任务二　电力变压器绝缘

一、电力变压器绝缘结构

变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器。在电力系统中，变压器的地位十分重要，要求安全可靠，所以绝缘要求高。

变压器除了应用在电力系统中，还在特种电源的工矿企业中。例如：冶炼用的电炉变压器，电解或化工用的整流变压器，焊接用的电焊变压器，试验用的试验变压器，交通用的牵引变压器以及补偿用的电抗器，保护用的消弧线圈，测量用的互感器等。所以不同场合中的变压器，对绝缘的要求是不同的。

变压器主要结构如图1-3所示，主要包括以下部分。

（1）器身：包括铁芯、绕组、绝缘部件及引线。

（2）调压装置：即分接开关，分为无励磁调压和有载调压。

（3）冷却装置：包括油箱、油枕及散热管等冷却装置。

（4）保护装置：包括安全气道、吸湿器、气体继电器、净油器和测温装置等。

（5）绝缘套管：包括高压绝缘套管、低压绝缘套管。

变压器的铁芯与绕组，铁芯由硅钢片叠成，硅钢片导磁性能好、磁滞损耗小。在铁芯上有A、B、C三相绕组，每相绕组又分为高压绕组与低压绕组，一般在内层绕低压绕组，外层绕高压绕组。图1-4所示左边是高压绕组引出线，右边是低压绕组引出线。如图1-5所示为三相电力变压器内部结构图，如图1-6所示为电力变压器铁芯实物图。

把铁芯与绕组放入箱体，绕组引出线通过绝缘套管内的导电杆连到箱体外，导电杆外面是瓷套管，通过它固定在箱体上，保证导电杆与箱体绝缘。为减小因灰尘与雨水引起的漏电，瓷套管外型为多级伞形。右边是低压绝缘套管，左边是高压绝缘套管，由于高压端电压很高，高压绝缘套管比较长，如图1-7所示。

变压器主要结构的箱体（即油箱）里灌满变压器油，铁芯与绕组浸在油里，如图1-8所示。变压器油比空气绝缘强度大，可加强各绕组间、绕组与铁芯间的绝缘，同时流动的变压器油也帮助绕组与铁芯散热。在油箱上部有油枕，有油管与油箱连通，变压器油一直灌到油枕内，可充分保证油箱内灌满变压器油，防止空气中的潮气侵入。

变压器运行时会发热，绕组和铁芯温度升高，根据A级绝缘，绕组间、绕组与铁芯间的绝缘材料耐受温度一般不能超过95℃，所以油箱外排列着许多散热管，运行中的铁芯与绕组产生的热能使油温升高，温度高的油密度较小上升进入散热管，油在散热管内温度降低密度增加，在管内下降重新进入油箱，铁芯与绕组的热量通过油的自然循环散发出去，如图1-9所示。

一些大型变压器为保证散热，装有专门的变压器油冷却器。冷却器通过上下油管与油箱连接，油通过冷却器内密集的铜管簇，由风扇的冷风使其迅速降温。油泵将冷却的油再打入油箱内，图1-10是一台容量为400000kV·A的特大型电力变压器模型，其低压端电压为20kV，高压端电压为220kV。

采用油冷却的变压器结构较复杂，存在安全性问题。目前，在城市内、大型建筑内使用的变压器已逐渐采用干式电力变压器，变压器没有油箱，铁芯与绕组安装在普通箱体内。干式变压器绕组用环氧树脂浇筑等方法保证密封与绝缘，容量较大的绕组内还有散热通道，大容量变压器并配有风机强制通风散热。由于材料与工艺的限制，目前多数干式电力变压器的电压不超过35kV，容量不大于20000kV·A，大型高压的电力变压器仍采用油冷方式。

