变压器的结构和工作原理

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1、变压器的结构变压器是一种静止的电气设备，它利用电磁感应原理，把一种电压等级的交流电能转换 成另一种电压等级的交流电能。变压器是电力系统中实现电能的经济传输、灵活分配和合理 使用的重要设备，在国民经济和其他部门也获得了广泛应用。一般常用变压器的分类可归纳如下：按相数分：(1) 单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。(2) 三相变压器：用于三相系统的升、降电压。按冷却方式分：(1) 干式变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压 器。(2) 油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循 环等。按用途分：(1) 电力变压器：用于输配电系统的升、

2、降电压。(2) 仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。(3) 试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。(4) 特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。按绕组形式分：(1)双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。 (2)三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。(3) 自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。 按铁芯形式分：(1)芯式变压器：用于高压的电力变压器。 (2)非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约 80%， 是目前节能效果较理想的配电变 压器，特别

3、适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的 地方。(3) 壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子 仪器及电视、收音机等的电源变压器。在电力系统中，用到最多的是油浸式变压器，其最基本的结构式铁芯、绕组、绝缘材料、 邮箱等组成，为了使变压器安全可靠地运行，还需要冷却装置、保护装置。一、铁芯 铁芯是组成变压器基本的组成部件之一，是变压器导磁的主磁路，又是器身的主骨 架，它由铁柱、铁轭和夹紧装置组成。常用的变压器铁芯一般都是用硅钢片制做的。硅 钢是一种合硅(硅也称矽)的钢，其含硅量在0. 84. 8%。由硅钢做变压器的铁芯， 是因为硅钢本身是一种导磁能力很强的磁性物质，

4、在通电线圈中，它可以产生较大的磁 感应强度，从而可以使变压器的体积缩小。变压器工作时，线圈中有交变电流，它产生 的磁通当然是交变的。这个变化的磁通在铁芯中产生感应电流。 铁芯中产生的感应电流， 在垂直于磁通方向的平面内环流着，所以叫涡流。涡流损耗同样使铁芯发热。为了减小 涡流损耗，变压器的铁芯用彼此绝缘的硅钢片叠成，使涡流在狭长形的回路中，通过较 小的截面，以增大涡流通路上的电阻；同时，硅钢中的硅使材料的电阻率增大，也起到 减小涡流的作用。用做变压器的铁芯，一般选用 0. 35mm 厚的冷轧硅钢片，按所需铁 芯的尺寸，将它裁成长形片，然后交叠成 “日”字形或“口”字形。从道理上讲，若为减小 涡

5、流，硅钢片厚度越薄，拼接的片条越狭窄，效果越好。这不但减小了涡流损耗，降低 了温升，还能节省硅钢片的用料。但实际上制作硅钢片铁芯时。并不单从上述的一面有 利因素出发，因为那样制作铁芯，要大大增加工时，还减小了铁芯的有效截面。所以， 用硅钢片制作变压器铁芯时，要从具体情况出发，权衡利弊，选择最佳尺寸。二、绕组绕组是变压器最关键的部件，是变压器进行电能交换的中枢，它应具有足够的绝缘 强度、机械强度、耐热能力和良好的散热条件。变压器的绕组大多用包有绝缘的铜导线绕制而成，在中小型变压器中也有用铝线代替 铜线的；电压高的绕组为高压绕组，电正低的绕组为低压绕组、绕组套在铁心柱上的位 置低压绕组在里高压绕组

6、在外，这样绝缘距离小，绕组与铁心的尺寸都可以小些。绕组 也有很多种结构形式这里也不做介绍了。其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝 数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。图 2 三铁芯柱式变压器的铁芯与绕组1 铁轭 2 贴心住 3 高压绕组 4 低压绕组三、绝缘结构变压器的绝缘包括外部绝缘和内部绝缘， 外部绝缘指的是变压器的同相或异相套管 之间以及套管对地部分之间的绝缘，内部绝缘指的是邮箱内的绝缘，主要是绕组绝缘， 引线和分接开关的绝缘。中性点的绝缘结构有两种：一种是全绝缘结构，其特点是中性点 的绝缘水平与三相端部出线电压等级的绝缘水平相同，此种绝缘结构主要用

