变压器的结构原理及故障查询

1、指导专工指导专工-王恩杰王恩杰一，变压器的用途一，变压器的用途 变压器室一种静止的电能变换装置，它利用变压器室一种静止的电能变换装置，它利用电磁感应原理电磁感应原理，把一种把一种形式的交流电能转换为另一种形式的同频率的交流电能形式的交流电能转换为另一种形式的同频率的交流电能。变压器只能。变压器只能多交流电的电压、电流进行变换，多交流电的电压、电流进行变换，不能改变交流电的频率不能改变交流电的频率。 变压器除了在电力系统中应用外，在其他场合用途也较广，如用于变压器除了在电力系统中应用外，在其他场合用途也较广，如用于整流设备、电炉、高压试验装置和煤矿井下等特种变压器，用于交流整流设备、电炉、高压试

2、验装置和煤矿井下等特种变压器，用于交流电能测量的各种仪用互感器，试验室用的调压器等。电能测量的各种仪用互感器，试验室用的调压器等。 变压器的分类：一般来讲，变压器可按照其用途、结构、相数、冷却方式和冷却介质进行分类。1.按用途分主要有：电力变压器、调压器、仪用互感器、特种用途变压器等。2.按相数分主要有：单相变压器、三相变压器。3.按绕组数目分主要有：自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器。4.根据铁芯结构不同，变压器可分为：心式变压器、壳式变压器。5.按冷却介质和冷却方式，变压器可分为：空气冷却的干式变压器及油为冷却介质的油浸式变压器。 下图是我们常见的两种变压器：干式变压器油浸式变压器变压

3、器的基本结构：变压器主要由：铁芯、绕组、变压器油、有想及附件等组成。铁芯和绕组是变压器的主要部件，成为器身；油箱作为变压器的外壳，起冷却、散热和保护作用；变压器油即起冷却的作用，也起绝缘介质的作用，套管主要起绝缘作用。1.铁芯 铁芯是变压器中导磁的主磁路，也是变压器绕组的机械骨架，铁芯采用导磁效率高，磁滞和涡流损耗小的软磁材料制成，目前变压器铁芯大多采用厚度为0.23-0.35mm的冷轧硅钢片叠压而成，以减小铁损。铁芯由铁芯柱和磁轭两部分组成，其中套装绕组的部分成为铁芯柱，连接铁芯柱以构成闭合磁路的部分为磁轭和铁轭。2.绕组绕组是变压器的电路部分，常采用有绝缘材料的铜导线绕制而成。为了使绕组便

4、于制造，并且具有较好的力学性能，一般把绕组做成圆筒形，高压绕组匝数多，导线细，低压绕组匝数少，导线粗。按照高低压布置方式的不用，绕组可分为同心式和交叠式，心式结构将高低压绕组同心的套装在铁芯柱上，低压侧靠近铁芯，高压侧绕组套装在低压绕组外侧，高低压绕组之间以及绕组与铁芯之间要可靠绝缘。3.变压器油及油箱变压器油即时绝缘介质也是冷却介质，由于油的绝缘性能比空气好，可以提高绕组的绝缘强度，同时，通过油箱中油的对流作用或强迫油循环流动，是绕组及铁芯中因功率损耗二产生的热量得到散逸，起到冷却作用。油箱的结构和变压器的容量有关，容量小的采用平板式油箱，容量大的在邮箱壁上增加散热管或散热器。4.附件储油柜

5、:减少油与空气的接触面积，以降低油的氧化速度和水分进入，储油柜的油量一般为油箱总油量的8%-10%。储油柜能容纳油箱中因温度过高而膨胀的变压器油，并限制变压器油与空气的接触面，减少油受潮和氧化的程度。在储油柜与油箱的连接管中装有气体继电器，当变压器内部发生故障产生气体或油箱漏油是油面下降时，他可以发出报警或跳闸信号以及自动切断变压器电源。安全气道：保护变压器油箱的作用套管：变压器的引线从油箱内引到油箱外时，使带电的引线与接地的油箱绝缘。套管由瓷质的绝缘套筒和导电杆组成。分接开关：用来调节绕组的分接头，一改变高压侧绕组的匝数达到调压的目的。变压器工作原理变压器的附件： 变压器的型号和额定数据变压

