《电工与电子技术》单元4磁路和变压器.ppt

1,主 编：李 文 王庆良副主编：孙全江 韦 宇主 审：于昆伦,电工与电子技术,上篇 电工学单元4 磁路和变压器,2,【知识点】磁场的基本物理量、磁性材料的磁性能、磁路和磁路欧姆定律；变压器的结构及原理；三相变压器的连接方式、三相变压器的铭牌及参数；电压互感器、电流互感器、自耦变压器、电焊变压器的用途和使用注意事项；变压器电路的分析计算方法。【能力目标】具有正确选择变压器的能力。,单元4 磁路和变压器,3,单元4 磁路和变压器,目 录,4,4.1.1.1 磁感应强度磁场是由电流产生的。磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一矢量。为了形象地描述磁场，采用磁力线表示，磁力线是无头无尾的闭合曲线，磁力线的方向与电流方向符合右手螺旋定则。,4.1 磁 路,4.1.1 磁场的基本物理量,4.1 磁 路,5,4.1.1.2 磁通磁感应强度B（如果是不均匀磁场，则取B的平均值）与垂直于磁场方向面积S的乘积，称为通过该面积的磁通，有：=BS（4.1）B也可以表示为磁场方向垂直的单位面积上的磁通，又称为磁通密度。在国际单位制中，磁通的单位是韦伯（b）；磁感应强度的单位是特斯拉（），也就是韦伯每平方米（b2）。,4.1 磁 路,6,4.1.1.3 磁场强度磁场强度H是计算磁介质的磁场时所引用的一个物理量，也是矢量。任何磁介质中，磁场中某点的磁感应强度B与同一点的磁导率的比值就是该点的磁场强度H，即：（4.2）国际单位制中，磁场强度的单位为安培每米（/）。,4.1 磁 路,7,4.1.1.4 磁导率磁导率 是一个用来衡量物质导磁能力大小的物理量，单位为亨每米（）。实验测得，真空中的磁导率 为一常数,。通常把某种材料的磁导率 与 之比称为该物质的相对磁导率，即。对于非磁性物质而言，；而磁性物质的磁导率 很高，如铸钢的 约为 的1000倍，各种硅钢片的 为 的700010000倍。,4.1 磁 路,8,磁性材料是指铁、钢、镍、钴及其合金等材料。它们具有如下磁性能。（1）高导磁性磁性材料本身对外是不具备磁性的，当它受到外磁场的作用时就被强烈磁化而呈现磁性现象。众所周知，电流产生磁场，在物质的分子中由于电子环境绕原子核运动和本身自转运动而形成分子电流，分子电流也要产生磁场，每个分子相当于一个基本小磁铁。同时，在磁性物质内还分成许多小区域，由于磁性物质的分子间有一种特殊的作用力而使每一区域的分子磁铁排列整齐，显示磁性。这些小区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，磁畴排列杂乱无章，磁性互相抵消，因此宏观对外不呈现磁性。,4.1.2 磁性材料的磁性能,4.1 磁 路,9,而当有外磁场作用时，磁畴就会沿着外磁场的方向做定向排列，呈现磁性，形成与外磁场同方向的磁化磁场，从而使磁性物质内的磁感应强度显著增强，如图4.1所示。这就是说，磁性物质被强烈磁化了。磁性物质的这一特性，即能用较小的电流产生足够大的磁感应强度，被广泛地应用于电工设备中，如电工、变压器及各种铁磁元件的线圈中都放有铁芯。,图4.1 磁性物质的磁化(a)磁化前；(b)磁化后,4.1 磁 路,10,（2）磁饱和性磁性物质在磁化过程中，其B随H变化的曲线称为磁化曲线，又称B-H曲线。磁性物质由于磁化产生的 磁化磁场不会随外磁场H 的增加而无限地增强。当 外磁场增大到一定值时，全部磁化磁场方向都转向 与外磁场的方向一致。这 时磁化磁场的磁感应强度 BJ为饱和值，如图4.2所 示。,图4.2 磁化曲线,4.1 磁 路,11,图中的B0是在外磁场作用下，如果磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度，其B-H曲线为一直线。将BJ曲线与B0直线的纵坐标相加，便得出B-H磁化曲线。这条曲线大致可分为四段：H从O开始增加时，B随之增大（曲线Oa段）；H继续增大时，B急剧上升（ab），这是由于磁场在外磁场作用下，迅速顺外磁场的方向排列，所以B值增加快，这时值较大；在曲线bc段，因为大部分磁场已转到外磁场方向，所以随着H的增大B值的增强已渐缓慢，值逐渐减小；到c点以后，因磁场已全部转到外磁场方向，故H值增加时B值基本上不再增加了，这时B值已达到饱和值。可见，当有磁性物质存在时，B和H不成正比，所以磁性物质的磁导率不是常数，随H而变，如图4.3所示。,4.1 磁 路,12,不同的磁性物质，饱和磁感应强度是不一样的。但对同一种磁性材料，饱和磁感应强度是一定的。