变压器行业必知!油浸式电力变压器的组成构造、油系统以及故障运维的全面讲解!


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导读

油浸式变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等特点。目前电网上运行的电力变压器大部分为油浸式变压器,其中80%以上是采用自然油循环的冷却方式。自然油循环变压器线圈中设置导向板是现在普遍采用的一种冷却结构。本文着重分析油浸式电力变压器的结构、运行和维护,并且具体分析了油浸式电力变压器的油系统,简要的分析了油浸式电力变压器的故障。希望可以加大了解分析我国的油浸式电力变压器。

油浸式变压器构造

三相油浸式变压器的核心部份是由闭合铁芯和套在铁芯柱上的绕组组成。此外,还有油箱、储油柜、套管、呼吸器、防爆管、散热器、分接开关、瓦斯继电器、温度计、净油器等。


(1) 铁芯

铁芯是变压器的磁路部分。为了减小铁芯中的磁滞与涡流损耗,铁芯由0.35mm~0.5mm厚的硅钢片叠成,硅钢片表面涂有绝缘漆或利用表面氧化膜使片间彼此绝缘。依照绕组在铁芯中的布置方式,有铁芯式和铁壳式之分。三相变压器的铁芯中直立部分叫铁芯柱,在柱上套着变压器的低压绕组和高压绕组;水平部分叫铁轭,用来构成闭合磁路。


在大容量的变压器中,为使铁芯损耗发出的热量能够被绝缘油在循环时充分带走,以达到良好的冷却效果,常在铁芯中设有冷却油道。


(2) 绕组


绕组又叫线圈,是变压器的电路部分,分为原、副两种绕组。其中与电源连接的绕组叫原绕组,与负载连接的绕组叫副绕组。原、副绕组都是用包有高强度绝缘物的铜线或铝线绕成的。


三相变压器的每一相原、副绕组都制成圆筒形套在同一铁芯柱上,匝数少的低压绕组套在里面靠近铁芯,匝数多的高压绕组套在低压绕组的外面。这样放置是因为低压绕组对铁芯绝缘比较容易。低压绕组和铁芯之间及高压绕组和低压绕组之间都用绝缘材料做成的套筒隔离,把它们可靠地绝缘起来。为了便于散热,在高、低绕组之间留有一定的间隙作为油道,使变压器油能够流通。


变压器绕组主要故障是匝间短路和对外壳短路。匝间短路主要是由于绝缘老化,或由于变压器的过负荷以及穿越性短路时绝缘受到机械的损伤而产生的。变压器内的油面下降,致使绕组露出油面时,也能发生匝间短路;另外有穿越短路时,由于过电流作用使绕组变形,使绝缘受到机械损伤,也会产生匝间短路。


匝间短路时,短路绕组内电流可能超过额定值,但整个绕组电流可能未超过额定值。在这种情况下,瓦斯保护动作,情况严重时,差动保护装置也会动作。


对外壳短路的原因也是由于绝缘老化或油受潮、油面下降,或因雷电和操作过电压而产生的。除此以外,在发生穿越短路时,因过电流而使绕组变形,也会产生对外壳短路的现象。对外壳短路时,一般都是瓦斯保护装置动作和接地保护动作。


(3) 油箱



油箱是变压器的外壳,铁芯、绕组都装在里面,并充满变压器油。对于容量比较大的变压器,在油箱外面装有散热片或散热管。漏油是油箱常见的问题。


变压器油是一种绝缘性能良好的矿物油,它有两个作用:


一是绝缘作用,变压器油的绝缘性能比空气好,绕组浸在油里可以提高各处绝缘性能,并且避免和空气接触,预防绕组受潮;


二是散热作用,利用油的对流,把铁芯和绕组产生的热量通过箱壁和散热管散发到外面。变压器油以它的凝固点不同分为10号、25号、45号三种规格,它们的凝固点分别为-10℃、-25℃、-45℃,一般根据当地气候条件予以选用。


