变压器

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变压器(Transformer)是利用 电磁感应 的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、 次级线圈 和铁芯(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。

变压器按用途可以分为: 配电变压器电力变压器全密封变压器组合式变压器干式变压器油浸式变压器单相变压器电炉变压器整流变压器电抗器 、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器试验变压器、转角变压器、大电流变压器、 励磁变压器 等。

原理

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心(磁芯)。在电器设备和无线电路中,常用作升降电压、匹配阻抗、安全隔离等。在 发电机 中,不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈,均能在线圈中感应电势。此两种情况,磁通的值均不变,但与线圈相交链的磁通数量却有变动,这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应变换电压、电流和阻抗的器件。 变压器

组成

变压器组成部件包括器身(铁芯、绕组、绝缘、引线)、 变压器油 、油箱和冷却装置、调压装置、保护装置(吸湿器、安全 气道气体继电器储油柜 及测温装置等)和出线套管。具体组成及功能:

(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,厚度分别为0.35mm、0.3mm、0.27mm,表面涂有 绝缘漆 的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁芯分为铁芯柱和横片两部分,铁芯柱套有绕组;横片是闭合磁路之用。

(2)绕组。绕组是变压器的电路部分,它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成。变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理:当 一次侧 绕组上加上电压U1时,流过电流I1,在铁芯中就产生交变磁通O1,这些磁通称为 主磁通 ,在它的作用下,两侧绕组分别感应电势,最后带动变压器调控装置。

材料

鉴于变压器在电力系统中的调控作用,技术人员必须选用合适的变压器完成安装操作,这样才能发挥正常的作用。绕制材料是变压器安装需注意的首要问题,不同材质的装置所发挥的作用是不一样的。对于绕制变压器,因装置结构特殊,安装选用了 漆包线 、纱包线、 丝包线 、纸包线等材料配合,能够发挥出良好的导电、导热性能,优越的抗腐蚀性也增强了 电路的稳定性 。从现有的变压器产品来看,变压器安装中绕制材料一般包括:铁芯材料、绝缘材料、 浸渍材料 等,安装人员必须结合实际情况选用。

(1)铁芯材料。变压器是借助于电磁感应原理完成电流值、电压值的调控,而铁芯是变压器的核心构件,其材质状况决定了变压器的调节功能。铁芯材料最好选择在铁片中加入硅,以此减小低钢片的导电导热作用,避免装置运行后能耗增多。电力行业标准中规定 硅钢片磁通密度 需控制在有效范围,如:黑铁片的磁通密度在7000、低硅片在10000等,安装现场可结合实际情况选用。

(2)绝缘材料。近年来变压器安装操作的 意外事故发生率 不断提升,考虑到变压器安装过程中的安全问题,现场人员需注重绝缘材料的选用,以保护系统其他设备的正常运行。目前,许多变压器已经配备了绝缘构件,如:垫圈、绝缘器具等,但由于人为操作不当依旧存在安全风险。变压器安装需从线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离等方面增强其绝缘性能。

(3)浸渍材料。浸渍处理是对绕制材料加工的最后工序,主要目的是改善材料的机械性能、电力性能、绝缘性能,避免后期使用发生各种安全事故。选用绕制材料之后,安装人员要对浸渍材料涂刷油漆,在材料表面设置一道绝缘层。比较常用的漆材是甲酚清漆,经过涂刷处理后可发挥出较好的安全作用,延长了变压器设备的使用寿命。

分类

(1)电力变压器

目前,已在系统运行的代表性产品包括:1150KV、1200MV·A,735~765KV、800MV·A、400~500KV、3相750MV·A或单相550MV·A,220KV、3相1300MV·A电力变压器;直流输电±500KV、400MV·A 换流变压器 。电力变压器主要为油浸式,产品结构为芯式和壳式两类。芯式生产量占95%,壳式只占5%。芯式与壳式相互间并无压倒性的优点,只是芯式工艺相对简单,因而被大多数企业采用;而壳式结构与工艺都要更为复杂,只有传统性工厂采用。壳式特别适用于高电压、大容量,其绝缘、机械及散热都有优点且适宜山区水电站的运输。

