1、哈爾濱工業大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文- PAGE II - PAGE II -電力變壓器設計摘 要電力變壓器是電力系統中關鍵設備之一。隨著電力工業的迅速發展，其容量日漸升高、電壓等級也在突破原有等級、結構尺寸越來越大，其設計和制造的工藝是直接影響其運行質量和經濟效益的關鍵。因此電力變壓器的電磁計算就顯得極為重要。若可以在變壓器設計和制造上提出更加合理可行的方案，解決以往解決不了的問題，使變壓器的結構優化，將會具有重要的技術和經濟意義。本文主要是對電力變壓器進行電磁計算。首先對電力變壓器的發展歷史、基本的特性及變壓器的設計方法進行了簡單的闡述。電磁計算中，最開始的關鍵點是鐵心

2、的選擇，這是變壓器設計的起點；然后是繞組材料和絕緣結構型式的選擇，繞組相關數據，關鍵的是短路阻抗、負載損耗、空載電流、空載損耗等變壓器性能參數的計算；最后完成變壓器油箱、變壓器溫升、短路電動力、變壓器總油量和總質量的確定與計算。其中的短路阻抗計算數據較大，經過反復計算才可達到技術要求；在電磁計算的全過程中較為詳細的闡述了電力變壓器設計相關的基本公式和計算方法，給出了一套完整的設計方案。拓展了減小空載損耗和負載損耗的若干措施。關鍵詞: 電力變壓器；電磁計算；繞組Electric power transformersAbstractElectric power transformers are o

3、ne of the key equipment in the power system. Along with the rapid development of the electric power industry, the increasing capacity and voltage level of power transformers, and increasing size of power transformer, transformers structure, its design and manufacturing quality are directly affects i

4、ts operation quality and the key of economic benefit. Therefore the electromagnetic of power transformer is particularly important. If you can provide more reasonable and feasible design scheme solving difficult problem which previous experience cant solve, which for optimizing the structure of tran

5、sformers will have important technical and economic significance.This paper presents a bill of the electromagnetism calculation for power transformer. First of all simply expound the development history of power transformer, the basic characteristic and the design method of power transformer. In the

6、 electromagnetic calculations, the first thing is the choice of the core, it is the starting point and a key point for transformer design. then is winding materials and patterns selection, coils of related data calculation, the key is short-circuit impedance, load loss, idle current transformer desi

7、gn no-load loss, as an important parameter calculation, and finally complete the transformers mail, transformer temperature, short circuit force , transformer oil and the total weight which shuould be identified and calculated. The impedance vlotage bing on the biggest dificult in the process of ele

8、ctromagnetic calculation, for it need to be calculaed repeated to achieve technical requirement. In the process of electromagnetic calculation it is detailed introduced the basic formula in the calculation of the power transformer and calculation method, an integrative design method given.Keywords:

9、Power Transformer; Electromagnetic Calulation; WindingPAGE II- - PAGE IV -目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328366052 第1章 緒論 PAGEREF _Toc328366052 h 1 HYPERLINK l _Toc328366053 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc328366053 h 1 HYPERLINK l _Toc328366054 1.2 我國電力變壓器的最新發展趨勢及現狀

10、PAGEREF _Toc328366054 h 2 HYPERLINK l _Toc328366055 1.3 電力變壓器的作用 PAGEREF _Toc328366055 h 3 HYPERLINK l _Toc328366056 1.3.1 變壓器的工作原理 PAGEREF _Toc328366056 h 3 HYPERLINK l _Toc328366057 1.3.2 變壓器在電網中的作用 PAGEREF _Toc328366057 h 3 HYPERLINK l _Toc328366058 1.3.3 電力變壓器的結構特點 PAGEREF _Toc328366058 h 4 HYPE

11、RLINK l _Toc328366059 1.3.4 電力變壓器的性能參數 PAGEREF _Toc328366059 h 5 HYPERLINK l _Toc328366060 1.4 變壓器的設計原則 PAGEREF _Toc328366060 h 5 HYPERLINK l _Toc328366061 1.5 變壓器計算的一般程序 PAGEREF _Toc328366061 h 5 HYPERLINK l _Toc328366062 第2章 變壓器電磁計算 PAGEREF _Toc328366062 h 7 HYPERLINK l _Toc328366063 2.1 本設計的技術條件

12、PAGEREF _Toc328366063 h 7 HYPERLINK l _Toc328366064 2.2 變壓器設計 PAGEREF _Toc328366064 h 7 HYPERLINK l _Toc328366065 2.2.1 變壓器主要結構的確定 PAGEREF _Toc328366065 h 7 HYPERLINK l _Toc328366066 2.2.2 硅鋼片的選用 PAGEREF _Toc328366066 h 7 HYPERLINK l _Toc328366067 2.2.3 鐵心直徑的選擇 PAGEREF _Toc328366067 h 7 HYPERLINK l

13、_Toc328366068 2.2.4 鐵心截面的設計 PAGEREF _Toc328366068 h 8 HYPERLINK l _Toc328366069 2.3 電磁計算 PAGEREF _Toc328366069 h 8 HYPERLINK l _Toc328366070 2.3.1 額定電壓和額定電流的計算 PAGEREF _Toc328366070 h 8 HYPERLINK l _Toc328366071 2.3.2 繞組匝數的計算 PAGEREF _Toc328366071 h 9 HYPERLINK l _Toc328366072 2.3.3 繞組計算 PAGEREF _To

