电力变压器的结构与设计 精品

电力变压器的结构与设计（讲义）1变压器的基本结构与分类1.1变压器的基本结构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至少另一个系统的交流电压和电流并借以传送电能。

因此，变压器通常应具有至少两个匝数（即额定电压）不相同的绕组，并且分别连接到交流电压值不相同的至少两个系统上。

变压器是一种通过电磁感应而工作的交流电气设备，因此，它必须具有作为磁路的铁心；必须具有至少两个通常匝数（即额定电压）不相同的绕组；由于绕组之间及其对地存在电位差，因而它必须具有相应的绝缘系统等。

这就是说，铁心、绕组、绝缘系统这三个基本部分，是任何变压器都不可缺少的组成部分。

此外，为了将作为电路的绕组出头引至外部，就需要相应绝缘等级的变压器套管；为了使变压器可以根据需要而改变绕组的匝数，就需要分接开关；为了监视变压器在运行中的温度以及根据温度适时变更变压器的冷却状态，需要有测量温度（甚至测量绕组温度）的测温元件，并且应用测量的温度来控制冷却系统的不同运行方式（如果有）或报警；为了变压器的安全运行，还需要其他一些必要的测量与保护器件等。

对于油浸式变压器而言，需要作为冷却介质的变压器油以及作为盛油容器的油箱，并在油箱上安装所需的附件及冷却系统。

为了调节变压器油在运行中由于温度变化而引起的体积变化，就需要储油柜。

一些有载调压变压器，还装设了在线的有载开关滤油装置；一些油浸式变压器，还装设了在线的灭火装置、油中气体分析装置、局部放电监测装置等。

在油浸式变压器中，变压器油除了作为冷却介质外，它也是一种良好的绝缘材料。

毫不夸张地说，交流电得到广泛应用得益于变压器。

因此，变压器在现代人类社会中得到了广泛的应用。

1.2变压器的分类变压器的分类有多种方法：按照用途不同可以分为电力用变压器、工业用变压器以及其他特种用途的变压器；按照变压器绕组与铁心的冷却介质不同可以分为油浸式变压器与干式变压器；按变压器铁心结构型式的不同可以分为心式变压器与壳式变压器；按照变压器调压方式的不同可以分为无励磁调压变压器与有载调压变压器；按照一台变压器中的绕组相数不同可以分为三相变压器与单相变压器；按照变压器不同电压等级的绕组数量不同可以分为双绕组变压器与多绕组变压器；按照变压器不同电压等级的绕组之间是否具有公共部分，可以分为独立绕组变压器与自耦变压器等。

2电力用变压器的基本特点与基本结构电力用变压器是指在电力系统中使用的各类变压器，它包括发电厂使用的、输电系统使用的、配电系统使用的各种类型的变压器。

2.1发电厂用变压器基本特点与基本结构一般而言，发电厂使用的变压器有三种，即发电机变压器（电厂通常称为主变压器），发电厂自用电变压器（厂用电变压器）与发电厂自用电备用变压器（高压厂用变压器）。

发电机变压器通常为独立绕组的双绕组变压器，只是在少数电厂在采用两机一变的情况下才使用低压绕组双分裂的双绕组变压器（例如天生桥水电站等）。

毫无例外的是：发电机变压器的高压侧电压为所连接系统的电压，低压侧电压为发电机的额定电压。

大多数发电机变压器的高压绕组采用无励磁调压方式，只有极少数发电机变压器采用有载调压方式，但也有少数发电机变压器不采用任何调压方式。

本资料的第4.5节中还将简单涉及变压器具有调压装置的一些基本问题。

大型发电机变压器既有三相变压器，也有由单相变压器组成的三相变压器组。

一般而言，300MW左右及以下的发电机均采用三相变压器；500MW及以上的发电机既有采用三相变压器的，也有采用三相变压器组的，但大多数用户选择由单相变压器组成三相变压器组的方式（见附录A）。