7、于绝缘要求较高 的小接地电流接地系统，目前我国40kv及以下电压等级电网均属小电流接地系统，所用的 变压器都有是全绝缘结构。另一种是分级绝缘结构，其特点是中性点的绝缘水平低于三相端 部出线电压等级的绝缘水平。分级绝缘的变压器主要用于是llOkv及上电压等级电网的大电 流接地系统。采用分级绝缘的变压器可以使内绝缘尺寸减小，从而使整个变压器的尺寸缩小， 这样可降低造价。四、分接开关 电力变压器的分接开关是用来调节变压器输出电压的。由于电力系统电网中 各处的电压不是完全相同的，为了使得变压器无论安装在电网什么位置都能输出 额定电压，就在变压器的高压绕组设置了多次抽头，并将抽头接到分接开关上， 通过开

8、关于电网相连。这样，可以通过分接开关与不同的变压器绕组抽头连接来 改变变压器高低压绕组的匝数比，从而达到调节变压器输出电压的目的。分接头有无载调节和有载调节两种，前者只能在变压器于电网脱开后调节分接开关位 置，而后者可以在变压器运行工况中调节分接头位置。一般配电变压器，如果没 有特殊的要求，都采用无载调压分接头开关，调节档次为5%额定电压，容量稍 微大一些是可以是士 2X2.5%。而采用有载调压分接头的，可以有士 5X1.25%、 7X1.0%等等许多组合。图乱？油浸式电力变压器1铭牌诏信号式温度计泊吸跟器油表*5储油柜;充满变压器油的低压套管分接开关;在油箱的顶部、底部和侧壁。1 、 油箱变

9、压器的邮箱有两种基本形式：平顶油箱和拱顶油箱2、 名牌每台变压器都有一个名牌，该名牌标出变压器的各种参数。如下图所示六、冷却装置 变压器运行时，线圈和铁芯中的损耗所转化的热量必须设法散掉，以免 过热损坏变压器。油浸式电力变压器的热量是通过油传递给油箱及冷却装 置。再由周围空气或冷却水进行冷却的。变压器油循环冷却装置，涉及变压 器技术领域，克服了现有技术中油浸式变压器油面与底层温差较大，难以形 成对流的不足。技术方案包括变压器箱体及循环管；其特征是：在变压器一 侧散热片上部的箱体外侧处和变压器另一侧散热片下部的箱体外侧处各设 置一个通孔；循环管为中空管，其一端焊接在箱体上部的通孔处，另一端沿 散

10、热片外侧向下延伸至散热片下方，再沿散热片下方绕箱体折转半周，至箱 体另一侧散热片的下方通孔处，并与该通孔焊接，使箱体的上通孔经循环管 与下通孔连通。有益效果是：外部散热可直接降低油面温升，把变压器运行 温度控制在温升允许的限值内，降低变压器的运行温度，延缓变压器内绝缘 材料的老化，防止运行事故的发生。七、保护装置 为了保证变压器的安全运行，变压器本体设置了许多保护，主要有如下几部分。1、 储油柜和呼吸器 储油柜俗称油枕，为一圆筒行容器，横放于油箱上方，用管道与变压器 的油箱连接。当变压器油热胀时，油由油箱流向储油柜；当变压器油冷缩时， 油由储油柜流向油箱。储油柜油面上部的空气由一通气管道与外部

11、大气相 通。通气管道中放置干燥剂，以减少空气中的水分进入储油柜中。储油柜的 底部设有沉积器，以沉聚侵入储油柜的水分和污物，定期加以排除。在储油 柜的一端还装有油位表以观测油面的高低，当由于渗漏等原因造成油量不足 时，应及时注油加以补充。变压器呼吸器是变压器的一个重要保护部件，呼吸器是变压器的一个微 不足道的小元件，但它在变压器的运行中起到了不小的作用，变压器呼吸器 象人的鼻子起到变压器呼吸的作用，但起到的作用远不止这一点，它主要起 到过滤和净化空气的作用。当变压器受热膨胀时，呼出变压器内部多余的空 气；当变压器油温降低收缩时，吸入外部空气。当吸入外部空气时，储油盒里的变压器油过滤外部空气，然后

12、硅胶将没有过滤去的水份吸收，便变压器 内的变压器油不受外部空气中水份的侵入，使其水份含量始终在标准以内。 2、安全气道 安全气道安装在电力变压器的油箱盖上，是油箱内部发生故障时产生过 高压力的释放装置，所以又称为防爆管。3、气体继电器气体继电器是油浸式变压器上的重要安全保护装置，它安装在变压器箱盖与储油柜的 联管上，在变压器内部故障产生的气体或油流作用下接通信号或跳闸回路，使有关装置发出 警报信号或使变压器从电网中切除，达到保护变压器的作用。气体继电器又称瓦斯继电器，是利用变压器内故障时产生的热油流和热气流推动继电 器动作的元件，是变压器的保护元件；瓦斯继电器装在变压器的油枕和油箱之间的管道内

