变压器的介绍

变压器1.1概述变压器是一种静止的电器设备，它依靠电磁感应作用，将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。变压器是电力系统中重要的电气设备。众所周知，输送一定的电能时，输电线路的电压愈高，线路中的电流和相应的损耗就愈小。为此，需要用升压变压器把交流发电机发出的电压升高到输电电压，通过高压输电线将电能经济地送到用电地区；然后再用降压变压器逐步将输电电压降到配电电压，送到各用电区；最后再经配电变压器变成用户所需的电压，供各种动力和照明设备安全而方便地使用。变压器的总容量要比发电机的总容量大得多，可达6～7倍。除此之外，变压器还广泛应用在其他场合，如电焊、电炉和电解使用的变压器，化工行业用的整流变压器，传递信息用的电磁传感器，供测量用的互感器，自控系统中的脉冲变压器，试验用的调压器等。变压器还可以改变电流，改变负载的等效阻抗、电源的相数和频率。变压器的结构虽然简单，其基本原理、分析方法却可作为其他交流电机研究的基础，特别是感应电机。1.2变压器的分类变压器的种类繁多，从不同角度，变压器可以作不同的分类。从用途来看，可分为电力变压器、试验变压器、测量变压器及特殊用途变压器。电力变压器用在电力系统中，用来升高电压的变压器称为升压变压器；用来降低电压的变压器称为降压变压器。升压变压器与降压变压器除了额定电压不同以外，在原理和结构上并无差别。此外还有配电变压器和联络变压器。试验变压器用于实验室，有调压变压器和高压试验变压器。测量变压器用于测量大电流和高电压，主要是仪用互感器，包括电压互感器和电流互感器。特殊用途变压器有电炉用变压器、电焊用变压器、电解用整流变压器、晶闸管线路中的变压器、传递信息用的电磁传感器、自控系统中的脉冲变压器等。从相数来看，有单相变压器、三相变压器和多相变压器。电力变压器以三相居多。从每相绕组数目来看，可分为单绕组变压器、双绕组变压器、三绕组和多绕组变压器。通常变压器都为双绕组变压器，单绕组变压器又称自藕变压器，三绕组变压器（即联络变压器）用于把三种电压等级的电网连接在一起，大容量电厂中用作厂用电源的分裂变压器就是一种多绕组变压器。从铁心结构看，可分为心式变压器、壳式变压器、渐开线式变压器和辐射式变压器等。从冷却方式看，有以空气为冷却介质的干式变压器，以油为冷却介质的油浸变压器，以特殊气体为冷却介质的充气变压器。油浸变压器又分自冷、风冷和强制油循环冷却的变压器。自冷是利用温差产生变压器油的自循环进行冷却，风冷是利用装在散热器上的吹风机进行冷却，强制油循环冷却是利用专门设备（如油泵）强迫变压器油加速循环。从容量大小看，可分为小型变压器（10～630kVA）、中型变压器（800～6300kVA）、大型变压器（8000～63000kVA）和特大型变压器（90000kVA以上）。1.3变压器工作原理1.3.1变压器的构成图2-1所示为一台最简单的单相双绕组变压器物理模型，是由在一个闭合的铁心上绕两个匝数不同的绕组构成。输人电能的绕组称为一次绕组（或原绕组、初级绕组），输出电能的绕组称为二次绕组（或副绕组、次级绕组）。一次绕组接电源，二次绕组接负载。1.3.2变压器的工作原理当一次绕组接交流电源时，就有交流电流流过，并在铁心中产生交变磁通。交变磁通同时交链二次绕组，根据电磁感应定律，二次绕组中将感生同频率的交变电动势。由于感应电动势与绕组匝数成正比，故改变二次绕组的匝数可得到不同的二次电压。可得到不同的二次电压。如果二次绕组接负载，便有电能输出。这就是变压器的工作原理。1.4变压器的结构变压器中最主要的部件是铁心和绕组，它们构成了变压器的器身。器身是各种变压器都不可缺少的部件，因为变压器的功能是通过器身来实现的。变压器的结构大同小异，现以油浸式电力变压器为例进行介绍。油浸式变压器的铁心和绕组浸放在油箱中，绕组的端点经绝缘套管引出，与外线路连接，油箱内装满变压器油，此外还装有一些起保护和冷却等作用的附件，如图2-2所示。油浸式电力变压器主要包括五个部分：①器身；②油箱；③出线装置；④冷却装置；⑤保护装置。