變壓器的各部件工作介紹

　　變壓器的構造及各部件的作用

 

　　變壓器主要由鐵芯、繞組、油箱、油枕以及絕緣套管、分接開關和氣體繼電器等組成。其各部分的功用如下。

 

　　(1)鐵芯。鐵芯是變壓器的磁路部分；為了降低鐵芯在交變磁通作用下的磁滯和渦流損耗，鐵芯采用厚度為0.35mm或更薄的優質硅鋼片疊成。目前廠泛采用導磁系數高的冷軋晶粒取代硅鋼片，以縮小體積和重量，也可節約導線和降低導線電阻所引起的發熱損耗。鐵芯包括鐵芯柱和鐵軛兩部分。鐵芯柱上套繞組，鐵軛將鐵芯柱連接起來，使之形成閉合磁路。按照繞組在鐵芯中的布置方式，變壓器又分為鐵芯式和鐵殼式(或簡稱芯式和殼式)兩種。單相二鐵芯柱。此類變壓器有兩個鐵芯柱，用上、下兩個鐵軛將鐵芯柱連接起來，構成閉合磁路。兩個鐵芯柱上都套有高壓繞組和低壓繞組。通常，將低壓繞組放在內側，即靠近鐵芯，而把高壓繞組放在外側，這樣易于符合絕緣等級要求。鐵芯式三相變壓器有三相三鐵芯柱式和三相五鐵芯柱式兩種結構。三相五鐵芯柱式(或稱三相五柱式)也稱三相三鐵芯柱旁軛式，它是在三相三鐵芯柱(或稱三相三柱式)外側加兩個旁軛(沒有繞組的鐵芯)而構成，但其上、下鐵軛的截面和高度比普通三相三柱式的小。從而降低了整個變壓器的高度。三相三鐵芯柱，它是將三相的三個繞組分別放在三個鐵芯柱上，三個鐵芯柱也由上、下兩個鐵軛將芯柱連接起來，構成閉合磁路。繞組的布置方式同單相變壓器一樣。三相五鐵芯柱，它與三相鐵芯相比較，在鐵芯柱的左右兩側多了兩個分支鐵芯柱，成為旁扼。各電壓級的繞組分別按相套在中間三個鐵芯柱上，而旁軛沒有繞組，這樣就構成了三相五鐵芯柱變壓器。由于三相五柱式鐵芯各相磁通可經旁軛而閉合，故三相磁路可看作是彼此獨立的，而不像普通三相三柱式變壓器各相磁路互相關聯。因此當有不對稱負載時，各相零序電流產生的零序磁通可經旁軛而閉合，故其零序勵磁阻抗與對稱運行時勵磁阻抗(正序)相等。中、小容量的三相變壓器都采用三相三柱式。大容量三相變壓器．常受運輸高度限制，多采用三相五柱式。鐵殼式單相變壓器，具有一個中心鐵芯柱和兩個分支鐵芯柱(也稱旁軛)，中心鐵芯柱的寬度為兩個分支鐵芯柱寬度之和。全部繞組放在中心鐵芯柱上，兩個分支鐵芯柱好像“外殼”似的圍繞在繞組的外側，因而有殼式變壓器之稱。有時亦稱其為單相三柱式變壓器。鐵殼式三相變壓器，其鐵芯可以看作由三個獨立的單相殼式變壓器并排放在一起而構成。芯式變壓器結構比較簡單，高壓繞組與鐵芯的距離較遠，絕緣容易處理。殼式變壓器的結構比較堅固，制造工藝比較復雜，高壓繞組與鐵芯柱的距離較近，絕緣處理較困難。殼式結構易于加強對繞組的機械支撐，使其能承受較大的電磁力，特別適用于通過大電流的變壓器。殼式結構也用于大容量電力變壓器。在大容量變壓器中，為了使鐵芯損耗發出的熱量能被絕緣油在循環時充分地帶走，從而達到良好的冷卻效果，通常在鐵芯中設有冷卻油道。冷卻油道的方向可以做成與硅鋼片的平面平行或垂直。(1)繞組。1)繞組在鐵芯上相互間的布置形式。變壓器的繞組，按其高壓繞組和低壓繞組在鐵芯上的布置，有兩種基本形式：同心式和交疊式。同心式繞組，高壓繞組和低壓繞組均做成圓筒形，但圓筒的直徑不同，然后同軸心地套在鐵芯柱上。交疊繞組，又稱為餅式繞組，其高壓繞組和低壓繞組各分為若干線餅，沿著鐵芯柱的高度交錯排列著。交疊繞組多用于殼式變壓器。芯式變壓器一般都采用同心式繞組。通常低壓繞組裝得靠近鐵芯，高壓繞組則套在低壓繞組的外面，低壓繞組與高壓繞組之間以及低壓繞組與鐵芯之間都留有一定的絕緣間隙和散熱油道，并用絕緣紙筒隔開。