1、本科毕业论文（20 届）S10-200/6.3 电力变压器设计所在学院 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 -S10-200/6.3 电力变压器设计摘要电力变压器是电力网中的主要电气设备，它的性能与质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益，因此在电力变压器制造工业中对变压器的各项性能指标和主要尺寸应有严格限制，以使得输电、配电过程中，电力网更加安全、可靠、节约。电力变压器电磁计算必须根据国家的经济、技术政策和资源情况以及制造和运行方面的要求，合理地制定变压器的性能指标和相应的主要尺寸。本文主要介绍了变压器制造的背
2、景与意义，变压器的基本概况以及发展过程。全文针对变压器的铁心、绕组、短路阻抗、负载损耗、温升以及变压器的质量等重要尺寸与性能指标进行了电磁计算与优化设计。最终电磁计算结果必须满足国家标准及有关技术标准的规定和使用部门的要求。关键词 交流输电；电力变压器；电磁计算哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Design of S10-200/6.3 Power TransformerAbstractPower transformer is the main electrical equipment in the power grid,and its performance and quality is
3、 directly related to power system reliability and operational efficiency.Therefore in the power transformer manufacturing industry, the performance indicators and the main dimensions of transformer should be strictly limited, so that the transmission, and distribution process, the power grid could b
4、e more secure, reliable, and saving.Power transformer electromagnetic calculation must be based on the countrys economic and technical policies and resources, as well as manufacturing and operational aspects, then we can get rational performance indicators of the transformer and the corresponding si
5、ze. This paper describes the background and significance of the transformer manufacturing, basic overview of the transformer and its development process. In this paper, we also perform electromagnetic calculation and optimization design for size and performance of the transformer, such as iron core,
6、 winding, short-circuit impedance, load loss, temperature rise and transformer quality. The final electromagnetic calculations must meet national standards, relevant technical standards, and the requirements of user departments.Keywords AC Transmission; Power transformer; Electromagnetic calculation
7、 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景与意义 .11.2 电力变压器的运行及发展动态 .21.2.1 我国电力变压器的发展 .21.2.2 电力变压器的发展动向 .21.2.3 电力变压器的运行 .31.3 电力变压器的结构及分类 .31.3.1 电力变压器的结构 .31.3.2 电力变压器分类 .41.4 变压器计算的一般程序 .51.5 本设计的主要研究内容 .5第 2 章 变压器电磁计算 .72.1 性能参数 .72.2 变压器铁心的计算 .72.2.1 铁心直径计算 .72.2.2 铁心质量计算 .72.2.
8、3 铁心磁通、磁密计算 .82.2.4 空载损耗 .82.2.5 空载电流 .82.3 绕组计算 .92.3.1 绕组电流、电压计算 .92.3.2 低压匝数确定 .92.3.3 高压匝数确定 .102.3.4 高压比校核 .112.3.5 绕组匝数的排列 .112.4 绕组轴向高度计算 .132.4.1 绕组辐向尺寸计算 .142.4.2 低压侧绕组辐向尺寸计算 .152.4.3 高压侧绕组辐向计算 .152.4.4 绕组绝缘半径计算 .162.5 短路阻抗计算 .182.5.1 电阻的平均电抗高度 .18哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -2.5.2 漏磁总宽度 .182.5.3 漏磁空
