电力变压器基础知识及习题集

电力变压器基础知识及习题集引言电力变压器作为电力系统中不可或缺的关键设备，承担着电能传输与分配过程中的电压变换重任，其安全稳定运行直接关系到整个电力网络的效率与可靠性。深入理解变压器的基本原理、结构特性、运行规律及相关技术参数，是从事电气设计、运行维护、检修试验等专业技术人员的必备素养。本文旨在系统梳理电力变压器的基础知识，并辅以配套习题，以期为相关从业人员提供有益的参考与学习素材，夯实理论基础，提升实践能力。一、电力变压器基础知识1.1变压器的基本概念与原理1.1.1定义电力变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，将某一等级的交流电压和电流转换为同频率的另一等级或几等级的交流电压和电流，以满足电能的传输、分配和使用要求。1.1.2基本原理变压器的工作基础是电磁感应定律。当一次绕组接入交流电源时，绕组中流过交变电流，在铁芯中产生交变磁通，该磁通同时穿过一次绕组和二次绕组。根据电磁感应定律，在二次绕组中便会感应出电动势。若二次绕组闭合，则会产生电流，实现能量的传递。其核心是通过磁场作为媒介，完成电能到磁能再到电能的转换，并实现电压和电流的变换。1.1.3主要结构电力变压器主要由铁芯、绕组、油箱、冷却装置、绝缘套管、分接开关及保护装置等部分组成。*铁芯：构成磁路，是电磁能量转换的媒介，通常由高导磁率的硅钢片叠装而成，以减小磁滞损耗和涡流损耗。*绕组：构成电路，分为一次绕组（原绕组）和二次绕组（副绕组），是接受和输出电能的部件，一般用绝缘导线绕制。*油箱：容纳铁芯和绕组，作为外壳起到机械保护作用，同时也是油浸式变压器油的容器。*冷却装置：用于散发变压器运行时产生的热量，保证变压器在允许温度下运行，常见的有自然冷却、强迫风冷、强迫油循环冷却等方式。*绝缘套管：将绕组的引出线从油箱内部引到外部，并使引出线与油箱之间保持良好绝缘。*分接开关：用于改变变压器绕组的匝数比，以调节二次侧输出电压，分为无励磁分接开关和有载分接开关。1.2变压器的分类电力变压器种类繁多，可按不同方式进行分类：*按相数分：单相变压器、三相变压器。*按冷却介质和冷却方式分：油浸式变压器（如油浸自冷式ONAN、油浸风冷式OFAF等）、干式变压器（如空气自冷式AN、空气强迫风冷式AF等）。*按用途分：电力变压器（如升压变压器、降压变压器、配电变压器）、特种变压器（如整流变压器、电炉变压器、所用变压器、接地变压器等）。*按绕组数分：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器。1.3变压器的基本工作原理1.3.1电磁感应变压器的核心工作原理基于法拉第电磁感应定律。当一次绕组施加交变电压时，便有交变电流流过，在铁芯中产生交变磁通。该交变磁通同时匝链一次绕组和二次绕组，根据电磁感应定律，在两绕组中分别感应出电动势。感应电动势的大小与绕组匝数、磁通变化率成正比。1.3.2变比变压器一次绕组电动势E₁与二次绕组电动势E₂之比，等于一次绕组匝数N₁与二次绕组匝数N₂之比，称为变压器的变比k，即k=E₁/E₂≈U₁/U₂=N₁/N₂。忽略励磁电流时，电流之比与匝数成反比，即I₁/I₂≈N₂/N₁=1/k。1.3.3能量传递在理想变压器中，一次侧输入的电功率等于二次侧输出的电功率，即P₁=P₂。实际变压器存在损耗（铜耗、铁耗），因此输入功率等于输出功率与损耗之和。1.3.4损耗与效率变压器的损耗主要包括：*铁耗（空载损耗P₀）：由铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗组成，其大小与铁芯材质、磁通密度及电源频率有关，与负载大小基本无关。*铜耗（负载损耗Pₖ）：由绕组电阻通过电流时产生的损耗，其大小与绕组电阻和负载电流的平方成正比。变压器的效率η定义为输出有功功率P₂与输入有功功率P₁之比，即η=P₂/P₁×100%=P₂/(P₂+P₀+Pₖ)×100%。1.4变压器的运行特性1.4.1外特性变压器的外特性是指在电源电压U₁和负载功率因数cosφ₂一定时，二次侧端电压U₂随负载电流I₂变化的关系曲线U₂=f(I₂)。对于电阻电感性负载，外特性曲线是下降的；对于电阻电容性负载，外特性曲线可能上升。1.4.2电压调整率电压调整率是衡量变压器外特性的重要指标，定义为：当一次侧施加额定电压，二次侧空载电压U₂₀与在某一功率因数下满载时二次侧电压U₂N之差，与二次侧额定电压U₂N的百分比，即ΔU%=[(U₂₀-U₂N)/U₂N]×100%。1.4.3短路阻抗变压器二次绕组短路，一次绕组施加电压使其二次绕组电流达到额定值时，一次侧所加电压与额定电压之比的百分数，称为短路阻抗（或阻抗电压）Uk%。短路阻抗是变压器的重要参数，对变压器的并列运行、短路电流限制及电压调整率有重要影响。1.5变压器的额定参数变压器的额定参数通常标注在其铭牌上，主要包括：*额定容量SN：指变压器在额定工况下运行时所能输出的视在功率，单位为千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。