同心式繞組根據繞制特點又可分為圓筒式、螺旋式、連續式和糾結式等幾種型式。(a)圓筒式繞組。圓筒式繞組是最簡單的一種繞組，它是用絕緣導線沿鐵芯高度方向連續繞制，繞制完第一層后．墊上層間絕緣紙再繞第二層。這種繞組一般用于小容量變壓器的低壓繞組。(b)螺旋式繞組。上述圓筒式繞組實際上也是螺旋式的，不過這里所講的螺旋式繞組，每匝并聯的導線數較多，是由多根絕緣扁導線沿著徑向并聯排列(一根壓一根)，然后沿鐵芯柱軸向高度像螺紋一樣一匝跟著一匝地繞制而成，一匝就像一個線盤。螺旋式繞組當并聯導線太多時，就把并聯導線分成兩排，繞成雙螺旋式繞組。為了減小導線中的附加損耗，繞制螺旋式繞組時，并聯導線要進行換位。這種繞組一般為三相容量在800kVA以L、電壓在35kV以下的大電流繞組。(c)連續式繞組。連續式繞組是用扁導線連續繞制成若干線盤(也稱線餅)構成，相鄰線盤間的連接是交替地在繞組的內側和外側，都用繞制繞組的導線自然連接，沒有任何接頭。這種繞組應用范圍較大，一般用于三相容量為630kVA以上、電壓為3———110kV的繞組。(d)糾結式繞組。糾結式繞組的外形與連續式相似，主要不同的是，連續式繞組的每個線盤中電氣上相鄰的線匝是依次排列的，而糾結式繞組電氣上相鄰的線匝之間插入了繞組中的另一線匝，以便實際相鄰的匝間電位差增大。糾結式繞組焊頭多、繞制費時。采用糾結式繞組的目的是為了增加繞組的縱向電容，以便在過電壓時，起始電壓比較均勻地分布于各線匝之間。糾結式繞組一般用于電壓在110kV以上的高壓繞組。繞組是變壓器運行時的主要發熱部件，為了使繞組有效地散熱，除繞組縱向內、外側設有油道外，對雙層圓筒形繞組，在其內、外層之間，多用絕緣的撐條隔開，以構成縱向油道；對線餅式繞組，例如螺旋式、連續式、糾結式等繞組，每兩個線餅之間也用絕緣板條隔開，構成橫向油道?？v向和橫向油道是互相溝通的。2)繞組結構型式(a)普通變壓器繞組結構型式。變壓器按其每相繞組數分，有雙繞組、三繞組或更多繞組的型式。三繞組變壓器在每個鐵芯柱上同心排列著三個繞組，即高壓繞組、中壓繞組、低壓繞組。升壓變壓器常用于功率流向由低壓繞組傳送到高壓電網和中壓電網，其繞組布置為中壓繞組靠近鐵芯，高壓繞組在最外層，低壓繞組處于中壓繞組與高壓繞組之間。降壓變壓器結構為低壓繞組靠近鐵芯，中壓繞組處于低壓繞組與高壓繞組之間，高壓繞組仍放在最外層，常用于功率流向由高壓傳送至中壓和低壓。600MW機組的啟動兼備用變壓器，當高壓和兩級中壓(17．5kV與3kV)繞組均為Y接線時，為提供變壓器三次諧波電流通路，保證主磁通接近于正弦波，改善電動勢的波形，常在該變壓器上設有第四個Δ接線的繞組，即成為四繞組的變壓器。(b)分裂變壓器繞組結構型式。大容量機組(單機200MW及以上)的廠用電系統，當只采用6kV一級廠用高壓時，為安全起見，主要廠用負荷需由兩路供電而設置兩段母線，這時常采用分裂低壓繞組變壓器，簡稱分裂變壓器。它有一個高壓繞組和兩個低壓繞組，兩個低壓繞組稱為分裂繞組。實際上這種變壓器是一種特殊結構的三繞組變壓器。分裂繞組變壓器的結構特點是，繞組在鐵芯上的布置應滿足兩個要求：①兩個低壓分裂繞組之間應有較大的短路阻抗：②每—分裂繞組與高壓繞組之間的短路阻抗應較小，且應相等。(c)自耦變壓器繞組結構型式。自耦變壓器常在某些大型發電廠、變電所中應用，用于連接電壓級差不大的兩個高壓統。自耦變壓器的工作原理與普通變壓器有所不同。自耦變壓器的兩個繞組之間不僅有磁的聯系，而且還有電路上的直接聯系。高壓繞組由公共繞組(低壓繞組)和串連繞組構成。