第三章 变压及整流

第三章变压与整流主编李建民第一节变压器基础知识主编一、变压器的工作原理及类型1.变压器的工作原理变压器的工作原理示意图如图3⁃1所示。图3-1变压器的工作原理示意图一、变压器的工作原理及类型2.变压器的类型变压器除了按以上用途分类外，还可以按相数、绕组数目、铁心形式、冷却方式等特征分类。变压器按相数划分，有单相、三相和多相等；按绕组数划分，有双绕组、自耦、三绕组和多绕组；按铁心形式划分，有心式和壳式；按调压方式划分，有无载调压变压器和有载调压变压器；按冷却方式划分，有干式和油浸式等。图3-2心式结构变压器a)单相心式变压器b)三相心式变压器1—铁轭2—绕组3—铁心柱4—高压绕组5—低压绕组一、变压器的工作原理及类型3.变压器的型号一般变压器的型号分为两部分：前一部分由汉语拼音字母组成，代表变压的类别、结构特征和用途；后一部分由数字组成，表示变压器的容量和高压绕组的电压等级。前一部分又分四组：1)第一组表示相数：D表示单相，S表示三相。2)第二组表示冷却方式：J表示油浸自冷；F表示油浸风冷；FP表示强迫油循环风冷却；SP表示强迫油循环水冷却。3)第三组表示电压等级：S表示三级电压；无S表示两级电压。4)其他组：O表示全绝缘；L表示防雷；Z表示有载调压。二、变压器的结构及参数2.油、油箱、冷却、安全装置油浸式变压器如图3⁃5所示。对于油变压器，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，并且对变压器铁心和绕组起散热作用。油箱有许多散热油管，以增大散热面积。为了加快散热，有的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。变压器运行时产生热量，使变压器油膨胀，并流进储油柜中。储油柜使变压器油与空气接触面变小,减缓了变压器油的氧化和空气水分的吸收速度，从而减缓了油的变质速度。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。此外还具有一定的熄弧作用。二、变压器的结构及参数图3-5油浸式变压器1—铭牌2—信号温度计3—吸湿器4—油表5—储油柜6—安全气道7—气体继电器8—高压套管9—低压套管10—分接开关11—油箱12—放油阀门13—器身14—接地板15—小车二、变压器的结构及参数3.变压器参数(1)额定电压U1N和U2N额定电压是指变压器长时间运行时，所能承受的工作电压(铭牌上的UN值)，是指调压分接开关在中间分头时的额定电压，单位为V或者kV。(2)额定容量SN额定容量指变压器在出厂时铭牌标定的额定电压、额定电流下连续运行时能输送的容量，单位为V·A、kV·A、MV·A。(3)额定电流I1N和I2N额定电流是在额定容量SN和允许温升条件下，变压器允许长期通过的工作电流，在三相变压器中均代表线电流，单位为A、kA。(4)额定频率fN额定频率单位为Hz,fN=50Hz。(5)短路电压Ud%短路电压Ud%也称阻抗电压。二、变压器的结构及参数(6)空载电流I0当变压器在一次侧额定电压下，二次绕组空载时,在一次绕组中通过的电流,称为空载电流。(7)空载损耗(铁损)ΔP0空载损耗指变压器二次侧开路、一次侧加额定电压时,变压器产生的损耗。(8)短路损耗(铜损)ΔPd铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗。(9)电压比变压器两组绕组匝数分别为N1和N2,N1为一次绕组匝数,N2为二次绕组匝数。三、单相变压器的极性图3-􀰊6线圈减极性绕法及向量四、三相变压器的联结组标号1)一次、二次绕组的绕向相反。2)一次、二次绕组的绕向相同，一次接线为Y，二次接线为y(或有零线)，可呈现出12点接线，如图3-9所示。图3-􀰊8Yyn6点接线四、三相变压器的联结组标号3)一次与二次绕组绕向相同，一次接线为Y，二次接线为d，可呈现11点接线(或1点接线)，如图3-10所示。