變壓器利用電磁感應(yīng)的原理來(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線(xiàn)圈、次級(jí)線(xiàn)圈和鐵心(磁芯)。在電器設(shè)備和無(wú)線(xiàn)電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器的功能主要有：電壓變換;電流變換，阻抗變換;隔離;穩(wěn)壓(磁飽和變壓器);自耦變壓器;高壓變壓器(干式和油浸式)等，變壓器常用的鐵芯形狀一般有E型和C型鐵芯，XED型，ED型CD型。
變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導(dǎo)線(xiàn)的線(xiàn)圈，并且彼此以電感方式稱(chēng)合一起。當(dāng)一交流電流(具有某一已知頻率)流于其中的一組線(xiàn)圈時(shí)，于另一組線(xiàn)圈中將感應(yīng)出具有相同頻率的交流電壓，而感應(yīng)的電壓大小取決于兩線(xiàn)圈耦合及磁交鏈的程度。
單相變壓器即一次繞組和二次繞組均為單相繞組的變壓器。
單極性開(kāi)關(guān)電源，指輸出為單極性，也就是只有正極、負(fù)極輸出，相對(duì)于雙極性開(kāi)關(guān)電源說(shuō)的，雙極性開(kāi)關(guān)電源有三條輸出，分為正電源、負(fù)電源、地線(xiàn)。
單相變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、損耗低，主要是鐵損小，適宜在負(fù)荷密度較小的低壓配電網(wǎng)中應(yīng)用和推廣。蘇州市就累計(jì)使用1000多臺(tái)，節(jié)電45GWh，經(jīng)驗(yàn)值得推廣。有的資料顯示單相變壓器在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，例如美國(guó)、日本，單相供電制成為居民供電的主要方式，在這種宣傳下，有些人因此而認(rèn)為單相供電具有“降損”的魔力，認(rèn)為單相變壓器比三相變壓器更節(jié)能，認(rèn)為單相供電制比三相供電制更優(yōu)越。其實(shí)不然，單相變壓器與單相供電制只是當(dāng)前三相供電制的補(bǔ)充形式，由于其自身特性的約束，它只能應(yīng)用于某些特定的領(lǐng)域。
鐵心構(gòu)成變壓器磁路系統(tǒng)，并作為變壓器的機(jī)械骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分組成，鐵心柱上套裝變壓器繞組，鐵軛起連接鐵心柱使磁路閉合的作用。對(duì)鐵心的要求是導(dǎo)磁性能要好，磁滯損耗及渦流損耗要盡量小，因此均采用0.35 mm厚的硅鋼片制作。目前國(guó)產(chǎn)硅鋼片有熱軋硅鋼片、冷軋無(wú)取向硅鋼片、冷軋晶粒取向硅鋼片。20世紀(jì)60～70年代我國(guó)生產(chǎn)的電力變壓器主要用熱軋硅鋼片，由于其鐵損耗較大，導(dǎo)磁性能相應(yīng)地比較差，且鐵心疊裝系數(shù)低(因硅鋼片兩面均涂有絕緣漆)，現(xiàn)已不用。目前國(guó)產(chǎn)低損耗節(jié)能變壓器均用冷軋晶粒取向硅鋼片，其鐵損耗低，且鐵心疊裝系數(shù)高(因硅鋼片表面有氧化膜絕緣，不必再涂絕緣漆)。
根據(jù)變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)形式可分為心式變壓器和殼式變壓器兩大類(lèi)。心式變壓器是在兩側(cè)
的鐵心柱上放置繞組，形成繞組包圍鐵心的形式，如圖2—5所示。殼式變壓器則是在中間的鐵心柱上放置繞組，形成鐵心包圍繞組的形狀，如圖2—6所示。
更節(jié)能