通過自耦變壓器傳輸的功率也由兩部分組成，一部分是通過串聯繞組由電路直接傳輸，另一部分通過公共繞組由電磁感應傳輸。為了消除三次諧波，以及減小自耦變壓器的零序阻抗以穩定中性點電位，在三相自耦變壓器中，除公共繞組和串連繞組外，一般還增沒了一個接成三角形的第三繞組。第三繞組與公共繞組、串連繞組之間只有磁的聯系，沒有電路上的直接聯系。自耦變壓器第三繞組通常制成低壓6———35kV，除用于消除三次諧波外．還可用于對附近地區供電，或者用于連接調相機或補償電容器等。(3)油箱。油浸式變壓器的器身(繞組及鐵芯)都裝在充滿變壓器油的油箱中，油箱用鋼板焊成。中、小型變壓器的油箱由箱殼和箱蓋組成，變壓器的器身就放在箱殼內，將箱蓋打開就可吊出器身進行撿修。大、中型變壓器，由于器身龐大和笨重，起吊器身不便，都做成箱殼可吊起的結構。這種箱殼好一只鐘罩，當器身要檢修時，吊去較輕的箱殼，即上節油箱，器身便全部暴露出來了。大容量變壓器的油箱廣泛采用全封閉結構，即主油箱與油箱頂部鋼板之間或上節油箱與下節油箱之間都采用焊接焊死，不使用密封墊，以防止密封不牢靠。為便于檢修，在適當部位開有入孔門或手孔門。(4)油枕。油枕又叫儲油柜，是一種油保護裝置，它是山鋼板做成的圓桶形容器，水平安裝在變壓器油箱蓋上，用彎曲聯管與油箱連接。油枕的一端裝有一個油位計(油標管)，從油位計中可以監視油位的變化。油枕的容積一般為變壓邪油箱所裝油體積的8％—10％。當變壓器油的體積隨著油的溫度膨脹或縮小時，油枕起著儲油及補油的作用，從而保證油箱內充滿油。同時由于裝了油枕，使變壓器油縮小了與空氣的接觸面，減少了油的劣化速度。大型變壓器常用密封式油枕，有以下兩種結構。1)隔膜式油枕。隔膜式油枕采用薄膜(隔膜)使油與大氣隔離。油枕為水平圓柱體，在中分面的法蘭夾著一層薄膜，把油枕內部空間分隔成上、下兩部分，薄膜以下是變壓器油，薄膜以上是空氣。薄膜的材料是尼龍布上覆蓋著腈基丁二烯橡膠，具有極低的透氣性和較高的抗油性及低溫適應性(—43℃)。薄膜壽命在60℃油溫驅動薄膜10萬次后仍正常。油枕的油箱能承受全真空，因此在油枕安裝好后，仍能實現真空注油。薄膜的空氣側接有一個呼吸器與大氣連通。2)膠囊式油枕。膠囊式油枕是在油枕內油的表面上側空間使用一個合成橡膠制的容器，橡膠容器內無油，而油枕內的其余空間都充滿變壓器油。橡膠容器的形狀使之能通過其形狀變化適應油的熱脹冷縮引起的油位變化。由于該橡膠容器是由有優良的耐油性和耐氣候作用、機械強度高的腈系橡膠制成，所以該裝置在長期運轉中有足夠的可靠性。在橡膠容器內，空氣通過吸濕過濾式呼吸器與外界空氣相通，以防止容器變質．并在橡膠容器內始終保持大氣壓。此外，由于橡膠容器底部被制造成與當時油量相符的水平狀，所以其底部被油位計指示為油位。(5)呼吸器。呼吸器又稱吸濕器，通常由一管道和玻璃容器組成，內裝干燥劑(硅膠或活性氧化鋁)。當油枕內的空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小時，排出或吸人的空氣都經過呼吸器，呼吸器內的于燥劑吸收空氣中的水分，對空氣起過濾作用，從而保持油的清潔。浸有氯化鉆的硅膠，其顆粒在于燥時是藍色的，但是隨著硅膠吸收水分接近飽和時，粒狀硅膠就轉變成粉白色或紅色，據此可判斷硅膠是否已失效。受潮后的硅膠可通過加熱烘干而再生，當硅膠顆粒的顏色變成鈷藍色時，再生工作就完成了。(6)壓力釋放裝置。壓力釋放裝置在保護電力變壓器方面起重要作用。充有變壓器油的電力變壓器，如果內部出現故障或短路，電弧放電就會在瞬間使油汽化，導致油箱內壓力極快升高。