電力變壓器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).doc

電力變壓器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（講義）1變壓器的基本結(jié)構(gòu)與分類1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu) 變壓器是一種改變交流電源的電壓、電流而不改變頻率的（靜止）電氣設(shè)備。它在相同頻率下，通過(guò)電磁感應(yīng)將一個(gè)系統(tǒng)的交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為至少另一個(gè)系統(tǒng)的交流電壓和電流并借以傳送電能。因此，變壓器通常應(yīng)具有至少兩個(gè)匝數(shù)（即額定電壓）不相同的繞組，并且分別連接到交流電壓值不相同的至少兩個(gè)系統(tǒng)上。變壓器是一種通過(guò)電磁感應(yīng)而工作的交流電氣設(shè)備，因此，它必須具有作為磁路的鐵心；必須具有至少兩個(gè)通常匝數(shù)（即額定電壓）不相同的繞組；由于繞組之間及其對(duì)地存在電位差，因而它必須具有相應(yīng)的絕緣系統(tǒng)等。這就是說(shuō)，鐵心、繞組、絕緣系統(tǒng)這三個(gè)基本部分，是任何變壓器都不可缺少的組成部分。此外，為了將作為電路的繞組出頭引至外部，就需要相應(yīng)絕緣等級(jí)的變壓器套管；為了使變壓器可以根據(jù)需要而改變繞組的匝數(shù)，就需要分接開關(guān)；為了監(jiān)視變壓器在運(yùn)行中的溫度以及根據(jù)溫度適時(shí)變更變壓器的冷卻狀態(tài)，需要有測(cè)量溫度（甚至測(cè)量繞組溫度）的測(cè)溫元件，并且應(yīng)用測(cè)量的溫度來(lái)控制冷卻系統(tǒng)的不同運(yùn)行方式（如果有）或報(bào)警；為了變壓器的安全運(yùn)行，還需要其他一些必要的測(cè)量與保護(hù)器件等。對(duì)于油浸式變壓器而言，需要作為冷卻介質(zhì)的變壓器油以及作為盛油容器的油箱，并在油箱上安裝所需的附件及冷卻系統(tǒng)。為了調(diào)節(jié)變壓器油在運(yùn)行中由于溫度變化而引起的體積變化，就需要儲(chǔ)油柜。一些有載調(diào)壓變壓器，還裝設(shè)了在線的有載開關(guān)濾油裝置；一些油浸式變壓器，還裝設(shè)了在線的滅火裝置、油中氣體分析裝置、局部放電監(jiān)測(cè)裝置等。在油浸式變壓器中，變壓器油除了作為冷卻介質(zhì)外，它也是一種良好的絕緣材料。毫不夸張地說(shuō)，交流電得到廣泛應(yīng)用得益于變壓器。因此，變壓器在現(xiàn)代人類社會(huì)中得到了廣泛的應(yīng)用。1.2變壓器的分類變壓器的分類有多種方法：按照用途不同可以分為電力用變壓器、工業(yè)用變壓器以及其他特種用途的變壓器；按照變壓器繞組與鐵心的冷卻介質(zhì)不同可以分為油浸式變壓器與干式變壓器；按變壓器鐵心結(jié)構(gòu)型式的不同可以分為心式變壓器與殼式變壓器；按照變壓器調(diào)壓方式的不同可以分為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器與有載調(diào)壓變壓器；按照一臺(tái)變壓器中的繞組相數(shù)不同可以分為三相變壓器與單相變壓器；按照變壓器不同電壓等級(jí)的繞組數(shù)量不同可以分為雙繞組變壓器與多繞組變壓器；按照變壓器不同電壓等級(jí)的繞組之間是否具有公共部分，可以分為獨(dú)立繞組變壓器與自耦變壓器等。2電力用變壓器的基本特點(diǎn)與基本結(jié)構(gòu) 電力用變壓器是指在電力系統(tǒng)中使用的各類變壓器，它包括發(fā)電廠使用的、輸電系統(tǒng)使用的、配電系統(tǒng)使用的各種類型的變壓器。2.1發(fā)電廠用變壓器基本特點(diǎn)與基本結(jié)構(gòu)一般而言，發(fā)電廠使用的變壓器有三種，即發(fā)電機(jī)變壓器（電廠通常稱為主變壓器），發(fā)電廠自用電變壓器（廠用電變壓器）與發(fā)電廠自用電備用變壓器（高壓廠用變壓器）。發(fā)電機(jī)變壓器通常為獨(dú)立繞組的雙繞組變壓器，只是在少數(shù)電廠在采用兩機(jī)一變的情況下才使用低壓繞組雙分裂的雙繞組變壓器（例如天生橋水電站等）。毫無(wú)例外的是：發(fā)電機(jī)變壓器的高壓側(cè)電壓為所連接系統(tǒng)的電壓，低壓側(cè)電壓為發(fā)電機(jī)的額定電壓。大多數(shù)發(fā)電機(jī)變壓器的高壓繞組采用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式，只有極少數(shù)發(fā)電機(jī)變壓器采用有載調(diào)壓方式，但也有少數(shù)發(fā)電機(jī)變壓器不采用任何調(diào)壓方式。本資料的第4.5節(jié)中還將簡(jiǎn)單涉及變壓器具有調(diào)壓裝置的一些基本問(wèn)題。大型發(fā)電機(jī)變壓器既有三相變壓器，也有由單相變壓器組成的三相變壓器組。一般而言，300mw左右及以下的發(fā)電機(jī)均采用三相變壓器；500mw及以上的發(fā)電機(jī)既有采用三相變壓器的，也有采用三相變壓器組的，但大多數(shù)用戶選擇由單相變壓器組成三相變壓器組的方式（見附錄a）。在2.3節(jié)中，還將述及三相變壓器與單相變壓器的特點(diǎn)。大型發(fā)電機(jī)變壓器的繞組多采用強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻方式，并采用低噪聲風(fēng)冷卻器作為變壓器的冷卻元件。隨著片式散熱器與風(fēng)機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步，為了減少對(duì)冷卻系統(tǒng)的維護(hù)工作量，也有少量大型發(fā)電機(jī)變壓器采用片式散熱器與風(fēng)機(jī)作為冷卻元件。只有一些大型水力發(fā)電廠，才采用水冷卻器作為變壓器的冷卻元件。發(fā)電機(jī)變壓器不僅負(fù)荷率高，而且低壓側(cè)電流大。防止大電流引線可能引起附近結(jié)構(gòu)件的局部過(guò)熱，在大型發(fā)電機(jī)變壓器設(shè)計(jì)中必須足夠重視。此外，大型發(fā)電機(jī)變壓器的高壓側(cè)出線多采用氣體絕緣系統(tǒng)（gis)與輸電系統(tǒng)相連接；低壓側(cè)出線幾乎無(wú)例外的采用離相式封閉母線與發(fā)電機(jī)相連接，這些因素也構(gòu)成了發(fā)電機(jī)變壓器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。發(fā)電廠自用電變壓器大多數(shù)用戶采用低壓繞組雙分裂的雙繞組變壓器，它的高壓側(cè)為發(fā)電機(jī)的額定電壓，低壓側(cè)的電壓通常為6.3kv。一般，它的高壓繞組具有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓分接開關(guān)（也有極少數(shù)采用有載分接開關(guān)），為了降低變壓器低壓側(cè)的系統(tǒng)遮斷容量等因數(shù)，低壓繞組通常采用雙分裂式結(jié)構(gòu)并為電廠的電氣設(shè)備提供了兩路獨(dú)立的電源。雙分裂的兩個(gè)低壓繞組在鐵心柱上既可以采用軸向布置的所謂軸向分裂式結(jié)構(gòu)，也可以采用幅向布置的幅向分裂式結(jié)構(gòu)。根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，低壓繞組軸向布置的軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)的分裂變壓器要比幅向分裂式結(jié)構(gòu)的制造成本低，但其承受短路的能力往往要比幅向分裂式結(jié)構(gòu)更加難以保證（見2.4節(jié)）。因此，為了提高變壓器的可靠性，我們工廠多年來(lái)一直采用幅向雙分裂式結(jié)構(gòu)來(lái)制造這種變壓器。發(fā)電廠還有一種變壓器稱為廠用電備用變壓器，它是高壓側(cè)接入輸電系統(tǒng)、低壓繞組額定電壓通常為6.3kv、低壓繞組雙分裂的雙繞組變壓器。由于它的高壓繞組通常要求采用有載調(diào)壓方式，如果采用心式結(jié)構(gòu)來(lái)制作這種變壓器，我們一般仍然采用軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)。為了提高此類變壓器承受短路的能力，我們也設(shè)計(jì)、制造過(guò)幾臺(tái)低壓繞組幅向雙分裂的有載調(diào)壓心式變壓器。但由于結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，麻煩的制造工藝使其沒(méi)有普遍推廣。此外，一些用戶出于對(duì)心式結(jié)構(gòu)軸向雙分裂的廠用電備用變壓器承受短路能力的擔(dān)心，他們就采用兩臺(tái)有載調(diào)壓雙繞組變壓器作為發(fā)電廠自用電備用變壓器。