节能三相变压器设计.doc
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1、河南理工大学毕业设计(论文)说明书摘 要电力变压器是电力系统中输配电力的主要设备,在电力系统中,电力变压器的总安装量为发电机安装容量的68倍。近年来,随着能源的日趋紧张,对变压器这一重要用电设备进行节能设计越来越受到人们的重视。此设计主要从节能的角度来设计三相变压器。对变压器进行节能设计的原则就是满足性能指标条件下,降低变压器的损耗及有效材料成本。在具体设计过程中,往往需要反复调整和计算,因为降低损耗和降低材料成本在某种条件下又是相互矛盾的,反复调整和计算的过程就是使得全局优化的过程。节能变压器与普通变压器设计的程序相同,但在参数选择方面偏重点不同,如电流密度和磁通密度的选取都比普通变压器低一
2、些。这些在具体设计过程中将作详细介绍。关键词: 电力变压器;损耗;节能;电流密度;磁通密度AbstractPower transformer is the capital equipment of electricity to fail in the power system . Install 6-8 times of the capacity for the generator in always installation amount of power transformer in the power system. In recent years, one that is with e
3、nergy is tense day by day, people paid attention to more and more to this important power consuming equipment of voltage transformer the energy-conservation design. This design designs the three-phase transformer in terms of energy-conservation mainly.The energy-conservation design principle of powe
4、r transformer is to meet performance indexes, and under the terms, the loss of the power transformer and effective material cost are reduced. In the course of design concretely, adjusting and calculating are needed repeat , because it is contradictory each other under a certain condition to reduce v
5、orious loss and the material cost, the course adjusting and calculating repeat is the course of making the overall situation optimization. Energy-conservation voltage transformer and ordinary procedure that voltage transformer design the same, choose respect is that order differently to lay particul
6、ar stress on parameter, if electric current density and magnetism flux density choose a little lower than the ordinary voltage transformer. These will make detailed introduction in the course of designing concretely.Keyword: Power transformer ; Loss Energy-conservation ; electric current density ; m
7、agnetism flux density目 录1概 述11.1 变压器设计计算的任务11.2 变压器设计计算的步骤22 变压器电压和电流计算32.1 电压计算32.2 电流计算33 铁心直径估算及线圈匝数计算53.1 铁心直径估算53.2 变压器容量的折算63.3 铁心柱和铁轭截面设计63.4 线圈匝数计算73.5 电压比校核84 线圈计算与设计94.1 线圈结构型式的确定94.2 导线与电流密度的选择104.3 饼式线圈段数及每段匝数的确定104.4 线圈辐向和轴向尺寸计算115 绝缘半径及窗高计算145.1 绝缘半径计算145.2 窗高计算146 主、纵绝缘结构的确定156.1 确定主、
