任務二　電力變壓器絕緣

一、電力變壓器絕緣結構

變壓器是一種通過改變電壓而傳輸交流電能的靜止感應電器。在電力系統中，變壓器的地位十分重要，要求安全可靠，所以絕緣要求高。

變壓器除了應用在電力系統中，還在特種電源的工礦企業中。例如：冶煉用的電爐變壓器，電解或化工用的整流變壓器，焊接用的電焊變壓器，試驗用的試驗變壓器，交通用的牽引變壓器以及補償用的電抗器，保護用的消弧線圈，測量用的互感器等。所以不同場合中的變壓器，對絕緣的要求是不同的。

變壓器主要結構如圖1-3所示，主要包括以下部分。

（1）器身：包括鐵芯、繞組、絕緣部件及引線。

（2）調壓裝置：即分接開關，分為無勵磁調壓和有載調壓。

（3）冷卻裝置：包括油箱、油枕及散熱管等冷卻裝置。

（4）保護裝置：包括安全氣道、吸濕器、氣體繼電器、凈油器和測溫裝置等。

（5）絕緣套管：包括高壓絕緣套管、低壓絕緣套管。

變壓器的鐵芯與繞組，鐵芯由硅鋼片疊成，硅鋼片導磁性能好、磁滯損耗小。在鐵芯上有A、B、C三相繞組，每相繞組又分為高壓繞組與低壓繞組，一般在內層繞低壓繞組，外層繞高壓繞組。圖1-4所示左邊是高壓繞組引出線，右邊是低壓繞組引出線。如圖1-5所示為三相電力變壓器內部結構圖，如圖1-6所示為電力變壓器鐵芯實物圖。

把鐵芯與繞組放入箱體，繞組引出線通過絕緣套管內的導電桿連到箱體外，導電桿外面是瓷套管，通過它固定在箱體上，保證導電桿與箱體絕緣。為減小因灰塵與雨水引起的漏電，瓷套管外型為多級傘形。右邊是低壓絕緣套管，左邊是高壓絕緣套管，由于高壓端電壓很高，高壓絕緣套管比較長，如圖1-7所示。

變壓器主要結構的箱體（即油箱）里灌滿變壓器油，鐵芯與繞組浸在油里，如圖1-8所示。變壓器油比空氣絕緣強度大，可加強各繞組間、繞組與鐵芯間的絕緣，同時流動的變壓器油也幫助繞組與鐵芯散熱。在油箱上部有油枕，有油管與油箱連通，變壓器油一直灌到油枕內，可充分保證油箱內灌滿變壓器油，防止空氣中的潮氣侵入。

變壓器運行時會發熱，繞組和鐵芯溫度升高，根據A級絕緣，繞組間、繞組與鐵芯間的絕緣材料耐受溫度一般不能超過95℃，所以油箱外排列著許多散熱管，運行中的鐵芯與繞組產生的熱能使油溫升高，溫度高的油密度較小上升進入散熱管，油在散熱管內溫度降低密度增加，在管內下降重新進入油箱，鐵芯與繞組的熱量通過油的自然循環散發出去，如圖1-9所示。

一些大型變壓器為保證散熱，裝有專門的變壓器油冷卻器。冷卻器通過上下油管與油箱連接，油通過冷卻器內密集的銅管簇，由風扇的冷風使其迅速降溫。油泵將冷卻的油再打入油箱內，圖1-10是一臺容量為400000kV·A的特大型電力變壓器模型，其低壓端電壓為20kV，高壓端電壓為220kV。

采用油冷卻的變壓器結構較復雜，存在安全性問題。目前，在城市內、大型建筑內使用的變壓器已逐漸采用干式電力變壓器，變壓器沒有油箱，鐵芯與繞組安裝在普通箱體內。干式變壓器繞組用環氧樹脂澆筑等方法保證密封與絕緣，容量較大的繞組內還有散熱通道，大容量變壓器并配有風機強制通風散熱。由于材料與工藝的限制，目前多數干式電力變壓器的電壓不超過35kV，容量不大于20000kV·A，大型高壓的電力變壓器仍采用油冷方式。

