电力变压器：电网能源传输与分配的核心设备解析

在电力系统中，电力变压器作为关键的电气设备，承担着将发电站产生的电能进行电压等级转换，从而实现高效、远距离传输与合理分配的重要职能。无论是大型发电站向区域电网输送高压电能，还是将高压电能降压后供给工业生产设备与居民日常生活用电，电力变压器都发挥着不可替代的作用，其性能的稳定性、可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行与能源供应质量。

电力变压器的核心价值在于解决了电能传输过程中的损耗问题。由于电能在传输过程中，电流通过导线会产生热损耗，根据焦耳定律，损耗功率与电流的平方成正比。在输送相同功率的情况下，提高电压等级可以有效降低电流，进而大幅减少传输过程中的电能损耗。例如，大型发电站通常会将发电机输出的 10kV 左右的电压，通过升压变压器提升至 220kV、500kV 甚至更高等级，再通过高压输电线路输送至远方；当电能到达用电区域后，又会通过降压变压器逐步将电压降至 10kV（工业用电）、0.4kV（居民用电）等符合用户需求的等级，最终实现电能的高效利用。

一、电力变压器的基本结构组成

电力变压器的结构设计围绕其电压转换功能展开，主要由核心部件、辅助部件及保护装置三大部分构成，各部分协同工作，确保设备的稳定运行。

（一）核心部件

铁芯：作为变压器的磁路核心，铁芯的主要作用是传导磁通，为原、副绕组之间的电磁感应提供磁通路。为减少磁滞损耗与涡流损耗，铁芯通常采用高硅钢片叠压而成，硅钢片的厚度一般在 0.35mm-0.5mm 之间，且表面会涂覆绝缘漆，以阻断涡流的流通路径。绕组：绕组又称线圈，是变压器的电路部分，分为原绕组（一次绕组）和副绕组（二次绕组）。原绕组接入电源，接收电能；副绕组与负载连接，输出电能。绕组通常采用铜导线或铝导线绕制而成，导线的截面面积需根据额定电流大小进行设计，以满足载流要求。绕组的绕制方式分为同心式、交叠式等，其中同心式绕组因结构简单、制造方便，在电力变压器中应用最为广泛。

（二）辅助部件

油箱：油箱是变压器的外壳，主要作用是容纳铁芯和绕组，并为其提供密封的运行环境。同时，油箱内会注入变压器油，变压器油不仅起到绝缘作用，防止绕组与铁芯受潮，还能通过对流作用将铁芯和绕组产生的热量传递到油箱壁，再通过散热器散发出去，实现散热降温。散热器：散热器安装在油箱外部，与油箱连通，是变压器的散热装置。当变压器运行时，油箱内的热油会自然上升至散热器顶部，通过散热器的散热片与空气进行热交换，冷却后的油再流回油箱底部，形成循环散热，确保变压器的温度控制在允许范围内。常见的散热器类型有片式散热器、管式散热器等，根据变压器的容量和散热需求进行选择。绝缘套管：绝缘套管安装在油箱的顶部，其作用是将绕组的引出线从油箱内部引出，并与油箱外壳保持绝缘，防止引出线与油箱之间发生漏电。绝缘套管通常采用瓷质或环氧树脂材质，内部设有导电杆，导电杆的一端与绕组引出线连接，另一端与外部输电线路连接。

（三）保护装置

瓦斯继电器：瓦斯继电器又称气体继电器，安装在油箱与储油柜之间的连接管道上，是变压器的重要保护装置之一，主要用于保护变压器内部的短路故障和绝缘损坏故障。当变压器内部发生轻微故障时，故障点会产生少量气体，气体上升至瓦斯继电器内，使继电器动作，发出报警信号；当发生严重故障时，故障点会产生大量气体，同时油流速度加快，瓦斯继电器会迅速动作，切断变压器的电源，防止故障扩大。压力释放阀：压力释放阀安装在油箱的顶部，其作用是当变压器内部发生严重故障，产生大量气体，导致油箱内压力急剧升高时，压力释放阀会自动开启，释放油箱内的压力，防止油箱爆炸，保障设备和人员的安全。当油箱内压力降至正常范围后，压力释放阀会自动关闭，恢复密封状态。温度计：温度计用于监测变压器的油温，及时反映变压器的运行温度。常见的温度计有油温计和绕组温度计，油温计安装在油箱侧壁，监测油箱内变压器油的温度；绕组温度计则通过间接测量的方式，监测绕组的温度。当温度超过设定值时，温度计会发出报警信号，提醒运行人员采取降温措施。