电力系统所使用的变压器，其中性点的绝缘结构有两种：一种是全绝缘结构，其特点是中性点的绝缘水平与三相端部出线电压等级的绝缘水平相同，此种绝缘结构主要用于绝缘要求较高的小接地电流接地系统，目前我国40kV及以下电压等级电网均属小电流接地系统，所用的变压器基本是全绝缘结构。另一种是分级绝缘结构，其特点是中性点的绝缘水平低于三相端部出线电压等级的绝缘水平。分级绝缘的变压器主要用于110kV及以上电压等级电网的大电流接地系统。采用分级绝缘的变压器可以使内绝缘尺寸减小，从而使整个变压器的尺寸缩小，这样可降低造价。电气设备中，绝缘投资比较大，为了节省变压器的投资，分级绝缘使靠近中性点的部分绕组的绝缘投资减少，绝缘水平下降，但是中性点电位正常很低，不会造成绝缘击穿，能够满足正常运行要求。而全绝缘是绕组所有部分的绝缘水平是一样的，投资较大。

变压器的绝缘水平也称绝缘强度，是与保护水平以及其他绝缘部分相配合的水平，即耐受电压值，由设备的最高电压Um决定。设备最高电压Um对于变压器来说是绕组最高相间电压有效值，从绝缘方面考虑，Um是绕组可以联结的那个系统的最高电压有效值，因此，Um是可以大于或者等于绕组额定电压的标准值。绕组的所有出线端都具有相同的对地工频耐受电压的绕组绝缘称全绝缘；绕组的接地端或者中性点的绝缘水平较线端低的绕组绝缘称分级绝缘。

绕组额定耐受电压用下列字母代号标志：

LI——雷电冲击耐受电压；SI——操作冲击耐受电压；AC——工频耐受电压。

变压器的绝缘水平是按高压、中压、低压绕组的顺序列出耐受电压值来表示（冲击水平在前）的，其间用斜线分隔开，分级绝缘的中性点绝缘水平加横线列于其线端绝缘水平之后。如：LI850AC360—LI400AC200/LI480AC200—LI250AC95/LI75AC35，其含义为：220kV三侧分级绝缘的主变压器，高压侧引线端雷电冲击耐受电压是850kV，工频耐受电压是360kV，高压侧中性点引线端雷电冲击耐受电压是400kV，工频耐受电压是200kV；中压侧引线端雷电冲击耐受电压是480kV，工频耐受电压是200kV，中压侧中性点引线端雷电冲击耐受电压是250kV，工频耐受电压是95kV；低压侧引线端雷电冲击耐受电压是75kV，工频耐受电压是35kV。

二、变压器分类

变压器的分类有很多种，常用的变压器分类有以下几种。

（1）按冷却方式分类：有自然冷式、风冷式、水冷式、强迫油循环风（水）冷方式、及水内冷式等。由于变压器绕组内容的绝缘材料主要是由绝缘漆和绝缘纸组成的A级绝缘材料，耐受温度不能超过95℃，所以需要对运行中的变压器内部发热绕组进行冷却，其中常见的是油浸式变压器，迫使油循环的油泵安装在变压器底部。

（2）按冷却介质分类：有干式变压器（绝缘介质是空气）、油浸变压器（绝缘介质是变压器油）及SF6气体变压器（绝缘介质是SF6）等。

（3）按中性点绝缘水平分类：有全绝缘变压器、半绝缘（分级绝缘）变压器。

变压器型号包括变压器绕组数、相数、冷却方式、是否强迫油循环、有载或无载调压、设计序号、容量、高压侧额定电压，如：SFPZ9-120000/110指的是三相（双绕组变压器省略绕组数，如果是三绕则前面还有个S）双绕组强迫油循环风冷有载调压，设计序号为9，容量为120000kV·A，高压侧额定电压为110kV的变压器。

电网中各种电气设备绝缘（包括变压器绝缘），在运行中承受长时间的正常工作电压、操作过电压，并在避雷器的保护下承受大气过电压的作用。也就是说，电气设备既要能承受正常工作电压和操作过电压的作用，还应承受避雷器残压的作用，且应有一定的绝缘裕度。

变压器的电气绝缘强度是变压器能否投入电网可靠运行的基本条件之一，变压器中的任何部位如绕组、引线、开关等零部件的绝缘若有损伤，就可能引起整台变压器的损坏，甚至会由此危及整个电网的安全运行。变压器生产出厂时，应具备耐受试验电压的水平，而且有一定的绝缘裕度。变压器出厂试验合格，表明变压器绝缘具备上述水平。

