变压器的工作原理损耗铭牌和实验X页.docx

项 目 二：变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验
变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验（知识点部分）
课题引入：为什么要高压输电？
电能从发电厂输送到用户，输电线路电阻RX的损耗ΔpX取决于通过输电线上的电流l的大小令输送到用户的功率P=UIcosф
输出电线上的功率损耗：
ΔpX=I2RX=（P /Ucosφ）2ρL/S=C*1/U2S
ρ-输电线材料的电阻系数 S-输电线的截面积
U-输电线路负载端电压 C= P2ρL/cos2ф为常数  
说明：若S一定.U升高，损耗ΔPX减少，若ΔPX一定. U 升高，S 减小，故可节省材料，  则提高送电电压U ，可达到减少投资和降低运行费用的目的。
变压器的概念：
    变压器是一种静止的电气设备。它利用电磁感应原理，把输入的交流电压升高或降低为同频率的交流输出电压，满足高压送电、低压配电及其他用途的需要。
变压器的用途：
  变压器具有变换电压、变换电流和变换阻抗的作用，具有隔离高电压或电流的作用，特殊结构的变压器，还可以具有稳压特性、陡降特性等。
一、变压器的分类
1、按用途不同分类：
分为电力变压器（又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、厂用变压器等）;特种变压器（电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等);仪用互感器（电压互感器、电流互感器、电流互感器）;试验用的高压变压器和调压器等。
2、按绕组结构不同：
分为双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。
3、按铁心结构不同：
分为心式变压器和壳式变压器。
4、按相数不同：
分为单相、三相、多相（如整流用的六相）变压器。 
5、按调压方式不同：
分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。
6、按冷却方式不同：
分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环冷却变压器、强迫油循环导向冷却变压器、充气式变压器等。
7、按容量不同：
分为小型变压器容量为630kVA及以下;中型变压器容量为800kVA～6300kVA;大型变压器容量8000kVA～63000kVA;特大型变压器容量为900000kVA及以上。
二、变压器的工作原理
原绕组匝数为N1，副绕组匝数为N2。
当变压器原绕组通以交流电流时，在铁心中产生交变磁通，根据电磁感应原理，原、副绕组都产生感应电动势，副绕组的感应电动势相当于新的电源，这就是变压器的基本工作原理。如图2－1。
理想变压器：（不计电阻、铁耗和漏磁）
一次与二次绕组完全耦合，且两绕组电阻为零，铁芯中损耗为零，铁芯的导磁率为无穷大，即磁阻为零。
理想变压器的运行：
原绕组加电压，产生电流，建立磁通，沿铁心闭合分别在原副绕组中感应电动势。

图2－1 变压器的工作原理
变压器的变电压作用：
由于线圈电阻为零，且一次、二次侧绕组完全耦合，故按照图中的假定正方向下：

结论：只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。
变压器的变电流作用：

结论：变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。
变压器的变阻抗作用
图中，二次侧绕组电路负载阻抗为：

