电力变压器的发展现状及未来发展趋势

(三峡电力职业学院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

变压器是根据电磁感应定律，将交流电变换为同频率、不同电压交流电的非旋转式电机。因此，变压器是随着电磁感应现象的发现而诞生，随着科学技术的不断完善及在电力系统中的应用和改进而不断发展的。电力变压器是发电、变电、输电、配电系统中的重要设备之一，其性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益。因此，电力变压器的发展对电力系统的电能质量、可靠性、经济性也产生着重要的影响。

2 电力变压器发展简史

众所周知，世界上第一台变压器诞生于1876年。俄国物理学家雅勃洛奇科夫发明“电烛”，采用一只两个绕组的感应线圈，原边与交流电源相连，为高压侧，副边低压侧的交流电向“电烛”供电。这只感应线圈实际上是一台不闭合磁芯的单相变压器。1882年，俄国工程师乌萨金在莫斯科首次展出了有升压、降压感应线圈的高压变电装置。

19世纪80年代后，交流电进入人类社会生活，变压器的原理也为许多人所了解，人们自然而然想到将变压器用于实际交流电路中。在这方面迈出第一步并做出重大贡献的是法国人高兰德和英国人吉布斯。1882年9月13日，他们在英国申请了第一个感应线圈及其供电系统的专利，他们称这种感应线圈为“二次发电机”。1884年，他们在意大利都灵技术博览会上展出了他们的变压器，并表演了交流远距离输电。采用开磁路变压器串联交流输电系统，将 30kW、133Hz的交流电输送到40km远处。

高兰德-吉布斯二次发电机(变压器)虽然开辟了变压器的实际应用领域，但早期这种变压器存在某些先天不足，如开路铁心、原边线圈串联等。首先对此质疑和作出改进的是匈牙利岗茨工厂的三个年轻工程师布拉什、齐伯诺夫斯基和德里。他们在1885年首先引入单词“Transformer”(变压器)，这一简明传神的术语很快为人们所认同和接受，迅速取代以往采用的“感应线圈”、“二次发电机”等术语，一直沿用至今。他们采用闭路铁心，将原边线圈串联改为并联进行研究实验。1884年9月16日，他们研制成世界上第一台单相壳式、闭路铁心(铁丝)变压器。

高兰特-吉布斯二次发电机和Z-D-B变压器都是单相变压器，发明三相变压器的则是被誉为“三相交流电之父”的俄国科学家多利沃—多布罗夫斯基。他提出三相电流可以产生旋转磁场，并发明三相同步发电机和三相鼠笼式电动机，并于1891年研制成功了世界上第一台三相变压器。

19世纪后期及20世纪初期，还有许多人也进行了变压器的研究工作，制成了形形色色的变压器，使早期变压器异彩纷呈，也为后期各型变压器的发展积累了宝贵的经验和教训。

3 电力变压器的发展现状

3.1 配电变压器

配电变压器国内中小型配电变压器最初是以绝缘油为绝缘介质发展起来的,进入20世纪90年代，干式变压器在国内才有了很快的发展。

(1)油浸式配电变压器有S9系列配电变压器，S11系列配电变压器，卷铁心配电变压器，非晶合金铁心变压器。为了使变压器的运行更加完全、可靠，维护更加简单，更广泛地满足用户的需要，近年来油浸式变压器采用了密封结构，使变压器油和周围空气完全隔绝，从而提高了变压器的可靠性。目前，主要密封形式有空气密封型、充氮密封型和全充油密封型。其中全充油密封型变压器的市场占有率越来越高，它在绝缘油体积发生变化时，由波纹油箱壁或膨胀式散热器的弹性变形做补偿。

(2)干式变压器由于结构简单，维护方便，又有防火、难燃等特点，国内从20世纪50年代末即已开始生产，但近10来年才开始大批量生产。干式变压器种类很多，主要有浸渍绝缘干式变压器和环氧树脂绝缘干式变压器两类。