*额定电压U₁N/U₂N：指变压器一次、二次绕组的额定电压，单位为千伏（kV）。对于三相变压器，指线电压。*额定电流I₁N/I₂N：指变压器在额定容量和额定电压下，一次、二次绕组允许长期通过的电流，单位为安（A）。*额定频率fN：指变压器设计运行的电源频率，我国为50赫兹（Hz）。*阻抗电压Uk%：如前所述。*冷却方式：如ONAN、OFAF等。*温升：指变压器在额定运行时，各部分温度高出环境温度的允许值。*联结组别：表示变压器高、低压绕组的联结方式和相位关系，如Yyn0、Dyn11等。二、习题集一、填空题1.电力变压器的基本工作原理是基于________定律。2.变压器主要由________和________两大核心部件构成，它们分别构成了变压器的________和________。3.变压器的变比k等于其________绕组匝数与________绕组匝数之比，在忽略漏阻抗压降时，也近似等于其________电压与________电压之比。4.变压器运行时的损耗主要包括________损耗和________损耗，其中________损耗与负载大小无关，而________损耗则与负载电流的平方成正比。5.三相变压器的联结组别不仅表示了绕组的________方式，还反映了高、低压侧对应线电压之间的________关系。二、选择题1.一台单相变压器，额定电压为220V/110V，若不慎将低压侧接到220V电源上，则变压器将（）。A.输出电压为440VB.铁芯严重饱和，励磁电流大增，可能烧毁C.输出电压仍为110VD.无明显变化2.变压器的铁芯采用硅钢片叠装而成，主要目的是为了减小（）。A.铜耗B.磁滞损耗和涡流损耗C.机械损耗D.附加损耗3.变压器铭牌上的额定容量是指（）。A.有功功率B.无功功率C.视在功率D.瞬时功率4.当变压器带（）负载时，其二次侧端电压随负载电流增大而升高。A.电阻性B.电感性C.电容性D.纯电阻性5.变压器的短路阻抗Uk%值（）。A.越大越好，可限制短路电流B.越小越好，可降低电压调整率C.应根据系统需求合理选择D.对变压器运行无影响三、简答题1.简述变压器油在油浸式变压器中的主要作用。2.什么是变压器的电压调整率？其大小主要与哪些因素有关？3.变压器并列运行的基本条件有哪些？为什么？4.解释变压器分接开关的作用，无励磁分接开关和有载分接开关有何主要区别？5.变压器铁芯为什么必须可靠接地？且只允许一点接地？三、习题参考答案一、填空题1.电磁感应2.铁芯，绕组，磁路，电路3.一次（原），二次（副），一次（原），二次（副）4.铁（空载），铜（负载），铁（空载），铜（负载）5.联结，相位二、选择题1.B2.B3.C4.C5.C三、简答题1.答：变压器油在油浸式变压器中的主要作用有两个：一是绝缘作用，变压器油具有比空气高得多的绝缘强度，能有效绝缘绕组、铁芯等部件，并将它们之间以及对地绝缘开来；二是冷却作用，变压器运行时产生的热量通过油的对流和传导，将热量传递给油箱壁或冷却装置，再散发到周围环境中，从而降低设备温度。此外，变压器油还能起到一定的灭弧作用（如在有载分接开关的切换过程中）和防止铁芯及绕组氧化的作用。2.答：变压器的电压调整率是指：当一次侧施加额定电压，二次侧空载时的端电压U₂₀与在某一给定功率因数下满载（额定电流）时的端电压U₂N之差，与二次侧额定电压U₂N的百分比。其计算公式为ΔU%=[(U₂₀-U₂N)/U₂N]×100%。电压调整率的大小主要与以下因素有关：变压器的短路阻抗（阻抗电压）大小、负载电流的大小以及负载的功率因数角。短路阻抗越大、负载电流越大，电压调整率通常也越大；在感性负载下，功率因数越低，电压调整率越大；容性负载时情况可能相反。3.答：变压器并列运行的基本条件有：*变比相等：若变比不等，并列运行时在变压器之间会产生环流，增加损耗，甚至影响变压器容量的合理利用。*联结组别相同：若联结组别不同，意味着高、低压侧线电压的相位差不为零，会产生很大的环流，可能导致变压器损坏。*短路阻抗（或阻抗电压）的百分值相等：若短路阻抗百分值不等，各台变压器分担的负载电流将与其短路阻抗成反比，导致阻抗小的变压器过负荷，阻抗大的变压器欠负荷，不能充分利用容量。实际运行中，还要求变压器的额定容量尽量接近，以提高并列运行的经济性。4.答：变压器分接开关的作用是通过改变变压器绕组的匝数比，来调整其二次侧输出电压。当系统电压发生波动或负载变化导致二次电压偏离额定值时，可通过操作分接开关进行调节。无励磁分接开关（俗称无载分接开关）必须在变压器停电、不带电的情况下才能进行分接位置的切换。而有载分接开关则可以在变压器带负荷运行的情况下进行分接位置的切换，以实现不间断地调整输出电压。有载分接开关结构复杂，价格较高，通常配备有过渡电阻等装置以限制切换过程中的环流和电弧。5.答：变压器铁芯必须可靠接地，主要是为了防止铁芯及其他金属部件感应悬浮电位过高而造成对地放电。运行中的变压器，铁芯及金属构件处在交变磁场中，会感应出一定的电动势。如果铁芯不接地，或者接地不良，这些感应电动势可能使铁芯与接地体之间产生电位差，当电位差足够高时，就会发生放电现象，损坏绝缘。铁芯只允许一点接地，这是为了避免形成闭合回路。如果铁芯有两点或多点接地，则接