第11章 特殊变压器
11.0 简介
许多变压器被设计为满足特定的工业应用。在本章中，我们研究了一些在配电系统，霓虹灯，实验室，感应炉和高频应用中使用的特殊变压器。虽然特殊的变压器仍然具有基本第10章讨论的标准变压器的性能。因此，当变压器处于负载状态时，可以进行以下近似：
- 在绕组中感应的电压与磁芯中的匝数，频率和磁通成正比。
- 初级的安匝相等且与次级的安匝相反。
- 输入到变压器的视在功率等于视在功率输出。
- 初级绕组中的励磁电流可以忽略不计。
11.1双电压配电变压器
向居民区供电的变压器通常有两个次级绕组，每个额定电压为120V。 绕组是串联连接的，因此线路之间的总电压为240V，而线路和中心抽头之间的总电压为120V（图11.1）。中心抽头，称为中性点，始终接地。
高压绕组上的端子H2通常接合到次级绕组的中性端子，使得两个绕组都接地。
这些配电变压器的额定值范围从3kVA到500kVA。它们安装在电力公司的电线杆上（图11.2），为多达20个客户供电。
配电变压器的负载在一天中变化很大，取决于客户的需求。在住宅区，峰值发生在早晨，另一个峰值发生在中午之后。 功率峰值不会持续超过一个或两个小时，结果是在24小时的大部分时间内，变压器的工作远低于其正常额定值。 因为数千个这样的变压器连接到公用事业系统，所以尽力使空载损耗小。 这是通过在芯中使用特殊的低损耗硅钢来实现的。
图11.1
- 配电变压器，120V / 240V次级。 中心导体是中性导体。
- 相同的配电变压器重新连接，只给120V。
图11.2单相安装的配电变压器额定值：100kVA，14.4kV / 240V / 120V，60Hz。
11.2自耦变压器
考虑安装在铁芯上的具有N1匝的单个变压器绕组（图11.3）。 绕组连接到固定 - 挥发性交流电源E1，并且所得到的激励电流I0在芯中产生交流磁通Phi;m。 与任何变压器一样，只要E1固定，磁通的峰值就是固定的（第9.2节）。
假设抽头C脱离绕组，使得在端子A和C之间有N2匝。因为这些端子之间的感应电压与匝数成比例，所以E2由得到。显然，该简单线圈类似于具有初级电压E1和次级电压E2的变压器。 然而，由于公共端子A，初级端子B，A和次级端子C，A不再彼此隔离。
如果我们将负载连接到次级端子CA，所得到的电流I2立即导致初级电流I1流动（图11.4）。
绕组的BC部分明显地携带电流I1.因此，根据基尔霍夫的电流定律，CA部分携带电流（I2-I1）。 此外，由于I1的磁通势必须等于并且与由（I2-I1）产生的磁通势相反。因此，我们有I1（N1-N2）=（I2-I1）N2，得到。最后，假设变压器损耗和励磁电流都是可以忽略的，则负载提取的视在功率必须等于源提供的视在功率。因此，。方程11.1,11.2和11.3与匝数比为N1 / N2的标准变压器相同。然而，在该自耦变压器中，次级绕组是自耦变压器，因此不再需要单独的次级绕组。 因此，自耦变压器总是比等功率输出的标准变压器更小，更轻，更便宜。当变换E1 / E2的比率在0.5和2之间时，尺寸的差异变得特别重要。另一方面， 在初级和次级绕组之间的电隔离在一些应用中是严重的缺点。
自耦变压器用于启动感应电动机，以调节传输线的电压，并且一般来说，当初级与次级的比接近1时变换电压。
图11.3具有N1匝初级线圈和N2匝次级线圈的自耦变压器
图11.4自耦变压器负载。电流在上部和下部绕组中沿相反方向流动。
例题11.1
图11.4中的自耦变压器具有80％的抽头，电源电压E1为300V。如果在次级连接3.6kW负载，计算：
a. 次级电压和电流
b. 在绕组中流动的电流
c. 绕组BC和CA上的导体的相对尺寸
解：
- 次级电压 E2=80%times;300=240V
次级电流 I2=P/E2=3600/240=15A （图11.5）
- 电源提供的初级电流 I1=P/E1=3600/300=12A
BC绕组中的电流=12A
CA绕组中的电流=15-12=3A
- 次级绕组CA中的导体可以是绕组BC中的导体的四分之一，因为电流小4倍（见图11.5）。 然而，绕组BC上的电压等于初级和次级电压之间的差，即（300-240）= 60V。因此，绕组CA具有绕组BC的匝数的四倍。 因此，两个绕组需要基本相同量的铜。
