變壓器1(結(jié)構(gòu)原理)

電力變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理

2017年8月電力變壓器的結(jié)構(gòu)及工作原理主要內(nèi)容：第三節(jié)電力變壓器的故障分析和處理第二節(jié)電力變壓器的結(jié)構(gòu)第一節(jié)電力變壓器的用途和分類第一節(jié)電力變壓器的用途和分類變壓器是傳輸電能而不改變其頻率的、靜止的電能轉(zhuǎn)換器。變壓器是電力系統(tǒng)中數(shù)量極多且地位十分重要的電氣設(shè)備，變壓器的總?cè)萘看蠹s是發(fā)電機(jī)總?cè)萘康?倍以上。其功能是將電力系統(tǒng)中的電能電壓升高或降低，以利于電能的合理輸送、分配和使用。在電力系統(tǒng)中，輸送同樣功率的電能，電壓越高，電流就越小，輸電線路上的功率損耗也越??；輸電線的截面積也可以減小，這樣就可以減少導(dǎo)線的金屬用量。

由于制造上的困難，發(fā)電機(jī)電壓不可能很高（目前在20KV以下），所以在發(fā)電廠中要用升壓變壓器將發(fā)電機(jī)電壓升到很高，才能將大量的電能送往遠(yuǎn)處的用電地區(qū)，如35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV等。而在用電負(fù)荷處，再用降壓變壓器將電壓降低到適當(dāng)?shù)臄?shù)值供用戶電氣設(shè)備使用。電力變壓器在傳輸電能的時(shí)候，本身也有一些有功損耗，但數(shù)量不大，因而傳輸效率很高。中小型變壓器的效率不低于95％，大型變壓器效率可達(dá)到98％以上。

1、按功能分：

電力變壓器按功能分，有升壓變壓器和降壓變壓器兩大類。工廠變電所都采用降壓變壓器。終端變電所的降壓變壓器，也稱配電變壓器。2、按容量分：

電力變壓器按容量系列分，有R8容量系列和R10容量系列兩大類。

R8容量系列指容量等級(jí)是按R8≈1.33倍數(shù)遞增的，我國(guó)老的變壓器容量等級(jí)采用此系列，如：100kVA、135kVA、180kVA、240kVA、320kVA、420kVA、560kVA、750kVA、1000kVA等。

