校园供配电毕业设计

第一章三相变压器的相关知识

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。

2.1变压器的简介

2.1.1变压器的功能

主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；[1]隔离；稳压（磁饱和变压器）;自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。

2.1.2变压器按用途

可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器、电抗器、抗干扰变压器、防雷变压器、箱式变电器试验变压器转角变压器大电流变压器励磁变压器。

2.1.3变压器的最基本型式

包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。

一般指连接交流电源的线圈称之为「一次线圈」(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为「一次电压.」。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的「匝数比」所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。

2.2变压器的结构简介

2.2.1铁心

铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度分别为

0.35 mm\0.3mm\0.27 mm，

表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成

铁心分为铁心柱和横片俩部分，铁心柱套有绕组；横片是闭合磁路之用

铁心结构的基本形式有心式和壳式两种

2.2.2绕组

绕组是变压器的电路部分，

它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成

感应电势公式为：E= 4.44fN?m

式中：E--感应电势有效值

f--频率

N--匝数

?m --主磁通最大值

由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压U1和U2大小也就不同。

2.3变压器的功率

变压器铁心磁通和施加的电压有关。在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。虽然负载增加铁心不会饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假如你用的线圈是由超导材料组成，电流增大不会引起发热，但变压器内部还有漏磁引起的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电流越大，输出电压越低，所以变压器输出功率不可能是无限的。假如你又说了，变压器没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力，很容易使变压器线圈损坏，虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。只能这样说，随着超导材料和铁心材料的发展，相同体积或重量的变压器输出功率会增大，但不是无限大！

2.4变压器的原理

当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。

如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。

2.5变压器的材料

要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识，为此这里我就介绍一下这方面的知识。

2.5.1铁芯材料

变压器使用的铁芯材料是铁片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢

片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B 来表示，一般黑铁片的B 值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000， 2.5.2绕制变压器通常用的材料

漆包线，纱包线，丝包线 纸包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用QZ 型号的高强度的聚脂漆包线。 2.5.3绝缘材料

在绕制变压器中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，环氧板，或纸板。层间可用聚脂薄膜，电话纸，6520复合纸等作隔离，绕阻间可用黄腊布，或亚胺膜作隔离。 2.5.4浸渍材料

变压器绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料 或1032绝缘漆，树脂漆。 2.6变压器的基本工作原理

变压器是利用电磁感应原理工作的，其主要部件是铁心和绕组。两个互相绝缘且匝数不同的绕组分别套装在铁心上，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系，其中接电源的绕组称为一次绕组(曾称为原绕组、初级绕组)用于接负载的绕组称为二次绕组(曾称为副绕组、次级绕组)。

一次绕组加上交流电压1u 后，绕组中便有电流1i 通过，在铁心中产生与1u 同频率的变磁通Φ，根据电磁感应原理，将分别在两个绕组中感应出电动势1e 和2e 。

t

Φ

N e ??-=11 t

Φ

N e ??-=2

2 式中，负号表示感应电动势总是阻碍磁通的变化。若把负载接在二次绕组上，则在电动势2e 的作用下，有电流2i 流过负载，实现了电能的传递。由上式可知，一、二次绕组感应电动势的大小（近似于各自的电压1u 及2u ）与绕组匝数成正比，故只要改变一、二次绕组的匝数，就可达到改变电压的目的，这就是变压器的基本工作原理。 2.6.1变压器的用途

变压器最主要的用途是在输、配电技术领域。目前世界各国使用的电能基本上均是由各类(火力、水力、核能等)发电站发出的三相交流电能，发电站一般均建在能源地，江、海边或远离城市的地区，因此，它所发出的电能在向用户输送的过程中，通常需要很长的输电线。根据cos 3UI P =，在输送功率P 和负载的功率因数cos ?一定时，输电线路上的电压U 越高，则流过输电线路中的电流I 就越小。这不仅仅可以减小输电线的截面积，节约导体材料，同时还可减小输电

