項目二　一次設備的運行與維護

任務一　電力變壓器的運行監視與故障處理

【任務概述】

在電力系統中，為了能經濟有效地輸送電能，以滿足用戶對電能的需求，應安裝有電力變壓器，使得發電機發出的電能經升壓變壓器升壓，變為輸電線路上電壓較高、電流較小的電能，高壓電能在被傳輸至負荷區時，需再經變電所降壓變壓器降壓，變為用電設備所需要的電壓較低的電能，然后經配電裝置和配電線路將電能送至各個用戶。本任務要求學生熟悉變壓器的結構和作用，理解變壓器的工作原理，了解變壓器的分類；學會做變壓器投運前的各項檢查；熟悉變壓器的常見故障現象，能分析故障產生的原因，學會處理幾種常見故障。

【相關知識】

一、電力變壓器的結構及各部件的功能

1.電力變壓器及其分類

電力變壓器是變電所中最關鍵的一次電氣設備，其作用主要有：升降電壓、改變電流、傳輸電能。在電力系統中，變壓器占有極其重要的地位，無論在發電廠還是在變電所，都可以看到各種形式和不同容量的變壓器。

按變壓器的相數來分，可分有單相變壓器和三相變壓器。按繞組數目來分，變壓器又可分為雙繞組和三繞組變壓器，其中在一相鐵芯上套2個繞組的變壓器稱為雙繞組變壓器，具有兩種電壓等級；三繞組變壓器的每一個鐵芯上纏繞3個繞組，具有3種不同的電壓等級。按冷卻介質來分，變壓器可分為油浸式變壓器、干式變壓器以及水冷式變壓器，其中油浸式變壓器常用于電壓較高、容量較大的場所，電力變壓器大多采用油浸式變壓器。按調壓方式來分，變壓器可分為有載調壓變壓器和無載調壓變壓器兩種。

2.電力變壓器的結構組成

電力變壓器主要由鐵芯、線圈、油箱、油枕以及絕緣套管、分接開關和氣體繼電器等組成，如圖2-1所示。

3.電力變壓器各部件功能

① 鐵芯：鐵芯是變壓器最基本的組成部分之一。鐵芯是用導磁性能很好的硅鋼片疊壓制成的閉合磁路，變壓器的一次繞組和二次繞組都繞在鐵芯上。

② 繞組：繞組也是變壓器的基本部件。變壓器的一次繞組和二次繞組都是用銅線或鋁線繞成圓筒形的多層線圈，壓放在鐵芯柱上，繞組的匝與匝之間、層與層之間，繞組與繞組之間、繞組與鐵芯之間均相互絕緣。

③ 油箱：油箱是變壓器的外殼，油箱內充滿了絕緣性能良好的變壓器油，鐵芯和繞組安裝和浸放在油箱內，純凈的變壓器油對鐵芯和繞組起絕緣和散熱作用。

④ 油枕：當變壓器油的體積隨著油溫的變化膨脹或縮小時，油枕起著儲油及補油的作用，以保證油箱內充滿變壓器油。油枕的側面還裝有一個油位計，從油位計中可以監視油位的變化。

⑤ 吸濕器：吸濕器由一根鐵管和玻璃容器組成，內裝硅膠等干燥劑。當油枕內的空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小時，排出或吸入的空氣都經過吸濕器，吸濕器內的干燥劑吸收空氣中的水分，對空氣起過濾作用，從而保持變壓器油的清潔。

⑥ 防爆管：防爆管又稱噴油管，裝于變壓器的頂蓋上，喇叭形的管子與油枕或大氣連通，管口由薄膜封住。當變壓器內部有故障時，油溫升高，油劇烈分解產生大量氣體，使油箱內的壓力劇增。這時防爆管薄膜破碎、油及氣體由管口噴出，防止變壓器的油箱爆炸或變形。

