专题一 变压器的结构及其分类（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题一 变压器的结构及其分类（教案）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测 一、考纲解读 1.重点考查变压器基本原理与结构，需掌握电磁感应原理，理解铁心和绕组作为核心组成的作用，明确器身构成及附件的基础功能。 2.聚焦变压器分类，需掌握按用途、结构、冷却方式等的分类标准，理解不同类型的特点及适用场景，为应用分析奠基。 3.关注铁心材料与结构，需熟知硅钢片的特性、分类代号含义，区分心式与壳式结构的差异及适用范围，强化结构认知。 4.重视附件功能，需掌握油箱、储油柜、气体继电器等附件的作用，理解其对变压器安全运行的保障机制，关联实际运行需求。 二、知识点梳理 一、变压器的结构 变压器的主要组成部分是铁心和绕组，它们组装在一起称为变压器的器身。为了改善散热条件，大、中容量的电力变压器的铁心和绕组固定在浸入盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组对外线路的连接由绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行，还设有储油柜、安全气道、气体继电器等附件。 1.铁心 (1)铁心材料铁心是变压器磁路的主体，铁心分为铁心柱和铁轭两部分。铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合。铁心的作用是建立较大的磁通量。绕组通电后产生的磁通，绝大部分是循着磁导率大的导磁体(铁心)内流通的。为了提高铁心导磁性能，减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，铁心通常采用含硅量约为5%,厚度为0.35 mm,两面涂绝缘漆或氧化处理的硅钢片叠装而成。硅钢片是软磁材料中应用最为广泛的一种，它是用电工硅钢轧制而成。这类材料在较低的外磁场作用下，就能产生较高的磁感应强度，并且随着外磁场的增大，磁感应强度会很快达到饱和；当外磁场去掉后，材料的磁性又能基本消失，剩磁很小。由于硅的加入，使硅钢片的电阻率提高，涡流损耗降低，而且老化现象减小。如硅含量(质量分数)在3%～4%时，120℃保温120h(小时),磁性几乎不变。然而，硅的加入使硅钢片硬度提高，伸长率和韧性下降，使硅钢的加工变得困难。电气工程所用硅钢片也称电工硅钢片，用D表示，按其轧制方法和轧后硅钢片的晶粒取向(注：晶粒取向是指硅钢片经冷轧以后，由于晶粒排列方向的不同，沿着轧制方向其导磁性能特别好，而垂直于轧制方向的导磁性能较差，这种差别称为晶粒取向)可将硅钢片分为三类：热轧硅钢片，代号为DR;冷轧无取向硅钢片，代号为DW;冷轧有取向硅钢片，代号为DQ。因此，使用冷轧有取向硅钢片时，磁感线的方向必须和轧制方向吻合。 电工硅钢片的品种性能代号D△***-□□的意义如下： D表示电工硅钢片；△表示硅钢片轧制工艺的字母代号，即R——热轧，W——冷轧无取向，Q——冷轧有取向；***3位数字，表示该材料在50 Hz的磁感应强度1.5 T作用下，每千克材料的铁损耗值的100倍；□□2位数字，表示硅钢片厚度的100倍。例如，DR315-50表示为热轧、厚度为0.5 mm,在频率为50 Hz磁感应强度为1.5 T时，每千克硅钢片铁损为3.15 W。 (2)铁心结构按照绕组套入铁心柱的形式，铁心可分为心式结构和壳式结构两种，如图所示。 ①心式变压器心式变压器的一次、二次绕组套装在铁心的两个铁心柱上，如图(a)所示。这种结构比较简单，有较多的空间装设绝缘，装配较容易，且用铁量较少，适用于容量大、电压高的变压器，一般电力变压器均采用心式结构。 ②壳式变压器壳式变压器的铁心包围着绕组的上下和侧面，如图(b)所示。这种结构的变压器机械强度较好，铁心容易散热，但用铁量较多，制造也较为复杂，小型干式变压器多采用这种结构形式。 (3)铁心叠片形式 ①条状铁心叠片大、中型变压器的铁心，一般都将硅钢片裁成条状，采用交错叠片的方式叠装而成，使各层磁路的接缝互相错开，这种方法可以减小气隙和磁阻，如图(a)、(b)所示。近年来在大型变压器中多采用高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片，如30QG110(D330)等。由于冷轧硅钢片具有方向性，顺着碾压方向磁导率高、损耗小，因此采用斜切法下料，叠片方法如图(c)所示。 小型变压器为了简化工艺和减小气隙，常采用口形、E形、F形、C形冲片交替叠装而成。还有采用特殊工艺制成的C形、0形铁心。 这些冲片及铁心的形状如图所示。 ②渐开线式铁心在20世纪六七十年代出现一种新的铁心结构-----渐开线式铁心。它的铁心柱用预先成形的渐开线形状的冷轧硅钢片插装压合而成。铁轭用成卷的带状冷轧硅钢片连续卷绕而成。再用长螺杆等夹紧附件把铁轭和铁心柱对接紧固，如图所示。这种渐开线式铁心叠片，各片形状相同，很适合机械化流水线生产，而且具有体积小、用料省、重量轻和铁损耗少等优点。但由于制作工艺复杂，而未能广泛应用。 (4)铁心截面形式小型变压器铁心柱的截面是方形或长方形的，如图(a)所示。大型变压器为了充分利用空间，铁心柱的截面通常是梯形截面，如图(b)所示。为了改善铁心内部的散热条件，当铁心柱截面较大时，中间留有油道，如图(c)所示。 2.绕组 绕组是变压器的电路部分，用绝缘扁(或圆)铜线或绝缘铝线绕制而成，近年来还有用铝箔绕制的。绕组的作用是作为电流的载体，产生磁通和感应电动势。 变压器中，接到高压电网的绕组称为高压绕组，接到低压电网的绕组称为低压绕组。按高、低压绕组在铁心柱上放置方式的不同，绕组有同心式和交叠式两种。 (1)同心式绕组同心式绕组是将高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为了便于绕组与铁心绝缘，通常低压绕组靠近铁心，高压绕组套装在低压绕组的外面，如图所示。也有低压、大电流绕组安放在高压绕组外面的。 同心式绕组具有结构简单、制造方便的特点，国产变压器多采用这种结构。它又分为圆筒式、分段式、螺旋式和连续式等几种基本形式，如图所示。 ①圆筒式绕组它是由一根或几根并联的绝缘导线沿铁心柱高度方向连续绕制而成，如图(a)所示。它一般用于每柱容量在200 kV·A以及电压在10kV以下的变压器中。 ②分段式绕组它是将圆筒式绕组沿轴线分成若干段，每段之间用绝缘衬垫隔开，然后在外部用连接线连接起来，如图(b)所示。它比圆筒式绕组机械强度好、散热能力强，一般用于每柱容量为350kV·A及以下的高压绕组中。 ③螺旋式绕组它是由多根扁线沿径向并联排列，然后沿铁心柱轴向像螺纹一样，一匝跟着一匝绕制而成，这时，一个线饼就是一匝。当并联导线太多时，可把并联导线沿轴向分成两排，绕成双螺旋式线圈。为了减少导线中的附加损耗，在绕制过程中需将导线进行换位，如图(c)所示。它一般用于三相容量为800kV·A及以上，电压为35kV及以下的大电流变压器中的低压绕组。这种绕组导线截面积大、匝数少、绕组端部连接容易处理。 ④连续式绕组它是由单根或多根扁漆包线盘绕，沿轴线分若干段绕制成线饼。从一个线饼到另一个线饼的连接，不像分段式那样焊接，而是用特殊的“翻线法”连续绕线。线饼与线饼之间无接头，中间有油道，加强冷却作用，如图(d)所示。 (2)交叠式绕组交叠式绕组又称饼式绕组，它是高低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱的高度方向交替排列。