(三峽電力職業(yè)學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 引言

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將交流電變換為同頻率、不同電壓交流電的非旋轉(zhuǎn)式電機(jī)。因此，變壓器是隨著電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而誕生，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和改進(jìn)而不斷發(fā)展的。電力變壓器是發(fā)電、變電、輸電、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營效益。因此，電力變壓器的發(fā)展對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性也產(chǎn)生著重要的影響。

2 電力變壓器發(fā)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(xué)家雅勃洛奇科夫發(fā)明“電燭”，采用一只兩個繞組的感應(yīng)線圈，原邊與交流電源相連，為高壓側(cè)，副邊低壓側(cè)的交流電向“電燭”供電。這只感應(yīng)線圈實(shí)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(yīng)線圈的高壓變電裝置。

19世紀(jì)80年代后，交流電進(jìn)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(shí)際交流電路中。在這方面邁出第一步并做出重大貢獻(xiàn)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(yīng)線圈及其供電系統(tǒng)的專利，他們稱這種感應(yīng)線圈為“二次發(fā)電機(jī)”。1884年，他們在意大利都靈技術(shù)博覽會上展出了他們的變壓器，并表演了交流遠(yuǎn)距離輸電。采用開磁路變壓器串聯(lián)交流輸電系統(tǒng)，將 30kW、133Hz的交流電輸送到40km遠(yuǎn)處。

高蘭德-吉布斯二次發(fā)電機(jī)(變壓器)雖然開辟了變壓器的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)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(lián)等。首先對此質(zhì)疑和作出改進(jìn)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(shù)語很快為人們所認(rèn)同和接受，迅速取代以往采用的“感應(yīng)線圈”、“二次發(fā)電機(jī)”等術(shù)語，一直沿用至今。他們采用閉路鐵心，將原邊線圈串聯(lián)改為并聯(lián)進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)。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(fā)電機(jī)和Z-D-B變壓器都是單相變壓器，發(fā)明三相變壓器的則是被譽(yù)為“三相交流電之父”的俄國科學(xué)家多利沃—多布羅夫斯基。他提出三相電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并發(fā)明三相同步發(fā)電機(jī)和三相鼠籠式電動機(jī)，并于1891年研制成功了世界上第一臺三相變壓器。

19世紀(jì)后期及20世紀(jì)初期，還有許多人也進(jìn)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(fā)展積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

3 電力變壓器的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 配電變壓器

配電變壓器國內(nèi)中小型配電變壓器最初是以絕緣油為絕緣介質(zhì)發(fā)展起來的,進(jìn)入20世紀(jì)90年代，干式變壓器在國內(nèi)才有了很快的發(fā)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(yùn)行更加完全、可靠，維護(hù)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(jié)構(gòu)，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(fā)生變化時，由波紋油箱壁或膨脹式散熱器的彈性變形做補(bǔ)償。

(2)干式變壓器由于結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，又有防火、難燃等特點(diǎn)，國內(nèi)從20世紀(jì)50年代末即已開始生產(chǎn)，但近10來年才開始大批量生產(chǎn)。干式變壓器種類很多，主要有浸漬絕緣干式變壓器和環(huán)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(fù)荷中心，減少線路損耗，提高供電質(zhì)量，選位靈活，外形美觀等特點(diǎn)，目前在城市10kV、35kV電網(wǎng)中大量應(yīng)用。國內(nèi)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(dú)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(jié)構(gòu)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(fù)荷開關(guān)、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(nèi)。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(zhì)量都有所減小，實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能和低噪聲級。

3.3 高壓、超高壓電力變壓器

目前，國內(nèi)已具備了110kV、220kV、330kV和500kV高壓、超高壓變壓器生產(chǎn)能力。超高壓變壓器的絕緣介質(zhì)仍以絕緣油為主，根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展的需要，變壓器的生產(chǎn)技術(shù)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(fā)。

