电力变压器的结构与设计.doc

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。单相变压器尽管增加了制造成本，增加了现场安装面积，增加了发电机变压器低压侧的封闭母线外部连接复杂性。但若变压器一旦发生故障，通常仅仅是一相（台）变压器受到影响，在现场具有备用相的情况下，可以很快恢复供电。除为了解决运输问题之外，这也是绝大多数用户选择单相变压器的一个原因。实际上，在500kv变压器设计、制造技术与运行、维护技术已经相当成熟的今天，即使是选用单相变压器（含自耦变压器），用户也很少再买备用相了（见附录a）。对于大型的单相发电机变压器，制造厂既可以采用单柱式结构，也可以采用双柱式结构。显然，采用双柱式结构可以明显降低变压器的主漏磁通与变压器的短路机械力，同时也可以降低变压器中的涡流损耗。当然，采用双柱式结构的单相发电机变压器与采用双同心式结构一样，将导致变压器制造成本的增加，也会增加变压器的损耗与重量。应当指出，单相发电机变压器如果选择双柱式结构，两个铁心柱上的绕组既可以串联，也可以并联。当绕组采用串联方式时，通常也仅仅是两柱高压绕组串联，低压绕组由于电流很大而往往仍然采用两柱并联的结构。虽然两柱高压绕组串联可以降低制造成本，可以比较容易解决绝缘技术问题，但是，两柱串联的高压绕组往往结构不对称，特别是在高压绕组具有调压分接时更是如此。在两柱高压绕组结构不对称的情况下串联，不仅会使并联的低压绕组负载（电流）不对称，也会引起两柱的漏磁场不对称、短路机械力不相同等等一系列的弊端。无论是单相发电机变压器或者是自耦变压器，如果采用双柱式结构（即采用单相四柱式铁心），我们历来都是采用两柱的高、低压绕组均为并联的完全对称结构，即使是额定电压1000kv的变压器也如此。这可以消除了上述弊端，提高变压器运行的可靠性。500kv变压器的绕组结构：所有500kv大型变压器的高压绕组均采用我们成熟的、有近三十年成功制造与运行经验的内屏蔽-连续式绕组，这种绕组结构具有十分良好的瞬变电压分布特性，对各种瞬变电压有良好的耐受能力。当发电机变压器高压绕组的出线端与sf6系统连接时，高压绕组出线区域的绝缘进行了更进一步的加强，使其可耐受不同特性的sf6绝缘系统操作时的过电压，更加确保其可靠性。大型发电机变压器的低压绕组通常采用双层螺旋式结构，不仅可以降低大电流引线引起附近结构件的涡流损耗，而且也进一步改善了低压绕组的冷却状况。对于小容量的500kv电厂自用电备用变压器，尽管其高压绕组我们仍然采用纠结-连续式结构，但绕组的过渡区域我们进行了改进，使其具有了更好的冲击电压分布特性。500kv变压器的绕组导线材料均采用具有优良承受机械应力能力的导线，如果采用连续换位导线，均采用具有更好机械动稳定性的自粘换位导线。导线的匝绝缘全部采用500kv匝绝缘纸，以确保导线匝绝缘的可靠性。所有大型变压器承受短路的能力，均经过了精心的数值分析，同时也在材料选择及制造过程中采取了相应技术措施，以确保变压器具有良好的承受短路力的能力。500kv变压器的铁心结构：500kv大型变压器的铁心均采用高导磁冷轧硅钢板制作，采用全斜接缝铁心结构，并具有足够的冷却油道，使铁心温升的计算值不超过30k。大型变压器的铁心片通常采用全斜接缝六级步进搭接结构，这不仅可以进一步降低空载损耗，也可进一步空载电流与变压器的噪声。铁心拉板材料的选用、结构的设计，包括铁心外层一定厚度的硅钢片的结构，均是经过精心的漏磁场分析结果来确定，使铁心及其结构件无局部过热之虞。为了进一步降低变压器的噪声，一些大型变压器的铁心还采取了减震措施。500kv变压器的绝缘结构：计算机在变压器设计中应用的突出优势之一就是进行场分析，包括电场分析、漏磁场分析、温度场分析、变压器短路下的受力分析、冷却油流分布的分析等。当然，计算机还广泛用于设计方案的优化、性能参数的计算、图纸的设计等。