8、纵绝缘结构的依据156.2 冲击分布及改善分布的途径166.3 主、纵绝缘计算176.4 35kV及以下变压器的主、纵绝缘结构197 阻抗电压的计算237.1阻抗电压计算237.2 双线圈变压器(内外线圈中无轴向油道)247.3 双线圈变压器(内外线圈有轴向油道)257.4 双线圈高低高结构268 损耗的计算288.1 线圈数据计算288.2 铁心数据计算298.3 附加损耗计算319 油箱尺寸的计算349.1 油箱高度计算349.2 油箱宽度计算359.3 油箱长度计算3510 温升的计算3610.1 变压器的发热及散热过程3610.2 线圈对油的温升计算3610.3 油温升计算3911 线
9、圈机械力的计算4311.1 安匝分布4311.2 同心式线圈短路轴向机械力计算4411.3 短路时绕组导线上应力计算4512 重量的计算4712.1 油重计算4712.2 器身重计算4812.3 油箱及附件重量计算4812.4总重计算4912.5 运输重量计算4913 10000KVA、35KV级变压器计算实例5113.1 产器规格及技术要求5113.2 主要材料(根据供应情况定)5113.3 额定电压和额定电流5113.4 铁心数据5213.5 线圈数据5213.6 阻抗电压计算5513.7 损耗计算5613.8 油箱尺寸:见图13-2。5713.9 温升计算5813.10 机械计算5913
10、.11 重量计算60总 结62致谢63参考文献64- 60 -1 概 述1.1 变压器设计计算的任务变压器设计计算的任务,就是根据变压器的规格,按照国家标准(或部标准)确定变压器的几何尺寸、电磁负载和电、热、机械方面的性能数据,以满足使用的要求,而且要求尽可能降低有效材料成本和损耗。这就要求设计工作应本着多快好省的原则,根据国家的经济、技术政策和资源情况以及运行和制造的要求,合理地制定变压器的性能数据和相应的结构。通常变压器的设计计算的任务应包括如下技术规范。1. 变压器的型式单相或三相:双线圈或三线圈;升压、降压、联络或配电变压器;自耦变压器;干式自冷、油浸自冷、油浸风冷、强油风冷或强油水冷
11、。2. 变压器的额定容量变压器额定容量用kVA表示,对于三线圈变压器或自耦变压器还应注明第三绕组的容量。3. 变压器的额定电压 高压、中压及低压的额定电压;无励磁调压还是有载调压及调压范围;有载调压应注明是线端调压还是中性点调压。4. 变压器的连接组5. 变压器的阻抗电压6. 变压器的空载电流、空载损耗及短路损耗变压器的设计计算包括电磁计算和结构设计。电磁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和外形尺寸。计算的结果必须满足有关技术标准的规定和使用部门的要求。结构设计的任务在于选定结构型式、绘制全部零件图。结构设计应特别注意保证线圈的绝
12、缘强度,动、热稳定,保证铁心、油箱等机械强度,使变压器能安全运行。结构设计在考虑适用性的同时要兼顾到先进性和工艺性。电磁计算和结构设计是交错进行、互相影响的。1.2 变压器设计计算的步骤(1) 决定基本的电磁参数;(2) 铁心直径估算和绕组匝数计算。(3) 绕组计算及主纵绝缘的确定。(4) 阻抗电压计算。(5) 绕组数据、铁心数据及油箱尺寸的计算。(6) 损耗计算和温升计算。(7) 绕组机械力计算。(8) 重量计算。(9) 夹件、压板、油箱等部位机械强度分析计算。2 变压器电压和电流计算2.1 电压计算变压器规格中的额定电压均为线电压,为了确定绕组匝数以及进行电磁计算需要的是相电压,所以应根据
13、变压器绕组联结方式算出相电压大小。无励磁调压和有载调压和有载调压器还要根据分接百分数算出分接所对应的电压。电力系统选定了一系列的电压作为标准的相、线电压,所以变压器的额定电压不外乎是这些标准的线电压。现以电压为11082%/11kV,在110 kV中性点调压,连接组为YN,d11的有载调压变压器为例,确定各级电压及各分接电压。调压范围为(8+8)2%=32%。因110kV中性点调压,而110kV系统为接地系统,故中性点绝缘水平为35kV级。有载调压装置及调压线圈均为按35kV级考虑。级电压=(110000/)2%V1270.2kV根据级电压可算出各分接电压大小。下面仅算出最大、额定、最小三个分
