模塊1　變壓器與整流機組的運行與維護

變壓器是變電所的心臟，整流機組是城軌牽引變電所的心臟，保證其正常工作是保證供電質量的基礎。本模塊的任務就是學習變壓器和整流機組的檢修。

2.1.1　學習目標

1.掌握變壓器和整流機組的工作原理和組成結構；

2.能維護和檢修油浸式變壓器；

3.能維護和檢修干式變壓器。

2.1.2　知識準備

2.1.2.1　高壓電器的分類

在高壓系統中，用來對電路進行開、合操作，切除和隔離事故區域，對電路進行運行情況監視、保護及數值測量的設備，統稱為高壓電器。

1.按照用途分類

按照用途，高壓電器可以分成下列幾類：

（1）開關電器

用來關合和開斷電路的電器，包括：

①斷路器，用來在電路正常工作和發生故障時關合和開斷電路。

②隔離開關，主要用于將高壓設備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。

③熔斷器，用來在電路發生過載或短路時依靠熔件的熔斷開斷電路。

④負荷開關，用來在電路正常工作或過載時關合開斷電路，不能開斷短路電流。

（2）限制電器

用來限制電路中電壓或電流的電器，包括：

①電抗器，主要用來限制電路中的短路電流。某些類型的熔斷器也有限制短路電流的作用。

②避雷器，用來限制電路中出現的過電壓。

（3）變換電器

用來變換電路中的電壓和電流使之便于檢測的電器，包括：

①電流互感器，用來變換電路中的電流，以便供電給測量儀表、繼電器或自動裝置，并使之與高壓電路隔離。

②電壓互感器，用來變換電路中的電壓，以便供電給測量儀表、繼電器或自動裝置，并使之與高壓電路隔離。

（4）組合電器

將上述某幾種電器，按一定的線路配裝成一個整體的電器組合。

2.按照安裝地點分類

按照安裝地點，高壓電器可以分為：

（1）戶內式

裝在建筑物內，不具有防風、雨、雷、灰塵、露、冰和濃霜等性能。戶內式高壓電器的工作電壓一般為35kV及以下的電壓等級。

（2）戶外式

適于安裝在露天，能承受風、雨、雷、灰塵、露、冰和濃霜等作用。戶外式高壓電器的工作電壓一般都在35kV及以上的電壓等級。

3.按照電流制式分類

按照電流制式，高壓電器可以分為：

（1）交流電器

工作于三相或單相工頻交流制的電器，極少數工作在非工頻系統。

（2）直流電器

工作于直流制系統。

對于電氣化鐵路及城市交通系統，交流電器是交流制電氣化鐵路及城市地鐵供電系統中大量應用的電器；直流電器則是直流制電氣化鐵路、城市地鐵及輕軌交通供電系統中大量應用的電器。

按照高壓電器工作條件及所起作用的不同，其結構和工作性能應具有不同的特點。高壓電器應能可靠地在規定的工作電壓及電流下工作，因此，應具有足夠的絕緣強度和載流能力；用于切斷載流電路的開關設備，應具有足夠的熄滅電弧的能力；對電路運行狀態進行監視、測量的電器元件（例如電壓、電流互感器）應能滿足測量精度的要求；對電路運行狀態進行保護用的電壓、電流互感器，除了應能滿足測量精度的要求外，還應在高電壓或大電流作用下不至于飽和。所有的高壓電器都應滿足運行可靠、工作靈活的要求，同時還必須考慮經濟條件。

2.1.2.2　變壓器與整流機組

1.變壓器的工作原理

圖2.1是單相變壓器的工作原理示意圖。

變壓器主要包括鐵芯和繞在鐵芯上的兩個（或以上）互相絕緣的繞組，繞組之間有磁耦合，但沒有電的聯系。通常一側繞組接交流電源，稱為一次繞組（也稱原繞組或初級繞組），匝數為N1；另一側繞組接電負載，稱為二次繞組（也稱副繞組或次級繞組），匝數為N2。

