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變壓器

(利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置)

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變壓器(Transformer)是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置,主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵芯(磁芯)。主要功能有:電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩壓(磁飽和變壓器)等。 [1] 
變壓器按用途可以分為:配電變壓器電力變壓器全密封變壓器組合式變壓器乾式變壓器油浸式變壓器單相變壓器電爐變壓器整流變壓器、電抗器、抗干擾變壓器、防雷變壓器、箱式變電器試驗變壓器、轉角變壓器、大電流變壓器、勵磁變壓器等。 [1] 
變壓器是輸配電的基礎設備,廣泛應用於工業、農業、交通、城市社區等領域。我國在網運行的變壓器約1700萬台,總容量約110億千伏安。變壓器損耗約佔輸配電電力損耗的40%,具有較大節能潛力。為加快高效節能變壓器推廣應用,提升能源資源利用效率,推動綠色低碳和高質量發展,2021年1月,工業和信息化部、市場監管總局、國家能源局聯合制定了《變壓器能效提升計劃(2021-2023年)》 [2] 
中文名
變壓器
外文名
Transformer
作    用
電壓變換、電流變換、阻抗變換 [1] 
組    成
初級線圈、次級線圈和鐵芯 [1] 
分    類
配電變壓器、電力變壓器、全密封變壓器等 [1] 
原    理
電磁感應原理 [1] 

變壓器原理

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變壓器是利用電磁感應的原理來改變交流電壓的裝置,主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心 (磁芯)。在電器設備和無線電路中,常用作升降電壓、匹配阻抗、安全隔離等。在發電機中,不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈,均能在線圈中感應電勢。此兩種情況,磁通的值均不變,但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動,這是互感應的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應變換電壓、電流和阻抗的器件。 [1] 

變壓器組成

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變壓器組成部件包括器身(鐵芯、繞組、絕緣、 引線)、變壓器油、油箱和冷卻裝置、調壓裝置、保護裝置(吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油櫃及測温裝置等)和出線套管。具體組成及功能: [1] 
(1)鐵芯。 鐵芯是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高,厚度分別為0.35mm、0.3mm、0.27mm,表面塗有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵芯分為鐵芯柱和橫片兩部分,鐵芯柱套有繞組;橫片是閉合磁路之用。 [1] 
(2)繞組。繞組是變壓器的電路部分,它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成。變壓器的基本原理是電磁感應原理,現以單相雙繞組變壓器為例説明其基本工作原理:當一次側繞組上加上電壓U1時,流過電流I1,在鐵芯中就產生交變磁通O1,這些磁通稱為主磁通,在它的作用下,兩側繞組分別感應電勢,最後帶動變壓器調控裝置。 [1] 

變壓器材料

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鑑於變壓器在電力系統中的調控作用,技術人員必須選用合適的變壓器完成安裝操作,這樣才能發揮正常的作用。繞製材料是變壓器安裝需注意的首要問題,不同材質的裝置所發揮的作用是不一樣的。對於繞制變壓器,因裝置結構特殊,安裝選用了漆包線、紗包線、絲包線、紙包線等材料配合,能夠發揮出良好的導電、導熱性能,優越的 抗腐蝕性也增強了電路的穩定性。從現有的變壓器產品來看,變壓器安裝中繞製材料一般包括:鐵芯材料、絕緣材料、浸漬材料等,安裝人員必須結合實際情況選用。 [1] 
(1)鐵芯材料。變壓器是藉助於電磁感應原理完成電流值、電壓值的調控,而鐵芯是變壓器的核心構件,其材 質狀況決定了變壓器的調節功能。鐵芯材料最好選擇在鐵片中加入硅,以此減小低鋼片的導電導熱作用,避免裝置運行後能耗增多。電力行業標準中規定硅鋼片的磁通密度需控制在有效範圍,如:黑鐵片的磁通密度在7000、低硅片在10000等,安裝現場可結合實際情況選用。 [1] 
(2)絕緣材料。近年來變壓器安裝操作的意外事故發生率不斷提升,考慮到變壓器安裝過程中的安全問題,現 場人員需注重絕緣材料的選用,以保護系統其他設備的正常運行。目前,許多變壓器已經配備了絕緣構件,如:墊圈、絕緣器具等,但由於人為操作不當依舊存在安全風險。變壓器安裝需從線圈框架 層間的隔離、繞阻間的隔離等方面增強其絕緣性能。 [1] 
(3)浸漬材料。浸漬處理是對繞製材料加工的最後工序,主要目的是改善材料的機械性能、電力性能、絕緣性 能,避免後期使用發生各種安全事故。選用繞製材料之後,安裝人員要對浸漬材料塗刷油漆,在材料表面設置一道絕緣層。比較常用的漆材是甲酚清漆,經過塗刷處理後可發揮出較好的安全作用,延長了變壓器設備的使用壽命。 [1] 

