變壓器

法拉第在1831年8月29日發明了一個“電感環”，稱為“法拉第感應線圈”，實際上是世界上第一隻變壓器雛形。但法拉第只是用它來示範電磁感應原理，並沒有考慮過它可以有實際的用途。

1881年，路森·戈拉爾（Lucien Gaulard）和約翰·狄克遜·吉布斯（John Dixon Gibbs）在倫敦展示一種稱為“二次手發電機”的設備，然後把這項技術賣給了美國西屋公司，這可能是第一個實用的電力變壓器，但並不是最早的變壓器。

1884年，路森·戈拉爾和約翰·狄克遜·吉布斯在採用電力照明的義大利都靈市展示了他們的設備。早期變壓器採用直線型鐵心，後來被更有效的環形鐵心取代。

西屋公司的工程師威廉·史坦雷從喬治·威斯汀豪斯、路森·戈拉爾與約翰·狄克遜·吉布斯買來變壓器專利以後，在1885年製造了第一台實用的變壓器。後來變壓器的鐵心由E型的鐵片疊合而成，並於1886年開始商業運用。

變壓器變壓原理首先由法拉第發現，但是直到十九世紀80年代才開始實際應用。在發電場應該輸出直流電和交流電的競爭中，交流電能夠使用變壓器是其優勢之一。變壓器可以將電能轉換成高電壓低電流形式，然後再轉換回去，因此大大減小了電能在輸送過程中的損失，使得電能的經濟輸送距離達到更遠。如此一來，發電廠就可以建在遠離用電的地方。世界大多數電力經過一系列的變壓最終才到達用戶那裡的。

變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其餘的繞組叫次級線圈。它可以變換交流電壓、電流和阻抗。最簡單的鐵心變壓器由一個軟磁材料做成的鐵心及套在鐵心上的兩個匝數不等的線圈構成，如圖所示。

鐵心的作用是加強兩個線圈間的磁耦合。為了減少鐵內渦流和磁滯損耗，鐵心由塗漆的硅鋼片疊壓而成；兩個線圈之間沒有電的聯繫，線圈由絕緣銅線（或鋁線）繞成。一個線圈接交流電源稱為初級線圈（或原線圈），另一個線圈接用電器稱為次級線圈（或副線圈）。實際的變壓器是很複雜的，不可避免地存在銅損（線圈電阻發熱）、鐵損（鐵心發熱）和漏磁（經空氣閉合的磁感應線）等，為了簡化討論這裡只介紹理想變壓器。理想變壓器成立的條件是：忽略漏磁通，忽略原、副線圈的電阻，忽略鐵心的損耗，忽略空載電流（副線圈開路原線圈線圈中的電流）。例如電力變壓器在滿載運行時（副線圈輸出額定功率）即接近理想變壓器情況。

變壓器是利用電磁感應原理製成的靜止用電器。當變壓器的原線圈接在交流電源上時，鐵心中便產生交變磁通，交變磁通用φ表示。原、副線圈中的φ是相同的，φ也是簡諧函數，表為φ=φmsinωt。由法拉第電磁感應定律可知，原、副線圈中的感應電動勢為e=-Ndφ/dt、e2=-Ndφ/dt。式中N1、N為原、副線圈的匝數。由圖可知U=-e，U=e（原線圈物理量用下角標1表示，副線圈物理量用下角標2表示），其復有效值為U=-E=jNωΦ、U=E=-NωΦ，令k=N/N，稱變壓器的變比。由上式可得U/U=-N/N=-k，即變壓器原、副線圈電壓有效值之比，等於其匝數比而且原、副線圈電壓的位相差為π。