14、c328366072 h 11 HYPERLINK l _Toc328366073 2.3.4 絕緣半徑及導線長度計算 PAGEREF _Toc328366073 h 12 HYPERLINK l _Toc328366074 2.3.5 75時繞組直流電阻計算 PAGEREF _Toc328366074 h 14 HYPERLINK l _Toc328366075 2.3.6 繞組導線質量計算 PAGEREF _Toc328366075 h 14 HYPERLINK l _Toc328366076 2.3.7 短路阻抗計算 PAGEREF _Toc328366076 h 15 HYPERLIN

15、K l _Toc328366077 2.3.8 負載損耗的計算 PAGEREF _Toc328366077 h 17 HYPERLINK l _Toc328366078 2.3.9 空載損耗及空載電流計算 PAGEREF _Toc328366078 h 18 HYPERLINK l _Toc328366079 2.3.10 繞組的溫升計算 PAGEREF _Toc328366079 h 20 HYPERLINK l _Toc328366080 2.4 油箱尺寸計算 PAGEREF _Toc328366080 h 21 HYPERLINK l _Toc328366081 2.4.1 油箱尺寸估算

16、 PAGEREF _Toc328366081 h 21 HYPERLINK l _Toc328366082 2.4.2 箱壁散熱面積計算 PAGEREF _Toc328366082 h 22 HYPERLINK l _Toc328366083 2.4.3 散熱器的選擇及油和繞組溫升的計算 PAGEREF _Toc328366083 h 22 HYPERLINK l _Toc328366084 2.5 短路電動力計算 PAGEREF _Toc328366084 h 24 HYPERLINK l _Toc328366085 2.5.1 繞組區域劃分 PAGEREF _Toc328366085 h

17、24 HYPERLINK l _Toc328366086 2.5.2 安匝分布計算 PAGEREF _Toc328366086 h 25 HYPERLINK l _Toc328366087 2.5.3 漏磁計算 PAGEREF _Toc328366087 h 25 HYPERLINK l _Toc328366088 2.5.4 短路電流穩定值倍數計算 PAGEREF _Toc328366088 h 26 HYPERLINK l _Toc328366089 2.5.5 不平衡安匝漏磁組所產生的總軸向力計算 PAGEREF _Toc328366089 h 26 HYPERLINK l _Toc32

18、8366090 2.5.6 繞組導線應力計算 PAGEREF _Toc328366090 h 26 HYPERLINK l _Toc328366091 2.6 變壓器質量計算 PAGEREF _Toc328366091 h 28 HYPERLINK l _Toc328366092 2.6.1 總油量計算 PAGEREF _Toc328366092 h 28 HYPERLINK l _Toc328366093 2.6.2 油箱質量計算 PAGEREF _Toc328366093 h 29 HYPERLINK l _Toc328366094 2.6.3 附件質量計算 PAGEREF _Toc328

19、366094 h 29 HYPERLINK l _Toc328366095 2.6.4 變壓器總質量計算 PAGEREF _Toc328366095 h 30 HYPERLINK l _Toc328366096 2.7 本章小結 PAGEREF _Toc328366096 h 30 HYPERLINK l _Toc328366097 第3章 變壓器的損耗的優化 PAGEREF _Toc328366097 h 31 HYPERLINK l _Toc328366098 3.1 概述 PAGEREF _Toc328366098 h 31 HYPERLINK l _Toc328366099 3.2 優

20、化減小空載損耗的措施若干 PAGEREF _Toc328366099 h 31 HYPERLINK l _Toc328366100 3.3 優化減小負載損耗的措施若干 PAGEREF _Toc328366100 h 31 HYPERLINK l _Toc328366101 結論 PAGEREF _Toc328366101 h 33 HYPERLINK l _Toc328366102 致謝 PAGEREF _Toc328366102 h 34 HYPERLINK l _Toc328366103 參考文獻 PAGEREF _Toc328366103 h 35 HYPERLINK l _Toc328

21、366104 附錄 PAGEREF _Toc328366104 h 36- PAGE 10 - PAGE 45 -緒論課題背景電力變壓器發明于19世紀末，它為現代遠距離恒定高壓交流供電系統的發展奠定了基礎。在19世紀之前，公用供電的早期階段，均采用直流發電系統，人們不得不把發電設備靠近負載地點。隨著電力變壓器的出現，這一切就發生了徹底的改變。電力變壓器是電力系統的重要設備。隨著我國社會主義現代化建設的發展，特別是隨著電力網向超高壓、大容量方向的發展，對電力變壓器提出了新的更高的要求。近年來，我國在變壓器的理論研究和生產實踐方面取得了可喜的成就。我國的電力變壓器制造工業，從建國以來，隨著國民經濟

22、建設的發展，特別是隨著電力工業的大規模發展而不斷發展。電力變壓器單臺容量和安裝容量迅速增長，電壓等級也相繼提高。50年代發展到110kV級；60年代發展到220kV級；70年代發展到330kV級；80年代已發展到500kV級電力變壓器,近幾年電壓等級更是發展到了750kV、800kV、1000kV。建國前的1936年，我國只能生產單臺容量為300kVA的小型配電變壓器，到建國后50年代中期已能仿制31500kVA的電力變壓器，電壓等級已發展到110kV。60年代初我國由仿制階段過渡到自行設計和制造階段，60年代中期已發展到制造220kV、120000kVA電力變壓器。到60年代末期，電力變壓器

