變壓器基礎(chǔ)知識(shí)

送電時(shí)，通常使用變壓器把發(fā)電機(jī)的端電壓升高，對(duì)于輸送一定功率的電能，電壓越高，電流就越小，輸送導(dǎo)線上的電能損耗越小，由于電流小，則可以選用截面積小的輸電導(dǎo)線，能節(jié)約大量的金屬材料。用電時(shí)，再利用變壓器將輸電導(dǎo)線土的高電壓降低，以保證人身安全和減少用電器絕緣材料的消耗。

我國(guó)的交流電壓等級(jí)有三種，單相220V、三相380V稱為低壓，一般用于家庭和工商業(yè)。三相10kV，15kV，35kV稱為中壓，110kV、220kV、330kV、500kV，1000KV稱為高壓。

國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)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以下的光伏電站可直接接入380/220V低壓電網(wǎng)。如果電站容量超過(guò)400kW并入中壓電網(wǎng)，中大功率電站，一般使用中功率組串式逆變器和大功率集中式逆變器，輸出電壓有很多種，常見(jiàn)的有315V、400V、480V、500V、540V、690V等多種，后級(jí)必須接升壓隔離變壓器。

除功率傳送和電壓變換作用外，在光伏系統(tǒng)中，變壓器還有以下作用：

1）電氣隔離：隔離變壓器初級(jí)和次級(jí)是靠磁路來(lái)傳遞能量，組件和電網(wǎng)電氣隔離，可以阻止直流分量和漏電流進(jìn)入電網(wǎng)，適用于組件負(fù)極接地系統(tǒng)。

2）在抑制組件PID解決方案中，逆變器后面接入隔離變壓器，再提升N極對(duì)地的電位，間接提升組件負(fù)極對(duì)的電位，達(dá)到抑制組件PID的目的。

3）匹配電壓：有些國(guó)家的電網(wǎng)電壓和我國(guó)不一樣，如美國(guó)是單相110V，三相220V，可以在逆變器后面加一個(gè)變壓器，匹配接入國(guó)家的電壓。

1.變壓器的基本結(jié)構(gòu)和原理

雖然變壓器種類繁多，用途各異，電壓等級(jí)和容量不同，但變壓器的基本結(jié)構(gòu)大致相同。最簡(jiǎn)單的變壓器是由一個(gè)閉合的軟磁鐵心和兩個(gè)套在鐵心上又相互絕緣的繞組所構(gòu)成，繞組又稱線圈，是變壓器的電路部分。與交流電源相接的繞組叫做一次繞組，簡(jiǎn)稱一次；與負(fù)載相接的繞組叫做二次繞組，簡(jiǎn)稱二次。

磁芯是變壓器的磁路部分，主要材料有帶繞鐵芯類如硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金；粉芯類如鐵粉芯、鐵硅鋁粉芯、高磁通量粉芯、坡莫合金粉芯、鐵氧體磁芯等等，工頻和低頻變壓器電抗器一般使用硅鋼片，現(xiàn)在厚度普遍從0.35mm到0.23mm，硅鋼片又分取向和無(wú)取向兩種，取向硅鋼片要求高，價(jià)格是無(wú)取向硅鋼片的兩倍，但損耗僅為無(wú)取向硅鋼片的三分之一，抑制電流諧波效果比無(wú)取向硅鋼片作用更大。

線圈是變壓器的電路部分，常用的材料有銅材和鋁材，習(xí)慣上把線圈由銅質(zhì)制成的稱為全銅變壓器，把線圈由鋁質(zhì)制成的稱為全鋁變壓器，兩者的區(qū)別主要有四點(diǎn)：銅的導(dǎo)電性好于鋁，相同的電流，鋁材要比銅材截面積要大，因此銅變壓器比鋁變壓器要??；銅的重量比鋁要重，相同的功率，銅變壓器比鋁變壓器要重；銅的價(jià)格比鋁要貴。

變壓器損耗主要有銅損和鐵損，銅損指變壓器線圈電阻所引起的損耗，當(dāng)電流通過(guò)線圈電阻發(fā)熱時(shí)，一部分電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗，由于線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損。

