油浸式变压器及其分类与结构特点

(一)油浸式变压器的分类

目前,在超高压变电站应用较多的是油浸式变压器。最初的变压器都是空气冷却的。后来变压器的容量越做越大,电压也逐步提高,用空气来冷却和作为绝缘就越来越困难,因此就产生了油浸式变压器,把变压器浸在盛于铁箱中的油内。变压器油是从石油中提炼出来的,有很好的绝缘性能,它除了作为绝缘介质外,还作为一个散热的媒介。铁箱除了作为油的容器外,还提供了一个对周围空气的散热面。

在运行中,油浸式电力变压器绕组和铁芯的热量先传给油,然后通过油传给冷却介质。油浸式电力变压器的冷却方式,按容量的大小,可分为以下几种。

1.自然油循环自然冷却(油浸自冷式)

自然油循环自然冷却(油浸自冷式)冷却方式的特点就是依靠油箱壁的辐射和变压器周围空气的自然对流把热量从油箱的冷却器表面带走。一般认为,当变压器容量在2500kVA及以下时,可以采用膨胀式散热器,变压器可不装储油柜,并可将其设计成全密封型,但是,较大容量的变压器必须人为地增大油箱与空气接触的散热表面。随着低损耗技术的发展,采用油浸自冷式冷却的容量上限在增加,40000kVA及以下额定容量的变压器也可选用油浸自冷的冷却方式。其优点是不用辅助供风扇用的电源,没有风扇所产生的噪声,散热器可以直接装在变压器油箱上,也可以集中装在变压器附近,油浸自冷式变压器的维护相对简单,始终可以在额定容量下运行。

2.自然油循环风冷(油浸风冷式)

通常情况下,当变压器容量在8000kVA及以上、40000kVA及以下时,可采用管式或片式散热器,可选用风冷冷却方式,一般在散热器上加装风扇,因为表面散热系数与流体在表面流动的速度有关,在吹风之后,对流部分的散热系数将增大好几倍,大大提高散热器的冷却效率。风冷式散热器是利用风扇改变进入散热器与流出散热器的油温差,提高散热器的冷却效率,这样可使散热器数量减少,占地面积缩小。但此时要引入风扇的噪声和风扇的辅助电源。停开风扇时可按自冷方式运行,但是输出容量要降低到额定容量的2/3。对管式散热器而言,每个散热器上可装两个风扇;对片式散热器而言,可用大容量风机集中吹风,或一个风扇吹几组散热器。

对于油浸自循环风冷式变压器而言,油为自然循环,其循环动力是温度差;变压器的器身(铁芯及线圈)由于电磁损耗而发热,这种热量由靠近绕组和铁芯部分的油所吸收;箱底油温低,顶层油温高,顶层油与散热器连通散热器内的油将热量传给散热管或者散热板片,再传给空气,这样散热器进出口就形成温度降落(一般为20～30℃)。温度降落使油的密度产生变化,冷却油的密度变大,靠自重而下沉;油箱内的油因被器身加热使油温升高,密度变小,形成浮升力;这样油箱内的发热与油箱外部的空气靠动力循环,热空气被风扇吹走,冷空气随之补充进来形成冷热空气交换流动,变压器的热量不断地传给空气,形成一种动态平衡。维持变压器各部(铁芯、绕组、油等)温升在标准规定的范围以内,从而保障变压器的寿命。

3.强迫油循环冷却

强迫油循环冷却按冷却器可以分为水冷却和风冷却。对于强迫油循环冷却的变压器,它的油箱上没有油管或者散热器,变压器内的油经过管道和油泵被打到一个分开装置的油冷却器,油被冷却后重新回到变压器内。这种冷却方式的优点是:一方面,利用油泵后可以加强变压器内部油的流动,降低内部绕组对油的温升;另一方面,由于去掉了庞大的散热器,变压器的安装面积可以大大缩小,而且散热器可以安装在其他合适的地方,这一点对于巨型水电站的设计是很有利的。因为水电站的水源方便,一般采用水冷却方式。在其他场合也可以用风冷,它的结构基本上与装在变压器上的冷却器差不多。强迫油循环冷却因为结构较为复杂,所以一般只用在容量为50000kVA及以上的巨型变压器上。

(二)油浸式变压器主要结构

油浸式变压器主要由铁芯、绕组、油箱、油枕、呼吸器、压力释放器、散热器、套管和分接开关等组成。铁芯构成了磁路,线圈套在铁芯上。线圈由导线绕制而成,绕组是指与电源(或负载)相接的线圈或线圈的组合,即绕组是由线圈所组成的。通常把铁芯和绕组合在一起称为变压器的器身,是变压器最基本的组成部分。油浸式变压器如图2-24所示。

