《电机与变压器》课件 第1章 变压器

第一章变压器原理本章教学目标：1、掌握变压器的结构及其基本工作原理；2、掌握变压器的外特性及电压调整率；3、掌握变压器的空载试验和短路试验；4、了解变压器的损耗和铭牌数据意义；5、掌握变压器效率的计算方法。本章教学重点：1．变压器的工作原理；2．变压器的外特性及电压调整率。本章教学难点：1．变压器空载、负载运行时各量间的关系；2．变压器的变换阻抗作用。学生情况分析：1．了解学生<电工基础>知识的掌握程度；2．了解学生<物理-电学>知识的掌握程度。概述：变压器是在电力系统和电子线路中应用广泛的电气设备。利用电磁感应原理，将一种交变电压转变为另一种或两种以上相同而数值不同的交变电压。，电能的传输、分配和使用中，变压器是关键的静止设备。除电力系统外，它在通信、广播、冶金、焊接、电子实验、电气测量、自动控制等方面，均有广泛的应用。本章主要叙述变压器的结构、分类、基本工作原理、运行特性、试验、铭牌等内容。第一节变压器的结构及其分类一、变压器的结构变压器的主要组成：铁心、绕组——组装在一起称为器身。三相三柱式铁心变压器器身变压器铭牌与温度计大型变压器油箱1．铁心(1)铁心材料铁心是磁路的主体，铁心--铁心柱--铁轭。铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合。铁心的作用是建立较大的磁通量。绕组通电后产生磁通，磁通是循着导磁体(铁心内)流通的。为了提高铁心导磁性能，减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，铁心通常采用含硅量约为5%，厚度为0.35mm或0.5mm，两面涂绝缘漆或氧化处理的硅钢片叠装而成。变压器三相五柱式铁心a变压器三相五柱式铁心b硅钢片是软磁材料。在较低的外磁场作用下，就能产生较高的磁感应强度，并且随着外磁场的增大磁感应强度会很快达到饱和；当外磁场去掉后，材料的磁性又能基本消失，剩磁很小。硅的加入，使硅钢片的电阻率提高、涡流损耗降低，老化现象减小。硅的加入，使硅钢片硬度提高，伸长率和韧性下降，硅钢片的加工困难些。电气工程所用硅钢片也称电工硅钢片，用D表示，按其轧制方法和轧后硅钢片的晶粒取向可将硅钢片分为三类。热轧硅钢片，代号为DR；冷轧无取向硅钢片代号为DW；冷轧有取向硅钢片代号为DQ。

因此使用冷轧有取向硅钢片时，磁感应线的方向必须和轧制方向吻合。

冷轧无取向硅钢片电工硅钢片的品种性能代号的意义如下：D△***-□□D表示电工硅钢片△表示硅钢片轧制工艺的字母代号,即R-热轧,W-冷轧无取向,Q-冷轧有取向***三位数字,表示该材料在50Hz的磁感应强度1.5T作用下,每千克材料的铁损耗值的100倍□□两位数字,表示硅钢片厚度的100倍例:DR315-50表示为热轧、厚度为0.5mm，在50Hz频率下磁感应强度为1.5T时，每千克硅钢片铁损为3.15W(2)铁心结构铁心：心式结构和壳式结构

如图1－2所示。①心式变压器如图1－2(a)所示。结构比较简单，有较多的空间装设绝缘，装配容易，用铁量较少，适用于容量大、电压高的变压器，一般电力变压器均采用心式结构。②壳式变压器

如图1－2(b)所示。机械强度较好，铁心容易散热，用铁量较多，制造也较为复杂，小型干式变压器多采用这种结构形式。

(3)铁心叠片形式

①条状铁心叠片大、中型变压器的铁心：将硅钢片裁成条状，采用交错叠片的方式叠装，使各层磁路的接缝互相错开，可以减少气隙和磁阻，如图1－3(a)、(b)所示。大型变压器的铁心：采用高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片，如D330等。冷轧硅钢片具有方向性，顺着辗压方向磁导率高，损耗小，因此采用斜切法下料，叠片方法如图1－3(c)所示。①条状铁心叠片大型变压器的铁心采用高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片剪裁