高电压变压器的电场分析技术可以说已经相当成熟，三维电场分析技术甚至更加复杂的电场分析技术也已在变压器设计中应用，这不仅为变压器的绝缘设计提供了可靠数据，也大大提高了变压器绝缘结构的可靠性。迄今，500kv变压器、750kv变压器、1000kv变压器的绝缘设计已经不存在难以克服的困难。在油浸式变压器的油-纸绝缘结构中，薄纸筒-小油间隙的绝缘结构已经研究、发展、应用了四十多年，已积累了丰富的实践经验与可靠数据。而今，几乎所有变压器制造厂在油浸式变压器中都采用薄纸筒-小油间隙的绝缘结构，但不同的变压器制造厂可能根据自己的材料状况、制造技术等选用了不同的电场强度容许值。我们采用的容许值仍然比较保守，目的是使变压器在运行中、在绝缘强度可能有所降低的情况下仍然能保持足够的可靠。现在有一句时髦的话叫细节决定成败，经验表明这句话很有道理。对于无论甚么样的变压器，只要在变压器设计与制造过程中的每一个环节不忽视细节，不存在细小的疏忽（瑕疵），充分注意设计与制造中影响绝缘强度的因数，就能确保变压器绝缘的可靠性。500kv变压器的冷却系统：众所周知，变压器的绝缘的热寿命取决于变压器绕组的热点温升。500kv大型变压器通常采用低噪声风冷却器，绕组通常采用导向冷却方式，这不仅可以使变压器绕组得到了更好的冷却，也降低了绕组热点温升与其平均温升之间的温差。特别是对于通常满负荷运行的发电机变压器，这可以进一步延长绝缘的热寿命。在2.2节中已经说过，500kv大型变压器除采用低噪声风冷却器外，近些年来，系统用变压器由于负荷波动较大，在一台变压器上出现了采用多重冷却方式的冷却系统，即一台变压器具有两种、甚至三种冷却方式，用户可按照负荷状况调整冷却方式。为了降低早年制造的变压器冷却系统的噪声，减少冷却系统的维护工作及其电能损耗，我们维修公司还成功的进行了数十台大型变压器的冷却系统改造，将单一冷却方式改为双重、甚至三重冷却方式，均取得了良好的经济效益和社会效益。2.4再论双分裂变压器一般电厂的厂用电采用的双分裂变压器均为无励磁调压方式，在2.1节已经提到，我们通常采用低压绕组幅向双分裂式结构来制造这类变压器。现在，一些核电站的厂用双分裂变压器选用有载调压方式，如果采用低压绕组幅向双分裂式结构来制造，无疑会进一步增加它的制造难度。在2.1节也提到，为了提高有载调压双分裂变压器承受短路的能力，我们也生产过几台低压绕组幅向双分裂的有载调压心式变压器，但由于其结构相当复杂，麻烦的制造工艺使其没有得到普遍推广。双分裂式结构有载调压变压器的麻烦在于，它要求在同一分接下，低压各支路与高压绕组之间的短路阻抗在计算上要尽可能相等，使其在同一分接下，两个低压支路的输出电压尽可能相等，这就造成了这种分裂变压器结构的复杂性。结构的复杂就会带来了制造工艺的麻烦，这虽然可以通过精心制作来尽可能的弥补，但复杂结构的本身就有可能降低它的可靠性。因此，如果采用心式结构来制造有载调压双分裂变压器，一般情况下，我们仍然采用轴向双分裂式结构来制造这类变压器。统计表明，双分裂变压器的故障率在所有变压器中较高（见表2-1），特别是在发生短路故障下往往损坏变压器。表2-1 双分裂变压器的事故统计（不完全统计至1990年）1）制造厂轴向分裂厂用/备用幅向分裂厂用/备用总的台数轴向分裂事故台次幅向分裂事故台次总的事故台次沈 变44/282/37733336保 变1/3353/087314西 变6/6/121/1合 计51/6755/317637441注1）：本表资料摘自国家能源投资公司1993年编写大型电力变压器事故统计分析汇编。迄今为止，尽管我厂制造的分裂变压器最多，事故率相对较低，但仍然是所有变压器中事故率较高的。尽管世界上绝大多数变压器制造厂生产心式结构的变压器，但还有少数工厂生产壳式结构的变压器。实际上，采用壳式结构可以很容易解决分裂变压器的短路强度问题。我们也生产过有载调压的壳式结构的双分裂发电厂自用电备用变压器，尽管它的制造成本稍高，但顺利过短路试验也证明了它耐受短路能力高的优越性。