变压器的工作原理doc.docx

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一.变压器的工作原理

变压器---利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件

1.变压器----静止的电磁装置

变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能

电压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。

变压器原理图（图3.1.2）

与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组

与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组

设

一次绕组的二次绕组的

电压相量U1电压相量U2

电流相量I1电流相量I2

电动势相量E1电动势相量E2

匝数N1匝数N2

同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为φm,该磁通量称为主磁通

请注意图3.1.2各物理量的参考方向确定。

2.理想变压器

不计一次、二次绕组的电阻和铁耗，

其间耦合系数K=1的变压器称之为理想变压器

描述理想变压器的电动势平衡方程式为

e1（t）=-N1dφ/dt

e2（t）=-N2dφ/dt

若一次、二次绕组的电压、电动势的瞬时值均按正弦规律变化，

则有

不计铁心损失，根据能量守恒原理可得

由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系

令K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则

二.变压器的结构简介

1.铁心

铁心是变压器中主要的磁路部分。

通常由含硅量较高，厚度为0.35或0.5mm，

表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成

铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用

铁心结构的基本形式有心式和壳式两种

心式变压器结构示意图（图3.1.6）

2.绕组

绕组是变压器的电路部分，

它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成

变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：

当一次侧绕组上加上电压Ú1时，流过电流Í1，在铁芯中就产生交变磁通Ø1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势É1，É2，感应电势公式为：

E=4.44fNØm

式中：

E--感应电势有效值

f--频率

N--匝数

Øm--主磁通最大值

由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压Ú1和Ú2大小也就不同。

当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。

当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。

当电流乘以匝数时，就是磁势。

上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

变压器工作原理动画演示

三、变压器的类型

变压器是一种静止电机，它可以将一种电压的电能转换为另一种电压的电能。

一、变压器分类及用途

电力变压器：

电力系统传输电能的升压变压器/降压变压器/配电变压器等。

问题5-1远距离输电为什么必须采用高压输电？

电炉变压器（专用）

给电炉（如炼钢炉）供电。

电焊变压器（专用）

给电焊机供电。

整流变压器（专用）：

给直流电力机车供电。

仪用变压器：

用在测量设备中。

电子变压器：

用在电子线路中。

二、变压器的工作原理

（1）原理图

一个铁心:

提供磁通的闭合路径。

两个绕组:

