1.1 变压器的基本工作原理和结构

1.1.1 变压器的基本工作原理及分类

1.变压器的基本工作原理

图1-1是一台单相双绕组变压器的示意图。它是由叠片组成的闭合铁心和环绕在铁心上的两个（或多个）绕组（线圈）组成，两个绕组匝数不同。其中一个绕组与电源相接，其电压由电源电压决定，接受电源电能，称为一次绕组（又称原边绕组或初级绕组），其匝数用N₁表示；另一个绕组与负载相接，其电压由变压器绕组匝数决定，并向负载提供电能，称为二次绕组（又称副边绕组或次级绕组），其匝数用N₂表示。

图1-2所示为变压器工作原理示意图。当交流电压u₁加到一次绕组上，一次绕组中便有交流电流i₁流过，在铁心中产生与外加电压相同频率的交变磁通Φ，磁通Φ被限制在铁心所提供的磁路之中，并沿磁路闭合，磁通Φ同时交链了一次绕组和二次绕组，根据电磁感应原理，分别在一、二次绕组中感应出同频率的电动势e₁和e₂。

式中，N₁和N₂分别为一、二次绕组匝数。各电量参考方向如图1-2所示。

若二次绕组与负载接通，则电动势e₂在二次侧闭合电路内引起电流i₂，i₂在负载上的压降即是变压器二次侧电压u₂。这样，电源送入一次侧的电能u₁i₁，通过一、二次绕组的磁耦合，使负载获得了电能u₂i₂，从而实现了能量的传输。

显然，一、二次感应电动势e₁、e₂之比等于一、二次绕组匝数N₁、N₂之比，即

为了表示变压器的这种特性，引入变压器变比K的概念。K的大小可由下式计算

国家标准规定变压器电气图形符号，如图1-3所示。

2.变压器的分类

变压器的分类方法很多，通常可按用途、绕组数目、相数、铁心结构、调压方式和冷却方式等划分类别。

按照用途对变压器进行分类，一般分为电力变压器和特种变压器两大类。

在电力系统中用来传输和分配电能的一大类变压器，统称为电力变压器。电力变压器根据其使用特点可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、联络变压器等。

特种变压器是满足工业生产中特殊要求的电源，如整流变压器、电炉变压器、电焊变压器、阻抗匹配变压器、脉冲变压器等。

变压器还可按相数分成单相、三相、多相，按绕组数分为双绕组、三绕组、多绕组，按绝缘方式分为油浸式、干式，还可按冷却方式分为自然冷却、风冷、水冷、强迫油循环冷却等各种形式。

1.1.2 变压器的基本结构与额定值

1.变压器的基本结构

变压器的种类繁多，结构各有特点，但铁心和绕组是组成变压器的两个主要部分。本节以油浸式电力变压器为例，简要介绍变压器的结构及各主要部分功能。

（1）铁心

为了减少交变磁通在铁心中引起的磁滞损耗和涡流损耗（合称铁损耗），变压器铁心是由厚0.30～0.35mm的硅钢片叠压而成。铁心结构的基本形式有心式和壳式两种。心式变压器是在两侧的铁心柱上放置绕组，形成绕组包围铁心的形式。如图1-4a所示。心式变压器结构较为简单，绕组的装配及绝缘也较容易，绝大部分国产变压器均采用心式结构。壳式变压器是在中间的铁心柱上放置绕组，形成铁心包围绕组的形状。如图1-4b所示。壳式变压器制造工艺复杂，使用材料较多。目前只有容量很小的电源变压器使用这种结构。