單相變壓器變損是否低?在以前關(guān)于介紹單相變壓器及單相供電技術(shù)的論文中，認(rèn)為單相變壓器比同容量的三相變壓器空載損耗小、節(jié)能，并且變損低。有的論文列舉出的應(yīng)用實(shí)例，提到改造具有的經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，用D10、D11甚至D12系列的變壓器和同容量的S9系列變壓器進(jìn)行比較，例如提到同容量的D11單相變壓器比S9三相變壓器空載損耗降低得多，因此認(rèn)為單相變壓器比三相變壓器運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)，其實(shí)這是個(gè)誤解。舉例時(shí)忽略了兩者之間的技術(shù)層次上的差異，根據(jù)JB/T3837-1996《變壓器類(lèi)產(chǎn)品型號(hào)編制辦法》，對(duì)變壓器型號(hào)的編序的性能水平做了規(guī)定，凡大一號(hào)的性能參數(shù)要提高到一個(gè)新水平。例如D10系列變壓器是根據(jù)S10變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)的，論證D10或者D11等系列變壓器的降低損耗的效果時(shí)，應(yīng)選取同型號(hào)的S10或S11變壓器進(jìn)行比較，選取S9系列變壓器作為參照物其實(shí)是不公平的。
另外，普通S9系列變壓器采用的是疊裝式鐵芯結(jié)構(gòu)，而D10、D11等大多采用了卷鐵芯結(jié)構(gòu)：疊裝式鐵芯和卷鐵芯存在工藝技術(shù)上的差別，卷鐵芯結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)疊裝鐵芯結(jié)構(gòu)中無(wú)法克服的缺點(diǎn)，例如在一張鐵芯疊片中，沿外側(cè)和沿內(nèi)側(cè)的磁路長(zhǎng)度相差較大，使得磁通在鐵片內(nèi)不是均勻分布，并產(chǎn)生高次諧波，結(jié)果導(dǎo)致?lián)p耗增加。在三相鐵芯中，鐵軛和B相的芯柱交會(huì)區(qū)域內(nèi)，由于三相磁動(dòng)勢(shì)的原因產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使損耗增加，在鐵芯疊片彼此之間對(duì)接處有接縫，在此接縫區(qū)域內(nèi)，有橫向穿越疊片的磁通而使損耗增加。因此，卷鐵芯變壓器比疊裝鐵芯變壓器空載損耗小，空載電流小。同是11型號(hào)的100 kVA容量的三相卷鐵芯密封變壓器與單相卷鐵芯變壓器除了重量明顯差異外，技術(shù)指標(biāo)差別并不明顯。所以一直認(rèn)為的單相變壓器比三相變壓器變損小、節(jié)能的結(jié)論是沒(méi)有依據(jù)的。
單相變壓器在10k V配網(wǎng)中的應(yīng)用
1、對(duì)單相變壓器的容量進(jìn)行合理選擇
1)相變壓器容量選擇原則
當(dāng)10kV配網(wǎng)中的用電負(fù)荷處于正常狀態(tài)的時(shí)候，可以通過(guò)減少設(shè)備容量來(lái)降低線(xiàn)路損耗過(guò)高的現(xiàn)狀，低壓配電網(wǎng)的負(fù)荷是隨時(shí)變化的，會(huì)隨著用電時(shí)間、季節(jié)等發(fā)生改變，在10kV配網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中一般采用單三混一的配電變壓器安裝方案，這種方案可以配置一臺(tái)或多臺(tái)單相配電變壓器，根據(jù)具體的用電負(fù)荷的變化情況以及低壓電網(wǎng)的運(yùn)行方式?jīng)Q定單相變電器的容量需求，從而選擇更合適的變壓器進(jìn)行供電。
2)對(duì)具體的容量進(jìn)行確定
確定單相變壓器容量就是確定單相變壓器供電范圍的過(guò)程，在確定其供電范圍時(shí)應(yīng)該要遵循“小容量、分布緊密”的基本原則，單相變壓器的供電范圍不能太大，盡量減少供電密度。同時(shí)，單相變壓器的容量也與安裝方式有很大關(guān)系，單相變壓器的安裝方式一般為單桿柱安裝，由于單相變壓器只有兩個(gè)低壓繞組，在相同容量下，變壓器的低壓額定電流比三相變壓器多50%，因此可以確定出單相變壓器的具體容量大小。例如容量 80k VA 單相變壓器低壓側(cè)的額定電流與 125kVA 三相變壓器低壓側(cè)的額定電流接近。在傳統(tǒng)的配網(wǎng)設(shè)計(jì)中，構(gòu)架式三相配電變壓器的容量一般不大于 500kVA，這是綜合考慮了多方面因素之后得到的結(jié)果，在具體的配網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)單桿構(gòu)架式安裝方式安裝的單相變壓器的總?cè)萘繎?yīng)不大于 100k VA。
2、安裝方式的選擇
