简述变压器的构造及各部件的作用。

变压器的构造及各部件的作用
变压器主要由铁芯、绕组、油箱、油枕以及绝缘套管、分接开关和气体继电器等组成。其各部分的功用如下。
(1)铁芯。　　铁芯是变压器的磁路部分；为了降低铁芯在交变磁通作用下的磁滞和涡流损耗，铁芯采用厚度为0.35mm或更薄的优质硅钢片叠成。目前厂泛采用导磁系数高的冷轧晶粒取代硅钢片，以缩小体积和重量，也可节约导线和降低导线电阻所引起的发热损耗。　　铁芯包括铁芯柱和铁轭两部分。铁芯柱上套绕组，铁轭将铁芯柱连接起来，使之形成闭合磁路。　　按照绕组在铁芯中的布置方式，变压器又分为铁芯式和铁壳式(或简称芯式和壳式)两种。　　单相二铁芯柱。此类变压器有两个铁芯柱，用上、下两个铁轭将铁芯柱连接起来，构成闭合磁路。两个铁芯柱上都套有高压绕组和低压绕组。通常，将低压绕组放在内侧，即靠近铁芯，而把高压绕组放在外侧，这样易于符合绝缘等级要求。　　铁芯式三相变压器有三相三铁芯柱式和三相五铁芯柱式两种结构。三相五铁芯柱式(或称三相五柱式)也称三相三铁芯柱旁轭式，它是在三相三铁芯柱(或称三相三柱式)外侧加两个旁轭(没有绕组的铁芯)而构成，但其上、下铁轭的截面和高度比普通三相三柱式的小。从而降低了整个变压器的高度。　　三相三铁芯柱，它是将三相的三个绕组分别放在三个铁芯柱上，三个铁芯柱也由上、 下两个铁轭将芯柱连接起来，构成闭合磁路。绕组的布置方式同单相变压器一样。 三相五铁芯柱，它与三相铁芯相比较，在铁芯柱的左右两侧多了两个分支铁芯柱， 成为旁扼。各电压级的绕组分别按相套在中间三个铁芯柱上，而旁轭没有绕组，这样就构成了三相五铁芯柱变压器。　　由于三相五柱式铁芯各相磁通可经旁轭而闭合，故三相磁路可看作是彼此独立的，而不像普通三相三柱式变压器各相磁路互相关联。因此当有不对称负载时，各相零序电流产生的零序磁通可经旁轭而闭合，故其零序励磁阻抗与对称运行时励磁阻抗(正序)相等。　　中、小容量的三相变压器都采用三相三柱式。大容量三相变压器．常受运输高度限制，多采用三相五柱式。　　铁壳式单相变压器，具有一个中心铁芯柱和两个分支铁芯柱(也称旁轭)，中心铁芯柱的宽度为两个分支铁芯柱宽度之和。全部绕组放在中心铁芯柱上，两个分支铁芯柱好像“外壳”似的围绕在绕组的外侧，因而有壳式变压器之称。有时亦称其为单相三柱式变压器。　　铁壳式三相变压器，其铁芯可以看作由三个独立的单相壳式变压器并排放在一起而构成。　　芯式变压器结构比较简单，高压绕组与铁芯的距离较远，绝缘容易处理。壳式变压器的结构比较坚固，制造工艺比较复杂，高压绕组与铁芯柱的距离较近，绝缘处理较困难。壳式结构易于加强对绕组的机械支撑，使其能承受较大的电磁力，特别适用于通过大电流的变压器。壳式结构也用于大容量电力变压器。　　在大容量变压器中，为了使铁芯损耗发出的热量能被绝缘油在循环时充分地带走，从而达到良好的冷却效果，通常在铁芯中设有冷却油道。冷却油道的方向可以做成与硅钢片的平面平行或垂直。(1)绕组。　　1)绕组在铁芯上相互间的布置形式。　　变压器的绕组，按其高压绕组和低压绕组在铁芯上的布置，有两种基本形式：同心式和交叠式。同心式绕组，高压绕组和低压绕组均做成圆筒形，但圆筒的直径不同，然后同轴心地套在铁芯柱上。交叠绕组，又称为饼式绕组，其高压绕组和低压绕组各分为若干线饼，沿着铁芯柱的高度交错排列着。