進而得出：

U/U=N/N

在空載電流可以忽略的情況下，有I/I=-N/N，即原、副線圈電流有效值大小與其匝數成反比，且相位差π。

進而可得

I/I=N/N

理想變壓器原、副線圈的功率相等P=P。說明理想變壓器本身無功率損耗。實際變壓器總存在損耗，其效率為η=P/P。電力變壓器的效率很高，可達90%以上。

一般常用變壓器的分類可歸納如下：

1、按相數分：

1）單相變壓器：用於單相負荷和三相變壓器組。

2）三相變壓器：用於三相系統的升、降電壓。

2、按冷卻方式分：

1）乾式變壓器：依靠空氣對流進行自然冷卻或增加風機冷卻，多用於高層建築、高速收費站點用電及局部照明、電子線路等小容量變壓器。

2）油浸式變壓器：依靠油作冷卻介質、如油浸自冷、油浸風冷、油浸水冷、強迫油循環等。

3、按用途分：

1）電力變壓器：用於輸配電系統的升、降電壓。

2）儀用變壓器：如電壓互感器、電流互感器、用於測量儀錶和繼電保護裝置。

3）試驗變壓器：能產生高壓，對電氣設備進行高壓試驗。

4）特種變壓器：如電爐變壓器、整流變壓器、調整變壓器、電容式變壓器、移相變壓器等。

4、按繞組形式分：

1）雙繞組變壓器：用於連接電力系統中的兩個電壓等級。

2）三繞組變壓器：一般用於電力系統區域變電站中，連接三個電壓等級。

3）自耦變電器：用於連接不同電壓的電力系統。也可做為普通的升壓或降后變壓器用。

5、按鐵芯形式分：

1）芯式變壓器：用於高壓的電力變壓器。

2）非晶合金變壓器：非晶合金鐵芯變壓器是用新型導磁材料，空載電流下降約80%，是節能效果較理想的配電變壓器，特別適用於農村電網和發展中地區等負載率較低地方。

3）殼式變壓器：用於大電流的特殊變壓器，如電爐變壓器、電焊變壓器；或用於電子儀器及電視、收音機等的電源變壓器。

變壓器組成部件包括器身（鐵芯、繞組、絕緣、 引線）、變壓器油、油箱和冷卻裝置、調壓裝置、保護裝置（吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲油櫃及測溫裝置等）和出線套管。具體組成及功能： 

（1）鐵芯。 鐵芯是變壓器中主要的磁路部分。通常由含硅量較高，厚度分別為0.35mm、0.3mm、0.27mm，表面塗有絕緣漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵芯分為鐵芯柱和橫片兩部分，鐵芯柱套有繞組；橫片是閉合磁路之用。 

（2）繞組。繞組是變壓器的電路部分，它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成。變壓器的基本原理是電磁感應原理，現以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理：當一次側繞組上加上電壓U1時，流過電流I1，在鐵芯中就產生交變磁通O1，這些磁通稱為主磁通，在它的作用下，兩側繞組分別感應電勢，最後帶動變壓器調控裝置。

鑒於變壓器在電力系統中的調控作用，技術人員必須選用合適的變壓器完成安裝操作，這樣才能發揮正常的作用。繞制材料是變壓器安裝需注意的首要問題，不同材質的裝置所發揮的作用是不一樣的。對於繞制變壓器，因裝置結構特殊，安裝選用了漆包線、紗包線、絲包線、紙包線等材料配合，能夠發揮出良好的導電、導熱性能，優越的 抗腐蝕性也增強了電路的穩定性。從現有的變壓器產品來看，變壓器安裝中繞制材料一般包括：鐵芯材料、絕緣材料、浸漬材料等，安裝人員必須結合實際情況選用。 

（1）鐵芯材料。變壓器是藉助於電磁感應原理完成電流值、電壓值的調控，而鐵芯是變壓器的核心構件，其材 質狀況決定了變壓器的調節功能。鐵芯材料最好選擇在鐵片中加入硅，以此減小低鋼片的導電導熱作用，避免裝置運行后能耗增多。電力行業標準中規定硅鋼片的磁通密度需控制在有效範圍，如：黑鐵片的磁通密度在7000、低矽片在10000等，安裝現場可結合實際情況選用。 

