变压器空载和负载运行分析ppt课件

第8章 变压器
28
2、T型等效电路 T型等效电路的形成过程，见下图。
I&1 R1
X 1
R2
I&0
Rm
U&1
E&2 E&1E&2 E&1
E&2
Xm
X 2 I&2
U&2
Z L
T型等效电路的形成过程
第8章 变压器
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Γ型等效电路
对于电力变压器，一般 I1NZ1＜0.08U1N，且 I1NZ1 与 -E1是相量相加，因此可将励磁支路前移与电源并 联，得到Γ型等效电路。
1、空载电流的波形
电网电压为正弦波，铁 心中主磁通亦为正弦波。若 铁心不饱和（Bm < 1.3T）， 空载电流 i0 也是正弦波。
电力变压器，Bm= 1.4T ～1.73T，铁心都是饱和的 。其励磁电流呈尖顶波，除 基波外，还有较强的三次谐 波和其它高次谐波。
第8章 变压器
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2、空载电流与主磁通的相量关系
问题：一般电力变压器 的变比 k 较大，一、二 次侧的电压、电流差别
很大，计算不便，画相
量图更加困难。因此，
下面介绍分析变压器的 一个重要方法——等效 电路、折算。
第8章 变压器
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四、绕组归算(折算)及数学模型
所谓把二次侧折算到一次侧，就是用一个匝数为N1 的等效绕组，去替代变压器匝数为N2二次侧绕组，折 算后的变压器变比 N1/ N1=1 。
第8章 变压器
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4、简化等效电路和相量图
对于电力变压器，由于 I0＜0.03I1N，故在分析变压器满载及负 载电流较大时，可以近似地认为 I0＝0，将励磁支路断开,等效电 路进一步简化成一个串联阻抗，如图所示。

N1I0 N1 I0 N1 I1L N2 I2
N1 I1L - N2 I2
其中I1L远远大于I0，大部分用来抵抗副边电流引起的磁通量变化。
当负载运行时可认为I1L=I1。
I1
I2 k
或 I1 I2
1 k
N2 N1
k为变压器变比
一、二次电流比近似与匝数成反 比。可见匝数不同，不仅能改变 电压，同时也能改变电流。
产业信息
中国变压器设备-尤其是特种变压器-已 走向世界成为“中国制造” 品牌
谢谢聆听
P0 = PFe + Pcu ≈ PFe
铁损耗分量
铁损耗分量：符号为I10P，供给铁磁材料 铁损（磁滞和涡流损耗），为有功分量
Part 2 空载运行分析
思考
如果误将变压器高低压侧接反，会发生什么异常现象？
变压器低压侧如果接到高压电源上，则铁心主磁 通Φm会增加，磁路饱和程度增加，因而励磁电流I0大 大增加，有可能烧毁线圈（励磁电流随磁路饱和程度 增加而急剧增大）
单相变压器空载运行示意图
Part 2 空载运行分析
空载电流的作用与组成
I10 I10Q I10P
励磁分量
励磁分量：符号为I10Q，用来建立主磁 通，相位与主磁通相同，为无功分量
变压器空载运行时，只从电源吸收少量有功功率P0， 用来供给铁心中铁损PFe和少量绕组铜损Pcu=R1I102 （可忽略不计）。容量越大，空载功率P0越小
Part 3 变压器的负载运行
变压器作用 通过对变压器负载运行的分析，可以清楚地看出变压器具有变电压、 变电流、变阻抗的作用。
• 变换电压 U1/U2≈E1/E2=k=N1/N2
• 变换电流 I1/I2≈N2/N1=1/k

