变压器知识及其新技术的应用课件

1、感谢各位领导参加变压器技术交流一、变压器基础知识二、变压器结构三、电压与频率对产品的影响四、环境对产品的影响五、新技术应用一、 变压器基础知识1.1功能变压器是一种改变交流电的电压、电流而不改变频率的（静止）电气设备。它在相同频率下，通过电磁感应将一个系统的交流电压和电流转换为至少另一个系统的交流电压和电流，并借以传送电能。因此，变压器至少应具有两个通常匝数（或者标称电压）不同的绕组，并通过线路端子连接到至少两个交流电压值不同的系统上。 变压器的作用是什么?超高压变电所500kV / 220kV一次变电所220kV / 110kV二次变电所110kV / 35kV / 10kV配电变压器10k

2、V / 400V重要的输电设备升高或降低电压家庭、学校发电厂高压输电线发电机(火力发电厂或水力发电站)升压变压器降压变压器配电变压器用户用户用户 变压器的作用升压远距离传输通过变压器可以提高输送电压、降低传输损耗、增大输送距离。把水力或火力发电厂中发电机组所产生的交流电压升高后向电力网输出的电压器。用于降低电压的变压器1.2 原理 变压器的基本原理是电磁感应原理。以单相双绕组变压器为例来加以说明，如图所示。它由两个绕组和一个铁心组成。当匝数为N1的一次绕组AX接到频率为f、电压为U1的交流电源上时，很小的励磁电流I0就足以在铁心上产生主磁通0（最大值为m),以及经铁心外回路的磁通，在一、二次绕

3、组中分别感应出电势E1、E2，二次绕组ax端就有电压U2。当二次绕组接有负载时，二次绕组就流通电流I2，而一次电流就由空载时励磁电流I0增至I1。在空载运行条件下，如果忽略励磁磁势、一次与二次绕组的电阻r1和r2以及漏磁通产生的电抗x1和x2，在这种情况下，由法拉第定律：U1=E1=4.44fN1mU2=E2=4.44fN2m两式相除得电压变换关系为：U1/U2=E1/E2=N1/N2一、二次绕组的电压比U1/U2等于其匝数比N1/N2。N2不变，N1越大或N1不变，N2越小，则U2越小； N2不变，N1越小或N1不变，N2越大，则U2越大；只要改变两个绕组中任一个的匝数，就可以达到改变电压的

4、目的。通常就是在某一绕组上引出若干抽头（分接头），来改变匝比N1/N2，从而改变二次电压值。这就是变压器改变电压的原理。1.3 变压器分类 变压器有多种分类方式：按铁心形式分为：心式、壳式；按绕组耦合方式分为：普通的、自耦的；按相数分为：单相的、三相的；按冷却方式分为：油浸自冷、干式空气自冷、干式浇注绝缘、油浸风冷、油浸水冷；按循环方式分为：自然循环、强迫循环；按绕组材料分为：铜的、铝的；按调压方式分为：无励磁调压(在不励磁条件下调压的变压器),有载调压(在负载下调压的变压器。但当负载或线路发生短路故障时，则不能进行调压，因为此时变压器中流有短路电流) ；按用途分为：升压、降压、配电、联络和厂

5、用变压器。 电力变压器那种分类也包含不了变压器的全部特征，在产品型号中往往要把所有的特征表达出来。变压器型号含义如下： 电力变压器 型号： 1 自耦 O 5 铜线 _ 2 单 相 D 铝线 L 三相 S 6 无励磁调压 _ 3 油浸自冷 _ 有载调压 Z 干式空气自冷 G 干式浇注 C 举例: 油浸风冷 F D F P 380MVA / 500kV 油浸水冷 S 强迫油循环风冷 FP 强迫油循环水冷 SP 4 双绕组 _ 三绕组 S 单相额定容量额定电压强油循环风冷 属于变压器范畴的还有互感器、调压器、电抗器、移相变压器、换流变压器。ODFPS-334MVA/500kV变压器官亭变电站现场75

