變壓器概述

　　變壓器（Transformer）是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯（磁芯）。主要功能有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。按用途可以分為：電力變壓器和特殊變壓器（電爐變、整流變、工頻試驗變壓器、調壓器、礦用變、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、沖擊變壓器、儀用變壓器、電子變壓器、電抗器、互感器等）。電路符號常用T當作編號的開頭。例： T01， T201等。

　　變壓器工作原理

　　單相變壓器有兩個線圈共同繞在一個閉合鐵芯上，如右圖所示，其中與電源相連的線圈稱為原邊線圈，與原邊線圈相關的各量的標示符號均在右下角標注以角碼1，如U1、I1等，與負載項鏈的線圈稱為副邊線圈，相關度額各量的標示符號均在右下角標注角碼2，如U2、I2等。

　　此變壓器工作原理為：當變壓器的原繞組施以交變電壓u1時，便在原繞組中產生一個交變電流i1，這個電流在鐵芯中產生交變磁通Φ，因為原、副繞組在同一個鐵芯上，所以當磁通Φ穿過副繞組時，便在變壓器副邊產生感應電動勢e2（即變壓電壓）。變壓器中感應電動勢的大小是和線圈的匝數、磁通的大小及電源的頻率成正比。

　　變壓器的種類

　　1.按功能分類。變壓器按功能可分為普通電力變壓器（如配電變壓器、輸電變壓器等）和特種變壓器（如試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器、各類調壓器等）。

　　2.按相數分類。變壓器按相數可分為單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器（如六相整流用變壓器）。我國電力系統中用的電力變壓器大多為三相變壓器。若三相變壓器容量超大，太過笨重，從制造廠到安裝地點的運輸過程中，受運輸條件限制，需降低變壓器的尺寸及質量時，則可以考慮將三個完全相同的單相變壓器的繞組按一定的方式作三相連接組成三相變壓器組，如500kV電壓等級的變壓器大都采用三相變壓器組，其三相磁路是獨立的，各相主磁通以各自鐵芯作為磁路。三相變壓器較之于同容量的三相變壓器組，其鐵磁材料消耗少，運行電能損耗少，且占地面積小，因此在條件允許的情況下應優先采用三相變壓器。

　　3.按調壓方式分類。變壓器按調壓方式可分為無載調壓變壓器和有載調壓變壓器。無載調壓變壓器必須在停電的情況下才能進行分接頭的切換，其調壓裝置結構較為簡單。有載調壓變壓器則可以在不停電的情況下實現分接頭的切換，其調壓裝置結構相對復雜，造價高，對檢修維護的要求也較高。

　　4.按繞組個數分類。變壓器按繞組的個數可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器和多繞組變壓器。近年來三繞組變壓器在電力系統中應用越來越多，大多用于需要三種不同電壓等級的場合。采用一臺三繞組變壓器比采用兩臺雙繞組變壓器，可以節省材料和占地面積，減少附屬設備，提高運行效率，維修也方便。只有當某電壓等級傳輸容量很小，三個電壓等級之間分別使用多臺小容量的雙繞組變壓器可以使總容量顯著減少時，才考慮使用雙繞組變壓器。三繞組變壓器的高壓、中壓和低壓三個繞組，通常套在一個鐵芯柱上。由于絕緣結構的要求，高壓繞組常套在最外面。由于升壓變壓器的功率主要由低壓側向高壓側和中壓側傳遞，所以其低壓繞組常套在高、中壓繞組之間。這樣一來，升壓變壓器的高壓繞組在最外面，低壓繞組居中，中壓繞組最靠近鐵芯。對于降壓變壓器，繞組排列則采用高壓繞組在最外面、中壓繞組居中、低壓繞組最靠近鐵芯的方式，以降低絕緣費用。

　　5.按絕緣及冷卻方式分類。變壓器按絕緣及冷卻方式可分為油浸式、干式和氣體絕緣式等。其中油浸式變壓器，又有油浸自冷式、油浸風冷式、油浸水冷式和強迫油循環冷卻式等。由于油浸式電力變壓器具有散熱好、損耗低、容量大、價格低等優點，所以獲得了廣泛應用。

