综述
变压器结构综述
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摘要：变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，变压器利用电磁感应原理，把一种交流电压转换成频率相同的另一种交流电压。变压器组成部件主要包括铁芯、带有绝缘的绕组、变压器油、油箱和冷却装置、调压装置、保护装置(吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等) 和绝缘出线套管等。现全球电源变压器年需求已超过百亿美元，并向表面安装、高功率和高压方面发展。
关键词：变压器 结构 综述
1. 引言
变压器利用电磁感应原理，把一种交流电压转换成频率相同的另一种交流电压。在国民经济的各个部门中，无论是电力系统中大量电能的传输和分配、工业企业中各种电气设备需要的电能、通信广播和自动控制的电源供给等，变压器都获得了广泛的应用。为了适应不同的使用目的和工作条件，变压器在结构、性能上差异很大，但是其主要结构部件是相同的。
在电力系统里变压器的地位是十分重要的，不仅需要变压器的数量多，而且性能好，运行安全可靠，这就对制造部门提出了高的要求。但是现在的一些技术难题制约了变压器技术的发展，诸如对于大型变压器的散热的难题等。通过研究现有变压器的结构及对未来电力变压器的发展趋势的研究，了解未来的变压器发展方向，为以后的工作打下良好的理论基础。
2. 变压器的基本知识
2.1 变压器的概念
变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。
2.2变压器的分类
一般常用变压器的分类可归纳如下：(1)按相数分： ①单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组； ②三相变压器：用于三相系统的升、降电压。(2)按冷却方式分：①干式变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器；②油浸式变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。(3)按用途分：①电力变压器：用于输配电系统的升、降电压；②仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置；③试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验；④特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。(4)按绕组形式分：①双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级；②三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级；③自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可作为普通的升压或降后变压器用。(5)按铁芯形式分： ①芯式变压器：用于高压的电力变压器；②非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方；③壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
干式变压器
3. 变压器的主要结构
油浸式变压器
3.1 铁芯变压器组成部件主要包括铁芯、带有绝缘的绕组、变压器油、油箱和冷却装置、调压装置、
保护装置(吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等) 和绝缘出线套管等。
铁芯是变压器中主要的磁路部分。为了提高磁路的磁导率和降低铁芯的涡流损耗，目前大部分铁芯采用厚度分别为0.35 mm\0.3mm\0.27 mm的表面涂有绝缘物的晶粒取向硅钢片制成。铁芯分为铁芯柱和铁轭两部分，铁芯柱套有绕组；铁轭是闭合磁路之用。根据结构形式和工艺特点，铁芯结构的基本形式有叠片式和渐开线式两种。
（1）叠片式铁芯。叠片式铁芯又分成心式和壳式两种。心式铁芯的结构特点是，铁轭靠着绕组的顶端和底面，而不包围着绕组的侧面。由于心式铁芯的结构比较简单，绕组的布置和绝缘比较容易，因此电力变压器主要采用心式铁芯结构。
心式变压器铁芯结构
叠片式铁芯是由剪成一定形状的硅钢片叠装而成。为了提高绕组的机械强度和便于绕制，一般都把绕组做成圆形。这时，为了充分利用绕组内的圆柱形空间，铁芯柱的截面一般做成阶梯形形状。阶梯的级数越多，截面越接近于圆形，空间利用情况就越好，但制造工艺也越复杂。变压器铁轭的截面有矩形、T 型和阶梯形等。在使用热轧硅钢片时，为了减少变压器的空载电流和铁损耗，铁轭截面一般比芯柱截面大5%～10%。若用冷轧硅钢片全斜接缝时，铁轭截面与芯柱截面相等。在容量较大的变压器中，为了改善铁芯的冷却条件，在叠片间设置油道，以于利散热。