R10容量系列指容量等級(jí)是按R10≈

1.26倍數(shù)遞增的。R10系列的容量等級(jí)較密，便于合理選用，是IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）推薦采用的。我國(guó)新的變壓器容量等級(jí)采用此系列，如：100kVA、125kVA、160kVA、200kVA、250kVA、315kVA、400kVA、500kVA、630kVA、800kVA、1000kVA。3、按相數(shù)分：電力變壓器按相數(shù)分，有單相和三相兩大類。工廠變電所通常都采用三相電力變壓器。4、按調(diào)壓方式分：電力變壓器按調(diào)壓方式分，有無(wú)載調(diào)壓（又稱無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓）和有載調(diào)壓兩大類。工廠變電所大多數(shù)采用無(wú)載調(diào)壓變壓器。5、按繞組結(jié)構(gòu)分：電力變壓器按繞組結(jié)構(gòu)分，有單繞組自耦變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器。工廠變電所大多采用雙繞組變壓器。6、按繞組絕緣及冷卻方式分類：電力變壓器按繞組絕緣及冷卻方式分，有油浸式、干式和充氣式（SF6）等。其中油浸式變壓器，又有油浸自冷式、油浸風(fēng)冷式、油浸水冷式和強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻式等。工廠變電所大多采用油浸自冷式變壓器。所謂充氣式變壓器是指變壓器的磁路（鐵芯）與繞組均位于一個(gè)充有絕緣氣體的外殼內(nèi)的變壓器。以往，一般情況下是采用SF6氣體，所以又稱氣體絕緣變壓器7、按繞組導(dǎo)體材質(zhì)分：電力變壓器按繞組導(dǎo)體材質(zhì)分，有銅繞組變壓器和鋁繞組變壓器兩大類。工廠變電所過(guò)去大多采用鋁繞組變壓器，但低損耗的銅繞組變壓器現(xiàn)在得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。特殊使用環(huán)境代號(hào)額定電壓額定容量特殊用途和特殊結(jié)構(gòu)代號(hào)設(shè)計(jì)序號(hào)調(diào)壓方式導(dǎo)線材料繞組數(shù)油循環(huán)方式冷卻方式相數(shù)產(chǎn)品類別1、產(chǎn)品類別代號(hào)O-自耦變壓器，通用電力變壓器不標(biāo)H-電弧爐變壓器C-感應(yīng)電爐變壓器Z-整流變壓器K-礦用變壓器Y-試驗(yàn)變壓器2、相數(shù)D-單相變壓器S-三相變壓器3、冷卻方式F-風(fēng)冷式W-水冷式注：油浸自冷式和空氣自冷式不標(biāo)注4、油循環(huán)方式N―自然循環(huán)O―強(qiáng)迫導(dǎo)向循環(huán)P―強(qiáng)迫循環(huán)5、繞組數(shù)S―三繞組注：雙繞組不標(biāo)注6、導(dǎo)線材料L―鋁繞組注：銅繞組不標(biāo)注7、調(diào)壓方式Z―有載調(diào)壓注：無(wú)載調(diào)壓不標(biāo)注8、性能水平代號(hào)（設(shè)計(jì)序號(hào)）性能水平代號(hào)電壓等級(jí)kV性能參數(shù)空載損耗負(fù)載損耗76、10符合GB/T6451組Ⅱ符合GB/T6451≥35符合GB/T645186、10符合GB/T6451組Ⅰ≥35比GB/T6451平均下降10%96、10配電變壓器符合表A26、10電力變壓器比GB/T6451組Ⅰ平均下降10%比GB/T6451平均下降10%≥35比GB/T6451平均下降20%106、10比GB/T6451組Ⅰ平均下降20%比GB/T6451平均下降15%≥35比GB/T6451平均下降30%116、10比GB/T6451組Ⅰ平均下降30%≥35比GB/T6451平均下降40%9、特殊用途或特殊結(jié)構(gòu)代號(hào)Z――低噪聲用；L――電纜引出X――現(xiàn)場(chǎng)組裝式；J――中性點(diǎn)為全絕緣；CY――發(fā)電廠自用變壓器10、變壓器的額定容量變壓器的額定容量，單位為kVA。11、變壓器的額定電壓變壓器的額定電壓，單位為kV。例1：一臺(tái)三相、油浸、風(fēng)冷、雙繞組、無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓、鋁導(dǎo)線、20000kVA、110kV級(jí)電力變壓器產(chǎn)品，其性能水平符合GB/T6451規(guī)定，該產(chǎn)品的型號(hào)為：SFL7—20000/110例2：一臺(tái)三相、油浸、水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)、雙繞組、有載調(diào)壓、銅導(dǎo)線、360000kVA、220kV級(jí)低噪聲用電力變壓器的產(chǎn)品，其性能水平符合GB/T6451規(guī)定，該產(chǎn)品的型號(hào)為：

SWPZ7—Z—360000/220第二節(jié)油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)油浸式電力變壓器油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)器身油箱冷卻裝置保護(hù)裝置出線裝置鐵芯、繞組、絕緣結(jié)構(gòu)、引線、分接開(kāi)關(guān)油箱本體（箱蓋、箱壁、箱底）和附件（放油閥門、油樣活門、接地螺栓、銘牌散熱器和冷卻器儲(chǔ)油柜（油枕）、油位表、防爆管（安全氣道）、吸濕器(呼吸器)、溫度計(jì)、凈油器、氣體繼電器（瓦斯繼電器）高壓套管、低壓套管2.分接開(kāi)關(guān)1.高壓套管4.瓦斯繼電器3.低壓套管6.油枕5.防爆管8.吸濕器7.油位表10.銘牌9.散熱器12.油樣活門11.接地螺栓14.活門13.放油閥門16.溫度計(jì)15.繞組18.凈油器17.鐵芯20.變壓器油19.油箱油浸式電力變壓器的結(jié)構(gòu)1.鐵芯鐵芯在電力變壓器中是重要的組成部件之一。它由高導(dǎo)磁的硅鋼片疊積和鋼夾件夾緊而成，鐵芯具有兩個(gè)方面的功能。在原理上，鐵芯是構(gòu)成變壓器的磁路。它把一次電路的電能轉(zhuǎn)化為磁能，又把該磁能轉(zhuǎn)化為二次電路的電能，因此，鐵芯是能量傳遞的媒介體。在結(jié)構(gòu)上，它是構(gòu)成變壓器的骨架。在它的鐵芯柱上套上帶有絕緣的線圈，并且牢固地對(duì)它們支撐和壓緊。變壓器鐵芯渦流的形成

