第6章 变压器
知识导读
在工农业生产及社会生活的各个方面，存在着千差万别的用电设备，不同的用电设备常常需要接在各种不同等级电压的电源上。例如，家用电器一般接在电压为220V的电源上；三相异步电动机一般接在电压为380V的电源上；我国电力机车接在电压为25KV的接触网上。为了供电、输电、配电的需要，就必须使用一种电气设备把发电厂内交流发电机发出的交流电压变换成不同等级的电压。这种电气设备就是变压器。变压器是在法拉第电磁感应原理的基础上设计制造的一种静止的电气设备，它可以将输入的一种等级电压的交流电能变换成同频率的另一种等级电压的交流电能输出。
变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、变流和变阻抗的作用。变压器的种类很多, 应用十分广泛。比如在电力系统中用电力变压器把发电机发出的电压升高后进行远距离输电，到达目的地后再用变压器把电压降低以便用户使用，以此减少传输过程中电能的损耗；在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器改变市电电压，再通过整流和滤波，得到电路所需要的直流电压；在放大电路中用耦合变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。变压器虽然大小悬殊, 用途各异，但其基本结构和工作原理却是相同的。 知识目标
? 了解变压器的基本结构，掌握各个基本结构的作用及原理。 ? 掌握变压器的工作原理。
? 掌握变压器空载运行、负载运行时的表达方式。 ? 掌握变压器的等效电路。 ? 掌握变压器的参数测定方法。 ? 了解常用变压器的结构和工作原理 技能目标
? 能够绕制小型变压器。 ? 能够判别三相变压器连接组别。
6.1变压器的基本结构
变压器是变配电站（所）的核心设备，分为干式和油浸式两种类型，每个类型又各分为单相和三相的两种。按照用途分为升降压变压器、整流变压器、隔离变压器、励磁变压器、
防雷变压器等，常被用作升、降压，安全隔离，匹配阻抗等等。目前以油浸式三相变压器为 常用。
变压器的基本结构部件是铁心和绕组，由它们组成变压器的器身。为了改善散热条件，大、中容量变压器的器身浸入盛满变压器油的封闭油箱中，各绕组与外电路的连接经绝缘套管引出。为了使变压器安全可靠地运行，还设有储油柜、气体继电器和安全气道等附件，如图6-1所示。
图6-1 电力变压器外型
1-铭牌；2-信号式温度计；3-吸湿器；4-油标；5-储油柜；6-安全气道；7-气体继电器；8-高压套管；9-低压套管；10-分接开关；11-油箱； 12-放油阀门；13-器身；14-接地板；15-小车
6.1.1变压器的基本结构
变压器由铁心、绕组、油箱及附件等3大部分组成。下面以油浸式电力变压器为例来分别介绍。
1．铁心
铁芯是变压器中主要的磁路部分，也是器身的骨架，如图6-2所示。变压器的铁芯由铁芯柱和铁轭两部分组成。安装线圈的部分叫做铁芯柱，连接各铁芯柱使铁芯形成闭合磁路的部分叫做铁轭。为了提高铁芯导磁能力，使变压器容量增大，体积减小，效率提高，要求铁芯采用导磁性能良好的材料。传统铁芯通常由含硅量较高，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。冷轧硅钢片比热轧硅钢片的性能更好，磁导率高而且损耗小，但工艺性较差，导磁有方向且价格较贵，多用于大中型变压器中。目前变压器一般采用冷轧硅钢片，厚度有0.35 mm、0.3mm、0.27 mm多种，越薄质量越好。近年来，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料——非晶态磁性材料，如2605S2，非晶合金铁芯,变压器便应运而生。这种
变压器的铁损仅为硅钢变压器的1/5。
图6-2
铁芯结构的基本形式有心式和壳式两类。芯式是指线圈包围铁芯，这种形式结构简单，容易装配，省导线，适用于大容量，高电压变压器。所以变压器大多采用三相芯式铁芯。壳式是指铁芯包围线圈，这种形式的铁芯易散热，用线量大，工艺复杂，只适宜小型干式变压器使用。
2．绕组
绕组是变压器的电路部分，用来传输电能，一般分为高压绕组和低压绕组。接在较高电压上的绕组称为高压绕组；接在较低电压上的绕组称为低压绕组。从能量的变换传递来说，接在电源上，从电源吸收电能的绕组称为原边绕组（又称一次绕组或初级绕组）；与负载连接，给负载输送电能的绕组称副边绕组（又称二次绕组或次级绕组）。