（2）渐开线式铁芯。此种铁芯可以用机械化方式生产。渐开式铁芯仍由铁芯柱和铁轭两部分组成。铁芯柱是用弯成渐开线形状的同一尺寸硅钢片叠成。上、下铁轭由同一宽度的硅钢带卷制成三角形。把三个铁芯柱对称地放在上、下铁轭之间，用穿心螺栓紧固，就得到对称的三相磁路系统。
3.2绕组
绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝的绝缘导线绕制
而成。一台变压器中，电压高的绕组称为高压绕组，
电压低的绕组称为低压绕组。按高、低压绕组相互
之间的布置以及绕组在铁芯柱上的安排方法，可以
分为同心式和交叠式两种不同的排列方式。根据绕
制的特点，绕组可分为圆筒式、箔式、连续式、纠
结式和螺旋式几种形式。
（1）圆筒式绕组。圆筒式绕组是最简单的一种绕组。它是用绝缘导线沿铁芯柱高度方向连续绕制。在绕完第一层后 ，垫上层间绝缘纸再绕第二层。当层数较多时，可在层间设置1、2个轴向油道，以利于散热。这种绕组一般用于三相容量在1600kVA 以下，电压不超过15kV 的变压器的高、低绕组。
（2）箔式绕组。箔式绕组是用宽度与铁芯柱高度一致的带状铜箔或铝箔做导线，两端焊上引出线，在箔带上覆以相同宽度的绝缘纸，用卷绕机按需要匝数卷成圆筒。每卷一层即为一匝。此种绕组整体性好，机械强度高，占用空间小，已用于1600kVA 以下三相变压器的低压绕组，电压一般不超过500V 。
（3）连续式绕组。连续式绕组是由扁导线连续绕制的若干线盘（又称线饼）组成。每个线盘是由导线沿圆周方向连续绕成。线盘之间依靠绝缘纸做成的垫块，形成油道。由于线盘之间没有焊接头，而是用“翻盘”的方法连续绕制，所以称为连续式绕组。
连续式绕组应用范围较大，它的机械强度高，散热条
件好，因此一般适用于三相容量为630kVA 及以上，电
压为3～110kV 的绕组。
（4）纠结式绕组。纠结式绕组的外形与连续式绕组相
似。连续式绕组每个线盘中电气上相邻的线匝是依次
排列的，而纠结式绕组电气上相邻的线匝之间插入了
另一线匝，好似很多线匝纠结在一起。采用纠结式绕
组是为了增加绕组的纵向电容，以便在过电压时，起
始电压比较均匀地分布于各线匝之间，避免匝间绝缘
击穿。但纠结式绕组焊头多，绕制费时，一般用于三相容量在6300kVA 以上的变压器，电压在110kVA 以上的绕组。
（5）螺旋式绕组。螺旋式绕组是由多根绝缘扁导线沿径向并联排列，然后沿铁芯柱轴向高度，像螺纹一样一匝跟着一匝地绕制而成。这时一个线盘就是一匝。当并联导线数太多时，可把并联导线沿轴向分成两排，绕制成双螺旋式绕组。为了减少导线中的附加损耗，绕制过程中将导线进行换位。这种绕组一般用于容量在800kVA 以上、电压在35kV 以下的三相变压器的大电流绕组。
3.3套管
变压器绕组的引出线从箱内穿出油箱盖时，必
须经过绝缘套管，以使带点的引线与接地的油箱
绝缘。绝缘套管一般是瓷质的，它的结构主要取
决于电压等级，1kV 以下的采用实心瓷套管；10
采用空心充气或充油式套管。电压110kV 及以上
时，采用电容式套管。为了增加外表面放电距离，
套管外形做成多级伞状裙边，电压越高，级数越
多。
4. 变压器的冷却
4.1油箱及附件
（1）油箱。油浸式变压器的器身，装在充满变压器油的油箱中，油箱用钢板焊成。中、小型变压器为增加散热表面，在油箱壁外表面焊有散热扁管，也有用波纹钢板焊于箱壁，做成波纹油箱。大型变压器是将散热管制成一组组风吹冷却的散热器。安装时再将各组散热器连接到油箱上。
（2）储油柜（也称油枕）。储油柜是一个圆筒形的容器。储油柜底部有管道与油箱连通，柜内油面高度随油箱中的油热胀冷缩而变动，储油柜一侧端面装有油位表，以便观察油位的高低。
为防止空气的水分进入储
油柜内的油中，储油柜经过一个
呼吸器（又称吸湿器）与外界空
气连通，呼吸器中盛有能吸潮气
的物质，通常为硅胶。大型变压
器为了加强绝缘油的保护，不使
油与空气中的氧相接触，以免氧
化，采用在储油柜内增加隔膜或
充氮等措施。
中小型变压器如果采用波
纹油箱，则可省去储油柜，这时
密封邮箱中油的热胀冷缩，由波
纹板的变形来承受。
（3）气体继电器和安全通道。中等容量以上的变压器，在储油柜与油箱之间的连接管中还装有气体继电器。当变压器发生故障时，内部绝缘物汽化，产生气体，气体从油箱进入储油柜时使气体继电器动作，发出信号，便于值班人员或使保护开关自动跳闸。在装有气体继电器的变压器油箱盖上，还装有安全气道，其出口用薄玻璃板盖住。当变压器内部发生严重故障时，所产生的大量气体使箱内压力骤然增大，薄玻璃被压碎，气体可由安全通道排出，以防油箱损坏。
4.2变压器油
变压器油是从石油中提炼出来的矿物油，它在变压器中既是冷却介质又是绝缘介质。变压器油的
介电强度高、黏性低、闪燃点高、酸碱度低以及灰尘与水分极少。在使用中要防止水分进入变压器油中。即使少量的水分，也会使变压器油的绝缘强度大为降低，因此要求油箱中的油最好不要和外面的空气接触，以免空气中所含的水分进入油中，同时也可以防止变压器油被氧化变质。变压器油以凝固点的不同，分为10号油、25号油和35号油，供用于环境温度不同的地区。