　　6.按鐵芯結構分類。變壓器按鐵芯結構可分為芯式變壓器和殼式變壓器。

　　7.按容量大小分類。變壓器按容量大小可分為小型變壓器（10～630kVA）、中型變壓器（800～6300kVA）、大型變壓器（8000～63000kVA）、特大型變壓器（90000kVA以上）。

　　8.按中性點絕緣方式分類。變壓器按中性點絕緣方式可分為全絕緣變壓器和分級絕緣變壓器。所謂全絕緣是指星形接線變壓器中性點的絕緣水平與三相出線的絕緣水平相同，例如60kV及以下電壓等級的變壓器中性點絕緣即采用這種方式。所謂分級絕緣是指中性點的絕緣水平低于三相出線的絕緣水平，例如110kV電壓等級的變壓器中性點采用35kV的絕緣水平，220kV電壓等級的變壓器中性點采用110kV的絕緣水平。采用分級絕緣后，因變壓器內絕緣的尺寸縮小，變壓器的尺寸可以相應地縮小，造價也降低很多。

　　變壓器的主要參數

　　1.額定電壓。變壓器的額定電壓包括一次額定電壓和二次額定電壓。一次額定電壓是指接到變壓器一次繞組端點的額定電壓值。二次額定電壓是指當一次繞組所接的電壓為額定值，分接開關放在額定分接頭位置上，變壓器空載時二次繞組的電壓。

　　2.額定電流。變壓器的額定電流包括一次額定電流和二次額定電流，分別指在額定電壓和規定的環境溫度下，使各部分不超過允許溫度的一次繞組和二次繞組長期允許通過的電流。

　　3.額定容量。額定容量是指變壓器在額定電壓、額定電流時連續運行所傳送的容量。對于雙繞組變壓器，其額定容量以繞組的容量表示（雙繞組變壓器的兩個繞組具有相同的額定容量）。對于三繞組變壓器，應給出每個繞組的額定容量。三繞組變壓器各繞組的額定容量有的相同，有的不同，按三個繞組的容量比的不同有三種類型：100%/100%/100%、100%/100%/50%、100%/50%/100%。

　　4.額定頻率。我國標準工業頻率為50Hz。

　　5.空載損耗?？蛰d損耗指當以額定電壓施加于一個繞組的端子上，其余各繞組開路時變壓器所產生的損耗。變壓器在空載狀態下的損耗主要是鐵芯中的磁滯損耗和渦流損耗，因此空載損耗也稱鐵損。

　　6.短路損耗。對雙繞組變壓器，短路損耗是指將變壓器的一側繞組短路，流經另一側繞組的電流為額定電流時，變壓器所消耗的功率。對三繞組變壓器，要提供三個繞組兩兩短路試驗所測的短路損耗，而且當三個繞組容量比為100%/100%/50%或100%/50%/100%時，短路損耗數據是一對繞組中容量較小的一方達到其額定電流時的值。短路損耗主要是繞組的電阻引起，所以又稱銅損。

　　7.短路電壓，又稱阻抗電壓。對雙繞組變壓器，短路電壓是指當一側繞組短接，以額定頻率的電壓施加于另一側繞組上，并使短接繞組中流過額定電流時所施加的電壓。對三繞組變壓器有三個短路電壓，即用高-中、高-低、中-低三個短路電壓表示。由于大容量變壓器的阻抗以電抗為主，可由短路電壓近似求得變壓器繞組的電抗，因此短路電壓是一個十分重要的參數，對變壓器的電壓變動和并列運行有重要意義，例如兩臺變壓器并列運行的條件之一就是要短路電壓相等。除特殊指明外，短路電壓均以施加電壓繞組額定電壓的百分數表示。

　　8.空載電流?？蛰d電流指變壓器在額定電壓下空載運行時的電流值。一個繞組的空載電流通常以該繞組額定電流的百分數表示。對三繞組變壓器來說，這個百分數以最大額定容量的那個繞組為準。

