第二章

變壓器

變壓器：是一種靜止的電機，它利用電磁感應(yīng)原理將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實現(xiàn)電能在不同等級之間進行轉(zhuǎn)換,能量既不能增加又不能減少。變壓器變壓器

1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)和分類一、變壓器的基本結(jié)構(gòu)：

電力變壓器的基本構(gòu)成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。圖1-2是油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)圖。

1、鐵心和繞組：變壓器中最主要的部件，他們構(gòu)成了變壓器的器身。1）鐵心：構(gòu)成了變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構(gòu)成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導(dǎo)磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用高磁導(dǎo)率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。

鐵心型式：變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)有心式、殼式和漸開線式等形式。殼式結(jié)構(gòu)的特點是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，如圖所示。心式結(jié)構(gòu)的特點是鐵心柱被繞組包圍，如圖所示。殼式結(jié)構(gòu)的機械強度較好，但制造復(fù)雜，

心式結(jié)構(gòu)比較簡單，繞組的裝配及絕緣比較容易，電力變壓器的鐵心主要采用心式結(jié)構(gòu)。鐵心疊裝：變壓器的鐵心一般是由剪成一定形狀的硅鋼片疊裝而成。為了減小接縫間隙以減小激磁電流，一般采用交錯式疊法，使相鄰層的接縫錯開。鐵心截面:鐵心柱的截面一般作成階梯形，以充分利用繞組內(nèi)圓空間。容量較大的變壓器，鐵心中常設(shè)有油道，以改善鐵心內(nèi)部的散熱條件，如圖所示。2）繞組：繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導(dǎo)線繞制而成。

一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能他們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數(shù)，通過電磁感應(yīng)作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個繞組中，電壓較高的稱為高壓繞組，相應(yīng)的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，所以，國產(chǎn)的均采用這種結(jié)構(gòu)，交迭式主要用于特種變壓器中。

2、其他部件：除器身外，典型的油鋟電力變壓器中還有油箱、變壓器油、絕緣套管及繼電保護裝置等部件。

二、變壓器的分類：

變壓器的種類很多，可按其用途、結(jié)構(gòu)、相數(shù)、冷卻方式等不同來進行分類。1、按用途分類，可分為電力變壓器（主要用在輸配電系統(tǒng)中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器和廠用變壓器）、儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓器（如調(diào)壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。

2、按繞組數(shù)目分類:可分為雙繞組變壓器,三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3、按鐵心結(jié)構(gòu)分類，有心式變壓器和殼式變壓器。4、按相數(shù)分類，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5、按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸強迫油循環(huán)式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

6、電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10～630kVA）、中型變壓器（容量為800～6300kVA）、大型變壓器（容量為8000～63000kVA）和特大型變壓器（容量在90000kVA及以上）。三、額定值：額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。額定值通常標(biāo)注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值主要有：1、額定容量SN額定容量是指額定運行時的視在功率。以VA、kVA或MVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側(cè)的額定容量設(shè)計成相等。2、額定電壓U2N和U2N

正常運行時規(guī)定加在一次側(cè)的端電壓稱為變壓器一次側(cè)的額定電壓U2N。二次側(cè)的額定電壓U2N

是指變壓器一次側(cè)加額定電壓時二次側(cè)的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器，額定電壓是指線電壓。3、額定電流I2N和I2N根據(jù)額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。對單相變壓器對三相變壓器4、額定頻率fN除額定值外，變壓器的相數(shù)、繞組連接方式及聯(lián)結(jié)組別、短路電壓、運行方式和冷卻方式等均標(biāo)注在銘牌上。額定狀態(tài)是電機的理想工作狀態(tài)，具有優(yōu)良的性能，可長期工作。

四、變壓器在鐵路信號設(shè)備供電的應(yīng)用

鐵路信號用變壓器，多采用低壓小功率的干式自冷變壓器。主要由信號、軌道、道岔表示、扼流、防雷等變壓器。

BX型信號變壓器用于色燈信號機的點燈電路，目前廣泛采用的是BXl—34型。其繞組組成如圖1所示。

BG型軌道變壓器用于軌道電路供電，目前廣泛使用的是BfiI一50型。其繞組組成如圖2所示，原邊接220V電源，副邊輸出電壓為0．45"--10．8V，通過改變副邊端子連接可獲所需電壓。

Bxl一34、BGI一50型變壓器四變壓器在信號設(shè)備應(yīng)用BZ型中繼變壓器設(shè)于交流連續(xù)式軌道電路受電端，用以使鋼軌阻抗與軌道繼電器阻抗相匹配。其技術(shù)特性與BZ4型相似。