關(guān)于雙分裂變壓器的問(wèn)題，還將在2.4接中進(jìn)一步介紹。2.2 電力系統(tǒng)用變壓器的基本特點(diǎn)與基本結(jié)構(gòu)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了我國(guó)交流電力系統(tǒng)的若干額定電壓等級(jí)，例如110kv、220kv、500kv、1000kv。西北地區(qū)還有330kv、750kv等。在額定電壓110kv及以下的電力系統(tǒng)中一般都采用獨(dú)立繞組變壓器，既有雙繞組變壓器，也有三繞組變壓器；既有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器，也有有載調(diào)壓變壓器。在額定電壓330kv及以上電力系統(tǒng)中使用的變壓器，幾乎都是自耦變壓器，絕大多數(shù)采用有載調(diào)壓方式，僅少數(shù)采用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式。而在額定電壓220kv的電力系統(tǒng)中，既有獨(dú)立繞組變壓器，也有自耦變壓器，既有雙繞組變壓器，也有三繞組變壓器；既有無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器，也有有載調(diào)壓變壓器。所謂獨(dú)立繞組變壓器，是指繞組之間無(wú)公共部分的變壓器；所謂自耦變壓器則是至少有兩個(gè)繞組具有公共部分的變壓器。換句話說(shuō)，獨(dú)立繞組變壓器的繞組之間無(wú)電的連接，而自耦變壓器則是至少有兩個(gè)繞組之間有電的連接。系統(tǒng)用變壓器的高-低壓側(cè)引出線，幾乎無(wú)例外的采用油-空氣套管與輸電系統(tǒng)連接。變壓器內(nèi)部的冷卻介質(zhì)（變壓器油）大部分采用強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向流動(dòng)的冷卻方式，容量較小的變壓器采用油自然循環(huán)的冷卻方式；變壓器外部的冷卻介質(zhì)幾乎無(wú)例外的為空氣強(qiáng)迫流動(dòng)冷卻。系統(tǒng)用變壓器往往負(fù)載變化大或者負(fù)載率較低，近些年來(lái)，系統(tǒng)用變壓器的冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)了在一臺(tái)變壓器上采用多重冷卻方式的結(jié)構(gòu)，即一臺(tái)變壓器具有兩種、甚至三種冷卻方式，也就是采用onan/onaf/odaf（或ofaf）冷卻方式，用戶可根據(jù)變壓器的負(fù)荷情況變更不同的冷卻方式。盡管一臺(tái)變壓器采用多重冷卻方式并存會(huì)增加變壓器的造價(jià)，但它既可以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性（降低冷卻系統(tǒng)的電能損耗），也可以在較大程度上減小冷卻系統(tǒng)及其輔機(jī)的維護(hù)、維修工作量。為了方便輸電系統(tǒng)中的電力調(diào)度，一些西方國(guó)家比較廣泛的在輸電系統(tǒng)中采用增壓變壓器和移相變壓器，我們工廠也制造了若干臺(tái)增壓變壓器與移相變壓器供出口。隨著對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求與精細(xì)化管理水平的提高，這類變壓器可能也將在我國(guó)輸電系統(tǒng)中出現(xiàn)。2.3 500kv變壓器的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)本節(jié)將結(jié)合500kv變壓器的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)，對(duì)大型電力變壓器稍為詳細(xì)的介紹。一般而言，在發(fā)電廠與電力系統(tǒng)中使用的500kv變壓器幾乎都是大型變壓器。500kv變壓器通常只有獨(dú)立繞組變壓器與自耦變壓器兩種結(jié)構(gòu)型式，前者一般使用在發(fā)電廠作為發(fā)電機(jī)的升壓變壓器，后者通常使用在系統(tǒng)中作為連接兩個(gè)及以上不同電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)傳輸電能。也有一些500kv自耦變壓器的第三繞組接入無(wú)功補(bǔ)償裝置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率。近幾年來(lái)，一些發(fā)電廠也開始使用容量較小的500kv發(fā)電廠自用電備用變壓器，這自然可以節(jié)省線路的投資（見附錄a）。無(wú)論是500kv發(fā)電機(jī)變壓器還是自耦變壓器，通常均可以制造成三相變壓器或者單相變壓器。同樣，無(wú)論是500kv發(fā)電機(jī)變壓器還是自耦變壓器，既可采用心式結(jié)構(gòu)的變壓器，也可以采用殼式結(jié)構(gòu)的變壓器。盡管我們對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)型式的大變壓器均可生產(chǎn)，但絕大多數(shù)用戶選擇了心式變壓器的結(jié)構(gòu)型式。500kv自耦變壓器：500kv自耦變壓器既可以制造成三相變壓器，也可以制造成單相變壓器。無(wú)論是三相或者是單相500kv自耦變壓器大多選用有載調(diào)壓方式，僅少量用無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式。盡管單相自耦變壓器會(huì)使安裝場(chǎng)地的占地面積大，但大多數(shù)用戶仍選用單相自耦變壓器，這可能與用戶對(duì)變壓器可靠性的考慮以及運(yùn)輸更加方便等因數(shù)有關(guān)。500kv單相自耦變壓器的設(shè)計(jì)自由度比較大，為了提高它的可靠性，許多制造廠將單相自耦變壓器的調(diào)壓繞組布置在旁軛上，這雖然使制造成本有所增加，但可大大簡(jiǎn)化自耦變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)而提高其可靠性。我們除了按照用戶要求與變電站原有變壓器的短路阻抗匹配而采用相應(yīng)的匹配結(jié)構(gòu)外，幾乎無(wú)例外的將500kv單相自耦變壓器的調(diào)壓繞組布置在旁軛上，無(wú)論是有載調(diào)壓還是無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓均如此。布置在旁軛上的調(diào)壓繞組既可以采用公共繞組勵(lì)磁，也可以采用第三繞組勵(lì)磁。顯然，第三繞組的額定電壓比公共繞組的額定電壓低很多，采用第三繞組勵(lì)磁顯然制造成本更經(jīng)濟(jì)，但這會(huì)在調(diào)壓過(guò)程中由于短路阻抗變化較大而使電壓調(diào)整率增大。因此，我們寧可增加制造成本也通常采用公共繞組勵(lì)磁。500kv發(fā)電機(jī)變壓器：對(duì)于大型500kv發(fā)電機(jī)變壓器，無(wú)論是三相變壓器還是單相變壓器，運(yùn)輸重量和運(yùn)輸尺寸是首先要考慮的問(wèn)題。在運(yùn)輸高度與短路阻抗相矛盾時(shí)，無(wú)論三相變壓器還是單相變壓器，一個(gè)既降低運(yùn)輸高度而同時(shí)又降低短路阻抗的有效辦法就是采用雙同心式結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致制造成本的增加。但雙同心式結(jié)構(gòu)不僅可以降低主漏磁通以及由此而引起的渦流損耗，而且還可以在一定程度上降低短路機(jī)械力，使變壓器承受短路的能力提高。為了解決運(yùn)輸質(zhì)量與運(yùn)輸尺寸的制約，特大型變壓器（含自耦變壓器）往往設(shè)計(jì)成由單相變壓器組成的三相變壓器組。單相變壓器盡管增加了制造成本，增加了現(xiàn)場(chǎng)安裝面積，增加了發(fā)電機(jī)變壓器低壓側(cè)的封閉母線外部連接復(fù)雜性。但若變壓器一旦發(fā)生故障，通常僅僅是一相（臺(tái)）變壓器受到影響，在現(xiàn)場(chǎng)具有備用相的情況下，可以很快恢復(fù)供電。除為了解決運(yùn)輸問(wèn)題之外，這也是絕大多數(shù)用戶選擇單相變壓器的一個(gè)原因。實(shí)際上，在500kv變壓器設(shè)計(jì)、制造技術(shù)與運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的今天，即使是選用單相變壓器（含自耦變壓器），用戶也很少再買備用相了（見附錄a）。對(duì)于大型的單相發(fā)電機(jī)變壓器，制造廠既可以采用單柱式結(jié)構(gòu)，也可以采用雙柱式結(jié)構(gòu)。顯然，采用雙柱式結(jié)構(gòu)可以明顯降低變壓器的主漏磁通與變壓器的短路機(jī)械力，同時(shí)也可以降低變壓器中的渦流損耗。