第二章 变压器检修
第一节 特殊结构的变压器
一些新型的特殊结构的配电变压器，如非晶态合金铁芯、卷绕式铁芯和密封式桶皮变压器，在型号中分别加以H、R和M表示。
变压器是电能传输过程中不可缺少的电力设备，它的容量列在所有用电设备之首，而变压器在电力传输过程中自身损耗较大，特别是目前广泛使用的油浸式变压器，它的损耗已超过总线损的50%，因此，改进变压器性能，降低损耗，提高配电系统效率，一直是电力行业的重要工作之一。而且，降低变压器的损耗是降低电网线损的关键。20世纪90年代后期，随着市场经济的发展、变压器制造技术的不断进步和受到城乡电网改造工程的拉动，新材料、新工艺不断应用，新的低损耗配变相继开发成功。另外，变压器体积大、笨重、噪声大、所用矿物油污染环境、铁芯饱和时产生谐波等问题，促使国内外电力专家不断地进行新型变压器的开发和研究。
一、卷铁芯变压器（一）概述
变压器铁芯由硅钢片带料连续卷绕而成，由于铁芯无接缝，所以导磁性能大大改善，变压器的空载电流、空载损耗和运行噪声相对降低，是目前比较先进的节能型变压器。以容量为315kVA的变压器为例，采用卷铁芯结构后，空载电流下降92%，空载损耗下降46.8%，负载损耗下降7.5%，油箱体积减少1/4，重量减轻1/5，空载电流谐波降低80%，运行噪声也降低了13dB。
在降低变压器能量损耗的研究中，着重研究降低变压器空载损耗，因为空载损耗是随变压器投入运行而发生的，与负载大小无关，相对为一常数。经过研究，变压器空载损耗的大小决定于铁芯的材质、内部磁分子排列、铁芯结构形式和加工工艺水平。经过多年的技术开发，铁芯的材质由软铁发展到硅合金钢，进一步发展为非晶态合金，铁芯硅钢片的排列形式由直接对缝式发展为斜缝搭接式，近年来又发展了卷绕式铁芯。
卷铁芯配电变压器得到较快发展，已批量生产并有10000多台已挂网运行。统计资料表明，2000年、2001年、2002年底，全国农网仅县及县以下配电变压器数量分别为324万台、348万台、376万台，年平均增加26万台。现在，配电变压器平均单台容量约125kVA。由于数量巨大和空载损耗的固定性，使选择适用的节能变压器意义重大。
1.卷铁芯变压器的技术优势
卷铁芯是用硅钢片带料，连续卷制成的封闭形铁芯，卷铁芯变压器具有独特的优势。卷铁芯变压器的制造工序主要有硅钢片的纵剪、铁芯卷制、铁芯真空退火、线圈绕制、器
身绝缘装配、产品总装配等。
卷铁芯变压器按相数可分为三相卷铁芯变压器和单相卷铁芯变压器，卷铁芯的截面形状分为矩形截面、阶梯圆形截面、近似圆形截面R型等。按制造工艺不同，卷铁芯可分为断扼结构和不断扼结构等。国内生产的卷铁芯变压器以不断扼结构的冷轧硅钢片卷铁为主。
S11—M ·R型卷铁芯变压器适用范围广，性能水平与传统的S9型叠片式铁芯变压器相比，空载损耗平均降低30%、空载电流平均下降70%、噪音水平下降7～10dB，具有重量轻、体积小、机械和电气性能优越等优点。
同国外同类产品空载损耗指标比较，比日本东芝变压器低39%、比意大利变压器低39.6%、比德国变压器低11.6%。因此，我国目前的S11卷铁芯变压器空载损耗方面在国际上具有领先水平。
2.铁芯的材料与叠装
电力变压器应用卷绕式铁芯，利用其连续卷绕没有接缝的特点，可以大大改进变压器的磁路特性。
为了将铁芯制成阶梯形或圆形，铁芯卷绕时，需把硅钢片纵裁成不同宽度，分层卷绕。在线圈绕制和套装方面，有些变压器是采取线圈分开绕制。
3.卷绕铁芯变压器的特点