銅損可以通過(guò)測(cè)量變壓器短路阻抗來(lái)計(jì)算。變壓器的鐵損包括兩個(gè)方面：一是磁滯損耗，當(dāng)交流電流通過(guò)變壓器時(shí)，通過(guò)變壓器硅鋼片的磁力線其方向和大小隨之變化，使得磁芯內(nèi)部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗。另一是渦流損耗，當(dāng)變壓器工作時(shí)，磁芯中有磁力線穿過(guò)，在與磁力線垂直的平面上就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于此電流自成閉合回路形成環(huán)流，且成旋渦狀，故稱為渦流，渦流的存在使鐵芯發(fā)熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗。鐵損可以通過(guò)測(cè)量變壓器空載電流來(lái)計(jì)算。

當(dāng)變壓器一次接人交流電源以后，在一次繞組中就有交流電流流過(guò)，于是在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，稱為主磁通。它隨著電源頻率而變化，主磁通集中在鐵心內(nèi)；極少一部分在繞組外閉合，稱為漏磁通，它一般很小，可忽略不計(jì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一、二次繞組都將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果二次接有負(fù)載構(gòu)成閉合回路，就有感應(yīng)電流產(chǎn)生。變壓器通過(guò)一、二次繞組的磁耦合把電源的能量傳送給負(fù)載。

2.升壓變壓器和降壓變壓器

任何一種變壓器在變壓過(guò)程中只起能量傳遞作用，無(wú)論變換后的電壓是升高還是降低，電能都不會(huì)增加，也不能減少。根據(jù)能量守恒定律；在忽略損耗時(shí)，變壓器輸出的功率P2應(yīng)與變壓器從電源獲得的功率 P1相等，即：P1=P2

變壓器工作時(shí)，一、二次繞組的電流大小與一、二次韻電壓或匝數(shù)成反比，或者為變壓器電壓比的倒數(shù)。實(shí)際上，變壓器在改變電壓的同時(shí)也改變了電流。電流互感器就是根據(jù)這二原理制成的。

一次電壓高于二次電壓叫作降壓變壓器，一次電壓低于二次電壓叫作升壓變壓器。在相同頻率、同等容量的條件下，一臺(tái)電力變壓器可以作為降壓變壓器使用，逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，也可以作為升壓變壓器使用。

運(yùn)行I1的物理實(shí)體是初級(jí)繞組，運(yùn)行I2的物理實(shí)體是次級(jí)繞組，它們是變壓器的電路部分；Φ是磁力線，它所在的物理實(shí)體是鐵心，它是變壓器的磁路。

當(dāng)變壓器的容量P（kVA）及繞組的匝數(shù)W一定時(shí)，鐵心中的磁通量Φ（韋伯（wb）就定下來(lái)了，一臺(tái)電力變壓器不管作為降壓變壓器使用還是作為升壓變壓器使用，磁路的實(shí)體即鐵心及物理意義沒(méi)有發(fā)生變化。

變壓器是根據(jù)生活的需要改變電壓的靜止電器，其電壓比等于匝數(shù)比，上圖中：U1/U2=W1/W2。W1：初級(jí)繞組的匝數(shù)，W2：次級(jí)繞組的匝數(shù)，一臺(tái)電力變壓器，W1及W2是沒(méi)有變化的，所以除了電網(wǎng)電壓波動(dòng)因素外，電壓U1與U2也是沒(méi)有變化的，如將原來(lái)的次級(jí)繞組W2作為初級(jí)繞組W1，那么原來(lái)初次繞組W1改變?yōu)楝F(xiàn)在的次級(jí)繞組W2，上面公式U1/U2=W1/W2反之U2/U1=W2/W1仍然完全成立。在相同頻率、同等容量的條件下，一臺(tái)電力可以作為降壓變壓器使用，逆轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，也可以作為升壓變壓器使用是成立的。

3.變壓器的主要技術(shù)參數(shù)

變壓器的規(guī)格型號(hào)及其主要技術(shù)數(shù)據(jù)都標(biāo)在它的銘牌上，作為使用變壓器的重要依據(jù)。變壓器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有長(zhǎng)寬高，體積，重量，技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、額定容量和溫升絕緣等級(jí)、聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)、效率等。

額定電壓

變壓器一次的額定電壓，是指變壓器所用絕緣材料的絕緣強(qiáng)度所規(guī)定的電壓值，二次額定電壓是變壓器空載時(shí)，一次加上額定電壓后，二次兩端的電壓值。兩個(gè)額定電壓分別用U1N ，U2N表示。單相變壓器U1N，U2N是指一、二次交流電壓的有效值，三相變壓器U1N，U2N是指一、二次線電壓的有效值。

