第七章变压器的基本结构和运行分析 在工农业生产及社会生活的各个方面,存在着千差万别的用电设备,不同的 用电设备常常需要接在各种不同等级电压的电源上。例如,家用电器一般接在电 压为220V的电源上;三相异步电动机一般接在电压为380V的电源上;我国电 力机车接在电压为25KV的接触网上。为了供电、输电、配电的需要,就必须使 用一种电气设备把发电厂内交流发电机发出的交流电压变换成不同等级的电压。 这种电气设备就是变压器。变压器是在法拉第电磁感应原理的基础上设计制造的 种静止的电气设备,它可以将输入的一种等级电压的交流电能变换成同频率的 另一种等级电压的交流电能输出 本章在介绍变压器基本结构和工作原理的基础上,分析变压器空载运行、负 载运行的电磁关系,得出变压器的各种平衡方程、等效电路和运行特性。并简要 介绍自耦变压器和互感器的原理和作用。 第一节变压器的基本结构、分类及铭牌 变压器的基本结构部件是铁心和绕组,由它们组成变压器的器身。为了改善 散热条件,大、中容量变压器的器身浸入盛满变压器油的封闭油箱中,各绕组与 外电路的连接则经绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行,还设有储油柜、 气体继电器和安全气道等附件,如图7-1所示。 防爆管 油面指示器 油流继电器低压套管 分接开关 椭圆形油箱 吸湿器 散热器 温度计 线圈及 绝缘 放油阀 图7-1电力变压器外型 、变压器的基本结构 变压器由铁心、绕组、油箱及附件等3大部分组成。 下面以油浸式电力变压器为例来分别介绍。 1.铁心
第七章 变压器的基本结构和运行分析 在工农业生产及社会生活的各个方面，存在着千差万别的用电设备，不同的 用电设备常常需要接在各种不同等级电压的电源上。例如，家用电器一般接在电 压为 220V 的电源上；三相异步电动机一般接在电压为 380V 的电源上；我国电 力机车接在电压为 25KV 的接触网上。为了供电、输电、配电的需要，就必须使 用一种电气设备把发电厂内交流发电机发出的交流电压变换成不同等级的电压。 这种电气设备就是变压器。变压器是在法拉第电磁感应原理的基础上设计制造的 一种静止的电气设备，它可以将输入的一种等级电压的交流电能变换成同频率的 另一种等级电压的交流电能输出。 本章在介绍变压器基本结构和工作原理的基础上，分析变压器空载运行、负 载运行的电磁关系，得出变压器的各种平衡方程、等效电路和运行特性。并简要 介绍自耦变压器和互感器的原理和作用。 第一节 变压器的基本结构、分类及铭牌 变压器的基本结构部件是铁心和绕组，由它们组成变压器的器身。为了改善 散热条件，大、中容量变压器的器身浸入盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组与 外电路的连接则经绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行，还设有储油柜、 气体继电器和安全气道等附件，如图 7-1 所示。 图 7-1 电力变压器外型 一、变压器的基本结构 变压器由铁心、绕组、油箱及附件等 3 大部分组成。 下面以油浸式电力变压器为例来分别介绍。 1．铁心
