电力中级工培训课件.doc

讲课内容：电机学一 变压器的基本工作原理二 变压器的基本结构三 中性点位移现象四 三绕组变压器、自耦变压器五 异步电动机的结构、工作原理。1 变 压 器第一节 变压器的基本知识一 变压器在电力系统中的作用变压器是电力系统中最常见的电器设备之一，也是变电站最重要的主设备。它是一种静止的电器，利用电磁感应原理，能把一种交流电压（电流）变换为另一种电压（电流）。发电厂发电机出口一般安装有升压变，变电站及用户安装降压变较多。为什么要变压呢？主要原因有： 因为要将一定大功率的电能输送到远方用户去，如果用较低的电压，则电流将很大，而线路的功率损耗与电流的平方成正比，这将造成巨大的能量损失。 根据三相有功功率计算公式 P=3U*I Cos,可以看出,在功率P一定的情况下，电压U越高，则电流I越小，可见，升高电压可以减小线路上的电流，从而减少线路电能损耗。此外大电流在线路上引起很大的电压损失，使用户端电压满足不了要求。 电能输送到受端时，输电线路的高电压必须经降压变压器，将电压降低到用户所需的数值，以满足使用需要。二 变压器的基本原理变压器的变压原理离不开“电生磁”、“磁生电”这个基本的电磁现象。以单相双绕组变压器为例，附图。当一次线圈（可以是高压侧也可以是低压侧）加上电压U1，流过交流电流I1时，在铁芯中就产生交变磁通（电生磁）。电动才能生磁，交流电流大小方向周期变化，产生的磁场也随之变化，直流电流属于稳恒电流大小方向不变，故无法产生交变磁场，所以就无法变压。由I1产生的磁通大部分穿过一次线圈和二次线圈，叫做主磁通。在主磁通的作用下，两侧线圈分别会感应起电势E1和E2（磁生电）。电势的大小与匝数成正比。 用公式表示：E=4.44fw由于一次线圈和二次线圈匝数不同，感应电势E1和E2的大小也不同。若忽略内阻抗压降，感应电势就等于端电压。所以电势大小不同也就是电压大小不同，这就是变压器能变压的道理。如果不考虑变压器损耗，二次侧输出功率等于一次侧输入功率。这样，二次侧的电压和电流的乘积就等于一次侧电流和电压的乘积。说明电压高的一侧，电流就小，电压低的一侧电流就大。变压时电流也变了。当变压器的二次空载时，一次侧仅流过产生主磁通的电流，这个电流称激磁电流，或空载电流。外加的一次侧电压不变，可以认为激磁电流不变，铁芯中的主磁通不变。当二次侧加上负载流过电流后，该电流也在铁心中产生磁通，这个磁通必然改变铁芯中原有主磁通的分布状况。 根据楞次定律，“感应电流在回路中产生的磁通总是反抗（或阻碍）原磁通的变化。” 主磁通的变化影响到一次，一次侧要保持主磁通不变，必将流过一部分电流，这部分电流产生磁通专门用来抵消二次侧磁通的影响。这样一次侧线圈就流过两部分电流，一部分是用来激磁的，一部分是平衡二次电流的，后一部分是随二次电流的增减而增减的，所以二次电流增加，一次电流也自动增加。 电流乘上匝数就是磁势，所以上述过程就叫变压器的磁势平衡作用。变压器就是通过这种磁势平衡作用，实现从一次到二次的能量传递的。第二节 变压器的类型和结构一、 类型：a. 电力变压器除了按用途分类外还可以按照相数/绕组数目/铁心形式/冷却方式等特征分类。b. 按相数分：单相/三相/多相等 c. 按绕组数：双绕组/自耦/三绕组/多绕组 d. 铁心形式：心式/壳式 e. 冷却方式：干式/油浸式等二、 电力变压器结构a. 变压器主要部件是绕组和铁心(器身)。 b. 绕组是变压器的电路，铁心是变压器的磁路。二者构成变压器的核心即电磁部分。 c. 除了电磁部分，还有油箱/冷却装置/绝缘套管/调压和保护装置等部件三、 铁心a. 型式：心式(结构简单工艺简单应用广泛)/壳式(用在小容量变压器和电炉变压器)。 b. 材料：一般由0.35mm/0.5mm冷轧(也用热轧)硅钢片叠成。 c. 铁心交叠：相邻层按不同方式交错叠放，将接缝错开。偶数层刚好压着奇数层的接缝，从而减少了磁阻，便于磁通流通d. 