在现代电力系统与工业生产、日常生活中，变压器是一种不可或缺的电气设备，它能够实现交流电电压的升高或降低，同时保证电能在传输、分配和使用过程中的效率与安全性。无论是从大型发电站将高压电能输送到远方的输电线路，还是家庭中为各类电器提供合适电压的电源适配器，变压器都在其中扮演着关键角色。了解变压器的多方面特性，对于理解电力系统的运行机制以及其在各领域的应用具有重要意义。
变压器的存在解决了电能传输与使用过程中的电压不匹配问题。在电能传输环节，由于输电线路存在电阻，若以低压形式传输大量电能，会因电流过大导致线路损耗大幅增加，造成电能的严重浪费。而通过升压变压器将发电站输出的电压升高，可有效减小输电电流，降低线路损耗，实现远距离、高效率的电能传输。当电能输送到用户所在区域后，再通过降压变压器将高压电逐步降低至适合工业生产和居民生活使用的电压等级，保障各类用电设备的正常运行。
一、变压器的基本概念与核心作用
（一）基本定义
从电气原理角度来看，变压器是一种基于电磁感应原理工作的静止电气设备，它由铁芯、绕组、油箱、绝缘套管、冷却系统等主要部分组成，能够将一种交流电压和电流的电能，转变为另一种或几种不同交流电压和电流的电能，且在能量转换过程中，频率保持不变。
（二）核心作用
- 电压变换：这是变压器最核心的作用。根据实际需求，将交流电压升高或降低。例如，在电力系统中，发电站发出的电压通常为 10-20kV，通过升压变压器可将其升高至 110kV、220kV、500kV 甚至更高等级，以便进行远距离输电；到达用户端后，再通过降压变压器依次将电压降至 35kV、10kV，最终降至 220V/380V，满足居民生活和工业设备用电需求。
- 电能传输与分配：在电能从发电站输送到用户的整个过程中，变压器起到了关键的桥梁作用。通过合理的电压变换，实现了电能的高效传输，减少了传输过程中的能量损耗，同时将电能分配到不同的区域和用户，保障了电力系统的稳定运行和电力供应的可靠性。
- 隔离与安全保护：部分变压器还具有电气隔离的作用，能够将原边绕组和副边绕组在电气上进行隔离，避免因原边电路的故障影响到副边电路，保障用电设备和人员的安全。例如，在医疗设备、精密仪器等对用电安全性要求较高的场合，常常会使用隔离变压器。
二、变压器的核心构造与各部件功能
变压器的构造看似复杂，实则是由多个功能明确、相互配合的核心部件组成，每个部件都在其正常运行中发挥着不可或缺的作用。
（一）铁芯
铁芯是变压器的磁路部分，其主要作用是为磁通提供低磁阻的通路，减少磁滞损耗和涡流损耗。铁芯通常由高硅钢片叠压而成，硅钢片的厚度一般在 0.35-0.5mm 之间，且表面涂有绝缘漆，以减小涡流损耗。铁芯的结构主要有芯式和壳式两种：芯式铁芯的绕组套在铁芯柱上，结构简单、制造方便，广泛应用于电力变压器；壳式铁芯则是铁芯包裹着绕组，机械强度高，适用于小容量变压器和特种变压器。
（二）绕组
绕组又称线圈，是变压器的电路部分，由绝缘导线（通常为铜导线或铝导线）绕制而成。绕组分为原边绕组（一次绕组）和副边绕组（二次绕组），原边绕组接输入电源，副边绕组接负载。当原边绕组通入交流电流时，会在铁芯中产生交变磁通，交变磁通穿过副边绕组，根据电磁感应原理，在副边绕组中产生感应电动势，从而实现电压的变换。绕组的绕制方式、匝数比以及绝缘等级等，直接影响变压器的电压变换比、容量和绝缘性能。
（三）油箱与冷却系统
