任务1.3 特殊变压器认知及应用

知识与能力目标

1)熟悉自耦变压器的结构与工作原理。

2)熟悉电压互感器的结构与工作原理。

3)熟悉电流互感器的结构与工作原理。

由于工业的不断发展，相应地出现了适用于各种行业的特殊变压器。下面将讨论常见的自耦变压器和仪用变压器。

1.3.1 自耦变压器认知及应用

1.自耦变压器

自耦变压器是将一、二次绕组合成一个绕组，其中一次绕组的一部分兼做二次绕组，它的一、二次绕组之间不仅有磁的耦合，而且还有电的直接联系，如图1-31所示。其中N₁为自耦变压器一次绕组的匝数，N₂为自耦变压器二次绕组的匝数。

图1-31 自耦变压器

自耦变压器也是利用电磁感应原理工作的。当一次绕组两端加电压U₁时，铁心中产生交变磁通，并分别在一次绕组及二次绕组中产生感应电动势E₁及E₂，有如下关系

变比：

当负载时，假定一次绕组电流为 ，负载电流为 ，则二次绕组的电流 。有磁势平衡关系

由于I₀很小，忽略不计，则

将 代入式，得

即

上式说明自耦变压器一、二次绕组中的电流大小与匝数成反比，且在相位上互差180°。因此流经公共绕组中的电流I的大小为一、二次绕组的电流之差，即I＝I₂-I₁。当变比K接近于1时，公共部分的电流很小，因此这部分可以用较细的导线绕成，减小变压器的体积和重量。

自耦变压器输出的视在功率为 S₂＝U₂I₂ (1-35)

由于I＝I₂-I₁，因此有 S₂＝U₂(I＋I₁)＝U₂I＋U₂I₁ (1-36)

从这个式子可以看出，自耦变压器的输出功率由两部分组成，其中U₂I部分是依据电磁感应原理从一次绕组传递到二次绕组的视在功率，称为电磁功率；而U₂I₁则是通过电路联系从一次绕组直接传递到二次绕组的视在功率，称为传导功率。传递这部分功率不需增加绕组容量，这就是自耦变压器绕组容量小于其额定容量的原因。

自耦变压器的特点：自耦变压器具有结构简单、节省用铜量(单位容量消耗的材料少，变压器体积小)和效率比一般变压器高(特别是K接近1时，其优点越突出)等优点，因此电力系统中使用的自耦变压器，变比一般在1.2～2.0的范围内。其缺点是一次侧、二次侧电路中有电的联系，可能发生把高电压引入低压绕组的危险事故，很不安全，因此，要求自耦变压器在使用时注意以下问题：

1)自耦变压器在使用时必须正确接线，且外壳必须接地，并且不能作为安全的隔离变压器使用，也不允许作为照明变压器使用。

2)自耦变压器的低压侧应有过电压的保护装置。

3)自耦变压器接通电源前应将手柄置零。

2.自耦调压器

低压小容量的自耦变压器，其二次绕组的接头C常作成沿线圈自由滑动的触头，它可以平滑地调节自耦变压器的二次绕组电压，这种自耦变压器称为自耦调压器，如图1-32所示。

图1-32 自耦调压器

a)自耦调压器外形图 b)电路原理图

1.3.2 电压互感器认知及应用

仪用互感器包括电流互感器和电压互感器两种。互感器属测量装置，按变压器原理工作，它们用于向电流表、电压表、功率表和继电器等提供信号。在实际工作中，直接测量大电流或者高电压是比较困难的。在交流电路中，常用特殊的变压器把大电流转换成小电流、高电压转换成低电压后再测量，所用的转换装置就称为电流互感器和电压互感器。使用互感器的优点在于使测量仪表与高电压隔离，保证仪表和人身的安全；又可扩大仪表的量限，便于仪表的标准化，还可以减少测量中的能耗。因此，在交流电压、电流和功率的测量中，以及各种继电保护和控制电路中，互感器的应用是相当广泛的。

电压互感器也属于仪用互感器，同样用来与仪表和继电器等低压电器组成二次回路，对一次回路进行测量、控制、调节和保护，在电工测量中主要用来按比例变换交流电压。电压互感器的结构形式与工作原理和单相降压变压器基本相同。电压互感器的外形图、原理图和符号如图1-33所示。

