电力变压器

电力变压器•主讲：梁宏志电力变压器•作为电压变换设备，变压器被广泛应用于输电和配电领域，特别是10kV（6kV）和35kV电压等级的变压器，在电力、工业和商业配电系统中被普遍使用，且数量巨大。1999年，我国年产变压器约33.8万台，其中10kV（6kV）和35kV级约31.3万台，占92.6％。据估计，目前在电网上运行的10kV（6kV）和35kV级变压器约有10亿kVA以上。一、变压器的基本原理•变压器是电力系统的重要元件，是变电站的核心设备。电力变压器是一种静止的电气设备，利用电磁感应原理，将一种交流电转变为另一种或几种频率相同、大小不同的交流电，起传输电能改变电压的作用。变压器的基本原理当变压器的一次绕组接通交流电源时，在绕组中就会有交变的电流通过，并在铁心中产生交变的磁通，该交变磁通与一次、二次绕组交链，在它们中都会感应出交变的感应电动势。二次绕组有了感应电动势，如果接上负载，便可以向负载供电，传输电能，实现了能量从一次侧到二次侧的传递。变压器的基本原理•当变压器的一次绕组接通交流电源时，在绕组中就会有交变的电流通过，并在铁心中产生交变的磁通，该交变磁通与一次、二次绕组交链，在它们中都会感应出交变的感应电动势。二次绕组有了感应电动势，如果接上负载，便可以向负载供电，传输电能，实现了能量从一次侧到二次侧的传递变压器的基本原理（理论推导）•当一次绕组接交流电压后，电流i0,该电流在铁心中产生一个交变的主磁通Φ。•Ф在两个绕组中分别产生感应电势e1和e2e1=-N1dФ/dt=N1Фmωcosωt=-N1Фmωsin(ωt-90°)=E1msin(ωt－90°)•E1m=N1Фmω（最大值）E1=E1m/sqrt(2)=2πfN1Фm/1.414=4.44fN1Φm•这就是电机学最重要的4.44公式。说明感应电势E1与磁通Φm/频率f/绕组匝数N成正比。变压器的基本原理（理论推导）•同样可以推出e2和e1σ的公式：•e2=E2msin(ωt-90°)E2m=N2ΦmωE2=4.44fN2Φm•e1σ=-N1dΦ1σ/dt•=N1Φ1σmωsin(ωt-90°)•E1σm=N1Φ1σmω•E1σ=4.44fN1Φ1σm变压器的基本原理（理论推导）•由于变压器的电阻压降和漏抗压降都很小。所以U1≈-E1=4.44fN1Φm，可见变压器的磁通主要由电源电压U1/频率f/和1次侧绕组的匝数N1决定。在设计时，若电压U1和频率f给定，则变压器磁通由匝数N1决定。对于制成运行的变压器，其磁通Φ可以由电压U1和频率f控制。•同理：U2≈-E2=4.44fN2Φm变压器的基本原理（理论推导）E1/E2=(4.44fN1Φm)/(4.44fN2Φm)=N1/N2=k即：变比k等于匝数比，也就是说变压器的电压比与其绕组的匝数成正比。•由于变压器是传输电能的设备，本身消耗的功率比较小，其一次侧的容量近似等于二次侧的容量.•S1=U1I1≈S2=U2I2即：U1I1≈U2I2•I1/I2≈U2/U1≈N2/N1即：变压器的电流比与其绕组的匝数成反比。•可见：变压器高压侧电流小，低压侧电流大。二、变压器分类•按相数的不同：单相变压器、三相变压器•按绕组数目不同双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器等•按冷却方式不同：油浸式自冷变压器、油浸式风冷变压器、油浸式水冷变压器、强迫油循环风冷变压器、干式变压器等•按用途不同：电力变压器（升压变压器、降压变压器、配电变压器等）特种变压器（电炉变压器、整流变压器、电焊变压器等）仪用互感器（电压互感器和电流互感器）和试验用的高压变压器三、变压器的型号及主要参数•变压器的型号：•S表示三相、D表示单相；•L表示铝绕组、Z表示有载调压、F表示风冷、G表示干式；•铜绕组、无载调压、自然冷却、油浸式不表示。设计序号高压边额定电压（KV）额定容量（KVA）铝线三相SL7—200／6变压器的主要参数•变压器的额定值在额定条件下运行时的最大负荷功率。