–34）计算，正常使用年限应等于
ZN = A e – p?98 （4–35）
若用Z/ZN的比值来表示任意温度?时的相对使用年限，即标幺使用年限，则
ZZ*??e?p(??98) （4–36）
ZN 取其倒数，并称之为相对老化?
?=e ?–98 （4–37）
由式（4–37）可计算出各温度下的相对老化，其值列于表4–3中。
表4–3 绕组最热点温度（℃） 相对老化? 80 0.125 86 0.25
92 0.5 各不同温度下的相对老化 98 1.0 104 2.0 110 4.0 116 8.0 122 16.0 128 32.0 134 64.0 140 128.0 p（
）
值得提起的是，在国家标准中规定A级绝缘绕组升为65℃，最高环境温度为+40℃，此时绕组最热点的温度为65+40=105（℃），查表4–3可知，相对老化大于2，但这是变压器的极限工作温度，由于环境温度一般小于+40℃，所以变压器绕组实际工作在105℃的时间是很少的，这时不应限制变压器的负荷。
四、等值老化原则
如上所述，变压器运行时，如果维持其绕组最热点的温度在+98℃左右，可以获得正常使用年限。实际上绕组温度受气温和负荷变动的影响，往往变化范围很大。因此，如果将绕组最高允许温度规定为+98℃，则可能在大部分时间内，绕组温度达不到该值，致使变压器的负荷能力未得到充分利用。反之，若不规定绕组的最高允许温度，或者将该值规定得过高，变压器又有可能达不到正常使用年限。解决这一问题的方法是：在一部分时间内，根据运行要求，允许绕组温度高于+98℃，而在另一部分时间内，使绕组温度低于+98℃，只要使变压器在温度较高的时间内所多损耗的寿命（或使用年限）与其在温度较低的时间内所少损耗的寿命相互补偿即可，这样变压器的使用年限可以和恒温+98℃运行时等值，此即为等值老化原则。换言之，等值老化原则就是使变压器在一定时间间隔T0（一年或一昼夜）内，绝缘老化（或所损耗的寿命）等于一个常数，即
? 0 T0ep?dt = 常数
（4–38）
这个常数为绕组温度在整个时间间隔T0内保持恒定温度+98℃时，变压器所损耗的寿命，数值为T0e98p。
实际上，为了判断变压器在不同负荷下绝缘老化的情况，或在欠负荷期间变压器负荷能力的利用情况，通常引入比值?来表征，?称为绝缘老化率，具体表达式为：
??? 00e Tp?1dt/T0e98p?1T0? 0 T0ep(?1?98)dt
（4–39）
显然，?就是变压器在某一段时间间隔T0内，实际所损耗的寿命与绕组温度维持恒定+98℃时所损耗的寿命的比值。极易看出，若?>1.0，则变压器的老化大于正常老化，使用年限将缩短；如果?<1.0，则表示变压器的负荷能力没有得到充分利用。因此，在一定时间间隔内，维持变压器绝缘的老化率?接近于1.0，是制定变压器负荷能力的主要依据。 五、电源电压允许变化范围
因系统运行方式的改变、负荷的变动，电网电压是变动的。因此，运行中的变压器原绕组侧受到的电压也是变化的。
为保证系统的电压水平，从而保证供电的电能质量，对系统中每一变电所都规定有调压要求，此调压要求如不能满足，则整个系统的电压水平将受到影响，如果电源电压变化超出一定范围，则此要求就无法满足，所以必须对电源电压做一定限制。电源电压过低，则受此要求限制而不允许。电源电压过高，不仅调整要求无法保证，而且将对变压器本身及系统运行产生不良影响。首先，电源电压过高使铁损增加，温度上升；其次，由于铁芯饱和而引起激磁电流增加，无功损失增大影响变压器出力；特别是电压的增高使
铁芯过度饱和后，引起电势波形的变化，将带来一定的危害。
对电压过高引起变压器电势波形变化带来的危害，可做以下说明。
当变压器一次侧加以正弦电压后，若电压在允许范围内，铁芯饱和并不严重，则励磁电流I0与磁通Φ均为正弦波，二次侧电势亦为正弦波。当电流电压超出一定范围后，铁芯饱和严重，磁通Φ呈现为平顶波，它所产生的电势为尖顶波，尖顶波电势中含有较大的三次谐波，严重威胁变压器的绝缘，使中性点电压位移，对通讯产生电磁干扰等。 因此，规程规定变压器电源电压变动范围应在其所接分接头额定电压的±5%范围内，其额定容量可保持不变，即当电压升高5%时，额定电流应降低5%；当电压降低5%时，额定电流许可升高5%。 变压器电源电压最高不得超过额定电压的10%。 六、变压器的正常过负荷
