第4章变压器

4-1第4章变压器变压器是电力系统中的重要设备之一。变压器利用电磁感应作用把一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能，它对电力的经济输送、灵活分配与安全使用有着非常重要的意义。此外，变压器在电能的测试、控制和特殊用电设备上也应用很广。本章结合沙角发电总厂660MW机组所用发电机变压器与厂用电变压器主要研究一般用途的电力变压器。首先介绍变压器的基本工作原理和结构，以便对变压器有一定的感性认识；接着详细讲解了沙角发电总厂716兆伏安、19/525千伏、三相、50赫兹发电机变压器和44兆伏安、19/10.5千伏、三相、50赫兹厂用电变压器的基本技术数据、运行程序步骤及维修保养等发电厂电气工程技术人员，尤其是运行人员所应掌握的基本知识与技能。4.1变压器的基本工作原理和结构4.1.1变压器的基本工作原理和分类由于变压器是利用电磁感应作用工作的，因此它的结构原则是：两个（或两个以上）互相绝缘的线圈套在一个共同的铁芯上，它们之间有磁的耦合，但没有电的直接联系。所以，变压器是以磁场为媒介的。通常两个线圈中一个接到交流电源，称为原线圈，简称原方。另一个接到负载，称为副线圈，简称副方。当原方接到交流电源时，在外施电压作用下，原线圈中有交流电流流过，并在铁芯中产生交变磁通，其频率和外施电压的频率一样。这个交变磁通同时交链原、副线圈，根据电磁感应定律，便在原、副线圈内感应出电势。副方有了电势，便向负载供电，实现了能量传递。在这一过程中，根据式（1-1）可知，原方和副方电势的频率都等于磁通的交变频率，亦既原方外施电压的频率；而原、副线圈感应电势之比等于原、副线圈匝数之比。对常用电力变压器，原方感应电势的大小也接近于原方外施电压，而副方感应电势则接近于副方端电压。因此，变压器原、副方电压之比决定于原、副线圈匝数之比，只要改变原、副线圈的匝数，便可达到改变电压的目的。这就是变压器利用电磁感应作用，把一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流电能的基本工作原理。本章所着重介绍的沙角C电站三台发电机变压器为两线圈、三相、油浸冷却式、升压电力变压器。4.1.2变压器结构的主要部件4.1.2.1铁芯铁芯是变压器的磁路部分。为了提高磁路的导磁系数和降低铁芯内的涡流损耗，铁芯通常用厚度为0.35毫米、表面涂绝缘漆的硅钢片制成。近年来，铁芯材料采用冷轧硅钢片。铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分，铁芯柱上套线圈，铁轭将铁芯柱连接起来，使之形成闭合磁路。电力变压器主要采用心式铁芯结构，另一种为壳式结构。两种铁芯结构相比，心式结构4-2比较简单，线圈的布置和绝缘也比较容易。迭片式铁芯的装配方法一般采用交错式装配，它是把硅钢片交错迭装而成。在迭装时，相邻层的接缝要错开。为了减少装配工时，通常用2~3张硅钢片作一层。这种迭法的优点是接缝处气隙小，夹紧结构简单，缺点是装配工艺较复杂。为了使线圈便于制造和在电磁力作用下受力均匀以及机械性能良好，一般都把线圈作成圆形。这时为了充分利用线圈内的圆柱形空间，铁芯柱一般作成阶梯形的多边形。阶梯级数愈多，截面愈接近于圆形，空间利用情况愈好，但制造工艺愈复杂。在实际生产中，铁芯柱的级数随变压器容量的增加而增多。小容量变压器的铁芯柱也有做成正方形的。在大容量变压器中，为了改善铁芯的冷却条件，常在铁芯柱中开设油道，以利散热。4.1.2.2线圈线圈是变压器的电路部分，一般用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。变压器中，接到高压电网的线圈称为高压线圈，接到低压电网的线圈称为低压线圈。高、低压线圈之间的相对位置有同心式和交迭式两种不同的排列方式。同心式排列方式中，高、低压线圈同心地套在铁芯柱上。为了便于线圈和铁芯绝缘，通常低压线圈靠近铁芯。交迭式排列方式中，高、低压线圈沿铁芯柱高度方向交迭地排列。为了减小绝缘距离，通常低压线圈靠近铁轭。