SH15-80010-0.4非晶合金变压器设计【含CAD图纸、说明书】
前言非晶合金材料 70 年代问世的一种新型合金材料,它采用国际先进的超急冷技术将液态金属以 /S 冷却速度直接冷却形成厚度 0.02-0.04mm 的固体6-10薄带,得到原子排列组合上具有短程有序,长程无序特点的非晶合金组织,种合金具有许多独特性能特点,如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度、高电阻率等。 目前,非晶超微晶软磁合金材料已制成各种各样磁性器件代替硅钢、铁氧体和坡莫合金等应用于电力工业、电子工业及电力电子技术领域。非晶合金变压器的总拥有成本(TOC)低于 9 型变压器 10%。据有关专家的测算,非晶合金变压器与 9 型变压器的价格比接近 1.3:1 后,价差能够在 5 年内收回,从第 6 年起,可享受非晶变压器的超低损耗所带来的收益。随着非晶变压器生产规模的扩大和电价的上涨,非晶变压器将获得更低的 TOC 值。 非晶合金带材是最上游的关键性材料,也是我国大规模推广非晶合金变压器的最大障碍。日立金属株式会社作为世界上最大的非晶合金材料制造商,拟投资 4200 万美金将非晶生产能力由目前的 22,000 吨提高到 52,000 吨,预计新工厂将于 2007 年年初建成投产,但彼时全球也只能生产出 3,058 万 KVA 非晶合金变压器,折合为 500KVA 的配电变压器约为 6 万台。与我们目前每年约 2.4亿 KVA 配电变压器产量相比无异于杯水车薪。预计到 2010 年,我国 10%配电变压器改用非晶材料,非晶材料需求量将高达 7 万吨。 总体上,铁芯及变压器的生产技术并不是制约我国推广非晶合金变压器的关键性因素,非晶合金带材的突破才能促成质的飞跃。目前,日立金属的非晶合金带材售价高达 2.7 万元/吨,由于下游需求的旺盛,日立金属拟近期将产品价格上调 20%,因此,希望日立金属来推动中国非晶合金变压器产业的发展并不现实。如果我国在非晶合金带材的关键性技术上无法突破,整个非晶合金变压器行业将集体为日立金属打工。 本科生毕业设计(论文)开题报告设计(论文)题目 SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器设计设计(论文)题目来源 自选课题设计(论文)题目类型 工程设计 起止时间 一、设计(论文)依据及研究意义:依据:变压器设计任务书及国家有关标准要求。意义:我国正在推广使用非晶合金变压器,它比现行的 S9,S11 系列变压器空载损耗下降达 75%,空载电流下降达 45%。对节约能源和改善环境污染有着重大意义。通过对 SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器的设计,了解变压器基本原理和产品设计制造的前沿技术,以及变压器发展趋势。掌握 AutoCAD 绘图软件的工程设计,精通该软件的使用及后续开发。二、设计(论文)主要研究的内容、预期目标:(技术方案、路线)1. 了解非晶合金变压器产品设计制造前沿技术以及行业目前发展趋势;2. 学习非晶合金变压器设计方法;3. 对 SH15-800/10-0.4 变压器的结构进行深入分析;4. 使用 AutoCAD 绘制 SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器的铁芯、线圈等 图。三、设计(论文)的研究重点及难点:重点:非晶合金变压器结构特点及设计要点;难点:非晶合金变压器的结构,铁芯直径选取,磁通计算,阻抗计算等。四、设计(论文)研究方法及步骤(进度安排):研究方法:1.查阅相关文献, (变压器设计原理,电力变压器的理论与计算等);2.消化资料,掌握变压器原理和一般设计方法;3.设计一台产品型号为 SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器。进度安排:第一阶段了解变压器发展情况并参阅大量相关资料 12 月3 月初第二阶段对变压器原理学习和研究 3 月初3 月中旬第三阶段一般设计方法的理解与运用 3 月中旬4 月初第四阶段论文撰写及 S15-800/10-0.4 非晶合金变压器设计 4 月初5 月初第五阶段对本电力变压器设计进行修改 5 月初5 月中旬第六阶段绘制相关图样并定稿 5 月中旬6 月初五、进行设计(论文)所需条件:(1)软件方面:主要为 AutoCAD 绘图软件,MS office 等办公软件(2)硬件方面:电脑、打印机等设备(3)资料方面:需要大量有关变压器设计的论文资料及相关专业书籍(4)老师的指导。六、指导教师意见:签名: 年 月 日i摘要:本文介绍了非晶合金材料特性以及非晶合金变压器的发展现状、还描述了变压器一般的设计方法,其中着重讨论了变压器的铁芯设计、绝缘设计、绕组结构设计、绕组尺寸计算、阻抗计算、空载损耗及空载电流计算、负载损耗、温升计算等。并通过查询手册,选取合适参数与本设计进行比较,确定运用文中介绍方法设计完成的 SH15-800/10-0.4 箔式非晶合金变压器,在电气性能、节能效果等各方面性能均符合国家相关规定。文中变压器各部件图形及非晶合金铁心、高低压线圈图形均由 AUTO CAD 绘制完成。关键词:SH15-800/10;非晶合金;变压器设计;电磁计算。iiAbstract:In this paper, the material properties of amorphous alloys, and the development of amorphous alloy transformer status quo, but also describes the general design method of the transformer, which focused on the transformer core design, insulation design, structural design of winding, winding size calculation, the impedance calculation, No-load loss and no-load current calculation, load loss, temperature rise calculation. Manual by inquiries, select the appropriate parameters to compare with the design to determine the use of text designed to introduce the completion of the SH15-800/10-0.4-type amorphous alloy foil transformers, electrical performance, and other energy-saving performance results are in line with the relevant provisions of the country. Text and graphics components transformer amorphous alloy core, high-low voltage coil graphics drawn by the completion of AUTO CAD.Keyword:SH15-800/10 ; Amorphous alloy;Transformer Design;Electromagnetic computing。SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器设计,导师:,提 要,本设计主要介绍了非晶合金材料特点、非晶合金变压器的现状及其发展趋势、变压器设计的一般流程等,并且据此方法对SH15-800/10-0.4非晶合金变压器进行电磁设计,使用AutoCAD绘制了其主要图样(铁心图,高、低线圈图)。,非晶合金材料,钢水以每秒百万度的速度迅速冷却,仅用千分之一秒的时间就将1300的钢水降到200以下,形成非晶带材。 非晶铁心片厚度极薄,仅0.025mm。 非晶的饱和磁密低 ,三相变压器取1.25.35T 。 非晶合金的硬度较大,是取向硅钢片的5倍。 非晶合金铁心成型后必须进行退火处理, 应力敏感。 非晶配变铁心较大,噪声较大。,变压器设计一般流程,非晶合金变压器的特点,1) 非晶铁心为卷铁心,其截面为矩形,所以,一、二次线圈均加工成圆角矩形,可提高导线的利用率。同时提高油箱内的填充率。 2) 非晶铁心的结构可分为叠环式、单环式、气隙分布式、叠片式和搭接式卷铁心五种,最常用的为搭接式。 3)非晶铁心的总体结构为四框五柱式。有两个旁轭可供磁通中的高次谐波或零序分量流通。所以,其绕组的接法为Dyn11,可以减少高次谐波对电网的污染。 4)非晶变压器的噪声比硅钢片铁心变压器高6-8dB。,5)非晶铁心截面积比同容量的硅钢片变压器的铁心大。因为非晶合金的工作磁密比硅钢片低。在截面相同的条件下,矩形的周长比圆形长,因此,非晶合金变压器高低压线圈主空道的周长要比同容量硅钢片铁心变压器长得多。,三相非晶合金铁心结构示意图,SH15-800/10非晶合金变压器技术参数, 额定容量 800KVA 额定电压 高压:10kV5% 低压:0.4kV 无励磁调压 额定频率: 50HZ 相数: 三相 绕组联结组标号 Dyn11, 主要额定性能数据标准值短路阻抗:UK=4.5% 10% 空载损耗:P0=380W +15% 空载电流: %=0.3% +30% 负载损耗:PD= 7500W +10%,铁心,铁心尺寸图,低压绕组,采用箔绕 规格:1.05345 每只线圈分14层,层间带4.5油道,每层间用0.08的绝缘纸两张,首末各加一张。,低压层绝缘放置示意图,高压绕组,多层圆筒式;线型:ZB-0.45 2.365; 每只线圈共11层; 油道在线圈第4第5层间;,高压层绝缘放置示意图,短路特性与空载特性,短路阻抗uk 负载损耗Pk 空载损耗 P0 空载电流I0,设计值与标准值技术参数对比,若算得的阻抗电压不符合要求,则需进行调整。调整方法有以下三种: (1)调整W及et:当电抗值较大时,可增大et。et增大,W必然会减少,从而使电抗值降低。 (2)调整D及H:当电抗值偏大时,可增加H,随之D必然会缩小。调整导线的ab尺寸及调整段数均可达到调整D及H的目的。 (3)调整高低压线圈间距离:在满足绝缘最小距离情况下,增加高低压线圈间的距离,可使电抗值增大或减小。,温升计算,绕组对油的平均温升在设计时,常将绕组对油的温升控制在25K以下。 油对空气的温升油对空气的温升控制在40K以下,油顶层对空气的温升不超过53K。 绕组对空气的平均温升 绕组对空气的温升标准限值为65K,计算时通常控制在63K以下。,均符合要求,非晶合金变压器的发展前景,非晶合金铁芯变压器,其空载损耗仅为常规产品的1/5,且全密封免维护,运行费用极低。 高低压线圈均为矩形的铜绕组,当线圈偶然发生短路时,能适应较大的机械应力破坏,线圈不产生变形; 箱体采用冷轧钢板制成的片状散热器,高低压套管的上方加装防冰雹、防尘、防雨罩,其引线无导体裸露,可用电缆接线,全绝缘保护;变压器热循环油填充硅油,箱体全密封,20年内免维护,且可适应高温场所。 在规定年限内能够收回投资。 非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配变,如10kV级配电变压器年需求量按5000万kVA计算时,那么,一年便可节电100亿kWh以上。还可带来少建电厂的良好的环保效益,少向大气排放温室气体,这样会大大地减轻对环境的直接污染,使其成为新一代名副其实的绿色环保产品,谢谢, 毕 业 设 计(论文) 任 务 书学院:电气工程学院 2005 级电力专业题目:SH15-800/10-0.4 非晶合金变压器设计起止时间: 学 生 姓 名 :专 业 班 级 :学 号 :指 导 老 师 :教研室主任:院 长 :年 12 月 15 日毕业设计(论文)内容及要求1 毕业设计(论文)内容1.1 掌握电力变压器工作原理、结构形式及电力变压器电磁计算方法;1.2 了解变压器类产品设计制造前沿技术以及行业目前发展状况;1.3 掌握 AutoCAD 工程绘图方法;1.4 设计 SH15-800kVA/10-0.4 非晶合金变压器。内容包括:计算单及主要图样(铁心图、线圈图、外形图) ,并分析非晶合金变压器结构特点。主要技术条件见附录。1.5 翻译一篇字数在 5000 字以上的英文资料。2 毕业设计(论文)要求2.1 论文字数在 15000 字以上,包括摘要、关键词、图片、参考资料等内容,符合论文格式要求,摘要和关键词译成英文。2.2 所有图纸要符合国标要求或符合工厂生产习惯用图要求。2.3 所有资料均需装订成册。2.4 毕业设计进度要求:资料查询(08.12.15-09.1.16) 、资料消化(第 2 学期第 1-6 周) 、开题报告(第 6 周) 、论文撰写及产品设计(第 7-10 周) 、毕业设计文件及论文修改(第 12 周) 、答辩资料准备(第 13 周) 、答辩(第 14 周) 。第 12 周周末前将设计文件及论文初稿交指导老师审阅,过期不交推迟答辩。附 A:非晶合金变压器 30/101600/10 技术条件非晶合金 30/101600/10 变压器技术条件301600/10 变压器技术参数电压组合VoltageCombination损耗 Loss(W)容量Power(kVA) 高压 H.V(kV)低压L.V(kV)联接组标号ConnectionSymbol 空载No-load负载Load阻抗电压(%)空载电流(%)30 33 600 2.150 43 870 2.063 50 1040 1.980 60 1250 1.8100 75 1500 1.6125 85 1800 1.5160 100 2200 1.4200 120 2600 1.3250 140 3050 1.2315 170 3650 1.1400 200 4300 1.0500 240 51504.01.0630 320 6200 0.9800 380 7500 0.81000 450 10300 0.71250 530 12000 0.61600105% 0.4 Y,yn0630 145004.50.6其它技术条件符合 GB1094-1999电力变压器及 GB6451-2008三相油浸电力变压器技术参数的要求附 B:主要参考资料1 沈阳变压器研究所.变压器,1983-2008 年各期2 路长柏等.电力变压器计算.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,19903 谢毓城.电力变压器手册.北京:机械工业出版社,20034 变压器手册编写组.电力变压器手册,沈阳:辽宁科学技术出版社,19975 尹克宁.变压器设计原理,中国电力出版社,2003.106 沈阳变压器有限公司.变压器设计手册,内部资料,20037 中国变压器行业信息网 http:/www.ctn.net.cn/ (用户名:ahy77 密码:ay5br77)8 GB1094-1999 GB6451-20089 学校数字图书馆查找相关论文.