小型变压器：简化工艺和减小气隙，常采用E字形、F字形、C字形和日字形冲片交替叠装而成。这些冲片的形状如图1－4所示。

②渐开线式铁心

如图1－6所示。渐开线式铁心叠片，各片形状相同，适合机械化流水线生产，具有体积小、用料省、重量轻和铁损耗少等优点。

(4)铁心截面形式小型变压器铁心柱的截面是正方形或长方形的，图1－6(a)。大型变压器铁心柱的截面通常是梯形截面，如图1－6(b)所示。当铁心柱截面较大时，中间留有油道，如图1－6(c)所示。

2．绕组绕组的组成：用绝缘扁(或圆)铜线、绝缘铝线、铝箔绕制。绕组的作用：是作为电流的载体，产生磁通和感应电动势。绕组的名称：高压(一次)绕组，低压(二次)绕组。绕组在铁心柱上放置方式：绕组有同心式和交叠式。

(1)同心式绕组

同心式绕组是将高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为便于绕组与铁心绝缘，通常低压绕组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组的外面，如图1－7所示。也有低压、大电流绕组安放在高压绕组外面的。

同心式绕组具有结构简单、制造方便的特点，国产变压器多采用这种结构。又分为圆筒式、分段式、螺旋式和连续式等几种基本形式，如图1－8所示。①圆筒式绕组由一根或几根并联的绝缘导线沿铁心柱高度方向连续绕制而成，如图1－8(a)所示。用于每柱容量在200kVA以及电压在10kV以下变压器中。圆筒式绕组a圆筒式绕组b圆筒式绕组c圆筒式绕组d

②分段式绕组是将圆筒式绕组沿轴线分成若干段，每段之间用绝缘衬垫隔开，然后在外部用联接线联接起来，如图1－8(b)所示。比圆筒式绕组机械强度好、散热能力强，用于每柱容量为350kVA及以下的高压绕组中。

③螺旋式绕组

是由多根扁线沿径向并联排列，然后沿铁心柱轴向像螺纹一样，一匝跟着一匝绕制而成，这时，一个线饼就是一匝。当并联导线太多时，可把并联导线沿轴向分成两排，绕成双螺旋式线圈。为了减少导线中的附加损耗，在绕制过程中需将导线进行换位，如图1－8(c)所示。它一般用于三相容量为800kVA及以上，电压为35kV及以下的大电流变压器中的低压绕组。这种绕组导线截面积大、匝数少、绕组端部联接容易处理。

④连续式绕组

由单根或多根扁漆包线盘绕，沿轴线分若干段绕制成线饼。从一个线饼到另一个线饼的联接，不像分段式那样焊接，而是用特殊的“翻线法”连续绕线。线饼与线饼之间无接头，中间有油道，加强冷却作用，如图1－8(d)所示。(2)交叠式绕组交叠式绕组又称饼式绕组，它是高低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱的高度方向交替排列。为了便于绕线和铁心绝缘，一般最上层和最下层放置低压绕组，如图1－9所示。交叠式绕组的主要优点是漏抗小，机械强度好，引线方便。这种绕组仅用于壳式变压器中，如大型电炉变压器就采用这种结构。3．附件电力变压器的附件有油箱、油枕、分接开关、安全气道、气体继电器、绝缘套管等。其作用是保证变压器的安全和可靠运行。(1)油箱和冷却装置

油浸式变压器的外壳：油箱，如图1-1所示，盛有绝缘及散热用的变压器油。油箱的作用：保护变压器铁心和绕组不受外力作用和潮湿的侵蚀，通过油的对流，把铁心和绕组产生的热量传递给箱壁和散热管。对20kV·A以下的变压器，油箱本身表面能满足散热要求，故采用平板油箱；对30～200kV·A变压器，采用排管式油箱；对2．5－6．3MV·A的变压器，所需散热面积较大，则在油箱壁上装置若干只散热器，加强冷却；容量为8～40MV·A的变压器在散热器上还另装风扇冷却；对50MV·A及以上大容量变压器，采用强迫油循环冷却方式。当变压器的重量大于15t时，通常将变压器做成钟罩式油箱，检修时只需把上节油箱吊起，免除必须使用重型起重设备。