应当说，壳式结构分裂变压器具有承受短路能力高的突出优越性，目前尚未被人们普遍认识，因而尚未被普遍采用。笔者以为采用壳式变压器结构来制造这种变压器很有优势，特别是在要求有载调压的情况下，采用壳式结构有它独特的优势。壳式变压器不仅有绕组分开排列而自然形成分裂式结构的特点，而且具有突出的承受短路能力好的优点，以至于法国的核电站几乎无例外地采用壳式变压器。壳式变压器的致命缺点是可维修性差，这大概是诸多变压器厂不选择制造壳式变压器的原因。但生产壳式变压器的少数厂家仍然生存得很好，这大概是壳式变压器具有心式变压器无可比拟优点的原因。尽管壳式变压器的可维修性差，但经验表明只要设计可靠、精心制造可以确保无虞。与其千方百计精心制作心式有载调压双分裂变压器，其承受短路的能力仍然令人担心，不如精心制作壳式有载调压双分裂变压器更加让人放心。3变压器的主要材料无疑，自变压器问世的一百多年，既是人们不断改进变压器设计与制造技术的一百多年，也是围绕提高变压器主要材料性能进行研究、改进的一百多年。3.1 变压器铁心用导磁材料众所周知，作为变压器导磁回路的铁心采用良好的导磁材料构成。无疑，导磁材料应当具有优越的导磁性能和很低的损耗。一百多年来，人们从使用薄铁板到热轧硅钢板是一个飞跃。到20世纪40年代美国开发出了晶粒取向的冷轧硅钢板，使铁心材料的磁通密度大可提高、单位质量的损耗也大为降低又是一个飞跃。20世纪70年代，日本开发出了晶粒取向高导磁冷轧硅钢板进一步降低了变压器的铁心损耗与空载（励磁）电流，并可适当提高了工作磁通密度。现代变压器的铁心几乎毫无例外的都采用晶粒取向高导磁冷轧硅钢板来制造。20世纪80年代，又出现了采用激光刻痕的高导磁冷轧硅钢板，其铁心损耗又可降低6%左右，由于其价格关系，目前仅在一些特殊场合下采用。为了降低涡流损耗，硅钢板的厚度也在不断减薄，从0.5mm厚的热轧硅钢板到0.35mm、0.30mm、0.27mm、0.23mm甚至更薄的冷轧硅钢板。当然，硅钢板的厚度要兼顾使用的经济性、合理性、必要性、铁心的制造技术以及叠片因数等来选择。与此同时，铁心的设计、制造技术（含其制造设备）也在不断改进。由于冷轧硅钢板导磁性能的各向异性，出现了全斜接缝的铁心结构，并进而又出现了全斜接阶梯（步进）搭接接缝的铁心结构。后者不仅可以降低铁心损耗，而且可以进一步降低空载电流，使铁心性能进一步提高，但必须采用专用设备来生产。随着铁心材料的质量提高、铁心加工工艺的改进，也附带降低了变压器的噪声。至于非金合金、微晶钢板等，由于材料的尺寸、加工工艺以及它的经济性，现在仅在少量小型变压器生产中采用。目前，我国变压器行业使用的硅钢板绝大部分靠进口，国产品不能满足需求，我们工厂的硅钢板几乎全是进口材料。3.2 变压器绕组用导电材料变压器绕组导线几乎无例外的采用铜导线，这是由于工业用金属材料中不仅铜的电导率最高，而且具有良好的力学性能，价格也不是很贵。由于铜材是塑性材料，受机械力后仅在极小的范围内属于弹性变形。为了提高其机械强度，人们研制出了机械强度更高的半硬铜导线。现代大型变压器中几乎都是采用半硬铜导线来制造变压器绕组，并在变压器设计时根据变压器在突发短路最严重情况下的绕组导线机械应力的分析结果，选用不同品级的半硬铜导线来制造变压器绕组。半硬铜导线的品级采用（以前曾用）来表征，是指当导线上的负荷持续增加到按非比例拉伸达到计量长度的0.2%时的拉伸应力。众所周知，处于变压器漏磁场中的导电材料包括铜导线会产生涡流电流与相应的涡流损耗，涡流损耗的大小与垂直于漏磁场方向导体尺寸的平方成比例。为了降低涡流损耗，人们力图减小导线垂直于漏磁场方向的尺寸，并且尽可能消除并联导线间的环流损耗，从而研制出了连续换位导线。为了弥补导线尺寸减小后曲屈强度的降低，人们又研制出了自粘换位导线。现代大型变压器中采用的导线都是采用有值要求的铜导线或连续换位铜导线，采用的换位导线无例外都是自粘连续换位导线。