电机和变压器，通常都工作在曲线bc。,图4.3 B，与H的关系,4.1 磁 路,13,（3）磁滞性上面讨论的磁化曲线，只是反映了磁性物质在外磁场由零逐渐增强时的磁化过程。但在很多实际应用中，磁性物质都工作在交变磁场中，当铁芯线圈中通有交变电流时，铁芯就会受到交变磁化。在电 流变化一次时，磁感应强度B 随磁场强度H而变化的关系如 图4.4所示。由图可见，磁场 强度H先是从O开始增大,磁感 应强度B也随之增大，直到B 达到饱和值，这条曲线称起始 磁化曲线。,图4.4 磁滞回线,4.1 磁 路,14,当B已达到饱和值后，H从最大值Hm逐渐减小，B也随之减小，但B并不是沿起始磁化曲线下降，而是沿另一条位置较高的曲线下降，这说明，在去磁过程中的磁感应强度B值比磁化过程中同一H值所对应的B值要大一些，这种B值变化落后于H值变化的性质称为磁性材料的磁滞性。当H减至O时，B值不等于0，而保留一定值的剩磁，用Br表示。为消除剩磁，须外加反向磁场，随着反向磁场的增强，磁性物质逐渐退磁，当反向磁场增大到一定值时，B值变为0，剩磁完全消失，这时磁场强度称为矫顽力，用Hc表示。随着反向磁场的继续增大，就会使B值反向并由0增大至反向饱和值。然后再将反向磁场减小，即反向去磁，B值将出现反向剩磁。磁性物质经过多次这样磁化、去磁、反向磁化、反向去磁的过程，B-H的关系将沿着一条闭合曲线1-2-3-4-5-6-1周而复始地变化。该闭合曲线称为磁滞回线。,4.1 磁 路,15,磁性物质据磁滞回线的形状可分为三种类型：软磁性物质。其磁滞回线窄而陡，剩磁和矫顽力都很小，常用于电机、变压器、电磁铁中。软磁性物质主要有硅钢、铸铁、坡莫合金和铁氧体等。硬磁性物质。其磁滞回线宽而平，剩磁和矫顽力都较大。一般用来制造永久磁铁。硬磁物质主要有钨钢、铝镍合金、稀土钴等。矩磁性物质。其磁滞回线接近矩形，具有较小的矫顽力和较大的剩磁。它常用在计算机和控制系统中作为记忆元件。矩磁性物质主要有锰镁铁氧体和锂锰铁氧体。,4.1 磁 路,16,4.1.3.1 磁路在许多电工设备中，都用磁导率较大的铁磁材料做成铁芯，绕在铁芯上的线圈通以较小的励磁电流，就会产生很强的磁场，并且几乎全部集中在铁芯所构成的路径内。这种由铁芯所限定的磁场就叫做磁路。图4.5是单相变压器的磁路。集中在铁芯限定的范围内的磁通称为主磁通，也叫工作磁通，用表示；穿出铁芯在周围非磁性材料中的磁通就称为漏磁通，用表示。在实际工程中，为了减少漏磁通，采取了很多措施，使漏磁通只占总磁通的很小一部分。,4.1.3 磁路和磁路欧姆定律,4.1 磁 路,17,4.1.3.2 磁路欧姆定律（1）磁动势磁动势是磁路的“电动势”，在电路中产生电流的源称为电动势，同样在磁场中产生磁通的源称为磁动势。磁动势用F表示，单位为安匝。磁动势的大小等于绕在磁路上的线圈匝数乘以流过线圈的电流。,图4.5 变压器的磁路,4.1 磁 路,18,（2）磁阻与电阻的意义相仿，磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用，以符号Rm表示，单位为每亨（H-1）。（3）均匀磁路和不均匀磁路若一段磁路的材料相同，横截面也相同，则它就是均匀磁路；否则就是不均匀磁路。均匀磁路中磁场强度H处处相等，磁场方向与磁路的中心线平行。（4）磁路欧姆定律现以图4.6所示的简单磁路为例加以说明。设磁路由单一材料构成，其截面积为S，平均长度为。因平均长度比横截面的尺寸大得多，则可认为在铁芯内磁场是均匀的。,4.1 磁 路,19,图4.6 简单磁路,4.1 磁 路,20,4.1 磁 路,21,4.1.3.3 涡流把块状金属置于随时间变化的磁场中或让它在磁场中运动时，金属块内将产生感应电流。这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的漩涡，因此叫做涡电流，简称涡流。整块金属的电阻很小，所以涡流常常很强。如变压器的铁芯，当交变电流通过导线时，穿过铁芯的磁通量不断随时间变化，它在副边产生感应电动势，同时也在铁芯中产生感应电动势，从而产生涡流。这些涡流使铁芯大量发热，浪费大量的电能，效率很低。,4.1 磁 路,22,为减少涡流损耗，交流电机、电器中广泛采用表面涂有薄层绝缘漆或绝缘氧化物的薄硅钢片叠压制成的铁芯，这样涡流被限制在狭窄的薄片之内，磁通穿过薄片的狭窄截面时，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，回路的电阻很大，涡流大为减弱。再由于这种薄片材料的电阻率大（硅钢的涡流损失只有普通钢的1/51/4），从而使涡流损失大大降低。