第四章发电厂变压器运行.doc

第四章 变压器的运行

电力变压器是发电厂的重要电气设备之一。利用它不仅能实现电压转换（升压或降压），以利于远距离输电和方便用户使用；而且能实现电流转换、阻抗变换、系统联络等功能，在改善网络结构、合理分布系统潮流、提高电力系统运行的稳定性、可靠性和经济性等方面也起着重要作用。随着电力系统的发展，电压等级越来越高，这样在电能输送过程中，升压和降压的层次就必须增多，系统中变压器的总容量也大大增加。目前，在电力系统中变压器的总容量已增至8~10倍的发电机总容量。尽管电力变压器是一种运行可靠性和效率都很高的静止电器，但其在电力系统中所占的故障比例和能耗总量仍十分可观。因此，设法尽量减少变压层次，经济而合理地利用变压器的容量，改善系统网络结构，提高变压器的可靠性和运行水平，仍是当前电力变压器运行中的主要课题。

第一节 电力变压器的基本知识

一、变压器的基本工作原理
变压器是利用电磁感应原理制成的一种静止电器。如图8−1所示为变压器的原理图。它有一个闭合铁心，铁心上有两个绕组，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。
图4-1 变压器的原理图
当一次绕组接入交流电压u1时,一次绕组中有交变电流i1通过,并在铁心中产生交变主磁通F,其频率与电源电压频率相同。铁心中的交变主磁通同时交链一次、二次绕组,根据电磁感应定律,分别在一次、二次绕组中产生产变的感应电动势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：
（4-1）
（4-2）
式中 N1——一次绕组匝数；
N2——二次绕组匝数。
式（4-1）表明，交变主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 ¹ N2，所以e1 ¹ e2。如果忽略一些次要因素，可以认为e1 » u1，e2 » u2。因此可得u1 ¹ u2，这就实现了变换电压的目的。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过产生主磁通的空载电流i0，这个电流也称为励磁电流。当二次侧接通负载后，二次侧流过负载电流i2，该电流也在铁心中产生磁通，并对主磁通起去磁作用。当一次电压不变时，主磁通也不变。此时一次侧就要流过两部分电流，一部分为励磁电流i0，另一部分为用来平衡i2的负荷电流，所以这部分电流随着i2的变化而变化。当电流乘以匝数时就是磁势，则上述的电流平衡作用实质上就是磁势平衡，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。
二、变压器的分类和型号
1．分类
变压器的种类很多，按用途可分为电力变压器和特殊用途变压器两大类。
（1）电力变电压器。电力变压器是指电力系统中专门用于电能输送的普通变压器。按用途分为：升压变压器、降压变压器、联络变压器；按结构分为：双绕组变压器、三绕组变压器、分裂绕组变压器、自耦变压器；按相数分为：单相变压器、三相变压器；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。
（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．型号
电力变压器的型号组成按标准JB／T 3837—1996《变压器类产品型号编制方法》的规定,变压器型号采用汉语拼音大写字母表示，或其他合适字母来表示产品的主要特征，用阿拉伯数字表示产品性能水平代号或设计序号和规格代号，如图4-2所示。
图4-2 电力变压器型号组成
(1) 产品型号。图4-2中第1个方块表示产品型号，变压器型号采用汉语拼音大写字母表示，各字母的含义见表4-1。
表4-1 电力变压器产品型号字母排列顺序及含义
序号
分 类
涵 义
代表的字母
序号
分 类
涵 义
代表的字母
1
绕组耦合方式
独立
自耦
－
O
8
绕组导
线材质
铜
铜箔
铝
铝箔
－
B
L
LB
2
相数
单相
三相
D
S
9
铁心材质
电工钢片
非晶合金
－
H
3
绕组外绝缘介质

变压器油
空气(干式)
气体
成型固体
浇注式
包绕式
难燃液体
－
G
Q
C
C
CR
R
10
特殊用途或
特殊结构
密封式
串联用
起动用
防雷保护用
调容用
高阻抗
地面站牵引用
低噪声用
电缆引出
隔离用
电容补偿用
油田动力照明用
厂用变压器
全绝缘
同步电机励磁用
M
C
Q
B
T
K
QY
Z
L
G
RB
Y
CY
J
LC
4
冷却装置种类
自然循环
冷却装置
风冷却器
水冷却器

