1.8 特種變壓器

電力系統中除廣泛采用雙繞組變壓器以外，在實際應用中為適應某些需要也采用一些特殊的變壓器，如自耦變壓器、互感器、電焊變壓器等。這些變壓器的基本原理和分析方法與雙繞組變壓器是相同的，但又具有自己的特點。下面對常見的幾種變壓器進行分析，重點學習各種特殊用途變壓器的結構、工作原理，以及在使用中應注意的問題。

1.自耦變壓器

如果把變壓器一次繞組和二次繞組合二為一，使二次繞組成為一次繞組的一部分，這種只有一個繞組的變壓器稱為自耦變壓器。在高壓輸電系統中，自耦變壓器主要用來連接兩個電壓等級相近的電力網，做聯絡變壓器之用；在實驗室常用具有滑動觸點的自耦變壓器獲得可任意調節的交流電壓；作為三相異步電動機的啟動補償器，對電動機進行降壓啟動。

自耦變壓器與普通雙繞組變壓器的區別是：自耦變壓器只有一個繞組，二次繞組是一次繞組的一部分，一次繞組和二次繞組之間不但有磁的耦合，還有電的聯系。

單相降壓自耦變壓器的工作原理如圖1.20所示，下面以此為例對其進行分析。

（1）自耦變壓器的工作原理。從圖1.20中可知，二次繞組N2為一次繞組 N1的一部分，并且鐵芯中的磁通同時交鏈。

與普通變壓器一樣，根據電磁感應定律可知，當一次繞組U、X兩端加交流電壓U1時，鐵芯中產生交變的磁通，并分別在一次繞組及二次繞組中產生感應電動勢E1及E2，當二次繞組接上負載后，有電流I2流過，通過分析，它們滿足下式：

式中，K——變壓比。

自耦變壓器一次繞組和二次繞組中的電流大小與匝數成反比，在相位上互差180°。因此，流經公共繞組中的電流I12的大小為

可見，流經公共繞組中的電流總是小于輸出電流I2。當變壓比K接近于1時，則I1與I2的數值相差不大，即公共繞組中的電流I12很小，因而這部分繞組可用截面積較小的導線繞制，以節約用銅量，并減小自耦變壓器的體積與重量。

【工程要求】

自耦變壓器可做成單相的，也可做成三相的，如圖1.21所示為三相自耦變壓器的結構示意圖及原理圖。一般三相自耦變壓器都采用星形連接。

如果將自耦變壓器的抽頭做成滑動觸頭，就成為自耦調壓器。自耦調壓器常用于調節實驗電壓的大小。如圖1.22所示為常用的環形鐵芯的單相自耦調壓器的外形圖及原理圖。

【課堂討論】

（2）使用中應注意的問題。

目前，自耦變壓器應用廣泛，但由于自耦變壓器的特殊結構，應注意以下問題。

① 在電網中運行的自耦變壓器，中性點必須可靠接地。

② 一次側、二次側須加裝避雷針裝置。由于自耦變壓器的一次側與二次側之間有電路的直接聯系，一次側過電壓時會直接傳遞到二次側，容易造成危險事故。

③ 自耦變壓器的短路阻抗比普通變壓器小，產生的短路電流大，所以對自耦變壓器短路保護措施的要求比雙繞組變壓器要高，要有限制短路電流的措施。

綜上所述，自耦變壓器與普通雙繞組變壓器相比，在相同的額定容量下，自耦變壓器的體積較小，節省了有效材料（銅線和硅鋼片）和結構材料（鋼材），降低了成本。同時由于自身的結構特點及有效材料的減少還可較小損耗，從而提高自耦變壓器的效率。缺點是對低壓側的絕緣水平要求較高，必須與高壓側絕緣等級相同。另外，自耦變壓器的短路阻抗較小，短路電流較大，因此必須加強保護。