（2）绕组

变压器的线圈通常称为绕组，它是变压器中的电路部分，小型变压器一般用具有绝缘的漆包圆形铜线绕制而成，对容量稍大的变压器则用扁铜线或扁铝线绕制。

在变压器中，接到高压电网的绕组称高压绕组，接到低压电网的绕组称低压绕组。按高压绕组和低压绕组的相互位置和形状不同，绕组可分为同心式和交叠式两种。

同心式绕组是将高、低压绕组同心地套装在铁心柱上，如图1-5a所示。为了便于与铁心绝缘，把低压绕组套装在里面，高压绕组套装在外面。对低压、大电流、大容量的变压器，由于低压绕组引出线很粗，也可以把它放在外面。高、低压绕组之间留有空隙，可作为油浸式变压器的油道，既利于绕组散热，又作为两绕组之间的绝缘。同心式绕组的结构简单、制造容易，常用于心式变压器中，这是一种最常见的绕组结构形式，国产电力变压器基本上均采用这种结构。

交叠式绕组又称饼式绕组，它是将高压绕组及低压绕组分成若干个线饼，沿着铁心柱的高度交替排列着。如图1-5b所示。为了便于绝缘，一般最上层和最下层安放低压绕组。交叠式绕组的主要优点是漏抗小、机械强度高、引线方便。这种绕组形式主要用在低电压、大电流的变压器上，如容量较大的电炉变压器、电阻电焊机变压器等。

（3）其他结构部件

油浸式电力变压器的绕组及铁心被浸在变压器油中，变压器油充满油箱。使用变压器油可以提高绕组绝缘强度，并通过油受热后的自然对流将铁心和绕组产生的热量带到油箱壁，再由油箱壁散发到空气中去。变压器油箱一般做成椭圆状，为增大散热面积，往往还在油箱外增设散热管，以提高散热效果。在油箱盖上还装有储油柜和安全气道（俗称防爆管）。储油柜是固定在油箱顶部的圆筒形容器，并以管道与油箱连通，它可以减少变压器油与空气的接触面积，以减轻变压器油与空气接触后的老化变质。安全气道是一个长筒钢管，下部与油箱连通，上部出口处盖以玻璃或酚醛纸板。当变压器发生较严重故障时，油箱内会产生大量气体，其迅速上升的压力可以冲破安全气道的出口盖板，从而释放气体压力，达到保护变压器主体的目的。

此外，油箱上还有引出线的绝缘套管、发生事故时报警用的气体继电器、调节一次绕组匝数用的分接开关等部件。

2.变压器的型号与额定值

每台变压器上都装有铭牌，上面标注着该变压器的型号及各种额定数据，铭牌数据是选择和使用变压器的依据。

（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，其表示方法如图1-6所示。

变压器的型号由汉语拼音字母和数字按确定的顺序组合起来构成。例如：SL—1000/10，S表示三相；L表示铝线；1000表示额定容量为1000kV·A；10表示高压侧额定电压10kV。

OSFPSZ-250000/220表明自耦、三相、强迫油循环、风冷、三绕组铜线、有载调压，额定容量250000kV·A，高压额定电压220kV电力变压器。

（2）额定值

1）额定容量S_N。

S_N指变压器的视在功率。单位为V·A、kV·A或MV·A。对于双绕组的电力变压器，其一、二次绕组设计容量是相同的，所以S_N=S_1N=S_2N。对三相变压器，S_N是指三相总容量。

2）额定电压（U_1N、U_2N）。

U_1N指电源施加到一次绕组的额定电压；U_2N指当一次绕组加U_1N时，二次绕组开路（空载）时的二次绕组电压U₂₀，所以U₂₀=U_2N。对三相变压器，其额定电压是指线电压，额定电压的单位为V或kV。

3）额定电流（I_1N、I_2N）。

变压器额定容量S_N除以一、二次额定电压（U_1N、U_2N）后，所计算出来的值（I_1N或U_2N），单位为A或kA。对于三相变压器其额定电流指线电流。

单相变压器的额定电流为

三相变压器的额定电流为

变压器实际运行时，其运行时的容量往往与额定容量不同，即变压器运行时二次电流I₂就不一定是额定电流I_2N，当二次电流达到额定值时变压器就称为带额定负载运行。

4）额定频率f_N。

我国规定供电的工业频率为50Hz。

此外，变压器额定值还包括效率、温升等。除额定值外，还标有变压器的相数、连接组别、阻抗电压（或短路阻抗相对值或标幺值）、接线图等。