⑦ 絕緣套管：變壓器的各側繞組引出線必須采用絕緣套管，以便于連接各側引線。

⑧ 散熱器：散熱器又稱冷卻器，其型式有瓦楞形、扇形、圓形和排管等。當變壓器上層油溫與下層油溫產生溫差時，通過散熱器形成油的對流，經散熱器冷卻后流回油箱，起到降低變壓器溫度的作用。為提高變壓器油的冷卻效果，常采用風冷、強油風冷和強油水冷等措施。散熱器的散熱面積越大，散熱效果越好。

⑨ 分接開關：分接開關是調整電壓比的裝置。雙繞組變壓器的一次繞組及三繞組變壓器的一、二次繞組一般都有3～5個分接頭位置，操作部分裝于變壓器頂部，經傳動桿伸入變壓器的油箱。3個分接頭的中間分接頭為額定電壓的位置，相鄰分接頭的額定電壓值相差±5%；多分接頭的變壓器相鄰分接頭的額定電壓值相差±2.5%，根據系統運行的需要，按照指示的標記，來選擇分接頭的位置。

由于變壓器高壓繞組的電流比低壓繞組的電流小，其導線截面也小，繞制繞組時抽抽頭比較容易。同時額定電流小的分接開關結構比較簡單，容易制造和安裝。變壓器的高壓繞組又在外面，很方便引出抽頭引線。對于降壓變壓器，當電網電壓變動時，在高壓繞組進行調壓就可以適應電網電壓的變動，對變壓器運行十分有利。調壓方式包括無載調壓和有載調壓兩種。無載調壓是指切換分接頭時，必須在變壓器停電的情況下進行；有載調壓則是在保證不中斷負荷電流的情況下進行電壓調整，使系統電壓在正常范圍內運行。一般都在變壓器高壓繞組上改變匝數進行調壓。

⑩ 氣體繼電器：氣體繼電器是變壓器的主要保護裝置，裝在變壓器的油箱和油枕的連接管上。當變壓器的內部故障時，氣體繼電器的上接點接信號回路，下接點接開關的跳閘回路。

除上述部分外，變壓器還有溫度計、熱虹吸、吊裝環、入孔支架等附件。

另外，在小型工廠變電所，常常使用干式變壓器。這種變壓器沒有變壓器油，采用自然冷卻方式，具有溫度控制功能，通常安裝在戶內。

二、電力變壓器的連接組別

1.電力變壓器的極性

變壓器鐵芯中的主磁通，在一、二次繞組中產生的感應電動勢是交變電動勢，并沒有固定的極性，這里所說的變壓器繞組極性，是指一、二次繞組的相對極性。即當一次繞組的某一端在某一瞬間的電位為正時，二次繞組也在同一個瞬間有一個電位為正的對應端，這時就把這兩個對應端稱為變壓器繞組的同極性端或同名端。

變壓器的同極性端取決于繞組的繞向，繞向改變，極性就改變。極性是變壓器并聯運行的主要條件之一。如果并聯運行的變壓器極性一旦接反，在并聯變壓器的繞組中將會出現很大的短路電流，甚至把變壓器燒壞。

2.電力變壓器繞組的連接方式

電力變壓器的每一個電壓側都有3個繞組，高壓側繞組用A-X、B-Y、C-Z作線端標志，低壓側繞組用a-x、b-y、c-z作線端標志，若為三繞組變壓器，則中壓側繞組用Am-Xm、Bm-Ym、Cm-Zm作線端標志。其中短橫杠前面為繞組的首端標號，橫杠后面為繞組的尾端標號。

電力變壓器的高、低壓側三相繞組，均可以接成星形和三角形兩種連接方式，這樣電力變壓器便可構成很多種連接方式，例如高壓側和低壓側繞組都接成星形時，就構成了Y，y連接；若電力變壓器的高壓側繞組接成三角形，低壓側繞組接成星形，就構成了D，y連接；當高壓側繞組和低壓側繞組都接成三角形時，構成的連接方式為D，d；當高壓側繞組接成星形，低壓側繞組接成三角形，則構成Y，d連接。