9、道总面积 .192.5.4 求洛式系数 .192.5.5 求短路阻抗的电抗分量 .192.5.6 求阻抗的电阻分量 .192.5.7 求短路阻抗百分值 .192.6 负载损耗 .202.6.1 绕组导线的电阻损耗 .202.6.2 绕组附加损耗 .222.6.3 引线损耗 .222.6.4 负载总损耗 .222.6.5 绕组漏磁分布图 .232.7 温升计算 .232.7.1 绕组温升计算 .232.7.2 铁心升温计算 .262.8 变压器总质量计算 .272.8.1 油箱质量 .272.8.2 附件质量 .272.9 本章小结 .27结论 .29致谢 .30参考文献 .31附录 A 参考文
10、献英文原文 .32附录 B 参考文献中文译文 .40哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景与意义电力变压器发明于十九世纪末，它为现代远距离恒定电压电流输电系统的发展奠定了基础。在十九世纪之前，公用供电的早期阶段，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。于是在各种理论与实践的大力支持下，电力研究学者的共同努力下，电力变压器应运而生了。现代化的企业广泛采用电力作为能源，而发电厂发出的电力往往需经远距离传输才能到达用电地区。在传输的功率恒定时，传输电压越高，则所需的电流越小。线损正比于电流的平方，所以用较高的输电电压可以获得较低的线路压降和线路损耗，要制造
11、电压很高的发电机，目前技术很困难，所以要用专门的设备将发电机端的电压升高以后再输送出去，这种专门的设备就是变压器。另一方面，在受电端又必须用降压变压器将高压降低到配电系统的电压，故要经过一系列配电变压器将高压降低到合适的值以供使用。由以上可知，变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器在电力系统中，变压器的地位十分重要，不仅所需数量多，而且要求性能好，运行安全可靠。变压器除了应用在电力系统中，还应用在需要特种电源的工矿企业中。例如：冶炼用的电炉变压器，电解或化工用的整流变压器，焊接用的电焊变压器，试验用的试验变压器，交通用的牵引变压器，以及补偿用的电抗器，保护用的消弧线圈，测量用的互
12、感器等。我国的电力变压器制造工业，从建国以来，随着国民经济的发展， 特 别是随着电力工业的发展而不断发展，电力变压器单台容量和安装容量迅速增电长，压等级也不断提高。50 年代发展到 110 kV 级，60 年代发展到了 220kV 级，70 年代发展到 330kV 级，80 年代发展到 550kV 级，现在发展到 750kV 级、1000kV 级。40 年来，我国电力变压器制造技术得到飞速发展，突破高压和超高压技术禁区，科研开发手段和产品创新能力得到进一步加强。500kV 电力变压器的科研成果和制造技术的应用，转化和逐步改善以及其他变压器类产品的移植，扩散必将促进变压器制造总体水平的进一步提高
13、。电力是全球人类消费的最主要的终端能源。据外国较权威机构预测：今后20年，电力将是全球增长最快的终端能源，估计世界电力消耗年平均增长3.4% 。我国电力也必须保持一定的发展速度，以支持国家工业化和国民经济的持续发展。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -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 特高压发展。1.2 电力变压器的运行及发展动态1.2.1 我国电力变压器的发展电力变压器是电力系统的主要设备之一，变压器容量的增加时衡量地区电网发展的重要指标。近几年来，为适应工农业生产发展的需要，电网的发展 3相当迅速，随之对电力变压器的需求也快速
14、增长。1990 年以来，全国电网（不含农电系统）110kV 及以上电力变压器的容量平均增长率达6.9%。至 1994 年底，全国 110kV 及以上电力变压器的总台数达 8169 台，总容量为 496331MVA,尤其是超高压 500kV 电力变压器从 1980 年引进第一台投入运行后，至今全国以达 400 台，而且国产 500kV 电力变压器占相当大的比例。1.2.2 电力变压器的发展动向随着电力系统向高电压、大容量方向发展及社会环境、经济环境不断变化，世界各国围绕以下几方面竞相开展工作 1。1 提高电压等级为了解决远距离输电，美国第一条 765kV 输电线路已经于 1969 年投入运行，2
15、005 年将采用 1500kV 等级的网络。我国现已经采用 500kV 输电线路。为此，必须制造与之相适应的高压变压器。2 提高单台变压器的输出容量3 开发抑制故障电流的高阻抗变压器4 进一步降低单台变压器的运输重量5 进一步降低变压器自身损耗6 降低噪音水平（达到 10dB 以下）7 进一步开发防火、防爆干式变压器8 开发不燃变压器不燃变压器是采用不燃性冷却介质-以全氟化碳为主要成分的的氟化惰性液体。此介质除不燃外，其物理性能、电气特性都很好，特别是粘度很低。变压器绕组和铁芯浸在全氟化碳液体中，同时用六氟化硫气体对油箱进行接地复合绝缘。这种变压器具有冷却效果均匀、可靠性高、体积小、重量轻、绝
16、缘性好、噪声小等特点，现在正由日本立制作所与日本中部电力株式会共同开发。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -1.2.3 电力变压器的运行长期以来，各级电力部门、主管单位对 110kV 及以上电压等级变压器的管理极为重视，先后制定了有关规章制度及其预防电力变压器事故的技术措施，为提高电力变压器的运行可靠性作了许多工作，但是，由于多方面因素的影响，全国 110kV 及以上电力变压器损坏事故仍时有发生。根据不完全统计，在 19901994 年 5 年内全国共有 292 台 110kV 及以上电力变压器在运行中损坏，事故变压器容量达 23864MVA。事故率之高是惊人的，年平均台次和容量事故率分别为