當(dāng)然，采用雙柱式結(jié)構(gòu)的單相發(fā)電機(jī)變壓器與采用雙同心式結(jié)構(gòu)一樣，將導(dǎo)致變壓器制造成本的增加，也會(huì)增加變壓器的損耗與重量。應(yīng)當(dāng)指出，單相發(fā)電機(jī)變壓器如果選擇雙柱式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)鐵心柱上的繞組既可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)。當(dāng)繞組采用串聯(lián)方式時(shí)，通常也僅僅是兩柱高壓繞組串聯(lián)，低壓繞組由于電流很大而往往仍然采用兩柱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。雖然兩柱高壓繞組串聯(lián)可以降低制造成本，可以比較容易解決絕緣技術(shù)問(wèn)題，但是，兩柱串聯(lián)的高壓繞組往往結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，特別是在高壓繞組具有調(diào)壓分接時(shí)更是如此。在兩柱高壓繞組結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的情況下串聯(lián)，不僅會(huì)使并聯(lián)的低壓繞組負(fù)載（電流）不對(duì)稱，也會(huì)引起兩柱的漏磁場(chǎng)不對(duì)稱、短路機(jī)械力不相同等等一系列的弊端。無(wú)論是單相發(fā)電機(jī)變壓器或者是自耦變壓器，如果采用雙柱式結(jié)構(gòu)（即采用單相四柱式鐵心），我們歷來(lái)都是采用兩柱的高、低壓繞組均為并聯(lián)的完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即使是額定電壓1000kv的變壓器也如此。這可以消除了上述弊端，提高變壓器運(yùn)行的可靠性。500kv變壓器的繞組結(jié)構(gòu)：所有500kv大型變壓器的高壓繞組均采用我們成熟的、有近三十年成功制造與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的內(nèi)屏蔽-連續(xù)式繞組，這種繞組結(jié)構(gòu)具有十分良好的瞬變電壓分布特性，對(duì)各種瞬變電壓有良好的耐受能力。當(dāng)發(fā)電機(jī)變壓器高壓繞組的出線端與sf6系統(tǒng)連接時(shí)，高壓繞組出線區(qū)域的絕緣進(jìn)行了更進(jìn)一步的加強(qiáng)，使其可耐受不同特性的sf6絕緣系統(tǒng)操作時(shí)的過(guò)電壓，更加確保其可靠性。大型發(fā)電機(jī)變壓器的低壓繞組通常采用雙層螺旋式結(jié)構(gòu)，不僅可以降低大電流引線引起附近結(jié)構(gòu)件的渦流損耗，而且也進(jìn)一步改善了低壓繞組的冷卻狀況。對(duì)于小容量的500kv電廠自用電備用變壓器，盡管其高壓繞組我們?nèi)匀徊捎眉m結(jié)-連續(xù)式結(jié)構(gòu)，但繞組的過(guò)渡區(qū)域我們進(jìn)行了改進(jìn)，使其具有了更好的沖擊電壓分布特性。500kv變壓器的繞組導(dǎo)線材料均采用具有優(yōu)良承受機(jī)械應(yīng)力能力的導(dǎo)線，如果采用連續(xù)換位導(dǎo)線，均采用具有更好機(jī)械動(dòng)穩(wěn)定性的自粘換位導(dǎo)線。導(dǎo)線的匝絕緣全部采用500kv匝絕緣紙，以確保導(dǎo)線匝絕緣的可靠性。所有大型變壓器承受短路的能力，均經(jīng)過(guò)了精心的數(shù)值分析，同時(shí)也在材料選擇及制造過(guò)程中采取了相應(yīng)技術(shù)措施，以確保變壓器具有良好的承受短路力的能力。500kv變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)：500kv大型變壓器的鐵心均采用高導(dǎo)磁冷軋硅鋼板制作，采用全斜接縫鐵心結(jié)構(gòu)，并具有足夠的冷卻油道，使鐵心溫升的計(jì)算值不超過(guò)30k。大型變壓器的鐵心片通常采用全斜接縫六級(jí)步進(jìn)搭接結(jié)構(gòu)，這不僅可以進(jìn)一步降低空載損耗，也可進(jìn)一步空載電流與變壓器的噪聲。鐵心拉板材料的選用、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括鐵心外層一定厚度的硅鋼片的結(jié)構(gòu)，均是經(jīng)過(guò)精心的漏磁場(chǎng)分析結(jié)果來(lái)確定，使鐵心及其結(jié)構(gòu)件無(wú)局部過(guò)熱之虞。為了進(jìn)一步降低變壓器的噪聲，一些大型變壓器的鐵心還采取了減震措施。500kv變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)在變壓器設(shè)計(jì)中應(yīng)用的突出優(yōu)勢(shì)之一就是進(jìn)行場(chǎng)分析，包括電場(chǎng)分析、漏磁場(chǎng)分析、溫度場(chǎng)分析、變壓器短路下的受力分析、冷卻油流分布的分析等。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還廣泛用于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化、性能參數(shù)的計(jì)算、圖紙的設(shè)計(jì)等。高電壓變壓器的電場(chǎng)分析技術(shù)可以說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)成熟，三維電場(chǎng)分析技術(shù)甚至更加復(fù)雜的電場(chǎng)分析技術(shù)也已在變壓器設(shè)計(jì)中應(yīng)用，這不僅為變壓器的絕緣設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)，也大大提高了變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性。迄今，500kv變壓器、750kv變壓器、1000kv變壓器的絕緣設(shè)計(jì)已經(jīng)不存在難以克服的困難。在油浸式變壓器的油-紙絕緣結(jié)構(gòu)中，薄紙筒-小油間隙的絕緣結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究、發(fā)展、應(yīng)用了四十多年，已積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與可靠數(shù)據(jù)。而今，幾乎所有變壓器制造廠在油浸式變壓器中都采用薄紙筒-小油間隙的絕緣結(jié)構(gòu)，但不同的變壓器制造廠可能根據(jù)自己的材料狀況、制造技術(shù)等選用了不同的電場(chǎng)強(qiáng)度容許值。我們采用的容許值仍然比較保守，目的是使變壓器在運(yùn)行中、在絕緣強(qiáng)度可能有所降低的情況下仍然能保持足夠的可靠。現(xiàn)在有一句時(shí)髦的話叫細(xì)節(jié)決定成敗，經(jīng)驗(yàn)表明這句話很有道理。對(duì)于無(wú)論甚么樣的變壓器，只要在變壓器設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)不忽視細(xì)節(jié)，不存在細(xì)小的疏忽（瑕疵），充分注意設(shè)計(jì)與制造中影響絕緣強(qiáng)度的因數(shù)，就能確保變壓器絕緣的可靠性。500kv變壓器的冷卻系統(tǒng)：眾所周知，變壓器的絕緣的熱壽命取決于變壓器繞組的熱點(diǎn)溫升。500kv大型變壓器通常采用低噪聲風(fēng)冷卻器，繞組通常采用導(dǎo)向冷卻方式，這不僅可以使變壓器繞組得到了更好的冷卻，也降低了繞組熱點(diǎn)溫升與其平均溫升之間的溫差。特別是對(duì)于通常滿負(fù)荷運(yùn)行的發(fā)電機(jī)變壓器，這可以進(jìn)一步延長(zhǎng)絕緣的熱壽命。在2.2節(jié)中已經(jīng)說(shuō)過(guò)，500kv大型變壓器除采用低噪聲風(fēng)冷卻器外，近些年來(lái)，系統(tǒng)用變壓器由于負(fù)荷波動(dòng)較大，在一臺(tái)變壓器上出現(xiàn)了采用多重冷卻方式的冷卻系統(tǒng)，即一臺(tái)變壓器具有兩種、甚至三種冷卻方式，用戶可按照負(fù)荷狀況調(diào)整冷卻方式。為了降低早年制造的變壓器冷卻系統(tǒng)的噪聲，減少冷卻系統(tǒng)的維護(hù)工作及其電能損耗，我們維修公司還成功的進(jìn)行了數(shù)十臺(tái)大型變壓器的冷卻系統(tǒng)改造，將單一冷卻方式改為雙重、甚至三重冷卻方式，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2.4再論雙分裂變壓器一般電廠的廠用電采用的雙分裂變壓器均為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式，在2.1節(jié)已經(jīng)提到，我們通常采用低壓繞組幅向雙分裂式結(jié)構(gòu)來(lái)制造這類變壓器。