當在一次繞組加上合適的交流電源時，一次繞組中就有交流電源i1通過，由于i1的勵磁作用，將在鐵芯中產生交變的主磁通椎。由于一次、二次繞組繞在同一個鐵芯上，所以主磁通同時和一次、二次繞組交鏈。根據法拉第電磁感應定律，這個交變的主磁通分別在這兩個繞組中產生感應電動勢，即一次繞組的感應電動勢e1和二次繞組的感應電動勢e2。這樣二次繞組在感應電動勢e2的作用下，可向負載供電，實現能量的轉換。

圖2.1　變壓器工作原理示意圖

根據電磁感應原理，可得

假設忽略變壓器的內阻抗不計，則感應電勢等于端電壓，即u1抑e1，u2抑e2，所以一次、二次繞組的端電壓不同，大小與繞組的匝數成正比，即

式中　K——變壓器的變比，改變變比即可改變輸出電壓的大小。

根據能量守恒原理，如果忽略變壓器的內部能量損耗，則有二次繞組的輸出功率等于一次繞組的輸入功率，即

可見變壓器在變換電壓的同時，電流的大小也隨著改變。

2.變壓器的主要技術參數

變壓器在規定的使用環境和運行條件下，主要技術數據一般都標注在變壓器的銘牌上。主要包括：額定容量、額定電壓及其分接、額定頻率、繞組聯結組以及額定性能數據（阻抗電壓、空載電流、空載損耗和負載損耗）和總重。

（1）額定容量（kV·A）：在額定電壓、額定電流下連續運行時，能輸送的容量。

（2）額定電壓（kV）：變壓器長時間運行時所能承受的工作電壓。為適應電網電壓變化的需要，變壓器高壓側都有分接抽頭，通過調整高壓繞組匝數來調節低壓側輸出電壓。

（3）額定電流（A）：變壓器在額定容量下，允許長期通過的電流。

（4）空載損耗（kW）：當以額定頻率的額定電壓施加在一個繞組的端子上，其余繞組開路時所吸取的有功功率。與鐵芯硅鋼片性能及制造工藝和施加的電壓有關。

（5）空載電流（％）：當變壓器在額定電壓下二次側空載時，一次繞組中通過的電流。一般以額定電流的百分數表示。

（6）負載損耗（kW）：把變壓器的二次繞組短路，在一次繞組額定分接位置上通入額定電流，此時變壓器所消耗的功率。

（7）阻抗電壓（％）：把變壓器的二次繞組短路，在一次繞組慢慢升高電壓，當二次繞組的短路電流等于額定值時，此時一次側所施加的電壓。一般以額定電壓的百分數表示。

（8）相數和頻率：三相開頭以S表示，單相開頭以D表示。我國標準頻率f為50Hz，國外有60Hz的。

（9）溫升與冷卻：變壓器繞組或上層油溫與變壓器周圍環境的溫度之差，稱為繞組或上層油面的溫升。油浸式變壓器繞組溫升限值為65K，油面溫升為55K。冷卻方式也有：油浸自冷、強迫風冷、水冷、管式、片式等多種。

（10）絕緣水平：有絕緣等級標準。絕緣水平的表示方法舉例如下：高壓額定電壓為35kV級、低壓額定電壓為10kV級的變壓器絕緣水平表示為LI200AC85/LI75AC35，表示該變壓器高壓雷電沖擊耐受電壓為200kV，工頻耐受電壓為85kV，低壓雷電沖擊耐受電壓為75kV，工頻耐受電壓為35kV。

（11）聯結組標號：根據變壓器一、二次繞組的相位關系，把變壓器繞組連接成各種不同的組合，稱為繞組的聯結組。為了區別不同的聯結組，常采用時鐘表示法，即把高壓側線電壓的相量作為時鐘的長針，固定在12上，低壓側線電壓的相量作為時鐘的短針，看短針指在哪一個數字上，就作為該聯結組的標號。如D，yn11表示一次繞組是三角形聯結，二次繞組是帶有中心點的星形聯結，組號為11點。

3.干式變壓器

《干式電力變壓器》（GB 6450—1986）對干式電力變壓器的定義為“鐵芯和線圈不浸在絕緣液體中的變壓器冶。干式變壓器的鐵芯和繞組一般為外露結構，不采用液體絕緣，不存在液體泄漏和污染環境的問題；干式變壓器結構簡單，維護和檢修較油浸變壓器要方便很多；同時干式變壓器都采用阻燃性絕緣材料，基于這些優點，被廣泛應用在對安全運行要求較高的場合。許多國家和地區都規定，在高層建筑的地下變電站、地鐵、礦井、人流密集的大型商業和社會活動中心等重要場所必須選用干式變壓器供電。