－
F
S
5
油循环
方式
自然循环
强迫油循环
－
P
6
绕组数
双绕组
三绕组
双分裂绕组
－
S
F
7
调压方式
无励磁调压
有载调压
－
Z
例：变压器型号为SFPZ9—360000／220，按照图4-2和表4-1的规定，这是一台三相双绕组变压器，绕组的外绝缘介质是变压器油，使用风冷却装置，采用强迫油循环和有载调压方式；数字9表示变压器性能水平符合GB／T6451中9型产品的要求（见表4-2）。变压器的容量为360000kVA，高压电压为220kV。
(2) 变压器的性能水平。图4-2中第2个方块表示变压器的性能水平，变压器的性能水平应符合GB／T 6451—1999《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》、GB／T16274—1996《油浸式电力变压器技术参数和要求500kV级》和GB／T10228—1997《干式电力变压器技术参数和要求》。按标准JB／T3837—1996《变压器类产品型号编制方法》的规定，电力变压器产品的性能水平代号的规定见表4-2。
表4-2 三相油浸式电力变压器性能水平代号
性能水平
电压等级
性 能 参 数
代号
（kV）
空 载 损 耗
负载损耗
7
6，10
符合GB／T6451组Ⅰ
符合GB／T6451
≥35
符合GB／T6451
8
6，10
符合GB／T6451组Ⅰ
≥35
比GB／T6451平均下降10%
9
6，10
比GB／T6451组Ⅰ平均下降10%
比GB／T6451平均
下降10%
≥35
比GB／T6451平均下降20%
10
6，10
比GB／T6451组Ⅰ平均下降20%
比GB／T6451平均
下降15%
≥35
比GB／T6451平均下降30%
11
6，10
比GB／T6451组Ⅰ平均下降30%
≥35
比GB／T6451平均下降40%
三、电力变压器的主要技术参数
1．额定容量SN
变压器额定容量是指变压器额定情况下的视在功率，单位用VA、kVA或MVA表示，并采用R8或R10容量系列。
2．额定电压U1N/U2N
U1N是一次侧额定电压。U2N是二次侧额定电压，即当一次侧施加额定电压U1N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。
3．额定电流I1N/I2N
由发热条件决定的允许变压器一、二次绕组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。
对单相变压器
I1N =SN /U1N； I2N =SN /U2N （4-3）
对三相变压器
； （4-4）
4．空载电流和空载损耗
变压器的一个绕组施加额定电压，其他绕组开路时，流经该绕组的电流即为空载电流。通常以变压器额定容量下绕组的额定电流的百分值表示。此时变压器从电网吸取的功率定义为空载损耗。
5．短路阻抗和负载损耗
在额定频率及参考温度下，给变压器的一对绕组施加一短路电压（即使得该绕组电流达到额定值时的电压），将另一个绕组短路，其他绕组开路，此时所求得的该绕组端子之间的等效阻抗就是变压器的短路阻抗。此时，变压器从电网汲取的功率就是变压器的负载损耗。
6．变压器的温升
变压器顶部油温与外部冷却介质温度之差为变压器油的温升。变压器绕组以电阻法确定的平均温度与外部冷却介质温度之差为变压器绕组的温升。
7．变压器的效率
在变压器转换电能的过程中，产生了损耗，致使输出功率小于输入功率。输出功率与输入功率之比，称为变压器的效率，有如下定义式：
（4-5）
式中 P1——变压器的输入功率；
P2——变压器的输出功率。
P1与P2之间有如下关系：
P1 =P2+PFe+PCu （4-6）
式中 PFe、PCu——变压器的总铁损和总铜损。
在式(4-5)中，。因此，变压器的效率与负载阻抗和功率因数有关，也与变压器本身的损耗有关。由于变压器铁损与变压器铁心材料品质及铁心饱和程度有关，而与负载情况关系不大。因此，近似认为变压器工作电压不变时，铁损也不变；变压器的铜损与负载电流密切相关，与负载电流的平方成正比。因此，变压器的效率是随负载情况而变化的。一般变压器的最大效率发生在负载率为50%～60%、变压器的铜损与铁损比在3～4的情况下。
四、变压器的连接组别
1．三相绕组的连接方法
在三相变压器中，常用大写字母A、B、C表示高压绕组的首端，用X、Y、Z表示其末端；用小写字母a、b、c表示低压绕组的首端，用x、y、z表示其末端，星形连接的中性点用N或n表示。
在三相变压器中，不论是一次绕组或二次绕组，我国最常用的有两种连接方法。
（1）星形连接法。将三个绕组的末端X、Y、Z连接在一起，而把它们的三个首端A、B、C引出，便构成星形连接，用Y表示，如图4-3（a）所示。
（2）三角形连接。将一个绕组的末端与另一个绕组的首端连接在一起，顺次构成一个闭合回路，便是三角形连接，用D表示，如图4-3（b）和4-3（c）所示。D形连接可以按AX—BY—CZ的顺序连接，称为顺序三角形接法；也可以按AX—CZ—BY的顺序连接，称为逆序三角形接法。
图4-3 三相绕组的连接方法
（a）星形连接； （b）顺序三角形接法； （c）逆序三角形接法
2．三相变压器的连接组别
变压器高、低压绕组都可以接成星形、三角形，分别用Y（y）、D（d）符号表示。如Y，d11表示高压绕组接为星形，低压绕组接为三角形，连接组别号是11，即高、低压绕组线电压相位差为330°。下面举列说明我国采用的两种标准连接组。
（1）Y，y0接线组。图4-4（a）所示为Y，y0连接组的三相变压器绕组接线图。图中高、低压绕组的首端为同极性端，因此高、低压绕组的相电压同相位，由相量图可判断其线电压也同相位。将高压侧线电压固定在时钟“12”的位置上，由于与同相，因此也指向“12”，其连接组别为Y，y0。