(4) 储油柜(油枕)



储油柜俗称油枕,为一圆筒行容器,横放于油箱上方,用管道与变压器的油箱连接,储油柜的体积一般为油箱体积的10%左右。该储油柜为胶囊式储油柜,胶囊将储油柜内的油与外界空气隔绝开。当变压器油热胀时,油由油箱流向储油柜;当变压器油冷缩时,油由储油柜流向油箱。储油柜有两个作用:一是当变压器油的体积随着油温的变化而膨胀或缩小时,储油柜起储油和补油的作用,保证油箱内充满油及铁芯和绕组浸在油内;二是可以减小油面与空气的接触面积,防止变压器油受潮和变质。


储油柜的油位显示采用连杆式铁磁油位计,以观测油面的高低,当由于渗漏等原因造成油量不足时,应及时注油加以补充。油位计上刻有油温在-30℃、+20℃和+40℃时的油面高度标准线,作为装油的标准。油位标上+40℃表示安装地点变压器在环境最高温度为+40℃时满载运行中油位的最高限额线,油位不得超过此线;+20℃表示年平均温度为+20℃时满载运行时的油位高度;-30℃表示环境为-30℃时空载变压器的最低油位线,不得低于此线,若油位过低,应加油。油枕上装有呼吸孔,使油枕上部空间和大气相通。变压器油热胀冷缩时,油枕上部的空气通过呼吸孔出入,油面可以上升或下降,防止油箱变形或损坏。


(5) 套管


变压器绕组引出线通过导杆与外电路相连,套管是导杆与箱盖之间的绝缘体,它起着绝缘和固定导杆的作用。套管有高压套管和低压套管两种。


绝缘套管


变压器绕组的引出线从箱内穿出油箱引出时必须经过绝缘套管,以使带电的引线绝缘。绝缘套管主要由中心导电杆和磁套组成。导电杆在油箱内的一端与绕组连接,在外面的一端与外线路连接。它是变压器易出故障的部件。


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磁套管。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,这种套管称为充油套管。电压在110kV以上,采用电容式充电套管,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,作为法兰与导电杆之间的主绝缘。


变压器套管漏油是最常见的故障,套管漏油的原因是套管上部算盘珠状橡胶密封圈和套管底部橡胶平垫老化引起。


(6) 呼吸器


呼吸器又称吸湿器,通常由一根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,排出或吸入的空气都经过呼吸器,呼吸器内的干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。浸有氯化钴的硅胶,其颗粒在干燥时是钴蓝色的,但是随着硅胶吸收水分接近饱和时,粒状硅胶将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。


(7) 压力释放装置


压力释放装置在保护电力变压器方面起着重要作用。充有变压器油电力变压器中,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。


防爆管(又称喷油管)


防爆管装于变压器的顶盖上,喇叭形的管子与大气连接,管口有薄膜封住。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5×104Pa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。



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,类似锅炉的安全阀。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。可在压力释放器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。


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。


(8) 散热器


散热器形式有瓦楞性、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有温差时,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。为提高变压器冷却效果,可采用风冷、强迫油风冷和强迫油水冷等措施。散热器的主要故障是漏油。


(9) 瓦斯气体继电器


利用法兰将瓦斯继电器安装在储油柜与变压器油箱盖的连接管之间,运行中瓦斯继电器充满油,当变压器内部发生轻微故障而产生气泡时,它们会首先聚集在瓦斯继电器的上部空间,并迫使油面下降,使上开口杯失去浮力自身质量加重,从而反向偏转,使磁铁靠近干簧管动作。下接点挡板式原理相同。