为了便于绕线和铁心绝缘，一般最上层和最下层放置低压绕组，如图所示。交叠式绕组的主要优点是漏抗小，机械强度好，引线方便。这种绕组仅用于壳式变压器中，如大型电炉变压器就采用这种结构。 3.附件 电力变压器的附件有油箱、储油柜、分接开关、安全气道、气体继电器和绝缘套管等。其作用是保证变压器的安全可靠运行。 (1)油箱和冷却装置油浸式变压器的外壳就是油箱示。箱中盛有用来绝缘及散热用的变压器油，它既是绝缘介质又是冷却介质，要求既有高的介质强度又有低的粘度，高的发火点和低的凝固点，且不含酸、碱、硫、灰尘和水分等杂质。油箱可保护变压器铁心和绕组不受外力作用和潮湿的侵蚀，并通过油的对流，把铁心和绕组产生的热量传递给箱壁和散热管，再把热量散发到周围的空气中去。一般来说，对20kV·A以下的变压器，油箱本身表面能满足散热要求，故采用平板油箱；对30～200 kV·A变压器，采用排管式油箱；对2.5～6.3 MV·A的变压器，所需散热面积较大，则在油箱壁上装置若干只散热器，加强冷却；容量为8～40 MV·A的变压器在散热器上还另装电风扇冷却；对50 MV·A及以上大容量变压器，采用强迫油循环冷却方式。这些是变压器的冷却装置。当变压器的质量大于15 t(吨)时，通常把变压器做成钟罩式油箱，检修时只需把上节油箱吊起，免除必须使用重型起重设备。 目前，干式变压器的产量已经占据配电变压器产量的20%以上，在成套变电站中，干式变压器已经占据80%～90%的份额。 (2)储油柜储油柜亦称油枕，如图所示。它是一个圆筒形容器，装在油箱上部，用管道与油箱相连，使油刚好充满到储油柜的一半。油面的升降被限制在储油柜中，并且从油表指示中可以看到油面的高低。其作用是既能随时将油充满整个油箱，又能根据温度变化，适应变压器油的热胀冷缩，还能使变压器油与空气接触面减少，防止潮气侵入。 (3)安全气道安全气道亦称防爆管，装在油箱顶盖上，如图所示。它是一种保护设备，由一根长钢筒构成，其上端管口装有一定厚度的玻璃板或酚醛纸板(防爆膜)。当变压器发生严重故障而产生大量气体时，油箱内部的压强可达到50.66 kPa(0.5个大气压),气体和油将首先冲破防爆膜向外喷出，以降低油箱内的压力，从而避免油箱内部受到强大的向外压力而爆裂。 4)气体继电器气体继电器是变压器的主要保护装置，装在变压器油箱和储油柜之间的连接管上，如图所示。其内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板。当变压器内部发生故障时，产生的气体聚集在气体继电器上部，使油面降低、浮筒下沉，接通水银开关而发出报警信号；当变压器内部发生严重故障时，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一个水银开关接通，发出信号并跳闸，与电网断开，起到保护作用。图所示为气体继电器外形和结构。 (5)吸湿器吸湿器又称呼吸器，其内部装有用氯化钛浸渍过的硅胶。当变压器温度变化时，储油柜的油面上下变化，油面上的空气通过吸湿器与大气相通。由于硅胶的吸湿能力很强，硅胶会吸收空气中的水分，保证储油柜内空气的干燥，以免水分进入变压器油。此硅胶干燥时为蓝色，吸湿饱和后为红色，应急时可将红色硅胶进行烘烤变为蓝色后再放入吸湿器。 (6)调压分接开关变压器运行时，其输出电压是随输入电压的高低和负载电流的大小及性质而变动的。在电力系统中，为了将变压器的输出电压控制在允许变化的范围内，变压器的高压绕组匝数要求在一定范围内调节，因为高压绕组一般在低中压绕组外面，引出调压分接头方便，引线截面积小，电流也小，操作方便。因而一次绕组一般都备有抽头，称为分接头，如图所示。利用开关S与不同分接头相连接，就可以改变一次绕组的匝数，从而达到调节电压的目的。其调节范围一般是额定输出电压的±5%,也有为±7.5%的。 