完整版10KV干式变压器设计毕业设计论文.docx
《完整版10KV干式变压器设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版10KV干式变压器设计毕业设计论文.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版10KV干式变压器设计毕业设计论文
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
摘要……………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………………II
第1章概述………………………………………………………………………………1
1.1干式变压器的发展及前景…………………………………………………………1
1.2干式变压器的应用场合……………………………………………………………2
1.3干式变压器的分类…………………………………………………………………2
1.4冷却方式及其标志…………………………………………………………………3
1.5温升限值及参考温度………………………………………………………………3
1.6绝缘水平……………………………………………………………………………4
1.7干式变压器的过载能力……………………………………………………………4
1.8干式变压器的防护方式……………………………………………………………5
1.9干式变压器的环保标准……………………………………………………………5
第2章设计要点……………………………………………………………………………6
2.1铁心相关计算………………………………………………………………………6
2.1.1铁心直径的选择……………………………………………………………6
2.1.2铁心的空间填充系数………………………………………………………6
2.1.3铁心叠片系数………………………………………………………………7
2.1.4铁轭截面和形状的选择……………………………………………………7
2.1.5其它…………………………………………………………………………8
2.2高低压绕组匝数的计算……………………………………………………………8
2.2.1初算每匝电压………………………………………………………………8
2.2.2低压绕组匝数的计算………………………………………………………9
2.2.3磁通密度和磁通的计算……………………………………………………9
2.2.4高压绕组匝数的计算………………………………………………………10
2.2.5电压比校核…………………………………………………………………10
2.3绕组相关尺寸和铜重的计算………………………………………………………11
2.4关于H级干式变压器的绝缘结构…………………………………………………12
2.4.1概述…………………………………………………………………………12
2.4.2关于NOMEX纸的技术性能………………………………………………12
2.4.3用NOMEX纸做原料的H级干式变压器…………………………………14
2.5温升计算……………………………………………………………………………14
2.5.1开敞通风式干式变压器的温升计算原则…………………………………15
2.5.2有关参数的补充说明………………………………………………………18
第3章10KV干式变压器的设计计算……………………………………………………19
3.1技术参数……………………………………………………………………………19
3.2铁心直径及绕组匝数………………………………………………………………19
3.3绕组计算……………………………………………………………………………20
3.4铁心柱心距及线圈的径向尺寸……………………………………………………20
3.5阻抗计算……………………………………………………………………………21
3.6铁心重量及损耗计算………………………………………………………………21
3.7空载电流计算………………………………………………………………………22
3.8温升计算……………………………………………………………………………22
第4章需要探讨的一些问题………………………………………………………………25
4.1H级干变和环氧浇注干变的比较…………………………………………………25
4.2电流密度的选择……………………………………………………………………26
