变压器的基本原理

一、变压器的主要用途

变压器按用途一般分为电力变压器和特殊变压器两大类。

1、电力变压器的用途

电力变压器是指电力系统一次回路中输、配、供电用的变压器。

1）升高电压

由于发电机输出电压受发电机绝缘水平的限制，通常为6.3kV、10.5kV，最高不超过20kV。用这样低的电压进行远距离输电时，因为电流很大，消耗在输电线路电阻上的电能将很大。用升压变压器将发电机的端电压升高到几十万伏或几百万伏，以降低输送电流，减少输电线路上的能量损耗而又不增大导线截面，将电能远距离输送出去。

2）降低电压

输电线路将几十万伏或几百万伏高电压的电能输送到负荷区后，必须经过降压变压器将高电压降低到适合用电设备使用的低电压。在供电系统中，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电压，以满足各类负荷的需要。

3）连接输电线路

当多个电站联合起来组成一个电力系统时，除需要输电线路等设备外，还需要依靠变压器把各种电压不相等的线路连接起来，形成一个系统。

2、特殊变压器的用途

特殊变压器是指特殊电源、控制系统、电信装置中用的用途特殊、性能特殊、结构特殊的变压器。

1）工矿企业中使用的整流变压器、电炉变压器、中频变压器。

2）检测高电压、大电流使用的电压互感器和电流互感器。

3）做试验时使用的试验变压器和调压变压器。

4）自动控制系统及自动装置中使用的控制变压器、脉冲变压器、音频变压器等。

二、变压器的基本原理

变压器是根据电磁感应原理工作的。

1 、在闭合的铁芯上绕有两个互相绝缘的绕组，接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧叫二次绕组。

2 、当交流电源电压U1加到一次侧绕组后，就有交流电流I1流过该绕组，在铁芯中产生交变磁通Φ。这个交变磁通不仅穿过一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，两个绕组中分别产生感应电动势E1和E2，二次侧绕组与外电路的负载接通时，有电流I2流过负载，即二次侧绕组有电能输出。

3 、变压器一、二次侧感应电动势之比等于一、二次侧绕组匝数之比，由于变压器一、二次侧的漏电抗和电阻都比较小，可以忽略不计。变压器一、二次侧绕组匝数不同，导致一、二次侧绕组的电压高低不等，匝数多的一侧电压高，匝数少的一侧电压低，这就是变压器改变电压的基本原理。

4 、变压器一、二次电流之比与一、二次绕组的匝数成反比，即变压器匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大，也就是电压高的一侧电流小，电压低的一侧电流大，这是变压器的变流作用。