变压器的使用寿命与温度有密切关系。绝缘温度经常保持在95℃时，使用年限为20年；温度为105℃，约为7年，温度为120℃，约为两年，温度为170℃，仅约为10～12天，所以变压器不允许随意过负荷。 实际上变压器在正常运行中有两种具体情况，一种是在一昼夜中负荷有变动，并不是全部时间满负荷运行；另一种是在全年中冬季与夏季的负荷不同，一般是夏季负荷小，变压器在夏季没有达到满负荷运行。根据这两种情况可以考虑变压器在正常条件下，根据等值老化原则，在一部分时间内，使变压器的负荷大于额定负荷，而在另一部分时间内，使变压器的负荷小于额定负荷，只要在大负荷期间所多损耗的寿命和在小负荷期间所少损耗的寿命能相互补偿，则仍可获得规定的使用年限。变压器的正常过负荷能力就是以不牺牲其正常寿命为原则而制定的。换句话说，在整个时间间隔内，只要做到变压器绝缘老化率小于或等于1即可。同时还规定：
（1）过负荷期间，绕组最热点的温度不得超过140℃，上层油温不得超过95℃； （2）变压器的最大过负荷不得超过额定负荷的50%。
在某些情况下，若选择的变压器额定容量小于它的最大负荷时，往往必须判断该变压器的过负荷能力是否在其正常过负荷能力的允许范围以内。这时，可根据实际负荷曲线和变压器的数据，来计算变压器绝缘的老化率?，如果?<1，说明过负荷在允许范围以内，否则，应重新选择较大容量的变压器。
为了简化计算，国际电工委员会（IEC）根据上述原则，制定了各种类型变压器的正常允许过负荷曲线，如图4–22所示。
图4–22（a）和（b）分别表示自然油循环和强迫油循环变压器在日平均气温为+20℃时过负荷曲线。
S图中K1表示低负荷期间的负荷系数，即K1?1?1；K2为过负荷时的负荷系数，即过负荷倍数；t为过
SN负荷的允许持续时间。
图4–22 正常过负荷曲线图（日平均气温为+20℃） （a）自然油循环的变压器；（b）强迫油循环的变压器
对于自然冷却或通风冷却的油浸式电力变压器，正常过负荷的允许数值和允许时间规定如下。
（1）如果变压器的昼夜负荷率小于1，在高峰负荷期间变压器的允许过负荷倍数和允许的持续时间则可按年等值环境温度、变压器的冷却方式和容量等因素确定。若事先不知道负荷率，则可按表4–4的规定确定过负荷倍数和允许持续时间。
表4–4 过负荷 倍 数 过负荷倍数与允许持续时间
过负荷前上层油的温升（℃）为下列数值时的允许过负荷持续时间（时:分） 18 5:50 3:50 2:50 2:05 1:35 1:10 0:55 0:40 0:25 0:15 24 5:25 3:25 2:25 1:40 1:15 0:50 0:35 0:25 0:10 — 30 4:50 2:50 1:50 1:15 0:50 0:30 0:15 — — — 36 4:00 2:10 1:20 0:45 0:25 — — — — — 42 3:00 1:25 0:35 — — — — — — — 48 1:30 0:10 — — — — — — — — 54 — — — — — — — — — — 1.0 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 （2）如果在夏季（6、7、8三个月），根据变压器的典型负荷曲线，其最高负荷低于变压器的额定容量时，若每低1%，可在冬季过负荷1%，但以15%为限。 以上两种正常过负荷的规定，可以迭加使用，但过负荷总数对油浸自冷和油浸风冷变压器不超过30%；对强迫油循环冷却变压器不超过20%。
通风冷却油浸式电力变压器在风扇停止工作时的允许负荷和持续时间应遵守制造厂的规定；无制造厂的规定时，对于在额定冷却空气温度下风扇停止工作时允许带额定负荷的70%连续运行，此时变压器的允许负荷倍数和持续时间可参照表4–5执行。
表4–5
允许负荷 倍数 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 18 12:20 7:40 5:30 4:20 3:25 2:45 2:15 1:50 1:30 1:10 0:50 0:35 24 11:40 7:00 5:00 3:50 2:55 2:20 1:50 1:25 1:10 0:50 0:35 0:20 30 10:55 6:20 4:20 3:15 2:25 1:50 1:25 1:00 0:45 0:30 0:15 36 10:00 5:25 3:25 2:35 1:45 1:20 0:55 0:35 0:20 0:08 42 8:40 4:20 2:40 1:45 1:08 0:40 0:20 0:06 48 7:00 3:00 1:30 0:45 0:15 54 4:00 0:50
当风扇停止工作时的允许负荷倍数和持续时间
风扇停止时变压器上层油的温升（℃）为下列数值时的允许持续时间（时:分） 七、变压器的事故过负荷 当系统发生故障时，首先应设法保证不间断供电，变压器绝缘的老化加速则是次要的，所以事故过负荷和正常过负荷有所不同，前者是以牺牲变压器的寿命为代价的，绝缘老化率允许比正常过负荷时高得