（1）采用薄型冷轧硅钢片，电磁特性好，磁路中没有气隙，降低了磁路的磁阻，提高了导磁率，同样容量条件下，可在新S9型变压器的空载损耗基础上，再降低25%～30%，空载电流可降低30%～40%。
（2）铁芯绕制及铁芯和绕组的紧固好，变压器噪声比叠片式可降低6～8dB。
（3）节约原材料，同容量条件下，卷绕式铁芯比叠片式铁芯少了4个尖角和4个小尖角，可节省铁芯总量的10%～12%。卷绕式变压器空间利用系数高，线圈导线的长度减少，节约铜材，又可降低负荷损耗。节约原材料，从而减轻变压器的重量。
（4）卷绕铁芯变压器配合全密封结构油箱可以大大地提高运行可靠性，减少日常维护工作量，延长变压器使用寿命。
（5）使用卷绕铁芯变压器，可降低运行费用，以100kVA变压器为例，S9型变压器年空载损耗电能为2540.4kW·h，卷绕铁芯变压器年空载损耗电能1752.4kW·h，每年减少788kW·h。电费按0.5元/（kW·h）计，每年仅空载损耗费用可减少394元。
4.卷铁芯变压器经济效益
S11—M ·R型卷铁芯变压器的价格高于S9变压器，但运行费用节省。综合计算表明，购置节能型卷铁芯变压器替代普通变压器的投资回收年限一般只需2～3年。广泛应用，不仅可以为用户带来直接经济效益，其节能相当于减少发电量，同时可使发电厂减少排放大量CO2、SO2和氮氧化物等，减轻对大气的污染，具有良好的环境效益。
卷铁芯变压器的生产，目前我国主要集中在电压等级10kV，容量一般在800kVA以下，较大容量（如1600kVA）也有试制。全国现有卷铁芯变压器生产厂200多家，形成一定的生产能力的厂家约占总数的20%。全国卷铁芯变压器的生产能力约为1600万kVA，但实际产量较低。目前，电力部门采购的卷铁芯变压器以315kVA及以下的容量
居多。
5.现存问题
在肯定卷铁芯变压器技术优越性的同时，也必须看到现存问题。产品铁芯结构方面：（1）平面三相卷铁芯由于其结构因素，扼与柱的磁密不一致，中柱两端的两个三角区
成为局部高磁密区。
（2）铁芯三相间磁路长度不同，磁力线在内外框中的分布也不尽相同。内环和外环因磁路长短不同，外环磁阻大于内环磁阻，内环磁通密度比外环磁通密度高出10%左右。
（3）三相铁芯每个柱中都会有三次谐波磁通。在三角区内，谐波分量相当高。一般三相卷铁芯变压器的高压连接组为D接法。
上述弱点在小容量卷铁芯变压器上（315kVA以下，特别是100kVA以下）反映还不明显，较大容量影响就大一些。
（二）单相卷铁芯变压器选用
利用硅钢片制造变压器铁芯主要有叠装式和卷绕式两种，卷绕式适用于1000kVA及以下变压器。现在国内有不少厂家生产卷铁芯变压器，D11—M ·R—5—100/10系列和D12—M ·R—10—160/10系列单相卷铁芯变压器。
D11—M ·R—5—100/10系列和D12—M ·R—10—160/10系列单相卷铁芯变压器是一种全新的节能产品，连接组标号为I，I0。具有绕制工艺简单、重量轻、体积小、噪音低、损耗少、维护简便、运行费用节省、节能效果明显等特点，是农村照明、单相用电的理想产品。
（1）D11—M·R—5—100/10系列变压器容量及性能参数见表2 1。
表2 1
容 量 及 性 能 参 数
（2）D11—M·R与普通单相农用变压器损耗的比较。在单相卷铁芯变压器未出品前，使用的单相变压器一般为普通单相农用变压器系列，下面对单相卷铁芯变压器与普通单相农用变压器损耗进行比较，见表2 2。