（2）絕緣材料。近年來變壓器安裝操作的意外事故發生率不斷提升，考慮到變壓器安裝過程中的安全問題，現 場人員需注重絕緣材料的選用，以保護系統其他設備的正常運行。目前，許多變壓器已經配備了絕緣構件，如：墊圈、絕緣器具等，但由於人為操作不當依舊存在安全風險。變壓器安裝需從線圈框架 層間的隔離、繞阻間的隔離等方面增強其絕緣性能。 

（3）浸漬材料。浸漬處理是對繞制材料加工的最後工序，主要目的是改善材料的機械性能、電力性能、絕緣性 能，避免後期使用發生各種安全事故。選用繞制材料之後，安裝人員要對浸漬材料塗刷油漆，在材料表面設置一道絕緣層。比較常用的漆材是甲酚清漆，經過塗刷處理后可發揮出較好的安全作用，延長了變壓器設備的使用壽命。

（1）鐵心製造技術

企業主要是通過改善自己的剪切設備來改進鐵心的生產技術，目前鐵心製造技術有以下變化：①鐵心柱採用嵌下軛工藝。與常規工藝相比可節省大量的心柱疊裝時間，提高鐵心疊裝質量，該工藝適用於配電變壓器鐵心的自動化生產。②多級接縫鐵心的應用。近年來，設計上為降低鐵心接縫處的空載損耗，逐漸將傳統的單一接縫改為多級接縫。變壓器企業多採取局部階梯接縫的做法，不僅能降低變壓器空載損耗15%以上，而且能降低雜訊3%～4%。③鐵心片加工技術。20世紀70年代初，中國各變壓器生產企業均採用國產硅鋼片縱剪線和多剪床組成的簡易硅鋼片橫剪線。 

（2）繞組製造技術

20世紀90年代製造了繞組組裝工藝。目前，這項工藝也逐漸為各變壓器廠家青睞，並得以迅速推廣。 

（3）絕緣加工技術

20世紀80年代，隨著產品電壓等級容量的提高和試驗項目的增加，絕緣加工逐漸從金屬加工中分離出來。現有龍門數控加工中心實現了絕緣加工的全自動化。 

（4）絕緣乾燥和油處理技術

油浸式變壓器採用的是油紙絕緣結構。其核心工藝是絕緣材料的乾燥處理，以及變壓器的真空脫水。氣相干燥：20世紀80年代中期，中國變壓器廠率先從瑞士引進氣相乾燥設備。近年來又開發出內置式煤油蒸發器新產品，與傳統的外置式蒸發器相比，兩者各有利弊。變壓器油處理：進入20世紀80年代，隨著歐美先進油過濾設備的引進，中國油凈化技術得到了長足發展。企業大多採用了先進的真空噴霧凈油法，它的去雜質和脫水效果顯著。 

（5）節能技術

就變壓器節能技術的發展歷程看，變壓器歷經了S6、S7、S9和S11等幾個系列的替代過程，目前S9 型節能產品成為市場主流，而S11節能型產品的市場規模正在增長。在推廣S11的過程中，S11的銷售價格比 S9的平均高出14.2%，所以價格仍是影響S11變壓器普及推廣的主要因素。 目前，新S9產品雖已佔據大部分市場，但隨著經濟的發展，用戶（特別是農網，變壓器負荷率較低的用戶）對S11型產品的需求逐步增長。S11型疊鐵心變壓器是在新S9成熟的技術基礎上設計開發的，在保持產品可靠性的前提下，其性能指標有了較大提高。與傳統的疊片式變壓器相比，S11卷鐵心配電變壓器具有節約原材料、節能、改善供電品質、雜訊低和機械化程度高等特點。

