第4章　變壓器的使用與維護

4.1　變壓器基礎(chǔ)知識 

4.1.1　變壓器的分類

變壓器的品種和規(guī)格多種多樣，但是原理相同，都是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的。常用變壓器的分類及主要用途可歸納如下。

（1）按用途分類

變壓器按用途可分為電力變壓器、儀用變壓器和特殊用途變壓器。

①電力變壓器　電力變壓器用于電力系統(tǒng)中的升壓或降壓，供輸電、配電和廠礦企業(yè)用電使用，是一種最普通的常用變壓器。電力變壓器可分為：

a.升壓變壓器。將發(fā)電廠的低電壓升高后輸送到遠距離的用電區(qū)。

b.降壓變壓器。將輸送來的高電壓降下來供各電網(wǎng)需要。

c.配電變壓器。安裝在各配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，供工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用。

d.聯(lián)絡(luò)變壓器。供兩變電所聯(lián)絡(luò)信息使用。

e.廠用變壓器。供廠礦企業(yè)使用。

②儀用變壓器　儀用變壓器用于測量儀表和繼電保護裝置。儀用變壓器可分為：

a.電壓互感器。

b.電流互感器。

③特殊用途變壓器　特殊用途變壓器可分為：

a.電爐變壓器。供冶煉使用。

b.整流變壓器。供電解和化工使用。

c.試驗變壓器。試驗變壓器有工頻試驗變壓器、調(diào)壓器等，供試驗電氣設(shè)備時使用。工頻試驗變壓器可提高電壓對高壓電氣設(shè)備進行試驗，調(diào)壓器可調(diào)節(jié)電壓大小供試驗時使用。

d.電焊變壓器（又稱弧焊變壓器）。供焊接使用。

（2）按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分類

變壓器按冷卻介質(zhì)和冷卻方式可分為油浸式變壓器和干式變壓器。

①油浸式變壓器。有油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷和強迫油循環(huán)和水內(nèi)冷等。

②干式變壓器。有空氣自冷、風(fēng)冷等。依靠空氣對流進行冷卻，一般用于小容量、不能有油的場所。

（3）按繞組個數(shù)分類

變壓器按繞組個數(shù)可分為自耦變壓器、雙繞組變壓器和三繞組變壓器等。

①自耦變壓器。用于連接超高壓、大容量的電力系統(tǒng)，其特點是損耗少，效率高，成本低，便于運輸和安裝，但調(diào)壓范圍小。

②雙繞組變壓器。用于連接兩個電壓等級的電力系統(tǒng)，應(yīng)用最普遍。

③三繞組變壓器。用于連接三個電壓等級的電力系統(tǒng)，多用于區(qū)域變電站。

（4）按調(diào)壓方式分類

變壓器按調(diào)壓方式可分為無勵磁調(diào)壓變壓器和有載調(diào)壓變壓器。

①無勵磁調(diào)壓變壓器。需斷電，停止負(fù)載后進行調(diào)壓。

②有載調(diào)壓變壓器。可不停電帶載調(diào)壓。

（5）按相數(shù)分類

變壓器按相數(shù)可分為單相變壓器和三相變壓器。

①單相變壓器。用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。

②三相變壓器。用于三相系統(tǒng)的升、降電壓。

（6）按鐵芯形式分類

變壓器按鐵芯形式可分為芯式變壓器和殼式變壓器。

①芯式變壓器。用于普通電力系統(tǒng)中，應(yīng)用比較廣泛。

②殼式變壓器。多用于特殊變壓器和單相小型變壓器。

芯式結(jié)構(gòu)的特點是鐵軛靠著繞組的頂面和底面，但不包圍繞組的側(cè)面，如圖4-1（a）所示；殼式結(jié)構(gòu)的特點是鐵軛（未套入繞組的鐵芯）包圍繞組的頂面、底面和側(cè)面，如圖4-1（b）所示。

4.1.2　變壓器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）變壓器的基本結(jié)構(gòu)

單相雙繞組變壓器的工作原理如圖4-2所示。通常兩個繞組中一個接到交流電源，稱為一次繞組（又稱原繞組或初級繞組）；另一個接到負(fù)載，稱為二次繞組（又稱副繞組或次級繞組）。

