一、实验目的

（1）掌握变压器的构造和分类。

（2）理解变压器的工作原理。

（3）认识变压器的铭牌数据。

（4）理解三相变压器的联结组及并联运行。

二、实验仪器

实验仪器如表1-1所示。

表1-1　实验仪器

三、知识学习及操作步骤

1.变压器的构造和分类

变压器是基于电磁感应原理工作的静止的电磁器械。它主要由铁芯和线圈组成，通过磁的耦合作用把电能从一次侧传递到二次侧。

在电力系统中，以油浸自冷式双绕组变压器的应用最为广泛，下面主要介绍这种变压器的基本结构。图1.1所示为三相油浸式电力变压器外观图。变压器的器身是由铁芯和绕组等主要部件构成的，铁芯是磁路部分绕组是电路部分，另外还有油箱及其他附件。

图1.1　三相油浸式电力变压器外观图

1）变压器的构造

（1）铁芯。

铁芯一般由0.35～0.5mm厚的硅钢片叠装而成。硅钢片的两面涂以绝缘漆使硅钢片间绝缘以减小涡流损耗。铁芯包括铁芯柱和铁轭两部分。铁芯柱的作用是套装绕组，铁轭的作用是连接铁芯柱使磁路闭合。按照绕组套入铁芯柱的形式，铁芯可分为芯式结构和壳式结构两种。叠装时应注意相邻两层的硅钢片需采用不同的排列方法，使各层的接缝不在同一处，互相错开，减少铁芯的间隙，从而减小磁阻与励磁电流。但缺点是装配复杂，费工费时。图1.2、图1.3所示为三相铁芯的交叠装配图。现在多采用全斜接缝，以进一步减少励磁电流及转角处的附加损耗。

图1.2　铁芯叠片（单相直线叠装式）

图1.3　铁芯叠片（三相斜上接缝叠装式）

（2）绕组。

变压器的绕组是在绝缘筒上用绝缘铜线或铝线绕成。一般把接于电源的绕组称为一次绕组或原方绕组，接于负载的绕组称为二次绕组或副方绕组。或者把电压高的线圈称为高压绕组，电压低的线圈称为低压绕组。从高、低绕组的装配位置看，可分为同芯式和交叠式绕组。

①同芯式。同芯式绕组的高、低压线圈同心地套在铁芯柱上，为了便于对地绝缘，一般采取低压绕组靠近铁芯柱，高压绕组在低压绕组的外边。同芯式绕组结构简单，制造方便，电力变压器均采用这种结构。

②交叠式。交叠式绕组又称饼式绕组，它将高低压绕组分成若干线饼，沿着铁芯柱的高度方向交替排列。为了便于绕组和铁芯绝缘，一般最上层和最下层放置低压绕组。

图1.4　绕组和铁芯的装配示意图

（3）附件。

电力变压器的附件，主要包括油箱、储油柜、分接开关、安全气道、气体继电器、绝缘套管等，如图1.5所示。其作用是保证变压器安全和可靠运行。

图1.5　油浸式电力变压器

①油箱：油浸式变压器的外壳就是油箱，它保护变压器铁芯和绕组不受外力的冲击和潮气的侵蚀，并通过油的对流对铁芯与绕组进行散热。油是冷却介质，又是绝缘介质。

②储油柜：在变压器的油箱上装有储油柜（也称油枕），它通过连通管与油箱相通。储油柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜限制了油与空气的接触面积，从而减少了水分的侵入与油的氧化。

③气体继电器：气体继电器是变压器的主要安全保护装置。当变压器内部发生故障时，变压器油气化产生的气体使气体继电器工作，发出信号，示意工作人员及时处理或令其开关跳闸。

④绝缘套管：变压器绕组的引出线是通过箱盖上的瓷质绝缘套管引出的，作用是使高低绕组的引出线与变压器箱体绝缘。根据电压等级不同，采用绝缘套管的形式也不同，10～35kV采用空心充气式或充油式套管，图1.6所示为瓷制充油式套管；110kV及以上采用电容式套管。