图3-10Yd11点(或Yd1点)接线第二节城市轨道交通供电系统干式变压器主编李建民一、干式变压器概述我国在20世纪70年代已引进了环氧树脂绝缘干式变压器生产技术，但技术发展和应用非常缓慢。到20世纪80年代末90年代初，随着新的干式变压器生产技术工艺的引进，干式变压器的应用迅速普及，国内干式变压器技术的发展也从消化吸收走向自我开发并达到国际先进水平。至今，国内干式变压器的生产规模已位居世界第一，不少生产厂的产品技术水平和开发能力已经进入国际先进行列。由于干式变压器的优点突出，目前城市轨道交通供电系统广泛使用干式变压器。二、干式变压器的分类1.按照主绝缘材料分类(1)开启式是一种常用的形式。(2)封闭式器身处在封闭的外壳内,与大气不直接接触。(3)浇注式用环氧树脂或其他树脂浇注作为主绝缘,它结构简单、体积小。2.按照生产工艺不同分类(1)浸渍式干式变压器该种变压器生产历史最长，制造工艺也比较简单。(2)树脂干式变压器树脂干式变压器又分为四种结构：树脂加填料浇注、树脂浇注、树脂绕包、树脂真空压力浸渍。二、干式变压器的分类3.从结构上分类(1)固体绝缘包封绕组由于包封绕组干式变压器的绕组不易受潮，维护方便，体积小，所以在城市轨道交通供电系统中得到了广泛应用。(2)不包封绕组这里不再讲解。图3-11环氧树脂浇注干式变压器结构图1—线导电排2—铁心3—弹簧压钉4—压板5—拉板6—穿轭夹紧螺杆7—高压△接引线8—分接连接片9—旁轭夹紧螺杆10—底座11—牵引板12—安装孔13—接地螺母14—下夹件15—高压线圈16—低压线圈17—主气道18—低压冷却气道19—上夹件20—高压导电棒21—高压绝缘子22—低压绝缘子23—吊环24—低压导电棒三、干式变压器的结构1.线圈绕组部分干式变压器的绕组结构基本上与油浸式变压器相同，多采用圆筒式，较大容量的干式变压器绕组可采用饼式。干式变压器在绕组外加上非油绝缘介质，以增加线圈的绝缘性能，环氧树脂浇注干式变压器就是用环氧树脂为绝缘材料，以浇注的方式与绕组一起固化，从而减少变压器线圈的体积。一般情况下，干式变压器的高压绕组（线圈）在圆筒的外侧，低压绕组（线圈）在内侧，高压绕组和低压绕组之间是冷却气道，高压绕组和低压绕组共同缠绕在铁心上。三、干式变压器的结构2.铁心及器身部分干式变压器的铁心除了作为主磁通的通道外，还作为变压器线圈、器身及其他组件的主要支撑件，所以铁心一方面通过多片硅钢片叠片，减少涡流损耗，另一方面利用紧固件、支撑件增加铁心的强度和刚度，同时也减少铁心噪声的产生。三、干式变压器的结构3.辅件(风机、外壳、温控器、温显仪、有载开关等结构辅件)根据不同的用户、使用环境和工作要求，干式变压器可以增加不同的组件。如：根据不同的用户高、低压接口要求，增加不同形式的出线端子结构（如侧出线、封闭母线等）；根据不同的环境和运行工况，为提高负载能力和降低变压器温升，增加冷却设备，目前一般多采用风机冷却，风机冷却一般安装在底座上，在铁心和绕组的下方，风机产生的冷却气体通过气道冷却绕组及铁心，并把热气体向上排出；根据使用环境的差异或用户的要求，增加保护外壳，以提高变压器的防护等级，增强变压器对外部环境的适应能力。为实现变压器的智能监控，满足在任何时刻对变压器实施温度控制，变压器一般都加装温度控制设备。三、干式变压器的结构对供电质量要求较高的用户，因为电网电压波动较大，在变压器负载的状态下需要切换变压器分接位置改变变压器电压比以实现低压输出电压稳定，这样加装有载调压开关就可以满足要求。一般有载调压开关有两种形式：真空开关和空气开关，一般都选择真空开关。四、干式变压器的特点1)无油、无污染、难燃阻燃、自熄防火。2)绝缘温升等级高：F级绝缘，变压器温升可达100K。3)损耗低、效率高。4)噪声小，通常可控制在50dB以下。5)局部放电量小(通常10pC以下)，可靠性高，可保证长期安全运行，寿命达30年。6)抗裂、抗温度变化，机械强度高，抗突发短路能力强。