1.8 特种变压器

电力系统中除广泛采用双绕组变压器以外，在实际应用中为适应某些需要也采用一些特殊的变压器，如自耦变压器、互感器、电焊变压器等。这些变压器的基本原理和分析方法与双绕组变压器是相同的，但又具有自己的特点。下面对常见的几种变压器进行分析，重点学习各种特殊用途变压器的结构、工作原理，以及在使用中应注意的问题。

1.自耦变压器

如果把变压器一次绕组和二次绕组合二为一，使二次绕组成为一次绕组的一部分，这种只有一个绕组的变压器称为自耦变压器。在高压输电系统中，自耦变压器主要用来连接两个电压等级相近的电力网，做联络变压器之用；在实验室常用具有滑动触点的自耦变压器获得可任意调节的交流电压；作为三相异步电动机的启动补偿器，对电动机进行降压启动。

自耦变压器与普通双绕组变压器的区别是：自耦变压器只有一个绕组，二次绕组是一次绕组的一部分，一次绕组和二次绕组之间不但有磁的耦合，还有电的联系。

单相降压自耦变压器的工作原理如图1.20所示，下面以此为例对其进行分析。

（1）自耦变压器的工作原理。从图1.20中可知，二次绕组N2为一次绕组 N1的一部分，并且铁芯中的磁通同时交链。

与普通变压器一样，根据电磁感应定律可知，当一次绕组U、X两端加交流电压U1时，铁芯中产生交变的磁通，并分别在一次绕组及二次绕组中产生感应电动势E1及E2，当二次绕组接上负载后，有电流I2流过，通过分析，它们满足下式：

式中，K——变压比。

自耦变压器一次绕组和二次绕组中的电流大小与匝数成反比，在相位上互差180°。因此，流经公共绕组中的电流I12的大小为

可见，流经公共绕组中的电流总是小于输出电流I2。当变压比K接近于1时，则I1与I2的数值相差不大，即公共绕组中的电流I12很小，因而这部分绕组可用截面积较小的导线绕制，以节约用铜量，并减小自耦变压器的体积与重量。

【工程要求】

自耦变压器可做成单相的，也可做成三相的，如图1.21所示为三相自耦变压器的结构示意图及原理图。一般三相自耦变压器都采用星形连接。

如果将自耦变压器的抽头做成滑动触头，就成为自耦调压器。自耦调压器常用于调节实验电压的大小。如图1.22所示为常用的环形铁芯的单相自耦调压器的外形图及原理图。

【课堂讨论】

（2）使用中应注意的问题。

目前，自耦变压器应用广泛，但由于自耦变压器的特殊结构，应注意以下问题。

① 在电网中运行的自耦变压器，中性点必须可靠接地。

② 一次侧、二次侧须加装避雷针装置。由于自耦变压器的一次侧与二次侧之间有电路的直接联系，一次侧过电压时会直接传递到二次侧，容易造成危险事故。

③ 自耦变压器的短路阻抗比普通变压器小，产生的短路电流大，所以对自耦变压器短路保护措施的要求比双绕组变压器要高，要有限制短路电流的措施。

综上所述，自耦变压器与普通双绕组变压器相比，在相同的额定容量下，自耦变压器的体积较小，节省了有效材料（铜线和硅钢片）和结构材料（钢材），降低了成本。同时由于自身的结构特点及有效材料的减少还可较小损耗，从而提高自耦变压器的效率。缺点是对低压侧的绝缘水平要求较高，必须与高压侧绝缘等级相同。另外，自耦变压器的短路阻抗较小，短路电流较大，因此必须加强保护。

2.仪用互感器

在生产和科学实验中，经常要测量交流电路的高电压和大电流，如果直接使用电压表和电流表进行测量，就存在一定的困难，同时对操作者也很不安全，因此利用变压器既可变压又可变流的原理，制造了专供测量使用的特殊变压器，称为仪用互感器。仪用互感器作为测量用的专业设备，除用于电流及交流电压的测量外，还用于各种继电保护装置的测量系统，因此仪用互感器应用广泛。

使用仪用互感器有两个目的：一是使测量回路与被测量回路相互隔离，从而保证测量人员的安全；二是扩大测量仪表（电流表及电压表）的测量范围。

仪用互感器分为电流互感器和电压互感器两种，下面分别介绍。

（1）电流互感器。在电工测量中用来按比例变换电流的仪器称为电流互感器，如图1.24所示。电流互感器的基本结构及工作原理与单相变压器相似，它有两个绕组：一次绕组串联在被测的交流电路中，流过的是被测电流I1，它一般只有一匝或几匝，用粗导线绕制；二次绕组匝数较多，与交流电流表等阻抗很小的仪表接成闭合回路。

由于电流互感器二次绕组所接仪表的阻抗很小，二次绕组相当于被短路，因此电流互感器的运行状况相当于变压器的短路运行状态。

由变压器工作原理可得：

Ki称为电流互感器的变流比，在电流互感器的铭牌上都有标注。利用一次绕组和二次绕组的不同匝数，电流互感器可将线路上的大电流转换成小电流来测量，只要改变接入的电流互感器的变流比，就可测量大小不同的一次电流。通常电流互感器的二次额定电流均设计为5A，只要读出接在电流互感器二次绕组侧电流表的读数，则一次电路的待测电流就很容易从式（1-21）中得到。在实际应用中，与电流互感器配套使用的电流表已换算成一次电流，其标度尺即按一次电流分度，这样可以直接读数，不必再进行换算。电流互感器的额定电流等级有100A/5A、500A/5A、2000A/5A等，精度有0.2、0.5、1.0、3.0和10.0共五个等级。