第 1 页 共 64 页摘 要本文介绍了非晶合金材料特性以及非晶合金变压器的发展现状、还描述了变压器一般的设计方法,其中着重讨论了变压器的铁芯设计、绝缘设计、绕组结构设计、绕组尺寸计算、阻抗计算、空载损耗及空载电流计算、负载损耗、温升计算等。并通过查询手册,选取合适参数与本设计进行比较,确定运用文中介绍方法设计完成的 SH15-800/10-0.4 箔式非晶合金变压器,在电气性能、节能效果等各方面性能均符合国家相关规定。文中变压器各部件图形及非晶合金铁心、高低压线圈图形均由 AUTO CAD 绘制完成。关键词:SH15-800/10;非晶合金;变压器设计;电磁计算。第 2 页 共 64 页AbstractIn this paper, the material properties of amorphous alloys, and the development of amorphous alloy transformer status quo, but also describes the general design method of the transformer, which focused on the transformer core design, insulation design, structural design of winding, winding size calculation, the impedance calculation, No-load loss and no-load current calculation, load loss, temperature rise calculation. Manual by inquiries, select the appropriate parameters to compare with the design to determine the use of text designed to introduce the completion of the SH15-800/10-0.4-type amorphous alloy foil transformers, electrical performance, and other energy-saving performance results are in line with the relevant provisions of the country. Text and graphics components transformer amorphous alloy core, high-low voltage coil graphics drawn by the completion of AUTO CAD.Keyword:SH15-800/10 ; Amorphous alloy;Transformer Design;Electromagnetic computing。第 3 页 共 64 页目 录摘 要 .1ABSTRACT.2目 录 .31 非晶合金变压器综述 .71.1 非晶合金材料 .71.2 非晶合金的主要特点 .71.3 非晶合金变压器的发展前景 .112 变压器的电磁计算 .132.1 变压器电磁计算的一般程序 .132.2 变压器技术参数的确定 .142.3 电压和电流的计算 .162.3.1 单相变压器 .162.3.2 三相变压器 .162.4 铁心直径的确定 .172.4.1 影响铁心直径选择的主要因素 .172.4.2 选择铁心直径的实用方法 .182.5 高、低压绕组匝数的计算 .192.5.1 初算每匝电压 .202.5.2 低压绕组匝数计算 .212.5.3 磁通密度的计算 .212.5.4 高压(中压)绕组匝数的计算 .212.5.5 电压比校核 .222.6 绝缘设计基础 .232.6.1 变压器绝缘的分类及对绝缘设计的要求 232.6.2 变压器运行时各部分所承受电压 .242.6.3 变压器的绝缘结构 242.7 变压器的铁心与空载参数的计算 .272.7.1 铁心的功能 272.7.2 空载损耗的计算 282.7.3 空载电流的计算 282.8 变压器的绕组及负载损耗计算 .292.8.1 变压器绕组的结构型式和特点 292.8.2 绕组的要求 302.8.3 绕组的型式 302.8.4 导线和电流密度的选择 332.8.5 绕组轴向、辐向尺寸及绝缘半径计算 342.8.6 短路损耗计算 36第 4 页 共 64 页2.9 阻抗电压计算 .372.9.1 基本计算公式 382.9.2 电抗高度计算 392.9.3 漏磁面积D 的计算 .392.9.4 调整方法 402.10 变压器的温升及油箱尺寸计算 .402.10.1 温升计算 402.10.2 绕组对油的平均温升 .432.11 变压器总重 43ZG3 非晶合金变压器的设计 .443.1 非晶合金变压器基本参数的确定 .443.1.1 磁通密度的取值 .443.1.2 工艺系数的确定 .443.1.3 联结组别 .443.1.4 噪声 .443.1.5 铁心受力 .453.2 非晶合金变压器的电磁计算 .453.2.1 铁心计算 .453.2.2 线圈计算 464 SH15-800/10-0.4 箔式非晶合金变压器电磁计算 484.1 技术参数和标准 .484.2 电压、电流计算 .484.2.1 高压侧线电压: .484.2.2 高、低压侧相电压压分别为 484.2.3 高压相电流 494.2.4 低压侧相电流 494.3 铁心(迭厚)计算 .494.4 绕组计算 .504.4.1 每匝电压: 504.4.2 高低压绕组匝数确定 504.4.3 验算电压误差 504.4.4 绕组尺寸计算 504.5 绝缘半径计算 - 2 -4.6 负载损耗 .474.6.1 高压绕组 474.6.2 低压绕组 484.6.3 负载损耗 ( 取 1.05) 48dPpK4.7 阻抗电压计算 .484.8 铁重 .494.9 空载损耗计算 .494.10 油箱及线圈温升计算 .50第 5 页 共 64 页4.10.1 油箱尺寸及散热计算 504.10.2 高压绕组对油平均温升 .514.10.3 低压绕组对油平均温升 .524.11 重量计算 .52结束语 .54参考文献 .55谢 辞 .57第 6 页 共 64 页1 非晶合金变压器综述1.1 非晶合金材料在日常生活中人们接触的材料一般有两种:一种是晶态材料,另一种是非晶态材料。所谓晶态材料,是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之,内部原子排列处于无规则状态,则为非晶态材料, 一般的金属,其内部原子排列有序,都属于晶态材料。科学家发现,金属在熔化后,内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却,原子就会随着温度的下降,而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来,形成晶体。如果冷却过程很快,原子还来不及重新排列就被凝固住了,由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却,仅用千分之一秒的时间就将 1300的钢水降到 200以下,形成非晶带材。