交叠绕组多用于壳式变压器。　　芯式变压器一般都采用同心式绕组。通常低压绕组装得靠近铁芯，高压绕组则套在低压绕组的外面，低压绕组与高压绕组之间以及低压绕组与铁芯之间都留有一定的绝缘间隙和散热油道，并用绝缘纸筒隔开。　　同心式绕组根据绕制特点又可分为圆筒式、螺旋式、连续式和纠结式等几种型式。(a)圆筒式绕组。　　圆筒式绕组是最简单的一种绕组，它是用绝缘导线沿铁芯高度方向连续绕制，绕制完第一层后．垫上层间绝缘纸再绕第二层。这种绕组一般用于小容量变压器的低压绕组。(b)螺旋式绕组。　　上述圆筒式绕组实际上也是螺旋式的，不过这里所讲的螺旋式绕组，每匝并联的导线数较多，是由多根绝缘扁导线沿着径向并联排列(一根压一根)，然后沿铁芯柱轴向高度像螺纹一样一匝跟着一匝地绕制而成，一匝就像一个线盘。　　螺旋式绕组当并联导线太多时，就把并联导线分成两排，绕成双螺旋式绕组。为了减小导线中的附加损耗，绕制螺旋式绕组时，并联导线要进行换位。这种绕组一般为三相容量在800kVA以L、电压在35kV以下的大电流绕组。(c)连续式绕组。　　连续式绕组是用扁导线连续绕制成若干线盘(也称线饼)构成，相邻线盘间的连接是交替地在绕组的内侧和外侧，都用绕制绕组的导线自然连接，没有任何接头。这种绕组应用范围较大，一般用于三相容量为630kVA以上、电压为3———110kV的绕组。(d)纠结式绕组。　　纠结式绕组的外形与连续式相似，主要不同的是，连续式绕组的每个线盘中电气上相邻的线匝是依次排列的，而纠结式绕组电气上相邻的线匝之间插入了绕组中的另一线匝，以便实际相邻的匝间电位差增大。纠结式绕组焊头多、绕制费时。采用纠结式绕组的目的是为了增加绕组的纵向电容，以便在过电压时，起始电压比较均匀地分布于各线匝之间。纠结式绕组一般用于电压在110kV以上的高压绕组。　　绕组是变压器运行时的主要发热部件，为了使绕组有效地散热，除绕组纵向内、外侧设有油道外，对双层圆筒形绕组，在其内、外层之间，多用绝缘的撑条隔开，以构成纵向油道；对线饼式绕组，例如螺旋式、连续式、纠结式等绕组，每两个线饼之间也用绝缘板条隔开，构成横向油道。纵向和横向油道是互相沟通的。2)绕组结构型式　　(a)普通变压器绕组结构型式。　　变压器按其每相绕组数分，有双绕组、三绕组或更多绕组的型式。三绕组变压器在每个铁芯柱上同心排列着三个绕组，即高压绕组、中压绕组、低压绕组。升压变压器常用于功率流向由低压绕组传送到高压电网和中压电网，其绕组布置为中压绕组靠近铁芯，高压绕组在最外层，低压绕组处于中压绕组与高压绕组之间。降压变压器结构为低压绕组靠近铁芯，中压绕组处于低压绕组与高压绕组之间，高压绕组仍放在最外层，常用于功率流向由高压传送至中压和低压。　　600MW机组的启动兼备用变压器，当高压和两级中压(17．5kV与3kV)绕组均为Y接线时，为提供变压器三次谐波电流通路，保证主磁通接近于正弦波，改善电动势的波形，常在该变压器上设有第四个Δ接线的绕组，即成为四绕组的变压器。(b)分裂变压器绕组结构型式。　　大容量机组(单机200MW及以上)的厂用电系统，当只采用6kV一级厂用高压时，为安全起见，主要厂用负荷需由两路供电而设置两段母线，这时常采用分裂低压绕组变压器，简称分裂变压器。它有一个高压绕组和两个低压绕组，两个低压绕组称为分裂绕组。