第11章 特种变压器
11.0 绪论
许多变压器是设计用于特殊的工业应用。在这一章我们将学习一些用于配电系统、霓虹灯广告牌、实验室、感应炉以及高频应用方面的特种变压器。尽管它们是特别的，但是它们仍然拥有那些在第十章讨论的标准变压器的基本性质。所以，当变压器带负荷时，可以使用以下近似值:
1.感应线圈电压是直接与线圈的匝数、频率以及铁芯磁通成正比。
2.一次侧的安匝数是相等的，且与二次侧的安匝数相对应的。
3.变压器的输入视在功率与输出视在功率相等。
4.一次绕组的励磁电流可以被忽略。
11.1 双电压配电变压器
提供电能给住宅区的变压器通常拥有两个二次绕组，它们的额定电压都是120V。这些绕组是串联的，所以线路总电压是240V，中间接头的电压是120V（图11.1）。这个中间接头叫作中性点，一般是接地的。
高电压绕组上的终端氢气通常与二次绕组的中性点末端连接，所以两侧绕组均接地。
配电变压器的额定功率从3KVA到500KVA不等。他们被安装在电力事业公司的电极上(图11.2)，用来给多达20位用户供电。
根据用户的需要，一天中配电变压器上的负载变化很大。在居民区，一个用电高峰区出现在早晨，另一个出现在下午的晚些时候。用电高峰从来不会持续超过1个或2个小时，所以在一天24小时中，这些变压器正在运行的数量远远低于正常评估值。因为此种数以千计的变压器与公共通用系统连接，每一个的功率都是为了保持无负载功率的损失处于一个很低的水平。这种目的的实现是通过让铁芯使用特殊低耗硅钢。
11.2自耦变压器
考虑单个变压器有匝线圈，安装在一个铁芯上（图11.3）。这个绕组与恒压交流电源相连接，而且由此产生的励磁电流I。在铁芯产生一个交流磁通。在任何变压器中峰值磁通与一样是固定的。
假设一个tapc接头从绕组上脱离，所以终端A、C之间有匝线圈。因为这些节点间的感应电压是与线圈匝数成正比，的值由下式确定：
（11.1）
显然，这个简单的铁芯像变压器一样有一次侧电压和二次侧电压。然而，一次侧节点B、A和二次测节点A、C不再是相互隔离，因为他们拥有共同的端点A。
如果我们连接二次侧端点C、A与负载，由此产生的电流会立刻造成一次侧电流流动（图11.4）。
显然，绕组的BC部分带来了电流。因此，根据基尔霍夫电流定律，CA部分所激发的电流为（-）。进而，由产生的磁动势必须与（-）所产生的磁动势相匹配，由此可得：
化简得
（11.2）
最后，假设变压器所有的励磁电流和漏磁电流可以忽略，负载需要的 视在功率和电源供应的视在功率必须相等。所以，
（11.3）
等式11.1、11.2和11.3对于那些有匝数比例的标准变压器是一样的。然而，在自耦变压器中，二次绕组实际上是一次绕组的一部分。实际上，自耦变压器消除了对单独隔离二次绕组的需要。所以，相同电能输出时，自耦变压器比标准变压器更小、更轻、更便宜。当转换比例在0.5~2之间时，大小上的不同变得尤其重要。另一方面，在某些设备中，一次绕组和二次绕组间的电气隔离是严重的缺点。
自耦变压器用于启动感应电动机，调节输电线路电压，而且当一次侧与二次侧比例接近1时，常常用于改变电压。
例11-1 图11.4中的自耦变压器有80%的线圈接与二次侧，电源电压为300V，如果二次侧连接一个功率为3.6KW的负载，试计算：
- 二次侧的电压和电流。
- 绕组中流过的电流。
- BC和CA绕组中导体的相对大小。
解：a.二次测电压为
二次侧电流为
（图11.5）
b.电源侧供应的电流为
BC绕组中的电流为12A
CA绕组中的电流为15-12=3A
- CA绕组中的导体大小可以是BA绕组中的1/4，因为电流小了4倍（见图11.5）。然而，BC绕组上的电压与一、二次侧电压相同，也就是（300-240）=60V。所以CA绕组有着4倍于BC绕组的线圈。因此，两绕组本质上需要相同数量的铜。
11.3 将标准变压器连接成自耦变压器
