1、本科毕业论文（20 届）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 -电力变压器设计摘 要电力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，其容量日渐升高、电压等级也在突破原有等级、结构尺寸越来越大，其设计和制造的工艺是直接影响其运行质量和经济效益的关键。因此电力变压器的电磁计算就显得极为重要。若可以在变压器设计和制造上提出更加合理可行的方案，解决以往解决不了的问题，使变压器的结构优化，将会具有重要的技术和经济意义。本文主要是对电力变压器进行电磁计算。首先对电力变压器的发展历史、基本的特性及
2、变压器的设计方法进行了简单的阐述。电磁计算中，最开始的关键点是铁心的选择，这是变压器设计的起点；然后是绕组材料和绝缘结构型式的选择，绕组相关数据，关键的是短路阻抗、负载损耗、空载电流、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数据较大，经过反复计算才可达到技术要求；在电磁计算的全过程中较为详细的阐述了电力变压器设计相关的基本公式和计算方法，给出了一套完整的设计方案。拓展了减小空载损耗和负载损耗的若干措施。关键词: 电力变压器；电磁计算；绕组哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Electric power t
3、ransformersAbstractElectric power transformers are one of the key equipment in the power system. Along with the rapid development of the electric power industry, the increasing capacity and voltage level of power transformers, and increasing size of power transformer, transformers structure, its des
4、ign and manufacturing quality are directly affects its operation quality and the key of economic benefit. 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 ca
5、nt solve, which for optimizing the structure of transformers will have important technical and economic significance.This paper presents a bill of the electromagnetism calculation for power transformer. First of all simply expound the development history of power transformer, the basic characteristi
6、c and the design method of power 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, coils of related data calculation, the key is short-circuit
7、 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 , transformer oil and the total weight which shuould be identified and calculated. The impedance vlotag
8、e 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 basic formula in the calculation of the power transformer and calculation m
9、ethod, an integrative design method given.Keywords: Power Transformer; Electromagnetic Calulation; Winding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 .11.2 我国电力变压器的最新发展趋势及现状 .21.3 电力变压器的作用 .31.3.1 变压器的工作原理 .31.3.2 变压器在电网中的作用 .31.3.3 电力变压器的结构特点 .41.3.4 电力变压器的性能参数 .51.4 变压器的设计原则 .51.5 变压
10、器计算的一般程序 .5第 2 章 变压器电磁计算 .72.1 本设计的技术条件 .72.2 变压器设计 .72.2.1 变压器主要结构的确定 .72.2.2 硅钢片的选用 .72.2.3 铁心直径的选择 .72.2.4 铁心截面的设计 .82.3 电磁计算 .82.3.1 额定电压和额定电流的计算 .82.3.2 绕组匝数的计算 .92.3.3 绕组计算 .112.3.4 绝缘半径及导线长度计算 .122.3.5 75时绕组直流电阻计算 .142.3.6 绕组导线质量计算 .142.3.7 短路阻抗计算 .152.3.8 负载损耗的计算 .172.3.9 空载损耗及空载电流计算 .182.3.
11、10 绕组的温升计算 .202.4 油箱尺寸计算 .212.4.1 油箱尺寸估算 .212.4.2 箱壁散热面积计算 .22哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -2.4.3 散热器的选择及油和绕组温升的计算 .222.5 短路电动力计算 .242.5.1 绕组区域划分 .242.5.2 安匝分布计算 .252.5.3 漏磁 计算 .252.5.4 短路电流稳定值倍数计算 .262.5.5 不平衡安匝漏磁组所产生的总轴向力计算 .262.5.6 绕组导线应力计算 .262.6 变压器质量计算 .282.6.1 总油量计算 .282.6.2 油箱质量计算 .292.6.3 附件质量计算 .292.