图4-4 Y，y0连接组
（a）变压器接线；（b）相量图；（c）钟面图
如果在星形接线中，一次侧和二次侧用不同极性的端头作为各自的首端，就会构成Y，y6连接组。如果按相序方向依次移动a、b、c标志，可以得到钟面上所有偶数连接组。
（2）Y，d11连接组。图4-5（a）所示为Y，d11连接组三相变压器绕组的连接图，图中低压绕组按ax®cz®by®a顺序连接，因为高、低压绕组的首端为同极性端，高、低压绕组的相电压同相位，由相量图4-5（b）可知超前30°，其连接组别为Y，d11。如果高压绕组和低压绕组用不同极性的端头作为各自的首端，就会构成Y，d5连接组。顺序移动a、b、c标志，可得所有奇数连接组。

图4-5 Y，d11连接图

（a）绕组接线图； （b）相量图； （c）钟面图
3．标准连接组
单相和三相变压器有很多连接组别，为了避免使用时造成混乱，国家标准规定，对于单相双绕组电力变压器只有一种标准连接组别为I，I0；对于三相双绕组电力变压器有以下几种连接组别：YN，ｙ0、Ｙ，ｄ11、ＹN，ｄ11、Ｙ，ｙ0、D，yn1。
五、变压器的冷却方式
变压器在运行中，绕组和铁心的热量先传给油，然后通过油传给冷却介质。为了提高变压器的出力而不影响使用寿命，必须加强变压器的冷却，变压器的冷却方式有以下类型。
1．自然油循环自然冷却（油浸自冷）
它是靠变压器油自然循环，油受热后比重小而上升，冷却后比重大而下降，这种冷热油不断对流的冷却方式为自然冷却方式。采用这种冷却方式的变压器容量较小，大多为7500kVA以下，在发电厂中大部分为厂用变压器。
2．自然油循环风冷（油浸风冷）
较大型变压器为了加强表面冷却而在每组散热器上装设风扇实行吹风冷却。此类变压器一般都在铭牌上载有不使用风冷和使用风冷的额定容量，前者容量为后者的60%～80%。
为降低厂用电，一般规定上层油温超过55℃启动风冷；低于45℃时停止风冷。运行时应注意不要将风扇装反或转向弄反，否则将失去风冷作用。油浸风冷变压器冷却装置参见图4-6。
图4-6 变压器的吹风冷却装置
1—圆管形散热器；2—联箱；3—与箱壳连接的法兰；4—冷却风扇
3．强迫油循环风冷
大型变压器仅靠表面冷却是远远不够的，因为表面冷却只能降低油的温度，而当油温降到一定程度时，油的粘度增加以致降低油的流速，使变压器绕组和油的温升增大，起不到冷却作用。为了克服变压器表面冷却的这一缺点，采用强迫油循环风冷，以加快流速起到冷却作用。如图4-7所示为强迫油循环风冷变压器冷却系统图，为了防止漏油或漏气，油泵采用埋入油中的潜油泵，潜油泵故障时可发出信号和投入备用冷却器，一台变压器往往装有十几台风冷却器，有的作为备用。
另外，变压器还有强迫油导向循环风冷或水冷等多种冷却方式。
图4-7 强迫油循环风冷变压器冷却系统图