实际上这种变压器是一种特殊结构的三绕组变压器。　　分裂绕组变压器的结构特点是，绕组在铁芯上的布置应满足两个要求：①两个低压分裂绕组之间应有较大的短路阻抗：②每—分裂绕组与高压绕组之间的短路阻抗应较小，且应相等。(c)自耦变压器绕组结构型式。　　自耦变压器常在某些大型发电厂、变电所中应用，用于连接电压级差不大的两个高压统。自耦变压器的工作原理与普通变压器有所不同。自耦变压器的两个绕组之间不仅有磁的联系，而且还有电路上的直接联系。高压绕组由公共绕组(低压绕组)和串连绕组构成。通过自耦变压器传输的功率也由两部分组成，一部分是通过串联绕组由电路直接传输，另一部分通过公共绕组由电磁感应传输。　　为了消除三次谐波，以及减小自耦变压器的零序阻抗以稳定中性点电位，在三相自耦变压器中，除公共绕组和串连绕组外，一般还增没了一个接成三角形的第三绕组。第三绕组与公共绕组、串连绕组之间只有磁的联系，没有电路上的直接联系。　　自耦变压器第三绕组通常制成低压6———35kV，除用于消除三次谐波外．还可用于对附近地区供电，或者用于连接调相机或补偿电容器等。(3)油箱。　　油浸式变压器的器身(绕组及铁芯)都装在充满变压器油的油箱中，油箱用钢板焊成。中、小型变压器的油箱由箱壳和箱盖组成，变压器的器身就放在箱壳内，将箱盖打开就可吊出器身进行捡修。大、中型变压器，由于器身庞大和笨重，起吊器身不便，都做成箱壳可吊起的结构。这种箱壳好一只钟罩，当器身要检修时，吊去较轻的箱壳，即上节油箱，器身便全部暴露出来了。　　大容量变压器的油箱广泛采用全封闭结构，即主油箱与油箱顶部钢板之间或上节油箱与下节油箱之间都采用焊接焊死，不使用密封垫，以防止密封不牢靠。为便于检修，在适当部位开有入孔门或手孔门。(4)油枕。　　油枕又叫储油柜，是一种油保护装置，它是山钢板做成的圆桶形容器，水平安装在变压器油箱盖上，用弯曲联管与油箱连接。油枕的一端装有一个油位计(油标管)，从油位计中可以监视油位的变化。油枕的容积一般为变压邪油箱所装油体积的8％—10％。当变压器油的体积随着油的温度膨胀或缩小时，油枕起着储油及补油的作用，从而保证油箱内充满油。同时由于装了油枕，使变压器油缩小了与空气的接触面，减少了油的劣化速度。大型变压器常用密封式油枕，有以下两种结构。1)隔膜式油枕。　　隔膜式油枕采用薄膜(隔膜)使油与大气隔离。油枕为水平圆柱体，在中分面的法兰夹着一层薄膜，把油枕内部空间分隔成上、下两部分，薄膜以下是变压器油，薄膜以上是空气。薄膜的材料是尼龙布上覆盖着腈基丁二烯橡胶，具有极低的透气性和较高的抗油性及低温适应性(—43℃)。薄膜寿命在60℃油温驱动薄膜10万次后仍正常。油枕的油箱能承受全真空，因此在油枕安装好后，仍能实现真空注油。薄膜的空气侧接有一个呼吸器与大气连通。2)胶囊式油枕。　　胶囊式油枕是在油枕内油的表面上侧空间使用一个合成橡胶制的容器，橡胶容器内无油，而油枕内的其余空间都充满变压器油。橡胶容器的形状使之能通过其形状变化适应油的热胀冷缩引起的油位变化。由于该橡胶容器是由有优良的耐油性和耐气候作用、机械强度高的腈系橡胶制成，所以该装置在长期运转中有足够的可靠性。在橡胶容器内，空气通过吸湿过滤式呼吸器与外界空气相通，以防止容器变质．并在橡胶容器内始终保持大气压。此外，由于橡胶容器底部被制造成与当时油量相符的水平状，所以其底部被油位计指示为油位。