12、6.4 变压器总质量计算 .302.7 本章小结 .30第 3 章 变压器的损耗的优化 .313.1 概述 .313.2 优化减小空载损耗的措施若干 .313.3 优化减小负载损耗的措施若干 .31结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 .36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奠定了基础。在19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。随着电力变压器的出现，这一切就发生了彻底的改变。电力变压器是电力系统的重要设备。随着我国社会主义现代化建设的发展
13、，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31
14、500kVA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450000kVA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
15、方向发展。国外中小型电力变压器的发展概况为了降低变压器自身损耗，各国都制定了低损耗变压器的标准，并在政策上对节能变压器的生产给予优惠。日本、德国、比利时、意大利、瑞士等国家，在高效节能变压器的研制、开发和应用上领先一步，相继研究出一些降低变压器损耗的新材料、新工艺，并在结构上对变压器加以改进（如高导磁优质冷轧晶粒取向硅钢片、非晶合金卷铁芯、无氧铜导线、箔式绕组、全斜拉板绑扎铁芯，瓦楞油箱、超导技术等） 。由于不断的探索研究，变压器节能效果越来越显著，且体积、重量减小，可靠性提高，从而使高效节能变压器的开发和应用更加深入和广泛。如日本大阪变压器厂生产的非晶合金变压器（1992年占变压器产量的10
16、%） ，所用的非晶合金铁哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -芯在60Hz、1.4T时的铁耗为 0.21W/kg，仅为现有优质硅钢片在相同条件下铁耗（0.9W/kg）的1/4，节能效果十分显著。瑞士 ABB公司研制的330kVA单相超导变压器，其绕组由铁镍合金制成，浸在-269的液氦中使用，这种超导变压器的体积比普通变压器小70%，损耗降低50%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
17、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，只需少许维护或免维护，降低损耗，减少重量，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，采用新技术、新材料、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、
18、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
19、创新是十分重和迫切的，设备的更新占有重要的地位。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、超高压直至特高压电力变压器制造也具有实际意义 1。目前，我国生产的箔式绕组电力变压器经国家科委鉴定已达到90年代世界先进水平，它的绕组是采用铝箔或铜箔氧化技术和特殊工艺绕组的，哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -匝间距离小，层间分布电容增大，从而提
20、高了变压器自身的功率因数，降低了自身的电能损耗，还具有较强的过载能力、较好的耐温性和可靠性，与同容量S9铜线变压器相比，其价格低5-10%。近年来，国内电力变压器广泛用YSF4型压力释放阀取代变压器防爆管，其优点是：动作精度高（达到美国凯利特劳尔公司产品标准） ；延时时间短；自动开启，自动关闭，克服了防爆动作后必须停电更换零部件的缺点，因而维护、检修大大简化。大型变压器要向超高压（500kV、750kV） 、特高压（1000kV等级） 、大容量、轻结构、不吊芯方向发展。为决绝运输困难，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，
21、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、材料更为可靠地干式变压器、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 型和全密封卷铁芯单相及三相变压器，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。1.3 电力变压器的作用1.3.1 变压器的工作原理变压器是一种静止的电气设备，
