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1、第2章变压器,2.1 变压器的基本工作原理和结构,2.2 单相变压器的空载运行,2.3 单相变压器的负载运行,2.4 变压器的参数测定,2.5 变压器的运行特性,2.6 三相变压器及连接标号,2.7 变压器的并联特性,回顾：变压器的基本工作原理和结构,回顾：变压器结构,回顾：变压器的基本工作原理和结构,2.1.2 基本结构,一、铁心,铁心是变压器中导磁的主磁路，也是套装绕组的机械骨架。铁心采用磁导率高，磁滞和涡流损耗小的软磁材料制成。目前变压器铁心大都由厚度为0.23mm0.35mm的冷轧硅钢片叠压而成，以减小损耗。,回顾：变压器的基本工作原理和结构,2.1.2 基本结构,变压器的电路，一般用
2、绝缘铜线或铝线绕制而成。,三、油箱,油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。,四、绝缘套管,将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。,此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。,回顾：单相变压器的空载运行,一、空载运行时的物理情况,回顾：单相变压器的空载运行,三、感应电动势分析,1、主磁通感应的电动势主电动势,设,则,有效值,相量,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.1 电磁关系,三、感应电动势分析,2、漏磁通感应的电动势漏电动势,漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即,根据主电动势的分析
3、方法，同样有,由于漏磁通主要经过非铁磁路径,磁路不饱和,故磁阻很大且为常数,所以漏电抗 很小且为常数,它不随电源电压负载情况而变.,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.2 空载电流和空载损耗,一、空载电流,1、作用与组成,2、性质和大小,性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质也称励磁电流；,空载电流 包含两个分量，一个是励磁分量，作用是建立磁场，产生主磁通无功分量；另一个是铁损耗分量，作用是供变压器铁心损耗有功分量。,大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数I0%来表示：,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.3 空载时的电动
4、势方程、等效电路和相量图,一、电动势平衡方程和变比,1、电动势平衡平衡方程,（1）一次侧电动势平衡方程,忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有,则,可见，影响主磁通 大小的因素有电源电压、电源频率 和一次侧线圈匝数。,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图,一、电动势平衡方程和变比,1、电动势平衡平衡方程,（2）二次侧电动势平衡方程,2、变比,定义,对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为,Y，d接线,D，y接线,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图,二、空载时的等效电路和相量图
5、,1、等效电路,基于 表示法，感应的 也用电抗压降表示，由于 在铁心中引起，所以还要引入一个电阻，用 等效，即,一次侧的电动势平衡方程为,空载时等效电路为,回顾：单相变压器的空载运行,2.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图,二、空载时的等效电路和相量图,1、等效电路,由于，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个 元件的电路。在 一定的情况下，大小取决于 的大小。从运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大，减小，提高运行效率和功率因数。,回顾：单相变压器的负载运行,2.3.2 基本方程,一、磁动势平衡方程,空载时,由一次磁动势 产生主磁通,负载时,产生 的磁动势为
6、一、二次的合成磁动势。由于 的大小取决于 只要 保持不变，由空载到负载，基本不变，因此有磁动势平衡方程,或,用电流形式表示,表明:变压器的负载电流分成两个分量,一个是励磁电流,用来产生主磁通,另一个是负载分量,用来抵消二次磁动势的作用。电磁关系将一、二次联系起来,二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少.,回顾：单相变压器的负载运行,2.3.2 基本方程,一、磁动势平衡方程,负载运行时,忽略空载电流有:,表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能变电压，同时也能变电流。,二、电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定律可写出一二次侧电动势平衡方程,回顾：单相变压器的负载运行,2
7、.3.3 等效电路及相量图,一、折算,折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变。,目的：用一个等效的电路代替实际的变压器。,折算原则：1）保持二次侧磁动势不变；2）保持二次侧各功率或损耗不变。,方法：（将二次侧折算到一次侧),回顾：单相变压器的负载运行,2.3.3 等效电路及相量图,一、折算,折算后的方程式为,回顾：单相变压器的负载运行,2.3.3 等效电路及相量图,二、等效电路,根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。,T型等效电路：,近似等效电路,回顾：单相变压器的负载运行,2.3.3 等效电路及相量图,二、等效电
8、路,简化等效电路：,由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的1020倍。,引子：在工程计算中，各物理量（电压、电流、功率等）除采用实际值来表示和计算外，有时用这些物理量与所选定的同单位的基值之比，即所谓的标么值表示。用“*”表示。,一、定义,标么值,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值,即：,2.3.6 标幺值,标么值的认识：,（1）标么值是两个具有相同单位的物理量（实际值和选定的固定值）之比，没有量纲。,（2）选定基值时，对于电路计算U、I、Z和S中，两个量的基值是任意选定，其余两个量的基值根据电路