（1）干式變壓器的型號（圖2.2）

例如型號為SCZ（B）1010/0.4kV對應為：三相樹脂絕緣、有載調壓、低壓為箔式線圈、設計序號為10的額定容量為10kV·A，額定電壓為0.4kV干式變壓器。

（2）干式變壓器的分類

①按技術參數分類

a.電壓等級

干式電力變壓器主要集中于中壓配電網10kV電壓等級，發電廠站應用的干式變壓器多為6kV電壓等級。15～35kV電壓等級的產品也有一定的應用需求。

圖2.2　干式變壓器的型號

b.額定容量

配電變壓器：10/0.4kV以及20/0.4kV、35/0.4kV的容量一般為30～2500kV·A。

電力變壓器：10kV、20kV、35kV的干式變壓器可生產最大容量達20000kV·A以上。

c.有載調壓和無載調壓

目前，我國10kV有載調壓干式配電變壓器的最大容量達2500kV·A，35kV有載調壓干式電力變壓器容量達25000kV·A。

②按型號分類

國內干式變壓器的種類按型號可分為SC和SG，即包封線圈和非包封線圈兩大類。包封線圈分為純樹脂澆注式、帶填料樹脂澆注式和纏繞式；非包封線圈的分為普通浸漬式和包封浸漬式。

③按絕緣介質和制造工藝分類

目前，我國生產的干式變壓器主要有4類，包括浸漬式、Nomex紙型、環氧樹脂型（分為澆注型和繞包型兩類）和SF6氣體絕緣型。

（3）干式變壓器的性能特點

①環氧澆注干式電力變壓器的特點

a.整體機械強度好，耐受短路能力強；

b.耐受沖擊過電壓的性能好，基準沖擊水平（BIL）值高；

c.防潮耐腐性能好，適合惡劣環境下工作；

d.可制造大容量的干式變壓器；

e.局部放電小，運行壽命長；

f.可從備用狀態立即投入運行，無需預熱去潮處理；

g.損耗低，過負荷能力強；

②真空澆注工藝類干式電力變壓器的特點。

a.絕緣薄；

b.質量穩定；

c.絕緣性能好。

③SF6氣體絕緣干式變壓器的特點。

SF6氣體的特性是無色、無毒、無味，在600益溫度下屬于穩定的惰性氣體。同時它不易燃燒，不爆炸，絕緣性能好，熱容量比變壓器油稍差，但在0.14MPa以上散熱性能好，能完全滿足變壓器的散熱要求。

4.整流機組

整流機組由變壓器和整流器組成。整流機組是地鐵牽引變電所最重要的設備，其作用是將環網電纜AC35kV（或AC33kV、AC10kV）電壓降為交流1180V，再整流輸出直流DC1500V，經網上電動隔離開關給接觸網供電，實現直流牽引。整流機組的接線方式將對電網的質量有很大影響。24脈波整流機組在某些行業的應用并不少見，但是在地鐵中的應用屬于新型的設備，下面就重點介紹整流機組的接線方式。

（1）整流機組接線選擇的考慮

在考慮變壓器的聯結組別時，一個重要的因素就是高次諧波的影響。國際上公認諧波“污染冶是電網的公害，所以必須采取措施加以限制。在國家標準《電能質量　公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）中對諧波作出了限制。整流機組作為大功率整流設備，屬于非線性負荷，從電網吸收非正弦電流，引起電網電壓畸變，因此整流機組屬于重要的諧波源。為了抑制整流機組諧波對電網的影響，通常的措施是將變壓器的一次或二次繞組接成三角形，使勵磁電流的3次諧波或零序分量能夠流通，使三倍次諧波或3的整數倍次諧波電流不注入電網。同時增加變壓器二次側的相數，波形會更平滑，可以有效地減少諧波。因此，在確定地鐵整流機組的規格時，考慮采用帶三角形聯結的變壓器，同時盡可能地增加整流的相數，以減少諧波“污染冶。

