第6章 变压器 - 图文

第6章 变压器

知识导读

在工农业生产及社会生活的各个方面，存在着千差万别的用电设备，不同的用电设备常常需要接在各种不同等级电压的电源上。例如，家用电器一般接在电压为220V的电源上；三相异步电动机一般接在电压为380V的电源上；我国电力机车接在电压为25KV的接触网上。为了供电、输电、配电的需要，就必须使用一种电气设备把发电厂内交流发电机发出的交流电压变换成不同等级的电压。这种电气设备就是变压器。变压器是在法拉第电磁感应原理的基础上设计制造的一种静止的电气设备，它可以将输入的一种等级电压的交流电能变换成同频率的另一种等级电压的交流电能输出。

变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、变流和变阻抗的作用。变压器的种类很多, 应用十分广泛。比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电，到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用，以此减少传输过程中电能的损耗；在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压，再通过整流和滤波，得到电路所需要的直流电压；在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。变压器虽然大小悬殊, 用途各异，但其基本结构和工作原理却是相同的。 知识目标

? 了解变压器的基本结构，掌握各个基本结构的作用及原理。 ? 掌握变压器的工作原理。

? 掌握变压器空载运行、负载运行时的表达方式。 ? 掌握变压器的等效电路。 ? 掌握变压器的参数测定方法。 ? 了解常用变压器的结构和工作原理 技能目标

? 能够绕制小型变压器。 ? 能够判别三相变压器连接组别。

6.1变压器的基本结构

变压器是变配电站（所）的核心设备，分为干式和油浸式两种类型，每个类型又各分为单相和三相的两种。按照用途分为升降压变压器、整流变压器、隔离变压器、励磁变压器、

防雷变压器等，常被用作升、降压，安全隔离，匹配阻抗等等。目前以油浸式三相变压器为 常用。

变压器的基本结构部件是铁心和绕组，由它们组成变压器的器身。为了改善散热条件，大、中容量变压器的器身浸入盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组与外电路的连接经绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行，还设有储油柜、气体继电器和安全气道等附件，如图6-1所示。

图6-1 电力变压器外型

1-铭牌；2-信号式温度计；3-吸湿器；4-油标；5-储油柜；6-安全气道；7-气体继电器；8-高压套管；9-低压套管；10-分接开关；11-油箱； 12-放油阀门；13-器身；14-接地板；15-小车

6.1.1变压器的基本结构

变压器由铁心、绕组、油箱及附件等3大部分组成。下面以油浸式电力变压器为例来分别介绍。

1．铁心

铁芯是变压器中主要的磁路部分，也是器身的骨架，如图6-2所示。变压器的铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成。安装线圈的部分叫做铁芯柱，连接各铁芯柱使铁芯形成闭合磁路的部分叫做铁轭。为了提高铁芯导磁能力，使变压器容量增大，体积减小，效率提高，要求铁芯采用导磁性能良好的材料。传统铁芯通常由含硅量较高，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。冷轧硅钢片比热轧硅钢片的性能更好，磁导率高而且损耗小，但工艺性较差，导磁有方向且价格较贵，多用于大中型变压器中。目前变压器一般采用冷轧硅钢片，厚度有0.35 mm、0.3mm、0.27 mm多种，越薄质量越好。近年来，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料，如2605S2，非晶合金铁芯,变压器便应运而生。这种

变压器的铁损仅为硅钢变压器的1/5。

图6-2

铁芯结构的基本形式有心式和壳式两类。芯式是指线圈包围铁芯，这种形式结构简单，容易装配，省导线，适用于大容量，高电压变压器。所以变压器大多采用三相芯式铁芯。壳式是指铁芯包围线圈，这种形式的铁芯易散热，用线量大，工艺复杂，只适宜小型干式变压器使用。

2．绕组

绕组是变压器的电路部分，用来传输电能，一般分为高压绕组和低压绕组。接在较高电压上的绕组称为高压绕组；接在较低电压上的绕组称为低压绕组。从能量的变换传递来说，接在电源上，从电源吸收电能的绕组称为原边绕组（又称一次绕组或初级绕组）；与负载连接，给负载输送电能的绕组称副边绕组（又称二次绕组或次级绕组）。