1次侧绕组（原边）N1,2次侧绕组（副边）N2。

（2）工作原理

当1次绕组接交流电压后，电流i0,该电流在铁心中产生一个交变的主磁通Φ。

Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2

e1=－N1dФ/dte2=－N2dФ/dt

如果略去绕组电阻和漏抗压降，则

u1/u2≈（-e1）/（-e2）=N1/N2

u1/u2≈（-e1）/（-e2）=N1/N2=k,k定义为变压器的变比。

5-2变压器的类型和结构

1、类型

除了按以上用途分类外，变压器还可以按相数/绕组数目/铁心形式/冷却方式等特征分类。

按相数分：

单相/三相/多相等

按绕组数：

双绕组/自耦/三绕组/多绕组

铁心形式：

心式/壳式

冷却方式：

干式/油浸式等

2、结构（电力变压器）

变压器主要部件是绕组和铁心（器身）。

绕组是变压器的电路，铁心是变压器的磁路。

二者构成变压器的核心即电磁部分。

除了电磁部分，还有油箱/冷却装置/绝缘套管/调压和保护装置等部件。

（1）铁心

型式：

心式（结构简单工艺简单应用广泛）/壳式（用在小容量变压器和电炉变压器）。

材料：

一般由0.35mm/0.5mm冷轧（也用热轧）硅钢片叠成。

铁心交叠：

相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。

偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通。

铁心柱截面形状：

小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。

容量大则级数多。

叠片间留有间隙作为油道（纵向/横向）。

（纵向油道见课本图5.13）

（2）绕组

一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。

绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。

（3）油/油箱/冷却/安全装置

器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。

变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。

变压器油起两个作用：

①在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用。

②变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。

油箱有许多散热油管，以增大散热面积。

为了加快散热，有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱。

这些都是变压器的冷却装置。

1油箱/2储油柜/3气体继电器/4为安全气道。

变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中。

储油柜使变压器油与空气接触面变小,减缓了变压器油的氧化和吸收空气水分的速度。

从而减缓了油的变质。

故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体继电器发出报警信号或切断电源。

如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。

5-3变压器的额定值

（1）额定电压U1N/U2N

单位为V或者kV。

U1N为正常运行时1次侧应加的电压。

U2N为1次侧加额定电压、2次侧处于空载状态时的电压。

三相变压器中，额定电压指的是线电压。

（2）额定容量SN

单位为VA/kVA/MVA

SN为变压器的视在功率。

通常把变压器1、2次侧的额定容量设计为相同。

（3）额定电流I1N/I2N

单位为A/kA。

是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。

对单相：

I1N=SN/U1NI2N=SN/U2N

对三相：

I1N=SN/[sqrt（3）U1N]

I2N=SN/[sqrt（3）U2N]

（3）额定频率fN

单位为Hz,fN=50Hz

此外，铭牌上还会给出三相联接组以及相数m/阻抗电压Uk/型号/运行方式/冷却方式/重量等数据。

电容式电压互感器试验

第一章绪论

电压互感器作为一种电压变换装置（Transformer）是电力系统中不可或缺的设备，它跨接于高压与零线之间，将高电压转换成各种仪表的工作电压，（国标规定为100/√3和100V），电压互感器的主要用途有：

1）用做商业计量用。

主要接于变电站的线路出口和入口上，常用于网与网、站与站之间的电量结算用，这种用途的互感器一般要求0.2级计量精度，互感器的输出容量一般不大；2）用做继电保护的电压信号源。

这种互感器广泛应用于电力系统的母线和线路上，它要求的精度一般为0.5级及3P级，输出容量一般较大；3）用做合闸或重合闸检同期、检无压信号用，它要求的精度一般为1.0、3.0级，输出容量也不大。

现代电力系统，电压互感器一般可做到四线圈式，这样，一台电压互感器可集上述三种用途于一身。

电容式电压互感器（CapacitorVoltageTransformers，简称“CVT”）是50年代开始研制生产，经过科技人员不懈的努力，我国的电容式电压互感器技术已达到国际先进水平，但在生产、试验研究、以及使用过程中存在很多问题。

本文拟从电容式电压互感器的各种试验基本原理入手，着重说明电容式电压互感器基本试验方法，检验的目的以及在现场使用、现场检验方面存在的问题怎样通过试验的手段来判断等问题，以使产品设计、试验、销售、服务和运行部门的专业人员对其有一个比较全面的了解。

第二章电容式电压互感器试验要求

§1.基本试验条件

1.1试验的环境条件

为了保证试验的准确性、可靠性，所有试验应在一定条件下进行，试验时应注意试验环境条件并做好记录。

试验环境条件分为两种，一种为人工环境，这种情况下，一般在产品标准中都作了具体规定；另一种为自然环境条件，这种情况下，试验条件一般应遵循以下几条规律。

a）环境温度，应在+5～+35℃范围内。

b）试品温度与环境温度应无显著差异。

试品在不通电状态下在恒定的周围空气温度中放置了适当长的时间后，即认为与周围空气温度相同。

c）试验场所不得有显著的交直流外来电磁场干扰。

d）试验场所应有单独的工作接地可靠接地，应有适当的防护措施和安全措施。

e）试品与接地体或邻近物体的距离一般应大于试品高压部分与接地部分最小空气距离的1.5倍。

试验所用的工频电压波形应符合GB／T16927.1《高电压实验技术第一部分：

一般试验要求》的规定，频率为（0.9～1.1）fn。

1.2试验用标准

电容式电压互感器有三种用途即测量、保护和载波通讯，我们现使用的标准为GB/T4703-2000《电容式电压互感器》，为IEC60187：

1987等效采用版本，其中不包括耦合电容器和电容分压器部分，那末我们还需采用另外一个标准JB/T8169-1999《耦合电容器和电容分压器标准》。

另外，现场试验中，用户针对电容式电压互感器有其相应的验收规范，例如SD301-88《交流500kV电器设备交接和预防性试验规程》、SD333-89《进口电流互感器和电容式电压互感器技术规范》、GB50150-91《电气安装工程和电气设备交接试验标准》，其中都有有关试验内容。