BD型道岔表示變壓器用于電氣集中聯(lián)鎖的道岔表示電路中作為道岔表示電源的隔離變壓器，現(xiàn)使用BDI一7型。在電氣化區(qū)段，為使?fàn)恳娏黜樌ㄟ^絕緣節(jié)，而信號電流不流經(jīng)相鄰區(qū)段，在軌道電路送、受電端等需連通牽引電流的地方設(shè)置扼流變壓器。在信號電源設(shè)備中，變壓器作為主要部件，主要用于以下方面。隔離：雙繞組變壓器隔離成對地絕緣系統(tǒng)變壓：將引入的電壓變?yōu)樗璧碾妷赫{(diào)壓：自耦變壓器變成連續(xù)可調(diào)的電壓測量：電流互感器擴大電流表的量程五、變壓器的運行特性變壓器的運行特性主要有外特性和效率特性。外特性指在電源電壓和負(fù)載的功率因數(shù)為常值時，變壓器副邊端電壓與負(fù)載電流的變化關(guān)系，即U2=f(I2)。cosφ＝有功功率P／視在功率S=P/[(P2+Q2)^(1/2)]

效率特性是指在電源電壓和負(fù)載的功率因數(shù)為常值時，變壓器的效率與負(fù)載電流的變化關(guān)系。變壓器的外特性（1）、電壓變化率：原邊為額定電壓，負(fù)載功率因數(shù)一定時，空載副邊端電壓和負(fù)載副邊端電壓之差與額定電壓比值在純電阻和感性負(fù)載時，外特性下降；在容性負(fù)載時，可能上翹；純電阻時變化較小。

(純阻負(fù)載)（感性負(fù)載)（容性負(fù)載)此曲線稱之為變壓器的外特性電壓變化率還與負(fù)載的性質(zhì)，即功率因數(shù)φ2的大小和正負(fù)有關(guān)。（2）、變壓器的損耗和效率：1、變壓器的功率關(guān)系：

變壓器在傳遞能量的過程中將產(chǎn)生損耗，損耗可分為鐵耗和銅耗兩類。通常變壓器的空載損耗指的是鐵耗，而短路損耗指的是銅耗。變壓器的基本鐵耗主要是磁滯和渦流損耗，主要是磁滯損耗。變壓器的基本銅耗是指原、副繞組中的電阻損耗。變壓器原邊從電網(wǎng)吸收電功率P1，其中很小部分功率消耗在原繞組的電阻上(pcu1=mI12R1)和鐵心損耗上(pFe=mI02Rm)。其余部分通過電磁感應(yīng)傳給副繞組，稱為電磁功率PM。副繞組獲得的電磁功率中又有很小部分消耗在副繞組的電阻上(pcu2=mI22R2)，其余的傳輸給負(fù)載，即輸出功率:這樣，變壓器的功率關(guān)系可表示如下：所以變壓器的效率為：2、效率的求解：1）以按給定負(fù)載條件直接給變壓器加負(fù)載，測出輸出和輸入有功功率就可以計算出來。這種方法稱為直接負(fù)載法，P1和P2效率相差不大，難以直接測得，且效率實驗耗電多，不經(jīng)濟。因而，采用間接法，測出各種損耗計算效率。2）電力變壓器可以應(yīng)用間接法計算效率，間接法又稱損耗分析法。其優(yōu)點在于無需給變壓器直接加負(fù)載，也無需運用等效電路計算，只要進行空載試驗和短路試驗，測出額定電壓時的空載損耗p0和額定電流時的短路損耗pkN就可以方便地計算出任意負(fù)載下的效率。在應(yīng)用間接法求變壓器的效率時通常作如下假定：

1.忽略變壓器空載運行時的銅耗，用額定電壓下的空載損耗p0來代替鐵耗pFe，即pFe=p0，它不隨負(fù)載大小而變化，稱為不變損耗；2.忽略短路試驗時的鐵耗，用額定電流時的短路損耗pkN來代替額定電流時的銅耗。但需要注意的是：不同負(fù)載時的銅耗與負(fù)載系數(shù)的平方成正比，當(dāng)短路損耗pk不是在IK=IN時測的，則pkN=(IN/IK)2PK。3.不考慮變壓器副邊電壓的變化，即認(rèn)為U2=U2N不變，這樣便有P2=mU2I2cosφ2=mU2NI2N(I2/I2N)cosφ2

=β

SNcosφ

2

這樣，效率的公式可變?yōu)椋?*100%以上的假定引起的誤差不大（不超過0.5％），卻給計算帶來很大方便，電力變壓器規(guī)定都用這種方法來計算效率。3.效率特性：上式說明，當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)cosφ