現(xiàn)在，一些核電站的廠用雙分裂變壓器選用有載調(diào)壓方式，如果采用低壓繞組幅向雙分裂式結(jié)構(gòu)來(lái)制造，無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步增加它的制造難度。在2.1節(jié)也提到，為了提高有載調(diào)壓雙分裂變壓器承受短路的能力，我們也生產(chǎn)過(guò)幾臺(tái)低壓繞組幅向雙分裂的有載調(diào)壓心式變壓器，但由于其結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，麻煩的制造工藝使其沒(méi)有得到普遍推廣。雙分裂式結(jié)構(gòu)有載調(diào)壓變壓器的麻煩在于，它要求在同一分接下，低壓各支路與高壓繞組之間的短路阻抗在計(jì)算上要盡可能相等，使其在同一分接下，兩個(gè)低壓支路的輸出電壓盡可能相等，這就造成了這種分裂變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜就會(huì)帶來(lái)了制造工藝的麻煩，這雖然可以通過(guò)精心制作來(lái)盡可能的彌補(bǔ)，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)的本身就有可能降低它的可靠性。因此，如果采用心式結(jié)構(gòu)來(lái)制造有載調(diào)壓雙分裂變壓器，一般情況下，我們?nèi)匀徊捎幂S向雙分裂式結(jié)構(gòu)來(lái)制造這類變壓器。統(tǒng)計(jì)表明，雙分裂變壓器的故障率在所有變壓器中較高（見表2-1），特別是在發(fā)生短路故障下往往損壞變壓器。表2-1 雙分裂變壓器的事故統(tǒng)計(jì)（不完全統(tǒng)計(jì)至1990年）1）制造廠軸向分裂廠用/備用幅向分裂廠用/備用總的臺(tái)數(shù)軸向分裂事故臺(tái)次幅向分裂事故臺(tái)次總的事故臺(tái)次沈 變44/282/37733336保 變1/3353/087314西 變6/6/121/1合 計(jì)51/6755/317637441注1）：本表資料摘自國(guó)家能源投資公司1993年編寫大型電力變壓器事故統(tǒng)計(jì)分析匯編。迄今為止，盡管我廠制造的分裂變壓器最多，事故率相對(duì)較低，但仍然是所有變壓器中事故率較高的。盡管世界上絕大多數(shù)變壓器制造廠生產(chǎn)心式結(jié)構(gòu)的變壓器，但還有少數(shù)工廠生產(chǎn)殼式結(jié)構(gòu)的變壓器。實(shí)際上，采用殼式結(jié)構(gòu)可以很容易解決分裂變壓器的短路強(qiáng)度問(wèn)題。我們也生產(chǎn)過(guò)有載調(diào)壓的殼式結(jié)構(gòu)的雙分裂發(fā)電廠自用電備用變壓器，盡管它的制造成本稍高，但順利過(guò)短路試驗(yàn)也證明了它耐受短路能力高的優(yōu)越性。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，殼式結(jié)構(gòu)分裂變壓器具有承受短路能力高的突出優(yōu)越性，目前尚未被人們普遍認(rèn)識(shí)，因而尚未被普遍采用。筆者以為采用殼式變壓器結(jié)構(gòu)來(lái)制造這種變壓器很有優(yōu)勢(shì)，特別是在要求有載調(diào)壓的情況下，采用殼式結(jié)構(gòu)有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。殼式變壓器不僅有繞組分開排列而自然形成分裂式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而且具有突出的承受短路能力好的優(yōu)點(diǎn)，以至于法國(guó)的核電站幾乎無(wú)例外地采用殼式變壓器。殼式變壓器的致命缺點(diǎn)是可維修性差，這大概是諸多變壓器廠不選擇制造殼式變壓器的原因。但生產(chǎn)殼式變壓器的少數(shù)廠家仍然生存得很好，這大概是殼式變壓器具有心式變壓器無(wú)可比擬優(yōu)點(diǎn)的原因。盡管殼式變壓器的可維修性差，但經(jīng)驗(yàn)表明只要設(shè)計(jì)可靠、精心制造可以確保無(wú)虞。與其千方百計(jì)精心制作心式有載調(diào)壓雙分裂變壓器，其承受短路的能力仍然令人擔(dān)心，不如精心制作殼式有載調(diào)壓雙分裂變壓器更加讓人放心。3變壓器的主要材料無(wú)疑，自變壓器問(wèn)世的一百多年，既是人們不斷改進(jìn)變壓器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的一百多年，也是圍繞提高變壓器主要材料性能進(jìn)行研究、改進(jìn)的一百多年。3.1 變壓器鐵心用導(dǎo)磁材料眾所周知，作為變壓器導(dǎo)磁回路的鐵心采用良好的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。無(wú)疑，導(dǎo)磁材料應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)越的導(dǎo)磁性能和很低的損耗。一百多年來(lái)，人們從使用薄鐵板到熱軋硅鋼板是一個(gè)飛躍。到20世紀(jì)40年代美國(guó)開發(fā)出了晶粒取向的冷軋硅鋼板，使鐵心材料的磁通密度大可提高、單位質(zhì)量的損耗也大為降低又是一個(gè)飛躍。20世紀(jì)70年代，日本開發(fā)出了晶粒取向高導(dǎo)磁冷軋硅鋼板進(jìn)一步降低了變壓器的鐵心損耗與空載（勵(lì)磁）電流，并可適當(dāng)提高了工作磁通密度。現(xiàn)代變壓器的鐵心幾乎毫無(wú)例外的都采用晶粒取向高導(dǎo)磁冷軋硅鋼板來(lái)制造。20世紀(jì)80年代，又出現(xiàn)了采用激光刻痕的高導(dǎo)磁冷軋硅鋼板，其鐵心損耗又可降低6%左右，由于其價(jià)格關(guān)系，目前僅在一些特殊場(chǎng)合下采用。為了降低渦流損耗，硅鋼板的厚度也在不斷減薄，從0.5mm厚的熱軋硅鋼板到0.35mm、0.30mm、0.27mm、0.23mm甚至更薄的冷軋硅鋼板。當(dāng)然，硅鋼板的厚度要兼顧使用的經(jīng)濟(jì)性、合理性、必要性、鐵心的制造技術(shù)以及疊片因數(shù)等來(lái)選擇。與此同時(shí)，鐵心的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)（含其制造設(shè)備）也在不斷改進(jìn)。由于冷軋硅鋼板導(dǎo)磁性能的各向異性，出現(xiàn)了全斜接縫的鐵心結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而又出現(xiàn)了全斜接階梯（步進(jìn)）搭接接縫的鐵心結(jié)構(gòu)。后者不僅可以降低鐵心損耗，而且可以進(jìn)一步降低空載電流，使鐵心性能進(jìn)一步提高，但必須采用專用設(shè)備來(lái)生產(chǎn)。隨著鐵心材料的質(zhì)量提高、鐵心加工工藝的改進(jìn)，也附帶降低了變壓器的噪聲。至于非金合金、微晶鋼板等，由于材料的尺寸、加工工藝以及它的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在僅在少量小型變壓器生產(chǎn)中采用。目前，我國(guó)變壓器行業(yè)使用的硅鋼板絕大部分靠進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)品不能滿足需求，我們工廠的硅鋼板幾乎全是進(jìn)口材料。3.2 變壓器繞組用導(dǎo)電材料變壓器繞組導(dǎo)線幾乎無(wú)例外的采用銅導(dǎo)線，這是由于工業(yè)用金屬材料中不僅銅的電導(dǎo)率最高，而且具有良好的力學(xué)性能，價(jià)格也不是很貴。由于銅材是塑性材料，受機(jī)械力后僅在極小的范圍內(nèi)屬于彈性變形。為了提高其機(jī)械強(qiáng)度，人們研制出了機(jī)械強(qiáng)度更高的半硬銅導(dǎo)線。現(xiàn)代大型變壓器中幾乎都是采用半硬銅導(dǎo)線來(lái)制造變壓器繞組，并在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)變壓器在突發(fā)短路最嚴(yán)重情況下的繞組導(dǎo)線機(jī)械應(yīng)力的分析結(jié)果，選用不同品級(jí)的半硬銅導(dǎo)線來(lái)制造變壓器繞組。半硬銅導(dǎo)線的品級(jí)采用（以前曾用）來(lái)表征，是指當(dāng)導(dǎo)線上的負(fù)荷持續(xù)增加到按非比例拉伸達(dá)到計(jì)量長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的拉伸應(yīng)力。