電力變壓器的發展現狀及未來發展趨勢

(三峽電力職業學院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

變壓器是根據電磁感應定律，將交流電變換為同頻率、不同電壓交流電的非旋轉式電機。因此，變壓器是隨著電磁感應現象的發現而誕生，隨著科學技術的不斷完善及在電力系統中的應用和改進而不斷發展的。電力變壓器是發電、變電、輸電、配電系統中的重要設備之一，其性能、質量直接關系到電力系統運行的可靠性和運營效益。因此，電力變壓器的發展對電力系統的電能質量、可靠性、經濟性也產生著重要的影響。

2 電力變壓器發展簡史

眾所周知，世界上第一臺變壓器誕生于1876年。俄國物理學家雅勃洛奇科夫發明“電燭”，采用一只兩個繞組的感應線圈，原邊與交流電源相連，為高壓側，副邊低壓側的交流電向“電燭”供電。這只感應線圈實際上是一臺不閉合磁芯的單相變壓器。1882年，俄國工程師烏薩金在莫斯科首次展出了有升壓、降壓感應線圈的高壓變電裝置。

19世紀80年代后，交流電進入人類社會生活，變壓器的原理也為許多人所了解，人們自然而然想到將變壓器用于實際交流電路中。在這方面邁出第一步并做出重大貢獻的是法國人高蘭德和英國人吉布斯。1882年9月13日，他們在英國申請了第一個感應線圈及其供電系統的專利，他們稱這種感應線圈為“二次發電機”。1884年，他們在意大利都靈技術博覽會上展出了他們的變壓器，并表演了交流遠距離輸電。采用開磁路變壓器串聯交流輸電系統，將 30kW、133Hz的交流電輸送到40km遠處。

高蘭德-吉布斯二次發電機(變壓器)雖然開辟了變壓器的實際應用領域，但早期這種變壓器存在某些先天不足，如開路鐵心、原邊線圈串聯等。首先對此質疑和作出改進的是匈牙利崗茨工廠的三個年輕工程師布拉什、齊伯諾夫斯基和德里。他們在1885年首先引入單詞“Transformer”(變壓器)，這一簡明傳神的術語很快為人們所認同和接受，迅速取代以往采用的“感應線圈”、“二次發電機”等術語，一直沿用至今。他們采用閉路鐵心，將原邊線圈串聯改為并聯進行研究實驗。1884年9月16日，他們研制成世界上第一臺單相殼式、閉路鐵心(鐵絲)變壓器。

高蘭特-吉布斯二次發電機和Z-D-B變壓器都是單相變壓器，發明三相變壓器的則是被譽為“三相交流電之父”的俄國科學家多利沃—多布羅夫斯基。他提出三相電流可以產生旋轉磁場，并發明三相同步發電機和三相鼠籠式電動機，并于1891年研制成功了世界上第一臺三相變壓器。

19世紀后期及20世紀初期，還有許多人也進行了變壓器的研究工作，制成了形形色色的變壓器，使早期變壓器異彩紛呈，也為后期各型變壓器的發展積累了寶貴的經驗和教訓。

3 電力變壓器的發展現狀

3.1 配電變壓器

配電變壓器國內中小型配電變壓器最初是以絕緣油為絕緣介質發展起來的,進入20世紀90年代，干式變壓器在國內才有了很快的發展。

(1)油浸式配電變壓器有S9系列配電變壓器，S11系列配電變壓器，卷鐵心配電變壓器，非晶合金鐵心變壓器。為了使變壓器的運行更加完全、可靠，維護更加簡單，更廣泛地滿足用戶的需要，近年來油浸式變壓器采用了密封結構，使變壓器油和周圍空氣完全隔絕，從而提高了變壓器的可靠性。目前，主要密封形式有空氣密封型、充氮密封型和全充油密封型。其中全充油密封型變壓器的市場占有率越來越高，它在絕緣油體積發生變化時，由波紋油箱壁或膨脹式散熱器的彈性變形做補償。

(2)干式變壓器由于結構簡單，維護方便，又有防火、難燃等特點，國內從20世紀50年代末即已開始生產，但近10來年才開始大批量生產。干式變壓器種類很多，主要有浸漬絕緣干式變壓器和環氧樹脂絕緣干式變壓器兩類。

