設備課件二第三章變壓器變壓器：是一種靜止的電機，它利用電磁感應原理將一種電壓、電流的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。換句話說，變壓器就是實現電能在不同等級之間進行轉換。

一、工作原理：

1、空載運行的物理現象：

1）空載運行：是指變壓器原繞組接到額定電壓、額定頻率的電源上，副繞組開路時的運行狀態。2）物理現象：主磁通：漏磁通：主磁通和漏磁通在性質上的不同：1）由于鐵磁材料有飽和現象，所以主磁路的磁阻不是常數，主磁通與建立它的電流之間呈非線性關系。而漏磁通的磁路大部分是非鐵磁材料組成，所以漏磁路的磁阻基本上是常數，漏磁通與產生它的電流呈線性關系2）主磁通在原、副繞組中均感應電動勢，當副方接上負載時便有電功率向負載輸出，故主磁通起傳遞能量的作用。而漏磁通僅在原繞組中感應電動勢，不能傳遞能量，僅起壓降作用。因此，在分析變壓器和交流電機時常將主磁通和漏磁通分開處理。2、正方向的規定：從理論上講，正方向可以任意選擇，因各物理量的變化規律是一定的，并不依正方向的選擇不同而改變。但正方向規定不同，列出的電磁方程式和繪制的相量圖也不同。在電機方向的學科中通常按習慣方式規定正方向，稱為慣例。具體原則如下：1）在負載支路，電流的正方向與電壓降的正方向一致，而在電源支路，電流的正方向與電動勢的正方向一致2）磁通的正方向與產生它的電流的正方向符合右手螺旋定則3）感應電動勢的正方向與產生它的磁通的正方向符合右手螺旋定則電壓u1,u2的正方向表示電位降低，電動勢e1,e2的正方向表示電位升高。在原方，u1由首端指向末端，I1從首端流入。當U1與I1同時為正或同時為負時，表示電功率從原方輸入，稱為電動機慣例。在副方，U2和I2的正方向是由e2的正方向決定的，即I2沿e2的正方向流出。當u2和I2同時為正或同時為負時，電功率從副方輸出，稱為發電機慣例。

3、空載時的電磁關系：1）電動勢與磁通的關系：假定主磁通按正弦規律變化，即

Φ=Φmsinωt

根據根據電磁感應定律和對正方向規定，一、二次繞組中感應電動勢的瞬時值為：式中：注意：從上面的表達式中我們可以看出，電動勢總是滯后與產生他的磁通90。2）電動勢平衡方程式：根據對正方向的規定，可以得到空載時電動勢平衡方程式：將漏感電動勢寫成壓降的形式：式中Z1=R1+1σ——原繞組的漏阻抗。對于電力變壓器，空載時原繞組的漏阻抗壓降I0Z1很小，其數值不超過U1的0.2%，將I0Z1忽略，則上式變成：在副方，由于電流為零，則副方的感應電動勢等于副方的空載電壓，即：

4、變壓器的變比：在變壓器中，原、副繞組的感應電動勢E1和E2之比稱為變壓器的變比，用表示，即：上式表明，變壓器的變比等于原、副繞組的匝數比。當變壓器空載運行時，由于U1≈E1，U20≈E2，故可近似地用空載運行時原、副方的電壓比來作為變壓器的變比，即二、變壓器的分類：

變壓器的種類很多，可按其用途、結構、相數、冷卻方式等不同來進行分類。1.按用途分類，可分為電力變壓器（主要用在輸配電系統中，又分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯絡變壓器和廠用變壓器）、儀用互感器（電壓互感器和電流互感器）、特種變壓器（如調壓變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器等）。

2.按繞組數目分類:可分為雙繞組變壓器,三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器。3.按鐵心結構分類，有心式變壓器和殼式變壓器。4.按相數分類，有單相變壓器、三相變壓器和多相變壓器。5.按冷卻介質和冷卻方式分類，可分為油浸式變壓器（包括油浸自冷式、油浸風冷式、油浸強迫油循環式）、干式變壓器、充氣式變壓器。

