變壓器的原理及分類

變壓器的原理及分類1、變壓器的原理變壓器是一種通過改變電壓而傳輸交流電能的靜止感應(yīng)電器。它有一個(gè)共用的鐵芯和與其交鏈的幾個(gè)繞組，且它們之間的空間位置不變。當(dāng)某一個(gè)繞組從電源接受交流電能時(shí)，通過電感生磁、磁感生電的電磁感應(yīng)原理改變電壓（電流），在其余繞組上以同一頻率、不同電壓傳輸出交流電能。因此，變壓器的主要結(jié)構(gòu)就是鐵芯和繞組。鐵芯和繞組組裝了絕緣和引線之后組成變壓器的器身。器身一般在油箱或外殼之中，再配置調(diào)壓、冷卻、保護(hù)、測(cè)溫和出線等裝置，就成為變壓器的結(jié)構(gòu)整體。2、變壓器的分類按照單臺(tái)變壓器的相數(shù)來區(qū)分,可以分為三相變壓器和單相變壓器。在三相電力系統(tǒng)中，一般應(yīng)用三相變壓器，當(dāng)容量過大且受運(yùn)輸條件限制時(shí)，在三相電力系統(tǒng)中也可以應(yīng)用三臺(tái)單相式變壓器組成變壓器組。按照繞組的多少來分，可分為雙繞組變壓器和三繞組變壓器。通常的變壓器都為雙繞組變壓器，即在鐵芯上有兩個(gè)繞組，一個(gè)為原繞組，一個(gè)為副繞組。三繞組變壓器為容量較大的變壓器（在5600千伏安以上），用以連接三種不同的電壓輸電線。在特殊的情況下，也有應(yīng)用更多繞組的變壓器。按照結(jié)構(gòu)形式來分類，則可分為鐵芯式變壓器和鐵殼式變壓器。如繞組包在鐵芯外圍則為鐵芯式變壓器；如鐵芯包在繞組外圍則為鐵殼式變壓器。二者不過在結(jié)構(gòu)上稍有不同，在原理上沒有本質(zhì)的區(qū)別。電力變壓器都系鐵芯式。按照絕緣和冷卻條件來分，可分為油浸式變壓器和干式變壓器。為了加強(qiáng)絕緣和冷卻條件，變壓器的鐵芯和繞組都一起浸入灌滿了變壓器油的油箱中。二、油浸式變壓器1、油浸式變壓器的分類目前，在無人值班變電站中用的較多的是油浸式變壓器。最初的變壓器都是空氣冷卻的。后來變壓器的容量越做越大，電壓也逐步提高，用空氣來冷卻和作為絕緣就越來越困難，因此就產(chǎn)生了油浸式變壓器，把變壓器浸在盛于鐵箱中的油內(nèi)。變壓器油是從石油中提煉出來的，有很好的絕緣性能，它除了作為絕緣介質(zhì)外，還作為一個(gè)散熱的煤介。鐵箱除了作為油的容器外，還提供了一個(gè)對(duì)周圍空氣的散熱面。油浸式電力變壓器在運(yùn)行中，繞組和鐵芯的熱量先傳給油，然后通過油傳給冷卻介質(zhì)。油浸式電力變壓器的冷卻方式，按容量的大小，可分為以下幾種：（1）自然油循環(huán)自然冷卻（油浸自冷式）這種冷卻方式的特點(diǎn)就是依靠油箱壁的輻射和變壓器周圍空氣的自然對(duì)流把熱量從油箱的冷卻器表面帶走。一般認(rèn)為，當(dāng)變壓器容量在2500KVA及以下時(shí)，可以采用膨脹式散熱器，變壓器可不裝儲(chǔ)油柜，并可將其設(shè)計(jì)成全密封型，但是，較大容量的變壓器必須人為地增大油箱與空氣接觸的散熱表面。隨著低損耗技術(shù)的發(fā)展，采用油浸自冷式冷卻的容量上限在增加，40000kVA及以下額定容量的變壓器也可選用油浸自冷冷卻方式。這樣的優(yōu)點(diǎn)是不要輔助供風(fēng)扇用的電源，沒有風(fēng)扇所產(chǎn)生的噪聲，散熱器可以直接裝在變壓器油箱上，也可以集中裝在變壓器附近，油浸自冷式變壓器的維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，始終可以在額定容量下運(yùn)行。