3.2 箱式變壓器

箱式變壓器箱式變壓器具有占地少，能伸入負荷中心，減少線路損耗，提高供電質量，選位靈活，外形美觀等特點，目前在城市10kV、35kV電網中大量應用。國內目前所使用的箱式變壓器，主要是歐式箱變和美式箱變，前者變壓器作為一個單獨的部件，即高壓受電部分、配電變壓器、低壓配電部分三位一體。后者結構分為前后兩部分，前部分為接線柜，后部分為變壓器油箱，繞組、鐵心、高壓負荷開關、插入式熔斷器、后備限流熔斷器等元器件均放置在油箱體內。目前有些廠家，已將卷鐵心變壓器移置到箱式變壓器中，使箱式變壓器體積和質量都有所減小，實現了高效、節能和低噪聲級。

3.3 高壓、超高壓電力變壓器

目前，國內已具備了110kV、220kV、330kV和500kV高壓、超高壓變壓器生產能力。超高壓變壓器的絕緣介質仍以絕緣油為主，根據電網發展的需要，變壓器的生產技術正在不斷提高。SF6氣體絕緣高壓、超高壓變壓器正在研究開發。

4 國內電力變壓器的制造水平

就國內電力變壓器的制造水平總體講，技術處于國際20世紀90年代初的水平，少量的處于世界20世紀90年代末的水平，與國外先進國家相比，還存在一定的差距。

(1)鐵心材料20世紀70年代，武漢鋼鐵公司在引進消化吸收日本冷軋硅鋼片制造技術生產冷軋硅鋼片的基礎上，于20世紀90年代又引進了日本高導磁晶粒向冷軋硅鋼片(HI-B)制造技術，制造出了節能效果更好的電力變壓器鐵心材料。但是由于產品數量不能滿足需求及生產工藝兩方面的問題，仍然要從日本、俄羅斯以及西歐等國進口部分冷軋硅鋼片。在研制配電變壓器鐵心用非晶合金材料方面，國內于20世紀90年代初曾由原機械部、原冶金部、原電力部、國家計委、國家經貿委、原國家科委組成了專門工作組，對非晶合金鐵心材料和非晶合金鐵心變壓器的設計和制造工藝開展了深入研究，研制的非晶合金鐵心材料基本達到原計劃指標的要求，并于1994年試制出電壓10kV、容量160～500kVA的配電變壓器，經電力用戶試用表明，基本達到實用化的要求。

但對非晶合金材料制造工藝仍需進一步改進，才能達到批量生產的要求。1998年，上海置信公司引進了美國GE公司的制造技術，用美國非晶合金材料生產了非晶合金鐵心變壓器，目前已能生產電壓10kV、容量50～2500kVA、空載損耗34～700W之間、負載損耗在870～21500W之間的非晶合金鐵心變壓器，而且已將此種材料應用于環氧樹脂干式變壓器上，進一步促進了國內非晶合金鐵心變壓器制造水平的提高。國內已有一些變壓器廠家應用引進非晶合金材料鐵心制造出的產品投入電網運行。

(2)工裝設備20世紀80年代以前，國內變壓專用設備技術水平，整體上是比較低的，除繞線設備有專業生產廠生產外，其余絕大部分都是企業自制的比較簡單的設備，只有少數幾家有簡易的鐵心加工縱剪線。進入20世紀80年代變壓器行業開始引進國外先進的專用關鍵設備，如鐵心縱剪線、低頻電熱燥系統等。到20世紀90年代，由于干式變壓器的大力推廣，引進了一批環氧澆注設備和箔式繞線機，幾個大型生產廠還引進了絕緣件加工中心，使國內變壓器生產工裝裝備水平大大提高。國內一些專用設備廠家經過消化吸收，也開發了縱、橫間生產線等專用設備，這些國產專用設備，其功能及主要技術參數基本達到或接近國際水平，對保證國內變壓器產品量，提高變壓器的技術性能，提高生產效率起到了至關重要的作用。

(3)變壓器工藝設計近20年，對110kV及以下電壓等級的油浸變壓器進行了不少優化設計，已逐步取代了64、73、79、86等標準，目前推行的是20世紀90年代后期的99標準，形成了節能變壓器的新系列，使各種損耗進一步降低，替代了高能耗產品的生產。1998年國家又進一步明確，在電網中運行的64系列、73系列老舊變壓器必須淘汰更新，按1979年標準生產的S7型變壓器也必須停止生產。1998～2001年的城鄉電網建設改造中大力推行的S9型配電變壓器，符合1999年國家標準。2000年開始，在兩網建設改造中還使用了卷鐵心變壓器。

5 電力變壓器未來發展趨勢

5.1 電力變壓器未來發展方向

隨著電力變壓器的推廣應用，其生產制造技術也獲得長足發展，許多專家預測，未來的電力變壓器將在如下幾方面獲得進一步發展。

(1)節能低噪：新的低耗硅鋼片，箔式繞組結構，階梯鐵心接縫，環境保護要求，噪聲研究的深入，計算機優化設計等新材料、新工藝、新技術的引入，將使未來的干式變壓器更加節能更加寧靜。

