项目二　一次设备的运行与维护

任务一　电力变压器的运行监视与故障处理

【任务概述】

在电力系统中，为了能经济有效地输送电能，以满足用户对电能的需求，应安装有电力变压器，使得发电机发出的电能经升压变压器升压，变为输电线路上电压较高、电流较小的电能，高压电能在被传输至负荷区时，需再经变电所降压变压器降压，变为用电设备所需要的电压较低的电能，然后经配电装置和配电线路将电能送至各个用户。本任务要求学生熟悉变压器的结构和作用，理解变压器的工作原理，了解变压器的分类；学会做变压器投运前的各项检查；熟悉变压器的常见故障现象，能分析故障产生的原因，学会处理几种常见故障。

【相关知识】

一、电力变压器的结构及各部件的功能

1.电力变压器及其分类

电力变压器是变电所中最关键的一次电气设备，其作用主要有：升降电压、改变电流、传输电能。在电力系统中，变压器占有极其重要的地位，无论在发电厂还是在变电所，都可以看到各种形式和不同容量的变压器。

按变压器的相数来分，可分有单相变压器和三相变压器。按绕组数目来分，变压器又可分为双绕组和三绕组变压器，其中在一相铁芯上套2个绕组的变压器称为双绕组变压器，具有两种电压等级；三绕组变压器的每一个铁芯上缠绕3个绕组，具有3种不同的电压等级。按冷却介质来分，变压器可分为油浸式变压器、干式变压器以及水冷式变压器，其中油浸式变压器常用于电压较高、容量较大的场所，电力变压器大多采用油浸式变压器。按调压方式来分，变压器可分为有载调压变压器和无载调压变压器两种。

2.电力变压器的结构组成

电力变压器主要由铁芯、线圈、油箱、油枕以及绝缘套管、分接开关和气体继电器等组成，如图2-1所示。

3.电力变压器各部件功能

① 铁芯：铁芯是变压器最基本的组成部分之一。铁芯是用导磁性能很好的硅钢片叠压制成的闭合磁路，变压器的一次绕组和二次绕组都绕在铁芯上。

② 绕组：绕组也是变压器的基本部件。变压器的一次绕组和二次绕组都是用铜线或铝线绕成圆筒形的多层线圈，压放在铁芯柱上，绕组的匝与匝之间、层与层之间，绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间均相互绝缘。

③ 油箱：油箱是变压器的外壳，油箱内充满了绝缘性能良好的变压器油，铁芯和绕组安装和浸放在油箱内，纯净的变压器油对铁芯和绕组起绝缘和散热作用。

④ 油枕：当变压器油的体积随着油温的变化膨胀或缩小时，油枕起着储油及补油的作用，以保证油箱内充满变压器油。油枕的侧面还装有一个油位计，从油位计中可以监视油位的变化。

⑤ 吸湿器：吸湿器由一根铁管和玻璃容器组成，内装硅胶等干燥剂。当油枕内的空气随变压器油的体积膨胀或缩小时，排出或吸入的空气都经过吸湿器，吸湿器内的干燥剂吸收空气中的水分，对空气起过滤作用，从而保持变压器油的清洁。

⑥ 防爆管：防爆管又称喷油管，装于变压器的顶盖上，喇叭形的管子与油枕或大气连通，管口由薄膜封住。当变压器内部有故障时，油温升高，油剧烈分解产生大量气体，使油箱内的压力剧增。这时防爆管薄膜破碎、油及气体由管口喷出，防止变压器的油箱爆炸或变形。

⑦ 绝缘套管：变压器的各侧绕组引出线必须采用绝缘套管，以便于连接各侧引线。

⑧ 散热器：散热器又称冷却器，其型式有瓦楞形、扇形、圆形和排管等。当变压器上层油温与下层油温产生温差时，通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器温度的作用。为提高变压器油的冷却效果，常采用风冷、强油风冷和强油水冷等措施。散热器的散热面积越大，散热效果越好。

⑨ 分接开关：分接开关是调整电压比的装置。双绕组变压器的一次绕组及三绕组变压器的一、二次绕组一般都有3～5个分接头位置，操作部分装于变压器顶部，经传动杆伸入变压器的油箱。3个分接头的中间分接头为额定电压的位置，相邻分接头的额定电压值相差±5%；多分接头的变压器相邻分接头的额定电压值相差±2.5%，根据系统运行的需要，按照指示的标记，来选择分接头的位置。

由于变压器高压绕组的电流比低压绕组的电流小，其导线截面也小，绕制绕组时抽抽头比较容易。同时额定电流小的分接开关结构比较简单，容易制造和安装。变压器的高压绕组又在外面，很方便引出抽头引线。对于降压变压器，当电网电压变动时，在高压绕组进行调压就可以适应电网电压的变动，对变压器运行十分有利。调压方式包括无载调压和有载调压两种。无载调压是指切换分接头时，必须在变压器停电的情况下进行；有载调压则是在保证不中断负荷电流的情况下进行电压调整，使系统电压在正常范围内运行。一般都在变压器高压绕组上改变匝数进行调压。