(5)呼吸器。　　呼吸器又称吸湿器，通常由一管道和玻璃容器组成，内装干燥剂(硅胶或活性氧化铝)。当油枕内的空气随变压器油的体积膨胀或缩小时，排出或吸人的空气都经过呼吸器，呼吸器内的于燥剂吸收空气中的水分，对空气起过滤作用，从而保持油的清洁。浸有氯化钻的硅胶，其颗粒在于燥时是蓝色的，但是随着硅胶吸收水分接近饱和时，粒状硅胶就转变成粉白色或红色，据此可判断硅胶是否已失效。受潮后的硅胶可通过加热烘干而再生，当硅胶颗粒的颜色变成钴蓝色时，再生工作就完成了。(6)压力释放装置。　　压力释放装置在保护电力变压器方面起重要作用。充有变压器油的电力变压器，如果内部出现故障或短路，电弧放电就会在瞬间使油汽化，导致油箱内压力极快升高。如果不能极快释放该压力，油箱就会破裂，将易燃油喷射到很大的区域内，可能引起火灾，造成更大破坏，因此必须采取措施防止这种情况发生。压力释放装置有防爆管和压力释放器两种，防爆管用于小型变压器，压力释放器用于大、中型变压器。1)防爆管(又称喷油管)。　　防爆管装于变压器的顶盖上，喇叭形的管子与油枕或大气连接，管口由薄膜封住。当变压器内部有故障时，油温升高，油剧烈分解产生大量气体，使油箱内压力剧增。当油箱内压力升高至50000Pa时，防爆管薄膜破碎，油及气体由管口喷出，防止变压器的油箱爆炸或变形。2)压力释放器。　　压力释放器与防爆管相比，具有开启压力误差小、延迟时间短(仅2ms，)、控制温度高、能重复动作使用等优点，故被广泛应用于大、中型变压器上。压力释放器也称减压器，它装在变压器油箱顶盖上，类似锅炉安全阀。当油箱内压力超过规定值时，压力释放器密封门(阀门)被顶开，气体排出，压力减小后，密封门靠弹簧压力又自行关闭。可在压力释放罪投入前或检修时将其拆下来测定和校正其动作压力。压力释放器动作压力的调整，必须与气体继电器动作流速的整定相协调。如压力释放器的动作压力过低，可能会使油箱内压力释放过快而导致气体继电器拒动，扩大变压器故障范围。它利用一个可调节的弹簧压住阀盘(盘状门)，当油箱内部的压力高于弹簧压力时，阀盖被顶起，即排气阀打开。正常状态下，油箱内压力作用到阀盘上的总推力是阀盘内密封环(直径较小)的总面积上的压力。一旦阀盘起座(顶起)，作用在阀盘上的总推力是阀盘外密封环的总画积上的压力，阀盘起座力更大。因此，一旦阀盘起座，就能在几毫秒之内达到全开。　　罩盖中装有编号颜色鲜明的动作指示器，阀盘打开时，将动作指示器上端推至露出罩外，并利用指示器套管的环将其保持在开启位置，在较远处仍清晰可见，表示它已动作。该指示器只可手动复位，方法是将其推至落在阀盘上。压力释放器动作后，其触点动作，此触点可以与气体继电器跳闸触点并联，作用于变压器跳闸，以防止压力释放器动作将压力释放以后使气体继电器拒动而发不出跳闸命令。但《电力变压器运行规程DL／T 572—1995》规定：变压器的压力释放器触点宜作用于信号。这主要是考虑到，变压器压力释放器能反映内部压力的突变；但是，由于该装置不同于压力继电器，在结构和可靠性上还有一些问题，曾发生接跳闸后的误动，因此规程规定宜作用于信号。　　压力释放器安装在油箱盖上部，一般还接有一段升高管使释放器的高度等于油枕的高度，以消除正常情况下油压静压差。(7)散热器(又称为冷却器、散热翅)。　　