1.铁芯

图2-24　油浸式变压器

铁芯是变压器的磁路部分。运行时因产生磁滞损耗和涡流损耗而发热。为降低发热损耗和减小体积和重量,铁芯由厚度小于0.35mm、导磁系数高的冷轧晶粒取向硅钢片构成。依照绕组在铁芯中的布置方式,有铁芯式和铁壳式之分。在大容量的变压器中,为使铁芯损耗发出的热量能够被绝缘油在循环时充分带走,以达到良好的冷却效果,常在铁芯中设有冷却油道。

2.绕组

绕组和铁芯都是变压器的核心元件。由于绕组本身有电阻或接头处有接触电阻,由I 2Rt知要产生热量,故绕组不能长时间通过比额定电流高的电流。另外,通过短路电流时,将在绕组上产生很大的电磁力而损坏变压器。变压器基本绕组有同心式和交叠式两种。变压器绕组主要故障是匝间短路和对外壳短路。匝间短路主要是由于绝缘老化,或由于变压器的过负荷以及穿越性短路时绝缘受到机械的损伤而产生的。对外壳短路也是由于绝缘老化或油受潮、油面下降,或因雷电和操作过电压而产生的。变压器绕组如图2-25所示。

图2-25　变压器绕组

图2-26　变压器的油枕

3.油箱

油浸式变压器的器身(绕组及铁芯)都装在充满变压器油的油箱中,油箱用钢板焊成。中、小型变压器的油箱由箱壳和箱盖组成,变压器的器身放在箱壳内,将箱盖打开就可吊出器身进行检修。

4.油枕

油枕又称油柜,是一种油保护装置,它是由钢板做成的圆桶形容器,水平安装在变压器油箱盖上,用弯曲管与油箱连接。油枕的一端装有一个油位计(油标管),从油位计中可以监视油位的变化。油枕的容积一般为变压器油箱所装油体积的8%～10%。当变压器油的体积随着油的温度膨胀或缩小时,油枕起着储油及补油的作用,从而保证油箱内充满油。同时由于装了油枕,使变压器油缩小了与空气的接触面,减少了油的劣化速度。变压器的油枕如图2-26所示。

图2-27　变压器的呼吸器

5.呼吸器

呼吸器又称吸湿器,通常由一根管道和玻璃容器组成,内装干燥剂(硅胶或活性氧化铝),变压器的呼吸器如图2-27所示。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呼吸器,呼吸器内的干燥剂吸收空气中的水分,对空气起过滤作用,从而保持油的清洁。浸有氯化钴的硅胶,其颗粒在干燥时是钴蓝色的,但是随着硅胶吸收水分接近饱和时,粒状硅胶将转变成粉白色或红色,据此可判断硅胶是否已失效。受潮后的硅胶可通过加热烘干而再生,当硅胶颗粒的颜色变成钴蓝色时,再生工作就完成了。

6.压力释放装置

压力释放装置在保护电力变压器方面起着重要作用。充有变压器油的电力变压器中,如果内部出现故障或短路,电弧放电就会在瞬间使油汽化,导致油箱内压力极快升高。如果不能尽快释放该压力,油箱就会破裂,将易燃油喷射到很大的区域内,可能引起火灾,造成更大破坏,因此必须采取措施防止这种情况发生。压力释放装置有防爆管和压力释放器两种:防爆管用于小型变压器;压力释放器用于大、中型变压器。

7.散热器

散热器的形式有瓦楞形、扇形、圆形、排管等,散热面积越大,散热的效果就越好。当变压器上层油温与下部油温有温差时,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。

8.套管(https://www.xing528.com)

变压器绕组的引出线从箱内穿出油箱引出时必须经过绝缘套管,以使带电的引线绝缘。绝缘套管主要由中心导电杆和磁套组成。导电杆在油箱内的一端与绕组连接,在外面的一端与外线路连接。绝缘套管的结构主要取决于电压等级,电压低的一般采用简单的实心瓷套管;电压较高时,为了加强绝缘能力,在瓷套和导电杆间留有一道充油层,这种套管称为充油套管。

9.分接开关

分接开关是调整变压比的装置。双绕组变压器的一次绕组及三绕组变压器的一、二次绕组一般有3、5、7个或19个分接头位置,分接头的中间分头为额定电压的位置。3个分接头的相邻分头电压相差5%,多个分头的相邻分头电压相差2.5%或1.25%。操作部分装于变压器顶部,经传动杆伸入变压器的油箱。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。变压器的高压装置分为无载调压和有载调压两种:无载分接开关在不带电情况下切换,其结构简单;有载分接开关在不停电情况下切换,在带负荷下进行,故在电力系统中被广泛采用。有载调压分接开关结构图如图2-28所示。

10.瓦斯继电器

图2-28　有载调压分接开关结构图

气体保护(瓦斯保护)是反应变压器油箱内的各种故障及异常的一种保护,瓦斯保护是由瓦斯继电器组成,瓦斯继电器安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道上,如图2-29所示。当变压器油箱内轻微故障或严重漏油时,轻瓦斯保护动作,延时作用于信号;当变压器内部发生严重故障时,重瓦斯保护动作,瞬时动作跳开变压器的各侧断路器。