大型变压器油箱(2)油枕油枕亦称储油柜，如图1－10所示。它是一个圆筒形容器，装在油箱上部，称为油枕，用管道与油箱相连，使油刚好充满到油枕的一半。油面的升降被限制在油枕中，并且从外部的玻璃管中可以看到油面的高低，称其为油表。油枕的作用是既能随时将油充满整个油箱，又能根据温度变化，适应变压器油的热胀冷缩，还能使变压器油与空气接触面减少，防止潮湿气体侵入。变压器储油柜、散热管、安全气道、气体继电器等附件(3)安全气道

安全气道亦称防爆管，装在油箱顶盖上，如图1－10所示。它是一种保护设备，由一根长钢筒构成，其上端管口装有一定厚度的玻璃板或酚醛纸板(防爆膜)。当变压器发生严重故障而产生大量气体时，油箱内部的压强可达到50.66kPa(0.5个大气压)时，气体和油将首先冲破防爆膜向外喷出，以降低油箱内的压力，从而避免油箱内受到强大的向外压力而爆裂。(4)气体继电器

气体继电器是变压器的主要保护装置，装在变压器油箱和储油柜之间的连接管上，如图1－10所示。其内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板。当变压器内部发生故障时，产生的气体聚集在气体继电器上部，使油面降低、浮筒下沉，接通水银开关而发出报警信号；当变压器内部发生严重故障时，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一个水银开关接通，发出信号并跳闸，与电网断开起到保护作用。图1-11为气体继电器外形和结构图。（5）吸湿器又称为呼吸器。如图1-1（3）它内部装有用氯化钛浸渍过的硅胶。当变压器温度变化时，油枕的油面上下变化，油面上的空气通过吸湿器与大气相通。由于硅胶的吸湿能力很强，硅胶就会吸收掉空气中的水分，保证油枕内空气的干燥，以免水分进入变压器油。此硅胶干燥时为兰色，吸湿饱和后为红色，应急时可将红色硅胶进行烘烤变为兰色后再放入吸湿器。(6)调压分接开关变压器运行时，其输出电压是随输入电压的高低和负载电流的大小及性质而变动的。在电力系统中，为了使变压器的输出电压控制在允许变化的范围内，变压器的高压绕组匝数要求在一定范围内调节，因为高压绕组一般在低中压绕组外面，引出调压分接头方便，引线截面积小，电流也小，比较方便。因而一次绕组一般都备有抽头，称为分接头，如图1－12所示。利用开关S与不同分接头相连接，就可以改变一次绕组的匝数，从而达到调节电压的目的。其调节范围一般是额定输出电压的±5%，也有范围在±7．5%的。调压分接开关分为有载调压分接开关和无励磁调压分接开关两种。有载调压分接开关是在不停电带负载情况下，随时进行调压的。无励磁调压分接开关，再进行调压前要断开变压器一、二次电源，断电后调节无励磁分接开关，改变变压器绕组匝数，从而达到调整电压的目的。(7)绝缘套管

绝缘套管是由外部的瓷套和其中的导电杆组成。其作用是使高、低压绕组的引出线与变压器箱体绝缘。它的结构主要取决于电压等级和使用条件。电压≤1kV时采用实心瓷套管；电压在10～35kV时采用充气式或充油式套管；电压≥110kV时采用电容式套管。为了增加表面放电距离，套管外形做成多级伞形，如图1－13所示。变压器模型中的绝缘套管(8)测温装置

