电力变压器保护毕业设计 - 图文

S11-500/10-0.4变压器的设计及制造工艺

摘 要：对于目前在城网、农网改造中新S9型、S11型配电变压器，还有卷铁心、非晶合金、全密封、组合、干式、高燃点油、SF6气体绝缘等变压器，就要求向小容量化、降低噪声、就近安装、美化环境、环网供电，以尽量缩短低压配线，降低二次线损，改装电压品质方向发展。在此基础上，配电变压器除满足保护可靠和安装、使用方便的基本要求外，努力在不增加太多投资的情况下，使配电变压器做到降耗节能。所以对于S11型低耗能、全封闭变压器就有研究的必要，所以本人想对S11-500/10-0.4型变压器进行设计以对其损耗进行分析。

通过该课题设计可达到1）培养学生正确的设计思想与设计方法；2）培养学生综合、灵活应用所学知识去分析和解决工程设计中遇到的一些工程技术问题；3）提高学生调查研究、设计计算、理论分析、查阅资料及绘制图样等各方面的基本技能。

关键词：变压器；卷铁心；S11-M；二次线损；损耗

S11-500/10-0.4 type transformer design and

manufacturing

Abstract: For the present in the city nets, rural reform S9 type, S11 new type distribution transformer, and roll core, amorphous alloy, and the seal, combination, the dry, high flash point SF6 gas oil, insulation transformer, requires the capacity to reduce noise, small, and drew near unto installation, beautify the environment, ring network power supply, to try to shorten the low voltage wiring, reduce secondary line loss, modified voltage quality development direction. On this basis, the distribution transformer protection in addition to satisfying reliable and convenient installation and use of the basic requirements, efforts to increase investment in not too much, to distribution transformer do consumption energy saving. So for the S11 type low consumption and fully enclosed transformer is the necessary research, so I want to S11-500/10-0.4 type transformer design based on the loss for analysis.

Through the project design can be up to 1) train students' correct design idea and design methods; 2) students' comprehensive, flexible application knowledge to

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analyse and solve engineering encountered in the design of some technical issues; 3) to improve the students' study, design calculation, theoretical analysis, access to information and drawing pattern of each respect such as the basic skills.

Key words: transformer; Roll core; S11; Secondary line loss; loss

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前言

1.1 一、电力变压器在电力工业中的地位和作用

1.1.1 1.电力变压器的发展历史

1882年高纳德（Gaulard)和吉伯斯（Gibbs)的交流供电系统，获得英国专利。他们用一种叫做“第二发电机”（具有开口铁心，是变压器的前身）的设备来升高和降低电压。

第一台闭合铁心，在铁心柱外有绕组的变压器，是1884年9月16日由德利（M.Dery)、伯拉锡（O.Blathy）和济拍劳斯基（K.Zipernovsky）在匈牙利的干茨（Ganz）工厂制造出来的，这台变压器是单相变压器，容量为1400KVA，电压比为120/72V，频率为40Hz，并在他们的专利申请中首次使用“变压器”这一术语。

1885年在达佩斯展览会上展出了这台设备。

美国人威斯丁豪斯（Westinghouse）买了几台高纳德和吉伯斯的交流电压变换设备及其专利，开始重新进行机械和电气设计。1886年第一台用于交流照明系统的变压器投入使用并获得成功，随着这一项技术得到迅速的发展。1890年AEG（原德国通用电气公司）工厂的多里弗-多不夫斯基（M.O.Dolivo-Do-browsky）发明了三相变压器。

从1886年变压器用于照明得到实际使用后，交流输电电压和容量增长很快。1949年新中国成立以后。随着国民经济的快速发展，电力工业也同样得到了快速发展，特别是改革开放以来，电力工业的发展速度更比以前有所提高，见表1-1。

表1-1 新中国电力工业和变压器工业的发展

年份/a 发电机装机/万 kW 年发电量/亿 kW.h 变压器年产量/万 kWA 1949 1995 1996 1997 2000 185 21724 23600 25000 31932

43 10069 10794 11350 13685 11.9 13444 14002 12446 18177 3

2001 33861 14839 20832 1.1.2 2.电力变压器在国民经济中的作用

由于电力做为能源，可以从能源产地将煤炭、石油、天然气或核能的转换成电力后，很方便的通过变压器由输电线路将电能输送到需要动力能源的地方。电力输送比其他形式的能源输送都更简单、方便，如图1-3所示。

启动厂用变压器厂用电系统自耦变压器三线圈变压器发电机升压变压器降压变压器接用电设备降压变压器配电变压器图1-3 变压器在电力网中的应用示意图 Fig l-3 The application of transformer in electrical diagram

变压器的工作原理与结构

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。因此，它的结构是两个或两个以上互相绝缘的绕组套在一个共同的铁芯上，它们之间通过磁路的耦合相互联系。所以，如同旋转电机一样，变压器也是以磁场为媒介的。两个绕组中的一个接到交流电源上，称为一次绕组，另一个接到负载上，称为二次绕组。当一次绕组接通交流电源时，在外加电压作用下，一次绕组中有交流电流流过，并在铁芯中产生交变磁通，其频率和外加电压的频率一样。这个交变磁通同时交链一次、二次绕组，根据电磁感应定律，便在二次绕组内感应出电动势。二次绕组有了电动势，便向负载供电，实现了能量传递。