一般：不大于630kVA为小型变压器;800—6300kVA为中型变压器；8000—63000kVA为大型变压器;不小于90000kVA为特大型变压器。分为一次和二次电压。一般为：400V、3kV、6kV、10kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV电压等级。分接头用±2×2.5%，±5%等表示。额定电流I1N／I2N是指变压器允许长期通过的电流，（线电流）单位是A。额定电流可以由额定容量和额定电压计算。额定频率f我国规定标准工业用交流电的额定频率为50Hz变压器的主要参数•空载试验：测定电压变比k，空载电流I0和空载损耗p0变压器的空载损耗主要为铁耗，是由励磁电流所引起的功率损耗，可分为涡流和磁滞损耗，大致与电压的平方成正比。空载电流I0基本上是变压器的励磁电流，中小型一般为2～8%，大型的小于1%。变压器的主要参数•短路试验：测定短路电压Uk、短路功率（即短路损耗）•短路负载损耗主要为铜耗(铝线变压器称之为铝耗)。•铜耗指绕组电流引起的欧姆电阻损耗，大致与电流的平方成正比。主要参数:阻抗电压•阻抗电压：短路电压Uk的实际值和额定电压U1N的比值的百分数称为阻抗电压uk。•uk=(Uk/U1N)*100%•阻抗电压uk是变压器的重要参数，其大小主要取决于变压器的设计尺寸。uk的选择涉及到变压器成本/效率/电压稳定性/短路电流大小等等因素。•正常运行时，希望uk小些，使得端电压随负载波动较小。但发生突然短路时，希望uk大些以降低短路电流。主要参数:阻抗电压•变压器阻抗电压值大致范围•额定电压（KV）：6103566110220•阻抗电压（%）4-5.54-5.56.5-87-510.512-14.2•表6-2双绕组变压器阻抗电压值（IEC）•额定容量（KVA）:•630630-12501250-31503150-63006301-1250012501-25000Uk%:4.05.06.257.158.3510.0四、变压器的结构1一信号式温度计；2一吸湿器；3一储油柜；4一油标；5一安全气道；6一气体继电器；7一高压套管；8一低压套管；9一分接开关；10一油箱；11—铁心；12—线圈；13—放油阀门变压器的结构变压器的主要部件是绕组和铁心(器身)。绕组是变压器的电路，铁心是变压器的磁路。二者构成变压器的核心即电磁部分。除了电磁部分还有包括油箱、储油柜、分接开关、安全气道、气体继电器、绝缘套管、净油器等附件。其作用是保证变压器安全和可靠运行。变压器的结构器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。•变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油主要作用：①在变压器绕组与绕组、绕组与铁心及油箱之间起绝缘作用。②变压器油受热后产生对流，对变压器铁心和绕组起散热作用。③变压器内部发生放电故障时起灭弧作用。油箱有许多散热油管，以增大散热面积。•为了加快散热，大型变压器采用内部油泵强迫油循环，外部用变压器风扇吹风或用自来水冲淋变压器油箱。这些都是变压器的冷却装置。变压器的结构：铁芯材料铁心一般由0.35~0.5mm厚的硅钢片叠装而成。硅钢片的两面涂以绝缘漆，使片间绝缘，以减小涡流损耗。组成铁心柱：作用是套装绕组铁轭：作用是连接铁心柱，使磁路闭和。铁心的分类心式结构壳式结构变压器的结构：绕组•材料：一般用绝缘扁铜线或圆铜线在绕线模上绕制而成。绕组套装在变压器铁心柱上，低压绕组在内层，高压绕组套装在低压绕组外层。•装配方式同心式交叠式绕组变压器的附件故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体继电器发出报警信号或切断电源。•如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。变压器的附件：呼吸器•变压器油枕内的绝缘油通过呼吸器与大气连通，装在呼吸器内的硅胶可以吸收来自空气中的水分和杂质，以保证变压器内绝缘油的良好的绝缘性。