3.2 箱式变压器

箱式变压器箱式变压器具有占地少，能伸入负荷中心，减少线路损耗，提高供电质量，选位灵活，外形美观等特点，目前在城市10kV、35kV电网中大量应用。国内目前所使用的箱式变压器，主要是欧式箱变和美式箱变，前者变压器作为一个单独的部件，即高压受电部分、配电变压器、低压配电部分三位一体。后者结构分为前后两部分，前部分为接线柜，后部分为变压器油箱，绕组、铁心、高压负荷开关、插入式熔断器、后备限流熔断器等元器件均放置在油箱体内。目前有些厂家，已将卷铁心变压器移置到箱式变压器中，使箱式变压器体积和质量都有所减小，实现了高效、节能和低噪声级。

3.3 高压、超高压电力变压器

目前，国内已具备了110kV、220kV、330kV和500kV高压、超高压变压器生产能力。超高压变压器的绝缘介质仍以绝缘油为主，根据电网发展的需要，变压器的生产技术正在不断提高。SF6气体绝缘高压、超高压变压器正在研究开发。

4 国内电力变压器的制造水平

就国内电力变压器的制造水平总体讲，技术处于国际20世纪90年代初的水平，少量的处于世界20世纪90年代末的水平，与国外先进国家相比，还存在一定的差距。

(1)铁心材料20世纪70年代，武汉钢铁公司在引进消化吸收日本冷轧硅钢片制造技术生产冷轧硅钢片的基础上，于20世纪90年代又引进了日本高导磁晶粒向冷轧硅钢片(HI-B)制造技术，制造出了节能效果更好的电力变压器铁心材料。但是由于产品数量不能满足需求及生产工艺两方面的问题，仍然要从日本、俄罗斯以及西欧等国进口部分冷轧硅钢片。在研制配电变压器铁心用非晶合金材料方面，国内于20世纪90年代初曾由原机械部、原冶金部、原电力部、国家计委、国家经贸委、原国家科委组成了专门工作组，对非晶合金铁心材料和非晶合金铁心变压器的设计和制造工艺开展了深入研究，研制的非晶合金铁心材料基本达到原计划指标的要求，并于1994年试制出电压10kV、容量160～500kVA的配电变压器，经电力用户试用表明，基本达到实用化的要求。

但对非晶合金材料制造工艺仍需进一步改进，才能达到批量生产的要求。1998年，上海置信公司引进了美国GE公司的制造技术，用美国非晶合金材料生产了非晶合金铁心变压器，目前已能生产电压10kV、容量50～2500kVA、空载损耗34～700W之间、负载损耗在870～21500W之间的非晶合金铁心变压器，而且已将此种材料应用于环氧树脂干式变压器上，进一步促进了国内非晶合金铁心变压器制造水平的提高。国内已有一些变压器厂家应用引进非晶合金材料铁心制造出的产品投入电网运行。

(2)工装设备20世纪80年代以前，国内变压专用设备技术水平，整体上是比较低的，除绕线设备有专业生产厂生产外，其余绝大部分都是企业自制的比较简单的设备，只有少数几家有简易的铁心加工纵剪线。进入20世纪80年代变压器行业开始引进国外先进的专用关键设备，如铁心纵剪线、低频电热燥系统等。到20世纪90年代，由于干式变压器的大力推广，引进了一批环氧浇注设备和箔式绕线机，几个大型生产厂还引进了绝缘件加工中心，使国内变压器生产工装装备水平大大提高。国内一些专用设备厂家经过消化吸收，也开发了纵、横间生产线等专用设备，这些国产专用设备，其功能及主要技术参数基本达到或接近国际水平，对保证国内变压器产品量，提高变压器的技术性能，提高生产效率起到了至关重要的作用。

(3)变压器工艺设计近20年，对110kV及以下电压等级的油浸变压器进行了不少优化设计，已逐步取代了64、73、79、86等标准，目前推行的是20世纪90年代后期的99标准，形成了节能变压器的新系列，使各种损耗进一步降低，替代了高能耗产品的生产。1998年国家又进一步明确，在电网中运行的64系列、73系列老旧变压器必须淘汰更新，按1979年标准生产的S7型变压器也必须停止生产。1998～2001年的城乡电网建设改造中大力推行的S9型配电变压器，符合1999年国家标准。2000年开始，在两网建设改造中还使用了卷铁心变压器。

5 电力变压器未来发展趋势

5.1 电力变压器未来发展方向

随着电力变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，许多专家预测，未来的电力变压器将在如下几方面获得进一步发展。