單相變壓器的設(shè)計(jì)是為了給用戶(hù)提供更加穩(wěn)定的電能產(chǎn)品，減少用電負(fù)荷過(guò)高帶來(lái)的各種問(wèn)題，在對(duì)單相變壓器進(jìn)行安裝的時(shí)候通常有三種方式，要根據(jù)不同的情況選擇合適的安裝方式：
第一，獨(dú)立型安裝。單相變壓器的安裝與其他的低壓電網(wǎng)之間沒(méi)有聯(lián)系，單相變壓器自成系統(tǒng)、獨(dú)立運(yùn)行。這種安裝方式中單相變壓器最接近負(fù)荷中心，尤其是和在一些城鄉(xiāng)結(jié)合部以及零散的村莊使用。
第二，分路型安裝。這種安裝方式中，單相變壓器的低壓支線(xiàn)要與主線(xiàn)保持?jǐn)嚅_(kāi)，并且要接上新的電源，以便三相變壓器電源和單相變壓器電源與支線(xiàn)之間實(shí)現(xiàn)良好、順暢地轉(zhuǎn)換。
第三，主線(xiàn)型安裝。這種方式主要適用于三相臺(tái)區(qū)末端無(wú)三相負(fù)荷的情況，首先將主線(xiàn)斷開(kāi)，并且將單相變壓器接到電源供主線(xiàn)尾端，實(shí)現(xiàn)電源間的轉(zhuǎn)換。
3、接線(xiàn)方案的選擇
對(duì)單相變壓器進(jìn)行接線(xiàn)的時(shí)候主要有兩種方案，一種是人工搭拆方式，采用人工搭拆方式，在高壓側(cè)與低壓側(cè)的工作方式是不相同的，在高壓側(cè)單相變壓器會(huì)以跌落式熔斷器作為主要控制器，進(jìn)行操作。在低壓側(cè)，當(dāng)單相變壓器投入運(yùn)行的時(shí)候，需要人工拆除與三相低壓電源的主線(xiàn)連接，然后再搭接單相變壓器低壓側(cè)，當(dāng)單相變壓器退出運(yùn)行的時(shí)候，需要將單相變壓器低壓側(cè)拆除，再將三相低壓電源主線(xiàn)搭接回去。另一種是刀閘轉(zhuǎn)換方式，采用一把四極雙投刀閘進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)在配網(wǎng)的低壓側(cè)對(duì)單相變壓器電源和三相變壓器電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
線(xiàn)損低
單相供電方式是否線(xiàn)損低?根據(jù)電路原理，同樣的距離輸送同樣的功率P ，功率因數(shù)為1，三相供電方式與單相供電方式的線(xiàn)路損失如下。假設(shè)使用同截面的導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)電阻為R。單相變壓器兩線(xiàn)方式供電，輸送功率P 時(shí)，相線(xiàn)、中性線(xiàn)中電流為I ，產(chǎn)生的線(xiàn)路損失為 P 單損 = 2I^2R。三相變壓器三相四線(xiàn)方式供電，輸送功率P時(shí)，線(xiàn)路中相電流為I /3，理想狀態(tài)下中性線(xiàn)無(wú)電流，相線(xiàn) P 相損 =(I/3)2R = I2R/9。
本方式下線(xiàn)路損失為P三損 = 3×(I /3)2R = I2R/3。通過(guò)計(jì)算可見(jiàn)，三相供電方式的線(xiàn)路損失是最低的，單相供電的方式比三線(xiàn)制的損耗高6倍。由此可見(jiàn)，單相供電方式在與三相供電方式在降低線(xiàn)路損失方面并無(wú)優(yōu)勢(shì)。
用料少
相同容量的單相變壓器比三相變壓器用鐵減少20%，用銅減少10%。尤其是采用卷鐵芯結(jié)構(gòu)時(shí)，變壓器的空載損耗可下降15%以上，這將使單相變壓器的制造成本和使用成本同時(shí)下降，從而獲得最佳的壽命周期成本。
線(xiàn)路投資低
在電網(wǎng)中采用單相供電系統(tǒng)，可節(jié)省導(dǎo)線(xiàn)33%～63%，按經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算，可節(jié)約導(dǎo)線(xiàn)重量42%，按機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算，可降低導(dǎo)線(xiàn)消耗66%。因此可降低整個(gè)輸電線(xiàn)路的建設(shè)投資。這在我國(guó)地域廣闊的農(nóng)村和城鎮(zhèn)的路燈照明及居民生活用電方面是很有意義的。