另外个企业也由企业标准，如西安西电电力电容器有限责任公司的企业标准为0KF.604.046-1999《电容式电压互感器通用技术条件》。

§2.电容式电压互感器试验分类、项目及基本规则

2．1电容式电压互感器试验项目及分类

电容式电压互感器从产品结构上分为电容分压器和电磁装置两部分，从试验项目上分为三部分，即电容分压器部分试验项目、电磁装置部分试验项目、电容式电压互感器整体部分试验项目。

而每一部分分为型式试验和出厂试验两部分，另外有用户的交接试验。

试验项目及分类见表1、表2。

表1电容式电压互感器试验项目

试验类别项号试验项目注

出

厂

试

验1外观检验整体部分

2密封性试验整体部分

3绕组的极性检验电磁单元部分

4电磁单元的工频耐受电压试验电磁单元部分

5低压端子对地工频耐受电压试验电磁单元部分

6保护装置工频放电电压试验电磁单元部分

7准确度试验整体部分

型

式

试

验1雷电冲击耐受电压试验整体部分

2操作冲击耐受电压试验整体部分

3铁磁谐振试验整体部分

4瞬变响应试验整体部分

5电磁单元的工频耐受电压试验（湿试）电磁单元部分

6电磁单元的温升试验电磁单元部分

7承受短路能力试验整体部分

8准确度试验整体部分

图1极性检验

表2耦合电容器及电容分压器试验项目

试验类别项号试验项目注

出

厂

试

验1外观检验

2密封性试验

3工频下电容测量

4端子之间的工频或操作冲击试验

5低压端子对接地端子工频耐受电压试验

6测量损耗角正切值

7局部放电试验

型

式

试

验1高频电容及等值串联电阻测量

2低压端子对地杂散电容及杂散电导测量

3操作冲击耐受电压试验（干试）

4工频交流电压或操作冲击电压试验（湿试）

5雷电冲击耐受电压试验

6放电试验

7局部放电试验

8测量电容温度系数

9机械强度试验

2.2电容式电压互感器检验的基本规则

检验项目分为出厂试验、型式试验、验收试验三部分，各部分检验的基本规则如下：

a）出厂试验

出厂试验的目的

在于检验制造中的缺陷和测定互感器的准确度，所以出厂试验由制造厂对需出厂的每一台互感器进行。

误差试验应在耐受电压试验之后进行，其余项目的次序可不作规定。

这里的耐受电压试验包括电容分压器、电磁单元各部件的工频耐压，保证误差试验时CVT完好。

b）型式试验

型式试验的目的

在于考核互感器的设计、材料和制造等方面是否满足试验标准及技术条件所规定的性能和运行要求。

进行型式试验的时间和周期

新产品研制出来时应进行型式试验。

在生产过程中，当材料、工艺或产品结构等有所改变，且其改变有可能影响产品的性能时，应重新进行型式试验，此时允许只进行与这些改变有关的试验项目。

在正常生产中，型式试验应至少每五年进行一次。

有关要求和规定

用来作型式试验的互感器应首先进行出厂试验。

出厂试验合格后，方可进行型式试验。

其出厂试验结果也应在型式试验报告中给出。

型式试验中的所有耐受电压试验的试验项目应在同一台互感器上进行。

c）验收试验

验收试验的目的

验收试验主要是购买方在安装前进行的试验。

是为了检验互感器在运输中有否受到损伤，确保所安装的互感器是良好的。

有关要求和规定

一次端子间的工频耐受电压试验值应不超过规定试验电压的75％。

准确度试验应在允许频率范围和额定电压下进行。

第三章电容式电压互感器基本试验内容

综合两个国标的内容，电容式电压互感器的基本试验项目有以下十六条，具体内容如下：

1）外观检验

试验目的

检验互感器的外观性能。

检验互感器的金属件外露表面是否具有良好的防腐蚀性能，产品铭牌及端子标志是否符合图样要求。

试验方法

目测，观察。

2）密封性试验

试验目的

检验互感器（包括电容分压器和电磁单元）各密封部位的密封性能。

试验方法

图1极性检验

电磁单元的密封性试验方法一般由制造厂规定，一般通过给试品充油压或给试品加温进行，具体要求和方法有制造厂提出。

3）绕组的极性检验

试验目的

检验互感器的极性是否正确，为后面的试验项目做好准备，防止误差试验时仪器故障。

标有大写体和小写体的同一字母的端子，在同一瞬间应具有同一极性，即所谓减极性。

试验方法

a．电磁单元绕组的极性检验一般用直流法进行，如图1所示，用1.5V干电池的正极接在一次绕组的A端，负极接在一次绕组的X端，直流毫安表的正极接在二次绕组的a端，负极接在二次绕组的n端,瞬间接通开关，电流表按顺时方向摆动为减极性。

