电力变压器结构设计结构设计说明

电力变压器结构设计结构设计

一、简介

1.为什么要应用变压器

电力系统中发电机输出的电能要经过升压才能远距离输电、网络的连接、配电都需要变压器，因此可以说变压器是电力系统中重要的设备之一，对电力系统的安全运行至关重要。

电力变压器简介

电力变压器按用途可分为以下几种：

a.发电机出口或电力网的前端称为升压变压器

b.网络之间联结用称为联络变压器

c.网络末端用于将高压电能降压用称为降压变压器

d.直接连接用户的变压器称为配电变压器

2.变压器的基本概念和基本原理

2.1基本概念：变压器是基于电磁感应原理，通过改变电压来传输电能的一种静止电机。

2.2基本原理：法拉第电磁感应定律

e=-dΦ/dt

Φ=Φmsinωt

则E1=-dΦm/dt×N1=-N1Φmωcosωt=-N1Φmωsin（90°-ωt）

即:E1=N1Φmωsin（90°-ωt）（E1落后Φm90°）

E1m=N1Φmω

E1(rms)= N1Φmω/√2

同理E2(rms)= N1Φmω/√2，即N1/N2=E1/E2

电力变压器简介

3.变压器的分类

从大类上，分为电力变压器和特种变压器。

特种变压器大致有：整流变压器、调相变压器、矿用变压器、试验变压器等。

电力变压器又可分为油浸式电力变压器和干式电力变压器。我们重点学习油

浸式电力变压器。

油浸式电力变压器的分类及型号中各符号代表的意义。

电力变压器简介

a.耦合方式：自耦用“O”表示，其余不标

b.相数：“D”表示单相，“S”表示三相

c.冷却方式：冷却介质为风，即油浸风冷用“F”，水冷用“S”表示

d.循环方式：“P”表示强迫油循环、自然油循环不标

e.绕组数：“S”表示三绕组，双绕组不标，“F”表示双分裂绕组

f.导线材质：铜导线不标，“L”表示铝导线

g.调压方式：“Z”表示有载调压，无载调压不标

h.设计序号：1、2、3…

目前变压器执行的大部分为“9”“10”型产品

i.额定容量：国家规定了R10系列优先容量

j.额定电压：高压绕组额定电压等级

k.防护等级：TH、TA、等。

4.变压器基本参数

4.1 阻抗电压（Zk）：由漏磁引起的变压器内部电压降，一侧绕组短路，另一侧施加电压，当加压侧电流达到额定电流时，所施加电压占该侧额定电压的百分数称为短路阻抗用“%”表示。

阻抗电压是变压器订货及设计中最重要的参数之一。（Zk=Zkr+Zkx）

供电质量方面要求Zk小

从安全运行方面要求Zk大些

4.2电压调整率（ε）：

（U2N－U2）/U2N×100%表示的是变压器带负载后的电压变化

4.3额定容量：

100/100/100 100/50/100 或 100/100/50等，额定容量即为绕组中容量最大的一个。

4.4电压组合：

各绕组的额定电压，指空载电压而非负载条件下的电压组合

4.5联结组别：

各绕组之间的相位关系，用时钟表示法。例如：YNd11、YZn11、YNd1等。

4.6绝缘水平：

各端子及中点端子的耐受电压水平，国家标准对此有规定。该项指标对变压器的其他参数成本有较大影响

SI：操作冲击

LI：雷电冲击

AC：交流耐压

4.7冷却方式及温升限值:

冷却方式：ODAF、ONAN、ONAF、OFAF、ODWF、OFWF等。

温升限值：根据国家标准或技术协议要求

4.8空载损耗：

P0—铁心损耗（忽略激磁绕组中的铜耗）含磁滞损耗和涡流损耗；目前大多数的变压器制造厂均选用冷轧硅钢片，因此P0大幅度降低

4.9负载损耗：

Pk短路损耗。主要由电阻损耗—I R、涡流损耗—%、环流耗及结构损耗构成。其中结构损耗即为漏磁在金属结构件上产生的损耗。

4.10空载电流：

I0%由两部分组成I0r、I0x，其中I0r占较小比重I0x较大。用户之所以关心I0主要是考虑空载合闸的涌流问题。

4.11使用条件：

海拔高度的影响:

a.外绝缘

b.试验电压

温度：当最低温度低于-25℃时需采用45#变压器油

污秽等级：对外绝缘爬距有影响

抗震能力

4.12效率

η= [输出功率/(输出功率+P0+Pf)]×100%

二、核电用变压器

主变：将发电机发出的电升至电网电压等级；

起动备用变压器，简称起备变，是在电厂建设期间通过升压站供给厂用电的，所以叫启动；所谓备用变，就是在电厂正式运行期间，厂用电是由高压厂用变供应的，起备变作为厂用变的备用电源；

