1.1 變壓器的基本知識和結構
【學習目標】
（1）了解變壓器的種類和用途，掌握變壓器的基本工作原理。
（2）掌握變壓器各主要部件的結構及其作用，了解變壓器的冷卻方式。
（3）理解變壓器銘牌數據的含義，熟悉額定值之間的換算。
1.1.1 變壓器的基本知識
1.變壓器的基本工作原理
變壓器是利用電磁感應原理工作的，圖1.1所示為其工作原理示意圖。在一個閉合的鐵芯上套有兩個繞組。這兩個繞組具有不同的匝數且互相絕緣，兩繞組間只有磁的耦合而沒有電的聯系。其中，接于電源側的繞組稱為原繞組或一次繞組，一次繞組各量用下標“1”表示；用于接負載的繞組稱為副繞組或二次繞組，二次繞組各量用下標“2”表示。
圖1.1 變壓器工作原理示意圖
若將繞組1接到交流電源上，繞組中便有交流電流i1流過，在鐵芯中產生交變磁通Φ與原、副繞組同時交鏈，分別在兩個繞組中感應出同頻率的電動勢e1和e2。
式中：N1為原繞組匝數；N2為副繞組匝數。
若把負載接于繞組2，在電動勢e2的作用下，電流i2將流過負載，就能向負載輸出電能，即實現了電能的傳遞。
由式（1.1）可知，原、副繞組感應電動勢的大小正比于各自繞組的匝數，而繞組的感應電動勢又近似等于各自的電壓，因此，只要一次和二次繞組的匝數不相等，就能達到改變電壓的目的，這就是變壓器的變壓原理。
2.變壓器的應用與分類
（1）應用。在電力系統中，變壓器是輸配電能的主要電氣設備。其應用如圖1.2所示。
圖1.2 變壓器在電力系統中的應用
發電機輸出的電壓，由于受發電機絕緣水平的限制，通常為6.3kV、10.5kV，最高不超過27kV。用這樣低的電壓進行遠距離輸電是有困難的。因為當輸送一定功率的電能時，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線的電阻上。為此需要采用高壓輸電，即用升壓變壓器把電壓升高到輸電電壓，例如110kV、220kV或500kV等，以降低輸送電流，因而線路上的電壓降和功率損耗明顯減小，線路用銅量也可減少，以節省投資費用。一般來說，輸電距離越遠，輸送功率越大，則要求的輸電電壓越高。輸電線路將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負荷區后，由于受用電設備絕緣及安全的限制，通常大型動力設備采用6kV或10kV，小型動力設備和照明則為380／220V。所以在供用電系統中需要大量的降壓變壓器，將輸電線路輸送的高電壓變換成各種不同等級的低電壓，以滿足各類負荷的需要。因此變壓器在電力系統中得到了廣泛應用，變壓器的總安裝容量可達發電機總裝機容量的6～8倍，變壓器對電力系統有著極其重要的意義。
用于電力系統升、降電壓的變壓器稱為電力變壓器。另外，變壓器的用途還很多，如測量系統中用的儀用互感器，用于實驗室調壓的自耦調壓器。在電力拖動系統或自動控制系統中，變壓器作為能量傳遞或信號傳遞的元件，也應用得十分廣泛。
（2）分類。為適應不同的使用目的和工作條件，變壓器種類很多，因此變壓器的分類方法有多種，通常可按用途、繞組數目、相數、鐵芯結構、調壓方式和冷卻方式等劃分類別。
1）按用途分有電力變壓器和特種變壓器。電力變壓器又分為升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯絡變壓器等；特種變壓器又分為試驗用變壓器、儀用變壓器、電爐變壓器、電焊變壓器和整流變壓器等。
2）按繞組數目分有單繞組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。
3）按相數分有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。
