1、 1 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
2、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,
3、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, redu
4、ce 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
5、 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 me
6、thods; 2) students comprehensive, flexible application knowledge to 2 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 ba
7、sic skills. Key words: transformer; Roll core; S11; Secondary line loss; loss 3 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.Zipernovsk
8、y）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 18
9、86 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 185 43 11.9 1995 21724 10069 13444 1996 23600 10794 14002 1997 25000 11350 12446 2000 31932 13685 18177 2001 33861 14
10、839 20832 1.1.2 2.电力变压器在国民经济中的作用 4 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 。 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
11、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。 接用电设备配电变压器降压变压器降压变压器三线圈变压器自耦变压器厂用电系统升压变压器发电机启动厂用变压器5 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
12、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 0 通过，此时在一、二次侧便产生感应电动势。 mfNE 44.4 11 = （ 1 1） mfNE 44.4 22 = （ 1 2） 式中： 1E 一次侧自感电动势 (V)； 2E 二次侧互感电动势（ V）； f 电源频率 ( ZH )； 1N 一次绕组匝数； 2N 二次绕组匝数；
13、m 交变主磁通的最大值（ Wb）； 在空载情况下，两绕组的电压比为： vKNNEEUU = 212121（ 1 3） 式中 VK 为变压比 4。 电力变压器基本结构 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）： 6 图 1 2 电力变压器外形实例图 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
14、各部件的作用如下： 7 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
15、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，
16、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。 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
17、 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。 8 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
18、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。 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。 9 第
19、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： %2.1%0I 8. 空载损耗： 680W 9. 负载损耗： 5150W 10. 阻抗电压： %4%kU 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： (kV)10p =UU L 2. 低压线圈为 Y 联结： 相电压：
20、(V)400=LU 2 3 0 . 9 4 ( V )34 0 03p = LUU 2.2.2 高、低压线圈额定电流计算 1. 高压线圈电流： )A(87.281035 0 03 = LNL USI)A(67.16387.283P = LII 2. 低压线圈电流： )A(7.7 2 14.035 0 03P = LNL USII10 2.3 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
21、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： k V A )(67.1 6 635 0 03 = Nz SS 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 dK 取5055。 4 )3/(*)5550( SD = = 4 )3/500(*)5550( =180198mm 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： 50 ZH ， 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 TB 85.1800= （在 50Hz、800A/m 交变磁场强度下测得），理论密度 3/65.7 dmkg= ，最小叠片系数为95.00 =k 。 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。
