非晶合金干式变压器的研究毕业论文.docx
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非晶合金干式变压器的研究毕业论文
河南理工大学
本科毕业设计（论文）
非晶合金干式变压器的研究
学院成人教育学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名
指导教师
提交日期2013年5月10日
河南理工大学
电气工程及其自动化专业
毕业设计（论文）任务书
兹发给电气2011级
（1）班学生梁建宾毕业设计（论文）任务书，内容如下：
1.毕业设计（论文）题目：
非晶合金干式节能变压器的研究
2.目的：
充分应用新型导磁材料—非晶态导磁材料所具有的特殊导电性能和导磁性能，设计出的非晶合金变压器应当具有较低的空载损耗和较小的空载电流具有理想的节能效果。
设计独特的变压器结构，降低材料对应力的敏感，降低变压器的噪声，解决困扰非晶合金干式变压器的噪声难题，设计出具有核心技术及安全、高效、节能、环保的新型非晶合金干式变压器。
3.应完成的项目：
（1）了解课题背景，掌握非晶合金变压器的原理，特点、与发展趋势
（2）完成变压器的铁心结构和绕组的设计
（3）对变压器进行电磁场分析建立电路模型
（4）对变压器进行受力分析
（5）完成论文
4.参考资料以及说明：
（1）《电机学》
（2）《电磁场分析》
（3）《工程力学》
5.本毕业设计（论文）任务书于2013年4月10日发出，应于2013年6月10日前完成，然后提交答辩。
指导教师：
张松涛
签发：
2013年4月10日
毕业设计（论文）评语：
（应包括平时表现、论文质量、答辩表现等内容）
毕业设计（论文）总评成绩：
毕业设计（论文）答辩负责人签字：
年月日
摘要
本文从非晶合金变压器的目前背景和发展概括出发，随后阐明了非晶合金变压器的种类和特点，分析了目前推广非晶合金变压器的原因和有利条件，以及存在的阻碍其推广使用的问题。
非晶合金变压器由于非晶材料的特殊性能，拥有比传统变压器低很多的空载损耗和空载电流，这对于节约能源，响应国家的节能降耗政策是一个很好的办法，但同时非晶合金变压器在噪音、机械强度、抗短路能力等方面的问题又阻碍它的推广使用。
然后介绍了非晶材料的概念和特殊性能，讲述了干式变压器的分类和特点，重点讲述了环氧树脂浇注型干式变压器的优点，最后讨论非晶合金变压器的节能性和经济性，以及非晶合金变压器和传统变压器的不同之处和优缺点。
之后对非晶合金干式变压器的铁心结构和绕组进行设计和计算，其中涉及了绝缘结构和主要参数的计算和确定。
最后单独分章讨论非晶合金干式变压器的噪音、机械强度和抗短路能力方面上的缺点，重点讲述应该如何改善这几个方面的问题。
关键词：
变压器，非晶合金
Abstract
Thisarticlestartsfromthecurrentbackgroundanddevelopmentofamorphouscoretransformers,andthensetoutthetypeandcharacteristicsofamorphouscoretransformers,andthereasonswhytopromotetheuseofamorphouscoretransformersanditsownfavorableconditionsandtheexistenceofobstacles.Becauseofthespecialperformanceofamorphousmaterials,thiskindoftransformersaremuchlowerthantraditionaltransformerontheno-loadlossandno-loadcurrent,thenitisgoodforenergyconservationandinresponsetothenationalenergysavingpolicy,buttheproblemsonthenoise,mechanicalstrength,short-circuitabilityembarrasstheuseofamorphouscoretransformer.
Thenintroducedtheconceptofamorphousmaterialsanditsperformance,theclassificationandcharacteristicsofdry-typetransformers,finallydiscussitseconomyandenergy-savingcharacteristics,andthedifferentofadvantagesanddisadvantagesbetweenthetraditionaltransformerandamorphouscoretransformer.
Afterthat,itisaboutthedesignandcalculationofamorphouscorestructureandthewinding,whichinvolvestheinsulationstructureandthemainparametersofcalculationanddetermination.
Finallyseparatechapterstodiscusstheshortcomingsonamorphouscoretransformersnoise,mechanicalstrengthandshortcircuitability,thehowtoimprovetheseaspects.