在变压器运行时，需要监视变压器油面的温度。小型的油浸式变压器可用水银温度计，较大的变压器通常采用压力式温度计，如图1－14(a)所示。它是由测温管、金属软管和表头三部分组成。表头实际上是一个压力表，装在油箱壁上便于观察油的位置；测温管内充满某种液体(例如氯化甲烷或乙醚等)，通过金属软管与表头联接；测温管固定在油箱顶盖上的一个开口套筒内。套筒内注满变压器油，如图1－14(b)所示。当变压器的油温变化时，氯化甲烷的压力也跟着变化，表头的指针(黑针)偏转，指示出相应的温度值。指针的轴还可带动两对接点，调节装在表头上的最高温度指针(黄针、红针)就可以改变接点闭合时的温度。当油温达到指定值时，接点闭合而接通电路，发出信号或开动冷却系统的自动装置。分类依据：

变压器有很多类型，可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、调压方式、冷却方式、容量等进行分类。

二、变压器的分类(1)按用途不同分类变压器分为：电力变压器(升压变压器、降压变压器、配电变压器、厂用变压器等)；特种变压器(电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等)；仪用互感器(电压互感器、电流互感器)；试验用的高压变压器和调压器等。(2)按绕组结构不同：变压器分为：双绕组；三绕组；多绕组变压器；自耦变压器。(3)按铁心结构不同：心式变压器；壳式变压器。(4)按相数不同：单相、三相、多相(如整流用的六相)变压器。

(5)按调压方式不同：

励磁调压变压器、有载调压变压器。(6)按冷却方式不同：变压器分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环冷却变压器、强迫油循环导向冷却变压器、充气式变压器等。(7)按容量不同：变压器分为小型变压器，容量为630kVA及以下；中型变压器，容量为800kVA～6300kVA；大型变压器，容量为8000kVA～63000kVA；特大型变压器，容量为900000kVAR以上。（8）按交流电频率：变压器可分为工频变压器、中频变压器、高频变压器（脉冲变压器）。

第二节变压器的基本原理

一、变压器的基本工作原理变压器主体是：铁心----绕组。图1-15

电磁感应原理：

穿过绕组的磁通量发生变化时，绕组中便有感应电动势产生，如果绕组电路闭合，便产生感应电流。就是一次绕组接通交流电源时，在一次绕组中就有交变电流通过，这个电流将激励铁心产生交变的磁通。

由于一次、二次绕组套在同一铁心柱上，铁心中的交变磁通同时交链一次、二次绕组，于是在两绕组中都产生感应电动势。

对于负载来说，二次绕组中的感应电动势相当于电源，在二次绕组接通的回路中，便有电流通过，使灯泡发光。

根据电磁感应原理，一次、二次绕组都产生感应电动势，二次绕组的感应电动势相当于新的电源，变压器是利用电磁感应原理进行电能转化的电磁转换装置。将变压器一次侧交流电压电流通过电磁感应传递给二次侧的电压电流与一次侧不同或相同，从而达到电能传递的目的，传递时电源频率不变，这就是变压器的基本工作原理。

变压器一次绕组从交流电源吸收电能传递到二次绕组供给负载，铁心中的磁通是能量传递的中介桥梁。

事实证明：

变压器只能传递交流电能，而不能产生电能；

它只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率；而在传递过程中几乎不改变电流与电压大小的乘积，即P=U1·I1≈U2·I2

二、变压器的空载运行

将变压器一次绕组接交流电源，二次绕组开路，这种运行方式称为变压器的空载运行。图1－16是单相变压器空载运行原理图。

1．变压器有关各量正方向的规定通常是这样规定的：

(1)在一次绕组内，电流的正方向与电压的正方向一致。

(2)电流的正方向与磁通的正方向之间关系符合右手螺旋法则。

(3)绕组感应电动势的正方向与产生该电动势的磁通正方向一致，符合右手螺旋法则。

(4)在二次绕组内，电流的正方向与电动势的正方向一致。(5)在二次绕组端，电压的正方向与电流的正方向一致。2.变压器中各有关量间的关系3.变压器一次、二次绕组感应电动势的大小1834年俄国物理学家楞次总结出感应电动势方向的规律如下：当穿过线圈的磁通量发生变化时，感应电流的方向总是力图使它产生的磁场阻碍线圈中原磁通的变化。这是连同楞次定律在内的电磁感应定律数学表达式。有了这一负号，就能根据磁通量的变化率确定感应电动势的大小与方向。若只考虑其绝对值，则（1-4）由式(1－1)、(1－2)和(1－6)可得出U1=E1=4.44fN1Φm