6、器的型号和额定数据额定容量额定容量SN：额定工作状态下的视在功率，用伏安（额定工作状态下的视在功率，用伏安（VA）等表示。）等表示。额定电压额定电压U1N/U2N:U1N是电源加到一次绕组上的额定电压是电源加到一次绕组上的额定电压，U2N是一次绕组加上额定电压后二次绕组开路即空载时是一次绕组加上额定电压后二次绕组开路即空载时二次绕组的端电压。对于三相变压器额定电压指线电压二次绕组的端电压。对于三相变压器额定电压指线电压 额定电流额定电流I1N、I2N：变压器额定容量分别除以原、副边额变压器额定容量分别除以原、副边额定电压所计算出来的线电流值定电压所计算出来的线电流值。 额定频率：额定频率：按我

7、国规定，工业用电按我国规定，工业用电50Hz。单相：单相：NNNNNIUIUS221133NNNNNIUIUS2211三相：三相：变压器工作原理与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组 用U1 ，I1，E1，N1表示;与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组 用U2，I2，E2 ，N2表示;同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为 Fm m ,该磁通量称为主磁通; 变压器原理图（图变压器原理图（图3-13-1） 变压器空载运行变压器空载运行1UmF1E2E20U2I 变压器各电磁量正方向变压器各电磁量正方向在同一支路内，电压与电流的正方向一致；在同一支路内，电压与电流的正方向一致；磁通正

8、方向与电流正方向之间符合右手螺旋关系；磁通正方向与电流正方向之间符合右手螺旋关系；感应电动势与磁通之间满足电磁感应定律。感应电动势与磁通之间满足电磁感应定律。dtdNeudtdNeuF FF F222111；变压器空载运行：变压器空载运行：变压器的一次绕组加上额定电压，二次绕组开路。变压器的一次绕组加上额定电压，二次绕组开路。1U0ImF1F1E2E20U1u0i100Nif 1semF F1sF F1e2e10ri1、主磁通、漏磁通、主磁通、漏磁通2、主磁通感应电动势、主磁通感应电动势主磁通按正弦规律变化，主磁通按正弦规律变化，tm sin F FF F)2 sin( cos ) sin(1

9、1111 tEtNtdtdNdtdNemmmF FF FF F)2 sin( cos ) sin(22222 tEtNtdtdNdtdNemmmF FF FF F感应电动势在感应电动势在相位相位上滞后于主磁通上滞后于主磁通90度电角度度电角度，其，其有效值有效值为：为：mmmmmmmmfNfNNEEfNfNNEEF FF FF FF FF FF F222221111144. 4222244. 42222 mmfNjEfNjEF FF F221144. 444. 43、漏磁通感应电动势、漏磁通感应电动势2sin2sin111111 tEtNdtdNemssssF FF Ftss sin11 F

10、FF F 1111111144. 42222sssmssfNfNNEEF FF FF F 2111ssNjEF F 00II0101IjXILjs 01112INLssF F一次绕组漏自感一次绕组漏自感11sLX 一次绕组漏电抗一次绕组漏电抗1210110101112)2(2sssNINININX F F 4、空载运行电压方程式、空载运行电压方程式10111RIEEUs1U0ImF1F1E2E20U220EU)(11011jXRIEU101ZIE11EUmfNEUF F11144. 421212144. 444. 4NNfNfNEEkmmF FF FIF F0 5、励磁电流、励磁电流变压器中磁

11、性材料的磁化曲线为非线性，变压器中磁性材料的磁化曲线为非线性， 在一定电压下，在一定电压下， 空载电流大小、空载电流大小、波形取决于饱和度波形取决于饱和度。 忽略空载损耗：忽略空载损耗：（1）当主磁通为正弦波时，）当主磁通为正弦波时， 磁路越饱和，磁路越饱和， 电流波形畸变严重。电流波形畸变严重。（2）励磁电流与主磁通同相位。）励磁电流与主磁通同相位。 I0r建立空载运行时的磁场建立空载运行时的磁场励磁电流励磁电流I0a 引起损耗引起损耗 变压器的负载运行变压器的负载运行变压器一次绕组接电源，变压器一次绕组接电源， 二次绕组接负载，称为二次绕组接负载，称为负载运行负载运行。1 负载时磁通势及一