绕组一般是用绝缘的铜线绕制而成。高压绕组的匝数多、导线横截面小；低压绕组的匝数少、导线横截面大。为了保证变压器能够安全可靠的运行以及有足够的使用寿命，对绕组的电气性能、耐热性能和机械强度都有一定的要求。

绕组是按照一定规律连接起来的若干个线圈的组合。根据高压绕组和低压绕组相互位置的不同，绕组结构型式可分为同心式和交叠式两种。

同心式绕组是将高压绕组和低压绕组同心地套装在铁心柱上，如图6-3（ａ）所示。为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面，两个绕组之间留有油道。油道一是作为绕组间的绝缘间隙；二是作为散热通道，使油从油道中流过冷却绕组。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别套装在两铁心柱上，这两部分可以串联或并联；在三相变压器中属于同一相的高、低压绕组全部套装在同一铁心柱上。同心式绕组的结构简单、制造方便，心式变压器一般都采用这种结构。

交叠式绕组是将高压绕组和低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱交替排列而构成，如图6-3（b）所示。为了便于绝缘和散热，高压绕组与低压绕组之间留有油道并且在最上层和最下层靠近铁轭处安放低压绕组。交叠式绕组的机械强度高，引线方便，壳式变压器一般采用

这种结构。

（a）心式铁心和同心式绕组 （b）壳式铁心和交迭式绕组

图6-3变压器的铁心与绕组型式 1-铁心；2-低压绕组；3-高压绕组。

3．箱体总成及附件

油浸式变压器的箱体总成由油箱（箱壳和箱盖）、高低压绝缘套管、储油柜、分接开关、呼吸器、防爆阀、气体及电器、和温度计等组成，箱壳外还带有散热管/片（大型变压器用专业冷却器）及装在底部的放油阀等配件。它们的作用在于保证变压器的安全可靠运行。油浸式变压器的器身（绕组和铁芯）完全浸泡在油箱中的变压器油中，变压器油起到散热、灭弧、绝缘的作用。

１)储油柜和油标

储油柜又叫油枕，它位于油箱上部，下部通过油管与油箱连通。储油柜的容积一般约为油箱容积的1/10。其作用是给油的热胀冷缩留有缓冲余地，保持油箱内始终充满油；同时，减小了油与空气的接触面积，可减缓油的氧化。储油柜上有油标（油位表）供观察油位之用。储油柜经呼吸器或注油器与外界相通，还有集污盒、取油样、放油阀等附件。储油柜有敞开式和密封式两种。由于敞开式储油柜的种种弊端，现已被逐渐淘汰。

密封式储油柜分为胶囊式、隔膜式和金属波纹式。 （1）胶囊式储油柜

如图6-4（a）所示，胶囊式油枕是在敞开式油枕的基础上，内部加装了用于隔离空气的加布橡胶囊，与外壳体形成密封结构，橡胶囊通过伸缩实现对绝缘油的体积补偿，胶囊内腔通过呼吸器与大气相通。此种结构的储油柜初步实现了绝缘油与空气的隔离，在一定程度上减少了绝缘油的吸湿和氧化，但经过多年的使用也暴露出以下问题：在变压器安装、运行和检修过程中，胶囊因其机械强度不够，易发生破裂而漏油，且破损后不易被发现；橡胶材料本事易老化，寿命短，需要定期更换，且更换安装工作需要变压器放油和注油，工作量较大。一般国产胶囊寿命为3～5年，进口胶囊寿命为8～10年；由于胶囊内部存在吸热表面，具有形成凝露的条件，因此潜在威胁很大，通过加装吸湿器并不能彻底解决问题；胶囊伸展

不良时易出现呼吸堵塞，造成事故；由于橡胶机械强度低，当变压器抽真空时要采用内外平衡压力的方法。

（a）胶囊式储油柜 （b）隔膜式储油柜

图6-4胶囊式储油柜和隔膜式储油柜

（2）隔膜式储油柜

如图6-4（b）所示，隔膜式油枕由两个半圆筒体组成，中间通过法兰夹装一个橡胶隔膜，隔膜浮在油面上，将空气隔离。同胶囊式一样，橡胶材料存在的问题在隔膜式油枕同样存在。隔膜式油枕的另一致命弱点是其本身密封结构问题。由于隔膜被压在上下壳体之间，密封尺寸过大，密封性能不可靠，当绝缘油超过中间位置时普遍存在渗漏；而油位较低时，又容易吸入空气和水分。另外，橡胶囊或隔膜式储油柜采用的连杆式磁针油位计，由于连杆较长，易产生变形，因此指示精度较低，常出现假油位。