电压互感器实质就是一个降压变压器，是由铁心和一、二次绕组两个主要部分组成。一次绕组匝数多，并联在被测电路中，二次绕组匝数少，接在高阻抗的仪表上，如接在电压表、功率表或电度表的电压线圈上。因此二次绕组的电流很小，正常运行时，近似空载运行。根据变压器的电压比公式

图1-33 电压互感器的外形图、原理图和符号

a)电压互感器外形图 b)电路原理图 c)电压互感器的符号

其中，K_u是电压互感器的变换系数，也称为电压互感器的变换倍率。K_u一般标在电压互感器的铭牌上，只要读出二次绕组的电压，一次绕组的电压可以由上式求出。在实际应用中，与电压互感器配套使用的电压表中的电压已换算成一次绕组的电压，可以直接读出测量数据，不必再进行换算。一般电压互感器二次绕组的额定电压为100V。常用的电压互感器变比有3000V/100V、6000V/100V等。电压互感器有干式、油浸式及浇注绝缘式等，其符号如图1-33c所示。

由于励磁电流和漏阻抗的存在，电压互感器存在着误差。为了减小误差，应尽量减小空载电流和一、二次绕组的漏抗，以得到准确的变比。根据误差大小，电压互感器可分为0.2、0.5、1.0、3.0等四级，级数越大，误差也越大。

使用电压互感器时的注意事项。

1)电压互感器的二次绕组在使用时绝不允许短路。如二次绕组短路，将产生很大的短路电流，导致电压互感器绕组过热而烧坏。

2)为保证操作人员的安全，电压互感器的铁心和二次绕组的一端必须可靠接地。

3)电压互感器具有一定的额定容量，在使用时二次侧所接的阻抗值不能小于规定值，即不能多带电压表或电压线圈，否则流过电流过大，会降低电压互感器的精度等级。

1.3.3 电流互感器认知及应用

电流互感器属于仪用互感器的范畴，主要用来与仪表和继电器等低压电器组成二次回路，对一次回路进行测量、控制、调节和保护。在电工测量中主要用来按比例变换交流电流。电流互感器的基本结构与工作原理和单相变压器相类似。电流互感器的外形图、原理图和符号如图1-34所示。

电流互感器由铁心和一、二次绕组两个主要部分组成，一次绕组的匝数较少，一般只有一匝到几匝，用粗导线绕制，使用时串联在被测电路中，流过被测电流，二次绕组匝数很多，用较细的导线绕制而成。一般接电流表或功率表的电流线圈，它的阻抗很小，负载近似为零。根据变压器的电流比公式I₁N₁＝I₂N₂可知

图1-34 电流互感器的外形图、原理图和符号

a)电流互感器外形图 b)电路原理图 c)电流互感器的符号

其中，K_i称为电流互感器的额定电流比，标在电流互感器的铭牌上。在电流互感器中，二次绕组电流与电流比的乘积等于一次绕组电流(即被测电流)。例如若电流表的读数为4A，电流比为40/5，则被测电流为I₁＝K_iI₂＝40/5×4A＝32A。在实际应用中，与电流互感器配套使用的电流表中的电流已换算成一次绕组的电流，可以直接读出测量数据，不必再进行换算。

电流互感器一次绕组的额定电流可设计在0～15000A或10～25000A之间，而电流互感器二次绕组额定电流通常采用5A。

实际上，由于励磁电流和漏阻抗的影响，电流互感器也存在着误差，其相对误差为

为了减少误差，电流互感器的铁心采用高导磁性能的材料制成，而且要求二次绕组所接仪表的总阻抗不大于规定的阻抗。根据误差大小，电流互感器分为0.2、0.5、1.0、3.0和10.0五个等级供选用。级数越大，误差也越大。

使用电流互感器的注意事项。

1)互感器的二次侧绝不允许开路。因为如果二次侧开路，则电流互感器处于空载运行状态，这时，电流互感器一次绕组通过的电流就成为励磁电流，使铁心中的磁通和铁耗猛增，导致铁心发热烧坏绕组；另外电流互感器产生很大的磁通将在二次绕组中感应出很高的电压，危及人身安全或破坏绕组绝缘。因此，在二次绕组中装卸仪表时，必须先将二次绕组短路，装卸完后再断开短路线。

2)互感器的二次侧必须可靠接地，以保证工作人员及设备的安全。

3)二次绕组回路串入的阻抗值不得超过有关技术标准的规定，否则将影响电流互感器的精确度。