⑩ 气体继电器：气体继电器是变压器的主要保护装置，装在变压器的油箱和油枕的连接管上。当变压器的内部故障时，气体继电器的上接点接信号回路，下接点接开关的跳闸回路。

除上述部分外，变压器还有温度计、热虹吸、吊装环、入孔支架等附件。

另外，在小型工厂变电所，常常使用干式变压器。这种变压器没有变压器油，采用自然冷却方式，具有温度控制功能，通常安装在户内。

二、电力变压器的连接组别

1.电力变压器的极性

变压器铁芯中的主磁通，在一、二次绕组中产生的感应电动势是交变电动势，并没有固定的极性，这里所说的变压器绕组极性，是指一、二次绕组的相对极性。即当一次绕组的某一端在某一瞬间的电位为正时，二次绕组也在同一个瞬间有一个电位为正的对应端，这时就把这两个对应端称为变压器绕组的同极性端或同名端。

变压器的同极性端取决于绕组的绕向，绕向改变，极性就改变。极性是变压器并联运行的主要条件之一。如果并联运行的变压器极性一旦接反，在并联变压器的绕组中将会出现很大的短路电流，甚至把变压器烧坏。

2.电力变压器绕组的连接方式

电力变压器的每一个电压侧都有3个绕组，高压侧绕组用A-X、B-Y、C-Z作线端标志，低压侧绕组用a-x、b-y、c-z作线端标志，若为三绕组变压器，则中压侧绕组用Am-Xm、Bm-Ym、Cm-Zm作线端标志。其中短横杠前面为绕组的首端标号，横杠后面为绕组的尾端标号。

电力变压器的高、低压侧三相绕组，均可以接成星形和三角形两种连接方式，这样电力变压器便可构成很多种连接方式，例如高压侧和低压侧绕组都接成星形时，就构成了Y，y连接；若电力变压器的高压侧绕组接成三角形，低压侧绕组接成星形，就构成了D，y连接；当高压侧绕组和低压侧绕组都接成三角形时，构成的连接方式为D，d；当高压侧绕组接成星形，低压侧绕组接成三角形，则构成Y，d连接。

3.电力变压器的连接组别

电力变压器绕组的不同引线端用不同的符号表示，还可以用一种特别规定的符号来表示，即时钟表示法。所谓时钟表示法，就是把高压侧和低压侧的电压相量分别视为时钟的长针和短针，针头为首端，把长针固定在12点的位置上，再看短针所指的位置，并以短针所指示的钟点数作为变压器的连接组别标号。我国国家标准规定只生产下列5种标准连接组别的电力变压器，即Yd11、Yyn0、YNd11、YNy0、Yy0。其中前3种最为常用，其主要用途如下。

① Yd11：这种连接组别通常用于低压侧电压高于400V，高压侧电压为35kV及以下的输配电系统中。

② Yyn0：这种连接组别一般用在低压侧电压为400V/230V的配电变压器中，供电给动力和照明混合负载。三相动力负载用400V线电压，单相照明负载用230V相电压。yn0表示星形连接的中心点引至变压器箱壳的外面再与“地”相接，如图2-2所示。

③ YNd11：这种连接组别常用在高压侧需要中心点接地的发输电系统中，例如110kV及220kV等超高压系统中。此外也可以用在低压侧电压高于400V、高压侧电压为35kV及以下的输配电系统中，如图2-3所示。

三、电力变压器台数的选择、容量的确定及过负荷能力

1.变压器台数的选择

在选择电力变压器时，应选用低损耗节能型变压器，如S12系列或S13系列。对于安装在户内的电力变压器，通常选择干式变压器；如果变压器安装在多尘或有腐蚀性气体严重影响的场所，一般需选择密闭型变压器或防腐型变压器。其台数的选择应考虑下列原则。

① 应满足用电负荷对可靠性的要求。大型变电所所带负荷较大，且所带一、二类负荷较多，宜选择2～4台主变压器；中型变电所一般选择2台主变压器；小型变电所，其负荷常为Ⅲ类负荷，一般选择1台主变压器。