6、0kV变电站 ODFPS-500000/750kV变压器ODFPS-1000000/1000kV变压器1000kV变电站 ODFPS-1000000/1000kV变压器1000kV晋东南变电站现场三峡工程SSP-840000/550变压器大唐宁德电厂SFP780000/500变压器云南广东高端穗东换流站800kV 250MVA换流变ZZDFPZ-278000/500贵州至广东第二回直流输电工程出口美国300MVA/220kV调相变压器套管压力释放器油箱储油柜冷却器气体继电器 铁心器身 线圈 绝缘系统温度计铁心、夹件接地系统开关二、 变压器结构变压器组成变压器主要部件铁心线圈油箱绝缘件油变压器附

7、属部件开关套管冷却设备其它部件变压器储油柜气体继电器压力释放阀油温度控制器线圈温度控制器电阻温度计套管型电流互感器球阀蝶阀控制箱端子箱千斤顶装置引线 铁心由铁心叠片、绝缘件和铁心结构件组成，形成一个封闭的路径，是电磁感应磁的通路，又是套装线圈的骨架，对于变压器的电磁性能、机械强度和变压器噪声是极为重要的部件。铁心叠片主要采用冷轧高导磁晶粒取向硅钢片叠积或卷绕而成，铁心在工作时会产生损耗，对于大铁心直径的产品，其单位面积热负荷大，热传导路径长，这样铁心内部传导出的损耗可能会使铁心过热，需要设冷却油道。铁心及其金属件由于所处的电场位置不同，产生的电位也不同，为了防止击穿放电要接地；铁心多点接地会形

8、成闭合的环路，这些环会产生电流而增加损耗导致局部过热，要保证一点接地。2.1 铁心三相五柱铁心主要适用于大容量三相变压器。三相五柱铁心又分为两种结构： a）铁心旁柱和铁轭截面积相等且为主柱截面积的一半 b）铁心旁柱和铁轭截面积不相等，分别为主柱截面积的43%和53%三相五柱铁心增加了两个边框，使铁心总高度降低，也就使整个变压器的高度降低，从而降低变压器的运输高度；但是铁心叠片的硅钢片用量有所增加，增加变压器的加工成本。为了将变压器的空载损耗和噪声，三相五柱铁心叠片通常采用6搭接结构即步进搭接结构，但是工艺繁琐、叠铁工作量大。2.1.1 三相五柱铁心 铁心叠片主视图旁柱绑带铁芯柱绑带上部铁轭下部

9、铁轭拉板旁柱主柱隔磁槽 铁心叠片剖面图环氧树脂绑带油道拉板三相三柱铁心广泛适用于中小容量的变压器，铁心柱与铁轭等截面，铁心柱与铁轭在同一垂直平面内以迭接方式连接，结构简单，工艺设备少，但迭装工作量大；又因铁轭大，超大容量变压器采用时漏磁通较大，而且变压器高度也易超过运输限制。2搭接的三相三柱铁心即TS铁心，6搭接的三相三柱铁心即STS铁心。目前油浸变压器大部分采用STS铁心。STS铁心相对于TS铁心，空载损耗和噪声都比较小。2.1.2 三相三柱铁心 铁心叠片主视图绑扎带主柱拉板铁轭拉板绝缘铁心叠片剖面图STS铁心和TS铁心的区别一般交叉叠法（TS铁心）STEPLAP叠积法（STS铁心）叠积方法

10、磁流示意图实物照片铁心主柱 铁心侧柱单相三柱铁心的旁柱和铁轭的截面积是主柱截面积的一半。单相大容量变压器多采用这种铁心。2.1.3 单相三柱铁心即双框铁心2.线圈型式2.2 线圈 线圈是变压器的核心部件，常被比做变压器的“心脏”，是电磁感应中电的通路。绕制成线圈的材料要求是导电性能好（电阻率低），有一定的机械强度，有稳定的化学特性。银、铜、铝都可以使用。但综合考虑我们现在的变压器多使用铜材。绕组的绝缘分为导线匝绝缘、绕组各线饼间绝缘，导线匝绝缘指导线外部包覆的漆或绝缘纸，线饼间绝缘指的是油道绝缘。由于变压器容量和电压的不同，线圈所具有的结构特点亦各不相同，包括匝数、导线截面、并联导线换位、绕向

