10kV电力变压器设计资料
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二 〇 一五 年 六 月
本科毕业设计说明书 学校代码： 10128 学 号： 201111202005
题 目：10kV 电力变压器的电磁计算与分析 学生姓名：朱 磊 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气11-2 指导教师：陈艳宁 讲师
摘要
电力变压器在电力系统中占有重要的地位，其发展趋势是安全可靠、节省生产资本、低损耗运行。因此，进行电力电压器的电磁计算与分析就显得非常重要。
本文早参考了大量文献的基础上，根据变压器设计的基本思路，按照一般压器设计的基本步骤，完成了一台1600kV A/10kV的电力变压器设计。本文章根据一般变压器设计方法针对给定的的电力变压器做了详细的设计。根据所设计变压器的技术参数选用合理的导线和铁心，使其能够安全可靠的运行。通过计算高、低压绕组匝数，对高、低压绕组进行了设计。计算出每匝电动势，进而计算获得低压绕组的匝数，通过变比可得到高压绕组的匝数。高低压绕组的设计包括设计绝缘结构，绕组材料，绕组结构阻抗与负载损耗计算等。计算空载特性是计算空载损耗和空载电流，进而判断所设计的变压器是否合理。计算短路特性是计算变压器的短路电压百分数、铜耗和短路阻抗，若短路阻抗太大则会产生很大的附加损耗，也会使变压器局部过热。变压器温升计算值不仅关系到变压器的安全性、可靠性、使用寿命，也关系到变压器的制造成本。所以本文对温升做了详细的计算。最后则对变压器的结构改进做了详细的介绍。
关键词：电力变压器；电磁计算；结构改进
Abstract
Power transformers plays an important role in the power system, and its development trend is safe and reliable, saving production capital, low-loss run, trying to improve the quality of the product. Therefore, it is very important to calculate and analyze the electromagnetic power voltage device.
This article reference to the vast literatures on the basis in early, according to the basic idea of transformer design, in accordance with the basic steps of the general press is designed to complete the design of a power transformer 1600kVA / 10kV . This design transformer design according to the general method for the design of power transformers made a detailed design. A reasonable choice of wire and an iron core transformer according to the design specifications to enable safe and reliable operation. High and low voltage windings are designed By calculating the high and low voltage winding turns. Calculating the quantity per turn, and then calculating the number of turns of the low voltage winding can be obtained through high voltage winding turns ratio. Design of high and low voltage winding insulation structure including design, winding material, winding structure impedance and load loss calculation. Computing load characteristic is to calculate load loss and no-load current, and then to determine the design of the transformer is reasonable. Calculating short-circuit characteristic is to calculate the percentage of the transformer short-circuit voltage, short-circuit impedance copper consumption and, if too short-circuit impedance will have a huge additional losses, but also make local