泉州箱式变压器解析

2017-06-19

今天带大家了解一下泉州箱式变压器的结构和原理，这种由人们在应用中不断改进完善的东西，包含着我们在工业上智慧的结晶，了解一下其的原理对我们日常生活中的设备应用注意事项是有帮助的。

一、泉州箱式变压器的基本结构

现代的系统都采用制供电，因而广泛采用泉州箱式变压器来实现电压的转换。泉州箱式变压器可以由三台同容量的泉州箱式变压器组成，再按需要将一次绕组及二次绕组分别接成星形或三甬形联结。图2—19所示为一、二次绕组均用星形联结的泉州箱式变压器组。泉州箱式变压器的另一种结构型式是把三个泉州箱式变压器合成一个三铁心柱的结构型式，称为心式泉州箱式变压器，如图2—20（a）所示。由于绕组接入对称的交流电源时，绕组中产生的主磁通也是对称的，故磁通之和等于零，即中间铁心柱的磁通为零，因此中间铁心柱可以省略，成为（b）图形式，实际中为了简化泉州箱式变压器铁心的剪裁及叠装工艺，均采用将U、V、W三个铁心柱置于同一个平面上的结构型式，如图2—20（c）所示。

在泉州箱式变压器中，目前使用最广的是油浸式泉州箱式变压器，它主要由铁心、绕组、油箱和冷却装置、保护装置等部件组成，其外形如图2—21所示，现简介如下：

1．铁心

铁心是泉州箱式变压器的磁路部分，与泉州箱式变压器一样，它也是由0.35mm厚的硅钢片叠压（或卷制）而成，新型泉州箱式变压器铁心均用冷轧晶粒取向硅钢片制作，以降低其损耗。泉州箱式变压器铁心均采用心式结构。

图2－21泉州箱式变压器外形

铁心柱的截面形状与泉州箱式变压器的容量有关，泉州箱式变压器及小型泉州箱式变压器采用正方形或长方形截面，如图2—22（a）所示；在大、中型泉州箱式变压器中，为了充分利用绕组内圆的空间，通常采用阶梯形截面，如图2—22（b）、（c）所示。阶梯形的级数越多，则泉州箱式变压器结构越紧凑，但叠装工艺越复杂。

图2－22 铁心柱截面形状

2．绕组

绕组是泉州箱式变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铜线或扁铝线绕成，绕组的结构形式与泉州箱式变压器一样有同心式绕组和交叠式绕组。当前新型的绕组结构为箔式绕组泉州箱式变压器，绕组用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制，使泉州箱式变压器整体性能得到较大的提高，我国已开始批量生产。

3．油箱和冷却装置

由于泉州箱式变压器主要用于系统进行电压等级的变换，因此其容量都比较大，电压也比较高，目前国产的高电压、大容量泉州箱式变压器OSFPSZ—360 000／500已批量生产（容量为36万kV·A，电压为500 kV，每台泉州箱式变压器重量达到250 t）。为了铁心和绕组的散热和绝缘，均将其置于绝缘的泉州箱式变压器油内，而油则盛放在油箱内，如图2—21所示。为了增加散热面积，一般在油箱四周加装散热装置，老型号泉州箱式变压器采用在油箱四周加焊扁形散热油管，见图2—21。新型泉州箱式变压器以采用片式散热器散热为多。容量大于10 000 kV·A的泉州箱式变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。

较多的泉州箱式变压器在油箱上部还安装有储油柜，它通过连接管与油箱相通。储油柜内的油面高度随泉州箱式变压器油的热胀冷缩而变动。储油柜使泉州箱式变压器油与空气的接触面积大为减小，从而减缓了泉州箱式变压器油的老化速度。新型的全充油密封式泉州箱式变压器则取消了储油柜，运行时泉州箱式变压器油的体积变化完全由设在侧壁的膨胀式散热器（金属波纹油箱）来补偿，泉州箱式变压器端盖与箱体之间焊为一体，设备免维护，运行安全可靠，在我国以S10系列低损耗泉州箱式变压器为代表，现已开始批量生产。

4．保护装置

（1）气体继电器。在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器，当泉州箱式变压器发生故障

时，内部绝缘物汽化，使气体继电器动作，发出信号或使开关跳闸。

（2）防爆管（安全气道）。装在油箱顶部，它是一个长的圆形钢筒，上端用酚醛纸板密封，下端与油箱连通。若泉州箱式变压器发生故障，使油箱内压力骤增时，油流冲破酚醛纸板，以免造成泉州箱式变压器箱体爆裂。近年来，国产泉州箱式变压器已广泛采用压力释放阀来取代防爆管，其优点是动作精度高，延时时间短，能自动开启及自动关闭，克服了停电更换防爆管的缺点。