我们使用的变压器绕组导线除了少量进口外，主要由国内供货。3.3 油浸式变压器用绝缘材料油浸式变压器的绝缘材料同样也在不断改进，初期多采用棉纤维材料，现在几乎都采用纯木浆纤维为原料而制作的各种纸制品，特殊变压器还采用耐热等级更高的绝缘材料。油浸式变压器由变压器油与固体绝缘材料组成的绝缘系统，对变压器运行的可靠性无疑非常重要。它不仅要承受电的作用，还要承受力和热的作用。在很长一段时间内，变压器的绝缘故障曾是变压器的主要故障之一，这除了绝缘材料的特性外，设计人员对局部电场强度很难准确把握应当是主要原因。而今，计算机的应用使局部电场强度的计算与控制，已经迎刃而解。由于绝缘系统在变压器中的重要性，在变压器设计、制造、运行中，都必须足够重视。无疑，绝缘材料应具有很高的介电强度；其介电系数应尽可能与变压器油的介电系数相接近；应具有较低的介质损耗因数；应使固体绝缘材料中所含导电粒子尽可能的少，并应在绝缘系统的生产、加工、使用过程中尽可能地保持它的洁净而不被污染。油浸式变压器中使用的绝缘材料主要有匝绝缘纸、绝缘纸板、层压绝缘纸板以及由绝缘纸制作的纵纹纸，由纸浆或纸板制作的各种成型绝缘件以及其他特殊用途的绝缘纸等。除了由不漂白的木浆为原料制作的绝缘材料外，在电场强度较低的区域，也常采用稳定性好、机械强度高的层压木制品作为支撑用绝缘材料，作为绕组端部的垫板或压板等等。以纯净木浆为原料制作的绝缘材料及层压木板无疑是油浸式变压器中很好的绝缘材料，但它容易吸潮、容易受到污染，因此不宜在干式变压器中应用。对于干式变压器的绝缘材料，瑞士杜邦公司研制出了芳烃聚酰胺纸及其纸板，其商业名称为nomex，它既耐高温，也不怕吸潮，并且还可以在需要耐温等级较高的特殊用途的油浸式变压器中应用。从变压器诞生至上世纪60年代的几十年间，变压器基本上采用半理论半经验方法进行设计，那时变压器的绝缘故障率较高。计算机的问世，特别是计算机在变压器设计中的广泛应用，一些用手工难以计算的问题也可以迎刃而解。例如，绕组在冲击电压（大气过电压）下的瞬态分析、电场的分析、漏磁场的分析等等。对电场的详细分析，不仅为提高变压器绝缘结构的可靠性提供了可靠依据，也为绝缘结构的改进与可靠性设计、成型绝缘件的合理采用提供了设计依据，从而大大降低了变压器的绝缘故障，提高了变压器的可靠性。我们使用的油浸式变压器绝缘材料，绝大部分都靠进口。330kv及以上变压器的绝缘纸板等几乎全部进口，主要由瑞士、瑞典等国供货。4 变压器的设计 随着变压器制造业的发展，变压器的设计技术也在不断进步、不断发展。变压器设计的出发点和落脚点必须满足所依据的相关标准与用户订货合同中的技术要求，向用户提供高可靠性的变压器。4.1 变压器依据的相关技术标准交流电能的广泛应用离不开变压器，电能已深入到人类社会的每一个角落，变压器的应用也无所不在。显然，如果没有统一的标准规定电压等级、试验电压以及基本的技术要求等等，变压器产品、各种电气产品将难以广泛生产、难以广泛通用。变压器制造厂如果面对国内市场，就必须按照国家的相关标准生产变压器；在经济联系日益全球化的今天，我们提供给国际市场的变压器则必须遵循大家共同遵守的、先进的、具有前瞻性的相关国际标准，遵循采购国家的相关标准。 国际电工委员会（iec）有关变压器的一系列标准是工业化国家共同约定的基本准则，它涉及变压器的设计、试验、运行等等诸多方面的基本技术要求。按照国际电工委员会的相关标准生产变压器，无疑是变压器产品走向国际市场的基本要求。通常，国家标准不应当比国际先进标准的要求低；工厂标准不应当比国家相关标准的要求低。我国的变压器标准是率先采用国际先进标准的产品之一，它等效采用了国际电工委员会（iec）的相关标准，并结合我国的实际情况规定了一些新的要求，或者提出了更高的要求。凡国家标准与国际电工委员会（iec）标准不相同的地方，在国家标准中都以注释的形式进行了采用说明。