7)防潮性能好，可在100％湿度下正常运行，停运后不需干燥处理即可投入运行。8)体积小、重量轻，据有关人士统计，油式变压器的外形尺寸为干式变压器的2倍多。四、干式变压器的特点9)不需单独的变压器室，不需吊心检修及承重梁，节约土建占地和占空；因无油，不会产生有毒气体，不会对环境造成污染，不需要集油坑等附属建筑，减少了土建造价。10)安装便捷，无需调试，几乎不需维护；无需更换和检查油料，运行维护成本低。11)配备有完善的温度保护控制系统，为变压器安全运行提供可靠保障。五、干式变压器的选用1)二次额定电压的确定：一般根据电力网系统和用户的要求确定。2)联结组标号的确定：配电变压器常有Dyn11、Yyn0等联结组标号，推荐选用Dyn11。3)其他：如短路阻抗等，这些性能参数都可以从制造厂的样本、手册中查到，再根据工程情况予以确定。4)调压方式：主要考虑采用何种调压方式、调压范围如何等问题。5)其他配置的选择：是否配外壳；是否带风机(强迫风冷)；是否配温度控制箱；是否带温度显示器等，上述这些附件的功能，各制造厂样本上均有说明，可酌情选择配置。六、干式变压器的相关技术1.强迫风冷干式变压器的冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%，适用于断续过载运行或应急事故过载运行；由于过载时，负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过载运行。2.防护等级选用外壳，可防小动物（鼠、蛇、猫、雀等）和直径大于12mm的固体异物进入，并能防止短路停电等恶性事故的发生。防护等级主要是防止人体接近壳内带电部分或转动部分，防止固体异物进入和防止由于进水、油等而引起有害影响，它符合相关标准的规定。六、干式变压器的相关技术2.防护等级选用外壳，可防小动物（鼠、蛇、猫、雀等）和直径大于12mm的固体异物进入，并能防止短路停电等恶性事故的发生。防护等级主要是防止人体接近壳内带电部分或转动部分，防止固体异物进入和防止由于进水、油等而引起有害影响，它符合相关标准的规定。表3-2防护等级的代号及含义六、干式变压器的相关技术3.温度显示控制系统干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。干式变压器的温度显示控制系统实现对运行温度的监测及报警跳闸控制，以使干式变压器安全运行，延长使用寿命。此系统的主要功能如下：七、干式变压器的启用1)短接变压器的“输入”与“输出”接线端子，用绝缘电阻表测试其与地线的绝缘电阻。2)变压器输入、输出电源线截面积应满足其电流值大小的要求。3)输入、输出三相电源线应按变压器接线板母线的颜色黄、绿、红，分别接A相、B相、C相，中性线应与变压器中性线相接，接地线与变压器外壳相接(如变压器有机箱应与箱体地线标志对应相连接)。4)先空载通电，观察测试输入输出电压符合要求。5)当空载测试完成且正常后，方可接入负载。第三节城市轨道交通牵引供电系统整流器一、三相桥式整流电路(６脉波整流电路)城市轨道交通牵引供电系统整流器全部采用三相全波桥式整流，为了提高输出直流的质量，减少谐波，减少对城市电力系统的影响，一般采用12、24脉波整流电路。图3-12三相桥式整流电路图3-13三相桥式整流电路的输出电压波形和矢量图二、12脉波整流原理图3-1412脉波整流原理图二、12脉波整流原理图3-1512脉波整流电路及直流输出波形三、24脉波整流原理图3-1624脉波整流原理图四、24脉波整流变压器系统1.基本结构24脉波整流变压器系统有各种不同的结构组合。第一种情况下，可以采用单列四台变压器和四台全波整流器构成24脉波整流变压器系统，但这种系统占地面积大，维护复杂。第二种情况下，可以采用两台变压器三相三绕组和四台全波整流器构成24脉波整流变压器系统。而四台整流机组也可以根据不同的需要进行组合。四台整流机组串联运行，适