如果不能極快釋放該壓力，油箱就會破裂，將易燃油噴射到很大的區域內，可能引起火災，造成更大破壞，因此必須采取措施防止這種情況發生。壓力釋放裝置有防爆管和壓力釋放器兩種，防爆管用于小型變壓器，壓力釋放器用于大、中型變壓器。1)防爆管(又稱噴油管)。防爆管裝于變壓器的頂蓋上，喇叭形的管子與油枕或大氣連接，管口由薄膜封住。當變壓器內部有故障時，油溫升高，油劇烈分解產生大量氣體，使油箱內壓力劇增。當油箱內壓力升高至50000Pa時，防爆管薄膜破碎，油及氣體由管口噴出，防止變壓器的油箱爆炸或變形。2)壓力釋放器。壓力釋放器與防爆管相比，具有開啟壓力誤差小、延遲時間短(僅2ms，)、控制溫度高、能重復動作使用等優點，故被廣泛應用于大、中型變壓器上。壓力釋放器也稱減壓器，它裝在變壓器油箱頂蓋上，類似鍋爐安全閥。當油箱內壓力超過規定值時，壓力釋放器密封門(閥門)被頂開，氣體排出，壓力減小后，密封門靠彈簧壓力又自行關閉?？稍趬毫︶尫抛锿度肭盎驒z修時將其拆下來測定和校正其動作壓力。壓力釋放器動作壓力的調整，必須與氣體繼電器動作流速的整定相協調。如壓力釋放器的動作壓力過低，可能會使油箱內壓力釋放過快而導致氣體繼電器拒動，擴大變壓器故障范圍。它利用一個可調節的彈簧壓住閥盤(盤狀門)，當油箱內部的壓力高于彈簧壓力時，閥蓋被頂起，即排氣閥打開。正常狀態下，油箱內壓力作用到閥盤上的總推力是閥盤內密封環(直徑較小)的總面積上的壓力。一旦閥盤起座(頂起)，作用在閥盤上的總推力是閥盤外密封環的總畫積上的壓力，閥盤起座力更大。因此，一旦閥盤起座，就能在幾毫秒之內達到全開。罩蓋中裝有編號顏色鮮明的動作指示器，閥盤打開時，將動作指示器上端推至露出罩外，并利用指示器套管的環將其保持在開啟位置，在較遠處仍清晰可見，表示它已動作。該指示器只可手動復位，方法是將其推至落在閥盤上。壓力釋放器動作后，其觸點動作，此觸點可以與氣體繼電器跳閘觸點并聯，作用于變壓器跳閘，以防止壓力釋放器動作將壓力釋放以后使氣體繼電器拒動而發不出跳閘命令。但《電力變壓器運行規程DL／T572—1995》規定：變壓器的壓力釋放器觸點宜作用于信號。這主要是考慮到，變壓器壓力釋放器能反映內部壓力的突變；但是，由于該裝置不同于壓力繼電器，在結構和可靠性上還有一些問題，曾發生接跳閘后的誤動，因此規程規定宜作用于信號。壓力釋放器安裝在油箱蓋上部，一般還接有一段升高管使釋放器的高度等于油枕的高度，以消除正常情況下油壓靜壓差。(7)散熱器(又稱為冷卻器、散熱翅)。散熱器形式有瓦楞形、扇形、圓形、排管等，散熱面積越大，散熱的效果就越好。當變壓器上層油溫與下部油溫產生溫差時，通過散熱器形成油的對流，經散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器溫度的作用。為提高變壓器的冷卻效果，可采用風冷、強迫風冷和強油水冷等措施。(8)絕緣套管，：變壓器繞組的引出線從箱內穿過油箱引出時，必須經過絕緣套臂，以使帶電的引線絕緣。絕緣套管主要由中心導電桿和瓷套組成。導電桿在油箱內的一端與繞組連接，在外面的—端與外線路連接。絕緣套管的結構主要取決于電壓等級。電壓低的一般采用簡單的實心瓷套管。電壓較高時，為了加強絕緣能力，在瓷套和導電桿間留有一道充油層，這種套臂稱為充油套管，電壓在110kV以上，采用電容式充油套管，簡稱為電容式套管。電容式套管除了在瓷套內腔中充油外，在中心導電桿(空心銅管)與法蘭之間，還有電容式絕緣體包著導電桿，作法蘭與導電桿之間的主絕緣。