11、、线圈连接方式和型式等，线圈型式细分如图所示：线圈分类图 层式线圈通常用于适用于66kV、2000kVA及以下的小容量变压器，我公司产品不采用层式线圈。 螺旋式线圈：由多根导线并联叠绕而成，相邻匝间用垫块或绝缘纸圈隔开，每个线饼为一匝，由于具有良好的机械稳定性、良好的散热能力和工艺性，而普遍应用于调压线圈、大电流的低压线圈或特殊结构的高压线圈。 连续式线圈：由单根或多根导线并联绕制而成，是典型的饼式线圈。每匝导线在幅向（径向）上连续叠绕成一个线饼，多个正、反线饼沿轴向交叠组成一个连续式线圈。线圈的导线从一个线饼通过换位过渡到另一个线饼。 纠结式线圈：线匝不以自然数序排列，而是在相邻数序线匝间插

12、入不相邻数序的线匝。这样原连续式线圈段间线匝须借助于纠结换位（纠位）进行交错纠连，形成纠结线段。 纠结连续式线圈：为了改善线圈在冲击电压下端部线段的电位梯度分布，将线圈端部几个线段采用纠结式，中间及末端的线段采用连续式绕制。 插入电容（内屏蔽）连续式线圈：在连续式线圈的进线端部分线段的匝间插入一独立的屏蔽线匝，其端头（亦称为悬头）包好绝缘断开并悬空着。屏蔽线仅增加纵向电容，不流通工作电流，故屏蔽线的截面积可以小于工作线匝的截面积，尽量选用较薄的导线，只要与工作线宽度相同或相近即可（小于或等于工作线）。纠结式线圈具有良好的耐冲击特性，但是纠结式线圈有以下缺点： 1）大容量变压器导线并联根数多时，

13、纠结绕制有困难；2）纠结式线圈的匝间电压与纠结方式有关；3）线圈绕制比连续式复杂，焊头多，必须保证焊接质量。插入电容式线圈的主要优点：1）可以根据插入线段中的屏蔽线匝数的多少调节纵向电容量，改善冲击电压分布；2）线圈本身没有纠结的焊接头，且为连续式绕制，工艺简单。插入电容式线圈的缺点是屏蔽线匝占据一定的空间位置，使线圈幅向尺寸增大，且屏蔽线的端头不易处理。插入电容式的线圈与纠结连续式线圈改善端部电位梯度分布的效果是相同的。目前较高电压等级的线圈多采用插入电容连续式线圈。纠结式或纠结连续式线圈插入电容连续式线圈屏蔽连续式线圈双层螺旋式线圈双层螺旋式线圈内层双层螺旋式线圈升层处屏蔽连续式 螺旋式：

14、铁芯柱上部压环绝缘纸筒高压线圈低压线圈下部压环低压线圈：双层螺旋式高压线圈： 跨段屏连续式发电厂用升压变压器线圈的绝缘排列图2.3 线圈的绝缘排列图单相250MVA/500kV自耦无载变压器的线圈配置示意图单相210MVA/500kV电厂用变压器线圈的典型配置示意图单相250MVA/500kV自耦有载变压器线圈的典型配置示意图 （线圈的绝缘排列）ANTI:稳定线圈TRY: 低压线圈COM: 公共线圈SER: 串联线圈ANTITRYCOMSER铁 芯 主 柱OSFPS-180MVA/220kV （带稳定线圈）OSFPSZ-180MVA/220kVTRY: 低压线圈COM: 公共线圈TAP: 调压

15、线圈SER: 串联线圈TRYCOMTAPSER铁 芯 主 柱 （线圈的绝缘排列）LV: 低压线圈MV: 中压线圈HV: 高压线圈 LVMVHV铁 芯 主 柱SFPS-180MVA/220kV （线圈的绝缘排列）SFPSZ-180MVA/220kV (正反调结构）SFPSZ-180MVA/220kV (粗细调结构）LVMVHVTI铁 芯 主 柱TOLV: 低压线圈MV: 中压线圈HV: 高压线圈TI: 粗调线圈TO: 细调线圈 LVMVHVTAP铁 芯 主 柱LV: 低压线圈MV: 中压线圈HV: 高压线圈TAP: 调压线圈变压器器身绝缘是主绝缘，是变压器的重要组成部分，是线圈到接地部分铁心和油