電力系統所使用的變壓器，其中性點的絕緣結構有兩種：一種是全絕緣結構，其特點是中性點的絕緣水平與三相端部出線電壓等級的絕緣水平相同，此種絕緣結構主要用于絕緣要求較高的小接地電流接地系統，目前我國40kV及以下電壓等級電網均屬小電流接地系統，所用的變壓器基本是全絕緣結構。另一種是分級絕緣結構，其特點是中性點的絕緣水平低于三相端部出線電壓等級的絕緣水平。分級絕緣的變壓器主要用于110kV及以上電壓等級電網的大電流接地系統。采用分級絕緣的變壓器可以使內絕緣尺寸減小，從而使整個變壓器的尺寸縮小，這樣可降低造價。電氣設備中，絕緣投資比較大，為了節省變壓器的投資，分級絕緣使靠近中性點的部分繞組的絕緣投資減少，絕緣水平下降，但是中性點電位正常很低，不會造成絕緣擊穿，能夠滿足正常運行要求。而全絕緣是繞組所有部分的絕緣水平是一樣的，投資較大。

變壓器的絕緣水平也稱絕緣強度，是與保護水平以及其他絕緣部分相配合的水平，即耐受電壓值，由設備的最高電壓Um決定。設備最高電壓Um對于變壓器來說是繞組最高相間電壓有效值，從絕緣方面考慮，Um是繞組可以聯結的那個系統的最高電壓有效值，因此，Um是可以大于或者等于繞組額定電壓的標準值。繞組的所有出線端都具有相同的對地工頻耐受電壓的繞組絕緣稱全絕緣；繞組的接地端或者中性點的絕緣水平較線端低的繞組絕緣稱分級絕緣。

繞組額定耐受電壓用下列字母代號標志：

LI——雷電沖擊耐受電壓；SI——操作沖擊耐受電壓；AC——工頻耐受電壓。

變壓器的絕緣水平是按高壓、中壓、低壓繞組的順序列出耐受電壓值來表示（沖擊水平在前）的，其間用斜線分隔開，分級絕緣的中性點絕緣水平加橫線列于其線端絕緣水平之后。如：LI850AC360—LI400AC200/LI480AC200—LI250AC95/LI75AC35，其含義為：220kV三側分級絕緣的主變壓器，高壓側引線端雷電沖擊耐受電壓是850kV，工頻耐受電壓是360kV，高壓側中性點引線端雷電沖擊耐受電壓是400kV，工頻耐受電壓是200kV；中壓側引線端雷電沖擊耐受電壓是480kV，工頻耐受電壓是200kV，中壓側中性點引線端雷電沖擊耐受電壓是250kV，工頻耐受電壓是95kV；低壓側引線端雷電沖擊耐受電壓是75kV，工頻耐受電壓是35kV。

二、變壓器分類

變壓器的分類有很多種，常用的變壓器分類有以下幾種。

（1）按冷卻方式分類：有自然冷式、風冷式、水冷式、強迫油循環風（水）冷方式、及水內冷式等。由于變壓器繞組內容的絕緣材料主要是由絕緣漆和絕緣紙組成的A級絕緣材料，耐受溫度不能超過95℃，所以需要對運行中的變壓器內部發熱繞組進行冷卻，其中常見的是油浸式變壓器，迫使油循環的油泵安裝在變壓器底部。

（2）按冷卻介質分類：有干式變壓器（絕緣介質是空氣）、油浸變壓器（絕緣介質是變壓器油）及SF6氣體變壓器（絕緣介質是SF6）等。

（3）按中性點絕緣水平分類：有全絕緣變壓器、半絕緣（分級絕緣）變壓器。

變壓器型號包括變壓器繞組數、相數、冷卻方式、是否強迫油循環、有載或無載調壓、設計序號、容量、高壓側額定電壓，如：SFPZ9-120000/110指的是三相（雙繞組變壓器省略繞組數，如果是三繞則前面還有個S）雙繞組強迫油循環風冷有載調壓，設計序號為9，容量為120000kV·A，高壓側額定電壓為110kV的變壓器。

電網中各種電氣設備絕緣（包括變壓器絕緣），在運行中承受長時間的正常工作電壓、操作過電壓，并在避雷器的保護下承受大氣過電壓的作用。也就是說，電氣設備既要能承受正常工作電壓和操作過電壓的作用，還應承受避雷器殘壓的作用，且應有一定的絕緣裕度。