4.2 大型变压器的主要特点与中、小型变压器相比，一般而言，大型变压器有如下主要特点：a 通常高压侧的电压高，绝缘结构比较复杂；b 短路阻抗比较大，在调压过程中，希望短路阻抗的变化范围尽可能的小；c 系统用大型变压器，往往采用有载调压方式进行电压调节，这就进一步增加了变压器结构的复杂性；d 或者承担大范围的负荷，或者承担大型发电机的输出，因而大型变压器应当具有更高的可靠性；e 运输重量与运输尺寸往往受到限制。对于大型发电机变压器，设计中还应注意以下特点：由于低压侧电流很大，应注意其引线的连接及大电流引线漏磁场引起的问题；由于负载率高（几乎总是满负荷运行），应注意空载损耗与负载损耗的比值并尽可能提高变压器的效率；为了调节功率因数而有可能改变发电机励磁时，变压器应当具有必要的过励磁能力。此外，大型发电机变压器还应当能承受突然甩负荷时可能出现的过电压等问题。4.3 大型变压器的设计要点在中、小型变压器的设计中并不令人十分担心的电场问题、漏磁场问题以及局部过热问题，在大型变压器的设计中却对它们十分关心。可以说，对于电场、漏磁场的精心分析与尽可能的准确把握，并避免局部过热是提高大型变压器设计可靠性的重要环节。通过电场分析：准确把握变压器各个部位在各种过电压（大气过电压、操作过电压、工频过电压）下所发生的电场强度及该部位绝缘结构的耐受能力（容许电场强度），准确把握变压器绕组承受雷电冲击电压的特性与绕组间传递过电压，掌握各个部位在各种过电压作用下的绝缘强度的裕度。尽可能降低变压器在的局部放电的视在放电量，对提高变压器绝缘设计的可靠性是十分重要的一个方面。通过漏磁场分析：计算绕组中由漏磁通引起的涡流损耗及其分布，从而计算绕组中的损耗分布及温升；确定漏磁场中的结构件应当采取的结构措施与屏蔽措施，不仅是为了降低大型变压器的结构损耗，更是避免变压器可能发生局部过热的必要措施；计算变压器绕组及结构件承受短路的能力，确保大型变压器的可靠性也是十分重要的又一个方面。对于超高压大容量变压器由于高低压绕组间绝缘距离的增加导致短路阻抗的增大，为了获得用户需要的短路阻抗，可以增大绕组的轴向高度来补偿，但变压器高度的增加可能会受到运输尺寸的限制。这时，一个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，尽管这种结构会导致制造成本增加，但还可以提高变压器承受短路的能力。顺便指出，变压器制造厂的变压器设计必须与相应的制造工艺相匹配，必须与使用的主要材料相匹配，才能制造出高质量、高可靠性的好变压器。4.4 数值计算技术在变压器设计中的应用计算机数值计算与分析，已在变压器设计中得到广泛应用。在变压器设计中，从变压器的设计方案选择（优化）到参数计算几乎都应用计算机完成。虽然变压器的原理简单，但是由于边界条件复杂、相互影响因数很多、材料性能的分散性等，因而在变压器设计中的许多计算（无论用何种方法计算）都是近似计算。因此，使用计算机设计计算就必须要有可靠的计算程序，这些计算程序必须是经过实践检验而证明可靠。此外，一些性能参数、特性的计算分析结果，还应当根据制造厂的经验留有充分的裕度。正是因为一些性能参数的计算是近似计算，因此，变压器相关标准中对若干性能参数都规定了容许偏差，例如损耗、空载电压比、短路阻抗、空载电流等。当然，一些用户出于与原有变压器并联运行的需要，对短路阻抗提出的偏差要求可能比相关标准更加严格。为了满足性能参数的容许偏差，制造厂的设计经验与可靠的计算程序就显得相当重要。无论国内、外变压器制造厂，计算机程序通常分为设计计算程序与分析研究程序两个部分。设计计算程序一般都是专用程序，主要用于变压器的参数计算与结构尺寸计算，例如变压器的短路阻抗计算、损耗计算、温升计算、短路电流计算、噪声计算、铁心片尺寸计算等等；分析研究程序既有专用程序也有商用程序，主要用于变压器中一些专门问题的分析，例如变压器绕组中的大气过电压分布分析、电场分析、漏磁场分析、变压器承受短路能力分析、绕组中涡流损耗分布分析、绕组的热点温升计算等。