（1）電路故障

對於變壓器的電路故障問題主要是指變壓器的出口出現短路，以及在變壓器內部出現引線或繞組間的對地短路，以及因相與相間出現的短路問題進而引發故障的出現。其實，這類故障在實際的電力變壓器的諸多故障問題中是十分常見的問題，並且該故障的實際案例也很多。對於變壓器在低壓出口出現短路的問題，為了解決該問題一般對故障處更換繞組，故障嚴重時可能需要對所有的繞組進行必要的更換，這樣才能儘可能地降低故障發生的概率，極大地降低因電力故障引發的嚴重的經濟和人身財產損失，所以，對此有必要給予極大地重視 。 

（2）繞組的故障問題

把繞組故障可以細緻地劃分為以下幾個類型：接頭的焊接處極其容易出現開裂問題、相與相間短路問題、匝向出現短路、繞組的接地故障等。分析總結以上故障出現的原因可以總結：變壓器的絕緣問題出現了問題；繞組處有雜物進去，老化的絕緣體；變壓器的工作力度不足；因變形導致繞組出現問題：繞組受到水汽影響；變壓器的溫度高。 

（3）變壓器滲油故障

變壓器滲油故障在整個電力變壓器的故障中是最為常見的一個故障。變壓器滲油故障又可以解釋為電力變壓器滲油會導致後續一些問題，諸如本身對空氣產生嚴重的環境污染，還可能造成大量的的資源浪費，這樣會大大增加了企業的運行成本，進而增加了企業的經濟壓力和市場阻力。該問題作為一個安全隱患，會極大地影響電力變壓器的安全穩定運作，嚴重時可能造成機器設備的不能運行。還要注意的是該故障還會對電力企業的服務質量產生影響，對為用電的客戶提供安全科學的服務產生重大的負面影響。 

（4）接頭處溫度、多高故障

接頭處溫度、多高故障中的接頭指的是變壓器的載流接頭。在整個變壓器的設計中變壓器的載流接頭一直都承擔著極為重要的責任，分析總結了電力事故可以得出：變壓器的載流接頭的不穩定連接，使得接頭處溫度快速升高，甚至已經超過了接頭的著火點，導致接頭出 現燒斷的現象，嚴重影響了電力變壓器的安全穩定運行。這些問題都給電力企業在以後得安全供電工作敲響了警鐘。為了有效減少這類安全事故的出現，避免因接頭處溫度過高引發的安全用電事故，這需要電力檢測維修工人在平時的檢測維修工作中，注意觀察變壓器的載流接頭的溫度變化，保證接頭的溫度在正常的數值範圍內變化，這樣才能有效保證電力變電器的安全穩定運行。

（1）在線監測技術

在線監測技術主要使用的是振動分析法和局部放電檢測法等兩種。一是振動分析法。該分析方法指的是變壓器運行時，要監測變壓器的振動信號的強弱，並且分析總結出現這樣監測結果的原因，進而可以對變壓器的運行狀態進行實時的檢測，有利於及時發現故障問題，在小故障釀成大故障前，便得到解決。二是局部放電檢測法。該檢測方法指的是變壓器在運行過程中的機械內部出現故障，進而引發了局部的放電現象，這樣會影響放電的水平和放電的速度。所以有必要針對變壓器的局部放電情況，加強日常地有效地判斷，檢測變壓器安全隱患是否存在，並對這些問題進行有針對性地解決，來確保機械的安全穩定運行。 

（2）氣相色譜儀技術

氣相色譜儀技術主要用於分析混合氣體中內部組成部分。該檢測 技術的優點主要有效以下幾點：效率高，使用便捷、操作便利等許多方面，這些優勢促進了該技術得到了十分廣泛的應用，並在各種電氣設備的檢測的領域得到了廣泛面的應用。其中，對於高分子膜技術便有效利用了該項技術，有效快速分解油氣，並在高分子聚合物的作用 下並在變壓器的影響下將油溶解，這樣可以有效提高測定電壓器的故障氣體和油中氣體的濃度。多數情況下，當變電器出現故障時，可能會散發出氫氣氣體的味道，利用這一化學特性可以更好地檢測氣體的 含量，並有效地檢測變壓器故障氣體中的氫氣。另外，使用該變壓器 進行檢測多種氣體，這樣大大提高了變壓器故障氣體的擴散速度，有利於正常運行的狀態能及時得到恢復。 