下面分别做详细的介绍。1.4.1器身1、铁心铁心既是变压器的主磁路，又是它的机械骨架。铁心由心柱、铁扼及夹紧装置组成，心柱套装绕组，铁扼将心柱连接起来，使之形成闭合磁路，如图2-3所示。铁心有心式、壳式、渐开线式和辐射式等结构。心式结构的心柱被绕组所包围，铁扼在上下两端，如图2-3所示。这种铁心结构绕组装配和绝缘比较容易，散热条件较好，常在电力变压器中采用。壳式结构是心柱在中间，铁扼环绕在两旁，把绕组包围起来，好像绕组的外壳，如图2-4所示。壳式变压器结构坚固，机械强度高，但制造工艺复杂，绝缘较困难，散热不好，耗用材料较多，主要用于电压很低、电流很大的特殊场合，如电炉用变压器，其绕组能够承受住巨大的电磁力。渐开线式结构是把一定的硅钢片卷成渐开线形状，然后叠成圆柱形心柱，再用宽度等于扼高的带钢卷成三角形铁扼，把三个心柱对称地放在铁扼上，用穿心螺栓紧固。它的优点是三相磁路对称，铁扼的截面积只有心柱的1/3，叠装方便，可采用机械化和自动化生产；缺点是由于心柱和铁扼采用对接式装配，励磁电流和噪声较大。这种铁心型式用于成批生产的中、小型变压器。辐射式结构一般用于特大型变压器。除此之外，大容量的三相变压器由于运输的限制，需要降低铁心高度，采用三心柱旁扼式结构。旁扼的截面积与上下扼相等，也为心柱的1/3。某些特殊需要的小容量单相变压器采用硅钢带卷制成环形铁心，可节省材料15％至20％。由于变压器的磁通是交变的，为了减小涡流损耗，铁心用0.3-0.35mm的热轧或冷轧硅钢片叠成，片表面涂有一层绝缘漆。最近研制采用铁硼系列非晶合金材料制作铁心，空载损耗可降低75％左右，有取代硅钢片的发展趋势。在叠装铁心时，硅钢片先被裁成需要形状和尺寸的冲片。铁心叠装方法有对接式和交叠式两种。对接式装配次序为：先把心柱和铁扼分别叠装、夹紧，然后再拼在一起。交叠式装配是心柱和铁扼同时叠装和夹紧，相邻两层的冲片采用不同的排列方法，使接缝处互相错开，如图2-9所示。交叠式装配可以避免涡流在硅钢片间流通，气隙小，励磁电流小；由于各层冲片交错镶嵌，压紧铁心所需的紧固件较少，结构简单。对于冷轧硅钢片，顺碾压方向导磁性能要比横方向好很多，采用斜接缝，以进一步减少励磁电流及转角处的附加损耗，交叠组合方法如图2-10所示。叠装好的铁心其铁扼用槽钢（或焊接夹件）及穿心螺杆固定。近代已采用环氧树脂玻璃粘带绑扎心柱，提高了硅钢片的利用率，改善了空载性能。心柱的截面一般作成多级阶梯形，以充分利用绕组内圆空间，如图2-11所示。容量很小的变压器采用正方形。容量愈大、铁心截面愈大，所用的级数就愈多，愈接近圆形，利用率愈好。当铁心柱的外接直径为100mm时，常用四级铁心柱；当直径为150mm时，可用五级铁心柱；而当直径达1000mm时，铁心截面可多达十七级。渐开线形铁心柱的截面为圆形。相应地，铁扼的截面有矩形、T形和阶梯形，如图2-12所示。采用热轧硅钢片时，为了减少励磁电流和铁心损耗，铁扼的截面一般比心柱大5％一10%；若采用冷轧硅钢片全斜接缝时，则两者相等。在容量较大的变压器中，为了限制铁心温度，常在铁心的叠片之间设置油槽，以增强散热效果。油槽分两种，一种与硅钢片平行，另一种与硅钢片垂直，如图2-13所示。后一种的散热效果较好，但结构较复杂。2、绕组绕组是变压器的电路部分，是由若干个集中绕制的线圈构成。线圈一般绕成圆形，以便在电磁力作用下有较好的机械性能，同时绕制也比较方便。电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的绕组称为低压绕组。绕组有同心式、交叠式两种基本型式。心式变压器律用同心式绕组如图2-3所示。其高压、低压绕组均作成圆筒形，同心地套在铁心柱上。为了便于绝缘，低压绕组靠近心柱，高压绕组套在外面，之间留有油道。同心式绕组的优点是结构简单，制造方便。组成同心式绕组的线圈有圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式、分段式和箔式等结构形式。