6.按調壓方式分類：無激磁調壓和有載調壓變壓器。7.按中性點絕緣方式分類：全絕緣變壓器和分級絕緣變壓器。8.電力變壓器按容量大小通常分為小型變壓器（容量為10～630kVA）、中型變壓器（容量為800～6300kVA）、大型變壓器（容量為8000～63000kVA）和特大型變壓器（容量在90000kVA及以上）。三、變壓器的技術參數：技術參數是表征變壓器的特性和工作性能，也是生產、使用、詢價和訂貨的主要依據。額定值是制造廠對變壓器在指定工作條件下運行時所規定的一些量值。額定值通常標注在變壓器的銘牌上。變壓器的額定值參數主要有：1.額定容量SN額定容量是指額定運行時能保證長期輸出的容量。以kVA表示。由于變壓器的效率很高，通常一、二次側的額定容量設計成相等。2.額定電壓U2N和U2N

正常運行時規定加在一次側的端電壓稱為變壓器一次側的額定電壓U2N。二次側的額定電壓U2N

是指變壓器一次側加額定電壓時二次側的空載電壓。額定電壓以V或kV表示。對三相變壓器，額定電壓是指線電壓。

3.額定電流I2N和I2N根據額定容量和額定電壓計算出的線電流，稱為額定電流，以A表示。對單相變壓器對三相變壓器4.額定頻率fN

5.空載電流I0%空載電流指變壓器在額定電壓下空載運行時，一次側通過的電流。(不是指剛合閘瞬間的激磁涌流峰值，而是指合閘后的穩態電流)。空載電流常用其與額定電流比值的百分數表示即6.負荷損耗PK（短路損耗或銅損）負載損耗是指當一次側加電壓而另一側短接，使電流為額定電流時（對三繞組變壓器，第三個繞組應開路），變壓器從電源吸取的有功功率。按規定負荷損耗應是折算到參考（75℃）下的數值。因測量時實為短路狀態，所以又稱短路損耗。短路狀態下，使短路電流達到額定值的電壓很低，表明鐵芯中的磁通量很少，鐵損很小，可略去不計，故可認為短路損耗就是變壓器中的銅損耗。7.阻抗電壓百分數uk%變壓器阻抗電壓百分數是通過短路試驗測得。即將變壓器二次繞組短路，使一次側電壓逐漸升高，當二次繞組的二次繞組的短路電流達到額定值時，此時一次側電壓與額定電壓比值百分數。8.繞組絕緣水平變壓器繞組的全絕緣是指各繞組的所有出線端都具有相同的對地工頻耐受電壓的繞組絕緣水平。變壓器繞組的分級絕緣是指繞組接地端或繞組的中性點絕緣水平較出線端為低的繞組絕緣水平。9.變壓器的接線組別接線組別表明變壓器各側線電壓的相位關系，將三相變壓器的接線分為若干組，稱為接線組別。常用的有Y，ynl2、Y，dll、0一YN，d12，dll。

1.1變壓器的基本結構和分類一、變壓器的基本結構：

電力變壓器的基本構成部分有：鐵心、繞組、絕緣套管、油箱及其他附件等，其中鐵心和繞組是變壓器的主要部件，稱為器身。圖1-2是油浸式電力變壓器的結構圖。四、變壓器的結構：1、鐵心和繞組：變壓器中最主要的部件，他們構成了變壓器的器身。1）鐵心：構成了變壓器的磁路，同時又是套裝繞組的骨架。鐵心由鐵心柱和鐵軛兩部分構成。鐵心柱上套繞組，鐵軛將鐵心柱連接起來形成閉合磁路。鐵心材料：為了提高磁路的導磁性能，減少鐵心中的磁滯、渦流損耗，鐵心一般用鐵芯是用導磁性能很好和導電性能較差的高磁導率的磁性材料——硅鋼片疊成。硅鋼片有熱軋和冷軋兩種，其厚度為0.35～0.5mm，兩面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片與片之間絕緣。

硅鋼片的拼接基本上均采用全斜接縫，其空載電流百分比和空載損耗百分比均較低。 鐵心緊固裝置的結構應考慮零序磁通可能引起的過熱情況。為改善鐵心的性能，應采用優質低耗、晶粒取向的冷軋硅鋼片，裝配時用均勻的壓力壓緊整個鐵心，變壓器鐵心應不會由于運輸和運行的振動而松動，鐵心級間迭片應有適當的油道以利冷卻。

