变压器基本知识「变压器的基本概念」

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变压器是一种能改变交流电压而保持交流电频率不变的电器设备。在电力系统的送变电过程中，变压器是一种重要的电器设备。

送电时，通常使用变压器把发电机的端电压升高，对于输送一定功率的电能，电压越高，电流就越小，输送导线上的电能损耗越小，由于电流小，则可以选用截面积小的输电导线，能节约大量的金属材料。用电时，再利用变压器将输电导线土的高电压降低，以保证人身安全和减少用电器绝缘材料的消耗。

我国的交流电压等级有三种，单相220V、三相380V称为低压，一般用于家庭和工商业。三相10kV，15kV，35kV称为中压，110kV、220kV、330kV、500kV，1000KV称为高压。

国家电网公司规定：8 kW及以下可接入220 V，8～400 kW可接入380 V，400 kW～6 MW可接入10 kV，5MW～20 MW可接入35 kV。因此400kW以下的光伏电站可直接接入380/220V低压电网。如果电站容量超过400kW并入中压电网，中大功率电站，一般使用中功率组串式逆变器和大功率集中式逆变器，输出电压有很多种，常见的有315V、400V、480V、500V、540V、690V等多种，后级必须接升压隔离变压器。

除功率传送和电压变换作用外，在光伏系统中，变压器还有以下作用：

1）电气隔离：隔离变压器初级和次级是靠磁路来传递能量，组件和电网电气隔离，可以阻止直流分量和漏电流进入电网，适用于组件负极接地系统。

2）在抑制组件PID解决方案中，逆变器后面接入隔离变压器，再提升N极对地的电位，间接提升组件负极对的电位，达到抑制组件PID的目的。

3）匹配电压：有些国家的电网电压和我国不一样，如美国是单相110V，三相220V，可以在逆变器后面加一个变压器，匹配接入国家的电压。

1．变压器的基本结构和原理

虽然变压器种类繁多，用途各异，电压等级和容量不同，但变压器的基本结构大致相同。最简单的变压器是由一个闭合的软磁铁心和两个套在铁心上又相互绝缘的绕组所构成，绕组又称线圈，是变压器的电路部分。与交流电源相接的绕组叫做一次绕组，简称一次；与负载相接的绕组叫做二次绕组，简称二次。

磁芯是变压器的磁路部分，主要材料有带绕铁芯类如硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金；粉芯类如铁粉芯、铁硅铝粉芯、高磁通量粉芯、坡莫合金粉芯、铁氧体磁芯等等，工频和低频变压器电抗器一般使用硅钢片，现在厚度普遍从0.35mm到0.23mm，硅钢片又分取向和无取向两种，取向硅钢片要求高，价格是无取向硅钢片的两倍，但损耗仅为无取向硅钢片的三分之一，抑制电流谐波效果比无取向硅钢片作用更大。

线圈是变压器的电路部分，常用的材料有铜材和铝材，习惯上把线圈由铜质制成的称为全铜变压器，把线圈由铝质制成的称为全铝变压器，两者的区别主要有四点：铜的导电性好于铝，相同的电流，铝材要比铜材截面积要大，因此铜变压器比铝变压器要小；铜的重量比铝要重，相同的功率，铜变压器比铝变压器要重；铜的价格比铝要贵。

变压器损耗主要有铜损和铁损，铜损指变压器线圈电阻所引起的损耗，当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗，由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损。

铜损可以通过测量变压器短路阻抗来计算。变压器的铁损包括两个方面：一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得磁芯内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗。另一是涡流损耗，当变压器工作时，磁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流，涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗。铁损可以通过测量变压器空载电流来计算。

当变压器一次接人交流电源以后，在一次绕组中就有交流电流流过，于是在铁心中产生交变磁通，称为主磁通。它随着电源频率而变化，主磁通集中在铁心内；极少一部分在绕组外闭合，称为漏磁通，它一般很小，可忽略不计。根据电磁感应定律，一、二次绕组都将产生感应电动势。如果二次接有负载构成闭合回路，就有感应电流产生。变压器通过一、二次绕组的磁耦合把电源的能量传送给负载。

2．升压变压器和降压变压器

任何一种变压器在变压过程中只起能量传递作用，无论变换后的电压是升高还是降低，电能都不会增加，也不能减少。根据能量守恒定律；在忽略损耗时，变压器输出的功率P2应与变压器从电源获得的功率 P1相等，即：P1=P2