如果从一次侧绕组电路来看，则其大小为：

结论：变压器在改变电压的同时,亦能实现对阻抗的变换。
本次小结：
1、变压器是按电磁感应原理工作的静止电气设备，它在电力系统中用来传递电能、变换电压和电流，以满足输电及用电的要求。在工业生产中，变压器还用于整流、电炉、电焊、调压、测量与控制等很多方面。
2、变压器的原绕组从交流电源吸收电能传递到副绕组供给负载，铁心中的磁通是能量传递的中介桥梁。变压器只能传递交流电能，而不能产生电能；只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率；在传递过程中几乎不改变电流与电压大小的乘积。
3、变压器由铁心、绕组两个主要部分组成。铁心是变压器的磁路部分。电力变压器的铁心一般采用0.35毫米厚的硅钢片叠装而成。绕组是变压器的电路部分，它是用电磁线绕制而成的。电力变压器还有其他附件，如油箱、油枕、气体继电器、防爆管、分接头开关、绝缘套管等。附件对绕组与铁心起散热、保护、绝缘等作用，它能保证变压器安全可靠地运行。
三、变压器的损耗
变压器运行时将产生损耗，变压器的损耗分两大类
铜耗 1、基本铜耗2、杂散铜耗
铁耗 1、基本铁耗2、杂散铁耗
基本铜耗：一、二次绕组内电流所引起时的直流电阻损耗。
杂散铜耗：主要是由漏磁通所引起的肌肤效应，使绕组的有效电阻增大而增加的铜耗。以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。
铜耗与负载电流的平方成正比。因此也称为可变损耗。
铜耗与绕组的温度有关，一般用77度时的电阻值来计算。
基本铁耗：变压器铁心中的磁滞与涡流损耗。
杂散铁耗：主要是铁心接连处由于磁通密度分布不均匀所引起的损耗，和主磁通在铁轭夹件，油箱等结构部件中所引起的涡流损耗。铁耗可近似认为与或成正比。由于变压器一侧电压保持不变。故铁耗可视为不变损耗。（F不变的前提下）

∵

∴
四、变压器的效率

1、因变压器无转动部分，一般效率都很高，大多数在95%以上。大型变压器可达99%。
测量变压器的效率一般不采用直接测P1、P2的方法，因P1与P2相差很小。测量仪器本身的误差就可能超出次范围，一般用间接法测量变压器的效率。即测出各种损耗，再计算效率。
考虑到：

令 可得:
在计算效率时作以下假设：1.额定电压下空载损耗，且不随负载的变化而变化。
2、额定电流时的，因铜耗与负载电流平方成正比，所以任一负载下的铜耗
3、计算时忽略了负载时的变化，即

因产生最大效率时
对应最大效率时负载电流的标幺值为：

通过变压器空载和短路实验测取变压器的励磁参数和短路参数。
变压器中的参数,对变压器的运行性能有直接影响,知道了变压器的参数,就可绘出等效电路,然后绘出等效电路,然后可以运用等效电路分析计算, 可通过空载试验来确定. 可以通过试验确定,这两个试验是变压器的主要试验项目.
五、空载实验
注:用大写字母表示高压端,小字母表示低压端.空载试验可在任一边作.但考虑到空载试验所加电压较高,其电流较小,为试验的安全和仪器仪表选择方便,一般在低压侧作.如图2－2。

图2－2 变压器开了路试验的接线图
测定方法:在低压方加U1.高压侧开路.都取Im,Po,U2o
由空载试验等效电路可知:

可近似认为Zo=Zm

注:1、此时测得的值为归算到低压侧的值,如需归算到高压侧时参数应乘.
2、Zm与饱和程度有关, 电压越高, 磁路越饱和，Zm越小, 所以应以额定电压下测读的数据计算励磁参数.
六、短路试验

图2－3 变压器短路试验的接线图
1、因短路试验电流大, 电压低, 一般在高压侧作，如图2－3.从等效电路可见. =0,外加电压仅用来克服变压器本身的漏阻抗压降,所以当Uk很低时,电流即到达额定,该电压为(5-10%)Un.
,且电压很低,所以很小,Zm大.绝大部分电流流经,可忽略激磁支路不计。
此时由电源输入的功率Pk完全消耗在一、二次绕组铜耗上，即:

可按
注意：1. ,读取Pk,Uk计算短路参数。
2、由于绕组的电阻随温度而高.而短路试验一般在室温下进行,所以计算的电阻必须换算到额定工作时的数据,按国际规定换算到的数据.