铁心柱截面形状：小型变压器做成方形或者矩形；大型变压器做成阶梯形。容量大则级数多。叠片间留有间隙作为油道(纵向/横向)。四、 绕组一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。 绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层，以便于绝缘。五、 油/油箱/冷却/安全装置1. 变压器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。 2. 变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用。变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。 3. 油箱有许多散热油管，以增大散热面积。 为了加快散热，有的大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风。这些都是变压器的冷却装置。一般油浸变压器的绝缘属于A级绝缘，大型变压器一般是分级绝缘（又叫半绝缘结构），就是变压器的线圈靠近中性点部分的主绝缘，其绝缘水平比线圈端部的绝缘水平低。与此相对，变压器线圈首尾端绝缘水平一样的，叫全绝缘。变压器的寿命是由绝缘材料的老化程度决定的。而绝缘材料的老化，主要取决于温度。实践证明，A级绝缘的变压器，温度每增加6，变压器绝缘老化速度增加一倍，叫做六度定则。变压器的A级绝缘材料主要是油浸纸，胶木等，其耐热温度为105，A级绝缘变压器的上层油温升规定为55K，绕组温升65K，规定最高环境温度为40。因此线圈的最高运行温度为40+65=105，这并不是说线圈可以长期处于105下运行，那样绝缘会很快损坏。而平常大部分时间处在较低温度，只有短短的几个小时处于这个最高允许温度，那是不会有危险的。变压器在运行中，能被运行人员直接监视的温度是上层油温。上层油温比中下层油温高，上层不超过限值，中下层也不会超出。实际上是通过监测上层油温来控制线圈最热点温度。上层油温为95时，油的最高温升为55，此时对应油的平均温升为40。一般线圈对油的温升为25，所以当上层油温为95时，线圈的最高温度为：环境温度40+油对空气的平均温升40+线圈对油的温升25=105。说明监视上层油温不超过95，也就相当于监视线圈的温度不超过105。 为防止变压器油劣化速度过快，上层油温不宜经常超过85。1油箱/2储油柜/3气体继电器/4为安全气道。 变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中。 油枕（储油柜）的作用： 调节油量，保证变压器油箱内经常充满油。若无油枕，则油箱内油面波动有几个不好，一是油面低时铁芯和线圈会露出，影响散热和绝缘，二是随着油面波动，空气从箱盖缝里排出和吸进，由于上层油温较高，使油很快氧化和受潮。减少油和空气的接触面，防止油快速氧化和受潮。油枕的油面比油箱的油面要小，油枕里的油平常几乎不参加油箱内油循环，温度比油箱内上层油温低得多，故氧化速度慢。 油枕的容积一般占变压器油重的10%。呼吸器的作用：为防止油枕内的绝缘油与大气直接接触，所以油枕是经过呼吸器与大气相通的。呼吸器内装有用于吸潮的硅胶，用油封以挡住被吸入的空气中的机械杂质。防爆管的作用：如果是变压器内部严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。六、 瓦斯继电器作用：变压器内部故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体瓦斯继电器发出报警信号或切断电源，保护变压器不被烧毁。 在瓦斯保护继电器内，上部是一个密封的浮筒，下部是一块金属档板,两者都装有密封的水银接点。浮筒和档板可以围绕各自的轴旋转。