对变压器承受大气过电压能力的分析、电场分析、漏磁场分析、变压器承受短路的能力分析、绕组中涡流损耗分布分析、绕组的热点温升计算等，是保证高电压、大容量变压器设计可靠性必不可少的环节，结合工厂制造技术而进行的变压器结构设计以及机械强度分析也是保证制造质量、保证可靠性的重要环节。对变压器承受大气过电压能力的分析，涉及绕组纵绝缘的可靠性，涉及绕组承受冲击电压的能力与冲击爬电强度的可靠性。通过分析可以合理选择绕组的结构型式，确定绕组的匝绝缘厚度与线饼之间的绝缘尺寸，确定绕组各部位的爬电强度等。对变压器各部位在各种试验电压下的电场分析，严格控制各部位的电场强度，是确保变压器的绕组间、绕组的端部、引线间、引线对地等部位绝缘结构可靠的手段。容许电场强度以局部放电的起始电场强度为基础，除控制了变压器局部放电的视在放电量外，也使绝缘更加可靠。经验表明，始终保持绝缘件的清洁，绝缘件加工的尺寸控制，使制成品符合设计计算中电场分析的形状要求，对满足变压器试验及运行的可靠性相当重要。对变压器的漏磁场分析在大型变压器的设计中十分重要。因为漏磁场不仅在绕组的导体中产生涡流损耗，也会在漏磁场区域的金属结构件中产生涡流损耗。由于漏磁通密度在各处不同，引起的涡流损耗分布很不均匀，由于漏磁场引起的、分布不均匀的涡流损耗是变压器可能产生局部过热的主要原因之一。通过漏磁场的分析不仅可以合理的设计漏磁场的屏蔽结构，降低漏磁场在结构件中产生的损耗；在漏磁场分析的基础上计算绕组中的涡流损耗及其分布，从而计算绕组的平均温升与热点温升；还可以在漏磁场分析的基础上，计算变压器在最严重情况下突发短路时的绕组导线应力与轴向、幅向电磁机械力等。为了提高变压器设计的可靠性、特别是绝缘结构中绝缘强度允许值的可靠性，人们不得不作大量的试验研究工作；同时，随着变压器容量的增大、电压的提高，一些复杂的、在容量较小的变压器中不太突出的技术问题也往往显得很突出，需要进行细致的仿真分析或试验研究。所有的仿真分析与试验研究结果，往往还应当进行综合的试验验证才能在产品设计中采用，并在使用中不断完善。这就是说，一个大型变压器制造厂，持续不断地进行技术研究与开发是必不可少的。4.5 变压器的调压及其影响为了补偿变压器的电压调整率与电网电压的变化、防止变压器出现不容许的过励磁；为了控制系统的无功流向以及适应系统将来的发展，许多变压器往往具有分接开关进行电压调节。无疑，采用分接开关后会增加变压器的成本与变压器结构的复杂性。因而从可靠性的观点来看，要尽量避免使用分接开关。即使不可避免要采用分接开关，也应当将分接的调压范围尽可能降到符合使用要求的最小范围。变压器使用分接开关后，不仅增加了变压器结构的复杂性，变压器的短路阻抗、负载损耗也将随着分接位置不同而变化；在采用调压线段来改变绕组匝数时，不可避免的会改变绕组间的磁势平衡状况，使变压器在不同分接下短路时产生的不平衡电磁机械力也不相同；如果在自耦变压器中采用变磁通调压，不仅会使铁心中的磁通密度在调压过程中发生变化而使空载损耗变化，同时，也会在调压过程中引起第三绕组（如果有）的电压波动。毫无疑问，如果对变压器增加分节开关后的结构复杂性处理不当，不仅将降低变压器的可靠性，而且，分接开关本身也将可能成为故障源。 变压器的调压可以分为无励磁调压与有载调压两种方式：无励磁调压方式一般用于调压范围小、分接级数少的场合，它必须在变压器脱离电源（无励磁）的情况下改变分接位置。相对而言，无励磁调压变压器在调压过程中的短路阻抗与负载损耗变化较小。有载调压方式则可以带负荷调压，一般有载调压方式用于调压范围较大、分接级数较多的场合，通常在调压过程中的短路阻抗与负载损耗变化也较大。采用有载调压开关调节电压时，既可以采用正、反调压，也可以采用线性调压。变压器设计师通常会在保证变压器可靠性的前提下，尽可能将短路阻抗的变化降低到最小程度来设计调压方式与调压绕组的布置位置。