4.3关于温升……………………………………………………………………………28
4.4关于容量……………………………………………………………………………29
4.5关于联结法…………………………………………………………………………29
4.6低温的使用环境……………………………………………………………………29
4.7噪声和发热问题的控制……………………………………………………………30
4.8合理利用干式变压器的过载能力来节省投资……………………………………30
参考文献……………………………………………………………………………………32
结束语………………………………………………………………………………………33
附录A低压引线图
附录B高压引线
第1章概述
1.1干式变压器的发展及前景
自新中国成立以来，尤其是改革开放后，我国的电力工业取得了突飞猛进的发展。
迄今，我国的总装机容量与年发点量都已越居世界前列，成了名副其实的“电力大国”。
但是，由于我国人口众多，按人均的装机容量和年用电量方面，仍处于发展中国家的中等水平。
今后，随着我国在新世纪中国民经济全面迈向小康水平，电力工业必将取得更快的发展。
众所周知，变压器是电力系统中的一个极其重要的设备，无论是发电厂、变电所、输配电网络还是广大的用户以及国民经济的各个部门，都使用着各式各样的变压器。
据统计，每增加1kw的发电装机容量，就需要配套6-8KVA的变压器，可见，随着国民经济的高速发展，对变压器的需求量还将不断增加。
当今世界范围内电力变压器以油浸式变压器（即绝缘介质使用矿物油）为主，尤其在电压等级超过66kV时，几乎全部采用这类产品。
因为油浸式变压器具有散热好、成本低、容易制造、技术成熟等特点，最重要的一点是，用于高电压等级时油浸式变压器的绝缘性能是其他类型的变压器无法比拟的。
但是在人们工作和生活的重要区域，如地铁、矿井、商业中心、机场、高层建筑、码头和电厂等地，采用油浸式变压器供电则非常不安全。
因为油浸式变压器一旦出现内部故障，极易引燃变压器油，产生爆炸，导致变压器油外溢和飞溅，进而引发更大的事故。
正因如此，具有防火、难燃等特点的干式变压器就成为城市供电的首选产品。
干式变压器，在GB6450标准中定义为“铁心和线圈不浸在绝缘液体中的变压器”。
由于不用液体来绝缘且采用阻燃材料，因而难燃；同时，因产品铁心和线圈的外露，使维护和检修变得更加方便。
因此，许多国家明确规定在重要场所必须采用干式变压器供电。
干式变压器在世界范围内得到迅速发展，是要追溯到20世纪中后期。
1964年，第一台环氧树脂浇注的干式变压器在德国诞生，这种干式变压器易于批量生产，与早期的浸渍干式变压器比较，优点明显，尤其是机械强度高，质量稳定性好，故很快推广应用开来。
80年代末期，干式变压器从外国进入中国，至今每年以超过20%的增长率迅猛发展。
随着城市电网用电负荷的逐渐增加,城网变电站深入城区和居民区越来越多,干式变压器便得到了广泛的应用,在不断的需求中,干式变压器本身也得到了巨大的发展。
1989年我国第二次城网改造会议时,国内干式变压器年产量只有2000MVA,到1995年发展到6000MVA,2000年已达到17000MVA,占配电变压器产量的19%。
从世界各国干式变压器的发展状况去看,其产量及使用范围逐渐扩大。
在美国,干式变压器已成为变配电变压器主体,成套变电站中干式变压器占80%～90%。
因为干式变压器具有诸多的优点,越来越多地被应用于高层建筑及商业中心、石油、化工等对防火与安全有更高要求的部门。
我们相信在中国加入WTO之后，随着开放程度的进一步提高，干式变压器领域将出现更为广阔的市场空间和未来。
1.2干式变压器的应用场合
干式电力变压器的选用，应根据负荷状况、工程特点、场所环境、发展规划等因素，合理确定容量和台数。
（1）在防火要求较高的场所、人员密集的重要建筑物内（如地铁、高层建筑、剧院、商场、候机大楼等）和企业主体车间的无油化配电装置中（如电厂、钢厂、石化等），应选用干式电力变压器。
（2）当场地较小时，如果技术经济指标合理，应选用干式电力变压器。
（3）初期投资和油浸电力变压器附设的排油设施、防爆隔墙、废油处理，以及运行维护和损耗等费用，经技术经济比较合理时，宜选用干式电力变压器。
（4）与居民住宅连体的和无独立变压器室的配电站，宜选用干式电力变压器。
（5）难以解决油浸电力变压器事故排油造成环境污染的场所，可选用干式电力变压器。
（6）在与重要建筑物防火间距不够的户外箱式变电站内，可选用干式电力变压器。
1.3干式变压器的分类
干式变压器按绕组、外壳和绝缘材料的温度等级进行分类。
（1）按绕组分类：