非晶态合金与晶态合金相比,在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例,它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电力、能源、电子、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。例如,用于航空航天领域,可以减轻电源、设备重量,增加有效载荷。用于民用电力、电子设备,可大大缩小电源体积,提高效率,增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字网 ISDN 中的变压器。非晶合金神奇的功效,具有广阔的市场前景。1.2 非晶合金的主要特点(1)非晶合金铁心1)非晶合金铁心片厚度极薄,仅 0.025mm,不到常用硅钢片的 1/10;叠片系数较低,只有 0.86;带材有 142、170、213mm3 种宽度。2)非晶合金的饱和磁通密度较低,单相变压器一般取 1.31.4T,三相变压器一般取 1.251.35T,因此,产品设计受到材料的限制。第 7 页 共 64 页3)非晶合金的硬度较大,是取向硅钢片的 5 倍,因此,加工剪切很困难,对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面,心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成,故铁心截面呈长方形,相应的高、低压绕组均为矩形。4)非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力,为了获得良好的损耗特性,非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。其退火工艺比较复杂,要求较高。5)非晶合金铁心材料退火之后的脆性(易产生碎屑)也是设计制造时需关注的问题,需要采取一定的工艺措施。6)非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感,无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能,所以,铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。7)单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形,如图 1.1 所示;三相变压器的结构则由 4 个“框”合并成类似的三相五柱式结构,如图 1.2 所示;容量较大时,则采用 8 个铁心框叠放在一起的结构 。图 1.1 单相非晶合金铁心结构示意图图 1.2 三相非晶合金铁心结构示意图第 8 页 共 64 页(2)非晶合金铁心变压器运行后的空载损耗非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片,因此非晶合金铁心配电变压器的空载损耗只有 S11 型配电变压器空载损耗的 40,甚至更少。但也有人认为,运行后的非晶合金铁心变压器的空载损耗会呈增加趋势。此问题早在开发非晶合金变压器期间已经有所考虑。1982 年,第一台非晶合金铁心变压器在美国挂网运行;1983 年,美国电力研究院(EPRI) 、GE 公司及纽约州电力公司曾考虑到了这一问题,并于 1985 年,将已制成的台、柱上变压器送到个成员单位进行为期年的现场试验。现场试验的测试数据表明,运行 2 年后其空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近。日本东京电力公司、Takao 电气公司和日立电气公司对非晶合金变压器的长期可靠性做了深入细致地研究。他们从 1991 年起对不同容量的 200 台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验,还进行了负荷和振动对变压器空载特性的影响测试。研究结果表明,在 30 年寿命期内,其空载特性是稳定的,运行是可靠的。我国对此问题亦有研究。1995 年,作为非晶合金配电变压器试运行单位的甘肃省天水市北道区电力局,根据冶金部、电力部关于攻关试验项目试验测试的规定要求,对 10 台挂网运行 2 个月的非晶合金变压器进行了测试,测试结果与运行前的测试值是相一致的。铁心材料被制作成形铁心后已经过了约 400高温的退火处理,这对于正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的了,所以不必担心材质会在 30 年寿命期内因温度而发生变化。因此,非晶合金变压器不存在空载损耗在运行中会有所增加的可能。(3)非晶合金变压器噪声研究表明,铁心片的磁滞伸缩现象是产生变压器噪声的主要原因,这与铁心的尺寸和磁通密度有关系。在 10%同一磁通密度下的磁滞伸缩程度,非晶合金的这一指标比传统晶粒取向冷轧硅钢片高。但是,冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高,约为 2.03T,而非晶合金的饱和磁通密度较低,约为 1.5T。因为非晶合金铁心变压器的额定工作磁通密度(1.251.35T)要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度(1.631.73T)低得多,因而二者的实际磁滞伸缩是接近第 9 页 共 64 页的。但是,非晶合金铁心变压器与同规格传统铁心变压器相比,其铁心质量大40%左右,有效截面积大 50以上,这在一定程度上会使变压器噪声增大。另外,铁心自身结构和制造工艺对噪声也有一定的影响。非晶合金铁心表面涂覆有环氧树脂,如果树脂涂覆不好或由于树脂质量差或调配比例不当而引起树脂脱落,或者接缝叠装不整齐等都会增加变压器噪声。因此在产品设计中有必要对铁心和器身采取接缝涂漆、加消音垫等减振措施。所以,非晶合金铁心变压器的声级很难控制。在行业标准 JB/T1008820046500kV 级电力变压器声级中也指出:“本标准规定的声级限值不适用于非晶合金铁心变压器,非晶合金铁心变压器的声级限值由制造单位与用户协商确定。 ”然而其噪声并不是不可以控制的,在现有技术条件下,若在非晶合金变压器设计、工艺、制造、使用过程中多加注意,精心控制,则非晶合金铁心变压器也可达到传统铁心变压器的声级水平。但对于噪声要求较严格的场所,建议慎重考虑。(4)联结组由于三相非晶合金配电变压器采用三相四框五柱式铁心结构,每个相绕组套在磁路独立、相邻的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外,还有三次谐波磁通,三次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。一个绕组的两个铁心框内的三次谐波磁通在相位上正好相反,数值上相等,因此每一组绕组内的 3 次谐波的磁通相量和为零。当变压器高压绕组采用D 联结时,三次谐波电流在高压绕组三角形内构成回路,在感应出的二次侧电压波形上就不会有三次谐波电压分量。当然,每个框内的空载损耗还是会受到各自框内二次谐波磁通的影响,因而其联结组一般采用 Dyn 联结。用户在选用产品时应注意这一点。(5)抗短路能力上文已介绍非晶合金铁心的损耗会随着压力的增大而迅速上升。一旦变压器发生短路,所产生的冲击性电动力如果直接作用于非晶合金铁心,铁心是无法承受的。因此,在器身结构上,不能采用将铁心作为主承重结构件的传统设计方案,低压绕组应自保持,一般将低压绕组绕在硬筒上,将高压绕组直接套绕在低压绕组上,装配时将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上并压紧固定,这样第 10 页 共 64 页可使铁心不受压力,减少了变压器短路时径向的内缩或外扩,从而有效地确保了变压器的抗短路能力。