变压器的工作原理和结构详解

（一）变压器的工作原理

变压器是根据电磁感应原理工作的。图2-1所示为单相变压器的原理图。图中，在闭合的铁心上，绕有两个互相绝缘的绕组，其中，接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧为二次绕组。当交流电源电压U₁加到一次绕组后，就有交流电流I₁通过该绕组，在铁心中产生交变磁通Φ，这个交变磁通不仅穿过一次绕组，同时也穿过二次绕组，两个绕组分别产生感应电动势E₁和E₂，这时，如果二次绕组与外电路的负载接通，便有电流I₂流入负载，即二次绕组有电能输出。

图2-1 单相变压器原理图

根据电磁感应定律可以导出

一次绕组感应电动势为

E₁=4.44fN₁Φ_m （2-1）

二次绕组感应电动势为

E₂=4.44fN₂Φ_m （2-2）

式中 f——电源频率；

N₁——一次绕组匝数；

N₂——二次绕组匝数；

Φ_m——铁心中主磁通幅值。

由式（2-1）、式（2-2）得出

由此可见，变压器一、二次侧感应电动势之比等于一、二次绕组匝数之比。

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，因此可近似地认为一次电压有效值U₁≈E₁，二次电压有效值U₂≈E₂。于是

（2-4）

式中 K——变压器的电压比。

变压器一、二次绕组因匝数不同将导致一、二次绕组的电压高低不等，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低，这就是变压器能够改变电压的道理。

如果忽略变压器的内损耗，可认为变压器二次输出功率等于变压器一次输入功率，即

U₁I₁=U₂I₂ （2-5）

式中 I₁——变压器一次电流的有效值；

I₂——变压器二次电流的有效值。

由此可得出

（2-6）

由此可见，变压器一、二次电流之比与一、二次绕组的匝数比成反比。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。

（二）变压器的结构

油浸式电力变压器的典型结构如图2-2所示。

图2-2 变压器结构示意图

1—高压套管 2—分接开关 3—低压套管 4—气体继电器 5—压力释放装置（放爆管） 6—储油柜（油枕） 7—油位计 8—吸湿器（呼吸器） 9—散热器 10—铭牌 11—接地螺栓 12—取油样阀门 13—放油阀门 14—连接阀门 15—绕组（线圈） 16—信号温度计 17—铁心 18—净油器 19—油箱 20—变压器油

1.铁心

（1）铁心结构 变压器的铁心是磁路部分，由铁心柱和铁扼两部分组成。绕组套装在铁心柱上，而铁扼则用来使整个磁路闭合。铁心的结构一般分为心式和壳式两类。

心式铁心的特点是铁扼靠着绕组的顶面和底面，但不包围绕组的侧面。壳式铁心的特点是铁扼不仅包围绕组的顶面和底面，而且还包围绕组的侧面。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，因此我国电力变压器主要采用心式铁心，只在一些特种变压器（如电炉变压器）中才采用壳式铁心。常用的心式铁心如图2-3所示。近年来，大量涌现的节能型配电变压器均采用卷铁心结构。

（2）铁心材料 由于铁心为变压器的磁路，所以其材料要求导磁性能好，导磁性能好才能使铁损小。故变压器的铁心采用硅钢片叠制而成。硅钢片有热轧和冷轧两种，由于冷轧硅钢片在沿着辗轧的方向磁化时有较高的导磁系数和较小的单位损耗，其性能优于热轧的，国产变压器均采用冷轧硅钢片。国产冷轧硅钢片的厚度有0.35mm、0.30mm、0.27mm等几种。片厚则涡流损耗大，片薄则叠片系数小，因为硅钢片的表面必须涂覆一层绝缘漆以使片与片之间绝缘。

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烧制而成。根据高、低压绕组排列方式的不同，绕组分为同心式和交叠式两种。对于同心式绕组，为了便于绕组和铁心绝缘，通常将低压绕组靠近铁心柱。对于交叠式绕组，为了减小绝缘距离，通常将低压绕组靠近铁扼。

3.绝缘

变压器内部主要绝缘材料有变压器油、绝缘纸板、电缆纸、皱纹纸等。

4.分接开关

为了供给稳定的电压、控制电力潮流或调节负载电流，均需对变压器进行电压调整。目前，变压器调整电压的方法是在其某一侧绕组上设置分接，以切除或增加一部分绕组的线匝，以改变绕组的匝数，从而达到改变电压比的有级调整电压的方法。这种绕组抽出分接以供调压的电路，称为调压电路；变换分接以进行调压所采用的开关，称为分接开关。一般情况下是在高压绕组上抽出适当的分接，这是因为高压绕组一则常套在外面，引出分接方便；二则高压侧电流小，分接引线和分接开关的载流部分截面小，开关接触触头也较容易制造。