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图1—1 单相变压器原理图

如图1-1所示，它是由两个匝数不等地绕组绕在一个闭合的铁芯上构成的。铁芯是用硅钢片叠装而成的，铁芯柱左边的绕组称为一次绕组（也称初级绕组或原绕组），其匝数为N1。另一侧绕组称为二次绕组(也称次绕组或副绕组)，其匝数为N2。当二次侧开路，将一次侧接入交流电压U1时，则一次绕组中便有电流I0流过，这个电流通常称为空载电流。空载电流便产生空载磁动势，在铁芯中便有磁通Φ0通过，此时在一、二次侧便产生感应电动势。

E1=4.44fN1Φm （1—1）

E2=4.44fN2Φm （1—2）

式中：

E1—一次侧自感电动势(V)；

E2—二次侧互感电动势（V）；

f—电源频率(HZ)； N1—一次绕组匝数； N2—二次绕组匝数；

Φm—交变主磁通的最大值（Wb）； 在空载情况下，两绕组的电压比为：

U1E1N1===Kv （1—3） U2E2N2式中KV为变压比[4]。 电力变压器基本结构

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随着变压器技术的发展，其结构越来越趋于复杂。变压器的品种繁多，结构型式也是千变万化，如图1-2为一台电力变压器外形结构。结合电力变压器的基本结构概况作一介绍，其结构组成部分如下（图1-3）：

图1—2 电力变压器外形实例图

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图1—3 电力变压器基本构成

变压器是由套在一个闭合铁芯上的两个绕组组成的，铁芯和绕组是变压器最基本的组成部分。此外，还有油箱、储油柜、吸湿器、散热器、防爆管或压力释放阀、绝缘套管等等。变压器各部件的作用如下：

铁芯：它是变压器电磁感应的磁通路，变压器的一、二次绕组都绕在铁芯上，铁芯是用导磁性能很好的硅钢片叠装成的闭合磁路。为了减少涡流，铁芯一般采用含硅1%～4.5%，厚度为0.23mm～0.35mm的硅钢片叠装而成。

绕组：它是变压器的电路部分。变压器分高、低压绕组，即一次、二次两绕组。它是由绝缘铜线或铝线绕成的多层线圈套装在铁芯上。导线外边的绝缘一般采用纸绝缘。

油箱：它是变压器的外壳，内装铁芯、绕组和变压器油，同时起一定的散热作用。

储油柜：当变压器油的体积随油温的变化而膨胀或缩小时，储油柜起着储油和补油的作用，以保证油箱内充满油。储油柜还能减少油与空气的接触面，防止油被过速氧化和受潮。一般储油柜的容积为变压器油箱容积的1／10。储油柜上装有游标管，用以监视油位的变化，即油位计。

吸湿器：由一个铁管和玻璃容器组成，内装干燥剂如硅胶。储油柜内的油是通过吸湿器与空气相通。吸湿器内装干燥剂吸收空气中的水份及杂质，使油保持良好的电气性能，吸湿器又称呼吸器。

散热器：当变压器上层油温与下层油温产生温差时，通过散热器形成油的循环，使油经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器温度的作用。为提高变压器油冷却得效果，可采用风冷、强迫油循环和强油水冷等措施。

安全气道：装于变压器的顶盖上，桶状或喇叭形管子，管口用玻璃板封住并用玻璃刀刻上“十”字。当变压器内有故障时，油温升高，油剧烈分解产生大量气体，使油箱内压力剧增，这时安全气道玻璃板破碎，油及气体从管口喷出，以防止变压器油箱爆炸或变形，目前一般采用压力释放阀来代替安全气道又称防爆管。

高、低压绝缘套管：它是变压器高、低压绕组的引线到油箱外部的绝缘装置，起着固定引线和对地绝缘的作用。

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分接开关：它是调整电压比的装置。双绕组变压器的一次绕组及三绕组变压器的一、二次绕组一般都有个分接头位置3～5（三个分接头中间分接头为额定电压位置，相邻分接头相差±5%，多分接头的变压器相邻分接头相差±2.5%）。

气体继电器：它是变压器的主要保护装置，装于变压器的油箱和储油柜的连接管上。变压器内部发生故障时，气体继电器的上触点接信号回路，下触点接断路器跳闸回路，能发出信号并使断路器调闸。

二、变压器设计计算应注意的问题

设计者在计算前，应仔细审阅合同规定的详细要求条款与有关标准的规定，尤其对非标准产品和某些特殊要求的产品，应引起足够的重视，常见非标准及特殊要求如下：

a.变压器是否在正常条件下使用，如环境温度、海拔高度等。 b.三绕组变压器及自藕变压器的容量组合。.