（2）D，y11，d0-D，y1，d2聯結法

基于以上考慮，可選擇兩臺變壓器，一臺（T1）聯結組別為D，y11，d0，另一臺（T2）為D，y1，d2，其中D聯結繞組為延邊三角形，如圖2.3所示。根據兩臺變壓器的接線，可作出其相量圖如圖2.4和圖2.5所示。

圖2.3　D，y11，d0-D，y1，d2變壓器聯結圖

圖2.4　變壓器T1的結構及相量圖

圖2.5　變壓器T2的結構及相量圖

分析圖2.4和圖2.5的相量圖可知，若以水平右方向為參考方向，則可得其他電壓相量的相位角分別為：

①對于變壓器T1。

一次側電壓相量的相位角為112.5毅；

二次側電壓相量的相位角為112.5毅（d結）。

②對于變壓器T2。

一次側電壓相量的相位角為127.5毅；

二次側電壓相量的相位角為67.5毅（d結）。

由圖2.4和圖2.5的相量圖并利用上面分析結果可知，對于同一臺變壓器，其閥側（二次側）繞組同名端線電壓的相位差為30毅（142.5毅-112.5毅=97.5毅-67.5毅=30毅）；而兩臺變壓器網側（一次側）并聯接入電網時，相當于其一次側電壓各移相7.5毅（不同的旋轉方向），使T1變壓器一次側三角形繞組電壓與T2原邊三角形繞組線電壓有15毅的相位差（127.5毅-112.5毅=15毅），而兩臺變壓器二次側對應的線電壓相角差為45毅（142.5毅-97.5毅=112.5毅-67.5毅=45毅），上述的結果如圖2.6所示。

（3）整流機組的輸出波形

兩臺變壓器分別接入整流器整流，構成兩臺整流機組，1號整流機組由變壓器T1和整流器組成，2號整流機組由變壓器T2和整流器組成，各自接入的整流器如圖2.7所示。如果只考慮1號整流機組整流后輸出的直流電壓波形時，可得到其直流波形如圖2.8所示，其輸出直流波形在一個周期中脈動12次，每個波動的間隔為30毅電角度。

2號整流機組的輸出直流波形變化規律和T1一樣的，同樣是12脈動的波形，如圖2.8所示。但由于兩臺整流機組是同時運行的，而且其直流輸出是并聯接在直流母線上的。前面已經分析過，變壓器T1和T2的一次繞組通過延邊三角形的結法移相后，具有15毅的相位差，因此其整流后輸出的波形也具有15毅的相位差。

圖2.6　兩臺變壓器的相量關系圖

圖2.7　整流器接線圖

圖2.8　單臺變壓器整流后輸出的波形（一個周期）

兩臺整流機組并聯運行后輸出的直流波形如圖2.9所示，即在一個周期內為24脈波。圖2.9可由圖2.8的波形疊加其本身平移15毅后的波形處理后得到。

圖2.9　兩臺變壓器整流后輸出的波形（一個周期）

由上述分析可知，地鐵牽引變電所中獲得的24脈波整流是由兩臺整流機組并聯運行等效而成的。即單臺整流器由兩個三相6脈沖全波整流橋組成，其中一個整流橋接至變壓器二次側“Y冶型繞組，另一個整流橋接至變壓器二次側“D冶型繞組。兩個整流橋并聯連接構成12脈波整流。為了實現24脈波整流，在兩臺變壓器的原邊將繞組接成延邊三角形，使其分別順時針和逆時針移相7.5毅。兩臺變壓器的二次側電壓相位差為45毅，而兩臺整流機組的直流輸出波形實際上有15毅的相位差，將其并聯運行就等效成24脈波整流。

2.1.3　工作任務

1.油浸式變壓器芯部檢修

（1）線圈的軸向壓力檢修

用壓釘和壓環壓緊線圈的變壓器，在檢查時應擰動壓釘，使壓環向下移動，即增加線圈的軸向壓力。在擰緊壓釘時，應注意同一壓環上的幾個壓釘受力應均勻，保持各側的壓緊程度一致。