2一定時，效率隨負(fù)載系數(shù)而變化。圖為變壓器的效率曲線。效率決定于鐵耗、銅耗和負(fù)載大小。

特性分析：1.空載時輸出功率為零，所以η=0。2.負(fù)載較小時，損耗相對較大，功率η較低。3.負(fù)載增加，效率η亦隨之增加。超過某一負(fù)載時，因銅耗與成正比增大，效率η反而降低，最大效率η出現(xiàn)在=0的地方。因此，取η對β的導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，即可求出最高效率ηmax時的負(fù)載系數(shù)βm

βm==

ηmax=×100％即當(dāng)不變損耗（鐵耗）等于可變損耗（銅耗）時效率最大。

六、三相變壓器現(xiàn)代電力系統(tǒng)都采用三相制，故三相變壓器使用最廣泛。但三相變壓器也有其特殊的問題需要研究，例如三相變壓器的磁路系統(tǒng)、三相變壓器繞組的連接方法和聯(lián)結(jié)組、三相變壓器空載電動勢的波形和三相變壓器的不對稱運行等。此外，變壓器的并聯(lián)運行也放在本章討論。

三相變壓器的磁路系統(tǒng)三相變壓器的磁路系統(tǒng)可分為各相磁路獨立和各相磁路相關(guān)兩大類。（一）、各相磁路獨立:三相變壓器組或組式三相變壓器,如圖所示特點：1.顯然各相磁路相互獨立彼此無關(guān)2.當(dāng)原方接三相對稱電源時，各相主磁通和勵磁電源也是對稱的。（二）、各相磁路相關(guān)：如圖所示，可見，此時的各相磁通之間是相互聯(lián)系的，即：特點：在這種鐵心結(jié)構(gòu)的變壓器中，任一瞬間某一相的磁通均以其他兩相鐵心為回路，因此各相磁路彼此相關(guān)聯(lián)。

七

變壓器的并聯(lián)運行（一）、并聯(lián)運行的定義：是指將兩臺或多臺變壓器的原方和副方分別接在公共母線上，同時向負(fù)載供電的運行方式，如圖所示。（二）、并聯(lián)運行的優(yōu)點：1）可以提高供電的可靠性。2）可以根據(jù)負(fù)荷的大小調(diào)整投入并聯(lián)運行變壓器的臺數(shù)，以提高運行效率；3）可以減少備用容量，并可隨著用電量的增加，分期分批地安裝新的變壓器，以減少初投資。當(dāng)然，并聯(lián)變壓器的臺數(shù)也不宜太多，因為在總?cè)萘肯嗤那闆r下，一臺大容量變壓器要比幾臺小容量變壓器造價低、基建設(shè)投資少、占地面積小。

（三）、變壓器的理想并聯(lián)運行條件：1）空載時并聯(lián)的各變壓器副繞組之間沒有環(huán)流。

2）帶負(fù)載后各變壓器的負(fù)載系數(shù)相等。3）負(fù)載時各變壓器對應(yīng)相的電流相位相同（四）、并聯(lián)運行的變壓器必須滿足以下三個條件：1）各變壓器高、低壓方的額定電壓分別相等，即各變壓器的變比相等；2)各變壓器的聯(lián)結(jié)組相同；3）短路電抗與短路電阻之比相等。上述三個條件中，條件2﹚必須嚴(yán)格保證。

（五)、條件不滿足時的情況：1）如果各變壓器的聯(lián)結(jié)組不同：將會在變壓器的副繞組所構(gòu)成的回路上產(chǎn)生一個很大的電壓差，這樣的電壓差作用在變壓器必然產(chǎn)生很大的環(huán)流（幾倍于額定電流）它將燒壞變壓器的繞組，因此聯(lián)結(jié)組不同的變壓器絕對不能并聯(lián)運行。2）變比不相等時：在并聯(lián)運行的變壓器之間也會產(chǎn)生環(huán)流。

