電力變壓器結(jié)構(gòu)及工作原理
作者：發(fā)表時(shí)間：2017-06-24 瀏覽量：294【小中大】
電力變壓器：用來(lái)傳輸和分配電能，是所有變壓器中用途最廣、生產(chǎn)量最大的一種變壓器。電力系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸送一定的電功率，電壓越低則電流越大，消耗在輸電線路上的電阻損耗越大；若要減小輸電線電阻以輸送大電流，就要用大截面的輸電線而消耗較多的導(dǎo)體材料。
電力變壓器結(jié)構(gòu)及工作原理
一、變壓器的分類(lèi)
由于變壓器的應(yīng)用范圍十分廣泛，因此它的種類(lèi)很多，主要有以下幾種。
（一）按用途分類(lèi)
1、電力變壓器：用來(lái)傳輸和分配電能，是所有變壓器中用途最廣、生產(chǎn)量最大的一種變壓器。電力系統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸送一定的電功率，電壓越低則電流越大，消耗在輸電線路上的電阻損耗越大；若要減小輸電線電阻以輸送大電流，就要用大截面的輸電線而消耗較多的導(dǎo)體材料。所以，為了減小輸電線路上的電阻損耗和節(jié)約導(dǎo)體材料，目前電力系統(tǒng)的輸電線路都采用高壓輸電。由于受到絕緣水平的限制，發(fā)電廠的同步發(fā)電機(jī)一般輸出的額定電壓為20kv（發(fā)電機(jī)額定。電壓越高對(duì)發(fā)電機(jī)各部分的絕緣要求就越高），而一般高壓輸電線路的額定電壓為 110kv、220 kv、330 kv、500 kv、750 kv，這就需要用升壓變壓器將電壓升高后再送人輸電線路；當(dāng)電能經(jīng)過(guò)高壓輸電線路傳輸?shù)接秒妳^(qū)后，必須用降壓變壓器把輸電線路上的高電壓降下來(lái)，才能供給我們一般情況下所使用的動(dòng)力用電和照明用電。電力系統(tǒng)中存在許多變壓器，通過(guò)這些變壓器的作用產(chǎn)生了不同等級(jí)的電壓從而能夠滿足不同的需要。
2、儀用變壓器：包括電流互感器和電壓互感器，在測(cè)量系統(tǒng)中使用。它們能夠把大電流變換成小電流，或把高電壓變換成低電壓，從而隔離大電流或高電壓以便于安全地進(jìn)行測(cè)量工作。
3、自耦變壓器：容量較大的異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)時(shí)常用自耦變壓器實(shí)現(xiàn)降壓。在實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)常要使用自耦變壓器，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出電壓。
4、專(zhuān)用變壓器：如電解用的整流變壓器，焊接用的電焊變壓器以及供無(wú)線電通信用的特殊變壓器等。
（二）按相數(shù)分類(lèi)
按相數(shù)分主要有兩類(lèi)：
1、單相變壓器，用于單相交流電系統(tǒng)；
2、三相變壓器，用于三相交流電系統(tǒng)。
（三）按結(jié)構(gòu)分類(lèi)
按結(jié)構(gòu)分類(lèi)主要有心式變壓器和殼式變壓器兩類(lèi)。
1、心式變壓器：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是繞組包圍鐵心，電力變壓器都采用心式結(jié)構(gòu)。
2、殼式變壓器：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鐵心包圍繞組，電子設(shè)備中的小變壓器一般采用這種結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的變壓器機(jī)械強(qiáng)度高，鐵心散熱比較容易。
此外還有其他的分類(lèi)方法。例如，按照繞組數(shù)目來(lái)區(qū)分，則有雙繞組變壓器、三繞組變壓器等；按冷卻方式來(lái)區(qū)分，則有干式變壓器和油浸式變壓器，油浸式變壓器還可進(jìn)一步分為油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷或水冷等型式。雖然變壓器的種類(lèi)很多，但各種變壓器運(yùn)行時(shí)的基本物理過(guò)程及分析變壓器運(yùn)行性能的基本方法，大體上都是一樣的。