變壓器的電氣絕緣強度是變壓器能否投入電網可靠運行的基本條件之一，變壓器中的任何部位如繞組、引線、開關等零部件的絕緣若有損傷，就可能引起整臺變壓器的損壞，甚至會由此危及整個電網的安全運行。變壓器生產出廠時，應具備耐受試驗電壓的水平，而且有一定的絕緣裕度。變壓器出廠試驗合格，表明變壓器絕緣具備上述水平。

變壓器的絕緣可分為內絕緣和外絕緣，是以變壓器器身為界分類，外面是外絕緣，里面是內絕緣。外絕緣是指變壓器外部絕緣部分。內絕緣包括繞組絕緣、引線絕緣、分接開關絕緣和套管下部絕緣。內絕緣還可分為主絕緣和縱絕緣，如表1-4所示。

主絕緣是指繞組對它本身以外的其他結構部分的絕緣，包括對油箱、對鐵芯、夾件和壓板、對同一相內其他繞組的絕緣以及對不同相繞組的絕緣。變壓器高壓繞組線圈主要分為餅式和圓桶式，如圖1-11所示為餅式結構。繞組端部至鐵軛或者相鄰組端部間的絕緣又稱為端絕緣，屬主絕緣。縱絕緣是指繞組本身內部的絕緣，包括匝間、層間、線段間絕緣以及線段與靜電板間的絕緣。主絕緣和縱絕緣分別按工頻耐壓試驗和沖擊電壓試驗來檢驗。

變壓器器身表面是散熱器，散熱面越大，散熱效果越好，當變壓器上層油溫和下層油溫產生溫差時，通過散熱器產生對流經散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器的溫度的作用，為提高變壓器油的冷卻效果可用強油風冷或強油水冷的措施。

變壓器內絕緣是油箱內的各部分絕緣，外絕緣是套管上部對地和彼此之間的絕緣。主絕緣是繞組與接地部分之間以及繞組之間的絕緣。在油浸式變壓器中，主絕緣以油紙屏障絕緣結構最為常用?？v絕緣是同一繞組各部分之間的絕緣，如不同繞段間、層間和匝間的絕緣等。通常以沖擊電壓在繞組上的分布作為繞組縱絕緣設計的依據，但匝間絕緣還應考慮長時期工頻工作電壓的影響。變壓器絕緣為油紙組合絕緣，是用變壓器油和絕緣紙組成的絕緣。

相對于變壓器的主絕緣，即繞組與繞組之間以及繞組與鐵芯之間的絕緣而言，變壓器還有另外一項重要的絕緣性能指標——縱絕緣?？v絕緣是變壓器繞組具有不同電位的不同點和不同部位之間的絕緣，主要包括繞組匝間、層間和段間的絕緣性能，而國家標準和國際電工委員會（IEC）標準中規定的“感應耐壓試驗”則是專門用于檢驗變壓器縱絕緣性能的測試方法之一。

變壓器的縱絕緣主要依賴于繞組內的絕緣介質——漆包線本身的絕緣漆、變壓器油、絕緣紙、浸漬漆和絕緣膠等等（不同種類的變壓器可能包含其中一種或多種絕緣介質）；縱絕緣電介質很難保證100％的純凈度，難免混含固體雜質、氣泡或水分等，生產過程中也會受到不同程度的損傷；變壓器工作時的最高場強集中在這些缺陷處，長期負載運作的溫升又降低絕緣介質的擊穿電壓，造成局部放電，電介質通過外施交變電場吸收的功率即介質損耗會顯著增加，導致電介質發熱嚴重，介質電導增大，該部位的大電流也會產生熱量，就會使電介質的溫度繼續升高，而溫度的升高反過來又使電介質的電導增加。如此長期惡性循環下去，最后導致電介質的熱擊穿和整個變壓器的毀壞。這故障表現在變壓器的特性上就是空載電流和空載功耗顯著增加，并且繞組有灼熱、飛弧、振動和嘯叫等不良現象?？梢娎酶袘蛪涸囼灆z測出變壓器是否含有縱絕緣缺陷是極其必要的。

