模块1　变压器与整流机组的运行与维护

变压器是变电所的心脏，整流机组是城轨牵引变电所的心脏，保证其正常工作是保证供电质量的基础。本模块的任务就是学习变压器和整流机组的检修。

2.1.1　学习目标

1.掌握变压器和整流机组的工作原理和组成结构；

2.能维护和检修油浸式变压器；

3.能维护和检修干式变压器。

2.1.2　知识准备

2.1.2.1　高压电器的分类

在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域，对电路进行运行情况监视、保护及数值测量的设备，统称为高压电器。

1.按照用途分类

按照用途，高压电器可以分成下列几类：

（1）开关电器

用来关合和开断电路的电器，包括：

①断路器，用来在电路正常工作和发生故障时关合和开断电路。

②隔离开关，主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。

③熔断器，用来在电路发生过载或短路时依靠熔件的熔断开断电路。

④负荷开关，用来在电路正常工作或过载时关合开断电路，不能开断短路电流。

（2）限制电器

用来限制电路中电压或电流的电器，包括：

①电抗器，主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。

②避雷器，用来限制电路中出现的过电压。

（3）变换电器

用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器，包括：

①电流互感器，用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。

②电压互感器，用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。

（4）组合电器

将上述某几种电器，按一定的线路配装成一个整体的电器组合。

2.按照安装地点分类

按照安装地点，高压电器可以分为：

（1）户内式

装在建筑物内，不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等性能。户内式高压电器的工作电压一般为35kV及以下的电压等级。

（2）户外式

适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰和浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在35kV及以上的电压等级。

3.按照电流制式分类

按照电流制式，高压电器可以分为：

（1）交流电器

工作于三相或单相工频交流制的电器，极少数工作在非工频系统。

（2）直流电器

工作于直流制系统。

对于电气化铁路及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁路及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁路、城市地铁及轻轨交通供电系统中大量应用的电器。

按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同的特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件（例如电压、电流互感器）应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应能满足测量精度的要求外，还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。

2.1.2.2　变压器与整流机组

1.变压器的工作原理

图2.1是单相变压器的工作原理示意图。

变压器主要包括铁芯和绕在铁芯上的两个（或以上）互相绝缘的绕组，绕组之间有磁耦合，但没有电的联系。通常一侧绕组接交流电源，称为一次绕组（也称原绕组或初级绕组），匝数为N1；另一侧绕组接电负载，称为二次绕组（也称副绕组或次级绕组），匝数为N2。

当在一次绕组加上合适的交流电源时，一次绕组中就有交流电源i1通过，由于i1的励磁作用，将在铁芯中产生交变的主磁通椎。由于一次、二次绕组绕在同一个铁芯上，所以主磁通同时和一次、二次绕组交链。根据法拉第电磁感应定律，这个交变的主磁通分别在这两个绕组中产生感应电动势，即一次绕组的感应电动势e1和二次绕组的感应电动势e2。这样二次绕组在感应电动势e2的作用下，可向负载供电，实现能量的转换。

图2.1　变压器工作原理示意图

根据电磁感应原理，可得

假设忽略变压器的内阻抗不计，则感应电势等于端电压，即u1抑e1，u2抑e2，所以一次、二次绕组的端电压不同，大小与绕组的匝数成正比，即

式中　K——变压器的变比，改变变比即可改变输出电压的大小。

根据能量守恒原理，如果忽略变压器的内部能量损耗，则有二次绕组的输出功率等于一次绕组的输入功率，即

可见变压器在变换电压的同时，电流的大小也随着改变。

2.变压器的主要技术参数

变压器在规定的使用环境和运行条件下，主要技术数据一般都标注在变压器的铭牌上。主要包括：额定容量、额定电压及其分接、额定频率、绕组联结组以及额定性能数据（阻抗电压、空载电流、空载损耗和负载损耗）和总重。