变压器的绝缘可分为内绝缘和外绝缘，是以变压器器身为界分类，外面是外绝缘，里面是内绝缘。外绝缘是指变压器外部绝缘部分。内绝缘包括绕组绝缘、引线绝缘、分接开关绝缘和套管下部绝缘。内绝缘还可分为主绝缘和纵绝缘，如表1-4所示。

主绝缘是指绕组对它本身以外的其他结构部分的绝缘，包括对油箱、对铁芯、夹件和压板、对同一相内其他绕组的绝缘以及对不同相绕组的绝缘。变压器高压绕组线圈主要分为饼式和圆桶式，如图1-11所示为饼式结构。绕组端部至铁轭或者相邻组端部间的绝缘又称为端绝缘，属主绝缘。纵绝缘是指绕组本身内部的绝缘，包括匝间、层间、线段间绝缘以及线段与静电板间的绝缘。主绝缘和纵绝缘分别按工频耐压试验和冲击电压试验来检验。

变压器器身表面是散热器，散热面越大，散热效果越好，当变压器上层油温和下层油温产生温差时，通过散热器产生对流经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器的温度的作用，为提高变压器油的冷却效果可用强油风冷或强油水冷的措施。

变压器内绝缘是油箱内的各部分绝缘，外绝缘是套管上部对地和彼此之间的绝缘。主绝缘是绕组与接地部分之间以及绕组之间的绝缘。在油浸式变压器中，主绝缘以油纸屏障绝缘结构最为常用。纵绝缘是同一绕组各部分之间的绝缘，如不同绕段间、层间和匝间的绝缘等。通常以冲击电压在绕组上的分布作为绕组纵绝缘设计的依据，但匝间绝缘还应考虑长时期工频工作电压的影响。变压器绝缘为油纸组合绝缘，是用变压器油和绝缘纸组成的绝缘。

相对于变压器的主绝缘，即绕组与绕组之间以及绕组与铁芯之间的绝缘而言，变压器还有另外一项重要的绝缘性能指标——纵绝缘。纵绝缘是变压器绕组具有不同电位的不同点和不同部位之间的绝缘，主要包括绕组匝间、层间和段间的绝缘性能，而国家标准和国际电工委员会（IEC）标准中规定的“感应耐压试验”则是专门用于检验变压器纵绝缘性能的测试方法之一。

变压器的纵绝缘主要依赖于绕组内的绝缘介质——漆包线本身的绝缘漆、变压器油、绝缘纸、浸渍漆和绝缘胶等等（不同种类的变压器可能包含其中一种或多种绝缘介质）；纵绝缘电介质很难保证100％的纯净度，难免混含固体杂质、气泡或水分等，生产过程中也会受到不同程度的损伤；变压器工作时的最高场强集中在这些缺陷处，长期负载运作的温升又降低绝缘介质的击穿电压，造成局部放电，电介质通过外施交变电场吸收的功率即介质损耗会显著增加，导致电介质发热严重，介质电导增大，该部位的大电流也会产生热量，就会使电介质的温度继续升高，而温度的升高反过来又使电介质的电导增加。如此长期恶性循环下去，最后导致电介质的热击穿和整个变压器的毁坏。这故障表现在变压器的特性上就是空载电流和空载功耗显著增加，并且绕组有灼热、飞弧、振动和啸叫等不良现象。可见利用感应耐压试验检测出变压器是否含有纵绝缘缺陷是极其必要的。