眾所周知，處于變壓器漏磁場(chǎng)中的導(dǎo)電材料包括銅導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生渦流電流與相應(yīng)的渦流損耗，渦流損耗的大小與垂直于漏磁場(chǎng)方向?qū)w尺寸的平方成比例。為了降低渦流損耗，人們力圖減小導(dǎo)線垂直于漏磁場(chǎng)方向的尺寸，并且盡可能消除并聯(lián)導(dǎo)線間的環(huán)流損耗，從而研制出了連續(xù)換位導(dǎo)線。為了彌補(bǔ)導(dǎo)線尺寸減小后曲屈強(qiáng)度的降低，人們又研制出了自粘換位導(dǎo)線?，F(xiàn)代大型變壓器中采用的導(dǎo)線都是采用有值要求的銅導(dǎo)線或連續(xù)換位銅導(dǎo)線，采用的換位導(dǎo)線無(wú)例外都是自粘連續(xù)換位導(dǎo)線。我們使用的變壓器繞組導(dǎo)線除了少量進(jìn)口外，主要由國(guó)內(nèi)供貨。3.3 油浸式變壓器用絕緣材料油浸式變壓器的絕緣材料同樣也在不斷改進(jìn)，初期多采用棉纖維材料，現(xiàn)在幾乎都采用純木漿纖維為原料而制作的各種紙制品，特殊變壓器還采用耐熱等級(jí)更高的絕緣材料。油浸式變壓器由變壓器油與固體絕緣材料組成的絕緣系統(tǒng)，對(duì)變壓器運(yùn)行的可靠性無(wú)疑非常重要。它不僅要承受電的作用，還要承受力和熱的作用。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，變壓器的絕緣故障曾是變壓器的主要故障之一，這除了絕緣材料的特性外，設(shè)計(jì)人員對(duì)局部電場(chǎng)強(qiáng)度很難準(zhǔn)確把握應(yīng)當(dāng)是主要原因。而今，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使局部電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算與控制，已經(jīng)迎刃而解。由于絕緣系統(tǒng)在變壓器中的重要性，在變壓器設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行中，都必須足夠重視。無(wú)疑，絕緣材料應(yīng)具有很高的介電強(qiáng)度；其介電系數(shù)應(yīng)盡可能與變壓器油的介電系數(shù)相接近；應(yīng)具有較低的介質(zhì)損耗因數(shù)；應(yīng)使固體絕緣材料中所含導(dǎo)電粒子盡可能的少，并應(yīng)在絕緣系統(tǒng)的生產(chǎn)、加工、使用過(guò)程中盡可能地保持它的潔凈而不被污染。油浸式變壓器中使用的絕緣材料主要有匝絕緣紙、絕緣紙板、層壓絕緣紙板以及由絕緣紙制作的縱紋紙，由紙漿或紙板制作的各種成型絕緣件以及其他特殊用途的絕緣紙等。除了由不漂白的木漿為原料制作的絕緣材料外，在電場(chǎng)強(qiáng)度較低的區(qū)域，也常采用穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高的層壓木制品作為支撐用絕緣材料，作為繞組端部的墊板或壓板等等。以純凈木漿為原料制作的絕緣材料及層壓木板無(wú)疑是油浸式變壓器中很好的絕緣材料，但它容易吸潮、容易受到污染，因此不宜在干式變壓器中應(yīng)用。對(duì)于干式變壓器的絕緣材料，瑞士杜邦公司研制出了芳烴聚酰胺紙及其紙板，其商業(yè)名稱為nomex，它既耐高溫，也不怕吸潮，并且還可以在需要耐溫等級(jí)較高的特殊用途的油浸式變壓器中應(yīng)用。從變壓器誕生至上世紀(jì)60年代的幾十年間，變壓器基本上采用半理論半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，那時(shí)變壓器的絕緣故障率較高。計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，特別是計(jì)算機(jī)在變壓器設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，一些用手工難以計(jì)算的問(wèn)題也可以迎刃而解。例如，繞組在沖擊電壓（大氣過(guò)電壓）下的瞬態(tài)分析、電場(chǎng)的分析、漏磁場(chǎng)的分析等等。對(duì)電場(chǎng)的詳細(xì)分析，不僅為提高變壓器絕緣結(jié)構(gòu)的可靠性提供了可靠依據(jù)，也為絕緣結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與可靠性設(shè)計(jì)、成型絕緣件的合理采用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，從而大大降低了變壓器的絕緣故障，提高了變壓器的可靠性。我們使用的油浸式變壓器絕緣材料，絕大部分都靠進(jìn)口。330kv及以上變壓器的絕緣紙板等幾乎全部進(jìn)口，主要由瑞士、瑞典等國(guó)供貨。4 變壓器的設(shè)計(jì) 隨著變壓器制造業(yè)的發(fā)展，變壓器的設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷進(jìn)步、不斷發(fā)展。變壓器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)必須滿足所依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與用戶訂貨合同中的技術(shù)要求，向用戶提供高可靠性的變壓器。4.1 變壓器依據(jù)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)交流電能的廣泛應(yīng)用離不開變壓器，電能已深入到人類社會(huì)的每一個(gè)角落，變壓器的應(yīng)用也無(wú)所不在。顯然，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電壓等級(jí)、試驗(yàn)電壓以及基本的技術(shù)要求等等，變壓器產(chǎn)品、各種電氣產(chǎn)品將難以廣泛生產(chǎn)、難以廣泛通用。變壓器制造廠如果面對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，就必須按照國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)變壓器；在經(jīng)濟(jì)聯(lián)系日益全球化的今天，我們提供給國(guó)際市場(chǎng)的變壓器則必須遵循大家共同遵守的、先進(jìn)的、具有前瞻性的相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，遵循采購(gòu)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)際電工委員會(huì)（iec）有關(guān)變壓器的一系列標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)化國(guó)家共同約定的基本準(zhǔn)則，它涉及變壓器的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)行等等諸多方面的基本技術(shù)要求。按照國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)變壓器，無(wú)疑是變壓器產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)的基本要求。通常，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)當(dāng)比國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的要求低；工廠標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)當(dāng)比國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求低。我國(guó)的變壓器標(biāo)準(zhǔn)是率先采用國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品之一，它等效采用了國(guó)際電工委員會(huì)（iec）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況規(guī)定了一些新的要求，或者提出了更高的要求。凡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際電工委員會(huì)（iec）標(biāo)準(zhǔn)不相同的地方，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中都以注釋的形式進(jìn)行了采用說(shuō)明。