13、； 如果充油的变压器内部发生放电故障，放电电弧使变压器油发生分解，产生甲烷、乙炔、氢 气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷等多种特征气体，故障越严重，气体的量越大，这些 气体产生后从变压器内部上升到上部的油枕的过程中， 流经瓦斯继电器；若气体量较少， 则气体在瓦斯继电器内聚积，使浮子下降，使继电器的常开接点闭合，作用于轻瓦斯保 护发出警告信号；若气体量很大，油气通过瓦斯继电器快速冲出，推动瓦斯继电器内挡 扳动作，使另一组常开接点闭合，重瓦斯则直接启动继电保护跳闸，断开断路器，切除 故障变压器。4、净油器图3气体继电器* - I:/.DM净油器又叫热滤油器，是一种变压器油连续再生装置。变压器的净油

14、器可使油中有 害物质如水分、游离碳、氧化物等随着油的循环被净油器中的硅胶吸收，使油净化保持 良好的电气及化学性能，延长使用寿命 ,减少更换频率 ,降低使用成本。5、温度计温度计用来测量油箱内的上层温度，这是油的最高温度，其种类有水银温度计、信 号式温度计和电阻温度计。6、油表油表是用来监视变压器邮箱内的油位或充油套管里的油位变化的装置，变压器常用 的油表有板式，管式和磁铁式三种。箱外部低压引八、套管部的绝缘套管，不但作为引线对地变压器套管是变压器载流元件之一，在变压器运行中,变压器套管是将变压器 绝缘，而且担负着固定引线的作用 长期通过负载电流，当变压器外部发生短路时通过短路电流。因此，对变压

15、器套管有一下要 求：(1) 必须具有规定的电气强度和足够的机械强度。(2) 必须具有良好的热稳定性，并能承受短路时的瞬间过热(3) 外形小、质量小、密封性能好、通用性强和便于维修。 结构：接线板、瓷件、导电杆和筹铝合金法兰组成。主绝缘主要由瓷套和油隙构成，属于不击穿、免维护部件。变压器的工作原理变压器是输送交流电时所使用的一种变电压和变电流的设备。它逋过磁路的耦合作 用把交流电从原边输送到副边利用绕制庄同一铁心上的原绕组和副绕组匝数的不同，把 原绕组的电压相电流从某种数量等级改变为副绕组的另外一种等级。当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流II并产生交变磁 通ei,它沿着

16、铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电 势U2,同时e 1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向 相反而幅度相近，从而限制了 I1的大小。为了保持磁通e 1的存在就需要有一定的电能消 耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流， 这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2,并因此而产生磁通e2, e2的方向与e 1 相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少， 其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I

17、1增加， e1也增加，并且e1增加部分正好补充了被e2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁 通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就 是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压， 但是不能改变允许负载消耗的功率。理想变压器的两个基本公式是：（1）U1/U2=N1/N2 ，即对同一变压器的任意两个线圈，都有电压和匝数成正比。（2） P入=卩出，即无论有几个副线圈在工作，变压器的输入功率总等于所有输出功率 之和。虽然变压器从原理上讲是这样的制作变压器的原理： 在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈， 均能

18、在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变 动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。 简单讲变压器原理：不妨拆开一个废旧的收音机中的变压器。可以看到，变压器里面主要是一块钢铁周围绕 着两组铜线。这块钢铁称为铁芯，它是用软磁材料做的。铜线称为线圈，其中一组用来连接 输入电流，称为初级线圈（N1）,另一个连接后面的用电器，称为次级线圈（N2）。 如果N1通过一个交流电，那么它就会产生一个变换的磁场H,这样，铁芯处于磁场中会被 磁化，产生变换的磁矩M。磁矩和磁场的和称为磁通B。可以想象初级线圈通过交流电后 会在铁芯中产生来回变化的磁力线。另一方面，次级线圈N2也是套在铁芯上的。根据电磁感应原理我们又知道，N2中间 的面积中磁力线的变化一定会在N2中感生一个感应电压。如果N2后面接着用电器，那么 N2 中就会流过电流。这样，通过铁芯内部的变化的磁力线，电就从初级线圈传到了次级线 圈。变压器初级和次级线圈的电压和电流大小有固定的关系：电压和线圈的匝数成正比，而 电流和匝数的成反比。这样，通过变压器，就实现了电压和电流的变换。变压器原理虽然简单，但是变压器的形式却多种多样，大变压器可重达数十吨，而小变 压器比钮扣还小。