12、、二次电流关系负载时磁通势及一、二次电流关系2E20U2I=01I1I)(222LLLjXRIZIU 负载时磁通势及一、二次电流关系负载时磁通势及一、二次电流关系102211NININI021FFF)(201FFF)(21201INNII)1(20IkILII0表明表明：变压器的一次电流分成两个分量，一个是励磁电流变压器的一次电流分成两个分量，一个是励磁电流 ，用来产生主磁通；另，用来产生主磁通；另一个是负载分量一个是负载分量 ，用来抵消二次绕组磁通势的作用。，用来抵消二次绕组磁通势的作用。0ILI)(221011NININI211IkI 负载时的二次电压电流的关系负载时的二次电压电流的关系

13、22222RIEEUs 变压器的基本方程式变压器的基本方程式22222IjXILjEss 222ZIE)(2222jXRI jELmZIUZEIIkIIkEEZIEUZIEU22100212122221111 等效电路等效电路T型等效电路型等效电路（1）电路中全部的量和参数都是每一相的值。一次侧为实际值，二次侧为）电路中全部的量和参数都是每一相的值。一次侧为实际值，二次侧为折合值。折合值。（2）等效的是稳态对称运行状态。）等效的是稳态对称运行状态。简化等效电路简化等效电路221212212121XkXXXXRkRRRRjXRZZZkkkkk变压器接线方式n变压器三相绕组接线有两种： 1、星形联

14、结 星形联结记作：“Y”或“y” 2、三角形联结 三角形联结记作：“D”或“d”我国三相变压器的标准连接组别 Y,yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。 Y,yn0：低压侧可引出中性线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。 Y，d11：用于低压侧超过400V、高压侧电压在35KV以下的场合。 YN，d11：用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧中性点有可能接地，电压一般在35-110KV以上。变压器的并联运行变压器的并联运行两台或多台变压器的一次绕组和二次绕组分别接到公共的母线上，共同向负载供电。图5-1 两台变压器并联运行的接线图ABCabcABCabcA

15、BCabcIII1K2K3K4K电源负载高压母线低压母线变压器并联运行的意义由于现代的发电厂和变电所的容量很大，一台变压器往往不能担负起全部容量的升压或降压任务，于是要采用多台变压器并联运行。 变压器并联运行的优点1）提高供电的可靠性。并联运行的变压器如有某台变压器发生故障，可以把它从电网切除进行检修，而电网仍能继续供电； 2）可根据负荷大小调整投入并联变压器的台数，以提高运行效率；3）可以减少总的备用容量；可以随着用电量的增加，分批安装新的变压器，以减少第一次投资。 变压器的理想并联条件变压器并联运行的最理想情况1 1）空载时并联的各变压器副边之间没有循环电流空载时并联的各变压器副边之间没有

16、循环电流，这样，这样，空载时各变压器副原边的铜耗也较小。空载时各变压器副原边的铜耗也较小。 2 2）负载后，各变压器所承担的负载电流按它们的额定容量负载后，各变压器所承担的负载电流按它们的额定容量成比例分配成比例分配，这样，并联变压器的装机容量能得到充分利，这样，并联变压器的装机容量能得到充分利用。用。3 3）负载后各变压器副边电流同相位。负载后各变压器副边电流同相位。这样在总的负载电流这样在总的负载电流一定时各变压器所分担的电流最小；如果各变压器副边电一定时各变压器所分担的电流最小；如果各变压器副边电流一定时，则共同承担的总电流最大。流一定时，则共同承担的总电流最大。 为了达到上述理想并联情

17、况，并联运行的各变压器必须具备下列三个条件： 变压器的理想并联条件为了达到上述理想并联情况，并联运行的各变压器必须具备下列 三个条件： 1 1）各变压器的额定电压应相等各变压器的额定电压应相等，若为单相变压器则各变压，若为单相变压器则各变压器的变比应相等；器的变比应相等； 2 2）各变压器的联结组相同各变压器的联结组相同； 3 3）各变压器的短路阻抗标么值各变压器的短路阻抗标么值( (或短路电压或短路电压) )应相等，而且应相等，而且短路电抗和短路电阻之比也应相等。短路电抗和短路电阻之比也应相等。 以上三个条件中，联结组相同的条件必须严格保证。 因为如果联结组不同，由于一、二次线电压相位差不同