另一方面，利用涡流作用可以做成一些感应加热的设备，或用以减少运动部件振荡的阻尼器件等。,4.1 磁 路,23,4.2.1.1 变压器的用途变压器，顾名思义是一种改变交流电压的电器设备。根据电磁感应原理，用它可以把一种交流电压的电能转变为频率相同的另一种交流电压的电能。在输电、配电的电力系统中，把三相交流电功率 从发电厂输送到用电地区，通常需要很长的输电线。当输送的功率P 和负载功率因数 一定时，若输电电压UL 越高，则输电线路电流IL 越小，因而可以选择截面积较小的输电线，节省导线材料，而且还能减少线路上的电压损失和功率损耗。,4.2 变压器的结构及原理,4.2.1 变压器的用途与类型,4.2 变压器的结构及原理,24,为了实现高效率的电能输送，远距离输电应采用较高的输电电压，当前我国最高的输电线路的电压已达750kV。但是，不论是从安全运行角度，还是从制造成本方面来考虑，发电机组的额定电压都不可能很高，发电机的额定电压一般有3.15kV、6.3kV、10.5kV、15.75kV等几种。因此，在输电之前，必须要用变压器把电压升高到所需数值。在用电方面，各类电气设备的额定电压不一，比如多数电器使用220V或380V电压，少数电动机采用3kV或6kV电压等等。为了适应各种电气设备对电压的不同要求，这就需要在供电之前，利用变压器把电网高电压变成负载所需的低电压。,4.2 变压器的结构及原理,25,除电力系统外，变压器还有其他方面的应用。例如在电子仪器中，可以利用变压器来进行信号的传送或者阻抗的匹配。在高电压、大电流的测量中利用互感器（变压器类的一种）进行电压、电流变换。在实验室中需要电压可调的电源时，可利用自耦变压器来调节电压。可见，变压器不论是在输配电系统中，还是在其他电路中都是一种应用广泛的电气设备，它不仅可以改变电压，还可以改变电流、阻抗等。,4.2 变压器的结构及原理,26,4.2.1.2 变压器的分类变压器种类很多，通常可按其用途、绕组结构、铁芯结构、相数、冷却方式等进行分类。（1）按用途分类 电力变压器：电力变压器用作电能的输送与分配，是生产数量最多、使用最广泛的变压器。按其功能不同又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器等。电力变压器的容量从几十千伏安到几十万千伏安，电压等级从几百伏到几百千伏。特种变压器：在特殊场合使用的变压器，如作为焊接电源的电焊变压器；专供大功率电炉使用的电炉变压器；将交流电整流成直流电时使用的整流变压器等均属特种变压器。,4.2 变压器的结构及原理,27,仪用互感器：仪用互感器用于电工测量中，如电流互感器、电压互感器等。控制变压器：控制变压器容量一般比较小，用于小功率电源系统和自动控制系统。如电源变压器、输入变压器、输出变压器等。其他变压器：如试验用的高压变压器，输出电压可调的调压变压器，产生脉冲信号的脉冲变压器等。（2）按绕组构成分类 按绕组构成分有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。,4.2 变压器的结构及原理,28,（3）按铁芯结构分类 按铁芯结构分有叠片式铁芯、卷制式铁芯、非晶合金铁芯。（4）按相数分类 按相数分有单相变压器、三相变压器、多相变压器。（5）按冷却方式分类 按冷却方式分有干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环变压器、充气式变压器等。,4.2 变压器的结构及原理,29,单相变压器是指接在单相交流电源上用来改变单相交流电压的变压器，其容量一般都比较小，主要用作控制及照明。它主要由铁芯和绕组两部分组成。铁芯和绕组也是三相电力变压器和其他变压器的主要组成部分。（1）铁芯 铁芯构成变压器磁路系统，并作为变压器的机械骨架。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套装变压器绕组，铁轭起连接铁芯柱使磁路闭合的作用。对铁芯的要求是导磁性能要好，磁滞损耗及涡流损耗要尽量小，因此均采用0.35mm厚的硅钢片制作。,4.2.2 变压器的结构,4.2 变压器的结构及原理,30,根据变压器铁芯的结构可分为芯式变压器和壳式变压器两大类。芯式变压器是在两侧的铁芯柱上放置绕组，形成绕组包围铁芯的形式，如图4.7所示，三相电力变压器大多采用这种结构形式。壳式变压器则是在中间的铁芯柱上放置绕组，形成铁芯包围绕组的形状，如图4.8所示，一般用于小容量单相变压器。