(完整版)电力变压器

电力变压器

一、电力变压器的结构组成

电力变压器的主要结构是由铁芯、绕组、油箱、附件等这几部分组成。其中铁芯和绕组装在一起构成的整体叫器身。在当今市场中，运用高端技术造就的复杂结构的变压器具有容量大、电压高、重量受到严格限制等优点，这是设计师在数年成功制造电力变压器积累了丰富经验的基础上，对那些不合理的落后的结构进行了改进同时采用新型技术的结晶，使得现在的变压器在结构上更加趋于合理，经济，耐用。

1.电力变压器各部分的结构组成：

（1）铁芯

铁芯是电力变压器的磁路部分，也是器身的骨架，由铁芯柱（柱上套装绕组）、铁轭（连接铁芯以形成闭合磁路）组成。为了减小涡流和磁滞损耗，提高磁路的导磁性，铁芯采用0.35mm～0.5mm厚的硅钢片涂绝缘漆后交错叠成。小型变压器铁芯截面为矩形或方形，大型变压器铁芯截面为阶梯形，这是为了充分利用空间。

为缩短绝缘距离，降低局部放电量，在铁芯外面置一层由金属膜复合纸条黏制而成的金属围屏。金属膜本身厚度很薄，宽度也仅有50mm而已，因此，一方面不会在自身中形成较大的涡流，另一方面对铁芯的尖角产生了较好的屏蔽作用。与此同时，在铁芯的旁轭内侧也置有金属膜围屏，用以保护高压线圈。

夹件则多采用大板式腹板和鱼刺状支板结构，这在很大程度上降低了金属构件垂直线圈顶部的漏磁面积。再配上纸板结构，将大大降低杂散损耗。线圈引线的引出结构也在不断被简化，不仅省去了夹件加强板，还方便中低压引线的排布，从而可将强油导向循环的导油管和下夹件连为一体。这也促进了杂散损耗值的降低，对大型电力变压器来讲意义更为重大。因为杂散损耗在变压器总损耗中所占比例会随着容量的增大而增大。因此，有效提高了线圈的电流密度，减轻电力变压器的重量。

上铁轭下部用楔形绝缘撑紧，进一步加强器身短路的机械强度；下铁轭垫块分块制造分块安装，在器身装配完成以后，仍能方便地固定在铁轭上均匀分布的夹紧钢带螺栓。

铁芯油道共4层，为提高散热效率，使用6mm厚纸板直接黏在铁芯片上，并在铁芯每隔100mm放置一层0.5mm的纸板，防止铁芯片的相对滑动。

（2）绕组

绕组是电力变压器的电路部分，采用绝缘铜线或铝线绕制而成，一般有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈（或原绕组），其余的绕组叫次级线圈（或副绕组），原、副绕组同心套在铁芯柱上。为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕组在外，但大容量的低压大电流变压器，考虑到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压绕组的外面。线圈以及匝绝缘高压线圈使用高密度的电缆纸包导线：中压线圈和低压线圈分别采用绝缘强度较好的高密度电缆纸包换位导线、丹尼森纸包换位导线。线圈配置了内外导向隔板，目的是提升油的冷却效率。高压线圈的两端以及中压线圈的首端都安装了30mm厚、馒头状均压环，这极大地改善了端部的电场分布。并且所有的线圈端部出头和第二饼之间都垫有扇形绝缘块，加强出线端部的绝缘效果。

（3）油箱

油箱是装器身和变压器油的，它保护铁芯和绕组不受潮，又有绝缘和散热的作用。电力变压器运行时器身发出的热量由变压器油传给油箱壁和箱体外侧的散热管（片）。为了便于散热，有的箱壁上焊有散热管。变压器油的作用是绝缘和冷却。为了减轻油箱重量以及节省钢材和变压器油，在保证符合绝缘距离的条件下，上节油箱采用梯形，下节为梯形适形油箱。

电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它承担着电压变换，电能分配和传输，并提供电力服务。变压器作为电力系统的一个重要设备，一旦发生故障，将直接影响供电。发生严重故障的情况下甚至会造成除维修费用之外的重大经济损失。因此，变压器的正常运行是对电力系统安全、可靠、优质、经济运行的重要保证，必须最大限度地防止和减少变压器故障和事故的发生。但由于变压器长期运行，故障和事故总不可能完全避免，且引发故障和事故又出于众多方面的原因。如外力的破坏和影响，不可抗拒的自然灾害，安装、检修、维护中存在的问题和制造过程中遗留的设备缺陷等事故隐患，特别是电力变压器长期运行后造成的绝缘老化、材质劣化及预期寿命的影响，已成为发生故障的主要因素。