當(dāng)成塊的金屬放在變化的磁場(chǎng)中．或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在金屬內(nèi)自成閉合回路，猶如水的旋渦故稱渦流，由于成塊金屬的電阻很小，所以渦流很強(qiáng)，使成塊金屬大量發(fā)熱，同時(shí)電能遭到大量的浪費(fèi)。1.鐵芯為了減少鐵芯的磁滯和渦流損耗，鐵芯用厚度為0.3～0.5mm的硅鋼片沖剪成幾種不同尺寸，并在表面涂厚為0.01～0.13mm的絕緣漆，烘干后按一定規(guī)則疊裝而成。由于硅鋼片比普通鋼的電阻串大，因此利用硅鋼片制成的鐵芯可以進(jìn)一步減小渦流損耗。1.鐵芯鐵芯的絕緣與變壓器其他絕緣一樣，占有重要的地位。鐵芯絕緣不良，將影響變壓器的安全運(yùn)行。鐵芯的絕緣有兩種，即鐵芯片間的絕緣以及鐵芯片與結(jié)構(gòu)件件的絕緣。1.鐵芯鐵芯片間的絕緣是把芯柱和鐵軛的截面分成許多細(xì)條形的小截面，使磁通垂直通過(guò)這些小截面時(shí)，感應(yīng)出的渦流很小，產(chǎn)生的渦流損耗也就很小。鐵芯片間無(wú)絕緣時(shí)，磁通垂直通過(guò)的截面很大，感應(yīng)的渦流大，截面厚度增加1倍，渦流損耗將增大至4倍。鐵芯片間絕緣過(guò)小時(shí)，片間電導(dǎo)率增大，穿過(guò)片間絕緣的泄漏電流增大，將增加附加的介質(zhì)損耗。1.鐵芯鐵芯必須接地。鐵芯是其金屬結(jié)構(gòu)件在線圈的電場(chǎng)作用下，具有不同的電位，與油箱電位又不同。雖然它們之間電位差不大，也將通過(guò)很小的絕緣距離而斷續(xù)放電。放電一方面使油分解，另一方面無(wú)法確認(rèn)變壓器在試驗(yàn)和運(yùn)行中的狀態(tài)是否正常。1.鐵芯接地片為0.3mm厚的紫銅片，寬度為20、30mm或40mm，銅帶表面要搪錫，以減少接觸電阻。1.鐵芯變壓器鐵芯多點(diǎn)接地的故障特征油中氣體不斷增加并析出(電弧放電故障時(shí)，氣體析出量較之更高、更快)，可能導(dǎo)致氣體繼電器動(dòng)作發(fā)信號(hào)，甚至使變壓器跳閘。鐵芯局部過(guò)熱，使鐵芯損耗增加，甚至燒壞；過(guò)熱造成的溫升，使變壓器油分解，產(chǎn)生的氣體溶解于油中，引起變壓器油性能下降，油中總烴大大超標(biāo)；1.鐵芯繞組是變壓器最基本的組成部分，它與鐵芯合稱電力變壓器本體，是建立磁場(chǎng)和傳輸電能的電路部分。電力變壓器繞組由高壓繞組，低壓繞組，對(duì)地絕緣層（主絕緣），高、低壓繞組之間絕緣件及由燕尾墊塊，撐條構(gòu)成的油道，高壓引線，低壓引線等構(gòu)成。2.繞組變壓器高低壓繞組的排列方式，是由多種因素決定的。但就大多數(shù)變壓器來(lái)講，是把低壓繞級(jí)布置在高壓繞組的里邊。這主要是從絕緣方面考慮的。理論上，不管高壓繞組或低壓繞組怎樣布置，都能起變壓作用。但因?yàn)樽儔浩鞯蔫F芯是接地的，由于低壓繞組靠近鐵芯，從絕緣角度容易做到。如果將高壓繞組靠近鐵芯，則由于高壓繞組電壓很高，要達(dá)到絕緣要求，就需要很多多的絕緣材料和較大的絕緣距離。這樣不但增大了繞組的體積，而且浪費(fèi)了絕緣材料。再者，由于變壓器的電壓調(diào)節(jié)是靠改變高壓繞組的抽頭，即改變其匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此把高壓繞組安置在低壓繞組的外邊，引線也較容易。2.繞組變壓器調(diào)壓是在變壓器的某一繞組上設(shè)置分接頭，當(dāng)變換分接頭時(shí)就減少或增加了一部分線匝，使帶有分接頭的變壓器繞組的匝數(shù)減少或增加，其他繞組的匝數(shù)沒(méi)有改變，從而改變了變壓器繞組的匝數(shù)比。繞組的匝數(shù)比改變了，電壓比也相應(yīng)改變，輸出電壓就改變，這樣就達(dá)到了調(diào)整電壓的目的。2.繞組在一般情況下是在高壓繞組上抽出適當(dāng)?shù)姆纸宇^，因?yàn)楦邏豪@組常套在外面，引出分接頭方便；另外高壓側(cè)電流小，引出的分接引線和分接開(kāi)關(guān)的載流部分截面積小，開(kāi)關(guān)接觸部分也容易解決。2.繞組調(diào)壓方式有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓時(shí)，不是變壓器二次不帶負(fù)載，而是把變壓器各側(cè)都與電網(wǎng)斷開(kāi)，在變壓器無(wú)勵(lì)磁情況下變換繞組的分接頭；有載調(diào)壓時(shí)，變壓器是在不中斷負(fù)載的情況下進(jìn)行變換繞組的分接頭。2.