4）按鐵芯結構分有芯式變壓器和殼式變壓器。
5）按調壓方式分有無勵磁調壓變壓器和有載調壓變壓器。
6）按冷卻介質和冷卻方式分有干式變壓器、油浸變壓器（包括油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環式和強迫油循環導向冷卻式）和充氣式冷卻變壓器。
1.1.2 變壓器的基本結構
變壓器的基本結構部件有鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置、絕緣套管和保護裝置等，如圖1.3所示。
圖1.3 油浸式電力變壓器結構示意圖
1—信號式溫度計；2—吸濕器；3—儲油柜；4—油表；5—安全氣道；6—氣體繼電器；7—高壓套管；8—低壓套管；9—分接開關；10—油箱；11—鐵芯；12—線圈；13—放油閥門
1.鐵芯
鐵芯是變壓器的主磁路，又是它的支撐骨架。鐵芯由鐵芯柱和鐵軛兩部分組成，鐵芯柱上套裝繞組，鐵軛的作用則是使整個磁路閉合。為了提高磁路的導磁性能和減少鐵芯中的磁滯和渦流損耗，鐵芯用0.35mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成。
疊片式鐵芯的結構型式有芯式和殼式兩種。芯式鐵芯結構的變壓器，其鐵芯被繞組包圍著，如圖1.4所示。芯式變壓器結構簡單，繞組的裝配及絕緣設置也較容易，國產電力變壓器鐵芯主要用心式結構。殼式鐵芯結構的變壓器，它的特點是鐵芯包圍線圈。如圖1.5所示，殼式變壓器的機械強度好，但制造復雜、鐵芯材料消耗多，只在一些特殊變壓器（如電爐變壓器）中采用。
圖1.4 芯式變壓器結構示意圖
（a）單相；（b）三相
1—鐵芯柱；2—鐵軛；3—高壓繞組；4—低壓繞組
圖1.5 殼式變壓器結構示意圖
（a）單相；（b）三相
1—鐵芯柱；2—鐵軛；3—繞組
疊片式鐵芯的裝配，一般均采用交迭式疊裝，使上、下層的接縫錯開，減小接縫間隙以減小勵磁電流。當采用冷軋硅鋼片時，由于冷軋硅鋼片順碾壓方向的導磁系數高，損耗小，故用斜切鋼片的疊裝方法，如圖1.6所示。
圖1.6 斜切鋼片的疊裝法
疊裝好的鐵芯其鐵軛用槽鋼（或焊接夾）及螺桿固定。鐵芯柱則用環氧無緯玻璃絲黏帶綁扎。鐵芯柱的截面在小容量變壓器中常采用方形或矩形，大型變壓器為充分利用線圈內圓空間而常采用階梯形截面，如圖1.7所示。當鐵芯柱直徑超過380mm時，還設有冷卻油道。鐵軛的截面有矩形及階梯形的，鐵軛的截面通常比鐵芯柱大5%～10%，以減少空載電流和損耗。
近年來，出現了一種漸開線形鐵芯變壓器。它的鐵芯柱硅鋼片是在專門的成型機上采用冷擠壓成型方法軋制的，鐵軛則是由同一寬度的硅鋼帶卷制而成，鐵芯柱按三角形方式布置，三相磁路完全對稱，如圖1.8所示。漸開線形鐵芯變壓器的主要優點在于可以節省硅鋼片、便于生產機械化和減少裝配工時。
圖1.7 鐵芯柱截面
（a）矩形截面；（b）多級階梯形截面
圖1.8 漸開線形鐵芯
1—鐵軛；2—鐵芯柱
2.繞組
繞組是變壓器的電路部分，它一般用絕緣銅線或鋁線繞制而成。根據高、低壓繞組在鐵芯柱上排列方式的不同，變壓器的繞組可分為同心式和交疊式兩種。
同心式的高、低壓繞組同心地套在鐵芯柱上，如圖1.4所示。為了便于絕緣，通常低壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組放在外面，中間用絕緣紙筒隔開。這種繞組結構簡單，制造方便，國產電力變壓器均采用此種線圈。
交疊式繞組的高低壓繞組交替地套在鐵芯柱上，如圖1.9所示。這種繞組都做成餅式，高、低壓繞組之間的間隙較多，絕緣比較復雜，但這種繞組漏電抗小，引線方便，機械強度好，主要用在電爐和電焊等特種變壓器中。
3.油箱和冷卻裝置
