2.1 变压器的工作原理及结构

电力变压器是应用电磁感应原理，在频率不变的基础上将电压升高或降低，以利于电力的输送、分配和使用。

电力变压器按功能分，有升压变压器和降压变压器两大类。在电力系统中，发电厂用升压变压器将电压升高；工厂变配电所用降压变压器将电压降低。二次侧为低压的降压变压器称为“配电变压器”。

电力变压器按相数分，有三相变压器和单相变压器。电力变压器按结构形式分有心式变压器和壳式变压器。如果绕组包在铁心外围，则为心式变压器。如果铁心包在绕组外围，则为壳式变压器。电力变压器按调压方式分有无励磁调压和有载调压变压器两大类。电力变压器按绕组数目分，有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器三大类。电力变压器按冷却介质分，有干式、油浸式和充气式等。而油浸式变压器又分为油浸自冷式、油浸风冷式和强迫油循环风冷（或水冷）三种类型。电力变压器按其绕组导体材料分，有铜绕组和铝绕组两种类型。由于铜绕组变压器在运行中损耗低，现在被广泛应用，如S9系列。

2.1.1 变压器的工作原理

图2-1是单相变压器工作原理图。图中，在闭合的铁心上，绕有两个互相绝缘的绕组，和电源连接的一侧称为一次绕组；输出电能的一侧称为二次绕组。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，在铁心中产生交变的磁通Φ。交变的磁通Φ沿铁心闭合，同时交链一、二次绕组，在两个绕组中分别产生感应电动势e₁和e₂。如果二次侧带负载，便产生二次电流i₂，即二次绕组有电能输出。

由电磁感应定律可得：

一次绕组的感应电动势e₁为：

二次绕组的感应电动势e₂为：

式中，N₁、N₂分别为一、二次侧绕组的匝数；Φ为主磁通。

由式（2-1）、式（2-2）可得：

由式（2-3）可知：变压器一、二次感应电动势之比等于一、二次绕组的匝数之比。

若忽略变压器一、二次侧的漏电抗和电阻，可以近似的认为：

式中，k为变压器的电压比。

可见，变压器一、二次侧的匝数不同导致一、二次绕组的电压不等，改变变压器绕组的匝数比（即改变变压器的电压比）就可以改变变压器的输出电压。

2.1.2 变压器的结构

变压器的主要结构包括器身、油箱、冷却装置、保护装置、出线装置和变压器油。结构如图2-2所示。器身又称为心体，是变压器最重要的部件，其中包括铁心、线圈、绝缘、引线及分接开关等部件。油箱上还设有放油阀门、蝶阀、油样阀门、接地螺栓及铭牌等零部件。冷却装置包括散热器。保护装置包括储油柜、油表、防爆管、呼吸器、测温元件、热虹吸（净油器）及气体继电器等。出线装置包括高、中、低压套管等。

1）铁心。变压器的铁心结构有两种：壳式和心式。心式是变压器最常采用的结构。铁心是变压器的磁路部分，为了提高磁路的导磁率和降低铁心的涡流损耗，铁心采用了高导磁率的冷轧硅钢片，其厚度一般为0.25～0.35mm。硅钢片表面涂有绝缘漆，主要是为了降低涡流损耗。铁心柱截面的形状，如图2-3所示。小容量变压器一般做成方形或长方形，而大型变压器为了节省材料和充分利用线圈内圆空间，铁心的截面都做成多级阶梯形，并在铁心中设计了散热油道，将铁心运行时产生的热量通过绝缘油循环带走，达到良好的冷却效果。

2）线圈。线圈是变压器的电路部分，它一般用绝缘的铜或铝导线绕制。线圈的导线必须被包扎绝缘，最常用的是纸包绝缘，也有采用漆包线直接绕制的。变压器的线圈采用同心式结构，如图2-4所示。同心式的高、低压线圈同心地套在铁心柱上，在一般情况下，总是将低压线圈放在靠近铁心处，将高压线圈放在外面。高压线圈与低压线圈之间，以及低压线圈与铁心柱之间都留有一定的绝缘间隙和散热通道（油道或气道），并用绝缘纸筒隔开。当低压线圈放在靠近铁心柱时，因为低压线圈与铁心柱所需的绝缘距离比较小，所以线圈的尺寸也就可以缩小，整个变压器的体积也就减小了。

3）油箱与冷却装置。变压器的器身浸在充满变压器油的油箱里。变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，变压器油受热后形成对流，将铁心和线圈的热量带到箱壁及冷却装置，再散发到周围空气中。变压器的冷却装置是将变压器在运行中产生的热量散发出去，以保证变压器安全运行。变压器的冷却介质有变压器油和空气，干式变压器直接由空气进行冷却，油浸变压器通过油的循环将变压器内部的热量带到冷却装置，再由冷却装置将热量散发到空气中。

4）绝缘套管。变压器套管是将线圈的高、低压引线引到箱外的绝缘装置上，从而起到引线对地（外壳）绝缘和固定引线的作用。套管装于箱盖上，中间穿有导电杆，套管下端伸进油箱与线圈引线相连，套管上部露出箱外，与外电路连接。

