浅析单相变压器的应用与推广.docx

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浅析单相变压器的应用与推广

毕业论文

浅析单相变压器的应用与推广

作者姓名：

戚长森

专业、班级：

电气自动化0803班

学号：

2008110302

校内指导教师：

张鸣

校外指导教师：

常明友

完成日期：

2011年8月20日

黄河水利职业技术学院自动化工程系

摘要

变压器是根据电磁感应定律，将交流电变换为同频率、不同电压交流电的非旋转式电机。

变压器是随着电磁感应现象的发现而诞生，经过许多科学家不断完善、改进而形成的。

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。

变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。

随着社会的发展，我们对更多购物区、地铁车站、工业综合性建筑、商业区和有大量人存在的高密度住宅区等基础设施的需求产生了更多的压力。

这又需要采用更复杂的配电电网来改善生活和工作在这些区域中的人的安全性。

常规配电是通过油浸配电变压器提供的。

100多年来，这些变压器一直是将浸有矿物油的基于纤维素的材料作为冷却介质。

矿物油除了是一种卓越的冷却和绝缘介质外，还十分易燃，并且当遇到火焰时可能会燃烧。

因此，当居民位于比较接近这级变压器的地方时就提出了更安全地配电的要求。

对为21世纪供能的供电设备的安全，高效和环境保护方面的这些日益增长的需求可以用过去四十年中已经验证的可靠技术来满足。

变压器正越来越替代油浸式变压器而常用于分配电能。

这类变压器能在严酷的环境和气候条件下工作，耐火，工作时无噪声，并可减少体积和降低重量以最大程度地减少使用空间，可以专供生产上使用。

这种变压器最适用于亚洲地区。

本文将对变压器的历史和发展作一个简要的阐述，并延伸至单相配电变压器，简要分析它的应用和推广前景。

关键词：

变压器；电磁感应；电源；绝缘材料；线圈

引言

变压器是一种静止的电机，他通过绕组间的电磁感应作用，可以吧一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能。

几十年来,我国低压配电网基本上沿用了原苏联三相四线制配电技术。

随着电力工业的深化改革,尤其在研究电网降低线损,提高企业效益过程中发现,我国单一的低压配电方式存在很多弊病,线路损耗大。

除了管理因素外,发达国家很重视配电电压优化,居民区、小商业区普遍采用挂杆单相变压器或由单相式变压器组成的三相变压器供电方式,直接以6kV或10kV高压送到用户;普遍采用小容量、密布点的方式,从而最大限度地减少低压线路,减少线损。

2006年全国工业企业节电技术研讨会会议总结里说，单相变压器结构简单、体积小、损耗低，主要是铁损小，适宜在负荷密度较小的低压配电网中应用和推广。

江苏电力公司五年来推广单相变压器效果明显，仅苏州市就累计使用1000多台，节电45GWH，经验值得推广。

有的资料显示单相变压器在发达国家得到广泛应用，例如美国、日本单相供电制成为居民供电的主要方式，在这种宣传下，有些人因此而认为单相供电具有“降损”的魔力，认为单相变压器比三相变压器更节能，认为单相供电制比三相供电制更优越。

其实不然，单相变压器与单相供电制只是当前三相供电制的补充形式，由于其自身特性的约束，它只能应用于某些特定的领域。

本文将对单相变压器的应用和推广前景作一个浅要的描述，以达到我们充分利用三相变压器与单相变压器各自优势与特点，根据用电负荷情况选用适合的变压器品种，以经济供电半径配置电源

1变压器的历史与应用

1.1变压器的雏形—感应线圈

1888年，英国著名物理学家弗莱明（J.A.Fleming,1849-1945）在他的名著《TheAlternatingCurrentTransformers》（交流变压器）中开宗明义地说：

“Attheheadofthislonglineofillustriousinvestigatorsstandthepre-eminentnamesofFaradayandHenry.Onthefoundation-stonsoftruthlaiddonebythemallsubsequentbuildershavebeencontenttorest”（在一大批研究变压器的杰出人士中，领头的是巨人法拉弟和亨利，他们奠定了真理的基石。