（2）自然油循環(huán)風(fēng)冷（油浸風(fēng)冷式）通常情況下，當(dāng)變壓器容量在8000KVA及以上、40000KVA及以下時(shí)，可采用管式或片式散熱器，可選用風(fēng)冷冷卻方式，一般在散熱器上加裝風(fēng)扇，因?yàn)楸砻嫔嵯禂?shù)與流體在表面流動(dòng)的速度有關(guān)，在吹風(fēng)之后，對(duì)流部分的散熱系數(shù)將增大好幾倍，大大提高散熱器的冷卻效率。風(fēng)冷式散熱器是利用風(fēng)扇改變進(jìn)入散熱器與流出散熱器的油溫差，提高散熱器的冷卻效率，使散熱器數(shù)量減少，占地面積縮小。但此時(shí)要引入風(fēng)扇的噪聲，風(fēng)扇的輔助電源。停開風(fēng)扇時(shí)可按自冷方式運(yùn)行，但是輸出容量要減少，要降低到三分之二的額定容量。對(duì)管式散熱器而言，每個(gè)散熱器上可裝兩個(gè)風(fēng)扇，對(duì)片式散熱器而言，可用大容量風(fēng)機(jī)集中吹風(fēng)，或一個(gè)風(fēng)扇吹幾組散熱器。對(duì)于油浸自循環(huán)風(fēng)冷變壓器而言，油為自然循環(huán)，其循環(huán)動(dòng)力是溫度差；變壓器的器身(鐵芯及線圈)由于電磁損耗而發(fā)熱，這種熱量由靠近繞組和鐵芯部分的油所吸收;箱底油溫低，頂層油溫高，頂層油與散熱器連通散熱器內(nèi)的油將熱量傳給散熱管或者散熱板片，再傳給空氣，這樣散熱器進(jìn)出口就形成溫度降落(一般為20-30°C)。由溫度降落就形成油的密度變化，冷卻油的密度變大，靠自重而下沉；油箱內(nèi)的油因被器身加熱使油溫升高，密度變小，形成浮升力；這樣油箱內(nèi)的發(fā)熱與油箱外部的空氣靠動(dòng)力循環(huán)，熱空氣被風(fēng)扇吹走，冷空氣隨之補(bǔ)充進(jìn)來形成冷熱空氣交換流動(dòng)，變壓器的熱量不斷地傳給空氣，形成一種動(dòng)態(tài)平衡。維持變壓器各部(鐵芯、繞組、油等)溫升在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍以內(nèi)，從而保障變壓器的壽命。強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻按冷卻器可以分為水冷卻和風(fēng)冷卻。對(duì)于強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻的變壓器，它的油箱上沒有油管或者散熱器，變壓器內(nèi)的油經(jīng)過管道和油泵被打到一個(gè)分開裝置的油冷卻器，油被冷卻后重新回到變壓器內(nèi)。這種冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是：一方面，利用油泵后可以加強(qiáng)變壓器內(nèi)部油的流動(dòng)，降低內(nèi)部繞組對(duì)油的溫升；另一方面，由于去掉了龐大的散熱器，變壓器的安裝面積可以大大縮小，而且散熱器可以安裝在其他合適的地方，這一點(diǎn)對(duì)于巨型水電站的設(shè)計(jì)是很有利的。因?yàn)樗娬镜乃捶奖?，一般采用水冷卻方式。在其他場(chǎng)合也可以用風(fēng)冷，它的結(jié)構(gòu)基本上與裝在變壓器上的冷卻器差不多。強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以一般只用在容量為50000KVA及以上的巨型變壓器上。