结构与绝缘技术

1）绕组

线圈是变压器的基本部件。对油纸绝缘变压器，线圈是由铜、铝的圆、扁导线绕制而成。但气体绝缘变压器是用铜（铝）箔绕制。线圈绝缘用浸SF6的塑料膜，如聚酯薄膜。聚酯薄膜在SF6中的局部放电场强与气体压力的函数关系的试验值如图7-49所示。但箔的端部的情况比较复杂。因箔式线圈是一种紧密绕制的实体，所以提高了空间的利用率，且使线圈具有辐向的预应力，因而使线圈的辐向稳定性良好。因箔式线圈的区间工作电压仅为一匝电压，因此简化了绝缘结构，从而大大缩小了结构尺寸。这样不仅可以减少有效材料的消耗，同时又可以减轻变压器的运输重量。由于线圈的涡流损耗与导线厚度成正比，所以线圈的附加损耗小。这种线圈由于电磁平衡而不产生轴向力，从而简化支撑结构。

图7-49 聚酯薄膜在SF6气体中局部放电起始场强的试验值

西欧七个变压器制造厂所制造的200k VA及以上配电变压器都采用铝（铜）箔绕制低压线圈。高压线圈仍然采用扁铜线绕制。综上所述箔式线圈的优点有：①提高了空间利用率；②冲击电压分布均匀；③横漏磁显著降低，因而轴向应力下降；④线圈具有辐向预应力，因而线圈的辐向稳定性良好；⑤绝缘结构简单，结构尺寸大大缩小；⑥导线是箔片，所以集肤效应引起的附加损耗小。这种箔式线圈便于自动化机械加工。

2）铁心和外壳

铁心是电力变压器的基本部件，由铁心叠片、绝缘件和铁心结构件组成。铁心本体是由磁导率很高的磁性钢带组成，为使不同绕组能感应出和匝数成正比的电压，需要两个绕组链合的磁通量相等，这就需要绕组内有磁导率很高的材料制造的铁心，尽量使全部磁通在铁心内核两个绕组链合，并且使只和一个绕组链合的磁通尽量少。

为减少励磁电流，铁心做成一个封闭的磁路，铁心又是安装线圈的骨架，对于变压器的电磁性能、机械强度和变压器噪声是极为重要的部件。

铁心叠片由电工磁性钢带叠积或卷绕而成，铁心结构件主要由夹件、垫脚、撑板、拉带、拉螺杆和压钉等组成。结构件保证叠片的充分夹紧，形成完整而牢固的铁心结构。叠片和夹件、垫脚、撑板、拉带和拉板之间均有绝缘件。铁心叠片引出接地引线接到夹件或通过油箱到外部可靠接地，铁心不允许存在多点接地情况。

为了降低变压器的空载损耗和空载电流，铁心除采用具有高导磁晶粒取向冷轧电工磁性钢带制造外，在结构上也相应地采取一系列措施，采用斜接缝无孔绑扎铁心，以适应冷轧取向磁性钢片的方向性和采用磁路对称的铁心结构等。

铁心被绕组遮盖住的部分称为铁心柱，其他未被绕组围住构成磁通闭合路径的部分称为铁轭。由铁心柱和铁轭确定的空间是铁心窗口，铁心窗口的大小与绕组的数量和截面积有关。

变压器铁心一般分为两大类，即壳式铁心和心式铁心，而每类铁心中又分为叠铁心和卷铁心两种。其中由片状电工钢带逐片叠积而成的称为叠铁心；卷铁心是用带状材料在卷绕机上的适当形状模具连续绕制而成。另外，还有双框铁心，即大小框结构，但现在由于均采用优质冷轧电工磁性钢带，钢带的宽度已经能满足铁心柱的铁轭宽度的要求，故很少采用双框（大小框）铁心。此外，还有新型的双框和多框结构，如单相双框及三相四框结构等。

若按变压器的相数分，单相变压器的铁心统称为单相铁心，三相变压器的铁心统称为三相铁心；还可以按变压器铁心的柱数、框数等进行分类。

变压器铁心材料主要是铁心本体的磁性材料。由于铁磁材料有高的磁导率，变压器发展的初期，使用普通铁片作为铁心材料，以后开发出热轧磁性钢片用于变压器铁心制造。20世纪70年代以后，开发出高导磁的磁性钢片（Hi B），其单位损耗和励磁安匝均比普通晶粒取向磁性钢片要小。20世纪80年代，又开发出磁畴细化（通过激光照射或机械压痕方法）的更低损耗的磁性钢片。

1960年美国研发出非晶合金材料，1974年研制出铁基非晶合金，非晶合金的铁心损耗要比取向磁性钢片小，磁导率也更高。使用非晶合金制造的变压器已在电力网中试运行有约20年的经验，此期间在世界范围内非晶合金在配电变压器中已广泛应用。非晶合金适合于制造空载损耗更低的变压器，其节能效果显著。但是由于其饱和磁通密度低、厚度薄、加工困难、材料价格比较高，尽管在变压器制造中有很好的表现，目前在大容量变压器制造中仍未使用。

