变压器原理及结构.docx

变压器知识
一、变压器的基本知识
1、变压器的两大基本结构
变压器的两大基本结构是壳式和心式。它们的主要区别在于磁路即铁心的布置情况。如图1－1和图1－2所示。从图1－1和图1－2可以看出，壳式变压器铁心的铁轭包围住线圈，好像形成一个外壳．因此而得名，也称作外铁式。心式变压器铁心大部分在线圈内，只有一部分在线圈外构成铁轭作为磁回路。无论壳式或心式其原理完全相同。

图1－1 壳式变压器铁心布置示意图（虚线表示线圈位置）

图1－2 心式变压器铁心布置示意图（虚线表示线圈位置）
壳式和心式结构的变压器。各有其特点．制造方法大不相同。大型变压器均采用心式铁心，一般以三相三柱式铁心为多，更大容量的变压器则采用三相五柱旁轭，大型单相变压器一般采用双柱式或单相四柱式铁心。我国的变压器制造业，一般采用心式结构。
夹件、垫脚、
木垫块等
2、变压器的基本组成
铁心

硅钢片
器身

线圏、绝缘件

变 压 器

开关等
散热器或冷却装置
压力释放阀
储油柜、气体继电器
组件及附件
油箱

套管

测温及温度监控等装置

3、开关
3.1、作用
用来改变变压器绕组的匝数，进而改变变压器的变比，改变电压；
3.2、分类
主要分为无载开关（无励磁分接开关）和有载分接开关。
无载开关：是在变压器不施加电压的情况下调整电压。即调压时必须在停电状态下进行操作。大致可分为：鼓形结构、楔形结构、笼形结构、条形结构、盘形结构无励磁分接开关。
有载分接开关：是在变压器施加电压的情况下调整电压。即调压时可以不在停电状态下进行操作。
常用的有：贵州长征厂的V、M型开关；上海华明的V、M、真空开关；MR开关；ABB公司的开关等。
4、变压器的油箱
油浸式变压器的油箱是保护变压器器身的外壳和盛油的容器，又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方式散至大气中。
4.1、油箱的分类
油箱可以从冷却方式、外形等不同方面进行分类。
4.1.1、按冷却方式进行分类
4.1.1.1、平壁油箱
当变压器容量较小时，其油箱直接用钢板焊接而成，即满足散热的要求。
4.1.1.2、瓦棱形（波纹式）箱壁油箱
它用于中小型变压器，其截面多为矩形或椭圆形，套管一般安装在油箱盖上（也可在箱壁侧面上安装低压套管，但这要牺牲一部分瓦棱散热面积）。瓦棱形油箱壁用薄钢板压制而成，箱壁本身具有较高的机械强度和弹性变形能力，因材不必要在箱盖上再安装储油柜（俗称油枕），由温度变化所引起的变压器油体积的胀缩可以通过箱壁上瓦棱的变形进行补偿。
4.1.1.3、管式（散热器）变压器油箱
它是由于在变压器平壁上加焊上下连通的弯管而得名；弯管的作用是增加变压器的散热面积。
随着变压器容量的增加，需要布置多层扁管散热，但扁管的层数不能超过三排，以免内层排管的散热效果受到太大的影响。
当变压器油箱壁表面容纳不下更多数量的弯管时，就需要作成单独的管式散热器，再通过连接法兰将其连接到变压器油箱壁上。如果有风扇吹风散热，则叫风冷式变压器，如没有风机进行冷却则叫自冷式变压器。
管式变压器油箱没有自行补偿变压器油随温度变化而胀缩的功能，因此，当变压器的用油量超过一定限值时，就必须在变压器上安装储油柜。
4.1.1.4、片式（散热器）变压器油箱
它是利用散热片来增加变压器的传热面积。
片式散热器也可以固定在油箱的壁上，这种片式散热器称作固定式片式散热器（PG）；也可以将散热器通过连接法兰连接到油箱壁上，这种片式散热器被称作可撤卸式散热器。
如果有风扇吹风散热，则叫风冷式变压器，如没有风机进行冷却则叫自冷式变压器。