（2）變壓器的工作原理

當(dāng)一次繞組接上交流電壓時，一次繞組中就會有交流電流通過，并在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，其頻率和外施電壓的頻率一樣。這個交變磁通同時交鏈一、二次繞組，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，便在一、二次繞組中分別感應(yīng)出電動勢和。此時，如果二次繞組與負(fù)載接通，便有二次電流流入負(fù)載，二次繞組端電壓就是變壓器的輸出電壓，于是變壓器就有電能輸出，實現(xiàn)了能量傳遞。在這一過程中，一、二次繞組感應(yīng)電動勢的頻率都等于磁通的交變頻率，亦即一次側(cè)外施電壓的頻率。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢的大小與磁通、繞組匝數(shù)和頻率成正比，即

E₁=4.44f N₁Φ_m

E₂=4.44f N₂Φ_m　　　　　

式中　E₁，E₂——一、二次繞組的感應(yīng)電動勢，V；

　N₁，N₂——一、二次繞組的匝數(shù)；

　f——交流電源的頻率，Hz；

　Φ_m——主磁通的最大值，Wb。

以上兩式相除，得

　　　　　

因為在常用的電力變壓器中，繞組本身的電壓降很小，僅占繞組電壓的0.1%以下，因此，U₁≈ E₁、U₂≈ E₂，代入上式得

　　　　　

上式表明，一、二次繞組的電壓比等于一、二次繞組的匝數(shù)比。因此，只要改變一、二次繞組的匝數(shù)，便可達到改變電壓的目的。這就是利用電磁感應(yīng)作用，把一種電壓的交流電能轉(zhuǎn)變成頻率相同的另一種電壓的交流電能的基本工作原理。

通常把一、二次繞組匝數(shù)的比值k稱為變壓器的電壓比（或變比）。只要使k不等于1，就可以使變壓器原、副邊的電壓不等，從而起到變壓的作用。如果k>1，則為降壓變壓器；若k<1，則為升壓變壓器。

對于三相變壓器來說，變比是指相電壓（或相電動勢）的比值。

4.1.3　變壓器的額定值

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。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證變壓器長期可靠地工作，并具有優(yōu)良的性能。額定值亦是變壓器廠進行產(chǎn)品設(shè)計和試驗的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在變壓器的銘牌上，亦稱為銘牌值。

變壓器的額定值主要有：

①額定容量S_N ：指在銘牌上所規(guī)定的額定狀態(tài)下變壓器的額定輸出視在功率，以V·A、kV·A或MV·A表示。由于變壓器效率高，通常把一、二次額定容量設(shè)計得相等。

②額定電壓U_1N和U_2N ：一次額定電壓U_1N指電網(wǎng)施加到變壓器一次繞組上的額定電壓值。二次額定電壓U_2N指變壓器一次繞組上施加額定電壓U_1N時，二次繞組的空載電壓值。額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器的額定電壓均指線電壓。

③額定電流I_1N和I_2N ：額定電流指變壓器在額定運行情況下允許發(fā)熱所規(guī)定的線電流，以A表示。根據(jù)額定容量和額定電壓可以求出一、二次繞組的額定電流。

對單相變壓器，一、二次繞組的額定電流為

　　　　　

對三相變壓器，一、二次繞組的額定電流為

　　　　　

④額定頻率f_N ：我國規(guī)定工頻為50Hz。

⑤效率η：變壓器的效率為輸出的有功功率與輸入的有功功率之比的百分?jǐn)?shù)。

⑥溫升：變壓器在額定狀態(tài)下運行時，所考慮部位的溫度與外部冷卻介質(zhì)溫度之差。

⑦阻抗電壓：阻抗電壓曾稱短路電壓，指變壓器二次繞組短路（穩(wěn)態(tài)），一次繞組流過額定電流時所施加的電壓。

⑧空載損耗：當(dāng)把額定交流電壓施加于變壓器的一次繞組上，而其他繞組開路時的損耗，單位為W或kW。

⑨ 負(fù)載損耗：在額定頻率及參考溫度下，穩(wěn)態(tài)短路時所產(chǎn)生的相當(dāng)于額定容量下的損耗，單位為W或kW。

⑩連接組標(biāo)號：用來表示變壓器各相繞組的連接方法以及一、二次繞組線電壓之間相位關(guān)系的一組字母和序數(shù)。