overheating transformer. Calculating transformer temperature rise is not only related to the transformer of safety, reliability, service life, but also to the manufacturing cost of the transformer. Therefore, this essay have made a detailed calculation of the temperature rise. Finally, I made a detailed presentation to improve the structure of the transformer.
Keywords: power transformer; electromagnetic calculation; structure improvement
目录
引言 (1)
第一章电力变压器概述 (2)
1.1 课题背景 (2)
1.2 课题的国内外研究现状与发展趋势 (2)
1.3 变压器的工作原理与结构 (2)
1.3.1 变压器的基本工作原理 (3)
1.3.2 电力变压器基本结构 (4)
第二章电力变压器的磁计算与分析 (6)
2.1 技术条件 (6)
2.2 额定电压和电流的计算 (6)
2.2.1 高、低压线圈额定电压计算 (6)
2.2.2 高、低压线圈额定电流计算 (6)
2.3 铁心只要尺寸的确定 (7)
2.3.1 铁心直径的选择 (7)
2.3.2 铁心截面积计算 (7)
2.4 线圈匝数的计算 (8)
2.4.1 初算每匝电压 (8)
2.4.2 低压线圈匝数确定： (8)
2.4.3 高压线圈匝数确定 (9)
2.4.4 电压比较核 (9)
2.5 线圈计算 (10)
2.5.1 高压线圈计算 (10)
2.5.2 低压线圈计算 (11)
2.6 绝缘半径的计算 (12)
2.7 阻抗电压计算 (13)
2.7.1 电抗电压计算 (13)
2.7.2 电阻阻抗计算 (15)
2.8 绕组数据计算 (15)
2.9 铁心数据计算 (17)
2.9.1 芯柱和铁轭质量计算 (17)
2.9.2 空载损耗计算 (18)
2.9.3 空载电流计算 (19)
2.10 油箱尺寸计算 (19)
2.10.1 油箱高度 (19)
2.10.2 油箱宽度 (20)
2.10.3 油箱长度 (21)
2.11 附加损耗计算 (21)
2.11.1 绕组中纵向涡流损耗 (21)
2.11.2 杂散损耗计算 (22)
2.11.3 引线损耗 (23)
2.11.4 总的附加损耗 (23)
2.12 温升计算 (23)
2.12.1 绕组对油的温升 (23)
2.12.2 油箱有效散热面积计算 (26)
2.12.3 油的平均温升 (27)
2.12.4 绕组对空气温升 (27)
2.12.5 油面温升 (28)
2.13 变压器质量计算 (28)
2.13.1 总油重 (28)
2.13.2 器身重 (30)
2.13.3 油箱重量 (30)
2.13.4 附件重 (31)
2.13.5 变压器总重量 (31)
第三章变压器结构改进 (32)
3.1 变压器结构改进措施 (32)
3.1.1 降低变压器空载损耗以及噪声 (32)
3.1.2 降低变压器温升和负载损耗 (32)
3.1.3 提高抗短路能力 (33)
3.1.4 降低变压器局部过热现象 (33)
3.2 本章小结 (33)
结论 (34)
参考文献 (35)
谢辞 (36)
引言
从1841法拉第发现磁生电现象到现在，电力行业一直在飞速的发展。特别是近百年来，电已经成为人们生活生产中必不可少的一部分。各种各样电器层出不穷，各种各样功率的电器产品遍及了人们的生活之中。电力部门则必须要满足人们对各种电压等级的需求。而电力变压器则承担了这一功能。各种各样的电力变压器应运而生，人们对电力变压器的研究一直在精益求精。如何设计出更加安全、可靠、经济的电力变压器是这些电力行业精英们的神圣使命。本文通过查找文献等方法设计了一台1600kVA/10kV的电力变压器。
第一章电力变压器概述
1.1课题背景
由于我国国民生活的水平飞速发展，人们对我国电力行业的供电水平有了更高的要求。变压器在电力系统中占有重要的地位，它在电能的经济传输、灵活分配和安全使用中作出了巨大的贡献。一百年来，伴随着输电网络的规模不断变大和发电厂发电机的单机容量在逐步变大，则要求更大容量的电力变压器势在必行。
一些大型电力变压器的通过的电流可能达到20kA，这么大的电流就会产生非常强的漏磁，会产生很大的附加损耗在金属构件中。变压器的负载损耗有很大一部分是被它们所占据，并且它们在金属构件中的分布非常不均匀，对变压器的损耗有非常大的影响。另外，现在电力部门和用户们对变压器的漏电抗和空载损耗的数值的要求越来越严格，并且把杂散损耗看作电力变压器性能考核的很重要的一项标准。这就需要对变压器的各种损耗分布作详细精确的计算与分析。所以，各项损耗的计算和可靠并且精确的磁场的研究就显得很是必要。
减小进入金属构件里的漏磁通量可以减小金属构件所产生的附加损耗和防止过热现象的产生。在工程上是通过在器件上贴铜、铝材料或者硅钢片来屏蔽这些漏磁通量。根据长期生产发现，由于正确的运用屏蔽方式可以使箱壁上的杂散损耗可能降低5%左右，而不合适的屏蔽方式，不但屏蔽效果不好，还可能出现新的过热点，影响到变压器的使用寿命。因此，通过屏蔽漏磁通量可以很有效果的降低一定的损耗并对变压器的制造很有用途。