Keyword:
transformer,amorphousalloy
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.2本文的主要内容2
第二章非晶合金干式变压器的概论3
2.1非晶合金的概要3
2.2非晶合金的制造工艺及特点3
2.2.1非晶合金的制造工艺3
2.2.2非晶合金的主要特点3
2.3干式变压器的概要4
2.4干式变压器的应用分类和结构特点4
2.5环氧树脂浇注型干式变压器5
2.6非晶合金干式变压器的节能性和经济性6
2.7非晶合金变压器与传统变压器不同之处7
第三章非晶合金干式节能变压器的设计9
3.1非晶合金干式节能变压器的铁心结构9
3.2非晶合金干式节能变压器的绕组10
3.3绝缘结构12
3.4非晶合金变压器主要参数的确定13
3.4.1磁通密度的取值13
3.4.2工艺系数的确定13
3.4.3联结组别13
3.4.4铁心受力13
第四章非晶合金变压器的电磁计算14
4.1非晶合金变压器的铁心计算14
4.1.1铁心质量计算：
14
4.1.2空载损耗计算：
14
4.1.3空载电流计算15
4.2非晶合金变压器的绕组计算15
4.2.1绕组型式15
4.2.2电抗电压降计算15
4.3结论17
第五章非晶合金干式变压器的噪声控制18
5.1噪音控制概论18
5.2非晶合金变压器的降噪措施18
5.2.1改良非晶铁心本身18
5.2.2在噪声传递路径采取措施19
5.3降噪措施效果分析19
5.4总结20
第六章非晶合金干式变压器的机械强度22
第七章非晶合金干式变压器的抗短路能力23
7.1抗短路能力概论23
7.2短路电动力分析23
7.2.1辐向电动力24
7.2.2轴向电动力24
7.2.3周向电动力25
7.3提高变压器抗短路能力的方法与措施25
7.3.1电磁计算方面25
7.3.2结构设计方面26
第八章总结28
参考文献29
致谢30
第一章绪论
1.1选题背景
我国是世界上能源消费增长最快的国家之一，同时也是能源紧缺国家，节能是我国建设节约型社会的一项必不可少的国策。
为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要，国家发改委已将非晶合金变压器列为重点推广的节电产品。
非晶合金变压器可分为油浸式和干式两种。
非晶合金干式变压器包括环氧浇注式和敞开式两种型式，以环氧浇注型式为多。
由于铁心材料性能和结构上的差异，环氧浇注非晶合金干式变压器与普通的环氧浇注干式变压器在结构上存在较大差异。
非晶合金铁心为矩形截面，一般为三相四框五柱式结构;高低压绕组相应做成矩形，低压绕组一般为箔绕式，高压绕组为线绕式、环氧树脂浇注结构。
作为一种新型的低损耗干式变压器，非晶合金干式变压器继承了传统干式变压器的难燃、阻燃、可靠性高和免维护等优点。
如果能从技术上解决其噪声、受力以及成本问题，凭借其良好的节能性和经济性，非晶合金干式变压器将有着广阔的应用前景。
非晶合金变压器用非晶合金材料代替硅钢片制造变压器。
它与现行S9系列变压器相比空载损耗下降74％、空载电流下降45％。
采用非晶合金取代硅钢片制作变压器，关键是两者的产品价格是否能相比拟。
目前，由于硅钢片的价格与非晶合金的价格相接近，恰是推广非晶合金变压器的好时机。
当前，触发非晶合金变压器在我国大规模推广的要素已经具备，主要有以下几个方面。
1）城市配网投资将快速增长。
国家电网公司“十一五”规划对31个主要城市的电网建设和改造投资总额约为4600亿元，预计南方电网公司约为1500亿元，合计金额将达到6000亿元，年均投资额在1200亿元。
“十一五”期间城市配电网建设和改造将成为电网投资的重点之一。
2）国家节能降耗规划有利于节能产品非晶变压器的推广。
目前，我国能源利用效率仅为33%，比发达国家低约10%。
国家明确提出“十一五”期末“单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”，因此，对国内各行各业来说，节能降耗将是一项必须完成的政治任务。
对于耗能大户电网公司压力尤其巨大，非晶变压器的应用将成为电网降耗重要手段之一。
因此积极采用非晶合金变压器等节能型电力设备和无功补偿等技术降低电网损耗，这一切有利于非晶合金变压器等节能型电力设备大面积的推广和应用。
