搜索
第二章变电站一次主设备变电站中凡直接用来接受与分配电能以及与改变电能电压相关的所有设备，均称为一次设备或主设备。由于大都承受高电压，故也多属高压电器或设备。它们包括主变压器、断路器、隔离刀闸、母线、互感器、电抗器、补偿电容器、避雷器以及进出变电所的输配电线路等。由一次设备连接成的系统称电气一次系统或电气主接线系统。第一节电力变压器变压器是一种静止的电气设备，属于一种旋转速度为零的电机。电力变压器在系统中工作时，可将电能由它的一次侧经电磁能量的转换传输到二次侧，同时根据输配电的需要将电压升高或降低。故它在电能的生产输送和分配使用的全过程中，作用十分重要。整个电力系统中，变压器的容量通常约为发电机容量的3倍以上。变压器在变换电压时，是在同一频率下使其二次侧与一次侧具有不同的电压和电流。由于能量守恒，其二次侧与一次侧的电流与电压的变化是相反的，即要使某一侧电路的电压升高时，则该侧的电流就必然减小。变压器并不是也决不能将电能的“量”变大或变小。在电力的转换过程中，因变压器本身要消耗一定能量，所以输入变压器的总能量应等于输出的能量加上变压器工作时本身消耗的能量。由于变压器无旋转部分，工作时无机械损耗，且新产品在设计、结构和工艺等方面采取了众多节能措施，故其工作效率很高。通常，中小型变压器的效率不低于95%，大容量变压器的效率则可达80%以上。一、电力变压器分类及工作原理（一）电力变压器的分类根据电力变压器的用途和结构等特点可分如下几类：（1）按用途分有：升压变压器（使电力从低压升为高压，然后经输电线路向远方输送）；降压变压器（使电力从高压降为低压，再由配电线路对近处或较近处负荷供电）。（2）按相数分有：单相变压器；三相变压器。（3）按绕组分有：单绕组变压器（为两级电压的自耦变压器）；双绕组变压器；三绕组变压器。（4）按绕组材料分有：铜线变压器；铝线变压器。（5）按调压方式分有：无载调压变压器；有载调压变压器。（6）按冷却介质和冷却方式分有：1）油浸式变压器。冷却方式一般为自然冷却，风冷却（在散热器上安装风扇），强迫风冷却（在前者基础上还装有潜油泵，以促进油循环）。此外，大型变压器还有采用强迫油循环风冷却、强迫油循环水冷却等。2）干式变压器。绕组置于气体中（空气或六氟化硫气体），或是浇注环氧树脂绝缘。它们大多在部分配电网内用作配电变压器。目前已可制造到35KV级，其应用前景很广。（二）变压器的工作原理变压器是基于电磁感应原理而工作的。正是因为它的工作原理以及工作时内部的电磁过程与电机（发电机和电动机）完全相同，故将它划为电机一类，仅是旋转速度为零（即静止）而已。变压器本体主要由绕组和铁心组成。工作时，绕组是“电”的通路，而铁心则是“磁”的通路，且起绕组骨架的作用。一次侧输入电能后，因其交变故在铁心内产生了交变的磁场（即由电能变成磁场能）；由于匝链（穿透），二次绕组的磁力线在不断地交替变化，所以感应出二次电动势，当外电路沟通时，则产生了感生电流，向外输出电能（即由磁场能又转变成电能）。这种“电—磁—电”的转换过程是建立在电磁感应原理基础上而实现的，这种能量转换过程也就是变压器的工作过程。下面再由理论分析及公式推导来进一步加以说明：见图2－2，在单相变压器的原理图中，闭合的铁心上绕有两个互相绝缘的绕组。其中接入电源的一侧叫一次绕组，输出电能的一侧叫二次绕组。当交流电源电压U1加到一次绕组后，就有交流电流I1通过该绕组并在铁心中产生交变磁通φm。这个交变磁通不仅穿过一次绕组，同时也穿过二次绕组，两个绕组中将分别产生感应电势E1和E2。这时若二次绕组与外电路的负载接通，便会有电流I2流入负载，即二次绕组就有电能输出。图2－2根据电磁感应定律可以导出：一次绕组感应电动势值E1＝4.44fN1BmS*10-4二次绕组感应电动势值E2＝4.44fN2BmS*10-4式中f——电源频率（Hz），工频为50Hz；N1――一次侧绕组匝数（匝）；N2——二次侧绕组匝数（匝）；Bm——铁心中磁通密度的最大值（T）；S———铁心截面积（cm2）。