23、的容量已經發展到260000kVA。70年代初期已達到生產330kV級、360000kVA電力變壓器的水平，到80年代國內最大容量為400000kVA，1995年制造出了容量為450000kVA電力變壓器。我國西北地區的劉關線330kV系統中所用的升、降壓電力變壓器、聯絡用自耦變壓器，全部為國產品。電力變壓器的進一步發展趨勢是：進一步降低損耗水平，提高單臺容量，電壓等級向10001500kV特高壓方向發展。國外中小型電力變壓器的發展概況為了降低變壓器自身損耗，各國都制定了低損耗變壓器的標準，并在政策上對節能變壓器的生產給予優惠。日本、德國、比利時、意大利、瑞士等國家，在高效節能變壓器的研制、開

24、發和應用上領先一步，相繼研究出一些降低變壓器損耗的新材料、新工藝，并在結構上對變壓器加以改進（如高導磁優質冷軋晶粒取向硅鋼片、非晶合金卷鐵芯、無氧銅導線、箔式繞組、全斜拉板綁扎鐵芯，瓦楞油箱、超導技術等）。由于不斷的探索研究，變壓器節能效果越來越顯著，且體積、重量減小，可靠性提高，從而使高效節能變壓器的開發和應用更加深入和廣泛。如日本大阪變壓器廠生產的非晶合金變壓器（1992年占變壓器產量的10%），所用的非晶合金鐵芯在60Hz、1.4T時的鐵耗為0.21W/kg，僅為現有優質硅鋼片在相同條件下鐵耗（0.9W/kg）的1/4，節能效果十分顯著。瑞士ABB公司研制的330kVA單相超導變壓器，其

25、繞組由鐵鎳合金制成，浸在-269我國電力變壓器的最新發展趨勢及現狀電力變壓器是發、輸、變、配電系統中的重要設備之一,它的性能、質量直接關系到電力系統運行的可靠性和運營效益。20世紀50年代以來特別是改革開放以來為滿足我國電力工業發、變、配電工程的建設需要電力變壓器行業得到了較快發展1。根據我國電力工業裝備政策及技術政策要求，電力變壓器的發展趨勢應為提高產品運行的可靠性，只需少許維護或免維護，降低損耗，減少重量，實現有載調壓，品種多樣，滿足電力系統不同場所的需要。大型變壓器要向超高壓(500kV、750kV)、特高壓(1000kV等級)、大容量、輕結構、不吊芯方向發展。為解決運輸困難，要降低運輸

26、重量，采用新技術、新材料、新工藝，開發組合式、殼式和現場裝配式變壓器。中小型變壓器要進一步優化設計，使空載損耗大幅度降低。城網用變壓器應向難燃方向發展，如進一步推行性能更為優越、材料更為可靠的干式變壓器、SF6氣體絕緣變壓器及難燃油變壓器，采用新材料、新結構，以達到節能、不燃或難燃防火，降低噪音的目的。在農網中要根據農網季節性強、負載率低、農業生產需求變化大的特點，開發空載損耗更小的配電變壓器以及10kV、35kV調容變壓器。目前在農網建設改造中，應用新S9系列的同時，在技術經濟比較合理的情況下，可采用S11型和全密封卷鐵心單相及三相變壓器，或非晶合金鐵心變壓器。季節性負荷變化大的地區，應積極

27、采用調容變壓器。進入21世紀后，知識創新、技術創新和高新技術產業已是當今世界各國綜合國力競爭的核心，科技競爭力將成為國民經濟發展和政治穩定的重要因素，在科學技術已經成為世界經濟增長第一要素的形勢下，世界電力工業的科技進步與創新也越來越快，要發展我國電力工業，加快科技進步與創新是十分重和迫切的，設備的更新占有重要的地位。隨著國際國內高溫超導材料的研制成功，使得超導限流器成為最具優勢的一種限流器。超導限流器技術是目前國際前沿技術，超導限流器在國內的研制成功，將使新一代變壓器產品性能和設計原則發生變化，變壓器的短路阻抗將會變小，損耗和重量可進一步降低，短路電流產生的機械力將大幅度降低，變壓器可靠性更

28、高。這項前沿技術對高壓、超高壓直至特高壓電力變壓器制造也具有實際意義1。目前，我國生產的箔式繞組電力變壓器經國家科委鑒定已達到90年代世界先進水平，它的繞組是采用鋁箔或銅箔氧化技術和特殊工藝繞組的，匝間距離小，層間分布電容增大，從而提高了變壓器自身的功率因數，降低了自身的電能損耗，還具有較強的過載能力、較好的耐溫性和可靠性，與同容量S9銅線變壓器相比，其價格低5-10%。近年來，國內電力變壓器廣泛用YSF4型壓力釋放閥取代變壓器防爆管，其優點是：動作精度高（達到美國凱利特勞爾公司產品標準）；延時時間短；自動開啟，自動關閉，克服了防爆動作后必須停電更換零部件的缺點，因而維護、檢修大大簡化。大型變

29、壓器要向超高壓（500kV、750kV）、特高壓（1000kV等級）、大容量、輕結構、不吊芯方向發展。為決絕運輸困難，要降低運輸重量，采用新材料、新技術、新工藝，開發組合式、殼式和現場裝配式變壓器。中小型變壓器要進一步優化設計，使空載損耗大幅度降低。城網用變壓器應向難燃方向發展，如進一步推行性能更為優越、材料更為可靠地干式變壓器、SF6氣體絕緣變壓器及難燃油變壓器，采用新材料、新結構，以達到節能、不燃或難燃防火，降低噪音的目的；在農網中要根據農網季節性強，負載率低，農業生產需求變化大的特點，開發空載損耗更小的配電變壓器以及10kV、35kV調容變壓器。目前在農網建設改造中，應用新S9系列的同時