3）硅钢片价格的不断攀升，给非晶变压器的推广应用带来了契机。
以往制约非晶合金变压器应用的主要原因是比价效应，但从2004年开始，由于电力需求的强劲拉动，作为变压器铁芯的主要材料取向的硅钢价格猛涨，这使得相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比逐步接近。
非晶变压器己经具备了替代硅钢变压器的价格优势。
上述3个方面表明非晶合金变压器市场需求己经启动，并将迅速扩大。
配电变压器的需求量保守估计将保持10%的年增长，非晶合金变压器所占比例也会逐年增加，至2010年估计能有10%的配电变压器将采用非晶合金变压器。
1.2本文的主要内容
本文的主要内容包括以下几个方面：
1）非晶合金变压器的特点
主要介绍非晶合金和非晶合金变压器的特点和制造工艺，以及非晶合金变压器与传统变压器的不同之处。
2）非晶合金变压器的设计
主要是非晶合金变压器铁心和绕组结构的设计，非晶合金变压器的电磁计算，以及非晶合金变压器的主要参数的确定。
3）非晶合金变压器关键问题讨论
主要是非晶合金变压器噪音、机械强度、抗短路能力几个方面的讨论。
第二章非晶合金干式变压器的概论
2.1非晶合金的概要
自1960年美国麻省理工学院Duwez教授等发明用快淬工艺制备Au-Si系非晶态合金，并于1967年首次制备出Fe-P-C磁性合金以来，由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景，一直受到材料科学家和产业界的特别关注。
非晶合金是指原子排列不具有长程有序的金属，它的制备技术完全不同于传统方法，而是采用了冷却速度大约每秒100万度的快速凝固技术，从钢液到薄带一次成形，与一般冷轧取向硅钢薄带制造工艺相比少了许多中间工序，可减少大量的能耗。
由于超急冷凝固，在凝固过程中合金中的原子来不及有序排列，所获得的固态合金是长程无序结构。
与通常情况下金属材料的原子排列呈周期性和对称性不同，非晶态合金不具有长程有序，所以没有晶态合金的晶粒、晶界存在。
这类材料在微观结构上完全不同于人类以往所认识和使用的金属。
正是这样特殊的微观结构导致了其独特的磁性能、电性能、机械性能和耐腐蚀性能。
因此，非晶态合金的快速凝固制备技术被称为冶金工艺的一次革命，非晶材料也被称为冶金材料的一次革命性进展。
2.2非晶合金的制造工艺及特点
2.2.1非晶合金的制造工艺
非晶合金是将铁、硼、硅、镍和碳（加碳后可提高饱和磁通密度）等为主的材料熔化后，在液态下以
的速度冷却，从合金液到金属薄片产品一次成型，其固态合金没有晶格、晶界存在，因此，称为非晶态合金，亦称非晶合金（金属原子都不按晶格排列叫非晶态）。
非晶合金分为铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金三大类。
2.2.2非晶合金的主要特点
非晶合金的单位损耗和励磁特性大大低于硅钢片，主要特点有:
（1）非晶合金没有晶格和晶界存在，因此，其磁化功率小，并具有良好的温度稳定性。
由于非晶合金为无取向材料，故可采用直接缝，且可不分级，使制造铁心的工艺比较简单。
（2）非晶合金带材的厚度为0.02mm～0.03mm,是硅钢片的1/10左右。
因此，其涡流损耗大大降低。
（3）非晶合金的硬度是硅钢片的5倍，加工剪切比较困难。
因此，在产品设计时应考虑尽量减少切割量;此外，其表面不太平整，电阻率较高。
（4）非晶合金对机械应力非常敏感，无论是张应力还是弯曲应力都会影响其磁性能。
在变压器结构设计时，需采取特殊的紧固措施，以减少铁心受力;另外避免采用以铁心作为主支承的结构设计方案。
（5）非晶合金的磁致伸缩度比硅钢片高约10％，因此不宜过度夹紧，否则将增大变压器的噪声。
（6）非晶合金退火后的脆性（易碎）也是在变压器设计和制造过程中需考虑的问题。
由非晶合金的上述特点可以知道，采用非晶合金代替硅钢片来制造变压器，虽然工艺略复杂，但可使空载损耗和空载电流大幅下降。
2.3干式变压器的概要
干式变压器是我国80年代发展起来的新产品，这种变压器不充油，结构紧凑、体积小、重量轻，具有绝缘性能好、难燃、防尘及防潮等特点，能深入电力负荷中心，特别是适用于高层建筑、机场、车站、码头、工矿企业及隧道的输配电，同时也十分适合组建成套的变电站。
