第三章 变压器运行与检修
第一节 变压器的运行
一、变压器投入运行前的检查
新安装或检修后的变压器投入运行前的检查项目如下。
1.试验
（1）测量直流电阻。
（2）测量绝缘电阻。
（3）变压器油的检验。
1）微水分析。
2）油耐压试验。
3）油中溶解气体色谱分析。
（4）测量泄漏电流。
（5）测量套管的介质损耗因数。
（6）工频交流耐压试验。
2.保护试验
（1）气体保护方向装设正确，模拟试验保护要求动作正确。
（2）差动保护接线及定值试验正确。
（3）过载保护接线及定值试验正确。
（4）防雷保护完善。
3.外观检查
（1）套管完整，无损坏、裂纹现象，外壳无渗漏油现象。
（2）高、低压引线符合设计要求，完整可靠，各处接触点符合要求。
（3）引线与外壳及电杆的距离符合要求，油位正常。
（4）一、二次侧熔断器符合要求。
（5）防雷保护齐全，接地符合要求。
（6）强油循环变压器投入运行前，应检查并试运行，检查其冷却装置工作是否正常。
4.变压器投入试运行
所谓变压器试运行，就是指变压器开始通电并在一定负荷下运行24h所经历的全部过程。投入步骤如下：
（1）投入运行必须按调度命令全执行。
（2）投入运行时应对系统的运行方式作出合理安排，特别是大型变压器的投入，对主母线具有双母线的变电站或发电厂，最好留出一条空载带电母线，将试运行变压器接在空母线上，并合理整定投入母联保护，以防试运行变压器异常时，影响电力系统中其他设备的正常运行。
（3）投入试运行的变压器要有气体保护、差动保护、过载保护。严禁将变压器在无保护情况下投入运行。
（4）对试运行变压器的充电开关操作试验，跳合正常。
（5）接入中性点接地系统的变压器，若其中性点不接地，在合闸充电前应将其中性点接地。
（6）按照倒闸操作的步骤，合上各侧隔离开关。
（7）合上控制保护，投入保护装置和冷却装置。
（8）在第一次送电后，运行时间应不少于10min，以便现场检查变压器有无异常现象。
（9）进行5次全电压冲击合闸，变压器应不出现异常情况；冲击合闸时励磁涌流应不会使差动保护误动。
（10）通过一次或者二次回路进行定相，定相方法必须正确可靠，以防非同期并列。
（11）送电后对变压器及其冷却装置进行全面检查及观察。
二、变压器的允许运行方式
1.额定运行方式
电力变压器在额定使用条件下，可按铭牌长期连续运行，即称为额定运行方式。
（1）运行电压一般不应高于该运行分接头额定电压的105%。
（2）无励磁调压变压器在额定电压5%～-5%范围内改换分接头位置运行时，其额定容量不变。如为-7.5%和-10%分接时，其容量按制造厂规定；如无制造厂规定，则容量应相应降低2.5%和5%。
2.特殊运行方式
对于特殊的使用情况（例如变压器的有功功率可以在任何方向流通），允许在不超过110%的额定电压下运行，对电流与电压的相互关系如无特殊要求，当负载电流为额定电流的k（k≤1）倍，按以下公式对电压加以限制，即
U（%）=110-5k2
3.温度限制
油浸式变压器顶层油温一般不超过95℃（自然循环自冷、风冷，冷却介质最高温度为40℃时）；对于强迫循环风冷式变压器，当冷却介质最高温度为40℃时，最高顶层油温不超过85℃；强迫循环水冷式变压器，冷却介质最高温度为30℃时，最高顶层油温不超过70℃。
电力变压器大多使用A级绝缘（油浸电缆纸），在长期运行中由于受温度、氧气和油中分解的各种氧化产物的影响，使变压器绝缘老化，其中高温是促成老化的直接原因。运行中绝缘的工作温度越高，化学反应（主要是氧化作用）进行得越快，机械强度和电气强度降低得越快，即绝缘的老化速度越快，变压器的使用年限也越短。因此自然循环冷却变压器的顶层油温一般不宜经常超过85℃。当冷却介质温度低时，油浸式变压器顶层油温也相应降低。
温度升高，油的氧化速度增大，油老化越快。根据试验得出，当平均温度每升高10℃时，油的老化速度就会增加1.5～2倍。