(2)配电变压器

国外配电变压器容量能达到2500KV·A,有圆形与椭圆形铁心形式。圆形的占绝大多数,椭圆形的由于M0(铁心柱的间距)小,因而用料可以减少,其对应线圈为椭圆形。低压线圈有线绕式与箔式,油箱有带散热管的(少数)与波纹式的(大多数)。

(3)干式变压器

近来来,干式变压器在国内得到迅猛发展,在京、沪和深等大城市,干变已经占到50%,而在其他大中城市也已经占到20%。干变有四种结构: 环氧树脂 浇注、加填料浇注、绕包和浸渍式。目前,欧美广泛采用开敞通风式H级干式变压器,是在浸渍式基础上吸取了绕包式结构的特点并采用Nomex纸后发展起来的新型H级干变,由于售价高,在我国尚未推广。目前,国内通过 短路试验 容量最大的干式配电变压器是2500KV·A、10/0.4KV;通过短路试验容量最大的 干式电力变压器 是16000KV·A、35/10KV。

(4) 非晶合金变压器

非晶合金变压器虽然抗短路性能差,噪声大,但是节能,因此未来发展前景可观。目前,中国最大的非晶合金变压器铁心生产企业具有3000~4000t的铁心年产能力,铁心及变压器的生产技术并不是制约推广非晶合铁心金变压器的关键性因素,非晶合金带材的突破才能促成产品质的飞跃。

(5)卷铁心变压器

目前,卷铁心变压器的生产主要集中在10KV级,容量一般小于800KV·A,也试制了1600KV·A,但电力部门采购以315KV·A以下容量的居多,适合用于农网。中国现有卷铁心变压器生产厂200多家,有一定规模的占20%。中国强卷铁心变压器生产能力约为1600万KV·A,但实际产量较低。

制造技术

(1)铁心制造技术

企业主要是通过改善自己的剪切设备来改进铁心的生产技术,目前铁心制造技术有以下变化:①铁心柱采用嵌下轭工艺。与常规工艺相比可节省大量的心柱 叠装时间 ,提高铁心叠装质量,该工艺适用于配电变压器铁心的自动化生产。②多级接缝铁心的应用。近年来,设计上为降低铁心接缝处的空载损耗,逐渐将传统的单一接缝改为多级接缝。变压器企业多采取局部阶梯接缝的做法,不仅能降低 变压器空载损耗 15%以上,而且能降低噪声3%~4%。③铁心片加工技术。20世纪70年代初,中国各变压器生产企业均采用国产硅钢片 纵剪线 和多 剪床 组成的简易硅钢片 横剪线

(2)绕组制造技术

20世纪90年代制造了绕组组装工艺。目前,这项工艺也逐渐为各变压器厂家青睐,并得以迅速推广。

(3)绝缘加工技术

20世纪80年代,随着产品电压等级容量的提高和试验项目的增加,绝缘加工逐渐从金属加工中分离出来。现有龙门数控加工中心实现了绝缘加工的全自动化。

(4)绝缘干燥和油处理技术

油浸式变压器采用的是油纸绝缘结构。其核心工艺是绝缘材料的干燥处理,以及变压器的真空脱水。气相干燥:20世纪80年代中期,中国变压器厂率先从 瑞士 引进气相干燥设备。近年来又开发出内置式煤油蒸发器新产品,与传统的外置式蒸发器相比,两者各有利弊。变压器油处理:进入20世纪80年代,随着欧美先进油 过滤设备 的引进,中国油净化技术得到了长足发展。企业大多采用了先进的真空喷雾净油法,它的去杂质和脱水效果显著。