鐵心型式：變壓器鐵心的結構有芯式、殼式和漸開線式等形式。殼式結構的特點是鐵心包圍繞組的頂面、底面和側面。芯式結構的特點是鐵心柱被繞組包圍。殼式結構的機械強度較好，但制造復雜，

單相三相三相殼式變壓器1—鐵芯柱2—鐵軛3—線圈單相三相三相芯式變壓器1—鐵芯柱2—鐵軛3—線圈（2）繞組：繞組是變壓器的電路部分，它由銅或鋁絕緣導線繞制而成。

一次繞組（原繞組）：輸入電能二次繞組（副繞組）：輸出電能他們通常套裝在同一個心柱上，一次和二次繞組具有不同的匝數，通過電磁感應作用，一次繞組的電能就可傳遞到二次繞組，且使一、二次繞組具有不同的電壓和電流。其中，兩個繞組中，電壓較高的我們稱為高壓繞組，相應的電壓較低的稱為低壓繞組。從高、低壓繞組的相對位置來看，變壓器的繞組又可分為同心式、交迭式。由于同心式繞組結構簡單，制造方便，所以，國產的均采用這種結構，交疊式主要用于特種變壓器中。繞組的分類：繞組按繞組數可分為雙繞組和三繞組兩種。繞組按放置位置分為同心式和交疊式兩種。繞組按繞制方法可分為圓筒式、螺旋式、連續式和糾結式等。圓筒形繞組：外形呈圓筒形，它是用扁線為線匝彼此靠著繞成內螺旋體，一般有雙層和單層繞制，這種型式的繞組與冷卻介質的接觸面積最大，因此冷卻效果較好，，但由于層間電壓電壓較高和機械強度較低，一般用于每柱容量不大于200ｋＶＡ，電壓為35ＫＶ及以下變壓器的高低壓繞組中．螺旋式繞組：容量稍大些的變壓器，其低壓繞組有時匝數很少（２０－－３０匝以下），電流卻很大，因此要求線匝的橫截面很大，一般用多根導線并聯繞制，不宜采用圓筒形繞法，所有在并聯導線數目較多時采用螺旋式繞制方法．其特點是每餅一匝，比較適合在大電流的繞組中使用，它可以用數根甚至數十根扁導線并繞，因此機械強度高，由于它可以每隔一匝放一個油道，因此散熱條件較好．螺旋式繞組又分為以下幾種：半螺旋繞組（只有一個支路，匝間由薄紙板與油隙交替放置）單螺旋繞組：（每隔一匝放一個油道，只有一個支路）雙螺旋繞組（具有兩個并聯支路，每個支路構成單獨的合并）雙半螺旋繞組（結構與雙螺旋繞組相同，區別在于其中一半油道用紙圈代替，交替放置）四螺旋繞組（它由四個并聯支路組成兩組，一般這兩組的始末叉開180°引出，常用于大電流內線柱低壓繞組中）導線換位：由于螺旋繞組用很大扁線繞制，在漏磁場作用下，導線會產生附加銅耗，導線的截面積越大，附加銅耗的增加越顯著．為了減少這些附加銅耗，故必須在繞制過程中進行導線換位，以求得每根導線長度和徑向位置排列上的一致，即均勻分布換位和半數線匝換位．連續式繞組：可用單根導線和多根導線并聯繞制，一般并聯根數最多不超過6根，它是沒有焊接頭的，其特點是繞組機械強度較高，散熱條件好,如果導線截面較大時，可以用幾根并聯繞制，并邊繞制邊換位．糾結式繞組：由于繞組存在匝間、餅間及對地電容，繞組在過電壓的作用下沿繞組的電壓分布很不均勻，個別線段對地以及相鄰線段間的電壓往往等于正常電壓的數倍．