3.電力變壓器的連接組別

電力變壓器繞組的不同引線端用不同的符號表示，還可以用一種特別規定的符號來表示，即時鐘表示法。所謂時鐘表示法，就是把高壓側和低壓側的電壓相量分別視為時鐘的長針和短針，針頭為首端，把長針固定在12點的位置上，再看短針所指的位置，并以短針所指示的鐘點數作為變壓器的連接組別標號。我國國家標準規定只生產下列5種標準連接組別的電力變壓器，即Yd11、Yyn0、YNd11、YNy0、Yy0。其中前3種最為常用，其主要用途如下。

① Yd11：這種連接組別通常用于低壓側電壓高于400V，高壓側電壓為35kV及以下的輸配電系統中。

② Yyn0：這種連接組別一般用在低壓側電壓為400V/230V的配電變壓器中，供電給動力和照明混合負載。三相動力負載用400V線電壓，單相照明負載用230V相電壓。yn0表示星形連接的中心點引至變壓器箱殼的外面再與“地”相接，如圖2-2所示。

③ YNd11：這種連接組別常用在高壓側需要中心點接地的發輸電系統中，例如110kV及220kV等超高壓系統中。此外也可以用在低壓側電壓高于400V、高壓側電壓為35kV及以下的輸配電系統中，如圖2-3所示。

三、電力變壓器臺數的選擇、容量的確定及過負荷能力

1.變壓器臺數的選擇

在選擇電力變壓器時，應選用低損耗節能型變壓器，如S12系列或S13系列。對于安裝在戶內的電力變壓器，通常選擇干式變壓器；如果變壓器安裝在多塵或有腐蝕性氣體嚴重影響的場所，一般需選擇密閉型變壓器或防腐型變壓器。其臺數的選擇應考慮下列原則。

① 應滿足用電負荷對可靠性的要求。大型變電所所帶負荷較大，且所帶一、二類負荷較多，宜選擇2～4臺主變壓器；中型變電所一般選擇2臺主變壓器；小型變電所，其負荷常為Ⅲ類負荷，一般選擇1臺主變壓器。

② 當晝夜負荷變化較大時，可考慮采用2臺主變壓器。

③ 在選擇變電所主變壓器臺數時，還應適當考慮負荷的發展，留有擴建增容的余地。

2.變壓器容量的確定

（1）單臺變壓器容量的確定

單臺變壓器的額定容量SN應能滿足全部用電設備的計算負荷Se，留有裕量，并考慮變壓器的經濟運行，即

SN=（1.15～1.4）Se　　（2-1）

（2）2臺主變壓器容量的確定

裝有2臺主變壓器時，每臺主變壓器的額定容量SN應同時滿足以下兩個條件。

① 當任一臺變壓器單獨運行時，應滿足總計算負荷的60%～70%的要求，即

SN≥（0.6～0.7）Se　　（2-2）

② 任一臺變壓器單獨運行時，應能滿足全部Ⅰ、Ⅱ類負荷總容量的需求，即

SN≥SⅠe+SⅡe　　（2-3）

式中　SⅠe——Ⅰ類負荷總容量；

　　　SⅡe——Ⅱ類負荷總容量。

（3）單臺變壓器容量的限制

單臺主變壓器的容量選擇一般不宜大于1250kV·A；對居民小區變電所，單臺油浸式變壓器容量不宜大于630kV·A。工廠車間變電所中，單臺變壓器容量不宜超過1000kV·A，對裝設在二層樓以上的干式變壓器，其容量不宜大于630kV·A。