这种结构已通过实际短路承受能力试验证明。(6)产品的技术经济性非晶合金变压器的节能效果已经得到广泛的认可,其技术经济性方面的论证已见诸报道。在目前市场状况下,通过对 SH15 型三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与 S11 型三相油浸式配电变压器经济性的分析比较,就投资回收期而言,非晶合金铁心配电变压器在四年多时间里节约的电费就可以补回投资差额,之后用户便可长期受益。1.3 非晶合金变压器的发展前景推广应用非晶合金铁心变压器不仅有良好的节能效益,而且还有环保效益。节能相当于减少发电量或少建火力发电厂,从而减少了发电厂排放的 CO2、SO2 和氮氧化物等。非晶合金铁心配电变压器在国外早已使用并取得了成功经验。美国有 100多万台非晶合金铁心配电变压器挂网运行;日本已有 35 万台在运行,目前世界上最大的 5000kVA 的非晶合金变压器也在运行;欧盟国家也有应用;亚洲的印度、孟加拉国、韩国、泰国等国家都有非晶合金变压器制造厂。我国从二十世纪九十年代初开始生产和应用非晶合金变压器,但发展较为缓慢,推广的效果不很理想。三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与 S11 型三相油浸式配电变压器相比,其有效材料消耗较大,制造耗费工时较多,因而成本较高。按目前材料价格计,前者的价格约为后者的 1.3 倍。这一价格与前些年相比,供需双方还是可以接受的,这就有利于大范围推广应用。另外,采购变压器不能只看价格,应对总费用(TOC)进行评估,看其在寿命期内的总成本是否最低。这也是国际上通用的方法。2005 年 6 月,国家电网公司农电工作部在组织讨论非晶合金变压器标准时,已将此方法作为该标准的附录。目前,除油浸式非晶合金铁心配电变压器外,根据市场和用户需要,又推出了多种非晶合金铁心变压器类产品:非晶合金铁心干式变压器、非晶合金铁心地下式变压器、高燃点油非晶合金铁心变压器、非晶合金铁心组合式变压器第 11 页 共 64 页(即美式箱变) 、预装式非晶合金变电站(即欧式箱变)等等,其应用范围越来越广。比 如 , 三 相 非 晶 合 金 铁 心 配 电 变 压 器 与 新 S9 型 配 电 变 压 器 相 比 , 其 年节 约 电 能 量 是 相 当 可 观 的 。 以 800kVA 为 例 , P0 为 1.05kW; 两 种 型 式 配 电变 压 器 的 负 载 损 耗 值 是 一 样 的 , 则 Pk=0, , 便 可 计 算 出 一 台 产 品 每 年 可减 少 的 电 能 损 耗 为 : Ws=8760(1.05+0.620)=9198kWh通 过 该 种 规 格 产 品 的 计 算 可 知 , 三 相 非 晶 合 金 铁 心 配 电 变 压 器 系 列 产 品的 节 能 效 果 非 同 一 般 。 由 于 油 箱 又 设 计 成 全 密 封 式 结 构 , 使 变 压 器 内 的 油 与外 界 空 气 不 接 触 , 防 止 了 油 的 氧 化 , 延 长 了 产 品 的 使 用 寿 命 , 为 用 户 节 约 了维 护 费 用 。综 上 所 述 , 非 晶 合 金 变 压 器 若 能 完 全 替 代 新 S9 系 列 配 变 , 如 10kV 级 配电 变 压 器 年 需 求 量 按 5000 万 kVA 计 算 时 , 那 么 , 一 年 便 可 节 电 100 亿 kWh以 上 。 同 时 , 还 可 带 来 少 建 电 厂 的 良 好 的 环 保 效 益 , 少 向 大 气 排 放 温 室 气 体 ,这 样 会 大 大 地 减 轻 对 环 境 的 直 接 污 染 , 使 其 成 为 新 一 代 名 副 其 实 的 绿 色 环 保产 品 。 总 之 , 国 家 在 城 乡 电 力 网 系 统 发 展 与 改 造 中 , 若 能 大 量 推 广 采 用 三 相非 晶 铁 心 配 电 变 压 器 产 品 , 其 最 终 会 获 得 节 能 与 环 保 两 方 面 的 效 益 。第 12 页 共 64 页2 变压器的电磁计算2.1 变压器电磁计算的一般程序变压器电磁计算的一般程序如图 2.1 所示图 2.1 变压器电磁计算的一般流程不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不 不 不 不 不不 不 不 不不不不不不不不不 不 不不 不 不不 不 不 不 不 不不 不 不 不 不不 不 不 不 不 不第 13 页 共 64 页2.2 变压器技术参数的确定确定技术参数实际上就是确定变压器设计的原始条件。在变压器设计计算之前所需要确定的技术参数主要由国家标准及有关标准以及用户订货时所提出的要求来决定。对于电力变压器而言,设计计算中主要涉及的国家标准有电力变压器 (即 GB1094)干式变压器(GB6450)与 JB_T10318-2002 油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求等。其主要项目如下:额定容量、电压组合、联结组标号及性能参数应符合表 2.1 的规定:电压组合及分接范围额定容量KVA高压KV高压分接范围%低压KV联结组标号空载损耗W负载损耗W空载电流%短路阻抗%30 33 600 1.750 43 870 1.363 50 1040 1.280 60 1250 1.1100 75 1500 1.0125 85 1800 0.9160 100 2200 0.7200 120 2600 0.7250 140 3050 0.7315 170 3650 0.5400 200 4300 0.5500 240 5150 0.54.0630 320 6200 0.3800 380 7500 0.31000 450 10300 0.31250 530 12000 0.21600 630 14500 0.24.52000 750 17400 0.2250066.31010.511522.5 0.4 Dyn11900 20200 0.25注:当铁心为三相三柱时,根据需要也可采用 Yyn0 联结组。其主要项目如下:(1)额定容量:一般应按 GB1094 中所规定的容量等级,特别注意所推荐优先采用的容量等级。(2)额定电压:应按 GB1094 及有关国家标准及 IEC 标准的规定,尤其是表 2.1 三相油浸式非晶合金变压器性能参数参第 14 页 共 64 页出口产品应考虑用户订货的要求。(3)有载调压及无励磁调压范围和级数(4)额定频率:一般为 50Hz,个别出口产品可能为 60Hz.(5)相数:单相或三相(个别特种变压器除外)(6)绕组联结组标号:按国家标准的规定和用户定货要求来决定。(7)额定性能数据(空载损耗、负载损耗、空载电流、短路阻抗等)(8)额定使用条件:对我国应按国家标准的规定如下:环境温度:最高气温 +40 0C最高日平均气温 +30最高年平均气温 +20 0最低气温(适用于户外式变压器) -25 0C最低气温(适用于户内式变压器) -5海拔高度:变压器安装地点的海拔高度不应超过 1000m,当超过时应按降低绝缘处理,对温升标准也另做考虑。冷却水温度:强油循环水冷式变压器规定冷却器入口处水温为 300C(9)冷却方式:按国家标准的规定。(10)温升限制(11)绝缘水平 全绝缘:中性点绝缘水平与线路绝缘水平一致。分级绝缘:中性点绝缘水平比线路绝缘水平低,一般用于中性点有效接地系统。