油的老化，是指油的性质变坏。如油色变深暗、浑浊；油的粘度、酸度、灰分都增加；绝缘性能减弱；并出现破坏绝缘和腐蚀金属层的低分子酸以及出现影响变压器冷却的沉淀物，还可能出现酸味及烧焦的气味。油的老化是由于氧气和高温同时作用下氧化的结果。氧化的程度又与氧气的吸收量成正比，如在相同的时间内，温度越高，吸收氧气越多，氧化速度越快。试验证明，油的氧化起始温度是60～70℃。在此温度以下，油几乎很少发生任何变质。当温度达到120℃时，氧化加剧，温度达160℃时，氧化最激烈。
从以上分析可知，温度对油的老化起主要作用。因此限制油的温度在适当的数值下是很必要的，上层油温限制在85℃以下，比规定在95℃对油的运行有利得多。
干式变压器的温度限值应按制造厂的规定。
三、变压器的额定容量和负荷能力
变压器的额定容量是指变压器在额定电压、额定电流下连续运行时所输出的容量。对三相变压器而言，额定容量为
式中 UN——额定电压，kV；
IN——额定电流，A。
变压器在额定周围空气温度时，可以按额定容量连续长期运行，绝缘将有正常的老化速度，不会在正常的使用年限内（约20年）破坏。
变压器的负荷能力，是指在较短时间内所能输出的容量。在不损害变压器绕组的绝缘和不降低变压器使用寿命的条件下，它可能大于变压器的额定容量。
变压器的过负荷能力，可分为在正常情况下的过负荷和在事故情况下的过负荷两种。变压器的正常过负荷可以经常使用，而事故过负荷只允许在事故情况下使用。但应注意，变压器的温升不能超过规定标准。
1.变压器的正常过负荷能力
变压器在正常运行时允许过负荷，这是因为变压器在一昼夜内的负荷，有时是高峰，有时是低谷，在低谷时，变压器是在较低的温度下运行；其次在一年内，季节性的温度也在变化，冬季变压器周围冷却介质的温度较低，变压器的散热条件也优于制造厂规定的数值，因此在不损害变压器绕组的绝缘和不降低变压器使用寿命的前提下，变压器可以在高峰负荷及冬季时过负荷运行。其允许的过负荷倍数及允许的持续时间应根据变压器的负荷曲线及冷却介质的温度及过负荷前变压器所带的负荷来确定。变压器允许的正常过负荷大小主要考虑以下两个因数。
（1）昼夜负荷不均。可根据典型日负荷曲线的负荷率β和最大负荷持续时间t，查图3-1所示过负荷曲线，即可得到变压器的允许过负荷系数KOL.1值。
（2）季节性负荷差异。如果变电所最大负荷在冬季，则夏季平均日负荷曲线中的最大负荷Sm低于变压器的实际容量ST时，则每低1%，可在冬季过负荷1%。但此项过负荷不得超过变压器额定容量的15%，因此其允许的过负荷系数为
综合考虑上述情况，变压器总的过负荷系数为
但是同时又规定，室内变压器过负荷不得超过20%，即KOL≤1.2；室外变压器过负荷不得超过30%，即KOL≤1.3。因此变压器正常过负荷能力（最大出力）可达
干式电力变压器一般不考虑正常过负荷问题。
2.变压器的事故过负荷能力
图3-1 油浸式变压器允许过负荷系数与日负荷率及最大负荷持续时间的关系曲线
在发电厂、变电所或系统发生事故时，由于一方面需要保证对重要用户的连续供电。另一方面又不应限制发电厂的出力，故允许变压器在短时间（消除事故所必须的时间）内过负荷运行，这种过负荷称为事故过负荷。但运行人员应迅速进行事故处理，以消除事故过负荷。
事故过负荷会引起变压器绕组的绝缘温度超过允许值，使绝缘的老化速度比正常工作条件下快得多，因而会缩短变压器的使用年限。但考虑到事故发生的机会少，以及变压器平时一般以相当大的欠负荷状态运行，所以短时的事故过负荷不会引起绝缘的显著损害。
变压器允许事故过负荷的时间参照表3-1。超过时间后，可允许切除次要负荷以保证重要负荷的运行。
表3-1 电力变压器事故过负荷与时间允许值
四、变压器的投运与停运
1.变压器的投运前准备