一个常规的有两个绕组的变压器可以通过将一次绕组与二次绕组串联，把其改造成一个自耦变压器 。根据连接方式的不同，二次侧电压的值可能加上或者减去一次侧电压的值。变压器的基本操作和反应不会因为仅仅改变外部连接方式而改变。所以当标准变压器连接成自耦变压器时，以下规则依然适用：
- 任何绕组中的电流不应该超过标称额定电流；
- 任何绕组两端电压不应该超过标称额定电压；
- 如果一侧绕组上流过的是额定电流，那么另一侧会自动流过额定电流。（原因：绕组的安培匝数永远是相同的。）
- 如果一侧绕组为额定电压，那么另一侧绕组两端必然为额定电压。（原因：两侧绕组有一样的主磁通。）
- 如果一侧绕组的电流从H1流向H2，那么另一侧电流从X2流向X1，反之亦然。
- 当相反极性的终端（H1与X2、H2与X1）通过跳线连接在一起，他们的端电压相加。
例11-2 如图11.6所示的标准变压器的额定功率为15KVA，额定电压为600V/120V，额定功率为60HZ。我们希望以三种不同的连接方式将它重新连接成一个自耦变压器以获得三个不同的电压比例：
- 一次侧电压600V到二次侧电压480V；
- 一次侧电压600V到二次侧电压720V；
- 一次侧电压120V到二次侧电压480V。
计算各种情况下变压器所能带动的最大负载。
解：600V侧绕组电流有名值
120V侧绕组电流有名值
- 为了获得480V电压，必须用一次侧电压600V减去端点X1、X2间的一次侧电压（120V）。所以，我们如图11.7那样将同极性端点相连。
相应的原理图于图11.8中给出。表明120V侧绕组中流过的电流与负载上流过的电流相同。因为这一侧绕组的额定电流有名值为125A，这个负载可以拖动的最大功率为
该电路在满载是所流电流如图11.8所示。注解如下：
1.如果我们假设这侧绕组从X1端点到X2端点流过125A的电流，那么另一侧绕组必须从H2端点到H1端点流过25A电流。根据基尔霍夫电流定律可以知道其它电流。
2.电源提供的视在功率与负载吸收的视在功率相等：
- 为了获得600V/720V的变化，二次侧电压必须加上一次侧电压：600V 120V=720V。所以，相反极性的终端必须连接在一起（H1和X2），如图11.9所示。
二次侧绕组电流同样与负载电流相同，因此负载流过的最大电流也是125A。这个负载现在的最大功率为：
前面的例子表明，当普通变压器连接成自耦变压器时，它所能供应的负载远大于原变压器的额定功率。正如前面所提的那样，这是使用自耦变压器而不是标准变压器去有的一大优势。然而，并不是所有情况都如此，我们举例的下一部分将表明这一点。
- 为了获得预期的从120V到480V的变压比，我们再一次连接H1和X1（像方案a一样），但是电源现在与端点X1、X2相连（图11.10）。
此时，600V侧绕组电流与负载电流相同；所以负载最大电流不可以超过25A。因此，相应的最大负荷功率为:
这个负荷功率低于额定功率（15KVA）。
我们想要对这三种自耦变压器连接方式做一个最终评价。变压器的温升在这三种情况下是相同的，即使负荷功率分别为60KVA、90KVA与12KVA。原因是在每一个方案中绕组中的电流和铁芯中的磁通是完全相同的，所以损耗是一样的。
11.4 电压互感器
电压互感器（也叫测量用变压器）是一次侧电压与二次测电压变比为确定常数的高精度变压器，它随负荷的变化而变化的程度很轻。而且，二次测电压几乎精确得与一次侧电压同相位。不管一次侧电压是多少，。二次测额定电压通常为115V。这允许二次侧连接标准仪器和继电器。电压互感器用于测量和监控输电线路电压以及将输电线路与测量装置隔离（图11.11）。
电压互感器的构造与标准变压器相似。但是其一次绕组与二次绕组间的绝缘效果必须很好以抵抗高压侧的实线电压。
