1.1 变压器的基本知识和结构
【学习目标】
（1）了解变压器的种类和用途，掌握变压器的基本工作原理。
（2）掌握变压器各主要部件的结构及其作用，了解变压器的冷却方式。
（3）理解变压器铭牌数据的含义，熟悉额定值之间的换算。
1.1.1 变压器的基本知识
1.变压器的基本工作原理
变压器是利用电磁感应原理工作的，图1.1所示为其工作原理示意图。在一个闭合的铁芯上套有两个绕组。这两个绕组具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中，接于电源侧的绕组称为原绕组或一次绕组，一次绕组各量用下标“1”表示；用于接负载的绕组称为副绕组或二次绕组，二次绕组各量用下标“2”表示。
图1.1 变压器工作原理示意图
若将绕组1接到交流电源上，绕组中便有交流电流i1流过，在铁芯中产生交变磁通Φ与原、副绕组同时交链，分别在两个绕组中感应出同频率的电动势e1和e2。
式中：N1为原绕组匝数；N2为副绕组匝数。
若把负载接于绕组2，在电动势e2的作用下，电流i2将流过负载，就能向负载输出电能，即实现了电能的传递。
由式（1.1）可知，原、副绕组感应电动势的大小正比于各自绕组的匝数，而绕组的感应电动势又近似等于各自的电压，因此，只要一次和二次绕组的匝数不相等，就能达到改变电压的目的，这就是变压器的变压原理。
2.变压器的应用与分类
（1）应用。在电力系统中，变压器是输配电能的主要电气设备。其应用如图1.2所示。
图1.2 变压器在电力系统中的应用
发电机输出的电压，由于受发电机绝缘水平的限制，通常为6.3kV、10.5kV，最高不超过27kV。用这样低的电压进行远距离输电是有困难的。因为当输送一定功率的电能时，电压越低，则电流越大，电能有可能大部分消耗在输电线的电阻上。为此需要采用高压输电，即用升压变压器把电压升高到输电电压，例如110kV、220kV或500kV等，以降低输送电流，因而线路上的电压降和功率损耗明显减小，线路用铜量也可减少，以节省投资费用。一般来说，输电距离越远，输送功率越大，则要求的输电电压越高。输电线路将几万伏或几十万伏高电压的电能输送到负荷区后，由于受用电设备绝缘及安全的限制，通常大型动力设备采用6kV或10kV，小型动力设备和照明则为380／220V。所以在供用电系统中需要大量的降压变压器，将输电线路输送的高电压变换成各种不同等级的低电压，以满足各类负荷的需要。因此变压器在电力系统中得到了广泛应用，变压器的总安装容量可达发电机总装机容量的6～8倍，变压器对电力系统有着极其重要的意义。
用于电力系统升、降电压的变压器称为电力变压器。另外，变压器的用途还很多，如测量系统中用的仪用互感器，用于实验室调压的自耦调压器。在电力拖动系统或自动控制系统中，变压器作为能量传递或信号传递的元件，也应用得十分广泛。
（2）分类。为适应不同的使用目的和工作条件，变压器种类很多，因此变压器的分类方法有多种，通常可按用途、绕组数目、相数、铁芯结构、调压方式和冷却方式等划分类别。
1）按用途分有电力变压器和特种变压器。电力变压器又分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等；特种变压器又分为试验用变压器、仪用变压器、电炉变压器、电焊变压器和整流变压器等。
2）按绕组数目分有单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。
3）按相数分有单相变压器、三相变压器和多相变压器。
4）按铁芯结构分有芯式变压器和壳式变压器。
5）按调压方式分有无励磁调压变压器和有载调压变压器。
6）按冷却介质和冷却方式分有干式变压器、油浸变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式和强迫油循环导向冷却式）和充气式冷却变压器。
1.1.2 变压器的基本结构
变压器的基本结构部件有铁芯、绕组、油箱、冷却装置、绝缘套管和保护装置等，如图1.3所示。
图1.3 油浸式电力变压器结构示意图
1—信号式温度计；2—吸湿器；3—储油柜；4—油表；5—安全气道；6—气体继电器；7—高压套管；8—低压套管；9—分接开关；10—油箱；11—铁芯；12—线圈；13—放油阀门
1.铁芯
铁芯是变压器的主磁路，又是它的支撑骨架。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成，铁芯柱上套装绕组，铁轭的作用则是使整个磁路闭合。为了提高磁路的导磁性能和减少铁芯中的磁滞和涡流损耗，铁芯用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。
叠片式铁芯的结构型式有芯式和壳式两种。芯式铁芯结构的变压器，其铁芯被绕组包围着，如图1.4所示。芯式变压器结构简单，绕组的装配及绝缘设置也较容易，国产电力变压器铁芯主要用心式结构。壳式铁芯结构的变压器，它的特点是铁芯包围线圈。如图1.5所示，壳式变压器的机械强度好，但制造复杂、铁芯材料消耗多，只在一些特殊变压器（如电炉变压器）中采用。
