第5节 变压器的运行特性

一、变压器的外特性及电压变化率

变压器空载运行时，若一次绕组电压U₁不变，则二次绕组电压U₂也是不变的。变压器加上负载之后，随着负载电流I₂的增加，I₂在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压U₂随之发生变化。另一方面，由于一次绕组电流I₁随U₂增加，因此I₂增加时，使一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组电动势E₁和二次绕组电动势E₂也会有所下降，这也会影响二次绕组的输出电压U₂。变压器的外特性是用来描述输出电压U₂随负载电流I₂的变化而变化的情况。

当一次绕组电压U₁和负载的功率因数cosφ₂一定时，二次绕组电压U₂与负载电流I₂的关系，称为变压器的外特性。它可以通过实验求得。功率因数不同时的几条外特性绘于图2—17中，可以看出，当cosφ₂=1时，U₂随I₂的增加而下降得并不多；当cosφ₂降低时，即在感性负载时，U₂随I₂增加而下降的程度加大，这是因为滞后的无功电流对变压器磁路中的主磁通的去磁作用更为显著，而使E₁和E₂有所下降的缘故；但当cosφ₂为负值时，即在容性负载时，超前的无功电流有助磁作用，主磁通会有所增加，E₁和E₂亦相应加大，使得U₂会随I₂的增加而提高。以上叙述表明，负载的功率因数对变压器外特性的影响是很大的。

图2－17  变压器外特性

在图2—17中，纵坐标用U₂／U_2N之值表示，而横坐标用I₂／I_2N表示，使得在坐标轴上的数值都在0～1之间，或稍大于1，这样做是为了便于不同容量和不同电压的变压器相互比较。

 一般情况下，变压器的负载大多数是感性负载，因而当负载增加时，输出电压U₂总是下降的，其下降的程度常用电压变化率来描述。当变压器从空载到额定负载（I₂=I_2N）运行时，二次绕组输出电压的变化值ΔU与空载电压（额定电压）U_2N之比的百分值就称为变压器的电压变化率，用ΔU％来表示。

式中，U_2N为变压器空载时二次绕组的电压（称为额定电压）；U₂为二次绕组输出额定电流时的电压。

电压变化率反映了供电电压的稳定性，是变压器的一个重要性能指标。ΔU％越小，说明变压器二次绕组输出的电压越稳定，因此要求变压器的ΔU％越小越好。常用的电力变压器从空载到满载，电压变化率约为3％～5％。

例2—4：某台供电电力变压器将U_1N=10000V的高压降压后对负载供电，要求该变压器在额定负载下的输出电压为U₂=380V，该变压器的电压变化率ΔU％＝5％，求该变压器二次绕组的额定电压U_2N及变比K。

 这样，就能理解在电力变压器铭牌中为什么给额定线电压为380V的负载供电时，变压器二次绕组的额定电压不是380V，而是400V。

二、变压器的损耗及效率

变压器从电源输入的有功功率P₁和向负载输出的有功功率P₂可分别用下式计算

P₁=U₁I₁COSφ₁

   P₂=U₂I₂COSφ₂

两者之差为变压器的损耗ΔP，它包括铜损耗P_Cu和铁损耗P_Fe两部分，即

ΔP=P_Cu +P_Fe

1．铁损耗P_Fe

变压器的铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗两部分。基本铁损耗包括铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，它决定于铁心中的磁通密度的大小、磁通交变的频率和硅钢片的质量等。附加损耗则包括铁心叠片间因绝缘损伤而产生的局部涡流损耗、主磁通在变压器铁心以外的结构部件中引起的涡流损耗等，附加损耗约为基本损耗的15％～20％左右。

变压器的铁损耗与一次绕组上所加的电源电压大小有关，而与负载电流的大小无关。当电源电压一定时，铁心中的磁通基本不变，故铁损耗也就基本不变，因此铁损耗又称“不变损耗”。

2．铜损耗P_Cu

变压器的铜损耗也分为基本铜损耗和附加铜损耗两部分。基本铜损耗是由电流在一次、二次绕组电阻上产生的损耗，而附加铜损耗是指由漏磁通产生的集肤效应使电流在导体内分布不均匀而产生的额外损耗。附加铜损耗约占基本铜损耗的3％～20％。在变压器中铜损耗与负载电流的平方成正比，所以铜损耗又称为“可变损耗”

3．效率

变压器的输出功率P₂与输入功率P₁之比称为变压器的效率η，即

由于变压器没有旋转的部件，不像电机那样有机械损耗存在，因此变压器的效率一般都比较高，中小型电力变压器效率在95％以上，大型电力变压器效率可达99％以上。

例2－5：S9－500/10低损耗三相电力变压器额定容量500kV·A，设功率因素为1,二次电压U_2N=400V，铁损耗P_Fe=0.98KW，额定负载时铜损耗=P_Cu＝4.1kW，求二次额定电流I_2N及变压器效率η。

前面已经讲过降低变压器本身的损耗，提高其效率是供电系统中一个极为重要的课题，世界各国都在大力研究高效节能变压器，其主要途径：一是采用低损耗的冷轧硅钢片来制作铁心，例如容量相同的两台电力变压器，用热轧硅钢片制作铁心的SJl—1000／10变压器铁损耗约为4440W。用冷轧硅钢片制作铁心的S7—1000／10变压器铁损耗仅为1700W。后者比前者每小时可减少2.7kW·h的损耗，仅此一项每年可节电23 652kW·h。由此可见，为什么我国要强制推行使用低损耗变压器。二是减小铜损耗，如果能用超导材料来制作变压器绕组，则可使其电阻为零，铜损耗也就不存在了。世界上许多国家正在致力于该项研究，目前已有330kV单相超导变压器问世，其体积比普通变压器要小70％左右，损耗可降低50％。

4．效率特性

变压器在不同的负载电流I₂时，输出功率P₂及铜损耗P_Cu都在变化，因此变压器的效率η也随负载电流I₂的变化而变化，其变化规律通常用变压器的效率特性曲线来表示，如图2—18所示，图中称为负载系数。

通过数学分析可知：当变压器的不变损耗等于可变损耗时，变压器的效率最高，通常变压器的最高效率位于β=0.5∽0.6之间。

图2－18  变压器效率曲线