4 國內(nèi)電力變壓器的制造水平

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

(1)鐵心材料20世紀(jì)70年代，武漢鋼鐵公司在引進(jìn)消化吸收日本冷軋硅鋼片制造技術(shù)生產(chǎn)冷軋硅鋼片的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)90年代又引進(jìn)了日本高導(dǎo)磁晶粒向冷軋硅鋼片(HI-B)制造技術(shù)，制造出了節(jié)能效果更好的電力變壓器鐵心材料。但是由于產(chǎn)品數(shù)量不能滿足需求及生產(chǎn)工藝兩方面的問題，仍然要從日本、俄羅斯以及西歐等國進(jìn)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(nèi)于20世紀(jì)90年代初曾由原機(jī)械部、原冶金部、原電力部、國家計(jì)委、國家經(jīng)貿(mào)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(shè)計(jì)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(dá)到原計(jì)劃指標(biāo)的要求，并于1994年試制出電壓10kV、容量160～500kVA的配電變壓器，經(jīng)電力用戶試用表明，基本達(dá)到實(shí)用化的要求。

但對非晶合金材料制造工藝仍需進(jìn)一步改進(jìn)，才能達(dá)到批量生產(chǎn)的要求。1998年，上海置信公司引進(jìn)了美國GE公司的制造技術(shù)，用美國非晶合金材料生產(chǎn)了非晶合金鐵心變壓器，目前已能生產(chǎn)電壓10kV、容量50～2500kVA、空載損耗34～700W之間、負(fù)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(yīng)用于環(huán)氧樹脂干式變壓器上，進(jìn)一步促進(jìn)了國內(nèi)非晶合金鐵心變壓器制造水平的提高。國內(nèi)已有一些變壓器廠家應(yīng)用引進(jìn)非晶合金材料鐵心制造出的產(chǎn)品投入電網(wǎng)運(yùn)行。

(2)工裝設(shè)備20世紀(jì)80年代以前，國內(nèi)變壓專用設(shè)備技術(shù)水平，整體上是比較低的，除繞線設(shè)備有專業(yè)生產(chǎn)廠生產(chǎn)外，其余絕大部分都是企業(yè)自制的比較簡單的設(shè)備，只有少數(shù)幾家有簡易的鐵心加工縱剪線。進(jìn)入20世紀(jì)80年代變壓器行業(yè)開始引進(jìn)國外先進(jìn)的專用關(guān)鍵設(shè)備，如鐵心縱剪線、低頻電熱燥系統(tǒng)等。到20世紀(jì)90年代，由于干式變壓器的大力推廣，引進(jìn)了一批環(huán)氧澆注設(shè)備和箔式繞線機(jī)，幾個大型生產(chǎn)廠還引進(jìn)了絕緣件加工中心，使國內(nèi)變壓器生產(chǎn)工裝裝備水平大大提高。國內(nèi)一些專用設(shè)備廠家經(jīng)過消化吸收，也開發(fā)了縱、橫間生產(chǎn)線等專用設(shè)備，這些國產(chǎn)專用設(shè)備，其功能及主要技術(shù)參數(shù)基本達(dá)到或接近國際水平，對保證國內(nèi)變壓器產(chǎn)品量，提高變壓器的技術(shù)性能，提高生產(chǎn)效率起到了至關(guān)重要的作用。

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

5 電力變壓器未來發(fā)展趨勢

5.1 電力變壓器未來發(fā)展方向

隨著電力變壓器的推廣應(yīng)用，其生產(chǎn)制造技術(shù)也獲得長足發(fā)展，許多專家預(yù)測，未來的電力變壓器將在如下幾方面獲得進(jìn)一步發(fā)展。

(1)節(jié)能低噪：新的低耗硅鋼片，箔式繞組結(jié)構(gòu)，階梯鐵心接縫，環(huán)境保護(hù)要求，噪聲研究的深入，計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)等新材料、新工藝、新技術(shù)的引入，將使未來的干式變壓器更加節(jié)能更加寧靜。