(5)节能技术

就变压器节能技术的发展历程看,变压器历经了S6、S7、S9和S11等几个系列的替代过程,目前S9型节能产品成为市场主流,而S11节能型产品的市场规模正在增长。在推广S11的过程中,S11的销售价格比S9的平均高出14.2%,所以价格仍是影响 S11变压器 普及推广的主要因素。目前,新S9产品虽已占据大部分市场,但随着经济的发展,用户(特别是农网,变压器 负荷率 较低的用户)对S11型产品的需求逐步增长。S11型叠铁心变压器是在新S9成熟的技术基础上设计开发的,在保持产品可靠性的前提下,其性能指标有了较大提高。与传统的叠片式变压器相比,S11卷铁心配电变压器具有节约原材料、节能、改善供电品质、噪声低和机械化程度高等特点。

故障原因

(1)电路故障

对于变压器的电路故障问题主要是指变压器的出口出现短路,以及在变压器内部出现引线或绕组间的对地短路,以及因相与相间出现的短路问题进而引发故障的出现。其实,这类故障在实际的电力变压器的诸多故障问题中是十分常见的问题,并且该故障的实际案例也很多。对于变压器在低压出口出现短路的问题,为了解决该问题一般对故障处更换绕组,故障严重时可能需要对所有的绕组进行必要的更换,这样才能尽可能地降低故障发生的概率,极大地降低因电力故障引发的严重的经济和人身财产损失,所以,对此有必要给予极大地重视。

(2)绕组的故障问题

把绕组故障可以细致地划分为以下几个类型:接头的焊接处极其容易出现开裂问题、相与 相间短路 问题、匝向出现短路、绕组的接地故障等。分析总结以上故障出现的原因可以总结:变压器的绝缘问题出现了问题;绕组处有杂物进去,老化的绝缘体;变压器的工作力度不足;因变形导致绕组出现问题:绕组受到水汽影响;变压器的温度高。

(3)变压器渗油故障

变压器渗油故障在整个电力变压器的故障中是最为常见的一个故障。变压器渗油故障又可以解释为电力变压器渗油会导致后续一些问题,诸如本身对空气产生严重的环境污染,还可能造成大量的的资源浪费,这样会大大增加了企业的运行成本,进而增加了企业的经济压力和市场阻力。该问题作为一个安全隐患,会极大地影响电力变压器的安全稳定运作,严重时可能造成机器设备的不能运行。还要注意的是该故障还会对电力企业的服务质量产生影响,对为用电的客户提供安全科学的服务产生重大的负面影响。

(4)接头处温度、多高故障

接头处温度、多高故障中的接头指的是变压器的载流接头。在整个变压器的设计中变压器的载流接头一直都承担着极为重要的责任,分析总结了电力事故可以得出:变压器的载流接头的不稳定连接,使得接头处温度快速升高,甚至已经超过了接头的着火点,导致接头出现烧断的现象,严重影响了电力变压器的安全稳定运行。这些问题都给电力企业在以后得安全供电工作敲响了警钟。为了有效减少这类安全事故的出现,避免因接头处温度过高引发的安全用电事故,这需要电力检测维修工人在平时的检测维修工作中,注意观察变压器的载流接头的温度变化,保证接头的温度在正常的数值范围内变化,这样才能有效保证电力变电器的安全稳定运行。

故障检测技术

(1)在线监测技术

在线监测技术主要使用的是振动分析法和局部放电检测法等两种。一是振动分析法。该分析方法指的是变压器运行时,要监测变压器的振动信号的强弱,并且分析总结出现这样监测结果的原因,进而可以对变压器的运行状态进行实时的检测,有利于及时发现故障问题,在小故障酿成大故障前,便得到解决。二是 局部放电检测 法。该检测方法指的是变压器在运行过程中的机械内部出现故障,进而引发了局部的放电现象,这样会影响放电的水平和放电的速度。所以有必要针对变压器的局部放电情况,加强日常地有效地判断,检测变压器安全隐患是否存在,并对这些问题进行有针对性地解决,来确保机械的安全稳定运行。