铁心既作为变压器的磁路;又作为变压器的机械骨架 为了提高导磁性能、减少交变磁通在铁心中引起的损耗,变压器的铁心都采 用厚度为035-0.5mm的电工钢片叠装而成。电工钢片的两面涂有绝缘层,起绝 缘作用。大容量变压器多采用高磁导率、低损耗的冷轧电工钢片。电力变压器的 铁心一般都采用心式结构,其铁心可分为铁心柱(有绕组的部分)和铁轭(联接 两个铁心柱的部分)两部分。绕组套装在铁心柱上,铁轭使铁心柱之间的磁路闭 合,如图7-2所示。 在铁心柱与铁轭组合成整个铁心时,多采用交叠式装配,使各层的接缝不在 同一地点,这样能减少励磁电流,但缺点是装配复杂,费工费时。在一般变压器 中,铁心柱截面采用外接圆的阶梯形。只有当变压器容量很小时才采用方形。 交流磁通在铁心中会引起涡流损耗和磁滞损耗,使铁心发热。在大容量变压 器的铁心中 往往设置油道。铁心浸在变压器油中,当油从油道中流过时,可将铁心中的 热量带走。 2.绕组 绕组是变压器的电路部分,用来传输电能,一般分为高压绕组和低压绕组。 接在较高电压上的绕组称为高压绕组;接在较低电压上的绕组称为低压绕组。从 能量的变换传递来说,接在电源上,从电源吸收电能的绕组称为原边绕组(又称 次绕组或初级绕组);与负载连接,给负载输送电能的绕组称副边绕组(又称 二次绕组或次级绕组)。 绕组一般是用绝缘的铜线绕制而成。高压绕组的匝数多、导线横截面小;低 压绕组的匝数少、导线横截面大。为了保证变压器能够安全可靠的运行以及有足 够的使用寿命,对绕组的电气性能、耐热性能和机械强度都有一定的要求。 绕组是按照一定规律连接起来的若干个线圈的组合。根据高压绕组和低压绕 组相互位置的不同,绕组结构型式可分为同心式和交叠式两种。 同心式绕组是将高压绕组和低压绕组同心地套装在铁心柱上,如图7-2(a 所示。为了绝缘方便,低压绕组紧靠着铁心,高压绕组则套装在低压绕组的外面, 两个绕组之间留有油道。油道一是作为绕组间的绝缘间隙:二是作为散热通道, 使油从油道中流过冷却绕组。在单相变压器中,高、低压绕组均分为两部分,分
铁心既作为变压器的磁路；又作为变压器的机械骨架。 为了提高导磁性能、减少交变磁通在铁心中引起的损耗，变压器的铁心都采 用厚度为 0.35-0.5ｍｍ的电工钢片叠装而成。电工钢片的两面涂有绝缘层，起绝 缘作用。大容量变压器多采用高磁导率、低损耗的冷轧电工钢片。电力变压器的 铁心一般都采用心式结构，其铁心可分为铁心柱（有绕组的部分）和铁轭（联接 两个铁心柱的部分）两部分。绕组套装在铁心柱上，铁轭使铁心柱之间的磁路闭 合，如图 7-2 所示。 在铁心柱与铁轭组合成整个铁心时，多采用交叠式装配，使各层的接缝不在 同一地点，这样能减少励磁电流，但缺点是装配复杂，费工费时。在一般变压器 中，铁心柱截面采用外接圆的阶梯形。只有当变压器容量很小时才采用方形。 交流磁通在铁心中会引起涡流损耗和磁滞损耗，使铁心发热。在大容量变压 器的铁心中 往往设置油道。铁心浸在变压器油中，当油从油道中流过时，可将铁心中的 热量带走。 2．绕组 绕组是变压器的电路部分，用来传输电能，一般分为高压绕组和低压绕组。 接在较高电压上的绕组称为高压绕组；接在较低电压上的绕组称为低压绕组。从 能量的变换传递来说，接在电源上，从电源吸收电能的绕组称为原边绕组（又称 一次绕组或初级绕组）；与负载连接，给负载输送电能的绕组称副边绕组（又称 二次绕组或次级绕组）。 绕组一般是用绝缘的铜线绕制而成。高压绕组的匝数多、导线横截面小；低 压绕组的匝数少、导线横截面大。为了保证变压器能够安全可靠的运行以及有足 够的使用寿命，对绕组的电气性能、耐热性能和机械强度都有一定的要求。 绕组是按照一定规律连接起来的若干个线圈的组合。根据高压绕组和低压绕 组相互位置的不同，绕组结构型式可分为同心式和交叠式两种。 同心式绕组是将高压绕组和低压绕组同心地套装在铁心柱上，如图 7-2（ａ） 所示。为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面， 两个绕组之间留有油道。油道一是作为绕组间的绝缘间隙；二是作为散热通道， 使油从油道中流过冷却绕组。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分