因此相間的絕緣受到嚴重威脅．采用糾結式可以改善繞組中匝間，餅間及對地電容的分布，從而達到在過電壓作用下沿繞組高度電壓分布接近均勻．繞組的沖擊特性得到顯著改善．一般有全糾結（整個繞組從繞制開始到最后全部采用糾結式）和部分糾結（采用糾結和連續式相結合的工藝，通常在高壓繞組的出線端和中性點（全絕緣結構）兩處的幾個線餅繞成糾結式，而其他線餅則繞成連續式．3.油箱、儲油柜及安全裝置（1）油箱油箱是油浸式變壓器的外殼，大都采用一般碳素鋼，器身就放置在此油箱中內，箱內灌滿了變壓器油。變壓器油起兩方面作用：一方面作為絕緣介質起絕緣作用。另一方面作為散熱媒介，即通過變壓器油的循環，將繞組中產生的熱量帶給箱壁式散熱器，冷卻器進行冷卻。油箱頂部應帶有斜坡，以便泄水和將氣體積聚通向氣體繼電器。油箱頂部的所有開孔均應有凸起的法蘭盤。凡可產生窩氣之處都應在其最高點設置放氣塞，并連接至公用管道以將氣體匯集通向氣體繼電器。高、中壓套管升高座應增設一根集氣管連接至油箱與氣體繼電器間的連管上。通向氣體繼電器的管道應有1.5%的坡度。氣體繼電器應裝有防雨措施，并將采氣管引至地面。（2）儲油柜為了防止絕緣油直接與空氣接觸，避免絕緣油吸收空氣中的氧和水分，使變壓器的絕緣與油始終保持良好的絕緣性能，延長使用壽命。因此，在大中型變壓器中均不采用預留空間的方法。容量在100KVA及以上的變壓器，在箱蓋上另裝一只儲油柜，用于調節油的膨脹和收縮，可以使油與空氣的接觸面積大大減少。同時油面能隨著溫度的變化自由地升降。儲油柜的容積，一般為總油量的10%左右。變壓器裝置儲油柜后，大大縮小了油與空氣的接觸面降低了浸泡在油中的纖維老化速度，但尚有安全氣道的油面和儲油柜的油面與空氣直接接觸，尤其是大型變壓器的儲油柜油面與空氣的接觸面還是相當大。為了防止和延緩油的老化，安全氣道可以改用壓力釋放閥，而儲油柜采用膠囊密封的辦法來減少油與大氣的接觸面積。一般有用膠囊袋密封和膠囊膜密封兩種方式。（3）油位計油位計是用來指示變壓器內部油位高低的指示器，目前使用的有玻璃油位計、磁鐵式油表和磁針式油表等。1）玻璃油位器油表裝在儲油柜的一個端面，圖中油表8采用小膠囊袋密封，自成油循環系統。在運行中可以看到油位的變化，油表上畫有三條溫度線，分別為環境溫度在-30℃、+20℃、+40℃時的正常油面高度。2）磁鐵式油表，當變壓器油隨溫度變化而儲油柜油面升降時，玻璃浮子13也隨著升降，通過連桿使永久磁鐵B轉動。由于永久磁鐵的相互作用，永久磁鐵A也轉動，從而帶動指針也轉動，指針所指表盤上的刻度，即反映了油面在儲油柜中的位置。3）磁針式油表如圖所示，油位表安裝在儲油柜的上部，為便于現場能方便的直讀，表面向下俯20°角，密封隔膜是該油位表面感受元件，浮在油面上的隔膜，隨著變壓器油面的升降，膨脹和起落而帶動連桿齒輪轉動，指示出油位來，當轉至限位角度時，使報警電路導通，發出報警信號。