30、，在技術經濟比較合理的情況下，可采用S11型和全密封卷鐵芯單相及三相變壓器，或非晶合金鐵心變壓器。季節性負荷變化大的地區，應積極采用調容變壓器。電力變壓器的作用變壓器的工作原理變壓器是一種靜止的電氣設備，它利用電磁感應作用將一種電壓、電流的交流電能轉換成同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。變壓器是電力系統中重要的電器設備。眾所周知，輸送一定的電能時，輸電線路的電壓越高，線路中的電流和損耗就愈小，為此，需要用升壓變壓器把交流發電機發出的電壓升高到輸電電壓，通過高壓輸電線將電能經濟地輸送到用戶地區，然后再用降壓變壓器將電能逐步從輸電電壓降到配電電壓，供用戶安全而方便的使用2。變壓器在電網中的作用電

31、力變壓器是電力網中的主要電氣設備。變壓器將水力或火力發電廠中發電機組所產生的交流電壓升高后，向電力網輸出電能的稱為升壓變壓器。發電廠內還要安裝該廠用電變壓器，供起動機組之用。用于降低電壓的變壓器稱為降壓變壓器。用于聯絡兩種不同電壓網路的變壓器稱為聯絡變壓器(包括自耦變壓器與三繞組變壓器)。將電壓降低到電氣設備工作電壓的變壓器稱為配電變壓器。配電前用的各級變壓器稱為輸電變壓器。電力變壓器的結構特點變壓器產品包括變壓器、互感器、調壓器、電抗器等，品格規格繁多，但基本原理和結構是相似的，電力變壓器的外型如圖1-1所示。圖1-1 電力變壓器外形圖結構則由下面幾部分組成：1. 鐵心：電力變壓器的鐵心由硅

32、鋼片經剪切成一定的尺寸后疊積而成，對中小型變壓器亦有硅鋼片卷制而成的鐵心。2. 繞組：三相電力變壓器繞組由一次繞組、二次繞組、對地絕緣層（主絕緣）、一二次間絕緣及由燕尾墊片，撐條構成的油道與高壓和低壓引線構成。3. 油箱及底座：油箱及底座是油浸式變壓器的容器和支撐部件，他們支持著器身和所有的附件。4. 套管和引線:套管和引線是變壓器一、二次繞組與外部線路的連接部件，引線是通過套管引到油箱外部，套管既可固定引線，又起引線對地的絕緣作用。5. 散熱器和冷卻器：它們是油浸式變壓器的冷卻裝置，中小型電力變壓器的散熱器。大容量的變壓器，采用油浸風冷，強迫油循環風冷，也采用油浸水冷或油浸強迫水冷方式。6.

33、 凈油器：凈油器也叫濾油器，是由鋼板焊成圓桶形的小油罐，罐里也裝有硅膠之類的吸濕劑，當油溫變化而上下流動時，經過凈油器達到吸取油中的水分、渣、酸、氯化物的作用。7. 儲油器：儲油器也叫油枕，用來補償變壓器油因溫度變化而發生的體積變化，同時具有減輕和防止變壓器油氧化和受潮的裝置，它是用鋼板剪切成形后，焊接制成，并通過管子和油箱里絕緣油溝通。8. 繼電器：繼電器安裝在油箱和儲油柜連接管之間，是變壓器內部故障的保護裝置，當內部發生故障時，向運行人員發出信號或自動切斷電源，保護變壓器。9. 分接開關：分接開關是用來連接和切斷變壓器繞組分接頭，實現調壓的裝置，它分為無勵磁分接開關和有載分接開關。10.

34、溫度計：溫度計是用以測量變壓器上層油的溫度而設的，中小型電力變壓器較多采用酒精溫度計，大型變壓器則采用信號溫度計，另外變壓器上還用電阻溫度計，壓力式溫度計等。 電力變壓器的性能參數1.變壓器額定容量；2.相數；3.頻率；4.變壓器一、二次側的額定電壓；5.繞組接線方式和聯結組；6.變壓器冷卻方式；7.絕緣水平；8.負載特點；9.安裝特點；10.短路阻抗；11.負載損耗；12.空載損耗；13.空載電流3。以上技術參數中前九項是由電力系統技術條件和環境及使用條件決定的。最后四項參數是由“三相油浸式電力變壓器技術參數和要求”規定的，或者由用戶和制造廠商共同協商而定，是變壓器設計中重要的四個參數，在進

35、行變壓器設計之前，必須明確設計任務書中的這些技術參數。變壓器的設計原則變壓器作為產品，有商品的屬性特點。變壓器的設計原則與其他商品屬性基本一致。在完成功能中追求價格優勢是最佳的。不過在當今強調降低成本的同時，設計成為了一大難題。“節能不節錢”引發的思考，值得大家來深思。所以企業單位團體應該設計出更加完美的變壓器。輕便、小巧，最重要的是性能俱佳、成本不高、如此的變壓器設計得到越來越多的廣大市場的青睞和追求。公司在確定出產品中有的非常詳盡。例如列出了變壓器的工作頻率、傳輸功率。這種雙贏的行為值得其他企業和單位的學習和效仿，不過在推出產品的同時也要考慮到其他產品的實踐，能否經得起市場的考驗，在市場群