别套装在两铁心柱上,这两部分可以串联或并联;在三相变压器中属于同一相的 高、低压绕组全部套装在同一铁心柱上。同心式绕组的结构简单、制造方便,心 式变压器一般都采用这种结构。 交叠式绕组是将高压绕组和低压绕组分成若干线饼,沿着铁心柱交替排列而 构成,如图7-2(a)所示。为了便于绝缘和散热,高压绕组与低压绕组之间留有 油道并且在最上层和最下层靠近铁轭处安放低压绕组。交叠式绕组的机械强度 高,引线方便,壳式变压器一般采用这种结构。 幗一2「 感屡十 图7-2变压器的铁心与绕组型式 (a)心式铁心和同心式绕组:(b)壳式铁心和交迭式绕组 1-铁心:2-低压绕组:3-高压绕组。 3.油箱及附件 油箱就是油浸式变压器的外壳。变压器在运行中绕组和铁心会产生热量,为 了迅速将热量散发到周围空气中去,可采用增加散热面积的方法。变压器油箱的 结构型式主要有平板式、管式等。对容量较大的变压器,采用在油箱壁的外侧装 有散热管的管式油箱来增加散热面积, 当油受热膨胀时,箱内的热油上升到油箱的上部,经散热管冷却后的油下降 到油箱的底部,形成自然循环,把热量散发到周围空气中。对大容量变压器,还 可采用强迫冷却的方法,如用风扇吹冷变压器等以提髙散热效果。 高、低压绕组套装在铁心上总称为器身,器身放在油箱中,油箱中充以变压 器油。充油的目的是:(1)提髙绕组的绝缘强度。因为油的绝缘性能比空气好。 (2)便于散热。因为通过油受热后的对流作用,可以将绕组及铁心的热量带到 油箱壁,再由油箱壁散发到空气中去。对变压器油的要求是:介质强度髙;着火 点高;粘度小;水分和杂质含量尽可能少。 变压器油受热后要膨胀,因此油箱不能密封。为了减小油与空气的接触面积
别套装在两铁心柱上，这两部分可以串联或并联；在三相变压器中属于同一相的 高、低压绕组全部套装在同一铁心柱上。同心式绕组的结构简单、制造方便，心 式变压器一般都采用这种结构。 交叠式绕组是将高压绕组和低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱交替排列而 构成，如图 7-2 (a) 所示。为了便于绝缘和散热，高压绕组与低压绕组之间留有 油道并且在最上层和最下层靠近铁轭处安放低压绕组。交叠式绕组的机械强度 高，引线方便，壳式变压器一般采用这种结构。 图 7-2 变压器的铁心与绕组型式 （a）心式铁心和同心式绕组；（b）壳式铁心和交迭式绕组。 1-铁心；2-低压绕组；3-高压绕组。 3．油箱及附件 油箱就是油浸式变压器的外壳。变压器在运行中绕组和铁心会产生热量，为 了迅速将热量散发到周围空气中去，可采用增加散热面积的方法。变压器油箱的 结构型式主要有平板式、管式等。对容量较大的变压器，采用在油箱壁的外侧装 有散热管的管式油箱来增加散热面积， 当油受热膨胀时，箱内的热油上升到油箱的上部，经散热管冷却后的油下降 到油箱的底部，形成自然循环，把热量散发到周围空气中。对大容量变压器，还 可采用强迫冷却的方法，如用风扇吹冷变压器等以提高散热效果。 高、低压绕组套装在铁心上总称为器身，器身放在油箱中，油箱中充以变压 器油。充油的目的是：（1）提高绕组的绝缘强度。因为油的绝缘性能比空气好。 （2）便于散热。因为通过油受热后的对流作用，可以将绕组及铁心的热量带到 油箱壁，再由油箱壁散发到空气中去。对变压器油的要求是：介质强度高；着火 点高；粘度小；水分和杂质含量尽可能少。 变压器油受热后要膨胀，因此油箱不能密封。为了减小油与空气的接触面积