图1.6　瓷制充油式套管

⑤分接开关：分接开关是用于调整电压比的装置，使变压器的输出电压控制在允许的变化范围内，目的是适应电网电压波动＜±5%UN，适时对变压器进行调压。高压绕组有三个抽头，接到分接开关上，以便调节输出电压的大小。分接开关调压有两种：无励磁调压，即断电调压；有载调压，即带电进行调压。图1.7所示为分接开关示意图。

图1.7　分接开关示意图

2）变压器的分类

（1）按相数的不同，分为单相变压器、三相变压器。

（2）按绕组数目不同，分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器。

（3）按冷却方式不同，分为油浸式变压器、充气式变压器和干式变压器。

（4）按用途不同，分为电力变压器、特种变压器、仪用互感器、试验用高压变压器等。

2.变压器的基本工作原理

变压器是静止的电子器械，它利用电磁感应原理，将一种交流电转换为另一种或几种频率相同、电压大小不同的交流电。图1.8所示为变压器的基本工作原理。

变比k：

式中，N1为一次绕组匝数；N2为二次绕组匝数。

注意事项：一次侧要加交变电压，只能改变交流电压或电流的大小，不改变频率。

图1.8　变压器的基本工作原理图

3.变压器的铭牌数据

变压器铭牌的数据表示变压器的结构、容量、电压等级、冷却方式等信息。图1.9所示为变压器铭牌示意图，表1-2所示为符号的细表。

图1.9　变压器铭牌示意图

例如：SL7-200/30

“—”前表示：结构信息，见下页表所示；“—”后表示：额定容量/高压额定值。

S表示三相，L表示铝线，7表示第7次设计，200表示额定容量为200kV·A，30表示高压侧额定电压为30kV。

表1-2　符号明细表

（1）额定容量Sn（kV·A）：指变压器的视在功率，高低压侧相同。

单相变压器：

三相变压器：

（2）额定电压U1N/U2N：是指变压器空载时各绕组端电压值，对于三相变压器指的是线电压。

（3）额定电流I1N/I2N：指变压器允许长期通过的电流。

（4）额定频率f：50Hz。

［例题1］一台三相电力变压器，SN=3150kVA，U1N/U2N=35/6.3kV，Y/d联结。试求：一、二次额定电流；一次额定相电压；二次额定相电流。

解：

4.三相变压器的磁路

由于目前电力系统都是三相制的，所以三相变压器应用非常广泛。从运行原理上看，三相变压器与单相变压器完全相同。三相变压器在对称负载下运行时，可取其一相来研究，即可把三相变压器化成单相变压器来研究。

1）三相变压器的磁路

三相变压器在结构上可由三个单相变压器组成，称为三相变压器组。而大部分是把三个芯柱和磁轭连成一个整体，做成三相芯式变压器。

（1）三相变压器组的磁路。

三相变压器组是由三个相同的单相变压器组成的，如图1.10所示。它的结构特点是三相之间只有电的联系而无磁的联系；它的磁路特点是三相磁通各有自己单独的磁路，互不关联。如果外施电压是三相对称的，则三相磁通也一定是对称的。如果三个铁芯的材料和尺寸相同，则三相磁路的磁阻相等，三相空载电流也是对称的。

三相变压器组的铁芯材料用量较多，占地面积较大，效率也较低，但制造和运输较方便，且每台变压器的备用容量仅为整个容量的三分之一，故大容量的巨型变压器有时采用三相变压器组的形式。

图1.10　组式变压器

磁路特点：

①三相磁路彼此独立，互不关联，即各相主磁通都有自己独立的磁路。

②三相磁路几何尺寸完全相同，即各相磁路的磁阻相等。

③外加三相对称电压时，三相主磁通对称，三相空载电流也对称。

（2）三相芯式变压器的磁路。

三相芯式变压器是由三相变压器组演变而来的。如果把三个单相变压器的铁芯按图1.12（a）所示的位置靠拢在一起，外施三相对称电压时，则三相磁通也是对称的。因中心柱中磁通为三相磁通之和，且，所以中心柱中无磁通通过。因此，可将中心柱省去，变成如图1.12（b）所示的形状。实际上为了便于制造，常用的三相变压器的铁芯是将三个铁芯柱布置在同一平面内，如图1.12（c）所示。

