第一章 变压器概述

第一节 变压器的分类及工作原理

变压器是利用电磁感应原理制成的一种静止的电气设备，它把某一电压等级的交流电能转换成频率相同的另一种或几种电压等级的交流电能。变压器是电力系统中的重要设备，对电能的经济传输、灵活应用和安全使用具有重大意义。目前，大型变压器大多为油浸式变压器，它是由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管、出线装置、冷却装置和保护装置等部分组成。

变压器型号及其含义如下：

另外，在型号后加注防护类型代号，TH为温热带，TA为干热带。一、分类

（1）变压器按用途可分为电力变压器、特种变压器，诸如电炉变压器、电焊变压器、整流变压器、电压互感器、电流互感器等。

（2）按绕组形式可分为双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器等。（3）按相数可分为单相变压器和三相变压器等。

（4）按冷却方式可分为油浸式变压器和干式变压器等。二、变压器的空载运行和电压变换

变压器主要由铁芯和绕组构成，其工作原理如图1 1所示。原绕组（一次绕组）N₁和副绕组（二次绕组）N₂放置在环状铁芯上。

当二次绕组开路而一次绕组接到电压为u₁的电源上的运行情况，称为空载运行。一次绕组加上电压u₁后产生交变的励磁电流，又称为空载电流i₀，空载电流在铁芯中产生交变磁能Φ_m。该磁通同时与N₁和N₂交链，在绕组中产生感应电势e₁和e₂。感应电势

的有效值E₁和E₂可用下列公式计算

E₁=4.44fN₁Φ_m E₂=4.44fN₂Φ_m

式中 E₁、E₂———一、二次侧感应电势的有效值，V；

N₁、N₂———一、二次绕组的匝数；

f———电源的频率，Hz；

Φ_m———主磁通的幅值，Wb。

图1 1 变压器工作原理图

空载运行时，空载电流在一次绕组中产生电压降

r₁I₀，这个电压降和一次电压相比是很小的，可忽略不计。因此，一次电压有效值U₁ 和二次绕组中感应电势的有效值E₁基本相等，即U₁≈E₁。

二次绕组由于开路，没有电流，因此二次绕组中感应电势的有效值E₂就是空载二次电压的有效值U₂₀，即E₂=U₂₀。所以

UU210≈EE12=44..4444ffNN12ΦΦmm=NN12=K

式中 K———变压器的电压比，简称变比，它近似等于一、二次绕组的匝数比。

因此，只要适当改变变压器一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的。变比K＞1时，即U₁＞U₂₀，为降压变压器；K＜1时，即U₁＜U₂₀，为升压变压器。

三、变压器的负载运行和电流变换

变压器一次绕组加电源电压u₁，二次绕组接负载的工作状态称为负载运行。

负载运行状态下，二次绕组中就有电流i₂ 通过，二次绕组的磁动势i₂N₂ 也产生磁通。因此，在负载运行状态下铁芯中的主磁通是一个由一、二次绕组的磁动势共同产生的合成磁通。此时，变压器一次绕组中的电流由空载电流i₀ 增大到i₁，以抵偿二次绕组磁势对一次绕组磁势的去磁作用，从而维持主磁通基本不变。

变压器在运行时，传输效率很高，一般可高达98%～99%。也就是说变压器本身的损耗很小，忽略不计，可认为变压器的输入功率等于输出功率，即

U₁I₁=U₂I₂

式中 I₁、I₂———一、二次绕组电流的有效值，A。

则有

UU12=II21=NN12=K

上式说明，一、二次绕组中电流与匝数成反比，即

II12=KI

四、三相变压器1.三相变压器组

三相变压器组是三台单相变压器按某种接线方式连接在一起构成的，用三台单相变压器分别变换各相的电压，变压器的磁路系统各相是独立的，如图1 2所示。

由单相变压器构成的三相变压器组，比同容量的三相变压器贵，效率低，占地面积2

大。但每台单相变压器的尺寸和运输重量较小，因此便于运输和安装。此外，三相变压器组有一台单相变压器作为备用就可以了，从而也便于检修和提高运行的安全性。所以，在大容量变压器，运输安装困难以及需要备用变压器的情况下，一般都采用三相变压器组。

三相变压器组的容量为三台单相变压器容量之和。

2.三相变压器

图1 2 三相变压器组

三相三柱式铁芯变压器，一般称为三相芯式

变压器，因目前电力系统中一般都采用这种变压器，故简称为三相变压器。

三相变压器的铁芯有三个芯，每个芯柱上都套着一、二次绕组，各相磁路是相互关联的。在对称负荷下运行时，各相电压、电流大小相等，相位彼此相差120°。在实际工程上，取三相激磁电流的平均值作为三相变压器的空载电流值。

对于特大型变压器，为了降低其高度，便于运输，将铁芯做成三芯五柱式，即在普通的三相芯式变压器铁芯的两侧加上两个旁轭，而三相绕组仍分别在原来的铁芯上。

三相变压器的工作原理与单相变压器的工作原理一样。变压器铭牌上所标的是额定线电压，额定线电流。其额定容量即三相总容量。

三相变压器的容量越大，其经济指标也越好。但是，大型的三相变压器体积大，本体重，因此受到运输条件的限制。在不受运输和安装条件限制的中、小容量情况下，一般采用三相变压器较经济。

五、三绕组变压器

当用两种不同等级的电压向电力系统或用户供电时，或枢纽变电所需要连接几种不同等级电压的电力系统时，通常采用三绕组变压器。三绕组变压器可以做成单相的变压器组，也可以做成三相变压器，常见的为三相变压器。三绕组变压器每相有高、中、低三个绕组，三个绕组同心地套在一个芯柱上。为绝缘方便起见，高压绕组放在最外边。至于中、低压绕组，根据相互间传递功率较多的两个绕组应靠得近些的原则，用在不同场合的变压器有不同的安排。如用于发电厂的升压变压器，大部分是由低压向高、中压侧传递功率，一般采用中压绕组放在最里边，低压绕组放在中间的方案；如用于变电所的降压变压器，大部分是从高压侧向中、低压侧传递功率，则一般选用低压绕组放在最里边的方案。

三绕组变压器的任意两绕组间按电磁感应定律传递能量，这一点和双绕组变压器没有什么区别。

根据供电的实际需要，三绕组变压器各绕组的容量可以设计的不同。变压器铭牌上的额定容量是指其中最大的一个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量。如果将额定容量作为100，则按国家标准，我国现在制造的三绕组变压器三个绕组的容量比见表1 1。

由于三绕组变压器三个绕组的容量可能不同，运行中应注意监视控制任何一侧的负载，其值不应超过该绕组的额定容量，否则有可能在其他两绕组还没有到额定容量时，另一侧绕组就已经过载了。

表1 1

三绕组变压器容量比