　　9.溫升。溫升是指變壓器各部分的溫度與其周圍冷卻介質溫度的差值。

　　鐵心設計及計算

　　1．鐵心的作用：變壓器是根據電磁感應原理制造的，磁路是電能轉換的媒介，由于鐵心是采用導磁率較高的硅鋼片疊積而成，只要通入較小的勵磁電流，就能得到所需要的磁通。

　　2．鐵心的材料：常用冷軋硅鋼片的牌號及疊片系數如下表。由于硅鋼片表面已有附著性較好的絕緣薄膜，故可不涂漆。疊片系數取決于絕緣膜厚度、波浪度、同板差及毛刺的大小。

　　3．鐵心截面形狀：鐵心柱截面形狀為圓內接階梯形，鐵心直徑φ70~φ1600的級數為6~26級（1/4圓內）。當鐵心直徑為φ70~φ395時，鐵軛截面形狀與鐵心柱截面形狀相同；當鐵心直徑φ340~φ1600時鐵軛截面形狀為D形。

　　4.鐵心直徑：D0=KDPzh0.25

　　式中：KD—直徑經驗系數，冷軋硅鋼片，銅導線KD=52~57

　　Pzh—每柱容量（kVA）

　　5．磁通密度選擇原則：

　　鐵心磁密一般熱軋硅鋼片取1.4~1.47T；冷軋硅鋼片取1.6~1.75T

　　6.空載損耗：

　　變壓器在空載時測得的損耗，空載損耗主要包含鐵心硅鋼片中磁滯損耗（與頻率成正比）和渦流損耗（與頻率平方成正比）等。

　　7.空載電流：

　　變壓器在空載時測得的電流，空載電流中主要是勵磁電流無功分量（與頻率成正比）和空載損耗產生的有功分量。

　　8.影響空載性能的因素

　　8.1鐵心材質：熱軋比冷軋硅鋼片空載損耗及電流大；硅鋼片每片厚度愈厚，空載損耗及電流也愈大，但太薄又會增加工藝附加系數；一般采用每片厚度為0.23、0.27、0.3mm；

　　8.2鐵心磁密：鐵心磁密選過高，空載損耗及空載電流均會增加。

　　8.3疊片形式：每疊片數多，空載損耗及空載電流均會增加，一般采用2片一疊。

　　8.4接縫形式：有取向冷軋硅鋼片，一般采用全斜接縫，如采用半直半斜接縫時，每增加一個直接縫會使空載損耗增加3.5%左右；

　　8.5毛刺大小：毛刺大，空載損耗及空載電流均會增加，一般≤0.03mm；

　　8.6夾緊方式：采用穿心螺桿比用粘帶及綁扎帶綁扎，空載損耗及空載電流增加。

　　8.7制造工藝：如剪切、搬運、摔打均會產生應力，從而使空載損耗及空載電流增加；

　　8.8清潔程度：保持鐵心清潔無灰塵、無異物，否則也會使空載損耗及空載電流增加。

　　繞組設計及計算

　　1．導線材質：變壓器繞組的導線常采用電解銅或無氧銅桿（電阻率約低1%~1.5%）拉制的圓銅線及銅扁線制成縮醛漆包線、紙包線、組合導線及換位導線。也曾用過鋁導線，但由于鋁導線電阻率較高、機械強度較差、焊接較困難現已很少采用。

　　2．繞組形式：圓筒式（層式）：單層、雙層、多層圓筒式及分段圓筒式。常用于中小型的高壓或低壓繞組。

　　螺旋式：單、單半、雙、雙半、四、四半螺旋式；常用于中大型的低壓繞組。

　　連續式：常用于中大型的高壓及低壓繞組。

　　糾結式：常用于66kV及以上大型的高壓繞組。

　　內屏式：常用于66kV及以上大型的高壓繞組。

　　3．繞組排列：雙繞組：高—低排列。三繞組：降壓變壓器為高—中—低；升壓變壓器為高—低—中排列。

　　4．電壓比偏差：

　　額定電壓比是一個繞組的額定電壓與另一個具有較低或相等額定電壓繞組的額定電壓之比。

　　電壓比（變比或匝比）的偏差是產品的實測的空載電壓比與規定的標準電壓比之差，常以規定的標準電壓比的百分數表示。

　　國家標準GB1094.1規定的空載電壓比允許偏差，如表所示。為考慮制造和測量的偏差，在計算時，一般不應超過下表中規定的允許偏差值的一半，即空載電壓比允許偏差的計算值，常取V%≤±0.25%

