1.1 變壓器的基本工作原理和結構

1.1.1 變壓器的基本工作原理及分類

1.變壓器的基本工作原理

圖1-1是一臺單相雙繞組變壓器的示意圖。它是由疊片組成的閉合鐵心和環繞在鐵心上的兩個（或多個）繞組（線圈）組成，兩個繞組匝數不同。其中一個繞組與電源相接，其電壓由電源電壓決定，接受電源電能，稱為一次繞組（又稱原邊繞組或初級繞組），其匝數用N₁表示；另一個繞組與負載相接，其電壓由變壓器繞組匝數決定，并向負載提供電能，稱為二次繞組（又稱副邊繞組或次級繞組），其匝數用N₂表示。

圖1-2所示為變壓器工作原理示意圖。當交流電壓u₁加到一次繞組上，一次繞組中便有交流電流i₁流過，在鐵心中產生與外加電壓相同頻率的交變磁通Φ，磁通Φ被限制在鐵心所提供的磁路之中，并沿磁路閉合，磁通Φ同時交鏈了一次繞組和二次繞組，根據電磁感應原理，分別在一、二次繞組中感應出同頻率的電動勢e₁和e₂。

式中，N₁和N₂分別為一、二次繞組匝數。各電量參考方向如圖1-2所示。

若二次繞組與負載接通，則電動勢e₂在二次側閉合電路內引起電流i₂，i₂在負載上的壓降即是變壓器二次側電壓u₂。這樣，電源送入一次側的電能u₁i₁，通過一、二次繞組的磁耦合，使負載獲得了電能u₂i₂，從而實現了能量的傳輸。

顯然，一、二次感應電動勢e₁、e₂之比等于一、二次繞組匝數N₁、N₂之比，即

為了表示變壓器的這種特性，引入變壓器變比K的概念。K的大小可由下式計算

國家標準規定變壓器電氣圖形符號，如圖1-3所示。

2.變壓器的分類

變壓器的分類方法很多，通常可按用途、繞組數目、相數、鐵心結構、調壓方式和冷卻方式等劃分類別。

按照用途對變壓器進行分類，一般分為電力變壓器和特種變壓器兩大類。

在電力系統中用來傳輸和分配電能的一大類變壓器，統稱為電力變壓器。電力變壓器根據其使用特點可分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯絡變壓器等。

特種變壓器是滿足工業生產中特殊要求的電源，如整流變壓器、電爐變壓器、電焊變壓器、阻抗匹配變壓器、脈沖變壓器等。

變壓器還可按相數分成單相、三相、多相，按繞組數分為雙繞組、三繞組、多繞組，按絕緣方式分為油浸式、干式，還可按冷卻方式分為自然冷卻、風冷、水冷、強迫油循環冷卻等各種形式。

1.1.2 變壓器的基本結構與額定值

1.變壓器的基本結構

變壓器的種類繁多，結構各有特點，但鐵心和繞組是組成變壓器的兩個主要部分。本節以油浸式電力變壓器為例，簡要介紹變壓器的結構及各主要部分功能。

（1）鐵心

為了減少交變磁通在鐵心中引起的磁滯損耗和渦流損耗（合稱鐵損耗），變壓器鐵心是由厚0.30～0.35mm的硅鋼片疊壓而成。鐵心結構的基本形式有心式和殼式兩種。心式變壓器是在兩側的鐵心柱上放置繞組，形成繞組包圍鐵心的形式。如圖1-4a所示。心式變壓器結構較為簡單，繞組的裝配及絕緣也較容易，絕大部分國產變壓器均采用心式結構。殼式變壓器是在中間的鐵心柱上放置繞組，形成鐵心包圍繞組的形狀。如圖1-4b所示。殼式變壓器制造工藝復雜，使用材料較多。目前只有容量很小的電源變壓器使用這種結構。