散热器形式有瓦楞形、扇形、圆形、排管等，散热面积越大，散热的效果就越好。当变压器上层油温与下部油温产生温差时，通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器温度的作用。为提高变压器的冷却效果，可采用风冷、强迫风冷和强油水冷等措施。(8)绝缘套管，：　　变压器绕组的引出线从箱内穿过油箱引出时，必须经过绝缘套臂，以使带电的引线绝缘。绝缘套管主要由中心导电杆和瓷套组成。导电杆在油箱内的一端与绕组连接，在外面的—端与外线路连接。　　绝缘套管的结构主要取决于电压等级。电压低的一般采用简单的实心瓷套管。电压较高时，为了加强绝缘能力，在瓷套和导电杆间留有一道充油层，这种套臂称为充油套管，电压在110kV以上，采用电容式充油套管，简称为电容式套管。电容式套管除了在瓷套内腔中充油外，在中心导电杆(空心铜管)与法兰之间，还有电容式绝缘体包着导电杆，作法兰与导电杆之间的主绝缘。(9)分接开关(又称切换器)。　　分接开关是调整变压比的装置。双绕组变压器的一次绕组及三绕组变压器的一、二次绕组一般有3个、5个、7个或19个分头位置。分接头的中间分头为额定电压的位置。3个分接头的相邻分头电压相差5％，多个分头的相邻分头电压相差2．5％或1.25％。操作部分装于变压器顶部，经传动杆伸人变压器的油箱。根据系统运行的需要，按照指示的标记，来选择分接头的位置。　　变压器的调压装置分为无载调压和有载调压两种方式。无载分接开关，是在不带电情况下切换，其结构筒单。有载分接开关，是在不停电情况下切换，为了在切换过程中不致造成两切换抽头间线匝短路，必须接人一个过渡电路，通常利用一个电阻或电抗跨接在切换器的两抽头之间作为过渡。因此，有载分接开关包括过渡电路．结构较复杂．但其切换分接头可在带负荷下进行，故在电力系统中被广泛采用。(10)气体继电器(又称瓦斯继电器)。　　气体继电器是变压器的主要保护设施，它可以反映变压器内部的各种故障及异常运行情况，如油位下降、绝缘击穿、铁芯、绕组等受潮、发热或放电故障等，且功作灵敏迅速，结构连线简单，维护检修方便。　　气体继电器装设于变压器油箱与油枕之间的连管上，继电器上的箭头方向应指向油枕，并要求有1％—1.5％的安装坡度，以保证变压器内部故障时所产生的气体能顺利地流向气体继电器。　　气体继电器按保护对象分为用于变压器本体保护和用于有载调压变压器闸箱保护两种类型。　　目前QJ1——80型挡板式气体继电器常用于变压器本体保护。当变压器内部出现轻微故障时，则因油分解而产生的气体聚积于继电器上部，当气体总量达到250～300cm3时，继电器内轻瓦斯触点接通发出报警信号。如果变压器内部故障严重，则出现强烈的油气流，冲动继电器内挡板，使重瓦斯触点闭合，接通开关跳闸电路，切断变压器电源。　　QJ1——一50型挡板式气体继电器常用于有载分接开关闸箱(附加油箱)保护。该闸箱与主油箱不连通，内装有载调压开关。气体继电器若具有一对触点时，直接作用于跳闸。若具有两对触点时，则是轻、重瓦斯各用一对，分别作用于报警和跳闸。　　浮子式气体继电器制造厂已停止生产。　　除了挡板式瓦斯继电器外，某些大型发电厂主变压器上还装有一种名为皮托管式瓦斯继电器，其构造原理与一般的瓦斯继电器不同，它能防止由于地震而引起的误动作。　　