图11.5 例11.1的自耦变压器
11.3常规变压器作为自耦变压器连接
通过将初级和次级绕组串联连接，可以将常规的双绕组变压器改变为自耦变压器。根据如何进行连接，次级电压可以增加或减去初级电压。 变压器的基本操作和行为不受仅仅外部连接的改变的影响。因此，每当常规变压器作为自耦变压器连接时，以下规则适用：
- 任何绕组中的电流不应超过其额定额定电流。
- 任何绕组上的电压不应超过其额定额定电压。
- 如果额定电流在一个绕组中流动，额定电流将自动流入另一个绕组（原因：绕组的安匝总是相等的）。
- 如果额定电压存在于一个绕组，额定电压自动存在于另一个绕组（原因：相同的互通量链接两个绕组）。
- 如果绕组中的电流从H1流向H2，则另一绕组中的电流必须从X2流到X1，反之亦然。
- 当极性相反的端子（H1和X2，或H2和X1）通过跳线连接在一起时，电压增加。 当H1和X1（或H2和X2）连接在一起时，电压减去。
例11.2
图11.6所示的标准单相变压器的额定值为15kVA，600V / 120V，60Hz。我们希望以三种不同的方式将其重新连接为变压器，以获得三种不同的电压比：
- 600V初级至480V次级
- 600V初级至720V次级
- 120V初级至480V次级
计算每种情况下变压器可承载的最大负载。
图11.6标准15kVA，600V / 120V变压器
解：
600V绕组的额定电流为I1=S/E1=15000/600=25A
120V绕组的额定电流为I2=S/E2=15000/120=125A
为了获得480V，端子X1，X2之间的次级电压（120V）必须从初级电压（600V）中减去。 因此，我们将具有相同极性的端子连接在一起，如图11.7所示。 相应的原理图如图11.8所示。注意，120V绕组中的电流与负载中的电流相同。 由于该绕组的额定电流额定值为125A，因此负载可以获得最大功率。Sa=125Atimes;480V=60Kva。
满载时电路中流过的电流如图11.8所示。注意以下事项：
- 如果我们假设125A的电流从绕组中的X1流到X2，则25A的电流必须从H2流到另一绕组中的H1。 所有其他电流然后通过应用基尔霍夫电流定律找到。
- 由电源提供的视在功率等于负载吸收的功率：S=100Atimes;600V=60kVA
为了获得600V / 720V的比率，次级电压必须加到初级电压：600 120 = 720V。 因此，极性相反的端子（H1和X2）必须连接在一起，如图11.9所示。次级绕组中的电流与负载中的电流相同，因此最大负载电流再次为125A。 最大负载是Sb=125Atimes;720V=90kVA
前面的例子表明，当常规变压器作为自耦变压器连接时，它可以提供远远大于变压器额定容量的负载。 如前所述，这是使用自耦变压器而不是常规变压器的优点之一。 但是，这并不总是这样，我们的例子的下一部分将展示。
为了获得120V至480V的所需比率，我们再次连接H1和X1（如解决方案a），但是源极现在连接到端子X1X2（图1.10）。这一次，600V绕组中的电流与负载中的电流相同; 因此，最大负载电流超过25A。因此，相应的最大负载Sc=25Atimes;480V=12kVA。该负载小于标准变压器的额定额定值（15kVA）。
我们想就这三种自耦变压器连接作最后的发言。变压器的温升在每种情况下是相同的，即使负载分别为60kVA，90kVA和12kVA。 原因是绕组中的电流和磁芯中的磁通在每种情况下相同，因此损耗相同。
图11.7变压器作为自耦变压器重新连接，以提供600V / 480V的比率。
图11.8图11.7为电压和电流流向示意图。
图11.9变压器重新连接，以提供600V / 720V的比率。
图11.10变压器重新连接，以提供120V / 480V的比率。
11.4电压互感器
电压互感器（也称为电压互感器）是高精度变压器，其中初级电压与次级电压的比率是已知的常数，其随负载变化很小。 此外，次级电压几乎与初级电压同相。 额定二次电压通常为115V，与额定一次电压的大小无关。 这允许在次级侧使用标准仪器和继电器。 电压互感器用于测量或监测输电线路上的电压，并将计量设备与这些线路隔离（图11.11）。