油箱是变压器的外壳，主要作用是容纳铁芯和绕组，并为变压器油提供储存空间。变压器油具有绝缘和冷却的双重作用：一方面，变压器油的绝缘性能良好，能够提高绕组之间、绕组与铁芯之间的绝缘强度；另一方面，变压器在运行过程中会产生热量，变压器油通过对流作用将热量传递到油箱壁，再通过油箱壁散发到空气中，实现散热冷却。对于大容量变压器，仅依靠油箱自然冷却无法满足散热需求，通常还会配备冷却系统，如散热器、冷却风扇、油泵等，以增强散热效果，保证变压器在额定温度范围内运行。
（四）绝缘套管
绝缘套管是变压器绕组引出线与油箱外部电路连接的部件，其主要作用是保证引出线与油箱之间的绝缘，同时防止变压器油泄漏。绝缘套管通常由瓷质或环氧树脂等绝缘材料制成，内部设有导电杆，用于连接绕组引出线和外部电路。根据电压等级的不同，绝缘套管的结构和尺寸也有所差异，高压变压器的绝缘套管通常更为复杂，以满足更高的绝缘要求。
（五）其他辅助部件
除上述核心部件外，变压器还包括分接开关、气体继电器、温度计、压力释放阀等辅助部件。分接开关用于调节变压器的匝数比，以改变副边绕组的输出电压，适应电网电压的波动；气体继电器安装在油箱和储油柜之间，当变压器内部发生故障产生气体或油流速度异常时，能够发出报警信号或切断电源，保护变压器安全；温度计用于监测变压器油的温度，确保变压器不会因过热而损坏；压力释放阀则用于当变压器内部压力过高时，释放压力，防止油箱爆裂。
三、变压器的工作原理：基于电磁感应的能量转换
变压器的工作原理基于法拉第电磁感应定律和楞次定律，其本质是通过交变磁通实现原边绕组和副边绕组之间的能量传递和电压变换。具体工作过程可分为以下几个步骤：
步骤一：原边绕组通入交流电流产生交变磁通
当变压器的原边绕组接入交流电源时，交流电流会流过原边绕组。根据安培定则，原边绕组中的交流电流会在铁芯中产生一个交变的磁通，该磁通的大小和方向会随着交流电流的变化而周期性变化。由于铁芯的磁阻远小于空气的磁阻，交变磁通绝大部分会沿着铁芯闭合，形成主磁通。
步骤二：交变磁通穿过副边绕组产生感应电动势
交变的主磁通会穿过副边绕组，根据法拉第电磁感应定律，穿过副边绕组的磁通量发生变化时，会在副边绕组中产生感应电动势。感应电动势的大小与副边绕组的匝数、磁通的变化率成正比，其方向可根据楞次定律确定，即感应电动势产生的电流所产生的磁通会阻碍原磁通的变化。
步骤三：副边绕组接负载形成感应电流输出电能
当副边绕组接入负载时，在感应电动势的作用下，副边绕组中会产生感应电流，感应电流流过负载时，便会向负载输出电能，实现了从原边绕组到副边绕组的能量传递。此时，副边绕组中的感应电流也会在铁芯中产生一个交变磁通，该磁通会对原磁通产生去磁作用，导致原磁通略有减小。
步骤四：原边绕组电流自动调整维持磁通稳定
原磁通的减小会使原边绕组中的感应电动势减小，由于原边绕组接入的是交流电源，电压基本恒定，根据基尔霍夫电压定律，原边绕组的输入电压等于原边绕组的感应电动势与原边绕组电阻压降之和。当原边绕组感应电动势减小时，原边绕组中的电流会自动增大，以产生更强的磁动势，抵消副边绕组磁动势的去磁作用，维持铁芯中的主磁通基本稳定，从而保证副边绕组的输出电压相对稳定。
在理想变压器（忽略铁芯损耗、绕组电阻、漏磁通等损耗和参数）中，原边绕组和副边绕组的电压比等于其匝数比，即 U₁/U₂ = N₁/N₂（其中 U₁为原边绕组电压，U₂为副边绕组电压，N₁为原边绕组匝数，N₂为副边绕组匝数）。这一关系是变压器实现电压变换的核心依据，通过改变原边绕组和副边绕组的匝数比，即可实现不同电压等级的变换。
四、变压器的主要类型及适用场景
根据不同的分类标准，变压器可分为多种类型，不同类型的变压器在结构、性能和适用场景上存在较大差异。
（一）按电压等级分类
