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(jì)末，它為現(xiàn)代遠(yuǎn)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(jì)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(fù)荷地點(diǎn)，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的大電流、低電壓的電能通過(guò)電纜輸送到用戶(hù)，其輸電距離僅為1.16－3.22km。不過(guò)，以當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，能達(dá)到這種程度就是一種奇跡了。

當(dāng)然，現(xiàn)代輸變電系統(tǒng)地域廣闊，這主要?dú)w功于現(xiàn)代電力變壓器比19世紀(jì)末的變壓器更為有效。對(duì)巨大的發(fā)電機(jī)變壓器來(lái)說(shuō)，可將18kV級(jí)25000A的輸出升壓到800kV，而將電流降到563A，從而輸送給數(shù)千臺(tái)晝夜運(yùn)行、幾乎無(wú)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(jí)及單臺(tái)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(gè)繞組，即一次繞組和二次繞組組成，這兩個(gè)繞組通過(guò)磁路（鐵芯等）而發(fā)生耦合。將交流電壓施加給其中的一個(gè)繞組（從定義來(lái)說(shuō)，一般是一次繞組）時(shí)，這個(gè)繞組就會(huì)有電流流動(dòng)，從而形成磁動(dòng)勢(shì)，因此，鐵芯中出現(xiàn)交變磁通。該交變磁通通過(guò)兩個(gè)繞組，使其分別感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。在一次繞組中，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為“反電動(dòng)勢(shì)”。如果變壓器達(dá)到理想狀態(tài)，一次繞組的反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)抵消施加給一次側(cè)的電壓，此時(shí)一次繞組沒(méi)有電流通過(guò)。實(shí)際上，為在鐵芯中建立一個(gè)交變磁通，一次側(cè)繞組需流過(guò)一勵(lì)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(dòng)勢(shì)是二次開(kāi)路電壓。如果將負(fù)載連接到二次繞組，便有二次電流流過(guò)，此電流則產(chǎn)生一個(gè)消磁磁動(dòng)勢(shì)，從而破壞了施加給一次側(cè)的電壓和反電動(dòng)勢(shì)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(lái)提供一個(gè)完全相等的磁動(dòng)勢(shì)。這樣，當(dāng)一次側(cè)增加的電流使一次側(cè)和二次側(cè)達(dá)到安匝平衡時(shí)，電動(dòng)勢(shì)便達(dá)到平衡。由于在單匝導(dǎo)線上所感應(yīng)出的電壓之間沒(méi)有差異，所以無(wú)論是一次繞組還是二次繞組，由公共磁通（主磁通）在每個(gè)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(dòng)勢(shì)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(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性總是抵抗磁鏈的變化，通常由下式表示：

                                 （1-3）

在實(shí)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(xiě)為：

                             （1-5）

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，對(duì)每匝電壓和鐵芯磁通密度更感興趣，因此（1-5）式又可寫(xiě)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(shí)際設(shè)計(jì)中，Bm由設(shè)計(jì)人員所選用的鐵芯材料和變壓器運(yùn)行狀態(tài)來(lái)決定，A根據(jù)制造廠鐵芯標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸來(lái)選擇，依據(jù)所規(guī)定的繞組電壓，可容易的確定出每個(gè)繞組的匝數(shù)及每匝電壓。

1.2漏電抗——變壓器阻抗

實(shí)際上，一、二次繞組之間的電壓變換并不理想。這是因?yàn)樵�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(jì)人員認(rèn)為變壓器漏電抗是一種缺點(diǎn)，應(yīng)把它降低到最低，以滿(mǎn)足正常的經(jīng)濟(jì)約束條件。隨著發(fā)電站和輸變電系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和日趨復(fù)雜，漏電抗（按實(shí)際術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為阻抗）被逐漸作為一個(gè)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(mǎn)負(fù)載電流下的電壓降百分?jǐn)?shù)。例如，阻抗為10%的變壓器——意味著滿(mǎn)負(fù)載電流下的電壓降是開(kāi)路電壓的10%。

變壓器帶負(fù)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(duì)應(yīng)，稱(chēng)為漏抗，X₀為勵(lì)磁阻抗。由于勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)大于漏抗，等值電路中的阻抗近似等于X₁＋X₂'，也稱(chēng)為短路阻抗。將副邊短路，從原邊測(cè)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(duì)應(yīng)的施加電壓占額定電壓的百分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為短路電壓百分?jǐn)?shù)，即為變壓器短路阻抗的標(biāo)么值。

實(shí)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(duì)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(wú)物理意義，僅可用于電路的計(jì)算。