线路的功率损耗。

变压器是输、配电系统中不可缺少的重要电气设备，从发电厂发出的电能升压变压器升压，输送到用户区后，再经降压变压器降压供电给用户，中间要经过4~7次变压器的升降压。根据最近的资料显示，1KW 的发电设备需5~6KV .A 变压器容量与之配套，由此可见，在电力系统中变压器是容量最大的电气设备。电能在传输过程中会有能量的损耗，主要是输电线路的损耗及变压器的损耗，它占整个供电容量的5%~9%。这是一个相当可观的数字。例如我国2009年发电设备的总装机容量约为9亿千瓦，则输电线路及变压器损耗的部分约为4500~8100万千瓦，它相当于目前我国30~50个装机容量最大的火力发电站的总和（我国三峡工程总装机容量为1820万千瓦）。在这个能量损耗中，变压器的损耗最大，约占60%左右，因此变压器效率的高低成为输配电系统中一个突出的问题。目前大批量生产的是S9低损耗节能变压器，并要求逐步淘汰原来在使用中的旧型号变压器，据初步估算采用低损耗变压器所需要的投资费用可在4~5年时间内从节约的电费中收回。

变压器除用于改变电压外，还可用来改变阻抗以及产生脉冲等。 2.6.2单相变压器的运行原理 1、变压器的空载运行

变压器一次绕组接额定交流电压，而二

次绕组开路，即02=I 的工作方式称为变

压器的空载运行，如图所示。

由于变压器在交流电源上工作，因此通过变压器中的电压、电流、磁通及电动势的大小及方向均随时间在不断地变化，为了正确地表示它们之间的相位关

系，必须首先规定它们的参考方向，或称为正方向。

参考方向在原则上可以任意规定，但是参考方向的规定方法不同，由楞次定律可以知道，同一电磁过程所列出的方程式，其正、负号也将不同。为了同一起见，习惯上都按照“电工惯例”来规定参考方向：

(1) 在同一支路中，电压的参考方向与电流的参考方向一致。 (2) 磁通的参考方向与电流的参考方向之间符合右手螺旋定则。 (3) 由交变磁通Φ产生的感应电动势e ，其参考方向与产生该磁通的电流参考方向一致（即感应电动势e 与它的磁通Φ之间符合右手螺旋定则时为正方向）。

理想变压器：当主磁通Φ 同时穿过一次及二次绕组时，分别在其中产生

感应电动势1e 和2e ， m ΦfN E 1144.4= （V ） m ΦfN E 2244.4= (V)

式中，m Φ为交变磁通的最大值，Wb ；1N 为一次绕组匝数；2N 为二次绕组匝数；f 为交流电的频率，HZ 。

由以上两式可得：

21E E = 2

1N N 如略去一次绕组中的阻抗不计，则外加电源电压1U 与一次绕组中的感应电动

势1E 可近似看做相等，即11E U ≈，而1U 与1E 的参考方向正好相反，即电动势1E 与外加电压1U 相平衡。

在空载情况下，由于二次绕组开路，故端电压2U 与电动势2E 相等，即22E U =。

因此

m

ΦfN E U 11144.4=≈

(1-1)

m ΦfN E U 22244.4== (1-2)

及

21U U ≈ 2

1E E

= K

K N N u ==21

(1-3)

式中，u K 称为变压器的变压比，简称变比，也可用K 来表示，它是变压器最重要的参数之一。

由式（1-3）可见：变压器一、二次绕组的电压与一、二次绕组的匝数成正

比，也即变压器有变换电压的作用。

由式（1-1）可见：对某台变压器而言，f 及Ｎ1均为常数，因此当加在变压器上的交流电压有效值Ｕ1恒定时，则变压器铁心中的磁通Φm 基本上保持不变。

这个恒磁通的概念很重要，在以后的分析中经常会用到。

2、变压器的负载运行

当变压器二次绕组接上负载后，

在2E 的作用下，二次绕组流过负载

电流I 2 ，并产生去磁磁通势N 2 I 2 ，为保持铁心中的磁通Φ基本不变，一次绕组中的电流由 I 0增加为 I 1 ，磁通势变为N 1I 1，以抵消二次绕组电流产生的磁通势的影响，由此可得磁通势平衡方程式为