36、體中站住腳。變壓器計算的一般程序電力變壓器電磁計算的任務在于確定變壓器的電、磁負荷和主要幾何，計算性能數據和各部分的溫升以及計算變壓器的重量、外形尺寸，利用電磁計算可以比較合理確變壓器生產和運行的經濟性、運行的可靠性等，因此變壓器的電磁計算是變壓器生產制造的基礎，也是變壓器能否安全運行的基礎。變壓器計算的一般手工計算的設計程序如下：1. 確定硅鋼片品種、牌號及鐵心結構形式，計算鐵心直徑，選定標準直徑，得出鐵心柱和鐵軛截面積。2. 根據硅鋼片牌號，初選鐵心柱中的磁通密度，計算每匝電勢。3. 初算低壓繞組匝數，湊成整數匝，根據整數匝在重算鐵心柱中的磁通密度計每匝電勢，在算出高、中壓繞組、4. 根據

37、變壓器額定容量及電壓等級，確定變壓器的主、縱絕緣結構、5. 根據繞組結構形式，確定導線規格，進行繞組段數、匝數的排列，計算繞組的軸向高度及輻向尺寸。6. 初算阻抗電壓無功分量（f）值，應小于便準值（zk）。7. 計算繞組負載損耗，算出阻抗電壓的有功分量(r)，檢查阻抗電壓是否符合標準規定值，若不符合時應調整達到標準規定值范圍。8. 計算繞組導線對油的溫差，不合格時，可調整導線規格，或調整線段數及每段匝數的分配，當超過規定值過大時，則需要變更鐵芯柱直徑。9. 計算短路機械力及導線應力，當超過規定值時，應調整安匝分布，或加大導線截面積。10. 計算空載性能及變壓器總損耗，計算油溫升，當油溫升過高或

38、過低時，應調整冷卻裝置的數目。11. 計算變壓器重量。應該指出，電力變壓器計算必須根據國家的經濟、技術政策和資源情況以及制造和運行方面的要求，合理地制定變壓器的性能數據和相應的主要幾何尺寸。由于制造和運行的角度不同，對某些性能數據的要求也往往有所不同。在進行變壓器計算時必須綜合考慮各方面因素，并應進行多種方案比較，以便從中選取最佳方案4。目前，電子計算機在變壓器計算和設計方面的廣泛應用，給快速進行變壓器計算、設計和方案比較、選擇最佳方案提供了方便條件變壓器電磁計算本設計的技術條件本設計的基本技術條件如下，其他的技術性能指標均應滿足國家和行業相關標準的要求：額定容量： 1000kVA 電壓組合：

39、 高壓10kV 低壓 0.4kV 分接系數： 5%聯接組標號： Yyn0 空載損耗： 1.70kW空載電流： 1.0%負載損耗： 10.30kW 短路阻抗： 4.5%變壓器設計變壓器主要結構的確定1.鐵心結構:采用三相三柱式鐵心,鐵心的迭積采用斜接縫疊積法以適應冷軋硅鋼片的方向性。2.鐵軛結構:鐵軛的級數與鐵心柱級數完全一致,這樣兩者磁通分布均勻，鐵軛截面可以與鐵心柱一致節省了材料。硅鋼片的選用鐵心采用30Q140冷軋硅鋼片。在50Hz、1.7T時，單位損耗為1.240W/kg，磁化容量為3.140V/kg。鐵心直徑的選擇鐵心直徑的大小，直接影響材料的用量、變壓器的體積及性能等經濟指標。故選擇

40、經濟合理的鐵心直徑是變壓器設計的重要一環。硅鋼片重量和空載損耗隨鐵心直徑增大而增大，而線圈導線重量和負載損耗隨鐵心直徑增大而減小。合理的鐵心直徑就是硅鋼片和導線材料的用量比例適當，達到最經濟的效果，故鐵心直徑的大小，與采用的硅鋼片性能和導線 材料直接有關。根據關系式的推導，鐵心直徑與變壓器容量的四分之一次方成正比的關系，但因為變壓器分單相、三相、雙繞組、三繞組、自耦等，同樣容量但消耗材料不同。一般都按材料消耗折算成物理容量進行計算，為了計算方便，均以每柱的物理容量為基礎，按下式求出鐵心直徑D。對于高、低各繞組容量均為100%的雙繞組變壓器，每柱容量為:(kVA)因此鐵心直徑:mm式中:Pn 各

41、繞組額定容量的總和；mzh套有繞組的鐵心柱數；KD鐵心直徑經驗系數；K系數，由硅鋼片性能和導線材料而定。采用冷軋硅鋼片、銅導線時，K取5560。按標準鐵心直徑D取為240mm鐵心截面的設計鐵心柱截面積確定：鐵心柱截面形狀應根據繞組結構型式而定。殼式變壓器繞組為矩形，則鐵心柱截面積亦為矩形。心式變壓器繞組為圓形，為了適應圓形繞組的要求及充分利用繞組內部空間，鐵心柱一般制成階梯圓柱形，各小階梯（級）均為矩形。本設計采用心式變壓器，故鐵心柱制成階梯圓柱形。鐵心級數的確定：鐵心柱截面為一多階梯形，外形接近于一個圓，當鐵心直徑一定的情況下，鐵心級數越多，鐵心的有效截面積越大，但級數多時，硅鋼片疊片的規格