9、的基本定律计算。,（3）功率的基值是指视在功率的基值，同时也是有功和无功功率的基值。阻抗基值也是电阻和电抗的基值。,（4）计算单台变压器时，通常以变压器的额定值作为基值。,2.3.6 标幺值,二、基准值的确定,1、通常以额定值为基准值。,2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值；,3、,2.3.6 标幺值,2.3 单相变压器的负载运行,变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为负载运行。,2.3.1 负载运行时的电磁关系,标么值的优点,（1）不论变压器的容量大
10、小，标么值表示的各参数和典型的性能数据，通常都在一定的范围，便于比较和分析；如,（2）用标么值表示，归算到原边和副边的变压器参数恒相等。换言之，用标么值计算时不需要折算。,（3）某些物理量的标么值具有相同的数值，简化了计算,（4）可通过标么值判断运行情况。,变压器参数的试验测定,引子：变压器的基本参数Z1、Z2、Zm、Zk在铭牌和产品目录上大都没有标出，可通过试验的方法测定。方法：等值电路是分析和计算变压器的有效工具。励磁参数和短路参数可通过空载试验和短路试验测出。,2.4.1 空载试验,一、目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。,二、接线图
11、,空载运行时，总阻抗,所以,注意：激磁参数与磁路的饱和度有关，为使测出的参数符合变压器实际运行，额定电压点必测。同时注意折算。,这样激磁参数：,2.4.1 空载试验,三、要求及分析,1）低压侧加电压，高压侧开路；,2.4.1 空载实验,4）求出参数,5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；,6）若要得到高压侧参数，须折算；,7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,2.4.2 短路实验,一、目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。,二、接线图,三、要求及分析,1）高压侧加电压，低压侧短路；,2.4.2 短路实
12、验,3）同时记录实验室的室温；,4）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为。,5）参数计算,对T型等效电路：,6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。,7）若要得到低压侧参数，须折算；,8）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；,四、短路电压：,短路时，当短路电流为额定值时一次所加的电压，称为短路电压，记作,短路电压也称为阻抗电压。,2.4.2 短路实验,四、短路电压：,短路电压常用百分值表示。,短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。,从正常运行角度看，希望它小些，这样可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角度，希
13、望它大些,相应的短路电流就小些。,2.4.2 短路实验,2.5 变压器的运行特性,2.5.1 外特性与电压变化率,定义：是指一次侧加50Hz额定电压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即,电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一,它大小反映了供电电压的稳定性。,用相量图可以推导出电压变化率的表达式：,由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。,2.5.1 电压变化率,2.5 变压器的运行特性,电压调整,2.5 变压器的运行特性,为了保证二次端电压在允许范围之内,通常在变压器的高压侧设置抽头,并装设分接开关,调节变压器高压绕
14、组的工作匝数,来调节变压器的二次电压。,中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN 5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。,分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关-这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-这种调压方式称为有载调压。,2.5 变压器的运行特性,2.5.2 损耗、效率及效率特性,一、变压器的损耗,变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。,铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部
15、件中引起的涡流损耗等。,铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。,铜损耗也分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。,铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。,二、效率及效率特性,效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。,效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。,其中,2.5 变压器的运行特性,二、效率及效率特性,变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数有关。,效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与
16、负载电流之间的关系=f(),称为变压器的效率特性。,2.5 变压器的运行特性,2.5 变压器的运行特性,二、效率及效率特性,或,即当铜损耗等于铁损耗(可变损耗等于不变损耗)时,变压器效率最大：,为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.1 磁路系统,一、组式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此无关联。,二、心式磁路变压器,特点是：三相磁路彼此有关联。,2.6.2 电路系统,一、变压器的端头标号,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,二、单相变压器的极性,一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。,一、二次绕组