繞組當(dāng)變壓器油的體積隨著油的溫度膨脹或減小時(shí)，油枕起著調(diào)節(jié)油量，保證變壓器油箱內(nèi)經(jīng)常充滿油的作用。如沒(méi)有油枕，油箱內(nèi)的油面波動(dòng)就會(huì)帶來(lái)以下不利因素：一是油面降低時(shí)露出鐵芯和線圈部分會(huì)影響散熱和絕緣；二是隨著油面波動(dòng)空氣從箱蓋縫里排出和吸進(jìn)，而由于上層油溫很高，使油很快地氧化和受潮。油枕的油面比油箱的油面要小，這樣，可以減少油和空氣的接觸面，防止油被過(guò)速地氧化和受潮。三是油枕的油在平時(shí)幾乎不參加油箱內(nèi)的循環(huán)，它的溫度要比油箱內(nèi)的上層油溫的低的多，油的氧化過(guò)程也慢的多，因此有了油枕，可以防止油的過(guò)速氧化。3.油枕3.油枕1－油位計(jì)；2－氣體繼電器連通導(dǎo)管的法蘭；3－吸濕器連通管；4－集污盒；5－注油孔；6－與防爆管連通的法蘭；7－吊環(huán)；8－端蓋；9、10－閥門3.油枕吸濕器又名呼吸器，常用吸濕器為吊式吸濕器結(jié)構(gòu)。吸濕器內(nèi)裝有吸附劑硅膠，油枕內(nèi)的絕緣油通過(guò)吸濕器與大氣連通，內(nèi)部吸附劑吸收空氣中的水分和雜質(zhì)，以保持絕緣油的良好性能。4.吸濕器為了顯示硅膠受潮情況，一般采用變色硅膠。變色硅膠原理是利用二氯化鈷（CoCL2）所含結(jié)晶水?dāng)?shù)量不同而有幾種不同顏色做成，二氯化鈷含六個(gè)分子結(jié)晶水時(shí)，呈粉紅色；含有兩個(gè)分子結(jié)晶水時(shí)呈紫紅色；不含結(jié)晶水時(shí)呈藍(lán)色。4.吸濕器呼吸器的作用是提供變壓器在溫度變化時(shí)內(nèi)部氣體出入的通道，解除正常運(yùn)行中因溫度變化產(chǎn)生對(duì)油箱的壓力。呼吸器內(nèi)硅膠的作用是在變壓器溫度下降時(shí)對(duì)吸進(jìn)的氣體去潮氣。油封杯的作用是延長(zhǎng)硅膠的使用壽命，把硅膠與大氣隔離開(kāi)，只有進(jìn)入變壓器內(nèi)的空氣才通過(guò)硅膠。4.吸濕器5.防爆管防爆管又名安全氣道，裝在油箱的上蓋上，由一個(gè)喇叭形管子與大氣相通，管口用薄膜玻璃板或酚醛紙板封住。為防止正常情況下防爆管內(nèi)油面升高使管內(nèi)氣壓上升而造成防爆薄膜松動(dòng)或破損及引起氣體繼電器誤動(dòng)作，在防爆管與儲(chǔ)油柜之間連接一小管，已使兩處壓力相等。防爆管的作用是當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，將油里分解出來(lái)的氣體及時(shí)排出，以防止變壓器內(nèi)部壓力驟然增高而引起油箱爆炸或變形。容量為800kVA以上的油浸式變壓器均裝有防爆管。1-儲(chǔ)油柜2-連接小管3-防爆管4-油箱散熱器分為片式散熱器和扁管散熱器片式散熱器是用板料厚度為1mm的波形沖片，靠上下集油盒或油管焊接組成。20kVA以下的油浸式電力變壓器，平頂油箱的散熱面已足夠，50～200kVA的油浸式電力變壓器可采用固定式散熱器；200～300kVA油浸式電力變壓器，可采用可拆式片式散熱器，散熱器通過(guò)法蘭盤固定再油箱壁上。油浸式變壓器冷卻裝置包括散熱器和冷卻器，不帶強(qiáng)油循環(huán)的稱為散熱器，帶強(qiáng)油循環(huán)的稱為冷卻器。當(dāng)變壓器上層油溫與下部油溫產(chǎn)生溫差時(shí)，通過(guò)冷卻器形成油溫對(duì)流，經(jīng)冷卻器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器溫度的作用。冷卻器有強(qiáng)油風(fēng)冷卻器、新型大容量風(fēng)冷卻器、強(qiáng)油水冷卻器大型變壓器都裝有測(cè)量上層油溫的帶電接點(diǎn)的測(cè)溫裝置，它裝在變壓器油箱外，便于運(yùn)行人員監(jiān)視變壓器油溫情況。絕緣套管是油浸式電力變壓器箱外的主要絕緣裝置，變壓器繞組的引出線必須穿過(guò)絕緣套管，使引出線之間及引出線與變壓器外殼之間絕緣，同時(shí)起到固定引出線的作用。第四節(jié)變壓器的故障處理油浸式電力變壓器的故障分為內(nèi)部故障和外部故障內(nèi)部故障：變壓器油箱內(nèi)發(fā)生的各種故障，其主要類型有：各相繞組之間發(fā)生的相間短路、繞組的線匝之間發(fā)生的匝間短路、繞組或引出線通過(guò)外殼發(fā)生的接地故障等。外部故障：變壓器油箱外部絕緣套管及其引出線上發(fā)生的各種故障，其主要類型有：絕緣套管閃絡(luò)或破碎而發(fā)生的解體短路，引出線之間發(fā)生相間故障等而引起變壓器內(nèi)部故障或繞組變形。油浸式電力變壓器的故障分為內(nèi)部故障和外部故障

