第一章 變壓器概述

第一節 變壓器的分類及工作原理

變壓器是利用電磁感應原理制成的一種靜止的電氣設備，它把某一電壓等級的交流電能轉換成頻率相同的另一種或幾種電壓等級的交流電能。變壓器是電力系統中的重要設備，對電能的經濟傳輸、靈活應用和安全使用具有重大意義。目前，大型變壓器大多為油浸式變壓器，它是由鐵芯、繞組、油箱、絕緣套管、出線裝置、冷卻裝置和保護裝置等部分組成。

變壓器型號及其含義如下：

另外，在型號后加注防護類型代號，TH為溫熱帶，TA為干熱帶。一、分類

（1）變壓器按用途可分為電力變壓器、特種變壓器，諸如電爐變壓器、電焊變壓器、整流變壓器、電壓互感器、電流互感器等。

（2）按繞組形式可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器等。（3）按相數可分為單相變壓器和三相變壓器等。

（4）按冷卻方式可分為油浸式變壓器和干式變壓器等。二、變壓器的空載運行和電壓變換

變壓器主要由鐵芯和繞組構成，其工作原理如圖1 1所示。原繞組（一次繞組）N₁和副繞組（二次繞組）N₂放置在環狀鐵芯上。

當二次繞組開路而一次繞組接到電壓為u₁的電源上的運行情況，稱為空載運行。一次繞組加上電壓u₁后產生交變的勵磁電流，又稱為空載電流i₀，空載電流在鐵芯中產生交變磁能Φ_m。該磁通同時與N₁和N₂交鏈，在繞組中產生感應電勢e₁和e₂。感應電勢

的有效值E₁和E₂可用下列公式計算

E₁=4.44fN₁Φ_m E₂=4.44fN₂Φ_m

式中 E₁、E₂———一、二次側感應電勢的有效值，V；

N₁、N₂———一、二次繞組的匝數；

f———電源的頻率，Hz；

Φ_m———主磁通的幅值，Wb。

圖1 1 變壓器工作原理圖

空載運行時，空載電流在一次繞組中產生電壓降

r₁I₀，這個電壓降和一次電壓相比是很小的，可忽略不計。因此，一次電壓有效值U₁ 和二次繞組中感應電勢的有效值E₁基本相等，即U₁≈E₁。

二次繞組由于開路，沒有電流，因此二次繞組中感應電勢的有效值E₂就是空載二次電壓的有效值U₂₀，即E₂=U₂₀。所以

UU210≈EE12=44..4444ffNN12ΦΦmm=NN12=K

式中 K———變壓器的電壓比，簡稱變比，它近似等于一、二次繞組的匝數比。

因此，只要適當改變變壓器一、二次繞組的匝數，就可達到改變電壓的目的。變比K＞1時，即U₁＞U₂₀，為降壓變壓器；K＜1時，即U₁＜U₂₀，為升壓變壓器。

三、變壓器的負載運行和電流變換

變壓器一次繞組加電源電壓u₁，二次繞組接負載的工作狀態稱為負載運行。

負載運行狀態下，二次繞組中就有電流i₂ 通過，二次繞組的磁動勢i₂N₂ 也產生磁通。因此，在負載運行狀態下鐵芯中的主磁通是一個由一、二次繞組的磁動勢共同產生的合成磁通。此時，變壓器一次繞組中的電流由空載電流i₀ 增大到i₁，以抵償二次繞組磁勢對一次繞組磁勢的去磁作用，從而維持主磁通基本不變。

變壓器在運行時，傳輸效率很高，一般可高達98%～99%。也就是說變壓器本身的損耗很小，忽略不計，可認為變壓器的輸入功率等于輸出功率，即

U₁I₁=U₂I₂

式中 I₁、I₂———一、二次繞組電流的有效值，A。

則有

UU12=II21=NN12=K

上式說明，一、二次繞組中電流與匝數成反比，即

II12=KI

四、三相變壓器1.三相變壓器組

三相變壓器組是三臺單相變壓器按某種接線方式連接在一起構成的，用三臺單相變壓器分別變換各相的電壓，變壓器的磁路系統各相是獨立的，如圖1 2所示。

由單相變壓器構成的三相變壓器組，比同容量的三相變壓器貴，效率低，占地面積2

大。但每臺單相變壓器的尺寸和運輸重量較小，因此便于運輸和安裝。此外，三相變壓器組有一臺單相變壓器作為備用就可以了，從而也便于檢修和提高運行的安全性。所以，在大容量變壓器，運輸安裝困難以及需要備用變壓器的情況下，一般都采用三相變壓器組。

三相變壓器組的容量為三臺單相變壓器容量之和。

2.三相變壓器

圖1 2 三相變壓器組

三相三柱式鐵芯變壓器，一般稱為三相芯式

變壓器，因目前電力系統中一般都采用這種變壓器，故簡稱為三相變壓器。

三相變壓器的鐵芯有三個芯，每個芯柱上都套著一、二次繞組，各相磁路是相互關聯的。在對稱負荷下運行時，各相電壓、電流大小相等，相位彼此相差120°。在實際工程上，取三相激磁電流的平均值作為三相變壓器的空載電流值。

對于特大型變壓器，為了降低其高度，便于運輸，將鐵芯做成三芯五柱式，即在普通的三相芯式變壓器鐵芯的兩側加上兩個旁軛，而三相繞組仍分別在原來的鐵芯上。

三相變壓器的工作原理與單相變壓器的工作原理一樣。變壓器銘牌上所標的是額定線電壓，額定線電流。其額定容量即三相總容量。

三相變壓器的容量越大，其經濟指標也越好。但是，大型的三相變壓器體積大，本體重，因此受到運輸條件的限制。在不受運輸和安裝條件限制的中、小容量情況下，一般采用三相變壓器較經濟。

五、三繞組變壓器

當用兩種不同等級的電壓向電力系統或用戶供電時，或樞紐變電所需要連接幾種不同等級電壓的電力系統時，通常采用三繞組變壓器。三繞組變壓器可以做成單相的變壓器組，也可以做成三相變壓器，常見的為三相變壓器。三繞組變壓器每相有高、中、低三個繞組，三個繞組同心地套在一個芯柱上。為絕緣方便起見，高壓繞組放在最外邊。至于中、低壓繞組，根據相互間傳遞功率較多的兩個繞組應靠得近些的原則，用在不同場合的變壓器有不同的安排。如用于發電廠的升壓變壓器，大部分是由低壓向高、中壓側傳遞功率，一般采用中壓繞組放在最里邊，低壓繞組放在中間的方案；如用于變電所的降壓變壓器，大部分是從高壓側向中、低壓側傳遞功率，則一般選用低壓繞組放在最里邊的方案。

三繞組變壓器的任意兩繞組間按電磁感應定律傳遞能量，這一點和雙繞組變壓器沒有什么區別。

根據供電的實際需要，三繞組變壓器各繞組的容量可以設計的不同。變壓器銘牌上的額定容量是指其中最大的一個繞組的容量，一般為一次繞組的額定容量。如果將額定容量作為100，則按國家標準，我國現在制造的三繞組變壓器三個繞組的容量比見表1 1。

由于三繞組變壓器三個繞組的容量可能不同，運行中應注意監視控制任何一側的負載，其值不應超過該繞組的額定容量，否則有可能在其他兩繞組還沒有到額定容量時，另一側繞組就已經過載了。

表1 1

三繞組變壓器容量比