从表2 2中看出，单相卷铁芯变压器比普通单相农用变压器的空载损耗和负载损耗都有下降。使用卷绕铁芯变压器，可降低运行费用，以30kVA变压器为例，普通单相农
表2 2
损 耗 比 较
用变压器年空载损耗电量为1183kW ·h。D11卷绕铁芯变压器年空载损耗电量为657 kW·h，每年空载损耗减少526kW·h。另外，单相卷铁芯变压器在台区建设材料及施工费用等方面可节约大量资金。在电压质量上能够满足客户的要求。
（3）运行中应注意的事项：
单相卷铁芯变压器运行的环境要求为最高气温+40℃，最高日平均气温+30℃，最高年平均气温+20℃，最低气温-30℃，海拔不超过1000m。变压器运行期间上层油温不宜超过85℃。
用电负荷一般控制在变压器额定容量的50%～60%范围内，使变压器处于最经济运行状态。
通过调节变压器无励磁分接开关来改变低压侧出口电压，保证末端用户的电压偏移在允许范围内，在农用电低峰要适当降低农网运行电压，在农用电高峰期要适当提高农网运行电压。
二、非晶合金变压器
非晶合金变压器的铁芯材料运用了无向非晶体钢板，与以往的硅钢片相比损耗约为1/4～1/3，是损耗非常低的铁芯材料。无向非晶体钢板比硅钢片的厚度要薄，而且宽度要窄，使用受到局限。但随着非晶体钢板价格的降低，它的优点将得到认可。非晶配电变压器是我国“九五”计划重点推广的新型节能产品，节能效果十分显著。为了降低变压器空载损耗，采用高导磁率的软磁材料，将非晶态合金应用于变压器，制成非晶态合金铁芯的变压器。非晶态合金引起的磁化性能的改善，其B—H磁化曲线很狭窄，因此其磁化周期中的磁滞损耗就会大大降低，又由于非晶态合金带厚度很薄，并且电阻率高，其磁化涡流损耗也大大降低，据实测，非晶态合金铁芯的变压器与同电压等级、同容量硅钢合金铁芯变压器相比，空载损耗要低75%～80%。空载电流可下降80%左右。非晶态合金铁芯配电变压器应用中存在以下几个问题。
（1）非晶态合金铁芯变压器的空载特性在变压器寿命期内，特性稳定，有较高的可靠性，加制成全密封型，即可实现免维修。
（2）晶态合金铁芯变压器最突出的特点是比硅钢片铁芯变压器的空载损耗和空载电流降低很多。所以非晶态合金铁芯变压器适合用于峰谷差大的用电负荷。
（3）由于非晶态合金具有薄、硬、脆，对应力敏感等特性，所以，在变压器结构设计、制造、运行时必须采取措施，降低和减少对铁芯影响的应力，如运输、搬动、安装等，以保持其优越的空载特性。
（4）非晶态合金铁芯配电变压器必须遵循下面三点要求：20
1）由于非晶合金材料的饱和磁密较低，在产品设计时，额定磁通密度不宜选得太高，通常选取1.3～35T磁通密度便可获得较好的空载损耗值。
2）非晶合金材料的单片厚仅为0.03mm，所以其叠片系数也只能达到82%～86%。3）为了使用户能获得免维护或少维护的好处，现把非晶合金配电变压器的产品，都
设计成全密封式结构。
（5）结构特点。利用导磁性能突出的非晶合金，来用作制造变压器的铁芯材料，最终能获得很低的损耗值。但它具有许多特性，在设计和制造中是必须保证和考虑的，主要体现在以下几个方面：
1）非晶合金片材料的硬度很高，用常规工具是难以剪切的，所以设计时应考虑减少剪切量。
2）非晶合金单片厚度极薄，材料表面也不是很平坦，则铁芯填充系数较低。
3）非晶合金对机械应力非常敏感。结构设计时，必须避免采用以铁芯作为主承重结构件的传统设计方案。
4）为了获得优良的低损耗特性，非晶合金铁芯片必须进行退火处理。