二、泉州箱式变压器的极性

（一）泉州箱式变压器的极性

因为泉州箱式变压器的一、二次绕组绕在同一个铁心上，都被磁通Ф交链，故当磁通交变时，在两个绕组中感应出的电动势有一定的方向关系，即当一次绕组的某一端点瞬时电位为正时，二次绕组也必有一电位为正的对应端点。这两个对应的端点，我们称为同极性端或同名端，通常用符号“·”表示。

在使用泉州箱式变压器或其他磁耦合线圈时，经常会遇到两个线圈极性的正确连接问题，例如某泉州箱式变压器的一次绕组由两个匝数相等绕向一致的绕组组成，如图2—23（a）中的绕组1—2和3—4。如每个绕组额定电压为110V，则当电源电压为220V时，应把两个绕组串联起来使用，如（b）图所示接法；如电源电压为110V时，则应将它们并联起来使用，如（c）图所示接法。当接法正确时，则两个绕组所产生的磁通方向相同，它们在铁心中互相叠加。如接法错误，则两个绕组所产生的磁通方向相反，它们在铁心中互相抵消，使铁心中的合成磁通为零，如图2—24所示。在每个绕组中也就没有感应电动势产生，相当于短路状态，会把泉州箱式变压器烧毁。因此同名端的判定是相当重要的，其判定方法如下：

图2－23 泉州箱式变压器绕组的正确连接图 2－24 泉州箱式变压器绕组的错误连接

（二）泉州箱式变压器极性的判定

1．对两个绕向已知的绕组

当电流从两个同极性端流入（或流出）时，铁心中所产生的磁通方向是一致的。如图2—23所示，1端和3端为同名端，电流从这两个端点流人时，它们在铁心中产生的磁通方向相同。同样可判断图2—25中的两个绕组，则1端和4端为同名端。搞清了同名端的概念以后，就不难理解为什么在图2—10及图2—15中一次绕组的绕向及电压电流方向均一样，而二次绕组中的电压和电流方向在两个图中却正好相反。

图2－25 同名端的判定 图2－26 交流法测定同名端

2．对一台已经制成的泉州箱式变压器

无法从外部观察其绕组的绕向，因此无法辨认其同名端，此时可用实验的方法进行测定，测定的方法有交流法和直流法两种。

（a）交流法。如图2—26所示，将一、二次绕组各取一个接线端连接在一起，如图中的2和4，并在一个绕组上（图中为N1绕组）加一个较低的交流电压Ul2，再用交流电压表分别测量U12、U13、U34各值，如果测量结果为：U13＝U12—U34，则说明N1、N2组为反极性串联，故1和3为同名端。如果U13＝U12＋U34：，则1和4为同名端。

（b）直流法。用1.5V或3 V的直流电源，按图2—27所示连接，直流电源接在高压绕组上，而直流毫伏表接在低压绕组两端。当开关S合上的一瞬间，如毫伏表指针向正方向摆动，则接直流电源正极的端子与接直流毫伏表正极的端子为同名端。

图2－27直流法测定同名端

三、泉州箱式变压器的连接组

1．泉州箱式变压器绕组的连接方法

泉州箱式变压器高、低压绕组的出线端都分别给予标记，以供正确连接及使用泉州箱式变压器，其出线端标志如表2—1所示。

表2－1 绕组的首端和末端的标记

绕组名称

泉州箱式变压器

泉州箱式变压器

中性点

首端

末端

首端

末端

高压绕组

U1

U2

U1、V1、W1

U2、V2、W2

N

低压绕组

U1

U1

U1、v1、w1

U2、v2、w2

n

中压绕组

U1m

U2m

U1m、V1m、Wlm

U2m、V2m、W2m

Nm

在泉州箱式变压器中，不论是高压绕组，还是低压绕组，我国均采用星形联结及三角形联结两种方法。

星形联结是把绕组的末端U2、V2、W2（或u2、v2、w2）连接在一起，而把它们的首端U1、V1、Wl（或u1、v1、w1）分别用导线引出，如图2—28（a）所示。