2.儀用互感器

在生產和科學實驗中，經常要測量交流電路的高電壓和大電流，如果直接使用電壓表和電流表進行測量，就存在一定的困難，同時對操作者也很不安全，因此利用變壓器既可變壓又可變流的原理，制造了專供測量使用的特殊變壓器，稱為儀用互感器。儀用互感器作為測量用的專業設備，除用于電流及交流電壓的測量外，還用于各種繼電保護裝置的測量系統，因此儀用互感器應用廣泛。

使用儀用互感器有兩個目的：一是使測量回路與被測量回路相互隔離，從而保證測量人員的安全；二是擴大測量儀表（電流表及電壓表）的測量范圍。

儀用互感器分為電流互感器和電壓互感器兩種，下面分別介紹。

（1）電流互感器。在電工測量中用來按比例變換電流的儀器稱為電流互感器，如圖1.24所示。電流互感器的基本結構及工作原理與單相變壓器相似，它有兩個繞組：一次繞組串聯在被測的交流電路中，流過的是被測電流I1，它一般只有一匝或幾匝，用粗導線繞制；二次繞組匝數較多，與交流電流表等阻抗很小的儀表接成閉合回路。

由于電流互感器二次繞組所接儀表的阻抗很小，二次繞組相當于被短路，因此電流互感器的運行狀況相當于變壓器的短路運行狀態。

由變壓器工作原理可得：

Ki稱為電流互感器的變流比，在電流互感器的銘牌上都有標注。利用一次繞組和二次繞組的不同匝數，電流互感器可將線路上的大電流轉換成小電流來測量，只要改變接入的電流互感器的變流比，就可測量大小不同的一次電流。通常電流互感器的二次額定電流均設計為5A，只要讀出接在電流互感器二次繞組側電流表的讀數，則一次電路的待測電流就很容易從式（1-21）中得到。在實際應用中，與電流互感器配套使用的電流表已換算成一次電流，其標度尺即按一次電流分度，這樣可以直接讀數，不必再進行換算。電流互感器的額定電流等級有100A/5A、500A/5A、2000A/5A等，精度有0.2、0.5、1.0、3.0和10.0共五個等級。

使用電流互感器時必須注意以下事項。

① 電流互感器在運行時二次側絕對不允許開路。因為二次側開路時，電流互感器處于空載運行狀態，被測線路的大電流就全部成為勵磁電流，鐵芯中的磁通將急劇增大，磁路嚴重飽和，一方面造成鐵芯過熱而燒損繞組絕緣，另一方面將在二次側感應出很高的電壓，可能使絕緣擊穿，并危及測量人員和設備的安全。因此電流互感器的二次側電路中，絕對不允許裝熔斷器，運行中如果需要拆下電流表等測量儀表，必須先將電流互感器的二次側短接。

② 電流互感器的鐵芯及二次側的一端必須可靠接地，如圖1.24所示。

③ 電流表的內阻抗必須很小，否則會影響測量精度。

【例1-5】 有一臺型號為Y280S—4的三相異步電動機，額定電壓為380V，額定電流為140A，額定功率為75kW，試選擇電流互感器規格，并計算流過電流表的實際電流。

解：為了測量準確，又考慮到電動機允許可能出現的短時過載等原因，應使被測電流大致為滿量程的1/2～3/4，因此選擇電流互感器的額定電流為200A。變流比為

流過電流表的電流I2可由式（1-20）計算得

（2）電壓互感器。在電工測量中用來按比例交換交流電壓的儀器稱為電壓互感器，如圖1.25所示。電壓互感器實質上就是一個降壓變壓器，它的一次繞組匝數N1很多，直接與待測的高壓電路并聯；二次繞組匝數N2很少，接高阻抗的測量儀表（如電壓表或其他儀表的電壓線圈）。