第二节 油浸式电力变压器

电力变压器的基本结构部件是铁心和绕组，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安放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。现将油浸式电力变压器各部分结构的作用和特点介绍如下。
一、铁心
铁心是电力变压器的基本部件，由铁心叠片、绝缘件和铁心结构件等组成。铁心本体是由磁导率很高的磁性钢带组成，为使不同绕组能感应出和匝数成正比的电压，需要两个绕组链合的磁通量相等，这就需要绕组内有磁导率很高的材料制造的铁心，尽量使全部磁通在铁心内和两个绕组链合，并且使只和一个绕组链合的漏磁通尽量少。
为减小励磁电流，铁心做成一个封闭的磁路，铁心又是安装绕组的骨架，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。
变压器铁心一般分为两大类，即壳式铁心和心式铁心。而每类铁心中又分为叠铁心和卷铁心两种。其中由片状电工钢带逐片叠积而成的称为叠铁心；卷铁心是用带状材料在卷绕机上的适当形状模具连续绕制而成。另外，还有双框铁心，即大小框结构，但现在由于均采用优质冷轧电工磁性钢带，钢带的宽度已能满足心柱和铁轭宽度的要求，故很少采用双框(大小框)铁心。此外，还有新型的双框和多框结构，如单相双框及三相四框结构等。
若按变压器的相数分，单相变压器的铁心统称为单相铁心，三相变压器的铁心统称为三相铁心；还可按变压器铁心的柱数、框数等进行分类。
1．三相心式变压器铁心叠片
三相变压器是生产和使用最多的变压器，因为一台三相变压器的价格比三台单相变压器组成三相组要低，同时三相变压器的安装面积比三台单相变压器组成三相组所需的安装面积要小，所以一般情况下，都使用三相变压器，只有在运输条件限制或有特殊要求时才使用由三台单相变压器组成的变压器组。三相心式变压器铁心叠片如图4-8所示。
图4-8 三相心式变压器铁心叠片
(a)三相三柱式； (b)三相五柱式
2．心式变压器铁心
心式变压器铁心的特点是铁心是垂直的，绝大多数情况下铁心柱由多级铁心片组成，内接于圆，在圆形面积内有尽可能大的铁心截面积。绕组是圆形的，套装在铁心柱上。
心式变压器铁心都包括铁心叠片(这是铁心的最基本部分)，其他还有使铁心成为一个整体的夹件、铁心绑扎带、拉螺杆(大型变压器是拉板)、铁心绝缘件和铁心接地用的接地片等部分。图4-9示出典型的大容量心式变压器铁心，铁心片是45°斜接缝，铁心柱用钢拉板和环氧绑扎带压紧铁心柱，铁轭用环氧拉带及垫脚或撑板夹紧铁轭。
图4-9 大容量心式变压器铁心
1—上夹件定位件； 2—上夹件； 3—上夹件吊轴； 4—撑板； 5—夹紧螺杆；
6—拉板；7—环氧绑扎带；8—下夹件9—垫脚；10—铁心叠片；11—夹紧绑带