(2)高可靠性：提高產品質量和可靠性，將是人們的不懈追求。在完成引進技術的消化吸收之后，將在電磁場計算、波過程、澆注工藝、熱點溫升、局放機理、質保體系、可靠性工程等方面進行大量的基礎研究，積極進行可靠性認證，進一步提高干變的可靠性。

(3)環保特性認證：以歐洲標準HD464為基礎，開展變壓器耐氣候(C0、C1、C2)、耐環境(E0、E1、E2)、耐火(F0、F1、F2)特性的研究與認證。

(4)大容量：從50～2500kVA配電變壓器為主的變壓器，向10000～20000kVA/35kV電力變壓器拓展，隨著城市用電負荷不斷增加，城網區域變電所越來越深入城市中心區、居民小區、大型廠礦等負荷中心，35kV大容量的小區中心供電電力變壓器將獲廣泛應用。

(5)多功能組合：從單一變壓器向帶風冷、保護外殼、溫度計算機接口、零序互感器、功率計量、封閉母線、側出線等多功能組合式變壓器發展。

(6)多領域發展：從以配電變壓器為主，向發電站廠用變、勵磁變、地鐵牽引整流變壓器、大電流電爐變、核電站、船用及采油平臺用等特種變壓器及多用途領域發展。

5.2 電力變壓器未來發展因素

(1)電力變壓器設計安裝應充分考慮地震因素

在唐山大地震中，舊式瓦斯繼電器(浮筒式水銀接點繼電器)運行尚不夠穩定，抗振能力差，因振動而使水銀流動造成誤動作，造成大面積停電事故。而開口杯擋板式瓦斯繼電器具有較高的耐振能力，動作可靠。因此，目前在我國電力系統中推廣應用的是開口杯擋板式瓦斯繼電器。雖然，干式變壓器不存在瓦斯繼電器的問題，但是同樣存在如何適應自然環境更好地為人們服務的問題。

汶川大地震中損壞的電力設備和唐山大地震中的情況類似，主要為電氣設備損壞，尤其是500kV及以下含有大型瓷套管的高壓設備，包括變壓器、斷路器、隔離開關、電壓互感器、電流互感器等。

干式變壓器的未來發展應該是抗震的，除了擁有堅實的底座，還應足夠的緩沖橡膠，在地震到來時，能夠將地震的能量充分化解。

(2)電力變壓器應設置多用途防護罩

海灣戰爭時，石墨炸彈在“沙漠風暴”行動中首次登場。當時美國海軍發射艦載戰斧式巡航導彈，向伊拉克投擲石墨炸彈，攻擊其供電設施，使伊拉克全國供電系統85%癱瘓。

在以美國為首的北約對南斯拉夫的空襲中，美國空軍使用的石墨炸彈對南電網進行攻擊，造成南斯拉夫全國70%的地區斷電，居民生活環境嚴重惡化，居民抵抗意志隨之逐漸喪失。

這兩次戰爭給電力變壓器的發展提出了更高的要求，導電率極高的石墨箔條一旦沾上，清洗十分困難，因此在室外的大型電力變壓器應設置多用途防護罩，多用途防護罩像電動卷簾門窗一樣 可以自由電動開啟與關閉。

在緊急情況下，多用途防護罩可以將電力變壓器完全保護起來，采用高強度玻璃鋼的防護罩的多用途防護罩可以有效阻擋外來“物品”的入侵(包括小動

物)；在外界天氣不好時也可以為變壓器等設施的檢修維護帶來方便；可以將泥石流的有效地阻擋于變壓器之外。多用途防護罩是否投入使用，是隨著天氣變化、人為因素等需要來變化的。

5.3 電力變壓器未來發展趨勢

電力變壓器的未來發展應向小型化，電子化發展。由于新型電子產品的不斷發展與應用，未來的電力變壓器將會逐步解決“鐵芯”問題，未來的電力變壓器的運行不再是電-磁-電的過程，而是電-電的過程，徹底打破“鐵芯”的瓶頸。電力變壓器將向小型化，電子化發展，甚至智能化發展。無論是從電力變壓器生產成本還是維護成本都將大大降低。

縱觀電力變壓器的發展歷史、發展現狀及未來發展趨勢，最終能夠取代油式變壓器的將是干式變壓器，取代干式變壓器的將是電子變壓器，隨著時代的發展，電力變壓器將面臨諸多考驗，只有不斷地發展與完善，電力變壓器才能更好地為人類電氣發揮更大的效用。

6 結束語

科學技術不斷進步，電力變壓器的應用技術不斷成熟，其發展也必然不斷完善。