(1－8)

4．变压器的变比由于一次、二次绕组匝数不同，主磁通在一次、二次绕组中感应电动势的大小也就不同。根据式(1－8)可以求得变压器的一次、二次绕组电动势的比值，称为变压器的变比，用符号K表示。

变压器的变比K等于一次、二次绕组匝数之比。当K>1时，是降压变压器；当K<1时，是升压变压器；当K=1时，是隔离变压器。变比是变压器的一个重要运行参数。(1--9)5.实际变压器空载运行时的向量关系三、变压器的负载运行1.一次绕组的电压平衡方程式2．变压器磁动势平衡方程式及电流比3.二次绕组电路的电压平衡方程式及实际负载运行时的相量图

四、变压器的作用

1．变压器的变压、变流作用从变压器的运行情况得知，变压器有变换电压的作用，能够将高电压变为低电压，也能够将低电压变为高电压。同时，变压器也有变换电流的作用，一次、二次绕组电流的大小与一次、二次绕组的匝数成反比。在远距离输送电能时，必须采用高压输电才经济合理。从下面例题中便可知道变压器在输送电能中的作用。

例1－1从某电厂通过30km的三相输电线向某工厂送电，输电线采用185mm2的钢心铝线，它每千米的电阻为0.17Ω。假设输送容量为20000kVA，试计算输电线路线电压分别为110kV、35kV、10kV时，线路上的功率损失是多少?各占输送容量的百分比是多少?选用哪一电压等级的变压器合适?

由此可见，输电线路电压愈高，线路损失占输送容量的百分比愈少。当线路电压为10kV时，线路损失超过了输送容量，使上一级变压器超负荷工作，这是不允许的。也就是说，在输送容量(功率)一定的情况下，输电线路电压愈高，输送的电流愈小，线路损失愈少。所以，在条件允许的情况下，尽可能采用高压输送电能。因此，本题选用110kV电压等级的变压器合适。此外，导线中电流变小，导线截面积可小些，重量减轻，便于长距离架设。当然由于线路电压升高，相应需要解决绝缘问题。2．变压器的变换阻抗作用变压器还有一种变换阻抗的作用。在电子设备中，负载若要获得最大输出功率，必须满足负载电阻与电源内阻相等这一条件，这称为阻抗匹配。但是，在一般情况下，负载阻抗是一定的，不能随意改变，因此很难得到满意的阻抗匹配。利用变压器可以进行阻抗变换，适当选择变压器的匝数比，把它接在电源与负载之间，就可以实现阻抗匹配，从而使负载获得最大的输出功率。公式(1-19)表明，变比为K的变压器，可以把其二次绕组的负载阻抗，变换成为对电源来说扩大到K

2倍的等效阻抗。

例1-2在某晶体管收音机中，输出阻抗为360Ω，现有一阻抗为8Ω的扬声器，若要使扬声器获得最大输出功率，问需要在扬声器和收音机的输出端之间，接人变比为多大的变压器?如果输出变压器的一次绕组为230匝，求阻抗匹配时，变压器二次绕组的匝数?解由公式(1-19)可以求出变压器的变比

由此可见，变压器的阻抗变换作用，在电子技术中得到了广泛应用。第三节变压器的外特性和电压调整率对于负载来讲，变压器相当于一个电源。对于电源，我们所关心的是它的输出电压与负载电流大小的关系，即一般所说的外特性。为了适应不同负载的需要，对变压器的输出电压进行必要的调整，可以保证供电质量。

一、变压器的外特性根据对变压器负载运行情况的分析，当一次绕组电压U1不变时，如果负载电流I2增加，在二次绕组内阻抗压降也会增加，二次绕组输出的电压U2随之下降。这种变化关系可以用变压器的外特性来描述。

