电气工程及其自动化毕业设计-ZZDFPZ-297000500单相有载调压换流变压器电磁设计(含外文翻译).doc

1、本科毕业论文（20 届）ZZDFPZ-297000/500 单相有载调压换流变压器电磁设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -ZZDFPZ-297000/500 单相有载调压换流变压器电磁设计摘要大型变压器是电力系统中关键设备之一。随着电力工业的迅速发展，其容量越来越大、电压等级越来越高、结构尺寸越来越大，而其设计和制造的好坏是直接影响其运行质量和经济效益的关键所在。因此变压器的电磁计算就显得尤为重要。若能在设计和制造上提出更加合理和可行的方案，解决以往经验方法解决不了的问题，对变压器的结构进行优化，则将

2、会具有重要的技术和经济意义, 通常，我们把用于直流输电的主变压器称为换流变压器。它在交流电网与直流线路之间起连接和协调作用，将电能由交流系统传输到直流系统或由直流系统传输到交流系统。换流变压器是超高压直流输电工程中至关重要的关键设备，是交、直流输电系统中换流、逆变两端接口的核心设备首先对变压器的发展历史、基本的特性及变压器的设计方法进行了简单的阐述。本文还对 ZZDFPZ-297000/500 单相有载调压换流变压器进行了电磁计算。在电磁计算中，最开始是铁心的选择，这是变压器设计的起点也是一个关键点，然后是变压器绕组材料和型式的选择，绕组有关数据的计算，最为关键的是短路阻抗、负载损耗、空载电流

3、、空载损耗等变压器性能参数的计算，最后完成变压器油箱、变压器温升、短路电动力、变压器总油量和总质量的确定与计算。其中的短路阻抗计算困难最大，需要经过反复计算才能达到技术要求。在电磁计算的全过程中较为详细的阐明了电力变压器计算的基本公式和计算方法，给出了一套完整的设计方案。关键词 换流变压器；电磁计算；绕组哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Design of ZZDFPZ-297000/500 transformer AbstractLarge-scale transformers are one of the key equipment in the power system. Along

4、 with the rapid development of the electric power industry, the increasing capacity and voltage level of power transformers, and increasing size of power transformes, transformers structure, its design and manufacturing quality are directly affects its operation quality and the key of economic benef

5、it. 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 transformers will have important technical and economi

6、c significance. Typically, the main transformer is called for HVDC converter transformers. Between the AC mains and DC line from the connection and coordination role, the electrical energy transmitted by the exchange system to the DC system, or transmitted by the DC system to AC system. Converter tr

7、ansformer is a vital key equipment in the HVDC project is a cross-DC transmission system converter, inverter interfaces at both ends of the core equipment.First of all simply expound the development history of power transforemr, the basic characteristic and the design method of power transfomer.This

8、 paper presents a bill of the electromagnetism calculation forZZDFPZ-297000/500 converter transformer. In the 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, co

9、ils of related data calculation, the key is short-circuit impedance, load loss, idle current transformer design no-load loss, as an important parameter calculation, and finally complete the transformers mail, transformer temperature, short circuit force , transforer oil and the total weight which sh

10、uould be identified and calculated. The impedance 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -vlotage bing on the biggest dificult in the process of electromagnetic calculation, for it need to be calculaed repeated to achieve technical requirement. In the process of electromagnetic calculation it is detailed introduced the

11、 basic formula in the calculation of the power transformer and calculation method, an integrative design method given.Keywords Converter Transformer; Electromagnetic calulation;Winding哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 我国电力变压器的最新发展趋势及现状 .1第 2 章 换流变压器的原理及特点 .52.1 换流变压器的工作原

12、理 .52.2 换流变压器在直流输电中的作用 .52.3 换流变压器的结构特点 .52.4 换流变压器的性能参数 .72.5 变压器计算的一般程序 .82.6 论文研究的内容 .92.7 本章小结 .9第 3 章 ZZDFPZ-297000/500 单相有载调压换流变压器电磁计算 .103.1 产品规格及技术要求 .103.2 主要材料 .103.3 变压器设计 .103.3.1 变压器主要结构的确定 .103.3.2 铁心直径的选择 .113.3.3 铁心截面的设计 .113.3.4 变压器主、纵绝缘的确定 .113.3.5 绕组型式的选择、绕组排列及导线的选择 .123.4 电磁计算 .1