2、油浸式變壓器主要結(jié)構(gòu)油浸式變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱、油枕、散熱器、套管和分接開關(guān)等組成。鐵芯構(gòu)成了磁路，線圈套在鐵芯上。線圈由導(dǎo)線繞制而成，繞組是指與電源(或負(fù)載)相接的線圈或線圈的組合，即繞組是由線圈所組成的。通常把鐵芯和繞組合在一起稱為變壓器的器身，是變壓器的最基本的組成部分。鐵芯鐵芯是變壓器的磁路部分。運(yùn)行時(shí)因產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗而發(fā)熱。為降低發(fā)熱損耗和減小體積和重量，鐵芯由厚度小于0.35mm，導(dǎo)磁系數(shù)高的冷軋晶粒取向硅鋼片構(gòu)成。依照繞組在鐵芯中的布置方式，有鐵芯式和鐵殼式之分。在大容量的變壓器中，為使鐵芯損耗發(fā)出的熱量能夠被絕緣油在循環(huán)時(shí)充分帶走，以達(dá)到良好的冷卻效果，常在鐵芯中設(shè)有冷卻油道。繞組繞組和鐵芯都是變壓器的核心元件。由于繞組本身有電阻或接頭處有接觸電阻，由I2Rt知要產(chǎn)生熱量。故繞組不能長時(shí)間通過比額定電流高的電流。另外，通過短路電流時(shí)將在繞組上產(chǎn)生很大的電磁力而損壞變壓器。其基本繞組有同心式和交疊式兩種。變壓器繞組主要故障是匝間短路和對(duì)外殼短路。匝間短路主要是由于絕緣老化，或由于變壓器的過負(fù)荷以及穿越性短路時(shí)絕緣受到機(jī)械的損傷而產(chǎn)生的。對(duì)外殼短路的原因也是由于絕緣老化或油受潮、油面下降，或因雷電和操作過電壓而產(chǎn)生的。油箱油浸式變壓器的器身(繞組及鐵芯)都裝在充滿變壓器油的油箱中，油箱用鋼板焊成。中、小型變壓器的油箱由箱殼和箱蓋組成，變壓器的器身放在箱殼內(nèi)，將箱蓋打開就可吊出器身進(jìn)行檢修。油枕油枕又叫油柜，是一種油保護(hù)裝置，它是由鋼板做成的圓桶形容器，水平安裝在變壓器油箱蓋上，用彎曲管與油箱連接。油枕的一端裝有一個(gè)油位計(jì)(油標(biāo)管)，從油位計(jì)中可以監(jiān)視油位的變化。油枕的容積一般為變壓器油箱所裝油體積的8%?10%。當(dāng)變壓器油的體積隨著油的溫度膨脹或縮小時(shí)，油枕起著儲(chǔ)油及補(bǔ)油的作用，從而保證油箱內(nèi)充滿油。同時(shí)由于裝了油枕，使變壓器油縮小了與空氣的接觸面，減少了油的劣化速度。呼吸器又稱吸濕器，通常由一根管道和玻璃容器組成，內(nèi)裝干燥劑(硅膠或活性氧化鋁)。當(dāng)油枕內(nèi)的空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小時(shí)，排出或吸入的空氣都經(jīng)過呼吸器，呼吸器內(nèi)的干燥劑吸收空氣中的水分，對(duì)空氣起過濾作用，從而保持油的清潔。浸有氯化鉆的硅膠，其顆粒在干燥時(shí)是鉆藍(lán)色的，但是隨著硅膠吸收水分接近飽和時(shí)，粒狀硅膠將轉(zhuǎn)變成粉白色或紅色，據(jù)此可判斷硅膠是否已失效。受潮后的硅膠可通過加熱烘干而再生，當(dāng)硅膠顆粒的顏色變成鉆藍(lán)色時(shí)，再生工作就完成了。壓力釋放裝置壓力釋放裝置在保護(hù)電力變壓器方面起著重要作用。充有變壓器油的電力變壓器中，如果內(nèi)部出現(xiàn)故障或短路，電弧放電就會(huì)在瞬間使油汽化，導(dǎo)致油箱內(nèi)壓力極快升高。