任務1.3 特殊變壓器認知及應用

知識與能力目標

1)熟悉自耦變壓器的結構與工作原理。

2)熟悉電壓互感器的結構與工作原理。

3)熟悉電流互感器的結構與工作原理。

由于工業的不斷發展，相應地出現了適用于各種行業的特殊變壓器。下面將討論常見的自耦變壓器和儀用變壓器。

1.3.1 自耦變壓器認知及應用

1.自耦變壓器

自耦變壓器是將一、二次繞組合成一個繞組，其中一次繞組的一部分兼做二次繞組，它的一、二次繞組之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯系，如圖1-31所示。其中N₁為自耦變壓器一次繞組的匝數，N₂為自耦變壓器二次繞組的匝數。

圖1-31 自耦變壓器

自耦變壓器也是利用電磁感應原理工作的。當一次繞組兩端加電壓U₁時，鐵心中產生交變磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產生感應電動勢E₁及E₂，有如下關系

變比：

當負載時，假定一次繞組電流為 ，負載電流為 ，則二次繞組的電流 。有磁勢平衡關系

由于I₀很小，忽略不計，則

將 代入式，得

即

上式說明自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數成反比，且在相位上互差180°。因此流經公共繞組中的電流I的大小為一、二次繞組的電流之差，即I＝I₂-I₁。當變比K接近于1時，公共部分的電流很小，因此這部分可以用較細的導線繞成，減小變壓器的體積和重量。

自耦變壓器輸出的視在功率為 S₂＝U₂I₂ (1-35)

由于I＝I₂-I₁，因此有 S₂＝U₂(I＋I₁)＝U₂I＋U₂I₁ (1-36)

從這個式子可以看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U₂I部分是依據電磁感應原理從一次繞組傳遞到二次繞組的視在功率，稱為電磁功率；而U₂I₁則是通過電路聯系從一次繞組直接傳遞到二次繞組的視在功率，稱為傳導功率。傳遞這部分功率不需增加繞組容量，這就是自耦變壓器繞組容量小于其額定容量的原因。

自耦變壓器的特點：自耦變壓器具有結構簡單、節省用銅量(單位容量消耗的材料少，變壓器體積小)和效率比一般變壓器高(特別是K接近1時，其優點越突出)等優點，因此電力系統中使用的自耦變壓器，變比一般在1.2～2.0的范圍內。其缺點是一次側、二次側電路中有電的聯系，可能發生把高電壓引入低壓繞組的危險事故，很不安全，因此，要求自耦變壓器在使用時注意以下問題：

1)自耦變壓器在使用時必須正確接線，且外殼必須接地，并且不能作為安全的隔離變壓器使用，也不允許作為照明變壓器使用。

2)自耦變壓器的低壓側應有過電壓的保護裝置。

3)自耦變壓器接通電源前應將手柄置零。

2.自耦調壓器

低壓小容量的自耦變壓器，其二次繞組的接頭C常作成沿線圈自由滑動的觸頭，它可以平滑地調節自耦變壓器的二次繞組電壓，這種自耦變壓器稱為自耦調壓器，如圖1-32所示。

圖1-32 自耦調壓器

a)自耦調壓器外形圖 b)電路原理圖

1.3.2 電壓互感器認知及應用

儀用互感器包括電流互感器和電壓互感器兩種。互感器屬測量裝置，按變壓器原理工作，它們用于向電流表、電壓表、功率表和繼電器等提供信號。在實際工作中，直接測量大電流或者高電壓是比較困難的。在交流電路中，常用特殊的變壓器把大電流轉換成小電流、高電壓轉換成低電壓后再測量，所用的轉換裝置就稱為電流互感器和電壓互感器。使用互感器的優點在于使測量儀表與高電壓隔離，保證儀表和人身的安全；又可擴大儀表的量限，便于儀表的標準化，還可以減少測量中的能耗。因此，在交流電壓、電流和功率的測量中，以及各種繼電保護和控制電路中，互感器的應用是相當廣泛的。

電壓互感器也屬于儀用互感器，同樣用來與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路，對一次回路進行測量、控制、調節和保護，在電工測量中主要用來按比例變換交流電壓。電壓互感器的結構形式與工作原理和單相降壓變壓器基本相同。電壓互感器的外形圖、原理圖和符號如圖1-33所示。

