變壓器原理、結(jié)構(gòu)和性能-高壓電工培訓(xùn)

1 變壓器原理

電力變壓器發(fā)明于19世紀末，它為現(xiàn)代遠距離恒定電壓交流供電系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在19世紀之前，公用供電的早期階段里，均采用直流發(fā)電系統(tǒng)，人們不得不把發(fā)電設(shè)備靠近負荷地點，將發(fā)電機發(fā)出的大電流、低電壓的電能通過電纜輸送到用戶，其輸電距離僅為1.16－3.22km。不過，以當時的標準來看，能達到這種程度就是一種奇跡了。

當然，現(xiàn)代輸變電系統(tǒng)地域廣闊，這主要歸功于現(xiàn)代電力變壓器比19世紀末的變壓器更為有效。對巨大的發(fā)電機變壓器來說，可將18kV級25000A的輸出升壓到800kV，而將電流降到563A，從而輸送給數(shù)千臺晝夜運行、幾乎無人看管的配電變壓器，為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供電力。

電力變壓器是電力工業(yè)的重要設(shè)備，要求可靠性高、損耗水平低。電力系統(tǒng)使用的變壓器有三相和單相兩種，為適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展，變壓器電壓等級及單臺容量不斷提高。

1.1理想變壓器——電壓比

   電力變壓器一般有兩個繞組，即一次繞組和二次繞組組成，這兩個繞組通過磁路（鐵芯等）而發(fā)生耦合。將交流電壓施加給其中的一個繞組（從定義來說，一般是一次繞組）時，這個繞組就會有電流流動，從而形成磁動勢，因此，鐵芯中出現(xiàn)交變磁通。該交變磁通通過兩個繞組，使其分別感應(yīng)出一個電動勢。在一次繞組中，這個電動勢被稱為“反電動勢”。如果變壓器達到理想狀態(tài)，一次繞組的反電動勢就會抵消施加給一次側(cè)的電壓，此時一次繞組沒有電流通過。實際上，為在鐵芯中建立一個交變磁通，一次側(cè)繞組需流過一勵磁電流（該電流通常小于1%額定電流值）。在二次繞組中感應(yīng)出的電動勢是二次開路電壓。如果將負載連接到二次繞組，便有二次電流流過，此電流則產(chǎn)生一個消磁磁動勢，從而破壞了施加給一次側(cè)的電壓和反電動勢間的平衡。為了恢復(fù)平衡，就必須從電源汲取更大的電流來提供一個完全相等的磁動勢。這樣，當一次側(cè)增加的電流使一次側(cè)和二次側(cè)達到安匝平衡時，電動勢便達到平衡。由于在單匝導(dǎo)線上所感應(yīng)出的電壓之間沒有差異，所以無論是一次繞組還是二次繞組，由公共磁通（主磁通）在每個繞組上感應(yīng)出的總電壓一定與匝數(shù)成正比。即

                                 （1-1）

根據(jù)安匝平衡關(guān)系：

                                   （1-2）

   法拉第定律和楞次定律給出了感應(yīng)電壓和磁通之間的關(guān)系。法拉第定律指出：感應(yīng)電動勢的大小與磁鏈變化率成正比；楞次定律指出：如果有電流流動，感應(yīng)電動勢的極性總是抵抗磁鏈的變化，通常由下式表示：

                                 （1-3）

在實際變壓器中，每匝的感應(yīng)電壓為：

                                 （1-4）

如果變壓器所加電壓為正弦波，則k＝4.44，（1-4）式可寫為：

                             （1-5）

設(shè)計人員在進行設(shè)計計算時，對每匝電壓和鐵芯磁通密度更感興趣，因此（1-5）式又可寫為：

                             （1-6）

式中：Bm為鐵芯磁通密度幅值（T）；A為鐵芯凈截面積（mm²）。

在實際設(shè)計中，Bm由設(shè)計人員所選用的鐵芯材料和變壓器運行狀態(tài)來決定，A根據(jù)制造廠鐵芯標準截面尺寸來選擇，依據(jù)所規(guī)定的繞組電壓，可容易的確定出每個繞組的匝數(shù)及每匝電壓。

1.2漏電抗——變壓器阻抗

實際上，一、二次繞組之間的電壓變換并不理想。這是因為原邊和副邊線圈的幾何位置不可能完全重合，各自有漏磁通F₁₀和F₂₀，該漏磁通產(chǎn)生相應(yīng)的漏電抗，使得變壓器二次輸出電壓下降。

   早期的變壓器設(shè)計人員認為變壓器漏電抗是一種缺點，應(yīng)把它降低到最低，以滿足正常的經(jīng)濟約束條件。隨著發(fā)電站和輸變電系統(tǒng)規(guī)模的擴大和日趨復(fù)雜，漏電抗（按實際術(shù)語稱為阻抗）被逐漸作為一個能限制故障電流的有用參數(shù)。變壓器阻抗一般表示為變壓器滿負載電流下的電壓降百分數(shù)。例如，阻抗為10%的變壓器——意味著滿負載電流下的電壓降是開路電壓的10%。

變壓器帶負載的等值電路如下：

圖中，X₁和X₂'分別與原邊和副邊的漏磁通F₁₀和F₂₀對應(yīng)，稱為漏抗，X₀為勵磁阻抗。由于勵磁阻抗遠大于漏抗，等值電路中的阻抗近似等于X₁＋X₂'，也稱為短路阻抗。將副邊短路，從原邊測得的阻抗近似等于X₁＋X₂'。這種情況下，從原邊施加額定電流，對應(yīng)的施加電壓占額定電壓的百分數(shù)，稱為短路電壓百分數(shù)，即為變壓器短路阻抗的標么值。

實際的變壓器線圈是繞制在鐵心上，各繞組成同心圓布置。原邊和副邊繞組間的漏抗與其間距成正比，與繞組的幾何高度成反比。

對于三繞組變壓器的等值電路如下圖所示：

圖中，    X₁ ＝；

         X₂ ＝；

         X₃ ＝。

X₁₂、X₂₃、X₁₃分別為高壓側(cè)繞組和中壓側(cè)繞組、中壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組、高壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組間的短路阻抗。該等值電路無物理意義，僅可用于電路的計算。