正常运行时，继电器内充满油，浮筒浸在油内，处于上浮位置，水银接点断开；档板则由于本身重量而下垂，其水银接点也是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，气体产生的速度较缓慢，气体上升至储油柜途中首先积存于瓦斯继电器的上部空间，使油面下降，浮筒随之下降而使水银接点闭合，接通延时信号，这就是所谓的“轻瓦斯”；当变压器内部发生严重故障时，则产生强烈的瓦斯气体，油箱内压力瞬时突增，产生很大的油流向油枕方向冲击，因油流冲击档板，档板克服弹簧的阻力，带动磁铁向干簧触点方向移动，使水银触点闭合，接通跳闸回路，使断路器跳闸，这就是所谓的“重瓦斯”。重瓦斯动作，立即切断与变压器连接的所有电源，从而避免事故扩大，起到保护变压器的作用。七、 套管a. 瓷套管：以瓷作为介质的套管为瓷套管。由于一部分在空气中，一部分在变压器的油箱内，所以空气中的部分长度较长。b. 充油套管：在瓷套管内充绝缘油，因油的绝缘强度高，可提高套管的绝缘强度。c. 电容式套管：为使导芯与接地法兰之间电压分布均匀，在导芯与法兰间做成一串联的油纸电容，这样可以充分利用其间的绝缘强度。八、 变压器的额定值(1) 额定电压U1N/U2N单位为V或者kV。U1N为正常运行时1次侧应加的电压。U2N为1次侧加额定电压、2次侧处于空载状态时的电压。 三相变压器中，额定电压指的是线电压。(2) 额定容量SN单位为VA/kVA/MVA SN为变压器的视在功率。通常把变压器1、2次侧的额定容量设计为相同。(3) 额定电流I1N/I2N单位为A/kA。是变压器正常运行时所能承担的电流，在三相变压器中均代表线电流。 (4) 额定频率fN单位为Hz,fN=50Hz此外，铭牌上还会给出三相联接组以及相数m/阻抗电压Uk/型号/运行方式/冷却方式/重量等数据。第三节 三相变压器绕组的联结及接线组别一 变压器的极性变压器的特点是线圈间没有电的联系只有磁的联系（自耦变例外），在同一个磁通的作用下，各侧线圈所感应的电势虽然方向在不断变化，但在某一瞬时，必有一个对应点，即在一次侧的线圈中有一端为正，在二次侧线圈中也会有一端为正，这个一次线圈的正端和二次线圈的正端叫做对应端，也就是同极性端。两个同时为负的一端也是同极性端。对于两个线圈来说：如果两线圈的同极性端连在一起，称作减极性连接，此时从沿两线圈所连成的回路看，两线圈中的电势是相减的，如果两线圈的异极性端连在一起，称为加极性连接，此时沿两线圈所连成的回路看，两线圈中的电势是相加的。在实际工作中可以用简单方法判别两个线圈的同极性端，只需一节干电池和一块万用表即可。把万用表表笔接在其中一个线圈两端，档位放在直流电流毫安档，将干电池一端接另外线圈一端，干电池另一端接上引线瞬时碰触线圈另一端，观察万用表指针摆动方向，如果正起，说明接干电池正极的端头和接万用表正极的端头是同极性端。用电流描述：一次侧电流的流入端和二次侧电流的流出端是同极性端。二 三相变压器的联结组(1) 概述三相变压器的1、2次侧均有A/B/C三相绕组，它们之间的联结方式对变压器的运行性能有较大影响。 一般来说三相绕组可以连结成Y或者(d)型。 联结组的问题包括变压器两侧对应相之间的相对极性/同一侧各相之间的标号等问题(2) 同一铁心柱上1/2次侧绕组相电势之的相位关系。1次侧用AX/BY/CZ，2次侧用ax/by/cz来标记 。同一柱上1、2次相之间的相位关系有2种：同相/反相 。规定感应电势的参考正方向为由首端指向末端A-X。 三相变压器的连结组别三相变压器的联接组别用1、2次侧对应线电压 之间的相位关系来描述。 实际变压器1、2次侧对应相之间的相位差一般为0/30/60/90/120/150/180/210/240/270/300/330。正好对应钟表盘上的12个位置。时钟表示法：把变压器的高压侧线电压向量作为长针，低压侧线电压向量作为短针，让长针永远固定在钟面的“12”上，短针所指的钟点就是这台变压器的组别。