c.电压组合、调压范围及有载调压变压器级电压的选取。 d.变压器绝缘水平有无特殊要求（主要指高压变压器）。 e.阻抗电压有无特殊要求（主要指高压变压器）。 f.空载损耗和负载损耗之比是否有特殊要求。

三、变压器设计计算步骤

a.决定基本的电磁参数：决定高压、中压及低压绕组的线电压、相电压、线电流、相电流及绕组电流。

b.铁心直径估计和绕组匝数的确定。

c.绕组计算及主纵绝缘的确定：主要包括高、中及低压绕组型式的选择，绕组尺寸的计算，主、纵绝缘距离的确定，对于高电压大容量变压器应进行冲击分布和绝缘强度的计算。 d.阻抗电压计算

e.绕组数据、铁心数据及油箱尺寸的计算。

f.损耗计算：空载损耗、负载损耗计算，而负载损耗中主要是涡流损耗、不完全换位损耗及结构损耗的分析计算。

g.温升计算：包括绕组对油的温升以及不同冷却方式的温升计算。

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h.绕组机械力的计算。 i.重量计算。

j.夹件、压板、油箱等部位机械强度的分析计算。

第二章 电力变压器电磁计算

2.1 技术条件

1. 额定容量：500KVA，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：28.87A；低压：721.7A 5. 绕组连接方法：Dyn11 6. 额定电压比：10±5%/0.4kV 7. 空载电流：I0%≤1.2% 8. 空载损耗：680W 9. 负载损耗：5150W 10. 阻抗电压：Uk%≤4%

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. 高压线圈为D联结： 线电压：

UL=Up=10(kV)

2. 低压线圈为Y联结： 相电压：

(V) UL=400Up=UL400==230.94(V) 332.2.2高、低压线圈额定电流计算

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1. 高压线圈电流：

IL=SN500==28.87(A) 3UL3×10IP=IL28.87==16.67(A) 332. 低压线圈电流：

IL=IP=SN500==721.7(A) 3UL3×0.42.3铁芯主要尺寸的确定

2.3.1铁芯直径选择

铁芯柱直径的大小，直接影响有效材料的消耗、变压器的体积及性能等技术指标，故选择技术经济合理的铁芯直径是变压器计算的重要内容。硅钢片重量和空载损耗随铁芯柱直径的增大而增大，而线圈导线重量和负载损耗则随铁芯柱直径增大而减小。合理的铁芯柱直径，应使硅钢片和导线材料用量比例适当，达到最经济的效果。铁芯直径选得过大时，铁重增大，而用铜量减少，变压器成矮胖形；铁芯直径选得过小时，则会得到相反的结果。

变压器每柱容量：

Sz=SN500==166.67(kVA) 33应用经验公式计算铁芯柱直径，查《电力变压器计算》表3.5冷轧片Kd取50~55。

D=(50~55)*4(S/3)=(50~55)*4(500/3)=180~198mm

取D=188mm。

硅钢片选取：该变压器的硅钢片是冷轧高导磁取向硅钢片，型号为27QG100，即标称厚度为0.27mm.这种硅钢片性能好，单位损耗小：50HZ， 1.7T时单位铁损1.0w/kg，多为低损耗比变压器所采用。最小磁感应强度B800=1.85T（在50Hz、

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800A/m交变磁场强度下测得），理论密度ρ=7.65kg/dm3，最小叠片系数为

k0=0.95。

2.3.2铁芯截面积计算

为了适应圆线圈的要求及充分利用线圈内部空间，铁芯柱一般制成阶梯圆柱形，各小阶梯（级）均为矩形，如图2-1。

图2—1 铁芯截面图 1—接缝 2—油道

铁芯截面积见表2-1

表2—1铁芯截面积

级序号 1 2 3 片宽 叠厚 每级叠厚 89 19 14

毛截面积mm 12905 5320 3640 2净截面积cm 125.18 51.61 35.31 2备注 11

145 89 140 38 130 28

4 5 6 7 8 9 120 16 110 14 95 80 60 40 14 12 12 6 8 7 7 6 6 3 叠片系数 毛截面积 净截面积 1920 1540 1330 960 720 240 17.65 14.94 12.9 9.31 6.98 2.33 0.97 285.75 277.18 由于冷轧硅钢片的方向性强，在铁芯柱与铁轭转角处，磁通沿垂直于硅钢片的轧制方向通过，引起励磁电流和空载损耗增加。为了避免这种情况，一般采用斜接缝叠积法如图2-2。

图2—2 铁芯的接缝

2.4线圈匝数计算

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2.4.1初选每匝电压

1. 根据电磁感应原理，感应电势的有效值与主磁通Φm之间的大小关系：

Up=式中：

2πfWΦm=4.44fWΦm=4.44fWBmAC×1024=WBmAC （2—1） 45f—频率，取为50HZ；

W—线圈匝数；

Φm—磁通，Φm=Bm×AC；

Bm—铁芯柱内磁通密度初选值，暂定为16.9(kGS)； AC—铁芯净截面积（cm2）； 2. 每匝电压计算如下： 当额定频率为50Hz时

et=BmAc=16.9×227.18=10.41 (V/匝)