三角形联结是把一相绕组的末端和另一相绕组的首端连在一起，顺次连接成一个闭合回路，然后从首端U1、V1、W1（或u1、v1、w1）用导线引出，如图2—28（b）及（c）所示。其中图（b）的绕组按U2Wl、W2V1、V2U1的次序连接，称为逆序（逆时针）三角形联结。而图（c）的绕组按U2V1、W2U1、V2Wl的次序连接，称为顺序（顺时针）三角形联结。

图2－28 绕组连接方法

泉州箱式变压器高、低压绕组用星形联结和三角形联结时，在旧的国家标准中分别用Y和△表示。新的国家标准规定：高压绕组星形联结用Y表示，三角形联结用D表示，中性线用N表示。低压绕组星形联结用y表示，三角形联结用d表示，中性线用n表示。

泉州箱式变压器一、二次绕组不同接法的组合形式有：Y，y；YN，d；Y，d；Y，yn；D，y；D，d等，其中最常用的组合形式有三种，即Y，yn；YN，d和Y，d。不同形式的组合，各有优缺点。对于高压绕组来说，接成星形最为有利，因为它的相电压只有线电压的1／

上述各种接法中，一次绕组线电压与二次绕组线电压之间的相位关系是不同的，这就是所谓泉州箱式变压器的联结组别。泉州箱式变压器联结组别不仅与绕组的绕向和首末端的标记有关，而且还与绕组的连接方式有关。理论与实践证明，无论怎样连接，一、二次绕组线电动势的相位差总是300的整数倍。因此，国际上规定，标志泉州箱式变压器一、二次绕组线电动势的相位关系用时钟表示法，即规定一次绕组线电势EUV为长针，永远指向钟面上的“12”，二次绕组线电势Evu为短针，它指向钟面上的哪个数字，该数字则为该泉州箱式变压器联结组别的标号。现就Y，y联结和Y，d联结的泉州箱式变压器分别加以分析。

2．Y，y联结组

如图2—29（a）所示，泉州箱式变压器一、二次绕组都采用星形联结，且首端为同名端，故一、二次绕组相互对应的相电动势之间相位相同，因此对应的线电动势之间的相位也相同，如图2—29（b）所示，当一次绕组线电动势这种连接方式称Y，y0联结组，如图2—29（c）所示。

图2－29 Y,y0联结组

若在图2－29联结绕组中，泉州箱式变压器一二次绕组的首端不是同名端，而是异名端，则一二次绕组相互对应的电动势相量均反向，Euv将指向时钟的“6”，成为Y，y6联结组，如图2—30所示。

图2－30 Y,y6联结组

3．Y，d联结组

如图2—31所示，泉州箱式变压器一次绕组用星形联结，二次绕组用三角形联结，且二次绕组u相的首端u1与v相的末端v2相连，即如图2—31（a）所示的逆序连接，如一、二次绕组的首端为同名端，则对应的相量图如图2—31（b）所示。如图2—31（c）所示。

图2－31 Y,d11联结组

图2—32中，泉州箱式变压器一次绕组仍用星形联结，二次绕组仍为三角形联结，但二次绕组u相的首端u1与w相末端w2相连，即如图2—32（a）所示的顺序连接，且一、二次绕组的首端为同名端，则对应的相量图如图2—32（b）所示。如图2—32（c）所示。

图2－32 Y,d1联结组

泉州箱式变压器的联结组别还有许多种，但实际上为了制造及运行方便的需要，国家标准规定了泉州箱式变压器只采用五种标准联结组，即Y，yn0、YN，d11、YN，y0、Y，y0和Y，dll。

在上述五种联结组中，Y，yn0联结组是我们经常碰到的，它用于容量不大的配电泉州箱式变压器，低压侧电压为400～230 V，用以供给动力和照明的混合负载。一般这种泉州箱式变压器的最大容量为1 800kV·A，高压侧的额定电压不超过35kV。此外，Y，y0联结组不能用于泉州箱式变压器组，只能用于三铁心的泉州箱式变压器。

