【图说】变压器知识详解

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变压器知识详解

引言：
配电变压器，简称“配变”。指配电系统中根据电磁感应定律变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。配电变压器通常是指运行在配电网中电压等级为10-35kV（大多数是10kV及以下）、容量为6300KVA及以下直接向终端用户供电的电力变压器。
1. 分类
1.1按安装位置分类
配电变压器根据安装位置分为室内和室外。
室外安装分为台墎式、杆塔式和落地式（含预装式）。
1.1.1 杆塔式
杆塔式是将变压器安装在杆上的构架上。分为单杆式和双杆式。
当配电变压器容量在30KVA及以下时（含30KVA），一般采用单杆配电变压器台架。将配电变压器、高压跌落式熔断器和高压避雷器装在一根水泥杆上，杆身应向组装配电变压器的反方向倾斜13°-15°。
当配电变压器容量在50KVA～315KVA时一般采用双杆式配电变压器台。配电变压器台由一主杆水泥杆和另一根副助杆组成，主杆上装有高压跌落式熔断器及高压引下线，副杆上有二次反引线。双杆配电变压器台经单杆配电变压器坚固。
杆塔式安装的优点：占地少、四周不需围墙或遮栏，带电部分距地面高，不易发生事故。缺点：台架用钢材较多，造价较高。               

1.1.2 台墩式        
台墩式是在变压器杆下面用砖石砌成0.5-1m的四方墩台，将变压器放在上面。一般安装315KVA以上的变压器。

大家看看原来农村安装简易的台墩式变压器：

台墩式变压器安装应注意：
（1）变压器四周应装设不低于1.8m的牢固的遮栏或砌围墙，门应加锁并由专人保管。
（2）遮栏、围墙距变压器应有足够的安全操作距离。
（3）应在电杆或围墙上悬挂“高压危险，不许攀登”等警告牌，防止人、畜接近。
台墩式安装的优点：造价低，便于维护检修。缺点：占地较多，周围要装设遮栏，小动物易爬到带电部分上去，易发生受外力破坏事故。
1.1.3 落地式
落地式是指将变压器直接放在地面上，高压引下线、跌落式熔断器和避雷器等均在线路终端杆上。
落地式变压器安装应注意：
（1）变压器四周必须装设可靠的遮栏，门要加锁并由专人保管。
（2）遮栏外须挂“高压危险，不许攀登”等警告牌。
（3）因变压器的带电部分距地面很低，因此必须在切断电源后方可进入遮栏内。
1.2 按冷却方式分类
根据冷却方式分可分为油浸式和干式变压器。
油浸式变压器依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。干式变压器依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。
1.2.1 油浸式变压器按外壳型式分为：
1) 非封闭型油浸式变压器：主要有S8、S9、S10等系列产品，在工矿企业、农业和民用建筑中广泛使用。
2) 封闭型油浸式变压器：主要有S9、S9-M、S10-M 等系列产品，多用于石油、化工行业中多油污、多化学物质的场所。
3) 密封型油浸式变压器：主要有BS9、S9- 、S10- 、S11-MR、SH、SH12-M等系列产品，可做工矿企业、农业、民用建筑等各种场所配电之用。
1.2.2干式变压器按绝缘介质分为：
1) 包封线圈式干式变压器：主要有SCB8、SC（B）9、SC（B）10、SCR-10 等系列产品，适用于高层建筑、商业中心、机场、车站、地铁、医院、工厂等场所。
2) 非包封线圈干式变压器：主要有SG10 等系列产品，适用于高层建筑、商业中心、机场、车站、地铁、石油化工等场所。
1.3 调压方式分类
根据调压方式可分为有载调压和无载调压。
所谓无载调压和有载调压都是指的变压器分接开关调压方式。区别在于无载调压开关不具备带负载转换档位的能力，调档时必须使变压器停电。而有载分接开关则可带负荷切换档位。
1.4相数分类
根据相数分为单相变压器和三相变压器。
单相变压器单相变压器即一次绕组和二次绕组均为单相绕组的变压器。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。

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。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成，如下图所示。

铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡流和磁滞损耗，铁心由涂漆的硅钢片叠压而成;两个线圈之间没有电的联系，线圈由绝缘铜线（或铝线）绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈（或原线圈），另一个线圈接用电器称为次级线圈（或副线圈）。实际的变压器是很复杂的，不可避免地存在铜损（线圈电阻发热）、铁损（铁心发热）和漏磁（经空气闭合的磁感应线）等，为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是：忽略漏磁通，忽略原、副线圈的电阻，忽略铁心的损耗，忽略空载电流（副线圈开路原线圈线圈中的电流）。例如电力变压器在满载运行时（副线圈输出额定功率）即接近理想变压器情况。
变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时，铁心中便产生交变磁通，交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的，φ也是简谐函数，表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知，原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1，U2=e2（原线圈物理量用下角标1表示，副线圈物理量用下角标2表示），其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ，令k=N1/N2，称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k，即变压器原、副线圈电压有效值之比，等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。
进而得出：
U1/U2=N1/N2
在空载电流可以忽略的情况下，有I1/ I2=-N2/N1，即原、副线圈电流有效值大小与其匝数成反比，且相位差π。
进而可得
I1/ I2=N2/N1
理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗，其效率为η=P2/P1。电力变压器的效率很高，可达90%以上。
3. 特征参数
额定容量
指变压器工作状态下的输出功率，用视在功率表示。用SN 表示，单位为KVA或VA。
额定电压
指单相或三相变压器出线端子之间施加的电压值。用UN表示，单位为KV或V。一次额定电压用UN1 表示，二次额定电压用UN2表示。
额定电流
指在额定容量和允许温升条件下，通过变压器一、二次绕组出线端子的电流，用IN表示，单位KA或A。一次绕组电流用IN1表示，二次绕组电流用IUN21 表示。
额定频率
批变压器设计时所规定的运行频率。用ƒN 表示，单位赫兹（HZ）。我国规定额定频率为50HZ。
空载损耗
空载损耗也叫铁损，指当以额定频率的宝宝电压施加于一侧绕组的端子上，别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W或KW。空载损耗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。
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。用I0表示。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，数值越小。
负载损耗
负载损耗也叫短路损耗、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W或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。
变比
变压器高压侧额定电压与低压侧额定电压之比，即UN1/UN2。
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.
阻抗电压（%）
把变压器的二次绕组短路,在一次绕组慢慢升高电压,当二次绕组的短路电流等于额定值时,此时一次侧所施加的电压.一般以额定电压的百分数表示.
相数
三相开头以S表示，单相开头以D表示。
联结组标号
根据变压器一、二次绕组的相位关系,把变压器绕组连接成各种不同的组合,称为绕组的联结组。为了区别不同的联结组,常采用时钟表示法,即把高压侧线电压的相量作为时钟的长针,固定在12上,低压侧线电压的相量作为时钟的短针,看短针指在哪一个数字上,就作为该联结组的标号.如Dyn11表示一次绕组是（三角形）联结，二次绕组是带有中心点的（星形）联结，组号为(11)点。
4. 产品型号

4.1 产品类别代号
O-自耦变压器，通用电力变压器不标
H-电弧炉变压器
C-感应电炉变压器
Z-整流变压器
K-矿用变压器
Y-试验变压器
4.2 相数
D-单相变压器
S-三相变压器
4.3 冷却方式
F-风冷式
W-水冷式
注：油浸自冷式和空气自冷式不标注
4.4 油循环方式
N―自然循环
O―强迫导向循环
P―强迫循环
4.5 绕组数
S―三绕组
注：双绕组不标注
4.6 导线材料
L―铝绕组
注：铜绕组不标注
4.7 调压方式
Z―有载调压
注：无载调压不标注
4.8 性能水平代号（设计序号）

4.9 特殊用途或特殊结构代号
Z――低噪声用；
L――电缆引出
X――现场组装式；
J――中性点为全绝缘；
CY――发电厂自用变压器
4.10 变压器的额定容量
变压器的额定容量，单位为KVA。
4.11 变压器的额定电压
变压器的额定容量，单位为KV。
5. 常用变压器
5.1油浸式变压器
配电变压器为工矿企业与民用建筑供配电系统中的重要设备之一，它将10（6）kV或35kV网络电压降至用户使用的230/400V 母线电压。此类产品适用于交流50（60）Hz，三相最大额定容量2500kVA（单相最大额定容量833kVA，一般不推荐使用单相变压器），可在户内（外）使用，容量在315kVA 及以下时可安装在杆上，环境温度不高于40℃，不低于-25℃，最高日平均温度30℃，最高年平均温度20℃，相对湿度不超过90%（环境温度25℃），海拔高度不超过1000m。

10kV级S11系列配电变压器技术参数：

5.2干式变压器
干式变压器广泛用于局部照明、高层建筑 、机场，码头CNC机械设备等场所，简单的说干式变压器就是指铁芯和绕组不浸渍在绝缘油中的变压器。冷却方式分为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF）。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。