（2）引線及其支持裝置檢修

檢修重點為引線端部與接線柱的焊接要牢固，接觸要良好，導線無折痕和局部斷裂現象。對接觸不良和有斷裂的要進行補焊或重新焊接。焊接的方法通常有銀銅焊、銅焊、錫焊和熔焊4種，其中多采用銅焊。銅焊一般都為釬焊，是利用熔點較低的焊料和焊件的連接處一同加熱，使焊料熔化但焊件不熔化，借助于毛細管的吸力作用，使焊料流入并填滿連接處的間隙，從而獲得焊件的連接。

對于引線外包扎絕緣損壞者，可按原包扎形式，使用原包扎材料重新包好，也可對損壞的局部用電纜紙包扎后，在表面涂刷醇酸清漆進行絕緣處理。

固定引線的支架應堅固完好，對損壞的部位要修理，同時檢查連接支架的螺栓是否齊全以及是否有防止滑落的措施。

（3）穿心螺桿絕緣及鐵芯絕緣檢修

在正常情況下，穿心螺桿對地的絕緣應在10M贅以上。檢修時，用2500V兆歐表，將其“L冶端接于螺桿端頭上，“E冶端接于緊固夾件上即可測得對地的絕緣。檢查鐵芯絕緣的目的是判斷其有無多點接地現象。檢查時，先把鐵芯接地片在接地一端拆開，然后再用2500V兆歐表，將其“L冶端接于鐵芯接地片上，“E冶端接于緊固夾件上測出鐵芯絕緣電阻。正常情況下，絕緣電阻應在5000M贅以上。與初始值相比較，若小于初始值的50％，亦可判斷為絕緣破壞或有多點接地現象。

（4）有載調壓分接開關檢修

檢修時，應先托起分接開關的外絕緣筒，從檢查孔處觀察它的接觸部分，要求觸頭表面不應有灼痕與疤痕。用手按壓觸動環并使其旋轉，一是檢查各動觸環彈簧壓力是否均勻，二是觀察觸環表面有無缺陷。對在運行中長期不調壓使用的分接開關，其動觸環和定觸柱上常覆有氧化膜和污垢，較輕者可將觸頭在各位置往返切換多次，將污垢清除；較重者可用干燥的白綢布將其擦拭干凈。最后再將分接開關往復操作幾次，看其活動是否靈活，手柄的指示位置與觸頭的接觸是否一致。

上述檢查完畢后，用雙臂電橋測量每一個分接位置的直流電阻，要求不超過500滋贅。此方法只能在拆開檢查分接開關時進行。有條件時，可用壓力計測量動觸環與定觸柱的接觸壓力。如果發現分接開關接觸不好、定觸柱或動觸環有踏損或疤痕、引線焊接不牢等，應將其拆下進行修理。

（5）芯部外表和緊固件檢修

檢查線圈及其他絕緣物有無老化發脆，外包絕緣是否完整等。對局部絕緣損壞者，可用電纜紙或黃蠟布帶包扎，然后在表面涂刷醇酸清漆。

檢查芯部表面的臟污情況，如果面積小且污物較少時，可用干燥白布或泡沫塑料擦拭干凈；如果面積大且污物較多時，可用合格的絕緣油自上而下進行沖洗。沖洗時油壓力要保持在196～245kPa范圍內。

檢查各部緊固螺釘是否緊固，有無防滑落措施。

2.干式變壓器檢修

（1）干式變壓器基礎、支架及外罩檢修

①用水平尺檢查其傾斜度是否能滿足設計標準，若不滿足應對其進行相應調整，使之滿足設備運行要求。

②外殼、基礎和支架等銹蝕破損部分，用除銹劑或者細砂紙進行除銹，然后進行涂漆防銹處理。個別部位破損嚴重的，對相關部件進行整體更換。修后設備應達到安裝牢固，無傾斜，外殼無嚴重銹蝕，基礎支架表面無破損剝落。

③電纜穿孔用防火泥進行封堵，孔洞封堵應符合要求。

④外罩清潔。用吸塵器或者抹布對外罩進行清潔處理。

（2）干式變壓器鐵軛、鐵芯、穿心螺桿檢修

①檢查螺母是否有松動，用力矩扳手進行緊固處理，切勿用呆扳手或者活動扳手，以防用勁過大造成螺桿滑絲

②檢查鐵芯和鐵軛是否有脫漆、銹蝕。用細砂紙進行研磨除銹后涂漆。

③檢查鐵芯和鐵軛是否有變形。如果有變形，應進行硅鋼片調整或部分更換或整體更換。檢修后的鐵芯，鐵軛外表應平整無翹片，無嚴重波浪狀，疊片緊密；檢修后的硅鋼片疊片接縫間隙不應超過0.5mm。