上式中：θ：室温 T0：对铜线234.5，对铝线228
短路试验时使电流达到额定值时所加电压称为阻抗电压或短路电压，阻抗电压用额定电压百分比表示时有:

阻抗电压百分比是铭牌数据之一, 是变压器的主要参数，阻抗电压的大小反映变压器在额定负载下运行时,漏阻抗压降的大小。
七、变压器的铭牌
1、型号：表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容。
例如：S9-80/10：表示三相变压器（D表示单相），额定容量为80kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。
2、额定值是正确使用变压器的依据，在额定状态下运行，可保证变压器长期安全有效的工作。
1)额定容量：指变压器的视在功率。对三相变压器指三相容量之和。单位伏安（VA）千伏安（KVA）
2)额定电压：指线电压，指电源加到原绕组上的电压，是副边开路即空载运行时副绕组的端电压。
3)额定电流：由和计算出来的电流，即为额定电流
对单相变压器：
对三相变压器：
4)额定频率fN：我国规定标准工业用电频率为50赫（HZ）有些国家采用60赫。
此外，额定工作状态下变压器的效率、温升等数据均属于额定值。
本次小结：
一、 变压器的损耗

铁损---不变损耗；铜损---可变损耗。
二、变压器的效率：
三、空载实验
四、短路试验
五、变压器的铭牌

变压器的工作原理、损耗、铭牌和实验（能力培养部分）
一、空载实验
1、实训目的
1）测量变压器的空载电流和空载损耗；
2）通过测试参数发现磁路的局部或整体缺陷；检查绕组匝间、层间绝缘是否良好，铁心硅钢片间绝缘状况和装配质量等。
2、实训设备
被测变压器（10/0.4kV）一台；功率表（cosφ=0.1）三只；电流表三只；平均值电压表、有效值电压表、频率表各一只；导线若干；工具若干。
3、实训步骤
变压器空载试验方法有单相电源法和三相电源法两种，其接线图如下图所示。单相电源法采用单相试验电源，适用于单相变压器试验和三相变压器的单相试验。三相电源法采用三相试验电源，只适用于三相变压器，试验时，功率损耗可采用三瓦特表或双瓦特表测量，一般使用的是双瓦特表法。

(a)单相变压器 （b）三相变压器
图2－4 变压器的空载实验接线图
① 按试验图接线，并选择电源；
② 检查接线无误后，通电测试。
4、空载电流和空载损耗的计算
设外加相电压为Uo，相电流为Io，Po为每相输入功率，空载试验时输入功率全部都是损耗功率，所以Po（输入功率）就是空载损耗po，即由以下公式表示：

电力变压器空载试验时，在额定条件下，空载电流的允许偏差为22%；空载损耗的允许偏差为+15%。

5、空载实验评分标准

二、短路试验
1、实训目的
测定变压器的短路损耗Pk和短路电压Uk 。
2、实训设备
被测变压器（10/0.4kV）一台；功率表（cosφ=0.1）三只；电流表三只；平均值电压表、有效值电压表、频率表各一只；导线若干；工具若干。
3、实训意义
短路试验就是将变压器一侧的绕组短路，从另一侧施加额定频率交流电压的试验。试验时，一般是将二次侧短路，一次侧施加电压，当电压调整到额定电流时，记录功率和电压值，此时换算到额定温度下便是变压器的短路损耗和短路电压，接线如图2－5所示：

（a）单相变压器 （b）三相变压器
图2－5 变压器短路试验接线图
短路试验的意义：
① 计算变压器的效率；
② 确定变压器能否与其他变压器并联运行；
③ 计算变压器的短路电流；
④ 计算变压器二次侧的电压波动；
⑤ 发现变压去在结构和制造商的缺陷。
4、试验步骤
变压器短路试验方法基本上与空载试验相似，不同之处是空载试验施加的是额定电压，短路试验施加的是达到额定电流的电压。短路试验的方法也分为单相电源法和三相电源法。
因变压器二次侧短路，外加电压为Uk会使流入的短路电流Ik达额定电流的10～20倍，将烧坏变压器，所以应调节Uk使短路电流Ik=IN，此时的外加电压只有额定电压的4%～10%。即由以下公式表示

5、讨论题
1）比较空载试验和短路试验的原理接线图有何差别？
2）为何空载试验时常在二次侧接电源，而短路试验又常在一次侧接电源？在一次侧接电源空载试验与在二次侧接电源作空载试验所求的数据有何不同？其实际的数值相差多少？
6、短路实验评分标准