變壓器分類

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(1)電力變壓器
目前,已在系統運行的代表性產品包括:1150KV、1200MV·A,735~765KV、800MV·A、400~500KV、3相750MV·A或單相550MV·A,220KV、3相1300MV·A電力變壓器;直流輸電±500KV、400MV·A換流變壓器。電力變壓器主要為油浸式,產品結構為芯式和殼式兩類。芯式生產量佔95%,殼式只佔5%。芯式與殼式相互間並無壓倒性的優點,只是芯式工藝相對簡單,因而被大多數企業採用;而殼式結構與工藝都要更為複雜,只有傳統性工廠採用。殼式特別適用於高電壓、大容量,其絕緣、機械及散熱都有優點且適宜山區水電站的運輸。 [3] 
(2)配電變壓器
國外配電變壓器容量能達到2500KV·A,有圓形與橢圓形鐵心形式。圓形的佔絕大多數,橢圓形的由於M0(鐵心柱的間距)小,因而用料可以減少,其對應線圈為橢圓形。低壓線圈有線繞式與箔式,油箱有帶散熱管的(少數)與波紋式的(大多數)。 [3] 
(3)乾式變壓器
近來來,乾式變壓器在國內得到迅猛發展,在京、滬和深等大城市,幹變已經佔到50%,而在其他大中城市也已經佔到20%。幹變有四種結構:環氧樹脂澆注、加填料澆注、繞包和浸漬式。目前,歐美廣泛採用開敞通風式H級乾式變壓器,是在浸漬式 基礎上吸取了繞包式結構的特點並採用Nomex紙後發展起來的新型H級幹變,由於售價高,在我國尚未推廣。目前,國內通過短路試驗容量最大的乾式配電變 壓器是2500KV·A、10/0.4KV;通過短路試驗容量最大的乾式電力變壓器是16000KV·A、35/10KV。 [3] 
(4)非晶合金變壓器
非晶合金變壓器雖然抗短路性能差,噪聲大,但是節能,因此未來發展前景可觀。目前,中國最大的非晶合金變壓器鐵心生產企業具有3000~4000t的鐵心年產能力,鐵心及變壓器的生產技術並不是制約推廣非晶合鐵心金變壓器的關鍵性因素,非晶合金帶材的突破才能促成產品質的飛躍。 [3] 
(5)卷鐵心變壓器
目前,卷鐵心變壓器的生產主要集中在10KV級,容量一般小於800KV·A,也試製了1600KV·A,但電力部門採購以315KV·A以下容量的居多,適合用於農網。 中國現有卷鐵心變壓器生產廠200多家,有一定規模的佔20%。中國強卷鐵心變壓器生產能力約為1600萬KV·A,但實際產量較低。 [3] 