例2-1　某車間（10kV/0.4kV）變電所總計算負荷為1350kV·A，其中Ⅰ、Ⅱ類負荷量為680kV·A，試確定主變壓器臺數和單臺變壓器容量。

解：由于車間變電所具有Ⅰ、Ⅱ類負荷，所以應選用2臺變壓器。根據式（2-2）和式（2-3）可知，任一臺變壓器單獨運行時均要滿足60%～70%的總負荷量，即

SN≥（0.6～0.7）×1350=810～945（kV·A）

且任一臺變壓器均應滿足　SN≥SⅠe+SⅡe≥680kV·A

一般變壓器在運行時不允許過負荷，所以可選擇2臺容量均為1000kV·A的電力變壓器，具體型號為S9-1000/10。

3.電力變壓器的過負荷能力

變壓器為滿足某種運行需要而在某些時間內允許超過其額定容量運行的能力稱為過負荷能力。變壓器的過負荷通常可分為正常過負荷和事故過負荷兩種。

（1）變壓器的正常過負荷能力

電力變壓器運行時的負荷是經常變化的，日常負荷曲線的峰谷差可能很大。根據等值老化原則，電力變壓器可以在一小段時間內允許超過額定負荷運行。

變壓器的正常過負荷能力，是以不犧牲變壓器正常使用壽命為原則來制定的，同時還規定過負荷期間，負荷和各部分溫度不得超過規定的最高限值。我國的限值為：繞組最熱點溫度不得超過140℃；自然油循環變壓器負荷不得超過額定負荷的1.3倍，強迫油循環變壓器負荷不得超過額定負荷的1.2倍。

（2）變壓器的事故過負荷

對油浸式自然循環冷卻或強迫油循環冷卻變壓器事故過負荷運行時間允許值的規定見表2-1和表2-2。

注：+表示不允許運行。

事故過負荷又稱為短時急救過負荷。當電力系統發生事故時，保證不間斷供電是首要任務，加速變壓器絕緣老化是次要的考慮。所以，事故過負荷和正常過負荷不同，它是以犧牲變壓器的使用壽命為代價的。事故過負荷時，絕緣老化率允許比正常過負荷時高得多，即允許較大的過負荷，但我國規定繞組最熱點的溫度不得超過140℃。

考慮到夏季變壓器的典型負荷曲線，其最高負荷低于變壓器的額定容量時，每低1℃可允許過負荷1%，但以過負荷15%為限。正常過負荷最高不得超過額定容量的20%。

四、電力變壓器的并聯運行條件

1.變壓器并聯運行的目的

供配電技術中常常采用變壓器的并聯運行方式，目的是提高供電的可靠性和變壓器運行的經濟性。

例如：某工廠變電所采用2臺變壓器并聯運行時，如果其中一臺變壓器發生故障或檢修時，只要將其從電網中切除，另一臺變壓器仍能正常供電，從而提高了供電的可靠性。

電力負荷的變動是經常性的。根據負荷的變動，及時調整投入運行的變壓器臺數，以減少變壓器本身的能量損耗，無疑能夠提高供電效率，達到經濟運行的目的。

2.變壓器并聯運行的條件

為了保證并聯運行的變壓器在空載時并聯回路沒有環流，負載運行時各變壓器負荷分配與容量成正比，并聯運行的變壓器必須滿足以下條件。

① 并聯各變壓器的連接組別標號相同；

② 并聯各變壓器的變比相同（允許有±0.5%的差值）；

③ 并聯各變壓器的短路電壓相等（允許有±10%的差值）。

④ 并聯運行的變壓器的容量比一般不宜超過3∶1。

如果并聯變壓器的連接組別標號不同，就會在并聯運行的回路中產生環流，而且此環流通常是額定電流的幾倍，這么大的電流將很快燒壞變壓器。因此，連接組別標號不同的變壓器絕不能并聯運行。

若將變比不同的變壓器并聯運行，二次側電壓將造成不平衡，空載時就會因電壓差而出現環流，變比相差越大，環流也越大，從而影響到變壓器容量的合理分配，因此并聯運行的變壓器，其變比不允許超過±0.5%。

如果并聯運行的變壓器短路電壓不同，由于負載電流與短路電壓成反比，就會造成負載分配不合理，因此，短路電流差值不允許超過±10%。