分为包封绕组的干式变压器和非包封绕组的干式变压器二类。
有一个或几个绕组用固体绝缘包封起来的干式变压器称为包封绕组的干式变压器。
任何绕组均没有用固体绝缘包封起来的干式变压器称为非包封绕组的干式变压器。
（2）按外壳分类：
分为密封型、全封闭型、封闭型和非封闭型干式变压器四类。
密封型干式变压器，带有密封型保护外壳，壳内充以空气或某种气体。
其外壳的密封性能使壳内外的气体不发生交换。
全封闭型干式变压器，带有全封闭型外壳，壳内外的空气能够发生交换，但外界空气不能以循环方式冷却铁心和绕组。
封闭型干式变压器，带有封闭型外壳，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。
非封闭型干式变压器，不带外壳，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。
（3）按绝缘材料的温度等级分类：
分为A级、E级、B级、F级、H级、C级绝缘干式变压器。
目前，常见的是B级、F级、H级干式变压器。
下表列出了各温度等级绝缘材料的最高允许温度：
表1-1各温度等级绝缘材料的最高允许温度
温度等级
A
E
B
F
H
C
最高允许温度℃
105
120
130
155
180
220
1.4冷却方式及其标志
干式变压器的冷却介质为空气或其他某种气体（例如氮气），冷却介质的循环方式有自然循环和强迫循环二种。
前者称为自冷式，后者称为风冷式。
通常用二个字母表示冷却方式。
第一个字母表示冷却介质，第二个字母表示冷却介质的循环方式。
冷却介质为空气时，用字母A表示；冷却介质为其他气体时，用字母G表示。
冷却介质自然循环时，用字母N表示；冷却介质强迫循环时，用字母F表示。
（1）对于非封闭型和封闭型干式变压器来说，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。
绕组和铁心的冷却方式完全能够反映这二种干式变压器的冷却方式，所以只用二个字母来表示冷却方式。
自冷时用AN表示，风冷时用AF来表示。
（2）对于全封闭型和密封型干式变压器来说，外界空气不能以循环方式冷却铁心和绕组。
壳内外的冷却介质及其循环方式可能相同，也可能不同，必须分别标志壳内外的冷却方式。
通常用4个字母来标志这两种干式变压器的冷却方式。
前2个字母表示壳内绕组和铁心的冷却方式，后2个字母标志外科的冷却方式。
当某一干式变压器有二种冷却方式时，可用这二个冷却方式标志中间加斜线的方法来标志，例如：
AFAN。
1.5温升限值及参考温度
干式变压器绕组的温升限值取决与绝缘的温度等级。
负载损耗、阻抗电压、短路阻抗的参考温度等于绕组的温升限值加上20℃。
表1-2列出了在正常使用条件下运行的干式变压器绕组绝缘的温度限值。
从调研中得出，运行温度限值每超过额定值10℃，变压器使用寿命降低一半，不论运行环境温度的变化如何，铭牌容量的1．5倍为该台变压器的应急容量极限绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。
冷却风机的自动控制、超温报警、跳闸系统、温度显示系统，必须灵敏、准确、可靠动作，才能对于式变压器的运行状态、故障状况作出正确的判断，以便及时处理。
表1-2各类绕组绝缘温度限值
绝缘的温度等级
A
E
B
F
H
C
绕组温升限值（K）
60
75
80
100
125
150
性能参考温度（℃）
80
95
100
120
145
170
干式变压器的正常使用条件主要是指：
（1）海拔不超过1000m；
（2）最高气温不超过40℃，最高日平均气温不超过30℃，最高年平均气温不超过20℃。
当冷却空气的温度某一项超过上列限值但不超过10K时，超过部分以5K为一级，绕组温升限值每级降低5K。
当海拔超过1000m时，超过部分以500m为一级，自冷干式变压器绕组温升限值每级降低2.5%，风冷干式变压器绕组温升限值每级降低5%。
1.6绝缘水平
用于一般配电网络或工业系统的干式变压器，其绝缘水平应符合下表1-3的规定。
表1-3绝缘水平
电压等级（KV）
工频耐受电压（有效值）（KV）
雷电冲击电压（峰值）（KV）
Ⅰ
Ⅱ
≦1
3
6
10
15
20
35
3
10
20
28
38
50
70
—
20
40
60
75
95
145
--
40
60
75
95
125
170
表中雷电冲击耐受电压有系列Ⅰ和系列Ⅱ二种。
可按干式变压器遭受雷电过电压和操作过电压的程度，中性点接地方式和过电压保护装置的型式来选择，通常由用户来提出。