二、电力变压器的工作原理

电力变压器的工作原理基于电磁感应定律，具体包括互感现象和电磁感应过程，通过原、副绕组之间的磁通变化，实现电能从原绕组向副绕组的传递和电压等级的转换。

（一）电磁感应的基础：互感现象

当原绕组接入交流电源时，交流电流会在铁芯中产生交变磁通，这个交变磁通会同时穿过原绕组和副绕组。根据电磁感应定律，穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电动势。由于原、副绕组都处于同一个交变磁通的作用下，因此在副绕组中会产生感应电动势，这种现象称为互感现象，电力变压器正是利用互感现象实现电能的传递。

（二）电压转换的实现过程

设原绕组的匝数为 N₁，副绕组的匝数为 N₂，原绕组接入的交流电源电压为 U₁，副绕组输出的电压为 U₂。根据电磁感应定律，原绕组中产生的感应电动势 E₁与磁通的变化率、原绕组匝数成正比，即 E₁ = 4.44fN₁Φₘ（其中 f 为电源频率，Φₘ为铁芯中磁通的最大值）；同理，副绕组中产生的感应电动势 E₂ = 4.44fN₂Φₘ。

在忽略绕组电阻和漏磁通的理想情况下，原绕组的输入电压 U₁近似等于原绕组的感应电动势 E₁，副绕组的输出电压 U₂近似等于副绕组的感应电动势 E₂。因此，原、副绕组的电压比与匝数比成正比，即 U₁/U₂ = N₁/N₂。通过改变原、副绕组的匝数比，就可以实现不同电压等级的转换。当 N₁>N₂时，U₁>U₂，此时变压器为降压变压器；当 N₁<N₂时，U₁<U₂，此时变压器为升压变压器。

（三）功率与电流的关系

在理想变压器中，电能的传递过程没有损耗，因此原绕组的输入功率 P₁等于副绕组的输出功率 P₂，即 P₁ = P₂。由于功率 P = UIcosφ（其中 cosφ 为功率因数），在功率因数不变的情况下，原、副绕组的电流比与匝数比成反比，即 I₁/I₂ = N₂/N₁（I₁为原绕组电流，I₂为副绕组电流）。这一关系表明，在电压升高的同时，电流会降低，反之亦然，从而实现了在传输相同功率时，通过提高电压来降低电流，减少传输损耗的目的。

三、电力变压器的主要分类

根据不同的分类标准，电力变压器可以分为多种类型，不同类型的变压器在结构、性能和应用场景上存在差异，以下是基于常见分类标准的详细划分。

（一）按电压等级分类

低压变压器：低压变压器的额定电压通常在 1kV 及以下，主要用于近距离的电能分配，如居民小区、小型工厂内部的配电变压器，将 0.4kV 的电压分配给各个用户，满足日常生活和小型设备的用电需求。中压变压器：中压变压器的额定电压范围一般在 3kV-35kV 之间，广泛应用于城市配电网和中小型工业企业，用于将高压电网输送的电能降压后，供给工业生产中的中型设备（如电动机、机床等）和城市中的高压用户（如大型商场、医院等）。高压变压器：高压变压器的额定电压在 110kV-220kV 之间，主要用于区域电网之间的电能传输和大型工业企业的供电。例如，将大型发电站输出的电能通过高压变压器升压后，接入区域高压电网，或为大型钢铁厂、化工厂等需要高压电能的企业提供电源。超高压变压器：超高压变压器的额定电压在 330kV-750kV 之间，主要用于远距离、大容量的电能传输，如跨区域的高压输电线路。这类变压器的技术要求较高，需要具备良好的绝缘性能、散热性能和抗短路能力，以适应长距离传输过程中的复杂工况。特高压变压器：特高压变压器的额定电压在 1000kV 及以上，是特高压输电系统中的核心设备，主要用于国家骨干电网的电能传输，如西电东送、北电南输等重大能源输送工程。特高压变压器的制造工艺复杂，对材料、设计和生产技术的要求极高，代表了电力变压器制造的最高水平。