就这一点而言，二次绕组的一个端点总是接地的，这样可以消除当触碰其中一条二次的导线而带来休克的危险。尽管二次侧看上去与一次侧隔离，但两个绕组间的分布电容会使它们之间产生一个看不见的联系，它会在二次绕组与大地之间产生一个很高的电压。通过连接二次侧端点与地，二次测导线与地之间的最高电压被限制在115V。
电压互感器的额定功率通常少于500VA。所以，绝缘部分的体积通常远大于铜或者铁的体积。
在使用电压互感器或电流互感器时，负载被称为负担。
电压互感器安装在高压线路上总是用于测量线到中性点的电压。这样就消除了对高压套管的需要，因为一次绕组的一次绕组总是接地的。例如，如图11.2所示的7000VA，80.5KV的变压器有一个大的陶瓷套管以隔离高压线路与大地。后一个套管安装真正的变压器。
650KV的基本脉冲电压表现了变压器抵抗照明或者切换涌流的能力。
11.5 电流互感器
电流互感器是高精度变压器，它的一次侧电流与二次侧电流之比是一个确定的常数 ，它随负荷的变化而变化的程度很轻。两侧电流的相角很小，通常小于一度。高精度电流比和小相角差是通过保持励磁电流小来实现的。
电流互感器用于测量和监控线路电流，以及隔离测量仪器与二次侧连接的继电器。如图11.13所示，它的一次侧是与线路串联的。它的二次侧电流有名值总是5A，不管一次侧的电流等级是多少。
因为电流互感器（CTS）仅用于测量和系统保护，所以它们的功率等级很小——一般在15VA到200VA之间。在标准变压器中，一、二次侧电流反比于一、二次侧绕组匝数。因此电流比为150A/5A的电流互感器的二次绕组线圈匝数使一次绕组的30倍。
出于安全因数的考虑，当测量高压传输线路的电流时，电流互感器必须一直在被使用。一次绕组与二次绕组间的绝缘性必须足够好，以抵抗完整的线电压与线路涌流。电流互感器能够抵抗的最高电压通常在铭牌上有标注。
在电流互感器中（由于同种原因），二次绕组的一个端点总是接地的。
如图11.14所示，一个500VA、100A/5A的电流互感器被设计用于230KV线路。这个大套管设备用于隔离高压线路与大地。电流互感器安装在套管低侧的接地钢箱中。套管的高侧有两个接线端与高压线路串联。线电流从一个接线端流入，沿着套管下降，通过变压器一次绕组，然后沿着套管上升，并从另一接线端流出。电流互感器的内部结构如图11.15所示，典型接法如图11.16所示。
通过比较，50VA的电流互感器（如图11.17所示）更小，主要是其绝缘的最高电压仅有36KV。
例11-3 图11.17的电流互感器标准参数为50VA、400A/5A，36KV、60HZ。它连接于交流线路，线路电压为14.4KV，在某种程度上小于图11.13所示的电流互感器。电流表、继电器和二次绕组连接线所有的总阻抗（负荷）为1.2欧。如果传输线路的电流为280A，计算：
- 二次侧电流；
- 二次测两接线端间电压；
- 通过一次绕组的降落电压。
解：a.电压比为
线圈匝数比为
二次侧电流为
b.负载两端电压为
因此二次测电压为4.2V。
c.一次侧电压为
相比于14.4KV的线电压，这是很小的电压降落。
11.6 断开电流互感器的二次侧有危险
当一次回路流过电流时，必须采取所有措施以防止电流互感器的二次回路被断开。如果二次侧突然被断开，一次电流I1 不变任流通，因为一次侧的阻抗相对于电力负荷可以忽略不计。因为由于二次侧的安培线圈，此时不再有电动势效应，因此线电流变为变压器的励磁电流。因为线电流可能比正常励磁电流大100到200倍，铁芯磁通所能达到的顶峰比平时更高。磁通太大了，以至于铁芯在每半个周期的大部分时候都是饱和的。参考图11.18，随着首个半个周期一次电流I1 的上升与下降，铁芯磁通 也上升与下降，但是它仍然在大部分时候是确定的，饱和电平在第二个半个周期发生同样的情形。在这种饱和的时候，二次绕组电压可以忽略，因为磁通变化非常小。然而，在
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