因为变压器外壳必须具有足够的机械强度以承担内部的气体压力，所以气体绝缘变压器的外壳一般都做成圆筒形状，而它的端头则为拱顶形状。因此，与此相协调的变压器铁心结构就不可能用平面式的三相铁心结构。须在工业实用上想办法，他们采用一种“十字形”的五柱式铁心结构（见图7-50）。这种铁心实际上是四个两柱式铁心的装配，由于铁心心柱近似于是辐向布置，所以该结构可以降低漏磁通产生的涡流，同时这种铁心的铁轭对线圈端面的覆盖面积增大，而且对称布置的四个端柱，改善了对外壳的屏蔽。该铁心结构可使变压器容量提高约25%。

图7-50 “十字形”五柱式铁心结构

3）绝缘技术

根据工作电压和容量的不同，GIT选用各种饼式绕组和箔式绕组。高压绕组与低压绕组之间、绕组对地之间的主绝缘的绝缘强度主要取决于SF6气体的绝缘强度。因为SF6气体中的放电或击穿就是主绝缘的击穿，因此在设计中一定要严格控制气体中的电场强度。变压器箱内SF6气体压力愈高，热容量愈大。如以0.125MPa的SF6气体热容量为1的话，那么0.4MPa的SF6气体热容量为2.4。在绝缘强度方面，也是气体压力愈高，绝缘强度愈大。因此，在275k V电压等级时，采用0.4MPa的气体，而在500k V电压等级时，采用0.6MPa的SF6气体。GIT箱体与油浸变压器不同之处在于要求箱体除在全真空时不因屈曲失稳而失效外，还要求承受内压时有足够的强度和刚度。为此，日立公司采取在GIT箱壁周边加箍的办法，以加强箱体的机械强度。GIT对密封性能的要求很高，因为密封不好会造成箱体内的SF6气体泄漏和外界水分向箱体内渗透，从而危及变压器的安全运行。一般要求气体年泄漏率小于千分之一。为保证箱体的密封应尽可能减少密封面和焊缝，提高焊缝的质量，必要时可采用双密封结构和密封剂。GIT采用各种耐热性能和绝缘性能好的固体绝缘材料。如匝间绝缘一般采用对苯二甲酸乙二醇聚酯PET，PET与其他绝缘材料性能的比较如表7-18所示。

表7-18 固体绝缘物质的特性比较

最近几年使用价格较低的PEN类聚酯薄膜；撑条采用聚酯玻璃纤维；垫块采用聚酯树脂。聚酯薄膜和SF6气体一起组成组合绝缘结构，其长期耐电强度主要取决于气膜结构的局部放电特征。采用箔式绕组的GIT，高低压绕组之间的主绝缘采用两层厚度为25μm的薄膜卷制而成的固体绝缘，匝绝缘采用聚酯薄膜。这种结构充分利用了箔式绕组空间系数高和聚酯薄膜厚度薄、绝缘强度高的特点，从而可显著减轻重量和减小尺寸。变压器绝缘由匝间绝缘、绕组端部绝缘、主绝缘和外绝缘四部分组成。与SF6全封闭组合电器（GIS）相比，变压器中的电场分布很不均匀，而且是三维场，因此要通过电场分析计算来解决变压器的内部绝缘问题。由于SF6气体的绝缘性能对电场的均匀性依赖程度较大，为防止局部放电，改善电场分布，除在绕组端部设置良好的静电屏蔽外，也应尽量除掉铁心各结构件表面的尖角毛刺，必要时应在螺钉、棱角处加上屏蔽罩。

4）相关组件

有载分接开关一定要采用SF6气体绝缘的真空有载分接开关，它采用真空开关来切断有载开关切换机构的电流，并采用滚柱式触头系统和无润滑轴承，目的是为防止由于电弧引起的SF6分解气体对变压器本体的影响。真空有载分接开关本身的寿命可切换100万次以上，但规定切换5万次作一次检修，切换20万次便更换，因此安全系数高，可延长GIT的整体寿命。GIT对冷却器的要求也比油浸变压器高，除了要求散热面积足够大以外，还要求气体通道的横截面积尽可能大，气体阻力系数尽可能小，能承受0.6MPa的压力和0.1 MPa的真空强度。最近有的厂将气体冷却GIT周围的冷却器改为鳍片冷却管式，并提高压力容器的性能，减少冷却器台数，使构造更简单，造价再降低。GIT的保护系统加强了对SF6气体过压和失压的保护，安装有温度补偿密度继电器、压力释放阀，或者带报警触点压力表等保护装置。为保护变压器免遭雷电冲击波的入侵，还可在箱体内安装避雷器来提高绕组抗雷电过电压的能力。