(9)分接開關(又稱切換器)。分接開關是調整變壓比的裝置。雙繞組變壓器的一次繞組及三繞組變壓器的一、二次繞組一般有3個、5個、7個或19個分頭位置。分接頭的中間分頭為額定電壓的位置。3個分接頭的相鄰分頭電壓相差5％，多個分頭的相鄰分頭電壓相差2．5％或1.25％。操作部分裝于變壓器頂部，經傳動桿伸人變壓器的油箱。根據系統運行的需要，按照指示的標記，來選擇分接頭的位置。變壓器的調壓裝置分為無載調壓和有載調壓兩種方式。無載分接開關，是在不帶電情況下切換，其結構筒單。有載分接開關，是在不停電情況下切換，為了在切換過程中不致造成兩切換抽頭間線匝短路，必須接人一個過渡電路，通常利用一個電阻或電抗跨接在切換器的兩抽頭之間作為過渡。因此，有載分接開關包括過渡電路．結構較復雜．但其切換分接頭可在帶負荷下進行，故在電力系統中被廣泛采用。(10)氣體繼電器(又稱瓦斯繼電器)。氣體繼電器是變壓器的主要保護設施，它可以反映變壓器內部的各種故障及異常運行情況，如油位下降、絕緣擊穿、鐵芯、繞組等受潮、發熱或放電故障等，且功作靈敏迅速，結構連線簡單，維護檢修方便。氣體繼電器裝設于變壓器油箱與油枕之間的連管上，繼電器上的箭頭方向應指向油枕，并要求有1％—1.5％的安裝坡度，以保證變壓器內部故障時所產生的氣體能順利地流向氣體繼電器。氣體繼電器按保護對象分為用于變壓器本體保護和用于有載調壓變壓器閘箱保護兩種類型。目前QJ1——80型擋板式氣體繼電器常用于變壓器本體保護。當變壓器內部出現輕微故障時，則因油分解而產生的氣體聚積于繼電器上部，當氣體總量達到250～300cm3時，繼電器內輕瓦斯觸點接通發出報警信號。如果變壓器內部故障嚴重，則出現強烈的油氣流，沖動繼電器內擋板，使重瓦斯觸點閉合，接通開關跳閘電路，切斷變壓器電源。QJ1——一50型擋板式氣體繼電器常用于有載分接開關閘箱(附加油箱)保護。該閘箱與主油箱不連通，內裝有載調壓開關。氣體繼電器若具有一對觸點時，直接作用于跳閘。若具有兩對觸點時，則是輕、重瓦斯各用一對，分別作用于報警和跳閘。浮子式氣體繼電器制造廠已停止生產。除了擋板式瓦斯繼電器外，某些大型發電廠主變壓器上還裝有一種名為皮托管式瓦斯繼電器，其構造原理與一般的瓦斯繼電器不同，它能防止由于地震而引起的誤動作。其特點是，反應重瓦斯動作的是利用皮托管”原理，即測量油流的動壓和靜壓，將動壓和靜壓引到一個膜盒的兩側，當壓力差達到整定值時，膜盒變形，帶動微動開關，發出跳閘脈沖。因此，它反應流速，不反應振動。而反應輕瓦斯部分的原理及結構，則與一般瓦斯繼電器相同?！峨娏ψ儔浩鬟\行規程》DL／T572—1995規定，安裝在地震裂度為七級及以上的地區的變壓器，應裝用防震型氣體繼電器。(11)凈油器(又稱溫差過濾器)；凈油器是一個充滿吸附劑(硅膠或活性氧化鋁)的容器，它安裝在變壓器油箱的側壁或強油冷卻器的下部。在變壓器運行時，由于上、下油層之間的溫差，變壓器油從上向下經過凈抽器形成對流。油與吸附劑接觸，其中的水分、酸和氧化物等被吸收，使油質清潔，延長油的使用壽命。當使用硅膠時，其質量為變壓器油質量的1％；用活性氧化鋁時，其質量為變壓器油質量的0．5％。(12)絕緣。變壓器的內部絕緣分主絕緣和縱向絕緣兩大部分。主絕緣是指繞組對地之間、相間和同一相而不同電壓等級的繞組之間的絕緣，主絕緣主要采用油—隔板絕緣結構，這種結構通常采用加覆蓋層、包絕緣層及隔板油隙形成；縱向絕緣是指同一電壓等級的一個繞組，其不同部位之間，例如層問、匝間、繞組與靜電屏之間的絕緣。