三、變壓器絕緣套管

變壓器絕緣套管分為高低壓套管，分別用于進線和出線連接。

絕緣套管按用途分為電站類和電器類。前者主要是穿墻套管；后者有變壓器套管、電容器套管和斷路器套管。按絕緣結構又分為單一絕緣套管、復合絕緣套管和電容式套管。

單一絕緣套管是用純瓷或樹脂絕緣，常制成穿墻套管，如圖1-12所示，用于35kV及以下電壓等級。其絕緣件為管狀，中部卡裝或膠裝法蘭以便固定在穿孔墻上。法蘭一般為灰鑄鐵，當工作電流大于1500A時常用非磁性材料以減少發熱。單一絕緣套管的絕緣結構分為有空氣腔和空氣腔短路兩類。空氣腔套管用于10kV及以下電壓等級，導體與瓷套之間有空氣腔作為輔助絕緣，可以減少套管電容，提高套管的電暈電壓和滑閃電壓。當電壓等級較高時（20～30kV），空氣腔內部將發生電暈而使上述作用失效，這時采用空氣腔短路結構。這種瓷套管的瓷套內壁涂半導體釉，并用彈簧片與導體接通使空氣腔短路，用以消除內部電暈。但法蘭附近仍可能發生電暈和滑閃。通常在法蘭附近兩側瓷套表面各設一個很大的傘裙，并在法蘭附近涂以半導電層使電場均勻分布，提高套管的放電特性。

復合絕緣套管以油或氣體作絕緣介質，一般制成變壓器套管或斷路器套管，如圖1-13所示，常用于35kV以下的電壓等級。復合絕緣套管的導體與瓷套間的內腔充滿變壓器油，起徑向絕緣作用。當電壓超過35kV時，在導體上套以絕緣管或包電纜線，以加強絕緣。復合絕緣套管的導體結構有穿纜式和導桿式兩種。穿纜式是利用變壓器的引出電纜直接穿過套管，安裝方便。當工作電流大于600A時，穿纜式結構安裝比較困難，一般采用導桿式結構。

電容式套管由電容芯子、瓷套、金屬附件和導體構成，如圖1-14、圖1-15所示。主要用于超高壓變壓器和斷路器。其上部在大氣中、下部在油箱中工作。電容式套管的電容芯子作為內絕緣，瓷套作為外絕緣，也起到保護電容芯子的作用。瓷套表面的電場受內部電容芯子的均壓作用而分布均勻，從而提高了套管的電氣絕緣性能。金屬附件有中間連接套筒（法蘭）、端蓋、均壓球等。導體為電纜或硬質鋼管。

電容式套管的電容芯子用膠紙制造時，機械強度高，可以任何角度安裝，抗潮氣性能好，結構和維修簡單，可不用下套管，還可將芯子下端車削成短尾式，縮小其尺寸。缺點是在高電壓等級時，絕級材料和工藝要求較高，芯子中不易消除氣隙，以致造成局部放電電壓低。膠紙電容式套管由于介質損耗偏高和局部放電電壓低等問題，已逐漸為油紙電容式套管所取代。采用油紙作電容芯子，一般要有下瓷套，下部尺寸較大，對潮氣比較敏感，密封要求高；優點是絕緣材料和工藝易于解決，介質損耗小，局部放電性能好。20世紀70年代開始，中國已廣泛使用110～500kV超高壓油紙電容式套管。

四、變壓器油絕緣介質

由于變壓器的絕緣材料不同，作用也不同，但是都是為了確保高壓絕緣。變壓器油箱中都是充滿變壓器油。

絕緣介質中變壓器油是一種極其重要的液體電介質，在起絕緣、冷卻和滅弧作用，在變壓器中起絕緣、冷卻作用，在少油斷路器中起滅弧作用。變壓器油是天然石油中經過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油，是石油中的潤滑油餾分經酸堿精制處理得到純凈穩定、黏度小、絕緣性好、冷卻性好的液體天然碳氫化合物的混合物，俗稱方棚油，淺黃色透明液體，主要成分為環烷烴（約占80％），其他的為芳香烴和烷烴。

良好的變壓器油應該是清潔而透明的液體，不得有沉淀物、機械雜質懸浮物及棉絮狀物質。如果其受污染和氧化，并產生樹脂和沉淀物，變壓器油油質就會劣化，顏色會逐漸變為淺紅色，直至變為深褐色的液體。當變壓器有故障時，也會使油的顏色發生改變。一般情況下，變壓器油呈淺褐色時就不宜再用了。另外，變壓器油可表現為渾濁乳狀、油色發黑、發暗。變壓器油渾濁乳狀，表明油中含有水分。油色發暗，表明變壓器油絕緣老化。油色發黑，甚至有焦臭味，表明變壓器內部有故障。