由于I 0 很小，可以忽略，因此可得

变压器一次、二次绕组中的电流与一次、二次绕组匝数成反比，即变压器也有变

换电流的作用。

变压器的最基本公式为 K ＝

21U U ≈21N N

≈1

2I I ，由式可见变压器的高压绕组匝数多，而通过的电流小，因此绕组所用的导线细；反之低压绕组匝数少，通过的电流大，所用的导线粗。

2.7三相电力变压器的结构

现代的电力系统都采用三相制供电，因而广泛采用三相变压器来实现电压的转换。三相变压器可以由三台同容量的单相变压器组成，按需要将一次绕组或二次绕组分别接成星形或三角形连结。在三相电力变压器中，目前使用最广的是油浸式电力变压器，它主要由铁心、绕组、油箱和冷却装置等部件组成，其外形图如图所示。 2.7.1 铁心

铁心是三相变压器的磁路部分，与单相变压器一样，它也是由0.3~0.35mm 厚的硅钢片叠压（或卷制）而成，20世纪70年代以前生产的电力变压器铁心采用热轧硅钢片，其主要缺点是变压器体积大，损耗大，效率低。20世纪80年代起生产的新型电力变压器铁心均用高磁导率、低损耗的冷轧晶粒取向硅钢片制作，以降低其损耗，提高变压器的效率，以S7及S9为代表产品。

叠片式铁心的主要缺点是铁心的剪冲及叠装工艺比较复杂，不仅给制造而且给修理带来许多麻烦，同时，由于接缝的存在也增加了变压器的空载损耗。随着制造技术的不断成熟，像单相变压器一样，采用卷制式铁心结构的三相电力变压器已在500KV ·A 以下容量中被采用，其优点是体积小、损耗低、噪声小、价格低，极有推广前途。

变压器铁心的最新发展趋势是采用铁基、铁镍基、钴基等非晶态材料代替硅钢。我国已生产SH11系列非晶合金电力变压器，它具有体积小、效益高、节能等优点，极有发展前途。 2.7.2绕组

绕组是三相电力变压器的电路部分。一般用绝缘纸包的扁铝线或扁铜线绕成，绕组的结构型式与单相变压器一样由同心式绕组和交叠式绕组。当前新型的绕组结构为箔式绕组电力变压器，绕组用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕制，使变压器整体性能得到较大的提高，我国已开始批量生产。 2.7.3油箱和冷却装置

由于三相变压器主要用于电力系统进行电能的传输，因此其容量都比较大，电压也比较高。为了增加散热面积，一般在油箱四周加装散热装置，老型号电力变压器采用在油箱四周加焊扁形散热油管，新型电力变压器以采用片式散热器散热为多，容量大于10000KV ·A 的电力变压器，采用风吹冷却或强迫油循环冷却装置。

2.7.4保护装置

1、气体继电器 在油箱和储油柜之间的连接管中装有气体继电器，当变压器发生故障时，内部绝缘物汽化，使气体继电器动作，发出信号或使开关跳闸。

2、防爆管（安全气道） 装在油箱顶部，若变压器发生故障，使油箱内压力剧增时，油流冲破酚醛纸板，以免造成变压器箱体爆裂。 2.7.5铭牌

在每台电力变压器的油箱上都有一块铭牌，标志其型号和主要参数，作为正

确使用变压器时的依据。

2.8三相电力变压器的运行特性

要正确、合理地使用变压器，必须了解变压器在运行时的主要特性及性能指标。变压器在运行时的主要特性有外特性与效率特性，而表征变压器运行性能的主要指标则有电压变化率和效率，效率特性在第二节中已叙述，这里仅介绍变压器的外特性。