4.2 大型變壓器的主要特點(diǎn)與中、小型變壓器相比，一般而言，大型變壓器有如下主要特點(diǎn)：a 通常高壓側(cè)的電壓高，絕緣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；b 短路阻抗比較大，在調(diào)壓過(guò)程中，希望短路阻抗的變化范圍盡可能的小；c 系統(tǒng)用大型變壓器，往往采用有載調(diào)壓方式進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，這就進(jìn)一步增加了變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性；d 或者承擔(dān)大范圍的負(fù)荷，或者承擔(dān)大型發(fā)電機(jī)的輸出，因而大型變壓器應(yīng)當(dāng)具有更高的可靠性；e 運(yùn)輸重量與運(yùn)輸尺寸往往受到限制。對(duì)于大型發(fā)電機(jī)變壓器，設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意以下特點(diǎn)：由于低壓側(cè)電流很大，應(yīng)注意其引線的連接及大電流引線漏磁場(chǎng)引起的問(wèn)題；由于負(fù)載率高（幾乎總是滿負(fù)荷運(yùn)行），應(yīng)注意空載損耗與負(fù)載損耗的比值并盡可能提高變壓器的效率；為了調(diào)節(jié)功率因數(shù)而有可能改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁時(shí)，變壓器應(yīng)當(dāng)具有必要的過(guò)勵(lì)磁能力。此外，大型發(fā)電機(jī)變壓器還應(yīng)當(dāng)能承受突然甩負(fù)荷時(shí)可能出現(xiàn)的過(guò)電壓等問(wèn)題。4.3 大型變壓器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在中、小型變壓器的設(shè)計(jì)中并不令人十分擔(dān)心的電場(chǎng)問(wèn)題、漏磁場(chǎng)問(wèn)題以及局部過(guò)熱問(wèn)題，在大型變壓器的設(shè)計(jì)中卻對(duì)它們十分關(guān)心。可以說(shuō)，對(duì)于電場(chǎng)、漏磁場(chǎng)的精心分析與盡可能的準(zhǔn)確把握，并避免局部過(guò)熱是提高大型變壓器設(shè)計(jì)可靠性的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)電場(chǎng)分析：準(zhǔn)確把握變壓器各個(gè)部位在各種過(guò)電壓（大氣過(guò)電壓、操作過(guò)電壓、工頻過(guò)電壓）下所發(fā)生的電場(chǎng)強(qiáng)度及該部位絕緣結(jié)構(gòu)的耐受能力（容許電場(chǎng)強(qiáng)度），準(zhǔn)確把握變壓器繞組承受雷電沖擊電壓的特性與繞組間傳遞過(guò)電壓，掌握各個(gè)部位在各種過(guò)電壓作用下的絕緣強(qiáng)度的裕度。盡可能降低變壓器在的局部放電的視在放電量，對(duì)提高變壓器絕緣設(shè)計(jì)的可靠性是十分重要的一個(gè)方面。通過(guò)漏磁場(chǎng)分析：計(jì)算繞組中由漏磁通引起的渦流損耗及其分布，從而計(jì)算繞組中的損耗分布及溫升；確定漏磁場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)采取的結(jié)構(gòu)措施與屏蔽措施，不僅是為了降低大型變壓器的結(jié)構(gòu)損耗，更是避免變壓器可能發(fā)生局部過(guò)熱的必要措施；計(jì)算變壓器繞組及結(jié)構(gòu)件承受短路的能力，確保大型變壓器的可靠性也是十分重要的又一個(gè)方面。對(duì)于超高壓大容量變壓器由于高低壓繞組間絕緣距離的增加導(dǎo)致短路阻抗的增大，為了獲得用戶需要的短路阻抗，可以增大繞組的軸向高度來(lái)補(bǔ)償，但變壓器高度的增加可能會(huì)受到運(yùn)輸尺寸的限制。這時(shí)，一個(gè)降低運(yùn)輸高度而同時(shí)又降低短路阻抗的有效辦法就是采用雙同心式結(jié)構(gòu)，盡管這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致制造成本增加，但還可以提高變壓器承受短路的能力。順便指出，變壓器制造廠的變壓器設(shè)計(jì)必須與相應(yīng)的制造工藝相匹配，必須與使用的主要材料相匹配，才能制造出高質(zhì)量、高可靠性的好變壓器。4.4 數(shù)值計(jì)算技術(shù)在變壓器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算與分析，已在變壓器設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。在變壓器設(shè)計(jì)中，從變壓器的設(shè)計(jì)方案選擇（優(yōu)化）到參數(shù)計(jì)算幾乎都應(yīng)用計(jì)算機(jī)完成。雖然變壓器的原理簡(jiǎn)單，但是由于邊界條件復(fù)雜、相互影響因數(shù)很多、材料性能的分散性等，因而在變壓器設(shè)計(jì)中的許多計(jì)算（無(wú)論用何種方法計(jì)算）都是近似計(jì)算。因此，使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算就必須要有可靠的計(jì)算程序，這些計(jì)算程序必須是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)而證明可靠。此外，一些性能參數(shù)、特性的計(jì)算分析結(jié)果，還應(yīng)當(dāng)根據(jù)制造廠的經(jīng)驗(yàn)留有充分的裕度。正是因?yàn)橐恍┬阅軈?shù)的計(jì)算是近似計(jì)算，因此，變壓器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)若干性能參數(shù)都規(guī)定了容許偏差，例如損耗、空載電壓比、短路阻抗、空載電流等。當(dāng)然，一些用戶出于與原有變壓器并聯(lián)運(yùn)行的需要，對(duì)短路阻抗提出的偏差要求可能比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。為了滿足性能參數(shù)的容許偏差，制造廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與可靠的計(jì)算程序就顯得相當(dāng)重要。無(wú)論國(guó)內(nèi)、外變壓器制造廠，計(jì)算機(jī)程序通常分為設(shè)計(jì)計(jì)算程序與分析研究程序兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)計(jì)算程序一般都是專用程序，主要用于變壓器的參數(shù)計(jì)算與結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算，例如變壓器的短路阻抗計(jì)算、損耗計(jì)算、溫升計(jì)算、短路電流計(jì)算、噪聲計(jì)算、鐵心片尺寸計(jì)算等等；分析研究程序既有專用程序也有商用程序，主要用于變壓器中一些專門問(wèn)題的分析，例如變壓器繞組中的大氣過(guò)電壓分布分析、電場(chǎng)分析、漏磁場(chǎng)分析、變壓器承受短路能力分析、繞組中渦流損耗分布分析、繞組的熱點(diǎn)溫升計(jì)算等。對(duì)變壓器承受大氣過(guò)電壓能力的分析、電場(chǎng)分析、漏磁場(chǎng)分析、變壓器承受短路的能力分析、繞組中渦流損耗分布分析、繞組的熱點(diǎn)溫升計(jì)算等，是保證高電壓、大容量變壓器設(shè)計(jì)可靠性必不可少的環(huán)節(jié)，結(jié)合工廠制造技術(shù)而進(jìn)行的變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)械強(qiáng)度分析也是保證制造質(zhì)量、保證可靠性的重要環(huán)節(jié)。對(duì)變壓器承受大氣過(guò)電壓能力的分析，涉及繞組縱絕緣的可靠性，涉及繞組承受沖擊電壓的能力與沖擊爬電強(qiáng)度的可靠性。通過(guò)分析可以合理選擇繞組的結(jié)構(gòu)型式，確定繞組的匝絕緣厚度與線餅之間的絕緣尺寸，確定繞組各部位的爬電強(qiáng)度等。對(duì)變壓器各部位在各種試驗(yàn)電壓下的電場(chǎng)分析，嚴(yán)格控制各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度，是確保變壓器的繞組間、繞組的端部、引線間、引線對(duì)地等部位絕緣結(jié)構(gòu)可靠的手段。容許電場(chǎng)強(qiáng)度以局部放電的起始電場(chǎng)強(qiáng)度為基礎(chǔ)，除控制了變壓器局部放電的視在放電量外，也使絕緣更加可靠。經(jīng)驗(yàn)表明，始終保持絕緣件的清潔，絕緣件加工的尺寸控制，使制成品符合設(shè)計(jì)計(jì)算中電場(chǎng)分析的形狀要求，對(duì)滿足變壓器試驗(yàn)及運(yùn)行的可靠性相當(dāng)重要。