變壓器的工作原理

　　變壓器的工作原理示意圖如圖1所示。變壓器的初級繞組和次級繞組相當于兩個電感器，當交流電壓加到初級繞組上時，在初級繞組上就形成了電動勢，產生出交變的磁場，次級繞組受到初級繞組的作用，也產生與初級繞組磁場變化規律相同的感應電動勢（電壓），于是次級繞組輸出交流電壓，這就是變壓器的變壓過程。

　　圖1　變壓器的工作原理示意圖

　　變壓器的輸出電壓和繞組的匝數有關，一般輸出電壓與輸入電壓之比等于次級繞組的匝數N2與初級繞組的匝數N1之比，即U2/U1=N2/N1；變壓器的輸出電流與輸出電壓成反比（I2/I1=U1/U2），通常降壓變壓器輸出的電壓降低，但輸出的電流增大了，具有輸出強電流的能力。

　　變壓器的主要組成部分和作用

　　變壓器的最基本結構部件是由鐵芯、繞組和絕緣所組成。此外為了安全可靠的運行，還裝設有油箱、冷卻裝置、保護裝置。

　　（1）鐵芯：變壓器的鐵芯是磁力線的通路，起集中和加強磁通的作用，同時用以支持繞組。

　　（2）繞組：變壓器的繞組是電流的通路，靠繞組通入電流，并借電磁感應作用產生感應電動勢。

　　（3）油箱：油箱是油浸式變壓器的外殼，變壓器主體放在油箱中，箱內充滿變壓器油。

　　（4）油枕：油枕也叫輔助油箱，它是由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，油枕的一端裝有油位指示計，油枕的容積一般為變壓器油箱所裝油體積的8%～10%。其作用是變壓器內部充滿油，而由于油枕內油位在一定限度，當油在不同溫度下膨脹和收縮時有回旋余地，并且油枕內空余的位置小，使油和空氣接觸的少，減少了油受潮和氧化的可能性，另外，儲油柜內的油比油箱上部的油溫低很多，幾乎不和油箱內的油對流。在油枕和油箱的連接管上裝有瓦斯繼電器，來反映變壓器的內部故障。

　　（5）呼吸器：呼吸器內裝有干燥劑即硅膠，用來吸收空氣中的水分。

　　（6）防爆管：防爆管安裝在變壓器的油箱蓋上。防爆管的頂端裝有一個玻璃片，當變壓器內部發生故障，產生高壓，油里面的氣體便沖破玻璃片排到油箱外，釋放壓力，從而保護變壓器油箱不被破壞。

　　（7）溫度計：溫度計安裝在油箱蓋上的側溫筒內，用來測量油箱內的上層油溫。

　　（8）套管：套管是將變壓器高、低壓繞組的引線引到油箱外部的絕緣裝置。它既是引線對地（外殼）的絕緣，又擔負著固定引線的作用。

　　（9）冷卻裝置：冷卻裝置是將變壓器在運行中產生的熱量散發出去的設備。

　　（10）凈油器：又稱溫差濾過器。它的主要部分是用鋼板焊成的圓筒形凈油罐，安裝在變壓器油箱的一側，罐內充滿硅膠、活性氧化鋁等吸附劑。在運行中，由于上層油和下層油之間的溫差，于是變壓器油從上向下流動經過凈油器形成對流，油與吸附劑接觸，其中的水分、酸和氧化物等被吸收，使油得到凈化。延長油的使用期限。強油循環變壓器的凈油器是靠油流壓差使變壓器油流經凈油泵，達到凈化的目的。

　　變壓器的用途

　　電力變壓器（簡稱變壓器）是用來改變交流電電壓大小的電氣設備。它根據電磁感應的原理，把某一等級的交流電壓交換成另一等級的交流電壓，以滿足不同負載的需要。因此變壓器在電力系統和供用電系統中占有非常重要的地位。

　　發電機輸出的電壓，由于受發電機絕緣水平的限制，通常為6.3KV、10.5KV，最高不超過20KV。用這樣低的電壓進行遠距離輸電是有困難的。因為當輸送一定功率的電能時，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線的電阻上。所以只能用升壓變壓器將發電機的端電壓升高到幾萬伏到幾十萬伏，以便降低輸送電流，減小輸電線路上能量損耗而不增大導線截面將電能遠距離傳輸出去。

　　輸電線將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負荷區后，必須經過降壓變壓器將高電壓降低到適合用電設備使用的低電壓。為此，在供用電系統中，需要降壓變壓器，將輸電線路輸送的高電壓變換成各種不同等級的電壓，以滿足各種復合的需要。

　　變壓器種類及特點

　　（一）按用途分

　　1.電力變壓器，用于電力系統的升壓或降壓。

　　2.試驗變壓器，產生高壓，對于電氣設備進行高壓試驗。

　　3.儀用變壓器，如電壓互感器、電流互感器，用于測量儀表和繼電保護裝置。

　　4.特殊用途的變壓器，冶煉用的電爐變壓器、電解用的整流變壓器、焊接用的焊接變壓器、試驗用的調壓變壓器等。

　　（二）按相數分

　　1.單相交壓器，用于單相負荷和三相變壓器組。

　　2.三相變壓器，用于三相系統的升、降壓。

　　（三）按繞組形式分

　　1.自耦變壓器，用于連接超高壓、大容量的電力系統。

　　2.雙繞組變壓器，用于連接兩個電壓等級的電力系統。

　　3.三繞組變壓器，用于連接三個電壓等級的電力系統，一般用于電力系統的區域變電所。

　　（四）按鐵芯形式分

　　1.芯式變壓器，用于高壓的電力系統。

　　2.殼式變壓器，用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器和電焊變壓器等；或用于電子儀器及電視、收音機等電源變壓器。殼式結構也可用于大容量電力變壓器。