2.8.1变压器的外特性

变压器空载运行时，若一次绕组电压1U 不变，则二次绕组电压2U 也是不变的。变压器加上负载之后，随着负载电流2I 的增加，2I 在二次绕组内部的阻抗压降也会增加，使二次绕组输出的电压2U 随之发生变化。另一方面，由于一次绕组电流I1随2I 增加，因此2I 增加时，使一次绕组漏阻抗上的压降也增加，一次绕组电动1E 和二次绕组电动势E2也会有所下降，这也会影响二次绕组的输出电压2U 。变压器的外特性是用来描述输出电压2U 随负载电流2I 的变化而变化的情况。

当一次绕组电压1U 和负载的功率因数cos 2?一定时，二次绕组电压2U 与负载电流2I 的关系，称为变压器的外特性。它可以通过实验求得，功率因数不同时的几条外特性曲线绘于图五中，可以看出，当cos 2?=1时，2U 随2I 的增加而下降得并不多；当cos 2?降低时，即在感性负载时，2U 随2I 增加而下降的程度加大，

当cos 2?为负值时，即在容性负载时，2U 会随2I 的增加而提高。以上叙述表明，负载的功率因数对三相电力变压器外特性的影响是很大的。

一般情况下，三相电力变压器的负载大多数是感性负载，因而当负载增加时，输出电压2U 总是下降的，其下降的程度常用电压变化率来描述。当三相电力变压器从空载到额定负载(2I =2N I )运行时，二次绕组输出电压的变化值△U 与空载电压(额定电压) 2N U 之比的百分值就称为三相电力变压器的电压变化率，用U ?％来表示。%100%N

22

2N ?-=

?U U U U

式中，

U为变压器空载时二次绕组的电压(称为额定电压)；2U为二次绕组输出2N

额定电流时的电压。

电压变化率反映了供电电压的稳定性，是三相电力变压器的一个重要性能指标。U

?％越小，说明三相电力变压器二次绕组输出的电压越稳定，因此要求变压器的U

?％越小越好。常用的三相电力变压器从空载到满载，电压变化率约为3％～5％。

第二章东院的负荷统计及负荷计算

2.1 东院的负荷统计

一、实训区

实训楼104教室

实训楼106教室

实训楼107教室

实训楼115教室

实训楼116教室

实训楼117教室

实训楼3楼教室

实训楼306教室

实训楼317、318、319教室

实训楼4楼

实训楼4楼

实训楼406教室

实训楼407教室

实训楼409教室

实训楼516教室

实训楼501、503、504、512、513教室

二、教学区

三、教学楼办公区

实训楼办公区

四、宿舍区

五、其他生活区

六、室外用电负荷

2.2 东院的负荷计算

一、负荷计算的基本概念

电气负荷是供配电设计所依据的基本资料，通常，电气负荷是随时变动的。

（1）负荷计算的目的是确定设计各阶段中选择和校验供配电系统及其各个元件所需的各项负荷数据，即计算负荷。

（2）计算负荷是一个假想的，在一定时间间隔中的持续负荷；它在该时间间隔中产生的特定效应与实际变动负荷的效应相等。

二、负荷计算的内容

平均负荷：（1）年平均负荷用于计算电能年消耗量；最大负荷与平均负荷用于计算最大负荷。（2）平均负荷宜由用电设备的电能消耗量除以相应的时间间隔求得，也可由设备功率乘以利用系数算出。

三、负荷计算的基本方法

1、负荷计算法应有可信的理论与实践基础，有可靠的一套实用数据。

2、常用的负荷计算方法有需要系数法、利用系数法和单位指标法。

3、需要系数法：算法的基础是负荷曲线，特点是逐级乘系数。步骤是设备功率先乘以需要系数，再逐级乘上同时系数，求得计算负荷。

4、设备功率的确定

进行负荷计算时，应将用电设备按其性质分为不同的用电设备组，然后确定设备功率。

5、单台用电设备的设备功率

（1）连续工作制电动机的设备功率等于额定功率。

（2）电焊机的设备功率是将额定功率容量换算到负载持续率ε为100%时的有功功率（KW）Sr——电焊机的额定容量；cos?——功率因数。

（3）白炽灯和卤钨灯的设备功率为灯泡额定功率，气体放电灯的设备功率为灯管额定功率加镇流器的功率损耗（荧光灯采用普通型电感镇流器加25%，采用节能型电感镇流器加15%~18%，采用电子镇流器加10%，金属卤化物灯、高压钠灯、荧光高压汞灯用普通电感镇流器时加14%~16%，用节能型电感镇流器时加9%~10%）