1831年8月29日，法拉第采用磁生电的实验发现了电磁感应现象。

法拉第进行这个实验的装置（法拉第感应线圈）实际上是世界上第一只变压器雏形，以后法拉第又作了数次实验，同年10月28日还制成了第一台圆盘式直流发电机。

同年11月24日，法拉第向英国皇家学会报告了他的实验及其发现，从而使法拉第被公认为电磁感应现象的发现者，他也顺理成章地成为变压器的发明人。

但实际上最早发明变压器的是美国著名科学家亨利。

1830年8月，时为纽约奥尔巴尼学院教授的亨利利用学院假期，采用实验装置进行磁生电实验发现了电磁感应现象。

这是非常直观的关键性实验，亨利这个实验装置也实际上是一台变压器的雏形。

但是，亨利做事谨慎，他没有急于发表他的实验成果，他还想再做一些实验。

然而假期已过，他只得将这件事搁置一旁。

后来他又进行了多次实验，直到1832年才将实验论文发表在《美国科学和艺术杂志》第7期上。

但是，在此以前，法拉第首先公布了他的电磁感应实验，介绍了他的实验装置，因此电磁感应现象的发明权只能归法拉弟，变压器的发明权也非法拉弟莫属了。

亨利虽然非常遗憾地与电磁感应现象的发现权和变压器的发明权擦肩而过，但他在电学上的贡献、对变压器发明的贡献则是有目共睹的。

特别值得一提的是，亨利实验装置比法拉弟感应线圈更接近于现代通用的变压器。

1.2变压器特性

（1）工作频率

变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。

（2）额定功率 

在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。

（3）额定电压

指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。

（4）电压比

指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。

（5）空载电流 

变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。

空载

电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。

对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。

（6）空载损耗

指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。

主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。

（7）效率

指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。

通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。

（8）绝缘电阻

 表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。

绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。

1.3变压器的应用

当前进行的城乡电网改造就是应用节能产品、节能技术改良电网结构，降低供电线损，提高电压质量，提高供电可靠性。

从当前城乡电网改造的情况来看，电源点的建设要坚持深入负荷中心，小容量、密布点、短半径布置。

在这个背景下，单相配电变压器因容量小、损耗小、重量轻、便于深人负荷中心得到关注。

本文主要分析作为电源使用的单相配电变压器应用和推广前景。

2变压器工作原理

2.1变压器工作简介

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电力系统中生产，输送，分配和使用电能的中的重要装置电力变压器（照图2-1）。

也是电力拖动系统和自动控制系统中电能传递或作为信号传输的重要元件。

图2-1变压器构造图

（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。

图2-2变压器原理图

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

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（如图2.2）：

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=4.44fN∮m（2.1）

式中：

E--感应电势有效值   f--频率  N--匝数   ∮m--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。

（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（2.2）

式中：

N1,N2，e1，e2分别为一，二次侧绕组的匝数和一，二次绕组的电动势

 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

U1/U2=E1/E2=N1/N2

 不计铁心损失，根据能量守恒原理可得

U1I1=U2I2

  由此得出一次、二次绕组电压和电流有效值的关系

U1/U2=I2/I1

  令K=N1/N2，称为匝比（亦称电压比），则

U1/U2=k

I1/I2=1/k

简单点讲，理想变压器的两个基本判断标准就是：

（Ⅰ）U1/U2=N1/N2，即对同一变压器的任意两个线圈，都有电压和匝数成正比。

（Ⅱ）P入=P出，即无论有几个副线圈在工作，变压器的输入功率总等于所有输出功率之和。

2.2变压器的分类

按冷却方式分类：

干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。

按防潮方式分类：

开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。

按铁芯或线圈结构分类：

芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。

按电源相数分类：

单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类：

电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。

2.3变压器的结构材料

（1）铁芯

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0.35-0.5mm， 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（如图2.3）和壳式两种 

变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。

我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000。

图2.3心式变压器结构示意图

（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

图2.4交叠式绕组图

（3）其他结构部件

 以典型的油侵式电力变压器为例，其他结构部件有：

油箱、储油柜、散热器、高压绝缘管套以及继电保护装置等外形如图2.5    

图2.5继电保护装置

3单相变压器的性能和技术特点

据国外配电网运行情况可知，单相变压器的应用一直较为广泛，这是因为和三相变压器相比它有其独特的优点，具体表现如下:

3．1结构简单

这决定了在使用同等材料的情况下，同等容量的单相变压器比三相变压器空载损耗小，从某种角度上说能够更好地适应节能降耗的需要。

以常用的100KVA及50KVA的变压器为例，其各项指标比较情况如表3.1所示。

表1单相变压器与三相变压器各指标比较

配电容量

型号

空载损耗/kw

年运行时间/h

空载损耗/kwh

三相100kVA

S9

0.30

8000

2400

单相100kVA

D10（CSP）

0.14

8000

1120

差值

0.16

1280

三相50kVA

S9

0.20

8000

1600

单相50kVA

D10（CSP）

0.09

8000

720

差值

0.11

880

按年运行8000h计，一台容量为l00kvA的D10型单相配电变压器其空载损耗比同容量的S9型三相配电变压器的少1280kWh，一台50kvA容量的则少880kWh。

可见，单相变压器和三相变压器的空载损耗相比，平均降低50%以上。

3．2制作体积小，架设方便

这使得高压线路可进一步接近、深入负荷点，从而缩小了低压供电半径，起到降低低压配网损耗的作用。

众所周知，在国内，低压配电网的损耗在电网中占有相当大的比例。

据悉，在城农网技术改造以前，我国城镇低压台片技术线损约在7%～12%,有些地区综合线损高达30%以上。

农村电网改造后提出了综合线损达到12%的目标，目前各地城镇正逐步靠近和达到这个目标。

低压配电网线损偏高的主要原因有2个：

一是由于居民用电、商业用电广泛采用三相变压器供电，电源点不宜接近负荷点，导致低压供电半径偏大，低压线路损耗降不下来，同时三相变压器供电时所产生的不平衡电流会对变压器引起附加损耗。

二是非技术线损偏高。

低压供电半径大，客观上给一些用户带来窃电的可乘之机，增加了用电管理的难度。

使用单相变压器供电，可以使高压电源最大程度地贴近用户，大幅度地缩短低压供电距离，这在很大程度上降低了低压线路损耗和防止了窃电的发生。

目前在低压配电网中广泛贯彻“小容量、密布点、短半径”的供电方式，事实证明这种方式能够明显地降低低压配网线损，而使用单相变供电则是落实这种方案的重要举措。

3．3工程造价相对节省

采用单相变压器供电，高压分支线路可实现两线架设、低压线路可实现两线或三线架设。

采用三相配电变压器供电，高压分支线路必须用三线架设，低压线路用四线架设。

因此，采用单相变压器供电，可节省大量电线，跌落保险器、避雷器、支架金具等材料也相应减少。

具不完全统计，从工程费用来看，采用单相变压器供电，高压线路建设约可节省10%工程造价，低压线路建设约可节省15%的工程造价。

单相变压器比同容量的三相变压器价格低20％左右，10kV配电线路两根导线架设，可减少投资约25％。

低于主干线采用符合要求的两根导线，可以减少投资约30％。

根据测算，采用单相配变平均每千伏安可节约投资400元。

相同容量的单相变压器与三相变压器相比，单相变压器的铁重轻20％,铜重少10％，节约这些国内紧块且价格昂贵的硅钢片和铜导线能获得很大的经济效益。

尤其是采用卷铁心结构时，变压器的空载损耗可下降15％以上，空载电流可下降30%～50％，这将使单相变压器的制造成本和使用成本同时下降，从而获得最佳的寿命周期成本。

3.4供电可靠性有所提高

单相变压器的使用适合于小容量密布点的供电方式，客观上会大大增加用户的数量。

从统计的角度上讲，增大了可靠性计算的基数，有利于供电可靠系数提高；从管理的角度上看，负荷紧张限电时拉路单台配电变压器的工作会缩小停电范围，也会减小对用户供电可靠性的影响；从结构上说，三相变压器的高低压三相线圈是共体组装的，任何一相线包出现问题都会引起整个变压器瘫痪，造成整个台区停电；从技术角度上分析，如果一个地区用一台三相变压器进行供电，无论是Y/Y。