對(duì)變壓器的漏磁場(chǎng)分析在大型變壓器的設(shè)計(jì)中十分重要。因?yàn)槁┐艌?chǎng)不僅在繞組的導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流損耗，也會(huì)在漏磁場(chǎng)區(qū)域的金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生渦流損耗。由于漏磁通密度在各處不同，引起的渦流損耗分布很不均勻，由于漏磁場(chǎng)引起的、分布不均勻的渦流損耗是變壓器可能產(chǎn)生局部過(guò)熱的主要原因之一。通過(guò)漏磁場(chǎng)的分析不僅可以合理的設(shè)計(jì)漏磁場(chǎng)的屏蔽結(jié)構(gòu)，降低漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生的損耗；在漏磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上計(jì)算繞組中的渦流損耗及其分布，從而計(jì)算繞組的平均溫升與熱點(diǎn)溫升；還可以在漏磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算變壓器在最嚴(yán)重情況下突發(fā)短路時(shí)的繞組導(dǎo)線應(yīng)力與軸向、幅向電磁機(jī)械力等。為了提高變壓器設(shè)計(jì)的可靠性、特別是絕緣結(jié)構(gòu)中絕緣強(qiáng)度允許值的可靠性，人們不得不作大量的試驗(yàn)研究工作；同時(shí)，隨著變壓器容量的增大、電壓的提高，一些復(fù)雜的、在容量較小的變壓器中不太突出的技術(shù)問(wèn)題也往往顯得很突出，需要進(jìn)行細(xì)致的仿真分析或試驗(yàn)研究。所有的仿真分析與試驗(yàn)研究結(jié)果，往往還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行綜合的試驗(yàn)驗(yàn)證才能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用，并在使用中不斷完善。這就是說(shuō)，一個(gè)大型變壓器制造廠，持續(xù)不斷地進(jìn)行技術(shù)研究與開發(fā)是必不可少的。4.5 變壓器的調(diào)壓及其影響為了補(bǔ)償變壓器的電壓調(diào)整率與電網(wǎng)電壓的變化、防止變壓器出現(xiàn)不容許的過(guò)勵(lì)磁；為了控制系統(tǒng)的無(wú)功流向以及適應(yīng)系統(tǒng)將來(lái)的發(fā)展，許多變壓器往往具有分接開關(guān)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。無(wú)疑，采用分接開關(guān)后會(huì)增加變壓器的成本與變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。因而從可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，要盡量避免使用分接開關(guān)。即使不可避免要采用分接開關(guān)，也應(yīng)當(dāng)將分接的調(diào)壓范圍盡可能降到符合使用要求的最小范圍。變壓器使用分接開關(guān)后，不僅增加了變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，變壓器的短路阻抗、負(fù)載損耗也將隨著分接位置不同而變化；在采用調(diào)壓線段來(lái)改變繞組匝數(shù)時(shí)，不可避免的會(huì)改變繞組間的磁勢(shì)平衡狀況，使變壓器在不同分接下短路時(shí)產(chǎn)生的不平衡電磁機(jī)械力也不相同；如果在自耦變壓器中采用變磁通調(diào)壓，不僅會(huì)使鐵心中的磁通密度在調(diào)壓過(guò)程中發(fā)生變化而使空載損耗變化，同時(shí)，也會(huì)在調(diào)壓過(guò)程中引起第三繞組（如果有）的電壓波動(dòng)。毫無(wú)疑問(wèn)，如果對(duì)變壓器增加分節(jié)開關(guān)后的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性處理不當(dāng)，不僅將降低變壓器的可靠性，而且，分接開關(guān)本身也將可能成為故障源。 變壓器的調(diào)壓可以分為無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓與有載調(diào)壓兩種方式：無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓方式一般用于調(diào)壓范圍小、分接級(jí)數(shù)少的場(chǎng)合，它必須在變壓器脫離電源（無(wú)勵(lì)磁）的情況下改變分接位置。相對(duì)而言，無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓變壓器在調(diào)壓過(guò)程中的短路阻抗與負(fù)載損耗變化較小。有載調(diào)壓方式則可以帶負(fù)荷調(diào)壓，一般有載調(diào)壓方式用于調(diào)壓范圍較大、分接級(jí)數(shù)較多的場(chǎng)合，通常在調(diào)壓過(guò)程中的短路阻抗與負(fù)載損耗變化也較大。采用有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)電壓時(shí)，既可以采用正、反調(diào)壓，也可以采用線性調(diào)壓。變壓器設(shè)計(jì)師通常會(huì)在保證變壓器可靠性的前提下，盡可能將短路阻抗的變化降低到最小程度來(lái)設(shè)計(jì)調(diào)壓方式與調(diào)壓繞組的布置位置。至于調(diào)壓過(guò)程中的損耗變化，設(shè)計(jì)師會(huì)以調(diào)壓過(guò)程中最大可能產(chǎn)生的損耗來(lái)設(shè)計(jì)變壓器的冷卻系統(tǒng)，從而保證變壓器的溫升在任何情況下都不會(huì)超過(guò)容許值。4.6油浸式變壓器的油流靜電與油流放電對(duì)于高電壓油浸式變壓器，人們比較關(guān)心它的油流靜電與油流放電。油浸式變壓器中的油流靜電與油流放電，與變壓器中、特別是繞組中油的流動(dòng)速度關(guān)系十分密切。不同的冷卻方式的油浸式變壓器，繞組中油的流動(dòng)速度大不相同。嚴(yán)格地說(shuō)，變壓器油只要流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生電荷分離而在變壓器中產(chǎn)生帶電粒子。由于固體物質(zhì)、特別是絕緣紙板對(duì)油中負(fù)離子有吸附作用，使絕緣物表面產(chǎn)生負(fù)電荷的積累，變壓器油失去負(fù)離子而帶正電荷，這就是油流靜電現(xiàn)象。換句話說(shuō)，作為冷卻介質(zhì)的變壓器油只要循環(huán)流動(dòng)，固體物質(zhì)表面總會(huì)積累負(fù)電荷，油就會(huì)帶正電荷。隨著油的流動(dòng)產(chǎn)生正、負(fù)電荷的分離的過(guò)程，也伴隨著油的流動(dòng)產(chǎn)生了正、負(fù)電荷的中和與電荷向接地金屬方向逐漸消失（泄放）的過(guò)程，并且在這些過(guò)程中達(dá)到平衡。因此，絕大多數(shù)變壓器在正常運(yùn)行中，盡管有電荷分離與積累，但也有電荷的中和與泄放（形成泄漏電流），因而并不會(huì)產(chǎn)生油流放電。油流靜電與油流放電問(wèn)題在世界上已經(jīng)研究了近30年，但至今人們對(duì)油流靜電與放電機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍然很膚淺，而且沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。許多工作則側(cè)重于研究影響油流靜電的主要因數(shù)及防止油流放電的措施方面，即著重于工程應(yīng)用方面的研究。研究表明，影響油流靜電程度的主要因數(shù)有：油的流動(dòng)速度、油的溫度、油的品質(zhì)（油的老化程度、含水量、固有電阻值、固體物質(zhì)的顆粒度等）、流道中固體絕緣表面粗糙狀況以及變壓器電壓高低的影響等。繞組內(nèi)部油的流動(dòng)速度對(duì)油流靜電的影響最為明顯，因而人們最為關(guān)心的就是強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻（odaf）方式的高電壓變壓器油流靜電與油流放電問(wèn)題。其他冷卻方式的變壓器，繞組內(nèi)部油的流動(dòng)速度要比強(qiáng)迫油循環(huán)導(dǎo)向冷卻情況低得多。在繞組內(nèi)部油的流動(dòng)速度較低的情況下，盡管有電荷分離與積累，但同時(shí)也有電荷泄放與中和，因而并不會(huì)產(chǎn)生油流放電。