四、泉州箱式变压器的并联运行

泉州箱式变压器的并联运行是指几台泉州箱式变压器的高压绕组及低压绕组分别连接到高压电源及低压电源母线上，共同向负载供电的运行方式。

在变电站中，总的负载经常由两台或多台泉州箱式变压器并联供电，其原因为：

（1）变电站所供的负载一般来讲总是在若干年内不断发展、不断增加的，随着负载的不断增加，可以相应地增加泉州箱式变压器的台数，这样做可以减少建站、安装时的一次投资。

（2）当变电站所供的负载有较大的昼夜或季节波动时，可以根据负载的变动情况，随时调整投入并联运行的泉州箱式变压器台数，以提高泉州箱式变压器的运行效率。

（3）当某台泉州箱式变压器需要检修（或故障）时，可以切换下来，而用备用泉州箱式变压器投入并联运行，以提高供电的可靠性。

为了使泉州箱式变压器能正常地投入并联运行，各并联运行的泉州箱式变压器必须满足以下条件：

（1）一、二次绕组电压应相等，即变比应相等。

（2）联结组别必须相同。

（3）短路阻抗（即短路电压）应相等。

实际并联运行的泉州箱式变压器，其变比不可能绝对相等，其短路电压也不可能绝对相等，允许有极小的差别，但泉州箱式变压器的联结组别则必须要相同。下面分别说明这些条件。

1．变比不等时的并联运行

设两台同容量的泉州箱式变压器T1和T2并联运行，如图2—33（a）所示，其变压比有微小的差别。其一次绕组接在同一电源电压U1下，二次绕组并联后，也应有相同的U2，但由于变压比不同，两个二次绕组之间的电动势有差别，设E1>E2，则电动势差值会在两个二次绕组之间形成环流Ic，如图2—33（b）所示，这个电流称为平衡电流，其值与两台泉州箱式变压器的短路阻抗ZS1和ZS2有关。即

泉州箱式变压器的短路阻抗不大，故在不大的ΔE下也会有很大的平衡电流。泉州箱式变压器空载运行时，平衡电流流过绕组，会增大空载损耗，平衡电流越大则损耗会更多。泉州箱式变压器负载时，二次侧电动势高的那一台电流增大，而另一台则减少，可能使前者超过额定电流而过载，后者则小于额定电流值。所以，有关泉州箱式变压器的标准中规定，并联运行的泉州箱式变压器，其变压比误差不允许超过±0.5％。

图2－33 变压比不等时的并联运行

2．联结组别不同时泉州箱式变压器的并联运行

如果两台泉州箱式变压器的变比和短路阻抗均相等，但是联结组别不同时并联运行，则其后果十分严重。因为联结组别不同时，两台泉州箱式变压器二次绕组电压的相位差就不同，它们线电压的相位差至少为30o，因此会产生很大的电压差ΔU2。图2-34为Y，y0和Y，dll两台泉州箱式变压器并联，二次绕组线电压之间的电压差ΔU2。其数值为

图2－34 两台泉州箱式变压器并联运行的电压差

这样大的电压差将在两台并联泉州箱式变压器二次绕组中产生比额定电流大得多的空载环流，导致泉州箱式变压器损坏，故联结组别不同的泉州箱式变压器绝对不允许并联运行。

3．短路阻抗（短路电压）不等时泉州箱式变压器的并联运行

设两台容量相同、变比相等、联结组别也相同的泉州箱式变压器并联运行，现在来分析它们的负载如何均衡分配。设负载为对称负载，则可取其一相来分析。

如这两台泉州箱式变压器的短路阻抗也相等，则流过两台泉州箱式变压器中的负载电流也相等，即负载均匀分布，这是理想情况。如果短路阻抗不等，设ZS1I1>Zs2I2，则由于两台泉州箱式变压器一次绕组接在同一电源上，变比及联结组又相同，故二次绕组的感应电动势及输出电压均应相等，但由于ZS不等，参看图2-33（b），由欧姆定律可得ZS1I1=Zs2I2，其中I1为流过泉州箱式变压器T1绕组的电流（负载电流），I2为流过泉州箱式变压器T2绕组的电流（负载电流）。由此公式可见，并联运行时，负载电流的分配与各台泉州箱式变压器的短路阻抗成反比，短路阻抗小的泉州箱式变压器输出的电流要大，短路阻抗大的输出电流较小，则其容量得不到充分利用。因此，国家标准规定：并联运行的泉州箱式变压器其短路电压比不应超过10％。

泉州箱式变压器的并联运行，还存在一个负载分配的问题。两台同容量的泉州箱式变压器并联，由于短路阻抗的差别很小，可以做到接近均匀的分配负载。当容量差别较大时，合理分配负载是困难的，特别是担心小容量的泉州箱式变压器过载，而使大容量的泉州箱式变压器得不到充分利用。为此，要求投入并联运行的各泉州箱式变压器中，最大容量与最小容量之比不宜超过三比一。