（4）吸濕器為防止儲油柜內的變壓器油或膠囊密封上部空氣與大氣直接接觸，所以儲油柜內的空氣是經過一個吸濕器（也稱呼吸器）與外界空氣相連通的。如圖所示。通常在小罐內放入氯化鈷浸漬過的變色硅膠作為吸潮劑，它在干燥情況下呈蘭色，吸收潮氣后漸漸變為粉紅色，此時即說明硅膠已失去效能。已失效的硅膠經140℃烘干8h后即可繼續使用。吸潮劑也可采用氯化鈣等其他吸潮物質。

（5）凈油器凈油器是用來改善運行中絕緣油的性能防止絕緣油繼續絕緣老化的裝置。它是一個充有吸附劑（除酸硅膠或活性氧化鋁）的金屬容器。變壓器油流經吸附劑時，油中水分，游離酸和各種氧化物，都被吸附劑所吸收，使油得到連續的再生，使油質能長時間保持在合格狀態。如果壓力釋放器與全密封式儲油柜配合使用時，可以不裝凈油器。常用的凈油器有：溫差環流法凈油器和強制環流法凈油器等。（6）安全裝置變壓器安全裝置主要是指安全氣道（防爆管）和壓力釋放器。它們的作用都是當變壓器發生內部故障時，變壓器產生大量氣體，使變壓器內部壓力驟然猛增能有一個排氣泄壓處，以避免變壓器箱殼因受高壓而爆裂的裝置。當油箱內的壓力降低或恢復到正常值后，閥蓋自動復位，使箱內的變壓器油與外部空氣隔絕。壓力釋放器動作后，圓盤中心部位的標志桿會被頂出，突出于圓盤平面，表示釋放器已動作，標志桿必須手動復歸。另外，釋放器動作后，，由傳動機構推動出線盒內的微動開關，使微動開關的動斷觸點打開，動合觸點閉合，接通變壓器斷路器的跳閘回路（或發出信號）。釋壓器動作后該微動開關也必須復位，可用手去扳動扳手，使之復位，保證下次釋壓器動作時能報警。4.變壓器絕緣套管變壓器的絕緣套管是用于將變壓器內部的高、低壓引線引到油箱的外部，不但是作為引線對地絕緣的部件，而且擔負固定引線的作用。因此，必須具有制造標準中規定的電氣強度和足夠的機械強度。同時變壓器套管又是載流元件之一，在變壓器運行中，長期通過負荷電流，而且短路時還將通過短路電流。因此，必須具有良好的熱穩定性、動穩定性。還應滿足外形小、質量輕、通用性強、密封性能好和便于維護檢修等方面的要求。所有電容式套管均有一個電容試驗抽頭，高、中壓套管可采用導桿式結構，避免發生將軍帽密封不良導致破壞變壓器密封等問題，套管本體應絕對密封，可采用導桿式結構，并備有油位指示器，能在地面上清晰地看清油位。套管應具有過負荷能力。每只套管配有一個平板形端子，大小尺寸應滿足電流密度的要求。端子板應能圍繞套管導桿旋轉。對每個套管的端子板，制造廠應提供配套的鋁合金壓接式線夾以連接鋼芯鋁絞線，端子板與線夾，如采用不同金屬接觸，為防止電化腐蝕，制造廠應采取金屬覆層或其它措施。套管應具有足夠的內外絕緣水平，并密封良好。5.冷卻系統為了保證變壓器的散熱良好，必須采用一定的冷卻方式將變壓器運行中產生的熱量帶走。當變壓器的上層油溫與下層油溫產生溫差時，通過散熱器產生油的循環，使油經散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器溫度的作用。為提高變壓器油冷卻的效果，變壓器采用的的冷卻方式有自然冷卻、自然油循環風冷和強迫油循環風冷或水冷等，為了適應不同負荷、不同運行環境等情況，一臺變壓器可同時具有多種冷卻方式。常見的有：自然冷卻100％容量；自然冷卻67％及以上容量，自然油循環風冷100％容量；自然冷卻60％容量，自然油循環風冷80％容量，強油循環風冷100％容量；無自然冷卻能力,強迫油循環風冷或水冷100％容量。考慮到變壓器運行維護的簡化，110（66）kV～220kV變壓器一般采用自然或自然油循環風冷冷卻方式，220kV～500（330）kV采用以上一種、兩種或三種冷卻方式。