3．三相壳式变压器铁心叠片
三相壳式变压器铁心叠片分为两种结构：一种是普通三相，类似于心式变压器的三相三柱式铁心；另一种是三相五柱式铁心。前者适用于容量比较小的壳式变压器，后者用于容量特别大的壳式变压器，如图4-10所示。
图4-10 三相壳式变压器铁心叠片
(a) 普通三相铁心； (b) 三相五柱铁心
由图4-10可以看出，普通三相变压器铁心的铁心柱在三个相内是串联的，而三相五柱铁心的铁心柱在三个相内是并排的。
二、绕组
1．导体的物理性能
在变压器中使电流流过的材料称为导体。对导体要求是：导电性能要好；有合适的机械强度；有较为稳定的化学特性；工艺加工性能好。从这些性能的要求来看，银、铜、铝等材料都可以使用。这些材料中以银为最佳，但银的矿藏储量有限，价格昂贵，故难以采用。在电力变压器中，常用的材料是铜，铝线变压器现在已很少生产。电工用铜、铝导体的物理性能见表4-4。
表4-4 铜和铝的物理性能
物 理 性 能
单 位
铜(Cu)
铝(A1)
密度(20℃)
kg/dm3
8．96
2．698
电导率
硬
m·S/mm2
55
33
半硬
m·S/mm2
56
35
软
m·S /mm2
57
37
电阻温度系数
/℃
0．00393
0．00377
线膨胀系数
/℃
1．62× 10－6
23．9× 10－6
抗拉强度(软/硬)
N/mm2
200/350
70/150
断裂伸长率(软/硬)
%
30/20
22/2
弹性模量
N/mm2
125000
72000
布氏硬度(软/硬)
HBS
35/95
15/25
热导率
W/(m·℃)
338000
231000
比热容
J/(kg·℃)
385
920
熔 点
℃
1083
659
沸 点
℃
2300
2270
熔化热
J/kg
20900
335000
电化学位
V
+0．35
－1．28
2．绕组的结构
变压器绕组的结构一般可分为两大类：层式和饼式。层式绕组又包括圆筒式和箔式；饼式又包括连续式、纠结式、内屏蔽式、螺旋式和交错式。表4-5列出了不同型式绕组的适用范围。
表4-5 不同型式绕组的适用范围
三相容量(kVA)
电压等级
(kV)
绕组型式
适用范围
说 明
10～500
≤1
单、双层圆筒式
内绕组
导线并绕根数1～6根(不超过8根)
10～500
3～10
多层圆筒式
高压绕组
圆线或扁线，并绕根数为1根
(不超过2根)
50～630
35
630～2000
66
分段圆筒式
1000～4000
110
800～1250
0.4
双
螺
旋
式
低压绕组
1．单、单半螺旋，并绕根数
一般为10～20根
(不超过24根)；
2．60匝以上采用双、四螺旋
60～100匝以下采用单螺旋
100～150匝以下采用单半螺旋
1600～2000
0.4
四
4000～8000
3
单半
10000～16000
3
单
12500～16000
6
单半
20000～50000
6
单
25000～50000
10
单半
63000～80000
10
单
100000及以上
10
双
630～3150
3
连续式
高、低
(中)
压绕组
导线并绕根数为1～4根；
绕组匝数在150匝以上，
高压导线并绕根数超过4根时，
可采用中部进线，容量可增大
630～10000
6
630～20000
10
800～31500
35
100000及以上
66
纠结连续式
高、中
压绕组
220kV及以上采用
插入电容连续式
110
154
插入电容连续式
220
330
插入电容连续式
500