(10) 测温装置


油面温升是指变压器在额定状态下工作时,油箱中油面温度允许超出周围环境温度的数值。


该主变本体油温暂设定报警为80℃,跳闸为100℃。


(11) 中性点接地闸刀


我国110kV电力系统中性点接地方式主要采用中性点直接接地方式(包括中性点经小电阻接地方式),即大接地电流系统。因为系统在发生单相接地故障时,接地短路电流很大。


变压器停送电操作时,其中性点一定要接地。因为该变压器绕组是半绝缘(又称分级绝缘)的,即变压器的绕组近中性点部分的主绝缘,其绝缘水平比绕组端部的绝缘水平低。所以,为防止过电压损坏变压器绝缘变压器停送电操作时,其中性点一定要接地。


(12) 分接开关(又称切换器)


储油柜用于有载调压变压器时,在储油柜的底装一个无胶囊的开关储油柜。


变压器调压方式分有载调压和无载调压两种:


有载调压是指变压器在运行中可以调节其分接头位置,从而改变变压器变比,以实现调压目的。


变压器分接头一般都从高压侧抽头,其主要是考虑:


(1)变压器高压绕组一般在外侧,抽头引出连接方便;


(2)高压侧电流小些,引出线和分头开关的载流部分导体截面小些,接触不良的影响好解决。


原理上,抽头在哪一侧都可以,要进行经济技术比较,如500kV大型降压变压器抽头是从220kV侧抽出的,而500kV侧是固定的。


当电压过低或过高,需要调节有载分接开关几个分接头才能达到要求时,需要重点注意的情况:


应一档一档地调节,即每按一下N+1或N-1按钮,中间停顿1分钟,待档位指示器上出现新的数字时,再按一下按钮。依次重复上面的过程,一直达到最终目标。当电动操作出现连动(即操作一次,会出现调整一个以上分接头,俗称滑档)现象时,应在主变控制屏的档位指示器上出现第二个分接头位置后,立即按急停按钮,并改为手动操作。


(13) 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,使油质清洁,延长油的使用寿命。


油浸式变压器的油系统

油浸式变压器有几个互相隔离的独立油系统。在油浸式变压器运行时,这些独立油系统内的油是互不相通的,油质与运行工况也不相同,要分别做油中含气色谱分析以判断有无潜在故障。


(1) 主体内油系统


与绕组周围的油相通的油系统都是主体内系统,包括冷却器或散热器内的油,储油柜内的油,35kV 及以下注油式套管内油。

  

注油时必须将这个油系统内存储的气体放气塞放出,一般而言,上述部件都应有各自的放气塞。主体内油主要起绝缘与冷却作用。油还可增加绝缘纸或绝缘纸板的电气强度。在真空注油时,如有些部件不能承受与主体油箱能承受的相同真空强度时,应用临时闸隔离,如储油柜与主油箱间的闸阀。冷却器上潜油泵扬程要够,以免由于负压而吸入空气。这个油系统要有释压装置的保护系统,以排除器身有故障时所产生的压力。


(2) 有载分接开关切换开关室内的油


这部分油有本身的保护系统,即流动继电器、储油柜、压力释放阀。这个开关室内的油起绝缘与熄灭电流作用。油会在切换开关切断负载电流时产生的油中去,这个油系统要良好的密封性能,即使在切换过程中产生电弧压力也要保护密封性能。

  

有载分接开关切换开关室内的油虽与主体内油隔离,但在真空注油时,为避免破坏切换开关室的密封,应与主体内油同时真空注油,在真空注油时,使这两个系统具有相同的真空度,必要时也应将这个系统的储油柜在抽真空时隔离。为结构上方便,主体的储油与切换开关室的储油柜设计成一互相隔离的整体。


(3) 60kV及以上电压等级的全密封


这个油系统内的主要起绝缘作用,或增加油电容式套管内绝缘纸的电气强度。在主体内注油时,应将套管端部接线端子密封好,以免进气。



(4) 高压出线箱内油、或点气出线箱内油


三相 500kV 变压器的高压出线通过波纹绝缘隔离油系统。这个油系统主要起绝缘作用。

  