I Z I Z I Z U1 E 1 0 1 0 m 0 1 (r jX ) I (r jX ) I
0 1 1 0 m m
(3-16)
根据式 (3-16) 可画出对应的电路 , 如
图3-11 所示。
3.2.5 空载运行时的相量图 ①以 m 为参考相量
U1N/U2N=380V/220V,r1=0.14Ω ,r2=0.035Ω ， X1=0.22Ω , X2=0.055Ω , rm=30Ω ,Xm=310Ω 。一次侧加额定频率的 额定电压并保持不变,二次侧接负载阻抗ZL=(4+j3) Ω 。 试用简化等效电路计算：
(3-11)
在 电 力 变 压 器 中 , 由 于 Iμ 》IFe, 当 忽 略 IFe 时,I0≈Iμ ,因此把空载电流近似称为励磁电流。 空载电流越小越好 , 一般电力变压器 ,I0=2%～ 10%,
容量越大,I0相对越小,大型变压器I0在1％以下。
2. 空载损耗 变压器空载运行时 , 空载损耗p0 主要包括铁心损耗




同理
dΦ e2 N 2 2fN 2 m sin t 90 E2 m sin t 90 dt
e2也按正弦规律变化,但e1、e2滞后于Φ90°,且感应电动势 的有效值为 结论1




（3-7） 由上式可知,当主磁通Φ按正弦规律变化时,电动势e1、
E1m m N1 2fN1 m E1 4.44 fN1 m 2 2 2
路的电磁效应,X1=ω L1σ 由于漏磁通的路径是非铁磁性物质,磁路不会饱和, 是线性磁路 , 因此对已制成的变压器 , 漏电感Ｌ 1σ 为常 数,当频率f一定时,漏电抗X1也是常数。

06
变压器空载运行的未来发展
提高变压器的效率
优化变压器设计
通过改进变压器结构设计、选择更优质的材料和采用先进的 制造工艺，减少变压器的损耗和提升其效率。
高效变压器产品的研发
研发出更高效、更节能的变压器，以满足电力传输和分配的 更高要求。
提高变压器的可靠性
增强变压器保护措施
通过增加变压器保护装置，如过载保护、短路保护和过电压保护等，提高变 压器的运行可靠性。
02
变压器空载运行与负载运行
变压器空载运行与负载运行的比较
空载运行指变压器二次侧开路，一次侧通过励磁电流维持 磁场，不向外部输送功率；负载运行指变压器二次侧有负 载，通过传输电能向外部输送功率。
空载运行时，变压器铁损（铁芯涡流损耗和磁滞损耗）和 铜损（线圈电阻损耗）为主要损耗；负载运行时，变压器 传输的功率和铜损为主要损耗。
05
变压器空载运行的安全措施
安装和操作安全要求
确保变压器安装牢固、可靠，避免出现晃动或 位移。
在操作过程中，应穿戴适当的个人防护装备， 如绝缘手套ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ护目镜。
保持操作现场整洁，避免杂物和人员走动，以 免影响操作安全。
维护和检修安全要求
制定详细的维护和检修计划，并按照计划进行实施 。
在维护和检修前，必须了解变压器的结构和工作原 理，并遵循相关的安全规定。
绝缘电阻异常处理
如果测量结果异常，需要进一步检查变压器的内部结构和绕组情况，确定故 障位置并进行维修或更换。
听变压器的声响
正常声响的判断
正常运行中的变压器会发出嗡嗡声，这是由于磁场作用在铁芯和绕组上产生的振 动所引起的。如果变压器的声响过大或者存在其他异常声响，可能是故障的征兆 。