调压分接开关分为有载调压分接开关和无励磁调压分接开关两种。有载调压分接开关是在不停电带负载情况下，随时进行调压的。无励磁调压分接开关在进行调压前要断开变压器一次、二次电源，断电后调节无励磁分接开关，改变变压器绕组匝数，从而达到调整电压的目的。 (7)绝缘套管绝缘套管由外部的瓷套和其中的导电杆组成。其作用是使高、低压绕组的引出线与变压器箱体绝缘。它的结构主要取决于电压等级和使用条件。电压≤1 kV时，采用实心瓷套管；电压在10~35 kV时，采用充气式或充油式套管；电压≥110 kV时，采用电容式套管。为了增加表面放电距离，套管外形做成多级伞形，如图所示。 (8)测温装置在变压器运行时，需要监视变压器油面的温度。小型的油浸式变压器可用水银温度计，较大的变压器通常采用压力式温度计，如图(a)所示。它是由测温管、金属软管和表头三部分组成。表头实际上是一个压力表，装在油箱壁上便于观察油的位置；测温管内充满某种液体(如氯化甲烷或乙醚等),通过金属软管与表头连接；测温管固定在油箱顶盖上的一个开口套筒内。套筒内注满变压器油，如图(b)所示。当变压器的油温变化时，氯化甲烷的压力也随之变化，表头的指针(黑针)偏转，指示出相应的温度值。指针的轴还可带动2对接点，调节装在表头上的最高温度指针(黄针、红针)就可以改变接点闭合时的温度。当油温达到指定值时，接点闭合而接通电路，发出信号或开动冷却系统的自动装置。 二、变压器的分类 为了达到不同的使用目的，并适应不同的工作条件，变压器有很多类型，可按其用途、绕组结构、铁心结构、相数、调压方式、冷却方式、容量等进行分类。 (1)按用途不同变压器分为电力变压器(又可分为升压变压器、降压变压器、配电变压器、厂用变压器等);特种变压器(电炉变压器、整流变压器、弧焊变压器等);仪用互感器(电压互感器、电流互感器);试验用的高压变压器和调压器等。 (2)按绕组结构不同变压器分为双绕组、三绕组、多绕组变压器和自耦变压器。 (3)按铁心结构不同变压器分为心式变压器和壳式变压器。 (4)按相数不同变压器分为单相、三相、多相(如整流用的六相)变压器。 (5)按调压方式不同变压器分为无励磁调压变压器、有载调压变压器。 (6)按冷却方式不同变压器分为干式变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环冷却变压器、强迫油循环导向冷却变压器、充气式变压器等。 (7)按容量不同变压器分为小型变压器，容量为630kV·A及以下；中型变压器，容量为800～6300 kV·A;大型变压器，容量为8000～63000 kV·A;特大型变压器，容量为900000 kV·A及以上。 (8)按交流电频率不同变压器可分为工频变压器、中频变压器、高频变压器(脉冲变压器)。 三、真题练讲 1.（2022年河南省统一考试）变压器的核心组成部分是（ ） A.油箱 B.铁心和绕组 C.储油柜 D.绝缘套管 答案：B 解析：变压器的主要组成部分是铁心和绕组，二者组装成器身，是实现电磁感应的核心；油箱、储油柜、绝缘套管等均为辅助附件。 2.（2023年山东省统一考试）下列材料中适合制作变压器铁心的是（ ） A.硬磁材料 B.硅钢片 C.铜 D.铝 答案：B 解析：硅钢片是软磁材料，在较低外磁场下可产生高磁感应强度，剩磁小，且含硅提高电阻率，减少损耗，是变压器铁心的常用材料。 3.（2024年河南省统一考试）心式变压器的典型特点是（ ） A.铁心包围绕组 B.用铁量多 C.适用于大容量高电压 D.制造复杂 答案：C 解析：心式变压器绕组套装在铁心柱上，结构简单、用铁量少、装配容易，适合容量大、电压高的场景，电力变压器多采用这种结构。 4.（2021年河南省统一考试）变压器油的主要作用是（ ） A.润滑 B.绝缘和冷却 C.导电 D.