變壓器內(nèi)部故障從性質(zhì)上一般又分為熱故障和電故障兩大類。熱故障通常為變壓器內(nèi)部局部過(guò)熱、溫度升高。根據(jù)其嚴(yán)重程度，熱故障常被分為輕度過(guò)熱（低于150℃），低溫過(guò)熱（150～300℃）；中溫過(guò)熱（300～700℃）、高溫過(guò)熱（一般高于700℃）四種故障情況。電故障通常指變壓器內(nèi)部在高電場(chǎng)的作用下，造成絕緣性能下降或劣化的故障。根據(jù)放電的能量密度不同，電故障又分為局部放電、火花放電和高能電弧放電三種故障類型。主要指變壓器出口短路，以及內(nèi)部引線或繞組間對(duì)地短路、及相與相之間發(fā)生的短路而導(dǎo)致的故障。短路電流引起絕緣過(guò)熱故障變壓器突發(fā)短路時(shí)，其高、低壓繞組可能同時(shí)通過(guò)為額定值數(shù)十倍的短路電流，它將產(chǎn)生很大的熱量，使變壓器嚴(yán)重發(fā)熱。當(dāng)變壓器承受短路電流的能力不夠，熱穩(wěn)定性差，會(huì)使變壓器絕緣材料嚴(yán)重受損，而形成變壓器擊穿及損毀事故。1.短路故障短路電動(dòng)力引起繞組變形故障變壓器受短路沖擊時(shí)，如果短路電流小，繼電保護(hù)正確動(dòng)作，繞組變形將是輕微的，如果短路電流大，繼電保護(hù)延時(shí)動(dòng)作甚至拒動(dòng)，變形將會(huì)很嚴(yán)重，甚至造成繞組損壞。對(duì)于輕微的變形，如果不及時(shí)檢修，恢復(fù)墊塊位置，緊固繞組的壓釘及鐵軛的拉板、拉桿，加強(qiáng)引線的夾緊力，在多次短路沖擊后，由于累積效應(yīng)也會(huì)使變壓器損壞。1.短路故障放電故障對(duì)變壓器絕緣的影響放電對(duì)絕緣有兩種破壞作用：一種是由于放電質(zhì)點(diǎn)直接轟擊絕緣，使局部絕緣受到破壞并逐步擴(kuò)大，使絕緣擊穿。另一種是放電產(chǎn)生的熱、臭氧、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用，使局部絕緣受到腐蝕，介質(zhì)損耗增大，最后導(dǎo)致熱擊穿。