（2）繞組

變壓器的線圈通常稱為繞組，它是變壓器中的電路部分，小型變壓器一般用具有絕緣的漆包圓形銅線繞制而成，對容量稍大的變壓器則用扁銅線或扁鋁線繞制。

在變壓器中，接到高壓電網的繞組稱高壓繞組，接到低壓電網的繞組稱低壓繞組。按高壓繞組和低壓繞組的相互位置和形狀不同，繞組可分為同心式和交疊式兩種。

同心式繞組是將高、低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上，如圖1-5a所示。為了便于與鐵心絕緣，把低壓繞組套裝在里面，高壓繞組套裝在外面。對低壓、大電流、大容量的變壓器，由于低壓繞組引出線很粗，也可以把它放在外面。高、低壓繞組之間留有空隙，可作為油浸式變壓器的油道，既利于繞組散熱，又作為兩繞組之間的絕緣。同心式繞組的結構簡單、制造容易，常用于心式變壓器中，這是一種最常見的繞組結構形式，國產電力變壓器基本上均采用這種結構。

交疊式繞組又稱餅式繞組，它是將高壓繞組及低壓繞組分成若干個線餅，沿著鐵心柱的高度交替排列著。如圖1-5b所示。為了便于絕緣，一般最上層和最下層安放低壓繞組。交疊式繞組的主要優點是漏抗小、機械強度高、引線方便。這種繞組形式主要用在低電壓、大電流的變壓器上，如容量較大的電爐變壓器、電阻電焊機變壓器等。

（3）其他結構部件

油浸式電力變壓器的繞組及鐵心被浸在變壓器油中，變壓器油充滿油箱。使用變壓器油可以提高繞組絕緣強度，并通過油受熱后的自然對流將鐵心和繞組產生的熱量帶到油箱壁，再由油箱壁散發到空氣中去。變壓器油箱一般做成橢圓狀，為增大散熱面積，往往還在油箱外增設散熱管，以提高散熱效果。在油箱蓋上還裝有儲油柜和安全氣道（俗稱防爆管）。儲油柜是固定在油箱頂部的圓筒形容器，并以管道與油箱連通，它可以減少變壓器油與空氣的接觸面積，以減輕變壓器油與空氣接觸后的老化變質。安全氣道是一個長筒鋼管，下部與油箱連通，上部出口處蓋以玻璃或酚醛紙板。當變壓器發生較嚴重故障時，油箱內會產生大量氣體，其迅速上升的壓力可以沖破安全氣道的出口蓋板，從而釋放氣體壓力，達到保護變壓器主體的目的。

此外，油箱上還有引出線的絕緣套管、發生事故時報警用的氣體繼電器、調節一次繞組匝數用的分接開關等部件。

2.變壓器的型號與額定值

每臺變壓器上都裝有銘牌，上面標注著該變壓器的型號及各種額定數據，銘牌數據是選擇和使用變壓器的依據。

（1）變壓器型號

變壓器的型號表示一臺變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內容，其表示方法如圖1-6所示。

變壓器的型號由漢語拼音字母和數字按確定的順序組合起來構成。例如：SL—1000/10，S表示三相；L表示鋁線；1000表示額定容量為1000kV·A；10表示高壓側額定電壓10kV。

OSFPSZ-250000/220表明自耦、三相、強迫油循環、風冷、三繞組銅線、有載調壓，額定容量250000kV·A，高壓額定電壓220kV電力變壓器。

（2）額定值

1）額定容量S_N。

S_N指變壓器的視在功率。單位為V·A、kV·A或MV·A。對于雙繞組的電力變壓器，其一、二次繞組設計容量是相同的，所以S_N=S_1N=S_2N。對三相變壓器，S_N是指三相總容量。

2）額定電壓（U_1N、U_2N）。

U_1N指電源施加到一次繞組的額定電壓；U_2N指當一次繞組加U_1N時，二次繞組開路（空載）時的二次繞組電壓U₂₀，所以U₂₀=U_2N。對三相變壓器，其額定電壓是指線電壓，額定電壓的單位為V或kV。

3）額定電流（I_1N、I_2N）。

變壓器額定容量S_N除以一、二次額定電壓（U_1N、U_2N）后，所計算出來的值（I_1N或U_2N），單位為A或kA。對于三相變壓器其額定電流指線電流。

單相變壓器的額定電流為

三相變壓器的額定電流為

變壓器實際運行時，其運行時的容量往往與額定容量不同，即變壓器運行時二次電流I₂就不一定是額定電流I_2N，當二次電流達到額定值時變壓器就稱為帶額定負載運行。

4）額定頻率f_N。

我國規定供電的工業頻率為50Hz。

此外，變壓器額定值還包括效率、溫升等。除額定值外，還標有變壓器的相數、連接組別、阻抗電壓（或短路阻抗相對值或標幺值）、接線圖等。