变压器在进行检修后，恢复送电以前，运行值班人员应进行详细的检查。检查项目包括各级电压的一次回路中的设备，变压器分接头位置，并从母线开始检查到变压器的出线为止。此外，还应检查临时接地线、遮栏和标示牌等是否均已撤除，全部工作票是否都已交回，然后，测定变压器绕组的绝缘电阻合格后，方可起用变压器。在合上变压器的隔离开关前应先检查变压器的断路器确在断开位置，并投入变压器保护，然后合上隔离开关，最后再合上断路器对变压器充电。变压器在正式投入运行前必须进行充电。这是为了检查变压器内部绝缘的薄弱点，考核变压器的机械强度及继电保护能否躲过励磁涌流而不发生误动作。新投运的变压器必须在额定电压下做冲击合闸5次；大修或更换改造部分绕组的变压器则冲击3次。在有条件的情况下，冲击前变压器最好从零起升压，而后进行正式冲击。
充电时究竟从变压器高压侧进行，还是从低压侧进行，则应进行如下分析。
（1）从高压侧充电时，低压侧开路，因低压侧对地电容很小，由于高压侧与低压侧绕组间分布电容的关系，使低压侧因静电感应而产生过电压，易击穿低压绕组，但因励磁涌流所产生的电动力小，所以对系统的冲击也小（因系统容量大）。
（2）从低压侧充电时，高压侧开路，不会产生过电压，但励磁涌流较大，可以达到额定电流的6～8倍。励磁涌流开始衰减较快，一般经0.5～1s后即减到额定电流的0.25～0.5倍，但全部衰减时间较长。由于励磁涌流产生很大的电动力，易使变压器的机械强度降低及对系统产生很大冲击，以及继电保护可能躲不过励磁涌流而误动作。
根据上述分析，如果变压器绝缘水平较高则可从高压侧充电；若变压器绝缘水平较低，则可从低压侧充电。此外，还应考虑保护状态，如只有一侧有保护装置，则应从装有保护装置侧充电，以便在变压器内部故障时，可由保护切断故障。若两侧均有保护装置，则可按接线和负荷情况，选择在哪一侧充电。
对于备用中的变压器，均应随时保证能投入运行，长期停用的备用变压器，应定期充电。
2.变压器的停运、投运原则
（1）变压器装有断路器时，拉合闸必须使用断路器，对空载变压器来讲，也应如此。因为空载变压器被隔离开关切断的电流，可以近似地看成为电感电流，切断时产生的过电压易引起弧光延及邻相而发生短路。
（2）对小容量变压器如未装设断路器时，可用隔离开关切断或接通空载变压器，隔离开关可切断或接通空载变压器的容量与电压等级，如表3-2所示。
表3-2 隔离开关可切断或接通空载变压器的容量与电压等级
（3）变压器断路器停送电操作顺序：停电时应先停负荷侧，后停电源侧。送电时与上述过程相反。因为多电源的电路，按此顺序停电，可以防止变压器反充电。若停电时先停电源侧，如遇变压器内部故障，可能会造成保护误动作或拒动作，延长故障切除时间，也可能扩大停电范围。其次，从电源侧逐级送电，如遇故障，也便于按送电范围检查、判断及处理。
（4）在电源侧装隔离开关，负荷侧装空气断路器的电路中，送电时，应先合电源侧隔离开关，后合负荷侧空气断路器；停电时，应先拉负荷侧空气断路器，后拉电源侧隔离开关。因为隔离开关只允许拉合变压器的空载电流，而负荷电流则应用空气断路器拉合。
（5）在用无载调压分接开关进行电压调整时，应将变压器与电网断开后，才可改变变压器的分接开关位置，并应该注意分接开关位置的正确性。在切换分接开关后，必须用欧姆表或测量用电桥检查回路的完整性和三相电阻的一致性。
五、变压器的并联运行
将两台或以上的变压器的一次绕组并联接到公共电源上，二次绕组也并联接在一起向负荷供电，这种运行方式叫做变压器的并联运行，如图3-2所示。
从保证水电站和电力系统的安全、可靠和经济运行的角度来看，变压器的并联运行是十分必要的。因为变压器在运行中可能会发生故障，因此若干台变压器并联运行后，当某一台变压器发生故障断开后，其他正常运行的变压器由于在短时间内允许过负荷运行，从而保证对重要用户的连续供电。另外，在并联运行中，当系统负荷轻时，可轮流检修变压器，不致中断供电。由于电力系统的负荷随昼夜和季节的不同而有变化，若多台变压器并联运行，在负荷轻时，还可停用几台变压器，以减小变压器的损耗，达到经济运行的目的。