2.电力变压器的分类

电力变压器类型较多，可按电力变压器的相数、调压方式、绕组形式、绕组绝缘及冷却方式、连接组标号等进行分类。

电力变压器按相数可分为单相和三相两种。

电力变压器按调压方式可分为有无载调压和有载调压两种。

电力变压器按绕组形式可分为双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器。

电力变压器按绕组绝缘及冷却方式分，有油浸式、干式和充气式(SF6)等。油浸式变压器的冷却方式有自冷式、风冷式、水冷式和强迫油循环冷却方式等。干式变压器的冷却方式有自冷式和风冷式两种，采用风冷式可提高干式变压器的过载能力。

配电变压器按连接组标号分，常见的有Yyn0和Dyn11两种。Dyn11变压器相对于Yyn0变压器具有以下优点：

（1）低压侧单相接地短路电流大，有利于低压侧单相接地短路故障的切除。

（2）承受单相不平衡负荷的负载能力强。

（3）高压侧三角形接线有利于抑制3n次谐波电流注入电网。所以，在TN 及TT系统接地形式的低压电网中，Dyn11变压器得到越来越广泛的应用。另外，考虑到防雷方面的要求，对多雷地区及土壤电阻率较高的地区，宜选用Yzn11型变压器。

电力变压器的基本结构，包括铁心和一、二次绕组两大部分。新型的S11-M.R 三相卷铁心全密封配电变压器在结构和材料上有较大改进，其主要特点是其铁心由晶态取向优质冷轧硅钢片卷制经退火而成，减少了传统铁心的接缝气隙，噪声明显下降，其空载损耗比S9型产品平均下降30%。

3.变压器常见故障

（1）响声异常

若变压器响声大而嘈杂，则需要检查铁芯是否出现问题。比如压紧铁芯的螺丝发生松动，而仪表的指示却正常，绝缘油的温度、颜色等属性亦无变化，此时就要停止运行，细致地检查变压器的夹件或压紧铁芯的螺丝。

若能听到水沸腾的声音，可能绕组发生了严重的故障，导致其周围的零件发热，使油发生气化；可能是分接开关接触不良，局部过热；也可能是变压器发生了砸间短路。这种情况下，应该立即停止运行变压器，进行检修。

若听到放电的声音，很可能是器身或者套管表面局部放电。倘若是套管发生了问题，夜间还可见蓝紫色小火花。此时，停止运行，清理套管表面污渍，并涂上硅油硅脂涂料。

若夹杂爆炸声，可能是器身绝缘被击穿，需要立即停止运行，检查维修。

如果响声中夹杂连续规律性的摩擦或撞击声，就要检查变压器铁芯部件是否发生振动，是否是静电放电的结果。此类响声虽然危害不大，但要及时排除。

（2）温度异常

若变压器在大致相同的负荷、散热条件和环境温度下温度异常升高，就需要及时采取措施降温。温度异常诱因有多种，常见如下：长期超负荷运行；散热条件恶化；铁芯局部发生短路；漏磁或涡流导致；变压器内部故障等等。

（3）放电故障

放电故障类型大致有3种：火花放电、局部放电、高能量放电。火花放电因为油中掺有杂质；局部放电情况比较复杂；高能量放电常在绕组匝间层绝缘被击穿时发生。

（4）发生短路

变压器短路故障的情况比较常见，包括变压器出口短路、内部引线或者绕组间对地短路等。

（5）绝缘故障

绝缘条件是变压器正常工作的基本条件。当其处于工作状态，随着电流的增加变压器线圈温度上升，直接导致绝缘材料变得脆弱，迅速老化直至出现裂纹，引起变压器匝短路。

二、电力变压器状态检修

1.状态检修简介

设备状态检修是根据先进的状态监视和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，在故障发生前进行检修的方式，即根据设备的健康状态来安排检修计划，实施设备检修。