二、變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介：
變壓器的基本結(jié)構(gòu)部件是鐵心和繞組，由它們組成變壓器的器身。為了改善散熱條件，大、中容量變壓器的器身浸入盛滿變壓器油的封閉油箱中，各繞組與外電路的連接則經(jīng)絕緣套管引出。為了使變壓器安全可靠地運(yùn)行，還設(shè)有儲(chǔ)油柜、氣體繼電器和安全氣道等附件。
（一）鐵心
鐵心既作為變壓器的磁路；又作為變壓器的機(jī)械骨架。為了提高導(dǎo)磁性能、減少交變磁通在鐵心中引起的損耗，變壓器的鐵心都采用厚度為0.35-0.5ｍｍ的電工鋼片疊裝而成。電工鋼片的兩面涂有絕緣層，起絕緣作用。大容量變壓器多采用高磁導(dǎo)率、低損耗的冷軋電工鋼片。電力變壓器的鐵心一般都采用心式結(jié)構(gòu)，其鐵心可分為鐵心柱（有繞組的部分）和鐵軛（聯(lián)接兩個(gè)鐵心柱的部分）兩部分。繞組套裝在鐵心柱上，鐵軛使鐵心柱之間的磁路閉合。在鐵心柱與鐵軛組合成整個(gè)鐵心時(shí)，多采用交疊式裝配，使各層的接縫不在同一地點(diǎn)，這樣能減少勵(lì)磁電流，但缺點(diǎn)是裝配復(fù)雜，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。在一般變壓器中，鐵心柱截面采用外接圓的階梯形。只有當(dāng)變壓器容量很小時(shí)才采用方形。交流磁通在鐵心中會(huì)引起渦流損耗和磁滯損耗，使鐵心發(fā)熱。在大容量變壓器的鐵心中，往往設(shè)置油道。鐵心浸在變壓器油中，當(dāng)油從油道中流過(guò)時(shí)，可將鐵心中的熱量帶走。
（二）繞組
繞組是變壓器的電路部分，用來(lái)傳輸電能，一般分為高壓繞組和低壓繞組。接在較高電壓上的繞組稱(chēng)為高壓繞組；接在較低電壓上的繞組稱(chēng)為低壓繞組。從能量的變換傳遞來(lái)說(shuō)，接在電源上，從電源吸收電能的繞組稱(chēng)為原邊繞組（又稱(chēng)一次繞組或初級(jí)繞組）；與負(fù)載連接，給負(fù)載輸送電能的繞組稱(chēng)副邊繞組（又稱(chēng)二次繞組或次級(jí)繞組）。繞組一般是用絕緣的銅線繞制而成。高壓繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線橫截面小；低壓繞組的匝數(shù)少、導(dǎo)線橫截面大。為了保證變壓器能夠安全可靠的運(yùn)行以及有足夠的使用壽命，對(duì)繞組的電氣性能、耐熱性能和機(jī)械強(qiáng)度都有一定的要求。繞組是按照一定規(guī)律連接起來(lái)的若干個(gè)線圈的組合。根據(jù)高壓繞組和低壓繞組相互位置的不同，繞組結(jié)構(gòu)型式可分為同心式和交疊式兩種。同心式繞組是將高壓繞組和低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上。為了絕緣方便，低壓繞組緊靠著鐵心，高壓繞組則套裝在低壓繞組的外面，兩個(gè)繞組之間留有油道。油道一是作為繞組間的絕緣間隙；二是作為散熱通道，使油從油道中流過(guò)冷卻繞組。在單相變壓器中，高、低壓繞組均分為兩部分，分別套裝在兩鐵心柱上，這兩部分可以串聯(lián)或并聯(lián)；在三相變壓器中屬于同一相的高、低壓繞組全部套裝在同一鐵心柱上。同心式繞組的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，心式變壓器一般都采用這種結(jié)構(gòu)。交疊式繞組是將高壓繞組和低壓繞組分成若干線餅，沿著鐵心柱交替排列而構(gòu)成。為了便于絕緣和散熱，高壓繞組與低壓繞組之間留有油道并且在最上層和最下層靠近鐵軛處安放低壓繞組。交疊式繞組的機(jī)械強(qiáng)度高，引線方便，殼式變壓器一般采用這種結(jié)構(gòu)。
（三）油箱及附件
1、油箱：油箱就是油浸式變壓器的外殼。變壓器在運(yùn)行中繞組和鐵心會(huì)產(chǎn)生熱量，為了迅速將熱量散發(fā)到周?chē)諝庵腥ィ刹捎迷黾由崦娣e的方法。變壓器油箱的結(jié)構(gòu)型式主要有平板式、管式等。對(duì)容量較大的變壓器，采用在油箱壁的外側(cè)裝有散熱管的管式油箱來(lái)增加散熱面積，當(dāng)油受熱膨脹時(shí)，箱內(nèi)的熱油上升到油箱的上部，經(jīng)散熱管冷卻后的油下降到油箱的底部，形成自然循環(huán)，把熱量散發(fā)到周?chē)諝庵小?duì)大容量變壓器，還可采用強(qiáng)迫冷卻的方法，如用風(fēng)扇吹冷變壓器等以提高散熱效果。變壓器油由高、低壓繞組套裝在鐵心上總稱(chēng)為器身，器身放在油箱中，油箱中充以變壓器油。