變壓器製造技術

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(1)鐵心製造技術
企業主要是通過改善自己的剪切設備來改進鐵心的生產技術,目前鐵心製造技術有以下變化:①鐵心柱採用嵌下軛工藝。與常規工藝相比可節省大量的心柱疊裝時間,提高鐵心疊裝質量,該工藝適用於配電變壓器鐵心的自動化生產。②多級接縫鐵心的應用。近年來,設計上為降低鐵心接縫處的空載損耗,逐漸將傳統的單一接縫改為多級接縫。變壓器企業多采取局部階梯接縫的做法,不僅能降低變壓器空載損耗15%以上,而且能降低噪聲3%~4%。③鐵心片加工技術。20世紀70年代初,中國各變壓器生產企業均採用國產硅鋼片縱剪線和多剪牀組成的簡易硅鋼片橫剪線。 [3] 
(2)繞組製造技術
20世紀90年代製造了繞組組裝工藝。目前,這項工藝也逐漸為各變壓器廠家青睞,並得以迅速推廣。 [3] 
(3)絕緣加工技術
20世紀80年代,隨着產品電壓等級容量的提高和試驗項目的增加,絕緣加工逐漸從金屬加工中分離出來。現有龍門數控加工中心實現了絕緣加工的全自動化。 [3] 
(4)絕緣乾燥和油處理技術
油浸式變壓器採用的是油紙絕緣結構。其核心工藝是絕緣材料的乾燥處理,以及變壓器的真空脱水。氣相干燥:20世紀80年代中期,中國變壓器廠率先從瑞士引進氣相干燥設備。近年來又開發出內置式煤油蒸發器新產品,與傳統的外置式蒸發器相比,兩者各有利弊。變壓器油處理:進入20世紀80年代,隨着歐美先進油過濾設備的引進,中國油淨化技術得到了長足發展。企業大多采用了先進的真空噴霧淨油法,它的去雜質和脱水效果顯著。 [3] 
(5)節能技術
就變壓器節能技術的發展歷程看,變壓器歷經了S6、S7、S9和S11等幾個系列的替代過程,目前S9 型節能產品成為市場主流,而S11節能型產品的市場規模正在增長。在推廣S11的過程中,S11的銷售價格比 S9的平均高出14.2%,所以價格仍是影響S11變壓器普及推廣的主要因素。 目前,新S9產品雖已佔據大部分市場,但隨着經濟的發展,用户(特別是農網,變壓器負荷率較低的用户)對S11型產品的需求逐步增長。S11型疊鐵心變壓器是在新S9成熟的技術基礎上設計開發的,在保持產品可靠性的前提下,其性能指標有了較大提高。與傳統的疊片式變壓器相比,S11卷鐵心配電變壓器具有節約原材料、節能、改善供電品質、噪聲低和機械化程度高等特點。 [3] 

變壓器故障原因

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(1)電路故障
對於變壓器的電路故障問題主要是指變壓器的出口出現短路,以及在變壓器內部出現引線或繞組間的對地短路,以及因相與相間出現的短路問題進而引發故障的出現。其實,這類故障在實際的電力變壓器的諸多故障問題中是十分常見的問題,並且該故障的實際案例也很多。對於變壓器在低壓出口出現短路的問題,為了解決該問題一般對故障處更換繞組,故障嚴重時可能需要對所有的繞組進行必要的更換,這樣才能儘可能地降低故障發生的概率,極大地降低因電力故障引發的嚴重的經濟和人身財產損失,所以,對此有必要給予極大地重視 。 [4] 
(2)繞組的故障問題
把繞組故障可以細緻地劃分為以下幾個類型:接頭的焊接處極其容易出現開裂問題、相與相間短路問題、匝向出現短路、繞組的接地故障等。分析總結以上故障出現的原因可以總結:變壓器的絕緣問題出現了問題;繞組處有雜物進去,老化的絕緣體;變壓器的工作力度不足;因變形導致繞組出現問題:繞組受到水汽影響;變壓器的温度高。 [4] 
(3)變壓器滲油故障
變壓器滲油故障在整個電力變壓器的故障中是最為常見的一個故障。變壓器滲油故障又可以解釋為電力變壓器滲油會導致後續一些問題,諸如本身對空氣產生嚴重的環境污染,還可能造成大量的的資源浪費,這樣會大大增加了企業的運行成本,進而增加了企業的經濟壓力和市場阻力。該問題作為一個安全隱患,會極大地影響電力變壓器的安全穩定運作,嚴重時可能造成機器設備的不能運行。還要注意的是該故障還會對電力企業的服務質量產生影響,對為用電的客户提供安全科學的服務產生重大的負面影響。 [4] 
(4)接頭處温度、多高故障
接頭處温度、多高故障中的接頭指的是變壓器的載流接頭。在整個變壓器的設計中變壓器的載流接頭一直都承擔着極為重要的責任,分析總結了電力事故可以得出:變壓器的載流接頭的不穩定連接,使得接頭處温度快速升高,甚至已經超過了接頭的着火點,導致接頭出 現燒斷的現象,嚴重影響了電力變壓器的安全穩定運行。這些問題都給電力企業在以後得安全供電工作敲響了警鐘。為了有效減少這類安全事故的出現,避免因接頭處温度過高引發的安全用電事故,這需要電力檢測維修工人在平時的檢測維修工作中,注意觀察變壓器的載流接頭的温度變化,保證接頭的温度在正常的數值範圍內變化,這樣才能有效保證電力變電器的安全穩定運行。 [4] 