（3）金属波纹式储油柜

金属波纹式储油柜是新一代全密封型储油柜，采用先进的不锈钢波纹补偿技术，在实现绝缘油体积补偿的同时，更能可靠地确保绝缘油与空气的隔离，并具有工作寿命长，无老化，抗破损和免维护等特点。金属波纹储油柜分内油式和外油式。内油式波纹储油柜是将波纹管作为装油的油囊，通过上下伸缩补偿油体积变化，如图6-5所示；外油式波纹储油柜采用柔性不锈钢波纹气囊作为补偿元件，在一个既定的油罐空间中通过波纹管伸缩容积补偿,如图6-6所示。外油式在外观上呈圆柱型卧式，使用方便，结构紧凑，弹性反力小，有利于变压器设备整体打压试验和全真空注油，并减小波纹伸缩刚性对压力释放阀及气体继电器的工作影响。

图6-5内油式金属波纹储油柜

若外加电压U1；不变，则磁通电也不变。变压器运行时铁心中的磁通基本上不变，这是分析变压器运行情况的一个基本概念。

根据正方向的规定和基尔霍夫定律可知，副边绕组输出的空载电压U20就等于副边绕组感应电势E2，即变压器空载时副边绕组电压方程为：

U20=E2 （6-7） 2．变压器的变压比

变压器的变压比用Ｋ表示，它定义为原边绕组电势E1与副边绕组电势E2之比，即： K=E1 (6-8） 2根据E1=4.44fN1?m，E2=4.44fN2?m，U1=-E1，U20=E2及变压器额定电压的定义可得：

Ｋ＝

E1E2???E??=

N1U1U1N (6-9） ??N2U20U2N上式表明，变压器的变压比等于原边、副边绕组的匝数之比，等于原边绕组电压与副边绕组空载电压之比，也等于原边绕组额定电压与副边绕组额定电压之比。在实际的变压器中，Ｋ=

U1N只是近似的。变压比Ｋ是变压器的一个重要参数。 U2N3．实际变压器空载时的电压方程

实际变压器空载运行时有铁磁损耗和磁路饱和的问题，则原边绕组感应电势E1；与励

?磁电流之间I0的关系应该用一个阻抗来表达，即：

E1=-I0Zm （6-10）

式中的Zm称为变压器的励磁阻抗，它是表示变压器铁心磁化性能和铁耗的一个综合参数，其表达式为

Zm＝Rm?jXm （6-11）

式中的Rm称为变压器的励磁电阻，它是表示铁磁损耗的一个等值参数。由于变压器铁心的磁化曲线是非线性的，磁导随铁心饱和程度的提高而降低，励磁电抗Xm将随饱和程度

???

的提高而减小。因而，严格地讲，励磁阻抗Zm不是一个常值。但是，一般情况下由于变压器的电源电压变化不大，可以近似认为励磁阻抗Zm是一个常值。

实际上的变压器空载运行时，空载电流I0激励的磁通分为两部分：一部分为主磁通，它同时与原边、副边绕组交链并产生感应电势E1和E2；另一部分通过原边绕组周围的空间形成闭路，只与原边绕组交链而不与副边绕组交链，称为原边绕组漏磁通，用?s1表示，它在原边绕组中产生的感应电势称为漏电抗电势，用E1?表示，相应的漏电抗用X1?表示，则：

E1?=-jI0X1? (6-12)

由于漏磁通经过空气闭路，磁路不会饱和，使得漏磁通保持与I0成正比，所以X1?是一个常数。由于漏磁通经过的路径磁阻很大，因此相应的漏电抗和漏电抗电势是很小的。

理想变压器空载运行时，原边绕组对于电源来说近似于一个纯电感负载，所以它的空载电流比电压滞后90，是无功电流，用来产生主磁通。而实际变压器空载运行时，空载电流除产生主磁通和漏磁通外，还具有有功分量，以供给绕组电阻和铁心中的损耗，这时的空载电流I0比电压滞后不到90而接近90。在一般的电力变压器中，铁心回路的磁阻很小，励磁阻抗很大，因而空载电流人是相当小的，只有额定电流的6%左右。