三、变压器绝缘套管

变压器绝缘套管分为高低压套管，分别用于进线和出线连接。

绝缘套管按用途分为电站类和电器类。前者主要是穿墙套管；后者有变压器套管、电容器套管和断路器套管。按绝缘结构又分为单一绝缘套管、复合绝缘套管和电容式套管。

单一绝缘套管是用纯瓷或树脂绝缘，常制成穿墙套管，如图1-12所示，用于35kV及以下电压等级。其绝缘件为管状，中部卡装或胶装法兰以便固定在穿孔墙上。法兰一般为灰铸铁，当工作电流大于1500A时常用非磁性材料以减少发热。单一绝缘套管的绝缘结构分为有空气腔和空气腔短路两类。空气腔套管用于10kV及以下电压等级，导体与瓷套之间有空气腔作为辅助绝缘，可以减少套管电容，提高套管的电晕电压和滑闪电压。当电压等级较高时（20～30kV），空气腔内部将发生电晕而使上述作用失效，这时采用空气腔短路结构。这种瓷套管的瓷套内壁涂半导体釉，并用弹簧片与导体接通使空气腔短路，用以消除内部电晕。但法兰附近仍可能发生电晕和滑闪。通常在法兰附近两侧瓷套表面各设一个很大的伞裙，并在法兰附近涂以半导电层使电场均匀分布，提高套管的放电特性。

复合绝缘套管以油或气体作绝缘介质，一般制成变压器套管或断路器套管，如图1-13所示，常用于35kV以下的电压等级。复合绝缘套管的导体与瓷套间的内腔充满变压器油，起径向绝缘作用。当电压超过35kV时，在导体上套以绝缘管或包电缆线，以加强绝缘。复合绝缘套管的导体结构有穿缆式和导杆式两种。穿缆式是利用变压器的引出电缆直接穿过套管，安装方便。当工作电流大于600A时，穿缆式结构安装比较困难，一般采用导杆式结构。

电容式套管由电容芯子、瓷套、金属附件和导体构成，如图1-14、图1-15所示。主要用于超高压变压器和断路器。其上部在大气中、下部在油箱中工作。电容式套管的电容芯子作为内绝缘，瓷套作为外绝缘，也起到保护电容芯子的作用。瓷套表面的电场受内部电容芯子的均压作用而分布均匀，从而提高了套管的电气绝缘性能。金属附件有中间连接套筒（法兰）、端盖、均压球等。导体为电缆或硬质钢管。

电容式套管的电容芯子用胶纸制造时，机械强度高，可以任何角度安装，抗潮气性能好，结构和维修简单，可不用下套管，还可将芯子下端车削成短尾式，缩小其尺寸。缺点是在高电压等级时，绝级材料和工艺要求较高，芯子中不易消除气隙，以致造成局部放电电压低。胶纸电容式套管由于介质损耗偏高和局部放电电压低等问题，已逐渐为油纸电容式套管所取代。采用油纸作电容芯子，一般要有下瓷套，下部尺寸较大，对潮气比较敏感，密封要求高；优点是绝缘材料和工艺易于解决，介质损耗小，局部放电性能好。20世纪70年代开始，中国已广泛使用110～500kV超高压油纸电容式套管。

四、变压器油绝缘介质

由于变压器的绝缘材料不同，作用也不同，但是都是为了确保高压绝缘。变压器油箱中都是充满变压器油。

绝缘介质中变压器油是一种极其重要的液体电介质，在起绝缘、冷却和灭弧作用，在变压器中起绝缘、冷却作用，在少油断路器中起灭弧作用。变压器油是天然石油中经过蒸馏、精炼而获得的一种矿物油，是石油中的润滑油馏分经酸碱精制处理得到纯净稳定、黏度小、绝缘性好、冷却性好的液体天然碳氢化合物的混合物，俗称方棚油，浅黄色透明液体，主要成分为环烷烃（约占80％），其他的为芳香烃和烷烃。

良好的变压器油应该是清洁而透明的液体，不得有沉淀物、机械杂质悬浮物及棉絮状物质。如果其受污染和氧化，并产生树脂和沉淀物，变压器油油质就会劣化，颜色会逐渐变为浅红色，直至变为深褐色的液体。当变压器有故障时，也会使油的颜色发生改变。一般情况下，变压器油呈浅褐色时就不宜再用了。另外，变压器油可表现为浑浊乳状、油色发黑、发暗。变压器油浑浊乳状，表明油中含有水分。油色发暗，表明变压器油绝缘老化。油色发黑，甚至有焦臭味，表明变压器内部有故障。