42、就多、制造工時就多。根據材料供應情況和制造工藝水平，應盡力增加鐵心柱級數。根據經驗本本設計中鐵心的級數選為8級。硅鋼片最大片寬的確定：迭片寬度是根據硅鋼片入廠時的寬度而定。為了套截，成張硅鋼片寬度應為每級片寬的倍數，硅鋼片波浪度較大時，還要考慮去邊。由于大中小型變壓器的鐵心可以互相套截，而且進廠硅鋼片的寬度又是不固定的，故每級片寬一般是采用10mm一進級。必要時，允許有個別5mm一進級的，直徑取D=240mm時，直筒內徑為250mm。 有效截面積Szh=410.7電磁計算額定電壓和額定電流的計算1. 在假定變壓器沒有電阻，沒有漏磁和沒有鐵耗的情況下進行對電壓、電流及匝數的計算。2. 低壓繞組為

43、“Y”型接線，其線電壓與相電壓相等，線電流等于 EQ R(,3) 倍的相電流：VA3. 高壓繞組“Y”型接，其線電壓等于 EQ R(,3) 倍的相電壓，線電流等于相電流：VA4. 高壓繞組各分接處的線電壓及相電壓：+15分接處：kVkV-15分接處：kVkV繞組匝數的計算1. 每匝電勢初選值：V/匝Bc鐵心柱內磁通密度初選值（T），對于冷軋硅鋼片Bc=1.71.75T（小容量取小值），此處取1.7T。2. 低壓繞組匝數計算：匝 取15匝V/匝磁通密度：T3. 高壓繞組匝數計算：高壓繞組在額定分接時的匝數，即基本繞組匝數： 取375匝調壓繞組匝數: 取19匝選擇開關位置 1分接位置時， 2分接位

44、置時， 3分接位置時， 4. 電壓比偏差（V%）計算 一般 式中：-每匝電勢（V）；-高壓線圈各分接位置的每相匝數；-高壓各分接位置的相電壓（V）。 合格 合格 合格繞組計算低壓繞組1. 低壓繞組匝數為15匝2. 雙螺旋式繞組，8根撐條，30mm寬墊塊; 3. 導線規格ZB-0.45，14根并聯，即14| ；4. 電流密度： 5. 低壓繞組尺寸計算： 低壓繞組輻向尺寸為：72.811.02=20.063mm； 低壓繞組軸向尺寸為：1515.452=463.5導線高度,mm + 90 油道高度,mm553.5 - 27.5（5%）壓縮系數 526電抗高度,mm 25繞組到上軛的距離,mm + 2

45、5繞組到下軛的距離,mm 576鐵窗高度,mm高壓繞組1. 高壓繞組匝數為375匝；2. 連續式繞組，8根撐條，30mm寬的墊塊；3. 導線規格ZB-0.45， 導線有效截面積為19.64mm24. 電流密度： 5. 高壓繞組尺寸計算高壓繞組輻向尺寸：（72.54+41+7）1.02=22高壓繞組軸向尺寸：1256.45=574.75導線高度,mm- 48.75（10.8%）壓縮系數526電抗高度,mm25繞組到上軛的距離,mm+ 25繞組到下軛的距離,mm 576鐵窗高度,mm絕緣半徑及導線長度計算線圈絕緣半徑計算 120 鐵心柱半徑,mm + 10 低壓繞組到鐵心的距離C ,mm 130

46、低壓繞組內半徑,mm + 20 低壓繞組輻向厚度,mm150 低壓繞組外半徑，mm + 14 高低壓繞組主空道距離,mm164 高壓繞組內徑,mm + 22 高壓繞組輻向厚度,mm193 高壓繞組外徑,mm 2 386 高壓繞組外直徑,mm + 31 相間主空道距離,mm 410 鐵心中心距,mm 其中a12、相間空道距離查表取14、31。繞組尺寸示意圖：圖2-1繞組尺寸示意圖 繞組平均半徑1.低壓繞組平均半徑：mm2.高壓繞組平均半徑：mm繞組平均匝長計算式中：Rp各線圈平均半徑。低壓繞組：m高壓繞組：m繞組導線總長計算低壓繞組：m高壓繞組：m75時繞組直流電阻計算直流電阻計算公式：式中：p

47、k導線電阻系數。銅導線（75）：m/mm2 Sq線圈導線總截面積低壓繞組：高壓繞組：繞組導線質量計算式中：-相數 -線圈導線的密度，銅導線：1.低壓繞組:kg2.高壓繞組:kg ， kg式中：絕緣紙占裸導線質量的百分數； 紙包扁銅線：，%式中：導線每邊匝絕緣厚度，mm； 裸導線的厚度，mm； 裸導線的寬度，mm； 單根導線截面積，。1.低壓繞組%kg2.高壓繞組%kg短路阻抗計算當線圈幾何尺寸確定后，應首先計算阻抗分量。短路阻抗Zd由電阻分量Rd%和電抗分量Xd%兩部分組成，但對較大容量變壓器，因為電阻分量Rd%很小，計算時可以略去。電抗分量Rd%都是以額定電壓的百分數表示的，其計算公式如下：