額定電流

指變壓器在允許溫升的條件下，所規(guī)定的一、二次繞組中允許流過(guò)的最大電流，變壓器飛二次電流分別用I1N和I2N表示。單相變壓器I1N和I2N是指電流的有效值，三相變壓器是指線電流的有效值。

額定容量

表示變壓器工作時(shí)所允許傳遞的最大功率。單相變壓器的額定容量是二次額定電壓和額定電流之積；三相變壓器的額定容量也是二次額定電壓和額定電流之積（應(yīng)為三相之和）。額定容量用字母S表示，單位是伏安（V·A）。

溫升和絕緣等級(jí)

溫升是指變壓器在額定工作時(shí)；允許超出周圍環(huán)境溫度的數(shù)值。它取決于變壓器絕緣材料的耐熱等級(jí)。

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)

三相繞組的聯(lián)結(jié)法有星形接法和三角形接法，分別用Y、D（或y、d）表示，其中大寫(xiě)字母表示高壓側(cè)，小寫(xiě)字母表示低壓側(cè)。具體表示時(shí)高壓繞組的聯(lián)結(jié)法寫(xiě)在左，低壓繞組聯(lián)結(jié)法寫(xiě)在右。例如：高壓繞組為星形接法，低壓繞組為三角形接法時(shí)我們記此三相變壓器的聯(lián)結(jié)法為Yd。

此外，有的星形聯(lián)結(jié)法可以引出中線，分別用O（高壓側(cè)）或o（低壓側(cè)）表示。把高壓側(cè)（一般是一次側(cè)）線電動(dòng)勢(shì)的相量作為分針，始終指向“12”，而以低壓側(cè)線電動(dòng)勢(shì)的相量作為時(shí)針，它所指的數(shù)字即表示高、低壓側(cè)電動(dòng)勢(shì)相量間的相位差。這個(gè)數(shù)字稱為三相變壓器的“聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)”。例如：Yd11表示此變壓器高壓側(cè)為星形接法，低壓側(cè)為三角形接法，高、低壓側(cè)電動(dòng)勢(shì)相量間的相位差為11點(diǎn)時(shí)時(shí)針與分針的相位差即330°；Yy2表示此變壓器高、低壓側(cè)均為星形接法，高、低壓側(cè)電動(dòng)勢(shì)相量間的相位差為2點(diǎn)時(shí)時(shí)針與分針的相位差即60°。

送電時(shí)，通常使用變壓器把發(fā)電機(jī)的端電壓升高，對(duì)于輸送一定功率的電能，電壓越高，電流就越小，輸送導(dǎo)線上的電能損耗越小，由于電流小，則可以選用截面積小的輸電導(dǎo)線，能節(jié)約大量的金屬材料。用電時(shí)，再利用變壓器將輸電導(dǎo)線土的高電壓降低，以保證人身安全和減少用電器絕緣材料的消耗。

4、干式變壓器與油浸式變壓器

相同的是都是電力變壓器，都有作磁路的鐵芯和作電路的繞組。

而最大的區(qū)別是在“油式”與“干式”。也就是說(shuō)兩者的冷卻介質(zhì)不同，前者是以變壓器油作為冷卻及絕緣介質(zhì)，后者是以空氣作為冷卻介質(zhì)。油變是把由鐵芯及繞組組成的器身置于一個(gè)盛滿變壓器油的油箱中。干變常把鐵芯和繞組用環(huán)氧樹(shù)脂澆注包封起來(lái)，也有一種現(xiàn)在用得多的是非包封式的，繞組用特殊的絕緣紙?jiān)俳n專用絕緣漆等，起到防止繞組或鐵芯受潮。

油變?cè)靸r(jià)低、維護(hù)方便，但是可燃、可爆。干變由于具有良好的防火性，可安裝在負(fù)荷中心區(qū)，以減少電壓損失和電能損耗。但干變價(jià)格高，體積大，防潮防塵性差，而且噪音大。干變可以拆開(kāi)運(yùn)輸放便，清潔，易維護(hù)，按裝不需機(jī)座，沒(méi)有滲油池等優(yōu)點(diǎn) 。