或△/Y。

的接线方式，当一相熔丝因故熔断时，均会出现其余两相电压异常配情况（偏高或偏低），再者由于三相变压器的低压系统是采用380V/220V三相四线制进行供电的，如果发生零线短线，则会产生使线电压骤升的情况，这些现象都会影响对负荷的正常供电，降低供电可靠性，甚至会引起照明系统及电器设备的损坏，造成恶劣的影响。

如果改为单相变压器供电，就会在很大程度上避免这种情况，使供电可靠性得到保障。

3.5降损节能

单相变压器的推广与使用是实现“小容量、短半径、密布点”，达到降损节能的重要措施。

单相变压器比同容量的三相变压器铁损小5～10％。

同时可以减少由于三相变压器三相负荷不平衡带来的配变及线路的有功损耗。

又由于单相配变安装时深入负荷中心，缩短了低压线路，减少了低压线路损耗。

另一方面，单相变压器更容易实现容量与负荷匹配，尤其在淘汰高能耗配变时效果更加明显，这样既避免大马拉小车现象，又起到降损节能作用。

通过分析测算，采用单相变压器供电后可降损10%左右。

3.6电价合理稳定，便于管理

目前，乡镇和行政村多采用三相变压器供电，而单相变压器的供电多在自然村。

自然村一般五十户左右，表计分片集装、实行一户一表，便于相互监督。

由于单相变压器供电变损及线损较三相变压器供电小，电价一般可以控制在省批价格范围，电价稳定，群众满意。

同时，单相配变供电范围集中，安全维护方便，电费核算回收容易、有利于管理。

4单相变压器的应用

4.1单相变压器的使用范围

根据单相变压器的技术特点，宜在以下方面推广应用:

（1）城镇小区居民用电。

城镇居民小区的用电类型目前基本上是照明用电或单相动力用电（如空调、冰箱等家用电器），具备“高压到户”的条件。

根据住宅设计情况和负荷分布情况，可以采用1栋楼1台单相变压器或1个单元1台单相变压器的供电方式，尽量缩短低压网络的供电半径，如控制其不超过100m。

（2）农村的照明用电或小型动力用电，其负荷不大，而且负荷波动也不大，也可以适当配置小容量单相变压器。

（3）负荷密度低，负荷点少的地区。

国家电网公司《农村电网建设与改造技术原则》指出，负荷密度小、负荷点少和有条件的地区可采用单相变压器或单、三相变压器混合供电的配电方式。

针对郊区、农村有的村庄小而分散且没有太大三相动力负荷的特点，可采用照明和动力分开的单、三相变压器混合供电的供电方式。

装设单相变压器专供照明，并配设一台小容量的三相配变以供农村打场、排灌等小型动力之用。

在农闲的时候，可以将三相配电变压器退出运行。

（4）窃电现象比较严重的小区、街市。

高压电源“到户”，这样既可以杜绝低压电线乱拉乱搭的窃电现象，又便于分线、分台变考核线损。

（5）鼓励小工业用户从原综合变压器下用电转为专用变压器用电。

随着单相变压器的推广应用，有些两相小工业用户或商业用户可以装设专用单相变压器。

随着用电政策、电价政策的引导，工业用户安装专用变的情况会日趋普遍，这样便可以将居民照明用电和小工业三相动力用电分开，适当将三相变压器更换为单相变压器，减少公用低压线路及综合变的损耗，同时，还可使综合变的负荷趋于平衡，用户的电压更加稳定。

4.2使用单相变压器应注意的问题

目前厂家所生产的单相配电变压器多是以经退火工艺处理的优质冷轧硅钢片为铁心材料，采用卷铁心技术制作，其空载损耗、负载损耗和运行噪声都比S9型等三相变压器下降了许多。

联结组别标号为I、I0，接线方式基本上是两种:

（1）低压侧三抽头式。

低压侧绕组为单绕组且使用时中间抽头接地，形成两个绕组，高低压侧电压比为10kV/0.22kV。

低压侧三轴头式变压器接法见图4.1所示。

图1中a1，a2为相线，x1，x2为零线。

（2）低压侧四抽头式。

低压侧绕组为双绕组，2个绕组间无电气连接，高压侧与低压侧2个绕组之间的电压比均为10kV/0.22kV。

低压侧四抽头式变压器接法见图4.2所示。

图中a1，a2为相线，x1，x2为零线。

单相变使用时应注意以下问题:

（1）选用单相变压器时，低压侧一般采用三线供电的方式，即把x1，x2或X接做零线，且应可靠接地。

a1，a2接做相线且不能并联使用，两个相线上的负荷尽可能均匀分配，目的是使单相变压器低压侧中间抽头的零线电流趋于零，使得损耗最小。

（2）单相变低压侧供电可采用:

TT接地系统，此时零线可用开关控制；TN接地系统，此时零线不能用开关控制。

（3）单相变压器的高压搭头应考虑到尽量使得变电站10kV线路出口三相电流平衡。

如果10kV出线三相电流不平衡，一会增加主变的附加损耗，二会在系统内产生负序电压，严重时可能使主变压器后备复合电压闭锁过电流保护开放其闭锁回路，导致保护装置误动作。

因此，在加挂单相变压器之前应实测变电站10kV线路出口三相电流，本着三相电流平衡准则确定单相变高压侧搭头位置。

（4）单相变供电主要优势是针对单相负荷而言，因此需调查分析负荷构成及其地理环境情况，尽量做到把单相负荷与三相动力负荷分开并使变压器尽可能靠近负荷点。

（5）应进行负荷预测，选取适当容量的配电变压器。

一般情况下以20-100kVA为宜。

（6）采取环网供电时，适当装设分段或联络柱上开关，提高供电可靠性。

4.3单相变压器安装地点的选择

安装方式：

单相配电变压器安装叫采用单杆悬挂的方式，电杆选用12m重型水泥杆或15m水泥杆。

安装地点的选择：

经过调查研究，我们发现单相配电变压器的安装地点受地理因素限制少、负荷性质因索制约多。

一般具有以下几种情况：

（1）当二相配电变压器的供电半径过大，造成末端供电电压偏低，影响用户正常用电时，在供电末端安装单相配电变压器，可缩短低压供电半径，解决用户电压偏低问题。

（2）当二相配电变压器的负荷过重时，根据负荷特点，选择适当的支线安装单相配电变压器，可转移负荷，解决增容问题。

（3）在住宅小区无二相电用户的地点安装单相配电变压器向居民供电，可缩短低压供电半径，降低损耗。

（4）在负荷密度小、分布广、无二相电用户的地点安装单相配电变压器供电，可节约投资，解决电源点问题。

5单相变压器应用推广中的常见问题

5.1农网采用单相变压器供电会给高压配电线路带来不平衡

针对这一情况，我们在安装单相变压器时，根据配变容量、数量、T接位置，合理地把单相变压器分布在三相线路上。

同时，根据变电站提供的三相负荷变动规律、有目的地把单相变压器安装在负荷偏小的相线上。

这样，既解决了单相变压器安装造成的三相不平衡问题、又可以弥补由于三相变压器负荷不平衡带来的线路三相不平衡问题、使整条配电线路更加趋于负荷平衡。

5.2低压侧保护

单相变压器低压侧保护采用TT系统，即单相变压器低压侧两出线端子采取一端接地。

受电设备的外露可导电部分接在单独设置的接地极上。

单相变压器低压侧安装总配电箱，配电箱内装设与低压侧额定电流相匹配的保险和单相触电保安器。

用以防止变压器过载短路和防止人身触电伤亡。

6综合效益分析

在负荷分散，密度小，无二相电力用户条件下使用单相变压器时，具有如下优势：

6.1低压线损下降明显，电压合格率显著提高

用户供电可靠率得到提高单相配电变压器的供电半径仅为10～15m,与二相配电变压器相比，供电半径大大缩短，低压线损明显下降，实际统计，低压线损率可下降5%。

由于低压供电半径大大缩短，线路电压损耗小，到户电压合格率显著提高。

1台单相配电变压器仅向10～20户居民供电，当单相配变故障时，受影响的居民户数大幅减少，配电线路的供电可靠率得到较大提高。

6.2降低工程造价，节省台区费用

采用单相配电变压器供电，高压线路可按两线架设、低压线路可按两线或二线架设，而采用二相配电变压器供电，高压线路必须按二线架设，低压线路按四线架设。

从工程费用来看，高、低压线路工程造价可节省20％。

从台区建设费用来看，建一个H型配电台区