至于调压过程中的损耗变化，设计师会以调压过程中最大可能产生的损耗来设计变压器的冷却系统，从而保证变压器的温升在任何情况下都不会超过容许值。4.6油浸式变压器的油流静电与油流放电对于高电压油浸式变压器，人们比较关心它的油流静电与油流放电。油浸式变压器中的油流静电与油流放电，与变压器中、特别是绕组中油的流动速度关系十分密切。不同的冷却方式的油浸式变压器，绕组中油的流动速度大不相同。严格地说，变压器油只要流动就会产生电荷分离而在变压器中产生带电粒子。由于固体物质、特别是绝缘纸板对油中负离子有吸附作用，使绝缘物表面产生负电荷的积累，变压器油失去负离子而带正电荷，这就是油流静电现象。换句话说，作为冷却介质的变压器油只要循环流动，固体物质表面总会积累负电荷，油就会带正电荷。随着油的流动产生正、负电荷的分离的过程，也伴随着油的流动产生了正、负电荷的中和与电荷向接地金属方向逐渐消失（泄放）的过程，并且在这些过程中达到平衡。因此，绝大多数变压器在正常运行中，尽管有电荷分离与积累，但也有电荷的中和与泄放（形成泄漏电流），因而并不会产生油流放电。油流静电与油流放电问题在世界上已经研究了近30年，但至今人们对油流静电与放电机理的认识仍然很肤浅，而且没有统一的认识。许多工作则侧重于研究影响油流静电的主要因数及防止油流放电的措施方面，即着重于工程应用方面的研究。研究表明，影响油流静电程度的主要因数有：油的流动速度、油的温度、油的品质（油的老化程度、含水量、固有电阻值、固体物质的颗粒度等）、流道中固体绝缘表面粗糙状况以及变压器电压高低的影响等。绕组内部油的流动速度对油流静电的影响最为明显，因而人们最为关心的就是强迫油循环导向冷却（odaf）方式的高电压变压器油流静电与油流放电问题。其他冷却方式的变压器，绕组内部油的流动速度要比强迫油循环导向冷却情况低得多。在绕组内部油的流动速度较低的情况下，尽管有电荷分离与积累，但同时也有电荷泄放与中和，因而并不会产生油流放电。油流速度对油流静电的影响又与油的温度、油的品质、流道长度及流道中固体物质的表明状况等因数有关。因而，不同的研究者不仅得到的结论不完全相同，而且试验数据的分散范围也较大。一般认为，变压器油在其运行温度下，油流静电的积累与流速的24次方成比例；当油的温度更低时，这个指数将变小甚至与流速成正比。因此，防止油流放电的有效方法就是控制油在绕组及绝缘物油道中的流动速度。运行中注意维护油的品质（防止受潮与杂质污染），有助于防止变压器的油流放电。在高电压大型变压器设计中，我们仔细分析并控制了油在变压器内部各部位的流动速度，控制的油流速度远远低于可能危及变压器安全运行的流动速度。即使是计算与制造上会有一定偏差，也不会危及变压器的安全运行。5变压器的常见故障分析就“大型电力变压器的故障分析”而言，已经有不少专著出版。这里仅就常见故障作些介绍，有兴趣的工程师可结合自己的工作通过专著进一步深入研究。电力变压器的故障可以有多种分类方法，我们姑且将变压器在设计、制造、安装、维护等方面的缺陷而引起的常见故障分为突发性的绝缘故障（事故）、过热性故障、放电性故障和附件故障（套管、分接开关等的故障）四大类。这里，主要讲设计、制造、安装、维护等方面的缺陷引发的常见故障。5.1突发性的绝缘故障（事故） 突发性的绝缘故障，往往会造成事故。例如，绕组的导线匝间短路、线饼之间短路、绕组间的绝缘击穿以及引线间及引线对地的绝缘击穿；高电场区域较严重的局部放电引起沿绝缘纸板树枝状放电或者对地绝缘击穿等。 突发性的绝缘故障有可能是先天性的缺陷造成的，例如变压器的使用材料、设计结构、制造工艺（含装配工艺）等留下了先天性的局部缺陷；也有可能是后天性的原因造成的，例如变压器在现场装配、维修过程中，在维护中引起的局部缺陷等。 先天性的局部缺陷包括加工过程中引起匝绝缘的局部破损、电场控制不当引起的局部电场集中等；后天性的原因如现场装配中引起油-纸电容式套管头部（通俗称将军帽）密封不良而进水引起绕组绝缘的局部受潮、早期有安全气道密封不良而进水引起绕组绝缘局部受潮、密封不良引起运输与保管过程中固体绝缘严重受潮等。