,图4.7芯式变压器结构1铁轭；2铁芯柱；3高压绕组；4低压绕组,4.2 变压器的结构及原理,31,（2）绕组 变压器的线圈按一定方 式组合在一起，通常称为绕 组，它是变压器中的电路部 分。小型变压器一般用具有 绝缘的漆包圆铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁 铜线或扁铝线绕制。变压器在工作时，与电源相连的绕组称原绕组，又叫原边或一次绕组；而与负载相连的绕组叫副绕组，又叫副边或二次绕组。通常把低压绕组套装在铁芯柱的内层，这是因为低压绕组与铁芯柱间的绝缘容易做到，而高压绕组套装在外侧，如图4.7所示。,图4.8 壳式变压器结构,4.2 变压器的结构及原理,32,图4.9是变压器的原理图。原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2。,4.2.3 变压器的工作原理,图4.9 变压器的原理图,4.2 变压器的结构及原理,33,（1）变压器的空载运行变换电压所谓空载运行是指变压器原绕组接上电源，副绕组不接负载，处于开路的运行状态。变压器空载运行时工作原理图如图4.10所示。,图4.10 变压器空载运行,4.2 变压器的结构及原理,34,4.2 变压器的结构及原理,35,图4.10,4.2 变压器的结构及原理,36,4.2 变压器的结构及原理,37,4.2 变压器的结构及原理,38,（2）变压器的负载运行变换龟流,图4.9,4.2 变压器的结构及原理,39,4.2 变压器的结构及原理,40,4.2 变压器的结构及原理,41,（3）阻抗的变换在图4.11（a）中，负载阻抗Z在变压器的二次侧，而图中的方框部分可以用一个阻抗Z来等效代替，如图4.11（b）所示。所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变时，直接接在电源上的阻抗Z和接在变压器副边的负载阻抗Z是等效的。根据上述原、副绕组电压、电流的关系可得：,图4.11 负载阻抗的等效电路,4.2 变压器的结构及原理,42,4.2 变压器的结构及原理,43,4.3.1.1 三相变压器的基本结构 现代的电力系统都采用三相制供电，因而广泛采用三相变压器来实现电压的变换。三相变压器可以由三台同容量的单相变压器组成，再按需要将原绕组及原绕组分别接成星形或三角形连接。图4.12所示为原、副绕组均用星形连接的三相变压器组。,4.3 三相变压器,4.3.1 三相变压器的结构及连接方式,4.3 三相变压器,44,三相变压器的另一种结构形式是把三个单相变压器合成一个三铁芯柱的结构形式，称为三相芯式变压器，如图4.13所示。三相芯式变压器有用铁量少、效率高、价格便宜、占地面积小、维护方便等优点，因而得到了广泛应用。在三相电力变压器中，目前使用最广泛的是油浸式电力变压器，它主要由铁芯、绕组、油箱和冷却装置、保持装置等部件组成，其外形如图4.14所示。,图4.12 三个单相变压器组合的三相变压器,4.3 三相变压器,45,图4.13 三相变压器,4.3 三相变压器,46,图4.14 三相变压器外形,4.3 三相变压器,47,4.3.1.2 三相变压器的连接方式 我国的国家标准对三相变压器的标准连接方式规定了五种：Yyn、Yd、Ynd、Yy和Yny。其中，分子为原绕组的连接方式，分母为副绕组的连接方式，Yn表示Y连接并有中点引出线。五种连接方式中前三种应用最广。用户变压器一般采用Yyn连接，由于副边采用了三相四线制供电方式，因此，既可提供380V的三相动力设备用电，又可提供220V的单相照明设备用电。大容量、高电压的三相变压器通常采用Yd或Ynd连接。因为原绕组接成Y形后，相电压只有线电压的，因而每相绕组的绝缘要求可以降低；副绕组采用三角形连接，相电流只有线电流的，因而副绕组的导线截面积可以减小。,4.3 三相变压器,48,Yd连接用在三相三线制系统中，通常原边电压不超过60kV，副边电压为310kV；Ynd连接主要用于110kV及以上的高压输电系统中，一般需要把原绕组的中点接地或者透过阻抗接地。顺便指出，三相变压器的变压比K是指原、副边相电压之比。而铭牌上标注的额定电压均指线电压，原、副边线电压之比不仅与原、副边的匝数有关，而且还与绕组的连接方式有关。Yyn连接时：Yd连接时：,（4.15）,（4.16）,4.3 三相变压器,49,变压器外壳上都有一块黑底白字的金属牌，金属牌上铭刻有变压器的型号和主要技术参数，故称铭牌。它相当于简单的说明书，使用者只有正确理解铭牌中字母与数据的含义，才能正确使用这台变压器。变压器的型号含义型号用来表示设备的特征和性能。