4.1.1.5、冷却器式油箱
对于巨型变压器油箱，单靠在油箱壁上加挂带吹风装置的片式散热器已不能满足散热性能的要求，必须在油箱壁上安置高效风冷却器，同时借助于潜油泵来加速油的流动，带走变压器损耗所产生的热量。
4.1.2、按油箱外形进行分类
4.1.2.1、筒式油箱
筒式油箱顾名思义其下部油箱主体为长方形或椭圆形有筒结构，顶部多为平顶箱盖，箱盖和油箱主体通过箱沿用螺栓连接合成整体（利用耐油橡胶条进行密封）。器身与箱盖通过吊螺杆或吊扁铁用螺栓连接合成整体。该油箱不适用于大型变压器，原因为现场很难进行变压器器身检修，受起吊设备能力的限制。
4.1.2.2、钟罩式油箱
钟罩式油箱是大型变压器最常用的一种结构形式，其油箱分为上、下两节构成，当将上节油箱（俗称钟罩）吊开之后，变压器器身的绝大部分将曝露出来，这给现场检修带来极大方便。上节油箱一般重不超过10t，起吊设备不受限制。
5、储油柜(又称油枕)
它是一种油保护装置，安装在变压器油箱盖上方的一侧，用弯曲连管与油箱连通，柜内油面高度随变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜的作用是保证变压器油箱内充满油，减少油和空气的接触面积，从而降低变压器油受潮和老化的速度。
变压器用储油柜的标准是JB/T 6484-92《变压器用储油柜》。
分为：敞开式、密封式（胶囊式、波纹片式（內油式、外油式））
在最低环境温度且变压器未投入运行时，能观察到油位计指示，此时油不能已到储油柜的最低部；而变压器在最高环境温度下，在额定负载、包括负载导则允许的过载状态下运行时油不溢出。
储油柜的容积约为变压器油箱内充油量的6.6%。
5.1、敞开式储油柜内的变压器油通过吸湿器与大气相通。主要由柜体、注油塞、放油塞、油位计、吸湿器和油面标志组成。
5.2、胶囊式储油柜通过胶囊使变压器油与空气隔绝，使空气中的水分和氧气不接触变压器油，从而防止空气中的氧气和水分的浸入，可以延长变压器油的使用寿命，具有良好的防油老化作用。
5.3、油柜（外油式）芯体一端为自金属波纹式储由伸缩的活动端，另一端与端板固定将油腔密封。变压器油在芯体外部和柜体之间的油腔里，通过柜体下部连接囗与变压器油箱相通。芯体内部为空气，通过呼吸管与外面大气相通。当变压器油随温度变化产生体积收缩或膨胀时，芯体随之伸缩，改变柜体内油腔容积，实现在全密封条件下的体积补偿。
BG外油式波纹储油柜采用先进的超柔性不锈钢波纹补偿器作为容积补偿元件和隔离密封元件，在彻底隔绝空气及湿气的条件下，实现对变压器绝缘油的体积补偿。如图1所示，波纹补偿器是一个内腔与大气相通的气囊，放置于绝缘油中，储油腔通过下部连接口与变压器油箱相通。波纹补偿器内腔通过呼吸口与外界大气相通。当绝缘油随温度变化产生体积膨胀或收缩时，促使波纹补偿器伸缩，从而改变柜内油腔大小，实现对绝缘油的体积变化补偿。储油柜各部件的名称及作用参见图1所示。

波纹储油柜型号标记如下图：

储油柜安装和注油
1 ．配件和工具准备：准备与储油柜连接的阀门、连管、螺栓及胶垫等配件。施工设备及工具：注滤油机、气泵及常用工具如扳手、手锤等。
2．储油柜安装前准备
①拆除黄色护板 → ②释放气压 → ③展开波纹管

3.储油柜安装
储油柜吊装落位，连接好与变压器相通的管路。
将注油管和排气管连至变压器下部，并连接密封可靠的阀门；（见右图）
将极限油位报警装置控制线路接好，连接方法见本节条目6；
安装完毕，准备注油。
4．注油程序
注油 → 定油位 → 排气 → 调整油位
① 注 油
打开呼吸口及排气口阀门，从变压器本体或注油口向储油柜内注油。