因此，运输与保管中、安装与维护中防止绝缘可能的受潮，维护好变压器油的品质（控制器含水量、含气量，通过对变压器油的过滤等处理恢复其绝缘强度）也相当重要。 目前，大型电力变压器几乎都是采用油-纸绝缘结构，其中变压器油是绝缘结构中最薄弱的环节。新变压器的绝缘强度是变压器一生中的最好时期，尽管在制造厂变压器通过了各种试验，但在长期运行中，变压器的绝缘将会因为逐步老化而使绝缘强度逐渐下降；或者变压器在检修中在无可靠的防潮措施而又不适当地较长时间暴露在大气中使绝缘表面受潮致使绝缘强度降低等。一些固有的局部缺陷可能在变压器特殊运行情况下，由于外部因素而引起突发性故障或事故；一些固有的局部缺陷可能在变压器正常运行情况下逐步演变，成为越来越严重的缺陷而突然出现故障。例如，绕组导线的匝绝缘局部不完全破损，有可能在变压器短路时的短路机械力作用下而使匝绝缘完全破损，引起绕组的线匝间甚至线饼之间发生短路；因进水而使线圈的绝缘局部受潮并逐步发展，以至不能承受正常工作电压等，都可能引发突发性的绝缘故障。应当注意的是，变压器的固体绝缘材料会在变压器运行过程中逐步老化。固体绝缘材料的老化不仅分解出水分和其他气体，也会使绝缘材料的体积收缩，从而引起变压器绕组的预压紧力减小，使变压器承受短路的能力降低。因此，如果有可能，应在变压器正常的维护时检查绕组的预压紧情况，例如检查绕组的压紧结构的紧固件是否松动，必要时应补充压紧绕组。下面再举几个例子说明一下绝缘的故障与事故的问题。例如附录b的表b1的说明中提到，保 变的大同电厂联络变压器在变压器安装时造成500kv均压球电位悬浮的问题。500kv套管均压球外部有若干成型绝缘件组成一个绝缘系统，金属均压球被绝缘纸浆覆盖，其上有引出引线（等电位线）与变压器引出电缆连接。在安装500kv穿缆式套管拉出引线电缆时，不慎将该等电位连接线拉断而使均压球悬浮。在安装后的交接实验中，出现上万微微库仑的视在放电量而不得不重新安装。该联络变压器在安装中还出现过其他严重问题，结合到元宝山电厂联络变压器安装中出现的问题，我们工厂当时就决定，今后在现场自行安装500kv变压器。又如田湾核电站从乌克兰进口的主变压器，由于净油器结构设计不当而在运行中使净油器的硅胶进入变压器的绕组。如果说净油器结构设计不当是一种疏忽，再加上硅胶罐装配不当的疏忽，硅胶颗粒中混入铁屑、焊渣等金属颗粒的疏忽，以至造成了该变压器的高压绕组在正常运行中匝间短路，而今已相继烧毁了三台（相）主变压器。用户现在已经决定新订购两台（相）主变压器，对原进口的七台主变压器逐步更换所有绕组。我们与三菱公司合作生产大型壳式变压器中，曾经注意到三菱公司部分变压器套管均压球部的绝缘设计安全裕度偏小，包括附录表b4中peebles公司等套管的均压球部的绝缘结构，我们也认为其绝缘的强度的安全裕度值均有些偏小，因而在运行中表现不佳。套管均压球的绝缘部位往往存在大油间隙，必须充分估计到大油间隙的绝缘强度存在较大的分散性，应当具有更高的绝缘强度裕度。新变压器的绝缘强度是变压器一身中的最好时期，运行中的绝缘老化、运行中变压器油含水量与含气量的增加等，均会使绝缘强度有所下降。因此，绝缘设计需要的足够安全裕度应当考虑这些因数，以保证变压器运行的可靠性。5.2过热性故障变压器中的载流导体、铁心、结构件都有可能发生局部过热。引起变压器局部过热的先天性因数较多：例如1）载流导体的接头焊接不良、采用螺栓连接引线（或接线片）的螺栓防松不当使接触电阻增大、绕组的加包附加绝缘（这种结构早期在其他工厂曾经采用）引起局部绕组的线饼温升过高等；2）大型变压器的漏磁场在并联的引出线中、甚至结构件中引起环流等；3）漏磁屏蔽结构设计不合理使涡流损耗局部集中等；4）铁心的局部短路、铁心的多点接地、铁心的结构不当等。结构件发生