(2)气相色谱仪技术

气相色谱仪技术主要用于分析混合气体中内部组成部分。该检测技术的优点主要有效以下几点:效率高,使用便捷、操作便利等许多方面,这些优势促进了该技术得到了十分广泛的应用,并在各种电气设备的检测的领域得到了广泛面的应用。其中,对于 高分子膜 技术便有效利用了该项技术,有效快速分解油气,并在高分子聚合物的作用下并在变压器的影响下将油溶解,这样可以有效提高测定电压器的故障气体和油中气体的浓度。多数情况下,当变电器出现故障时,可能会散发出 氢气 气体的味道,利用这一化学特性可以更好地检测气体的含量,并有效地检测变压器故障气体中的氢气。另外,使用该变压器进行检测多种气体,这样大大提高了变压器故障气体的扩散速度,有利于正常运行的状态能及时得到恢复。

(3)感器列阵技术

对于感器列阵技术而言,在变压器故障检测技术中该技术也起到了十分重要的作用。为此,电力检测维修工作人员需要熟练地掌握该项技术,并将该项技术科学合理地运用到检测故障的工作,可以有效提高变压器的安全运行指数,使得运行的状态不受到外界干扰。并且由于这项传感器具有以下的优点:选择性高、敏感度高等优点,使用传感器进行在线检测,进而提高检测故障气体的浓度的速度,有利于含量的检测,可见不但可以提高检测的速度,而且还可以提升变压器故障检测技术水平,降低变压器的检测故障的出现的几率。

(4)红外光谱技术

红外光谱技术又称之为红外光谱在线检测技术,该技术具有检测速度快、准确度高、敏锐度高、维修量少等优点,该技术也在变压器故障检测技术扮演着重要的角色,有助于变压器故障产生气体的含量检测。在实际的检测工作中以及在具体的使用过程中,可以有效地利用 红外气体分析仪 器和双关路 薄膜电容 检测仪器,进行定量地分析。

节能措施

(1)选用优质材料制造变压器

变压器是通过电磁感应来改变网路电压的,主要材料是硅钢片和 电磁线 。这两种材料质地的优劣,直接影响变压器的损耗特性。由运行中变压器铁心形成的损耗通称空载损耗,损耗值是恒定的,与变压器的 负载率 无大关系,也是不可避免的。但导磁材料的优劣,可以改变其损耗的大小。第一代 节能变压器 就选用了优质的Q11、Q10冷轧晶粒 取向硅钢片 ,淘汰热轧的D44等硅钢片,结合结构设计的改进使空载扭耗降低40%。

(2)优化设计和改进工艺

从结构设计和制造工艺入手改善变压器的损耗特征,是制造厂的主要研究课题。电子计算机应用于变压器设计,为设计工作开拓了广阔的前景,可在理想的铜(电磁线)铁(硅钢片)比例下,以损耗最低和铜铁耗量最少为设计目标。使优质材料和优化设计的曲线相交于一点,从而获得最佳效果。铁心结构由原来的直接缝改为半直半斜和全斜接缝,则是结构设计的突破性改进,可使晶粒取向硅钢片(即目前广泛应用的Q10、Q11)在铁心接缝区的导磁方向得到缓和,降低了空载损耗。

国家政策

变压器是输配电的基础设备,广泛应用于工业、农业、交通、城市社区等领域。我国在网运行的变压器约1700万台,总容量约110亿 千伏安变压器损耗 约占输配电电力损耗的40%,具有较大节能潜力。为加快高效节能变压器推广应用,提升能源资源利用效率,推动绿色低碳和 高质量发展 ,2021年1月,工业和信息化部、 市场监管总局国家能源局 联合制定了《变压器能效提升计划(2021-2023年)》。

引用来源

中文名
变压器
外文名
Transformer
原理
电磁感应
电子产品类别
{电力变压器}和特殊变压器
用途
电压变换、电流变换、阻抗变换
主要构件
初级线圈、次级线圈和磁芯
分类