② 定油位
注油后油位指示不断升高，当指示窗油位刻度达到与油温对应的数值时，关闭呼吸口。继续注油，直至储油柜内空气排净。
※注：1．图中温度为现场实际油温（平均）；
2. 根据产品使用地区的最低环境温度选择对应的曲线a、b、c、d（之一），以横坐标油温对应纵坐标油位；
3．储油柜油位计是通过与波纹补偿器活动端面相连的金属带做传导，波纹补偿器伸缩时产生窗口刻度的变化，显示0~10的油位，0为最低油位，10为最高油位，见本页上图。
③ 排气
首次注油后静置1～2小时，然后再次排净储油柜内气体
④ 调整油位
打开呼吸口检查油位，并将油位调整到与油温 对应
※注油完毕后，将储油柜置于工作状态：呼吸口常开，排气口、注油口可靠密封。
5.注意事项
储油柜吊装落位时，注意防止碰撞筒体及油位视窗；
注油过程中，应将储油柜油腔内气体排净，以免形成假油位。排净气体的标准是：排气口连续稳定出油。排净气体后，排气口阀门及注油口阀门关闭，同时用盖板可靠密封；
注：储油柜内滞留的气体因受热膨胀系数远大于绝缘油，将严重减少补偿空间。
储油柜的工作状态应是：呼吸口阀门常开，排气口、注油口阀门关闭。
6．油位报警信号连接
储油柜可按用户要求配置极限油位报警信号输出端子
接线方法见右下图
其报警信号触点开关参数如下：
额定电压：380V AC 220V DC
额定电流：1A

7.储油柜排气和调整油位
运行后的储油柜若出现油位偏高或偏低时，应及时排气和调整油位。（方法见下图）

排气和调整油位后，储油柜置于工作状态：呼吸口阀门常开，排气口、注油口阀门关闭。
3．油位远传信号连接（接线见右图）
根据用户要求需要配置油位远传功能的储油柜
其信号触点开关参数如下：
输入电压：24V DC
输出信号：4~20mA
负载阻抗：250Ω
接线方法如下：
1号端子：24V/DC电源正端输入
2号端子：变送器4～20mA输出正端
3号端子：24V/DC电源负端及变送器4～20mA输出负端

金属波纹式储油柜（内油式）由储油柜芯体. 外防护罩. 抽真空排气管路和注油管路. 油位指示板. 软联接管及柜脚（支架）等组成。

1.油位视察窗: 2.三通: 3.注油管: 4. 气体继电器软联接: 5.支架: 6.储油柜芯体: 7.蝶阀 8. 排气管下截: 9. 高低油位报警接线端子:10. 油位指示板: 11. 芯体保护阀:
波纹储油柜的注油方法
波纹储油柜的注油有两种方法，第一种是排气注油法，第二种是真空注油法。
排气注油法
1）、储油柜与变压器的气体继电器法兰对接后，打开排气管下部的阀门和输油管路80蝶阀，从注油管注油，也可以从变压器管路注油（推荐选用注油机的流速为50L/min）。
2）、注油过程中，时刻注意油位指针的位置，边注油边排气，待排气管内有稳定油流出时，关闭排气囗阀门。
3）、对照H-T曲线调整储油柜的油位指针的位置，油位指针高或低时，必须通过从注油管路放油或补油的方法，使储油柜的油位指针的位置与本台变压器温控器指示的温度对应一致。
真空注油法
1）、将储油柜与变压器的各管路连接好，打开与变压器主连管连接的80蝶阀，使储油柜与变压器联通。关闭注油管路阀门，将真空机与排气阀连接，打开排气阀，与变压器一同抽真空。
2）、储油柜与变压器一同注油（推荐选用注油机的流速为50L/min），当注油达到气体继电器以上时，停止抽真空，同时关闭排气阀门。
3）、继续注油，直到注油到与H-T曲线相对应的刻度位置，注油结束。
6、气体继电器(又称瓦斯继电器)
它装在油枕和油箱的连通管中间。当变压器内部发生故障(如绝缘击穿、匝间短路、铁心事故等)产生气体时，或油箱漏油使油面降低时，气体继电器动作，发出信号以便操作人员及时处理，若事故严重，可使断路器自动跳闸，对变压器起保护作用。
气体继电器的标准是JB/T 9647-1999，标准规定了产品的型号、技术要求等。
气体继电器的型号表示为
Q J □ ―□
管路通径（标称值）（mm）
设计序号
继电器
气体
气体继电器配套其他附件
气塞：供取气样、放气以及试验信号接点用。
观察窗;供视察油面用，视察窗上应标有积聚气体容积的刻度，并附有保护罩。
探针：供检查跳闸接点用。
接线盒：供继电器出线用，该盒应有防止雨雪、灰尘侵入的保护和出线囗。
油速标尺：供简易整定油速用。
气体继电器的结构主要是：外壳、视察窗、引出线装置和内部的测量信号部分。
气体继电器的工作原理
是检测变压器内部产气、油位过低和严重故障引起油的大量分解等，在出现过热故障时，绝缘材料因温度过高而分解产生气体，少量气体能溶解在变压器有中，当产生的气体过多，变压器油不能溶解所产生的气体量时，气体就上升到油箱上部，通过连管进入到气体继电器中，就会出现如下情况：
⑴、该部分气体能留在继电器中，使继电器的上浮子位置逐渐下降，液面下降到对应继电器整定的容积时，上浮子上的磁铁使继电器内的干簧接点动作，继电器给出轻瓦斯信号；
⑵、在变压器出现漏油或其他故障时，引起储油柜内的变压器油通过连管流出，油位逐渐下降，上浮子给出轻瓦斯信号。如果故障没有及时处理，油位继续下降，下浮子的位置也逐渐下降，下浮子磁铁使继电器内的干簧接点动作，继电器给出重瓦斯信号并跳闸。
⑶、在变压器内部有严重故障，引起油的大量分解，产生的气体在储油柜连管内产生很高的流速，油流推动气体继电器内的挡板，下浮子动作，气体继电器给出跳闸信号。