（1）额定容量（kV·A）：在额定电压、额定电流下连续运行时，能输送的容量。

（2）额定电压（kV）：变压器长时间运行时所能承受的工作电压。为适应电网电压变化的需要，变压器高压侧都有分接抽头，通过调整高压绕组匝数来调节低压侧输出电压。

（3）额定电流（A）：变压器在额定容量下，允许长期通过的电流。

（4）空载损耗（kW）：当以额定频率的额定电压施加在一个绕组的端子上，其余绕组开路时所吸取的有功功率。与铁芯硅钢片性能及制造工艺和施加的电压有关。

（5）空载电流（％）：当变压器在额定电压下二次侧空载时，一次绕组中通过的电流。一般以额定电流的百分数表示。

（6）负载损耗（kW）：把变压器的二次绕组短路，在一次绕组额定分接位置上通入额定电流，此时变压器所消耗的功率。

（7）阻抗电压（％）：把变压器的二次绕组短路，在一次绕组慢慢升高电压，当二次绕组的短路电流等于额定值时，此时一次侧所施加的电压。一般以额定电压的百分数表示。

（8）相数和频率：三相开头以S表示，单相开头以D表示。我国标准频率f为50Hz，国外有60Hz的。

（9）温升与冷却：变压器绕组或上层油温与变压器周围环境的温度之差，称为绕组或上层油面的温升。油浸式变压器绕组温升限值为65K，油面温升为55K。冷却方式也有：油浸自冷、强迫风冷、水冷、管式、片式等多种。

（10）绝缘水平：有绝缘等级标准。绝缘水平的表示方法举例如下：高压额定电压为35kV级、低压额定电压为10kV级的变压器绝缘水平表示为LI200AC85/LI75AC35，表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为200kV，工频耐受电压为85kV，低压雷电冲击耐受电压为75kV，工频耐受电压为35kV。

（11）联结组标号：根据变压器一、二次绕组的相位关系，把变压器绕组连接成各种不同的组合，称为绕组的联结组。为了区别不同的联结组，常采用时钟表示法，即把高压侧线电压的相量作为时钟的长针，固定在12上，低压侧线电压的相量作为时钟的短针，看短针指在哪一个数字上，就作为该联结组的标号。如D，yn11表示一次绕组是三角形联结，二次绕组是带有中心点的星形联结，组号为11点。

3.干式变压器

《干式电力变压器》（GB 6450—1986）对干式电力变压器的定义为“铁芯和线圈不浸在绝缘液体中的变压器冶。干式变压器的铁芯和绕组一般为外露结构，不采用液体绝缘，不存在液体泄漏和污染环境的问题；干式变压器结构简单，维护和检修较油浸变压器要方便很多；同时干式变压器都采用阻燃性绝缘材料，基于这些优点，被广泛应用在对安全运行要求较高的场合。许多国家和地区都规定，在高层建筑的地下变电站、地铁、矿井、人流密集的大型商业和社会活动中心等重要场所必须选用干式变压器供电。

（1）干式变压器的型号（图2.2）

例如型号为SCZ（B）1010/0.4kV对应为：三相树脂绝缘、有载调压、低压为箔式线圈、设计序号为10的额定容量为10kV·A，额定电压为0.4kV干式变压器。

（2）干式变压器的分类

①按技术参数分类

a.电压等级

干式电力变压器主要集中于中压配电网10kV电压等级，发电厂站应用的干式变压器多为6kV电压等级。15～35kV电压等级的产品也有一定的应用需求。

图2.2　干式变压器的型号

b.额定容量

配电变压器：10/0.4kV以及20/0.4kV、35/0.4kV的容量一般为30～2500kV·A。

电力变压器：10kV、20kV、35kV的干式变压器可生产最大容量达20000kV·A以上。

c.有载调压和无载调压

目前，我国10kV有载调压干式配电变压器的最大容量达2500kV·A，35kV有载调压干式电力变压器容量达25000kV·A。

②按型号分类

国内干式变压器的种类按型号可分为SC和SG，即包封线圈和非包封线圈两大类。包封线圈分为纯树脂浇注式、带填料树脂浇注式和缠绕式；非包封线圈的分为普通浸渍式和包封浸渍式。

③按绝缘介质和制造工艺分类

目前，我国生产的干式变压器主要有4类，包括浸渍式、Nomex纸型、环氧树脂型（分为浇注型和绕包型两类）和SF6气体绝缘型。

（3）干式变压器的性能特点

①环氧浇注干式电力变压器的特点

a.整体机械强度好，耐受短路能力强；

b.耐受冲击过电压的性能好，基准冲击水平（BIL）值高；

c.防潮耐腐性能好，适合恶劣环境下工作；

d.可制造大容量的干式变压器；

e.局部放电小，运行寿命长；

f.可从备用状态立即投入运行，无需预热去潮处理；

g.损耗低，过负荷能力强；

②真空浇注工艺类干式电力变压器的特点。

a.绝缘薄；

b.质量稳定；

c.绝缘性能好。

③SF6气体绝缘干式变压器的特点。

SF6气体的特性是无色、无毒、无味，在600益温度下属于稳定的惰性气体。同时它不易燃烧，不爆炸，绝缘性能好，热容量比变压器油稍差，但在0.14MPa以上散热性能好，能完全满足变压器的散热要求。