13、23.4.1 额定电压和额定电流的计算 .123.4.2 绕组匝数的计算 .133.4.3 绕组计算 .153.4.4 绝缘半径及导线长度计算 .173.4.5 75K 时绕组直流电阻计算 .193.4.6 绕组导线质量计算 .193.4.7 短路阻抗计算 .203.4.8 空载损耗与空载电流的计算 .223.4.9 负载损耗的计算 .233.4.10 绕组表面对油的温升计算 .253.5 油箱尺寸的计算 .27哈尔滨理工大学学士学位论文- V -3.5.1 油箱尺寸的估计 .273.5.2 冷却器的选择及油和绕组温升的计算 .273.6 短路电动力计算 .293.6.1 绕组的区域划分 .2

14、93.6.2 安匝分布计算 .303.6.3 漏磁计算 .313.6.4 短路电流稳定值倍数计算 .313.6.5 不平衡安匝漏磁组所产生的总轴向力计算 .323.6.6 绕组导线应力计算 .323.7 变压器质量计算 .323.7.1 总油量计算 .323.7.2 变压器箱体质量计算 .333.7.3 附件质量计算 .333.7.4 变压器总质量计算 .343.8 本章小结 .34结论 .35致谢 .36参考文献 .37哈尔滨理工大学学士学位论文- VI -哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景电力变压器发明于19世纪末，它为现代远距离恒定高压交流供电系统的发展

15、奠定了基础。在19世纪之前，公用供电的早期阶段里，均采用直流发电系统，人们不得不把发电设备靠近负载地点。随着电力变压器的出现，一切就发生了改变。电力变压器是电力系统中的重要设备之一。随着我国社会主义现代化建设的发展，特别是随着电力网向超高压、大容量方向的发展，对电力变压器提出了新的更高的要求。近年来，我国在变压器的理论研究和生产实践方面取得了可喜的成就。我国的电力变压器制造工业，从建国以来，随着国民经济建设的发展，特别是随着电力工业的大规模发展而不断发展。电力变压器单台容量和安装容量迅速增长，电压等级也相继提高。50年代发展到110kV 级；60年代发展到220kV级；70年代发展到330kV

16、级；80年代已发展到500kV级电力变压器,近几年电压等级更是发展到了750kV、800kV、1000kV。建国前的1936年，我国只能生产单台容量为300kVA的小型配电变压器，到建国后50年代中期已能仿制31500kVA的电力变压器，电压等级已发展到110kV。60年代初我国由仿制阶段过渡到自行设计和制造阶段， 60年代中期已发展到制造220kV、120000kVA电力变压器。到 60年代末期，电力变压器的容量已经发展到260000kVA。70年代初期已达到生产330kV级、360000kVA电力变压器的水平，到80年代国内最大容量为400000kVA，1995年制造出了容量为450000

17、kVA电力变压器。我国西北地区的刘关线330kV系统中所用的升、降压电力变压器、联络用自耦变压器，全部为国产品。电力变压器的进一步发展趋势是：进一步降低损耗水平，提高单台容量，电压等级向10001500kV特高压方向发展。1.2 我国电力变压器的最新发展趋势及现状电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一,它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益。20世纪50年代以来特别是改革开放以来为满足我国电力工业发、变、配电工程的建设需要电力变压器行业得到了较快发展 1。根据我国电力工业装备政策及技术政策要求，电力变压器的发展趋势应为提高产品运行的可靠性，少维护或免维护，降低损耗，减

18、少重量，实现有载调压，品种多样，满足电力系统不同场所的需要。大型变压器要向哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -超高压(500kV、750kV) 、特高压(1000kV 等级)、大容量、轻结构、不吊芯方向发展。为解决运输困难，要降低运输重量，采用新材料、新技术、新工艺，开发组合式、壳式和现场装配式变压器。中小型变压器要进一步优化设计，使空载损耗大幅度降低。城网用变压器应向难燃方向发展，如进一步推行性能更为优越、材料更为可靠的干式变压器、SF 6气体绝缘变压器及难燃油变压器，采用新材料、新结构，以达到节能、不燃或难燃防火，降低噪音的目的。在农网中要根据农网季节性强、负载率低、农业生产需求变化大的特

19、点，开发空载损耗更小的配电变压器以及10kV 、35kV 调容变压器。目前在农网建设改造中，应用新S9系列的同时，在技术经济比较合理的情况下，可采用S11型和全密封卷铁心单相及三相变压器，或非晶合金铁心变压器。季节性负荷变化大的地区，应积极采用调容变压器。进入21世纪后，知识创新、技术创新和高新技术产业已是当今世界各国综合国力竞争的核心，科技竞争力将成为国民经济发展和政治稳定的重要因素，在科学技术已经成为世界经济增长第一要素的形势下，世界电力工业的科技进步与创新也越来越快，要发展我国电力工业，加快科技进步与创新是十分重和迫切的，设备的更新更占有重要的地位，基于技术的创新，国内提出新型换流变压器

