變壓器的工作原理
變壓器的工作原理示意圖如圖1所示。變壓器的初級繞組和次級繞組相當(dāng)于兩個電感器，當(dāng)交流電壓加到初級繞組上時，在初級繞組上就形成了電動勢，產(chǎn)生出交變的磁場，次級繞組受到初級繞組的作用，也產(chǎn)生與初級繞組磁場變化規(guī)律相同的感應(yīng)電動勢（電壓），于是次級繞組輸出交流電壓，這就是變壓器的變壓過程。
圖1 變壓器的工作原理示意圖
變壓器的輸出電壓和繞組的匝數(shù)有關(guān)，一般輸出電壓與輸入電壓之比等于次級繞組的匝數(shù)N2與初級繞組的匝數(shù)N1之比，即U2/U1=N2/N1；變壓器的輸出電流與輸出電壓成反比（I2/I1=U1/U2），通常降壓變壓器輸出的電壓降低，但輸出的電流增大了，具有輸出強(qiáng)電流的能力。
變壓器的主要組成部分和作用
變壓器的最基本結(jié)構(gòu)部件是由鐵芯、繞組和絕緣所組成。此外為了安全可靠的運(yùn)行，還裝設(shè)有油箱、冷卻裝置、保護(hù)裝置。
?。?）鐵芯：變壓器的鐵芯是磁力線的通路，起集中和加強(qiáng)磁通的作用，同時用以支持繞組。
?。?）繞組：變壓器的繞組是電流的通路，靠繞組通入電流，并借電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
?。?）油箱：油箱是油浸式變壓器的外殼，變壓器主體放在油箱中，箱內(nèi)充滿變壓器油。
?。?）油枕：油枕也叫輔助油箱，它是由鋼板做成的圓桶形容器，水平安裝在變壓器油箱蓋上，用彎曲聯(lián)管與油箱連接，油枕的一端裝有油位指示計(jì)，油枕的容積一般為變壓器油箱所裝油體積的8%～10%。其作用是變壓器內(nèi)部充滿油，而由于油枕內(nèi)油位在一定限度，當(dāng)油在不同溫度下膨脹和收縮時有回旋余地，并且油枕內(nèi)空余的位置小，使油和空氣接觸的少，減少了油受潮和氧化的可能性，另外，儲油柜內(nèi)的油比油箱上部的油溫低很多，幾乎不和油箱內(nèi)的油對流。在油枕和油箱的連接管上裝有瓦斯繼電器，來反映變壓器的內(nèi)部故障。
?。?）呼吸器：呼吸器內(nèi)裝有干燥劑即硅膠，用來吸收空氣中的水分。
?。?）防爆管：防爆管安裝在變壓器的油箱蓋上。防爆管的頂端裝有一個玻璃片，當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生故障，產(chǎn)生高壓，油里面的氣體便沖破玻璃片排到油箱外，釋放壓力，從而保護(hù)變壓器油箱不被破壞。
?。?）溫度計(jì)：溫度計(jì)安裝在油箱蓋上的側(cè)溫筒內(nèi)，用來測量油箱內(nèi)的上層油溫。
?。?）套管：套管是將變壓器高、低壓繞組的引線引到油箱外部的絕緣裝置。它既是引線對地（外殼）的絕緣，又擔(dān)負(fù)著固定引線的作用。
（9）冷卻裝置：冷卻裝置是將變壓器在運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去的設(shè)備。
?。?0）凈油器：又稱溫差濾過器。它的主要部分是用鋼板焊成的圓筒形凈油罐，安裝在變壓器油箱的一側(cè)，罐內(nèi)充滿硅膠、活性氧化鋁等吸附劑。在運(yùn)行中，由于上層油和下層油之間的溫差，于是變壓器油從上向下流動經(jīng)過凈油器形成對流，油與吸附劑接觸，其中的水分、酸和氧化物等被吸收，使油得到凈化。延長油的使用期限。強(qiáng)油循環(huán)變壓器的凈油器是靠油流壓差使變壓器油流經(jīng)凈油泵，達(dá)到凈化的目的。
變壓器的用途
電力變壓器（簡稱變壓器）是用來改變交流電電壓大小的電氣設(shè)備。它根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，把某一等級的交流電壓交換成另一等級的交流電壓，以滿足不同負(fù)載的需要。因此變壓器在電力系統(tǒng)和供用電系統(tǒng)中占有非常重要的地位。