由于電壓互感器的二次繞組所接儀表的阻抗很高，二次電流很小，近似等于零，所以電壓互感器正常運行時相當于降壓變壓器的空載運行狀態。根據變壓器的原理，有

Ku稱為電壓互感器的變壓比，在電壓互感器的銘牌上都有標注。式（1-22）表明，利用一次繞組和二次繞組的不同匝數，電壓互感器可將被測的高電壓轉換成低電壓供測量。電壓互感器的二次繞組額定電壓一般都設計為100V，而固定的板式電壓表表面的刻度則按一次側的額定電壓來刻度，因而可以直接讀數。電壓互感器的額定電壓等級有3000V/100V、10000V/100V，精度有0.5、1.0和3.0共三個等級。

使用電壓互感器時必須注意以下事項。

① 電壓互感器在運行時二次側絕對不允許短路。因為如果二次側發生短路，將產生很大的短路電流，導致電壓互感器燒壞。因此使用時，二次側電路中應串接熔斷器作為短路保護。

② 電壓互感器的鐵芯及二次繞組的一端必須可靠接地，如圖1.25所示，以防止高壓繞組絕緣損壞時，鐵芯及二次繞組帶上高電壓而造成事故。

③ 電壓互感器有一定的額定容量，使用時二次繞組回路不宜接入過多的儀表，以免影響電壓互感器的測量精度。

【例1-6】 用電壓比為10000V/100V的電壓互感器，交流比為100A/5A的電流互感器擴大容量，其電流表讀數為3.2A，電流表讀數為66V，試求被測電路的電流、電壓各為多少？

解：因為電流互感器負載電流等于電流表讀數乘以電流互感器的電流比，即

而電壓互感器所測電壓等于電壓表讀數乘以電壓比，即

被測電路的電流為64A，電壓為6600V。

3.電焊電壓器

交流電焊機又稱電焊變壓器，由于結構簡單、成本低廉、制造容易和維護方便等特點而被廣泛應用。電焊變壓器實質上就是一臺特殊的降壓變壓器。

（1）焊接工藝對電焊變壓器的要求。電弧焊是靠電弧放電的熱量來熔化金屬的。為了保證電弧焊的質量和電弧燃燒的穩定性，對電焊變壓器有以下幾點要求。

①空載電壓在60～70V之間，保證容易起弧。為了操作者的安全，最高空載電壓一般不超過85V。

② 負載時具有迅速下降的外特性，如圖1.26所示。通常在額定負載時的輸出電壓約30V。

③ 為了適應不同的焊接工件和不同規格的焊條，要求可在一定范圍內調節焊接電流的大小。

④ 短路電流不應過大，同時工作時焊接電流比較穩定。

（2）電焊變壓器的結構及工作原理。為了滿足以上要求，電焊變壓器必須具有較大的電抗，而且可以調節。因此，電焊變壓器的一次繞組和二次繞組一般分裝在兩個鐵芯柱上，而不是同心地套裝在一起。為了得到迅速下降的外特性以及焊接電流可調，可采取串聯可變電抗器法和磁分路法，由此產生了不同類型的弧焊變壓器。

① 磁分路的弧焊變壓器。如圖1.27（a）所示，它在一次繞組和二次繞組的兩個鐵芯柱之間，安裝了一個磁分路動鐵芯。由于磁分路動鐵芯的存在，增加了漏磁通，增大了漏電抗，從而得到迅速下降的外特性。通過調節螺桿可將磁分路動鐵芯移進或移出到適當位置，使得漏磁通增大或減小，使漏電抗增大或減小，由此即可改變焊接電流的大小。另外，通過二次繞組的抽頭可調節起弧電壓的大小。

② 帶電抗器的電焊變壓器。如圖1.27（b）所示，它在二次繞組中串聯一個可變電抗器，以得到迅速下降的外特性，通過螺桿調節可變電抗器的氣隙，以改變焊接電流。當可變電抗器的氣隙增大時，電抗器的電抗減小，焊接電流增大；反之，當氣隙減小時，電抗器的電抗增大，焊接電流減小。另外，通過一次繞組的抽頭，可以調節起弧電壓的大小。