实际变压器的原边绕组有很小的电阻尼，空载电流流过它要产生电压降I0Ｒ1，它和感应电势E1、漏电抗电势E1?。一起为电源电压所平衡，故可得实际变压器空载时原边绕组的电压方程为：

????????????????U1 =—E1—E1?十I0R1

=一E1＋jI0X1?＋R1 =一E1＋I0（R1＋jX1?）

=一E1十I0Z1? （6-13）

式（6-13）中，Z1?=R1十jX1?。是变压器原边绕组的漏阻抗。由于R1、X1?。均根小，Z1?也是很小的，很小的空载电流在漏阻抗上产生的压降当然也是很小的。所以实

??????????

际变压器空载运行时可以认为：

U1?E1=4.44fN1?m （6-14） 上式再次表明，变压器运行时铁心中的磁通基本上不变。

6.2.3 变压器的负载运行

负载运行就是指变压器的原边绕组接在电源上，副边绕组接上负载后输出电流的状态。 1．原边绕组和副边绕组电流的关系 变压器负载运行示意图如图6-4所示。

图6-4 变压器的负载运行

变压器空载运行时，原边绕组流过空载电流I0，铁心磁路只有励磁磁势I0N1；，它产生的主磁通?m分别在原边、副边绕组中感应出电势E1和E2。当副边绕组接上负载后，在

????E2作用下，副边绕组流过负载电流I2，并产生相应的磁势I2Ｎ2也加在铁心磁路上，根

据愣次定律，该磁势将使铁心中的主磁通?m趋于改变，因而E1也将趋于改变，从而打破了原有的平衡，使原边绕组电流发生变化。设电流由I0变为I1，则变压器负载运行时原边绕组电压方程为：

U1=一E1＋I1Z1? （6-15）

由于I1Z1?在数值上比E1小很多，将I1Z1?忽略不计。当U1不变时，E1近似不变，与E1对应的磁通?m也近似不变，因而变压器空载时和负载时产生该磁通?m的磁势也应该不变，即空载时的励磁磁势与负载时的合成磁势应该相等，由此，可以得出变压器的磁势平衡方程为：

???????????????

I0N1=I1N1＋IN2 （6-16）

上式表明，变压器负载时原边绕组电流产生的磁势与副边绕组电流产生的磁势的合成值等于励磁电流产生的磁势。在上式中用N1除各项后可得：

I1= I0＋I'1 （6-17）

??????N1?I2表示原边绕组电流的负载分量。 式（6-16）中I'1=一N2?式（6-17）表明，原边绕组电流I1由两部分组成：其中 I0用来产生磁通?m，称它为励磁分量；I'1用以抵消副边绕组电流I2产生的去磁作用，称它为负载分量。当变压器的负载电流I2变化时，原边绕组电流I1会相应变化，以抵消副边绕组电流的影响，使铁心中的磁通基本上不变。正是磁通近似不变的这种效果，使得变压器可以通过磁的联系，把输入到原边绕组的电功率传递到副边绕组电路中去。这个概念是相当重要的。从功率平衡的角度来讲，也应该是这样；副边绕组输出了功率，原边绕组就应该相应地输入功率。

当变压器在额定负载下运行时，励磁电流入相对于额定电流来说是很小的，故将上式中的I0忽略后可得：

I1?????????N1?1?I2??I2 （6-18） N2K?上式表明，变压器的原边绕组电流I1与副边绕组电流I2在相位上几乎相差180，而有效值的大小是I2为I1的K倍。

2．变压器负载运行时原边绕组电压方程

变压器负载运行时，除原边绕组电流与空载时的不一样外，其他电磁关系仍与空载时相同，所以原边绕组的电压方程可将空载运行时电压方程中的I0改为I1而得到，即：

U1=一E1一E1?＋I1R1

=一E1+jI1X1?＋I1R1 =一E1+I1（jX1?+R1）

=一E1+I1Z1? （6-19）

?????????????????