油浸變壓器的器身浸在充滿變壓器油的油箱里。變壓器油既是絕緣介質，又是冷卻介質，它通過受熱后的對流，將鐵芯和繞組的熱量帶到箱壁及冷卻裝置，再散發到周圍空氣中。
圖1.9 交疊式繞組
油箱的結構與變壓器的容量、發熱情況密切相關。變壓器的容量越大，發熱問題就越嚴重。在小容量變壓器中采用平板式油箱；容量稍大的變壓器采用排管式油箱，在油箱側壁上焊接許多冷卻用的管子，以增大油箱散熱面積。當裝設排管不能滿足散熱需要時，則先將排管做成散熱器，再把散熱器安裝在油箱上，這種油箱稱為散熱器式油箱。此外，大型變壓器還采用強迫油循環冷卻等方式，以增強冷卻效果。強迫油循環的冷卻裝置稱為冷卻器，不強迫油循環的冷卻裝置稱為散熱器。
為了檢修方便，變壓器器身重量大于15t時，通常將變壓器做成鐘罩式油箱，檢修時只需把上節油箱吊起，避免了必須使用重型起重設備。圖1.10所示為器身檢修時的起吊狀況。
4.絕緣套管
變壓器絕緣套管是將線圈的引出線對地（外殼）絕緣，又擔負著固定引線的作用。套管大多數裝于箱蓋上，中間穿有導電桿，套管下部伸進油箱，導電桿下端與繞組引線相連；套管上部露出箱外，導電桿上端與外電路連接。
套管的結構型式，主要決定于電壓等級。1kV以下采用純瓷套管，10～35kV采用空心充氣或充油套管，110kV以上采用電容式套管。為增加表面放電距離，高壓絕緣套管外部做成多級傘形。圖1.11為35kV充油式絕緣套管的結構示意圖。
圖1.10 器身檢修時的起吊
（a）吊器身；（b）吊上節油箱
圖1.11 35kV充油式絕緣套管結構示意圖
5.分接開關
用以改變高壓繞組的匝數，從而調整電壓比的裝置。雙繞組變壓器的一次繞組及三次繞組變壓器的一、二次繞組一般都有3～5個分接頭位置，相鄰分接頭相差±5%，多分接頭的變壓器相鄰分接頭相差±2.5%。
分接開關的操作部分裝于變壓器頂部，經傳桿伸入變壓器油箱內，以改變接頭位置。分接開關分為兩種：一種是無載分接開關，另一種是有載分接開關。后者可以在帶負荷的情況下進行切換、調整電壓。
6.保護裝置
（1）儲油柜（又稱油枕）。它是一種油保護裝置，水平地安裝在變壓器油箱蓋上，用彎曲聯管與油箱連通，柜內油面高度隨變壓器油的熱脹冷縮而變動。儲油柜的作用是保證變壓器油箱內充滿油，減少油和空氣的接觸面積，從而降低變壓器油受潮和老化的速度。
（2）吸濕器（又稱呼吸器）。通過它使大氣與油枕內連通。吸濕器內裝有硅膠或活性氧化鋁，用以吸收進入油枕中空氣的水分，以防止油受潮，從而保持良好的性能。
（3）安全氣道（又稱防爆筒）和壓力釋放閥。它裝于油箱頂部，如圖1.3所示。它是一個長鋼圓筒，上端口裝有一定厚度的玻璃板或酚醛紙板，下端口與油箱連通。它的作用是當變壓器內部因發生故障引起壓力驟增時，讓油氣流沖破玻璃或酚醛紙板噴出，以免造成箱壁爆裂。現在改用壓力釋放閥，尤其在全密封變壓器中，都廣泛采用壓力釋放閥做保護。動作時膜盤被頂開釋放壓力，平時膜盤靠彈簧拉力緊貼閥座（密封圈），起密封作用。
（4）凈油器（又稱熱虹吸凈油器）。它是利用油的自然循環，使油通過吸附劑進行過濾，以改善運行中變壓器油的性能。
（5）氣體繼電器（又稱瓦斯繼電器）。它裝在油枕和油箱的連通管中間，見圖1.3。當變壓器內部發生故障（如絕緣擊穿、匝間短路、鐵芯事故等）產生氣體時，或油箱漏油使油面降低時，氣體繼電器動作，發出信號以便運行人員及時處理；若事故嚴重，可使斷路器自動跳閘，對變壓器起保護作用。
此外，變壓器還有測溫及溫度監控裝置等。
1.1.3 變壓器的銘牌
每臺變壓器上都裝有銘牌，在銘牌上標明了變壓器工作時規定的使用條件，主要有型號、額定值、器身重量、制造編號和制造廠家等有關技術數據，電力變壓器分類和型號見表1.1。
表1.1 電力變壓器分類和型號