由上两式可以得出E1/E2=N1/N2足见，变压器一、二次侧感应电动势之比等于一、二次侧绕组匝数之比。由于变压器一、二次侧的漏电抗和电阻都比较小.可忽略不计，故可近似地认为：E1=U1,E2=U2.于是有U1/U2≈E1/E2=N1/N2＝K式中K———变压器的变压比。变压器一、二次绕组的匝数不同，将会导致一、二次绕组的电压高低不等。显然，匝数多的一边电压高，匝数少的一边电压低。这就是变压器之所以能够改变电压的道理。在一、二次绕组电流I1、I2的作用下，铁心中总的磁势为I1N1＋I2N2＝IoN1式中Io———变压器的空载励磁电流。由于Io比较小（通常不超过额定电流的3%-5%），在数值上可忽略不计，故上式可演变为I1N1＋I2N2＝IoN1≈0进而可推得：I1N1＝－I2N2I2/I1=N1/N2＝K可见，变压器一、二次电流之比与一、二次绕组的匝数成反比。即绕组匝数多的一侧电流小，匝数少的一侧电流大；也就是电压高的一侧电流小，电压低的一侧电流大。二、变压器结构与器身构造电力变压器的基本结构是由铁心、绕组、带电部分和不带电的绝缘部分所组成，为使变压器能安全可靠地运行，还需要油箱、冷却装置、保护装置及出线装置等。其结构组成见图2-3如下：图2－3铁心和绕组（及其绝缘与引线）合称变压器本体或器身，它是变压器的核心也是最基本的组成部分，见图2－4。以下简述电力变压器各组成主要部分的构造及作用。图2－4（一）铁心按铁心型式，变压器可分为内铁式（又称心式）和外铁式（又称壳式）两种。内铁式变压器的绕组包围着铁心，外铁式变压器则是铁心包围着绕组。套绕组的部分称铁心柱，连接铁心柱的部分叫铁轭。大容量变压器为了减低高度、便于运输，常采用三相五柱铁心结构。这时铁轭截面可以减小，因而铁心柱高度也可降低。1.铁心材料变压器使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片。由于变压器铁心内的磁通是交变的，故会产生磁滞损耗和涡流损耗。为了减少这些损耗，变压器铁心一般用含硅5％厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲剪后叠成，硅钢片的两面涂有绝缘用的硅钢片漆（厚）并经过烘烤。变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000。2.铁心装配铁心有两种装配方法即叠装和对装。对装法虽方便，但它会使变压器的激磁电流增大，机械强度也不好，一般已不采用。叠装法是把铁心柱和铁轭的钢片分层变错叠置，每一层的接缝都被邻层的钢片盖上，这种方法装配的铁心其空气隙较小。这种接缝叫作直接缝，适用于热轧硅钢片。3.铁心的接地为防止变压器在运行或试验时，由于静电感应在铁心或其它金属构件上产生悬浮电位而造成对地放电，铁心及其所有构件，除穿心螺杆外都必须可靠接地。由于铁心叠片间的绝缘电阻较小，一片叠片接地即可认为所有叠片均已接地。铁心叠片只允许有一点接地。如果有两点或两点以上接地，则接地点之间可能会形成闭合回路。当主磁通穿过此闭合回路时，就会在其中产生循环电流，造成局部过热事故。（二）绕组绕制变压器通常用的材料有漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。绕组是变压器的电路部分，通常采用绝缘铜线或铝线绕制而成，匝数多者称为高压绕组，匝数少者称为低压绕组。按高压绕组和低压绕组相互间排列位置的不同，可分为同心式和交叠式两种。1.同心式绕组它是把一次、二次绕组分别绕成直径不同的圆筒形线圈套装在铁心柱上，高、低压绕组之间用绝缘纸筒相互隔开。为了便于绝缘和高压绕组抽引线头，一般是将高压绕组放在外面。同心式绕组结构简单，绕制方便，故被广泛采用。按照绕制方法的不同，同心式绕组又可分为圆筒式、螺旋式、连续式和纠结式等几种。2.交叠式绕组它是把一次、二次绕组按一定的交替次序套装在铁心柱上。