电压互感器的结构类似于传统变压器的结构。 然而，初级和次级绕组之间的绝缘必须特别大以承受HV侧上的全线电压。
在这方面，次级绕组的一个端子总是连接到地，以消除当接触次级引线之一时的致命冲击的危险。 虽然次级看起来与初级隔离，但是两个绕组之间的分布电容形成不可见的连接，其可以在次级绕组和地之间产生非常高的电压。 通过将次级端子中的一个接地，次级线路和地之间的最高电压被限制为115V。
电压互感器的额定额定值通常小于500VA。 因此，绝缘体积通常远大于铜或钢的体积。
图11.11电位变压器安装在69kV线路上。 注意绕组之间的分布电容。
安装在HV线路上的电压互感器总是测量线对中性点的电压。 这消除了对两个HV套管的需要，因为初级的一侧连接到地。 例如，图11.12中所示的7000VA，80.5kV变压器具有一个大的瓷套管，用于将HV线路与接地情况隔离。 后者容纳实际的变压器。
650 kV的基本脉冲绝缘（BIL）表示变压器耐受雷电和开关浪涌的能力。
图11.12 7000VA，80.5kV，50 / 60Hz电压互感器，其精度为0.3％，BIL为650kV。套管顶部的主端子连接到HV线，而另一端连接到地。 次级绕组由两个115V绕组组成，每个绕组分别以66.4V抽头。 其他详细信息：总高度2565mm; 瓷套高度：1880 mm; 油：250L; 重量：740kg。
11.5电流互感器
电流互感器是高精度变压器，其中初级与次级电流的比率是已知的常数，其随着负荷而变化很小。 初级和次级电流之间的相位角非常小，通常远小于1度。 通过保持励磁电流小，实现高精度电流比和小相位角。
电流互感器用于测量或监测线路中的电流并隔离连接到次级侧的计量和中继设备。 主回路与线路串联，如图11.13所示。 额定二次电流通常为5A，与初级电流额定值无关。
由于电流互感器（CT）仅用于测量和系统保护，因此其额定功率较小。 一般在15VA和200VA之间。 如在常规变压器的情况下，电流比与初级和次级绕组的匝数成反比。 因此，具有150A / 5A的比率的电流互感器在次级上的匝数比在初级上的多30倍。
出于安全原因，当测量高压输电线路中的电流时，必须始终使用电流互感器。 初级和次级绕组之间的绝缘必须足够大，以承受完整的线对中性电压，包括线路浪涌。 CT可承受的最大电压始终显示在铭牌上。
图11.13电流互感器安装在69 kV线路上。
如在电压互感器的情况下（并且由于相同的原因）次级端子中的一个总是连接到地。
图11.14显示了为230 kV线路设计的500VA，100A / 5A电流互感器。 大套管用于将HV线路与地隔离。 CT安装在套管下端的接地钢壳中。 套管的上端具有与HV线串联连接的两个端子。 线路电流流入一个端子，沿套管向下，通过变压器的初级，然后上升套管，并从另一个端子流出。CT的内部结构如图11.15所示，典型的安装如图11 .11.16。
作为比较，图11.17所示的50VA电流互感器要小得多，主要是因为它只绝缘了36 kV。
图11.14 500VA，100A / 5A，60Hz电流互感器，230kV线路绝缘，精度为0.6％。
图11.15电流互感器在最终建设过程中。
图11.16电流互感器与变电站内部的220kV，3相线路的一相串联。
例11.3
图11.17中的电流互感器的额定值为50VA，400A / 5A，36kV，60Hz。 它以类似于图11.13所示的方式连接到具有14.4kV的线对中性电压的ac线。 次级侧的电流表，继电器和连接线具有1.2Omega;的总阻抗（负载）。 如果传输线电流为280A，则计算
- 二次电流
- 次级端子上的电压
- 初级侧的电压降
解：
- 电流比是I1/I2=400/5=80
匝数比是N1/N2=1/80
二次电流是I2=280/80=3.5A
-
跨越电压是 E2=IR=3.
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