:S6-4,S6-6第38页，共84页，2023年，2月20日，星期三6-4标幺值

标幺值就是某一个物理量的实际值与选定一个同单位的固定数值的比值。即：标幺值=实际值/基值一般选额定值作为基值。对于单相变压器，选额定电压、电流作为基值。容量的基值表示为：阻抗的基值表示为:对于三相变压器,选额定的线电压、线电流作为基值容量的基值为：对于星形联结第39页，共84页，2023年，2月20日，星期三

对于三角形联结采用标幺值的优点：1、采用标幺值表示电压、电流时，可以直观地看出变压器的运行情况

例：如两台变压器运行时，它们的一次电压、电流分别为6KV、9A和35KV、20A，在不知道它们的额定值时，无法判断其运行情况，如果给出它们的标么值分别和2、三相变压器的线值标幺值与相值标幺值相等。在交流电路，最大值、有效值的标幺值相等。3、同一量折算前后的标幺值相等。用标幺值表示电压、电流大小时，不必考虑是折合到哪一侧。4、便于判定电机运行情况

当，满载、过载、欠载第40页，共84页，2023年，2月20日，星期三6-5变压器参数的测定1、变压器的空载试验从空载试验可以求出变压器的变比k，铁耗及励磁阻抗。在空载试验时，一次绕组加上额定电压，二次绕组开路，测量二次空载电压、空载电流及空载输入功率。第41页，共84页，2023年，2月20日，星期三空载试验时的等效电路由于空载运行时空载电流很小，产生的铜耗可以忽略不计。为此近似认为第42页，共84页，2023年，2月20日，星期三单相变压器变压器的变比：空载阻抗：

由于励磁阻抗

第43页，共84页，2023年，2月20日，星期三由于的数值与磁路的饱和程度有关，一般应以额定电压下测得的数据计算励磁参数。对于三相变压器，试验测定的电压，电流都是线值，根据绕组的联结方式，换算成相值，测得的功率也是三相的，算出一相功率，得出每相的变比和参数。空载试验一般在低压测取，测得的的数据后应归算到高压侧。2、短路试验短路试验可以测出变压器的铜耗和短路阻抗。第44页，共84页，2023年，2月20日，星期三变压器短路试验的接线图高压侧加低电压，约为额定电压的5～10%，使低压侧电流等于额定电流，测取、、第45页，共84页，2023年，2月20日，星期三变压器的短路参数短路时的等效电路变压器的铜耗：由于施加电压很低，铁耗很小可忽略，所以第46页，共84页，2023年，2月20日，星期三对于铜：

对于铝

短路试验时，当绕组中电流达到额定时，加在一次绕组的短路电压为

通常用相对值表示：

绕组的电阻随温度变化，而短路试验一般在室温下进行。按国家标准规定，油浸式变压器电阻应折算到时的数值。第47页，共84页，2023年，2月20日，星期三阻抗电压相对值是变压器很重要的参数之一。一般中小型电力变压器为4～10.5%，大型为12.5～17.5%。思考题:变压器做空载和短路试验时,在一次、二次侧分别做同一试验，测得的输入功率相同吗？为什么？答：在一、二侧分别做空载试验，只要都加额定电压，这两种情况下主磁通相等，铁耗相等，即电源输入功率相等。在一、二次分别做短路试验时，只要加额定电流，这两种情况下铜耗相等，即电源输入功率相等。第48页，共84页，2023年，2月20日，星期三一台三相变压器,一、二次绕组均为星形联结，在二次侧做空载试验，测得数据为在一次侧做短路试验，测得数据为室温求：该变压器每一项参数的标么值作业:6-6(1~4),6-7第49页，共84页，2023年，2月20日，星期三6-6变压器的运行性能表征变压器运行性能的主要指标有两个：电压调整率和效率。一、电压调整率变压器的外特性:

变压器带不同性质负载时的外特性

纯电阻负载时，端电压变化较小；感性负载时，变化较大，但外特性都是下降的；容性负载时，外特性可能上翘，上翘程度随容性的增大而增大。第50页，共84页，2023年，2月20日，星期三电压调整率：从空载到负载时副边端电压之差与副边额定电压之比，用百分数表示：变压器的电压变化率表征了电网电压的稳定性，一定程度上反映了电能的质量，所以它是变压器的主要性能指标之一电压调整率计算公式推导：第51页，共84页，2023年，2月20日，星期三——称为负载系数变压器的电压变化率不仅决定于它的短路参数和负载系数，还与负载的功率因数有关电阻性负载：

且较小；

感性负载时：

且较大；

第52页，共84页，2023年，2月20日，星期三电容性负载时：

故往往

说明副边端电压随负载电流增大而升高

例：一台容量为100VA的三相变压器，已知计算它的额定电压调整率。

（1）当额定负载，功率因数

滞后时；

（2）当额定负载，功率因数

超前时；

第53页，共84页，2023年，2月20日，星期三例：一台三相变压器，试验，测得时，测得二次电压求此时负载的性质及功率因素角的大小。一、二次绕组分别为星形、三角形联结，在高压侧做第54页，共84页，2023年，2月20日，星期三铁耗铜耗

基本铁耗

附加铁耗:

变压器的损耗

基本铜耗:

附加铜耗:

涡流损耗:磁滞损耗:

主要由漏磁通引起的集肤效应，使电流在导线截面分布不均匀产生的损耗,

附加铜耗随着变压器容量的增加占基本铜耗的比例增加

主要有在铁芯接缝处由于磁通分布不均匀引起的损耗2、变压器的效率第55页，共84页，2023年，2月20日，星期三变压器的效率

变压器效率都较高，大多数在95%以上，而大型变压器效率可达99%以上

确定变压器效率一般不采用直接测量的方法，原因为：

（1）相差很小，仪表本身的误差就可能超出此范围；

（2）容量大的变压器在制造厂或实验室很难找到一个合适负载做试验；

（3）直接做效率试验耗电太多，不经济。

第56页，共84页，2023年，2月20日，星期三变压器的效率特性

当不变损耗等于可变损耗时，最高

第57页，共84页，2023年，2月20日，星期三一台三相变压器额定数据为：一、二次绕组分别为星形、三角形联结，已知空载损耗短路损耗求：（1）当变压器供给额定负载且（2）当负载滞后时的最高效率（滞后）时的效率作业:6-9,6-10第58页，共84页，2023年，2月20日，星期三

特点：磁路有关系，一相磁路以另外两相磁路作为闭合磁路。1.三相变压器组：一种由三个单相变压器的铁心组成。特点：三相磁路彼此独立

2.三铁心柱变压器：第七章三相变压器7-１三相变压器的磁路系统第59页，共84页，2023年，2月20日，星期三7-2变压器的联结组标号1、单相变压器绕组的标志方式同名端：感应电势极性相同的出线端。异名端：感应电势极性相反的出线端第60页，共84页，2023年，2月20日，星期三同一铁心上套有两个绕组，高压绕组首端标记为A，尾端为X，低压绕组首端标记为a，尾端为x，它们被主磁通交链，当主磁通交变时，高、低压绕组中感应出的电动势相位关系有同相和反相。规定各绕组电动势方向以首端指向尾端，高压绕组用表示，低压绕组用表示。第61页，共84页，2023年，2月20日，星期三时钟表示法：

作为时钟的长针永远指向12，

作为时钟的短针，根据短针的指向，确定联结组标号。

第62页，共84页，2023年，2月20日，星期三2、三相变压器绕组的联结三相高压绕组：首端A、B、C，尾端X、Y、Z低压绕组：首端a、b、c，尾端x、y、z三相绕组联成星形（Y）或三角形（D），Y形：X、Y、Z联结一起（1）、星形联结第63页，共84页，2023年，2月20日，星期三相电动势

线电动势

三角形联法（D联结）

a、AX-CZ-BY-AX第64页，共84页，2023年，2月20日，星期三B、联结顺序是AX-BY-CZ-AX

第65页，共84页，2023年，2月20日，星期三3．三相变压器的联结组仍采用时钟法：

为长针，永远指向钟面“12”

为短针所指向的数字，称为三相绕组联结组标号

确定联结组标号具体步骤为：☆按规定绕组的出线端标志联接成所规定的联接法，画出联接图☆标明相电势方向☆判断同一相的相电势的相位，并画出高低压边对称三相电势的相量图，将相量，和的头A和a画在一起☆根据高低压线电势的相位差确定联组的标号第66页，共84页，2023年，2月20日，星期三①Yy联结

a、Yy0联结Yy0联结第67页，共84页，2023年，2月20日，星期三b、Yy6联结Yy6联结第68页，共84页，2023年，2月20日，星期三

②Yd联结

a、Yd11联结Yd11联结第69页，共84页，2023年，2月20日，星期三

b、Yd1接法Yd1接法第70页，共84页，2023年，2月20日，星期三画图的注意事项：（１）画在一个纵方向的两个高低绕组是指一个铁心柱上的高低绕组。（２）把a和A重合，是为了使高、低压绕组线电动势有公共的起点。第71页，共84页，2023年，2月20日，星期三

①Yy联结方式，只能得到偶数的联结组别。即:Yy0、Yy2、Yy4、Yy6、Yy10②Yd或Dy联结方式，只能得到奇数的联结组别。即:Yd或Dy（1、3、5、7、9、11)③电力变压器常用的联接组别为:Yyn0,Yd11,YNd11,YNy0和Yy05、思考：Yy0变为Yy4,Yy0变为Yy64、结论：第72页，共84页，2023年，2月20日，星期三作业:7-2,7-3(1)(2)第73页，共84页，2023年，2月20日，星期三7-5变压器的并联运行变压器并联运行是电力变压器的实际运行方式。1.本章主要内容：变压器理想并联运行的情况和条件；具体逐一分析不满足这些条件时的问题及实际并联运行的条件。2.本章重点：并联运行的各台变压器如果短路阻抗标幺值大小不同时，它们的负载分配不同，其容量分配与短路阻抗标幺值之间的关系是：第74页，共84页，2023年，2月20日，星期三7-5变压器的并联运行概述现代电力系统容量越来越大，一台变压器不能担负起全部容量的传输或配电任务，为此采用两台或多台变压器的并联运行。并联运行：变压器一、二绕组相同标志的出线端联在一起，分别接到母线上的运行方式。

第75页，共84页，2023年，2月20日，星期三并联运行的优点：1．提高供电的可靠性2．提高系统的运行效率3．减少备用容量

4．分期分批投资并联