第一节 变压器的工作原理和基本结构

变压器是一种交流电能的变换装置。利用一、二次绕组匝数的不同，把任何一种数值的交流电压、电流变换成所需要的另一种数值的交流电压和电流，以满足电能的传输、分配和使用。变压器的工作原理是基于电磁感应定律，因此，磁场是变压器工作的媒介。

一、工作原理和分类

1.工作原理

变压器的工作原理（图2-1）是两个（或两个以上）互相绝缘的绕组套在一个共同的铁心上，它们之间有磁的耦合，但没有电的直接联系。通常，两个绕组中一个接在交流电源，称为一次绕组，简称一次侧。另一个接到负载，称为二次绕组，简称二次侧。在外施电压作用下，一次侧有交流电流通过，并在铁心中产生交变磁通，其频率与外施电压频率相同。这个交变磁通同时交链一、二次绕组，并在一、二次绕组内感应出电动势，二次侧有了电动势，便向负载供电，实现了能量传递。在这一过程中，一、二次电动势的频率都等于磁通的交变频率，亦即一次侧外施电压的频率；而一、二次感应电动势之比等于一、二次绕组匝数之比。可以证明，对常用电力变压器，一次感应电动势的大小也接近于一次侧外施电压，而二次侧感应电动势则接近于二次侧端电压。因此，变压器一、二次电压之比决定于一、二次绕组匝数之比，只要改变一、二次绕组的匝数，便可达到改变电压的目的。

2.变压器的分类及结构

变压器的类型很多，按用途不同，可分为电力变压器（又分为升压变压器、降压变压器和配电变压器等。另外，220kV以上的是超高压变压器、35～110kV是中压变压器、10kV为配电变压器）、特种变压器（电炉变压器、整流变压器等）、仪用互感器（电压、电流互感器）、试验用的高压变压器和调压器等。

图2-1 变压器工作原理

按绕组数目的多少，变压器可以分为两绕组、三绕组和多绕组变压器以及自耦变压器；根据变压器铁心结构，分为心式变压器和壳式变压器；按相数的多少，分为单相变压器和三相变压器等。

按变压器的冷却方式和冷却介质的不同，分为用空气冷却的干式变压器和用油冷却的油浸式变压器等，风力发电常用的干式变压器如图2-2所示。

图2-2 干式变压器

二、变压器的主要部件

变压器的结构主要由铁心、绕组、油箱和绝缘套管等部件组成。铁心和绕组是变压器进行电磁感应的基本部分，称为器身。油箱起机械支撑、冷却散热和保护作用；油起冷却和绝缘作用；套管主要起绝缘作用。下面分别介绍这几部分的结构形式。

1.铁心

铁心是变压器的磁路部分。为了提高磁路的磁导率和降低铁心内的磁路损耗，铁心通常用厚度为0.35mm、表面涂绝缘漆的含硅量较高的硅钢片制成。铁心分为铁心柱和铁轭两部分，铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来，使之形成闭合磁路。

图2-3 变压器的铁心

a）心式 b）壳式

根据结构形式，铁心又分成心式和壳式两种，如图2-3所示。为了清楚起见，图中同时画出了绕组。心式铁心（图2-3a）结构的特点是铁轭靠着绕组的顶面和底面，但不包围绕组的侧面。图2-3b是壳式变压器的铁心，其特点是铁轭不仅包围绕组的顶面和底面，而且还包围着绕组的侧面。由于心式铁心结构比较简单，绕组的布置和绝缘也比较容易，因此电力变压器主要采用心式铁心结构，而只在一些特种变压器（如电炉变压器）才采用壳式铁心结构。

铁心的装配方法一般采用交错式装配，它是剪成一定尺寸的长方形硅钢片交错叠装而成。在叠装时，相邻层的接缝要错开，如图2-4所示。为了减少装配工时，通常用2～3张硅钢片做一层。这种叠法的优点是接缝处气隙小，夹紧结构简单，缺点是装配工艺较复杂。

近年来，铁心材料采用冷轧硅钢片愈来愈多。有一种冷轧硅钢片，沿着轧辗方向有较小的铁耗和较高的磁导率，如按图2-4下料和叠装，则在磁路转角处，由于磁通方向和轧辗方向呈90°，将引起铁耗增加。因此，为了使磁通方向和轧辗方向基本一致，采用了图2-5所示的冷轧硅钢片的叠装法。