图1.4 芯式变压器结构示意图
（a）单相；（b）三相
1—铁芯柱；2—铁轭；3—高压绕组；4—低压绕组
图1.5 壳式变压器结构示意图
（a）单相；（b）三相
1—铁芯柱；2—铁轭；3—绕组
叠片式铁芯的装配，一般均采用交迭式叠装，使上、下层的接缝错开，减小接缝间隙以减小励磁电流。当采用冷轧硅钢片时，由于冷轧硅钢片顺碾压方向的导磁系数高，损耗小，故用斜切钢片的叠装方法，如图1.6所示。
图1.6 斜切钢片的叠装法
叠装好的铁芯其铁轭用槽钢（或焊接夹）及螺杆固定。铁芯柱则用环氧无纬玻璃丝黏带绑扎。铁芯柱的截面在小容量变压器中常采用方形或矩形，大型变压器为充分利用线圈内圆空间而常采用阶梯形截面，如图1.7所示。当铁芯柱直径超过380mm时，还设有冷却油道。铁轭的截面有矩形及阶梯形的，铁轭的截面通常比铁芯柱大5%～10%，以减少空载电流和损耗。
近年来，出现了一种渐开线形铁芯变压器。它的铁芯柱硅钢片是在专门的成型机上采用冷挤压成型方法轧制的，铁轭则是由同一宽度的硅钢带卷制而成，铁芯柱按三角形方式布置，三相磁路完全对称，如图1.8所示。渐开线形铁芯变压器的主要优点在于可以节省硅钢片、便于生产机械化和减少装配工时。
图1.7 铁芯柱截面
（a）矩形截面；（b）多级阶梯形截面
图1.8 渐开线形铁芯
1—铁轭；2—铁芯柱
2.绕组
绕组是变压器的电路部分，它一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。根据高、低压绕组在铁芯柱上排列方式的不同，变压器的绕组可分为同心式和交叠式两种。
同心式的高、低压绕组同心地套在铁芯柱上，如图1.4所示。为了便于绝缘，通常低压绕组靠近铁芯，高压绕组放在外面，中间用绝缘纸筒隔开。这种绕组结构简单，制造方便，国产电力变压器均采用此种线圈。
交叠式绕组的高低压绕组交替地套在铁芯柱上，如图1.9所示。这种绕组都做成饼式，高、低压绕组之间的间隙较多，绝缘比较复杂，但这种绕组漏电抗小，引线方便，机械强度好，主要用在电炉和电焊等特种变压器中。
3.油箱和冷却装置
油浸变压器的器身浸在充满变压器油的油箱里。变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，它通过受热后的对流，将铁芯和绕组的热量带到箱壁及冷却装置，再散发到周围空气中。
图1.9 交叠式绕组
油箱的结构与变压器的容量、发热情况密切相关。变压器的容量越大，发热问题就越严重。在小容量变压器中采用平板式油箱；容量稍大的变压器采用排管式油箱，在油箱侧壁上焊接许多冷却用的管子，以增大油箱散热面积。当装设排管不能满足散热需要时，则先将排管做成散热器，再把散热器安装在油箱上，这种油箱称为散热器式油箱。此外，大型变压器还采用强迫油循环冷却等方式，以增强冷却效果。强迫油循环的冷却装置称为冷却器，不强迫油循环的冷却装置称为散热器。
为了检修方便，变压器器身重量大于15t时，通常将变压器做成钟罩式油箱，检修时只需把上节油箱吊起，避免了必须使用重型起重设备。图1.10所示为器身检修时的起吊状况。
4.绝缘套管
变压器绝缘套管是将线圈的引出线对地（外壳）绝缘，又担负着固定引线的作用。套管大多数装于箱盖上，中间穿有导电杆，套管下部伸进油箱，导电杆下端与绕组引线相连；套管上部露出箱外，导电杆上端与外电路连接。
套管的结构型式，主要决定于电压等级。1kV以下采用纯瓷套管，10～35kV采用空心充气或充油套管，110kV以上采用电容式套管。为增加表面放电距离，高压绝缘套管外部做成多级伞形。图1.11为35kV充油式绝缘套管的结构示意图。
图1.10 器身检修时的起吊
（a）吊器身；（b）吊上节油箱
图1.11 35kV充油式绝缘套管结构示意图
5.分接开关
用以改变高压绕组的匝数，从而调整电压比的装置。双绕组变压器的一次绕组及三次绕组变压器的一、二次绕组一般都有3～5个分接头位置，相邻分接头相差±5%，多分接头的变压器相邻分接头相差±2.5%。
分接开关的操作部分装于变压器顶部，经传杆伸入变压器油箱内，以改变接头位置。分接开关分为两种：一种是无载分接开关，另一种是有载分接开关。后者可以在带负荷的情况下进行切换、调整电压。
6.保护装置
（1）储油柜（又称油枕）。它是一种油保护装置，水平地安装在变压器油箱盖上，用弯曲联管与油箱连通，柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜的作用是保证变压器油箱内充满油，减少油和空气的接触面积，从而降低变压器油受潮和老化的速度。
（2）吸湿器（又称呼吸器）。通过它使大气与油枕内连通。吸湿器内装有硅胶或活性氧化铝，用以吸收进入油枕中空气的水分，以防止油受潮，从而保持良好的性能。
