第三章变压器

第三章变压器第一节概述变压器是发电厂和变电所重要的电器设备之一。它不仅能够实现电压的转换，以利于远距离输电和方便用户使用；而且能实现系统联络并改善系统运行方式和网络结构，以利于电力系统的稳定性、可靠性和经济性。变压器是构成电力网的主要变配电设备，起着传递、接受和分配电能的作用。在发电厂中，将发电机发出的电能经过变压器升压后并入电力网，称这种升压变压器为主变压器；另一种是分别接于发电机出口或电力网中将高电压降为用户电压，向发电厂厂用母线供电的变压器，称这种变压器为厂总变压器（简称厂总变）和启动备用变压器（简称启备变）。所用的变压器均为电力变压器。按单台变压器的相数来区分，电力变压器可分为三相变压器印单相变压器。在三相电力系统中，一般使用三相变压器。当容量过大受到制造条件或运输条件限制时，在三相电力系统中也可由三台单相变压器连接成三相组使用。随着单机容量的增大，人们在机组的接线方式选择时，一般都采用发电机变压器组的单元接线。即将每台汽轮发电机和一台变压器直接连接作为一个单元，这样接线非常简单。当任一台机组发生异常和故障时对其他机组没有影响，同时也使机、电、炉的集中单元控制成为可能，便于运行人员的调节、监视和事故处理。其中变压器(常称为主变)的容量通常超过700MVA，因此多采用三相变压器，也有采用由三台单相交压器接成三相组的，如平纡电厂中的主变就是由三台240MVA的单相变压器接成的三相组。电力变压器按其每相绕组数分，有双绕组、三绕组或更多绕组的等型式。双绕组变压器是适用性强、应用最多的一种变压器。三绕组变压器常在需要把三个电压等级不同的电网相互连接时采用。例如，系统中220、ll0、35kV之间有时就采用三绕组变压器来连接；600Mw发电机的厂用工作电源都由发电机出口支接，当厂用高压为10.5kV和3kv二个电压等级时，也常采用三绕组变压器。电力变压器，为了加强绝缘和改善散热，其铁芯和绕组都一起浸入充满变压器油的油箱中，故称为油浸式变压器。此外，还有一类电压不高的、无油的干式变压器，适用于需要防火等场合。在600MW机组厂房内的厂用低压变压器，就出于防火要求而普遍采用干式变压器。第二节变压器的分类和型号一、变压器的基本工作原理变压器是应用电磁感应原理来进行能量转换的，其结构的主要部分是两个（或两个以上的）互相绝缘的绕组，套在一个共同的铁心上，两个绕组之间通过磁场而耦合，但在电的方面没有直接联系，能量的转换以磁场做媒介。其中一个绕组接至交流电源，称为一次绕组；另一个绕组接负载，称为二次绕组。当一次绕组接入交流电压u1时，一次绕组中有交变电流i1流过，并在铁芯中产生交变磁通φ，其频率与电源电压频率相同。铁芯中的交变磁通同时交链一次二次绕组，根据电磁感应定律，分别在一次二次绕组中产生交变的感应电动势e1和e2。当感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系时，它们之间的关系为：45212121NNeeuu==式中N1------一次绕组匝数；N2------二次绕组匝数。交变磁通在绕组中的感应电动势与绕组的匝数成正比。一般情况下N1≠N2,所以e1≠e2。如果忽略一些次要因素，可以认为e1=u1,e2=u2，因此可得u1≠u2,这就实现了交换电压的目的。二、分类和型号1．变压器的分类变压器种类按用途可分为电力变压器和特殊用途变压器两大类：（1）电力变压器按单台变压器的相数来分，电力变压器可分为三相变压器和单相变压器。在三相系统中，一般使用三相变压器。当容量过大受到制造条件或运输条件限制时，在三相电力系统中也可由三台单相变压器组联结成三相组使用。按电力变压器的每相绕组分，有双绕组、三绕组或多绕组等形式。双绕组变压器是适用性强、应用最多的一种变压器。三绕组变压器常在需要把三个电压等级不同的电网相互连接时采用。例如：系统中220、110、35KV之间有时就采用三绕组变压器来连接。还有分裂绕组变压器、自耦变压器等。