4.整流机组

整流机组由变压器和整流器组成。整流机组是地铁牵引变电所最重要的设备，其作用是将环网电缆AC35kV（或AC33kV、AC10kV）电压降为交流1180V，再整流输出直流DC1500V，经网上电动隔离开关给接触网供电，实现直流牵引。整流机组的接线方式将对电网的质量有很大影响。24脉波整流机组在某些行业的应用并不少见，但是在地铁中的应用属于新型的设备，下面就重点介绍整流机组的接线方式。

（1）整流机组接线选择的考虑

在考虑变压器的联结组别时，一个重要的因素就是高次谐波的影响。国际上公认谐波“污染冶是电网的公害，所以必须采取措施加以限制。在国家标准《电能质量　公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）中对谐波作出了限制。整流机组作为大功率整流设备，属于非线性负荷，从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，因此整流机组属于重要的谐波源。为了抑制整流机组谐波对电网的影响，通常的措施是将变压器的一次或二次绕组接成三角形，使励磁电流的3次谐波或零序分量能够流通，使三倍次谐波或3的整数倍次谐波电流不注入电网。同时增加变压器二次侧的相数，波形会更平滑，可以有效地减少谐波。因此，在确定地铁整流机组的规格时，考虑采用带三角形联结的变压器，同时尽可能地增加整流的相数，以减少谐波“污染冶。

（2）D，y11，d0-D，y1，d2联结法

基于以上考虑，可选择两台变压器，一台（T1）联结组别为D，y11，d0，另一台（T2）为D，y1，d2，其中D联结绕组为延边三角形，如图2.3所示。根据两台变压器的接线，可作出其相量图如图2.4和图2.5所示。

图2.3　D，y11，d0-D，y1，d2变压器联结图

图2.4　变压器T1的结构及相量图

图2.5　变压器T2的结构及相量图

分析图2.4和图2.5的相量图可知，若以水平右方向为参考方向，则可得其他电压相量的相位角分别为：

①对于变压器T1。

一次侧电压相量的相位角为112.5毅；

二次侧电压相量的相位角为112.5毅（d结）。

②对于变压器T2。

一次侧电压相量的相位角为127.5毅；

二次侧电压相量的相位角为67.5毅（d结）。

由图2.4和图2.5的相量图并利用上面分析结果可知，对于同一台变压器，其阀侧（二次侧）绕组同名端线电压的相位差为30毅（142.5毅-112.5毅=97.5毅-67.5毅=30毅）；而两台变压器网侧（一次侧）并联接入电网时，相当于其一次侧电压各移相7.5毅（不同的旋转方向），使T1变压器一次侧三角形绕组电压与T2原边三角形绕组线电压有15毅的相位差（127.5毅-112.5毅=15毅），而两台变压器二次侧对应的线电压相角差为45毅（142.5毅-97.5毅=112.5毅-67.5毅=45毅），上述的结果如图2.6所示。

（3）整流机组的输出波形

两台变压器分别接入整流器整流，构成两台整流机组，1号整流机组由变压器T1和整流器组成，2号整流机组由变压器T2和整流器组成，各自接入的整流器如图2.7所示。如果只考虑1号整流机组整流后输出的直流电压波形时，可得到其直流波形如图2.8所示，其输出直流波形在一个周期中脉动12次，每个波动的间隔为30毅电角度。

2号整流机组的输出直流波形变化规律和T1一样的，同样是12脉动的波形，如图2.8所示。但由于两台整流机组是同时运行的，而且其直流输出是并联接在直流母线上的。前面已经分析过，变压器T1和T2的一次绕组通过延边三角形的结法移相后，具有15毅的相位差，因此其整流后输出的波形也具有15毅的相位差。

图2.6　两台变压器的相量关系图

图2.7　整流器接线图

图2.8　单台变压器整流后输出的波形（一个周期）

两台整流机组并联运行后输出的直流波形如图2.9所示，即在一个周期内为24脉波。图2.9可由图2.8的波形叠加其本身平移15毅后的波形处理后得到。

图2.9　两台变压器整流后输出的波形（一个周期）

由上述分析可知，地铁牵引变电所中获得的24脉波整流是由两台整流机组并联运行等效而成的。即单台整流器由两个三相6脉冲全波整流桥组成，其中一个整流桥接至变压器二次侧“Y冶型绕组，另一个整流桥接至变压器二次侧“D冶型绕组。两个整流桥并联连接构成12脉波整流。为了实现24脉波整流，在两台变压器的原边将绕组接成延边三角形，使其分别顺时针和逆时针移相7.5毅。两台变压器的二次侧电压相位差为45毅，而两台整流机组的直流输出波形实际上有15毅的相位差，将其并联运行就等效成24脉波整流。