4）耐受电压试验

试验目的

保证试品的绝缘性能，使试品在系统运行时能够承受来自系统的各种过电压的冲击。

互感器的高压端子和接地端子之间的绝缘应能承受如表3所列的耐受电压。

表3绝缘耐受电压kV

互感器额定一次电压额定短时工频耐受电压

方均根值额定雷电冲击耐受电压

峰值额定操作冲击耐受电压

峰值

35／80／951）185／2002）——

66／140325——

160350

110／185／2001）450／4802）——

550

220／360850——

395950

330／5101175950

500／68015501175

7401675

注：

对同一额定电压给出两个绝缘水平者，在选用时应考虑到电网结构及过电压水平、过电压保护装置的配置及其性能、可接受的绝缘故障率等。

1）斜线下的数据为外绝缘的干耐受电压。

2）斜线下的数据仅用于内绝缘。

标准中规定了安装运行地区的海拔超过1000m绝缘水平，若安装运行地区的海拔超过1000m但不高于1000m，则应按海拔高度来折算。

用标准规定的额定耐受电压乘以海拔校正系数Ka，Ka计算公式如式

（1）。

（1）

式中：

H——安装地区的海拔高度，m。

试验方法

图2工频耐压试验

（一）短时工频耐受电压试验

如图2所示，相应的试验电压施加于高压端子与接地端子之间（低压端子与接地端子相连接）。

耐受时间1min。

试验前后可用电桥测量电容及介损，用于判断是否有元件击穿等故障发生。

短时工频耐受电压试验可分为干试与湿试，试验可分别对电容分压器和电磁单元进行。

对于电容分压器的试验，湿试不允许分节进行，干试可分节进行。

若分节进行试验，应按公式

（2）来计算单节试验电压。

（2）

对于电磁单元部分的试验，试验过程中应注意以下几个问题：

①电磁单元中压回路的耐受电压水平按下式（3）计算，

（3）

式中：

t—互感器高压端子和接地端子间的试验电压；

、—分别为电容分压器的高压电容和中压电容；

—电压分布不均匀系数，可取1.05。

②对于电磁单元的工频耐受电压试验，试验前把电磁单元与电容分压器分开。

当电磁单元的中压端子外露时，型式试验应在淋雨状态下进行。

试验分别对电磁单元的变压器、电抗器和铁磁谐振阻尼装置进行，试验时应注意将阻尼装置与变压器的连接线拆开。

电磁单元内若接有过电压保护用放电器件，在试验时也应将其连接线拆开。

③对变压器一次绕组进行试验时，试验电压值应为按式（3）计算。

试验电压可以直接用单独电源来供给，也可以由二次侧感应得到。

无论用哪一种方式得到试验电压，均应在高电压侧测量试验电压。

当电压升到试验电压值以后，历时间1min，然后立即把电压降下来。

在试验过程中应注意：

变压器的铁心、未接电源的二次绕组的一个端子和一次绕组的低电压端子以及油箱外壳均应接，而未接电源的绕组处于空载状态。

试验时，为避免铁心过度饱和，试验电压的频率可以增加到额定值以上。

如果频率超过额定值的两倍，试验时间可以减小到按式（4）计算之值，但不得短于15s。

（4）

式中：

t—用频率为t的电压来试验时所需经历的时间，单位s。

t—试验电压的频率。

在试验中有否损坏，可以用在试验前后测量变压器的空载电流和损耗的方法来检验。

①电抗器的耐受电压试验用单独电源来进行，历时1min。

电抗器绕组的端子之间的绝缘水平及其保护器件的放电电压，应与在二次侧短路和开断等过程中电抗器上可能出现的最大过电压水平相适应。

具体数值由制造厂规定。

为避免铁心过度饱和，可以提高试验电压的频率，此时试验时间按上述规定适当缩短。

②）电磁单元中压回路的接地端子与地之间，二次绕组的端子（含附件）对地及其相互之间的绝缘应能承受工频3kV（方均根值）的试验电压，历时1min。