变压器二次侧不带负载，一次侧也与电网断开（无电源励磁）的调压，称为无载调压，带负载进行变换绕组分接的调压，称为有载调压。

有载调压分接开关由切换开关、选择开关和操作机构等组成。切换开关是专门承担切换负载电流的部分，它的动作是通过快速机构按一定程序快速完成的。选择开关是按分接顺序使相邻时刻要换接的分接头预先接通，并承担连续负载的部分。切换开关和选择开关，两者通称为开关本体，一般都安装在变压器的油箱内，切换开关在切换负载电流时产生电弧，会使油质劣化。因此必须装在单独的绝缘筒（油箱）内，使之与变压器油箱内的油隔离开。

5.油箱

油箱是油浸式变压器的外壳，变压器的器身置于油箱内，箱内灌满变压器油。油箱结构根据变压器的大小分为吊器身式油箱和吊箱壳式油箱两种。

（1）吊器身式油箱 多用于6300kVA及以下的变压器，其箱沿设在顶部，箱盖是平的，

图2-3 常用的心式铁心

由于变压器容量小，所以重量轻，检修时易将器身吊起。

（2）吊箱壳式油箱 多用于8000kVA及以上的变压器，其箱沿设在下部，上节箱身做成钟罩形，故又称钟罩式油箱。检修时无需吊器身，只将上节箱身吊起即可。

6.冷却装置

变压器运行时，由绕组和铁心中产生的损耗转化为热量，必须及时散热，以免变压器过热造成事故。变压器的冷却装置是起散热作用的。根据变压器容量大小不同，采用不同的冷却装置。

对于小容量的变压器，绕组和铁心所产生的热量经过变压器油与油箱内壁的接触，以及油箱外壁与外界冷空气的接触而自然地散热冷却，无需任何附加的冷却装置。若变压器容量稍大些，可以在油箱外壁上焊接散热管，以增大散热面积。

对于容量更大的变压器，则应安装冷却风扇，以增强冷却效果。

当变压器容量在50000kVA及以上时，刚采用强迫油循环水冷却器或强迫油循环风冷却器。与前者的区别在于循环油路中增设一台潜油泵，对油加压以增加冷却效果。这两种强迫循环冷却器的主要差别为冷却介质不同，前者为水，后者为风。

7.储油柜

储油柜（曾称油枕）位于变压器油箱上方，通过气体继电器与油箱相通，如图2-4所示。

当变压器的油温变化时，其体积会膨胀或收缩。储油柜的作用就是保证油箱内总是充满油，并减小油面与空气的接触面，从而减缓油的老化。

8.压力释放装置（又称防爆管、安全气道）

位于变压器的顶盖上，其出口用玻璃防爆膜封住。当变压器内部发生严重故障，而气体继电器失灵时，油箱内部的气体便冲破防爆膜从安全气道喷出，保护变压器不受严重损害。

9.吸湿器

为了使储油柜内上部的空气保持干燥，避免工业粉尘的污染，储油柜通过吸湿器与大气相通。吸湿器内装有用氯化钙或氯化钴浸渍过的硅胶，它能吸收空气中的水分。当它受潮到一定程度时，其颜色由蓝色变为粉红色。(www.xing528.com)

图2-4 防爆管与变压器储油柜间的连通

1—储油柜 2—防爆管 3—油枕与防爆管的连通管 4—吸湿器 5—防爆膜 6—气体继电器 7—蝶形阀 8—箱盖

10.气体继电器

位于储油柜与箱盖的联管之间。在变压器内部发生故障（如绝缘击穿、匝间短路、铁心事故等）产生气体或油箱漏油等导致油面降低时，接通信号或跳闸回路，保护变压器。

11.高、低压绝缘套管

变压器内部的高、低压引线是经绝缘套管引到油箱外部的，它起着固定引线和对地绝缘的作用。套管由带电部分和绝缘部分组成，带电部分包括导电杆、导电管、电缆或铜排。绝缘部分分外绝缘和内绝缘。外绝缘为瓷管，内绝缘为变压器油、附加绝缘和电容性绝缘。

（三）电力变压器的型号及技术参数

1.型号

变压器的技术参数一般都标在铭牌上。按照国家标准，铭牌上除标出变压器名称、型号、产品代号、标准代号、制造厂名、出厂序号、制造年月以外，还需标出变压器的技术参数数据。需要标出的技术数据见表2-1。变压器除装设标有以上项目的主铭牌外，还应装设标有关于附件性能的铭牌，需分别按所用附件（套管、分接开关、CT、冷却装置）的相应标准列出。

表2-1 电力变压器铭牌所标出的项目

电力变压器型号表示方法如图2-5所示。

图2-5 电力变压器型号表示方法

2.相数

变压器分单相和三相两种，一般均制成三相变压器以直接满足输配电的要求。小型变压器有制成单相的，特大型变压器做成单相后，组成三相变压器组，以满足运输的要求。

3.额定频率

变压器的额定频率即是所设计的运行频率，我国为50Hz。

4.额定电压

额定电压是指变压器线电压（有效值），它应与所连接的输变电线路电压相符合。我国输变电线路的电压等级（即线路终端电压）为0.38kV、（3.6kV）、10kV、35kV、（63kV）、110kV、220kV、330kV、500kV。故连接于线路终端的变压器（称为降压变压器），其一次额定电压与上列数值相同。