如果不能盡快釋放該壓力，油箱就會(huì)破裂，將易燃油噴射到很大的區(qū)域內(nèi)，可能引起火災(zāi)，造成更大破壞，因此必須采取措施防止這種情況發(fā)生。壓力釋放裝置有防爆管和壓力釋放器兩種，防爆管用于小型變壓器，壓力釋放器用于大、中型變壓器。散熱器散熱器的形式有瓦楞形、扇形、圓形、排管等，散熱面積越大，散熱的效果就越好。當(dāng)變壓器上層油溫與下部油溫有溫差時(shí)，通過散熱器形成油的對(duì)流，經(jīng)散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器溫度的作用。套管變壓器繞組的引出線從箱內(nèi)穿出油箱引出時(shí)必須經(jīng)過絕緣套管，以使帶電的引線絕緣。絕緣套管主要由中心導(dǎo)電桿和磁套組成。導(dǎo)電桿在油箱內(nèi)的一端與繞組連接，在外面的一端與外線路連接。絕緣套管的結(jié)構(gòu)主要取決于電壓等級(jí)。電壓低的一般采用簡(jiǎn)單的實(shí)心磁套管。電壓較高時(shí)，為了加強(qiáng)絕緣能力，在瓷套和導(dǎo)電桿間留有一道充油層，這種套管稱為充油套管。分接開關(guān)分接開關(guān)是調(diào)整變壓比的裝置。雙繞組變壓器的一次繞組及三繞組變壓器的一、二次繞組一般有3、5、7個(gè)或19個(gè)分接頭位置，分接頭的中間分頭為額定電壓的位置。3個(gè)分接頭的相鄰分頭電壓相差5%，多個(gè)分頭的相鄰分頭電壓相差2.5%或1.25%。操作部分裝于變壓器頂部，經(jīng)傳動(dòng)桿伸入變壓器的油箱。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要，按照指示的標(biāo)記來選擇分接頭的位置。變壓器的高壓裝置分為無載調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種。無載分接開關(guān)，是在不帶電情況下切換，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。有載分接開關(guān)，是在不停電情況下切換，在帶負(fù)荷下進(jìn)行，故在電力系統(tǒng)中被廣泛采用。3、油浸式變壓器正常使用條件：海拔不超過1000m戶內(nèi)或戶外；最高環(huán)境氣溫+40°C，最高日平均溫度+30^；最高年平均溫度+20C，最低氣溫-25C。根據(jù)用戶要求可提供在特殊使用條件下運(yùn)行的變壓器4、油浸式變壓器性能特點(diǎn)油浸式變壓器低壓繞組除小容量采用銅導(dǎo)線以外，一般都采用銅箔繞抽的圓筒式結(jié)構(gòu)；高壓繞組采用多層圓筒式結(jié)構(gòu)，使之繞組的安匝分布平衡，漏磁小，機(jī)械強(qiáng)度高，抗短路能力強(qiáng)。鐵芯和繞組各自采用了緊固措施，器身高、低壓引線等緊固部分都帶自鎖防松螺母，采用了不吊芯結(jié)構(gòu)，能承受運(yùn)輸?shù)念嵳?。線圈和鐵芯采用真空干燥，變壓器油采用真空濾油和注油的工藝，使變壓器內(nèi)部的潮氣降至最低。儲(chǔ)油柜具有呼吸功能來補(bǔ)償因溫度變化而引起油的體積變化，并與外界隔離，這樣就有效地防止了氧氣、水份的進(jìn)入而導(dǎo)致絕緣性能的下降。5、油浸式變壓器的油系統(tǒng)油浸式變壓器有幾個(gè)互相隔離的獨(dú)立油系統(tǒng)。