(2)高可靠性：提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，將是人們的不懈追求。在完成引進(jìn)技術(shù)的消化吸收之后，將在電磁場計(jì)算、波過程、澆注工藝、熱點(diǎn)溫升、局放機(jī)理、質(zhì)保體系、可靠性工程等方面進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究，積極進(jìn)行可靠性認(rèn)證，進(jìn)一步提高干變的可靠性。

(3)環(huán)保特性認(rèn)證：以歐洲標(biāo)準(zhǔn)HD464為基礎(chǔ)，開展變壓器耐氣候(C0、C1、C2)、耐環(huán)境(E0、E1、E2)、耐火(F0、F1、F2)特性的研究與認(rèn)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(fù)荷不斷增加，城網(wǎng)區(qū)域變電所越來越深入城市中心區(qū)、居民小區(qū)、大型廠礦等負(fù)荷中心，35kV大容量的小區(qū)中心供電電力變壓器將獲廣泛應(yīng)用。

(5)多功能組合：從單一變壓器向帶風(fēng)冷、保護(hù)外殼、溫度計(jì)算機(jī)接口、零序互感器、功率計(jì)量、封閉母線、側(cè)出線等多功能組合式變壓器發(fā)展。

(6)多領(lǐng)域發(fā)展：從以配電變壓器為主，向發(fā)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(lǐng)域發(fā)展。

5.2 電力變壓器未來發(fā)展因素

(1)電力變壓器設(shè)計(jì)安裝應(yīng)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(diǎn)繼電器)運(yùn)行尚不夠穩(wěn)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(tǒng)中推廣應(yīng)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(yīng)自然環(huán)境更好地為人們服務(wù)的問題。

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

干式變壓器的未來發(fā)展應(yīng)該是抗震的，除了擁有堅(jiān)實(shí)的底座，還應(yīng)足夠的緩沖橡膠，在地震到來時，能夠?qū)⒌卣鸬哪芰砍浞只狻?/p>

(2)電力變壓器應(yīng)設(shè)置多用途防護(hù)罩

海灣戰(zhàn)爭時，石墨炸彈在“沙漠風(fēng)暴”行動中首次登場。當(dāng)時美國海軍發(fā)射艦載戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈，向伊拉克投擲石墨炸彈，攻擊其供電設(shè)施，使伊拉克全國供電系統(tǒng)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(wǎng)進(jìn)行攻擊，造成南斯拉夫全國70%的地區(qū)斷電，居民生活環(huán)境嚴(yán)重惡化，居民抵抗意志隨之逐漸喪失。

這兩次戰(zhàn)爭給電力變壓器的發(fā)展提出了更高的要求，導(dǎo)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(yīng)設(shè)置多用途防護(hù)罩，多用途防護(hù)罩像電動卷簾門窗一樣 可以自由電動開啟與關(guān)閉。

在緊急情況下，多用途防護(hù)罩可以將電力變壓器完全保護(hù)起來，采用高強(qiáng)度玻璃鋼的防護(hù)罩的多用途防護(hù)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(shè)施的檢修維護(hù)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(hù)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(fā)展趨勢

電力變壓器的未來發(fā)展應(yīng)向小型化，電子化發(fā)展。由于新型電子產(chǎn)品的不斷發(fā)展與應(yīng)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(yùn)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(fā)展，甚至智能化發(fā)展。無論是從電力變壓器生產(chǎn)成本還是維護(hù)成本都將大大降低。

縱觀電力變壓器的發(fā)展歷史、發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)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(fā)展，電力變壓器將面臨諸多考驗(yàn)，只有不斷地發(fā)展與完善，電力變壓器才能更好地為人類電氣發(fā)揮更大的效用。

6 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，電力變壓器的應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，其發(fā)展也必然不斷完善。