八、變壓器的過渡過程在實際運行中，有時會受到外界因素的急劇擾動，如負(fù)載突然變化、空載合閘到電源、副方突然短路及過電壓沖擊等，原來的穩(wěn)定運行狀態(tài)必然遭到破壞，各電磁量要經(jīng)歷一個急劇的變化過程才能達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。這種從一種穩(wěn)定運行狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，稱為瞬變過程。過電流現(xiàn)象空載合閘：變壓器副邊開路，將原邊接入電源。在穩(wěn)態(tài)運行時，變壓器的空載電流很小，僅為額定電流的3~10%。但在空載合閘時卻可能出現(xiàn)很大的沖擊電流，其值可達穩(wěn)態(tài)空載電流的幾十倍甚至上百倍，相當(dāng)于幾倍的額定電流。如不采取適當(dāng)措施，則可能使開關(guān)跳閘，變壓器不能順利投入電網(wǎng)。過電流的影響在整個瞬變過程中，大部分時間內(nèi)的沖擊電流都在額定電流值以下。因此，無論從電磁力或溫升來考慮，對變壓器本身沒有多大危害。但在最初幾個周期內(nèi)，沖擊電流可能使過電流保護裝置誤動作。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，加快合閘電流的衰減，可在變壓器原邊串入一個合閘電阻，合閘完后再將該電阻切除。過電流：變壓器副方突然短路時的瞬變過程副方突然短路時，短路電流很大，形成過電流現(xiàn)象。在分析副方發(fā)生短路時的瞬變過程時，思路和前面所分析的空載和閘的瞬變過程時一樣的，所以在這里，不在進行詳細(xì)的闡述，得到結(jié)論如下：在突然短路時會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，它會在變壓器繞組上產(chǎn)生很大的電磁力，嚴(yán)重時可能使變壓器繞組變形而損壞。突然短路時的電磁力：在發(fā)生突然短路時，變壓器的繞組處在漏磁場中，繞組中的電流與漏磁場相互作用，在繞組的導(dǎo)線中產(chǎn)生電磁力，嚴(yán)重時可達到額定運行時的400-900倍！變壓器的過電壓現(xiàn)象變壓器運行時，由于某種原因使得變壓器承受的電壓超過它的最大允許工作電壓時，稱為過電壓。過電壓對變壓器的影響卻很大，它可能導(dǎo)致絕緣擊穿，因此必須采取有效措施，防止過電壓的產(chǎn)生或進行有效的保護。

電壓超過了最大工作電壓都可稱為過電壓，但通常把過電壓理解為周期性或非周期性的短時間沖擊電壓。過電壓產(chǎn)生于以下情況：1、操作過電壓：變壓器接入或斷開2、故障過電壓：系統(tǒng)中發(fā)生短路或間歇接地而產(chǎn)生

3、大氣過電壓：雷電過電壓防護措施為了進行過壓防護，一般采用以下措施：1、避雷器防護；2、加強絕緣；3、靜電防護；九變壓器的維修變壓器的維修包括運行前的檢查和運行中的監(jiān)視和維護，是保證其安全運行的重要工作。運行前對變壓器進行檢查，檢查項目如下：

1、檢查變壓器的額定電壓和容量是否符合要求。

2、檢查變壓器的內(nèi)外是否清潔，各部螺絲是否完好，安裝是否牢固，硅鋼片是否夾緊。

運行前檢查3、檢查分接頭調(diào)壓板是否安裝牢固，分接頭的選定是否與所需電壓相適應(yīng)。4、檢查高、低壓繞組接線是否正確，引線有無破裂或斷股情況，絕緣是否包扎完好。5、用1000V兆歐表測量繞組間及對地絕緣電阻。如線圈受潮，應(yīng)進行干燥處理。

6、檢查變壓器接地線是否聯(lián)接完好。

7、檢查變壓器的熔斷器是否符合要求。在運行中進行監(jiān)視和維護1、變壓器有無異常聲音。

2、各引線接頭有無松動及跳火情況。

3、熔斷器是否完好。

4、變壓器的溫升是否超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。變壓器在運行中的不正常狀態(tài)及原因

1、變壓器的嗡聲很大，主要是鐵心硅鋼片未夾緊所致。

2、在正常的負(fù)荷和冷卻條件下，變壓器過熱、冒煙和局部發(fā)生弧光。原因有，鐵心穿通螺栓絕緣損壞、鐵心硅鋼片間絕緣損壞、高低壓繞組間短路、匝間短路、引出線混線及過負(fù)荷等。

3、變壓器熔斷器熔斷，應(yīng)先檢查變壓器本身無短路等異常情況，再查找外部故障，待故障排除后，再換上熔芯投入運行。第三節(jié)互感器

測量大電流時，因?qū)Ь€周圍產(chǎn)生的磁場會對儀表帶來附加影響，故不能采用直接式電流表；用分流器來擴大量限時，分流電阻的功耗頗大，故通常用電流互感器來擴大電流表量限?；ジ衅魇菧y量用的變壓器，又稱儀用變壓器，用來擴大儀表的測量范圍，有電壓互感器和電流互感器兩種，信號電源中只使用了后者。電流互感器的結(jié)構(gòu)和工作原理電流互感器是工作于低磁感應(yīng)