　　當高壓繞組電壓較低，且容量較大的產品，電壓比（特別是分接電壓比）的允許偏差，如達不到要求時，應要及時與用戶協商。

　　自耦變壓器和增壓變壓器，因其阻抗很小，則應有更大的偏差。高壓及中壓各分接位置的電壓比的計算偏差（V%），分別按下式計算：

　　式中：et—每匝電勢（V）；et=U2/W2W2—低壓繞組的每相匝數；

　　U2—低壓繞組的相電壓（v）

　　W—高壓或中壓繞組各分接位置的每相匝數；

　　U—高壓或中壓繞組各分接位置的相電壓（v）。

　　5．電流密度選擇原則：

　　繞組導線的電流密度是根據負載損耗（Pk）；長期工作電流的溫升；突發短路的溫升；承受突發短路時的電動力（機械力）；經濟性等來選擇。銅導線電流密度一般選3.0A2左右。

　　6．主縱絕緣選擇：主要考慮承受電壓：長期工作電壓；感應試驗電壓；短時工頻耐受電壓；沖擊耐受電壓（全被、截波、操作波）等。

　　7．負載損耗

　　7.1繞組導線的電阻損耗：I2R注意應換算到參考溫度（一般為75C）。

　　7.2繞組導線的渦流損耗：由于漏磁通穿過導線而產生渦流，造成渦流損耗，它與頻率及垂直于漏磁的導線厚度等的平方成正比，常以占電阻損耗的百分數表示。

　　注意：三繞組變壓器在計算外－內（一般為高－低壓）繞組的負載損耗時，這時中間（一般為中壓）繞組，雖然沒有電流通過，但它處于漏磁場最大的位置，故需另加上中間（一般為中壓）繞組的3倍渦流損耗。

　　7.3、繞組損耗的環流損耗：導線在漏磁場中所處的位置不一樣，或導線的長度不一樣，而又換位不完全，導線間產生環流，造成環流損耗，常以占電阻損耗的百分數表示。

　　7.4、引線的損耗：包含引線的電阻損耗及附加損耗（渦流損耗）。

　　7.5、雜散的損耗：漏磁通穿過夾件、拉板、油箱等鋼鐵零件而產生渦流，從而造成雜散損耗。

　　8．繞組在電氣方面常發生的故障

　　8.1、三相電阻不平衡：由于材質、焊接、結構（B相引線較短）會造成三相電阻不平衡，注意，引線配制和焊接質量，使三相電阻不平衡率，一般不超過2%。

　　8.2、匝間短路：由于導線的毛刺或換位不當，而損傷匝絕緣，造成匝間短路。應將墊塊去毛刺、加強制造工藝。

　　8.3、感應或沖擊擊穿：由于材質、設計、工藝等原因，造成匝間、段間、層間擊穿。選擇合理的絕緣結構（如高電壓的繞組采用分部電容補償等）。加強制造工藝，注意清潔度。

　　8.4、對地放電：由于材質、設計、工藝等原因，造成高壓繞組間或對地放電。

　　選擇合理的絕緣結構（如采用薄紙筒小油隙及角環結構），采用靜電板改善端部電場等。加強制造工藝，注意清潔度。

　　9．提高繞組機械強度的措施

　　9.1、繞組導線：一般采用機械強度較好的半硬銅導線。換位導線宜用粘性換位導線（其抗彎強度為普通換位導線的3倍以上）。

　　9.2、安匝平衡：高低壓繞組要盡量做到安匝平衡，對中大型變壓器不平衡安匝一般不超過5%。

　　9.3卷緊：注意計算及制造公差。

　　9.4壓緊：墊塊密化；繞組壓緊力一般為2.5MPa；最好采用恒壓或帶壓干燥和整體套裝。

　　9.5撐緊：低壓繞組內部加副撐條，所有繞組均卷在硬紙筒上。