如图4-11所示为变压器常采用的几种绕组结构。
图4-11 变压器绕组典型结构图
3．绕组的连接
如图4-12所示为变压器绕组的不同出线方式。
图4-12 绕组出线不同的连接图
(a) 端部出线 (b) 中部出线
图4-13为三相变压器的星形连接图，其中图4-13(a)为圆筒式绕组的连接图，绕组的电压等级不超过35kV。这种连接图的优点是只用一个分接开关即可调压。圆筒式绕组的分接头多从外层线匝上引出，这样可将相间绝缘距离减小，以缩小变压器的体积和重量。图4-13(b)是连续式绕组的连接图，绕组的电压等级也不超过35kV。图中的连接方式又称为：“反接法”，它是把调压线段放到绕组的中部，这种接法比把调压线段放到绕组的端部的接法在运行中的漏磁要小，从而减小轴向机械力。但由于调压线段在绕组的中部，它和相邻的非调压线段之间的电位差约为正常工作电压的一半，特别是在冲击试验时，它们两者之间会出现冲击试验耐压值的75％～100％的电压。因此，这种“反接法’对该处绝缘的考核是严格的，所以“反接法”只能在电压等级低的变压器上应用。图4-13(c)表示高压绕组(饼式)中部有调压分接线段(无载)的星形连接图，这种连接图又称“顺接”，所用分接开关相间绝缘按试验时的电压考虑，其中断点电位差较低，其油道按该处的冲击梯度大小来定。图4-13(d)表示低压绕组(饼式)中部没有调压分接线段的星形连接图。
图4-13 三相变压器星形连接图
(a)圆筒式绕组；(b)连续式绕组；(c)高电压绕组；(d)无分接低压绕组
三、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。
作为盛油容器(不是静止的冷油，而是运动中的热油)，油箱理所当然应该密封不漏油不渗油，它包括两方面的含义：一是所有钢板材料和所有焊线均不得渗漏，这决定于钢板材质、焊接工艺规范和焊接结构设计；二是机械连接的密封处不得漏油，这决定于密封材料的性能和密封结构的合理性。
作为外壳和骨架，油箱应具备一定的机械强度，这主要包括五方面内容：一是承受变压器器身和油的重量以及总体的起吊重量；二是承载变压器所有附件(如套管、储油柜、散热器或冷却器等)；三是在运输中承受冲击加速度的作用和运行条件下地震力或风力载荷的作用；四是对大型变压器而言，器身在油箱内要真空注油，或在安装现场修理时，要利用油箱对器身进行干燥处理，这都要求油箱能承受抽真空时大气压力的作用；五是除承受内部油压的作用外，还要保证在变压器内部事故时油箱不得爆裂。
作为散热部件，油箱结构形式随变压器容量的增大而有所改变。小型变压器的发热量较少，仅靠油箱表面散热即可满足变压器规定温升的要求。容量增大后，由于电磁损耗与容量的3/4次方成正比，而外表面积的增加却与容量的1/2次方成正比，即损耗的增加速度超过了油箱自然冷却表面积的增加速度。换言之，要使大容量变压器和小容量变压器具有同一水平的绕组温升和油温升，必须在结构上采取措施来增大油箱散热面积(如增加散热扁管或将箱壁作成瓦棱状等)。变压器容量再增大时，必须加装专用的外部连接的散热器或冷却器，并增设吹风装置和加速油流循环散热的冷却油泵，同时油箱结构也要适于导向冷却的要求。
1．油箱分类
变压器油箱有多种结构型式，按冷却方式进行分类常见的有以下几种类型。
(1) 瓦棱形(波纹式)箱壁油箱。瓦棱形油箱的外形结构简图如图4-14所示，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。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，因此，不必要在油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油箱壁上瓦棱的变形进行补偿。

图4-14 瓦棱形(波纹式)油箱外形简图 图4-15 管式(散热器)油箱的外形简图
(2) 管式(散热器)变压器油箱。管式变压器油箱的外形结构简图如图4-15所示，它是由于在变压器油箱平壁上加焊上下连通的弯管而得名。这些弯管的作用是增加变压器的散热面积。为保证在相同散热面积的情况下减少变压器油的使用量，弯管的截面多采用“扁管”。 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。
(3) 片式(散热器)变压器油箱。片式变压器油箱的外形结构简图如图4-16所示，它利用散热片来增加变压器的传热面积，其外形美观，是一种新式变压器油箱结构。该种油箱先将散热片焊接在圆管上，再将圆管焊接在变压器油箱壁上，保证散热片内部空腔中的油与变压器油箱中的油相通，可适用于较大容量范围的变压器。当变压器容量达到800kVA及以上时，应安装压力释放装置，并在油箱通往储油柜的管路上安装气体继电器。也有制造厂家在较小容量的变压器上采用面积较大的散热片，其作用一方面是满足散热的要求；另一方面是利用较大的散热片组来补偿变压器油随温度变化所产生的胀缩。
图4-16 片式(散热器)变压器外形简图 图4-17 带冷却器式变压器外形简图
(4) 带冷却器式油箱。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。该油箱的外形结构简图如图4-17所示。带冷却器的巨型变压器油箱常采用钟罩式油箱结构，即油箱由上、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，这给现场检修带来了极大方便。
2．油箱外形结构
大型变压器油箱的容积很大，在箱底上要放置几十吨，甚至上百吨重的器身，连同变压器油及其油箱本身和相应附件的重量有时可达数百吨。在运输中，油箱就是变压器的“包装箱”。高电压大容量变压器要求真空注油，在安装现场检修中，又要求利用油箱本身作为密封耐压容器进行器身的真空干燥处理。因此，对大型变压器油箱的机械强度有很严格的要求。
如图4-18所示为大型三相无励磁调压升压发电机变压器外形结构图。其上节油箱为梯形顶钟罩式，箱底为盆式，油箱横截面为矩形截面，高压出线处为适形折边油箱结构。上节油箱箱壁用槽形竖加强铁进行加强，高压出线用油-空气套管从高压侧盖引出，低压套管从低压侧盖垂直引出与封闭母线连接，冷却器布置在变压器两端，八件吊杆布置在高低压侧，储油柜横卧在油箱上方。
图4-18 大型发电机变压器外形结构图
1—油箱；2—高压中性点套管；3—高压套管；4—储油柜；5—低压套管
四、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。因此，对于变压器油的化学特性、物理特性和电气特性有多项要求。表4-6为GB/T7595—2000《运行中变压器油质量标准》。
表4-6 GB/T7595—2000《运行中变压器油质量标准》
序
号
项 目
设备电压
质 量 指 标
试验方法
等级/kV
投入运行前的油
运行油
1
外 观