按用途可分为升压变压器、降压变压器和联络变压器；按冷却方式分为干式空冷变压器、油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、强迫油循环风冷变压器和强迫油导向循环水冷变压器等。由于发电厂出口没有断路器，因此玉环发电厂在变压器选择时均采用双圈变压器作为升压主变，而不选择三圈变压器。（2）特殊用途变压器特殊用途变压器是根据不同用户的具体要求而设计制造的专用变压器。它主要包括：整流变压器、电炉变压器、试验变压器、矿用变压器、船用变压器、中频变压器、测量变压器和控制变压器等。2．变压器的额定参数（1）额定容量nS变压器额定容量是指变压器额定工况下的视在功率，单位用VA、kVA或MVA表示，我国变压器容量大多采用R8或R10容量系列。（2）额定电压及nU1nU2nU1是变压器一次侧额定电压。是指当变压器一次侧施加额定电压时，二次侧开路时的电压。对三相变压器，额定电压均指线电压，单位用V或kV表示。nU2nU1（3）额定电流及nI1nI2nI1及是指在额定电压下，有发热和冷却条件所决定的一次、二次绕组允许长期通过的最大电流。对三相变压器，额定电流均指线电流，单位用A或kA。nI2nU1对单相变压器nI1=/nSnU146nI2=/nSnU2对三相变压器=nI1nS/3nU1nI2=/nS3nU2（4）额定频率nf我国的工业用电额定频率为50Hz。另外，在电力变压器的铭牌上还常列有：额定效率nη(%)、额定温升nτ(℃)、短路电压(%)、连接组别等。du第三节主变压器的技术特点及运行主变压器是发电厂发出的电能输入电网必不可少的重要环节,其安全性、可靠性有严格的要求。变压器选型应按生产运行的实际需要和有关标准的规定,对其型式、额定容量、接线组别、调压方式和范围、电压比、短路阻抗及其允许误差等方面按照技术经济合理的原则提出技术要求。变压器的整个器身应组成一个刚性结构,对铁芯柱应用环氧粘接带并采用专用设备绑扎,另设有上部、下部和铁芯两侧的固定装置。采用整体套装工艺,绕组的内部均设有整体硬纸筒。在绕组的上下部安装有整体大压环,有效增强器身的强度,从而提高变压器的抗短路能力。导线应普遍采用高强度自粘性换位导线、半硬自粘性换位导线或高强度组合导线(外绕组),提高导线的屈服强度,增强导线自身的刚性和强度。为确保内绕组不出现径向失稳现象,应主要依靠导线自身的刚性和强度,即以绕组自支持为基础来抵抗变形。同时还应采取增加导线宽度、减小电流密度等措施来减小短路力,提高绕组抗变形能力。绝缘件(包括端圈垫块及线圈垫块)应采用优质高密度绝缘纸板和成型绝缘件,以增加其电气和机械强度。保证绝缘压板承受的总压力并使在短路时绕组轴向尺寸变形最小,增强抗短路时产生的轴向力的能力。铁芯应选用低磁滞损耗、高导磁率、晶粒定向优质冷轧硅钢片。连接线应采用特殊的、由紫铜板和非导磁合金双金属材料,限制绕组大电流产生的部分漏磁通。一、结构变压器的基本结构部件是铁芯和绕组，将这两部分装配在一起就构成变压器的器身。油浸式变压器通常将器身镶在充满变压器油的油箱里。油箱外还有冷却装置、出线装置和保护装置等。以一双绕组油浸式电力变压器为例，主要包括：1.铁芯铁芯是变压器的磁路部分，铁芯上套有绕组的部分叫铁芯柱，连接铁芯柱的部分叫铁轭。铁芯的基本结构有两种类型，一种芯式，它的特点是绕组套在铁芯柱上，铁轭只盖住绕组的端面；另一种是壳式，它的特点是铁芯柱和铁轭包围着绕组。电力变压器一般采用芯式铁芯。为了减少励磁电流，降低交变磁通在铁芯中引起的涡流损耗和磁滞损耗，变压器的铁芯采用导磁性良好的硅钢片叠成。硅钢片的厚度一般是0.35mm或0.5mm,叠装硅钢片时，常采用交错式装配47方法。随着电力工业的迅速发展，节约能源已成为国际上研究的重要课题。在国外，电工钢片正逐渐被非晶合金、高硅材料和薄片材料取代。目前国内采用的是优质Q147-30型冷轧晶粒取向硅钢片，采用45°全斜接缝叠装。2.绕组变压器绕组是由圆截面或矩形截面导线绕制而成，呈圆筒形状。现代大容量的变压器均采用铜制作导线，导线外面的绝缘是纸或漆、天然丝、玻璃丝、棉纱等。