48、%式中：低壓線圈安匝數（或取高壓線圈安匝數），安匝；每匝電勢（V）；繞組平均有效電抗高度（cm）；洛式系數：； 漏磁場總寬度（cm）；漏磁寬度（cm）。電抗高度：cm漏磁寬度： cm 洛氏系數：漏磁等值總面積： cm2 短路阻抗：電抗分量調整：短路阻抗的允許誤差值，按標準規定為10%，但由于制造時影響阻抗因素很多，故一般計算時誤差控制在34%以下，從上可知符合標準。電抗計算，往往不能一次計算就能符合要求，需作適當調整，頻率和電流是不可能調變的，電抗分量的調整有三種方法：1. 調整匝數N及每匝電勢ez。當電抗值偏大時，可增加每匝電勢ez增大，匝數N必然會減少，從而達到降低電抗的目的。若使ez改變

49、需調整磁密和鐵心直徑，這種方法因變動較大，一般都不用。2. 調整D及高低壓線圈平均有效電抗高度Hk。當電抗值偏大時。可增加高低壓線圈平均高度Hk，增大，D必然隨之縮小。調整導線ab尺寸及調整段數均可達到調整Hk及D的目的。3. 調整高低壓線圈間距離，在滿足絕緣最小距離情況下，增減高低壓線圈間的距離，可使電抗值增大或減小。這種方法浪費材料，最好不用負載損耗的計算一對繞組運行時的負載損耗：式中：PR被計算的一對繞組的導線電阻損耗之和；Pf被計算的一對繞組的導線附加損耗之和； Py被計算的一對繞組的引線損耗之和； 被計算的一對繞組的雜散損耗；繞組導線電阻損耗計算電阻損耗計算公式：式中：mx相數；I

50、分接的相電流；Rq分接的想電阻。高壓電阻損耗：W低壓電阻損耗：W附加損耗計算附加損耗：式中： Kf繞組導線的附加損耗系數，一般用占導線電阻損耗的百分數表示，此處高壓Kf=5%，低壓Kf=12%。高壓繞組：W低壓繞組:W引線損耗計算有時為了計算簡便起見，引線損耗可用引線損耗占繞組導線電阻損耗PR的百分數來估計：式中：Ky%引線損耗占繞組導線電阻損耗的百分數，查表高壓繞組，低壓繞組。高壓繞組：W低壓繞組：W雜散損耗計算對于1000kVA型變壓器，一般采用層式線圈結構，由于它的漏磁不大，故將雜散損耗一并在附加損耗中予以考慮，不在單獨計算。負載損耗計算負載損耗：W10.3kW合格空載損耗及空載電流計算

51、空載損耗計算空載損耗：式中：kpo空載損耗工藝附加系數，鐵心為全接縫時，取1.3；Ptx鐵心硅鋼片單位損耗，根據鐵心柱磁通密度。查表取W/kg； Gtx鐵心硅鋼片總重量W空載電流計算空載電流由兩部分組成。一部分電流使鐵心產生主磁通，稱勵磁電流（）。另外在鐵心接縫處有間隙存在，磁阻增大也要消耗一部分勵磁能量，需要供給一部分電流，這部分電流稱為接縫勵磁電流（）。這兩部分電流的總和稱為空載電流的無功分量（）。另外，變壓器鐵心中有空載損耗存在，此損耗需要電源供給能量，即需要一部分電流。由于此電流是損耗所要求，作了功，故稱為空載電流的有功分量（）。有功分量（）計算:，%式中：空載損耗，W；變壓器額定容量

52、，。故%無功分量（）計算：，%式中：鐵心柱單位勵磁容量，； 鐵心柱接縫處單位勵磁容量，； 鐵心柱中總的接縫數； 勵磁電流附加系數。故% 符合標準。繞組的溫升計算繞組熱負荷計算： ， 式中：系數，85時銅導線:=22.1； 線段中的電流，A；繞組沒段匝數；線匝絕緣修正系數； 當 時：=1； 當 時：；裸導線厚度，mm；帶絕緣導線厚度，mm；導線中總的附加損耗百分數（）；線餅的遮蓋系數； 線餅的周長，mm；繞組輻向并聯根數；帶絕緣導線寬度，mm。2.繞組的溫差計算（1）低壓繞組：a.表面熱負荷計算：=22.1，=577.38，=1，=1，=2.95，；代入式（23）得： b.繞組對油的平均溫升計算

53、：Kc.繞組的絕緣校正溫差計算：因匝絕緣厚度為0.45mm，故d.線段油道寬度的校正溫升計算：Ke.繞組對油的溫升按式計算： K（2)高壓繞組：a.表面熱負荷計算：，l=，；代入式（23）得：b.繞組對油的平均溫升計算：Kc.線圈的層間絕緣校正溫差計算：Kd.層式繞組表面最熱點對油的平均溫升計算 K油箱尺寸計算油箱尺寸估算油箱尺寸是由線圈尺寸、線圈對油箱的距離、開關、套管、引線尺寸的布置決定的，油箱尺寸的最后確定，是由布置圖來定，但在計算時也應該盡量估計準確。本設計采用矩形油箱1. 油箱內壁長度Lb估算：mm2. 油箱寬度Bb估算：mm3. 油箱內壁周長lzh估算：mm4. 油箱高度Hb估算：