图1.11　芯式变压器

图1.12　三相芯式变压器磁路系统的演变图

由图1.12（c）可以看出，三相芯式变压器的磁路是连在一起的，各相的磁路是相互关联的，即每相的磁通都以另外两相的铁芯柱作为自己的回路。三相的磁路不完全一样，B相的磁路比两边A相和C相的磁路要短些。B相的磁阻较小，因而B相的励磁电流也比其他两相的励磁电流要小。由于空载电流只占额定电流的百分之几，所以空载电流的不对称对三相变压器负载运行的影响很小，可以不予考虑。在工程上取三相空载电流的平均值作为空载电流值，即在相同的额定容量下，三相芯式变压器与三相变压器组相比，铁芯具有用料少、效率高、价格便宜、占地面积小、维护简便等特点，因此中、小容量的电力变压器都采用三相芯式变压器。

三相芯式变压器磁路特点：

①各相磁路不独立，每相磁通都要借助其他两相磁路而闭合。

②各相磁路长度不等，中间相磁路长度略小于其他两相磁路长度，中间相磁阻略小于其他两相的磁阻。

③外加三相对称电压时，三相主磁通对称，三相空载电流近似对称。

5.三相变压器的联结组

（1）变压器首端和末端的标志（表1-3）。(www.daowen.com)

