第4章　變壓器的使用與維護

4.1　變壓器基礎知識 

4.1.1　變壓器的分類

變壓器的品種和規格多種多樣，但是原理相同，都是根據電磁感應原理制成的。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中的升壓或降壓，供輸電、配電和廠礦企業用電使用，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。將發電廠的低電壓升高后輸送到遠距離的用電區。

b.降壓變壓器。將輸送來的高電壓降下來供各電網需要。

c.配電變壓器。安裝在各配電網絡系統中，供工農業生產使用。

d.聯絡變壓器。供兩變電所聯絡信息使用。

e.廠用變壓器。供廠礦企業使用。

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、調壓器等，供試驗電氣設備時使用。工頻試驗變壓器可提高電壓對高壓電氣設備進行試驗，調壓器可調節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）按冷卻介質和冷卻方式分類

變壓器按冷卻介質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、油浸風冷、油浸水冷和強迫油循環和水內冷等。

②干式變壓器。有空氣自冷、風冷等。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）按繞組個數分類

變壓器按繞組個數可分為自耦變壓器、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，其特點是損耗少，效率高，成本低，便于運輸和安裝，但調壓范圍小。

②雙繞組變壓器。用于連接兩個電壓等級的電力系統，應用最普遍。

③三繞組變壓器。用于連接三個電壓等級的電力系統，多用于區域變電站。

（4）按調壓方式分類

變壓器按調壓方式可分為無勵磁調壓變壓器和有載調壓變壓器。

①無勵磁調壓變壓器。需斷電，停止負載后進行調壓。

②有載調壓變壓器。可不停電帶載調壓。

（5）按相數分類

變壓器按相數可分為單相變壓器和三相變壓器。

①單相變壓器。用于單相負荷和三相變壓器組。

②三相變壓器。用于三相系統的升、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。用于普通電力系統中，應用比較廣泛。

②殼式變壓器。多用于特殊變壓器和單相小型變壓器。

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

4.1.2　變壓器的基本結構與工作原理

（1）變壓器的基本結構

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，根據電磁感應定律，便在一、二次繞組中分別感應出電動勢和。此時，如果二次繞組與負載接通，便有二次電流流入負載，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，實現了能量傳遞。在這一過程中，一、二次繞組感應電動勢的頻率都等于磁通的交變頻率，亦即一次側外施電壓的頻率。根據電磁感應定律，感應電動勢的大小與磁通、繞組匝數和頻率成正比，即

E₁=4.44f N₁Φ_m

E₂=4.44f N₂Φ_m　　　　　

式中　E₁，E₂——一、二次繞組的感應電動勢，V；

　N₁，N₂——一、二次繞組的匝數；

　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、二次繞組的匝數比。因此，只要改變一、二次繞組的匝數，便可達到改變電壓的目的。這就是利用電磁感應作用，把一種電壓的交流電能轉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定的一些量值。在額定狀態下運行時，可以保證變壓器長期可靠地工作，并具有優良的性能。額定值亦是變壓器廠進行產品設計和試驗的依據。額定值通常標在變壓器的銘牌上，亦稱為銘牌值。

變壓器的額定值主要有：

①額定容量S_N ：指在銘牌上所規定的額定狀態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熱所規定的線電流，以A表示。根據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數。

⑥溫升：變壓器在額定狀態下運行時，所考慮部位的溫度與外部冷卻介質溫度之差。

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（穩態），一次繞組流過額定電流時所施加的電壓。

⑧空載損耗：當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 負載損耗：在額定頻率及參考溫度下，穩態短路時所產生的相當于額定容量下的損耗，單位為W或kW。

⑩連接組標號：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系的一組字母和序數。