2.1.4 變壓器

1. 變壓器原理

變壓器是一種靜止的電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)原理，把一種電壓等級的交流電能轉(zhuǎn)換成頻率相同的另一種電壓等級的交流電能。變壓器具有變換交變電壓、變換交變電流、變換阻抗的作用。它對電能的遠(yuǎn)距離傳輸、靈活分配和經(jīng)濟安全使用具有重要的意義。同時，它在電氣領(lǐng)域的測試、控制和特殊用電設(shè)備上也有廣泛的應(yīng)用。基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，兩個相互絕緣的繞組套在一個共同的鐵心上，它們之間只有磁的耦合，沒有電的聯(lián)系。電源側(cè)的線圈稱為原邊繞組或一次繞組，負(fù)載側(cè)的線圈稱為副邊繞組或二次繞組。

當(dāng)原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，并在鐵心中產(chǎn)生與外加電壓頻率相同的磁通。這個交變磁通同時交鏈原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應(yīng)電勢分別為

假定變壓器兩邊繞組的電壓和電動勢的瞬時值都按正弦規(guī)律變化，由（2-8）式可得一次、二次繞組中電壓和電動勢的有效值與匝數(shù)的關(guān)系為

式中，k稱為變壓器的變比，它等于原、副繞組的匝數(shù)比，也稱電壓比。

如果忽略鐵磁損耗，根據(jù)能量守恒原理，變壓器的輸入與輸出電能相等，即U1I1＝U2I2，由此可得變壓器一次、二次繞組中電壓和電流有效值的關(guān)系為

亦即

由此可見，只要改變變壓器的變比k，就能改變副邊電壓或副邊電流的大小。這就是變壓器利用電磁感應(yīng)原理，將一種電壓等級的交流電源轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓等級的交流電源的基本工作原理。

2. 變壓器的額定參數(shù)和型號

（1）額定電壓U1N和U2N：一次繞組的額定電壓U1N是根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱條件規(guī)定的一次繞組正常工作電壓值。二次繞組的額定電壓U2N指一次繞組加上額定電壓，分接開關(guān)位于額定分接頭時，二次繞組的空載電壓值。對三相變壓器，額定電壓指線電壓。

（2）額定電流I1N和I2N：是根據(jù)允許發(fā)熱條件而規(guī)定的繞組長期允許通過的最大電流值。對三相變壓器，額定電流指的是線電流。

（3）額定容量SN：指額定工作條件下變壓器輸出能力（視在功率）的保證值。三相變壓器的額定容量是指三相容量之和。

此外，還有額定頻率、額定效率、溫升等額定值。

變壓器型號表示一臺變壓器的結(jié)構(gòu)、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內(nèi)容，型號的命名方法如圖2-6所示。例如，SL—500/10表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA，高壓側(cè)額定電壓為10kV級的電力變壓器；OSFPSZ—250000/220表示自耦三相強迫油循環(huán)風(fēng)冷三繞組銅線有載調(diào)壓，額定容量250000kVA，高壓側(cè)額定電壓為220kV的電力變壓器。

變壓器按用途可以分為電力變壓器和特種變壓器兩大類。電力變壓器主要用于電力系統(tǒng)。特種變壓器根據(jù)不同系統(tǒng)和部門的要求，提供各種特殊電源和用途，如電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器、牽引變壓器、礦用變壓器、儀用互感器、試驗用高壓變壓器和調(diào)壓變壓器等，以及用于電子信息產(chǎn)業(yè)的變壓器等。

3. 電力變壓器

電力變壓器是電力系統(tǒng)中的重要電氣設(shè)備，數(shù)量眾多，變壓器有單相變壓器和三相變壓器，按其用途和安裝地點可分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯(lián)絡(luò)變壓器、廠用變壓器和配電變壓器。常見的有雙線圈變壓器，也有少量的三線圈變壓器和自耦變壓器。有的變壓器有自動調(diào)整分接頭裝置，稱為有載調(diào)壓變壓器。變壓器的冷卻方式可分為：干式自然冷卻或風(fēng)冷；油浸自然冷卻；油浸風(fēng)冷，帶有吹風(fēng)裝置；油浸強迫油循環(huán)冷卻，即用油泵強迫油循環(huán)，把油抽出送到冷卻器冷卻后送回油箱。中小型電力變壓器大都采用油浸自然冷卻式，變壓器油是從石油中提煉出來的絕緣油，既是絕緣介質(zhì)，又是散熱媒介，通過油的對流作用把線圈及鐵心上的熱量帶到油箱表面，散發(fā)到空氣中。圖2-7是幾種電力變壓器的實物圖。

從鐵心與繞組的相對位置看，變壓器兩大基本結(jié)構(gòu)形式有心式和殼式兩種。繞組包著鐵心的叫心式變壓器、鐵心包著繞組的叫殼式變壓器。單相或三相電力變壓器多為心式，小容量的單相變壓器常制成殼式。無論殼式變壓器還是心式變壓器其電磁原理是完全相同的。