变压器工作时，一、二次绕组的电流大小与一、二次韵电压或匝数成反比，或者为变压器电压比的倒数。实际上，变压器在改变电压的同时也改变了电流。电流互感器就是根据这二原理制成的。

一次电压高于二次电压叫作降压变压器，一次电压低于二次电压叫作升压变压器。在相同频率、同等容量的条件下，一台电力变压器可以作为降压变压器使用，逆转过来，也可以作为升压变压器使用。

运行I1的物理实体是初级绕组，运行I2的物理实体是次级绕组，它们是变压器的电路部分；Φ是磁力线，它所在的物理实体是铁心，它是变压器的磁路。

当变压器的容量P（kVA）及绕组的匝数W一定时，铁心中的磁通量Φ（韦伯(wb）就定下来了，一台电力变压器不管作为降压变压器使用还是作为升压变压器使用，磁路的实体即铁心及物理意义没有发生变化。

变压器是根据生活的需要改变电压的静止电器，其电压比等于匝数比，上图中：U1/U2=W1/W2。W1：初级绕组的匝数，W2：次级绕组的匝数，一台电力变压器，W1及W2是没有变化的，所以除了电网电压波动因素外，电压U1与U2也是没有变化的，如将原来的次级绕组W2作为初级绕组W1，那么原来初次绕组W1改变为现在的次级绕组W2，上面公式U1/U2=W1/W2反之U2/U1=W2/W1仍然完全成立。在相同频率、同等容量的条件下，一台电力可以作为降压变压器使用，逆转过来，也可以作为升压变压器使用是成立的。

3．变压器的主要技术参数

变压器的规格型号及其主要技术数据都标在它的铭牌上，作为使用变压器的重要依据。变压器的主要结构参数有长宽高，体积，重量，技术参数有额定电压、额定电流、额定容量和温升绝缘等级、联结组标号、效率等。

1额定电压

变压器一次的额定电压，是指变压器所用绝缘材料的绝缘强度所规定的电压值，二次额定电压是变压器空载时，一次加上额定电压后，二次两端的电压值。两个额定电压分别用U1N ，U2N表示。单相变压器U1N，U2N是指一、二次交流电压的有效值，三相变压器U1N，U2N是指一、二次线电压的有效值。

2额定电流

指变压器在允许温升的条件下，所规定的一、二次绕组中允许流过的最大电流，变压器飞二次电流分别用I1N和I2N表示。单相变压器I1N和I2N是指电流的有效值，三相变压器是指线电流的有效值。

3额定容量

表示变压器工作时所允许传递的最大功率。单相变压器的额定容量是二次额定电压和额定电流之积；三相变压器的额定容量也是二次额定电压和额定电流之积(应为三相之和)。额定容量用字母S表示，单位是伏安(V·A)。

4温升和绝缘等级

温升是指变压器在额定工作时；允许超出周围环境温度的数值。它取决于变压器绝缘材料的耐热等级。

5联结组标号

三相绕组的联结法有星形接法和三角形接法，分别用Y、D（或y、d）表示，其中大写字母表示高压侧，小写字母表示低压侧。具体表示时高压绕组的联结法写在左，低压绕组联结法写在右。例如：高压绕组为星形接法，低压绕组为三角形接法时我们记此三相变压器的联结法为Yd。

此外，有的星形联结法可以引出中线，分别用O（高压侧）或o（低压侧）表示。把高压侧（一般是一次侧）线电动势的相量作为分针，始终指向“12”，而以低压侧线电动势的相量作为时针，它所指的数字即表示高、低压侧电动势相量间的相位差。这个数字称为三相变压器的“联结组标号”。例如：Yd11表示此变压器高压侧为星形接法，低压侧为三角形接法，高、低压侧电动势相量间的相位差为11点时时针与分针的相位差即330°；Yy2表示此变压器高、低压侧均为星形接法，高、低压侧电动势相量间的相位差为2点时时针与分针的相位差即60°。

送电时，通常使用变压器把发电机的端电压升高，对于输送一定功率的电能，电压越高，电流就越小，输送导线上的电能损耗越小，由于电流小，则可以选用截面积小的输电导线，能节约大量的金属材料。用电时，再利用变压器将输电导线土的高电压降低，以保证人身安全和减少用电器绝缘材料的消耗。