这种绕组的高、低压绕组之间间隙较多。因此绝缘较复杂、包扎工作量较大。其优点是机械性能较高，引出线的布置和焊接比较方便，漏电抗也较小，故常用于低电压、大电流的变压器（如电炉变压器、电焊变压器等）。（三）绝缘1.绝缘等级绝缘材料按其耐热程度可分为7个等级，它们的最高允许温度也各不相同。一般情况下，所有绝缘材料应能在耐热等级规定的温度下长期（指15－20年）工作，保证电机或电器的绝缘性能可靠并在运行中不会出现故障。各级绝缘材料通常有：Y级绝缘材料：棉纱、天然丝、再生纤维素为基础的纱织品，纤维素的纸、纸板、木质板等。A级绝缘材料：经耐温达的液体绝缘材料浸渍过的棉纱、天然丝、再生纤维素等制成的纺织品、浸渍过的纸、纸板、木质板等。E级绝缘材料：聚脂薄膜及其纤维等。B级绝缘材料：以云母片和粉云母纸为基础的材料。F级绝缘材料：玻璃丝和石棉及以其为基础的层压制品。H级绝缘材料：玻璃丝布和玻璃漆管浸以耐热的有机硅漆。C级绝缘材料：玻璃、电瓷、石英等。纯净的变压器油的抗电强度可达200-250KV/cm比空气的高4-7倍。因此用变压器油作绝缘可以大大缩小变压器体积。此外，油具有较高的比热和较好的流动性，依靠对流作用可以散热，即具有冷却作用。2.绝缘结构变压器的绝缘分为外绝缘和内绝缘两种：外绝缘指的是油箱外部的绝缘，主要是一次、二次绕组引出线的瓷套管，它构成了相与相之间和相对地的绝缘；内绝缘指的是油箱内部的绝缘，主要是绕组绝缘和内部引线的绝缘以及分接开关的绝缘等.绕组绝缘又可分为主绝缘和纵绝缘两种。主绝缘指的是绕组与绕组之间、绕组与铁心及油箱之间的绝缘；纵绝缘指的是同一绕组匝间以及层间的绝缘。（四）引线及调压装置1.引线引线是指连接各绕组、连接绕组与套管，以及连接绕组与分接开关的导线。引线要从绕组内部引出来，必然要从绕组之间、绕组与铁心油箱壁之间穿过。因此必须保证引线对这些部分有足够的绝缘距离，如要缩小这些距离则引线的绝缘厚度应当增加。不使沿着包扎绝缘的交接处发生沿面放电，交接处应做成圆锥面，以加长沿面放电的路径。引线如遇到尖角电极（如铁轭的螺钉），除保持一定的绝缘距离外，为改善引线和尖角电极间的电场，可以采用金属屏蔽使电场比较均匀。2.调压装置电压是电能质量指标之一，其变动范围一般不得超过额定电压值的±5%。为了保证电压波动能在一定范围内，就必须进行调压。采用改变变压器的匝数进行调压就是一种方法。为了改变绕组匝数（一般是高压侧的匝数），常把绕组引出若干个抽头，这些抽头叫作分接头。当用分接开关切换到不同的抽头时，便接入了不同的匝数。这种调压方式又分无激磁（无载）调压和有载调压两种。无激磁调压是指切换分接头时，必须在变压器不带电的情况下进行切换。切换用的开关称为无激磁分接开关（双台，卜庄还有两台）；有载调压就是用有载分接开关，在保证不切断负载电流的情况下由一个分接头切换到另一个分接头。2.1有载调压有载调压可分为平滑调压和有级调压两种。平滑调压可将电压进行大幅度连续调节，但材料消耗多、效率低，容量只能做到几十或至多几百KVA，大多用在电工试验和科学实验方面。分级有载调压就是从变压器绕组中引出若干分接头，通过有载分接开关，在保证不切负载电流的情况下，由一个分接头“切换”到另一分接头，以变换绕组的有效匝数。采用这种调压方式的变压器，材料消耗量少、变压器体积增加不多，可以制成很高的电压和大的容量。切换过程需要过渡电路，过渡电路有电抗式和电阻式两种。电抗式有载分接开关因体积大、消耗材料多，触头烧蚀严重已不再生产。这里主要介绍电阻式。电阻式的特点是过渡时间较短、循环电流的功率因数为1，切换开关电弧触头的电寿命可由电抗式的1万～2万次提高到10万～20万次。但由于电阻是短时工作的，操作机构一经操作便必须连续完成。倘若由于机构不可靠而中断、停留在过渡位置，将会使电阻烧损而造成事故。如果选用设计合理的机构和优质材料，这个问题是可以解决的。简单的有载调压原理电路如图2－5所示。在图2－5a中，分接开关的两个