图3-2 变压器的并联运行方式
（a）降压变压器的并联；（b）升压变压器的并联
1.变压器并列运行的条件
变压器并联运行时，当带上负荷以后，其负荷的分配是按照各台变压器本身的特性（短路电压和变化）自行分配的，而不是按照各台变压器的额定容量成正比地分配的，因此，易造成各类变压器间负荷分配的不合理，使设备容量不能充分利用。为此，并列运行的变压器必须满足下列条件：
（1）各台变压器的一次额定电压和二次额定电压应分别相等，但可允许误差值在±0.5%以内，即各台变压器的变比应相等，但可允许差值在±0.5%以内。
（2）各台变压器的短路电压（阻抗百分数）Uk%应相等，但可允许相差在±10%以内。
（3）各台变压器的接线组别应相同。
2.不满足并列运行条件的危害
当上述并列运行的某一条件不具备时，各自的危害如下：
（1）当变比不相等时，由于循环电流的产生，不能使所有并列运行的变压都带上额定负荷，即总容量不能充分利用，且增加了变压器的损耗。特别是当变比相差很大时，循环电流可能大得足以破坏变压器的正常工作。所以变比差值限制在±0.5%范围内。
（2）短路电压不等时，并列运行的变压器，其负荷分配是与短路电压成反比的。一般来说，变压器的容量大，短路电压大。所以当容量小的变压器满负荷时，则容量大的变压器欠负荷；当容量大的变压器满负荷时，则容量小的变压器过负荷。为了把这种负荷分配极不合理的现象限制在一定范围内，我国规定，并列运行的变压器，最大容量和最小容量之比不得超过3∶1，且短路电压的相差不得超过10%。
（3）接线组别不同的变压器并列运行时，一、二次绕组线电压之间存在着相位差。在并列运行的二次绕组中，将会出现相当大的电压差，在电路中会出现很大的循环电流。由于变压器绕组的电阻和变压器的漏电抗很小，这个环流可能会达到足以烧坏变压器的程度。因此，接线组别不同的变压器是绝对不能并列运行的。如果两台接线组别不同的变压器都是单数或都是双数组别，可以用改变外部接线的方法来达到并列条件，但是单数组别与双数组别的变压器，则无法达到并列条件。
六、变压器油的运行
1.变压器油的作用
变压器内绝缘油可以增加变压器各部件间的绝缘强度，因为油是易流动的液体，它能够充满变压器内各部件之间的任何空隙，将空气排除，避免了部件因与空气接触受潮而引起的绝缘降低；其次，因为油的绝缘强度比空气大，从而增加了变压器内部各部件之间的绝缘强度，使绕组与绕组之间，绕组与铁芯之间，绕组与油箱外壳之间均保持良好的绝缘。
变压器的绝缘油还可以使变压器绕组和铁芯得到冷却，因为变压器在运行中，靠近绕组与铁芯的油受热后，温度升高，体积膨胀，比重减小而上升，经油箱散热片或冷却装置冷却后，再进入油箱的底部，从而形成油的循环，这样，在油的循环过程中，将热量散发于箱壁散热片、空气或散发给冷却装置，从而使绕组和铁芯得到冷却。
另外绝缘油能使绝缘物（如木质、纸等）保持原有的化学和物理性能，使金属（如铜）得到防腐作用，以及能熄灭电弧。综上所述，绝缘油的运行，实际上是要解决变压器的散热、防潮和防劣化三个问题，并解决油的防劣化，以便使油在经济合理的基础上延长其使用期限，便成为一项很重要的工作。
油的散热作用，主要决定于油的粘度及变压器的外形结构。降低油的粘度对提高设备的散热能力实际意义不大，而变压器的外形结构（散热面积）和冷却方式，对提高变压器的散热能力具有很大的实际意义。
2.变压器油的主要性能指标
（1）绝缘强度。是指绝缘油抵抗电场的能力。通常将油样注入标准油杯中进行测量。油杯结构及对油绝缘强度的要求见第九章。
（2）闪点。指油加热后产生的蒸汽与空气混合，遇到明火能发生燃烧的最低温度。闪点表示油的蒸发度，油的闪点越低，其蒸发度越高。油蒸发时使成分变坏，粘度加大，体积减小，并可能产生可爆性气体，因此油的闪点越高越好，一般应不低于135℃。