20、。一、新型换流变压器的提出1、传统换流过程中将产生严重的特征谐波和非特征谐波，并产生输电总功率 40% 60%的滞后无功。谐波功率及无功功率在换流变压器的全部阀侧绕组和网侧绕组中传送，给换流变压器增加许多负担，因而必须增大设计容量，才能解决谐波引起的所有绕组的绝缘问题，这种方案下，换流变压器的损耗和噪声都会很大2、新型一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器,包括原绕组、副绕组、铁心,其特征在于:在供电变压器绕组的副方绕组中间引出自耦抽头 ,抽头将副方绕组分为两段类似自耦变压器的公共绕组与串联绕组,公共绕组与串联绕组保持紧密耦合,并与其同相的原绕组在圆柱铁心上构成三绕组的同心布置,布置在中间层的公共

21、绕组的两端与容抗 XC串有感抗 XL的支路并联,且基波下阻抗 XC远大于 XL, 公共绕组为屏蔽绕组,其等值阻抗为零,原绕组的两端与电网电源相连,供电负荷与公共绕组和串联绕组并联。二、新型换流变压器主要改进一种自耦补偿与谐波屏蔽的换流变压器，是在供电变压器的副方绕组中间引出自耦抽头，该抽头把副方绕组分为两段，类似自耦变压器公共绕组与串联绕组，两者紧密耦合，该两段副方绕组与原绕组在铁心圆柱上构成三绕组的同心布置，其中公共绕组布置在原方绕组与串联绕组间，其等值阻抗为零，公共绕组的两端与外接滤波容感支路相接。本发明可对用户哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -工频下的感性电流就近实行无功补偿，对谐波磁

22、链利用抽头分开的两端绕组在相应谐波频率下感应电流的安匝平衡作用使之被迫抵消，疏导谐波电流经串联绕组就近返回负荷，阻止其越过气隙传送到原方电网，从源头对谐波根治，对原方电网实现谐波屏蔽和隔离时，也避免谐波电流和谐波磁通对变压器本身的损害。三、新型换流变压器接线方式传统：两个阀侧绕组间线电压间相差 /6 电角度，使输出整流电压在每个周期内脉动 12 次形成 12 脉波换流，并在网侧接滤波与无功补偿装置；SCCSHCT：这种接线方式有一个明显的优点那就是由于存在绕组的三角形联结可以为由于变压器铁心饱和换流器非理想工作状况等产生的三次谐波电流提供通路同样这种接线方案可以满足 12 脉动换流要求。四、新

23、型换流变压器接线方案其接线特点是将传统换流变压器的二次绕组改为延边三角形联结，一次采用普通的星形联结，延边端点引出作为换流变压器输出端，与换流器交流阀侧连接。中间三角形引出的抽头与滤波装置连接。这在接线方式上，相当于将传统换流变压器一次网侧的无源滤波装置，移到新型换流变压器二次绕组的中部，以改善和消除传统滤波与无功补偿的缺点与不足。五、新型换流变压器自耦作用新型换流变压器的三个主要功能。中间抽头将阀侧绕组分成自耦相联的三角形绕组和延边绕组两部分，相当于自耦变压器的公共绕组和串联绕组相互是电磁耦合的。同时内部三角形绕组之间也相互关联。当一次侧母线某一相电压突变时，会引起二次侧的相应地电压变化。一

24、次侧绕组磁势的变化，由延边绕组和内部三角形绕组磁势共同承担，可大大地降低阀侧绕组的电压电流变化斜率和幅值，从而保护换流变压器的绝缘材料、减小工作噪声。六、新型换流变压器无功补偿换流器在工作过程中需要消耗 40%到 60%无功功率，必须采取有效的补偿措施。新方案采用阀侧公共绕组抽头处接入 5 7 11 和 13 次特征谐波滤波器既可滤波又可对基波补偿部分无功功率。七、新型换流变压器谐波屏蔽换流器在工作过程中会产生大量谐波电流传统方案采用网侧滤波谐波电流通过换流变压器的阀侧绕组和网侧绕组给换流变压器的制造带来很大困难。随着国际国内高温超导材料的研制成功，使得超导限流器成为最具优势的一种限流器。超导限流器技术是目前国际前沿技术，超导限流器在国内的研制成功，将使新一代变压器产品性能和设计原则发生变化，变压器的短路阻抗将会变小，损耗和重量可进一步降低，短路电流产生的机械力将大幅度降低，变压器可靠性更高。这项前沿技术对高压、超高压直至特