22、它利用电磁感应作用将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的交流电能。变压器是电力系统中重要的电器设备。众所周知，输送一定的电能时，输电线路的电压越高，线路中的电流和损耗就愈小，为此，需要用升压变压器把交流发电机发出的电压升高到输电电压，通过高压输电线将电能经济地输送到用户地区，然后再用降压变压器将电能逐步从输电电压降到配电电压，供用户安全而方便的使用 2。1.3.2 变压器在电网中的作用电力变压器是电力网中的主要电气设备。变压器将水力或火力发电厂中发电机组所产生的交流电压升高后，向电力网输出电能的称为升压变压器。发电厂内还要安装该厂用电变压器，供起动机组之用。用于降低电压的变
23、压器称为降压变压器。用于联络两种不同电压网路的变压器称为联络变压器( 包括自耦变压器与三绕组变压器)。将电压降低到电气设备工作电压的变压器称为配电变压器。配电前用的各级变压器称为输电变压器。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -1.3.3 电力变压器的结构特点变压器产品包括变压器、互感器、调压器、电抗器等，品格规格繁多，但基本原理和结构是相似的，电力变压器的外型如图1-1所示。图1- 1 电力变压器外形图结构则由下面几部分组成：1. 铁心：电力变压器的铁心由硅钢片经剪切成一定的尺寸后叠积而成，对中小型变压器亦有硅钢片卷制而成的铁心。2. 绕组：三相电力变压器绕组由一次绕组、二次绕组、对地绝缘层（
24、主绝缘） 、一二次间绝缘及由燕尾垫片，撑条构成的油道与高压和低压引线构成。3. 油箱及底座：油箱及底座是油浸式变压器的容器和支撑部件，他们支持着器身和所有的附件。4. 套管和引线:套管和引线是变压器一、二次绕组与外部线路的连接部件，引线是通过套管引到油箱外部，套管既可固定引线，又起引线对地的绝缘作用。5. 散热器和冷却器：它们是油浸式变压器的冷却装置，中小型电力变压器的散热器。大容量的变压器，采用油浸风冷，强迫油循环风冷，也采用油浸水冷或油浸强迫水冷方式。6. 净油器：净油器也叫滤油器，是由钢板焊成圆桶形的小油罐，罐里也装有硅胶之类的吸湿剂，当油温变化而上下流动时，经过净油器达到吸取油中的水分
25、、渣、酸、氯化物的作用。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -7. 储油器：储油器也叫油枕，用来补偿变压器油因温度变化而发生的体积变化，同时具有减轻和防止变压器油氧化和受潮的装置，它是用钢板剪切成形后，焊接制成，并通过管子和油箱里绝缘油沟通。8. 继电器：继电器安装在油箱和储油柜连接管之间，是变压器内部故障的保护装置，当内部发生故障时，向运行人员发出信号或自动切断电源，保护变压器。9. 分接开关：分接开关是用来连接和切断变压器绕组分接头，实现调压的装置，它分为无励磁分接开关和有载分接开关。10. 温度计：温度计是用以测量变压器上层油的温度而设的，中小型电力变压器较多采用酒精温度计，大型变压器则采
26、用信号温度计，另外变压器上还用电阻温度计，压力式温度计等。 1.3.4 电力变压器的性能参数1.变压器额定容量；2.相数；3.频率；4.变压器一、二次侧的额定电压；5.绕组接线方式和联结组；6.变压器冷却方式；7.绝缘水平；8.负载特点；9.安装特点；10.短路阻抗；11.负载损耗；12.空载损耗；13.空载电流 3。以上技术参数中前九项是由电力系统技术条件和环境及使用条件决定的。最后四项参数是由“ 三相油浸式电力变压器技术参数和要求” 规定的，或者由用户和制造厂商共同协商而定，是变压器设计中重要的四个参数，在进行变压器设计之前，必须明确设计任务书中的这些技术参数。1.4 变压器的设计原则变压
27、器作为产品，有商品的属性特点。变压器的设计原则与其他商品属性基本一致。在完成功能中追求价格优势是最佳的。不过在当今强调降低成本的同时，设计成为了一大难题。 “节能不节钱 ”引发的思考，值得大家来深思。所以企业单位团体应该设计出更加完美的变压器。轻便、小巧，最重要的是性能俱佳、成本不高、如此的变压器设计得到越来越多的广大市场的青睐和追求。公司在确定出产品中有的非常详尽。例如列出了变压器的工作频率、传输功率。这种双赢的行为值得其他企业和单位的学习和效仿，不过在推出产品的同时也要考虑到其他产品的实践，能否经得起市场的考验，在市场群体中站住脚。1.5 变压器计算的一般程序电力变压器电磁计算的任务在于确定变压器的电、磁负荷和主要几何，计算性能数据和各部分的温升以及计算变压器的重量、外形尺寸，利用电磁计算可以比较合理确变压器生产和运行的经济性、运行的可靠性等，因此变压器的电磁计算是变压器生产制造的基础，也是变压器能否安全运行