三、变压器型号的含义

型号是变压器基本情况的符号说明，由字母和数字组合而成，用以代表变压器的产品分类、结构特征、用途和各种数据等。

1、字母组合部分

1）第一个字母表示绕组耦合方式，一般不标，O表示自耦。

2）第二个字母表示相数，S为三相，D为单相。

3）第三个字母表示冷却方式，J为油浸自冷，可不标；G为干式空气自冷；C为干式浇注绝缘；Q为气体绝缘；F为油浸风冷；S为油浸水冷。

4）第四个字母表示循环方式，N为自然循环，可不标注；P为强迫循环；D为强油导向。

5）第五个字母表示绕组数，双绕组不标注；S为三绕组；F为分裂绕组。

6）第六个字母表示导线材料，L为铝线，铜线不标注。

7）第七个字母表示调压方式，Z为有载调压，无励磁调压不标注。

**2、特殊用途或特殊结构代号含义 **

Z表示低噪声用变压器；

H表示非晶态合金铁芯变压器；

R表示卷绕式铁芯变压器；

M表示密封变压器；

J表示中性点为全绝缘变压器；

X表示现场组装式变压器。

3、特殊使用环境代号含义

TA表示干热带地区使用；

TH表示湿热带地区使用；

T表示干湿带通用变压器；

GY表示高原地区使用。

四、变压器的主要参数

1、额定容量SN

变压器的额定容量是指分接开关位于主分接，铭牌所规定的额定工作状态（额定电压、额定频率、额定使用条件）下变压器的视在功率。单位为KVA。

单相变压器 SN=UN2*IN2

三相变压器 SN=√3UN2*IN2

2、额定电压UN1和UN2

一次额定电压UN1等于电网额定电压，二次额定电压UN2等于一次侧加上额定电压时，二次侧测得的空载电压值。

三相变压器的一、二次额定电压都是指的线电压。

额定电压比是指空载状态下，一次侧额定电压与二次侧额定电压之比。

3、额定电流IN1和IN2

变压器一、二次额定电流是指额定电压和额定环境温度下，一、二次绕组长期允许通过的线电流。

单相变压器 IN1=SN1/UN1

IN2=SN2/UN2

三相变压器 IN1=SN1/√3UN1

IN2=SN2/√3UN2

4、阻抗电压

阻抗电压也称短路电压。即把变压器二次绕组短路，在一次绕组上慢慢升高电压，当短路电流等于额定电流时一次侧所施加的电压。

阻抗电压相等是两台变压器并列运行的条件之一，短路电压值的大小是计算短路电流选择继电保护特性的依据。

5、空载电流I0

当变压器二次侧开路，一次侧施加额定电压时流过一次绕组的电流为空载电流。空载电流的大小取决于变压器的容量，磁路结构和硅钢片质量等。一般配电变压器的空载电流为一次额定电流的3%～8%。

6、空载损耗P0

指变压器二次开路，一次施加额定电压时变压器损耗的功率。它包括激磁损耗和涡流损耗。大小与变压器制造工艺和外加电压有关，与负载大小无关。

7、短路损耗Pk

指变压器二次侧短接，一次绕组通过额定电流时，变压器所消耗的功率。它能够反映变压器经济性能的优劣。

8、温升

国家规定变压器上层油面温升的极限值为55℃，为了不使变压器油迅速老化变质，规定变压器上层油面温度一般不得超过85℃。

9、连接组别

表明变压器两侧绕组连接方式及对应线电压相位关系的标志，称为变压器的连接组别。

1）连接组标号

连接组标号由字母和数字两部分组成。

（1）前面的字母自左向右依次表示一、二次绕组的连接方式，大写字母表示一次绕组的接线方式，小写字母表示二次绕组的接线方式。Y或y为星形接线，D或d为三角形接线。由于Y连接时还有带中性线和不带中性线两种，不带中性线则不用任何符号表示，带中性线则在字母Y后面加字母n表示。

（2）后面的数字表示组别数，可以是0～11之间的整数，它代表二次绕组线电压对一次绕组线电压相位移的大小，该数字乘以30°即为二次绕组线电压滞后于一次绕组线电压相位移的角度数。0表示一、二次绕组对应线电压是同相位。这种相位关系通常用“时钟表示法”加以说明，即用一次绕组线电压相量作为分针，固定指在时钟12点的位置，二次绕组的线电压相量作为时针，它所指示的时数即为变压器绕组的组别数。

2）标准连接组别

为了避免制造和使用上的混乱，国家标准规定：单相双绕组电力变压器连接组别只有ⅠⅠ0一种；三相双绕组电力变压器只有Y，yn0、Y，d11、YN，d11、YN，y0和Y，y0五种标准连接组别。高、低压绕组都为星形连接时，连接组号选0；高压绕组为星形连接，低压绕组为三角形连接时，连接组号选11。

五、变压器的主要部件

1、铁芯

铁芯是电力变压器最基本的组成部分之一，是“磁”的通路，并且起绕组骨架的作用，变压器一二次绕组都绕在铁芯上，铁芯上套着绕组的部分称为铁柱，不套绕组而用作连接芯、柱，以构成闭合磁路的部分称为铁轭。由于变压器铁芯内的磁路是交变的，故会产生磁滞损耗和涡流损耗。为减少这些损耗，变压器铁芯常用厚度为0.3～0.5mm的硅钢片，在表面涂0.01~0.13mm厚的绝缘漆，烘干后按一定规则叠装而成。

2、高低压绕组

绕组是变压器最基本组成部分之一，与铁芯合成电力变压器本体，是建立磁场和传输电能的电路部分，是变压器“电”的通路。

按高低压绕组相互排列位置不同，可分为同心式和交叠式两种。

1）同心式绕组

把一二次绕组分别绕成直径不同的圆筒形线圈，装在铁芯柱上，高低压绕组之间用绝缘材料相互隔开，为方便高压绕组抽引接头，一般将低压绕组放在里面，高压绕组套在外面。但输出电流很大的大容量电力变压器，低压绕组引出线的工艺复杂，往往把低压绕组放在高压绕组外面。