DL/T 572-1995《变压器运行规程》规定油浸式变压器运行上层油温不许超过95℃。一般油浸式变压器的绝缘多采用A级绝缘材料，其耐油温度为105℃。在国标中规定变压器使用条件最高气温为40℃，因此绕组的温升限值为105-40=65（℃）。非强油循环冷却，顶层油温与绕组油温约差10℃，故顶层油温升为65-10=55（℃），顶层油温度为55+40=95（℃）。强油循环顶层油温升一般不超过40℃。

变压器中的吸湿器内装有硅胶干燥剂，储油柜（油枕）内的绝缘油通过吸湿器与大气连通，干燥剂吸收空气中的水分和杂质，以保持变压器内部绕组的良好绝缘性能。一般干燥的干燥剂是蓝色的，当变成粉红色或者白色时，表示已经受潮，需要更换了。油枕是调节油箱油量，防止变压器油过速氧化，上部有加油孔。

五、变压器保护装置

大型电力变压器的基本构成分功能部分和保护部分。其中，保护部分又包括预防性保护和抢救性保护。预防性保护是对电场应力、热应力和机械应力的破坏作用进行防御，以达到预防事故的目的。抢救性保护只是在变压器发生事故之后，限制事故扩大，减少事故损失。保护部分是为电力变压器功能部分服务的，如果抢救性保护部分本身不合理或不可靠，就会影响变压器功能的发挥，导致“功能反被保护误”。然而，由于抢救性保护部分出问题而引起的变压器停电事故在今天仍然频频发生，应该引以为戒。

（1）气体继电器：当变压器内部故障，绝缘击穿，产生瓦斯气体，重瓦斯动作跳闸；

（2）油位计：当变压器油位下降到警戒值时能及时发出报警信号或跳闸；

（3）压力释放阀：保护本体油箱，当发生内部故障，内部压力过大时可以及时卸压，使油箱不至于爆炸；

（4）温度指示控制器：当油温过高时，超出警戒值时及时报警或跳闸。

变压器内部出现故障后，如油箱没有变形损坏，在现场可以抢修，否则，就必须返厂修理。这不仅大大增加运输费用和修理费用，也大大延长停电时间，给电力用户带来更大损失。更严重的是油箱开裂后，油箱内便会进入空气，从而引起火灾。变压器一旦着火，往往是烧完为止，只能彻底报废。

气体继电器的重瓦斯保护。电驱动继电器拒动或延长时，油箱内压力很快增加，当油箱内压力与储油柜油室内的压力发生逆差后，油箱内的油便涌入储油柜，冲动气体继电器的挡板，接通跳闸电路，切断电源，同样起到限止油箱内压力增加的作用。正确动作后，也能保住油箱。

在内部故障严重未能很快控制住油箱内部压力的条件下，启动压力释放装置。压力释放装置以前是采用安全气道，现在采用压力释放阀。安全气道是破防爆膜（一般用玻璃片）排油，而压力释放阀是顶开由弹簧压紧的阀门排油。它们都要在油箱压力上升至超过其启动压力后才会动作。压力释放装置的作用是以排油来限制油箱压力。排油越多，油箱内压力下降越快，保住油箱的可能性就越大。

六、安全须知

变压器运行，发出“嗡嗡”的声音，请勿靠近，要保持在安全距离之外。

七、特别提示

（1）变压器是变电所的“心脏”，故障时对供电影响极大，必须由专业技术人员来使用和维护变压器。在任何情况下，必须采取必要的安全和防护措施。

（2）对于变电所和供电段，由于是属于一级负荷，一般都是采用两台完全相同的变压器互为备用。

（3）作业时人员与带电部分之间须保持足够的安全距离，并注意相应的“止步，高压危险”标示牌，如表1-5所示为最小安全距离。

复习与思考

1.请说明变压器SF3-QY-25000/110GY的含义。

2.变压器绝缘分类有几种？所依据的标准是什么？

3.变压器油的成分是什么？请说明变压器油在绝缘主要起到什么作用。还应用在哪些高压设备上？

4.请简要说明变压器的组成部分，阐述结构与绝缘部分是如何考虑的。

5.请说明油浸式变压器的基本结构和原理。