当干式变压器安装地点的海拔高度超过1000m，但不超过3000m时，超过1000m的部分以每500m为一级，干式变压器工频耐受电压每级增加6.25%。
1.7干式变压器的过载能力
干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数等有关。
因此，从运行经济安全可靠方面，可以从以下两点考虑。
（1）减少备用容量或台数：
在某些场所，对变压器的备用系数要求较高，使得工程选配的变压器容量大、台数多。
而利用干式变压器的过载能力，在考虑其备用容量和备用台数时可以减少。
变压器处于过载运行时，一定要注意监测其运行温度：
若温度超
过允许温升限值即应采取减载措施，减去一些次要负荷，以确保对主要负荷的安全供电。
（2）可适当减小变压器容量：
充分考虑某些设备短时冲击过负荷的可能性，尽量利用干式变压器的较强过载能力而减小变压器容量；对某些不均匀负荷的场所，可充分利用其过载能力，适当减小变压器容量，使其主运行时间处于满载或短时过载。
1.8干式变压器的防护方式
根据使用环境特征及防护要求，千式变压器可选择不同的外壳。
通常选用IP20防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。
若须将变压器安装在户外，则可选用IP23防护外壳，除上述IP20防护功能外，更可防止与垂直线成60°角以内的水滴入。
但IP23~~1-壳会使变压器冷却能力下降，选用时要注意其运行容量的降低。
1.9干式变压器的环保标准
国家环保局在广泛调研、论证、征求意见的基础上，于2004年1月19日发布并开始实施干式变压器的环保标准HBC21—2004《环保标志产品认证技术要求——干式电力变压器》。
该标准就成为变压器行业的第一部环保法典，激励和约束变压器产品朝着“节能、低噪、少维护、高可靠、易于回收处理”的方向发展。
该标准提出三方面基本要求：
（1）变压器品质方面：
必须满足GBT10228和GB6450变压器质量标准。
（2）变压器制造企业环保方面：
企业污染物排放满足相应国家和地方法规标准。
（3）该标准对变压器产品本身的环境指标做出严格规定，进一步从变压器损耗、噪音、局部放电、废置产品回收特性等四个方面提出了具体的达到环保标志产品要求。
针对环保标志产品回收特性的要求，标准规定：
产品应易于拆解，产品中金属材料与非金属材料应易于分离。
申请者应证明这种分离设施目前是广泛存在的，同时必须为废弃的产品建立回收系统或必须与目前设立的回收系统相结合。
第2章设计要点
2.1铁心相关计算
铁心柱直径是变压器的最基本的参数，因为铁心的大小一旦确定，也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数，从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。
它的正确选定还涉及到变压器材料消耗的铜铁比，是影响优化设计的重要因素。
2.1.1铁心直径的选择
选择铁心直径的方法是较多的，如按照容量、短路阻抗、损耗值等，这些在有关书籍（如电机设计）中均有介绍，但这些公式使用起来都比较复杂。
我国目前在设计时，一般均在综合考虑上述因素之后，采用下面的半经验公式来计算铁心直径，即：
（2-1）
式中——铁心直径，mm；
——铁心直径经验系数，它的取值可参见表2-1；
——变压器的每柱容量，KVA。
上式表明，对绝缘等级相同，结构相似的变压器，其铁心直径与每柱容量的14次方成比例。
这种关系也与一般电机设计的规律相同。
表2-1铁心直径的经验系数值
变压器类别
三相双绕组
三相三绕组
单相双绕组
单相三绕组
自耦变压器
铝绕组
50-54
48-52
50-54
48-52
48-52
铜绕组
53-57
51-55
53-57
51-55
51-55
从表中可知：
值与结构形式有关，在一般情况下，就值本身而言，具有铜线大于铝线，双绕组大于三绕组等特点。
根据我国以往的中小型变压器的统一设计，对双绕组铝线一般取=52；对双绕组铜线取=55。
但是随着技术的进步，的取值也在不段变化。
例如对铜线双绕组的配电变压器有的厂家建议平均可取=52.5，这样可交好地节省硅钢片。
所以表2-1中所推荐的值也并非一成不变的，在设计时还应根据产品的发展、材料的价格以及各厂的具体条件来选择最优的值。
2.1.2铁心的空间填充系数
由于一般变压器的铁心都是采用薄硅钢片迭成的圆内多级矩形截面。
显然，当多级矩形的级数愈多时，则它的截面愈接近圆面积。
通常把多级矩形的几何截面积与圆面积之比成为铁心的空间填充系数，即：