图2-4 三相铁心的叠装次序

图2-5 冷轧硅钢片的叠装法

为了使绕组便于制造和在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，一般都把绕组做成圆形。这时为了充分利用绕组内的圆柱形空间，铁心柱一般做成阶梯形的多边形，如图2-6所示。阶梯的级数越多，截面越接近于圆形，空间利用情况越好，但制造工艺也越复杂。在实际生产中，铁心柱的级数随变压器容量的增加而增多。小容量变压器的铁心柱也有做成正方形的。在大容量变压器中，为了改善铁心的冷却条件，常在铁心柱中开设油道，以利散热。

变压器铁轭的截面有矩形的，也有阶梯形的，如图2-7所示。为了减少变压器的空载电流和铁耗，在心式铁心中，铁轭截面一般比铁心柱截面大5％～10％。在大容量变压器中也有做成相等的。

图2-6 铁柱截面的形状

图2-7 铁轭截面的各种形状

2.绕组

绕组是变压器的电路部分，一般用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。

在变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。高、低压绕组之间的相对位置有同心式和交迭式两种不同的排列方式。同心式绕组的排列方式如图2-3所示，高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为了便于绕组和铁心绝缘，通常低压绕组靠近铁心。交叠式绕组的排列方式如图2-8所示。高、低压绕组沿铁心柱高度方向交叠地放置。为了减小绝缘距离，通常低压绕组靠近铁轭。这种结构主要用在壳式变压器中。

变压器的高、低绕组分别由一个或多个线圈构成。在这里，线圈是构成绕组的一种零部件。根据线圈绕制的特点，变压器所用的线圈可分为圆筒式、饼式、连续式、纠结式和螺旋式等几种主要形式。

（1）圆筒式线圈 圆筒式线圈是最简单的一种线圈形式，它是由一根或几根并联的绝缘导线沿铁心高度方向连续绕制而成，一般用于10～630kVA三相变压器的高压绕组或低压绕组。用作高压绕组时，由于电压较高，电流较小，导线细，匝数多，通常采用圆线绕成多层圆筒式线圈（图2-9）。为了便于线圈内部散热，当层数较多时，中间开设轴向油道。用作低压绕组时，由于电压较低，电流较大，导线截面大，匝数少，通常采用扁线绕成单层或双层圆筒式线圈。在双层圆筒式线圈中，有时在层间再开设轴向油道。

图2-8 交叠式绕组的饼式线圈排列方式

图2-9 多层圆筒式线圈

（2）饼式线圈 饼式线圈是由一根或几根并联的绝缘扁线沿铁心柱的径向一匝接着一匝地串联绕制而成，数匝成一饼。为了便于散热，饼间开设径向油道。通常以两饼作为一个单元一次绕成，中间无接头，称为双饼式，一般用于壳式变压器中，如图2-8所示。

（3）连续式线圈 连续式线圈是由很多个如前面所述的线饼沿轴向串联绕成。但绕制时，先是若干匝沿径向串联绕成一个线饼，然后采用特殊的“翻绕法”，使绕制连续地过渡到下一个线饼，线饼之间没有焊接头，如图2-10所示。连续式线圈一般用于三相容量为630kVA及以上、电压为3～110kV的绕组。

图2-10 连续式线圈

a）连续式线圈的外形 b）线饼间的连接法

（4）纠结式线圈 纠结式线圈的外形与连续式线圈相似，但焊接头较多。为使在过电压时起始电压比较均匀地分布于各线饼之间，这种线圈的线匝不是依次排列的，而是前后纠结在一起。当线圈由一根导线组成时，先用两根导线并绕，在交叉串联成一路，如图2-11所示。这时每两个线饼为一单元，各单元之间再依次串联起来。这种线圈用于大容量变压器的高压绕组。一般用于三相容量为6300kVA及以上、电压为110～330kV的绕组。

（5）螺旋式线圈 螺旋式线圈是由多根扁线沿径向并联排列，然后沿铁心柱轴向高度像螺纹一样，一匝跟着一匝地绕制而成。这时一个线饼就是一匝。当并联导线数太多时，可把并联导线沿轴向分成两排，绕成双螺旋式线圈。为了减小导线中的附加损耗，绕制过程中，将导线进行换位。这种线圈一般用于三相容量为800kVA及以上、电压为35kV及以下的大电流绕组。

3.套管

变压器的引出线从油箱内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使带电的引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一般是瓷质的，它的结构主要取决于电压等级。1kV以下的采用实心瓷套管；10～35kV采用空心充气式或充油式套管，如图2-12所示。电压为110kV及以上时，采用电容式套管。为了增强表面放电距离，套管外形做成多级伞形，电压愈高级数愈多。