16
基本铜耗：原、副边绕组中电流引起的直流电阻 的损耗。
附加铜耗：导体在交变漏磁场作用下引起集肤效 应，有效电阻增大而增加的铜耗。
9
基本铁耗：铁心中的磁滞和涡流损耗。 附加铁耗：结构件中的涡流损耗
额定电压下， 磁密基本不变，
总损耗：
10
11
3.效率 (1)公式
假定a b
不变：
12
pKN:额定电流时的额定短路损耗 ,
2-5 变压器的运行特性
变压器的运行特性主要有外特性 (副边电压变 化率 ) 和效率 1.外特性
当原绕组外施电压和负载功率因数不变时， 副 边端电压随负载电流变化的规律。 U2＝f (I2)
2. 效率特性 当原绕组外施电压和副绕组的负载功率因数不变
时， 变压器效率随负载电流变化的规律。 n＝f(I2).
则
，
o
c
n
a bd m
4
OR：
意义：(1) 越大， u越大 (2) 一定时， u受短路阻抗得影响
5
(4)a.纯电阻负载:
(
)
b 、.纯电感负载: 电压
c 、容性负载:且
小，故而 u小 说明由空载 负载时，副边
则
空载 负载时，副边电压
可以看出：
感性负载时， 02>0， U为正；容性负载， 02<0， U可 正可负。实际运行中一般是感性负载， 端电压下降5~8%。6
1
一、变压器的电压变化率和外特性
(1)电压变化率 ： 外施电压为额定值，负载功率因数为给定值时，付方空载 电压与负载时电压算术差与付方额定电压得比值。
原边 由简化电路得
副边cos 2一定
2
(2)负载系数 输出电流标么值。 (简化电路)

导致绝缘损坏和设备故障。
未来发展趋势预测
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
高效节能技术
随着能源短缺和环保意 识的提高，高效节能技 术将成为变压器空载运 行领域的重要发展方向 。例如，采用非晶合金 铁芯、优化线圈设计等 ，以降低空载损耗。
智能化监控与管理
借助物联网、大数据等 先进技术，实现对变压 器空载运行的实时监控 与智能管理。通过数据 分析，及时发现潜在问 题并采取相应的优化措
变压器的空载运行
汇报人：XX
contents
目录
• 变压器基本原理与结构 • 空载运行特性分析 • 空载运行对变压器影响 • 空载运行优化措施探讨 • 实验研究及案例分析 • 总结与展望
01
变压器基本原理与结
变压器的工作原理基于电磁感应，当 原边绕组施加交流电压时，会在铁芯 中产生交变磁通，从而在副边绕组中 感应出电动势。
电压变换原理
电流变换原理
根据磁动势平衡原理，原、副边电流 与匝数成反比，从而实现电流的变换 。
通过改变原、副边绕组的匝数比，可 以实现电压的升高或降低。
变压器主要结构组成
01
02
03
04
铁芯
铁芯是变压器的磁路部分，一 般采用硅钢片叠装而成，以减
少涡流和磁滞损耗。
绕组
绕组是变压器的电路部分，由 原边绕组和副边绕组组成，一 般采用绝缘铜线或铝线绕制。
空载电压波形畸变现象
波形畸变原因
变压器空载运行时，由于铁芯的非线 性磁化特性，使得磁通与励磁电流之 间呈现非线性关系，从而导致空载电 压波形发生畸变。
波形畸变影响
空载电压波形畸变会使得电压波形中 的谐波成分增加，对电网和用电设备 产生不良影响，如增加电网的谐波污 染、降低用电设备的运行效率等。

U1 I0 Z1 (E1 )
I0
E1
rm
xm
I0
r1
U1
x1 rm
E1
xm
§2－2 变压器的负载运行
变压器原边接在电源上， 副边接上负载的运行情况，称为负载运行。
i1 E
~
i2
•
E 2
电路、磁路的工作情况：
I1
F1
Fm
E1
原边的电势平衡
I2
F2
E2 副边的电势平衡
§2－2 变压器的负载运行 磁势平衡方程式
磁滞损耗（
空载损耗p0
铁耗p
Fe
涡流损耗（
附加损耗（
约占p0的80% ~ 85%） 约占p0的5% ~ 以下） 约占p0的10% ~ 15%）
铜耗pc u
I
2 0
r1
,
约占p0的2%
p0 U1I Fe U1 (I 0 sin m) U1I 0 cos(90 m )
U1I 0 cos0
折算法:把二次绕组的匝数用一个假想的绕组替代,这个假想 绕组的磁势和消耗功率与原来绕组一样,从而对一次侧绕组 的影响不变.这种保持磁势不变而假想改变它的匝数与电流 的方法，称折算法。
参数折算的原则是等效。参数在折算前后必须保持作用的
磁势相等，传递能量（包括有功和无功）相等,一次侧所有
参数不变。 根据需要,同样可把一次
§2－1 变压器空载运行空载电流(忽略空载损耗)
空载运行时， 原边绕组中流过的电流 ，
称为空载电流i0 。
空载电流I 0
建立空载运行时的磁场 I 主要部分 引起铁损耗 I FE
变压器中磁性材料的磁化曲线为非线性， 在一定电 压下， 空载电流大小、波形取决于饱和度。