14、接电压值;最大分接电压=110000/+81270.2V73672V额定分接电压=110000/63510V最小分接电压=110000/-81270.2V53348.8V2.2 电流计算由给定的额定容量、电压、相数和绕组的联结方式,可以计算出变压器的线电流、相电流和绕组中的电流。三相变压器为YN(Y)联结,线电流IL与相电流I相等,计算公式如下式中,PN为三相变压器的额定容量。三相变压器为D联结时,计算公式如下3 铁心直径估算及线圈匝数计算3.1 铁心直径估算铁心直径的选取 直接 影响变压器的 技术和经济指标,如材料的消耗、变压器的成本、重量、体积及运输等。当直径选取过大时,则变压器的铁心重量
15、、空载损耗将增大,而线圈所用的导线和 负载损耗则减小,变压器较矮。当直径选取过小时,则得到相反的结果。铁心直径的确定采用经验公式估算,用估算的铁心直径按计算程序进行计算,当计算阻抗电压时,如果阻抗电压值与标准值相差较大时,此时应调整铁心直径,直到调整到阻抗电压合格或相差很小时为止,阻抗电压的计算值相差很小可以通过调整其他尺寸来满足阻抗电压的要求。铁心直径的选取通常采用下述经验公式进行计算 式中,D为铁心直径尺寸(cm);P为每柱容量(kVA);K为经验系数。经验系数 K值随电源频率、铁心磁通密度及结构形式的不同而变化,这里推荐的经验系数供计算中选取铁心直径时参考。见表3-1。表3-1 与 与关
16、系及经验系数K变压器类别与的关系式K铝线圈铜线圈冷轧圈热轧圈冷轧圈热轧圈三相双绕组5054566053576064三相三绕组4852545851555862单相双绕组5054566053576064单相双绕组4852545851555862单相双绕组单柱5054566053576064效益系数三相自耦4852545851555862铁心为单相双柱式3.2 变压器容量的折算双绕组变压器由于两侧绕组均为额定容量,因而在计算每柱容量时则不需折算。三绕组变压器有时中压或低压绕组的容量不是额定容量,因此在计算中必须将三绕组的容量折算为同一容量。三绕组变压器折算成同一容量:式中,为高压绕组容量;为中压绕组
17、容量;为低压绕组容量。三绕组变压器折算成双绕组变压器容量(同一绝缘等级),则3.3 铁心柱和铁轭截面设计铁心柱和铁轭通常采用多级梯形结构。在直径一定的条件下,级数愈多有效截面积愈大,铁心制造工艺则较复杂,一般铁心柱截面的级数可以动手设计,也可参照一些材料或工厂化的标准型号选用。铁心截面设计必须从节约材料和简化工艺两方面考虑。既要充分利用线圈内圆空间,又要避免使铁心制造工艺过分复杂。叠片系数的选择:叠片系数的大小与硅钢片的厚度有关。通常对于0.35mm厚的冷轧硅钢片,若不涂漆时,叠片系数可取0.930.94。铁轭截面通常是与铁心截面完全相同的多级梯形,铁轭截面也可采取“T”形或矩形(比铁心柱截面
18、级数少),这样铁轭截面比铁心柱截面增大5%10%,以减小空载损耗和空载电流。为了改善铁心内部散热条件,铁心柱直径为380mm及以上时,须设置冷却油道,油道的位置应使其分割的各部分铁心柱截面积近似相等。特大型变压器中,漏磁场在铁心柱最小级叠片内产生涡流较大,为了防止局部过热,可在该级叠片上开槽或增设磁分路。3.4 线圈匝数计算通常在选好铁心直径后,首先计算没有分接的线圈(如低压线圈)匝数,然后计算高压或中压线圈匝数。3.4.1 初算每匝电压 当频率为50Hz 时 =式中 为初算每匝电压(V); 为铁心截面积(cm);B为磁通密度(T)。通常0.35mm厚的冷轧硅钢片用于一般电力变压器时磁通密度取
19、1.61.75T,用于中小型节能变压器时,为了降低空载损耗,磁通密度适当降低,选在1.5T左右。3.4.2 初算低压线圈匝数式中,为初算的低压线圈匝数;为低压线圈相电压(V)。按照上式计算的低压线圈匝数不一定是整数,应调整为整数 。3.4.3 确定每匝电压 式中,值算至小数点后三位。3.4.4 磁通密度计算 当确定了每匝电压以后,便可正式确定磁通密度 式中,B的单位是T。3.4.5 高压或中压线圈匝数计算通常高压线圈带有分接,根据各分接相电压求出相应分接的匝数。首先计算出最大分接的匝数,随后根据两个相邻分接的相电压之差,求出每调一级电压的分接匝数。首先计算出最大分接匝数 (取整数匝)式中,为对
20、应最大分接相电压。每分接匝数 为 (取整数匝)式中,为两个相邻分接相电压之差。利用分别减去、2,就可以分别求出其他各分接所对应的匝数。3.5 电压比校核3.5.1主分接时电压比校核 (最好在0.25%以内)式中,为相电压;为根据匝数和匝电压计算的相电压。3.5.2 具有分接的线圈的电压比校核高压线圈具有分接电压比的校核,通常先校核主分接,然后校核最大和最小分接,最大和最小分接的电压比校核按下式计算 式中,为最大(最小)分接标准电压;为最大(最小)分接匝数与每匝电压计算的分接电压计算值;为阻抗电压。4 线圈计算与设计变压器绕组是变压器的关键部件,由导线和绝缘层组成。绕组线圈不但在长期额定电压下工
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