b）电容分压器的低压端子对地绝缘应能承受工频10kV（方均根值）的试验电压，历时1min，若低压端子不暴露在风雨中，则试验电压为4kV（方均根值）

（二）雷电冲击耐受电压试验

雷电冲击耐受电压试验在互感器整体上进行，试验电压的波形为（1.2～5）／（40～60）s。

也可分别对电容分压器（不允许分节进行）和电磁单元进行，电磁单元试验电压按变比计算得到。

试验时，应施加正极性和负极性冲击各15次，如果在连续的15次冲击中未发生多于2次的闪络且未发生击穿，则认为互感器通过了试验。

（三）操作冲击耐受电压试验（湿试）

操作冲击耐受电压试验（湿试）在互感器整体上进行，试验电压的波形为250／2500s。

也可仅对电容分压器进行（不允许分节进行），而电磁单元则用上述短时工频耐受电压试验考核。

操作冲击耐受电压试验时，应施加正极性和负极性冲击各15次，如果在连续的15次冲击中未发生多于2次的闪络且未发生击穿，则认为互感器通过了试验。

操作冲击试验只对330kV以上产品进行，这和系统中过电压存在和保护水平有关。

若试品进行了操作冲击湿耐受电压试验，则不需再进行工频湿试验和操作冲击干耐受电压试验。

5）磁单元的温升试验

试验目的

检验互感器在正常及系统故障情况下的温升情况。

试验方法

试验只在电磁单元上进行，在额定频率和规定负荷（功率因数为0.8（滞后）～1之间的任一数值）下，给试品施加规定电压，当每小时的温度上升值不超过1℃时，即认为已达到稳定状态。

规定负荷即每个二次绕组上分别接有各自最大负荷来进行本试验，如果互感器规定了极限热负荷，试验时应加极限热负荷值。

电压测量应在一次绕组上进行，因为实际二次电压可能明显地降低。

绕组温升应采用电阻法测量。

对电阻值很小的绕组，也可以采用热电偶法测量。

其他部位的温升可用温度计或热电偶法测量。

试验程序为：

a）不论其额定电压因数和允许运行时间如何，对所有互感器的电磁单元均应在二次绕组接有额定负荷（如果有多个额定负荷值，应取最大者）和剩余电压绕组不接负荷的条件下，施加1.2倍额定电压连续进行试验，直到温度达到稳定为止。

如果规定了热极限输出，电磁单元还应增加如下试验，即在额定一次电压和对应其热极限输出且功率因数为1的负荷下进行试验。

如果对一个或多个二次绕组规定了热极限输出，应分别对其进行试验，除非另有规定，每次试验只有一个二次绕组连接对应其热极限输出且功率因数为1的负荷。

此时，其他二次绕组不接负荷。

此时各绕组的温升应不超过60℃。

b）额定电压因数为1.5（或1.9）、允许运行时间为30s的互感器，其电磁单元应在a）项1.2倍额定电压下的温升试验达到稳定状态后，立即施加1.5（或1.9）倍额定电压（此时二次绕组和剩余电压绕组应接有最大的额定负荷），历时30s。

此时各绕组温升应不超过70℃。

本试验也可以从冷态开始，各绕组温升应不超过10℃。

c）额定电压因数为1.9、允许运行时间为8h的互感器，其电磁单元应在a）项1.2倍额定电压下的温升试验达到稳定状态后，立即施加1.9倍额定电压（此时二次绕组应接有最大的额定负荷，剩余电压绕组接有额定负荷或热极限负荷），历时8h。

此时各绕组温升应不超过70℃。

在上述各种试验条件下，电磁单元的铁心及其他金属件表面、油顶层的温升应不超过50℃。

另外，新的IEC标准规定，如果安装地区的海拔超过1000m，海拔每升高100m，互感器的温升应相应降低。

对于充油的电磁装置应降低0.4%；对于干式电磁装置应降低0.5%。

电阻法测量绕组平均温度：

图3电阻法测温升

在温升试验结束并切断电源之后，立即测量绕组的直流电阻。

应在停电后1min内测出第一个读数。

然后在8min～10min内每隔相等的时间（30～60s）测定一个电阻值依次记录为R1、R2、R3、……RK。

其后再隔5～10min补充测量一个参