工频试验变压器的结构及原理/选用要求

一、工频试验变压器的结构

主要分为以下几大部分：

1.铁芯：

材料：采用高磁导率、低损耗的冷轧硅钢片叠压而成。

结构：通常为单相芯式结构(同芯柱式)，以减小漏磁和体积。高压绕组和低压(励磁)绕组同心地套在同一铁芯柱上。

特点：磁路对称，磁阻小，有利于提高效率和减少空载电流。

2.绕组：

高压绕组(HVWinding)：

位置：位于外层(远离铁芯)。

结构：采用层式或分段层式结构。匝数非常多，导线截面相对较小(因电流小)。

绝缘：每层或每段之间有强固的匝间和层间绝缘(如电缆纸、聚酯薄膜、Nomex纸等)。绕组端部有特殊的静电屏蔽环或均压环，以改善电场分布，防止局部放电和电晕。

抽头：通常有多个抽头，通过分接开关连接到调压装置，实现输出电压的连续可调。

低压绕组(励磁绕组)(LVWinding)：

位置：位于内层(靠近铁芯)。

结构：匝数少，导线截面较大(承载励磁电流)。

绝缘：对地绝缘要求高，但匝间电压较低，绝缘相对简单。

测量/保护绕组(可选)：有时会设置一个独立的、匝数较少的第三绕组，用于连接测量仪表或过电压保护装置。

3.绝缘与冷却介质：

油浸式(主流)：

介质：填充高品质的矿物绝缘油或合成酯绝缘油。

作用：

绝缘：主绝缘介质，承受绕组之间、绕组对地的极高电压。

冷却：通过油的自然对流或强制循环(带油泵)带走热量(试验时间短，热负荷相对小)。

灭弧：在发生内部闪络时抑制电弧。

结构：变压器整体密封在金属油箱内，油箱设计需承受内部压力。有油枕(膨胀器)调节油体积变化。

干式(环氧树脂浇注)：

介质：高压绕组(有时连同低压绕组)用高绝缘强度的环氧树脂在真空下浇注固化。

优点：防火、防爆、免维护、无污染、体积相对小。

缺点：散热能力相对油浸式差，容量和电压等级通常较低(目前技术可达几百kV)，成本较高。

应用：常用于室内、对防火要求高的场所或作为串级试验变压器的第一级。

4.油箱与外壳：

油浸式：坚固的钢板焊接油箱，能承受内部故障压力。装有油位计、压力释放装置、注油/放油阀、取样阀等。

干式：通常有防护外壳(金属网或非金属)，提供机械保护和一定的通风散热。

5.套管：

高压套管：将高压绕组引线引出油箱(油浸式)或外壳(干式)的关键部件。承受极高的对地电压，是绝缘的薄弱点之一。采用电容式套管(内部有电容均压屏)或高品质的环氧树脂浇注套管，确保沿面爬电距离足够长，表面电场均匀。

低压套管：承受电压较低，结构相对简单(瓷套管或环氧树脂套管)。

6.调压装置(外部或内置)：

作用：平滑、连续地调节施加在低压绕组上的电压，从而控制高压输出。

类型：

自耦调压器：结构简单，经济，但输出电压波形易畸变，容量受限。

感应调压器：输出电压波形好，调节范围宽，容量较大，但体积大、效率较低。

移圈调压器：无触点，寿命长，容量大，输出电压波形好，是高压试验变压器最常用的配套调压设备。

电动发电机组(早期)：已很少使用。

电力电子调压(如SCR调压)：体积小，响应快，但可能引入谐波，需配合滤波器使用。

7.保护电阻：

位置：串联在高压输出端与被试品之间。

作用：

限制短路电流：当被试品击穿时，限制放电电流，保护试验变压器和测量设备免受过大电流冲击。

阻尼振荡：抑制因击穿或操作引起的过电压振荡。

稳定测量：使输出电压在击穿瞬间不会骤降为零，便于观察击穿现象。

二、工频试验变压器的工作原理

其工作原理基于电磁感应定律，本质上是一个升压变压器。

1.基本电磁感应：

交流电源(通常为工频50/60Hz)通过调压装置(T)施加到低压(励磁)绕组(N1)上，产生交变电流(I1)。

该交变电流在铁芯中建立交变主磁通(Φ)。

交变主磁通同时穿过高压绕组(N2)，根据法拉第电磁感应定律，在高压绕组两端感应出电动势(E2)。

在空载或轻载(被试品阻抗大)时，感应电动势近似等于输出电压(U2)。

2.电压变换关系：

理想情况下，高压侧空载输出电压(U2)与低压侧输入电压(U1)之比等于高压绕组匝数(N2)与低压绕组匝数(N1)之比，即：

因此，通过设计很高的变比K，就能将较低的输入电压(如几百伏)升高到所需的试验电压(如几十、几百千伏甚至更高)。

3.关键工作特性：

高阻抗电压：试验变压器的短路阻抗(主要是漏抗)设计得比电力变压器高很多(通常在5%-30%范围)。这主要是为了：

限制短路电流：当被试品击穿(相当于短路)时，高阻抗能有效限制短路电流的幅值，保护变压器本身和电源回路。

维持电压稳定性：在容性负载(被试品多为电容性，如电缆、GIS、套管)下，高漏抗可以补偿部分容性电流引起的电压升高(“容升效应”)，使输出电压更接近空载电压。

短时过载能力：考虑到高压试验通常是短时间(几分钟)的，试验变压器设计允许在短时间内承受远大于其额定容量的负载(如1.5-2倍额定电流)。但其持续运行容量远低于同体积的电力变压器。

波形要求：试验电压波形应尽可能接近正弦波，以保证试验的有效性(标准要求总谐波畸变率THD<5%)。这对调压装置和铁芯设计(避免饱和)提出了要求。

三、总结

结构核心：特殊设计的高压绕组(层式/分段、强绝缘、均压措施)浸泡在优质绝缘油(或环氧树脂浇注)中，配合高压套管引出，铁芯提供高效磁路。

原理本质：基于电磁感应实现工频电压的大幅度升高(升压变压器)。

关键特性：高输出电压、高短路阻抗(限制短路电流、稳定容性负载电压)、短时大过载能力、对输出电压波形要求高。

应用目标：为电力设备(电缆、变压器、开关、绝缘子等)提供符合标准要求的工频高电压，以考核其绝缘强度和发现绝缘缺陷。

理解其结构和原理对于正确操作试验变压器、解读试验结果以及诊断设备故障至关重要。