- 低压变压器：通常指输出电压在 1kV 以下的变压器，主要用于家庭、办公楼、小型工厂等场所，为各类低压用电设备（如照明灯具、家用电器、小型电动机等）提供 220V 或 380V 的电源。例如，家庭中常见的电源适配器，本质上就是一种小型低压变压器。
- 中压变压器：电压等级一般在 1kV-35kV 之间，广泛应用于城市配电网、工业园区等，用于将高压电（如 110kV、220kV）降压至 10kV 或 35kV，再分配给下级配电站或大型工业企业。
- 高压变压器：电压等级在 35kV-220kV 之间，主要用于地区性电力传输和分配，连接不同区域的电网，实现电能的合理调配。
- 超高压变压器：电压等级超过 220kV，如 330kV、500kV、750kV、1000kV 等，主要用于远距离、大容量的电能传输，如连接大型发电站（如水电站、火电站、核电站）与主干电网，是跨区域电力输送的关键设备。
（二）按用途分类
- 电力变压器：这是最常见的变压器类型，主要用于电力系统的发电、输电、配电环节，实现电压的升高或降低，保障电能的高效传输和合理分配。电力变压器的容量通常较大，从几十千伏安到几十万兆伏安不等，是电力系统的核心设备之一。
- 配电变压器：属于电力变压器的一种，主要用于配电网络，将 10kV 或 35kV 的电压降至 220V/380V，直接为居民生活和小型工业用户供电。配电变压器通常安装在户外电线杆上或配电室内，容量相对较小，一般在几十千伏安到几千千伏安之间。
- 特种变压器：为满足特定行业或特殊场合的需求而设计制造的变压器，常见的有以下几种：
- 整流变压器：用于将交流电转换为直流电的整流设备中，为电解、电镀、直流输电等行业提供直流电源，其副边绕组输出的电压需要与整流电路相匹配。
- 电炉变压器：专门为工业电炉（如电弧炉、感应炉等）供电的变压器，具有输出电流大、电压调节范围宽等特点，能够满足电炉在不同熔炼阶段对电压和电流的需求。
- 试验变压器：用于对电气设备进行绝缘性能试验的变压器，能够产生高电压，对被试设备进行耐压试验、局部放电试验等，以检验设备的绝缘强度。
- 音频变压器：用于音频信号传输的变压器，主要应用于音响设备、通信设备等领域，能够实现音频信号的耦合、阻抗匹配和隔离，保证音频信号的高质量传输。
（三）按冷却方式分类
- 油浸式变压器：以变压器油作为绝缘和冷却介质，通过油箱自然冷却（ONAN）、油箱加散热器自然冷却（ONAF）、强迫油循环风冷（OFAF）、强迫油循环水冷（ODAF）等方式散热。油浸式变压器具有绝缘性能好、散热效果佳、价格相对较低等优点，广泛应用于电力系统的各级变电站和大型工业企业，但体积较大，重量较重，不适用于空间受限的场合。
- 干式变压器：以空气或其他气体（如 SF₆气体）作为绝缘和冷却介质，通常采用自然风冷（AN）或强迫风冷（AF）的冷却方式。干式变压器具有体积小、重量轻、防火性能好、维护方便等优点，适用于高层建筑、商场、医院、地铁、化工等对防火要求较高或空间受限的场合，但绝缘性能和散热效果相对油浸式变压器较差，价格也较高。
五、变压器的关键性能参数与性能评估
了解变压器的关键性能参数，是判断其是否符合使用需求、评估其运行性能的重要依据。
（一）额定容量（Sₙ）
额定容量是变压器在额定电压、额定电流和额定频率下，能够长期连续输出的最大视在功率，单位为千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。额定容量反映了变压器的带负载能力，是选择变压器的重要指标之一。在实际使用中，变压器的实际输出功率不应超过其额定容量，否则会导致变压器过热，缩短使用寿命，甚至损坏设备。