17、0.81%和 1.09%。值得一提的是变压器等级越高，容量越大，则事故率越高。这说明从事高电压、大容量电力变压器的制造、运行、检修、维护等各方面技术仍存在不少问题。1.3 电力变压器的结构及分类1.3.1 电力变压器的结构电力变压器由铁心、绕组、主绝缘结构、油箱结构、附件等组成。1.3.1.1 铁心开始生产变压器时，铁心采用单位损耗较大的热轧硅钢片，叠片采用直接缝，铁心柱采用螺旋杆夹紧的结构，故硅钢片的利用率低，空载性能较差。随着冷轧硅钢片的发展，我国各变压器厂已经过渡到采用冷轧硅钢片卷料制造铁心，而铁心叠片的叠积方式，已由直接缝过渡到全斜接缝、小型变压器采用卷铁心。铁心柱采用了半干性无纬玻璃
18、粘带绑紧的结构。铁轭采用螺旋夹紧或玻璃粘带绑紧，而铁心的拉紧则由拉螺杆逐渐为拉板所代替等的结构型式。由于铁心材质与结构的改进，从而使空载性能得到了很大改革。1.3.1.2 绕组在 20 世纪 60 年代中期以前，绕组全部采用铜导线绕制。在 70 年代以前，除了导线采用直径在 1.5mm 及以下，以及大型电力变压器仍采用铜导线外，其余的变压器也曾采用铝导线。目前，变压器绕组多采用铜导线。从绕组结构型式来看，110kV 及以上的绕组由过去曾采用静电圈补偿结构型式到采用静电环结构发展到纠结连续式、全纠结式结构型式及内屏蔽式等。1.3.1.3 主绝缘结构在 20 世纪 60 年代中期以前，采用厚纸筒大
19、油隙主绝缘结构。60 年代后期开始采用薄纸筒小油隙的主绝缘结构。应用变压器油体积效应，而使主绝缘距离大为缩小。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -1.3.1.4 油箱结构中小型变压器由管式发展到带片式散热器的油箱，波纹油箱以及采用密封式结构等。目前，为了方便检查，凡是器身质量大于 25T 的变压器油箱，设计成钟罩式，25T 以下时才设计成平顶油箱。这样，只要吊起钟罩就可检查变压器的器身，从而使起吊设备大为简化。1.3.1.5 附件变压器的主要附件是套管、分接开关、气体继电器、吸湿器、信号温度计等。随着变压器制造技术的发展，这些附件也有了不少的改进，如储油柜采用波纹膨胀型，安全气道已采用压力释放
20、阀等。套管芯子已由油纸绝缘发展到油纸电容式绝缘结构；有载分接开关的过渡阻抗已由电抗式发展为电阻式；强迫油循环变压器所用油泵与电动机组，现在已发展到浅油泵，泵与电动机组合为一体。1.3.2 电力变压器分类1. 按 相 数 分 ： 1. 单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。 2. 三相变压器：用于三相系统的升、降电压。 2. 按 冷 却 方 式 分 ： 1. 干式变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。 2. 油浸式电力变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。 3. 按 用 途 分 ： 1. 电力变压器：用于输配电系统的升、降电压
21、。 2. 仪器用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。 3. 试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。 4. 特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器等。 4. 按绕组形式分： 1. 双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。 2. 三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。 3. 自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。 5. 按铁芯形式分： 1. 芯式变压器：用于高压的电力变压器。 2. 非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -流下降约
22、80%，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。 3. 壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器 。1.4 变压器计算的一般程序电力变压器计算的任务在于确定变压器的电、磁负载和主要几何尺寸，计算性能数据和各部分的温升以及计算变压器的重量、外型尺寸和取得比较合理的技术经济效果。变压器计算应根据产品设计技术任务书中给定的数据进行，一般程序如下：1 确定硅钢片品种牌号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，选下标准直径，得出铁心柱和铁轭截面积。2 根据硅钢片牌号，初选区铁心柱中的磁通密度，计算每匝电势
23、。3 初算低压绕组匝数，凑成整数匝，根据整数匝再重算铁心柱中的磁通密度及每匝电势，再算出高压绕组匝数。4 根据变压器额定容量及电压等级，确定变压器的主、纵绝缘结构。5 根据绕组结构型式，确定导线规格，进行绕组段数（层数） 、匝数的排列，计算绕组轴向高度及辐向尺寸。6 初算短路阻抗无功分量（u x）值，大容量变压器的 ux 值应与短路阻抗（u zk）标准值相接近，小型变压器的 ux 值应小于 uzk 标准值。7 计算绕组负载损耗，算出短路阻抗的有功分量（u r） ，检查短路阻抗是否符合标准规定值，若不符合时应调整，并达到标准规定值范围。8 计算绕组导线对油的温差，不合格时，可调整导线规格或调整线段数及每段匝数的分配，当超过规定值过大时，则需要变更铁心柱直径。9 计算短路机械力及导线应力，当超过规定值时，应调整安匝分布或加大导线截面积。10 计算空载性能及变压器总损耗、计算油温升，当油温升过高或过低时，应调整冷却装置的数目。11 计算变压器重量。1.5 本设计的主要研究内容随着电力系统向高电压、大容量方向发展及社会环境、经济环境不断变化，对变压器的电磁性能指标要求也越来也高，尺寸要求也越来越重要。本文第一章比较全面的阐述了变压器制造工业的背景与意义，变压器