变压器的型号一般由两部分组成：前一部分用汉语拼音字母表示变压器的类型和特点；后一部分由数字组成，斜线左方数字表示额定容量(kVA)，斜线右方数字表示高压侧的额定电压(kV)。下面以SL720010为例说明电力变压器型号的识别方法。,4.3.2 三相变压器的铭牌及参数,4.3 三相变压器,50,例如，SL720010表示三相油浸自冷式铝线变压器，设计序号为7，额定容量为200kVA，高压侧额定电压为10kV。电力变压器的主要类型除SL7外，还有S6、S7、S9、S10、SF7、SC、SCL、SG、DG等系列。,4.3 三相变压器,51,4.3.2.2 变压器的额定数据（1）额定电压U1N、U2N原边额定电压U1N是根据变压器的绝缘强度和允许发热程度而规定的原边应加的正常工作电压。副边额定电压U2N是指原边加额定电压时副边的开路电压即空载电压U20。对三相变压器而言，U1N、U2N均指线电压，单位为伏（V）或千伏（kV）。（2）额定电流I1N、I2N原边额定电流I1N和副边额定电流I2N是根据变压器允许发热程度而规定的原边与副边中长期容许通过的最大电流值。对三相变压器而言，I1N、I2N均指线电流。,4.3 三相变压器,52,（3）额定容量SN额定容量SN 是指变压器在额定工作条件下的输出能力，即视在功率保证值。用副边额定电压与额定电流的乘积来表示，单位为千伏安（kVA）。单相变压器（4.17）三相变压器（4.18）（4）额定频率额定频率 是指变压器运行时允许的外加电源频率。我国电力变压器的额定频率均为50Hz。,4.3 三相变压器,53,（5）温升温升是指变压器额定运行时，允许内部温度超过周围标准环境温度的数值。我国的标准环境温度规定为40。温升的大小取决于变压器所用绝缘材料的等级，也与变压器的损耗和散热条件有关。允许温升等于由绝缘材料耐热等级确定的最高允许温度减去标准环境温度。例如，变压器使用A级（105）绝缘材料，则允许温升为65。,4.3 三相变压器,54,（6）连接方式与连接组别它是用来反应变压器原、副边绕组的连接方式及原、副边对应电压相位关系。例如Yyn-12，Y表示原边绕组接成星形，yn表示副边绕组也接成星形，并且有中点引出线。12称为连接组别的标号，是反应原、副边线电压的相位关系。这种采用时钟表面12个数字表示相位差是很简明的。把原边线电压相量作为钟面的长针且总是指着12。而副边线电压间的相量作为钟面的短针，短针所指数字称为变压器的连接组别的标号。如标号为12，表示原、副边线电压是同相位；标号为11，表示原、副边线电压相位差30，且副边 超前原边。,4.3 三相变压器,55,（7）变压器的外特性和电压变化率对于负载而言，变压器相当于电源。对于一个电源，必须考虑它的外特性。电力系统中的负载是经常变化的。由于变压器原、副绕组存在阻抗，当负载变化时，副边电压也要变化，其变化程度和趋势，与负载的大小和性质（感性或容性等）有关。所谓变压器的外特性就是指当变压器原边电压U1和负载功率因数 一定时，副边电压U2随副边电流I2变化的关系曲线，如图4.15所示。由图4.15可知，I2=0时，U2=U20（空载电压），当负载为电阻和电感性时，随着负载电流I2的增大，变压器副边电压U2逐渐减小。在相同的负载下，U2减小的程度取决于负载功率因数的大小，功率因数越低，U2下降越大。当负载为容性负载时，曲线上翘，即U2随I2的增大而升高。所以为了减小电压的变化，对于感性负载而言，可在其两端并联电容，以提高负载的功率因数。,4.3 三相变压器,56,变压器U2随I2的变化程 度，可用电压变化率（或电压调整率）来描 述。它用空载时的副边 电压U20和负载时的副边 电压U2之差与U20之比的 百分数表示，即：U的大小反映了变压器的输出电压的稳定程度，是变压器的主要技术指标之一，电力变压器的U一般不得超过5%。,（4.19）,图4.15 变压器的外特性,4.3 三相变压器,57,（8）效率变压器的效率与内部损耗密切相关。变压器的内部损耗包括铜耗和铁耗。铜耗PCu是电流流过原、副绕组时在绕组电阻上消耗的电功率，即，它随副边电流的大小而变化。铁耗 主要取决于电源频率和铁芯中的磁通量，与负载大小基本无关。变压器运行时，内部损耗转换成热能，使线圈和铁芯发热。变压器的效率是指变压器输出有功功率P2与输入有功功率P1之比，一般用百分数表示：,（4.20）,4.3 三相变压器,58,而输入有功功率P1是输出有功功率P2与内部损耗功率之和，即P1P2PCu+PFe。所以：（4.21）变压器的内部损耗很小，所以效率很高。