主变压器结构、各部件作用
运行培训教案
主变压器结构、各部件作用
运行部
二〇一〇年八月
主变压器结构、各部件作用
一、变压器的基本结构与分类
变压器是一种改变交流电源的电压、电流而不改变频率的静止电气设备，它具有两个（或几个）绕组，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另一个（或几个）系统的交流电压和电流而借以传送电能的电气设备。通常，它所连接的至少两个系统的交流电压和电流值是不相同的。
由此可见，变压器是一种通过电磁感应而工作的交流电气设备。主变压器系统由线圈、铁芯、主变油箱、变压器油、调压装置、瓦斯继电器、油枕及油位计、压力释放器、测温装置、冷却系统、潜油泵等组成。另外，主变压器还安装了气相色谱在线监测装置，每周对变压器油进行溶解气体检测，以便判断设备运行状况。
变压器的分类有多种方法：按用途不同可分为电力变压器、工业用变压器及其他特种用途的专用变压器；按绕组与铁芯的冷却介质不同可分为油浸式变压器与干式变压器；按铁芯的结构型式不同可分为心式变压器与壳式变压器；按调压方式不同可分为无励磁调压变压器与有载调压变压器；按相数不同可分为三相变压器与单相变压器；按铁芯柱上的绕组数不同可分为双绕组变压器与多绕组变压器；按不同电压的绕组间是否有电的连接可分为独立绕组变压器与自耦变压器等等。
二、变压器的各部件作用
我厂500kV主变压器由日本三菱公司生产，共19台（一台备用）型号为SUW的单相、双卷、油浸式水冷无载分接升压壳式变压器组，三台单相变压器以Y0/△—11型接线组成与发电机组成单元接线，额定容量3×214MVA，额定电压550/18kV，无载分接范围550—4×％，阻抗电压15％。高压侧出线经高压套管与SF6绝缘封闭母线联接，变压器中性点三相经穿墙套管联接在 B 相主变室经电缆接地；变压器的冷却方式为强迫油循环水冷（ODWF）；每台单相变压器共三组冷却器，运行方式为两台优先、一台备用。主变压器高压侧中性点直接接地方式，低压侧经软连接辫与离相封闭母线联接，高压侧通过SF6管道母线与500kV电缆联接。
表1.主变压器主要参数
1.铁芯
铁芯是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为或 mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁芯分为铁芯柱和铁轭俩部分，铁芯柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用。
铁芯结构的基本形式有心式和壳式两种。
二滩电厂为壳式变压器，铁芯由高质量、无时效、冷扎、晶粒取向、高磁导率的硅钢片叠成，有两个平行的磁回路，铁芯水平布置，这样铁芯能环绕线圈。壳式变压器有一个含有常规宽度硅钢穿孔的铁芯，这些硅钢穿孔在底部油箱法兰上层叠形成搭接接头，上部油箱降低到线芯和线圈的装置上，这样就能用焊接方式焊接到底箱上以达到对铁芯的固定。铁芯也因油箱侧板的张力作用被紧固在外部设备上，减小了噪音并排除在运行中发生松动的可能；同时狭小的铁芯大大提高了冷却效果。与传统心式变压器不同的是壳式变压器为外铁型结构，铁芯无须加装油道来改善铁芯的冷却效果。
2.绕组线圈
绕组是变压器的电路部分，它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成。
变压器线圈的导体元件用矩形断面具有高导电率的铜线制成，外部包以两层牛皮纸达到绝缘目的，n根铜线用绝缘纸连续层状包扎在一起做成线圈元件，线圈层间嵌相同材料的绝缘垫板，铜线数量依工作电压而定，这样的线圈元件层间具有足够的绝缘强度。在绝缘纸最外层使用胶结剂，每一包扎层都胶结在一起，构成了紧密的线圈。为减小涡流损耗，在导体元件的预定位置进行线路交叉。壳式变压器的线圈为垂直固定，为防止错位，在线圈与铁芯间插入木楔，线圈所有端部都被线芯和油箱固定，外力平布于一个大区域内，使其机械强度大大提高。
线圈接线方式：二滩500KV壳式变压器采用的是Y/△-11的接线方式，具体方式如下图2所示：
图1.主变压器绕组接线图
3. 防电涌绝缘材料