防锈 答案：B 解析：变压器油既是绝缘介质，可隔绝绕组与箱体，又是冷却介质，通过对流将热量传递到箱壁散发，保障变压器正常运行。 5.（2025年江苏省统一考试）有载调压分接开关的特点是（ ） A.需断电调节 B.可带负载调节 C.调节范围小 D.结构简单 答案：B 解析：有载调压分接开关能在变压器不停电、带负载的情况下调节绕组匝数，实现电压调整；无励磁调压则需断电操作。 四、限时练讲 1.变压器铁心采用硅钢片叠装的主要目的是（ ） A.增强机械强度 B.减小磁滞和涡流损耗 C.降低成本 D.便于安装 答案：B 解析：硅钢片含硅量约5%，电阻率高，可减少涡流损耗；叠装且涂绝缘漆能避免涡流环流，同时降低磁滞损耗，提升效率。 2.壳式变压器通常适用于（ ） A.大型电力变压器 B.小型干式变压器 C.高压变压器 D.特大型变压器 答案：B 解析：壳式变压器铁心包围绕组，机械强度好、散热性佳，但用铁量多、制造复杂，更适合小型干式变压器。 3.气体继电器的核心功能是（ ） A.测量油温 B.调节电压 C.保护变压器 D.储存变压器油 答案：C 解析：当变压器内部故障时，气体继电器可通过油面下降或油流冲击，触发信号报警或跳闸，防止故障扩大，保护设备安全。 4.冷轧有取向硅钢片的代号是（ ） A.DR B.DW C.DQ D.DL 答案：C 解析：电工硅钢片代号中，Q代表冷轧有取向，DR为热轧，DW为冷轧无取向，因此冷轧有取向硅钢片代号为DQ。 5.电压等级≥110kV的变压器，绝缘套管通常采用（ ） A.实心瓷套管 B.充油式套管 C.电容式套管 D.充气式套管 答案：C 解析：绝缘套管按电压选择，≤1kV用实心瓷套管，10~35kV用充气或充油式，≥110kV则采用电容式套管，以满足绝缘需求。 6.同心式绕组的显著特点是（ ） A.高低压绕组交替排列 B.漏抗小 C.结构简单 D.仅用于壳式变压器 答案：C 解析：同心式绕组将高低压绕组同心套在铁心柱上，结构简单、制造方便，是国产变压器的常用结构，并非仅用于壳式变压器。 7.储油柜的作用不包括（ ） A.适应油的热胀冷缩 B.减少油与空气接触 C.冷却变压器油 D.防止潮气侵入 答案：C 解析：储油柜通过连通油箱调节油面，减少油与空气接触以防潮，冷却功能主要由油箱、散热器等完成。 8.中型变压器的容量范围是（ ） A.630kV·A及以下 B.800~6300kV·A C.8000~63000kV·A D.900000kV·A及以上 答案：B 解析：按容量分类，小型为630kV·A及以下，中型为800~6300kV·A，大型为8000~63000kV·A，特大型为900000kV·A及以上。 9.简述变压器铁心的两种结构形式及特点。 答案：铁心分为心式和壳式。心式结构中，绕组套装在铁心柱上，结构简单、用铁量少，适用于大容量高电压变压器；壳式结构中，铁心包围绕组，机械强度好、散热性佳，但用铁量多，适用于小型干式变压器。 10.列举三个变压器的主要附件并说明其作用。 答案：①油箱：保护铁心和绕组，通过油的对流散热；②气体继电器：监测内部故障，故障时发出信号或跳闸；③储油柜：适应油的热胀冷缩，减少油与空气接触，防止潮气侵入。 五、学法建议 重点复习知识点： 1.夯实基础原理：重点理解电磁感应原理，明确铁心（磁路）和绕组（电路）的核心作用，这是分析变压器工作的前提。 2.梳理结构分类：对比心式与壳式铁心、同心式与交叠式绕组的差异，结合适用场景记忆，避免混淆不同结构的特点。 3.掌握附件功能：逐个理解油箱、储油柜、气体继电器等附件的作用，关联变压器安全运行需求，形成“结构-功能”对应认知。 4.分类归纳考点：按用途、冷却方式、容量等标准整理分类知识，建立体系化记忆框架，提升对不同类型变压器的辨析能力。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$