在2.3节中，还将述及三相变压器与单相变压器的特点。

大型发电机变压器的绕组多采用强迫油循环导向冷却方式，并采用低噪声风冷却器作为变压器的冷却元件。

随着片式散热器与风机制造技术的进步，为了减少对冷却系统的维护工作量，也有少量大型发电机变压器采用片式散热器与风机作为冷却元件。

只有一些大型水力发电厂，才采用水冷却器作为变压器的冷却元件。

发电机变压器不仅负荷率高，而且低压侧电流大。

防止大电流引线可能引起附近结构件的局部过热，在大型发电机变压器设计中必须足够重视。

此外，大型发电机变压器的高压侧出线多采用气体绝缘系统（GIS)与输电系统相连接；低压侧出线几乎无例外的采用离相式封闭母线与发电机相连接，这些因素也构成了发电机变压器的设计特点。

发电厂自用电变压器大多数用户采用低压绕组双分裂的双绕组变压器，它的高压侧为发电机的额定电压，低压侧的电压通常为 6.3kV。

一般，它的高压绕组具有无励磁调压分接开关（也有极少数采用有载分接开关），为了降低变压器低压侧的系统遮断容量等因数，低压绕组通常采用双分裂式结构并为电厂的电气设备提供了两路独立的电源。

双分裂的两个低压绕组在铁心柱上既可以采用轴向布置的所谓轴向分裂式结构，也可以采用幅向布置的幅向分裂式结构。

根据我们的实践经验，低压绕组轴向布置的轴向双分裂式结构的分裂变压器要比幅向分裂式结构的制造成本低，但其承受短路的能力往往要比幅向分裂式结构更加难以保证（见2.4节）。

因此，为了提高变压器的可靠性，我们工厂多年来一直采用幅向双分裂式结构来制造这种变压器。

发电厂还有一种变压器称为厂用电备用变压器，它是高压侧接入输电系统、低压绕组额定电压通常为 6.3kV、低压绕组双分裂的双绕组变压器。

由于它的高压绕组通常要求采用有载调压方式，如果采用心式结构来制作这种变压器，我们一般仍然采用轴向双分裂式结构。

为了提高此类变压器承受短路的能力，我们也设计、制造过几台低压绕组幅向双分裂的有载调压心式变压器。

但由于结构相当复杂，麻烦的制造工艺使其没有普遍推广。

此外，一些用户出于对心式结构轴向双分裂的厂用电备用变压器承受短路能力的担心，他们就采用两台有载调压双绕组变压器作为发电厂自用电备用变压器。

关于双分裂变压器的问题，还将在2.4接中进一步介绍。

2.2 电力系统用变压器的基本特点与基本结构国家标准规定了我国交流电力系统的若干额定电压等级，例如110kV、220kV、500kV、1000kV。

西北地区还有330kV、750kV等。

在额定电压110kV及以下的电力系统中一般都采用独立绕组变压器，既有双绕组变压器，也有三绕组变压器；既有无励磁调压变压器，也有有载调压变压器。

在额定电压330kV及以上电力系统中使用的变压器，几乎都是自耦变压器，绝大多数采用有载调压方式，仅少数采用无励磁调压方式。

而在额定电压220kV的电力系统中，既有独立绕组变压器，也有自耦变压器，既有双绕组变压器，也有三绕组变压器；既有无励磁调压变压器，也有有载调压变压器。

所谓独立绕组变压器，是指绕组之间无公共部分的变压器；所谓自耦变压器则是至少有两个绕组具有公共部分的变压器。

换句话说，独立绕组变压器的绕组之间无电的连接，而自耦变压器则是至少有两个绕组之间有电的连接。

系统用变压器的高-低压侧引出线，几乎无例外的采用油-空气套管与输电系统连接。

变压器内部的冷却介质（变压器油）大部分采用强迫油循环导向流动的冷却方式，容量较小的变压器采用油自然循环的冷却方式；变压器外部的冷却介质几乎无例外的为空气强迫流动冷却。