当一次绕组电压U1和负载的功率因数cosφ2一定时，二次绕组输出的电压U2与负载电流I

2的关系，称为变压器的外特性。它可以用实验的方法测得。图1－22画出了几条功率因数不同的外特性曲线。在图1－22中，当一次绕组加额定电位U1N且I

2=0时，二次绕组端电压U20=U2N，即变压器二次绕组空载电压U20即为二次绕组额定电压。(1)当负载为纯电阻时，cosφ2

=1随着负载电流I2的增大，变压器二次绕组边的输出电压逐渐降低，即变压器输出电压具有下降的外特性，但下降的并不多。

(2)当负载为电感性时，cosφ2<1，随着负载电流I2的增大，变压器二次绕组边的输出电压下降较快。这是因为无功电流滞后，对变压器磁路中主磁通的去磁作用较强，使二次绕组的E2下降所致。

(3)当负载为电容性时，cosφ2<1，φ2为负值。超前的无功电流有助磁作用，主磁通会有所增加，E2也随之增加，使U2会随I2的增加而增加。以上说明，功率因数对变压器外特性的影响是很大的，负载的功率因数确定之后，变压器的外特性曲线也就随之确定了。

二、变压器的电压调整率一般情况下，当负载波动时，变压器的输出电压也是波动的。从负载用电的角度来看，总希望电源电压尽量稳定。当负载变动时，二次绕组输出电压的变化程度可以用电压调整率来描述。变压器从空载到额定负载(I2

=I2N)运行时，二次绕组输出电压的变化量ΔU与空载额定电压U2N的百分比，称为变压器的电压调整率，用ΔU%表示（1-20）

电压调整率表征电网电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。在一定程度上反映供电的质量，它与变压器参数及负载性质有关。对于电力变压器，由于其一次、二次绕组的电阻和漏抗都很小，额定负载时，电压调整率约为4%～6%。但当负载功率因数cosφ2下降时，电压调整率会明显增大。因此，提高企业供电的功率因数，也有减小电压波动的作用。

例1－3有一台变压器接通负载后，二次绕组的输出电压为5700V，它的电压调整率为4.8%，求二次绕组的额定电压U2N是多少?

我国电力技术政策规定，35kV以上的电压，允许偏差±5%；10kV以下高压供电和动力供电为±7%；低压照明设备为+5%～-10%。

第四节变压器的空载试验和短路试验变压器试验的目的是：检验变压器的性能是否符合有关标准和技术条件的规定；测出变压器的有关数据。

一、变压器的空载试验

目的是测定变压器的变比K，空载电流I0，空载损耗P0和励磁阻抗Zm等。试验电路如图1－23所示。

1.测变比K

将变压器的一次、二次绕组两边均接上电压表，称双电压表法测试变比。进行试验时，调节调压变压器，使一次绕组电压达到额定值U1N，这时二次绕组的空载电压也是额定值U2N=U20=E2，由此可以得到该变压器的变比K

(1－21)

变压器的变比是变压器并联运行的重要参数。2．测空载电流I0和空载损耗P0将变压器的二次绕组开路，调节调压变压器，观察电路中电压表V1使一次绕组电压达到额定值U1N，图中电流表A所测得的电流值即为变压器的空载电流I0。这时铁心中的主磁通也达到了变压器额定工作时的数值。由于二次绕组开路，没有电流流过，所以副绕组没有铜损耗。一次绕组中的空载电流I0很小，铜损耗可以忽略不计。因此，变压器一次绕组的输入功率P0，可以认为全部是变压器的铁心损耗PFe

。这时，铁心中的功率损耗也达到了额定工作状态下的数值。这样，电路图中功率表测得的功率P0，就是变压器的空载损耗即铁心损耗PFe。P0=PFe测量空载电流I0和空载损耗P0，可以判断铁心质量及绕组是否短路。如果空载电流过大，说明铁心可能过于饱和或可能匝间短路。这两种可能都会造成变压器温升过高。

3．测量计算励磁阻抗Zm、电阻rm和励磁电抗xm

根据上述试验数据，计算出：

(1－22)励磁阻抗是一个等效阻抗，它所表示的意义是，变压器在空载运行时，流过的空载电流I0在铁心中建立交变磁通，交变磁通在一次绕组中产生感应电动势，在铁心中引起损耗，对应交变磁通的电抗及对应铁损耗的等效电阻之和即为励磁阻抗。它是表征铁心磁化性能和铁心损耗的一个综合参数。