中小型电力变压器的效率可达9095，大型电力变压器的效率可达9899。由于铜耗与负载有关，因此，在不同的工作状态下变压器的效率亦不同。当负载为额定负载的5075时，效率最高，而轻载时变压器效率很低。,4.3 三相变压器,59,4.3.3.1 主变压器的选型应考虑的因素 根据建筑物的使用功能要求：这要由建设单位所具备的条件决定。变电所安装场所及具体的位置：在高层建筑内为了预防火灾，一般不用油浸自冷变压器，后者常用在单层建筑变电室内或室外，成本较低。建筑物的防火等级：防火等级高时用成本较高的干式变压器。母线的接线方式和主要用电设备对供电的要求。当地供电部门对变电所的管理体制。,4.3.3 变压器型号、台数及容量的选择,4.3 三相变压器,60,4.3.3.2 变压器台数的选择变压器的容量和台数，应根据地区供电条件、负荷性质、用电容量和运行方式等条件综合考虑确定。（1）35kV变电所主变压器选择 在有一、二级负荷的变电所中宜装设两台主变压器，当技术经济合理时，可装设两台以上主变压器。如变电所可由中、低压侧电力网取得足够容量的备用电源时，可装一台主变压器。装有两台及以上主变压器的变电所，当断开一台时，其余主变压器的容量不应小于60%的全部负荷，并应保证用户的一、二级负荷。具有三种电压的变电所，如通过主变压器各侧线圈的功率均达到该变压器容量的15%以上，主变压器宜采用三线圈变压器。,4.3 三相变压器,61,（2）10kV变电所配电变压器的选择 当符合下列条件之一时，宜装设两台及以上变压器：有大量一级或二级负荷，季节性负荷变化较大，集中负荷较大。装有两台及以上变压器的变电所，当其中任一台变压器断开时，其余变压器的容量应满足一级负荷及二级负荷的用电。变电所中单台变压器（低压为0.4kV）的容量不宜大于1250kVA。当用电设备容量较大、负荷集中且运行合理时，可选用较大容量的变压器。,4.3 三相变压器,62,当属下列情况之一时，可设专用变压器：如动力和照明共用变压器严重影响照明质量及灯泡寿命时，可设照明专用变压器。一般情况下，动力和照明宜共用变压器；冲击性负荷较大，严重影响电能质量时，可设冲击性负荷专用变压器；出于功能需要的某些特殊设备（如容量较大的X光机等）宜设专用变压器；当季节性的负荷容量较大时（如大型民用建筑中的冷冻机组等负荷）可设专用变压器。变压器的容量应满足大型电动机及其他冲击负荷的启动要求。,4.3 三相变压器,63,4.3.3.3 变压器容量的选择（1）只装有一台主变压器的变电所主变压器的额定容量SN 应满足全部用电设备总的计算负荷Sj 的需要，即：SN Sj（4.22）（2）装有两台主变压器的变电所两台主变压器的额定容量SN 应同时满足以下两个条件：任一台变压器单独运行时，应满足不小于总计算负荷Sj60%70%的需要，即：SN（0.60.7）Sj（4.23）任一台变压器单独运行时，应满足全部一、二级负荷Sj(+)的需要，即：SN Sj（+）（4.24）,4.3 三相变压器,64,（3）单台变压器（低压侧为0.4kV）的容量上限低压侧为0.4kV的配电变压器单台容量，一般不宜大于1250kVA。这一方面是受目前通用的低压断路器的断流能力及其短路稳定度要求的限制，另一方面也是考虑到可使变压器接近负荷中心，以减少低压配电系统的电能损耗和电压损耗，降低有色金属消耗量。但是，如果负荷比较集中、容量较大而且运行合理时，也可选用单台容量为16002000kVA的变压器，这样能减少主变压器台数及高压开关电器和电缆等。对装设在二层以上的电力变压器，要考虑其垂直和水平运输对通道及楼板载荷的影响。如果采用干式变压器时，其容量不宜大于630kVA。,4.3 三相变压器,65,4.3 三相变压器,66,仪用互感器是专供电工测量和自动保护装置使用的特殊变压器。使用互感器有两个目的：一是把测量回路和高压电网隔离，以利于确保工作人员的安全；二是扩大测量仪表的量程，可以使用小量程电流表测量大电流，用低量程电压表测量高电压，或者为高压电路的控制及保护装置提供所需的低电压或小电流。仪用互感器按用途可分为电压互感器和电流互感器两种。,4.4 特殊变压器,4.4.1 仪用互感器,4.4 特殊变压器,67,4.4.1.1 电压互感器电压互感器的原边匝数较多，与被测高压线路并联；副边匝数较少，接在电压表上或功率表的电压线圈上，如图4.16（a）所示。它相当于一台小容量的降压变压器，可将高电压变为低电压，以便测量。由于电压表或电压线圈的内阻抗很大，所以，电压互感器工作时相当于变压器运行在空载状态。其变压比，被测电压。通常，电压互感器的副边额定电压均设计为同一标准值100V。