任務(wù)1.3 特殊變壓器認(rèn)知及應(yīng)用

知識(shí)與能力目標(biāo)

1)熟悉自耦變壓器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

2)熟悉電壓互感器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

3)熟悉電流互感器的結(jié)構(gòu)與工作原理。

由于工業(yè)的不斷發(fā)展，相應(yīng)地出現(xiàn)了適用于各種行業(yè)的特殊變壓器。下面將討論常見(jiàn)的自耦變壓器和儀用變壓器。

1.3.1 自耦變壓器認(rèn)知及應(yīng)用

1.自耦變壓器

自耦變壓器是將一、二次繞組合成一個(gè)繞組，其中一次繞組的一部分兼做二次繞組，它的一、二次繞組之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯(lián)系，如圖1-31所示。其中N₁為自耦變壓器一次繞組的匝數(shù)，N₂為自耦變壓器二次繞組的匝數(shù)。

圖1-31 自耦變壓器

自耦變壓器也是利用電磁感應(yīng)原理工作的。當(dāng)一次繞組兩端加電壓U₁時(shí)，鐵心中產(chǎn)生交變磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E₁及E₂，有如下關(guān)系

變比：

當(dāng)負(fù)載時(shí)，假定一次繞組電流為 ，負(fù)載電流為 ，則二次繞組的電流 。有磁勢(shì)平衡關(guān)系

由于I₀很小，忽略不計(jì)，則

將 代入式，得

即

上式說(shuō)明自耦變壓器一、二次繞組中的電流大小與匝數(shù)成反比，且在相位上互差180°。因此流經(jīng)公共繞組中的電流I的大小為一、二次繞組的電流之差，即I＝I₂-I₁。當(dāng)變比K接近于1時(shí)，公共部分的電流很小，因此這部分可以用較細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)繞成，減小變壓器的體積和重量。

自耦變壓器輸出的視在功率為 S₂＝U₂I₂ (1-35)

由于I＝I₂-I₁，因此有 S₂＝U₂(I＋I₁)＝U₂I＋U₂I₁ (1-36)

從這個(gè)式子可以看出，自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成，其中U₂I部分是依據(jù)電磁感應(yīng)原理從一次繞組傳遞到二次繞組的視在功率，稱(chēng)為電磁功率；而U₂I₁則是通過(guò)電路聯(lián)系從一次繞組直接傳遞到二次繞組的視在功率，稱(chēng)為傳導(dǎo)功率。傳遞這部分功率不需增加繞組容量，這就是自耦變壓器繞組容量小于其額定容量的原因。

自耦變壓器的特點(diǎn)：自耦變壓器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省用銅量(單位容量消耗的材料少，變壓器體積小)和效率比一般變壓器高(特別是K接近1時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)越突出)等優(yōu)點(diǎn)，因此電力系統(tǒng)中使用的自耦變壓器，變比一般在1.2～2.0的范圍內(nèi)。其缺點(diǎn)是一次側(cè)、二次側(cè)電路中有電的聯(lián)系，可能發(fā)生把高電壓引入低壓繞組的危險(xiǎn)事故，很不安全，因此，要求自耦變壓器在使用時(shí)注意以下問(wèn)題：

1)自耦變壓器在使用時(shí)必須正確接線(xiàn)，且外殼必須接地，并且不能作為安全的隔離變壓器使用，也不允許作為照明變壓器使用。

2)自耦變壓器的低壓側(cè)應(yīng)有過(guò)電壓的保護(hù)裝置。

3)自耦變壓器接通電源前應(yīng)將手柄置零。

2.自耦調(diào)壓器

低壓小容量的自耦變壓器，其二次繞組的接頭C常作成沿線(xiàn)圈自由滑動(dòng)的觸頭，它可以平滑地調(diào)節(jié)自耦變壓器的二次繞組電壓，這種自耦變壓器稱(chēng)為自耦調(diào)壓器，如圖1-32所示。

圖1-32 自耦調(diào)壓器

a)自耦調(diào)壓器外形圖 b)電路原理圖

1.3.2 電壓互感器認(rèn)知及應(yīng)用

儀用互感器包括電流互感器和電壓互感器兩種。互感器屬測(cè)量裝置，按變壓器原理工作，它們用于向電流表、電壓表、功率表和繼電器等提供信號(hào)。在實(shí)際工作中，直接測(cè)量大電流或者高電壓是比較困難的。在交流電路中，常用特殊的變壓器把大電流轉(zhuǎn)換成小電流、高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓后再測(cè)量，所用的轉(zhuǎn)換裝置就稱(chēng)為電流互感器和電壓互感器。使用互感器的優(yōu)點(diǎn)在于使測(cè)量?jī)x表與高電壓隔離，保證儀表和人身的安全；又可擴(kuò)大儀表的量限，便于儀表的標(biāo)準(zhǔn)化，還可以減少測(cè)量中的能耗。因此，在交流電壓、電流和功率的測(cè)量中，以及各種繼電保護(hù)和控制電路中，互感器的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的。

電壓互感器也屬于儀用互感器，同樣用來(lái)與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路，對(duì)一次回路進(jìn)行測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)，在電工測(cè)量中主要用來(lái)按比例變換交流電壓。電壓互感器的結(jié)構(gòu)形式與工作原理和單相降壓變壓器基本相同。電壓互感器的外形圖、原理圖和符號(hào)如圖1-33所示。