16、箱的绝缘，是线圈到线圈的绝缘，既要考虑电气绝缘强度，又要具有足够的机械强度及抗短路能力。绝缘为油-隔板和纸筒-油隙的形式。器身绝缘件是由电工纸板制成的块、筒、板组成，端部护端圈和角环，为了改善电场，铁心、旁轭护屏蔽筒。主绝缘采用薄纸筒小油隙结构，它的基本特点是根据油体积减小时，油的耐压强度增大。油隙尺寸越大，每毫米绝缘强度越低。油浸式变压器在绝缘结构中不仅要注意材料本身的绝缘性能，还要注意沿零件表面的爬电问题；不但要注意电场强度的分布，也要注意保证油流通畅。2.4 器身绝缘（变压器的绝缘系统）：线圈间主绝缘：对铁轭绝缘：对油箱壁和旁柱绝缘：匝间和段间绝缘（纵绝缘）器身绝缘结构图线圈端部尖角线圈

17、端部不加装静电环，线圈端部导线的尖角使电场在尖角处集中，易产生击穿。2.4.1 静电环作用线圈端部静电环圆角加装静电环以后，加大了端部电极的半径，能够缓和端部电场集中的状况。图 均匀电场中变压器油的击穿场强与油体积的关系 (a)在工频电压下 （b）在冲击电压下2.4.2 角环作用在均匀电场和稍不均匀的电场中，变压器油的耐电强度随受电压作用的油隙体积的减小而提高，即变压器油具有“体积效应”，如上图所示。在油-隔板绝缘结构中，很多试验所积累的数据表明（右图），油隙宽度(d)和击穿电压(Ub)之间的关系，从测得结果可以用下列经验公式描述： Ub=Kd-n小油隙角环作用：将线圈端部到上铁轭之间的油隙分

18、割为小油隙，以增加耐电强度。线圈端部电位分布示意图 （夹件结构正面图）上部夹件侧梁定位销轭铁绑带侧梁铁芯柱绑扎拉板侧梁定位销下部夹件（夹件结构平面图）横梁线圈托板轭铁绑带侧梁（变压器内部结构侧面图）侧柱绑扎油道侧梁定位销线圈绝缘压块线圈托板轭铁轭铁绑带侧粱定位销2.5 引线 引线是变压器实现其自身联结组的途径，即将作为电路的线圈出头与相应绝缘等级的变压器套管和连接在一起。 引线要在最简便地实现联结组和连接开关的前提下保证引线有足够电气强度和机械强度且满足引线对引线、引线对各个部件的绝缘距离。 超高压引线（500kV-800kV)和特高压引线（800kV以上）均需要成型的出线装置，我公司一般采用

19、可卸式引线结构。引线500kV引线中性点引线支撑导线夹引线可卸式引线低压引线三相发电机低压侧引线图三相发电机高压侧引线图可卸式引线剖面图超高压和特高压引线出线装置2.6 油箱 油箱是变压器保护器身的外壳和盛油的容器，也是装配变压器外部结构件的骨架，同时通过变压器油将器身损耗所产生的热量以对流和辐射的方式散到大气中。 油箱按结构又分钟罩式油箱和桶式油箱，按箱沿连接方式又分为螺栓机械连接结构和箱沿焊死结构。 桶式油箱结构，箱沿位于油箱顶部，大容量变压器一般采用桶式油箱，该结构能方便油箱屏蔽布置，很好的控制油箱中的漏磁分布。钟罩式油箱结构，箱沿位于油箱下部，该结构方便器身下箱和引线配置以及变压器的二

20、次装配，对与现场组装变压器尤为方便。 油箱能够耐受真空度13Pa和正压98kPa的机械强度试验。 油箱能够满足变压器密封试验时机械强度的要求。 油箱上设有温度计座、接地板、吊攀等，油箱下部设置供千斤顶顶起变压器的装置和水平牵引装置，真空注油的阀门以及装有足够大的事故放油阀。事故放油阀吊轴油箱接地板及连接片千斤顶支架真空注油阀门油箱屏蔽三、 电压与频率对产品的影响3.1 电压对产品的影响 额定电压是变压器重要的电气参数，额定电压与设备最高电压Um相对应，例如额定电压275kV对应的设备最高电压Um为300kV，额定电压330kV对应的设备最高电压Um为362kV。根据Um值的不同，变压器在瞬变过