2）交叠式绕组

又称交错式绕组，在同一铁芯柱上高压绕组、低压绕组交替排列，间隙较多，绝缘复杂，包扎工作量大。其优点是机械性能较好，引出线的布置和焊接比较方便，漏电抗较小。常用于低电压、大电流的变压器（如电炉变压器、电焊变压器等）。

3、分接开关

分接开关又称调压开关，是变压器高压绕组改变抽头位置的装置，调节分接开关位置，可以增加或减少一次绕组部分匝数，以改变电压比，使输出电压得到调整，分接开关又分为有载调压和无载调压两种。

1）无载调压

又称无励磁调压，是变压器一二次绕组均与网络断开的情况下，变换一二次绕组匝数的方法进行分级调压。小容量变压器分接开关一般有三个位置，II位置相当于额定电压，系统电压过高时，将分接开关调到I位置，系统电压过低时，将分接开关调到III位置。即“高往高调，低往低调”。

2）有载调压

是变压器带负载运行中，在负载电流下，变换一次或二次绕组的分接，改变其匝数，进行分级调压。有载调压分接开关，在变换分接头过程中，可采用电抗和电阻过渡，以限制其过渡时的循环电流。

4、气体继电器

又称瓦斯继电器，作为变压器内部故障的一种保护装置，安装在油箱和油枕的连接管中间。气体继电器与控制电路联通，构成瓦斯保护装置。气体继电器上接点与轻瓦斯信号构成一个单独回路，下接点连接外电路构成重瓦斯保护。重瓦斯动作使断路器掉闸并发出重瓦斯动作信号。

规程规定凡容量为800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的厂用变压器均应装气体继电器。

5、防爆管

是当变压器内部发生故障时，防止变压器变形而装设的一种保护装置，故又称安全气道，装于变压器的大盖上，有一个喇叭形管子与大气相通，管口用薄膜玻璃板或酚醛纸板封住。

6、油枕

是变压器运行中补油及储油的装置，装在油箱的斜上方，有油管和油箱相通。当变压器油的体积随油温变化而热胀冷缩时，油箱内始终可以充满绝缘油，以减少油与空气的接触面，防止油被过快氧化和受潮。通常油枕的容积为变压器油箱容积的1/10，在油枕一侧装有油位指示器（油标管），用来监视油位变化，油枕的上方装有注油孔和出气瓣。

7、呼吸器

又叫吸潮器，为防止空气中的水分进入油枕，油枕通过一个呼吸器与大气相通。呼吸器内装有硅胶，硅胶内部干燥剂吸收空气中的水分和杂质，以保持变压器内绝缘油的良好绝缘性能。呼吸器内的硅胶一般采用变色硅胶，在干燥的情况下呈浅蓝色，当吸潮达到饱状态时渐渐变为淡红色，这时可将硅胶取出，在120～160℃的高温下，烘干变成蓝色便可继续使用。

8、冷却装置

油浸式电力变压器的冷却装置，包括散热器和冷却器，不带强油循环的称为散热器，带强油循环的称为冷却器。

散热器由装在变压器油箱四周的散热管或散热片组成，变压器运行时，上下层油温的温差通过散热器促成油循环，使变压器芯子周围的高温油，通过散热器冷却后再回到油箱内，起到了降低变压器运行温度的作用。

9、温度计

是监视变压器运行温度的表计，一般都把测温点放在油的上层。常用的温度计有水银式、气压式和电阻式。

1000KVA以下的油浸式变压器，只装水银温度计；1000KVA及以上的油浸变压器须安装带报警信号的温度计，强迫油循环冷却的变压器须安装两个；8000KVA及以上的油浸式变压器需装设远距离测温用的测温元件，即电阻温度计，强迫油循环冷却的变压器须安装两个。