多。但是，在确定变压器事故过负荷的允许值时，同样要考虑到绕组最热点的温度不应过高，以避免引起事故的扩大。和正常过负荷时一样，事故过负荷时绕组最热点的温度也不得超过140℃，负荷电流不得超过额定值的两倍。
由上述可知，事故过负荷是在较短的时间内，让变压器多带一些负荷，以作急用，所以通常又叫急救过负荷。变压器事故过负荷的允许值应遵守制造厂的规定。如无制造厂规定时，对于自然冷却和吹风冷却的油浸式电力变压器，可参照表4–6执行；对于强迫油循环冷却的变压器参见表4–7执行。
表4–6 过负荷倍数 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
自然油循环冷却变压器事故过负荷倍数及允许持续时间
环境温度（℃）为下列数值时的允许持续时间（时：分） 0 24:00 24:00 23:00 8:00 4:00 3:00 2:05 1:30 1:00 0:40 10 24:00 24:00 10:00 5:10 3:10 2:05 1:25 1:00 0:35 0:22 20 24:00 13:00 5:30 3:10 2:10 1:20 0:55 0:30 0:18 0:11 30 19:00 5:50 3:00 1:45 1:10 0:45 0:25 0:13 0:09 0:06 40 7:00 2:45 1:30 0:55 0:35 0:18 0:09 0:06 0:05
表4–7 强迫油循环冷却变压器事故过负荷倍数及允许持续时间
过负荷倍数 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 环境温度（℃）对下列数值时的允许持续时间（时：分） 0 24:00 24:00 11:00 3:40 1:50 1:00 0:35 10 24:00 21:00 5:10 2:10 1:10 0:35 0:15 20 24:00 8:00 2:45 1:20 0:40 0:16 0:09 30 14:30 3:30 1:30 0:45 0:16 0:08 0:05 40 5:10 1:35 0:45 0:15 0:07 0:05
虽然事故过负荷时引起的绝缘老化要比正常工作条件下快得多，但考虑到变压器通常是在欠负荷下运行，而且事故发生的机会一般很少，所以事故过负荷不致产生严重的后果。事故过负荷造成的温升对绝缘会带来一定影响，但考虑到事故时保证对负荷的供电乃是更为主要的，事故的机会很少，其延续时间又不会太长，所以事故过负荷如将其限制在一定时间内，则对绝缘的损坏也不会太严重。
第四节 自耦、三绕组、分裂绕组和干式变压器
一、自耦变压器
一次绕组和二次绕组共用一部分绕组的变压器称为自耦变压器。自耦变压器有单相的，也有三相的。有降压自耦变压器，也有升压自耦变压器。 1．结构特点
自耦变压器的结构示意图如图4–23（a）所示。它的结构特点是在每一个铁芯柱上只有一个绕组AX，其匝数为N1，而且这个绕组中的一部分（图中的ax绕组，其匝数为N2）既属于一次侧，也属于二次侧，
成为公共绕组。因此，一、二次绕组之间既有磁的联系，也有电的联系。
图4–23 自耦变压器
（a）结构示意图； （b）原理接线图
2．工作原理
自耦变器的工作原理与双绕组变压器相同，都是利用电磁感应原理制成。如图4–23（b）所示，当绕组AX两端加上交变电压u1时，铁芯中便产生交变磁通，并分别在一、二次绕组上产生感应电动势E1和E2，其有效值为
E1?4.44fN1?m
E2?4.44fN2?m 若忽略漏抗压降，则
（4–40）
U1?E1?4.44fN1?m
U2?E2?4.44fN2?m 自耦变压器的变化比为
Ka?E1NU?1?1 E2N2U2 （4–41）
（4–42）
只要N1≠N2,就可以实现变压。适当选择N2,便可获得所需的输出电压U2。
综上，我们可以得出，如果将交流电压u1接在匝数多的AX绕组上，就变成降压自耦变压器；如果将交流电压u1接在匝数少的ax绕组上，就成为升压自耦变压器。 3．电流关系
自耦变压器负载运行时，由于电源电压保持额定值，主磁通为常数，因此与双绕组变压器一样，负载运行时，一、二次绕组的合成磁通势，即
若忽略空载电流，则
?I1N1??I2N2?0
或
N1?I1??2?I2??I2 （4–44） ?N1Ka?I1N1??I2N2??I0N1 （4–43）
I2是一次侧电流?I2的相位相差180°。 式（4–44）说明，二次侧电流?I1的Ka倍，一、二次电流?I1与? 公共绕组（ax绕组）中的电流为
1?1?I??I1??I2?(?)I2??I2?(1?)I2 ?KaKa （4–45）