配电变压器的工作原理及元件介绍

一、配电变压器工作原理

用于配电系统将中压配电电压的功率变换成低压配电电压的功率,以供各种低压电气设备用电的电力变压器,称为配电变压器。配电变压器容量较小,一般在2500kVA及以下,一次电压也较低,都在110kV及以下,本节所指配电变压器均为10kV电压等级。配电变压器可安装在电杆上、平台上、配电所内、箱式变内。

图4-22　变压器工作原理

配电变压器是根据电磁感应原理工作的电气设备。变压器工作原理如图4-22所示。在一个闭合的铁芯上,绕有两个匝数分别为N1和N2相互绝缘的绕组,其中接入电源的绕组(N1)称一次绕组,输出电能的绕组(N2)称二次绕组。当交流电源电压U1加到一次绕组后,就有交流电流I1通过绕组N1,铁芯中产生与电源频率相同的交变磁通Φ,由于一、二次绕组均绕在同一铁芯上,因此交变磁通Φ同时交链一、二次绕组。根据电磁感应定律,在两个绕组两端分别产生频率相同的感应电动势E1和E2。如果此时二次绕组与负荷Z接通,便有电流I2流入负载,并在负载端产生电压U2,从而输出电能。

一次绕组与二次绕组匝数之比叫变压器的变化,用K表示,即K=N1/N2。忽略漏阻抗压降和励磁电流时,一、二次电流、电压与变比的关系为:K=N1/N2=U1/U2=I2/I1。

二、配电变压器基本结构

构成配电变压器的基本部件是铁芯和绕组。套管和分接开关也是配电变压器的主要元件。另外,不同的绝缘介质、不同的冷却介质有相应的不同结构。

(一)铁芯

铁芯是变压器的基本部件之一,既是变压器的主磁路,也是变压器器身的机械骨架。

(1)铁芯结构型式分为芯式和壳式两种。绕组被铁芯包围的结构型式称为壳式铁芯;铁芯被绕组包围结构型式称为芯式铁芯。

(2)铁芯的材质对变压器的噪声和损耗、励磁电流有很大影响。为减少铁芯产生的变压器噪声、损耗及励磁电流,目前主要采用厚度0.23～0.35mm冷轧取向电工钢片,近年又开始采用厚度仅为0.02～0.06mm薄带状非晶合金材料。

(3)铁芯的装配一般有叠积和卷绕两种工艺。传统铁芯采用叠积工艺制成,近年采用卷铁芯制成的变压器具有空载损耗小(可降低20%～30%)、噪声低、节省电工钢片(约减少30%)等优点。铁芯通常采用一点接地,以消除因不接地而在铁芯或其他金属构件上产生的悬浮电位,避免造成铁芯对地放电。

(二)绕组

绕组是变压器的基本部件之一,是构成变压器电路的部件。

(1)变压器绕组分为层式和饼式两种型式。层式绕组有圆筒式和箔式两种;饼式绕组有连续式、纠结式、内屏蔽式、螺旋式、交错式等。配电变压器主要采用圆筒式、箔式、连续式、螺旋式绕组。

(2)绕组一般由导电率较高的铜导线和铜箔绕制而成。导线有圆导线、扁导线;铜箔一般厚为0.1～2.5mm。

(3)芯式变压器采用同芯式绕组,一般低压绕组靠近铁芯,高压绕组套在外面。高、低压绕组之间,低压绕组与铁芯柱之间留有一定的绝缘间隙和油道(散热通道),并用绝缘纸筒隔开。

(三)套管

套管是变压器的主要部件之一,用于将变压器内部绕组的高、低压引线与电力系统或用电设备进行电气连接,并保证引线对地绝缘。

图4-23　变压器绝缘套管

(a)复合绝缘套管;(b)穿缆式套管

配电变压器低压套管主要采用复合瓷绝缘式,高压套管主要采用单体瓷绝缘式。复合绝缘套管如图4-23(a)所示,套管上部接线头有杆式和板式两种,下部接线头有一件软接线片、两件软接线片和板式三种;单体瓷绝缘式套管分为导电杆式(BD)和穿缆式(BDL)两种,穿缆式套管如图4-23(b)所示。

套管在油箱上排列顺序,一般从高压侧看,由左向右,三相变压器为:高压U1-V1-W1、低压N1-U2-V2-W2;单相变压器为:高压U1,低压U2。

(四)调压装置

调压装置是变压器主要元件之一,是控制变压器输出电压在指定范围内变动的调节组件,又称分接开关。调压装置分为无励磁调压装置和有载调压装置两种。

(1)无励磁调压装置。无励磁调压装置也称为无励磁分接开关,俗称无载分接开关,是在变压器不带电条件下切换绕组中线圈抽头以实现调压的装置。例如,WSPIII250/10-3×3表示10kV、250A、分接头数3、分接位置数3、三相盘形中性点调压无励磁分接开关。配电变压器主要采用以下几种无励磁调压开关。

三相中性点调压无励磁感应分接开关。主要型号有WSPLL,俗称九头分接开关,直接固定在变压器箱盖上,采用手动操作,动触头片相距120°,同时与定触尖闭合,形成中性点。其外形及接线图如图4-24和图4-25所示。

图4-24　WSP分接开关外形图

图4-25　WSP分接开关与三相绕组接线图

图4-26　有载分接开关电路

Ⅰ—有载电路;Ⅱ—选择电路;Ⅲ—过渡电路;W—调压绕组;1、2、3—定触头;S1、S2—动触头;K1～K4—定触头;J—动触头;R—过渡电阻器(www.xing528.com)