起备变分为幅向分裂和轴向分裂；

高厂变：将发电机输出的电变为厂用高压变；

高厂变分为幅向分裂和轴向分裂；

三、变压器设计中的主要问题

1.电气强度：

变压器运行中要承受四种电压：正常工作电压、大气过电压、操作过电压和谐振过电压，因此绝缘问题是变压器安全可靠运行的关键。

变压器设计中的主要问题

2.机械强度：

变压器运行中可能要经受短路，要保证变压器在短路状态下不损坏，因此变压器的抗短路能力是变压器安全运行的另一个重要指标。

3.耐热强度：

热特性可以引起绝缘老化发生热击穿或影响变压器的使用寿命。

6度法则：温度每升高6℃绝缘老化速度加快一倍

四、变压器的设计计算

1.电压计算：

三角形接法：线电压等于相电压

星形接法：线电压为相电压的√3倍

2.电流计算

2.1单相变压器：I=SN/UN

2.2三相变压器：

三角形接法：I=SN/UN√3(线端)I=SN/3UN(绕组中)

星形接法：I=SN/UN√3(线端电流与绕组中电流相同)

3.铁心选取：

D=KP?柱根据阻抗电压数值及其它情况适当调整。

4.线圈计算：

由E=NΦmù/√3公式，确定低压匝数及每匝电势

由每匝电势及其余绕组电压确定各绕组匝数

选择各绕组形式，主要考虑绝缘问题及散热

线规选取，确定电流密度，预估负载损耗

确定主绝缘尺寸，确定心柱中心距及窗高，预估空载损耗

5.阻抗计算：

根据各绕组尺寸，计算阻抗电压

6.铁心重量及空载损耗和空载电流计算

G铁心=G柱+G轭+GΔ

7.负载损耗计算：

7.1基本电阻耗计算：P=PR1+PR2

其中PR1=I1*I1*NR1

PR1—低压绕组电阻耗，I1N—低压侧额定电流，R1 —低压侧电阻PR2=I2NR2

PR2—高压绕组电阻耗，I2N—高压侧额定电流，R2 —高压侧电阻7.2涡流耗计算：P（%）

纵向漏磁 B=1.78IWρ/Hk

P1(%)=2.99×(B×a/δ)×PR1/100(单位：W)

P2(%)=2.99×(B×a/δ)×PR2/100(单位：W)

8.组件选取原则：

8.1开关：电压等级、额定容量、级电压、电流

8.2套管：额定电流、额定电压、爬距

8.3冷却装置：总损耗以及温升要求

8.4储油柜：总油量及用户要求

铁心结构设计

1.铁心的作用：

在原理上：铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路的电能转化为磁能，又由自己的磁能转化为二次电路的电能，是能量转化的媒介。

在结构上：铁心的结构件不仅使磁导体成为一个机械上完整的结构，而且在其上几乎安装了变压器内部的所有部件。相当于变压器的骨架。

2.铁心的型式：

2.1壳式：铁心包围线圈的壳式铁心。

2.2心式：除壳式外，其余为心式铁心。

心式铁心的优点：

a.工艺性较好，线圈为圆形，易于绕制。

b.经济性好，充分利用空间，节省原材料。

c.机械强度好。

结论：大多数变压器公司均用心式铁心。三菱，保定的某些产品采用壳式铁心。

3.铁心的构成:

铁心是电力变压器的基本部件，由铁心叠片、绝缘件和铁心结构件等组成。而铁心结构件又由夹件垫脚、撑板、拉板、压钉等组成。结构件保证叠片的充分夹紧，形成完整而牢固的铁心结构。叠片与夹件、垫脚、撑板、拉带和拉板之间均有绝缘件。铁心叠片及夹件接地引出线通过油箱到外部可靠接地，铁心不允许多点接地。

4.铁心截面的选取原则：

充分利用空间

考虑工艺性

经济性:铜铁比问题

铁心结构设计

5.铁心截面各级片宽、叠厚的优化求解

理论计算即为求极值的过程，单工程上最后确定参数应注意一下两点：

a. 片宽尾数取0或5

b.考虑夹紧问题，最小级片应加宽

各制造厂均有结合本厂工艺水平的优化铁心截面

6.铁心叠片：

6.1.大型油浸式电力变压器多为叠铁心，且为搭接形式，各接缝错开压住，这样做有两个好处：

a.绝缘问题：避免了可能发生的片间短路问题

b.易于夹紧：机械强度好

铁心结构设计

6.2接缝

6.2.1接缝数量

a.二级，四级

b.三级，五级

6.2.2确定接缝数量的因素：

a.损耗：多一级接缝P0下降2%~2.5%

b.噪音

c.铁心利用率

d.工艺性

e.空载电流 I0

6.2.3角度

目前国内的制造厂均为45°，因为冷轧电工钢片是取向的， 45 °斜接缝利用磁通沿轧制方向流通，磁阻小。

6.2.4硅钢片材质和铁心叠片系数

硅钢片性能参数：1.单位重量损耗W/kg 2.单位重量激磁容量VA/kg；

硅钢片牌号及叠片系数按下表选取：