三菱壳式变压器利用一个具有较高绝缘强度的防电涌线圈来抵抗脉冲电压的影响，由于壳式变压器使用了具有较大表面积的线圈，线圈间的串联电容大，当施加一电涌时，能将电压合理分配，该电涌线圈是一个无振荡绕组，可对由于脉冲电压引起的电压振荡起抑制作用。
4. 油箱
变压器的油箱由高抗张强度的钢板焊接而成，分为上下两个部分。壳式变压器的线圈完全用绝缘材料密封，并依次用线芯环绕，因此不会因外部影响而担心损伤，而且无须提供绝缘空间。基于此，壳式变压器铁芯与油箱内壁只留有一点装配空间，油箱与铁芯、绕组配合紧密，油箱为完全焊接结构，无螺栓把合，这与传统的变压器有着很大的差别。器身装在油箱内，油箱内充满变压器油。
变压器油是一种矿物油，具有很好的绝缘性能。变压器油起两个作用：①在变压器绕组与绕组、绕组与铁芯及油箱之间起绝缘作用。②变压器油受热后产生对流，对变压器铁芯和绕组起散热作用。油箱有许多散热油管，以增大散热面积。
5. 变压器的无载调压装置，
在变压器无载时对变压器高压绕组进行档位调整，主变高压绕组具有五个档分别各
档位对应的高压侧额定电压及额定电流为下表：
表2.主变压器各档对应电流
档位12345
额定电压（KV）
550000
/√3
536250
/√3
522500
/√3
508750
/√3
495000
/√3
额定电流
（A）
674691709729749在主变内部高压侧触头引线引至一个断路抽头变换器，可移动接点具有两对并联触点，被弹簧紧紧压在固定点上；断路抽头变换器的转动靠其连接的联杆，联杆与外部的操作杆通过齿轮联接配合，而操作杆接至变压器下部操作箱。操作分接头控制箱内的操作把手，通过各部件的伞齿轮配合，达到操作主变内部断路抽头变换器的动触头的位置。
图2.主变压器示意图
6. 保护装置
温度计
通常，变压器上安装的温度计用于温度测量与采集温度信号的控制。用于测量的有就地测量与远方测量两种；用于控制的有控制冷却设备的起停与温度报警。少数变压器还装设有模拟式绕组温度计，那是一种根据变压器的负载电流（通过套管式电流互感器
测量）及事先调整好的比率间接反映绕组的平均温度或者热点温度。如果是测量绕组热点温度，这时的热点温升与平均温升间的差值通常是设计计算值。
还有一种国内外都极少直接在变压器上使用的光纤测温仪，是将光纤测温探头直接埋设在绕组的预期热点处测量绕组的热点温度。这种光纤测温仪往往仅在制造厂或研究部门的试验研究中应用，用以检验计算机程序等。
油枕
该设备通过在内部绝缘油表面上设置一合成橡胶室来避免绝缘油与空气直接接触。橡胶室采用具有较好抗油防雨特性的睛橡胶制成，橡胶室内的空气通过装有硅胶的呼吸器与外部的空气相通，从而防止了橡胶的变质。油枕内指示油位的装置为电磁式油位计，并将油位浮子位置的最大最小位移均分为10个刻度标示在刻度盘上，而不是将油量划分为均匀刻度。当油枕内由于某种原因导致油位下降至0时，油位计内触点闭合报警。
储油柜与吸湿器
大、中型变压器都装设有储油柜，储油柜一方面用于调节因温度变化而引起变压器油的体积变化；另一方面，它缩小了变压器油与大气接触的面积，减小了潮气（水分）与氧气进入变压器油的程度，从而减缓了油的变质。故障时,热量会使变压器油汽化,触动气体继电器发出报警信号或切断电源。如果是严重事故，变压器油大量汽化，油气冲破安全气道管口的密封玻璃，冲出变压器油箱，避免油箱爆裂。
吸湿器则是变压器中的油随温度体积变化时，使进入储油柜的大气保持干燥状态。如果吸湿器采用变色硅胶吸潮，当硅胶颜色由蓝色变成红色时应及时更换硅胶或将其进行干燥恢复为蓝色。硅胶的吸潮效果与硅胶的干燥程度、空气的湿度、环境温度等有关。
胶囊式与隔膜式储油柜可以防止油与空气直接接触，防止外界的水分与氧气进入干燥的变压器油中。然而，橡胶隔膜除仍然有微量的透气性外，寿命往往是人们关注的问题。为了杜绝透气及人们对胶囊寿命的担心，又出现了用不锈钢薄板制作的波纹膨胀式储油柜，波纹膨胀式储油柜不仅解决了胶囊的寿命问题，也彻底杜绝了变压器运行中外部水分与氧气通过储油柜进入变压器油中的可能性。
为了防止胶囊或外油式波纹膨胀器在长期运行中内部储存水分，进入这些储油柜的空气也应通过吸湿器进行干燥。
瓦斯继电器