降低绝缘:产品的绝缘水平一般比正常产品要低,适用与不直接和架空线路连接的产品。(12)噪音水平:由相应的行业标准所决定。(13)其他特殊参数:如零序电抗值、安装尺寸要求、运行环境要求、运输重量限制等,均有用户与制造厂协商来决定。第 15 页 共 64 页2.3 电压和电流的计算在确定了变压器的技术参数后,在正式的电磁计算开始之前,首先进行电压和电流的计算.这项计算同样也是电磁计算的重要原始条件之一。由于变压器种类繁多,本设计先针对一般单相变压器和三相变压器的电压和电流计算的原则和方法进行介绍。2.3.1 单相变压器(1)当两个芯柱上的绕组相互串联时每柱电压: , V2U每柱电流(总电流): , API式中 额定电压,VI 额定容量,A(2)当两个芯柱上的绕组相互并联时每柱电压: ,VU总电流: ,API每柱电流: ,A22.3.2 三相变压器由于三相变压器有 Y 接法(或 YN 接法)与 D 型接法两种类型,因此在计算电压、电流时,必须线值有相值的关系,下面分别介绍这两种情况。(1) Y(YN)接法,如图 2.2。这种接法多用于高压绕组,又可分为短部出线与中部出线两种情况,当采用 Y 接法时,具有以下关系电压: ,kV3U电流: ,kVAPI3图 2.2 Y(YN)接法第 16 页 共 64 页式中 、 每相的额定电压、额定电流值。UI当采用中部出线时,每相电流为额定相电流的一半。(2) D(三角形)接法这种接法多用于中、低压绕组,如图 2.3。其特点为相电压等于线电压,但相电流为线电流的 ,即31电压: ,kVU电流: , kA 3I另外对于有分接头的变压器,还应分别计算在不同分接头下的电流和电压。宗上所述可知,根据已知的额定容量、额定电压(包括各分接电压) 、变压器绕组的接法以及相数等,按照上述各有关公式,即可计算出所需的线、相电流值以及各分接下的电压。2.4 铁心直径的确定铁心柱直径是变压器的最基本的参数,因为铁心柱的大小一旦确定,也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数,从而影响到整个变压器的尺寸和各主要参数。它的正确选定还涉及到变压器材料的铜铁比,是影响优化设计的重要因素。所以确定铁心柱直径往往是变压器设计的第一步。2.4.1 影响铁心直径选择的主要因素首先,由变压器原理分析可知,在保持铁心磁密一定的条件下,铁心直径的增大将使得绕组匝数减少,换句话说,铁心材料消耗的增加将使得导线材料的消耗减少并使得短路阻抗、负载损耗降低;如果减少铁心直径,则会得出相反结论。其次,如保持绕组匝数不变,增大铁心直径将使得磁密降低,而空载电流、空载损耗均将相应下降,但铁心材料消耗将增加;反之,如减少铁心直径则有可能引起铁心过饱和以致使空载电流和空载损耗均大为增加。对于电力变压器来说,短路阻抗是一个重要的性能参数,在设计时要求严格地控制在一图 2.3 D(三角形)接法第 17 页 共 64 页定范围内。短路阻抗的电抗分量 ,可以认%106.496ktkHeDKWIfu为 所以,当增加铁心直径从而使绕组匝数 W 减少时,若要维持短kHDW2ku路阻抗为一定值,则需要使绕组电抗高度减少,并使纵向漏磁等效面积增大,即增加辐向尺寸而减少绕组高度,以使绕组和整个变压器的尺寸向宽而低的方向发展。相反,如减少铁心直径而使绕组匝数增加时,为保持短路阻抗不变,则整个变压器的尺寸将向窄而高的方向发展。综上所述可知:铁心的选取首先将关系到整个变压器设计的成本。这主要应视其铜铁比的最优化来选择。其次,铁心直径的变化还将影响到变压器的各技术参数(如空载电流、空栽损耗、负载损耗、短路阻抗等)的改变,而在设计时这些参数值的变化均应符合相应的国家标准的规定。第三,铁心直径的选取还影响到整个变压器的尺寸、形状等。最后,铁心直径的选取还要考虑到系列化、通用化的要求。2.4.2 选择铁心直径的实用方法2.4.2.1 基本公式如上所述,铁心直径的选择是个复杂的技术经济问题。我国目前的设计是一般在综合考虑容量、短路阻抗、损耗值等因素之后,采用下列半经验公式来计算铁心直径,即 mm4SKD式中 KD铁心直径经验系数,它的值与铜铁材料消耗比,合理的变压器尺寸以及系列设计等因素有关,它的值可参见表 2.2。变压器的每柱容量 kVAS表 2.2 铁心直径的经验系数 KD值变 压 器 类 三 相 三 绕 组 三 相 双 绕 组 单 相 双 绕 组 单 相 三 绕 组 自 耦 变 压 器铝 绕 组 54-54 48-52 50-54 48-52 48-52铜 绕 组 53-57 51-55 53-57 51-55 51-55第 18 页 共 64 页从表可知,K D 与结构有关,在一般情况下,就 KD来讲,具有铜线大于铝线,双绕组大于三绕组的特点。据我国其他的中小型变压器的统一设计,对双绕组铝线一般取 KD=52 ;对于双绕组铜线取。在我国大中型变压器设计中,对双绕组铜线变压器取常数 KD=5556 ,对三绕组变压器及自耦变压器取常数KD=5358 。但随着技术的进步,K D的取值也在不断变化。设计时应根据产品的发展、材料的价格以及各厂的具体条件来选择最优的 KD 值。2.4.2.2 非晶合金变压器叠厚的选择方法由于非晶合金采用矩形铁心,系数与普通变压器的有点不同,目前还没有比较好的方法来确定,设计人员一般都是凭经验确定,在这里介绍一种方法,具体介绍如以下公式。(1) 3PKAz式中 K 取 32P为额定容量非晶合金铁心有效截面zA(2)按近似正方形计算矩形铁心片宽 DdzKD10cm2zAKd0.85Dcm当前 D 有 146,174,217 三种,计算结果取与之相近的一个。(3)计算叠厚 CAz85.022.5 高、低压绕组匝数的计算通常在选好铁心直径(计算值应靠标准铁心直径)后,首先计算没有分接第 19 页 共 64 页的线圈(如低压线圈)匝数,然后计算高压或中压线圈匝数。2.5.1 初算每匝电压从变压器原理的公式可知 VABfWUzm,41104.故 匝, /.41fezt 通常把 et称为每匝电压,它是变压器设计的基本参数之一。取 f=50Hz 时,则有,V/匝45zmtAB式中 每匝电压,V/匝;te铁芯柱的磁密,T。m从上式可以看出,当铁芯截面一旦确定后, 的选择就决定了每匝电势mBet大小,所以在设计当中 的选择是一项比较关键且复杂的问题,因为它涉及mB到了铁芯材料的特性、材料的用量、运行损耗和发热、电势波形、噪声等。当磁密取得较大时,可以节省铁芯材料,但磁密取得愈大,则愈接近饱和点,将是激磁电流与铁芯损耗大大增加,从而使运行损耗增加,铁芯发热增加。当然,磁密的选择还与硅钢片材质的饱和特性密切相关,对我国目前最常采用的冷轧硅钢片而言,一般饱和磁密为 1.9-2.0 T。而磁密的选择还要考虑到运行的特点。比如对有分接电压的,应考虑在+5%电压运行时,电压波形仍为正弦波,此时,更要可靠防止变压器运行在饱和阶段。在 GB1094.1 中曾明确规定:“当电压最大值不超过响应分接电压+5%时,变压器在该分解的容量下可连续运行” 。即是说,变压器能在+5%的额定电压下运行还能输出额定电流。综合以上原因,目前设计中的 的选取范围是 1.65-1.75T。对中小型变mB压器,一般为 1.65-1.70T;对大型变压器,一般为 1.7-1.75T。非晶合金材料的饱和磁密较低,一般设计取值 1.25-1.35T。第 20 页 共 64 页2.5.2 低压绕组匝数计算由于低压绕组没有分接,一般根据低压侧相电压来初算的每匝电压 ,te初选磁密 ,计算出每匝电压mBte,V/匝45ztAe根据低压侧电压和初算的每匝电压 ,可初算出低压绕组匝数 ,即teDW, 匝2tNDeUW将计算出的 取整后得到低压绕组的匝数 ,根据 再重新算得每匝 DD电压 ,即实际的每匝电压为:te匝, /2VWUDNt在实际的每匝电压必须计算到小数点后三位有效数字。