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1、第六章 电力变压器第一节 变压器的基本原理及结构变压器是一种静止电器，它利用电磁感应原理把一种交流电压转换成相同频率的另一种交流电压。在电力系统中，变压器占着极其重要的位置，无论是在发电厂或变电站，都可以看到各种型式和不同容量的变压器。一、变压器的基本原理变压器是利用电磁感应原理来进行能量转换的，其结构主要是2个（或2个以上）互相绝缘的绕组，套在一个共同的铁芯上，2个绕组之间通过磁场而耦合，但在电的方面没有直接联系，能量的转换以磁场作媒介。在2个绕组中，把接到电源的一侧称为一次绕组，又称原边，而把接到负载的一侧称为二次绕组，又称副边。当原边接交流电源时，在外施电压作用下，一次绕组中通过交流电流
2、，并在铁芯中产生交变磁通，其频率和外施电压的频率一致，这个交变磁通同时交链着一、二次绕组，根据电磁感应定律，交变磁通在一、二次绕组中感应出相同频率的电动势，副边有了电动势便向负荷输出电能，实现了能量转换。利用一、二次绕组匝数的不同及不同的绕组连接法，可使原、副边有不同的电压、电流和相数。需要指出，如果不考虑变压器的损耗，二次侧输出功率等于一次输入功率。这样，二次侧电压和电流的乘积，就等于一次侧电压和电流的乘积。说明电压高的一侧，电流就小，电压低的一侧电流就大，故变压器变压时电流的大小也发生变化。对于三相芯式变压器，其原理和单相变压器相同，但三相芯式变压器和三相变压器组（由三台单相变压器组成的变
3、压器组）的磁路不同。三相变压器组的磁路特点是：每相主磁通各有单独的通路，各相磁路互不联系，当变压器一次侧外施电压对称时，三相磁通a、b、c也是对称的，三相空载电流也是对称的。三相芯式变压器的磁路系统是彼此相关的，每相主磁通都要借助于另外两相磁路来闭合，由于三相变压器各相磁路长度不一样，A、C相较长，B相最短，三相磁阻不一样。因此在外施三相对称电压时，三相空载电流是不相等的。显然，B相的空载电流要比A、C两相空载电流小。不过在带负荷情况下，由于空载电流的差别而带来的影响很小，可不予考虑。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过产生主磁通的电流，此电流称为变压器的激磁电流或空载电流。外加的一次侧电压不变
4、，可以认为激磁电流不变，铁芯中的主磁通不变。当二次侧加负载流过电流后，该电流产生的磁势F2也将作用在同一铁芯上，起反向去磁作用，但因主磁通决定于端电压U1，所以基本不变，故原线圈的电流必将自动增加一个分量产生磁势F1以抵消二次线圈电流所产生的磁势F2。这样，一次线圈就流过两部分电流，一部分用来激磁的，另一部分用来抵消二次电流的，后一部分是随二次电流的增减而增减的，所以说二次电流增加，一次电流也会自动增加，就是这个道理。二、变压器的结构1. 变压器分类变压器的种类很多，除按用途分类外，还可按其结构、相数和冷却方式等进行分类。按结构可分为：双绕组变压器和三绕组变压器、自耦变压器。按相数可分为：单相
5、变压器、三相变压器。按冷却方式分为：油浸变压器（包括油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环风冷或水冷等形式）、干式变压器。按调压方式可分为：无激磁（无载）调压变压器、有载调压变压器。我公司#7、#8机组的两台主变压器均采用三相强油循环、风冷、无激磁调压升压变压器。配置两台高压厂用工作变压器采用三相、油浸风冷、无激磁调压的三绕组分裂降压变压器。配置的04启备变压器采用三相、油浸风冷、有载调压的三绕组分裂降压变压器。厂用低压变压器为干式变压器。2. 变压器的结构变压器结构示意图如图6-1所示。变压器器身构造示意图如图6-2所示。油浸变压器的结构主要由以下几部分组成：器身包括铁芯、绕组、绝缘、引线