油流速度對(duì)油流靜電的影響又與油的溫度、油的品質(zhì)、流道長(zhǎng)度及流道中固體物質(zhì)的表明狀況等因數(shù)有關(guān)。因而，不同的研究者不僅得到的結(jié)論不完全相同，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散范圍也較大。一般認(rèn)為，變壓器油在其運(yùn)行溫度下，油流靜電的積累與流速的24次方成比例；當(dāng)油的溫度更低時(shí)，這個(gè)指數(shù)將變小甚至與流速成正比。因此，防止油流放電的有效方法就是控制油在繞組及絕緣物油道中的流動(dòng)速度。運(yùn)行中注意維護(hù)油的品質(zhì)（防止受潮與雜質(zhì)污染），有助于防止變壓器的油流放電。在高電壓大型變壓器設(shè)計(jì)中，我們仔細(xì)分析并控制了油在變壓器內(nèi)部各部位的流動(dòng)速度，控制的油流速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可能危及變壓器安全運(yùn)行的流動(dòng)速度。即使是計(jì)算與制造上會(huì)有一定偏差，也不會(huì)危及變壓器的安全運(yùn)行。5變壓器的常見故障分析就“大型電力變壓器的故障分析”而言，已經(jīng)有不少專著出版。這里僅就常見故障作些介紹，有興趣的工程師可結(jié)合自己的工作通過(guò)專著進(jìn)一步深入研究。電力變壓器的故障可以有多種分類方法，我們姑且將變壓器在設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)等方面的缺陷而引起的常見故障分為突發(fā)性的絕緣故障（事故）、過(guò)熱性故障、放電性故障和附件故障（套管、分接開關(guān)等的故障）四大類。這里，主要講設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)等方面的缺陷引發(fā)的常見故障。5.1突發(fā)性的絕緣故障（事故） 突發(fā)性的絕緣故障，往往會(huì)造成事故。例如，繞組的導(dǎo)線匝間短路、線餅之間短路、繞組間的絕緣擊穿以及引線間及引線對(duì)地的絕緣擊穿；高電場(chǎng)區(qū)域較嚴(yán)重的局部放電引起沿絕緣紙板樹枝狀放電或者對(duì)地絕緣擊穿等。 突發(fā)性的絕緣故障有可能是先天性的缺陷造成的，例如變壓器的使用材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝（含裝配工藝）等留下了先天性的局部缺陷；也有可能是后天性的原因造成的，例如變壓器在現(xiàn)場(chǎng)裝配、維修過(guò)程中，在維護(hù)中引起的局部缺陷等。 先天性的局部缺陷包括加工過(guò)程中引起匝絕緣的局部破損、電場(chǎng)控制不當(dāng)引起的局部電場(chǎng)集中等；后天性的原因如現(xiàn)場(chǎng)裝配中引起油-紙電容式套管頭部（通俗稱將軍帽）密封不良而進(jìn)水引起繞組絕緣的局部受潮、早期有安全氣道密封不良而進(jìn)水引起繞組絕緣局部受潮、密封不良引起運(yùn)輸與保管過(guò)程中固體絕緣嚴(yán)重受潮等。因此，運(yùn)輸與保管中、安裝與維護(hù)中防止絕緣可能的受潮，維護(hù)好變壓器油的品質(zhì)（控制器含水量、含氣量，通過(guò)對(duì)變壓器油的過(guò)濾等處理恢復(fù)其絕緣強(qiáng)度）也相當(dāng)重要。 目前，大型電力變壓器幾乎都是采用油-紙絕緣結(jié)構(gòu)，其中變壓器油是絕緣結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。新變壓器的絕緣強(qiáng)度是變壓器一生中的最好時(shí)期，盡管在制造廠變壓器通過(guò)了各種試驗(yàn)，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中，變壓器的絕緣將會(huì)因?yàn)橹鸩嚼匣菇^緣強(qiáng)度逐漸下降；或者變壓器在檢修中在無(wú)可靠的防潮措施而又不適當(dāng)?shù)剌^長(zhǎng)時(shí)間暴露在大氣中使絕緣表面受潮致使絕緣強(qiáng)度降低等。一些固有的局部缺陷可能在變壓器特殊運(yùn)行情況下，由于外部因素而引起突發(fā)性故障或事故；一些固有的局部缺陷可能在變壓器正常運(yùn)行情況下逐步演變，成為越來(lái)越嚴(yán)重的缺陷而突然出現(xiàn)故障。例如，繞組導(dǎo)線的匝絕緣局部不完全破損，有可能在變壓器短路時(shí)的短路機(jī)械力作用下而使匝絕緣完全破損，引起繞組的線匝間甚至線餅之間發(fā)生短路；因進(jìn)水而使線圈的絕緣局部受潮并逐步發(fā)展，以至不能承受正常工作電壓等，都可能引發(fā)突發(fā)性的絕緣故障。應(yīng)當(dāng)注意的是，變壓器的固體絕緣材料會(huì)在變壓器運(yùn)行過(guò)程中逐步老化。固體絕緣材料的老化不僅分解出水分和其他氣體，也會(huì)使絕緣材料的體積收縮，從而引起變壓器繞組的預(yù)壓緊力減小，使變壓器承受短路的能力降低。因此，如果有可能，應(yīng)在變壓器正常的維護(hù)時(shí)檢查繞組的預(yù)壓緊情況，例如檢查繞組的壓緊結(jié)構(gòu)的緊固件是否松動(dòng)，必要時(shí)應(yīng)補(bǔ)充壓緊繞組。下面再舉幾個(gè)例子說(shuō)明一下絕緣的故障與事故的問(wèn)題。例如附錄b的表b1的說(shuō)明中提到，保 變的大同電廠聯(lián)絡(luò)變壓器在變壓器安裝時(shí)造成500kv均壓球電位懸浮的問(wèn)題。500kv套管均壓球外部有若干成型絕緣件組成一個(gè)絕緣系統(tǒng)，金屬均壓球被絕緣紙漿覆蓋，其上有引出引線（等電位線）與變壓器引出電纜連接。在安裝500kv穿纜式套管拉出引線電纜時(shí)，不慎將該等電位連接線拉斷而使均壓球懸浮。在安裝后的交接實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)上萬(wàn)微微庫(kù)侖的視在放電量而不得不重新安裝。該聯(lián)絡(luò)變壓器在安裝中還出現(xiàn)過(guò)其他嚴(yán)重問(wèn)題，結(jié)合到元寶山電廠聯(lián)絡(luò)變壓器安裝中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們工廠當(dāng)時(shí)就決定，今后在現(xiàn)場(chǎng)自行安裝500kv變壓器。又如田灣核電站從烏克蘭進(jìn)口的主變壓器，由于凈油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)而在運(yùn)行中使凈油器的硅膠進(jìn)入變壓器的繞組。如果說(shuō)凈油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)是一種疏忽，再加上硅膠罐裝配不當(dāng)?shù)氖韬?，硅膠顆粒中混入鐵屑、焊渣等金屬顆粒的疏忽，以至造成了該變壓器的高壓繞組在正常運(yùn)行中匝間短路，而今已相繼燒毀了三臺(tái)（相）主變壓器。用戶現(xiàn)在已經(jīng)決定新訂購(gòu)兩臺(tái)（相）主變壓器，對(duì)原進(jìn)口的七臺(tái)主變壓器逐步更換所有繞組。我們與三菱公司合作生產(chǎn)大型殼式變壓器中，曾經(jīng)注意到三菱公司部分變壓器套管均壓球部的絕緣設(shè)計(jì)安全裕度偏小，包括附錄表b4中peebles公司等套管的均壓球部的絕緣結(jié)構(gòu)，我們也認(rèn)為其絕緣的強(qiáng)度的安全裕度值均有些偏小，因而在運(yùn)行中表現(xiàn)不佳。套管均壓球的絕緣部位往往存在大油間隙，必須充分估計(jì)到大油間隙的絕緣強(qiáng)度存在較大的分散性，應(yīng)當(dāng)具有更高的絕緣強(qiáng)度裕度。新變壓器的絕緣強(qiáng)度是變壓器一身中的最好時(shí)期，運(yùn)行中的絕緣老化、運(yùn)行中變壓器油含水量與含氣量的增加等，均會(huì)使絕緣強(qiáng)度有所下降。因此，絕緣設(shè)計(jì)需要的足夠安全裕度應(yīng)當(dāng)考慮這些因數(shù)，以保證變壓器運(yùn)行的可靠性。5.2過(guò)熱性故障變壓器中的載流導(dǎo)體、鐵心、結(jié)構(gòu)件都有可能發(fā)生局部過(guò)熱。引起變壓器局部過(guò)熱的先天性因數(shù)較多：例如1）載流導(dǎo)體的接頭焊接不良、采用螺栓連接引線（或接線片）的螺栓防松不當(dāng)使接觸電阻增大、繞組的加包附加絕緣（這種結(jié)構(gòu)早期在其他工廠曾經(jīng)采用）引起局部繞組的線餅溫升過(guò)高等；2）大型變壓器的漏磁場(chǎng)在并聯(lián)的引出線中、甚至結(jié)構(gòu)件中引起環(huán)流等；3）漏磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理使渦流損耗局部集中等；4）鐵心的局部短路、鐵心的多點(diǎn)接地、鐵心的結(jié)構(gòu)不當(dāng)?shù)取＝Y(jié)構(gòu)件發(fā)生