=（铁心的实际几何面积铁心外接圆面积）<1（2-2）
当铁心级数愈多时，则填充系数愈高，这就意味着空间利用效果较好，漏磁也较少。
但是，随着级数的增加，则铁心的冲剪、叠片等的工时都大为增加。
所以铁心的级数要选择恰当，总的原则是直径愈大则级数愈多，一般为5-14级（14圆内级数）。
铁心级数与填充系数的关系见表2-2，从此表看出，当级数在9级以上时，填充系数增加不多。
目前采用的铁心直径与级数范围见表2-3。
表2-2铁心级数与填充系数的关系
级数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
填充系数
.637
.787
.851
.866
.908
.923
.934
.942
.948
.953
.955
.958
.961
.967
.969
表2-3铁心级数与铁心直径的关系
铁心直径D
（mm）
80-
90
95-
120
125-
195
200-
225
230-
240
245-
265
270-
290
400-
560
580-
680
700-
980
980以上
级数
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15以上
2.1.3铁心叠片系数
由于硅钢片表面的平整度、绝缘涂层厚度等的影响，使得硅钢片实际通过磁力线的净截面（有效截面）与其几何截面（毛截面）并不相等，它们之间的关系，常引用叠片系数的概念来表示，其定义为：
=（通过磁力线的铁心净截面∕铁心的几何截面）<1（2-3）
在一般情况下，的值与硅钢片的平整度、绝缘层厚度以及铁心的绑扎程度、夹紧方式等有关。
以往采用热轧硅钢片时，的值很少有超过0.93的，在采用冷轧硅钢片后，它的值提高到0.93-0.95，目前由于硅钢片的质量不断提高，铁心加工、绑扎工艺的不断改进，使得的值，已可取到0.96-0.975，甚至更高的值。
2.1.4铁轭截面和形状的选择
铁轭的截面形状有外接圆多级矩形、矩形、正T形、正多级T形、倒T形、倒多级T形以及多级椭圆形截面等，对于大、中容量以及大多数小容量变压器，为了使磁通分布均匀以及化简工艺，铁轭和铁心一样，也都采用外接圆多级矩形，这时二者的截面积取得一致。
2.1.5其它
铁心的绑扎，B级干式变压器通常用环氧玻璃粘带或者其它B级绑扎材料；H级干式变压器通常用聚胺-酰亚胺玻璃纤维绑扎带或其它H级材料绑扎。
铁轭的夹紧，通常是考夹件和用不导磁钢板制成的拉带通过螺栓来实现的。
心柱绑扎结构的扎紧力一般不低于4.9-8.8N。
铁轭螺栓的夹紧力一般不低于6.9-8.8N。
为了铁心散热通畅，铁心外的绝缘筒或绕组内径至铁心外接圆的距离通常不低于15mm。
为了固定绝缘筒或内部绕组，通常采用四个撑板，分别布置在主级和小级叠片组的外侧。
2.2高低压绕组匝数的计算
2.2.1初算每匝电压
（2-4）
式中——初算的每匝电压，V匝；
——初选的铁心磁密，T；
——铁心的有效截面积，；
——工频，Hz。
从上式可以看出，当铁心截面一旦确定后，每匝电势的大小主要决定于所选择的最大磁密。
而在设计时的最大磁密值的选择是一项比较复杂的问题，它涉及到铁心材料的特性、材料的用量、运行损耗和发热、电势波形、噪声以及正常和故障运行方式的要求等多方面的因素。
下表2-4和2-5给出了干式变压器磁通密度和电流密度的选择。
表2-4干式变压器磁通密度的选择
铁心材料
绝缘耐热等级
磁通密度（）T
冷轧硅钢片
B
H
1.40-1.55
1.50-1.65
热轧硅钢片
B
H
1.20-1.35
1.30-1.45
表2-5干式变压器电流密度的选择
绕组材料
绝缘耐热等级
电流密度（A）
内绕组
外绕组
铜导线
B
H
1.4-2.1
2.4-3.6
2-3
2.8-4.3
铝导线
B
H
1.0-1.5
1.5-2.1
1.6-2.1
1.8-2.3
2.2.2低压绕组匝数的计算
由于低压绕组没有分接，一般根据低压侧相电压及初算的每匝电压，可初算出低压绕组匝数，即
，匝（2-5）
由上式计算出并取整后，即得低压绕组匝数。
第二步，由于低压绕组匝数是从凑成的，所以每匝电压有了变化，应再按下式重算一次，才能得出实际的每匝电压，即
，V匝（2-6）
用上式重新计算值时，必须计算至小数点后三位有效数字。
这主要为了使具有较精确的值，以便下一步计算出的高压绕组匝数能符合电压比较核时的要求。
2.2.3磁通密度和磁通的计算
当正式的每匝电压确定后，即可最终确定磁通和磁密。
由下式可计算出磁密，即当工频为50Hz时，有：
，T（2-7）
再由
，Wb（2-8）
得
2.2.4高压绕
升级会员 