表1-3　变压器首端和末端的标志表

①同名端。

高、低压绕组感应电动势是交变的，即高、低压绕组的极性是交变的。某一瞬间，高、低压绕组为同极性的两个端点，称为同名端。

同相变压器原、副方绕组感应电势正、负极性相同的端子，用*或·来表示。

②判别法。

在绕组电流与磁通正方向符合右手螺旋关系时，可根据“凡是从同名端流进的电流所产生的磁通是同方向的”这一特点来判断同名端。

③联接组别。

反映变压器高、低压侧绕组的连接方式，以及在正相序电源时，高、低压侧绕组对应线电势的相位关系。

④联接组别的时钟表示法（图1.13）。

图1.13　联接组别的时钟表示法图

把高压侧电势作为时钟的分针，指向12点位置，再把低压线电势作为时钟的时针，其指向的数字就是变压器的联接组标号。

（2）单相变压器的极性和同名端（图1.14）。

图1.14　单相变压器的极性和同名端图

（3）三相变压器的联接组。

三相变压器的联接组标号不仅与绕组的绕向和首、末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。

由于三相绕组可以采用不同连接方式，使得三相变压器一次、二次绕组的线电势出现不同的相位差。

①接法：大写字母表示一次侧（或原边）的接线方式，小写字母表示二次侧（或副边）的接线方式。Y（或y）为星形接线，D（或d）为三角形接线。

②相位关系：采用时钟表示法，用来表示一、二次侧线电势的相位关系。

例如：Dyn-11

D表示一次绕组为三角型接线，y表示二次测绕组星型接线，n表示引出中性线，11表示二次测绕组的相角滞后一次绕组330°。

③变压器的4种基本连接形式：“Y，y”、“D，y”、“Y，d”和“D，d”。

④我国标准的变压器接组别：Y，yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。

图1.15所示为Y，y0联接组图。

图1.15　Y，y0联接组图

Y，y0含义：

高、低压绕组均为星形连接，高、低压侧对应线电动势同相位。

低压绕组三相标志依次后移，可得到Y，y4、Y，y8联接组别。

图1.16所示为Y，y6联接组图。

图1.16所示为Y，y6联接组图

图1.16　Y，y6联接组图

Y，y6含义：

高、低压绕组均为星形联接，高、低压侧对应线电动势反相位。

低压绕组三相标志依次后移，可得到Y，y10、Y，y2联接组别。

图1.17所示为Y，d11联接组图。

图1.17　Y，d11联接组图

Y，d11含义：

高压绕组为Y接，低压绕组为d接，低压线电动势超前高压线电动势30°。

低压绕组三相标志依次后移，可得到Y，d3、Y，d7连接组别。

图1.18所示为Y，d1连接组图。

图1.18　Y，d1联接组图

Y，d1含义：

高压绕组为Y接，低压绕组为d接，低压线电动势滞后高压线电动势30°。

低压绕组三相标志依次后移，可得到Y，d5、Y，d9联结组别。

总之：

对于Y，y（或D，d）连接，可得到0、2、4、6、8、10等6个偶数组别；

对于Y，d（或D，y）连接，可得到1、3、5、7、9、11等6个奇数组别。

标准连接组别有5种：

Y，yn0：二次例带中线构成三相四线制，作为400V配电变压器供三相动力和单相照明负载。

Y，d11：用于低压侧电压超过400V，高压侧电压在35kV以下的变压器中。

YN，d11：用于高压输电线路中，高压侧可以接地，电压一般在35～110kV及以上。

YN，y0：用于高压侧中性点需要接地的场合。

Y，y0：用于只供三相负载的场合。

其中，前三种最为常用。

6.三相变压器的并联运行

1）理解三相变压器并联运行的含义

所谓变压器的并联运行，就是将两台或两台以上变压器的一次绕组接到同一电源上，二次绕组接到公共母线上，共同给负载供电，如图1.19所示。

图1.19　三相变压器并联运行图

现代电力系统常采用多台变压器并联运行的方式。并联运行的优点：

（1）当某台变压器发生故障或需要检修时，可以把它从电网切除，而电网仍能继续供电，提高供电的可靠性；

（2）可以根据负荷的大小，调整并联运行变压器的台数，以提高运行的效率；

（3）随着用电量的增加，分期安装变压器，可以减少设备的初期投资；

（4）并联运行时每台的容量小于总容量，这样可以减小备用变压器的容量。

但变压器的并联台数不宜过多，因为单台大容量的变压器比总容量与其相同的几台小容量的变压器造价要低，且安装占地面积也小。

变压器并联运行的理想情况：在空载运行时，各变压器绕组之间无环流；在负载运行时，各变压器所分担的负载电流与其容量成正比，防止某台过载或欠载，使并联的容量得到充分发挥；带上负载后，各变压器分担的电流与总的负载电流同相位，当总的负载电流一定时，各变压器所负担的电流最小，或者说当各变压器的电流一定时，所能承受的总负载电流为最大。

2）分析变压器并联运行情况

［例题2］有两台变压器并联运行，它们的额定电流分别是I2NA=100A，Ι2NB=50 A，它们的短路阻抗ZKA=ZKB=0.2Ω，总负载电流I=150A，试分析这两台变压器并联运行情况。

解：根据公式

则总电流Ι=ΙA+ΙB=2ΙB

所以

3）变压器并联条件

（1）变比相等。

如果变比不等，会在两台变压器两侧产生电压差，产生环流。

（2）连接组别相同。

连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差30°，由于变压器的短路阻抗很小，大电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，因此连接组别必须相同。

（3）短路阻抗标么值相等。

各台变压器所分担的负载电流大小与其短路阻抗标么值成反比。

（4）阻抗电压相等。

阻抗电压相等，各台变压器所分担的负载才能相同。

四、实验内容及要求

（1）在实验前提前预习要用到的内容，在实验时能够更好地理解。

（2）在观察实验器材时，注意轻拿轻放，防止仪器损坏。

（3）注意区分变压器的各组成部分，认清它们的用途。

（4）在学习变压器的工作原理时，要结合图、公式、理论一起理解才能更透彻。

（5）在计算前，要仔细理解老师的计算思路，理解后再进行计算。

（6）在实验结束后整理好实验台，带走自己的垃圾。

五、思考题

一台三相电力变压器，SN=5600kV·A，U1N/U2N=6000/3300V，Y/d连接。试求：一、二次额定电流及相电流。

六、实验报告要求

（1）根据要求记住所用公式。

（2）标明实验电路所用器件的型号。

（3）记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。