5）保护装置。变压器的保护装置包括：储油柜、吸湿器、净油器、防爆管、气体继电器、温度计、油位计及事故排油阀门等。

① 储油柜。储油柜安装在变压器顶部，通过弯管及阀门等与变压器的油箱相连。储油柜侧面装有油位计，储油柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜的作用保证变压器油箱内充满油，减少了油与空气的接触面积，适应绝缘油在温度升高或降低时体积的变化，防止绝缘油的受潮和氧化。

② 吸湿器。吸湿器又称为呼吸器，作用是清除和干燥进入储油柜空气的杂质和潮气，呼吸器通过一根联管引入储油柜内高于油面的位置。柜内的空气随着变压器油位的变化通过呼吸器吸入或排除。呼吸器内装有硅胶，硅胶受潮后会变成红色，应及时更换或干燥。

③ 净油器。净油器内装活性氧化铝吸附剂，通过联管和阀门装在变压器油箱上，靠上下层油的温差使油通过净油器进行环流，同时吸附剂将油中的水分、渣滓、酸和氧化物等进行吸附，使油保持清洁和延缓老化。

④ 防爆管（压力释放器）。防爆管的主体是一根长的钢质圆管，其端部管口装有3mm厚玻璃片密封，当变压器内部发生故障时，温度急剧上升，使油剧烈分解产生大量气体，箱内压力剧增，玻璃片破碎，气体和油从管口喷出，流入储油坑，防止了油箱爆炸起火或变形。

⑤ 气体继电器。气体继电器安装在储油柜与变压器的联管中间。当变压器内部发生故障产生气体或油箱漏油使油面降低时，气体继电器动作，发出信号，若事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起保护作用。

⑥ 温度计。变压器的温度计直接监视着变压器的上层油温。

⑦ 油位计。油位计又称为油标或油表，是用来监视变压器油箱油位变化的装置。变压器的油位计都装在储油柜上，为便于观察，在油管附近的油箱上标出相当于油温-30℃、+20℃和+40℃的三个油面线标志。

6）分接开关。为了使配电系统得到稳定的电压，必要时需要利用变压器调压。变压器调压的方法是在高压侧（中压侧）绕组上设置分接开关，用以改变线圈匝数，从而改变变压器的变压比，进行电压调整。抽出分接的这部分线圈电路称为调压电路，这种调压的装置，称为分接开关，或称为调压开关，俗称为“分接头”。

2.1.3 电力变压器的联结组别

电力变压器的联结组别，是指变压器一、二次绕组因联结方式不同而形成变压器一、二次侧对应的线电压之间的不同相位关系。为了形象地表示一、二次绕组线电压之间的关系，采用“时钟表示法”，即把一次绕组的线电压作为时钟的长针，并固定在“12”上，二次绕组的线电压作为时钟的短针，短针所指的数字即为三相变压器的联结组别的标号，该标号也是将二次绕组的线电压滞后于一次绕组线电压的相位差除以30°所得的值。这里介绍配电变压器常见的几种联结组别。

1）Yyn0联结的配电变压器。Yyn0联结示意图如图2-5所示。图中“·”表示同名端，其一次线电压与对应的二次线电压之间的相位差为0°。联结组别的标号为零点。

2）Dyn11联结的配电变压器。Dyn11联结示意图如图2-6所示。其二次侧绕组的线电压滞后于一次侧绕组线电压30°，联结组别的标号为11点。

2.1.4 变压器的技术参数

① 额定容量S_N（kV·A）。指在额定工作状态下变压器能保证长期输出的容量。由于变压器的效率很高，规定一、二次侧的容量相等。

② 额定电压U_N（kV或V）。指变压器长时间运行时所能承受的工作电压。一次额定电压U_1N是指规定加到一次侧的电压；二次侧的额定电压U_2N是指变压器一次侧加额定电压时，二次侧空载时的端电压，在三相变压器中，额定电压指的是线电压。

③ 额定电流I_N（A）。变压器的额定电流是变压器在额定容量下允许长期通过的电流。三相变压器的额定电流指的是线电流。对于单相变压器S_N=U_NI_N；对于三相变压器S_N=U_NI_N。

④ 额定频率f_N（Hz）。我国规定的标准频率为50Hz。

⑤ 短路电压U_K%。将变压器二次侧短路，一次侧施加电压并慢慢升高电压，直到二次侧产生的短路电流等于二次侧的额定电流I_2N时，一次侧所加的电压称为短路电压U_K，用相对于额定电压的百分数表示：。

⑥ 空载电流I₀%。当变压器二次侧开路，一次侧加额定电压U_1N时，流过一次绕组的电流为空载电流I₀，用相对于额定电流的百分数表示：。

空载电流的大小主要取决于变压器的容量、磁路的结构、硅钢片质量等因素，它一般为额定电流的3%～5%。

⑦ 空载损耗P₀。指变压器二次侧开路，一次侧加额定电压U_1N时变压器的损耗，它近似等于变压器的铁损。空载损耗可以通过空载试验测得。

⑧ 短路损耗P_K。指变压器一、二次绕组流过额定电流时，在绕组的电阻中所消耗的功率。短路损耗可以通过短路试验测得。