2.5.3 磁通密度的计算当正式的每匝电压确定后,便可以确定出正式的磁通密度。即:= , T ztAeB45zt2104铁心有效截面z2.5.4 高压(中压)绕组匝数的计算高压或者中压绕组,往往带有分接抽头,比如5%,还有22.5%等,所以要对各分接位置的匝数分别结算,其计算步骤如下:(1) 先算出额定相电压及各分接位置时的相电压;(2) 按下式求出高压(或中压)绕组最小分接位置时的匝数 ,即nW= / (取整数匝 )nWUtenW第 21 页 共 64 页各分接的匝数(取整数匝 )txgGeUW 1GW根据 分别减去 ,即可分别求出其他各分接相相对应的匝数。1从最大分接处的匝数 起,一级一级的减去分接间匝数 后,就可得1G GW到高压(中压)绕组各个分接处的匝数。对于一般只带5%分接抽头的变压器,可直接按下式进行计算:-5%抽头处绕组匝数 ;, 匝212GGW额定抽头处绕组匝数 ;, 匝+5%抽头处绕组匝数 , 匝。1G2.5.5 电压比校核众所周知,根据变压器并联运行的要求, 并联运行的变压器之间的变比偏差要求是及严的。为此,在设计时对计算出的高低压绕组匝数必须进行较严格的电压比较核。通常,电压比较核可按下列程序进行:(1)额定分接时电压比的校核,即 %25.0xgU式中 相电压(标准值)xgU计算的相电压。按照国家标准电力变压器GB1904.1-85 的规定电压比的数值比上式大,式中 0.25%之值是考虑制造和试验的偏差,在设计计算中应保留的裕度。(2)最大及最小分接下的电压比较核: 最大分接: %25.0mU 最小分接:第 22 页 共 64 页%25.0nU式中 , 规定的最大,最小分接下的电压;mn, 计算的最大,最小分接下的电压。另外,在进行各分接下的电压比校核时,应计算到小数点后的三位数字。2.6 绝缘设计基础2.6.1 变压器绝缘的分类及对绝缘设计的要求变压器按绝缘介质的不同,通常可分为:油浸式变压器(包括不燃油变压器) ,干式变压器以及气体绝缘变压器(主要是 SF6 气体)这三大类。无论哪种类型的变压器,其绝缘结构都是十分重要的,它既影响到运行的可靠性,也是决定产品成本及其技术先进性等主要因素。对绝缘设计的基本要求有下列三个方面:(1)电性能的要求变压器在长期运行时,既要承受长期最大工作电压的作用,更要耐受各种可能发生的过电压,而后者对变压器来说更加严峻,它往往是决定变压器绝缘水平的主要依据。变压器的电性能,主要依据各种试验电压来保证。(2)机械性能的要求当电流流过变压器绕组时,在漏磁场与电流的共同作用下,在绕组导体内将产生电动力,尤其是在突然短路时,将遭受巨大的短路电流的作用,这时电动力达到很大数值。在设计是选用绝缘材料和整个的绝缘结构在电动力作用下有足够的动稳定性和机械强度。另外,变压器的使用寿命也与其机械强度有关。(3)热性能的要求变压器在运行过程中将因各部分的损耗而发热,并直到稳定的稳升值。高温将加速绝缘材料的老化从而缩短其使用寿命。通常,根据变压器所使用绝缘材料的绝缘等级不同,都规定有相应的额定温升值与最高容许发热温度值。在运行过程中,一旦发热温度超过最高容许值后,变压器的寿命将锐减。第 23 页 共 64 页2.6.2 变压器运行时各部分所承受电压(1)正常工作时的最高电压这是指变压器在长期正常运行时所可能承受的最高电压,用 Um 来表示。也是过电压倍数的基准值,通常 Um=(1.051.15)U N(U N 为额定电压) 。(2)雷电冲击过电压雷击是一种频发的自然现象,而雷电所引起的冲击过电压则具有陡度大、幅值高的特点,它对高电压电气设备的绝缘将产生极大的危害。通常,雷电冲击波有全波与截波之分,我国目前采用的标准全波为 1.2/5s,即波头时间为1.2s,波尾时间为 50s。雷电冲击过电压又称为大气过电压或外部过电压。(3)工频过电压工频过电压也是运行中常见的。它的特点为过电压波的频率为工业用频率(我国为 50Hz) ,其幅值一般不高,但持续时间较长,具体而言,主要有下列几种:单相接地过电压;甩负荷过电压;长线的电容效应所引起的工频电压升高。应当指出,工频过电压主要是主要影响避雷器灭弧电压的选择,从而影响到绝缘的配合和试验电压的确定。(4)内部过电压它的产生是由于设备投切或系统参数的谐振等引起的,它又可分为:谐振过电压:是由于系统和线路的电容电感参数配合所引起的电路谐振(包括参数谐振和铁磁谐振等)所致的过电压。操作过电压:操作过电压是发生在变压器投切、空载线路投切时的过电压,过电压持续时间为几百微秒到几十毫秒,其波头时间较长。 变压器的试验电压值的确定既考虑了上述运行中可能作用于变压器上的各种过电压,又考虑了过电压保护装置作用的结果,这就是所谓的绝缘配合。考核变压器的绝缘水平,变压器的试验可分为:全波冲击试验电压;截波冲击试验电压;操作冲击试验电压;1min 工频试验电压;感应耐压试验电压;局部放电试验电压等。第 24 页 共 64 页2.6.3 变压器的绝缘结构变压器的绝缘分为主绝缘及纵绝缘两大部分。不同类型的变压器,其主、纵绝缘均有一定的绝缘规范要求。这里仅介绍油浸式变压器的绝缘结构。(1)变压器的主绝缘设计主绝缘系指绕组有电连接的电容屏蔽、引线和分接开关对箱体的绝缘,即绕组对铁心接地部位、箱体以及在电气上与它没有联系的相邻绕组的绝缘。主绝缘设计主要任务,在于正确选择各部位的绝缘尺寸和材料,以确保这些部位的绝缘在工频 1min 试验电压和冲击试验电压下不发生击穿,在长期最大工作电压下不发生有害的局部放电。熟悉其绝缘结构、各组件附件之间绝缘距离及绝缘包垫层数和绝缘材料如何选用,是设计中应该注意的问题。其中变压器绕组是变压器的心脏,是变压器传输、变换电能的核心,是构成变压器输入、输出电能的电气回路,是变压器主要部分。变压器绕组绝缘的好坏和可靠程度是决定变压器能否长期、安全运行的基本保障,对于各类高压变压器,绕组绝缘显然更为重要。高低压绝缘尺寸如表 2.3、表 2.4 所示,主绝缘结构如图 2.4 所示。电压等级(KV)绕组形式 5 C 2 B2高压电压级次(KV)1.0 15 100.4 055 353、6 92.520 103、6、10圆筒式10 55 3535 100.4、3、6 103.555 353、6、10饼式窗高600,(铁心柱不绑扎) 5=3.5窗高600,(铁心柱不绑扎) 5= 510 3.5 55 35表 2.3 低压绕组对铁轭的主绝缘尺寸第 25 页 共 64 页电压等级(kV)绕组形式A 1 A1 A2 B1 3 E 4 备注9 2.5 5 20 2 8 03、6、10 70 2 高压漆包线35圆筒式27 4 865 220 0高压纸包线3、6、1016 3.5 6 6.5 1600kVA17 4 6 735 0 17 220006300kVA35饼式27 4 9 65 2 27 3(2)变压器的纵绝缘设计纵绝缘是指绕组具有不同电位的不同点和不同部位之间的绝缘。变压器的纵绝缘包括匝间绝缘、层间绝缘以及段间绝缘这三个部分。纵绝缘设计时要考虑的是:作用在纵绝缘上的各种电压及梯度分布;绕组制造中的工艺裕度;特殊情况下饶组间的相互影响;纵绝缘对主绝缘的影响,段间油隙大小对散热的影响等。选择标准如表 2.5、2.6 所示。