　　（五）按冷卻介質分

　　1.油浸式變壓器，如油浸自冷、油浸風冷、油浸水冷、強迫油循環風冷和水內冷等。

　　2.干式變壓器，依靠空氣對流進行冷卻。這類電壓不太高、無油的變壓器，通常采用風機進行冷卻，適用于防火等場合。在600MW機組廠房內的廠用低壓變壓器，就出于防火要求而普遍采用干式變壓器。

　　3.充氣式變壓器，用特殊氣體（SF6）代替變壓器油散熱。

　　4.蒸發冷卻變壓器，用特殊液體代替變壓器油進行絕緣散熱。

　　（六）《電力變壓器運行規程》DL/T572-1995將變壓器按容量分為三類

　　1.配電變壓器，電壓在35kV及以下，三相額定容量在2500kVA及以下，單相額定容放83kVA及以下，具有獨立繞組，自然循環冷卻的變壓器。

　　2.中配變壓器，三相額定容量不超過100MVA或每柱容量不超過33.3MVA，具有獨立繞組，且額定短路阻抗Z符合要求

　　3.大型變壓器，三相額定容量100MVA以上，或其額定短路阻抗Z符合要求。

　　變壓器故障的統計資料

　　（一）各類型變壓器的故障

　　根據相關部門對變壓器類型顯示的變壓器故障統計數據人們可以看出，電力變壓器故障始終占據主導位置。

　　（二）不同用戶的變壓器故障

　　變壓器使用在不同的部門，故障率是不同的。為了分析變壓器發生故障的危險性，可將用戶劃分為11個獨立類型：（1）水泥與采礦業；（2）化工、石油與天然氣；（3）電力部門；（4）食品加工；（5）醫療；（6）制造業；（7）冶金工業；（8）塑料；（9）印刷業；（10）商業建筑；（11）紙漿與造紙業。

　　當考慮到頻率和程度時，電力部門的風險是最高的，冶金工業及制造業分別列在第二和第三位。

　　（三）各種使用年限變壓器的故障

　　按照變壓器設計人員的說法，在“理想狀況下”變壓器的使用壽命可達30～40年，很明顯的是在實際中并非如此。在1975年的研究中，故障時的變壓器平均壽命為9.4年。在1985年的研究中，變壓器平均壽命為14.9年。

　　在電力工業中變壓器的使用壽命應當給予特別地關注。我國在改革開放至今經歷了一個工業飛速發展的階段，基礎工業特別是電力工業大規模的發展。這些自80年代初到90年代安裝的設備，按其設計與運行的狀況，現在大部分都已到了老化階段。如今，這些設備已運行了近25年，故必須對已安裝變壓器的故障可能性給予特別的關注。

　　變壓器故障原因分析

　　（1）線路涌流

　　線路涌流（或稱線路干擾）在導致變壓器故障的所有因素中被列為首位。這一類中包括由誤操作、變壓器解并列、有載調壓分接頭拉弧等原因引起的操作過電壓、電壓峰值、線路故障/閃絡以及其他輸配（T＆D）方面的異常現象。這類起因在變壓器故障中占有絕大部分的比例。

　　（2）絕緣老化

　　在過去的10年中在造成故障的起因中，絕緣老化列在第二位。由于絕緣老化的因素，變壓器的平均壽命僅有17.8年，大大低于預期為35～40年的壽命！在1983年，發生故障時變壓器的平均壽命為20年。

　　（3）受潮

　　受潮這一類別包括由洪水、管道滲漏、頂蓋滲漏、水分沿套管或配件侵入油箱以及絕緣油中存在水分。

　　（4）維護不良

　　保養不夠被列為第四位導致變壓器故障的因素。這一類包括未裝變壓器的保護裝置或安裝的不正確、冷卻劑泄漏、污垢淤積以及腐蝕。

　　（5）過載

　　這一類包括了確定是由過負荷導致的故障，僅指那些長期處于超過銘牌功率工作狀態下小馬拉大車的變壓器。過負荷經常會發生在發電廠或用電部門持續緩慢提升負荷的情況下。最終造成變壓器超負荷運行，過高的溫度導致了絕緣的過早老化。當變壓器的絕緣紙板老化后，絕緣紙絕緣強度降低。因此，外部故障的沖擊力就可能導致絕緣破損，進而發生故障。

　　（6）雷擊

　　雷電波看來比以往的研究要少，這是因為改變了對起因的分類方法。現在，除非明確屬于雷擊事故，一般的沖擊故障均被列為“線路涌流”。

　　（7）三相負載不平衡

　　由于三相負載不平衡所引起某相長期過載，而使該相溫度偏高進而使絕緣老化，產生匝間短路或相間短路。

　　（8）連接松動

　　連接松動也可以包括在維護不足一類中，但是有足夠的數據可將其獨立列出，因此與以往的研究也有所不同。這一類包括了在電氣連接方面的制造工藝以及保養情況，其中的一個問題就是不同性質金屬之間不當的配合，盡管這種現象近幾年來有所減少。另一個問題就是螺栓連接間的緊固不恰當。

　　（9）工藝/制造不良

　　在HSB于1998年的研究中，僅有很小比例的故障歸咎于工藝或制造方面的缺陷。例如出線端松動或無支撐、墊塊松動、焊接不良、鐵心絕緣不良、抗短路強度不足以及油箱中留有異物。

　　（10）破壞及故意損壞

　　這一類通常確定為明顯的故意破壞行為。美國在過去的10年中沒有關于這方面變壓器故障的報道。而在我國這種現象卻時有發生，比如盜竊、人為破壞等。