6、装置。油箱包括油箱本体、循环油泵、放油阀等。冷却装置包括散热器、风扇等。保护装置包括储油柜、吸湿器、净油器、测温元件、气体继电器、油位计等。出线装置包括高、低压套管。 1-高压套管；2-分接开关；3-低压套管；4-气体继电器；5-安全气道（防爆管）；6-油枕（储油贵）；7-油位计；8-呼吸器（吸湿器）；9-散热气；10-铭牌；11-接地螺栓；12-油样活门；13放油阀门；14-阀门；15-绕组（线圈）；16-信号温度计；17-铁芯；18-净油器；19-油箱；20-变压器油。图61变压器结构示意图 1-铁轭；2-上夹件；3-上夹件绝缘；4-压钉；5-绝缘纸圈；6-压板；7-方铁；8-下铁轭绝缘；
7、9-平衡绝缘；10-下夹件加强筋；11-下夹件上支板；12-下夹件下支板；13-下夹件腹板；14-铁轭螺杆；15-铁芯柱；16-绝缘纸筒；17-油隙撑条；18-相间隔板；19-高压绕组；20-角环；21-静电环；22-低压绕组。图62变压器器身构造示意图(1) 铁芯铁芯是用以构成耦合磁通的磁路，通常用0.35mm或0.5mm厚的硅钢片叠成，缠绕绕组的部分叫铁芯，连接铁芯的部分称为铁轭。铁芯采用硅钢片能够提高磁路的导磁性能和减少涡流、磁滞损耗。硅钢片有冷轧和热轧两种，冷轧硅钢片比热轧硅钢片导磁高，损耗小，冷轧硅钢片还具有方向性，大容量变压器都采用冷轧硅钢片制成的铁芯。芯柱的截面一般为阶梯形，这可
8、以充分利用圆形线圈的空间，另外较大直径的铁芯，叠片间留有油道，以利于散热。铁芯及构件应接地，这是为了防止变压器在运行或试验时，由于静电感应在铁芯或其它金属构件上产生悬浮电位而造成对地放电。铁芯叠片只允许一点接地，如两点接地，则接地点之间可能形成闭合回路，当主磁通穿过此闭合回路时就会产生循环电流，造成局部过热。(2) 绕组绕组是变压器的电路部分，它一般用电缆纸绝缘的铜线或者铝线绕制而成，为了使绕组便于制造和在电磁力的作用下受力均匀及良好的机械性能，将线圈绕成圆筒形，然后把圆筒形的高低压绕组同心地套在芯柱上，低压绕组在内，靠近铁芯，高压绕组在外，这样放置有利于绕组对铁芯的绝缘。容量较大的变压器绕组
9、通常是由几根导线并列起来绕制的，在绕制时要换位，即让各导线在绕制时互换内外导线的位置，目的是为了使各股导线最终阻抗相等，运行时电流分布均匀，从而减少导线的附加损耗。(3) 变压器的绝缘变压器的导电部分之间及对地都要绝缘，油浸式变压器的绝缘笼统地讲可分成油箱里的内绝缘和油箱外的空气绝缘（外绝缘）两类，所谓内绝缘指的是油箱中的各部分的绝缘。外绝缘是空气绝缘，即套管上部对地和彼此之间的绝缘以及保护间隙。内绝缘又分为主绝缘和纵绝缘。主绝缘是绕组与地以及绕组与绕组之间的绝缘，纵绝缘是指绕组的层间、匝间、分接开关部分之间的绝缘。不同的绝缘材料，其耐热能力是不同的。根据其耐热能力，绝缘材料可分为七个等级：分
10、别为Y、A、E、B、F、H、C级，它们的最高允许温度分别为90、105、120、130、155、180、180以上。这些绝缘材料的耐热能力也不是绝对的，只是说如果在高于此温度下运行时，绝缘材料易老化。另外，变压器油也是起绝缘和冷却作用的。(4) 分接开关变压器常利用改变绕组匝数的方法进行调压。为了改变绕组匝数（通常改变高压侧匝数），把绕组分出若干抽头，这些抽头叫做分接头，用以连接及切换分接头的装置叫分接开关，分接开关分为无载调压分接开关和有载调压分接开关。(5) 引线装置引线是指连接各绕组、绕组与套管以及绕组和分接开关的导线。引线要从绕组内部引出来必须要从绕组之间、绕组与铁芯油箱壁之间穿过，因
11、此，必须保证引线对这些部分有足够的绝缘距离。(6) 变压器油箱及附属设备、冷却装置A. 油箱油浸式电力变压器的器身装在充满变压器油的油箱中，油箱用钢板焊接而成，呈椭圆筒状。它的箱壁装有散热器，散热器采用扁管式，与圆管相比，在相同的散热面积下可节省油。B. 冷却装置包括风扇装置和散热器，对强油导向风冷的变压器还包括冷却器和油泵。变压器风扇装在每个散热器的环形空间内的支架上，该风扇主要是由轴流式单级叶轮和专用的户外形三相异步电动机组成，可在周围气温30+40下长期运行。散热器的作用是，当变压器上层油温和下层油温产生温差时通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回到油箱，起到降低变压器温度的作用。为