考虑线路的电压降，线路始端（电源端）电压将高于等级电压，35kV以下的要高5％，35kV及以上的高10％，即线路始端电压为0.4kV、（3.15kV、6.3kV）、10.5kV、38.5kV、（69kV）、121kV、242kV、363kV、550kV。故连接于线路始端的变压器（即升压变压器），其二次额定电压与上列数值相同。

变压器产品系列是以高压的电压等级区分的，为10kV及以下，20kV、35kV、（66kV）、110kV系列和220kV系列等。

5.额定容量

额定容量是指在变压器铭牌所规定的额定状态下，变压器二次侧的输出能力（kVA）。对于三相变压器，额定容量是三相容量之和。

变压器额定容量与绕组额定容量有所区别：双绕组变压器的额定容量即为绕组的额定容量；多绕组变压器应对每个绕组的额定容量加以规定，其额定容量为最大的绕组的额定容量；当变压器容量由冷却方式而变更时，则额定容量是指最大的容量。

6.额定电流

变压器的额定电流为通过绕组线端的电流，即为线电流（有效值）。它的大小等于绕组的额定容量除以该绕组的额定电压及相应的相系数（单相为1，三相为）。

单相变压器额定电流为

（2-7）

式中 I_N——分别为一、二次额定电流；

S_N——变压器的额定容量；

U_N——分别是一、二次额定电压。

三相变压器额定电流为

（2-8）

三相变压器绕组为星形联结时，线电流为相电流；三角形联结时线电流等于3倍的相电流。

7.绕组联结组标号

变压器同侧绕组是按一定形式连接的。

三相变压器或组成三相变压器组的单相变压器，则可以为星形、三角形联结等。星形联结是各相线圈的一端接成一个公共点（中性点），其余端子接到相应的线端上；三角形联结是三个相线圈互相串联形成闭合回路，由串联处接至相应的线端。

星形、三角形、曲折形等联结，现在对于高压绕组分别用符号Y、D、Z表示；对于中压和低压绕组分别用符号y、d、z表示。有中性点引出时则分别用符号YN、ZN和yn、zn表示。

变压器按高压、中压和低压绕组联结的顺序组合起来就是绕组的联结组，例如，变压器按高压为D，低压为yn联结，则绕组联结组为Dyn（Dyn11）。

8.调压范围

变压器接在电网上运行时，变压器二次电压将由于种种原因发生变化，影响用电设备的正常运行，因此变压器应具备一定的调压能力。根据变压器的工作原理，当高、低压绕组的匝数比发生变化时，变压器二次电压也随之变化，达到改变变压器匝数比即可达到调压的目的。变压器调压方式通常分为无载调压和有载调压两种方式。当二次侧不带负载，一次侧又与电网断开时的调压为无载调压，在二次侧带负载下的调压为有载调压。

9.空载电流

当变压器二次绕组开路，一次绕组施加额定频率的额定电压时，一次绕组中所流过的电流称空载电流I₀，变压器空载合闸时有较大的冲击电流。

10.阻抗电压和短路损耗

当变压器二次侧短路，一次侧施加电压使其电流达到额定值，此时所施加的电压称为阻抗电压U_Z，变压器从电源吸取的功率即为短路损耗。以阻抗电压与额定电压U_N之比的百分数表示。即

11.电压调整率

变压器负载运行时，由于变压器内部的阻抗压降，二次电压将随负载电流和负载功率因数的改变而改变。电压调整率即说明变压器二次电压变化的程度大小，为衡量变压器供电质量的数据，其定义为：在给定负载功率因数下（一般取0.8），二次空载电压U_2N和二次负载电压U₂之差与二次额定电压U_2N的比，即

式中 U_2N——二次额定电压，即二次空载电压；

U₂——二次负载电压。

电压调整率是衡量变压器供电质量好坏的物理量。

12.效率

变压器的效率η为输出的有功功率与输入的有功功率之比的百分数。通常中小型变压器的效率达到90％以上，大型变压器的效率在95％以上。

13.温升和冷却方式

（1）温升 变压器的温升，对于空气冷却变压器是指测量部位的温度与冷却空气温度之差；对于水冷却变压器是指测量部位的温度与冷却器入口处水温之差。

油浸式变压器绕组和顶层油温升限值：因为A级绝缘在98℃时产生的绝缘损坏为正常损坏，而保证变压器正常寿命的年平均气温是20℃，绕组最热点与其平均温度之差为13℃，所以绕组温升限值为98℃－20℃－13℃=65℃。

油正常运行的最高温度为95℃，最高气温为40℃，所以顶层油温升限值为95℃－40℃=55℃。

（2）冷却方式 变压器的冷却方式有多种，如干式自冷、油浸式风冷等，各种方式适用于不同种类的变压器。