这种结构主要用在壳式变压器中。根据线圈绕制的特点，线圈可分为圆筒式、饼式、连续式、纠结式和螺旋式等几种主要型式。4.1.2.3套管变压器的引出线从油内穿过油箱盖时，必须经过绝缘套管，以使带电的引线和接地的油箱绝缘。绝缘套管一般是瓷质的，它的结构主要取决于电压等级。1千伏以下的采用实心瓷套管；10~35千伏采用空心充气式或充油式套管；电压在110千伏及以上时，采用电容式套管。为了增加表面放电距离，套管外形做成多级伞形，电压愈高级数愈多。4.1.3变压器的发热与冷却4.1.3.1变压器的发热与传热变压器运行时，有铁耗、铜耗和附加损耗等。这些损耗转变成热量，使变压器有关部分温度升高。于是，由于各部分与周围介质之间存在着温差，热量就散发到周围介质中去。当发热量与散热量相等时，变压器各部分温度就达到稳定值。这时变压器各部分的温度与周围冷却介质温度之差称为该部分的温升。变压器的油箱和油管表面主要靠辐射和对流两种方式散热，但热量从绕组或铁芯内部传到表面则依靠传导方式传热。通常油浸式变压器的散热过程如下：首先靠传导作用将线圈和铁芯内部的热量传到表面，然后通过变压器油的自然对流不断地将热量带到油箱壁和油管壁的传导作用把热量从它们的内表面传到外表面，之后通过辐射和对流作用将热量散发到周围空气中。4.1.3.2变压器的各部分的温升限度变压器各部分的允许温升取决于绝缘材料。根据我国电力变压器标准GB1094-71的规定，为保证变压器具有正常的使用年限（20~30年），油浸电力变压器温升限度如下表所示（周4-3围冷却空气的最高温度规定为400C）。表：油浸式变压器温升限度变压器的部分温升限度（0C）测量方法线圈自然油循环65电阻法强迫油循环铁芯表面75温度计法与变压器接触（非导电部分）的结构件表面80油面554.1.3.3变压器的冷却方式为了保证变压器散热良好，必须采用一定的冷却方式将变压器中产生的热量带走。常用的冷却介质是变压器油和空气两种，前者称为油浸式，后者称为干式。油浸式变压器又分为油浸自冷式、油浸风冷式及强迫油循环（简称强油循环）等三种。油浸自冷式依靠油的自然对流带走热量，没有其他冷却设备。油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，另加风扇给油箱壁和油管吹风，以加强散热作用。强迫油循环是用油泵将变压器的热油抽到变压器外的冷却器中冷却后再送入变压器。冷却器可以用循环水冷却或强迫风冷却。油浸自冷式和强迫风冷式变压器中的热量，全部通过油箱和油管表面散发到周围空气中。在一定的温升限度下，每平方米表面所能散走的热量是有限的。对5万千伏安及以上的大容量变压器，采用强迫油循环冷却方式。变压器油，它既起冷却作用，又加强绝缘，要求介电强度高、粘度低、发火点高、酸碱度低、灰尘等杂物及水份少。即使含很少量的水份，也会使变压器油的绝缘强度大为降低，故要求油箱中的油最好不要和外面的空气接触。因此，油箱盖要封好。但是当变压器油受热膨胀时，将使油箱受到很大的压力，严重时可把油箱胀坏。因此，在油箱顶上装有一个圆筒形的储油柜，储油柜和油箱连通，柜内油面高度随油的热胀冷缩而变动，这样可使油箱中的油不和外面空气接触。储油柜下面还装有放置氧化钙或硅胶等干燥剂的吸湿器，外面的空气必须经过吸湿器才能进入储油柜，这样可减少油的氧化和水分的侵入。在油箱和储油柜之间的连接管中还装有气体继电器（图1-4）。当变压器发生故障时，内部绝缘物气化，产生气体，使气体继电器动作，发出讯号，便于值班人员进行处理或使保护开关自动跳闸。大容量变压器的油箱盖上还装有安全气道，其出口用薄玻璃板盖住。当变压器内部发生严重故障而气体继电器失灵时，油箱内部的气体便冲破玻璃板从安全气道喷出，保护变压器不受严重损害。4.1.4额定值每一台变压器的油箱上都有一个铭牌，铭牌上标明了变压器的额定值，主要有：1．额定容量SN：额定容量是变压器的额定视在功率，以伏安、千伏安或兆伏伏安表示。由于变压器效率高，通常把原、副方的额定容量设计得相等。2．额定原方及副方电压U1N和U2N：以伏或千伏表示。