四、用需要系数法求东院的计算负荷

用电设备组的计算负荷：

有功功率Pc Pc=KxPe (KW) Kx：需要系数；Pe用电设备组的设备功率无功功率Qc Qc=Pctan?(kvar) tan?：用电设备组功率因数相对应的正切值视在功率Sc Sc=

计算电流Ic Ic= Ur：用电设备额定电压（线电压）

（1）实训区

（2）教学区（3）办公区（4）宿舍区

（5）其他生活区

（6）室外用电负荷

五、东院用电实际负荷估算

(一)需要负荷或最大负荷估算（6月~7月或12月~1月期间上班或上课期间的负荷估算。由以上计算的结果经计算可以得知：有功功率Pc=520.23KW ；

无功功率Qc=601.89Kvar ；

视在功率Sc=900.135KV A ；

计算电流Ic=1912.267 A 。

（二）其他月份上课时间的负荷估算

由以上负荷计算的结果经计算可知：有功功率Pc=480.17KW

无功功率Qc=500Kvar

视在功率Sc=700.21KVA

计算电流Ic=1170.95A （三）假期的负荷估算

由以上负荷计算的结果经估算：有功功率Pc=38KW

无功功率Qc=43Kvar

视在功率Sc=56KVA

计算电流Ic=68A

第三章新校区供电电力变压器的使用

3.1学院南院的负荷估算

湖南铁道职业技术学院分为南院和东院，南院主要是办公楼，教学楼，宿舍楼等，而东院除此之外还包括实训楼。根据东院的负荷统计及估算，由此可以估算出南院的负荷如下：

有功功率Pc=900KW

无功功率Qc=812Kvar

视在功率Sc=1160KV A

计算电流Ic=2120A

3.2新校区供电负荷的估算

学院东院及南院现共用两台三相电力变压器，每台均为S7-1000/10三相电力变压器，基本上可满足需要。

如果我们学校由老校区搬至新校区，东院和南院合并在一起，用电负荷会随之增加，经过初步的估算，新校区供电负荷如下：

有功功率Pc=1700KW

无功功率Qc=1360Kvar

视在功率Sc=2261KV A

计算电流Ic=3890A

3.3新校区供电电力变压器型号及使用

一、选用原则：

在分析三相电力变压器性能价格比的基础上，尽量采用我国目前生产的低损耗节能型三相电力变压器。

二、三相电力变压器型号的选择

1、我国生产的三相电力变压器标准沿革

“十一五”规划中，建设节约型社会是党中央国务院的重大方针政策，而贯彻“三相配电变压器能效限定值及节能评估值”国家标准，加速现有电网中老的配电变压器更新换代的节能潜力巨大、社会效益显著，是实施建设节约型社会的有效途径。

变压器在整个电力系统中是一种应用广泛的电气设备，一般来说，从发电、供电一直到用电，需要经过3~5次的变压过程，其自身要产生有功功率损耗和无功功率损耗。由于变压器台数多、总容量大，所以在广义电力系统（包括发、供、用电）运行中，变压器总的电能耗损占总的发电量的10%左右，其中配电变压器损耗率要高。按2007年我国供用电水平计算，意味着全年变压器总的电能损耗为2400KW·h以上，相当于3个中等用电量省份的用电量之和。我国变压器电能损耗大，是因为我国的城乡电网中和企业电网中老的高能耗变压器数量之大。

按变压器技术参数水平进行分析，可把建国以来的各类型变压器划分为四代产品：

（1）第一代：热轧硅钢片变压器