Buehholz瓦斯继电器安装在主变高压套管升高座与油枕的连接管道上，为浮子式，当变压器出现故障产生的气体聚集在瓦斯继电器的顶部达到450±10cc时，瓦斯继电器的浮标F1下降接通报警回路接点；当变压器内出现大的故障时，由于有大量的气体产生，油流出现浪涌，当油流的速度达到100cm/s时，浮标F2动作接通跳闸回路。目前二滩电厂应用的是开口杯挡板式瓦斯继电器，其主要结构为上下2个开口杯及平衡锤。变压器正常运行时，上开口杯和下开口杯都浸在油中，开口杯在油内的重力所产生的力矩小于平衡锤产生的力矩，因此开口杯向上倾斜，继电器触点不动作。当油箱内部发生轻微故障时，少量的气体上升后逐渐聚集在继电器的上部，迫使油面下降．使上开口杯漏出油面．此时由于浮子减小。开口杯的重力加上杯内油重所产生的力矩大于平衡锤所产生的力矩，从而使上开口杯的触点动作，发轻瓦斯保护动作信号。当变压器油箱内部发生严重故障时，大量的气体和油流直接冲击下开口杯的挡板，使下开口杯触点动作，从而使重瓦斯保护动作跳闸。
卸压装置
变压器卸压装置使用的是压力释放阀，该装置灵敏度高，可在2ms内立即释放完变压器内升高的压力，该装置通过一导管将释放的绝缘油排放至变压器下部油池。
压力释放器
压力释放器实际上就是一个用弹簧压紧的阀门，该阀门具有对启动力瞬时放大的功能，用于释放变压器油箱中的瞬时压力增大而保护变压器的油箱，避免油箱损坏。当油箱内部压力被释放到小于弹簧压力时，弹簧的压力将会使该阀门自动关闭，避免过多的变压器油溢出。在压力释放器动作的同时，会发出报警信号。应当保持其信号接线盒的干燥，以免进水受潮时误报信号。同时，应注意弹簧的时效性，必要时应定期检测。
压力释放器通常安装于油箱顶部，以减小正常工作时的静压力。为了防止其动作时热油喷在设备上及人员身上，可用导油管将喷出的油限制在管内并流到基础的油池中。
油量超过一定量的大型变压器，应当需要装设两个压力释放器。
在线油中溶解气体分析仪
目前在电力系统中应用的在线油中溶解气体分析仪，主要有两种类型。一种是采用气体半透膜探头与变压器油接触，收集变压器油中的气体，其检测器有气敏半导体与燃料电池两种；另一种是采用气相或液相色谱分析技术进行在线油中溶解气体分析。
采用气体半透膜探头的产品既有国外的，也有国内的。总的说来，一般的分析精度都不高。特别是采用气敏半导体检测器的情况，通常只能对氢气做出反映；而对于采用燃料电池作为检测器的情况，除氢气外，其他气体只能检出一部分。例如，通常可以检出氢气（100%）、一氧化碳（18%）、乙烯（%）、乙炔（8%）四种气体的混合总量。也就是说，所检测出的气体总量中主要是氢气。
例如，如果变压器油中实际溶解的气体的含量为：
氢气（2H ）——610300-?； 一氧化碳（CO ）——610500-?
乙烯（42H C ）——610100-?； 乙炔（22H C ）——6
105-? 则：仪器指示值()66103901008.05015.010018.05001300--?≈??+?+?+?=
采用燃料电池作为检测器的国外产品，例如有Hydran 公司的H201R 与H201i 等，前者为模拟型，后者为数字型。实际上，采用气体半透膜探头的在线油中溶解气体分析器具，可以认为仅仅是守护变压器油中溶解气体的‘狗’，如果其指示的油中溶解气体有异常情况发生，应当取样在实验室进行更精确的油中溶解气体分析。
另一种油中溶解气体分析仪，则是真正的进行油中溶解气体分析。可以分析6种或8种油中溶解气体，其分析精度通常在%10±。因其价格很贵，实际上很少在变压器上应用。
漏水监视
每一台变压器的冷却器配置一个漏水探测器，由于变压器冷却器管路为双层管，当冷却器的热交换器内层管道发生漏水时，该装置将发出报警信号，平时在巡回过程中可通过观察漏水探测器上的视察窗以观察其有无漏水。
油枕及油位计
油枕主要担负着变压器的补油及储油的功能，它安装于变压器油面的最高位，主要有油枕器身、橡胶气囊、油位计、油枕器身及橡胶囊通过管路等，油枕器身包含注油阀、排油阀、排气阀、取样阀；当负荷增加使变压器温度升高，绝缘油膨胀使油箱内的一部份绝缘油流入油枕，所占油枕空间的空气将通过气管及呼吸器排出，当负荷下降时使变压器温度降低，绝缘油密度增大使油枕中的一部绝缘油流入油箱进行补充。
油位计为盘形油位计，主要反映油枕中油位的元件。当油枕中的油发生变化时，油