3．变压器负载运行时副边绕组电压方程

与原边绕组有电阻Ｒ1及漏磁通?m；同样的道理，副边绕组也有电阻R2及漏磁通?s2，如图6-4所示，则负载电流I2流过时会产生相应的电阻压降I2 R2及漏抗电势E2?＝一j

????I2X2?。根据正方向的规定和基尔霍夫定律可知，副边绕组电路的电压方程为：

U2＝E2十E2???????－I2 R2

?? ＝E2一j I2X2?一I2 R2 ＝E2－I2（j X2?＋R2） ＝E2—I2Z2?

＝I2Zfz （6-20） 上式中Zfz表示副边绕组电路的负载阻抗；Z2?表示副边绕组的漏阻抗。 4．变压器的基本方程

综上分析，变压器负载运行时各量的关系可以用变压器的基本方程来表达，即： U1＝一E1 十 I1Z1? （6-21） U2＝E2—I2Z2? （6-22）

???????????E1?K （6-23） E2??I2??I0 （6-24） I1+KE1=-I0ZM （6-25） U2= I2Zfz （6-26）

根据变压器的基本方程，当知道了电源电压U1、变压器的变压比Ｋ、漏阻抗Z1?和Z2?、励磁阻抗ZM以及变压器所接的负载阻抗Zfz后，就可以求出电流等其他未知量。但是，用上述方程来直接求解还比较复杂。为了简化对变压器的分析，下面介绍变压器的等效电路。

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6.2.4 变压器的等效电路

要得到变压器的等效电路，需要先进行变压器的折算。通过折算使变压器的基本方程得到简化，便可以找到与简化后的基本方程相对应的变压器的等效电路。

１．变压器的折算

变压器的原边绕组和副边绕组之间没有电的联系，只有磁的联系。从变压器的磁势平衡方程可见，副边绕组的负载电流是通过它的磁势来影响原边绕组的电流的。变压器的折算就是指假设用一个和原边绕组具有相同匝数N1；的等效副边绕组，去代替具有匝数N2。折算后，等效副边绕组的电流、电势、电阻、漏抗和阻抗分别用I来表示，则折算前后的关系可用下列方法确定。

因折算前后副边绕组的磁势保持不变，即： Ｉ2N2＝Ｉ2N1 则

Ｉ2=

'''2、E

'2、R2、X

''2?、和Z

'2?I2 （6-27） K因折算前后副边绕组回路上的视在功率保持不变，即： Ｉ2E2=Ｉ2E

'''2'

Ｉ2U2=I2U2 则

E

'2'=KE2 （6-28）

U2=KU2 （6-29） 因折算前后副边绕组回路上的有功功率、无功功率保持不变，即： Ｉ2R2＝Ｉ2R2 Ｉ2Rfz=I'2R

222''2'fz

Ｉ2X2? = I'2 x Ｉ2Xfz= I'2 X

22'2?

2'fz

则

R2＝ ＫR2 （6-30） R'fz＝ＫRfz （6-31） X

'2?2'2=ＫX2? （6-32）

22 X'fz=ＫXfz （6-33）

应用式（6-28）～式（6-33），可以把实际副边绕组回路上的各个量折算为等效副边绕组回路上的量，也可以反过来，把等效副边绕组回路上的量折回到实际副边绕组回路上去。

变压器的折算只是分析变压器的一种方法，通过折算可以把原边绕组和副边绕组之间复杂的电磁关系转换为等效的电的关系，从而能简化变压器的基本方程，画出变压器的等效电路。

1．变压器的等效电路

经折算后，变压器的基本方程变为：

U1＝－E1＋I1Z1? （6-34） U2＝E2－I2Z?????'?'?''2? （6-35）

E1＝E2 （6-36） I1＋I2＝I0 （6-38） E1＝一I0Zm （6-39） U2＝I2Zfz （6-40）

根据以上经折算后的变压器的基本方程．可以找到与其对应的等效电路，如图6-5所示。

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图6-5 变压器等效电路

图中 R1-与变压器原边绕组的铜耗相对应的电阻；

X1?-与变压器原边绕组的漏磁通相对应的漏电抗；

R2-与变压器副边绕组的铜耗相对应的经折算后的电阻； X

抗；

Rm-与变压器的铁耗相对应的励磁电阻； Xm-与变压器的主磁通相对应的励磁电抗。

所谓等效电路，就是指这个电路能够等效地反应变压器的运行情况。例如，励磁支路中流过励磁电流I0，它用来产生主磁通，以便产生感应电势E1＝E2；E2I2表示原边绕组通过电磁感应传送给副边绕组的电磁功率，它是变压器进行能量转化的枢纽；R1和R2上消耗的功率表示原边绕组电阻和副边绕组电阻的铜损耗；U1 I1和U2I2分别表示变压器的输入功率和输出功率。