21、电压下的绝缘配合规则是不同的。下表节选了IEC60076-3：2013 中几种Um值下的绝缘试验电压。设备绕组最高电压Um kV雷电冲击全波(LI)kV雷电冲击截波(LIC) kV操作冲击(SI) kV线端交流外施耐压(AV)(LTAC) kV1235506054602301455506054602306507155402751706507155402757508256203252458509357003609501045750395105011558504603009501045750395105011558504603621050115585046011751290950510420117

22、51290950510130014301050570142515701175630550130014301050570142515701175630155017051300680167518451390- 根据上表，设备最高电压Um为300kV和设备最高电压Um为362kV的两台变压器可以采用相同绝缘水平，也可以采用不同的绝缘水平。当采用相同绝缘水平时，变压器可以采用相同的绝缘结构，仅是变压器绕组的额定电流（相同容量）和匝数相应变化，对变压器主材成本影响很小。 当采用不同绝缘水平时，变压器需采用不同的绝缘结构，对变压器主材具有一定影响，绝缘水平高的变压器主材成本高。 额定电压还影响着组件的选取

23、。开关、套管等带电载流组件要按其对应的绝缘水平和通过电流进行选取。例如相同容量的变压器，额定电压275kV的变压器电流大于额定电压330kV的变压器，而一般情况下，额定电压275kV的变压器绝缘水平低于额定电压330kV的变压器。额定电压可能还会对有载开关的级电压和级容量的选取有一定影响。 以上均是对独立绕组变压器而言，如果是自耦变压器，除了上述影响，额定电压还影响其效益系数。例如电压比为330/110/35kV和275/132/35kV的两台变压器除了绝缘水平的差异外，效益系数也不相同，对变压器空载损耗，负载损耗以及主材成本都有着较大的影响。效益系数小的变压器空载损耗和负载损耗较低，主材成本

24、也较低。 效益系数=(U1-U2)/U1 。3.2 频率对产品的影响 额定频率是变压器设计非常重要的电气参数，对变压器性能有着重要影响。例如对变压器的空载损耗，负载损耗，短路阻抗都有着显著的影响。根据电磁感应定律：U=4.44fBSWU:相电压 Vf:电源频率 HzB:铁心中磁感应强度（也称磁密） TS:铁心截面积 W:线圈匝数我们可以看出在电压一定的前提下，电源频率与铁心中磁感应强度，铁心截面积，线圈匝数成反比。下面已以一台按50Hz设计的变压器在60Hz下运行来说明50Hz变压器和60Hz变压器的区别：空载电流空载电流正比与变压器的频率和磁密的平方，即I0fB2。由于运行在60Hz下的变压

25、器磁密B比运行在50Hz下的变压器磁密小1.2倍。所以运行在60Hz下的空载电流比运行在50Hz下小。空载损耗空载损耗主要与变压器铁心结构，铁心质量，运行磁密下的硅钢片单位损耗相关。在变压器结构确定的前提下，运行在60Hz下的变压器磁密比运行在50Hz下的变压器磁密小1.2倍。 变压器的频率同时影响硅钢片的单位损耗，在相同磁密下，随着运行频率的增加单位损耗也增加，见下图，50Hz和60Hz单位损耗曲线。 通过查找不同磁密和频率下单位损耗曲线，发现磁密下降导致硅钢片的单位损耗下降较频率导致硅钢片的单位损耗升高要快，变压器硅钢片的单位损耗在60Hz下约是在50Hz下的0.88倍。因此运行在60Hz下的变压器空载损耗是运行在50Hz下的0.88倍。负载损耗负载损耗主要由导体电阻损耗、涡流损耗和结构件杂散损耗组成。电阻损耗和频率无关。涡流损耗、结构件杂散损耗与频率的平方成正比，运