（二）按冷却方式分类

油浸式变压器：油浸式变压器以变压器油作为绝缘和冷却介质，是目前电力系统中应用最广泛的变压器类型。根据散热方式的不同，油浸式变压器又可分为自然冷却（ONAN）、强迫油循环自然冷却（OFAF）、强迫油循环强迫风冷（ODAF）等。自然冷却方式适用于小容量变压器；强迫油循环冷却方式则通过油泵将热油送入散热器，再通过风扇强制散热，适用于大容量、高损耗的变压器。干式变压器：干式变压器以空气或惰性气体作为冷却介质，绕组采用环氧树脂等绝缘材料浇注或浸渍处理，具有防火、防爆、无污染、维护方便等优点，主要用于对防火要求较高的场所，如高层建筑、商场、地铁、核电站等。根据冷却方式的不同，干式变压器可分为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF），强迫空气冷却方式通过风扇加速空气流动，提高散热效率，可使变压器的输出容量增加 30%-50%。

（三）按用途分类

升压变压器：升压变压器主要用于发电站，安装在发电机与高压输电线路之间，将发电机输出的低压电能（如 10kV）升压至高压（如 220kV、500kV），以便进行远距离传输，减少传输过程中的电能损耗。升压变压器的原绕组匝数较少，副绕组匝数较多，且通常为单相或三相结构，根据发电站的机组容量和输电需求进行设计。降压变压器：降压变压器广泛应用于输电线路的末端和配电系统中，将高压电能逐步降压至用户所需的电压等级。例如，区域变电站中的降压变压器将 220kV 的高压降至 10kV，再通过配电变压器将 10kV 降至 0.4kV，供给居民和小型企业用电。降压变压器的原绕组匝数较多，副绕组匝数较少，其结构和性能需满足不同用户的用电需求。配电变压器：配电变压器是降压变压器的一种，主要用于配电系统的末端，将 10kV 的电压降至 0.4kV 的低压，直接为居民住宅、商业建筑和小型工业企业供电。配电变压器的容量较小，通常在 50kVA-1600kVA 之间，安装方式灵活，可分为柱上式、台式和地埋式等，以适应不同的安装环境。联络变压器：联络变压器用于连接两个不同电压等级的电网，实现电网之间的电能交换和负荷调配。例如，在区域电网中，联络变压器可以将 220kV 电网与 110kV 电网连接起来，当其中一个电网出现负荷过载或故障时，通过联络变压器可以将另一个电网的电能输送过来，提高电网的供电可靠性和灵活性。联络变压器通常具有多个绕组，以适应不同电压等级的连接需求。

四、电力变压器的关键技术参数

电力变压器的技术参数是衡量其性能、确定其适用范围的重要指标，也是设计、选型和运行维护的重要依据。以下是电力变压器的关键技术参数及其含义。

（一）额定容量（Sₙ）

额定容量是指变压器在额定工作条件下，能够长期连续输出的最大视在功率，单位为千伏安（kVA）或兆伏安（MVA）。额定容量的大小取决于变压器的铁芯尺寸、绕组导线截面面积、冷却方式等因素，是选择变压器的重要依据。在实际运行中，变压器的实际输出功率应不超过额定容量，否则会导致变压器过热，加速绝缘老化，缩短使用寿命。