图2-11 纠结式线圈线饼间的连接法

图2-12 35kV充油式套管

三、变压器的冷却

变压器运行时，有铁耗、铜耗和杂散损耗等。这些损耗转变成热量，使变压器有关部分温度升高。于是，由于各部分与周围介质之间存在着温差，热量散发到周围介质中去。当发热量与散热量相等时，变压器各部分的温度就达到了稳定值。这时，变压器中某部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。变压器的油箱和油管表面主要靠辐射和对流两种方式散热，但热量从绕组或铁心内部传到表面则依靠传导方式传热。

变压器各部分的允许温升取决于绝缘材料。我国油浸电力变压器一般采用A级绝缘材料，最高允许温度为105℃，高于105℃时绝缘材料就很快老化。根据我国电力变压器标准GB1094.1—1996的规定，为保证变压器具有正常的使用年限（20～30年），油浸电力变压器温升限值见表2-1（周围冷却空气的最高温度规定为40℃）。

表2-1 油浸式变压器温升限值 （单位：k）

为了保证变压器散热良好，必须采用一定的冷却方式将变压器中产生的热量带走。常用的冷却介质是变压器油和空气两种，前者称为油浸式，后者称为干式。油浸式变压器又分为油浸自冷式、油浸风冷式及强迫油循环等三种。油浸自冷式依靠油的自然对流带走热量，没有其他冷却设备。油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，另加风散给油箱壁和油管吹风，以加强散热作用。强迫油循环是用油泵将变压器中的热油抽到变压器外的冷却器中冷却后再送入变压器。冷却器可以用循环水冷却或强迫风冷却。

油浸自冷式和强迫风冷式变压器中的热量，全部通过油箱和油管表面散发到周围空气中。在一定的温升限度下，每平方米表面及所能散走的热量是有限的。对于20kVA以下的变压器，油箱本身表面已能满足散热的需要，因此采用平板式油箱。当容量增大而损耗增加时，油箱表面已不能散走所产生的热量，必须采取其他措施来增加散热面积。对30～2000kVA的变压器，一般在油箱四周加焊冷却用的扁形油管，以增强散热表面，这种油箱叫做管式油箱。对2.5～6.3MVA的变压器，所需散热面积较大，在油箱四周已安排不下所需油管，这时把油管先组合成一个整体的散热器，再把散热器装到油箱上，这种油箱称为散热器式油箱。容量在8～40MVA的变压器，在散热器上还另装风扇吹风，以提高散热能力。对50MVA及以上的大容量变压器，采用强迫油循环冷却方式。

图2-13 变压器的冷却系统

用于风力发电机组的一种干式变压器的冷却系统如图2-13所示。冷却方式属于冷媒冷却。有两个循环，空气在变压器壳体中循环，作为冷媒的液体在管道中循环。塔筒外的风扇是吹风，塔筒内的风扇是吸风。

油浸式变压器用油是从石油中提炼出来的矿物油。它既起冷却作用，又加强绝缘，要求介电强度高、粘度低、发火点高、酸碱度低、灰尘等杂物及水分少。即使含很少量的水分，也会使变压器油的绝缘强度大为降低，故要求油箱中的油最好不和外面的空气接触。因此，油箱盖要封好。但是，当变压器油受热膨胀时，将使油箱受到很大的压力，严重时会把油箱胀坏。因此，在油箱顶上装有一个圆筒形的储油柜。储油柜和油箱连通，柜内油面高度随油的热胀冷缩而变动，这样，可使油箱中的油不和外面空气接触。储油柜下面还装有放置氧化钙或硅胶等干燥剂的吸湿器，外面的空气必须经过吸湿器才能进入储油柜，这样，可减少油的氧化和水分的侵入。

四、变压器的额定值

（1）额定容量S_N额定容量是变压器的额定视在功率，单位为VA、kVA或MVA。由于变压器效率高，通常把一次侧、二次侧的额定容量设计得相等。

（2）额定一次、二次电压U_1N和U_2N单位为V或kV。按规定，二次额定电压U_2N是当变压器一次外加额定电压U_1N时的二次空载电压。对三相变压器，额定电压指线电压。

（3）额定一次、二次电流I_1N和I_2N根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，单位为A。对三相变压器，额定电流指线电流。

对单相变压器。

对三相变压器。

（4）额定频率 单位为Hz，我国规定为50Hz。

此外，额定运行时，变压器的效率、温升等数据也是额定值。每台变压器的油箱上都有一个铭牌，铭牌上标明了上述额定值。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、接线图、阻抗电压等。