2.4干式变压器的应用分类和结构特点
干式变压器的铁心和线圈都不浸在任何绝缘的液体中，它一般用于安全防火要求较高的场合。
小容量、低电压的特种变压器，为了便于制造和维护，也做成干式。
干式变压器可分为开启式、密闭式、及塑封式三种：
（1）开启式。
最常见的型式，变压器器身与大气相通，由空气散热，结构简单，适用于比较干燥而洁净的室内环境。
目前运行电压在15KV以下，空气自冷式容量可达1000个VA左右，更大容量一般用吹风冷却。
最大容量也只能达35KV、10MVA级。
由于空气的绝缘强度和散热性能都比油差，以空气作绝缘的干式变压器的有效材料消耗比油浸式为多所以电力变压器只有在地下铁道、公共建筑物、车间内部等防火要求较高的场所才采用干式变压器。
以空气作绝缘的干式变压器承受冲击电压的能力较油浸式差，其使用条件一般限于不和架空线路相连，不会遇到大气过电压作用的场合（否则应加特殊的防雷保护，使大气过电压的幅值不超过工频试验电压幅值）。
因此除工频耐压外，不再另外要求规定冲击强度。
（2）密闭式。
把变压器器身封闭在外壳中，与外部大气不相连通，可用于更为恶劣的环境，它内部充以绝缘和散热能力都比空气好的六氟化硫（SF6）气体。
该气体具有惰性，不燃性、无色、无臭、无毒并且热稳定好。
由于密封、散热条件差，目前主要用于矿用隔爆型变压器。
如充以2～3个大气压的六氟化硫。
并加以强迫循环，则变压器的绝缘和散热能力可与油浸式变压器相比拟，适用于高电压的产品。
目前60KV、70KV，30MVA级的用量增多，275KV、300MVA也在生产。
大型的525KV，1500MVA是用低介电子数压合板绝缘的。
（3）浇注式。
是环氧树脂或其他树脂浇注作为主绝缘，全部线圈都用填充玻璃纤维或石英粉的环氧树脂包封起来，具有优良的电绝缘和机械强度，耐潮耐粉尘性好，维护、保养容易。
阻燃、防火是它的两大特色。
这种类型的变压器结构简单，体积小。
2.5环氧树脂浇注型干式变压器
环氧树脂塑封式变压器具有难燃、自熄、耐尘、耐潮、机械强度高、体积小、重量轻、损耗低、噪声小等特点，与油浸式变压器相比具有安全、经济、可靠、方便等优点。
（1）难燃性、自熄性。
由于变压器事故引起火灾，造成人身伤亡和重大经济损失事故还是不少的。
因人口密集，防火问题就显得特别重要，为了消除火源，这就要求变压器本身具有难燃、自熄的特性。
随着新型的环氧树脂、硬化剂、增加韧剂、填料等化工材料的迅速发展和浇注工艺的不断改进和提高，高电压大容量变压器线圈采用环氧树脂浇注技术在国内日趋成熟。
（2）损耗低。
变压器是电力系统中重要的电器设备，提高变压的效率对减少电能的消耗有很大的意义。
环氧树脂变压器设计以往选用的是优质冷扎晶粒取向硅钢片，采用25度角全斜接缝铁心，不上漆、不退火、钢带扎紧等一系列技术工艺措施，使铁心损耗大幅度下降。
（3）机械强度高。
正常运行的变压器由于二次侧突然短路，虽然短路的瞬变过程很短，但巨大的冲击电流所产生的电磁力及线圈的急剧发热很可能使变压器损坏，因此变压器的结构必须具备承受短路电流冲击的能力。
线圈由于采用环氧树脂浇注结构，机械强度是很高的，能保证变压器在各种恶劣的条件下正常运行。
（4）绝缘性能好。
由于环氧树脂浇注型变压器具有良好的耐湿性，且绕组经过浇注后，与空气无直接接触。
特性稳定，电气绝缘性能好，在额定电压下运行的变压器，电压幅值是一定的，如果因某种原因使其电压超过额定电压，电压起将遭受过电压的威胁。
使用干式变压器的地方，比如大楼、地铁、矿井、居民居住区等等，一般不直接与架空线路相连，因此受大气过电压影响比油浸式变压器要小，其绝缘水平主要考虑操作过电压。
（5）噪声低。
变压器噪声主要由硅钢片的磁势伸缩引起的，它由两倍电影频率和包括高次波分量叠加而成。
环氧树脂变压器线圈压紧，定位采用硅橡胶缓冲结构，线圈在噪音发生体铁心柱周围引起了隔声壁的作用，从而使变压器的振动和噪声得到改善。
2.6非晶合金干式变压器的节能性和经济性
非晶合金干式变压器是以非晶合金作为铁心材料的新型节能变压器。
它比用硅钢片作为铁心的变压器空载损耗下降了70%以上，空载电流下降了约80%，是目前节能效果较理想的配电变压器。
下面以顺特电气有限公司2006年共生产了39台非晶合金干式变压器论述这个问题，其公司生产的变压器损耗值与常规9型系列产品比较如表2.1所示。