ｅ1的有效值为： E1 E1m / 2 N1m / 2 2 fN1m 2 即 E1 4.44 fN1m 式（3-3）
E1 j 4.44 fN1 m


式（3-6）
11
（2）由主磁通φ将在二次磁绕组上产生的感应电势
d e2 N 2 N 2m cos t dt
19
（3）空载运行时铁耗较铜耗大很多，所以励磁电阻较一 次绕组的电阻大很多；由于主磁通也远大于一次绕组的漏 磁通，所以励磁阻抗远大于漏电抗。则在对变压器分析时， 可以忽略一次绕组的阻抗。 （4）从等效电路可知，空载励磁电流的大小主要取决于 励磁阻抗。从变压器运行的角度，希望其励磁电流小一些， 所以要求采用高磁导率的铁心材料，以增大励磁阻抗。励 磁电流减小，可提高变压器的效率和功率因数。

图3-6 变压器空载 运行时的相量图
可得U1的正方向。 注意：一次绕组电阻压降i０rl与i0同 相位，一次漏抗压降i0x１σ（此项实 际很小，夸大以便作图）超前i090°；
21
？例3-1 一台三相变压器（还没讲到）
22
第二节
变压器的负载运行
变压器一次绕组接交流电源，二次绕组接有负载的运 行方式，为变压器的负载运行方式。如图3-7所示（可与 图3-1空载运行示意图对比看一看）。
式（3-22）
式中，i1L= -i2/K 被称为一次侧绕组励磁电流的负载分 量，其大小随负载变化而变化。显然，空载时，一次侧的 电流i１=i0 ，负载时，一次侧的电流i１＞i0 。
25
*讨论： 变压器空载时，二次绕组电流为零，二次侧输出功率为 零；一次绕组电流为空载电流很小，变压器从电源吸收很 小的功率提供空载损耗。 负载时，二次侧电流不为零，有功率输出，一次电流发 生变化，在一、二次侧电压基本一定时，如果二次绕组电 流增大，表明二次输出功率增大，则一次电流也增大，变 压器从电源吸收的功率增加。一、二次绕组之间没有电的 直接联系，但由于两个绕组共用一个磁路，共同交链一个 主磁通，借助于主磁通的变化，通过电磁感应作用，实现 了一、二次绕组间的电压变换和功率传递。

e 换算至75℃阻抗压降%：
U K 750 C %
U
2 K

( PK 10S
e
)
2
(
K
2 Q
1)
(3.86)2 (2902.5)2 (1.2552 1) 2000
14.899 2.106 0.57 16.11 4.01
13
u K % (U K U N ) 100
变压器的短路电压百分数和短路阻抗百分数是相等的，并且其有功分量 和无功分量也对应相等。
进行负载试验的目的是：计算和确定变压器有无可能与其它变压器并联 运行；计算和试验变压器短路时的热稳定和动稳定；计算变压器的效率；计算 变压器二次侧电压由于负载改变而产生的变化。
（3） 温度系数(Q—试验时器温度铜T=235 铝T=225)：
KQ