枕中的浮子将跟随油位的变化而上下移动，浮子联杆将带动齿轮转化为油枕外的油位计转子的转动，缚于定子磁体（永久磁体）上的指针通过转子磁体的转动而转动相应的角度，并通过电气接点来反映油位过低报警。油位计共设10个刻度来反映油枕内的油位，当油位指针指示为0时，将发出主变低油位报警信号。
7. 高、低压及中性点套管
变压器套管的作用是，将变压器内部高、低压引线弓到油箱外部，不但作为引线对地绝缘，而且担负着固定引线的作用，变压器套管是变压器载流元件之一，在变压器运行中，长期通过负载电流，当变压器外部发生短路时通过短路电流。因此，对变压器套管有以下要求：
(1)必须具有规定的电气强度和足够的机械强度。
(2)必须具有良好的热稳定性，并能承受短路时的瞬间过热。
(3)外形小、质量小、密封性能好、通用性强和便于维修。
高、低压及中性点套管均为油纸电容型套管。高压套管为为双法兰结构，一个法兰用于将套管安装在变压器的顶部，第二个法兰用于与SF6管道母线相连，在两法兰之间引出电容试验抽头，套管的上半部密封于SF6管道中。套管出线与SF6管道母线相连。
低压套管与低压侧的封闭母线相连，两者间的连接为软连接。
三台单相变压器通过中性点套管连接在一起形成变压器组的中性点，该中性点在B 相室内通过电流互感器直接接地。
8. 冷却系统
主变冷却系统为OWDF型强迫油循环水冷却，对变压器绝缘油进行冷却。主要包括：潜油泵、冷却器、示流器、检漏仪、进出水电动阀、进出水压力表、进水总流量计、出水流量计、出水水温计等。冷却器油管装于变压器器身的上下部联接，正常运行时主变绝缘油由潜油泵工作从变压器上部冷却器油管进入经过冷却器，再由变压器下部油管流入变压器下部。在冷却器中，冷却水流经冷却器的水管，油与水进行热交换，使主变绝缘油油温下降。在变压器中形成由下至上的油流，在油流流过各元件时，主变绝缘油与发热各元件进行热交换，以达到冷却变压器的目的。
冷却器由冷却油室、冷却水管、上下水室、漏水检测仪组成。冷却水管由36根双层铜管组成，外管为螺旋状翼型管，具有热传导系数大、抗压抗震性能好；内管为耐腐裸管，具有抗腐蚀性强。双层铜管经过“膨胀”处理固定于上下的两法兰上，且双层铜
管中间空隙与固定法兰空室相通，下部固定法兰空室引接漏水检测仪，而冷却水管固定法兰固定于冷却器油室上下端。冷却器下端水室中间隔开，分别为进、出水室，上端水室相通，即冷却水由下端进水室流入，经冷却铜管进入上端水室，再经冷却管从下端水室流出。
冷却器中的冷却水流量可通过调整冷却器的进出水阀门。当双层冷却水管管壁发生破裂时，水或油将由经损坏处流入双层管之间，并经空隙流入最低处的漏水检测仪，当漏水检测仪中收集漏水为135CC时，检测仪中的浮子上升将电触点接通，发出冷却器漏水信号。
9．潜油泵
潜油泵被装于冷却器的进油管中间，其作用是强迫主变绝缘油进入冷却器，并辅助变压器内部绝缘油形成油流，油泵电机的各电气元件全部浸在油中，靠主变绝缘油来冷却及电机轴承润滑。“超前”设置的潜油泵的启动信号由主变低压侧电压互感器带电发出，而备用泵的启动主要由绕组温度、上层油温、示流器、流量计，当达到设定值及当一台运行的潜油故障时启动。
三. 变压器的运行情况
在变压器的运行中，要严格按主变的运行规程进行操作及维护，变压器正常时，两台冷却器投入自动投入运行，一台冷却器投入备用，当备用泵自动启动时应进行检查备用泵启动的原因，备用泵自动启动的原因主要有：绕组温度达到105℃、上层油温达到80℃，运行中油流示流器指针RUN回到STOP、运行中的潜油泵故障，热继电器动作、出水管的流量计在水流小于×100L/min时；当只有一台冷却器运行时，变压器所带的负荷不得超过70%，满负荷运行时，运行时间不得超过30min，而空载运行时运行时间不得超过3小时；变压器正常运行时，绕组的温升不得超过65K、上层油温升不得超过55K，铁芯温升不得超过80K，油箱表面温升不得超过65K。而当变压器的负荷超过额定负荷时，要严格控制变压器的运行时间，当运行负荷为额定负荷的倍时，持续运行时间不得超过120min, 当运行负荷为额定负荷的倍时，持续运行时间不得超过80min, 当运行负荷为额定负荷的倍时，持续运行时间不得超过45min, 当运行负荷为额定负荷的倍时，持续运行时间不得超过10min。
附录：
主变压器主要参数