對于具有多種冷卻方式的變壓器，應根據負荷和油溫，制定安全和合理的冷卻系統的控制策略，并在控制回路中予以實現。6.變壓器絕緣結構變壓器的絕緣結構是變壓器設計和制造工藝中的最重要部分，也是產品質量好壞的一項關鍵的性能指標。變壓器的絕緣分主絕緣和縱向絕緣兩大部分。主絕緣是指繞組對鐵芯（地）和繞組與繞組間（相間）、引出線處、繞組中性點、分接斷路器以及同一相而不同電壓等級之間的絕緣，以及變壓器的外部絕緣（絕緣套管對地、不同相絕緣套管之間）。。主絕緣是指繞組對地之間、相間和同一相而不同電壓等級的繞組之間的絕緣，主絕緣主要采用油一隔板絕緣結構，這種結構通常采用加覆蓋層、包絕緣層及隔板油隙形成；縱向絕緣是指同一電壓等級的一個繞組，其不同部位之間（如層間、匝間、繞組與靜電屏之間）的絕緣。7.氣體繼電器氣體繼電器也稱瓦斯繼電器，是變壓器的主要保護裝置,裝在變壓器的油箱和儲油柜的連接管上。（1）浮子式氣體繼電器浮子式氣體繼電器是比較老式的，它的結構如圖所示。容器1的兩端有法蘭6、7，法蘭6通過管道與變壓器的箱蓋接通，法蘭7一般還經過一只蝶形閥，其用途是在氣體繼電器需要拆下檢修時，可以先將此蝶形閥關閉，以使儲油柜內的油不致流出，然后將變壓器內的油放去少許后即可將氣體繼電器拆下。在容器1的上部和下部各有一個帶水銀接點的玻璃泡2和3（即浮子），它們都可以在圖所示的位置以其小的一端為支點而自由轉動。由于在正常運行時，氣體繼電器整個容器內是充滿著油的，所以上觸點玻璃泡2保持為水平狀態，下觸點玻璃泡3是在垂直狀態，即圖中實線所示的位置，它們的水銀觸點均用軟導線引向頂蓋8上面的接線板，以便與外部的控制電纜連接。當變壓器內部緩慢的有不正常的氣體發生時，如當變壓器任何一部分因過熱而使絕緣損壞產生某些氣體分解物時，氣體首先上升到變壓器箱殼的頂部，然后沿著管道流向氣體繼電器，由于氣體發生的比較緩慢，所以氣體開始積聚在容器1的上部，從而迫使容器內的油面逐漸降低，玻璃泡2也就隨之漸漸的下降，當下降到一定位置（氣體積聚到150—300cm3），如圖中虛線所示的位置時玻璃泡2內的水銀觸點即閉合，接通發信回路發出信號，使值班人員得知變壓器內有異常情況發生。當變壓器內部發生嚴重故障時，有大量氣體突然發生，強烈的油流便會急促地涌現氣體繼電器，沖動玻璃泡3傾斜到如圖中虛線所示的位置時，它的水銀觸點即閉合，接通變壓器的跳閘回路，將故障的變壓器從系統中切除。氣體繼電器的側面有玻璃視察窗（圖中未畫出），在其上面還刻有表示氣體容積的刻度。當運行中有少量氣體積聚時可以從視察窗內觀察到，同時還可以看到氣體的顏色，以便大概了解氣體是由何處發生的。如淺色和黃色的氣體，大多數是纖維質的絕緣損壞所產生的；黑色的氣體，為變壓器油質損壞所產生的。繼電器內積聚的氣體，還可通過頂蓋上的閥門4取樣，進行氣體分析；當氣體需要排出時，也可通過閥門4來完成，如新注油的變壓器，在投入運行的初期，往往會有少量的氣泡自油內跑出來，積聚在氣體繼電器的上部，到達一定數量時，即需將此氣體放出。否則會使上觸點動作，誤發信號。容器底部閥門5，是為取油樣等用的。(2)擋板式氣體繼電器擋板式氣體繼電器是比較新型的，它比浮子式氣體繼電器動作更為可靠。新生產的變壓器，大多數都以采用這種型式的氣體繼電器，擋板式氣體繼電器內部構造的原理如圖所示。它的安裝方式與浮子式氣體繼電器完全一樣，即利用法蘭將氣體繼電器安裝在儲油柜與變壓器箱蓋的連管之間，在運行時氣體繼電器的容器內也全部充滿著變壓器油。圖中上半部所示的為上觸點部件；下半部所示為下觸點部件，1為上觸點重錘，它固定連接在上轉軸3上，2為一只開口油杯，它也固定的連接在上轉軸3上，油杯2的側面固定著磁鐵4，從圖所示的結構可知，轉軸的一側為平衡錘，另一側為油杯，哪一側的質量