根据上面分析，三相非晶合金配电变压器最合理的结构为：①铁芯，由四个单独铁芯框在同一平面内组成三相五柱式，必须经退火处理，并带有交叉铁扼接缝，截面形状呈长方形；②绕组，为长方形截面，可单独绕制成型的，双层或多层矩形层式；③油箱，为全密封免维护的波纹结构。
从表2 3中的统计数据可以看出，要想节约能源，通过采用新材料的方法，来降低配电变压器的空载损值，是一条很有效的途径。
表2 3
非晶合金铁芯配电变压器与S9型配电变压器空载损耗比较
（6）使用效果。三相非晶合金铁芯配电变压器与新S9型配电压器相比，其年节约电能量是相当可观的。
以800kVA为例，ΔP0为1.05kW；两种型式配电变压器的负载损耗值是一样的，则ΔPk=0，那么，便可计算出一台产品每年可减少的电能损耗为
ΔWs=8760（1.05+0.62 ×0）=9198（kW·h）
通过该种规格产品的计算可知，三相非晶合金铁芯配电变压器系列产品的节能效果非同一般。由于油箱又设计成全密封式结构，使变压器内的油与外界气体不接触，防止了油的氧化，延长了产品的使用寿命，为用户节约了维护费用。非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配电变压器，如10kV级配电变压器年需求量按5000万kVA计时，那么，一年便可节电100亿kW·h以上。同时可带来少建电厂的良好的环保效益，少向大气排放
温室气体，这样会大大地减轻对环境的直接污染，使其成为新一代名副其实的绿色环保产品。
三、干式变压器
干式变压器具有结构简单、维护方便、防火、阻燃、防尘等特点，近10年来，在国内得到迅猛发展。我国干式变压器制造技术已经很成熟，技术水平与产品质量和国外相当，已形成批量生产能力。干式变压器的种类很多，主要有浸渍绝缘干式变压器和环氧树脂绝缘干式变压器。
1.浸渍绝缘干式变压器
这是干式变压器中应用最早的一种，绕组的结构与油浸式类似，早期就是用玻璃丝包线绕制成的绕组浸普通的绝缘漆。这类变压器绕组制造工艺简单、成本低，但相对其他形式干式变压器，它承受短路能力较差。另外，绕组的防潮和防尘性能差，变压器停用再投入使用时，可能因为周围的环境因素产生吸潮甚至凝露，使其绝缘水平大大降低，使用前必须进行清理和干燥处理。
20世纪90年代末，国内出现了生产H级绝缘的敞开通风干式变压器，其低压一般为箔式绕组，高压为层式结构，绕组卷制后不用模子浇注，不用浇注设备，只用普通绕线机绕制即可。绕组采用真空压力浸漆，经过这样处理的绕组具有较强承受短路的能力和耐高温性能。该种变压器通风散热较好，有一定的过载裕度，过载能力强，在防火、防潮、环保安全方面所具有的诸多优点，大大提高了它的技术性能。
2.环氧树脂绝缘干式变压器
环氧树脂是一种早就广泛应用的化工原料，它不仅是一种难燃、阻燃的材料，而且具有优越的电气性能，已逐渐为电工制造业所采用。环氧树脂干式变压器具有结构简单、维护方便、防火阻燃、防尘等优点，被广泛应用于对消防有较高要求的场合。
环氧树脂干式变压器，根据绕组包封方式分为两大类：一类为有填料树脂浇注绕组，由于在树脂中加入石英粉，可使树脂增加机械强度，减少膨胀系数，提高导热性能，降低材料成本，绕组外观较好；另一类为无填料树脂浇注，高低压绕组内外层采用玻璃纤维增强，在真空状态下采用环氧树脂用模具进行浇注，其包封层既薄又韧，富有弹性，改善了导热性能，降低了包封层内外温差。