54、mm式中：M0鐵心中心距（mm）；D1調壓繞組外直徑（mm）；CL至油箱兩邊空隙（mm）；CB延繞組寬度方向至油箱兩邊總空隙（mm）；hem鐵軛高度（mm）；hj 墊腳總高度（mm）；CH 鐵心頂部至油箱空隙（mm）。箱壁散熱面積計算1. 箱蓋幾何面積計算m2 2. 箱壁幾何面積計算 m2 散熱器的選擇及油和繞組溫升的計算散熱器的選擇選用片式散熱器；共選用2只7片散熱器，自冷式的每片散熱面積為：每片散熱器油重：每片散熱器本體重：則有效散熱面積：式中：Kg 箱蓋有效散熱系數，取； Kpb 箱蓋有效散熱系數，取0.85； Sg 箱蓋幾何面積（m2）； Sb 箱壁集合面積（m2）； Sps片式散熱器

55、總有效散熱面積（m2）。式中：mps片式散熱器只數； P片距修正系數 -半片寬與片間空隙之比，； Bp片式散熱器寬度（mm），取310； ap片間中心距（mm），取50； s片厚（mm），取13； Cps片式散熱器中心距（mm）； p片數修正系數：； Kph片高修正系數： p表面系數，自冷式： SD對流散熱面（m2）： =m2 SF輻射但熱面（m2）： =m2 np每只片式散熱器片數。m2m2油箱單位總熱負載計算油對空氣的溫升計算： W/m2油對空氣的平均溫升：K繞組對空氣的平均溫升計算：低壓繞組：高壓繞組：短路電動力計算線圈的機械力是由交變的漏磁通引起的（變壓器正常運行時，高、低壓線圈中都有

56、漏磁通存在，并隨電流的加大而增加），高、低壓電流的方向相反，作用于線圈上的力的方向將把兩個線圈推開，稱輻向力。漏磁通的方向并不完全垂直線圈的輻向，而有一部分橫向漏磁通穿過線圈，這是將產生所謂軸向力，使線圈壓縮。軸向力沿線圈的高度分布是不均勻的，其大小與線圈所在位置的橫向磁場的磁通密度成正比。對于輻向力，沿線圈圓周高度，都可以看成是均勻分布的。一般結構的變壓器，其輻向力大于軸向力。當變壓器接有正常的負載運行時，作用在線圈導線上的力很小。當變壓器發生突然短路的故障時，短路的沖擊電流高達額定電流的30多倍，導線上的應力要增大1000倍。這樣大的力，可能使線圈損壞，所以設計變壓器時，必須對線圈的機械強

57、度加以核算8。繞組區域劃分表2-1 繞組區域劃分區域高壓繞組低壓繞組匝數高度匝數高度 = 1 * ROMAN I100144.74144 = 2 * ROMAN II99144.14144 = 3 * ROMAN III99144.13144 = 4 * ROMAN IV99144.14144安匝分布計算表2-2安匝分布區域高壓安匝低壓安匝不平衡安匝平均安匝平均高度 = 1 * ROMAN I25.326-0.725.65147.744 = 2 * ROMAN II24.926-1.125.45146.592 = 3 * ROMAN III24.926-1.125.45146.592 = 4

58、* ROMAN IV24.922-2.921.45123.552總和1001000100578漏磁計算漏磁高度：cm橫向洛式系數計算：cm m =0.316 漏磁總安匝計算6.321.45 =2.5489 短路電流穩定值倍數計算式中：Zk變壓器短路阻抗； Zs線路阻抗。式中：Pad -系統短路容量（kVA），查表取。不平衡安匝漏磁組所產生的總軸向力計算 kg 式中：Kd短路電流沖擊系數，一半計算時取1.6；Rp 繞組平均半徑（cm）。繞組導線應力計算高壓繞組導線應力計算1. 由輻向力引起的拉應力：式中：IN額定相電流（A）；N每相額定匝數；mb每個繞組并聯分支數；nb 線段中導線并聯根數；Hd

59、繞組有效高度（cm）；-單根導線截面積（cm2）。2. 由軸向力引起的彎曲應力：式中：am最大漏磁組的不平衡安匝百分數；a、b導線軸向寬度（cm）、導線幅向厚度（cm）；R被計算繞組的外半徑（cm）；Z沿圓周分布的墊塊數；A墊塊寬度（cm）。 3. 高壓繞組導線上受到的總應力：kg/m2 低壓繞組導線應力計算1. 由軸向力引起導線的彎曲應力計算： kg/m2 2. 由輻向力引起的導線壓縮力計算： kg/m2 3. 由輻向力引起的彎曲應力計算： kg/m2 4. 內繞組導線總應力計算： kg/m2銅導線的許用應力，由此可見：總應力小于銅導線的許用應力，因此是允許的。 變壓器質量計算 總油量計算器

60、身總油量計算：式中：GFe硅鋼片質量（kg）；GCu戴絕緣的銅導線質量（kg）。（kg）油箱橫截面積： m2油箱裝油量計算：kg 油箱內油質量kg附件中油質量計算：冷卻裝置油質量：kg儲油柜油質量：儲油柜中的油質量，一般為變壓器總油量的4%-5%3kg凈油器中油質量：kg總油質量計算：kg變壓器箱體質量計算：kg 油箱質量計算箱蓋質量：kg箱底質量：kg箱壁質量： kg油箱總質量：kg 附件質量計算散熱器質量：kg儲油柜質量：kg凈油器質量：kg散熱器電動機質量kg附件總質量kg 變壓器總質量計算kg本章小結通過已知的參數，對變壓器的額定電壓與電流、變壓器阻抗電壓、導線重量和電阻阻值、負載損耗