450450 2.4.2低压线圈匝数确定

1. 低压线圈匝数：

WD=UP=230.94=22.184（匝） et10.41取整数为：22匝 2. 确定每匝电压：

et=230.94=10.497(V) 223. 磁通密度：

B=450et450×10.497==17.04(kGS) AC277.18 2.4.3高压线圈匝数确定

1. 额定分接匝数

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W0=UL10000==952.65（匝） et10.497取953匝。 2. 分接的匝数

Wt=953×5%=47.65（匝）

取48匝。

3. 最大分接匝数：W1=1001匝；最小分接匝数：W3=905匝 2.4.4电压比校核

一般只校核高压线圈的相电压，因为它带有分接调压线圈。由于et是根据低压线圈计算的，故低压线圈的相电压偏差很小，可以不必计算。

1. 各分接线/相电压为：

线10000950010500

相100009500105002. 对于±5×5%分接调压的高压线圈的额定电压及各分接的电压按以下

方式校核：

式中：

'UxgUxgUxg×100%≤±0.25% (2—2)

Uxg—相电压的标准值；

'

—计算的相电压； Uxg

9500-905×10.497×100=0.0022%合格

950010000-953×10.497×100=-0.036%合格

1000010500-1001×10.497 ×100=-0.07%合格

105002.5线圈几何尺寸的计算

2.5.1导线选取

1. 低压线圈

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低压导线选取：组合导线是由两根或三根略有绝缘的扁导线组合而成，外面包有规定的共同匝绝缘，即多根并联导线只相当于单根导线的匝绝缘，从而线圈每段辐向尺寸可以减少。电压等级高的变压器，当采用组合导线后，其匝绝缘占线段辐向尺寸减少。因此，采用组合导线绕制的线圈无疑可以提高铁芯窗口的空间利用系数。组合导线采用厚度较小的扁导线组成自然可以降低导线的涡流损耗。

每匝采用6根组合扁导线（3并2列的方式），裸线取b×a为3.55mm×9.5mm 导线带绝缘的高度：9.5+0.5=10(mm) 导线带绝缘宽度：3.55+0.5=4.05(mm) 电流密度： δ=2. 高压线圈

同心式线圈中涡流损耗与线圈导线辐向厚度的平方成正比。随着变压器容量的增大，线圈导线尺寸增大，因此对于大容量变压器而言，限制线圈中的附加损耗是十分重要的。尽管可以采用多根截面较小的导线导线并联绕制线圈，但截面小，并联根数过多，线圈绕制困难，甚至无法绕制，因此目前采用换位导线来解决线圈中附加损耗过大问题。

为了便于换位，导线并联根数一般采用奇数。导线规格，原则上采用目前变压器线圈通用的扁线规格。为了降低附加损耗，导线截面积不宜过大，一般扁导线厚度在1.25至2.88mm；宽度在4至10mm。

每匝采用根组合扁导线，裸线取b×a为1.9mm×3.75mm。 导线带绝缘的高度：3.75+0.5=:4.25(mm) 导线带绝缘宽度：1.9+0.5=2.4(mm) 电流密度：δ=IP16.67==2.46(A/mm2) S6.762IP721.7==3.626(A/mm2) S33.182.5.2导线排列

1. 低压线圈排列

低压线圈采用双层式，共22匝，6根并联绕制，分为2层。每层11匝。 2. 高压线圈排列

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高压线圈采用多层式，共1001匝，单根绕制，分12层。前11层每层84匝，第12层为77匝。

2.5.3线圈高度计算

电力变压器线圈高度,对阻抗电压值以及变压器的温升、机械力、材料消耗和重量等技术指标均有影响，因此，在线圈型式选定后，确定线圈高度是变压器计算中重要内容。

线圈高度，一是指线圈压缩后的总高度；另一是指线圈的电抗高度。所谓电抗高度，是指变压器阻抗电压计算时的线圈净高度（线圈起末头间，裸线到裸线之间的距离）。

中小型变压器及一部分大型变压器，不受铁路运输高度限制，这种变压器线圈高度的计算，主要是满足阻抗电压的要求。

1. 低压线圈高度

H=(9.5+0.5)×(3×(11+1)+1)×1.01=373.7mm

取线圈高度为374mm，下图为低压线圈示意图：

2. 高压线圈高度

H=(3.55+0.5)×(84+1)×1.01=364.86mm

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取线圈高度为365mm，下图为高压线圈高度示意图：

2.5.4线圈辐向宽度

1. 低压线圈：(3.55+0.5)×2×1.08+4+(3.55+0.5)×2×1.08≈ 21.5(mm) 2. 高压线圈：

((1.9+0.5)×4+0.24×3)×1.08+1+((1.9+0.5)×8+0.24×7)×1.08≈ 34.5（mm）

2.5.5绝缘半径及窗高

1. 线圈横轴绝缘半径

72.5铁心半径4低压对铁心的距离76.5低压线圈内径(R1)8.5低压1线圈厚度85低压1线圈外径

4.5油道89.5低压油道内径8.5低压2线圈厚度98低压2线圈外径（R2)7主漏空道 17

105高压线圈内径(R3)11高压1线圈厚度116高压1线圈外径 1高低压间油道117高压2线圈内径22.5高压2线圈厚度139.5高压2线圈外径(R4)2. 线圈纵轴绝缘半径