T 75 T Q
（4） 换算至75℃下负载损耗： PK 750 C K Q PK
（5）换算至75℃下阻抗压降：
U K 750 C %
U
2 K

( PK 10Se
)2 (KQ2
1)
8
第四节 电力变压器的短路和空载试验
1、变压器空载试验和负载试验的目的和意义
变压器的损耗是变压器的重要性能参数， 一方面表示变压器在运行过程中的效率，另一 方面表明变压器在设计制造的性能是否满足要 求。变压器空载损耗和空载电流测量、负载损 耗和短路阻抗测量都是变压器的诊断性试验。
2
第四节 电力变压器的短路和空载试验
进行空载试验的目的是：测量变压器的空载损耗和空载电流； 验证变压器铁心的设计计算、工艺制造是否满足技术条件和标 准的要求；检查变压器铁心是否存在缺陷，如局部过热，局部 绝缘不良等。 变压器的空载试验就是从变压器任一组线圈施加额定电压，其它 线圈开路的情况下，测量变压器的空载损耗和空载电流。空载电 流用它与额定电流的百分数表示，即：

可达到变换输出电压 u2 或 i2 大小的目的，这就是变
压器利用电磁感应原理，将一种电压等级的交流电源
转换成同频率的另一种电压等级的交流电源的基本工
作原理。
5
三、变压器的分类 按用途分：电力变压器和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变 压器、三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：芯式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压 器和充气式变压器。
37
u1
i1 Ni=F
F=
F1 +
Rm
Rm=
1
l/
S
e1
- 楞次定律
e1 e=-Nd e2
/dt
u2 i2
F2
2 e2
变压器负载运行物理流程图
38
二、基本方程式
1.磁动势平衡方程式
负载运行时，有 I2 ,
•
U
i1 u1 e1
Φ N1 N2
Q i2
e2
u2
ZL
图5-1 变压器的工作原理图 3
按图中标明的变量关系，变压器的电动势平衡
方程可写成
dΦ u1 e1 N1 dt
u2
e2
N2
dΦ dt
假定变压器两边绕组的电压和电动势的瞬时值都 按正弦规律变化，由上两式可得一次、 二次绕组中电 压和电动势的有效值与匝数的关系为
上式变成：
•
•
U1 E1
在副方，由于电流为零，则副方的感应电动势等于 副方的空载电压，即：
•
•
U 20 E2
28

形式， 这样， 在变压器负载后当原、 副边电流为I1及 I2时， 原、 副边漏感电势可如下表示:
E1 E2
jI1X1 jI2 X 2
(4 - 17)
在使用变压器时， 必须注意变压器的原绕组所接
电源电压要和额定电压相同。 这可由图 4 - 7 所示的磁
化曲线来说明， 图中Φmn为对应于U1N时的主磁通Φ的幅 值， 若Φ小于Φmn时， 磁化曲线近似为线性； 超过Φmn 时， Φ将趋向饱和， 若再增加Φ， 即增加U1， 则变压 器空载电流I0就会急剧增加， 若超过不允许的电流值， 即使变压器不带负载， 变压器也会因此而损坏。
图 4 - 6 变压器空载运行时的物理模型图
据电磁感应定律， 交变的主磁通Φ分别在原、 副
绕组中感应出电势e1和e2; 漏磁通Φ1σ只能在原绕组中感 应电势(也被称为漏感电势) e1σ。 在图 4 - 6 所规定的正 方向下， 原、 副绕组的感应电势可用下列方程式表示：
e1
d1
dt
W1
d
dt
e2
衡方程式， 漏感电势 E1如何表示呢? 以下作简单推导。 因为电流通过绕组产生的磁链等于电流和该绕组电感
的乘积， 即ψ=iL， 因此变压器原边漏磁链可表示为
ψ1σ=i0L1σ
(4 - 13)
式中， L1σ是原绕组的漏电感。 由于漏磁路主要经 过空气， 而且空气比铁心的磁阻大得多， 其磁导率μ0 是常数， 所以电流增大， 漏磁链也成正比增加， L1σ 为常数而与电流大小无关， 故漏感电势可以如下表示:
3 电势平衡方程式
按照图 4 - 6 所规定的各物理量的正方向， 可以列 出变压器空载时的电势平衡方程式。 注意到， “电路”
上的正方向可以任意假定， 而“电机”中是按惯例规