(2)有载调压装置。有载调压装置也称有载分接开关,是在变压器不中断运行的带电状态下进行调压的装置。工作原理是通过由电抗器或电阻构成的过渡电路限流,把负荷电流由一个分接头切换到另一个分接头上去,从而实现有载调压。目前主要采用电阻型有载分接开关。有载分接开关电路由过渡电路、选择电路、调压电路三部分组成,如图4-26所示。

三、配电变压器主要技术数据

配电变压器在规定的使用环境和运行条件下,主要技术数据标注在变压器铭牌中,并将铭牌固定在明显可见的位置上。其主要技术数据包括相数、额定频率、额定容量、额定电压、额定电流、阻抗电压、负载损耗、空载电流、空载损耗、接线组别等。

(1)相数。变压器分为单相、三相两种。

(2)额定频率。额定频率指变压器设计时所规定的运行频率,用fN表示,单位赫兹(Hz)。我国规定额定频率为50Hz。

(3)额定容量。额定容量指变压器额定(额定电压、额定电流、额定使用条件)工作状态下的输出功率,用视在功率表示。符号为SN表示,单位为千伏安(kVA)或伏安(VA)。

单相变压器 　SN=UNIN

三相变压器　

(4)额定电压。额定电压指单相或三相变压器出线端子之间,指定施加的(或空载时感应出的)电压值,用UN表示,单位为千伏(kV)或伏(V)。指定施加的电压为一次额定电压,用UN1表示;空载时感应出的电压为二次额定电压,用UN2表示。

单相变压器　

三相变压器 　

(5)额定电压比。额定电压比指变压器高压侧额定电压与低压侧额定电压之比,即UN1/UN2。

(6)额定电流。额定电流指在额定容量和允许温升条件下,流过变压器一、二次绕组出线端子的电流,用IN表示,单位千安(kA)或安培(A)。流过变压器一次绕组出线端子的电流,用IN1表示,流过变压器二次绕组出线端子的电流,用IN2表示。

单相变压器　

三相变压器　

(7)负载损耗。负载损耗也称短路损耗、铜损,是指当带分接的绕组接在其主分接位置上并接入额定频率的电压,另一侧绕组的出线端子短路,流过绕组出线端子的电流为额定电流时,变压器所消耗的有功功率,用PK表示。单位为瓦(W)或千瓦(kW)。负载损耗的大小取决于绕组的材质等,运行中的负载损耗大小随负荷的变化而变化。

(8)空载电流。空载电流指变压器空载运行时的电流,即当以额定频率的额定电压施加于一侧绕组的端子上,另一侧绕组开路时,流过进线端子的电流,符为I0。通常用空载电流占额定电流的百分数表示,即I0(%)=(I0/IN)×100%。变压器容量越大,其值越小。

(9)空载损耗。空载损耗也称铁损,指当以额定频率的额定电压施加于一侧绕组的端子上,另一侧绕组出线开路时,变压器所吸取的有功功率,用P0表示,单位为瓦(W)或千瓦(kW)。空载损耗子主要为铁芯中磁滞损耗和涡流损耗,其值大小与铁芯材质、制作工艺密切相关,一般认为一台变压器的空载损耗不会随负荷大小的变化而变化。

(10)连接组别。具体内容在下述文字中介绍。

(11)冷却方式。冷却方式指绕组及油箱内外的冷却介质和循环方式。

图4-27　单相变压器接线组

(a)Iin绕组电路图;(b)相电压相量图

(12)温升。温升指所考虑部位的温度与外部冷却介质温度之差。对于空气冷却变压器是指所考虑部位的温度与冷却空气温度之差。

四、配电变压器接线组别

(1)单相变压器高、低压绕组中同时产生感应电动势,在任何瞬间,两绕组中同时具有相同电动势极性的端子,称为同极性端(或同名端)。也就是当一次绕组的某一端的瞬时电位为正时,二次端子也同时有一个电位为正的对应端子,这两个对应的端子就称为同极性端。同理,一、二次绕组余下另两个端子也称为同极性端。通常两绕组采取同极性标志端,接线组标号为Iin,如图4-27所示。由于需求及变压器容量不同,铁芯采用壳式或芯式,绕组采用一组线圈或两组线圈,采用两组线圈时多采取并联连接。

(2)三相变压器绕组连接方式主要有星形、三角形两种,接线组别也称连接组标号,通常接线组标号用时钟表示法表示。把变压器高压侧的线电压相量作为时钟的长针(分针),并固定在O点钟的位置上,把低压侧相对应的线电压相量作为时钟的短针(时针),短针指在几点钟的位置上,就以此钟点数作为接线组标号。常用三相配电变压器的接线组标号有Y,yn0、D,yn11两种。

1)星形接线,用Y表示接线,是将三相绕组的末端(或首端)连接在一起形成中性点,另外3个线端为引出端线,低压侧有中性线引出时用n表示,Y,yn0接线组如图4-28所示。

图4-28　Y,yn0连接组别

(a)绕组接线图;(b)电压相量图;(c)时钟表示法

2)三角形接线,用Δ表示,是将一相绕组首端与另一相绕组的末端连接在一起,在连接处引出端线。通常在绕组接线图中,由一个绕组的首端向另一个绕组的末端巡行时,采用连接线的走向自左向右,即左行Δ接线,D,yn11接线组如图4-29所示。

图4-29　D,yn11连接组别

(a)绕组接线图(b)电压相量图(c)时钟表示法