透明，无悬浮物和机械杂质
外观目测
2
水溶性酸(pH值)

>5.4
≥4.2
GB/T7598
3
酸值/(mgKOH/g)

≤0.03
≤0.1
GB/T7599或
GB/T264
4
闪点(闭口)/℃

≥140(10号、25号油)
≥135(45号油)
与新油原始测定值
相比不低于10
GB/T261
5
水分/(mg/L)
330～500
220
≤110及以下
≤10
≤15
≤20
≤15
≤25
≤35
GB/T7600或
GB/T7601
6
界面张力(25℃)/
(mN/m)

≥35
≥19
GB/T6541
7
介质损耗角正切
(90℃)
500
≤330
≤0.007
≤0.010
≤0.020
≤0.040
GB/T5654
8
击穿电压/kV
500
330
66～220
35及以下
≥60
≥50
≥40
≥35
≥50
≥45
≥35
≥30
GB/T507或
DL/T429.9
9
体积电阻率
(90℃)/Ω·m
500
≤330
≥6× 1010
≥6× 1010
≥1× 1010
≥5×109
GB/T569或
DL/T421
10
油中含气量(%)
(体积分数)
330～500
≤1
≤3
DL/T423或
DL/T450
11
油泥与沉淀物(%)
(质量分数)

<0.02(以下可忽略不计)
GB/T511
12
油中溶解气体组分
含量色谱分析

按DL/T596－1996中检验周期和要求
GB/T 17623
GB/T7252
五、套管
变压器需要通过套管将各个不同电压等级的绕组连接到线路中，需要使用不同电压等级的套管对油箱进行绝缘。根据使用条件，套管需要满足使用的绝缘(内绝缘和外绝缘)、载流(额定和过载)、机械强度(稳定和地震)等各方面的要求。
1．套管分类
根据套管的结构、使用地点、运行状态和安装方式，套管分类见表4-7。
表4-7 套 管 分 类
序号
分类特征
类 别
1
主绝缘结构
电容式
胶粘纸、胶浸纸、油浸纸、浇注树脂
其他绝缘气体或液体
非电容式
气体绝缘、液体绝缘
浇注树脂、复合绝缘
2
使用场所
变压器、电抗器、断路器
气体绝缘金属封闭开关设备、
变压器-气体绝缘金属封闭开关设备
变压器—电缆终端、穿过墙或楼板
3
运行状态
户外、户外-户内
户外-浸入式
一般地区(外绝缘污秽等级工级)
污秽地区(外绝缘污秽等级Ⅱ-Ⅳ级)
户内、户内-浸入式
完全浸入式
4
安装方式
垂直、倾斜、水平
2．套管结构
1—瓷压盖；
2—放气塞；
3—瓷套；
4-—密封垫圈；
5—衬垫；
6—导电杆
(1)单体瓷绝缘导杆式套管。如图4-19所示为BD-10、20／(300～3000)、BDW-20／(800～3000)型套管。其额定电压等级为10kV、20kV。额定通过电流为300～3000A。使用环境温度为-40～+40℃，海拔≤1000m；当海拔>1000m时，可用20kV套管做10kV用。封闭母线中使用的电流应为套管额定电流的53％。在瓷套中部有固定平台，安装时用四个或六个压钉卡装在变压器箱盖上。600A及以上套管的头部有放气孔，安装时需要放出气体，使套管内部充满变压器油。
图4-19 BD－10、20/(300～3000) 、BDW－20/(800～3000)型套管