励磁电阻是表征铁心损耗的一个等效参数，励磁电抗是表征铁心磁化性能的一个等效参数。由于铁心磁路的磁化曲线是非线性的，E1和IM

之间也是非线性关系，即励磁阻抗Zm

不是常值，而是随着工作点饱和程度的增加而减少。因此可以根据所测得励磁阻抗值来确定铁心磁路的饱和程度。但是实际变压器运行时变压器工作在磁化曲线的线性段，主磁通φm变化很小，可近似认为Zm为常值。

对于变压器空载试验，不论在变压器一次绕组还是二次绕组上施加额定电压，铁心中的主磁通及铁损耗相同。因此，为了方便，一般在低压侧加额定电压，让高压侧空载。这时应选用合适的测I2量仪表。但这时应将低压侧的阻抗值Z2，通过阻抗变换折算成高压侧的阻抗Z1。即Z1=K2Z2

4.空载功率因数当电压变化时，铁心饱和程度变化，因正常电力变压器空载电流很小，空载损耗即为铁损耗，因此功率因数

由上式可知，P0越小，

越低，说明铁心和绕组质量越好，因此可通过空载实验的功率因数测量检查铁心质量和匝数是否恰当或有无短路。

二、变压器的短路试验

目的是：测出变压器的铜损耗PCu，短路电压UK

，短路阻抗ZK等数据，以检查绕组的质量。

1．测铜损耗P

CuN

将二次绕组短路，首先调节调压变压器，切记一次绕组所加的电压从零开始逐渐升高，直到一次绕组电流达到额定值为止，这时功率表的读数就是短路试验的铜损耗。即

PD=PCuN上式表明，在短路试验中，二次绕组端头短接，二次绕组不对外输出功率。当一次绕组电流达到额定值时，二次绕组电流也达到额定值。这时变压器的铜损耗就相当于额定负载时的铜损耗PCuN。因为二次绕组短路，达到额定电流时所需要的电压很小，铁损耗可忽略不计。短路试验时的全部输入功率基本上都消耗在变压器一次、二次绕组的电阻上。因此，功率表测得的功率就是变压器额定负载时的铜损耗PCuN。2．测短路电压U

K使一次绕组电流等于额定电流值时的电压称为短路电压或称阻抗电压，用U

K

表示。短路电压(阻抗电压)一般表示为额定电压的百分之几。如有的变压器铭牌中表示阻抗电压：4.94%。一般中小型电力变压器，短路电压是很小的，只有额定电压的4%～10.5%，大型电力变压器为12.5%～17.5%。3．测量计算短路阻抗ZK,短路电阻r

K,短路电抗XK

由电压表和电流表的读出数据即可确定：

(1－23)当变压器短路时，短路阻抗是变压器的漏阻抗，对变压器的外特性有较大的影响。从正常运行角度看，希望变压器的短路电压小些，对发生短路事故而言，则希望短路电压大些。设计变压器时，使漏阻抗大些，可以限制短路电流的数值。对于变压器短路试验，多为高压边接电源，低压边短路进行测试。

第五节变压器的损耗和效率变压在传输电能过程中，不可避免地要产生损耗，虽然很少，但有时还是不能忽略的。

一、变压器的损耗

1．铁损耗PFe

当变压器铁心中的磁通交变时，在铁心中要产生磁滞损耗和涡流损耗，统称为铁损耗。在变压器空载试验中，由于空载电流I0和一次绕组电阻r1都比较小，变压器空载时，变压器的空载损耗基本上等于变压器的铁损耗。当电源电压一定时，铁损耗基本上是恒定的。将铁损耗称之为不变损耗，它与负载电流的大小和性质无关。即PFe=P0=常数2．铜损耗PCu

变压器一次、二次绕组中都有电阻，当电流流过绕组时，就要产生热量，消耗电能，这就是铜损耗。电阻上的功率损耗与电流的平方成正比，变压器的铜损耗取决于负载电流的大小和绕组的电阻值。在一定负载下，变压器的铜损耗为