不同的结构形式有不同的电气、机械、热方面的特性和适用范围。对于单相变压器，低压、高压绕组各被分成两部分，套在两边的铁心柱上；两部分在电路上既可以串联，也可以并联。交叠式绕组又称饼式绕组，由饼式元件构成，仅用于铁壳式变压器，如图2-14所示。其高压、低压绕组各分为若干个线饼，沿着心柱的高度交错排列，饼间开设径向油道。为了排列对称并利于绝缘，高压绕组分成两个线饼，低压绕组分成一个整线饼和两个“半线饼”；两个低压“半线饼”分别放置在最上和最下的靠铁扼位置，低压整线饼则放置在铁心柱的正中间；两个高压线饼分别被放在低压“半线饼”和低压整线饼之间，远离铁扼。交叠式绕组的优点是漏抗小，机械强度好，引出线布置方便，易于构成多条并联支路。绕组是用绝缘的扁（或圆）铜（或铝）导线绕成，高压绕组的匝数多、导线细，低压绕组的匝数少、导线粗。电力变压器的高压绕组上通常有±5％的抽头，通过分接开关来控制。在输人电压略有变动时，可保持输出电压接近额定值。绝缘结构器身的绝缘有主绝缘和纵绝缘。主绝缘指绕组与铁心之间、同相的高压和低压绕组之间、相绕组之间、绕组与油箱之间的绝缘；纵绝缘指绕组的匝间、层间、线饼间、线段间的绝缘。主绝缘是采用油与绝缘隔板结构。绕组间的径向距离用圆筒分隔成若干油隙。匝间绝缘主要是导线绝缘，小型变压器用漆包绝缘，大型变压器用电缆纸包或纱包绝缘。层间绝缘采用电缆纸、电工纸板或油隙绝缘。线饼间、线段间一般用油隙绝缘，并用绝缘垫块将它们分隔开。1.4.2出线装置出线装置即为绝缘套管，由中心导电杆、瓷套两部分组成。导电杆穿过变压器油箱壁，将油箱中的绕组端头连接到外线路。1kv以下采用简单的实心瓷质套管。10-35kV采用空心充气或充油套管，这种套管在瓷套和导电杆间有一道充油层，以加强绝缘，如图2-15所示。110kv以上时，在瓷套内腔中除了充油外，还环绕导电杆包几层绝缘纸筒，并在每个绝缘纸筒上贴附一层铝箔，以使绝缘层、铝箔层沿套管的径向形成串联电容效应，使瓷套与导电杆间的电场分布均匀，以承受较高的电压，称为电容式充油套管。为了增加表面放电距离，高压绝缘套管外形做成多级伞形，电压愈高级数愈多。1.4.3油箱油箱包括箱体、变压器油和附件。箱体休由箱盖、箱底和箱壁构成。箱盖有平顶形和钟罩（拱顶）形。箱壁有平板式、管式和散热器式。为了使油箱的机械强度高、散热表面大，箱壁一般用钢板焊成椭圆形。箱底装有沉积器，以沉聚侵人变压器油中的水分和污物，定期加以排除。变压器油一方面作为绝缘介质，另一方面作为散热媒介。因此要求变压器油介电强度高、燃点高、运动粘度低、凝固点低、酸碱度低、杂质和水分少。少量水分可使变压器油的绝缘性能大为降低（含0.004％水分，绝缘强度降低50%）。在较高温度下长期与空气接触还将使变压器油氧化，产生悬浮物，堵塞油道，增加酸度，也降低绝缘强度。因此，防止氧化和潮气侵人油中十分重要。受潮或氧化的变压器油要过滤。附件包括放油阀门、小车、油样油门、接地螺栓和铭牌等。1.4.4冷却装置变压器的铁心和绕组运行时产生的热量，由变压器油通过自然对流带到油箱壁，油箱壁再通过空气对流方式散发出去，称为油浸自冷。随着变压器容量的增大，油箱壁的散热面积要相应加大。容量很小的变压器（20KVA以下）可用平板油箱；容量稍大的则油箱壁采用波纹钢板焊制，称为波纹油箱；中型变压器（30-2000KVA）在油箱壁上焊接散热扁管，称为管式油箱。大型变压器（2500-6300KVA)的油箱四周已安排不下所需油管，把油管先组合成整体的散热器（或采用片式散热器），再装到油箱上，称为散热器式油箱。容量为（8000-40000KVA）的变压器，在散热器上装风扇，称为油浸风冷。也有用油泵将热油送入冷却器，冷却后的油再被送回变压器，称为强迫油循环冷却。1.4.5保护装置1、储油柜为了防止受潮和氧化，希望油箱内部与外界空气隔离，但又不能密封。因为变压器工作时，变压器油受热而膨胀，严重时会胀坏油箱，因此要留一个透气口，使箱内的空气被逐出；而当变压器空载或不工作时，变压器油又会冷却而收缩，把箱外含有潮气