（二）额定电压（U₁ₙ、U₂ₙ）
额定电压包括原边绕组额定电压（U₁ₙ）和副边绕组额定电压（U₂ₙ）。原边绕组额定电压是指变压器正常运行时，原边绕组应接入的电源电压；副边绕组额定电压是指原边绕组接入额定电压，副边绕组开路（空载）时的输出电压。额定电压的单位为伏特（V）或千伏（kV），其数值需与所在电网的电压等级相匹配。
（三）额定电流（I₁ₙ、I₂ₙ）
额定电流是指变压器在额定容量、额定电压下，原边绕组和副边绕组允许长期通过的最大电流，单位为安培（A）。根据额定容量和额定电压的关系，可计算出额定电流，即 I₁ₙ = Sₙ / (√3 U₁ₙ)，I₂ₙ = Sₙ / (√3 U₂ₙ)。在运行过程中，变压器的实际电流不应超过额定电流，以免绕组过热损坏。
（四）电压调整率
电压调整率是指变压器原边绕组接入额定电压，副边绕组从空载到满载（额定负载）时，副边绕组输出电压的变化率，通常用百分数表示，即 ΔU% = [(U₂₀ – U₂ₙ) / U₂ₙ] × 100%（其中 U₂₀为副边绕组空载电压，U₂ₙ为副边绕组满载电压）。电压调整率反映了变压器在负载变化时，副边绕组输出电压的稳定程度，电压调整率越小，说明变压器的输出电压越稳定，对负载的适应性越强。
（五）效率（η）
效率是指变压器输出的有功功率（P₂）与输入的有功功率（P₁）之比，通常用百分数表示，即 η% = (P₂ / P₁) × 100%。变压器在运行过程中会产生铁芯损耗（磁滞损耗和涡流损耗）和绕组损耗（铜损耗或铝损耗），这些损耗会导致输入功率大于输出功率。效率是衡量变压器能量转换效率的重要指标，效率越高，说明变压器的损耗越小，运行越经济。一般来说，变压器的效率在满载或接近满载时达到最高，轻载时效率较低。
（六）绝缘等级
绝缘等级是指变压器所用绝缘材料的耐热等级，决定了变压器的最高允许工作温度。常见的绝缘等级有 A 级、B 级、F 级、H 级等，不同绝缘等级对应的最高允许温度不同，例如 A 级绝缘的最高允许温度为 105℃，B 级为 130℃，F 级为 155℃，H 级为 180℃。选择变压器时，需根据其使用环境的温度条件和运行工况，选择合适绝缘等级的产品，以保证变压器的安全可靠运行。
六、变压器的日常维护与故障预防
为保证变压器的长期稳定运行，延长其使用寿命，减少故障发生的概率，需要对变压器进行定期的日常维护和检查。
（一）定期外观检查
- 检查变压器的油箱、绝缘套管、储油柜等部件是否存在渗漏油现象。若发现渗漏油，应及时查找渗漏点，采取补焊、更换密封垫等措施进行处理，防止变压器油流失导致绝缘性能下降和散热效果变差。
- 检查绝缘套管的表面是否清洁，有无破损、裂纹、放电痕迹等。若绝缘套管表面脏污，应及时进行清扫，避免因表面闪络导致绝缘损坏；若发现绝缘套管有破损或裂纹，应及时更换，防止发生绝缘击穿故障。
- 检查变压器的铭牌、分接开关位置指示、温度计、压力释放阀等部件是否完好，指示是否正常。确保分接开关位置与实际运行要求一致，温度计和压力释放阀能够正常工作，以便及时监测变压器的运行状态。
（二）油浸式变压器的油质检查与处理
- 定期取样检测变压器油的品质，包括油的击穿电压、介损、水分含量、酸值、闪点等指标。若油的击穿电压降低、介损增大、水分含量超标或酸值升高，说明变压器油的绝缘性能下降，可能存在老化或污染，需及时进行过滤、干燥或更换变压器油，以恢复其绝缘性能。
- 检查储油柜内油位是否正常，油位应随着环境温度的变化而略有
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