其特点是，反应重瓦斯动作的是利用皮托管”原理，即测量油流的动压和静压，将动压和静压引到一个膜盒的两侧，当压力差达到整定值时，膜盒变形，带动微动开关，发出跳闸脉冲。因此，它反应流速，不反应振动。而反应轻瓦斯部分的原理及结构，则与一般瓦斯继电器相同。　　《电力变压器运行规程》DL／T572—1995规定，安装在地震裂度为七级及以上的地区的变压器，应装用防震型气体继电器。(11)净油器(又称温差过滤器)；　　净油器是一个充满吸附剂(硅胶或活性氧化铝)的容器，它安装在变压器油箱的侧壁或强油冷却器的下部。在变压器运行时，由于上、下油层之间的温差，变压器油从上向下经过净抽器形成对流。油与吸附剂接触，其中的水分、酸和氧化物等被吸收，使油质清洁，延长油的使用寿命。当使用硅胶时，其质量为变压器油质量的1％；用活性氧化铝时，其质量为变压器油质量的0．5％。(12)绝缘。　　 变压器的内部绝缘分主绝缘和纵向绝缘两大部分。主绝缘是指绕组对地之间、相间和同一相而不同电压等级的绕组之间的绝缘，主绝缘主要采用油—隔板绝缘结构，这种结构通常采用加覆盖层、包绝缘层及隔板油隙形成；纵向绝缘是指同一电压等级的一个绕组，其不同部位之间，例如层问、匝间、绕组与静电屏之间的绝缘。

变压器的最基本结构部件是由铁芯、绕组和绝缘所组成。此外为了安全可靠的运行，还装设有油箱、冷却装置、保护装置。其结构简图如图2-2-2。
下面分析各部件的作用：
（1） 铁芯：变压器的铁芯是磁力线的通路，起集中和加强磁通的作用，同时用以支持绕组。
（2） 绕组：变压器的绕组是电流的通路，靠绕组通入电流，并借电磁感应作用产生感应电动势。
（3） 油箱：油箱是油浸式变压器的外壳，变压器主体放在油箱中，箱内充满变压器油。
（4） 油枕：油枕也叫辅助油箱，它是由钢板做成的圆桶形容器，水平安装在变压器油箱盖上，用弯曲联管与油箱连接，油枕的一端装有油位指示计，油枕的容积一般为变压器油箱所装油体积的8%～10%。其作用是变压器内部充满油，而由于油枕内油位在一定限度，当油在不同温度下膨胀和收缩时有回旋余地，并且油枕内空余的位置小，使油和空气接触的少，减少了油受潮和氧化的可能性，另外，储油柜内的油比油箱上部的油温低很多，几乎不和油箱内的油对流。在油枕和油箱的连接管上装有瓦斯继电器，来反映变压器的内部故障。
（5） 呼吸器：呼吸器内装有干燥剂即硅胶，用来吸收空气中的水分。
（6） 防爆管：防爆管安装在变压器的油箱盖上。防爆管的顶端装有一个玻璃片，当变压器内部发生故障，产生高压，油里面的气体便冲破玻璃片排到油箱外，释放压力，从而保护变压器油箱不被破坏。
（7） 温度计：温度计安装在油箱盖上的侧温筒内，用来测量油箱内的上层油温。
（8） 套管：套管是将变压器高、低压绕组的引线引到油箱外部的绝缘装置。它既是引线对地（外壳）的绝缘，又担负着固定引线的作用。
（9） 冷却装置：冷却装置是将变压器在运行中产生的热量散发出去的设备。
（10） 净油器：又称温差滤过器。它的主要部分是用钢板焊成的圆筒形净油罐，安装在变压器油箱的一侧，罐内充满硅胶、活性氧化铝等吸附剂。在运行中，由于上层油和下层油之间的温差，于是变压器油从上向下流动经过净油器形成对流，油与吸附剂接触，其中的水分、酸和氧化物等被吸收，使油得到净化。延长油的使用期限。强油循环变压器的净油器是靠油流压差使变压器油流经净油泵，达到净化的目的。