（3）干式變壓器高低壓側連接部件檢修

①檢查電氣連接部件（高壓連接桿、高壓連接片、高壓端子等）是否有松動、銹蝕、放電現象。用細砂紙打磨除銹，用力矩扳手緊固，確保其接觸良好，在連接部位涂抹導電膏。

②檢查高壓側電纜終端頭導電部位的機械強度、變形與接觸情況；檢查高壓側電纜終端頭絕緣硅膠是否有放電、爬電現象，檢查原因，必要時整體更換。

③對硅膠絕緣裙邊結構（終端冷縮頭）用清潔的抹布擦拭干凈。

④檢查高壓側電纜終端頭的地線是否綁扎牢固，防止高壓側導體對電纜終端頭地線短路。

⑤用力矩扳手檢查無載調壓連接片是否連接緊固，同時對連接片進行除銹處理。

⑥檢查干式變壓器低壓側與低壓開關柜的連接導體是否有變形、放電、燒灼、松動現象；用細砂紙打磨除銹，涂抹導電膏；對軟連接要注意是否有散股、松動、斷股現象，如果有此現象應進行綁扎、固定、加強處理，必要時整體更換。

（4）接地系統檢修

①檢查外罩、底座、箱體和鐵芯是否可靠接地，確保鐵芯單點接地。

②如接地部分有銹蝕現象，應用除銹劑對其進行除銹處理。

（5）干式變壓器高、低壓繞組的檢修

①對高、低壓繞組表面進行清潔處理。

②高、低壓繞組間的通風道灰塵處理。用不大于100kPa的干燥壓縮空氣吹（與通風的方向相反）；在用抹布清理時，切勿用棉質抹布去塵，以防棉質在物體上面，容易造成放電現象。

③高壓繞組表面爬弧、放電處理。對爬電部位用細砂紙輕輕打磨表面的發黑部分，對龜裂部位采取環氧樹脂絕緣填充膠填充，最后涂抹絕緣漆。

（6）干式變壓器絕緣子、支撐件、上下部絕緣襯墊塊檢修

①用抹布或吸塵器對絕緣子、支撐件、上下部絕緣襯墊塊進行除塵處理。

②檢查各部件是否有放電痕跡。

③檢查絕緣子或絕緣襯墊是否有開裂、破損現象，有則進行更換。

④檢查絕緣子或絕緣襯墊是否有移位松動，有則進行位移調整，使之滿足運行要求。

3.整流器的日常維護

（1）外觀檢查

①按圖樣檢查主電路和輔助電路接線是否正確。

②檢查所有緊固件是否緊固、彈簧墊圈是否壓平。

③檢查母線有無過熱發黑，電阻器、電容器有無過熱燒焦，以及電流互感器絕緣包有無過熱變色現象。

④清掃屏柜通風網孔灰塵。

⑤用毛刷或吸塵器清掃絕緣子、二極管、熔斷器、電容器表面的灰塵。

（2）二極管檢查

用萬用表電阻擋檢查各二極管的正、反向電阻值有無異常現象。

在實際電路中，二極管的周邊電阻一般都比較大，大都在幾百或幾千歐以上，這樣就可以用萬用表的的R伊10贅或R伊1贅擋來測量PN結的好壞。測量時，用R伊10贅擋測PN結應有較明顯的正反向特性（如果正反向電阻相差不太明顯，可改用R伊1贅擋來測量），一般正向電阻在R伊10贅擋測量時表針應指示在上百歐，在R伊1贅擋測量時表針應指示在幾十歐（根據不同表型，可能略有出入）。如果測量結果正向阻值太大或反向阻值太小，都說明這個PN結有問題，這只二極管也就有問題了。實際判定還要參考二極管的型號、參數。

2.1.4　分析與思考

1.變壓器有哪些主要組成部分？

2.整流機組是如何完成高壓交流轉換成適合電力牽引的直流的？

3.變壓器器有哪些主要參數？有何含義？

4.變壓器檢修時有哪些注意事項？