第五章 电力变压器运行规程

第一节 变压器的工作原理及技术性能

一、变压器的工作原理

变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流转换成同频率的另一种等级电压和电流。它对电能的经济传输，灵活分配和安全使用具有重要的意义。

由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它主要由铁芯和套在铁芯上的两个（或两个以上）互相绝缘的绕组所组成。绕组之间有磁的耦合，但没有电的联系。通常接交流电源的绕组称一次绕组（原绕组或初级绕组），接负载的绕组叫二次绕组（副绕组或次级绕组）。如图5-1所示，当在一次绕组两端加上合适的交流电源时，在电压u₁的作用下，一次绕组有电流的通过，由i₀产生磁通φ，由于φ磁通交链一次、二次绕组，便在一次、二次绕组中产生感应电动势e₁、e₂，二次绕组在e₂的作用下，向负载供电，实现能量的传递。

由于一、二次绕组感应电动势之比等于一、二次绕组匝数比，而一次侧感应电势e₁的大小接近一次侧电压u₁，二次侧感应电势e₂大小接近二次侧电压u₂，因此改变一次或二次绕组匝数，必可达到改变u₂大小的目的。这就是变压器利用电磁感应原理，将一种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的工作原理。

把变压器的原线圈通上额定电压，而副线圈开路不接负载，这种状态叫做变压器的空载运行状态。当一次绕组加上交流电压U₁时，一次绕组就有电流产生，由于变压器为空载运行，此时一次绕组中的电流为空载电流I₀，由I₀产生空载磁势F₀=N₁I₀，并建立空载的磁场。由于铁芯的磁导率比空气的磁导率大得多，所以绝大部分磁通通过铁芯闭合，同时交链一次、二次绕组，并产生感应电动势E₁和E₂，这部分磁通又称主磁通φ；另一小部分磁通（约为主磁通的0.25%左右）主要经非磁性材料（空气或变压器油等）形成闭路只与一次绕组交链，这部磁通叫漏磁通φ_1δ，它在一次绕组中产生漏磁电动势E_1δ。另外，I₀将在一次绕组中产生绕组压降I₀r₁。

在变压器一次绕组加上正弦交流电压u₁时，则e₁和φ也按正弦规律变化。

设主磁通φ为

φ=φ_msinωt

则根据电磁感应定律有

由此可知，感应电动势按正弦规律变化，但落后主磁通90°。

e₁的有效值为

同理，二次绕组的感应电动势有效值为

变压器空载运行时，阻抗压降I₀E₁（一般小于0.5%U₁），因此可近似认为U₁≈E，而二次侧开路没有电流，则二次侧绕组两端的电压就等于二次电动势E₂。

根据E₁≈U₁，E₂≈U₂

把变压器不同绕组之间的额定电压之比称为电压比K_U。单相变压器的电压比近似等于一、二次绕组匝数比，而两个线圈的电流则与它的匝数成反比，即

水电站实际用的都是三相变压器，三相变压器变比指不同绕组之间的线电压比值。由于三相变压器连接方法不同，变压器线电压和相电压不一定相等。因此三相变压器的电压比应与匝数比区分开，如连接组别为Yd11的变压器，电压比为35kV/6.3kV时，其高、低压绕组的匝数比却为×35/6.3。

变压器一次、二次绕组的电流与绕组匝数成反比，所以升压变压器一次绕组匝数少，二次绕组匝数多。降压变压器则相反。

变压器在负载情况下运行时，其二次电压随负荷和一次电压的变化而变化。而用户所需电压希望在某个范围内，变化不能过大。当电压过高时，易损坏用电设备，电压过低，用电设备不能正常工作。为达到电压不至于变化过大的目的，可在变压器的高压绕组中抽出一定数量的分接头，利用分接头调整绕组的有效匝数从而调整电压，这是常用的方法。

由于高压绕组套在低压绕组的外面，同时高压绕组电流小，所以通常分接开关都装在高压绕组一则。对于低电压、小容量变压器，在高压绕组的末端有三个抽头，中间一个抽头为额定电压，其余两个抽头偏离额定电压±5%。使用不同的抽头，就能调整高压侧绕组的匝数。对于大容量变压器，通常将高压绕组分成二段，6个抽头（是指每相都是），绕组的抽头都装在分接开关的固定触头上，分接开关活动触头的操作手柄伸到油箱外面变压器的顶盖上。特别注意，这种分接开关是不允许带负荷进行切换的。必须在高、低压侧开关都切断后才允许操作，分接开关切换后，应测接触电阻，接触电阻必须符合要求，过大必然导致过热，引起事故。这种调压方式也叫无载调压。有载分接开关在小水电站极少使用。