例如，高压侧线电压向量和低压侧电压向量同相，其向量重合在一起，都指在“12”上，这就叫12点接线。（3）常见的接线组别有Y/Y0-12, Y0/-11,Y/-11,Y/Y-12等几种。附图：Y/-11接线图及向量图三 判别接线组别的方法 电压向量和文字注脚的关系：电压就是两点电位之差。线电压就是两相首端的电位之差。对于接线来说，线电压等于相电压，对于Y形，则线电压等于两个相电压的向量差。例如UAB=UA-UB =UA+(-UB) 向量箭头从B指向A以Y/-11为例。 第一种情况：根据实际接线判别组别。步骤如下：1 在图上线圈旁标注电压正方向，一般电压的正方向都采用箭头从首端指向尾端。2 画出高压侧向量图。 A相电压 UAX,箭头标A，箭尾标X。3 画出低压侧向量图。 根据高低压侧向量间的关系及连接方法画出三个向量。这三个向量的方向这样确定：一个和AX平行的，它代表和AX线圈绕在同一铁芯柱上的低压线圈中的电压向量。4 画出高压侧的一个线电压向量5 画出低压侧一个同名的线电压向量6 比较高低压侧同名线电压向量。UAB作为长针指向12，Uab所指的数字即为接线组别。第二种情况，把一台变压器接成所要求的接线组别。 步骤如下：1 画出高压侧的电压向量图2 画出低压侧电压向量图 ，每个低压电压向量各平行于其同柱高压侧线圈的电压向量。以-UB作为uab,正好满足11点接线的要求。 3 核对组别4 根据向量图画出接线图。一般大型变压器总有一侧绕组接成，这是为了消除磁通中的三次谐波，保持主磁通为正弦波。可展开讲解。变压器在正常运行时在额定电压下铁芯已处于饱和状态，磁通和电流不是正比关系，一次电流是正弦波，磁通是平顶波。非正弦波可以分解出许多不同频率的高次谐波，其中影响最大的是三次谐波。三次谐波的特点是三相的量在时间上同相，幅值相等。对于三相三柱式变压器来说，三次谐波磁通互相顶牛，只能互相排挤，以油箱为通路，借铁芯的外件、空气、油等构成回路。铁壳产生涡流损耗发热，降低变压器效率。对于三相变压器组来说，三次谐波磁通在各自的铁芯中畅通无阻，总磁通波形平顶程度更厉害，二次电势是由磁通感应的，电势的大小和磁通的变化率成正比，在磁通突变的情况下，会感应出尖顶波电势，危及线圈绝缘。大型变压器低压侧接成，在铁芯饱和情况下，磁通是平顶波，分解出三次谐波磁通，这三次谐波磁通在里感应出三次谐波电势，产生三次谐波电流，这个三次谐波电流又在铁芯里产生三次谐波磁通抵消原来的（由一次侧产生的）三次谐波磁通。这样铁芯中的主磁通仍能基本保持正弦波。中性点位移现象在大多数情况下，电源的线电压和相电压都可以认为是近似对称的，不对称的星形负载若无中线或中线上阻抗较大，则其中性点电位是与电源中性点电位有差别的，即电源的中性点和负载中性点之间出现电压，此种现象称为中性点的位移。出现中性点位移的后果是负载各相电压不一致，将影响设备的正常工作。 在三相电路中，正常情况下三相电源电压及负载对称，则中性点电压为零。若三相负载不对称，而且没有中性线或者中性线阻抗较大，则负载中性点就会出现电压。中性点位移将引起负载各相电压分配不均匀，导致某相电压过高而烧毁设备，某相电压过低而使设备出力不足。采用三相四线制的供电方式，可消除由于三相负载不对称而引起的中性点位移。 当变压器带不对称负载时，则二次侧三相电流不对称，可以认为电流中含有三组分量，即正序、负序、零序分量。由于正序、负序分量对称，电流互相平衡。而零序电流三相同相，中线电流相当于3倍的零序电流。y0侧零序电流可以流通，在铁芯中产生零序磁通，零序磁通在变压器的一、二次侧感应出零序电势，零序电势叠加在各相正序电压上，使三相电压变得严重不对称，中性点电位改变，中性点发生了位移现象（三个线电压仍保持对称）。 对于Y/y0-12型联结的变压器，如果控制中线电流不超过低压侧额定电流的25%，则中性点位移不会严重影响到三相电压的不对称。 