10、高低压绝缘套管

是变压器箱外的主要绝缘装置，大部分变压器采用瓷质绝缘套管。干式变压器的绝缘套管采用树脂浇注成型。变压器通过高低压绝缘套管，把变压器高低压绕组的引线从油箱内引至箱外，高低压绝缘套管是变压器绕组对地（外壳和铁芯）的绝缘，并且还是固定引线和外接线路的主要部件。

六、变压器的并列运行

将两台或多台变压器的一次绕组并列到同一电网母线上，二次绕组也都并接到公共的二次母线上，这种运行方式叫变压器的并列运行。

1、变压器并列运行的意义

1）提高供电可靠性

并列运行中的某一台变压器发生故障时，可从电网切除并进行检修。负载由有其余变压器分担，不用中断供电，也不影响其余变压器正常供电，必要时仅对某些用户限电。采用并列运行，可有计划的安排轮流检修，减少了故障和检修时的停电范围。

2）提高经济运行性

当负荷增加到一台变压器的容量不够用时，可并列投入第二台变压器；当负荷减少到不需要两台变压器同时供电时，可退出一台变压器运行。根据负载大小，随时调整投入并列运行的变压器台数，保证变压器有较高的负载系数，从而可减少空载损耗，提高效率，改善电网的功率因数。

3）减少一次性投资

变压器并列运行可以减少总备用容量，并能随用电负载的增加而分批安装新变压器，即分期投资。

2、变压器并列运行的条件

理想的变压器并列运行情况是：没带负载时，变压器与单独空载运行时一样只有空载电流，各变压器之间没有环流存在；当加上负载后，各变压器能够按容量的大小成比例地分配负载。

1）变压器绕组的连接组别相同

如果连接组别不同的变压器并列后，即便电压的有效值相等，在两台变压器同相的二次侧也会出现很大的电压差，由于变压器二次阻抗很小，将会产生很大的环流而烧毁变压器，因此，不同连接组别的变压器绝对不允许并联。

2）变压器的变压比相等，允许差值不得超过±0.5%

如果并列运行的变压器变压比不等，其二次侧电压将不相等，当相差大于允许值时，将会在绕组内产生较大的循环电流，降低变压器的输出容量，严重时还会烧毁变压器。

3）变压器的短路电压百分比相等，允许差值不得超过10%

不同容量的变压器短路电压各不相同，变压器并列运行时，负载电流分配与短路电压的数值大小成反比，如果并列运行的变压器短路电压百分比不相等，则不能按变压器容量成比例地分配负载，将会造成短路电压百分比小的过负载，短路电压百分比大的不能满负载，为了避免这种现象，并列运行变压器的短路电压允许差值不得超过10%。

4）变压器的容量比不能超过3/1

如果并列运行的变压器容量相差过多，阻抗电压就相差较大，容易使负载分配不合理，造成一台变压器过负载，另一台变压器不能满负载，并列运行不经济。

3、变压器并列运行操作规范

变压器并列运行除应满足并列运行条件外，还应注意如下安全操作规范：

1）新投入和检修后的变压器并列运行前应进行核相，并在空载状态时试验并列运行无问题后，方可正式带负载并列运行；

2）变压器的并列运行，必须考虑其经济性，不经济的变压器不允许并列运行，并注意不宜频繁操作；

3）进行变压器并列运行或解列操作时，不允许使用隔离开关和跌开式熔断器，要保证操作正确，不允许通过变压器倒送电；

4）需要并列运行的变压器，在并列运行前应根据实际情况，预计变压器负载电流的分配，在并列后立即检查两台变压器的运行电流分配是否合理；需要解列变压器或停用一台变压器时，应根据实际负载情况，预计是否有可能造成一台变压器过负载，如果有可能，则不允许进行解列操作。

七、变压器的常见故障

1、短路故障

1）出口短路故障

变压器正常运行中由于受出口短路故障的影响，主要包括以下两个方面：

（1）短路电流引起的绝缘过热故障；

（2）短路电动力引起绕组变形故障。

2）相间短路故障

内部绕组或引线的相间短路造成的故障。

3）对地短路故障

内部绕组或引线的对地短路造成的故障。

4）匝间短路故障

绕组内部的匝间短路造成的故障。

2、放电故障

1）局部放电故障

在电压的作用下，绝缘结构内部的气隙、油膜或导体的边缘发生非贯穿性的放电现象，称为局部放电。局部放电开始能量虽低，但却是变压器诸多有机材料故障和事故的根源。

2）火花放电故障

分悬浮电位引起火花放电和油中杂质引起火花放电两种。火花放电一般不致于很快引起绝缘击穿，主要反映在油色谱分析异常，局部放电量增加或轻瓦斯动作，比较容易发现和处理，但对其起发展程度应引起足够的注意。

