2.1.4 变压器

1. 变压器原理

变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，把一种电压等级的交流电能转换成频率相同的另一种电压等级的交流电能。变压器具有变换交变电压、变换交变电流、变换阻抗的作用。它对电能的远距离传输、灵活分配和经济安全使用具有重要的意义。同时，它在电气领域的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。基本结构如图2-5所示，两个相互绝缘的绕组套在一个共同的铁心上，它们之间只有磁的耦合，没有电的联系。电源侧的线圈称为原边绕组或一次绕组，负载侧的线圈称为副边绕组或二次绕组。

当原边绕组接到交流电源时，绕组中便有交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的磁通。这个交变磁通同时交链原边绕组和副边绕组。原、副绕组的感应电势分别为

假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都按正弦规律变化，由（2-8）式可得一次、二次绕组中电压和电动势的有效值与匝数的关系为

式中，k称为变压器的变比，它等于原、副绕组的匝数比，也称电压比。

如果忽略铁磁损耗，根据能量守恒原理，变压器的输入与输出电能相等，即U1I1＝U2I2，由此可得变压器一次、二次绕组中电压和电流有效值的关系为

亦即

由此可见，只要改变变压器的变比k，就能改变副边电压或副边电流的大小。这就是变压器利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电源转换成同频率的另一种电压等级的交流电源的基本工作原理。

2. 变压器的额定参数和型号

（1）额定电压U1N和U2N：一次绕组的额定电压U1N是根据变压器的绝缘强度和允许发热条件规定的一次绕组正常工作电压值。二次绕组的额定电压U2N指一次绕组加上额定电压，分接开关位于额定分接头时，二次绕组的空载电压值。对三相变压器，额定电压指线电压。

（2）额定电流I1N和I2N：是根据允许发热条件而规定的绕组长期允许通过的最大电流值。对三相变压器，额定电流指的是线电流。

（3）额定容量SN：指额定工作条件下变压器输出能力（视在功率）的保证值。三相变压器的额定容量是指三相容量之和。

此外，还有额定频率、额定效率、温升等额定值。

变压器型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，型号的命名方法如图2-6所示。例如，SL—500/10表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器；OSFPSZ—250000/220表示自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量250000kVA，高压侧额定电压为220kV的电力变压器。

变压器按用途可以分为电力变压器和特种变压器两大类。电力变压器主要用于电力系统。特种变压器根据不同系统和部门的要求，提供各种特殊电源和用途，如电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、牵引变压器、矿用变压器、仪用互感器、试验用高压变压器和调压变压器等，以及用于电子信息产业的变压器等。

3. 电力变压器

电力变压器是电力系统中的重要电气设备，数量众多，变压器有单相变压器和三相变压器，按其用途和安装地点可分为升压变压器、降压变压器、联络变压器、厂用变压器和配电变压器。常见的有双线圈变压器，也有少量的三线圈变压器和自耦变压器。有的变压器有自动调整分接头装置，称为有载调压变压器。变压器的冷却方式可分为：干式自然冷却或风冷；油浸自然冷却；油浸风冷，带有吹风装置；油浸强迫油循环冷却，即用油泵强迫油循环，把油抽出送到冷却器冷却后送回油箱。中小型电力变压器大都采用油浸自然冷却式，变压器油是从石油中提炼出来的绝缘油，既是绝缘介质，又是散热媒介，通过油的对流作用把线圈及铁心上的热量带到油箱表面，散发到空气中。图2-7是几种电力变压器的实物图。

从铁心与绕组的相对位置看，变压器两大基本结构形式有心式和壳式两种。绕组包着铁心的叫心式变压器、铁心包着绕组的叫壳式变压器。单相或三相电力变压器多为心式，小容量的单相变压器常制成壳式。无论壳式变压器还是心式变压器其电磁原理是完全相同的。

变压器的主要组成是铁心和绕组。铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上装有绕组，铁轭连接两个铁心柱，其作用是使磁路闭合；绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成，近年来还有用铝箔绕制的。为了使绕组便于制造和在电磁力作用下受力均匀，以及机械性能良好，一般电力变压器都把绕组绕制成圆形。

电力变压器多采用油浸式结构，其附件有油箱、气体继电器、安全气道、分接开关和绝缘套管等，其作用是保证变压器的安全和可靠运行。图2-8是三相油浸式电力变压器各部件名称说明。

随着环氧树脂等新材料的出现，将变压器采用环氧树脂真空浇注成为一个整体，称为干式电力变压器。目前在35kV及以下电压等级的配电系统，广泛应用干式变压器。它能适应高污秽、高温、潮湿的环境，具有阻燃、耐燃、无公害、免维护等优点，越来越多的应用在高层建筑及商业中心、石油、化工等对防火与安全有更高要求的部门。

近年来，组合式变压器逐渐普及。组合式变压器将变压器器身、高压负荷开关、熔断器及高低压连线安装在全密封的油箱内，用变压器油作为带电部分相间及对地的绝缘介质的一种新型配电设备。组合式变压器具有许多优点：占地少、选址灵活、对环境适应性强，且能美化城市环境；能深入负荷中心、提高供电质量；安装维护方便、运行可靠、投资少、工期短。它适用于城市公共配电、高层建筑、住宅小区、公园、高速公路等，还适用于油田、工矿企业及施工场所，在城乡电网建设与改造中得到了越来越多的应用。

4. 仪用互感器

仪用互感器是用于测量仪器和保护设备中的特殊变压器，有电压互感器和电流互感器之分。

（1）电压互感器

电压互感器是一种小型的降压变压器，实现用低量程的电压表测量高电压。由铁心、一次绕组、二次绕组、接线端子和绝缘支持物等构成。一次绕组并接于电力系统一次回路中，其二次绕组并联了测量仪表、继电保护装置或自动装置的电压线圈。由于电压互感器是将高电压变成低电压，所以它的一次绕组的匝数较多，而二次绕组的匝数较少。原理接线如图2-9所示，由图可知：被测电压＝电压表读数×N1/N2。图2-10是电压互感器实物图。

电压互感器使用注意事项：电压互感器的二次侧在工作时不能短路。在正常工作时，其二次侧的电流很小，近于开路状态，当二次侧短路时，其电流很大（二次侧阻抗很小）将烧毁设备；电压互感器二次绕组必须有一点接地。因为接地后，当一次和二次绕组间的绝缘损坏时，可以防止仪表和继电器出现高电压危及人身安全。

（2）电流互感器

电流互感器是将一次侧的大电流，按比例变为适合通过仪表或继电器使用的，额定电流为5A的变换设备。电流互感器的结构、工作原理同单相变压器相似。它由铁心和一、二次绕组两个主要部分组成，一次绕组的匝数较少，一般只有一匝到几匝，用粗导线绕制，使用时串联在被测电路中，流过被测电流；二次绕组匝数很多，用较细的导线绕制而成。一般接电流表或功率表的电流线圈，其阻抗很小，负载近似为零。原理接线如图2-11所示，由图可知：被测电流＝电流表读数×N2/N1。图2-12是几种电流互感器实物图。

电流互感器使用注意事项：电流互感器的二次绕组侧在使用时绝对不可开路。使用过程中拆卸仪表或继电器时，应事先将二次绕组侧短路。安装时，接线应可靠，不允许二次绕组侧安装熔丝；在二次绕组侧不能安装熔断器、刀开关。这是因为电流互感器二次绕组匝数远远大于一次绕组匝数，在开路的状态下，电流互感器相当于一台升压变压器；二次绕组侧必须有一端接地。防止一、二次绕组间绝缘损坏，高压窜入二次绕组侧，危及人身和设备安全。