变压器基本工作原理

变压器1－高压套管；2－高压中性套管；3－低压套管；4－分接头切换操作器；5－名牌；6－油枕；7－冷却器风扇；8－油泵；9－油温指示器；10－绕组温度指示器；11－油位计；12－压力释放装置；13－油流指示器；14－气体（瓦斯）继电器；15－人孔；16－干燥和过滤阀；17－真空阀一、变压器的基本工作原理变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它的构成原则是：有两个或两个以上互相绝缘的线圈（构成电路）套在一个共同的铁芯柱上（构成磁路），线圈之间一般仅有磁的耦合，而无任何电的联系（在电路上不联系）Ｕ1／Ｕ2＝ｎ1／ｎ2=K（变压比Ｕ1／Ｕ2＝ｎ1／ｎ2=K（变压比）二、变压器的技术参数变压器的技术参数有额定容量SN、额定电压UN、额定电流IN、额定温升τN、阻抗电压百分数ud％，都标在变压器的铭牌上。此外，在铭牌上还标有相数、接线组别、额定运行时的效率及冷却介质温度等参数或要求。1．额定容量SN额定容量是设计规定的在额定条件使用时能保证长期运行的输出能力，单位为KVA或MVA。对于三相变压器而言，额定容量是指三相总的容量。2．额定电压UN额定电压是由制造厂规定的变压器在空载时额定分接头上的电压，在此电压下能保证长期安全可靠运行，单位为V或KV。当变压器空载时，一次侧在额定分接头处加上额定电压U1N，二次侧的端电压即为二次侧额定电压U2N。对于三相变压器，如不作特殊说明，铭牌上所标明的有关参数例如额定电流是线电流，额定电压是指线电压；而单相变压器是指相电压（如525／√3KV）。3．额定温升N变压器内绕组或上层油的温度与变压器外围空气的温度（环境温度）之差，称为绕组或上层油的温升。在每台变压器的铭牌上都标明了该变压器的温升限值。我国标准规定绕组温升的限值为65℃，上层油温升的限值为55℃，并规定变压器周围的最高温度为＋40℃。因此变压器在正常运行时，上层油的最高温度不应超过＋95℃。4、阻抗电压百分数ud％阻抗电压百分数，在数值上与变压器的阻抗百分数相等，表明变压器内阻抗的大小。阻抗电压百分数又称为短路电压百分数。短路电压百分数是变压器的一个重要参数。它表明了变压器在满载（额定负荷）运行时变压器本身的阻抗压降大小。它对于变压器在二次侧发生突然短路时，将会产生多大的短路电流有决定性的意义；对变压器的并联运行也有重要意义。短路电压百分数的大小，与变压器容量有关。当变压器容量小时，短路电压百分数亦小；变压器容量大时，短路电压百分数亦相应较大。我国生产的电力变压器，短路电压百分数一般在4％～24％的范围内。5、空载损耗：是以额定频率的正弦交流额定电压施加于变压器的一个线圈上（在额定分接头位置），而其余线圈均为开路时，变压器所吸取的功率，用以供给变压器铁芯损耗（涡流和磁滞损耗）6．短路损耗：是以额定频率的额定电流通过变压器的一个线圈，而另一个线圈接线短路时，变压器所吸收的功率，它是变压器线圈电阻产生的损耗，即铜损（线圈在额定分接点位置，温度70℃）。变压器油油浸式变压器中使用的变压器油，是从石油中提炼出来的矿物油，其介质强度高、粘度低、闪燃点高、酸碱度低、杂质与水分极少。变压器油的绝缘电阻、介质损耗、击穿电压等电气性能要求很高，它在变压器中既作绝缘介质又是冷却介质，在使用过程中由于油中混入轻原油、水分、杂质、气体水溶性酸和碱、等影响电气化学性能的物质，变压器油的使用寿命大大缩短，进而对绕组、绝缘材料造成一定的破坏。变压器的冷却系统强迫油循环风冷式强迫油循环风冷式冷却系统用于大容量变压器。这种冷却系统是在油浸风冷式的基础上，在油箱主壳体与带风扇的散热器（也称冷却器）的连接管道上装有潜油泵。油泵运转时，强制油箱体内的油从上部吸入散热器，再从变压器的下部进入油箱体内，实现强迫油循环。冷却的效果与油的循环速度有关。变压器的安全保护装置一、气体继电器气体继电器又称瓦斯继电器。它装在油枕与主油箱之间的连接管路上。气体继电器的作用是当变压器内部发生绝缘击穿，线圈匝间短路及铁芯多点接地过热等故障时，产生大量气体或油流，气体从油箱上升进入油枕时，使气体继电器的触点动作，发出信号或切断电源保护变压器。气体继电器应保持水平，箭头朝向储油柜，放气塞应低于储油柜最低油面50㎜。联管朝向储油柜方向应有1%～1.5%的升高坡度，便于少量气体排到储油柜中二、压力释放仪压力释放仪在保护电力变压器方面起重要作用。充有变压器油的电力变压器，如果内部出现故障或短路，电弧放电就会在瞬间使油汽化，导致油箱内压力极快升高。如果不能极快释放该压力，油箱就会破裂，将易燃油喷射到很大的区域内，可能引起火灾，造成更大破坏，因而必须采取措施防止这种情况发生。