變壓器的主要組成是鐵心和繞組。鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵心分鐵心柱和鐵軛兩部分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軛連接兩個鐵心柱，其作用是使磁路閉合；繞組是變壓器的電路部分，常用絕緣銅線或鋁線繞制而成，近年來還有用鋁箔繞制的。為了使繞組便于制造和在電磁力作用下受力均勻，以及機械性能良好，一般電力變壓器都把繞組繞制成圓形。

電力變壓器多采用油浸式結(jié)構(gòu)，其附件有油箱、氣體繼電器、安全氣道、分接開關(guān)和絕緣套管等，其作用是保證變壓器的安全和可靠運行。圖2-8是三相油浸式電力變壓器各部件名稱說明。

隨著環(huán)氧樹脂等新材料的出現(xiàn)，將變壓器采用環(huán)氧樹脂真空澆注成為一個整體，稱為干式電力變壓器。目前在35kV及以下電壓等級的配電系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用干式變壓器。它能適應(yīng)高污穢、高溫、潮濕的環(huán)境，具有阻燃、耐燃、無公害、免維護等優(yōu)點，越來越多的應(yīng)用在高層建筑及商業(yè)中心、石油、化工等對防火與安全有更高要求的部門。

近年來，組合式變壓器逐漸普及。組合式變壓器將變壓器器身、高壓負(fù)荷開關(guān)、熔斷器及高低壓連線安裝在全密封的油箱內(nèi)，用變壓器油作為帶電部分相間及對地的絕緣介質(zhì)的一種新型配電設(shè)備。組合式變壓器具有許多優(yōu)點：占地少、選址靈活、對環(huán)境適應(yīng)性強，且能美化城市環(huán)境；能深入負(fù)荷中心、提高供電質(zhì)量；安裝維護方便、運行可靠、投資少、工期短。它適用于城市公共配電、高層建筑、住宅小區(qū)、公園、高速公路等，還適用于油田、工礦企業(yè)及施工場所，在城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造中得到了越來越多的應(yīng)用。

4. 儀用互感器

儀用互感器是用于測量儀器和保護設(shè)備中的特殊變壓器，有電壓互感器和電流互感器之分。

（1）電壓互感器

電壓互感器是一種小型的降壓變壓器，實現(xiàn)用低量程的電壓表測量高電壓。由鐵心、一次繞組、二次繞組、接線端子和絕緣支持物等構(gòu)成。一次繞組并接于電力系統(tǒng)一次回路中，其二次繞組并聯(lián)了測量儀表、繼電保護裝置或自動裝置的電壓線圈。由于電壓互感器是將高電壓變成低電壓，所以它的一次繞組的匝數(shù)較多，而二次繞組的匝數(shù)較少。原理接線如圖2-9所示，由圖可知：被測電壓＝電壓表讀數(shù)×N1/N2。圖2-10是電壓互感器實物圖。

電壓互感器使用注意事項：電壓互感器的二次側(cè)在工作時不能短路。在正常工作時，其二次側(cè)的電流很小，近于開路狀態(tài)，當(dāng)二次側(cè)短路時，其電流很大（二次側(cè)阻抗很小）將燒毀設(shè)備；電壓互感器二次繞組必須有一點接地。因為接地后，當(dāng)一次和二次繞組間的絕緣損壞時，可以防止儀表和繼電器出現(xiàn)高電壓危及人身安全。

（2）電流互感器

電流互感器是將一次側(cè)的大電流，按比例變?yōu)檫m合通過儀表或繼電器使用的，額定電流為5A的變換設(shè)備。電流互感器的結(jié)構(gòu)、工作原理同單相變壓器相似。它由鐵心和一、二次繞組兩個主要部分組成，一次繞組的匝數(shù)較少，一般只有一匝到幾匝，用粗導(dǎo)線繞制，使用時串聯(lián)在被測電路中，流過被測電流；二次繞組匝數(shù)很多，用較細(xì)的導(dǎo)線繞制而成。一般接電流表或功率表的電流線圈，其阻抗很小，負(fù)載近似為零。原理接線如圖2-11所示，由圖可知：被測電流＝電流表讀數(shù)×N2/N1。圖2-12是幾種電流互感器實物圖。

電流互感器使用注意事項：電流互感器的二次繞組側(cè)在使用時絕對不可開路。使用過程中拆卸儀表或繼電器時，應(yīng)事先將二次繞組側(cè)短路。安裝時，接線應(yīng)可靠，不允許二次繞組側(cè)安裝熔絲；在二次繞組側(cè)不能安裝熔斷器、刀開關(guān)。這是因為電流互感器二次繞組匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次繞組匝數(shù)，在開路的狀態(tài)下，電流互感器相當(dāng)于一臺升壓變壓器；二次繞組側(cè)必須有一端接地。防止一、二次繞組間絕緣損壞，高壓竄入二次繞組側(cè)，危及人身和設(shè)備安全。