开口杯挡板式瓦斯继电器结构如图2-30(a)所示。

图2-29　瓦斯继电器安装图

(1)轻瓦斯保护。变压器内部发生轻微故障时,变压器油分解产生的气体汇集在气体继电器上部,迫使继电器内的油面下降,开口杯露出油面,因其受到的浮力减小失去平衡而下沉,带动永久磁铁下降,当永久磁铁靠近干簧触点时,干簧触点接通,发出轻瓦斯动作信号。瓦斯继电器上开口油杯如图2-30(b)所示。

(2)重瓦斯保护。变压器内部发生严重故障时,油箱内产生大量气体,强大的气流伴随着油流冲击挡板,当油流的速度达到整定值时,挡板克服弹簧的反作用力向前移动,带动永久磁铁靠近干簧触点,使干簧触点闭合,发出重瓦斯跳闸脉冲,断开变压器各侧的断路器。开口杯挡板式气体继电器的下挡板如图2-30(c)所示。

图2-30　开口杯挡板式气体继电器结构图

(三)油浸式变压器的正常使用条件

(1)海拔不超过1000m的户内或户外。

(2)最高环境气温+40℃,最高日平均温度+30℃。

(3)最高年平均温度+20℃,最低气温-25℃。

根据用户要求,可提供在特殊使用条件下运行的变压器。

(四)油浸式变压器性的能特点

(1)油浸式变压器低压绕组除小容量采用铜导线以外,一般都采用铜箔绕抽的圆筒式结构;高压绕组采用多层圆筒式结构,使绕组的安匝分布平衡,漏磁小,机械强度高,抗短路能力强。

(2)铁芯和绕组各自采用了紧固措施,器身高压引线、低压引线等紧固部分都带自锁防松螺母,采用了不吊芯结构,能承受运输的振动。

(3)线圈和铁芯采用真空干燥,变压器油采用真空滤油和注油的工艺,使变压器内部的潮气降至最低。

(4)储油柜具有呼吸功能,能补偿因温度变化而引起油的体积变化,并与外界隔离,这样就有效地防止了由于氧气、水分的进入而导致的绝缘性能的下降。

(五)油浸式变压器的油系统

油浸式变压器有几个互相隔离的独立油系统。在油浸式变压器运行时,这些独立油系统内的油是互不相通的,油质与运行工况也不相同,要分别做油中含气色谱分析以判断有无潜在故障。

(1)主体内油系统。与绕组周围的油相通的油系统都是主体内油系统,包括冷却器或散热器内的油,储油柜内的油,35kV及以下注油式套管内的油。

注油时必须将主体内油系统内存储气体的放气塞拔出。一般而言,主体内油系统的各部件都应有各自的放气塞。主体内油主要起绝缘与冷却作用,还可以增加绝缘纸或绝缘纸板的电气强度。在真空注油时,如有些部件不能承受与主体油箱能承受的相同真空强度时,应用临时闸隔离,如储油柜与主油箱间的闸阀。冷却器上潜油泵扬程要足够大,以免由于负压而吸入空气。此油系统须有释压保护系统,以排除器身有故障时所产生的压力。

(2)有载分接开关切换开关室内的油系统。这部分内的油有本身的保护系统,即流动继电器、储油柜、压力释放阀。这个开关室内的油起绝缘与熄灭电流作用。

有载分接开关切换开关室内的油虽与主体内油隔离,但在真空注油时,为避免破坏切换开关室的密封,应与主体内油同时真空注油。在真空注油时,为使这两个系统具有相同的真空度,必要时也应将这个系统的储油柜在抽真空时隔离。为结构上方便,主体内油系统的储油柜与切换开关室的储油柜设计成一互相隔离的整体。

(3)60kV及以上电压等级的全密封油系统。这个油系统内的油主要起绝缘作用,还可以增加电容式套管内绝缘纸的电气强度。当往主体内油系统注油时,应将套管端部接线端子密封好,以免进气。

(4)高压出线箱内油系统或电气出线箱内油系统。三相500kV变压器的高压出线通过绝缘隔离油系统。这个油系统主要起绝缘作用。为简化结构,这个油系统也可通过联管与主体内油系统相连或设计成单独的油系统。

对油浸式变压器,可通过油中溶解气体色谱分析试验判断有无潜在故障。每一油系统都要满足运行的要求。每一油系统具有良好的密封性能,有载分接开关切换开关室内的油应能单独更换而不放出主体内油,运输时主体内油可放出并充干燥氮气。

即使同一油系统,油基不同的油是不能混用的。每一油系统应注意在负温时的油特性,如主体内油在负温时油的黏度大、流动性差、散热性差;有载分接开关切换开关室内油在负温时会使切换过程加长,过渡电阻温升增加。

对超高压油浸式变压器的主体内油系统而言,还应注意油流带电现象,要防止油流带电过渡到油流放电现象。要控制油的电阻率、各部分油速,释放油中电荷的空间。