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。例如：
SL-500/10為三相油浸自冷雙繞組鋁線、額定容量500kVA、高壓側額定電壓10kV級電力變壓器。
SFPL-63000/110表示三相強迫油循環風冷式雙繞組鋁線、額定容量63000kVA、高壓側額定電壓110kV級電力變壓器。
2.額定值
額定值是制造廠根據設計或試驗數據，對變壓器正常運行狀態所作的規定值，主要有如下幾項。
（1）額定容量SN（kVA）。指在額定使用條件下所能輸出的視在功率，對三相變壓器而言，額定容量指三相容量之和。由于變壓器效率很高，雙繞組變壓器原、副邊的額定容量按相等設計。
（2）額定電壓U1N/U2N（kV或V）。指變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓。一次額定電壓U1N是指根據絕緣強度規定加到一次側的工作電壓；二次額定電壓U2N是指變壓器一次加額定電壓，分接開關位于額定分接頭時的二次空載端電壓。在三相變壓器中，額定電壓指的是線電壓。
（3）額定電流I1N/I2N（A）。指變壓器在額定容量下，允許長期通過的電流。同樣，三相變壓器的額定電流也指的是線電流。
額定容量、電壓、電流之間的關系是
單相變壓器
三相變壓器
（4）額定頻率fN（Hz）。我國規定標準工頻為50Hz。
此外，還有效率、溫升等額定值。除額定值外，銘牌上還標有變壓器的相數、聯結組別、阻抗電壓（或短路阻抗標么值）、接線圖等。
【例1.1】 一臺三相油浸自冷式鋁線變壓器，SN=200kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，Y，yn接線。求：
（1）變壓器一、二次額定電流。
（2）變壓器原、副繞組的額定電流和額定電壓。
解：（1）（2）由于Y，yn接線。
一次繞組的額定電壓
一次繞組的額定電流I1Nφ=I1N=11.55A
二次繞組的額定電壓
二次繞組的額定電流I2Nφ=I2N=288.68A
小結
變壓器是一種傳遞交流電能的靜止電氣設備，它利用一、二次繞組匝數的不同，通過電磁感應作用，改變交流電的電壓、電流數值，但頻率不變。
變壓器的基本結構部件有鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置、絕緣套管和保護裝置等。
每臺變壓器上都裝有銘牌，在銘牌上標明了變壓器工作時規定的使用條件，主要有：型號、額定值、器身重量、制造編號和制造廠家等有關技術數據。
習題
（1）變壓器是怎樣實現變壓的？
（2）變壓器的主要用途是什么？為什么要高壓輸電？
（3）變壓器鐵芯的作用是什么？為什么要用0.35mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊成？
（4）變壓器一次繞組若接在直流電源上，二次會有穩定的直流電壓嗎，為什么？
（5）變壓器有哪些主要部件，其功能是什么？
（6）變壓器二次額定電壓是怎樣定義的？
（7）雙繞組變壓器一、二次側的額定容量為什么按相等進行設計？
（8）有一臺單相變壓器，SN=50kVA，U1N/U2N=10500/230V，試求一、二次繞組的額定電流。
（9）有一臺SN=5000kVA，U1N/U2N=10/6.3kV，Y，d連接的三相變壓器，試求：①變壓器的額定電壓和額定電流；②變壓器一、二次繞組的額定電壓和額定電流。
綜合實訓
1.實訓目標
熟悉單相變壓器結構及裝配方法。
2.實訓要求
（1）單相變壓器拆卸。
（2）單相變壓器裝配。
（3）單相變壓器繞組重繞（選做）。
（4）單相變壓器繞組直流電阻測量。
（5）單相變壓器繞組間和繞組對鐵芯絕緣電阻測量。