(2) 60～550kV电容式套管。60kV及以上电压等级，目前毫无例外均使用电容式套管。 60～550kV电容式套管又可分为油-空气套管、油-SF6套管、SF6-SF6套管和SF6-空气套管。油-空气套管和油-SF6套管用于油浸式变压器；而SF6-SF6套管和SF6-空气套管用于SF6气体变压器。典型的油浸式电容套管如图4-20所示。
在图4-20中，L是套管的总高度，和套管的额定电压等级、全部结构以及套管的外绝缘有关；L1是上部外绝缘高度；L2是中间接地法兰高度，与套管上安装的套管电流互感器数量和型号有关；L3是下部绝缘高度。通常套管的上部和下部绝缘都用瓷绝缘。
大容量变压器都需要电流互感器向测量和保护设备供电。将电流互感器安放在高压瓷套管的接地法兰处，互感器对地的绝缘由高压套管承受，可使电流互感器的结构和绝缘大大简化，不需要按照标准规定对电流互感器进行耐受雷电冲击、操作冲击、介质损耗和局部放电等试验。只需对二次绕组进行规定的试验。
1—接线头； 2—均压罩；
3—压圈； 4—螺栓及弹簧；
5—储油柜； 6—上节瓷套；
7—电容芯子； 8—变压器油；
9—密封垫圈； 10—量端子；
11一密封垫圈；12—下节瓷套；
13—均压罩； 14—吊环；
15—放油塞

图4-20 典型油浸式电容套管
另外，套管电流互感器的动稳定性能主要由套管承担，一般没有动稳定问题。因此，套管式电流互感器作为高压套管的一种特殊形式在大型变压器中得到广泛采用。
六、分接开关
1．无励磁分接开关
无励磁分接开关可以在变压器不施加电压的条件下，变换变压器的分接头，用来改变变压器的电压比。
如图4-21所示为变压器使用的鼓形结构无励磁调压分接开关。鼓形分接开关通常是单相结构，开关的静触头柱为圆柱形，动触头是圆环形，在圆环形的动触头内装有盘形弹簧，在开关转换时，允许动触头相对中心轴有位移，触头压力由动触头相对中心轴的位移大小决定。转换结束后，动触头处于稳定位置。
鼓形无励磁分接开关一般用于绕组中部调压，其对地绝缘由开关的绝缘操作杆承受，电压范围为35～220kV，电流范围为300～1000A。分接之间的纵绝缘由绝缘板及绝缘套承受。
图4-21 鼓形无励磁分接开关
(a)鼓形分接开关；(b)触头系统
2．有载分接开关
有载分接开关能在变压器励磁或负载状态下进行操作，是用来转换绕组分接位置的一种电压调节装置。通常它由一个带过渡阻抗的切换开关和一个能带或不带转换选择器的分接选择器所组成，整个开关是通过驱动机构来操作的。
有载分接开关可以在变压器有励磁和带有负载电流条件下改变变压器的电压比，因此，有载分接开关必须有可以切断电流的触头，其工作原理如图4-22所示。
图4-22 有载分接开关原理图
(a)开关的原理 (b)切换开关工作原理
图4-22中开关工作位置在绕组的第2分接，变压器的负载电流通过分接选择器S2的分接2，准备转换到第1分接。转换过程如下：
(1) 分接选择器S1从分接3转到分接l，分接选择器的动触头由位置3移到位置1，由于分接3中不通过电流，分接选择器S1的触头3不需要切断电流。
(2) 切换开关动触头动作，由原来接触触头3和4，动触头运动断开静触头4，动触头断开电流I，由接触静触头3和4变到只接触静触头3，电流I通过静触头3和过渡电阻器R。
(3) 切换开关动触头继续动作，动触头同时接触静触头2和3，电流I通过静触头2和3。此外分接选择器S1和分接选择器S2的分接1和2的触头将分接绕组一部分通过过渡电阻器短路，在分接绕组中除有变压器负载电流I外，还有分接