变压器安装有储油柜。储油柜固定在油箱顶上并用管子与油箱直接连通,储油柜 的上部有加油栓,可以向变压器内补油,油箱的下部有放油活门,可以排放变压 器油。储油柜使油箱内部与外界空气隔绝,减少了油氧化及吸收水分的面积。储 油柜内的油面髙度被控制在一定范围内,当油受热膨胀时,一部分油被挤入储油 柜中使油面升高,而油遇冷收缩时,这部分油再流回油箱使油面降低。储油柜的 大小应能满足变压器在各种可能的运行温度下,油面的升降总是能保持在储油柜 的范围内 储油柜的一侧有油位计,可查看油面高度的变化。另外,储油柜上还装有吸 湿器,它是一种空气过滤装置,外部空气经过吸湿器干燥后才能进人储油柜,从 而使油箱中的油不易变质损坏。 在油箱与储油柜之间还装有气体继电器。当变压器发生故障时,油箱内部会 产生气体,气体继电器动作而发出故障信号以提示工作人员及时处理或使相应的 开关自动跳闸,切除变压器的电源 大容量变压器的油箱盖上还装有安全气道,它是一个长的钢筒,下面与油箱 相通,上端装有防爆膜。当变压器内部发生严重故障产生大量气体时,油箱内部 压力迅速升高而冲破安全气道上的防爆膜,喷出气体,消除压力,以免产生重大 事故。 变压器绕组的接线端子由绝缘套管从油箱内引到油箱外。绝缘套管由外部的 瓷套和中心的导电杆组成,它穿过变压器上部的油箱壁,其导电杆在油箱内部的 一端与绕组的出线端子连接,在外部的一端与外电路连接。绝缘套管的结构因电 压的高低而不同,引出的电压越高,套管的结构越复杂。当电压不高时,可采用 简单的瓷制实心式套管。电压很高时,要采用高压瓷套管,高压瓷套管在套管和 导电杆之间充油,在外部做成多级伞形,电压越高,级数越多。 、变压器的分类 由于变压器的应用范围十分广泛,因此它的种类很多,主要有以下几种 1.按用途分类 (1)电力变压器 用来传输和分配电能,是所有变压器中用途最广、生产量最大的一种变压器 通过如图7-3所示的一个简单电力系统的示意图,可加深对电力变压器所处重要
变压器安装有储油柜。储油柜固定在油箱顶上并用管子与油箱直接连通，储油柜 的上部有加油栓，可以向变压器内补油，油箱的下部有放油活门，可以排放变压 器油。储油柜使油箱内部与外界空气隔绝，减少了油氧化及吸收水分的面积。储 油柜内的油面高度被控制在一定范围内，当油受热膨胀时，一部分油被挤入储油 柜中使油面升高，而油遇冷收缩时，这部分油再流回油箱使油面降低。储油柜的 大小应能满足变压器在各种可能的运行温度下，油面的升降总是能保持在储油柜 的范围内。 储油柜的一侧有油位计，可查看油面高度的变化。另外，储油柜上还装有吸 湿器，它是一种空气过滤装置，外部空气经过吸湿器干燥后才能进人储油柜，从 而使油箱中的油不易变质损坏。 在油箱与储油柜之间还装有气体继电器。当变压器发生故障时，油箱内部会 产生气体，气体继电器动作而发出故障信号以提示工作人员及时处理或使相应的 开关自动跳闸，切除变压器的电源。 大容量变压器的油箱盖上还装有安全气道，它是一个长的钢筒，下面与油箱 相通，上端装有防爆膜。当变压器内部发生严重故障产生大量气体时，油箱内部 压力迅速升高而冲破安全气道上的防爆膜，喷出气体，消除压力，以免产生重大 事故。 变压器绕组的接线端子由绝缘套管从油箱内引到油箱外。绝缘套管由外部的 瓷套和中心的导电杆组成，它穿过变压器上部的油箱壁，其导电杆在油箱内部的 一端与绕组的出线端子连接，在外部的一端与外电路连接。