2.1.3　工作任务

1.油浸式变压器芯部检修

（1）线圈的轴向压力检修

用压钉和压环压紧线圈的变压器，在检查时应拧动压钉，使压环向下移动，即增加线圈的轴向压力。在拧紧压钉时，应注意同一压环上的几个压钉受力应均匀，保持各侧的压紧程度一致。

（2）引线及其支持装置检修

检修重点为引线端部与接线柱的焊接要牢固，接触要良好，导线无折痕和局部断裂现象。对接触不良和有断裂的要进行补焊或重新焊接。焊接的方法通常有银铜焊、铜焊、锡焊和熔焊4种，其中多采用铜焊。铜焊一般都为钎焊，是利用熔点较低的焊料和焊件的连接处一同加热，使焊料熔化但焊件不熔化，借助于毛细管的吸力作用，使焊料流入并填满连接处的间隙，从而获得焊件的连接。

对于引线外包扎绝缘损坏者，可按原包扎形式，使用原包扎材料重新包好，也可对损坏的局部用电缆纸包扎后，在表面涂刷醇酸清漆进行绝缘处理。

固定引线的支架应坚固完好，对损坏的部位要修理，同时检查连接支架的螺栓是否齐全以及是否有防止滑落的措施。

（3）穿心螺杆绝缘及铁芯绝缘检修

在正常情况下，穿心螺杆对地的绝缘应在10M赘以上。检修时，用2500V兆欧表，将其“L冶端接于螺杆端头上，“E冶端接于紧固夹件上即可测得对地的绝缘。检查铁芯绝缘的目的是判断其有无多点接地现象。检查时，先把铁芯接地片在接地一端拆开，然后再用2500V兆欧表，将其“L冶端接于铁芯接地片上，“E冶端接于紧固夹件上测出铁芯绝缘电阻。正常情况下，绝缘电阻应在5000M赘以上。与初始值相比较，若小于初始值的50％，亦可判断为绝缘破坏或有多点接地现象。

（4）有载调压分接开关检修

检修时，应先托起分接开关的外绝缘筒，从检查孔处观察它的接触部分，要求触头表面不应有灼痕与疤痕。用手按压触动环并使其旋转，一是检查各动触环弹簧压力是否均匀，二是观察触环表面有无缺陷。对在运行中长期不调压使用的分接开关，其动触环和定触柱上常覆有氧化膜和污垢，较轻者可将触头在各位置往返切换多次，将污垢清除；较重者可用干燥的白绸布将其擦拭干净。最后再将分接开关往复操作几次，看其活动是否灵活，手柄的指示位置与触头的接触是否一致。

上述检查完毕后，用双臂电桥测量每一个分接位置的直流电阻，要求不超过500滋赘。此方法只能在拆开检查分接开关时进行。有条件时，可用压力计测量动触环与定触柱的接触压力。如果发现分接开关接触不好、定触柱或动触环有踏损或疤痕、引线焊接不牢等，应将其拆下进行修理。

（5）芯部外表和紧固件检修

检查线圈及其他绝缘物有无老化发脆，外包绝缘是否完整等。对局部绝缘损坏者，可用电缆纸或黄蜡布带包扎，然后在表面涂刷醇酸清漆。

检查芯部表面的脏污情况，如果面积小且污物较少时，可用干燥白布或泡沫塑料擦拭干净；如果面积大且污物较多时，可用合格的绝缘油自上而下进行冲洗。冲洗时油压力要保持在196～245kPa范围内。

检查各部紧固螺钉是否紧固，有无防滑落措施。

2.干式变压器检修

（1）干式变压器基础、支架及外罩检修

①用水平尺检查其倾斜度是否能满足设计标准，若不满足应对其进行相应调整，使之满足设备运行要求。

②外壳、基础和支架等锈蚀破损部分，用除锈剂或者细砂纸进行除锈，然后进行涂漆防锈处理。个别部位破损严重的，对相关部件进行整体更换。修后设备应达到安装牢固，无倾斜，外壳无严重锈蚀，基础支架表面无破损剥落。