总之，深入研究变压器中漏磁分布和其金属构件中的杂散损耗对降低电力变压器的总损耗和防止局部过热是特别重要的措施。
1.2课题的国内外研究现状与发展趋势
电力变压器是发电、输电、变电和配电各个系统中的重要设备之一，它的运行性能关系到整个电力系统的效益，所以必须使它能够更加可靠和安全的运行，满足了广大用户的需求。
箱式变压器箱式具有占地面积少，能够深入负荷中心，使线路的损耗减小，能够使供电的质量提高，外观美观等一系列优点，在城市10kV和35kV电网中大量投入使用。
1.3变压器的工作原理与结构
1.3.1 变压器的基本工作原理
变压器是通过将高低压线圈绕在同一铁心上，当高压线圈上施加电压会产生磁场，经过铁心形成磁路回路，在低压线圈上会感应出电动势，进而产生电流。实现了能量的传递。其中，高低压绕组频率相同。
如图1-1所示，把两个线圈绕在了铁心上，左边的线圈称作原线圈，其匝数是 N 1。右边的称作副线圈，其匝数是N 2。在变压器右侧处于开路状态时，在左侧接入交流电压U 1，会在左侧产生I 0，我们通常把这个电流叫为空载电流。有了空载电流就会产生相对应的空载电动势，铁心中会有磁通Φ0经过，这时在副线圈就会产生电动势，叫做感应电动势。
m fN E Φ=1144.4 （1—1）
m fN E Φ=2244.4 （1—2）
式中：
1E —一次侧自感电动势(V)；
2E —二次侧互感电动势（V ）；
f —电源频率(Z H )；
1N —一次绕组匝数；
2N —二次绕组匝数；
m Φ—经过铁心磁通的最大值（Wb ）。
在变压器二次侧空载时，一次绕组和二次绕组的电压比为：
v K N N E E U U ===2
12121 （1—3）
式中K v 为变压器的变比。
图1-1 单相变压器原理图
1.3.2电力变压器基本结构
随着国民经济的逐步提高，变压器技术也在快速发展，它们的结构越来越复杂。如图1-2为一台电力变压器外形结构图，其构成部分如下(图1-3)：
图1-2 电力变压器外形实例图
图1-3 电力变压器基本结构构成
铁心和绕组是变压器的主要部分，其余的组成部分还有储油柜、散热器、压力
释放阀、吸湿器、油箱、绝缘套管等，各组成部分的功能如下：
铁心：变压器的原、副线圈都是缠绕在铁心上，铁心是用导磁性能特别好的硅
钢片制造而成的。
绕组：绕祖是变压器能够工作的重要部分。
油箱：它是变压器的外部，内装有变压器油和其他附件。具有散热和支撑作用。
储油柜：当变压器内部的变压器油由于变压器发热而导致膨胀体积增大时，则通过储油柜来储油。当变压器油由于受冷体积减小时，储油柜起着补油的作用。
吸湿器：吸湿器是储油柜和空气的连接通道。吸湿器里面的干燥剂能过吸收进入储油柜内的空气的水分以及其他杂质，进而能使变压器油保持很好的电气特性。吸湿器又被称作呼吸器。
散热器：变压器内部产生温差时通过散热器使变压器油冷却，起到了降温的作用。
分接开关：变压器通过分接开关能够微小的调节变压器的变化比。
气体继电器：他在变压器中担当着主要的保护装置作用。当变压器的内部发生问题时，气体继电器能够快速的发出信号并使断路器立即跳闸。
第二章电力变压器的磁计算与分析
2.1技术条件
1.额定容量: 1600kVA，3相
2.频率：50Hz
3.额定电压：高压10kV；低压0.4kV
4.额定电流：高压92A；低压2310A
5.绕组链接方法：Y，yn0
6.额定电压比：10±5%
7.空载电流：<0.4%
8.空载损耗：<2.4kW
9.负载损耗：<14.5kW
10.阻抗电压：<4.5%
2.2额定电压和电流的计算
2.2.1高、低压线圈额定电压计算
1.高压线圈绕组连接方式为Y链接：
线电压： U L=10（kV）
相电压
UΦ=U
√3
=
10
√3
=5.77（kV）
2. 低压线圈绕组连接方式为Y连接：
线电压：U L=0.4(kV)
相电压：
UΦ=U
√3
=
0.4
√3
=0.231（kV）
2.2.2高、低压线圈额定电流计算1.高压线圈电流计算：
I L=IΦ=S
3U L
=
1600
√3×10
=92.38(A)
2. 低压线圈电流计算：
I L =I Φ=S 3U L =1600√3×0.4=2309.4(A )
2.3 铁心只要尺寸的确定
2.3.1 铁心直径的选择
变压器的每柱容量：
S Z =S N 3=16003
=533.33kVA 应用简化经验公式计算铁心柱直径，查《变压器设计原理》表
1-1K d 取55~60。 D=K d √S Z 4=(55~60)√533.334
=(264.33~288.36) (mm)
取275mm 。
2.3.2 铁心截面积计算
在决定了系数K d 每柱容量S N 之后，在实际选择铁心直径之前，必须用到与之有关的俩个系数。
1. 铁心空间系数K SF
变压器的铁心实际几何面积个有效面积不相等，所以铁心硅钢片的级数决定了实际几何面积与理想圆面积的接近程度。
即 K SF ==铁心的实际几何截面积铁心外接圆面积=多级矩形的总几何截面积14πD 2<1 铁心级数愈多，则其填充系数就会愈高。这就说明空间利用效果较好，漏磁相应的也应该少。本变压器根据《电机设计》表13-2选取级数为10级。
2. 铁心迭片系数K fd
由于硅钢片的表面不平整导致其实际通过磁力线的面积和它的净截面积不相等，他们之间的关系用迭片系数K FD 来表示： K FD =通过磁力线的铁心净截面
铁心的几何截面（毛截面）<1
本变压器选取K fd 的值为0.93。