電壓互感器實(shí)質(zhì)就是一個(gè)降壓變壓器，是由鐵心和一、二次繞組兩個(gè)主要部分組成。一次繞組匝數(shù)多，并聯(lián)在被測(cè)電路中，二次繞組匝數(shù)少，接在高阻抗的儀表上，如接在電壓表、功率表或電度表的電壓線(xiàn)圈上。因此二次繞組的電流很小，正常運(yùn)行時(shí)，近似空載運(yùn)行。根據(jù)變壓器的電壓比公式

圖1-33 電壓互感器的外形圖、原理圖和符號(hào)

a)電壓互感器外形圖 b)電路原理圖 c)電壓互感器的符號(hào)

其中，K_u是電壓互感器的變換系數(shù)，也稱(chēng)為電壓互感器的變換倍率。K_u一般標(biāo)在電壓互感器的銘牌上，只要讀出二次繞組的電壓，一次繞組的電壓可以由上式求出。在實(shí)際應(yīng)用中，與電壓互感器配套使用的電壓表中的電壓已換算成一次繞組的電壓，可以直接讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，不必再進(jìn)行換算。一般電壓互感器二次繞組的額定電壓為100V。常用的電壓互感器變比有3000V/100V、6000V/100V等。電壓互感器有干式、油浸式及澆注絕緣式等，其符號(hào)如圖1-33c所示。

由于勵(lì)磁電流和漏阻抗的存在，電壓互感器存在著誤差。為了減小誤差，應(yīng)盡量減小空載電流和一、二次繞組的漏抗，以得到準(zhǔn)確的變比。根據(jù)誤差大小，電壓互感器可分為0.2、0.5、1.0、3.0等四級(jí)，級(jí)數(shù)越大，誤差也越大。

使用電壓互感器時(shí)的注意事項(xiàng)。

1)電壓互感器的二次繞組在使用時(shí)絕不允許短路。如二次繞組短路，將產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致電壓互感器繞組過(guò)熱而燒壞。

2)為保證操作人員的安全，電壓互感器的鐵心和二次繞組的一端必須可靠接地。

3)電壓互感器具有一定的額定容量，在使用時(shí)二次側(cè)所接的阻抗值不能小于規(guī)定值，即不能多帶電壓表或電壓線(xiàn)圈，否則流過(guò)電流過(guò)大，會(huì)降低電壓互感器的精度等級(jí)。

1.3.3 電流互感器認(rèn)知及應(yīng)用

電流互感器屬于儀用互感器的范疇，主要用來(lái)與儀表和繼電器等低壓電器組成二次回路，對(duì)一次回路進(jìn)行測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)。在電工測(cè)量中主要用來(lái)按比例變換交流電流。電流互感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理和單相變壓器相類(lèi)似。電流互感器的外形圖、原理圖和符號(hào)如圖1-34所示。

電流互感器由鐵心和一、二次繞組兩個(gè)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(xiàn)繞制，使用時(shí)串聯(lián)在被測(cè)電路中，流過(guò)被測(cè)電流，二次繞組匝數(shù)很多，用較細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)繞制而成。一般接電流表或功率表的電流線(xiàn)圈，它的阻抗很小，負(fù)載近似為零。根據(jù)變壓器的電流比公式I₁N₁＝I₂N₂可知

圖1-34 電流互感器的外形圖、原理圖和符號(hào)

a)電流互感器外形圖 b)電路原理圖 c)電流互感器的符號(hào)

其中，K_i稱(chēng)為電流互感器的額定電流比，標(biāo)在電流互感器的銘牌上。在電流互感器中，二次繞組電流與電流比的乘積等于一次繞組電流(即被測(cè)電流)。例如若電流表的讀數(shù)為4A，電流比為40/5，則被測(cè)電流為I₁＝K_iI₂＝40/5×4A＝32A。在實(shí)際應(yīng)用中，與電流互感器配套使用的電流表中的電流已換算成一次繞組的電流，可以直接讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，不必再進(jìn)行換算。

電流互感器一次繞組的額定電流可設(shè)計(jì)在0～15000A或10～25000A之間，而電流互感器二次繞組額定電流通常采用5A。

實(shí)際上，由于勵(lì)磁電流和漏阻抗的影響，電流互感器也存在著誤差，其相對(duì)誤差為

為了減少誤差，電流互感器的鐵心采用高導(dǎo)磁性能的材料制成，而且要求二次繞組所接儀表的總阻抗不大于規(guī)定的阻抗。根據(jù)誤差大小，電流互感器分為0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五個(gè)等級(jí)供選用。級(jí)數(shù)越大，誤差也越大。

使用電流互感器的注意事項(xiàng)。

1)互感器的二次側(cè)絕不允許開(kāi)路。因?yàn)槿绻蝹?cè)開(kāi)路，則電流互感器處于空載運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)，電流互感器一次繞組通過(guò)的電流就成為勵(lì)磁電流，使鐵心中的磁通和鐵耗猛增，導(dǎo)致鐵心發(fā)熱燒壞繞組；另外電流互感器產(chǎn)生很大的磁通將在二次繞組中感應(yīng)出很高的電壓，危及人身安全或破壞繞組絕緣。因此，在二次繞組中裝卸儀表時(shí)，必須先將二次繞組短路，裝卸完后再斷開(kāi)短路線(xiàn)。

2)互感器的二次側(cè)必須可靠接地，以保證工作人員及設(shè)備的安全。

3)二次繞組回路串入的阻抗值不得超過(guò)有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，否則將影響電流互感器的精確度。