（3）凝固点。油的粘度随温度而变化，温度越低，粘度越大。当温度低到一定程度，油不再流动而凝固，这时的温度称为油的凝固点。变压器油的标号表示出凝固点的温度，如25号油是表示油在-25℃时凝固；45号油表示油在-45℃时凝固。凝固点低，油的对流散热性能好。因此凝固点越低越好。
（4）酸价。表示油中游离酸的含量。酸价的大小表明油的氧化程度和劣化程度。其大小用中和一克油中的全部游离酸所需要的氢氧化钾的毫克数（KOHmg/g油）来表示。酸价越高，说明氧化越严重，因此油的酸价越低越好。一般新油不应超过0.05KOHmg/g，运行中的油不应超过0.4KOHmg/g。
（5）安定度（安定性）。由于变压器油和空气长期接触和受热，会氧化成酸、树脂、沉淀物等，称为老化现象。安定度就是指抗拒绝缘老化的能力，安定度越高越好。安定度的大小，通常以人工氧化后油的酸价和沉淀物的含量来表示，这两个指标越低，油的安定度越高，说明油质越好。
（6）比重。油在20～40℃时的比重不超过0.895。变压器油比重越小，说明油的质量越好，油中的杂质及水分容易沉淀。
（7）粘度。是指变压器油在50℃时的粘度（条件度或运动粘度，mm2/s）。新油不超过50℃1.82条件度，20℃4.2条件度。为便于发挥对流散热作用，粘度小一些为好，但是粘度影响变压器油的闪点。
（8）灰分。表明变压器油内，含酸、碱、硫、游离碳、机械混合物的数量，也可以说是变压器油的纯度。因此，灰分含量越小越好。
3.变压器油的运行
变压器油在运行中，有可能与空气接触发生氧化，氧化后生成的各种氧化物具有酸性特点。此外，空气中的湿度会使油受潮，这不仅降低了击穿电压，还会增加介质损失值。而且受潮后的油对金属有腐蚀作用，引起油中大量沉淀物的产生。一般认为氧化后的油比新油易受潮，而且劣化速度加快2～4倍。
在运行过程中，由于温度的升高也会使油的劣化加速，根据实测，当平均温度每升高10℃时，油的劣化速度就会增加1.5～2倍。试验证明，油的氧化起始温度是60～70℃。在这个温度下，油很少发生变质，当温度达到120℃时，氧化激烈，温度达160℃时，油迅速变坏。
由于紫外线的作用，会增加油的氧化速度。因此，应避免油受光线的直射。一般油不应装在透明的容器内。
在变压器油的运行中，应经常对充油设备进行检查，检查设备的严密性，油枕、呼吸器的工作性能，以及油色油量是否正常。
另外，应结合变压器的运行维护工作，定期取油样或根据需要不定期取油样（如发现故障后），作油的气相色谱分析，以预测变压器的潜伏性故障，这是防止变压器事故的有效措施。
（1）运行中的变压器补油时应注意以下几点：
1）35kV及以上变压器应补入相同牌号的油，并应作耐压试验。
2）10kV及以下变压器可补入不同牌号的油，但应作混油耐压试验。
3）补油后要检查瓦斯继电器，并及时放出气体。若在24h后无问题，可重新将重瓦斯接入跳闸回路。
对在运行中已经变质的油应及时进行处理，使其恢复到标准值，如发现油受潮，应进行干燥，如油已老化，应进行净化和再生。一般可采用过滤法、澄清法、干燥法将油与水分、杂质分离，或者使用化学处理法，除去油中的酸碱，然后再过滤、干燥，使油再生，恢复其原有的良好性能。
（2）变压器油质量的简易鉴别。由于对变压器油的要求很高，严格地讲，不经过耐压试验和简化试验很难说明油是否合格，但不合格的油有时可从外观加以鉴别：
1）油的颜色。新油一般为浅黄色、氧化后颜色变深。新油呈深暗色是不允许的。运行中油的颜色迅速变暗，表示油质变坏。
2）透明度。新油在玻璃瓶中是透明的，并带有蓝紫色的荧光，如果失去荧光和透明度，说明有机械杂质和游离碳。
3）气味。变压器油应没有气味，或带一点煤油味，如有别的气味，说明油质变坏。如：烧焦味——油干燥时过热；酸味——油严重老化；乙炔味——油内产生过电弧；其他味——随容器产生。