變壓器故障檢測技術

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(1)在線監測技術
在線監測技術主要使用的是振動分析法和局部放電檢測法等兩種。一是振動分析法。該分析方法指的是變壓器運行時,要監測變壓器的振動信號的強弱,並且分析總結出現這樣監測結果的原因,進而可以對變壓器的運行狀態進行實時的檢測,有利於及時發現故障問題,在小故障釀成大故障前,便得到解決。二是局部放電檢測法。該檢測方法指的是變壓器在運行過程中的機械內部出現故障,進而引發了局部的放電現象,這樣會影響放電的水平和放電的速度。所以有必要針對變壓器的局部放電情況,加強日常地有效地判斷,檢測變壓器安全隱患是否存在,並對這些問題進行有針對性地解決,來確保機械的安全穩定運行。 [4] 
(2)氣相色譜儀技術
氣相色譜儀技術主要用於分析混合氣體中內部組成部分。該檢測 技術的優點主要有效以下幾點:效率高,使用便捷、操作便利等許多方面,這些優勢促進了該技術得到了十分廣泛的應用,並在各種電氣設備的檢測的領域得到了廣泛面的應用。其中,對於高分子膜技術便有效利用了該項技術,有效快速分解油氣,並在高分子聚合物的作用 下並在變壓器的影響下將油溶解,這樣可以有效提高測定電壓器的故障氣體和油中氣體的濃度。多數情況下,當變電器出現故障時,可能會散發出氫氣氣體的味道,利用這一化學特性可以更好地檢測氣體的 含量,並有效地檢測變壓器故障氣體中的氫氣。另外,使用該變壓器 進行檢測多種氣體,這樣大大提高了變壓器故障氣體的擴散速度,有利於正常運行的狀態能及時得到恢復。 [4] 
(3)感器列陣技術
對於感器列陣技術而言,在變壓器故障檢測技術中該技術也起到了十分重要的作用。為此,電力檢測維修工作人員需要熟練地掌握該項技術,並將該項技術科學合理地運用到檢測故障的工作,可以有效提高變壓器的安全運行指數,使得運行的狀態不受到外界干擾。並且由於這項傳感器具有以下的優點:選擇性高、敏感度高等優點,使用傳感器進行在線檢測,進而提高檢測故障氣體的濃度的速度,有利於含量的檢測,可見不但可以提高檢測的速度,而且還可以提升變壓器故障檢測技術水平,降低變壓器的檢測故障的出現的幾率。 [4] 
(4)紅外光譜技術
紅外光譜技術又稱之為紅外光譜在線檢測技術,該技術具有檢測速度快、準確度高、敏鋭度高、維修量少等優點,該技術也在變壓器故障檢測技術扮演着重要的角色,有助於變壓器故障產生氣體的含量檢測。在實際的檢測工作中以及在具體的使用過程中,可以有效地利用紅外氣體分析儀器和雙關路薄膜電容檢測儀器,進行定量地分析。 [4] 

變壓器節能措施

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(1)選用優質材料製造變壓器
變壓器是通過電磁感應來改變網路電壓的,主要材料是硅鋼片和電磁線。這兩種材料質地的優劣,直接影響變 壓器的損耗特性。由運行中變壓器鐵心形成的損耗通稱空載損耗,損耗值是恆定的,與變壓器的負載率無大關係,也是不可避免的。但導磁材料的優劣,可以改變其損耗的大小。第一代節能變壓器就選用了優質的Q11、 Q10冷軋晶粒取向硅鋼片,淘汰熱軋的D44等硅鋼片,結合結構設計的改進使空載扭耗降低40%。 [5] 
(2)優化設計和改進工藝
從結構設計和製造工藝入手改善變壓器的損耗特徵,是製造廠的主要研究課題。電子計算機應用於變壓器設計,為設計工作開拓了廣闊的前景,可在理想的銅(電磁線 )鐵(硅鋼片)比例下,以損耗最低和銅鐵耗量最少為設計 目標。使優質材料和優化設計的曲線相交於一點,從而獲得最佳效果。鐵心結構由原來的直接縫改為半直半斜和全斜接縫,則是結構設計的突破性改進,可使晶粒取向硅鋼片(即目前廣泛應用的Q10、Q11)在鐵心接縫區的導磁方向得到緩和,降低了空載損耗。 [5] 

變壓器國家政策

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變壓器是輸配電的基礎設備,廣泛應用於工業、農業、交通、城市社區等領域。我國在網運行的變壓器約1700萬台,總容量約110億千伏安。變壓器損耗約佔輸配電電力損耗的40%,具有較大節能潛力。為加快高效節能變壓器推廣應用,提升能源資源利用效率,推動綠色低碳和高質量發展,2021年1月,工業和信息化部、市場監管總局、國家能源局聯合制定了《變壓器能效提升計劃(2021-2023年)》 [2] 
參考資料