DL/T 572-1995《變壓器運行規程》規定油浸式變壓器運行上層油溫不許超過95℃。一般油浸式變壓器的絕緣多采用A級絕緣材料，其耐油溫度為105℃。在國標中規定變壓器使用條件最高氣溫為40℃，因此繞組的溫升限值為105-40=65（℃）。非強油循環冷卻，頂層油溫與繞組油溫約差10℃，故頂層油溫升為65-10=55（℃），頂層油溫度為55+40=95（℃）。強油循環頂層油溫升一般不超過40℃。

變壓器中的吸濕器內裝有硅膠干燥劑，儲油柜（油枕）內的絕緣油通過吸濕器與大氣連通，干燥劑吸收空氣中的水分和雜質，以保持變壓器內部繞組的良好絕緣性能。一般干燥的干燥劑是藍色的，當變成粉紅色或者白色時，表示已經受潮，需要更換了。油枕是調節油箱油量，防止變壓器油過速氧化，上部有加油孔。

五、變壓器保護裝置

大型電力變壓器的基本構成分功能部分和保護部分。其中，保護部分又包括預防性保護和搶救性保護。預防性保護是對電場應力、熱應力和機械應力的破壞作用進行防御，以達到預防事故的目的。搶救性保護只是在變壓器發生事故之后，限制事故擴大，減少事故損失。保護部分是為電力變壓器功能部分服務的，如果搶救性保護部分本身不合理或不可靠，就會影響變壓器功能的發揮，導致“功能反被保護誤”。然而，由于搶救性保護部分出問題而引起的變壓器停電事故在今天仍然頻頻發生，應該引以為戒。

（1）氣體繼電器：當變壓器內部故障，絕緣擊穿，產生瓦斯氣體，重瓦斯動作跳閘；

（2）油位計：當變壓器油位下降到警戒值時能及時發出報警信號或跳閘；

（3）壓力釋放閥：保護本體油箱，當發生內部故障，內部壓力過大時可以及時卸壓，使油箱不至于爆炸；

（4）溫度指示控制器：當油溫過高時，超出警戒值時及時報警或跳閘。

變壓器內部出現故障后，如油箱沒有變形損壞，在現場可以搶修，否則，就必須返廠修理。這不僅大大增加運輸費用和修理費用，也大大延長停電時間，給電力用戶帶來更大損失。更嚴重的是油箱開裂后，油箱內便會進入空氣，從而引起火災。變壓器一旦著火，往往是燒完為止，只能徹底報廢。

氣體繼電器的重瓦斯保護。電驅動繼電器拒動或延長時，油箱內壓力很快增加，當油箱內壓力與儲油柜油室內的壓力發生逆差后，油箱內的油便涌入儲油柜，沖動氣體繼電器的擋板，接通跳閘電路，切斷電源，同樣起到限止油箱內壓力增加的作用。正確動作后，也能保住油箱。

在內部故障嚴重未能很快控制住油箱內部壓力的條件下，啟動壓力釋放裝置。壓力釋放裝置以前是采用安全氣道，現在采用壓力釋放閥。安全氣道是破防爆膜（一般用玻璃片）排油，而壓力釋放閥是頂開由彈簧壓緊的閥門排油。它們都要在油箱壓力上升至超過其啟動壓力后才會動作。壓力釋放裝置的作用是以排油來限制油箱壓力。排油越多，油箱內壓力下降越快，保住油箱的可能性就越大。

六、安全須知

變壓器運行，發出“嗡嗡”的聲音，請勿靠近，要保持在安全距離之外。

七、特別提示

（1）變壓器是變電所的“心臟”，故障時對供電影響極大，必須由專業技術人員來使用和維護變壓器。在任何情況下，必須采取必要的安全和防護措施。

（2）對于變電所和供電段，由于是屬于一級負荷，一般都是采用兩臺完全相同的變壓器互為備用。

（3）作業時人員與帶電部分之間須保持足夠的安全距離，并注意相應的“止步，高壓危險”標示牌，如表1-5所示為最小安全距離。

復習與思考

1.請說明變壓器SF3-QY-25000/110GY的含義。

2.變壓器絕緣分類有幾種？所依據的標準是什么？

3.變壓器油的成分是什么？請說明變壓器油在絕緣主要起到什么作用。還應用在哪些高壓設備上？

4.請簡要說明變壓器的組成部分，闡述結構與絕緣部分是如何考慮的。

5.請說明油浸式變壓器的基本結構和原理。