第四节 自耦变压器一、 自耦变压器原理 自耦变与普通变压器的区别在于，自耦变的一、二次侧线圈不仅有磁的联系，还有电的联系，而普通变压器只有磁的联系。(1) 变比变化电压变比：U1/U2=Nab/Nbc=ka(2) 磁势平衡ac段绕组称作串联线圈，bc段线圈叫做公共线圈，I1Nac+(I1+I2)Nbc=I0Nab(3) 容量关系：传导容量和电磁容量电流关系： I2=I1+IbcS2=U2I2=U2I1(传导容量)+U2Ibc(电磁容量)其中传导容量U2I1表示通过自耦变的串联线圈利用电路直接由一次传到二次去的功率。这一部分功率不需要增加二次线圈的容量，是普通变压器所没有的。自耦变之所以比双圈变有一系列优点，其中很重要的一点就是二次侧可以直接从电源吸取传导功率。U2Ibc(电磁容量) 这部分功率表示通过公共线圈，利用磁路ac段线圈和cb段线圈之间的电磁感应传过去的。自耦变输出端的容量S2=U2I2 叫做通过容量，自耦变铭牌所标的额定容量指的是额定通过容量。公共线圈的容量U2Ibc(电磁容量)叫做标准容量，标准容量总是小于其通过容量。 换句话说就是：用自耦变传输功率时，它本身某部分线圈的容量可以比其通过容量小。因为变压器的尺寸、重量及铁芯截面是通过其磁路传输的功率决定的，因此，对于自耦变来说，其尺寸和重量则是由公共线圈的容量，也即由其额定标准容量决定的。(4) 自耦变压器特点由于自耦变压器的标准容量小于额定容量，所以在同样额定容量下，自耦变压器的主要尺寸小，有小材料（硅钢片和铜线）和结构材料（钢材）都相应的减少，从而降低了成本。有效材料的减少使得铜耗也相应减少，故自耦变压器的效率较高。同时由于主要尺寸缩小，变压器的重量减轻，外形尺寸缩小，有利于变压器的运输和安装。由于自耦变压器的短路阻抗标么值比两绕组变压器的小，故短路电流较大。为了提高自耦变压器承受突然短路能力，设计时，对自耦变压器的机械结构应适当加强，必要时可适当增加短路阻抗以限制短路电流。由于自耦变压器一次侧与二次侧之间有电的直接联系，当高压侧过电压时，会引起低压侧产生严重的过电压。自耦变的中性点必须接地，这是为了避免当高压电网发生单相接地故障时，在其中压线圈上出现过电压。 当高压侧某相接地时，中性点发生位移，出现了对地电压，此时中压侧两相对地电压要升高，超过正常时的线电压值。为避免上述现象，自耦变中性点必须永远直接接地，这样中性点电位永远等于地电位，中压侧就不会出现上述过电压了。可画图示意。为避免这种危险，一次、二次侧都须装设避雷器。2 异步电动机一 异步电动机的结构：异步电动机主要由两部分构成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。在转子与定子之间的空隙称气隙。定子由铁芯、绕组和机座组成。铁芯作为电机的磁路部分，主要用于安放绕组。定子绕组作为电机的电路部分，主要用于产生感应电势，通过电流实现机电能量转换。转子由铁芯、绕组和转轴构成。鼠笼式异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电，可以自行闭合而构成短路绕组。二 异步电动机的工作原理 定子绕组中通过三相对称电流，产生三相基波磁势，在定子气隙中形成基波旋转磁场F1，此旋转磁场以同步转速 n1=60f/P 同时切割定、转子绕组。在定子绕组和转子绕组中产生感应电动势。转子中的感应电动势产生对应的三相对称转子电流，由磁场对电流的电动作用产生转矩，从而使转子旋转，电动机工作。转差率：s=n1-n/n1，当转子静止时，n=0，转差率为1，旋转磁场与转子相对运动速度最快，转子感应电流最大，此时，转子转矩最大，转速最低。当转子旋转速度与旋转磁场相同时，此时转子转速n=n1，转差率为0，旋转磁场与转子相对静止，此时转子感应电流最小，转矩为0. 事实上，异步电动机的转速永远不可能达到同步转速，否则转子无感应电流，无法产生旋转力矩。由于转子转速与旋转磁场永远不可能同步，故称为异步电动机。