44.5加厚片宽44.5+72.5=117铁心半径4低压对铁心的距离121低压线圈内径8.5低压1线圈厚度129.5低压1线圈内径4.5油道134低压油道内径8.5低压2线圈厚度142.5低压2线圈外径7主漏空道

149.5高压线圈内径11高压1线圈厚度160.5高压1线圈外径4高低压间油道 164.5高压2线圈内径22.5高压2线圈厚度187高压2线圈外径

下图为高压线圈和低压线圈幅向尺寸示意图：

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图1 低压线圈

图2 高压线圈 3.窗高的计算

H0=线圈高度+绝缘端圈厚度×2+铁轭绝缘厚度×2=374+5.5×2+10×2=405

因此，H0取405mm

2.5.6导线长度

1. 线圈平均半径

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(1) 低压线圈为r1=R2-R1+R1=87.5mm 2(2) 高压线圈为r1=2. 线圈平均匝长

R4-R3+R3=121mm 210-3=0.726(m) (1) 低压线圈为l1=(2πr1+89)×10(2) 高压线圈为l2=(2πr2+89)×-3=0.9838(m)

3. 线圈导线总长度

(1) 低压线圈为L1=l1×22+0.5=16.5(m)

1001+0.5=985(m) (2) 高压线圈为L2=l2×2.5.7线圈直流电阻

75℃时每相导线直流电阻计算如下： 低压线圈：R1=ρL10.02097×16.5=≈ 0.0017（Ω） S133.18×6ρL20.02097×985=≈2.79（Ω） S26.762高压线圈：R2=2.5.8导线重量计算

1. 裸导线重量

G=3LAg×103

式中：

L—导线总长（m）；

A—导线的面积mm2由《电力变压器计算》续表4.3查得； g—导线比重，铜导线（8.9g/cm3） (1) 低压线圈重量

10 G1=3L1A1g×3=3×16.5×33.18×6×8.9×10-3=87.8(kg)

(2) 高压线圈重量

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结论

电力变压器电磁设计是电力变压器设计和制造的基础，它的好坏直接影响后续工作的进行。通过手算了解各部分参数之间存在比较复杂的关系，去公司三个月的实习对变压器有了初步了解。本文主要针对电磁设计进行研究，并对结构改进进行较深入的探讨，主要研究内容：

介绍了课题研究的背景和国内外电力变压器研究的现状和趋势；阐述了电力变压器的基本原理和基本结构特征。

进行了500kVA/10kV电力变压器的电磁分析和计算，主要内容包括阻抗电压、空载、负载损耗、温升、短路电动力等的计算，计算结果能够满足技术规范要求。

针对电力变压器的空载损耗、负载损耗、噪音、温升、局放、渗漏及抗短能力，介绍了如何改进变压器的结构以降低空载损耗和负载损耗、噪音、局放及提高抗短路能力，并达到防渗漏的效果。

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10. 梁永勇．关于110kV变压器结构和工艺特点介绍．技术改进与创新，2004：33~35

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14. Intermaticnal Electrotechnical Comission. INTERNATIONAL STANDARD. On pas, 1999: pp9~33

42

L2—高压1外径周长；

L3—高压2内径周长；

L4—高压2外径周长。

2. 表面单位热负荷：

Pf12328=841.94(w/m2) q=1.032×=1.032×S2.85423. 绕组温升：

T1=0.065×q0.8=0.065×864.8850.8=14.5372(°c)

4. 层校正温升: 式中：

N—线圈层数； 5. 绝缘校正温升:

T2=0.002×(N-2?3）×q×0.64=0.002×（12-6）×841.94×0.64=6.466（°c)

T3=0.002×(N-3）×（0.45+0.08×3-0.64）×q=0.002×（12-3）×（0.45+0.08×3-0.64）×841.94

=0.7577（°c）6. 绕组总温升:

T4=T1+T2+T3=14.228+6.466+0.7577=21.452（℃）

2.8.2低压线圈温升

1.绕组有效散热面积：

S=3×HXX×[0.5×L1+0.85×(L2+L3+L4)]×10-6=3×352.4×[0.5×659+0.85×(712+740+794)]×10-6 =2.31m2式中：

L1—低压1内径周长；

L2—低压1外径周长；

26

L3—低压2内径周长；

L4—低压2外径周长。

2.表面单位热负荷：

q=式中：

1.032PDS1.032×2716==1213.3(W/m2) S2.31PDS—被计算线圈75℃时的负载损耗；

S—被计算线圈的有效散热面积(m2)

3.绕组温升：

T1=0.065×q0.8=0.065×1213.30.8=19.0585(°c)

4.绕组总温升:

T4=T1=19.0585（℃）

2.8.3油对空气温升

1. 片式散热器的有效散热面积 波翅散热面积：

Sc=α×[(n1+n2)×2-4]×2×L×B×10=8.69(m2)-6-6=0.58×[(19+9)×2-4]×2×600×240×10

式中：

α—波纹片散热系数；

B—散热片宽（mm）查《电力变压器计算》附表8.2；

H—散热片高（mm）查《电力变压器计算》附表8.2；

n1,n2—波纹片长轴，短轴的片数；

波壁散热面积：

Sb=α×0.035×(m-4）×L×10-3 =0.58×0.035×(56-4)×600×10-3 =0.6337(m2)

27

式中：

m—散热器波纹数量（mm）。 波角散热面积：

Sj=4×2×L×B×10-6 =4×2×600×240×10-6

=1.152(m2)片式散热器有效散热面积：Ag=Sc+Sb+Sj=10.4757(m2) 式中：

m—散热器数； 2. 油箱有效散热面积： 箱盖：

A1=0.75×L×B=0.75×920×450×10-6=0.3105(m2)

式中：

L—油箱长（mm）； B—油箱宽（mm）； 箱壁的有效散热面积：

A2=[L-2×J×(n1+n2-2)]×H0×10-6+2×J×(n1+n2-2）×（H0-H)×10-6=[2740-2×45×（19+9-2）]×845×10-6+2×45×（19+9-2）×（845-600）×10-6=0.8565(m2)

式中：

L—油箱周长（mm）；

H0—油箱高（mm）； J —节距（mm）；

片式散热器油箱总有效散热面积：

A=A1+A2+Ag=0.3105+0.8565+10.4757=11.643(m)油箱单位热负荷：

2

28

qT=ΣP5712==491(W/m2) A11.64375℃时变压器总损耗，ΣP=5042+670=5712(W) 3. 油对空气的平均温升 油浸风冷式：

Ty=0.262×qT线圈对空气的平均温升：

0.8=0.262×4910.8=37.25（℃）

τX=T4+Ty

高压线圈：τ高=21.452+37.25=58.7℃ 合格 低压线圈：τ低=19.0585+37.25=56.31℃ 合格

2.8.4油箱尺寸

1. 油箱内高度

H=H0+2Hc+Hd+H1=405+145×2+15+115=825( mm)

式中：

H0—铁芯窗高（mm）； Hc—铁轭的最大片宽（mm）；

Hd—垫脚高（mm）查《变压器设计手册》（电磁计算部分）表11-1

H1—铁芯至箱盖距离（mm）由《变压器设计手册》（电磁计算部分）表11-2

查得

2. 油箱宽度：B=D+B1=370+80=450(mm) 式中：

D—外线圈的直径（mm）

B1—高低压侧对油箱空隙（mm）由《变压器设计手册》（电磁计算部分）

表11-3查得。

3. 油箱长度计算：

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L=D+2M0+B2=280+2×290+60=920(mm)

式中：

D—外线圈的直径（mm）；

M0—铁芯柱中心距（mm）；

B2—长轴方向A、C相外线圈对油箱空隙，由《变压器设计手册》（电磁

计算部分）表11-3查得

2.9变压器重量计算

2.9.1油重量计算

1. 器身排油重量：

Gpy=式中：

GFeGCu559.15261+=+=129.68(kg) 7.84.57.84.5Gpy—器身排油重(kg)；

GFe—硅钢片重(kg)； GCu—带绝缘的铜导线重(kg); 2. 油箱装油重 油箱截面积：

Ad=LB=9.2×4.5=41.4(dm2)

式中：

L—油箱长（dm）； B—油箱宽（dm）；

Gky=0.9HAd=0.9×8.25×41.4=307.4(kg)

式中：

H—油箱高度（dm）；

30

Ad—油箱截面积； 3. 油箱内油重

GNy=Gky-Gpy=307.4-129.68=177.72(kg)

4. 散热器中油重 片式散热器，14组

Gey=Negey=0.986×56=55.2(kg)

式中：

Ne—散热器数目；

gey—每只散热器中油重（kg）； 5. 储油柜中油重

选φ760 柜内油重Ggy=9.9981（ kg）查《电力变压器计算》表10.5

6. 总油重

Gy=GNy+Gey-Ggy=177.73+55.2-9.9981=223(kg)

2.9.2器身重

Gg=K(GFe+GCu)=1.15×(260.9+559.15)=943(kg)

式中：

K取1.15；

GFe—硅钢片重（kg）； GCu—带绝缘的铜导线重（kg）；

2.9.3油箱重量

1. 箱盖重量

Gg=7.85δgLB×10-6=7.85×8×1040×570×10-6 =37.23(kg)式中：

L—油箱长（dm）；

31

B—油箱宽（dm）；

δg—箱盖厚度（dm）由《电力变压器计算》表10.7查得

下图为箱盖：

2. 箱底壁面重量

Gd=7.85δdLB×10-6=7.85×6×946×756×10-6 =33.685(kg)式中：

L—箱底壁面展开长（dm）； B—箱底壁面展开宽（dm）；

δd—箱底厚度（dm）由《电力变压器计算》表10.7查得 下图为箱底壁面及其展开图：

32

3. 箱底侧面重量

Gc=7.85δbLB×10-6×2=7.85×6×454×155×10-6×2=6.62（kg）

箱底侧面1

33

箱底侧面2

4. 油箱总重

Gx=K(Gg+Gb+Gc)=1.15×(33.685+37.23+6.62)=89.2(kg)