在油浸式變壓器運(yùn)行時(shí)，這些獨(dú)立油系統(tǒng)內(nèi)的油是互不相通的，油質(zhì)與運(yùn)行工況也不相同，要分別做油中含氣色譜分析以判斷有無潛在故障。(1)主體內(nèi)油系統(tǒng)：與繞組周圍的油相通的油系統(tǒng)都是主體內(nèi)系統(tǒng)，包括冷卻器或散熱器內(nèi)的油，儲(chǔ)油柜內(nèi)的油，35kV及以下注油式套管內(nèi)油。注油時(shí)必須將這個(gè)油系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的氣體放氣塞放出。一般而言，上述部件都應(yīng)有各自的放氣塞。主體內(nèi)油主要起絕緣與冷卻作用。油還可增加絕緣紙或絕緣紙板的電氣強(qiáng)度。在真空注油時(shí)，如有些部件不能承受與主體油箱能承受的相同真空強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)用臨時(shí)閘隔離，如儲(chǔ)油柜與主油箱間的閘閥。冷卻器上潛油泵揚(yáng)程要夠，以免由于負(fù)壓而吸入空氣。這個(gè)油系統(tǒng)要有釋壓裝置的保護(hù)系統(tǒng)，以排除器身有故障時(shí)所產(chǎn)生的壓力。有載分接開關(guān)切換開關(guān)室內(nèi)的油：這部分油有本身的保護(hù)系統(tǒng)，即流動(dòng)繼電器、儲(chǔ)油柜、壓力釋放閥。這個(gè)開關(guān)室內(nèi)的油起絕緣與熄滅電流作用。油會(huì)在切換開關(guān)切斷負(fù)載電流時(shí)產(chǎn)生的油中去，這個(gè)油系統(tǒng)要良好的密封性能，即使在切換過程中產(chǎn)生電弧壓力也要保護(hù)密封性能。有載分接開關(guān)切換開關(guān)室內(nèi)的油雖與主體內(nèi)油隔離，但在真空注油時(shí)，為避免破壞切換開關(guān)室的密封，應(yīng)與主體內(nèi)油同時(shí)真空注油，在真空注油時(shí)，使這兩個(gè)系統(tǒng)具有相同的真空度，必要時(shí)也應(yīng)將這個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)油柜在抽真空時(shí)隔離。為結(jié)構(gòu)上方便，主體的儲(chǔ)油與切換開關(guān)室的儲(chǔ)油柜設(shè)計(jì)成一互相隔離的整體。60kV及以上電壓等級(jí)的全密封。這個(gè)油系統(tǒng)內(nèi)的主要起絕緣作用，或增加油電容式套管內(nèi)絕緣紙的電氣強(qiáng)度。在主體內(nèi)注油時(shí)，應(yīng)將套管端部接線端子密封好，以免進(jìn)氣。高壓出線箱內(nèi)油、或電氣出線箱內(nèi)油：三相500kV變壓器的高壓出線通過波紋絕緣隔離油系統(tǒng)。這個(gè)油系統(tǒng)主要起絕緣作用。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，這個(gè)油系統(tǒng)也可通過連管與主體內(nèi)油系統(tǒng)相聯(lián)或設(shè)計(jì)成單獨(dú)的油系統(tǒng)。在對(duì)油浸式變壓器進(jìn)行各種絕緣試驗(yàn)時(shí)，首先是放氣，通過放氣塞釋放可能存儲(chǔ)的氣體?？赏ㄟ^分析各個(gè)系統(tǒng)的油中含氣色譜分析可預(yù)判有無潛在故障。每一油系統(tǒng)都要滿足運(yùn)行的要求，如吸收油膨脹與收縮