③电缆穿孔用防火泥进行封堵，孔洞封堵应符合要求。

④外罩清洁。用吸尘器或者抹布对外罩进行清洁处理。

（2）干式变压器铁轭、铁芯、穿心螺杆检修

①检查螺母是否有松动，用力矩扳手进行紧固处理，切勿用呆扳手或者活动扳手，以防用劲过大造成螺杆滑丝

②检查铁芯和铁轭是否有脱漆、锈蚀。用细砂纸进行研磨除锈后涂漆。

③检查铁芯和铁轭是否有变形。如果有变形，应进行硅钢片调整或部分更换或整体更换。检修后的铁芯，铁轭外表应平整无翘片，无严重波浪状，叠片紧密；检修后的硅钢片叠片接缝间隙不应超过0.5mm。

（3）干式变压器高低压侧连接部件检修

①检查电气连接部件（高压连接杆、高压连接片、高压端子等）是否有松动、锈蚀、放电现象。用细砂纸打磨除锈，用力矩扳手紧固，确保其接触良好，在连接部位涂抹导电膏。

②检查高压侧电缆终端头导电部位的机械强度、变形与接触情况；检查高压侧电缆终端头绝缘硅胶是否有放电、爬电现象，检查原因，必要时整体更换。

③对硅胶绝缘裙边结构（终端冷缩头）用清洁的抹布擦拭干净。

④检查高压侧电缆终端头的地线是否绑扎牢固，防止高压侧导体对电缆终端头地线短路。

⑤用力矩扳手检查无载调压连接片是否连接紧固，同时对连接片进行除锈处理。

⑥检查干式变压器低压侧与低压开关柜的连接导体是否有变形、放电、烧灼、松动现象；用细砂纸打磨除锈，涂抹导电膏；对软连接要注意是否有散股、松动、断股现象，如果有此现象应进行绑扎、固定、加强处理，必要时整体更换。

（4）接地系统检修

①检查外罩、底座、箱体和铁芯是否可靠接地，确保铁芯单点接地。

②如接地部分有锈蚀现象，应用除锈剂对其进行除锈处理。

（5）干式变压器高、低压绕组的检修

①对高、低压绕组表面进行清洁处理。

②高、低压绕组间的通风道灰尘处理。用不大于100kPa的干燥压缩空气吹（与通风的方向相反）；在用抹布清理时，切勿用棉质抹布去尘，以防棉质在物体上面，容易造成放电现象。

③高压绕组表面爬弧、放电处理。对爬电部位用细砂纸轻轻打磨表面的发黑部分，对龟裂部位采取环氧树脂绝缘填充胶填充，最后涂抹绝缘漆。

（6）干式变压器绝缘子、支撑件、上下部绝缘衬垫块检修

①用抹布或吸尘器对绝缘子、支撑件、上下部绝缘衬垫块进行除尘处理。

②检查各部件是否有放电痕迹。

③检查绝缘子或绝缘衬垫是否有开裂、破损现象，有则进行更换。

④检查绝缘子或绝缘衬垫是否有移位松动，有则进行位移调整，使之满足运行要求。

3.整流器的日常维护

（1）外观检查

①按图样检查主电路和辅助电路接线是否正确。

②检查所有紧固件是否紧固、弹簧垫圈是否压平。

③检查母线有无过热发黑，电阻器、电容器有无过热烧焦，以及电流互感器绝缘包有无过热变色现象。

④清扫屏柜通风网孔灰尘。

⑤用毛刷或吸尘器清扫绝缘子、二极管、熔断器、电容器表面的灰尘。

（2）二极管检查

用万用表电阻挡检查各二极管的正、反向电阻值有无异常现象。

在实际电路中，二极管的周边电阻一般都比较大，大都在几百或几千欧以上，这样就可以用万用表的的R伊10赘或R伊1赘挡来测量PN结的好坏。测量时，用R伊10赘挡测PN结应有较明显的正反向特性（如果正反向电阻相差不太明显，可改用R伊1赘挡来测量），一般正向电阻在R伊10赘挡测量时表针应指示在上百欧，在R伊1赘挡测量时表针应指示在几十欧（根据不同表型，可能略有出入）。如果测量结果正向阻值太大或反向阻值太小，都说明这个PN结有问题，这只二极管也就有问题了。实际判定还要参考二极管的型号、参数。

2.1.4　分析与思考

1.变压器有哪些主要组成部分？

2.整流机组是如何完成高压交流转换成适合电力牵引的直流的？

3.变压器器有哪些主要参数？有何含义？

4.变压器检修时有哪些注意事项？