34

2.9.4附件重

散热器重：GS=Ngs=56×2.9=162.4(kg) 套管总重量：Gi =17.2(kg)

附件总重：Gf=GS+Gi=162.4+17.2=179.6(kg)

2.9.5变压器总重

ΣG=Gg+Gx+Gf+Gy=223+89.2+943+179.6 =1435(kg) 35

下图为油箱总装图：

2.10电磁计算的小结

1．铁芯取三柱外铁式，可减小漏磁场径向分量； 2．从绝缘考虑，高压绕组采用饼式绕组；

3．为减小环流，低压绕组可取层式或螺旋式；为减少焊点，应取螺旋式。

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第三章 变压器结构改进

3.1变压器结构改进措施

随着变压器制造技术的不断发展，110kV国产变压器已接近或达到国外变压器的先进水平。针对变压器的损耗、噪音、局放、渗漏及抗短路能力等几方面是如何改进结构和工艺的作一些介绍。

1. 降低变压器噪声和空载损耗

1) 优化电磁计算方案，选择合理磁通密度，保证正常工作电压下有一定的裕度，在系统电压偏高时不出现磁饱和，并计算选择合理的铁芯自振频率，防止铁芯共振。

2) 选用0.3mm优质冷轧晶粒取向高导磁硅钢片，利用带去毛装置的德国乔格公司产800mm硅钢片全自动剪切线剪制，保证毛刺小于0.02mm。

3) 铁芯叠积时采用全斜接缝、不断轭、无孔、无绑扎、不叠上铁轭、六步进叠级结构工艺，控制叠片精度和接缝，减少搬运次数，大大降低了铁芯工艺损耗系数。

4) 铁芯紧固采用特殊结构和工艺，芯柱为不绑扎结构，利用专门配制的多组份固化胶刷端面，使芯柱形成一个整体。同时合理控制铁芯夹紧力，铁芯夹紧不是仅作用末级芯片上，而是通过阶梯木使铁芯每级都受到均匀的夹紧力，使整个铁芯成为一个牢固整体，保证了铁芯具有良好的垂直度和平整度。

5) 铁芯轭片采用宽幅板式夹件夹持，夹件与侧梁形成框架结构，并在专门部位采用特定的顶紧装置，使铁芯整体更加牢固、可靠。

6) 器身与油箱接触构件采用特殊结构，尽量减少振动。 7) 折板式油箱的瓦楞表面使声波形成不规则反射，避免共振。

由于采用了以上几个措施，使得变压器空载损耗性能比国标GB/T6451-1999的规定值降低了40%以上。噪声也有了较大幅度的降低，自冷变压器噪声最低可达到53dB以下 [10] 。

2. 降低变压器负载损耗和温升

1) 选用优质无氧铜材料生产的纸包线、复合导线、自粘性换位导线，降低电阻损耗。

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2) 选用合适的电流密度、导线规格、线圈型式、完善的换位措施、精细的排列方式，降低电阻损耗和涡流损耗。

3) 改进器身结构和油箱结构，降低杂散损耗。

4) 采用薄纸筒小油隙带曲折导油系统的线圈结构，降低结圈的温升;选择优质高效的散热器，加大散热面裕度，降低变压器的油温升 [13] 。

由于采用了以上几个措施，使得变压器负载损耗性能比国标GB/T6451-1999的规定值降低了20%以上。变压器的温升大大降低，保证了变压器在高温期的满载、甚至过载连续运行。

3. 提高抗短路能力

1) 优化电磁计算，单独设立调压线圈，使线圈安匝分布趋向均衡，所有线圈保持在同一中心线上且上下对称，使短路力降到最小程度。

2) 进行动稳定的定量计算，确定线圈的失稳临界力、垫块压应力、轴向和径向扭曲力、周向张力和压应力等，并留有足够的保险系数。

3) 器身装配采用220kV的分相组装相套技术，线圈垫块采用进口高密度纸板，经密实去毛后冲制，并使用预压机进行预压，实现在规定吨位下达到规定高度，单个线圈进行二次带压真空干燥和三次压装，利用线圈压装机实现线圈在规定的压力状态下达到规定的高度尺寸。所有线圈绕制时均带张紧装置，保证幅向符合图纸要求，所有器身绝缘件均为带园角精加工件，保证尺寸准确、无毛刺，线圈组装前所有器身绝缘件都进行预干燥处理。在组装过程中严格控制套装间隙，实行无间隙套装，并保证在线圈出炉后10小时内全部组装完毕，分相组装后的线圈实行带压真空干燥，出炉后再经调整后才可套入铁芯。这样可以有效地控制各线圈高度及组装时同心度和紧实度，使产品符合设计要求。