系统用变压器往往负载变化大或者负载率较低，近些年来，系统用变压器的冷却系统出现了在一台变压器上采用多重冷却方式的结构，即一台变压器具有两种、甚至三种冷却方式，也就是采用ONAN/ONAF/ODAF（或OFAF）冷却方式，用户可根据变压器的负荷情况变更不同的冷却方式。

尽管一台变压器采用多重冷却方式并存会增加变压器的造价，但它既可以提高运行的经济性（降低冷却系统的电能损耗），也可以在较大程度上减小冷却系统及其辅机的维护、维修工作量。

为了方便输电系统中的电力调度，一些西方国家比较广泛的在输电系统中采用增压变压器和移相变压器，我们工厂也制造了若干台增压变压器与移相变压器供出口。

随着对系统经济运行要求与精细化管理水平的提高，这类变压器可能也将在我国输电系统中出现。

2.3 500kV变压器的基本特点与结构本节将结合500kV变压器的基本特点与结构，对大型电力变压器稍为详细的介绍。

一般而言，在发电厂与电力系统中使用的500kV变压器几乎都是大型变压器。

500kV 变压器通常只有独立绕组变压器与自耦变压器两种结构型式，前者一般使用在发电厂作为发电机的升压变压器，后者通常使用在系统中作为连接两个及以上不同电压等级的电力系统传输电能。

也有一些500kV自耦变压器的第三绕组接入无功补偿装置，调节系统的无功功率。

近几年来，一些发电厂也开始使用容量较小的500kV发电厂自用电备用变压器，这自然可以节省线路的投资（见附录A）。

无论是500kV发电机变压器还是自耦变压器，通常均可以制造成三相变压器或者单相变压器。

同样，无论是500kV发电机变压器还是自耦变压器，既可采用心式结构的变压器，也可以采用壳式结构的变压器。

尽管我们对这两种结构型式的大变压器均可生产，但绝大多数用户选择了心式变压器的结构型式。

500kV自耦变压器：500kV自耦变压器既可以制造成三相变压器，也可以制造成单相变压器。

无论是三相或者是单相500kV自耦变压器大多选用有载调压方式，仅少量用无励磁调压方式。

尽管单相自耦变压器会使安装场地的占地面积大，但大多数用户仍选用单相自耦变压器，这可能与用户对变压器可靠性的考虑以及运输更加方便等因数有关。

500kV单相自耦变压器的设计自由度比较大，为了提高它的可靠性，许多制造厂将单相自耦变压器的调压绕组布置在旁轭上，这虽然使制造成本有所增加，但可大大简化自耦变压器的绝缘结构而提高其可靠性。

我们除了按照用户要求与变电站原有变压器的短路阻抗匹配而采用相应的匹配结构外，几乎无例外的将500kV单相自耦变压器的调压绕组布置在旁轭上，无论是有载调压还是无励磁调压均如此。

布置在旁轭上的调压绕组既可以采用公共绕组励磁，也可以采用第三绕组励磁。

显然，第三绕组的额定电压比公共绕组的额定电压低很多，采用第三绕组励磁显然制造成本更经济，但这会在调压过程中由于短路阻抗变化较大而使电压调整率增大。

因此，我们宁可增加制造成本也通常采用公共绕组励磁。

500kV发电机变压器：对于大型500kV发电机变压器，无论是三相变压器还是单相变压器，运输重量和运输尺寸是首先要考虑的问题。

在运输高度与短路阻抗相矛盾时，无论三相变压器还是单相变压器，一个既降低运输高度而同时又降低短路阻抗的有效办法就是采用双同心式结构。

当然，这种结构会导致制造成本的增加。

但双同心式结构不仅可以降低主漏磁通以及由此而引起的涡流损耗，而且还可以在一定程度上降低短路机械力，使变压器承受短路的能力提高。

为了解决运输质量与运输尺寸的制约，特大型变压器（含自耦变压器）往往设计成由单相变压器组成的三相变压器组。