变压器基础原理

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变压器基础原理
Transformer Fundamentals

变压器是利用电磁学的电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能的一种电器设备，它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。 

图1是单相变压器的原理模型，由铁心与套在铁心上的两个绕组组成，铁心由导磁性能好、磁滞损耗小的材料制成。与电源相连的线圈为一次绕组，与负载相连的线圈为二次绕组。 U1为输入一次绕组的电压，N1为一次绕组的匝数， U2为二次绕组输出的电压，N2为二次绕组的匝数。

变压器利用电磁感应原理实现电压的转换

单相变压器原理

当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的交流电，根据变压器的基本原理有： 

U1/U2=N1/N2 =k     k=电压比（匝数比）   即输出电压U2=U1*N2/N1

其输入电压，输出电压、铁芯磁通的波形图见图2，图中t表示波形移动方向。

变压器的一次绕组与二次绕组电压与铁芯磁通波形图

单相变压器波形图


我们平常使用的都三相交流电，图3是三相变压器的原理模型，它由A相绕组、B相绕组、C相绕组与铁芯组成。

三对绕组星形接法的三相变压器

三相变压器原理

三对绕组完全相同，每对绕组包含一次绕组与二次绕组，其匝数比为k。 三个一次绕组的相同端接在一起，三个二次绕组的相同端接在一起组成星形接法。

当这是一个理想变压器时，在一次绕组输入按正弦规律变化的三相交流电时，根据变压器的基本原理有： 

U1A、U1B、U1C分别为三相的输入电压，U2A、U2B、U2C分别为三相的输出电压。 

U1A/ U2A =U1B/ U2B =U1C/U2C=k 

三相变压器的输入输出电压波形图见图4，图中t表示波形移动方向。

三相变压器三对绕组的波形图
 

电力变压器的构造
Three-phase Transformer Structure
这是一个三相电力变压器的模型。从外观看主要由变压器的箱体、高压绝缘套管、低压绝缘套管、油枕、散热管组成。

三相电力变压器外观图

三相电力变压器

移去变压器箱体可看到变压器的铁芯与绕组，铁芯由硅钢片叠成，硅钢片导磁性能好、磁滞损耗小。在铁芯上有A、B、C三相绕组，每相绕组又分为高压绕组与低压绕组，一般在内层绕低压绕组，外层绕高压绕组。图2左边是高压绕组引出线，右边是低压绕组引出线。

三相电力变压器的铁芯与绕组

电力变压器的铁芯与绕组

把铁芯与绕组放入箱体，绕组引出线通过绝缘套管内的导电杆连到箱体外，导电杆外面是瓷绝缘套管，通过它固定在箱体上，保证导电杆与箱体绝缘。为减小因灰尘与雨水引起的漏电，瓷绝缘套管外型为多级伞形。右边是低压绝缘套管，左边是高压绝缘套管，由于高压端电压很高，高压绝缘套管比较长。

三相电力变压器的高压绝缘套管与低压绝缘套管

电力变压器的绝缘套管

变压器箱体（即油箱）里灌满变压器油，铁芯与绕组浸在油里。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕，有油管与油箱连通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油，防止空气中的潮气侵入。

电力变压器的油枕与散热管结构图

电力变压器的油枕与散热管

油箱外排列着许多散热管，运行中的铁芯与绕组产生的热能使油温升高，温度高的油密度较小上升进入散热管，油在散热管内温度降低密度增加，在管内下降重新进入油箱，铁芯与绕组的热量通过油的自然循环散发出去。

电力变压器内的油循环散热示意图

变压器油循环散热示意图

一些大型变压器为保证散热，装有专门的变压器油冷却器。冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管簇，由风扇的冷风使其迅速降温。油泵将冷却的油再打入油箱内，下图是一台容量为400000kVA的特大型电力变压器模型，其低压端电压为20kV，高压端电压为220kV。

装有变压器油冷却器的大型电力变压器

大型电力变压器

采用油冷却的变压器结构较复杂，由于油是可燃物，也就存在安全性问题。目前，在城市内、大型建筑内使用的变压器已逐渐采用干式电力变压器，变压器没有油箱，铁芯与绕组安装在普通箱体内。干式变压器绕组用环氧树脂浇注等方法保证密封与绝缘，容量较大的绕组内还有散热通道，大容量变压器并配有风机强制通风散热。由于材料与工艺的限制，目前多数干式电力变压器的电压不超过35kV，容量不大于20000kVA，大型高压的电力变压器仍采用油冷方式。

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