?''2?-与变压器副边绕组的漏磁通相对应的经折算后的漏电

???'?'?''??'?'6.4.5 变压器的参数测定

在利用变压器等效电路分析其性能时，要用到变压器的参数R1、X1?、R2、X

''2?。Rm和Xm，这些参数的大小直接影响到变压器的运行性能。变压器的参数，归根结底还是由它使用的材料、结构形状及几何尺寸决定的。设计变压器时，应考虑，既要满足运行性能的要求，又要合理使用材料、提高劳动生产率以降低成本。

要得到变压器的参数，可以有两种办法：一种是根据变压器所使用的材料、结构尺寸等，通过设计计算得到，这是电机设计课程的内容；另一种是，对已经制造出来的变压器，可以通过实验的方法来测定。下面就介绍测定变压器参数的方法：变压器的空载实验和短路实验。

1．空载实验

变压器的空载实验，就是指将变压器的副边绕组（高压绕组）处于开路状态，让原边绕组（低压绕组）电压达到额定值，测量此时的空载电流I。、变压比K、空载损耗P。和励磁阻抗Z。。其实验线路图如图7-8（ａ）所示。

图6-6 变压器的空载实验 （ａ）线路图；（b）等效电路。

空载实验时的等效电路如图6-6（b）所示，此时变压器原边绕组（低压绕组）电压、感应电势和主磁通都达到额定值，I2=0，I1＝I0。变压器的空载损耗P。由两部分组成：一是空载电流I。在原边绕组中产生的铜耗，二是因为磁通交变而在铁心中产生的铁耗。由于空载电流入很小，空载时的铜耗便可以略去，近似地认为P。就是铁耗。

在图7-8（b）中，Xm＞＞X1?，这是由于变压器中的主磁通远大于它的漏磁通；Rm＞＞R1，这是由于空载时的铁耗远大于钢耗。因此可以得到变压器的励磁阻抗Zm、励磁电阻Rm及励磁电抗Xm分别为：

?'??U1?Z0?Z1??Zm?Zm (6-41) I0p0?R0?R1?Rm?Rm (6-42) 2I022Zm?Rm (6-43)

X0?X1??Xm?Xm?通过空载实验，除了可以求出激磁参数外，还可求出变压器的变压比Ｋ，即： K=

U20 (6-44) U1理论上空载实验可以在低压绕组侧进行，也可以在高压绕组侧进行，但一般都在低压绕组侧的额定电压下进行，因为低压绕组侧的电压较低，比较安全。当然，这样测出来的参数都是低压绕组侧的值。要得到高压绕组侧的励磁阻抗，还必须进行折算，即高压绕组侧的励磁阻抗为KZm。Zm的大小与铁心的饱和程度有关，电压超过额定值越多，铁心越饱和，

2

Zm就越小。常用的为对应于额定电压时的Zm值。

空载损耗P。主要是铁耗，也就是由于铁心磁化所引起的磁滞损耗和涡流损耗。如果铁心质量不好，如：硅钢片不合格、片间绝缘有损伤、铁心螺杆或压板的绝缘损坏、铁心接缝过大、铁心叠片不整齐、铁心磁阻过大等，会引起空载损耗和空载电流过大。我们希望变压器的励磁阻抗大，空载损耗和空载电流小。

2．短路实验

变压器的短路实验，就是指将变压器的副边绕组（低压绕组）处于短路状态，让原边绕组（高压绕组）电流达到额定值，测量此时的短路电压UK、短路电流IK及功率PK。其实验线路图如图6-7(a)所示。

图6-7 变压器的短路实验 （ａ）线路图；（b）等效电路。

由于副边绕组未接任何阻抗而直接短路，整个变压器等效电路的阻抗很小，为避免原边和副边绕组因电流过大而烧坏，在进行短路试验时，外施电源电压必须经调压器后接到原边绕组。原边绕组上的电压要从零开始增大，使原边绕组电流达到额定值为止，此时原边绕组侧的短路电压UK=（5-10）％UN。