（二）额定电压（U₁ₙ、U₂ₙ）

额定电压包括原绕组的额定电压 U₁ₙ和副绕组的额定电压 U₂ₙ。原绕组的额定电压是指变压器正常运行时，原绕组应接入的电源电压；副绕组的额定电压是指原绕组接入额定电压，副绕组在空载状态下的输出电压。由于变压器存在内阻压降，当副绕组带负载时，输出电压会有所下降，因此副绕组的额定电压通常会比用户所需的额定电压高 5%-10%，以保证在带负载时输出电压符合要求。

（三）额定电流（I₁ₙ、I₂ₙ）

额定电流是指变压器在额定容量和额定电压下，原、副绕组允许长期通过的最大电流，单位为安培（A）。根据额定容量和额定电压的关系，额定电流可通过公式 Iₙ = Sₙ/（√3Uₙ）计算得出（三相变压器）。额定电流决定了绕组导线的截面面积，导线截面面积必须满足额定电流的载流要求，防止导线过热烧毁。

（四）电压调整率（ΔU%）

电压调整率是指变压器从空载状态到额定负载状态，副绕组输出电压的变化率，通常用百分数表示，计算公式为 ΔU% = [（U₂₀ – U₂ₙ）/U₂ₙ]×100%（其中 U₂₀为副绕组空载电压，U₂ₙ为副绕组额定负载电压）。电压调整率反映了变压器在负载变化时，输出电压的稳定程度，电压调整率越小，说明变压器的输出电压稳定性越好。影响电压调整率的因素主要有绕组电阻、漏抗等，通过优化绕组设计和选材，可以降低电压调整率。

（五）损耗与效率（η）

损耗：变压器的损耗包括铁损耗和铜损耗。铁损耗是指变压器铁芯在交变磁通作用下产生的磁滞损耗和涡流损耗，其大小与铁芯材质、磁通密度和电源频率有关，与负载电流无关，只要变压器接入电源，铁损耗就会存在。铜损耗是指电流通过绕组导线时，由于导线电阻产生的热损耗，其大小与负载电流的平方成正比，负载电流越大，铜损耗越大。效率：效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值，通常用百分数表示，计算公式为 η = （P₂/P₁）×100% = [P₂/（P₂ + P 铁 + P 铜）]×100%（其中 P₂为输出功率，P 铁为铁损耗，P 铜为铜损耗）。效率是衡量变压器节能性能的重要指标，效率越高，说明变压器的能量损耗越小。电力变压器的效率通常较高，中小型变压器的效率一般在 95% 以上，大型变压器的效率可达到 98%-99%。

（六）绝缘等级

绝缘等级是指变压器绝缘材料所能承受的最高温度等级，决定了变压器的允许温升。常用的绝缘等级有 A 级、B 级、F 级、H 级等，不同绝缘等级对应的最高允许温度不同，例如 A 级绝缘的最高允许温度为 105℃，B 级为 130℃，F 级为 155℃，H 级为 180℃。变压器的温升是指变压器运行时的温度与环境温度的差值，在运行过程中，变压器的温升应不超过绝缘等级规定的允许值，否则会加速绝缘材料的老化，缩短变压器的使用寿命，甚至导致绝缘击穿，引发故障。