为简化结构,这个油系统也可通过连管与主体内油系统相联或设计成单独的油系统。


(5) 在对油浸式变压器进行各种绝缘试验


首先是放气,通过放气塞释放可能存储的气体。可通过分析各个系统的油中含气色谱分析可预判有无潜在故障。每一油系统都要满足运行的要求,如吸收油膨胀与收缩时油体积的变化,放油用阀门、放气塞、冷却器与散热器与主油箱的隔离阀等。每一油系统具有良好的密封性能,有载分接开关切换开关室内的油应能单独更换而不放出主体内油,运输时主体内油可放出而充干燥氮气。


油浸式变压器的故障分析

变压器在运行中常见的故障有绕组、套管和分接开关及铁芯、油箱及其它附件的故障等。


(1) 绕组故障

  

主要有匝间短路、绕组接地、相间短路,断线及接头开焊等。


(2) 套管故障

  

变压器套管积垢,在大雾或小雨时造成污闪,使变压器高压侧单相接地或相间短路。


(3) 严重渗漏

  

变压器运行渗漏油严重或连续从破损处不断外溢以致油位计已看不到油位,此时应立即将变压器停用进行补漏和加油,引起变压器渗漏油的原因有焊缝开裂或密封件失效,运行中受到震动外力冲撞油箱锈蚀严重而破损等。


(4) 分接开关故障

 

常见的故障有分接开关接触不良或位置不准,触头表面熔化与灼伤及相间触头放电或各分接头放电。


(5) 过电压引起的故障

  

运行中的变压器受到雷击时,由于雷电的电位很高,将造成变电压器外部过电压,当电力系统的某些参数发生变化时,由于电磁振荡的原因,将引起变压器内部过电压,这两类过电压所引起的变压器损坏大多是绕组主绝缘击穿,造成变压器故障。


(6) 铁芯的故障

  

铁芯的故障大部分原因是铁芯柱的穿心螺杆或铁芯的夹紧螺杆的绝缘损坏而引起的。


(7) 渗漏油现象

  

变压器油的油面过低,使套管引线和分接开关暴露于空气中,绝缘水平将大大降低,因此易引起击穿放电。


变压器的运行与维护


为了保证变压器能安全运行和可靠的供电,当变压器发生异常情况时,能及时发现,及时处理,将故障消除在萌芽状态,以防止事故的发生与扩大,因此,对运行中的变压器必须作定期的巡回检查,并作好运行记录。


(1) 变压器的正常运行方式


① 额定运行方式


变压器在规定的冷却条件下,可按铭牌规范运行。油浸变压器运行中的允许温度应按上层油温来检查。上层油温应遵守制造厂的规定,但最高不得超过95℃。为了防止变压器油劣化过速,上层油温不宜经常超过85℃。


变压器的外加电压,一般不得超过额定值的105%,这时变压器2次侧可带额定电流。个别情况下,经过试验或经制造厂的同意,外加电压可为额定电压的110%。


② 允许过负荷


变压器可以在正常过负荷或事故过负荷的情况下运行。正常过负荷可以经常使用,其允许值根据变压器的负荷曲线、冷却条件以及过负荷前变压器所带负荷等来确定。事故过负荷只允许在事故情况下(还能运行的变压器)使用。


事故过负荷的允许值应遵守制造厂的规定;如无制造厂的规定时,对于自冷油浸变压器,可按下表中的要求运行。



(2) 变压器的不正常运行和应急处理

(a) 运行中的不正常现象。变压器在运行中发现有任何不正常现象时(如漏油、油枕内油面高度不够、发热不正常、声响不正常等)应设法消除。如有下列情形之一者应立即停下修理。
① 内部声响较大,很不均匀,有爆裂声。
② 在正常冷却条件下,温度不正常并不断上升。
③ 油枕喷油或防爆管喷油。
④ 漏油使油面下降低于油位指示计上的限度。
⑤ 油色变化过甚,油内出现碳质。
⑥ 套管有严重的破损和放电现象。