使用电流互感器时必须注意以下事项。

① 电流互感器在运行时二次侧绝对不允许开路。因为二次侧开路时，电流互感器处于空载运行状态，被测线路的大电流就全部成为励磁电流，铁芯中的磁通将急剧增大，磁路严重饱和，一方面造成铁芯过热而烧损绕组绝缘，另一方面将在二次侧感应出很高的电压，可能使绝缘击穿，并危及测量人员和设备的安全。因此电流互感器的二次侧电路中，绝对不允许装熔断器，运行中如果需要拆下电流表等测量仪表，必须先将电流互感器的二次侧短接。

② 电流互感器的铁芯及二次侧的一端必须可靠接地，如图1.24所示。

③ 电流表的内阻抗必须很小，否则会影响测量精度。

【例1-5】 有一台型号为Y280S—4的三相异步电动机，额定电压为380V，额定电流为140A，额定功率为75kW，试选择电流互感器规格，并计算流过电流表的实际电流。

解：为了测量准确，又考虑到电动机允许可能出现的短时过载等原因，应使被测电流大致为满量程的1/2～3/4，因此选择电流互感器的额定电流为200A。变流比为

流过电流表的电流I2可由式（1-20）计算得

（2）电压互感器。在电工测量中用来按比例交换交流电压的仪器称为电压互感器，如图1.25所示。电压互感器实质上就是一个降压变压器，它的一次绕组匝数N1很多，直接与待测的高压电路并联；二次绕组匝数N2很少，接高阻抗的测量仪表（如电压表或其他仪表的电压线圈）。

由于电压互感器的二次绕组所接仪表的阻抗很高，二次电流很小，近似等于零，所以电压互感器正常运行时相当于降压变压器的空载运行状态。根据变压器的原理，有

Ku称为电压互感器的变压比，在电压互感器的铭牌上都有标注。式（1-22）表明，利用一次绕组和二次绕组的不同匝数，电压互感器可将被测的高电压转换成低电压供测量。电压互感器的二次绕组额定电压一般都设计为100V，而固定的板式电压表表面的刻度则按一次侧的额定电压来刻度，因而可以直接读数。电压互感器的额定电压等级有3000V/100V、10000V/100V，精度有0.5、1.0和3.0共三个等级。

使用电压互感器时必须注意以下事项。

① 电压互感器在运行时二次侧绝对不允许短路。因为如果二次侧发生短路，将产生很大的短路电流，导致电压互感器烧坏。因此使用时，二次侧电路中应串接熔断器作为短路保护。

② 电压互感器的铁芯及二次绕组的一端必须可靠接地，如图1.25所示，以防止高压绕组绝缘损坏时，铁芯及二次绕组带上高电压而造成事故。

③ 电压互感器有一定的额定容量，使用时二次绕组回路不宜接入过多的仪表，以免影响电压互感器的测量精度。

【例1-6】 用电压比为10000V/100V的电压互感器，交流比为100A/5A的电流互感器扩大容量，其电流表读数为3.2A，电流表读数为66V，试求被测电路的电流、电压各为多少？

解：因为电流互感器负载电流等于电流表读数乘以电流互感器的电流比，即

而电压互感器所测电压等于电压表读数乘以电压比，即

被测电路的电流为64A，电压为6600V。

3.电焊电压器

交流电焊机又称电焊变压器，由于结构简单、成本低廉、制造容易和维护方便等特点而被广泛应用。电焊变压器实质上就是一台特殊的降压变压器。

（1）焊接工艺对电焊变压器的要求。电弧焊是靠电弧放电的热量来熔化金属的。为了保证电弧焊的质量和电弧燃烧的稳定性，对电焊变压器有以下几点要求。

①空载电压在60～70V之间，保证容易起弧。为了操作者的安全，最高空载电压一般不超过85V。

② 负载时具有迅速下降的外特性，如图1.26所示。通常在额定负载时的输出电压约30V。

③ 为了适应不同的焊接工件和不同规格的焊条，要求可在一定范围内调节焊接电流的大小。

④ 短路电流不应过大，同时工作时焊接电流比较稳定。

（2）电焊变压器的结构及工作原理。为了满足以上要求，电焊变压器必须具有较大的电抗，而且可以调节。因此，电焊变压器的一次绕组和二次绕组一般分装在两个铁芯柱上，而不是同心地套装在一起。为了得到迅速下降的外特性以及焊接电流可调，可采取串联可变电抗器法和磁分路法，由此产生了不同类型的弧焊变压器。

① 磁分路的弧焊变压器。如图1.27（a）所示，它在一次绕组和二次绕组的两个铁芯柱之间，安装了一个磁分路动铁芯。由于磁分路动铁芯的存在，增加了漏磁通，增大了漏电抗，从而得到迅速下降的外特性。通过调节螺杆可将磁分路动铁芯移进或移出到适当位置，使得漏磁通增大或减小，使漏电抗增大或减小，由此即可改变焊接电流的大小。另外，通过二次绕组的抽头可调节起弧电压的大小。

② 带电抗器的电焊变压器。如图1.27（b）所示，它在二次绕组中串联一个可变电抗器，以得到迅速下降的外特性，通过螺杆调节可变电抗器的气隙，以改变焊接电流。当可变电抗器的气隙增大时，电抗器的电抗减小，焊接电流增大；反之，当气隙减小时，电抗器的电抗增大，焊接电流减小。另外，通过一次绕组的抽头，可以调节起弧电压的大小。