2、變壓器油：變壓器油是一種礦物油，具有很好的絕緣性能。變壓器油起兩個(gè)作用：①在變壓器繞組與繞組、繞組與鐵心及油箱之間起絕緣作用，提高繞組的絕緣強(qiáng)度。因?yàn)橛偷慕^緣性能比空氣好。②變壓器油受熱后產(chǎn)生對(duì)流，對(duì)變壓器鐵心和繞組起散熱作用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)油受熱后的對(duì)流作用，可以將繞組及鐵心的熱量帶到油箱壁，再由油箱壁散發(fā)到空氣中去。對(duì)變壓器油的要求是：介質(zhì)強(qiáng)度高；著火點(diǎn)高；粘度小；水分和雜質(zhì)含量盡可能少。
3、儲(chǔ)油柜：變壓器油受熱后要膨脹，因此油箱不能密封。為了減小油與空氣的接觸面積，變壓器安裝有儲(chǔ)油柜。儲(chǔ)油柜固定在油箱頂上并用管子與油箱直接連通，儲(chǔ)油柜的上部有加油栓，可以向變壓器內(nèi)補(bǔ)油，油箱的下部有放油活門(mén)，可以排放變壓器油。儲(chǔ)油柜使油箱內(nèi)部與外界空氣隔絕，減少了油氧化及吸收水分的面積。儲(chǔ)油柜內(nèi)的油面高度被控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)油受熱膨脹時(shí)，一部分油被擠入儲(chǔ)油柜中使油面升高，而油遇冷收縮時(shí)，這部分油再流回油箱使油面降低。儲(chǔ)油柜的大小應(yīng)能滿足變壓器在各種可能的運(yùn)行溫度下，油面的升降總是能保持在儲(chǔ)油柜的范圍內(nèi)。儲(chǔ)油柜的一側(cè)有油位計(jì)，可查看油面高度的變化。另外，儲(chǔ)油柜上還裝有吸濕器，它是一種空氣過(guò)濾裝置，外部空氣經(jīng)過(guò)吸濕器干燥后才能進(jìn)人儲(chǔ)油柜，從而使油箱中的油不易變質(zhì)損壞。
4、氣體繼電器（瓦斯繼電器）： 裝在變壓器的油箱和儲(chǔ)油柜間的管道中，主要保護(hù)裝置。內(nèi)部有一個(gè)帶有水銀開(kāi)關(guān)的浮筒和一塊能帶動(dòng)水銀開(kāi)關(guān)的擋板。當(dāng)變壓器發(fā)生故障，產(chǎn)生的氣體聚集在氣體繼電器上部，油面下降，浮筒下沉，接通水銀開(kāi)關(guān)而發(fā)出信號(hào)；當(dāng)變壓器發(fā)生嚴(yán)重故障，油流沖破擋板，擋板偏轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)一套機(jī)構(gòu)使另一水銀開(kāi)關(guān)接通，發(fā)出信號(hào)并跳閘，切除變壓器的電源。
5、安全氣道（防爆管）： 大容量變壓器的油箱蓋上還裝有安全氣道，它是一個(gè)長(zhǎng)的鋼筒，下面與油箱相通，上端裝有防爆膜。當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重故障產(chǎn)生大量氣體時(shí)，油箱內(nèi)部壓力迅速升高而沖破安全氣道上的防爆膜，噴出氣體，消除壓力，以免產(chǎn)生重大事故。
6、分接開(kāi)關(guān)： 在電力系統(tǒng)，為了使變壓器的輸出電壓控制在允許變化的范圍內(nèi)，變壓器的原邊繞組匝數(shù)要求在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因而原繞組一般備有抽頭，稱(chēng)為分接頭。利用開(kāi)關(guān)與不同接頭連接，可改變?cè)@組的匝數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。分接開(kāi)關(guān)分為有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)和無(wú)載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)。
7、絕緣套管： 裝在變壓器的油箱蓋上作用是把線圈引線端頭從油箱中引出，并使引線與油箱絕緣。電壓低于1KV采用瓷質(zhì)絕緣套管，電壓在10-35KV采用充氣或充油套管，電壓高于110KV采用電容式套管。
8、測(cè)溫裝置： 監(jiān)測(cè)變壓器的油面溫度。小型的油浸式變壓器用水銀溫度計(jì)，較大的變壓器用壓力式溫度計(jì)。