利于現(xiàn)代化生產(chǎn)
單相變壓器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合大批量的現(xiàn)代化生產(chǎn)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和效益。第四，適于引入新技術(shù)、新材料、新工藝，獲得技術(shù)加分，黨的十六屆五中全會(huì)提出把節(jié)約資源作為基本國(guó)策，“十一五”規(guī)劃《綱要》進(jìn)一步把“十一五”時(shí)期單位GDP能耗降低20%左右作為約束性指標(biāo)。在這個(gè)大背景下，降損附加值高的新產(chǎn)品將大有所為。在線(xiàn)損理論計(jì)算時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，80%的線(xiàn)路損失發(fā)生在20%的主干線(xiàn)上，因此縮短低壓主干線(xiàn)距離，就可以大大減少低壓線(xiàn)損，由于單相變壓器重量輕，可以靈活安裝在電桿上使用，便于深入負(fù)荷中心，就近降壓供電，提高供電質(zhì)量。一般單相變壓器在小范圍內(nèi)供電，發(fā)生故障波及面小，利于提高供電可靠性。同時(shí)，因?yàn)閱蜗嘧儔浩髦亓枯p，安裝維護(hù)方便，使用靈活，可以單相使用，也可以三臺(tái)組成三相變壓器使用。
建設(shè)投資少
變壓器小容量化的代價(jià)輕負(fù)荷地區(qū)進(jìn)行單相供電制建設(shè)，可減少建設(shè)投資。大負(fù)荷地區(qū)進(jìn)行單相供電制的改造，必須有較大的經(jīng)濟(jì)投入。筆者看到，有的單相變壓器在居民小區(qū)的試點(diǎn)，實(shí)行的是將大變壓器化成多個(gè)小變壓器，臨近負(fù)荷安裝，縮短低壓主干線(xiàn)距離，由于電源點(diǎn)到負(fù)載的距離是一定的，縮短低壓供電距離，必然要延長(zhǎng)高壓輸電距離，此種改造需要大量的投資，例如原來(lái)3個(gè)單元30戶(hù)人家使用160 kVA三相變壓器1臺(tái)，改用3臺(tái)50 kVA單相變壓器供電，表2列出兩種改造方案的用料及損耗變化，很明顯的增加了建設(shè)投入。其一，為了減少低壓主干線(xiàn)的線(xiàn)損，要將高壓線(xiàn)路引入負(fù)荷中心，增加高壓線(xiàn)路建設(shè)投資。其二，采用多臺(tái)小容量變壓器后的空載損耗和負(fù)荷損耗，都比原先單臺(tái)大容量變壓器多。其三，多臺(tái)小容量變壓器的購(gòu)置資金也大于單臺(tái)大容量變壓器的購(gòu)置資金。國(guó)外由于居民用電多，幾家或者每家使用一臺(tái)單相變壓器，是因?yàn)閲?guó)家富裕，電力部門(mén)大量資金投入的結(jié)果。雖然投資較大，對(duì)于他們總的來(lái)說(shuō)還是合算的。
應(yīng)用的局限性
單相變壓器應(yīng)用的局限性首先，單相變壓器由于電壓?jiǎn)我唬荒軕?yīng)用于照明或小型電機(jī)，應(yīng)用范圍具有局限性。而我國(guó)農(nóng)村因有副業(yè)和作坊，不能廣泛推廣，即使用，也只是作為三相供電制度的補(bǔ)充使用。單相變壓器得到應(yīng)用，一是應(yīng)用于深山區(qū)，居民分散，用電負(fù)荷小，基本沒(méi)有動(dòng)力應(yīng)用，可大大減少線(xiàn)路投資;二是應(yīng)用于路燈。其次，是單相變壓器所引起的引高壓進(jìn)負(fù)荷中心容易受到人們的抵制。人們法制觀念提高，對(duì)于居住環(huán)境的關(guān)心也非常重視，沒(méi)有哪個(gè)業(yè)主愿意電業(yè)部門(mén)在門(mén)前樹(shù)根“旗桿”，上面掛有變壓器，帶有高壓電，并且還發(fā)出噪音。同時(shí)，房地產(chǎn)商人只要求電力方便，他們卻不愿意自己的藍(lán)圖里出現(xiàn)電力設(shè)施的影子。一是怕電磁輻射，二是怕危險(xiǎn)，三是怕影響景觀。電力部門(mén)收費(fèi)到戶(hù)，線(xiàn)路損失是電力部門(mén)的事情，業(yè)主與開(kāi)發(fā)商沒(méi)有義務(wù)為電力部門(mén)提供方便。