大、中型变压器上已普遍采用阀式压力释放器，也称减压器。压力释放器装在变压器油箱顶盖上，它类似锅炉上的安全阀。当油箱内压力超过规定值时，压力释放器密封门（阀门）被顶开，气体排出，压力减小后，密封门靠弹簧压力又自行关闭。压力释放器的动作压力，可在投入前或检修时将其拆下来测定和校正。变压器的绝缘结构变压器的绝缘可分为外部绝缘和内部绝缘。外部绝缘是空气绝缘，即油箱外的绝缘，主要是指变压器的同相或异相套管对接地部分间的绝缘以及保护间隙。内部绝缘是油箱内的各部分绝缘，主要是指线圈绝缘、引线及分接开关绝缘。内部绝缘又分为主绝缘和纵绝缘。主绝缘是指高低压线圈间绝缘、线圈对地（铁芯和油箱）、对异相或同相其它线圈之间的绝缘；纵绝缘是指同一线圈的各点之间的绝缘、同一线圈各引出线间、分接开关各部分之间的绝缘。变压器的温升及过负荷一、变压器的温度分布变压器运行时，绕组和铁芯中的电能损耗都转变为热量，使变压器各部分的温度升高，它们与周围介质存在温差，热量便散发到周围介质中去。在油浸式变压器中，绕组和铁芯热量先传给油，受热的油又将其热传至油箱及散热器，再散入外部介质（空气或冷却水）。图5－25油浸自冷式变压器各部分的温度分布（a）沿横截面分布，（b）沿高度分布绕组和铁芯内部与它们的表面之间有小的温差，一般只有几度绕组和铁芯的表面与油有较大的温差变压器各部分沿高度方向的分布也是不均匀的。例如，运行时变压器油沿着变压器器身上升时，不断吸收热量，温度不断升高，接近顶端又有所降低。绕组和铁芯的温度也随高度增高而增高。在变压器中，温度最高的地方是在绕组上。二、变压器各部分的允许温升变压器各部分的允许温升（℃）冷却方式温升自然油循环强迫油循环风冷导向强迫油循环风冷绕组对空气的平均温升656570绕组对油的平均温升213030顶层油对空气的温升554045油对空气的平均温升443540所列的温升是对额定负荷而言。但对强迫油循环变压器，当循环油泵停用时，一般仍可以自然油循环冷却方式工作，带比额定负荷小的负荷运行，这也是强迫油循环变压器的一种运行方式，此时顶层油对空气的温升限值就是55℃。因此，我国电力变压器标准GB1094－81的规定中，对顶层油的允许温升限值就不分冷却方式，定为55℃。三、变压器的过负荷能力变压器的过负荷能力，是指为满足某种运行需要而在某些时间内允许变压器超过其额定容量运行的能力。按过负荷运行的目的不同，变压器的过负荷一般又分为正常过负荷和事故过负荷两种。1、变压器的正常过负荷根据等值老化原则，变压器可以在一部分时间内允许变压器超过额定负荷运行，即过负荷运行，而在另一部分时间内小于额定负荷运行，只要在过负荷期间多损耗的寿命与低于额定负荷期间少损耗的寿命相互补偿，变压器仍可获得原设计的正常使用寿命。变压器的正常过负荷能力，就是以不牺牲变压器正常寿命为原则制定。同时还规定，过负荷期间负荷和各部分温度不得超过规定的最高限值。我国的限值为：绕组最热点温度不得超过140℃，自然油循环变压器负荷不得超过额定负荷的1.3倍，强迫油循环变压器负荷不得超过额定负荷的1.2倍。2、变压器的事故过负荷变压器的事故过负荷，也称短时急救过负荷。当电力系统发生事故时，保证不间断供电是首要任务，变压器绝缘老化加速是次要的。所以，事故过负荷和正常过负荷不同，它是以牺牲变压器寿命为代价的。事故过负荷时，绝缘老化率容许比正常过负荷时高得多，即容许较大的过负荷，但我国规定绕组最热点的温度仍不得超过140℃。变压器油的气相色谱分析当出现局部过热时，随着温度的升高，氢（H2）和烃类中的甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）等气体明显增加，但乙炔（C2H2）含量极少，如果有固体材料加入热分解，也会有相当数量的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）产生。当变压器出现放电现象时可分为三种类型：局部放电（能量密度一般很低）、火花放电（是一种间歇性放电，其能量密度一般比局部放电高些，属低能量放电）、电弧放电（属高能量放电）。局部放电产生的特征气体主要是氢气（H2），其次是甲烷（CH4），并有少量乙炔（C2H2），但总烃值并不高。火花放电时，乙炔（C2H2）明显增加，气体的主要成分是氢（H2）和乙炔（C2H2），并有相当数量的甲烷、乙烷和乙烯。当发生电弧放电时，氢气（H2）大量产生，乙炔（C2H2）亦显著增多，其次有大量的乙烯、甲烷和乙烷。不论哪一种放电，只要有固体绝缘介入，就会产生CO和CO2。表5－5列出各种异常及故障下产生的气体成分及特征。