环氧树脂浇注干式变压器的技术特点：电气强度高、机械强度高；具有较好的过负荷运行能力；具有难燃性和自熄性；电能损耗低；噪声低；体积小、重量轻；安装简单，可免去日常维护工作。
3.气体绝缘干式变压器
气体绝缘变压器为在密封的箱壳内充以SF6 气体代替绝缘油，利用SF6 气体作为变压器的绝缘介质和冷却介质。它具有防火、防爆等燃烧危险，绝缘性能好，防潮性能好，运行可靠性高，维修简单等优点。
气体绝缘变压器的结构特点：
（1）气体绝缘变压器的工作部分（铁芯和绕组）与油浸变压器基本相同。
（2）为保证气体绝缘变压器有良好的散热性能，气体绝缘变压器需要适当增大箱体的22
散热面积，一般气体绝缘变压器采用片式散热器进行自然风冷却。
（3）气体绝缘变压器测量温度方式为热电偶式测温装置，同时还需装有密度继电器和真空压力表。
（4）气体绝缘变压器的箱壳上还装有充放气阀门。4.“赛格迈”干式变压器
近年来，除了常用的环氧树脂真空浇注型干式变压器外，又推出了一种采用美国杜邦公司的NOMEX纸作绝缘的H级绝缘“赛格迈”干式变压器。NOMEX纸具有非常稳定的化学性能，可以连续耐压220℃高温，在起火情况下，具有自熄能力；即使完全分解，亦不会产生烟雾和有毒气体；电气强度高，介电常数较小。
干式变压器与油浸式变压器相比，绝缘运行条件有所改善，但油浸式变压器的显著性能和低成本是干式变压器难以取代的。在户外及防火要求一般的场所，今后较长一段时间内，将仍以油浸变压器为主。在新的世纪里，随着国家对防火安全性，变压器运行寿命终结后废弃物质的降解处理等环保要求的提高，以及未来国家具体的环保政策的走向等，使H级OVDT类干式变压器在我国的发展前景看好。
5.SC系列环氧树脂浇注干式变压器
SC系列环氧树脂浇注干式变压器，其高低压绕组均采用树脂绝缘包封绕组，具有损耗低、无污染、耐高温、抗裂、防潮、机械强度高、维护简便等优点。特别适用于高层建筑、商贸中心、地铁、机场、车站等重要场所的输变电系统。根据用户的需要，可生产其他各类非标产品。
主要功能和特点如下：
（1）阻燃能力强、无污染、防爆，可安装在负荷中心。（2）防潮性能好，可在100%湿度下安全运行。
（3）局部放电量小，电气强度高。
（4）绝缘性能好，安匝分布均匀，抗短路能力强，耐雷电冲击水平高。（5）抗裂、耐高温、机械强度高、寿命长。
（6）绕组设温度自动监测与保护，可保证长期安全可靠运行。
（7）损耗低，过载能力强，强迫风冷时可使额定容量提高40%～50%。（8）体积小，重量轻、噪音低，安装简单方便、免维护。
适用范围如下：广泛应用于高层建筑、商贸中心、电厂、机场、车站、地铁等重要场所的输变电系统。SC系列干式变压器性能参数列于表2 4中。
四、全密封变压器
1.全密封变压器简介
全密封变压器是油箱内部与外界大气完全隔离的变压器。变压器体积的变化通过波纹油箱壁的胀缩弹性作补偿，外界水分和氧气无法进入油箱，从而减缓了绝缘材料的老化速度，产品运行前不需作吊芯检查，投入运行后免除维护与保养，极大地提高了变压器运行的可靠性。
2.主要功能和特点
（1）无储油柜、吸湿器等油保护装置，确保变压器油不与空气接触，保证变压器油不
表2 4
SC系列干式变压器性能参数表
需要任何处理可连续使用20年。
（2）密封件采用性能优异的橡胶。（3）采用真空注油工艺。
3.适用范围
广泛应用于城网以及石化、冶金、轻纺及湿度较大、维护不便的企业、矿山等。有关S9—M系列密封配电变压器技术参数见表2 5。
表2 5
S9—M系列密封配电变压器技术参数