1-磁铁 2-挡板 3-探针 4-重锤 5-磁铁 6-浮子 7-气塞螺母 8-气塞罩 9-气嘴 10-端子 11-排水孔12-干簧接点 13-弹簧 14-调节螺杆 15-干簧接点 16-螺钉 17-封堵 18-积水槽 19-探针罩
7、绝缘套管
变压器套管是将线圈的高、低压引线引到箱外的绝缘装置，它是引线对地(外壳)的绝缘，又担负着固定引线的作用。套管大多数装于箱盖上，中间穿有导电杆，套管下端伸进油箱与绕组引线相连，套管上部露出箱外，与外电路连接。套管的结构形式主要决定于电压等级，根据电压等级不同，变压器的套管分为纯瓷套管、空心充气或充油套管和电容式套管。为增加表面放电距离，高压绝缘套管外部做成多级伞形。
套管的标准是GB/T 3969-1983《35kV及以下变压器瓷套》和GB/T 4109-1999《高压套管技术条件》，标准中规定了套管的技术要求。
在变压器中使用的套管，其主绝缘有电容式和非电容式；绝缘介质有变压器油、空气和SF6气体。
根据套管使用时的外部绝缘介质，套管可以分为以下几类：
a).油-空气套管
在油浸式变压器中使用，套管的下部在变压器油箱内部的变压器油中，套管的上部在空气中。由于变压器油的绝缘强度高，套管的下部比较短，几乎没有伞裙；而套管的上部在空气中，长度很长，为了保证雨天的绝缘强度，套管的上部有伞裙。
b).油-SF6套管
在油浸式变压器中使用，套管的下部同油-空气套管的下部，而套管的上部是处于SF6气体中，由于SF6气体的绝缘强度很高，油-SF6套管的上部也是很短的，而且也没有伞裙。
c）. 油-油套管
在油浸式变压器中使用，用于变压器出线端子也处于变压器油中的情况。如GIS连接变压器。
d). SF6-SF6套管
在SF6变压器中使用，其电压引出也在SF6气体中。套管的上部和下部均处于SF6气体中，瓷套几乎没有伞裙，长度较短。
按照引线的连接方式又可分为：穿杆式和穿缆式。
8、压力释放阀
原称安全气道(又称防爆筒)，是变压器的一种压力保护装置，当变压器内部有严重故障时，油分解产生大量气体，由于变压器基本是密闭的物体，连通储油柜的连管不能有限迅速地降低压力，造成油箱内压力急剧升高，会导致变压器油箱破裂。压力释放阀将及时打开，排出部分变压器油，降低油箱内的压力。待油箱内的压力降低后，压力释放阀将自动闭合，保持油箱的密封。尤其在全封闭变压器中，都广泛采用压力释放阀做保护，它的动作压力为53．9 kPa+_4．9 kPa，关闭压力为29．4 kPa，动作时间不大于2 ms，
压力释放阀的型号表示如下：
Y S F□ □ /□□ □
特殊环境代号
带电气信号开关标出“K”，带机械信号开关标出“J”，两者都带标出“KJ”。
喷油有效囗径/mm
开启压力/KPa
设计序号
阀
释放
压力
9、变压器油
变压器油是天然石油在炼油过程中的一个馏分经精制和添加适
当的稳定剂调制而成的。它的主要成分是环烷烃、烷烃和芳香烃。
变压器油在变压器油箱中充满整个空间，起着绝缘和传导热量的
双重作用。
对于变压器油，应有化学特性、物理特性和电气特性的要求。