3）电弧放电故障

电弧放电是高能量放电，常会引起绕组层间绝缘击穿，也可能引起引线断裂、对地闪络或分接开关飞弧等故障。电弧放电故障放电能量密度大，产气急剧，常以电子雪崩式冲击电介质，使绝缘纸穿孔、烧焦或碳化。使金属材料变形或熔化烧毁，严重时会造成设备烧损，甚至发生爆炸事故。

3、绝缘故障

变压器的寿命是由绝缘材料的寿命决定的。油浸式变压器的主要绝缘材料是绝缘油及绝缘纸、纸板和木块等，变压器的绝缘老化是这些材料受环境因素的影响而发生分解，降低或丧失的绝缘强度。影响变压器绝缘性能的主要因素有温度、湿度、油保护方式、过电压、短路、电动力等。

4、铁芯故障

电力变压器正常运行时，铁芯必须有一点可靠接地。若没有接地，则铁芯对地的悬浮电压会造成铁芯对地断续性击穿放电，接地则消除了铁芯的悬浮电位。但当铁芯出现两点以上接地时，铁芯间的不均匀电位就会在接地点之间形成环流，造成铁芯多点接地发热故障。变压器的铁芯接地故障，会造成铁芯局部过热，严重时轻瓦斯动作，甚至会造成重瓦斯动作而跳闸的事故。

5、分接开关故障

1）无励磁调压开关故障

表现在接触不良、触头锈蚀、电阻增大、发热等，事故多发生在变压器短路状态，由于过电流使触头接触间产生电弧而损坏。

2）有载调压开关

有载调压开关电气故障有绝缘损坏、接触不良、熔化烧损、断线等；机械故障有磨损、卡住、失去弹性、折断、操作机构不灵等。

6、渗漏油气故障

变压器的渗漏一般包括空气渗漏和油渗漏。渗漏的后果是空气中的水分和氧气会慢慢地通过渗漏部位渗透到油箱内。变压器内部和外部的密封件破坏，既有渗漏油，又有空气的侵入。这种长期累积的作用会损坏变压器的绝缘。

7、油流带电故障

强迫油循环冷却方式的大型变压器油流带电现象，使绕组带有静电感应电压，它会影响到油色谱分析、局部放电测量和油的介质损耗测量。

八、变压器的巡视检查

1、日常巡视检查

1）检查电流、电压是否正常；

2）检查温度、声音是否正常：

3）检查器身是否渗油、漏油；

4）检查引出线接点是否过热；

5）检查导电排相色是否正常；

6）检查防爆管隔膜是否完整；

7）检查呼吸器硅胶是否受潮变色；

8）检查变压器外壳是否接地良好；

9）检查变压器冷却系统是否正常；

10）检查油标管油位、油色是否正常，油枕有无渗油、漏油；

11）检查瓷套管、电排支撑绝缘子是否清洁、有无裂纹和放电痕迹；

12）检查各种阀门是否正常；瓦斯继电器阀门和散热器阀门是否打开；是否渗油、漏油；

13）检查室外变压器基础是否完好；变压器室的门窗是否完好；照明是否完好；消防器材是否完好。

2、特殊巡视检查

1）变压器负荷侧发生接地、短路或变压器本身故障，跳闸后检查变压器有无位移、变形、炸裂、喷油、焦臭味；变压器内部有无异常声音。

2）大风时检查引线接头，设备周围不应有易导电的轻质物品。

3）雾天、雨天检查套管。

4）气温过高或过低，检查油位、引线。

5）过负荷时检查变压器引线、接线线夹、油位及冷却装置。

6）设备新投运或大修后投运24小时内，检查并记录环境温度及变压器本体和绕组温度，检查气体继电器集气情况。

7）雪天检查冰柱及接头积雪。