發(fā)電機(jī)輸出的電壓，由于受發(fā)電機(jī)絕緣水平的限制，通常為6.3KV、10.5KV，最高不超過20KV。用這樣低的電壓進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電是有困難的。因?yàn)楫?dāng)輸送一定功率的電能時，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線的電阻上。所以只能用升壓變壓器將發(fā)電機(jī)的端電壓升高到幾萬伏到幾十萬伏，以便降低輸送電流，減小輸電線路上能量損耗而不增大導(dǎo)線截面將電能遠(yuǎn)距離傳輸出去。
輸電線將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負(fù)荷區(qū)后，必須經(jīng)過降壓變壓器將高電壓降低到適合用電設(shè)備使用的低電壓。為此，在供用電系統(tǒng)中，需要降壓變壓器，將輸電線路輸送的高電壓變換成各種不同等級的電壓，以滿足各種復(fù)合的需要。
變壓器種類及特點(diǎn)
（一）按用途分
1.電力變壓器，用于電力系統(tǒng)的升壓或降壓。
2.試驗(yàn)變壓器，產(chǎn)生高壓，對于電氣設(shè)備進(jìn)行高壓試驗(yàn)。
3.儀用變壓器，如電壓互感器、電流互感器，用于測量儀表和繼電保護(hù)裝置。
4.特殊用途的變壓器，冶煉用的電爐變壓器、電解用的整流變壓器、焊接用的焊接變壓器、試驗(yàn)用的調(diào)壓變壓器等。
（二）按相數(shù)分
1.單相交壓器，用于單相負(fù)荷和三相變壓器組。
2.三相變壓器，用于三相系統(tǒng)的升、降壓。
?。ㄈ┌蠢@組形式分
1.自耦變壓器，用于連接超高壓、大容量的電力系統(tǒng)。
2.雙繞組變壓器，用于連接兩個電壓等級的電力系統(tǒng)。
3.三繞組變壓器，用于連接三個電壓等級的電力系統(tǒng)，一般用于電力系統(tǒng)的區(qū)域變電所。
?。ㄋ模┌磋F芯形式分
1.芯式變壓器，用于高壓的電力系統(tǒng)。
2.殼式變壓器，用于大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器和電焊變壓器等；或用于電子儀器及電視、收音機(jī)等電源變壓器。殼式結(jié)構(gòu)也可用于大容量電力變壓器。
（五）按冷卻介質(zhì)分
1.油浸式變壓器，如油浸自冷、油浸風(fēng)冷、油浸水冷、強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷和水內(nèi)冷等。
2.干式變壓器，依靠空氣對流進(jìn)行冷卻。這類電壓不太高、無油的變壓器，通常采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，適用于防火等場合。在600MW機(jī)組廠房內(nèi)的廠用低壓變壓器，就出于防火要求而普遍采用干式變壓器。
3.充氣式變壓器，用特殊氣體（SF6）代替變壓器油散熱。
4.蒸發(fā)冷卻變壓器，用特殊液體代替變壓器油進(jìn)行絕緣散熱。
（六）《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程》DL/T572-1995將變壓器按容量分為三類
1.配電變壓器，電壓在35kV及以下，三相額定容量在2500kVA及以下，單相額定容放83kVA及以下，具有獨(dú)立繞組，自然循環(huán)冷卻的變壓器。
2.中配變壓器，三相額定容量不超過100MVA或每柱容量不超過33.3MVA，具有獨(dú)立繞組，且額定短路阻抗Z符合要求
3.大型變壓器，三相額定容量100MVA以上，或其額定短路阻抗Z符合要求。
變壓器故障的統(tǒng)計(jì)資料
（一）各類型變壓器的故障
根據(jù)相關(guān)部門對變壓器類型顯示的變壓器故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)人們可以看出，電力變壓器故障始終占據(jù)主導(dǎo)位置。
（二）不同用戶的變壓器故障