電壓互感器實質就是一個降壓變壓器，是由鐵心和一、二次繞組兩個主要部分組成。一次繞組匝數多，并聯在被測電路中，二次繞組匝數少，接在高阻抗的儀表上，如接在電壓表、功率表或電度表的電壓線圈上。因此二次繞組的電流很小，正常運行時，近似空載運行。根據變壓器的電壓比公式

圖1-33 電壓互感器的外形圖、原理圖和符號

a)電壓互感器外形圖 b)電路原理圖 c)電壓互感器的符號

其中，K_u是電壓互感器的變換系數，也稱為電壓互感器的變換倍率。K_u一般標在電壓互感器的銘牌上，只要讀出二次繞組的電壓，一次繞組的電壓可以由上式求出。在實際應用中，與電壓互感器配套使用的電壓表中的電壓已換算成一次繞組的電壓，可以直接讀出測量數據，不必再進行換算。一般電壓互感器二次繞組的額定電壓為100V。常用的電壓互感器變比有3000V/100V、6000V/100V等。電壓互感器有干式、油浸式及澆注絕緣式等，其符號如圖1-33c所示。

由于勵磁電流和漏阻抗的存在，電壓互感器存在著誤差。為了減小誤差，應盡量減小空載電流和一、二次繞組的漏抗，以得到準確的變比。根據誤差大小，電壓互感器可分為0.2、0.5、1.0、3.0等四級，級數越大，誤差也越大。

使用電壓互感器時的注意事項。

1)電壓互感器的二次繞組在使用時絕不允許短路。如二次繞組短路，將產生很大的短路電流，導致電壓互感器繞組過熱而燒壞。

2)為保證操作人員的安全，電壓互感器的鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地。

3)電壓互感器具有一定的額定容量，在使用時二次側所接的阻抗值不能小于規定值，即不能多帶電壓表或電壓線圈，否則流過電流過大，會降低電壓互感器的精度等級。

1.3.3 電流互感器認知及應用

電流互感器屬于儀用互感器的范疇，主要用來與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路，對一次回路進行測量、控制、調節和保護。在電工測量中主要用來按比例變換交流電流。電流互感器的基本結構與工作原理和單相變壓器相類似。電流互感器的外形圖、原理圖和符號如圖1-34所示。

電流互感器由鐵心和一、二次繞組兩個主要部分組成，一次繞組的匝數較少，一般只有一匝到幾匝，用粗導線繞制，使用時串聯在被測電路中，流過被測電流，二次繞組匝數很多，用較細的導線繞制而成。一般接電流表或功率表的電流線圈，它的阻抗很小，負載近似為零。根據變壓器的電流比公式I₁N₁＝I₂N₂可知

圖1-34 電流互感器的外形圖、原理圖和符號

a)電流互感器外形圖 b)電路原理圖 c)電流互感器的符號

其中，K_i稱為電流互感器的額定電流比，標在電流互感器的銘牌上。在電流互感器中，二次繞組電流與電流比的乘積等于一次繞組電流(即被測電流)。例如若電流表的讀數為4A，電流比為40/5，則被測電流為I₁＝K_iI₂＝40/5×4A＝32A。在實際應用中，與電流互感器配套使用的電流表中的電流已換算成一次繞組的電流，可以直接讀出測量數據，不必再進行換算。

電流互感器一次繞組的額定電流可設計在0～15000A或10～25000A之間，而電流互感器二次繞組額定電流通常采用5A。

實際上，由于勵磁電流和漏阻抗的影響，電流互感器也存在著誤差，其相對誤差為

為了減少誤差，電流互感器的鐵心采用高導磁性能的材料制成，而且要求二次繞組所接儀表的總阻抗不大于規定的阻抗。根據誤差大小，電流互感器分為0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五個等級供選用。級數越大，誤差也越大。

使用電流互感器的注意事項。

1)互感器的二次側絕不允許開路。因為如果二次側開路，則電流互感器處于空載運行狀態，這時，電流互感器一次繞組通過的電流就成為勵磁電流，使鐵心中的磁通和鐵耗猛增，導致鐵心發熱燒壞繞組；另外電流互感器產生很大的磁通將在二次繞組中感應出很高的電壓，危及人身安全或破壞繞組絕緣。因此，在二次繞組中裝卸儀表時，必須先將二次繞組短路，裝卸完后再斷開短路線。

2)互感器的二次側必須可靠接地，以保證工作人員及設備的安全。

3)二次繞組回路串入的阻抗值不得超過有關技術標準的規定，否則將影響電流互感器的精確度。