2.变压器缺陷特性分析

一般情况下，变压器的故障或缺陷在新安装投运期间由于安装质量方面的问题、设备本身存在的薄弱环节、设计和工艺等方面的缺陷等，在投运开始的一段

时间内暴露的问题比较多，而随着消缺后运行时间的增长近于平缓，运行一定时间后，随着设备陈旧老化，逐步暴露的缺陷又开始增加，缺陷与时间的关系类似于一条浴盆曲线。

而经常性的定期检修使变压器运行浴盆曲线规律发生变化，可能反而会增加设备发生故障的几率，有人认为两次检修之间不应发生故障，这种说法完全忽略了检修本身可能引发变压器故障的各种原因，如工作人员的责任心、技术水平、工艺质量控制、零配件的特性等等，经验表明，往往严把检修质量关，变压器因检修的故障仍会频繁发生。因此，需要尽量减少无必要的检修安排。

3.电力变压器状态检修简介

变压器状态检修遵循的原则：保证设备的安全运行。总体规划，分步实施，先行试点，逐步推进。充分运用现有的技术手段，适当配置监测设备。

状态检修的核心包括两个方面，一是维修时机，即维修周期；一是检修方案，即如何实施维修或进行何种类别的维修。这样就通过设备状态评分的高低来指导设备检修。针对电网的设备绝缘情况，由电气设备绝缘状况来决定、指导状态检修。

4.变压器状态检修的主要技术内容及需注意问题

状态检修技术的内容涉及较多，主要包括复杂大系统可靠性评价、先进的传感技术、信息采集处理技术、干扰抑制技术、模式识别技术、故障严重性分析、寿命估计等领域。

开展状态检修需要观念更新，加强管理，综合考虑经济性，考虑技术先进性和成熟性，提高人员素质。

维修策略的更新进步是历史的必然，且随着传感技术、信息技术、计算机技术的发展，过去做不到的方法、技术，如今有了可能，但具体到工作中，不能采取一刀切，要结合工作经验全面分析哪些策略最有效，既提高了运行可靠性，又获得了更高的经济和社会效益。

5.变压器故障类型及原因

由于变压器故障涉及面较广，具体类型的划分方式较多，如从回路划分主要有电路故障、磁路故障和油路故障。若从变压器的主体结构划分，可分为绕组故障、铁芯故障、油质故障和附件故障。习惯上对变压器故障的类型一般是根据常

见的故障易发区位划分，如绝缘故障、铁芯故障、分接开关故障等。同时还存在变压器渗漏故障、油流带电故障、保护误动作故障等等。所有这些不同类型的故障，有的可能反映的是热故障，有的可能反映的是电故障，有的可能既反映过热故障同时又存在放电故障，而变压器渗漏故障在一般情况下可能不存在热或电故障的特征。因此，很难以某一范畴规范划分变压器故障的类型。

油浸电力变压器的故障常被分为内部故障和外部故障两种。内部故障为变压器油箱内发生的各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发生的相间短路、绕组的线匝之间发生的匝间短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。外部故障为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套管闪络或破碎而发生的接地短路，引出线之间发生相间故障等而引起变压器内部故障或绕组变形等。变压器的内部故障从性质上一般又分为热故障和电故障两大类。热故障通常为变压器内部过热、温度升高。电故障通常指变压器内部在高电场强度的作用下，造成绝缘性能下降或劣化的故障。

变压器故障原因大致可分为以下几类。

5.1选用规格不当

（1）变压器绝缘等级选择错误。

（2）所选的电压等级、电压分接头不当。

（3）容量太小。

（4）所选规格不能满足环境条件要求（盐雾、有害气体、温度、湿度）。

（5）存在有未预计到的特殊使用条件（例如有脉冲状异常电压或短路频率高等）。

5.2安装不良和保护设备选用不当

（1）安装不良。

（2）避雷器选用不当。

（3）保护继电器、断路器不完善。

5.3异常电压

（1）长期自然老化。

（2）自然灾害或外界物件的影响。

6.变压器的主要检测诊断项目

油中溶解气体的色谱分析、绕组直流电组、绕组绝缘电组、吸收比、极化指数、绕组的介质损耗测量、交流耐压试验、测量泄漏电流、红外热图像诊断技术。

三、电力变压器经济运行

1.变压器的有功功率和无功功率损耗

变压器在变换电压及传递功率的过程中，自身将会产生有功功率损耗和无功功率损耗。变压器的有功功率由两部分组成：一部分是铁芯产生的有功损耗—铁损，另外一部分是变压器一、二次绕组中的电阻产生的有功损耗—铜损。只要外加的电压和频率不变，铁损就不变，与变压器负载大小无关。铁损大小可由空载试验得到。铜损与变压器的负载率平方成正比，其大小也可以通过变压器短路试验确定。变压器的无功损耗也由两部分组成：一部分是用来产生主磁通，也就是用来产生励磁电流和空载电流的，它与变压器负载大小无关；另外一部分无功损耗是消耗在变压器一、二次绕组的漏电抗上，它与变压器的负载率平方成正比。