短路实验时测量到的功率PK由两部分组成，即：因磁通交变而产生的铁耗和短路电流在原边和副边绕组中产生的铜耗。由于UK很低，铁心中磁通很小，故铁耗可以略去。近似地认为短路实验时测量到的功率PK就是铜耗。

由于原边绕组侧的短路电压UK=（5-10）％UN，它比额定电压低很多，因此铁心中磁通很小，励磁电流可以略去，则短路实验时的等效电路便如图6-7所示。

根据测量数据，可以计算出：

器的电压变化率和效率。

变压偷极性是相对极性，用来表示原边、副边绕组中感应电势相位的关系。变压器的联接组表示变压器高压边、低压边绕组电势的相位关系。

自耦变压器原边、副边绕组之间除了磁的耦合外，还有电的联系，输出功率中有一部分功率是从电源传导过来的，这是和普通变压器的根本区别。电压互感器相当于一台降压变压器的空载运行。电流互感器相当于一台升压变压器的短路运行。

复习思考题

一、选择题

1、理想变压器原、副线圈匝数比为10∶1，以下说法中正确的是( ) A．穿过原、副线圈每一匝磁通量之比是10∶1 B．穿过原、副线圈每一匝磁通量的变化率相等 C．原、副线圈每一匝产生的电动势瞬时值之比为10∶1 D．正常工作时原、副线圈的输入、输出功率之比为1∶1

2、理想变压器正常工作时，若增加接在副线圈两端的负载，则( ) A．副线圈中电流增大 B．副线圈输出的电功率减小 C．原线圈中电流不变 D．原线圈输入的电功率增大

３、为理想变压器．原线圈的匝数为1000匝，两个副线圈n2＝50匝，n3＝100 匝，L1是“6 V 2 W”的小灯泡．L2是“12 V 4 W”的小灯泡，当n1接上交变电压时，L1、L2都正常发光，那么原线圈中的电流为( )

A.160 A B.130 A C.120 A D.110 A

4、一台理想变压器的副线圈有100 匝，输出电压为10 V，则铁芯中磁通量的变化率的最大值为( )

A．10 Wb/s B．14.1 Wb/s C．0.14 Wb/s D．28.2 Wb/s

5、一输入电压为220 V，输出电压为36 V的变压器副线圈烧坏．为获知此变压器原、副线圈匝数，某同学拆下烧坏的副线圈，用绝缘导线在铁芯上新绕了5匝线圈． 然后将原线圈接到220 V交流电源上，测得新绕线圈的端电压为1 V，按理想变压器分析，该变压器烧坏前的原、副线圈匝数分别为( ) A．1100,360 B．1100,180 C．2200,180 D．2200,360

6、理想变压器原、副线圈匝数之比为20∶1，原线圈接正弦式交流电源，副线圈接入“220 V,60 W”灯泡一只，且灯泡正常发光．则( ) A．电流表的示数为32220A B．电源输出功率为1200 W C．电流表的示数为3220 A D．原线圈两端电压为11 V 二，简答题．

1、变压器是根据什么原理制造的？变压器有哪些部件？各部件的作用是什

么？

2、变压器不用铁心行不行？为什么铁心要用电工钢片叠装而成？电工钢片的厚度对变压器的铁磁损耗有何影响？电工钢片表面为什么要涂绝缘漆？

3、为什么电力变压器的铁心与绕组通常浸在变压器油中？ 4、为什么对变压器要规定有额定值？变压器的额定值主要有哪些？ 5、已知某单相变压器的额定容量 SN=180KVA，额定电压U1N/U2N=6000/220V，求额定电流I1N和I2N各是多少？在该变压器的副边绕组端可否接入功率为180ｋｗ，功率因数为0.8的感性负载？

6、三相变压器其铭牌数据SN=150KVA，，U1N/U2N=66/10.5KV，原边为星形接法，副边为三角形接法，求其原、副边额定电流、线电流和相电流。

7、如果在一台变压器的副边绕组上接一个灯泡做为它的负载，当它的原边绕组与匹配的交流电源接通时，灯泡会亮吗？请画出它的原理示意图并说明变压器的工作原理。

8、变压器空载运行时，与额定电流比较，空载电流是大还是小？为什么？ 9、变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？