因此，在不同电压等级的电路中所用的电压互感器，其变压比是不同的。变压比用额定电压的比值形式标注在铭牌上，例如，6000100、10000100等。,4.4 特殊变压器,68,图4.16 电压、电流互感器原理接线图和外形图（a）电压互感器原理图；（b）电流互感器原理图；（c）LMJ10.5型电流互感器外形图1铭牌；2一次母线穿过口；3铁芯，外绕二次绕组，环氧树脂浇铸；4安装板，5二次接线端,4.4 特殊变压器,69,电压互感器在三相电路中有如图4.17所示的四种常见的接线方案。一个单相电压互感器接线（图4.17（a）这种接线供仪表、继电器的电压线圈接于三相电路的一个线电压。,图4.17电压互感器的接线方案(a)一个单相电压互感器；,4.4 特殊变压器,70,两个单相电压互感器接成VV形（图4.17（b）这种接线供仪表、继电器的电压线圈接于三相三线制电路的各个线电压，广泛应用在变配电所的610kV高压配电装置中。,图4.17 电压互感器的接线方案(b)两个单相电压互感器接成VV形；,4.4 特殊变压器,71,三个单相电压互感器接成Y0Y0形（图4.17（c）这种接线供要求线电压的仪表、继电器，并供接相电压的绝缘监视用电压表。由于小接地电流系统在发生单相接地故障时，另两个完好相的对地电压要升高到线电压，因此绝缘监视用电压表不能接入按相电压选择的电压表，而要按线电压（即相电压的 倍）选择其量程，否则在一次电路发生单相接地故障时，电压表可能被烧毁。,4.4 特殊变压器,72,图4.17 电压互感器的接线方案(c)三个单相电压互感器接成Y0Y0形；,4.4 特殊变压器,73,三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Y0Y0（开口三角）形（图4.17（d）其接成Y0的二次绕组，供电给需线电压的仪表、继电器及接相电压的绝缘监视用电压表，与图4.17（c）的二次接线相同；其接成（开口三角）形的辅助二次绕组，则接电压继电器。在一次电路电压正常时，由于三个相电压对称，因此开口三角两端的电压接近于零。当一次电路发生单相接地故障时，开口三角两端将出现近100V的电压（零序电压），使电压继电器动作，发出接地故障信号。,4.4 特殊变压器,74,图4.17 电压互感器的接线方案(d)三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成Y0Y0形,4.4 特殊变压器,75,使用电压互感器时，必须注意以下几点：副边不能短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏互感器。铁芯和副边的一端必须可靠接地，防止高、低压绕组间的绝缘损坏时，副边和测量仪表出现高电压，危及工作人员的安全。副边并接的电压线圈不能太多，以免超过电压互感器的额定容量，引起互感器绕组发热，并降低互感器的准确度。,4.4 特殊变压器,76,4.4.1.2 电流互感器电流互感器的原边导线较粗，匝数很小，只有13匝，串接在被测线路上；副边匝数较多，接在电流表上或电度表的电流线圈上，如图4.16（b）、（c）所示。它相当于一台小容量的升压变压器，可将大电流变为小电流，以便测量，从而扩大了电流表的量程。由于电流表或电流线圈的内阻抗很小，所以，电流互感器工作时相当于变压器在短路运行状态。但由于原边匝数很少，阻抗极小，电压降也极小，而且原边电流就是被测电流，因此，原边电流并不受副边状态的影响。电流互感器的变流比，被测电流。,4.4 特殊变压器,77,通常电流互感器的副边额定电流均设计为5A。因此，在不同电流的电路中所用的电流互感器，其变流比是不同的。变流比用额定电流的比值形式标注在铭牌上，例如，505、755、1005等。当电流互感器和电流表配套使用时，电流表的刻度可按原边额定电流值标出，以便直接读数。在三相电路中有如图4.18所示的四种常见的接线方案。一相式接线（图4.18（a）电流线圈中通过的电流，反映一次电路对应相的电流。通常用于负荷平衡的三相电路，例如低压动力线路中，供测量电流和接过负荷保护装置之用。,4.4 特殊变压器,78,图4.18 电流互感器的接线方案（a）一相式；（b）两相V形；（c）两相电流差；（d）三相星形,4.4 特殊变压器,79,两相V形接线（图4.18（b）这种接线也称为两相不完全星形接线。在继电保护装置中，这种接线则称为两相两继电器接线。在中性点不接地的三相三线制电路（例如610kV高压电路）中，这种接线广泛用于测量三相电流、电能及作过电流继电保护之用。