(1-24)

这个公式是按二次绕组的电流I2及一次绕组的电阻r1、二次绕组的电阻r2来计算变压器铜损耗的。

一般情况下，已知变压器的负载系数β，它是在任一负载下，二次绕组的电流I2与变压器二次绕组的额定电流I2N的比值，即

(1-25)

在短路试验中，二次绕组流过额定电流I2N，一次绕组流过额定电流I1N，那么这时的铜损耗就可以认为是变压器额定负载时的铜损耗，即

公式(1-27)说明，在某一负载下变压器的铜损耗等于变压器负载系数的平方与其额定铜损耗的乘积。

二、变压器的效率

1．变压器的效率及其实用公式两种基本损耗：铜损耗和铁损耗。变压器输入有功功率P1与输出有功功率P2之差就是变压器本身的功率损耗。变压器的输出功率P2与输入功率P1的比值定义为变压器的效率，用符号η表示。计算公式为

(1－28)

变压器效率高低反映了变压器运行的经济性，是运行性能的重要指标。由于变压器是一种静止的电气设备，在能量传输过程中没有机械损耗，它的效率很高。中小型变压器效率可达

95%～98%；大型变压器效率可达99%以上。用直接负载法测量输出功率和输入功率来确定效率很难得到准确的结果。

一般用间接法计算变压器的效率，因为

ΔP=P1-P2(1－29)

在求实际运行的变压器效率时，只要能计算出ΔP=PFe+PCu时，效率η就容易计算了。对于单相变压器来说，

（1-31）

这是一个很实用的计算公式。2．变压器的效率特性曲线一个实际的变压器，PFe和P

CuN是一定的。当负载的功率因数一定时，效率η只与负载系数β有关。变压器的效率与负载系数的关系，即η=f(β)曲线，称为变压器的效率曲线，如图1－25所示。它表明了变压器的效率η与负载电流I2大小的关系。从这条曲线可以看出，变压器的效率有一个最大值ηmax，用数学分析的方法可以证明：当变压器的铜损耗PCu等于铁损耗PFe时，变压器的效率最高。因此可得到变压器效率最高时的条件（1-32）

将(1－32)式代人(1－31)式便得到变压器最大效率表达式(1-33)从曲线中可以看出，当β<βm时，变压器的效率较低。这是因为变压器的铁损耗不随负载的大小而变化，输出功率较小时，铁损耗占的比例较大。当β>βm时，这时变压器的铜损耗增加较快，输出功率较大时，铜损耗占的比例增大，使效率又降低了。所以，要提高变压器运行时的效率，注意不该使变压器在较低负载下运行。

例1－4一台容量为10kVA的单相变压器，电压为2200V/200V，电流为4.55A/45.5A，空载损耗户P0=90W，短路损耗P

CuN=270W，求：

(1)当cosφ2=0.8时，输出电流I2=30A时，变压器的效率η?(2)当cosφ2=1时，变压器的最高效率ηm?

解(1)首先求出电流负载系数β根据公式（1-31）求效率η（2）求最高效率时βm

所以，一般电力变压器最大效率发生在βm=0.5～0.6范围内。这时铁损耗与短路损耗(额定铜损耗)之比(PFe/P

CuN)约为(1/4～1/3)。世界上很多国家正在致力于超导材料的研究，目前已有330kVA单相超导绕组变压器问世，其体积比普通变压器小70%左右，损耗可降低50%。第六节变压器的铭牌

一、三相电力变压器铭牌

表1－1三相电力变压器铭牌

二、三相电力变压器铭牌内型号、数据的意义1．型号及系列2．额定容量SN

额定容量：在额定工作条件下变压器输出功率的保证值，是变压器的视在功率。即SN=U1N

·I1N=U2N

·I2N，也是变压器输出最大电功率的能力，不能将变压器的实际输出功率与容量相混淆。三相变压器的容量为

单位为伏安(VA)、千伏安(kVA)、兆伏安(MVA)。视在功率采用伏安作