4) 低压线圈采用高强度绝缘筒做为骨架，并经特殊工艺处理，使变压器的抗短路能力大大提高。调压线圈也采用厚纸筒做为骨架，提高了线圈的机械强度和稳定性。

5) 由于内线圈直接在高强度绝缘筒上绕制，配以铁芯采用不绑扎的胶接技术，分相组装的线圈套入铁芯后在环氧筒与铁芯之间配装撑板和撑棒，达到线圈与铁芯之间的钢性支撑。

6) 器身下部采用整园托板，并通过水平放置的高密度电工层压木与下节油

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箱的箱底接触支撑，支撑面积达80%以上，上部采用穿过窗口的高密电工层压木整园压板，另加两块半园副压板，大大提高器身稳定性并保证器身受压均匀。压钉焊在上夹件上，压钉数量至少在20个以上，保证了整个器身压紧压实。

7) 整个器身采用六向刚性定位，器身上部采用特殊防冲撞结构，铁芯、器身、引线均采用防松结构。

8) 引线保证有足够的电气和机械强度及绝缘距离，采用层压木框架式夹持，保证所有引线都有可靠夹持。

9) 变压器出厂前在厂内进行预组装，并进行二次吊罩，更换箱沿胶条，检查变压器通过浸油以后所有紧固件有无松动现象，并及时处理好。采用以上的结构工艺后，使得变压器抗短路能力大大提高。变压器经受了国家检测中心突发短路试验，性能优越，另有多台主变现场运行时经受了出口短路故障的考验丝毫无损。

4. 降低变压器局放

1) 精确计算场强分布情况，仔细调整，使其处于匀布状态，减少电场畸变，确保电场最集中的部件其场强低于起始放电场强。

2) 绝缘结构件设计制造圆整化，避免局部电场集中。

3) 采用合理的的高压出线部件，引线部件针对低局放进行设计和分布，对地距离参数选择合理。

4) 静电板采用新式结构，并标准化。

5) 高、中压引线采用冷压接工艺，低压引线采用碳精焊接，接头和焊接点采用特殊工艺光滑屏蔽处理。

6) 采用300kW煤油汽相干燥工艺处理器身，利用煤油蒸汽冷凝使器身得到冲洗，另外变压器出厂前更换新油，使整个变压器内部冲洗一遍，保证变压器内部整洁干净。

7) 采用全真空注油，使绝缘件得到有效浸渍，避免因气泡而产生的局放。 8) 按ISO9001程序要求进行采购控制，避免因原材料引起局放，并严格工艺纪律，提高现场管理水平。

9) 主要生产车间实施全封闭无尘化。现变压器局放基本都能保证在70pC以下［11］。

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5. 防渗漏

1) 变压器的油箱采用平箱顶、大波浪折板式箱壁(定购宽幅钢板，保证无拼缝)、平板式箱底，使焊缝数量大大减少，并合理排布，尽可能采用角接缝双面焊接，降低焊接内应力。油箱制造采用钢板预喷丸和整体喷丸处理技术，提高漆膜附着力，特别是整体喷丸利用钢丸的高速冲击消除焊接应力。

2) 变压器下节油箱及箱沿加工在专用的平台上进行拼装，保证其平整度;上节油箱箱沿与下节油箱进行配制，大罩箱沿密封面采用磨光处理，保证密封面平整度。

3) 所有密封面(除大罩箱沿)全部进行金工加工处理，并加大法兰厚度，提高法兰的抗变形能力，保证法兰的平整度。

4) 采用沟槽密封结构，有效控制密封件的受力和安装位置，提高密封件的抗老化能力。

5) 对油箱进行0.1MPa正压试漏和133Pa真空试验，检查油箱渗漏和进行强度考核，保证油箱具有足够机械强度且不渗漏。

6) 采用优质真空蝶阀，该蝶阀预先安装于变压器本体法兰上，在散热器等安装后处于不受力状态，保证密封件压缩均匀有效。放油阀门采用铜质波纹管阀门，阀门的阀体和阀芯分开能更为有效地实现开合功能。以上两种阀门均采用沟槽式密封结构，能有效控制密封件受力，提高密封件的抗老化能力。

7) 储油柜和所有联管逐台进行配制，在总装时全部进行厂内预装，各接口打上相应标记。

8) 变压器及所有附件在厂内安装结束后进行72小时0.05MPa (最高点压力)油压试验，保证变压器整体不渗不漏。

9) 采用优质橡胶件，指定使用西北橡胶厂和南通神马橡胶有限公司产品。 10) 上、下油箱采用双密封槽结构有效密封，并可根据要求焊死密封。 由于采取以上措施，变压器保证做到无渗漏。

3.2本章小结

变器制造技术不断发展，国产110kV变压器已接近或达到国际先进水平。本章着重介绍如何改进变压器的结构以降低损耗、噪音、局放、渗漏水平及提高抗短路能力。

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