(b) 不允许的过负荷、不正常的温升和油面。如变压器过负荷超过允许值时,应及时调整变压器的负荷。变压器油温的升高超过许可限度时,应判明原因,采取办法使其降低,因此必须进行下列工作。

① 检查变压器的负荷和冷却介质的温度,并与在这种负荷和冷却温度下应有的温度核对。
② 核对温度表。
③ 检查变压器机械冷却装置或变压器室的通风情况。

若发现油温较平时同样的负荷和冷却温度下高出10℃以上,或负荷不变,油温不断上升,经检查冷却装置、变压器室通风和温度计都正常,则可能是变压器内部故障(如铁芯起火、线圈层间短路等),应立即停下修理。

如变压器的油已凝固时,允许将变压器带负荷投入运行,但必须注意上层油温和油循环是否正常。

当发现变压器的油面较当时油温应有的油位显著降低时,应立即加油。如因大量漏油而使油位迅速下降时,禁止将瓦斯继电器改为只动作于信号,而必须迅速采取堵漏措施,并立即加油。 

(c) 瓦斯继电器动作时的处理。瓦斯继电器信号动作时,应检查变压器,查明信号动作原因,是否因空气侵入变压器内,或因油位降低,或是二次回路故障。如变压器外部不能查出故障时,则需鉴定继电器内积聚的气体的性质。如气体是无色无臭且不可燃,则是油中分离出来的空气,变压器仍可继续运行。如气体是可燃的,必须停下变压器,仔细研究动作原因。

检查气体是否可燃时,须特别小心,不要将火靠近继电器顶端,而要在其上5~6cm处。

如瓦斯继电器动作不是因为空气侵入变压器所引起,则应检查油的闪点,若闪点较过去记录降低5℃以上,则说明变压器内已有故障。

如变压器因瓦斯继电器动作而跳闸,并经检查证明是可燃性气体,则变压器在未经特别检查和试验合格前不许再投入运行。

瓦斯继电器的动作,根据故障性质的不同,一般有两种:一种是信号动作而不跳闸;一种是两者同时动作。

信号动作而不跳闸者,通常有下列几个原因。
① 因漏油、加油或冷却系统不严密,致使空气进入变压器。
② 因温度下降或漏油致使油面缓缓低落。
③ 因变压器故障而产生少量气体。
④ 由于发生穿越性短路而引起。

信号与开关同时动作,或仅开关动作者,可能是由于变压器内部发生严重故障,油面下降太快或保护装置二次回路有故障等。在某种情况下,例如在修理后,油中空气分离出来得太快,也可能使开关跳闸。

(d) 变压器漏油处理

漏油有焊缝漏油和密封漏油两种。焊缝漏油处理是补焊,焊接时应吊出器身,将油放净。密封漏油应查明原因,如操作不良(密封垫圈放得不正,压得不均匀,压力不够等),应酌情修理。若垫圈老化或损坏(如耐油胶皮发粘、失去弹性、开裂等),应更换密封材料。
 
(3) 油浸式变压器的巡回检查
对运行中的变压器应经常进行巡回检查和监视,以便及时发现异常现象或故障,避免发生严重事故。 

应检查和监视的项目一般包括: 
(1) 变压器有无异音,如不均匀的响声或放电声等。 
(2) 油位是否正常,有无渗、漏油现象。 
(3) 油温是否正常(上层油温一般最高不得超过85℃)。 
(4) 套管是否清洁,有无裂纹、破损和放电等现象。 
(5) 接头有无发热现象。 
(6) 防爆管的防爆膜是否完整。 
(7) 瓦斯继电器是否漏油,内部是否充满油。 
(8) 呼吸器是否畅通,油封呼吸器的油位是否正常,呼吸器中的硅胶是否已吸潮饱和。 
(9) 冷却系统是否运行正常。 
(10) 外壳接地线是否完好。