绕组的内架是用酚醛纸板制作的圆筒，高、低压绕组则是同心套装在一个铁芯柱上，为节约绝缘材料，一般将低压绕组排列在靠近铁芯处，而高压绕组在低压绕组的外侧。以华东电网平圩电厂主变压器为例，其主变压器的布置是低压绕组在内侧，高压绕组在外侧。高压绕组为饼式绕组分级绝缘，导线全换位。为了改善冲击电压下的电压分配梯度，采用了所谓“CC防护结构”专利，其目的是增加绕组间的电容。高压绕组分为上下两段，中间为出线，上端为中性点两段并联，无载分接的抽头是在高压绕组的中性点侧，低压侧为换位螺旋绕组，其接线见图3-3-1（a），高、低压之间的主绝缘为绝缘纸筒及油道。导向的油流从高、低压绕组间的油道下部进入，通过轴向挡油板，分别以径向流过高、低压绕组的饼间油道，再以轴向和径向曲折向上，从顶部排出热油，见图3-3-1（b）。3.分接开关电力变压器的高压绕组常有几个抽头，称它们为分接头。不同的分接头对应不同的绕组匝数，这些分接头与分接开关相连。需要改变电网电压时，通过分接开关接通不同的分接头，以改善绕组的匝数来进行调压。4.油箱及变压器油变压器的器身放在装有变压器箱内。变压器油是从石油中提炼出来的优质矿物油。在油浸式变压器中，变压器油既是绝缘介质又是冷却介质，因此对变压器油的质量有较高的要求。变压器的油箱都是采用钢板焊接成的，其结构要求具有一定的机械强度，除应满足变压器在运行时的散热冷却要求上，还应满足变压器在检修和运输时的一些要求。中、小型变压器多采用吊器身式油箱，而大、中型变压器（器身重量大于15吨）则广泛采用吊箱壳式油箱。根据变压器的容量和散热要求，可采用平板式油箱、管式油箱、散热器式油箱和专门油冷却器式油箱等。平圩电厂的主变压器轨距为2m，90º转向后的轨距为1.435m，高压绕组出线从箱体腰部水平引出,再转90º垂直向上在升高座上安装500kV高压套管。高压中性套管电压为110kV等级,位于箱体顶部。图3-3-1平圩电厂主变压器高低压绕组结构图1—低压绕组；2—铁芯；3—外围屏；4—高压绕组；5—挡油板；6—进油口485.其他附件（1）低压瓷套管。变压器的引出线从油箱中穿过油箱盖时，必须经过绝缘瓷套管，是带电的引出线和接地的油箱绝缘。（2）储油柜。储油柜又叫油枕，通过连通管与油箱相通，其作用是保证油箱内始终充满变压器油，用以减少油与空气的接触面积，从而降低变压器油受潮和老化的速度，使变压器油具有良好的性能。（3）吸湿器。吸湿器又叫呼吸器，通过它吸气和排气，使储油柜与大气连通。内装有硅胶，可吸取空气中的水分。（4）安全气道。安全气道又叫防爆管。它是一个长钢筒，出口装有玻璃或酚醛纸板，下部与油箱连通。其作用是当变压器内发生严重故障时，箱内的油产生很大的压力，气流可冲破玻璃或酚醛纸板而向外喷出，以降低油箱内的压力，防止油箱爆炸。（5）瓦斯继电器。在储油柜与油箱的连通管道上装有瓦斯继电器，是变压器内部故障的保护装置。（6）散热器。为了保证变压器安全运行，必须采取散热措施。容量大于20KA的变压器，在油箱壁上装有为增加散热面积用的散热管。容量更大的变压器，则装有强迫风冷的散热器、强迫有循环风冷的冷却器和强迫有导向循环水冷的冷油器等。二、冷却装置油浸式电力变压器的冷却系统包括两部分：一为内部冷却系统，它保证绕组、铁芯的散热入油中；二为外部冷却系统，保证油中的热散到变压器外。按变压器的冷却方式，冷却系统可分为：油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油循环风冷式、强迫油循环水冷式等几种。（一）油浸自冷式油浸自冷式冷却系统没有特殊的冷却设备。油在变压器内自然循环，铁芯和绕组所发出的热量依靠油的对流作用传至油箱壁或散热器。这种冷却系统的外部结构又与变压器容量有关，容量很小的变压器采用结构最简单的、具有平滑表面的油箱；容量稍大的变压器采用具有散热管的油箱，即在油箱周围含有许多与油箱连通的油管（散热管）；容量更大些的变压器，为了增大油箱的冷却表面，则在油箱外加装若干散热器，散热器就是具有上、下联箱的一组散热管，散热管通过法兰与油箱联结，是可拆部