5、美式箱變與歐式箱變

在光伏系統(tǒng)中，變壓器是可靠性最穩(wěn)定可靠的電氣設(shè)備之一，一般不需要專人進(jìn)行維護(hù)、監(jiān)管。

相關(guān)人員只要注意變壓器的外在特征變化，及時(shí)報(bào)告有關(guān)人員，履行告知即可。正常工作的變壓器，一般都有一些輕微的振動(dòng)聲音，有一定溫升，沒(méi)有氣味。一旦振動(dòng)聲音明顯增加，出現(xiàn)怪味、打火等特殊現(xiàn)象時(shí)，就必須及時(shí)報(bào)告并遠(yuǎn)離。

箱式變壓器（簡(jiǎn)稱箱變）是一種把高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備配電變壓器，低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，電能計(jì)量設(shè)備和無(wú)功補(bǔ)償裝置等按一定的接線方案組合在一個(gè)或幾個(gè)箱體內(nèi)的緊湊型成套配電裝置。

有歐式和美式兩種，歐式箱式變電站，從結(jié)構(gòu)上采用高、低壓開(kāi)關(guān)柜，變壓器組成方式，形象好比給高、低壓開(kāi)關(guān)柜、變壓器蓋了房子。美國(guó)箱式變電站，在結(jié)構(gòu)上將負(fù)荷開(kāi)關(guān)，環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)和熔斷器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化放入變壓器油箱浸在油中。避雷器也采用油浸式氧化鋅避雷器。變壓器取消油枕，油箱及散熱器暴露在空氣中，形象好比給變壓器旁邊掛個(gè)箱子，從體積上看，歐式箱變由于內(nèi)部安裝常規(guī)開(kāi)關(guān)柜及變壓器，產(chǎn)品體積較大，美式箱變由于采用一體化安裝體積較小。

6、雙分裂變壓器與雙繞組變壓器

光伏系統(tǒng)升壓變壓器有雙分裂變壓器與雙繞組變壓器兩種，三相雙繞組雙分裂變壓器擁有高壓、低壓兩個(gè)繞組，并把低壓繞組分裂成兩部分，在電氣上互不相連。

這兩個(gè)分裂的低壓可以并聯(lián)運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行。雙分裂變壓器是低壓側(cè)分裂成兩個(gè)相同容量，聯(lián)接組別和電壓等級(jí)的繞組，前面分別接兩個(gè)光伏逆變器，雙分裂變壓器成本雖高，但雙分裂變壓器由于結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)逆變器之間的電氣隔離，減小了兩支路間的電磁干擾及環(huán)流影響，逆變器的交流輸出分別經(jīng)變壓器濾波，輸出電流諧波小，提高了輸出的電能質(zhì)量。選擇用雙分裂變壓器還是雙繞組變壓器，主要看前級(jí)的光伏逆變器濾波器設(shè)計(jì)方案，一般來(lái)說(shuō)，使用LC濾波方案的逆變器，如果是兩臺(tái)并聯(lián)，推薦使用雙分裂變壓器，因?yàn)殡娙莶⒙?lián)，容易在兩個(gè)支路間之間產(chǎn)生較大的環(huán)流，影響逆變器的正常使用功能；使用LCL濾波方案的逆變器，為了節(jié)省成本，可以使用雙繞組變壓器。

7、光伏系統(tǒng)容量和變壓器的選擇

光伏上網(wǎng)，有使用公共變壓器和光伏專用變壓器兩種方案，如果使用原公共的降壓變壓器上網(wǎng)，根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》4.3.1要求：小型光伏電站總?cè)萘坎灰顺^(guò)上一級(jí)變壓器供電區(qū)域內(nèi)的最大負(fù)荷的25%，這主要是從電網(wǎng)安全角度上來(lái)考慮的，受天氣和環(huán)境影響，光伏輸出功率不穩(wěn)定，需要電網(wǎng)提供強(qiáng)大的平衡能量，而這些能量需要變壓器原邊和副邊電磁交換來(lái)提供，25%這個(gè)比例就是經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)值。

使用光伏專用變壓器上網(wǎng)，變壓器沒(méi)有別的負(fù)載，主要考慮的因素就是逆變器的最大輸出功率不能超過(guò)變壓器的容量，而逆變器最大輸出功率和光伏組件的容量、安裝方位角和傾角，以及天氣條件，逆變器安裝場(chǎng)地等多種因素有關(guān)，光伏逆變器最大輸出功率一般是組件是0.9左右，變壓器的功率因素一般在0.9左右，所以一般要求光伏組件和變壓器按1：1配置，或者變壓器容量稍大于組件容量。