表 2.4 高压绕组主绝缘尺寸图 2.4 35KV 及以下变压器主绝缘结构1-绝缘筒;2-对铁轭的绝缘纸板;3-相间隔板第 26 页 共 64 页高压侧电压 10kV 35kV绕组型式 半连续式 连续式 半连续式 连续式首末段油道1、3、5、7 为 2.5mm 纸圈2、4、6、8 为 6mm 油道6 个 6mm 油道正常油道1.5mm 纸圈与4mm 油道交错排列全部4mm 油道1.5mm 纸圈与 4.5(5)mm 油道交错放置4.5(5)mm 油道中断点油道12mm(反联结中性点调压)910mm(中部调压)内垫纸条 首末端各有 2 段内垫 56mm首末端匝数首末端各有 4 段匝数约为正常段匝的 70%左右2.7 变压器的铁心与空载参数的计算2.7.1 铁心的功能铁心具有两个方面的功能:层间最大工作电压/V5005018008011200120116001601200020012300230128002801330033014300380143000.08总张数3 45(6)6(7)7(8)8(9)9(10)10(12)12(13)13(14)分级长 3(4) 4(4) 4(5) 5 (5) 5(6) 6(7) 7(7) 7(8)张数分级短 2(2) 2(3) 3(3) 3(4) 4(4) 4(5) 5(6) 6(6)表 2.5 中小型 S9 饼式绕组(高压绕组)纵绝缘表 2.6 中小型 S9 系列圆桶式绕组层间绝缘(纵绝缘)第 27 页 共 64 页(1)在原理上,铁心是构成变压器的磁路。它把一次电路的电能转化为磁能,又把该磁能转化为二次电路的电能。因此,铁心是能量传递的媒介。(2)在结构上,它是构成变压器的骨架。在它的铁心柱上套上带有绝缘的线圈,并且牢固地对它们支撑和夹紧。铁心本体是用硅钢片叠积成完整的磁路结构,其钢夹紧装置(钢夹件)构成框架,它牢固地把铁心夹持成一个整体,同时在它的上面几乎安装了变压器内部的所有部件。2.7.2 空载损耗的计算(1)变压器空载损耗的组成变压器的空载损耗又称铁耗,它属于励磁损耗而与负载无关,空载损耗的大小对变压器的制造成本与运行经济性都有较大的影响。通常变压器的空载损耗包括铁心材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗三部分。采用非晶合金材料做成的卷铁心,异常涡流损耗甚至将占到 50%左右。(2)卷铁心的空载损耗计算铁心柱质量(GF e)的计算 10/)4.32(2DCBACDKe 式中 A, B, C, D 铁心尺寸(mm) ;铁心填充系数, KFe0.840.86 ;Fe铁心质量(kg) ;G 非晶合金密度(g/cm3), = 7.2 g/ 。2cm空载损耗的计算(2)FepPK00式中 空载损耗附加工艺系数,1.081.15;0pP0单位重量的损耗(W/kg)。通常,设计出的空载损耗值不超过国家标准中所规定的值的+15%,并最好是负的偏差。当求得的空载损耗 P0 不符合标准规定时,需调整铁心直径 D。当 D 增大并保持磁密不变时,由于铁心尺寸增大,使得 P0 与 GFe 也增大,同时线圈的第 28 页 共 64 页匝数减少,导线重量、P d、u r%随之降低;当直径 D 减小时,则与上述结果相反。2.7.3 空载电流的计算变压器的空载电流是由铁耗电流 IFe(有功分量)和磁化电流 I(无功分量)所合成。因此,在计算空载电流时,只要先分别计算出 IFe 及 I,即可得到总的空载电流 I0。(1)铁耗电流 IFe 的计算铁耗电流 IFe 是由空载损耗(铁耗)所引起的,当用额定电流的百分值来表示时,其具体计算公式为 NFePI10%式中:P 0空载损耗(W) ;PN变压器的额定容量 (kVA)。(2)空载电流无功分量占额定电流的百分数:NeFeSqnAGI10/)(10式中 q1单位总量的励磁容量(VA/kg),按心柱磁通密 Bt查得 ;q单位面积得接缝励磁容量(VA/cm2),按铁轭磁通密度查得 ;n接缝数,取 n4;Ae心柱有效截面(cm2), Ae At/2;At心柱有效截面积 ;SN额定容量(kVA)。空载电流占额定电流的百分数 。2020 ) ()( IIIFe2.8 变压器的绕组及负载损耗计算2.8.1 变压器绕组的结构型式和特点绕组在电力变压器中是最重要、最复杂的部件,因为它基本上决定了变压器的容量、电压、电流和使用条件。它由铜(铝)扁导线绕制,再配以专门的绝缘部件组成。第 29 页 共 64 页绕组形式主要是根据绕组的电压等级和电流的大小来进行选择,同时还要重点考虑电气强度、机械强度、散热面积和绕制的可能性等等。一般对电压低而电流大的绕组,常用多根扁导线并联绕制成螺旋式绕组;而对于电压等级较高、电流较小,且在纵绝缘上还有其特殊要求的,常可绕制成连续式、纠结式和插入电容的内屏蔽式绕组。2.8.2 绕组的要求(1)绝缘强度要求由于变压器在运行中要受到大气过电压和操作过电压的冲击,还要受到运行电压的长时期作用,电气强度至关重要,应该尽力保证在变压器运行的一生中不发生任何部位的绝缘击穿(闪络放电) 。这就要求绕组的设计和制造都必须留有足够的裕度。(2)动稳定要求变压器在运行中,负载时刻都在变化着,即电流是波动的,绕组都需要承受。当发生短路故障时,还要承受强大的短路电流的冲击。由于绕组导线所承受的电磁力与绕组中电流的平方成正比,因此,要求绕组具有足够的机械强度,必须能够承受强大电磁力的冲击而结构不发生损坏。(3)散热能力要求在绝缘结构中,如静电板、静电屏、纸板端圈、角环、隔板等部件均具有由撑条、垫块等组成的满足电气条件的油道,这些油道还必须满足绕组的散热要求。作为绕组的冷却油道,应尽量减小油流的阻力,避免有“死油区” 。变压器绕组即使发生短路产生强大的热量,线匝也不至于烧毁。2.8.3 绕组的型式(1)层式绕组其特点为叠层饶制而成,如单层及多层圆筒式绕组、箔式绕组等均属于层式。双层圆筒式由于单层圆筒式绕组的机械稳定性差,所以很少采用。就双层圆筒式而言,第 30 页 共 64 页它是采用扁导线按螺旋线绕制成双层圆筒式线匝,在双层线匝之间放置冷却油隙或层间绝缘。也可以绕成四层圆筒式线匝。并联导线沿轴向排列时不进行换位,沿幅向排列时,要在轴向高度一半处进行换位。绕制工艺较好,但要保证绕组上,下端部支撑结构稳定可靠。适用范围:容量 630kVA 及以下,电压 1kV 及以下的低压绕组。多层圆筒式采用圆导线或扁导线绕制,可以绕成若干个线层。在线层之间放置分级层间绝缘或冷却油隙。在绕组内侧的第 1 层对地之间的电容较大,使雷电冲击电压的起始分布不均匀,为此当绕组的工作电压为 35kV 及以上时,应在第 1 线层内侧放置电容屏,以改善冲击电压起始分布。适用范围:容量 630kVA 及以下、电压 15kV 及以下的高压绕组分段圆筒式由于若干对线饼构成,每一对线饼为两个多层圆筒式结构。采用圆导线绕制,各线饼之间放置纸圈或垫块,每个线饼中的层数总是奇数,以便于各对线饼之间的出头联结。主要特点是层间电压较低,但结构复杂,绕制工作量大,散热较困难。适用范围:高电压试验变压器或电压互感器及干式变压器的高压绕组以及少数大容量超高压变压器的高压绕组 (2)饼式绕组其特点为沿轴向高度绕组由一个个的水平与垂直油道的线饼所组成。饼式绕组是目前大中型变压器中应用最广的绕组型式,它包括了连续式、螺旋式、纠结式、内屏蔽式等若干类型。连续式用扁导线绕制,从绕组的第 1 个线饼开始依次顺序编号。奇数线饼的导线从外侧依次绕至内侧,称为反饼。偶数线饼的导线从内侧依次绕至外侧,称为正饼。一个反饼和一个正饼组成一个单元,所以在连续式绕组的线饼数必须是偶数。连续式绕组的纵向电容较小,雷电冲击电压的电压起始分布不均匀,耐受雷电冲击电压的绝缘强度较低。适用范围:容量 630kVA 及以上、电压 110kV 及以下的高压绕组
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