2.放電故障.固體絕緣故障固體紙絕緣是油浸式變壓器絕緣的主要部分之一，包括：絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、絕緣卷、絕緣綁扎帶等，其主要成分是化纖素，一般信紙的聚合度為13000左右，當(dāng)下降至250左右，其機(jī)械強(qiáng)度已下降了一半以上，極度老化致使壽命終止的聚合度為150～200,絕緣紙老化后，其聚合度和抗張強(qiáng)度將逐漸降低，并生成水、CO、CO2,這些老化產(chǎn)物大都對(duì)電氣設(shè)備有害，會(huì)使絕緣紙的擊穿電壓和體積電阻率降低、介質(zhì)增大、抗拉強(qiáng)度下降，甚至腐蝕設(shè)備中的金屬材料。3.絕緣故障

液體絕緣的油浸變壓器特點(diǎn)：大大提高了電氣絕緣強(qiáng)度，縮短了絕緣距離，減小了設(shè)備的體積；大大提高了變壓器的有效熱傳遞和散熱效果，提高了導(dǎo)線中允許的電流密度，減輕了設(shè)備重量，它是將運(yùn)行變壓器器身的熱量通過(guò)變壓器油的熱循環(huán)，傳遞到變壓器外殼和散熱器進(jìn)行散熱，從而提高了有效的冷卻降溫水平。由于油浸式密封而降低了變壓器內(nèi)部某些零部件和組件的氧化程度，延長(zhǎng)了使用壽命。3.絕緣故障

變壓器油劣化的原因按輕重程度可分為污染和劣化兩個(gè)階段污染是油中混入水分和雜質(zhì)，這些不是油氧化的產(chǎn)物，污染的絕緣性能會(huì)變壞，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度降低，介質(zhì)損失角增大。劣化是油氧化后的結(jié)果