10kV级SCB10系列配电变压器技术参数：

5.3干式变压器与油式变压器比较

6.箱变（组合箱式变电站）
6.1概述
箱式变电站，又叫预装式变电所或预装式变电站。是一种高压开关设备、配电变压器和低压配电装置，按一定接线方案排成一体的工厂预制户内、户外紧凑式配电设备，即将变压器降压、低压配电等功能有机地组合在一起，安装在一个防潮、防锈、防尘、防鼠、防火、防盗、隔热、全封闭、可移动的钢结构箱，特别适用于城网建设与改造，是继土建变电站之后崛起的一种崭新的变电站。箱式变电站适用于矿山、工厂企业、油气田和风力发电站，它替代了原有的土建配电房，配电站，成为新型的成套变配电装置。
近年来，低压供电的负荷密度不断增大，对供电的可靠性和质量也提出了很高的要求。在这种情况下，如果以某一较大容量的变电所为中心，以低压向周围的用户供电，将耗费大量的有色金属，电能损耗很大，还不能保证供电质量。反之，如果以高电压深入负荷中心，在负荷中心建变电所，就能缩短低压供电半径，提高供电质量，节约有色金属，降低电能损耗。在负荷中心最适宜建设箱式变电所。
高压／低压预装箱式变电站(所)也称为箱式变电所或组合式变电所（组合箱式变电站）、成套变电站、可移动变电站，产生于二十世纪七十年代，国内已有若干厂家生产。其构造大体上是一个箱式结构，设有高压开关小室、变压器小室及低压配出开关小室三个部分，额定电压为10、35kV，可安装1600kVA及以下变压器。其特点是：占地面积小；工厂化生产、速度快、质量好；施工速度快，仅需现场施工基础部分；外形美观，能与住宅小区环境协调一致；适应性强，具有互换性，便于标准化、系列化；维护工作量小，节约投资。
因此，箱式变电所无论国外、国内都受到重视与欢迎，可得到普遍地应用，是非常有前景的电气设备，已被广泛用于工厂、矿山、油田、港口、机场、车站、城市公共建筑、集中住宅区、机关单位、学校、商业大厅和地下设施等场所。
目前，国内各种不同型号的组合式变电站品种很多，其中包括户外式、户内式、全封闭型、半封闭型，带走廊型、不带走廊型，组合式、固定式、装置式，干式变压器、油浸变压器，终端供电、环网供电等，可适应不同用户的需要。高压、变压器、低压三室的布置方式为目字形排列或品字形分隔方案。高压室设备元件选用引进、国产或进口的环网柜、负荷开关加限流熔断器、真空断路器。低压室由动力、照明、计量及无功补偿柜构成。通风散热设有风扇、温度自动控制器、防凝露控制器。箱壳大都采用普通或热镀锌钢板、铝合金板，骨架用成型钢焊接或用螺栓连接。

6.2分类
箱变型式可分为欧式、美式和一体化式。欧式箱变是将变压器作为一个单独部件，集高压柜、变压器、低压柜三位一体，按一定的接线方案组合在一个或几个箱体而构成紧凑型成套配电装置。箱体有两种构成方式，即“目”字形布置和“品”字形布置。“目”字形布置的高低压室较宽，便于实现环网或双电源接线的环网供电方案。