化学特性：包括氧化稳定性、腐蚀性硫、含水量和酸值等。
1）、氧化稳定性：
变压器油在储存和使用过程中，会溶解一定的氧气。氧气在热和
金属的催化作用下，油会被逐渐氧化成各种含氧化合物，深度氧化的
油会出现胶质和油泥。氧化物使变压器油的界面张力下降，酸值和介
质损耗系数升高，电阻率和击穿电压下降，散热性能降低。为了提高
变压器油的氧化安定性，炼油厂通常在油中添加少量的抗氧化剂。
2）、腐蚀性硫
腐蚀性硫是指油中所含的具有腐蚀性的活性硫或硫化合物。其中
的二氧化硫是用硫酸精制及再蒸馏时残留的硫酸酯分解生成的，它对
金属和非金属都有很强的腐蚀作用，对变压器的危害很大。
3）、含水量
GB/T 7595-2000《运行中变压器油质量标准》规定：投入运行前，
不同电压等级变压器油中允许的含水量和含气量如下表。
电压等级/kV
允许的含水量/10-6
允许的含气量（%）
110及以下
≤20
≤1
220
≤15
≤1
330、500
≤10
≤1
为了降低油中的含水量，可以采用真空滤油机进行处理，以达到标准
的要求。
4）、酸值
酸值是中和1g油中的酸性组分所消耗的KOH的毫克数，新变压
器油的酸值一般都比较小，随着油的保管和运行时间的增长，油的酸
值也会增加。
物理特性：包括粘度和闪点、密度、界面张力等。
1）、粘度和闪点
变压器油的粘度越低，冷却效果就越好。油的粘度降低，流动
性变好，有利于绕组和铁心的散热。
标准对变压器油的粘度没有数值上的规定，但对变压器油的闪
点的最低值做了规定。这是因为变压器油是许多不同分子的混合物，
它的沸腾温度有一个范围，油的沸腾范围越低，则其粘度和闪点也越
低。环烷基油的沸腾范围比石蜡基油低，因此它的粘度和闪点也低。
2）、密度
GB/T 2536-1990《变压器油》规定：变压器油在20℃的密度不
大于895Kg/m3。
3）、界面张力
界面张力表示油和水之间界面的强度。界面张力取决于油中所
含极性物质的数量的多少，变压器油中极性物质越少，处于界面上油
分子和水分子之间的作用力越小，界面张力就越高。运行中的变压器
油随着老化产物（有极性的亲水物质）的不断增加，界面张力会越来
越低。标准中规定：运行中变压器油的界面张力不得低于19mN/m。
界面张力指标是从极性物质的多少的角度来反映油的优劣和老化
程度的。
电气特性：包括击穿电压和介质损耗等。
1）、击穿电压
变压器油中的杂质主要是指混和在油中的水分、气体和纤维。当
油中含有带水分的纤维杂质时，将引起油中的电场发生畸变，造成局部电场强度增大，引起油中放电和击穿。因此变压器油必须经过过滤和干燥处理才能使用。
影响油击穿电压的因素主要有：杂质（水分）、温度、电场状况和电压作用时间等。
GB/T 7595-2000《运行中变压器油质量标准》对各电压等级的变压器的油有规定。
2）、介质损耗角正切（tanδ）
介质损耗角正切是变压器油的一个重要参数，它取决于油中的离子含量。它对污染物非常敏感，只要一点点，就可以使介质损耗角正切增加很多。
GB/T 7595-2000《运行中变压器油质量标准》对此有规定。