（3）安全气道（又称防爆筒）和压力释放阀。它装于油箱顶部，如图1.3所示。它是一个长钢圆筒，上端口装有一定厚度的玻璃板或酚醛纸板，下端口与油箱连通。它的作用是当变压器内部因发生故障引起压力骤增时，让油气流冲破玻璃或酚醛纸板喷出，以免造成箱壁爆裂。现在改用压力释放阀，尤其在全密封变压器中，都广泛采用压力释放阀做保护。动作时膜盘被顶开释放压力，平时膜盘靠弹簧拉力紧贴阀座（密封圈），起密封作用。
（4）净油器（又称热虹吸净油器）。它是利用油的自然循环，使油通过吸附剂进行过滤，以改善运行中变压器油的性能。
（5）气体继电器（又称瓦斯继电器）。它装在油枕和油箱的连通管中间，见图1.3。当变压器内部发生故障（如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故等）产生气体时，或油箱漏油使油面降低时，气体继电器动作，发出信号以便运行人员及时处理；若事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起保护作用。
此外，变压器还有测温及温度监控装置等。
1.1.3 变压器的铭牌
每台变压器上都装有铭牌，在铭牌上标明了变压器工作时规定的使用条件，主要有型号、额定值、器身重量、制造编号和制造厂家等有关技术数据，电力变压器分类和型号见表1.1。
表1.1 电力变压器分类和型号
1.变压器型号
变压器的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：
SL-500/10为三相油浸自冷双绕组铝线、额定容量500kVA、高压侧额定电压10kV级电力变压器。
SFPL-63000/110表示三相强迫油循环风冷式双绕组铝线、额定容量63000kVA、高压侧额定电压110kV级电力变压器。
2.额定值
额定值是制造厂根据设计或试验数据，对变压器正常运行状态所作的规定值，主要有如下几项。
（1）额定容量SN（kVA）。指在额定使用条件下所能输出的视在功率，对三相变压器而言，额定容量指三相容量之和。由于变压器效率很高，双绕组变压器原、副边的额定容量按相等设计。
（2）额定电压U1N/U2N（kV或V）。指变压器长时间运行时所能承受的工作电压。一次额定电压U1N是指根据绝缘强度规定加到一次侧的工作电压；二次额定电压U2N是指变压器一次加额定电压，分接开关位于额定分接头时的二次空载端电压。在三相变压器中，额定电压指的是线电压。
（3）额定电流I1N/I2N（A）。指变压器在额定容量下，允许长期通过的电流。同样，三相变压器的额定电流也指的是线电流。
额定容量、电压、电流之间的关系是
单相变压器
三相变压器
（4）额定频率fN（Hz）。我国规定标准工频为50Hz。
此外，还有效率、温升等额定值。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、联结组别、阻抗电压（或短路阻抗标么值）、接线图等。
【例1.1】 一台三相油浸自冷式铝线变压器，SN=200kVA，U1N/U2N=10/0.4kV，Y，yn接线。求：
（1）变压器一、二次额定电流。
（2）变压器原、副绕组的额定电流和额定电压。
解：（1）（2）由于Y，yn接线。
一次绕组的额定电压
一次绕组的额定电流I1Nφ=I1N=11.55A
二次绕组的额定电压
二次绕组的额定电流I2Nφ=I2N=288.68A
小结
变压器是一种传递交流电能的静止电气设备，它利用一、二次绕组匝数的不同，通过电磁感应作用，改变交流电的电压、电流数值，但频率不变。
变压器的基本结构部件有铁芯、绕组、油箱、冷却装置、绝缘套管和保护装置等。
每台变压器上都装有铭牌，在铭牌上标明了变压器工作时规定的使用条件，主要有：型号、额定值、器身重量、制造编号和制造厂家等有关技术数据。
习题
（1）变压器是怎样实现变压的？
（2）变压器的主要用途是什么？为什么要高压输电？
（3）变压器铁芯的作用是什么？为什么要用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成？
（4）变压器一次绕组若接在直流电源上，二次会有稳定的直流电压吗，为什么？
（5）变压器有哪些主要部件，其功能是什么？
（6）变压器二次额定电压是怎样定义的？
（7）双绕组变压器一、二次侧的额定容量为什么按相等进行设计？
（8）有一台单相变压器，SN=50kVA，U1N/U2N=10500/230V，试求一、二次绕组的额定电流。
（9）有一台SN=5000kVA，U1N/U2N=10/6.3kV，Y，d连接的三相变压器，试求：①变压器的额定电压和额定电流；②变压器一、二次绕组的额定电压和额定电流。
综合实训
1.实训目标
熟悉单相变压器结构及装配方法。
2.实训要求
（1）单相变压器拆卸。
（2）单相变压器装配。
（3）单相变压器绕组重绕（选做）。
（4）单相变压器绕组直流电阻测量。
（5）单相变压器绕组间和绕组对铁芯绝缘电阻测量。