12、了提高变压器油的冷却效果可采用风冷和强油风冷，对散热器的要求是：变压器散热量小时，采用自然冷却散热器，对要求散热容量大时采用带风扇装置的散热器，散热器都采用扁管式结构。冷却器油泵：对于大容量变压器，为了达到冷却效果，增强油的循环流动，增设油泵，油泵电动机的电压采用交流380V，由双路供电。正常一路为工作电源，另一路为备用电源，当工作电源故障时，备用电源自动投入，而当工作电源恢复时，备用电源自动退出。(7) 变压器保护装置A. 储油柜储油柜又叫油枕，是由钢板作成的圆筒形容器，水平安装在变压器油箱盖上，用弯曲联管与油箱连接，油枕容积一般为变压器所装油量的810%。储油柜采用隔膜式，它是利用柜内隔膜
13、将变压器油和大气隔离，这样可防止油老化和吸收水份，保证变压器油的绝缘强度。储油柜中间装有半圆形橡胶隔膜，隔膜周边均由柜沿上下密封垫压紧，使其隔膜在油面上，并随着油面的上升或下降而上下浮动。在储油柜的右端柜底上方，装有磁针式油位表，油位表连杆可以自由伸缩，连杆端头与隔膜上的支架联在一起，当隔膜上下浮动时，改变连杆运动角度，由传动齿轮和机构来变换油位表指针的指示位置。油位表在最高和最低油位均有报警信号，当储油柜内油位达到最高或最低油位时可自动发出报警，另外通过油位表上的刻度和油温度关系曲线，可查得变压器油的温度。B. 吸湿器吸湿器又叫呼吸器，是供清除和干燥由于变压器油温变化而进入变压器储油柜的空气
14、中的杂物和潮气，以保持变压器油的清洁和绝缘强度。吸湿器主体为一玻璃管，内盛有氯化钴浸渍过的硅胶（变色硅胶）作为吸湿剂，罩中装有变压器油作为杂物过滤剂，当变压器由于负荷或环境温度的变化而使变压器油的体积发生膨胀，迫使储油柜内的气体通过吸湿器产生呼吸，以清除空气中的杂物和潮气保持变压器内油的绝缘强度。变色硅胶在干燥状态下呈兰色，吸收潮气后呈粉红色，此时说明硅胶已失去吸湿效能，必须进行干燥或更换。C. 净油器它是一个充满吸附剂（活性氧化铝或硅胶）的容器，它安装在油浸变压器油箱的侧壁，变压器油箱内的油由于上下层温度的不同，油的本身有对流循环现象，其中流经净油器的油与吸附剂接触时，使油中所带的水分、游离
15、酸和油中的过氧化物都被吸收，使变压器油得到净化从而延长了变压器油的使用期限。D. 气体继电器（瓦斯继电器）气体继电器安装在油箱和储油柜的连管中间，它的作用是当变压器内部发生绝缘击穿、线圈短路以及铁芯烧毁等故障时，给运行人员发出信号或切断电源以保护变压器。另外，利用气体继电器还可以观察分解出气体的颜色及数量，还能取气样。气体继电器主要有三种形式：浮筒式、挡板式及复合式。复合式气体继电器是由开口杯和挡板复合而成的，变压器正常工作时，轻瓦斯部分的开口杯处于上浮状态，干簧接点断开，重瓦斯的挡板在弹簧的保持下处于正常位置，干簧接点断开。当变压器油箱内发生轻微的故障时，因油或绝缘材料的分解而产生的气体聚积
16、在继电器的上部，迫使继电器油面下降，开口杯随之下降，使永久磁铁靠近干簧接点，干簧接点接通，发出轻瓦斯信号，当变压器油箱内发生严重故障时油箱内出现变压器油的浪涌，强大的油流冲击挡板，当油的流速达到整定流速时，就克服了弹簧的反作用力而使挡板倾斜到一定位置，于是固定在挡板上的永久磁铁接近干簧点，使干簧点接通，发出重瓦斯保护的跳闸脉冲。7、8主变采用德国EMB公司生产气体继电器，厂高变及启备变采用沈阳特种继电器厂生产的QJ1G-80A型气体继电器。QJ系列气体继电器采用开口杯和挡板复合而成，开口杯作为轻瓦斯的保护，挡板作为重瓦斯保护。德国EMB公司生产的系列气体继电器采用双浮筒和档板复合而成，上浮筒作为轻瓦斯保