18、，在一次绕组接同一电源时，二次线电压相位不同，器单位差U20较电压比不等时要大得多，如连接组标号为Yy12和Yy10变压器并联运行时二次线向量图：联结组不同的变压器绝对禁止并联运行。U20U20U2060可见，相位差等于二次线电压，这个相位差将在变压器中产生很大的环流，可能超过额定电流许多倍，从而烧坏变压器。并联运行的变压器相位差越大，电位差U20也越大，环流也越大，最严重的情况是两者相差180度，电位差达到线电压的两倍，产生很大的环流。1.1.变压器内部故障变压器内部故障 油箱内故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短路、铁心烧损等 。油箱内部故障非常危险，高温电弧不仅会烧毁绕组和铁芯，还会使

19、变压器油绝缘分解产生大量气体，引起变压器油箱爆炸的严重后果.油箱外部故障：套管和引出线上发生相间短 路和接地短路 2.2.变压器不正常运行状态主要包括：变压器不正常运行状态主要包括： 1)由于变压器外部相间短路引起的过电流2)由于变压器外部接地短路引起的过电流和中性点过电压3)由于负荷超过额定容量引起的过负荷4)由于漏油等原因而引起的油面降低5)在过电压或低频率等异常运行方式下，发生变压器的过励磁 变压器的不正常运行状态会使绕组和铁芯过热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式下会

20、发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。 变压器不正常运行时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员及时发现并采取相应的措施，以确保变压器的安全。 针对上述故障和不正常工作状态变压器应装设如下保护1.为反应油箱内部各种短路保护和油面降低变压器应装设瓦斯保护，可以作为变压器的主保护之一。2.为反应变压器绕组和引出线的相间短路，以及中性点直接接地断网侧绕组和引线接地短路及绕组匝间短路，应装设差动保护或电流速断保护。3.为反应外部相间短路引起的过电流和作为瓦斯、纵差保护的后备保护，应装设过电流保护。4.为反应大接地电流系统外部接地短路，应装设零序电流保护。5.为反应过负荷应装设

21、过负荷保护。6.为反应变压器 过励磁应装设过励磁保护。1.瓦斯保护 q特点：动作迅速，灵敏性高，安装接线简单。反应油箱内的各种故障，不反应油箱外部的故障。 q对变压器油箱内的各种故障、应装设瓦斯保护，它反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。 q装设范围：800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器。 2.纵差动保护或电流速断保护 对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应装设差动保护或电流速断保护。 纵差动保护范围：6300kVA以上并列运行的变压器；10000kVA以上单独运行的变压器；容量为63

22、00kVA以上的发电厂厂用变压器和工业企业中的重要变压器。 电流速断的保护适用：10000kVA以下的变压器，且其过电流保护的时限大于0.5s时。 纵差动保护和电流速断动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。 3.外部相间短路时，应采用的保护 q对于外部相间短路引起的变压器过电流，应采用下列保护： a、过电流保护：用于降压变压器，保护的整定值考虑在事故状态下可能出现的过负荷电流 b、复合电压（负序电压和线电压）起动的过电流保护：用于升压变压器及过电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器上 c、负序电流及单相式低电压起动的过电流保护：用于大容量升压变压器和系统联络变压器 4.过励磁保护 高压侧电压为

23、500kV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。（在变压器过励磁允许的范围内，保护作 用于信号，超过允许值，可动作于跳闸） 5.其它保护 对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应装设可作用于信号或动作于跳闸的保护装置。 35KV油浸式变压器1.主变压器型号S11-M-25000KVA/353522.5/10.5YN d11 UK=10.52.保护配置情况一）光纤差动保护1）二次谐波制动保护2）差速断保护3）比率制动保护4）保护闭锁有载调压二）低后备保护1）复合电压闭锁过流保护2）零序过压保护3）过载闭锁有载调压三）本体保护1）本体重瓦斯跳闸、

24、发信2）本体轻瓦斯发信3）温度过高发信4）压力阀发信变压器在试运行前必须按规范做交接试验，试验项目应包括下列内容：1.绝缘油试验或SF6气体试验；2.测量绕组连同套管的直流电阻；3.检查所有分接头的电压比；4.检查变压器三相接线组别和单相变压器引出线的极性；5.测量与铁芯绝缘的各紧固件及铁芯的绝缘电阻；6.非纯瓷套管的试验；7.有载调压切换装置的检查和试验；8.测量绕组连同套管的绝缘电阻、吸收比或极化指数9.测量绕组连同套管的介质损耗角正切值；10.测量绕组连同套管的直流泄露电流； 11.变压器绕组变形试验； 12.绕组连同套管的交流耐压试验； 13.绕组连同套管的长时感应试验带电局部放电试验