10、某变压器额定电压为220/110V，若将低压绕组接在220V的交流电源上，会产生什么后果？为什么？

11、自耦变压器有什么特点？自耦变压器与普通双绕组变压器相比有什么优缺点？

12、电流互感器和电压互感器在使用中应注意哪些事项？

参考答案：

一， 选择题：

１，ＢＤ ２, ＡＤ ３,Ｃ ４,Ｃ ５,Ｂ ６,Ｃ 二， 简答题：

１、变压器的基本原理是电磁感应原理

变压器的主要部件有：铁芯、绕组、油箱、油枕、呼吸器、防爆管、散热器、绝缘套管、分接开关、气体继电器、温度计、净油等 作用见教材

2、变压器铁芯不是采用一整块铁心，而是用薄硅钢片叠压而成的。这样做的目的是为了增大铁芯中的电阻，减小铁芯中的涡流，提高变压器的效率，采用一整块铁心，产生涡流,烧毁绕组，使变压器无法工作。

３、变压器油是一种矿物油，基本特征相近普通矿物机油，其粘度较低，流动性好，便于受热时冷热油流动，然后经外壳散热．变压器上方有油枕，其作用是自动调节油温高低变化，油体体积收缩膨胀对箱体的不利影响．变压器的上端还设有瓦斯继电器来检测燃爆气体．

４、铭牌上的额定值是变压器正常工作情况下允许的电压、电流、功率等标称值。变压器的额定容量是指变压器正常工作时的总功率，也就是通常说的视在功率，单位为伏安，它包括有功功率（单位为瓦特）和无功功率（单位为乏） ５、额定电压 额定变比 额定功率 额定电流 ６、Ｉ１=３Ａ,Ｉ２=9000/11Ａ ７、略

８、小； 因为变压器铁心（也就是变压器的磁路）是用很薄的（一般0.35mm或0.3mm)高导磁晶粒取向冷轧硅钢片制成的，它的磁滞损耗和涡流损耗（有功）以及建立磁场所需的激磁功率（无功）都很小，因此变压器的空载电流很小，一般占变压器额定电流的百分之几，可以计算。 另外说变压器空载电流很小是指在正常的情况下，如果铁心中的磁通密度很大的话，空载电流也很大，一旦饱和，更是相当大，可以倾刻间烧毁变压器。

９、首先，漏磁通是相对于主磁通而言的。即没有耦合到对应绕组的磁通。之所以存

在漏磁，是因为现实变压器，磁力线的闭合路径不可能完全同时封闭在两个对应绕组中，即两个绕组间耦合系数小于1。漏磁通 的大小与线圈间耦合紧密程度、线圈绕制工艺、磁路的几何形状、磁介质性能等因素有关。通常，设计变压器，希望漏磁越少越好，但是无法彻底消除。漏磁过大，带来的坏处可能是效率降低，温升变高，损坏元器件等。

10、会使变压器高压侧电压一倍如果高压侧接有220V负荷将全部烧毁，变压器次

级可能也要烧毁。因为变压器既可升压也可降压当降压变压器反接后就成升压变压器，就会按照本变压器的变压比和电压比升高。N1：N2=V1：V2． 11、特点是有两组以上输出，有公共端，公共端电压是两边电压之和。例如两个9

伏输出，中心抽头和两边任意一组是9伏，直接测两边跳过中心抽头是18伏。没有什么特别注意事项和其他变压器一样。只是这样可以节约铜丝，提高变压器工作效率。

自耦变压器运行上的主要优点：①电能损耗少，效率高； ②能制成单台大容量的变压器； ③在相同容量情况下，体积小，重量轻，运输方便，而且节省材料，成本低。 主要缺点：①阻抗百分数小，所以系统短路电流大； ②低压绕组更容易过电压，所以中性点必须直接接地； ③调压问题处理较困难。

12、电流互感器即CT，相当于一个升压变压器，一次侧只有一到二匝，二次侧则有

很多匝，所以当二次侧开路时会产生很高的高电压，不但对人身有害，甚至可能击穿绝缘。因此使用CT最重要的是绝对不可使二次侧开路！电压互感器即PT二次侧不能短路，因为短路将烧坏PT，所以二次侧要装设熔断器（俗称保险、熔丝管）。

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