按规定，副方额定电压U2N是当变压器原方外加额定电压U1N时的副方空载电压。对三相变压器，额定电压指线电压。3．额定原方及副方电流I1N和I2N：根据额定容量和额定电压算出的线电流称为额定电4-4流，以安表示。对单相变压器：NNNNNNUSIUSI2211,，对三相变压器：NNNNNNUSIUSI22113,3。4．额定频率：以赫表示，我国规定为50赫。此外，额定运行时变压器的效率、温升等数据也是额定值。除额定值外，铭牌上还标有变压器的相数、接线图、阻抗电压等。4.2主变的基本情况沙角“C”燃煤电站所用的发电机变压器由GECAlsthom变压器有限公司设计与制造，辅助设备则由其他不同公司提供。变压器为三相，每台容量716兆伏安，在总布置图中图号为53CX11530。19千伏的低压绕组为三角形连接，525千伏的高压绕组为星形连接。变压器正常运行时为ODAF冷却方式，采用四个分开安装的强风油冷凝器和两台运行持续率50%的油泵。另外两台强风油冷凝器和一台运行持续率50%的油泵作为备用。4.2.1技术数据电气数据额定容量716兆伏安额定电压525千伏连接方式低压侧三角形，高压侧星形其他技术数据如各部件的重量、油量、辅助部件的主要技术指标请参看“使用手册”。4.2.2阐述4.2.2.1慨述所述变压器将输入线的电压从19千伏升高到525千伏。变压器为3相、50赫兹并采用ODAF冷却方式。高压側连接线由绕组引出，穿过端盖，经过油-空气套管。电流变压器也安装于此套管中。低压側连接线引到六个不同的油-空气套管，每相两个，每对安装在延伸的塔楼上。高压側中心点套管安装在高压套管的旁边。硅胶体呼吸器装置位于变压器冷却器箱侧面，箱体呼吸器装置最靠近变压器；一根管子连接到油枕的端盖，并连接到橡胶件。一个油/空气分离袋放在变压器油枕中。冷却系统包括一只分开安装的冷却器，每台冷却器配三台风机。冷却器成对地安装，并靠近变压器。每一台冷却器的输入和输出管都装有一只关闭阀；任何一台冷却器都可以单独地排干、使用或替换。三根袖珍温度计螺旋装于焊接在冷却器前端的凸台里；它们用于实验时测量冷却器入4-5口与出口的温度。由七个间隔室组成并可自由放置的就地控制柜位于变压器组合体的外面，此控制柜包含有现场控制、显示器、警报和动作装置，并是预先在内部接好线的。坚硬的固体橡胶抗震垫装于箱底与地基表面之间；垫子外端之间的气隙用软橡胶条密封好。用于监视和接线的孔已在现场明。4.2.2.2铁芯和框架此变压器铁芯有三根绕线柱和两根不绕线柱。轭的面积是绕线柱面积的60/40%。每个绕线柱都用SRBP圆柱体夹紧，并且此圆柱体也是内层绕组的衬底。顶部和底部的轭可靠地卡在钢制框架之间。所有叠片之间的接头采用斜拼。两个不绕线柱用玻璃钎维绑牢。铁芯材料是颗粒取向硅钢片，使用钨的碳合物制成的工具将其剪冲成所需的宽度，这种方法几乎不产生任何毛刺。硅钢片用玻璃涂层绝缘，不需要另外的绝缘和退火处理。平行于硅钢片的冷却导管由绝缘间隙形成。冷却导管将铁芯分成数部分。铁芯通过铜连接线接地。铜线穿插于硅钢片之间，并只在一个地方连结绝缘导管。铁芯和框架分开连接到箱体接地，这样能够分别地检查它们的绝缘。这些连接都在一个终端盒里，并延伸到变压器箱体外以方便现场实验。用于提升铁芯（和绕组）的装置是通过顶部与底部轭夹紧件之间的连杆。连杆位于底部轭夹紧件之间的台脚和顶部轭夹紧件之间鞍形承体。所有这些部件均为单点接地以避免环流。铁芯的位置由拧紧在铁芯框架上的固紧件轴承来调整。固紧件位于箱壁上，并为运输提供了一个可靠的排列。4.2.2.3绕组（1）低压绕组任一低压绕组都是螺旋式的。（2）高压绕组高压绕组为双饼式。（3）抽头绕组抽头绕组为双饼式。4.2.2.4箱体与箱盖变压器的箱体与箱盖是由柔性钢板制成的，箱盖焊接在箱体上。箱体附件包括起重吊环、千斤顶耳柄、牵引点和推倒凸缘。箱体有现场接地点，每边有两个在地面。低压套管塔楼是铝制的。箱体装有一压力释放设备，在箱体的高压侧。该设备装有一动作开关和一盛油容器。一气体-油继电器（Buchholz型）装在变压器与油枕之间的管子里，一类似的由喷油流启动的设备位于抽头切换器及其相关的油枕