欧式箱变

美式箱变
欧式箱变的高压室一般是由高压负荷开关、高压熔断器和避雷器等组成的，可以进行停送电操作并且有过负荷和短路保护。低压室由低压空气开关、电流互感器、电流表、电压表等组成的。变压器一般采用 S9 或干式的等。
美式箱式组合变压器，其结构分为前后两部分，前部为接线柜，接线柜内包括高低压端子、高压负荷开关、插入式熔断器、高压分接开关操作手柄、油位表、油温计等；后部是油箱体及散热片，变压器绕组、铁心、高压负荷开关、插入式熔断器都在油箱体内。箱体采用全密封结构。一体化箱变为最近国内厂家研制，应用还不广泛，为双层结构，高、低压室置于变压器室上面。
欧式、美式和一体化式箱变各有优缺点，欧式箱变的体积较大，高低压开关和变压器都设于一个大壳体内，散热条件差，需装机械排风装置。美式箱变由于变压器冷却片直接对外散热，散热条件相对较好，但其造型较欧式差，其外观难与住宅小区等绿化环境配合。一体化箱变占地更少，优、缺点与美式箱变相似。另外，美式、一体化式箱变现国内只能制造630kVA容量以下的，欧式箱变却可达1250kVA。
普通箱式变电所型号分为三类
   （1）高压开关设备型号；
    （2）干式变压器柜型号；
    （3）低压开关设备型号。
     前三位字母符号的意义是：
      Z-组合式；B-变电站；N(W)-户内(户外，可不加)；X-箱式；Y-移动式。
6.3基本结构
箱式变电站结构与各种接线设备所需空间有关。环网、终端供电线路方案，设计有封闭、半封闭两大类,高低设备室分为带操作走廊和不带操作走廊式结构，可满足六种负荷开关、真空开关等任意组合的需要。高压室、变压器室、低压室为一字形排列，根据运输的要求设计有整体式和分单元拆装式两种。
箱体采用钢板夹层(可填充石棉)和复合板两种，顶盖喷涂彩砂乳胶。箱体具有防雨性能。为监视、检修、更换设备需要设计通用门，即可双扇开启也可单扇开启，变压器室设有两侧开门的结构。变压器小室有供变压器移动用的轨道(外壳明显处设置铭牌和危险标志)。
变电站的高低压侧均应装门，且有足够的尺寸，门向外拉，门上有把手、锁、暗闩，门的开启角度不小于90°，门的开启有相应的连锁。高压侧满足“五防”的要求。不带电情况，门开启后有可靠的接地装置，在无电压信号指示时，方能对带电部分进行检修。高低压侧门打开后，有照明装置，确保操作检修的安全。
外壳有通风孔和隔热措施，必要时可采用散热措施，防止内部温度过高。高低压开关设备小室内的空气温度应不致引起各元件的温度超过相应标准的要求。同时还采取措施保证温度急剧变化时，内部无结露现象发生。当有通风口时，应有滤尘装置。
箱式变电所的进出线方式可为下列 4 种之一：架空线进出、电缆进出、架空线进电缆出、电缆进架空线出。
箱式变电所高压受电设备采用高压负荷开关串接熔断器的方案，这种方案目前在国外城网配电领域里得到了广泛的应用，特别是作为箱式变电所高压受电保护方案尤为适宜。这主要是由于：
(1)这种保护方案基本能满足大多数箱式变电所使用场合的负荷情况，既能控制、分断正常负荷电流，又能承受和保护短路故障。
(2)由于体积小，易于在有限的空间内实现高压环网方案，从而更好地突出箱式站体积小的特点。
(3)线路简单，维修保养工作量小，特别适合箱式变电所无人值班的实际使用情况
(4)成本大大降低。断路器成本通常为相同额定参数负荷开关的2～3倍，采用高压负荷开关串接熔断器代替断路器突出了箱式站的自身特点，增加了与土建变电所的竞争能力。
目前国内几乎所有的生产厂，都在使用这种高压保护方案，它是箱式变电所高压受电设备的发展方向。
箱式变电所10kv配电装置常用负荷开关加熔断器和环网供电装置，从邻近架空线连接到变压器高压端。进线方式可采用电缆线或架空绝缘线。作为公用箱式变电所时，箱式变电所的低压出线视变压器容量而定，一般不超过4回，最多不超过6回，也可以一回总出线，到临近的配电室再进行分支供电。作为独立用户用箱式变电所时，可以采用一回路供电。
干箱式变电所的过电压保护，目前大多数箱式变电所内都装有避雷器，作为站内变压器和其他高压受电设备的过电压保护。
国内箱式变电所变压器低压侧主开关大致采用DZl0、DWl0、DWl5型3种自动开关，低压侧支路上采用的电器，大致有BM、BT系列熔断器和DZ、DW系列自动开关。在箱式变电所变压器容量为200～630kVA时，采用DWl0或DWl5作为低压主开关。当容量超过800kVA时，应尽量选用DWl5开关。
6.4常用箱式变压器介绍
美式箱式变是将变压器、负荷开关、保护用熔断器等设备统一设计，变压器的绕组和铁芯、高压负荷开关及保护用熔断器都在同一充满油的箱体内，没有相对独立的高低压开关柜。箱体为全密封结构，采用隐蔽式高强度螺栓及硅胶来密封箱盖；而低压室另外独立设置于油箱外。美式箱式变分为前、后两个部分，前面为高、低压操作间隔，操作间隔内包括有高低压套管、负荷开关、无载调压分接开关、插入式熔断器、压力释放阀、温度计、油位计、注油孔、放油阀等；后部为箱体及散热片。
欧式箱式变(预装式变电站)是将高压开关设备、配电变压器和低压配电装置放置在三个不同的隔室内，通过电缆或母线来实现电气连接的设备。高低压开关柜相对独立紧凑组合并与变压器预装在可以吊装运输的箱体内，变压器室、高压室及低压室都装有独立的门，因而其体积比美式箱式变较大。
地埋式变压器是一种将变压器、高压负荷开关和保护熔断器等安装在油箱之中的紧凑形组合式配电设施，安装时置于地坑之中。它具有不占用空间、可以在一定时间内浸没在水中运行、免维护等特点，有利于节约城市配电设施占地面积，因此在城网改造和建设中有广泛的应用前景。



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