（3）感器列陣技術

對於感器列陣技術而言，在變壓器故障檢測技術中該技術也起到了十分重要的作用。為此，電力檢測維修工作人員需要熟練地掌握該項技術，並將該項技術科學合理地運用到檢測故障的工作，可以有效提高變壓器的安全運行指數，使得運行的狀態不受到外界干擾。並且由於這項感測器具有以下的優點：選擇性高、敏感度高等優點，使用感測器進行在線檢測，進而提高檢測故障氣體的濃度的速度，有利於含量的檢測，可見不但可以提高檢測的速度，而且還可以提升變壓器故障檢測技術水平，降低變壓器的檢測故障的出現的幾率。 

（4）紅外光譜技術

紅外光譜技術又稱之為紅外光譜在線檢測技術，該技術具有檢測速度快、準確度高、敏銳度高、維修量少等優點，該技術也在變壓器故障檢測技術扮演著重要的角色，有助於變壓器故障產生氣體的含量檢測。在實際的檢測工作中以及在具體的使用過程中，可以有效地利用紅外氣體分析儀器和雙關路薄膜電容檢測儀器，進行定量地分析。

（1）選用優質材料製造變壓器

變壓器是通過電磁感應來改變網路電壓的，主要材料是硅鋼片和電磁線。這兩種材料質地的優劣，直接影響變 壓器的損耗特性。由運行中變壓器鐵心形成的損耗通稱空載損耗，損耗值是恆定的，與變壓器的負載率無大關係，也是不可避免的。但導磁材料的優劣，可以改變其損耗的大小。第一代節能變壓器就選用了優質的Q11、 Q10冷軋晶粒取向硅鋼片，淘汰熱軋的D44等硅鋼片，結合結構設計的改進使空載扭耗降低40%。 

（2）優化設計和改進工藝

從結構設計和製造工藝入手改善變壓器的損耗特徵，是製造廠的主要研究課題。電子計算機應用於變壓器設計，為設計工作開拓了廣闊的前景，可在理想的銅（電磁線 ）鐵（硅鋼片）比例下，以損耗最低和銅鐵耗量最少為設計 目標。使優質材料和優化設計的曲線相交於一點，從而獲得最佳效果。鐵心結構由原來的直接縫改為半直半斜和全斜接縫，則是結構設計的突破性改進，可使晶粒取向硅鋼片（即目前廣泛應用的Q10、Q11）在鐵心接縫區的導磁方向得到緩和，降低了空載損耗。

變壓器是輸配電的基礎設備，廣泛應用於工業、農業、交通、城市社區等領域。我國在網運行的變壓器約1700萬台，總容量約110億千伏安。變壓器損耗約佔輸配電電力損耗的40%，具有較大節能潛力。為加快高效節能變壓器推廣應用，提升能源資源利用效率，推動綠色低碳和高質量發展，2021年1月，工業和信息化部、市場監管總局、國家能源局聯合制定了《變壓器能效提升計劃（2021-2023年）》

變壓器鐵芯損耗與頻率關係很大，故應根據使用頻率來設計和使用，這種頻率稱工作頻率。

在規定的頻率和電壓下，變壓器能長期工作而不超過規定溫升的輸出功率。

指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓，工作時不得大於規定值。

指變壓器初級電壓和次級電壓的比值，有空載電壓比和負載電壓比的區別。

變壓器次級開路時，初級仍有一定的電流，這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流（產生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成。對於50Hz電源變壓器而言，空載電流基本上等於磁化電流。

指變壓器次級開路時，在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗，其次是空載電流在初級線圈銅阻上產生的損耗（銅損），這部分損耗很小。

指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大，效率就愈高。

表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關.