那呼吸器内的硅胶在干燥情况下是白色或浅兰色，在吸潮达到饱和状态时呈淡红色。变压器的附件：气体继电器•当变压器内部出现匝间短路，绝缘损坏，接触不良，铁芯多点接地等故障时，都将产生大量的热能，使油分解出可燃性气体，向储油柜方向流动。当流速超过气体继电器的整定值时，气体继电器的档板受到冲击，使继电器跳闸，从而避免事故扩大，这种情况通常称之为重瓦斯保护动作。当气体沿油面上升，聚集在气体继电器内超过30ml时，也可使气体继电器的信号接点接通，发出警报，发生轻瓦斯保护。通过对变压器故障进行分析，找出气体继电器动作的原因，针对不同的原因可以判断出变压器发出故障的性质和部位，进行有效的修理，尽快恢复正常运行。变压器的附件：分接开关•一般小型变压器，多属于无载调压，共有3个档位，通过改变分接开关的触点位置改变变压器的匝数，从而改变输出电压。输出电压低时，把分接开关位置由Ⅱ档调整到Ⅲ档。当输出电压高时，把分接开关位置由Ⅱ档调整到Ⅰ档。•调整好档位后，用直流电桥测各相绕组直流电阻，看各相之间电阻是否平衡。若各相之间电阻差大于2％，可能是档位的动静触头接触不好或没有调好档位位置，必须重新调整。五、变压器的安装•安装前对变压器进行外观检查。核对变压器的产品型号、容量、电压、联结组别、短路阻抗等与设计是否相符。•安装前对变压器进行外观检查。查看变压器在运输过程中有无损伤；有无渗漏油痕迹，油位油色是否正常；零、附件是否损伤和位移；紧固件是否松动；绝缘有否破损等。1、室内变压器的安装•油浸电力变压器室应采用一级耐火等级建筑，对不易取得钢材和水泥的地区，可以采用独立的三级耐火等级建筑。容量在100kVA以上的油浸电力变压器应安装在单独的变压器室内。室门用非燃材料制成（木门应包铁皮）向外开启，室内应有良好的通风，且室内温度勿超过45℃。若室温过高，可使用机械通风。通风装置应设网格不大于10毫米x10毫米的铁丝网或百叶窗并有防止小动物以及雨、雪侵入的措施。室内变压器的安装•变压器采用自然通风时，变压器室地面应高出室外地面1.1m。•变压器防爆筒前方不得有可燃物。•民用建筑的第一层内可设置油浸电力变压器室，但不应设在经常有积水的场所和厕所、浴室的下面。这时，一个变压器室内只能设一台油浸电力变压器，且其容量不应超过400kVA。室内变压器的安装•油浸电力变压器的安装应略倾斜1%--1.5%的坡度（油枕一方略高），以便油箱内产生的气体能顺利进入气体继电器。•变压器油量超过600kg时应设专门的贮油坑，坑内应能容纳100%的油，坑内铺以25cm以上的鹅卵石，一旦起火，可将油放入坑内并能将油排放致安全处，防止爆炸和扩散。室内变压器的安装•配电变压器的低压绕组中性点、外壳及避雷器三者公用接地必须完好。•电气连线连接完好，铜、铝导体连接采用铜铝过渡线夹或线鼻子。•低压出线母线支架高度不应小于2.3m.2、室外变压器的安装•室外变压器的安装有地上安装、台上安装、柱上安装三种方式。容量在315kVA以上的不宜柱上安装。•室内安装的有关要求也适用室外安装。•高低压过引线已采用绝缘导线。•柱上安装的变压器距地面高度不应小于2.5m；裸导体距地面高度不应小于3.5m。•变压器台高度不应低于0.5m,围栏高度不应低于1.7m，且有“止步，高压危险！”警示标志。六、变压器的运行•1、变压器运行中的巡视检查•(1)检查变压器上层油温是否超过允许范围。由于每台变压器负荷大小、冷却条件及季节不同，运行中的变压器不能仅以上层油温不超过85℃为依据，还应根据以往运行经验及在上述情况下与上次的油温比较。如油温突然增高，则应检查冷却装置是否正常，油循环是否破坏等。•(2)检查油质，应为透明、微带黄色。油面应符合周围温度的标准线，如油面过低应检查变压器是否漏油等。油面过高应检查冷却装置的使用情况，是否有内部故障。变压器的运行•(3)变压器的声音应正常。正常运行时一般有均匀的嗡嗡电磁声。如声音有所改变，应细心检查，并迅速汇报值班调度员并请检修单位处理。•(4)应检查套管是否清洁，有无裂纹和放电痕迹，冷却装置应正常等。•(5)天气变化时