25、； 14.额定电压下的冲击合闸试验； 15.相位检查； 16.测量噪声； 实际现场中，通过变压器的声音、温度、油位、外观以及其他现象对变压器故障的判断，只能作为现场直观的初步判断，因为变压器内部故障不仅是单一方面的直观反映，它涉及诸多因素，有时会出现假现象。因此在判断故障时，必须结合油质分析、电气试验以及设备运行、检修等情况进行综合分析，对故障的部位、原因、绝缘或部件损坏程度等做出准确判断，制定合理的处理方案。 (一）、事故及故障处理一）、事故及故障处理1.变压器发生以下事故，保护未跳闸应立即停电（1）变压器着火；（2）变压器内部有异音，且有很大的爆裂声；（3）变压器严重漏油或外壳破裂，大量喷

26、油；（4）变压器在正常负荷和冷却条件下，变压器温度不正常上升，超过最高允许值；（5）压力释放器动作，向外喷油；（6）变压器附近的设备着火、爆炸或发生其他情况，对变压器构成严重威胁时；（7）主保护动作。2.重瓦斯保护动作处理（1）检查变压器外壳是否破裂、变形、喷油、喷火以及严重漏油等明显故障现象，变压器油枕油面是否正常；（2）迅速取瓦斯气体，判明气体是否可燃，分析故障类型；（3）检查变压器的温度有无急剧上升现象；（4）如检查未发现异常，测量变压器绝缘电阻是否良好，检查重瓦斯保护回路是否误动；（5）变压器若故障原因不明，绝缘电阻合格，由相关主管经理决定是否对变压器进行零起升压，正常后投入运行；3.

27、变压器差动保护动作处理（1）对差动保护范围内的一次设备进行全面检查有无明显故障点；（2）测量绝缘电阻，检查差动保护二次回路是否误动；（3）如未发现任何故障，绝缘电阻合格，对变压器进行零起升压，正常后投入运行。4.重瓦斯和差动保护同时动作处理（1）对差动保护范围内的一次设备进行全面检查，是否有明显的故障点；（2）测量绝缘电阻，变压器做检修安全措施；（3）通知检修人员进行检查。4.变压器着火（1）如未跳闸，立即将变压器各册开关、刀闸拉开，如危及相邻设备的安全运行，应及时停止相邻设备的运行；（2）冷却系统停运；（3）检查消防雨淋阀是否动作正常，否则设法投入消防水，或视情况使用消防器具灭火，消防器具应

28、使用干式灭火器（1211灭火器）进行灭火；（4）变压器上盖着火，应设法排油使变压器油面低于着火位置，若变压器内部着火，打开事故排油阀，将变压器油全部排出。5.变压器在正常负荷及正常冷却情况下，油温不正常地升高，应进行下列检查（1）检查变压器三相负荷是否平衡；（2）检查温度表指示是否正确；（3）潜油泵效率是否降低，冷却风机运行是否正常；（4）如检查均未发现问题，判断是否变压器内部故障，汇报调度及相关分公司主管经理并做好变压器停运准备；（5）潜油泵及冷却风机全停时，应设法立即恢复，同时降低机组出力。若上层油温达到最高限值时，立即将变压器停运；6.变压器油面降低处理（1）油面缓慢降低时，应通知检修人员注油，注油前将重瓦斯保护改投信号，并设法查找油面降低的原因予以消除，注油后经24小时确认无气体，将重瓦斯保护投跳闸；（2）变压器油面急剧下降时，应迅速采取措施消除漏油，如无法消除，应立即联系调度停电处理。7.轻瓦斯保护动作处理（1）立即对变压器进行外部检查，检查油色、油面、油温、声音是否正常及有无明显漏油；（2）依据下表所列气体性质判明故障类型：（3）如为可燃气体，应进行停电处理；（4）确认为空气，则将瓦斯继电器中的空气排出，变压器继续运行，记录两次信号动作的间隔时间；（5）联系检修人员进行气体和油的化验；（6）因漏油造成油面