② 当昼夜负荷变化较大时，可考虑采用2台主变压器。

③ 在选择变电所主变压器台数时，还应适当考虑负荷的发展，留有扩建增容的余地。

2.变压器容量的确定

（1）单台变压器容量的确定

单台变压器的额定容量SN应能满足全部用电设备的计算负荷Se，留有裕量，并考虑变压器的经济运行，即

SN=（1.15～1.4）Se　　（2-1）

（2）2台主变压器容量的确定

装有2台主变压器时，每台主变压器的额定容量SN应同时满足以下两个条件。

① 当任一台变压器单独运行时，应满足总计算负荷的60%～70%的要求，即

SN≥（0.6～0.7）Se　　（2-2）

② 任一台变压器单独运行时，应能满足全部Ⅰ、Ⅱ类负荷总容量的需求，即

SN≥SⅠe+SⅡe　　（2-3）

式中　SⅠe——Ⅰ类负荷总容量；

　　　SⅡe——Ⅱ类负荷总容量。

（3）单台变压器容量的限制

单台主变压器的容量选择一般不宜大于1250kV·A；对居民小区变电所，单台油浸式变压器容量不宜大于630kV·A。工厂车间变电所中，单台变压器容量不宜超过1000kV·A，对装设在二层楼以上的干式变压器，其容量不宜大于630kV·A。

例2-1　某车间（10kV/0.4kV）变电所总计算负荷为1350kV·A，其中Ⅰ、Ⅱ类负荷量为680kV·A，试确定主变压器台数和单台变压器容量。

解：由于车间变电所具有Ⅰ、Ⅱ类负荷，所以应选用2台变压器。根据式（2-2）和式（2-3）可知，任一台变压器单独运行时均要满足60%～70%的总负荷量，即

SN≥（0.6～0.7）×1350=810～945（kV·A）

且任一台变压器均应满足　SN≥SⅠe+SⅡe≥680kV·A

一般变压器在运行时不允许过负荷，所以可选择2台容量均为1000kV·A的电力变压器，具体型号为S9-1000/10。

3.电力变压器的过负荷能力

变压器为满足某种运行需要而在某些时间内允许超过其额定容量运行的能力称为过负荷能力。变压器的过负荷通常可分为正常过负荷和事故过负荷两种。

（1）变压器的正常过负荷能力

电力变压器运行时的负荷是经常变化的，日常负荷曲线的峰谷差可能很大。根据等值老化原则，电力变压器可以在一小段时间内允许超过额定负荷运行。

变压器的正常过负荷能力，是以不牺牲变压器正常使用寿命为原则来制定的，同时还规定过负荷期间，负荷和各部分温度不得超过规定的最高限值。我国的限值为：绕组最热点温度不得超过140℃；自然油循环变压器负荷不得超过额定负荷的1.3倍，强迫油循环变压器负荷不得超过额定负荷的1.2倍。

（2）变压器的事故过负荷

对油浸式自然循环冷却或强迫油循环冷却变压器事故过负荷运行时间允许值的规定见表2-1和表2-2。

注：+表示不允许运行。

事故过负荷又称为短时急救过负荷。当电力系统发生事故时，保证不间断供电是首要任务，加速变压器绝缘老化是次要的考虑。所以，事故过负荷和正常过负荷不同，它是以牺牲变压器的使用寿命为代价的。事故过负荷时，绝缘老化率允许比正常过负荷时高得多，即允许较大的过负荷，但我国规定绕组最热点的温度不得超过140℃。

考虑到夏季变压器的典型负荷曲线，其最高负荷低于变压器的额定容量时，每低1℃可允许过负荷1%，但以过负荷15%为限。正常过负荷最高不得超过额定容量的20%。

四、电力变压器的并联运行条件

1.变压器并联运行的目的

供配电技术中常常采用变压器的并联运行方式，目的是提高供电的可靠性和变压器运行的经济性。

例如：某工厂变电所采用2台变压器并联运行时，如果其中一台变压器发生故障或检修时，只要将其从电网中切除，另一台变压器仍能正常供电，从而提高了供电的可靠性。

电力负荷的变动是经常性的。根据负荷的变动，及时调整投入运行的变压器台数，以减少变压器本身的能量损耗，无疑能够提高供电效率，达到经济运行的目的。

2.变压器并联运行的条件

为了保证并联运行的变压器在空载时并联回路没有环流，负载运行时各变压器负荷分配与容量成正比，并联运行的变压器必须满足以下条件。

① 并联各变压器的连接组别标号相同；

② 并联各变压器的变比相同（允许有±0.5%的差值）；

③ 并联各变压器的短路电压相等（允许有±10%的差值）。

④ 并联运行的变压器的容量比一般不宜超过3∶1。

如果并联变压器的连接组别标号不同，就会在并联运行的回路中产生环流，而且此环流通常是额定电流的几倍，这么大的电流将很快烧坏变压器。因此，连接组别标号不同的变压器绝不能并联运行。

若将变比不同的变压器并联运行，二次侧电压将造成不平衡，空载时就会因电压差而出现环流，变比相差越大，环流也越大，从而影响到变压器容量的合理分配，因此并联运行的变压器，其变比不允许超过±0.5%。

如果并联运行的变压器短路电压不同，由于负载电流与短路电压成反比，就会造成负载分配不合理，因此，短路电流差值不允许超过±10%。