變壓器使用在不同的部門，故障率是不同的。為了分析變壓器發(fā)生故障的危險性，可將用戶劃分為11個獨(dú)立類型：（1）水泥與采礦業(yè)；（2）化工、石油與天然氣；（3）電力部門；（4）食品加工；（5）醫(yī)療；（6）制造業(yè)；（7）冶金工業(yè)；（8）塑料；（9）印刷業(yè)；（10）商業(yè)建筑；（11）紙漿與造紙業(yè)。
當(dāng)考慮到頻率和程度時，電力部門的風(fēng)險是最高的，冶金工業(yè)及制造業(yè)分別列在第二和第三位。
?。ㄈ└鞣N使用年限變壓器的故障
按照變壓器設(shè)計(jì)人員的說法，在“理想狀況下”變壓器的使用壽命可達(dá)30～40年，很明顯的是在實(shí)際中并非如此。在1975年的研究中，故障時的變壓器平均壽命為9.4年。在1985年的研究中，變壓器平均壽命為14.9年。
在電力工業(yè)中變壓器的使用壽命應(yīng)當(dāng)給予特別地關(guān)注。我國在改革開放至今經(jīng)歷了一個工業(yè)飛速發(fā)展的階段，基礎(chǔ)工業(yè)特別是電力工業(yè)大規(guī)模的發(fā)展。這些自80年代初到90年代安裝的設(shè)備，按其設(shè)計(jì)與運(yùn)行的狀況，現(xiàn)在大部分都已到了老化階段。如今，這些設(shè)備已運(yùn)行了近25年，故必須對已安裝變壓器的故障可能性給予特別的關(guān)注。
變壓器故障原因分析
?。?）線路涌流
線路涌流（或稱線路干擾）在導(dǎo)致變壓器故障的所有因素中被列為首位。這一類中包括由誤操作、變壓器解并列、有載調(diào)壓分接頭拉弧等原因引起的操作過電壓、電壓峰值、線路故障/閃絡(luò)以及其他輸配（T＆D）方面的異?，F(xiàn)象。這類起因在變壓器故障中占有絕大部分的比例。
?。?）絕緣老化
在過去的10年中在造成故障的起因中，絕緣老化列在第二位。由于絕緣老化的因素，變壓器的平均壽命僅有17.8年，大大低于預(yù)期為35～40年的壽命！在1983年，發(fā)生故障時變壓器的平均壽命為20年。
?。?）受潮
受潮這一類別包括由洪水、管道滲漏、頂蓋滲漏、水分沿套管或配件侵入油箱以及絕緣油中存在水分。
（4）維護(hù)不良
保養(yǎng)不夠被列為第四位導(dǎo)致變壓器故障的因素。這一類包括未裝變壓器的保護(hù)裝置或安裝的不正確、冷卻劑泄漏、污垢淤積以及腐蝕。
（5）過載
這一類包括了確定是由過負(fù)荷導(dǎo)致的故障，僅指那些長期處于超過銘牌功率工作狀態(tài)下小馬拉大車的變壓器。過負(fù)荷經(jīng)常會發(fā)生在發(fā)電廠或用電部門持續(xù)緩慢提升負(fù)荷的情況下。最終造成變壓器超負(fù)荷運(yùn)行，過高的溫度導(dǎo)致了絕緣的過早老化。當(dāng)變壓器的絕緣紙板老化后，絕緣紙絕緣強(qiáng)度降低。因此，外部故障的沖擊力就可能導(dǎo)致絕緣破損，進(jìn)而發(fā)生故障。
?。?）雷擊
雷電波看來比以往的研究要少，這是因?yàn)楦淖兞藢ζ鹨虻姆诸惙椒ā，F(xiàn)在，除非明確屬于雷擊事故，一般的沖擊故障均被列為“線路涌流”。
?。?）三相負(fù)載不平衡
由于三相負(fù)載不平衡所引起某相長期過載，而使該相溫度偏高進(jìn)而使絕緣老化，產(chǎn)生匝間短路或相間短路。
（8）連接松動
連接松動也可以包括在維護(hù)不足一類中，但是有足夠的數(shù)據(jù)可將其獨(dú)立列出，因此與以往的研究也有所不同。這一類包括了在電氣連接方面的制造工藝以及保養(yǎng)情況，其中的一個問題就是不同性質(zhì)金屬之間不當(dāng)?shù)呐浜?，盡管這種現(xiàn)象近幾年來有所減少。另一個問題就是螺栓連接間的緊固不恰當(dāng)。
?。?）工藝/制造不良
在HSB于1998年的研究中，僅有很小比例的故障歸咎于工藝或制造方面的缺陷。例如出線端松動或無支撐、墊塊松動、焊接不良、鐵心絕緣不良、抗短路強(qiáng)度不足以及油箱中留有異物。
?。?0）破壞及故意損壞
這一類通常確定為明顯的故意破壞行為。美國在過去的10年中沒有關(guān)于這方面變壓器故障的報道。而在我國這種現(xiàn)象卻時有發(fā)生，比如盜竊、人為破壞等。