知识点：变电设备

变电站中凡直接用来接受与分配电能以及与改变电能电压相关的所有设备，均称为一次设备或主设备。由于大都承受高电压，故也多属高压电器或设备。它们包括主变压器、断路器、隔离刀闸、母线、互感器、电抗器、补偿电容器、避雷器以及进出变电所的输配电线路等。由一次设备连接成的系统称电气一次系统或电气主接线系统。

第一节电力变压器

变压器是一种静止的电气设备，属于一种旋转速度为零的电机。电力变压器在系统中工作时，可将电能由它的一次侧经电磁能量的转换传输到二次侧，同时根据输配电的需要将电压升高或降低。故它在电能的生产输送和分配使用的全过程中，作用十分重要。整个电力系统中，变压器的容量通常约为发电机容量的3倍以上。

变压器在变换电压时，是在同一频率下使其二次侧与一次侧具有不同的电压和电流。由于能量守恒，其二次侧与一次侧的电流与电压的变化是相反的，即要使某一侧电路的电压升高时，则该侧的电流就必然减小。变压器并不是也决不能将电能的“量”变大或变小。在电力的转换过程中，因变压器本身要消耗一定能量，所以输入变压器的总能量应等于输出的能量加上变压器工作时本身消耗的能量。由于变压器无旋转部分，工作时无机械损耗，且新产品在设计、结构和工艺等方面采取了众多节能措施，故其工作效率很高。通常，中小型变压器的效率不低于95%，大容量变压器的效率则可达80%以上。

一、电力变压器分类及工作原理

（一）电力变压器的分类

根据电力变压器的用途和结构等特点可分如下几类：

（1）按用途分有：升压变压器（使电力从低压升为高压，然后经输电线路向远方输送）；降压变压器（使电力从高压降为低压，再由配电线路对近处或较近处负荷供电）。

（2）按相数分有：单相变压器；三相变压器。

（3）按绕组分有：单绕组变压器（为两级电压的自耦变压器）；双绕组变压器；三绕组变压器。

（4）按绕组材料分有：铜线变压器；铝线变压器。

（5）按调压方式分有：无载调压变压器；有载调压变压器。

（6）按冷却介质和冷却方式分有：

1）油浸式变压器。冷却方式一般为自然冷却，风冷却（在散热器上安装风扇），强迫风冷却（在前者基础上还装有潜油泵，以促进油循环）。此外，大型变压器还有采用强迫油循环风冷却、强迫油循环水冷却等。

2）干式变压器。绕组置于气体中（空气或六氟化硫气体），或是浇注环氧树脂绝缘。它们大多在部分配电网内用作配电变压器。目前已可制造到35KV级，其应用前景很广。

 

（二）变压器的工作原理

变压器是基于电磁感应原理而工作的。正是因为它的工作原理以及工作时内部的电磁过程与电机（发电机和电动机）完全相同，故将它划为电机一类，仅是旋转速度为零（即静止）而已。变压器本体主要由绕组和铁心组成。工作时，绕组是“电”的通路，而铁心则是“磁”的通路，且起绕组骨架的作用。一次侧输入电能后，因其交变故在铁心内产生了交变的磁场（即由电能变成磁场能）；由于匝链（穿透），二次绕组的磁力线在不断地交替变化，所以感应出二次电动势，当外电路沟通时，则产生了感生电流，向外输出电能（即由磁场能又转变成电能）。这种“电—磁—电”的转换过程是建立在电磁感应原理基础上而实现的，这种能量转换过程也就是变压器的工作过程。

下面再由理论分析及公式推导来进一步加以说明：

见图2－2，在单相变压器的原理图中，闭合的铁心上绕有两个互相绝缘的绕组。其中接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧叫二次绕组。当交流电源电压U1加到一次绕组后，就有交流电流I1通过该绕组并在铁心中产生交变磁通φm。这个交变磁通不仅穿过一次绕组，同时也穿过二次绕组，两个绕组中将分别产生感应电势E1和E2。这时若二次绕组与外电路的负载接通，便会有电流I2流入负载 ，即二次绕组就有电能输出。

根据电磁感应定律可以导出：

一次绕组感应电动势值 E1＝4.44fN1BmS*10^-4

二次绕组感应电动势值E2＝4.44fN2BmS*10^-4

式中

f——电源频率（Hz ），工频为50 Hz；

N1――一次侧绕组匝数（匝）；

N2——二次侧绕组匝数（匝）；

Bm——铁心中磁通密度的最大值（T ）；

S———铁心截面积（cm²）。

由上两式可以得出

E1/E2= N1/ N2

足见，变压器一、二次侧感应电动势之比等于一、二次侧绕组匝数之比。

由于变压器一、二次侧的漏电抗和电阻都比较小.可忽略不计，故可近似地认为：E1 = U1, E2 = U2.于是有

U1/U2≈E1/E2= N1/ N2＝K

式中 K———变压器的变压比。

变压器一、二次绕组的匝数不同，将会导致一、二次绕组的电压高低不等。显然，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低。这就是变压器之所以能够改变电压的道理。

在一、二次绕组电流I1、I2的作用下，铁心中总的磁势为

I1 N1＋I2 N2＝Io N1

式中 Io———变压器的空载励磁电流。

由于Io比较小（通常不超过额定电流的3%-5%），在数值上可忽略不计，故上式可演变为

I1 N1＋I2 N2＝Io N1≈0

进而可推得：

I1 N1＝－I2 N2

I2/I1= N1/ N2＝K

可见，变压器一、二次电流之比与一、二次绕组的匝数成反比。即绕组匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大；也就是电压高的一侧电流小，电压低的一侧电流大。

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