变压器综合功率损耗是变压器有功功率损失和因其消耗的无功功率使电网增加的有功功率损耗之和。它反映了电力系统总体最佳节电方法，是既考虑有功电量节约，又考虑无功电量节约的综合最佳。

2.针对变压器损耗应采取的措施

2.1 减少变压器空载损耗

（1）选择节能型配电变压器

应积极推广应用S11系列和非晶体合金变压器，坚决淘汰更换64、73及S7系列等高耗能配电变压器。节能型变压器在制造铁芯的硅钢片、铁芯的制造工艺上都有较大的改进——这有利于减小变压的空载功率损耗。特别是变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料如2605S2，非晶合金铁芯变压器已得到实际应用，其铁损仅为硅钢变压器的1/5，使变压器空载损耗大幅度降低。

（2）合理选择变压器容量

在实际应用中，为保证配电线路的安全性，往往根据一年中最大负荷量及线路上所有用电设备都同时满负荷运转来选择变压器容量，使得变压器在非用电高峰时期及日常正常运转时，负载率均很低，配变负载率小于30％，“大马拉小车”的状况，使空载损耗居高不下。同样地，如果变压器容量小，超载、重载也

将影响变压器负载损耗增加。因此应根据线路实际运行情况，合理选择变压器容量，或选择两台小容量变压器在用电高峰期时全部投运，而在负荷率低时为“开一备一”工作方式。

2.2 减少变压器负载损耗

（1）提高变压器负载率

单从变压器节能情况来看，利用率在50％～70％间为变压器有功损失率最低、节能情况最好的情况。我们称它为最佳负荷率m β。但如果以此来计算变压器容量，必将造成容量过大，使用户初期投资大量增加。这时我们引入变压器的年有功电能损耗率最小时的节能负荷率j β计算变压器容量，由此进一步分析我们可以得到：

()()m b b o j T PKZ ZT P βτβτ*==2121

b T ：变压器年投运时间，一般选择7500h 。

τ：年最大负荷损耗时间，可由年最大负荷利用时数Tm 查Tm-τ关系曲线。根据负荷的性质一般2300-4500h 之间选取。

因此可以得到：()m j ββ8.13.1-=

对于二班制运行特点的高层建筑中的配电变压器，按j β计算出的容量还是偏大，必将增加用户的一次性投资。于是我们选择经济负荷率jj β＝(1～1.3)j β，这样我们既能进一步节省一次性投资，又能使电能损耗小。由以上分析我们可以得出在选择变压器容量时，我们一般考虑变压器的负载率为75％～85％。这样既考虑到节能，又综合考虑初装费、变压器、低压柜、土建的投资及各项运行费用，以及其使用期内预留适当的容量。

（2）提高配电网功率因数

配电网功率因数降低之后，如果无功损耗得不到及时、合理补偿，必将对变压器带来许多不良后果，使其容量不能得到充分利用、有功功率损耗增加、造成配电网电压下降继而影响其正常运行等等。

因此应在配电网中装设无功补偿设备，监视系统的无功潮流，减少无功电能输送，尽量使无功就地平衡；其方式应做到：集中补偿与分散补偿相结合，以分

散补偿为主；高压补偿与低压补偿相结合，以低压补偿为主；调压与降损相结合，以降损为主。对无功补偿设备进行定期巡视检查，发现问题及时处理，确保设备可投运率达95%及以上，减少供电线路中的有功功率和电能损耗，并降低线路中的电压损失与电压波动，以达到节约电能和提高供电质量的目的。

（3）优化配电网布局

使变压器靠近负荷中心，线路由电源向周围辐射，缩短供电半径：10kV线路供电半径≤15km；低压线路供电半径≤0.5km。同时尽量保证三相变压器负荷平衡，减少负序电压损耗。