五、电力变压器的运行维护

为确保电力变压器的安全、稳定运行，延长其使用寿命，必须进行科学、规范的运行维护工作，主要包括日常巡检、定期检修和故障处理等方面。

（一）日常巡检

日常巡检是及时发现变压器运行异常的重要手段，巡检周期应根据变压器的容量、运行环境和重要程度确定，一般每天至少进行一次巡检，重点检查以下内容：

外观检查：检查变压器的油箱、散热器、绝缘套管等部件是否存在漏油、渗油现象；检查绝缘套管是否清洁，有无裂纹、破损和放电痕迹；检查油箱外壳是否变形、锈蚀，焊缝是否完好。温度监测：通过温度计观察变压器的油温（顶层油温）和绕组温度，确保温度在允许范围内。对于油浸式变压器，顶层油温一般不应超过 85℃，温升不应超过 55℃；对于干式变压器，绕组温度一般不应超过绝缘等级规定的最高允许温度。声音检查：正常运行时，变压器会发出均匀的 “嗡嗡” 声，这是铁芯磁致伸缩产生的声音。巡检时应仔细倾听变压器的运行声音，若听到 “噼啪” 声、“滋滋” 声或其他异常声音，可能是变压器内部存在绝缘损坏、放电或铁芯松动等故障，应及时进行进一步检查。油位与油质检查：对于油浸式变压器，检查储油柜内的油位是否在正常范围内（一般在油位计的 1/4-3/4 之间），油位过高或过低都会影响变压器的正常运行。同时，观察变压器油的颜色和透明度，正常的变压器油应为淡黄色、透明液体，若油色变深、浑浊或出现黑色沉淀，说明油质已劣化，需进行油质处理或更换。保护装置检查：检查瓦斯继电器、压力释放阀、温度计等保护装置是否正常工作，接线是否牢固，有无报警信号或动作痕迹。确保保护装置处于正常投运状态，能够在变压器发生故障时及时动作，保护设备安全。

（二）定期检修

定期检修是对变压器进行全面检查和维护的工作，根据检修内容和深度的不同，可分为小修、中修和大修。

小修：小修周期一般为 1-2 年，主要内容包括：清理变压器外壳和绝缘套管上的灰尘、污垢；检查并紧固绕组引出线、接地线等接线端子；检查散热器的散热片是否堵塞，清理散热片上的杂物；检查变压器油的油位和油质，补充或更换少量劣化的变压器油；校验温度计、瓦斯继电器等保护装置的精度。中修：中修周期一般为 3-5 年，除了包含小修的全部内容外，还包括：对变压器油进行过滤处理，去除油中的杂质和水分，提高油的绝缘性能；检查铁芯的压紧情况，若发现铁芯松动，应进行重新压紧；检查绕组的绝缘状况，通过绝缘电阻测试、介损测试等方法，评估绕组的绝缘性能；检查分接开关的接触情况，清洁分接开关的触头，调整分接开关的位置，确保分接开关接触良好。大修：大修周期一般为 10-15 年，是对变压器进行全面解体、检查和修复的工作，主要内容包括：将变压器的铁芯、绕组从油箱中取出，彻底清理铁芯和绕组上的油污、杂质；检查铁芯硅钢片是否存在锈蚀、损坏，绕组是否存在变形、绝缘老化等情况，对损坏的部件进行修复或更换；检查油箱的密封性，对漏油的部位进行补焊或更换密封件；重新对铁芯和绕组进行绝缘处理，烘干后装入油箱；对变压器油进行全面的化验和处理，若油质无法满足要求，则更换新的变压器油；对所有保护装置和辅助设备进行全面的检查、校验和调试，确保其性能符合要求。

（三）故障处理

当变压器出现故障时，应及时采取措施进行处理，防止故障扩大，保障设备和人员的安全。常见的故障处理流程如下：

故障判断：接到变压器故障报警信号或发现异常情况后，运行人员应立即赶到现场，通过外观检查、声音判断、温度监测、油质分析等方法，初步判断故障的类型和位置。例如，若瓦斯继电器动作发出报警信号，且变压器油位正常，可能是内部发生轻微故障；若瓦斯继电器动作跳闸，且伴有喷油、冒烟现象，可能是内部发生严重短路故障。紧急处理：若故障较为严重，如发生喷油、冒烟、起火等情况，应立即切断变压器的电源，停止运行，并采取灭火措施（油浸式变压器可用二氧化碳灭火器、干粉灭火器灭火，禁止用水灭火）；若故障较轻，如轻微漏油、温度略高等，可在保证安全的前提下，继续观察运行，并安排人员进行进一步检查和处理。故障检修：根据故障判断的结果，组织专业的检修人员对变压器进行详细的检查和检修。对于轻微故障，如绝缘套管表面脏污、分接开关接触不良等，可进行现场处理；对于严重故障，如绕组短路、铁芯损坏等，需将变压器停运，送至专业的检修厂家进行解体修复。试验与投运：故障处理完成后，应对变压器进行一系列的试验，如绝缘电阻测试、变比测试、直流电阻测试、耐压试验等，确保变压器的性能符合运行要求。试验合格后，方可将变压器重新投入运行，并在投运初期加强巡检，观察变压器的运行状况，确保其稳定运行。