二、变压器的作用与分类

变压器除变换电压外，还能变换电流、阻抗，在电力系统和电子设备中得到应用。

这里只介绍电力系统中变压器变换电压的作用。

由交流功率P=UIcosφ可知，如果输电线路输送的电功率P和功率因数cosφ一定，电压越高，线路上电流就越小，则输电线路上压降损耗和功率损耗也就越小，同时还可减小输电线路的截面积、节省材料，达到减小投资和降低费用的目的。由于发电机电压为6.3kV、10.5kV或15.75kV，而高压输电线路电压为35kV、110kV、220kV或500kV等，因此需采用升压变压器将电压升高送入线路。由于用户用电等级较低，所以当电能输送到用电区后，必须用降压变压器降低电压等级。

为了达到不同的使用效果并适应不同的工作条件，变压器的分类方式有多种。

（1）按用途分。有电力变压器和特种变压器两类，电力变压器有升压、降压、配电和厂用变压器。

（2）按绕组分。有两绕组、三绕组和多绕组变压器。

（3）按铁芯结构分。有壳式和芯式变压器。

（4）接相数分。有单相、三相和多相变压器。

（5）按冷却方式分。有干式、油浸式（自冷、风冷和强迫油循环）变压器。

三、变压器的基本结构

变压器主要由铁芯和绕组组合。为使变压器安全、可靠运行，还设有油箱、储油柜、安全气道和气体继电器、绝缘套管等附件。

1.铁芯

铁芯变压器的主磁路，又作绕组的支撑骨架。铁芯分铁芯柱和铁轭两部分。铁芯柱上有绕组，铁轭是连接两个铁芯柱的部分，作用是使磁路闭合。为了提高铁芯的导磁性能，减少磁滞损耗和涡流损耗，铁芯多采用厚度为0.35mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。

2.绕组

绕组是变压器的电路部分，常用绝缘铜线或铝线绕制而成。工作电压高的绕组称高压绕组，工作电压低的绕组称为低压绕组，根据它们的相对位置和形状，绕组分为同心式，交叉式两种。

3.油箱

油浸式变压器的外壳就是油箱，它起着机械支撑、冷却散热和保护作用，变压器绕组绕在铁芯上，放在装有变压器油的油箱内。

4.储油柜

又称油枕，它是安装在油箱上面的圆筒形容器，通过连通管与油箱相连，从而保证变压器的器身始终浸在变压器油中，柜中的油面高度随油箱内变压器油热胀冷缩而变动。

5.气体继电器和安全通道

在油箱和储油柜之间的连通管中装有气体继电器，当变压器内部发生故障时，变压器油气化产生气体，使气体继电器动作，发出信号，便于值班人员及时处理或使保护开关自动跳闸。安全气道又名防爆管，装在油箱顶盖上，其出口用一定厚度的玻璃板或酚醛纸板（防爆膜）盖住。当变压器内部发生严重故障而气体继电器失灵时，油箱内的气体和变压器油冲破防爆膜从安全气道中喷出，从而保护变压器不受严重损害。

6.绝缘套管和分接开关

变压器引出线从油箱中穿过油箱盖时，通过瓷质绝缘套管，以使带电的引出线与接地的油箱绝缘。为使输出电压控制在允许的范围内，通过分接开关改变一次绕组匝数，从而调节输出电压。

四、变压器的主要技术参数

1.额定电压U_1N和U_2N

一次绕组的额定电压U_1N（kV）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。二次绕组额定电压是一次绕组加上额定电压时，二次绕组的空载电压。三相变压器额定电压是线电压。

2.额定电流I_1N和I_2N

I_1N和I_2N是根据发热条件而规定的绕组长期允许通过的最大电流。三相变压器额定电流指线电流。

3.额定容量S_N（kVA）

指额定工作条件下变压器输出能力（视在功率）的保证值。

4.变比

变比是指一次侧的额定电压与二次侧的额定电压之比值，如一台10/0.4kV的三相变压器，其变比即为K==25。

5.铜损

铜损是指变压器一次、二次侧电流流过该线圈电阻所消耗的能量之和。

6.铁损

铁损是变压器在额定电压下（二次开路），在铁芯中消耗的功率，其中包括磁滞损耗和涡流损耗。

7.短路电压（短路阻抗）

变压器二次侧短路一次侧施加电压，并慢慢使电压加大，当二次侧产生的短路电流等于额定电流时，一次侧所施加的电压叫做短路电压。一般用百分数表示

小型水电站所用的10kV变压器的短路电压约在4%～6%左右。

8.变压器的连接组别号

在三相变压器中，绕组的连接主要采用星形和三角形连接方法。

将三相绕组的末端连在一起，而由三个首端引出，为星形连接，用字母Y或y表示，如果有中线引出，则用YN或yn表示。

若将三相绕组首末相连而成闭合回路，再由三个首端引出，则为三角形连接，用字母D或d表示。

由于变压器绕组可采用不同的连接，因此一次绕组和二次绕组对应的线电动势（或线电压）之间将产生不同的相位移。为了反映绕组的连接及对应线电压之间的相位关系，通常用时钟的点数来表示，其含义是把高压绕组的相电势相量及低压绕组的相电势相量，形象地分别看成为时钟上的长针和短针，并且令高压绕组相电势指着时钟的盘面上的数字“12”，那么低压绕组相电势指向时钟的数字称为变压器的连接组别号。