表2.1SCBH15非晶干变和SCB9普通干变性能比较
Table1CharacteristiccomparisonbetweenSCBH15amorphousdry-typetransformerandSCB9dry-typetransformer
产品
容量
/kVA
SCBHI5非晶干变
（实测平均值）
SCB9普通干变
（GB20052－2006）
试验
台数
空载损耗
/W
负载损耗
（120℃）/W
空载损耗
/W
负载损耗
（120℃）/W
200
1
185
2338
700
2680
500
2
303
4737
1310
5170
630
5
388
5488
1510
6220
800
28
404
6908
1710
7360
1000
3
572
7945
1990
8610
1250
1
571
9745
2350
10260
由表1可见，非晶合金干式变压器的空载损耗和负载损耗均低于GB20052-2006《三相配电变压器能效限定值及节能评价值》中所规定的干式变压器能效限定值，具有较好的节能性。
通常，变压器在30年有效周期寿命内，变压器的运行成本要高达制造成本的6～7倍，而能耗是运行成本的主要组成部分，变压器空载损耗和负载损耗的降低不仅能提高我国电力利用率，降低电力浪费，还能为用户节省运行成本，提高经济效益。
根据国家电力行业标准DL/T985-2005《配电变压器能效技术经济评价导则》提供的总拥有费用法TOC，以1000kVA产品为例，单位月容量费用为20元//kW，电量电费0.65元/kW.h，年最大损耗时间3400h，负载率为0.75，运用TOC法计算，非晶合金干式变压器运行一年，电费较9型系列干式变压器低:
C＝[（0.65*8760+20*12）*（1990-572）+
0.75*0.75*（0.65*8760+20*12）*（8610-7945）]
＝8640元
而一般干式变压器的运行寿命为30年，这样就可计算出非晶合金干式变压器较常规9型系列干式变压器节省电能410805Kw.h，电费259200元，若考虑贴现率为8%，也能节省电费105045元，足以弥补初始投资费用差额，并且还可为国家节约天然煤182t，减少一氧化碳排放400t，一氧化硫排放3.64t，二氧化氮排放2t，具有良好的社会效益。
对于农村电网和发展中地区等负载率较低的用户，非晶合金变压器的节能性和经济性更加明显。
2.7非晶合金变压器与传统变压器不同之处
（1）非晶合金变压器铁心截面为矩形，因此一、二次绕组均加工成带圆角矩形，从而提高了导线的利用率。
与采用多级圆形截面铁心相比，可节省铁心及电磁线材料，并提高油箱内的填充率。
（2）非晶合金铁心的结构可分为叠环式、单环式、气隙分布式、叠片式和搭接式卷铁心五种。
通常铁心采用搭接式，这是考虑到铁心受力、铁心强度、铁心和绕组的夹紧结构等各类因素的合理选择。
但搭接式有额外的搭接长度，上下重叠，它的接缝如图2.1所示。
搭接式结构的材料利用率较低，同时铁轭厚度的增加（E=1.18C～1.25C）也会增大油箱尺寸，增加油重。
（3）非晶合金变压器铁心的总体结构为三相五柱式。
由4个单框卷铁心如图1及表1所示组合而成（铁心均可打开，有利于线圈套装），有两个旁扼可供磁
图2.1搭接式卷铁心
Fig。
2.1Overlaptypewoundcore
A－窗口高度B－窗口宽度C－叠厚D－铁心宽度R－窗口圆角（6.4mm）
通中的高次谐波或零序分量流通。
当变压器投运后，铁心柱中的奇次谐波能相互抵消，可降低漏抗压降，改善电流质量。
（4）非晶合金变压器不以非晶合金铁心为主支承结构件，绕组的压紧自成体系，以减少绕组和器身对铁心的压力。
（5）非晶合金铁心截面积要比同容量的硅钢片变压器铁心大。
这是因为非晶合金带的工作磁密比硅钢片低。
在截面相同的条件下，矩形周长比圆形长，因此，非晶合金变压器高低压绕组主空道的周长要比同容量硅钢片铁心变压器长得多。
（6）在确保标准规定的绝缘水平下，非晶合金变压器的主绝缘距离比硅钢片变压器小。
（7）非晶合金变压器的噪声比硅钢片铁心变压器高6dB～8d
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