六、电力变压器的安全防护

电力变压器作为高压电气设备，在运行过程中存在高压触电、火灾、爆炸等安全风险，因此必须采取有效的安全防护措施，保障运行人员和设备的安全。

（一）高压防护

绝缘防护：确保变压器的绝缘部件（如绝缘套管、绕组绝缘、铁芯绝缘等）性能良好，定期进行绝缘测试，及时发现和处理绝缘老化、破损等问题，防止绝缘击穿导致高压漏电。同时，变压器的外壳应可靠接地，接地电阻应不大于 4Ω，当外壳意外带电时，接地装置可将电流导入大地，避免人员触电。安全距离：在变压器的安装场所，应设置明显的安全警示标志，标明 “高压危险” 字样，并划定安全距离。根据相关标准，10kV 变压器的安全距离为 0.7m，35kV 变压器的安全距离为 1.0m，110kV 变压器的安全距离为 1.5m，220kV 变压器的安全距离为 3.0m。非专业人员严禁进入安全距离范围内，运行人员在进行操作或巡检时，应穿戴绝缘手套、绝缘鞋等防护用品，使用绝缘工具。防护围栏：对于安装在户外的变压器，尤其是容量较大、电压等级较高的变压器，应设置防护围栏，围栏的高度应不低于 1.7m，围栏与变压器外壳的距离应满足安全距离要求。防护围栏应采用金属材质，且可靠接地，防止人员翻越或误入危险区域。

（二）火灾防护

防火间距：变压器的安装位置应与建筑物、构筑物、其他电气设备等保持足够的防火间距，根据变压器的容量和类型，防火间距应符合相关消防标准。例如，油浸式变压器与民用建筑的防火间距不应小于 10m，与其他电气设备的防火间距不应小于 5m，以防止火灾蔓延。灭火设施：在变压器的安装场所，应配备相应的灭火设施，油浸式变压器应配备二氧化碳灭火器、干粉灭火器或泡沫灭火器，干式变压器应配备干粉灭火器或气体灭火器。同时，大型油浸式变压器还应设置水喷雾灭火系统或排油注氮灭火系统，在发生火灾时能够及时灭火，控制火势。事故油池：油浸式变压器的油箱底部应设置事故油池，事故油池的容积应不小于变压器油箱的容积，以防止变压器发生严重漏油或火灾时，变压器油外流，引发大面积火灾。事故油池应设置隔油层，将漏油与水分离，便于后期处理。

（三）操作安全

操作规范：运行人员在进行变压器的操作（如合闸、分闸、调整分接开关等）时，必须严格遵守操作规程，按照操作票的要求进行操作，严禁违章操作。操作前应检查操作设备的状态，确认无误后方可进行操作；操作过程中应集中注意力，密切观察变压器的运行情况，发现异常立即停止操作。人员培训：从事变压器运行、维护和检修的人员，必须经过专业的培训，熟悉变压器的结构、工作原理、操作规程和安全注意事项，并取得相应的资格证书后，方可上岗作业。定期对人员进行安全培训和考核，提高人员的安全意识和操作技能，防止因人员误操作导致事故发生。应急演练：定期组织变压器故障应急演练，模拟变压器发生火灾、短路、漏油等故障的场景，让运行人员熟悉应急处理流程和方法，提高应对突发事件的能力。演练后应及时总结经验，完善应急预案，确保在实际发生故障时，能够迅速、有效地进行处理，减少事故损失。