17、的同极性端异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,三、三相变压器的连接组别,连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。,三相变压器的连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。,理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是300的整数倍。因此可以采用时钟表示法 作为时钟的分针，指向12点，作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以300，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。
18、,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,三、三相变压器的连接组别,连接组别可以用相量图来判断：,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,y4、Y,y8连接组别。,1、Y，y连接,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 也同相位，连接组别为Y，y0。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，y6、Y,y10和Y,y2连接组别。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,三、三相变压器的连接组别,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d3、Y,d7连接组别。,2、Y，d连接1,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电
19、动势 和 相差3300，连接组别为Y，d11。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d5、Y,d9和Y,d1连接组别。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,三、三相变压器的连接组别,若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可以得到Y,d5、Y,d9连接组别。,2、Y，d连接2,同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势 和 相差300，连接组别为Y，d1。,同理，若异名端在对应端，可得到Y，d7、Y,d11和Y,d3连接组别。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.2 电路系统,三、三相变压器的连接组别,总之，对于Y，y（或D，d）连接，可以得到0、2、4、6、
20、8、10等六个偶数组别；而Y，d（或D，y）连接，可以得到1、3、5、7、9、11等六个奇数组别。,变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。,其中前三种最为常用：Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。Y,d11连接用于低压侧电压超过400V的线路中。YN,d11连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。,2.6 三相变压器及联结组标号,2.6.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响,i0中有无i03
21、，看电路连接中有无i03通路，Y连接中，无i03通路，i0为正弦波；YN或D连接，i03可以在绕组中流过，i0为尖顶波。,单相变压器，当磁路饱和时，u1为正弦波，和e1也是正弦波，而i0为尖顶波分解为基波i01和三次谐波i03（忽略其它高效次谐波）。,对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，i0 中可能i03，使和e1为非正弦波同样可分解为基波和三次谐波（忽略其它高效次谐波）。,中有无3，看磁路结构，三相组式变压器，3可以在铁心中流过，为平顶波；三相心式变压器，3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，3很小，基本为正弦波。,26 三相变压器及联结组标号,2.6.3 磁路系
22、统和绕组连接方式对电动势波形的影响,一、Y，y连接的三相变压器,一次侧Y接线，i03=0，i0为正弦波，磁通应为平顶波。,（2）对三相心式变压器，3不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，3很小，基本为正弦波，感应电动势 e 也基本为正弦波。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于1800kVA时，不宜采用心式Y，y连接。,（1）对三相组式变压器，3可以在铁心中存在，所以为平顶波，感应电动势e 为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的45%60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用Y，y连接。,2
23、.6 三相变压器及联结组标号,2.6.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响,二、YN，y连接的三相变压器,一次侧YN接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通应为正弦波，感应电动势 e 也为正弦波。,一次绕组Y连接，i03=0，i0为正弦波，应为平顶波，其中的3在二次绕组中感应电动势e23，并在D内产生i23。i23建立的磁通23大大削弱3的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。,三、D，y连接的三相变压器,一次侧D接线，i03可以流过，i0为尖顶波，磁通应为正弦波，感应电动势 e 也为正弦波。,四、Y，d连接的三相变压器,3.7 三相变压器及联结组标号,2.6.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响,五、Y，yn连接的三相变压器,二次侧 yn 接线，负载时可以为三次谐波提供通路，使相电动势波形得到改善。但是由于负载的影响，产生i23不能很大，所以相电动势波形不能得到很好改善，这种情况基本与Y，y连接一样，只适用于容量较小的三相心式变压器，而组式变压器仍然不采用。,结论：,（1）变压器一次侧是YN连接时，电动势波为正弦。,（2）变压器有一次侧是D连接时，电动势波为正弦。,（3）无论相电动势是否为正弦波，但线电动势一定是正弦波。,（4）若一定需要Y，y连接，则可以增加第三绕组，采用D接线。,