绝缘套管的结构因电 压的高低而不同，引出的电压越高，套管的结构越复杂。当电压不高时，可采用 简单的瓷制实心式套管。电压很高时，要采用高压瓷套管，高压瓷套管在套管和 导电杆之间充油，在外部做成多级伞形，电压越高，级数越多。 二、变压器的分类 由于变压器的应用范围十分广泛，因此它的种类很多，主要有以下几种。 1．按用途分类 （1）电力变压器 用来传输和分配电能，是所有变压器中用途最广、生产量最大的一种变压器， 通过如图 7-3 所示的一个简单电力系统的示意图，可加深对电力变压器所处重要
地位的认识。 去系统的 0.38kV 另一部分 ④电动机 V 10kV 10kV 220kV 照明 发电机 110kV G 6kV 其他负载 双绕组电三绕组电 力变压器力变压器Q 图7-3简单的电力系统 远距离输送一定的电功率,电压越低则电流越大,消耗在输电线路上的电阻 损耗越大;若要减小输电线电阻以输送大电流,就要用大截面的输电线而消耗较 多的导体材料。所以,为了减小输电线路上的电阻损耗和节约导体材料,目前电 力系统的输电线路都采用高压输电。由于受到绝缘水平的限制,发电厂的同步发 电机一般输出的额定电压为10.5KV(发电机额定。电压越高对发电机各部分的 绝缘要求就越高),而一般高压输电线路的额定电压为110KV、220KV、330KV、 500KV,这就需要用升压变压器将电压升高后再送人输电线路:当电能经过高压 输电线路传输到用电区后,必须用降压变压器把输电线路上的高电压降下来,才 能供给我们一般情况下所使用的动力用电和照明用电。由图7-3可见,电力系统 中存在许多变压器,通过这些变压器的作用产生了不同等级的电压从而能够满足 不同的需要。 (2)仪用变压器 包括电流互感器和电压互感器,在测量系统中使用。它们能够把大电流变换 成小电流,或把高电压变换成低电压,从而隔离大电流或高电压以便于安全地进 行测量工作。 (3)自耦变压器 容量较大的异步电动机降压起动时常用自耦变压器实现降压。在实验室中, 经常要使用自耦变压器,可以很方便地调节输出电压 (4)专用变压器 如电解用的整流变压器,焊接用的电焊变压器以及供无线电通信用的特殊变 压器等
地位的认识。 图 7-3 简单的电力系统 远距离输送一定的电功率，电压越低则电流越大，消耗在输电线路上的电阻 损耗越大；若要减小输电线电阻以输送大电流，就要用大截面的输电线而消耗较 多的导体材料。所以，为了减小输电线路上的电阻损耗和节约导体材料，目前电 力系统的输电线路都采用高压输电。由于受到绝缘水平的限制，发电厂的同步发 电机一般输出的额定电压为 10.5KV（发电机额定。电压越高对发电机各部分的 绝缘要求就越高），而一般高压输电线路的额定电压为 110KV、220 KV、330 KV、 500 KV，这就需要用升压变压器将电压升高后再送人输电线路；当电能经过高压 输电线路传输到用电区后，必须用降压变压器把输电线路上的高电压降下来，才 能供给我们一般情况下所使用的动力用电和照明用电。由图 7-3 可见，电力系统 中存在许多变压器，通过这些变压器的作用产生了不同等级的电压从而能够满足 不同的需要。 （2）仪用变压器 包括电流互感器和电压互感器，在测量系统中使用。它们能够把大电流变换 成小电流，或把高电压变换成低电压，从而隔离大电流或高电压以便于安全地进 行测量工作。 （3）自耦变压器 容量较大的异步电动机降压起动时常用自耦变压器实现降压。在实验室中， 经常要使用自耦变压器，可以很方便地调节输出电压。 （4）专用变压器 如电解用的整流变压器，焊接用的电焊变压器以及供无线电通信用的特殊变 压器等