4.3变压器的冷却
为了保证变压器散热良好，必须采用一定的冷却方式将变压器中产生的热量带走。常用的冷却介
质是变压器油和空气两种。前者称为油浸式，后者称为干式。油浸式变压器又分为自冷、油浸风冷式及强迫油循环等三种。油浸自冷式依靠油的自然对流带着热量，没有其他冷却设备。油浸风冷式是在油浸自冷式的基础上，另加风扇给油箱壁和散热管吹风，以加强散热作用。强迫油循环式是用油泵将变压器中的热油抽到变压器外的冷却器中冷却后再送入变压器。冷却器可以用循环水冷却或强迫风冷却。
5. 其他
5.1变压器油有以下几种主要作用：
（1）绝缘作用：变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。绝缘材料浸在油中，不仅可提高绝缘强度，而且还可免受潮气的侵蚀。
（2）散热作用：变压器油的比热大，常用作冷却剂。变压器运行时产生的热量使靠近铁芯和绕组的油受热膨胀上升，通过油的上下对流，热量通过散热器散出，保证变压器正常运行。
（3）消弧作用：在油断路器和变压器的有载调压开关上，触头切换时会产生电弧。由于变压器油导热性能好，且在电弧的高温作用下能分触了大量气体，产生较大压力，从而提高了介质的灭弧性能，使电弧很快熄灭。
5.2变压器油枕的作用：
当变压器油的体积随着油的温度膨胀或减小时，油枕起着调节油量，保证变压器油箱内经常充满
油的作用。如没有油枕，油箱内的油面波动就会带来以下不利因素：一是油面降低时露出铁芯和线圈
部分会影响散热和绝缘；二是随着油面波动空气从箱盖缝里排出和吸进，而由于上层油温很高，使油很快地氧化和受潮。油枕的油面比油箱的油面要小，这样，可以减少油和空气的接触面，防止油被过速地氧化和受潮。三是油枕的油在平时几乎不参加油箱内的循环，它的温度要比油箱内的上层油温的低的多，油的氧化过程也慢的多，因此有了油枕，可以防止油的过速氧化。
变压器油枕有三种形式：波纹式、胶囊式、隔膜式。
5.3 目前，我国电子变压器生产呈现以下特点：中频变压器产量大、价格低，并以出口为主，出口带动其快速发展。目前我国电子系统内企业中频变压器的行业平均价格为0.626元/只，但多数企业的平均出厂价在0.20～0.3继电保护测试仪器0元/只之间，高者在1元/只左右。电源变压器市场需求旺盛。电源变压器是劳动密集型产品，并以用户定制生产为主，近几年来国内外市场需求旺盛，成为发展迅速的热门产品。据统计，近年我国台湾省电源变压继电保护测试仪器器的生产预计增长50%，香港地区将增长20%，而印度将增长25%。通信、计算机、消费类电子产品是其三大主力市场，其中通信需求的增长将起很大的推动作用，现全球电源变压器年需求已超过百亿美元，并向表面安装、高功率和高压方面发展。
6. 结束语
6.1总结
我国目前电力变压器主要为油浸式，产品结构为芯式和壳式两类。芯式生产量占95%，壳式只占5%。芯式和壳式相互之间并无压倒性的优点，只是芯式工艺相对简单，因而被大多数企业采用；而壳式结构与工艺都更为复杂，只有传统性工厂采用。壳式特别适用于高压电、大容量，其绝缘、机械及散热都有有点且适于山区水电站的运输，因而有强大的生命力。总体来看，我国变压器行业总体产品技术水平有了明显进步，但与国外产品相比，还有一定差距，某些核心技术和产品对进口的依赖性依然很高，有待提高。
6.2展望
近年来，国外开发研制了全自动绕线机自动推线、自动张紧，提高了绕线的质量。直流换流变压器制造技术是目前世界变压器制造领域最尖端的技术之一，代表着变压器制造业的最高水平。总体来看，组合化、低损耗、低噪音、节能环保及高可靠性将是未来变压器的发展方向。随着用户对电能质量的要求越来越高，是否会产生高次谐波，引起电压闪变和波动，对电网造成污染等也将成为判断变压器性能优劣的重要标准。
世界变压器技术的发展目标是轻量、高效、高密度、片式化产品将获得进一步发展，高频、小尺寸、低损耗和低价位的电源变压器将占有大量市场，高压电源变压器市场前景广阔。在配电变压器制造中，随着铁芯变压器的发展将会研制成套的自动化程度较高的卷铁心生产设备，包括剪切卷制，成型和退火设备。
参考文献
［1］ 陈季权，肖鸿杰，宋金煜，王如玫. 电机学. 中国电力出版社，2008.
［2］ 电力变压器最新发展趋势及现状. http://www.18show.cn/zt413272/Article_373754.html ［3］ 变压器—百度百科.http://baike.baidu.com/view/30130.htm
［4］ 电机学—上海电力学院精品课程网.http://jpkc.shiep.edu.cn/?courseid=20075401 ［5］ 变压器产业及技术现状和发展趋势201002—百度文
库.http://wenku.baidu.com/view/073df628915f804d2a16c105.html