(1)节能低噪：新的低耗硅钢片，箔式绕组结构，阶梯铁心接缝，环境保护要求，噪声研究的深入，计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入，将使未来的干式变压器更加节能更加宁静。

(2)高可靠性：提高产品质量和可靠性，将是人们的不懈追求。在完成引进技术的消化吸收之后，将在电磁场计算、波过程、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系、可靠性工程等方面进行大量的基础研究，积极进行可靠性认证，进一步提高干变的可靠性。

(3)环保特性认证：以欧洲标准HD464为基础，开展变压器耐气候(C0、C1、C2)、耐环境(E0、E1、E2)、耐火(F0、F1、F2)特性的研究与认证。

(4)大容量：从50～2500kVA配电变压器为主的变压器，向10000～20000kVA/35kV电力变压器拓展，随着城市用电负荷不断增加，城网区域变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量的小区中心供电电力变压器将获广泛应用。

(5)多功能组合：从单一变压器向带风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功率计量、封闭母线、侧出线等多功能组合式变压器发展。

(6)多领域发展：从以配电变压器为主，向发电站厂用变、励磁变、地铁牵引整流变压器、大电流电炉变、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领域发展。

5.2 电力变压器未来发展因素

(1)电力变压器设计安装应充分考虑地震因素

在唐山大地震中，旧式瓦斯继电器(浮筒式水银接点继电器)运行尚不够稳定，抗振能力差，因振动而使水银流动造成误动作，造成大面积停电事故。而开口杯挡板式瓦斯继电器具有较高的耐振能力，动作可靠。因此，目前在我国电力系统中推广应用的是开口杯挡板式瓦斯继电器。虽然，干式变压器不存在瓦斯继电器的问题，但是同样存在如何适应自然环境更好地为人们服务的问题。

汶川大地震中损坏的电力设备和唐山大地震中的情况类似，主要为电气设备损坏，尤其是500kV及以下含有大型瓷套管的高压设备，包括变压器、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等。

干式变压器的未来发展应该是抗震的，除了拥有坚实的底座，还应足够的缓冲橡胶，在地震到来时，能够将地震的能量充分化解。

(2)电力变压器应设置多用途防护罩

海湾战争时，石墨炸弹在“沙漠风暴”行动中首次登场。当时美国海军发射舰载战斧式巡航导弹，向伊拉克投掷石墨炸弹，攻击其供电设施，使伊拉克全国供电系统85%瘫痪。

在以美国为首的北约对南斯拉夫的空袭中，美国空军使用的石墨炸弹对南电网进行攻击，造成南斯拉夫全国70%的地区断电，居民生活环境严重恶化，居民抵抗意志随之逐渐丧失。

这两次战争给电力变压器的发展提出了更高的要求，导电率极高的石墨箔条一旦沾上，清洗十分困难，因此在室外的大型电力变压器应设置多用途防护罩，多用途防护罩像电动卷帘门窗一样 可以自由电动开启与关闭。

在紧急情况下，多用途防护罩可以将电力变压器完全保护起来，采用高强度玻璃钢的防护罩的多用途防护罩可以有效阻挡外来“物品”的入侵(包括小动

物)；在外界天气不好时也可以为变压器等设施的检修维护带来方便；可以将泥石流的有效地阻挡于变压器之外。多用途防护罩是否投入使用，是随着天气变化、人为因素等需要来变化的。

5.3 电力变压器未来发展趋势

电力变压器的未来发展应向小型化，电子化发展。由于新型电子产品的不断发展与应用，未来的电力变压器将会逐步解决“铁芯”问题，未来的电力变压器的运行不再是电-磁-电的过程，而是电-电的过程，彻底打破“铁芯”的瓶颈。电力变压器将向小型化，电子化发展，甚至智能化发展。无论是从电力变压器生产成本还是维护成本都将大大降低。

纵观电力变压器的发展历史、发展现状及未来发展趋势，最终能够取代油式变压器的将是干式变压器，取代干式变压器的将是电子变压器，随着时代的发展，电力变压器将面临诸多考验，只有不断地发展与完善，电力变压器才能更好地为人类电气发挥更大的效用。

6 结束语

科学技术不断进步，电力变压器的应用技术不断成熟，其发展也必然不断完善。