4、干式变压器与油浸式变压器

相同的是都是电力变压器，都有作磁路的铁芯和作电路的绕组。

而最大的区别是在“油式”与“干式”。也就是说两者的冷却介质不同，前者是以变压器油作为冷却及绝缘介质，后者是以空气作为冷却介质。油变是把由铁芯及绕组组成的器身置于一个盛满变压器油的油箱中。干变常把铁芯和绕组用环氧树脂浇注包封起来，也有一种现在用得多的是非包封式的，绕组用特殊的绝缘纸再浸渍专用绝缘漆等，起到防止绕组或铁芯受潮。

油变造价低、维护方便，但是可燃、可爆。干变由于具有良好的防火性，可安装在负荷中心区，以减少电压损失和电能损耗。但干变价格高，体积大，防潮防尘性差，而且噪音大。干变可以拆开运输放便,清洁，易维护，按装不需机座，没有渗油池等优点 。

5、美式箱变与欧式箱变

在光伏系统中，变压器是可靠性最稳定可靠的电气设备之一，一般不需要专人进行维护、监管。

相关人员只要注意变压器的外在特征变化，及时报告有关人员，履行告知即可。正常工作的变压器，一般都有一些轻微的振动声音，有一定温升，没有气味。一旦振动声音明显增加，出现怪味、打火等特殊现象时，就必须及时报告并远离。

箱式变压器（简称箱变）是一种把高压开关设备配电变压器，低压开关设备，电能计量设备和无功补偿装置等按一定的接线方案组合在一个或几个箱体内的紧凑型成套配电装置。

有欧式和美式两种，欧式箱式变电站，从结构上采用高、低压开关柜，变压器组成方式，形象好比给高、低压开关柜、变压器盖了房子。美国箱式变电站，在结构上将负荷开关，环网开关和熔断器结构简化放入变压器油箱浸在油中。避雷器也采用油浸式氧化锌避雷器。变压器取消油枕，油箱及散热器暴露在空气中，形象好比给变压器旁边挂个箱子，从体积上看，欧式箱变由于内部安装常规开关柜及变压器，产品体积较大，美式箱变由于采用一体化安装体积较小。

6、双分裂变压器与双绕组变压器

光伏系统升压变压器有双分裂变压器与双绕组变压器两种，三相双绕组双分裂变压器拥有高压、低压两个绕组，并把低压绕组分裂成两部分，在电气上互不相连。

这两个分裂的低压可以并联运行，也可以单独运行。双分裂变压器是低压侧分裂成两个相同容量，联接组别和电压等级的绕组，前面分别接两个光伏逆变器，双分裂变压器成本虽高，但双分裂变压器由于结构优势，实现了两台逆变器之间的电气隔离，减小了两支路间的电磁干扰及环流影响，逆变器的交流输出分别经变压器滤波，输出电流谐波小，提高了输出的电能质量。

选择用双分裂变压器还是双绕组变压器，主要看前级的光伏逆变器滤波器设计方案，一般来说，使用LC滤波方案的逆变器，如果是两台并联，推荐使用双分裂变压器，因为电容并联，容易在两个支路间之间产生较大的环流，影响逆变器的正常使用功能；使用LCL滤波方案的逆变器，为了节省成本，可以使用双绕组变压器。

7、光伏系统容量和变压器的选择

光伏上网，有使用公共变压器和光伏专用变压器两种方案，如果使用原公共的降压变压器上网，根据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》4.3.1要求：小型光伏电站总容量不宜超过上一级变压器供电区域内的最大负荷的25%，这主要是从电网安全角度上来考虑的，受天气和环境影响，光伏输出功率不稳定，需要电网提供强大的平衡能量，而这些能量需要变压器原边和副边电磁交换来提供，25%这个比例就是经过多次实验得出来的经验值。

使用光伏专用变压器上网，变压器没有别的负载，主要考虑的因素就是逆变器的最大输出功率不能超过变压器的容量，而逆变器最大输出功率和光伏组件的容量、安装方位角和倾角，以及天气条件，逆变器安装场地等多种因素有关，光伏逆变器最大输出功率一般是组件是0.9左右，变压器的功率因素一般在0.9左右，所以一般要求光伏组件和变压器按1：1配置，或者变压器容量稍大于组件容量。