这种接线二次侧公共线上的电流为，即反映的是未接电流互感器那一相的相电流。两相电流差接线（图4.18（c）这种接线也称为两相交叉接线，其二次侧公共线上的电流为，其量值为相电流的 倍。这种接线适于中性点不接地的三相三线制电路（例如610kV高压电路），作为过电流继电保护之用，也称做两相一继电器接线。,4.4 特殊变压器,80,三相星形接线（图4.18（d）这种接线中的三个电流线圈，正好反映各相的电流，广泛用于三相负荷一般不平衡的三相四线制系统如低压TN系统中，也用在负荷可能不平衡的三相三线制系统中，作三相电流、电能测量及过电流继电保护之用。使用电流互感器时，必须注意：副边绝对不允许开路，否则，副边会感应出很高的电压，容易击穿绝缘，损坏设备，危及人身安全。为了避免拆卸电流表时发生副边开路现象，一般在电流表两端并联一个开关，拆卸之前闭合开关，更换仪表后再打开开关。铁芯和副边的一端必须可靠接地，防止原、副绕组之间的绝缘损坏时，原边的高电压传到副边，危及人身安全。,4.4 特殊变压器,81,自耦变压器只有一个绕组，即原边和副边共用一个绕组。若绕组中抽出一部分线匝作为副边，则自耦变压器为降压变压器；若外加电压接在绕组的一部分线匝上，则自耦变压器为升压变压器。普通双绕组变压器原、副边之间只有磁的耦合而无电的直接联系。自耦变压器由于原、副边共用一个绕组，因此，原、副边之间不仅有磁的耦合而且有电的直接联系，这是其主要工作特点。图4.19为单相自耦变压器的原理图，单相自耦变压器的工作原理与双绕组变压器基本相同。原、副边电压与电流在数值上同样存在以下关系：,4.4.2 自耦变压器,4.4 特殊变压器,82,图4.19 单相自耦变压器的原理图,图4.20 自耦调压器,4.4 特殊变压器,83,三相自耦变压器的三个绕组一般作Y连接，常用于三相异步电动机的降压启动。低压小容量的自耦变压器，经常将中间抽头做成能沿整个线圈自由滑动的活动触头，因而可在一定范围内平滑地调节副边电压，所以又称为调压器，如图4.20所示。单相与三相调压器常用于实验室中调节实验用的电压。自耦变压器结构简单，用铁、铜量较少，因而体积小、质量轻、成本低、效率高，但由于原、副边之间有电的直接联系，因此，原、副边应采用同一绝缘等级。例如，用自耦变压器把6kV降为220V，则副边电路的绝缘也要按6kV来考虑，这样不仅不经济，而且对工作人员来说也不安全。因此，自耦变压器的变压比K一般小于2.5。此外，自耦变压器不允许作为安全变压器使用，这是因为：公共部分断开时，原边的较高电压将直接引入副边；线路万一接错，容易发生触电事故。,4.4 特殊变压器,84,4.4.3.1 电焊变压器的原理交流电焊机（又叫交流弧焊机）的主要组成部分是电焊变压器。电焊变压器是一种特殊的降压变压器，其特殊性在于它具有陡降的外特性，如图4.21所示（图中1、2曲线分别表示电焊变压器副边带不同负载时的副边电压的变化情况）。变压器外特性是指原边电源电压与负载功率因数一定时，副边端电压U2与副边电流I2之间的关系，即U2=f（I2）。它反映副边端电压U2随负载电流I2的变化情况。普通变压器的外特性是缓慢下降的。,4.4.3 电焊变压器的原理,4.4 特殊变压器,85,图4.21 电焊变压器的外特性,图4.22 电焊变压器原理图,4.4 特殊变压器,86,图4.22为电焊变压器原理图。空载时，电焊变压器把380V或220V的电源电压变为6080V的点弧电压。焊接时，负载随焊条与焊件之间的距离发生较大变化，U2随之发生较大变化。达到额定焊接电流时，U2为3040V；焊条与焊件接触短路时，U2=0。为了维持点燃的电弧稳定连续地工作，要求焊接电流I2不应变化太大，即使焊条与工件短路，I2也不应超过额定焊接电流的1.5倍，以保证焊接质量。为此，电焊变压器必须具有陡降的外特性，即U2变化较大时，I2变化较小。通常，在变压器的副绕组上串接铁芯电抗器。铁芯电抗器主要由绕在铁芯上的线圈制成，铁芯包括动铁芯与静铁芯，动、静铁芯之间有可以调节的空气隙。空载时，由于焊接电流I20，电抗器上没有电压降，点弧电压就等于副边端电压。,4.4 特殊变压器,87,焊接时，由于电抗器的电抗值较大，I2必在电抗器上产生较大的电压降，因此，U2比空载时显著下降。即使焊条与工件短路，由于电抗器的分压限流作用，短路电流I2也不会太大。为了适应不同焊件和不同规格的焊条，还要求能调节焊接电流的大小。调节办法是，通过旋转手轮来转动螺杆，移动电抗器的动铁芯，改变动、静铁芯之间空气隙的长度，从而改变电抗值的大小，达到调节焊接电流的目的。另外，还可以通过改变副边匝数实现对焊接电流进行粗调节。副边匝数增多，焊接电