绕组一般是用绝缘的铜线绕制而成。高压绕组的匝数多、导线横截面小；低压绕组的匝数少、导线横截面大。为了保证变压器能够安全可靠的运行以及有足够的使用寿命，对绕组的电气性能、耐热性能和机械强度都有一定的要求。
绕组是按照一定规律连接起来的若干个线圈的组合。根据高压绕组和低压绕组相互位置的不同，绕组结构型式可分为同心式和交叠式两种。
同心式绕组是将高压绕组和低压绕组同心地套装在铁心柱上，如图6-3（ａ）所示。为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面，两个绕组之间留有油道。油道一是作为绕组间的绝缘间隙；二是作为散热通道，使油从油道中流过冷却绕组。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别套装在两铁心柱上，这两部分可以串联或并联；在三相变压器中属于同一相的高、低压绕组全部套装在同一铁心柱上。同心式绕组的结构简单、制造方便，心式变压器一般都采用这种结构。
交叠式绕组是将高压绕组和低压绕组分成若干线饼，沿着铁心柱交替排列而构成，如图6-3（b）所示。为了便于绝缘和散热，高压绕组与低压绕组之间留有油道并且在最上层和最下层靠近铁轭处安放低压绕组。交叠式绕组的机械强度高，引线方便，壳式变压器一般采用
这种结构。
（a）心式铁心和同心式绕组 （b）壳式铁心和交迭式绕组
图6-3变压器的铁心与绕组型式 1-铁心；2-低压绕组；3-高压绕组。
3．箱体总成及附件
油浸式变压器的箱体总成由油箱（箱壳和箱盖）、高低压绝缘套管、储油柜、分接开关、呼吸器、防爆阀、气体及电器、和温度计等组成，箱壳外还带有散热管/片（大型变压器用专业冷却器）及装在底部的放油阀等配件。它们的作用在于保证变压器的安全可靠运行。油浸式变压器的器身（绕组和铁芯）完全浸泡在油箱中的变压器油中，变压器油起到散热、灭弧、绝缘的作用。
１)储油柜和油标
储油柜又叫油枕，它位于油箱上部，下部通过油管与油箱连通。储油柜的容积一般约为油箱容积的1/10。其作用是给油的热胀冷缩留有缓冲余地，保持油箱内始终充满油；同时，减小了油与空气的接触面积，可减缓油的氧化。储油柜上有油标（油位表）供观察油位之用。储油柜经呼吸器或注油器与外界相通，还有集污盒、取油样、放油阀等附件。储油柜有敞开式和密封式两种。由于敞开式储油柜的种种弊端，现已被逐渐淘汰。
密封式储油柜分为胶囊式、隔膜式和金属波纹式。 （1）胶囊式储油柜
如图6-4（a）所示，胶囊式油枕是在敞开式油枕的基础上，内部加装了用于隔离空气的加布橡胶囊，与外壳体形成密封结构，橡胶囊通过伸缩实现对绝缘油的体积补偿，胶囊内腔通过呼吸器与大气相通。此种结构的储油柜初步实现了绝缘油与空气的隔离，在一定程度上减少了绝缘油的吸湿和氧化，但经过多年的使用也暴露出以下问题：在变压器安装、运行和检修过程中，胶囊因其机械强度不够，易发生破裂而漏油，且破损后不易被发现；橡胶材料本事易老化，寿命短，需要定期更换，且更换安装工作需要变压器放油和注油，工作量较大。一般国产胶囊寿命为3～5年，进口胶囊寿命为8～10年；由于胶囊内部存在吸热表面，具有形成凝露的条件，因此潜在威胁很大，通过加装吸湿器并不能彻底解决问题；胶囊伸展
不良时易出现呼吸堵塞，造成事故；由于橡胶机械强度低，当变压器抽真空时要采用内外平衡压力的方法。
（a）胶囊式储油柜 （b）隔膜式储油柜
图6-4胶囊式储油柜和隔膜式储油柜
（2）隔膜式储油柜
如图6-4（b）所示，隔膜式油枕由两个半圆筒体组成，中间通过法兰夹装一个橡胶隔膜，隔膜浮在油面上，将空气隔离。同胶囊式一样，橡胶材料存在的问题在隔膜式油枕同样存在。隔膜式油枕的另一致命弱点是其本身密封结构问题。由于隔膜被压在上下壳体之间，密封尺寸过大，密封性能不可靠，当绝缘油超过中间位置时普遍存在渗漏；而油位较低时，又容易吸入空气和水分。另外，橡胶囊或隔膜式储油柜采用的连杆式磁针油位计，由于连杆较长，易产生变形，因此指示精度较低，常出现假油位。
（3）金属波纹式储油柜
金属波纹式储油柜是新一代全密封型储油柜，采用先进的不锈钢波纹补偿技术，在实现绝缘油体积补偿的同时，更能可靠地确保绝缘油与空气的隔离，并具有工作寿命长，无老化，抗破损和免维护等特点。金属波纹储油柜分内油式和外油式。内油式波纹储油柜是将波纹管作为装油的油囊，通过上下伸缩补偿油体积变化，如图6-5所示；外油式波纹储油柜采用柔性不锈钢波纹气囊作为补偿元件，在一个既定的油罐空间中通过波纹管伸缩容积补偿,如图6-6所示。外油式在外观上呈圆柱型卧式，使用方便，结构紧凑，弹性反力小，有利于变压器设备整体打压试验和全真空注油，并减小波纹伸缩刚性对压力释放阀及气体继电器的工作影响。
图6-5内油式金属波纹储油柜