树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算

1、3 树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算本章以树脂浇注干式变压器 SCB10-1000/10 的设计为例，详细列出了树脂浇 注干式变压器的设计计算过程， 以及每一步计算所涉及到的公式和原理。 该变压 器具有以上所述的树脂浇注干变的各项优点，是树脂浇注干变设计的典型实例。3.1 变压器设计计算的任务变压器设计计算的任务是使产品设计符合国家标准， 或者用户在合同中提出 的标准和要求。在合同中通常包括以下一些技术标准：a. 变压器的型式： 相数、绕组数、冷却方式、调压方式、耦合方式。b. 额定容量，各绕组的容量，不同冷却方式下的容量。c. 变压器额定电压、分接范围。d. 额定频率。e. 各绕组的首末端的

2、绝缘水平。f. 变压器的阻抗电压百分值。g. 绕组结线方式及连接组标号。h. 负载损耗、空载损耗、空载电流百分值。i. 安装地点海拔高度。此外，用户可能还有一些特殊参数。 变压器计算的任务，就是根据上述技术标准，按照国家标准，如?电力变压 器?、?三相油浸式电力变压器技术参数和要求?、 ?高压输变电设备的绝缘配 合及高电压试验技术?和其它专业标准，确定变压器电磁负载，几何尺寸、电、 热、机械方面的性能数据，以满足使用部门的要求。对方案进行优化计算，在满 足性能指标前提下，具有良好的工艺性和先进的经济指标。3.2 变压器设计计算步骤以下主要针对电力变压器而言， 特种变压器的计算根本与之相同， 只

3、需考虑 特殊要求和自身特点即可。1) 根据技术合同，结合国家标准及有关技术标准，决定变压器规格及相应的性能参数， 如额定容量、 额定电压、联结组别、短路损耗、负载损耗、 空载损耗及空载电流等。2) 确定硅钢片牌号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，计算心柱和铁轭截 面。3) 根据硅钢片牌号，初选铁心柱中磁通密度，计算每匝电势。4) 初选低压匝数，凑成整匝数，根据此匝数再重算铁心柱中的磁通密度及 每匝电势、再算出高压绕组额定分接及其他各分接的匝数。5) 根据变压器额定容量及电压等级，计算或从设计手册中选定变压器主、 从绝缘结构。6) 根据绕组结构形式， 确定导线规格， 进行绕组段数、 层数、匝数的排

4、列， 计算出段数、层数、总匝数及每层的匝数、每段匝数。7) 计算绕组的轴向高度及辐向尺寸。 计算绕组几何高度、 电气高度及窗高。8) 计算绝缘半径，确定变压器中心距 MQ高、低压绕组平均匝长L。9) 初算短路阻抗无功分量， 大型变压器无功分量值应与短路阻抗标准值接 近。10) 计算绕组负载损耗，算出短路阻抗有功分量(主要指中小型变压器) ， 检查短路阻抗是否符合标准规定值。11) 计算绕组对油温升，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，那么需要调整变更铁心柱直径。12) 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。13) 计

5、算空载性能及变压器总损耗，计算变压器重量。3.3 树脂浇注干式变压器设计的详细计算本毕业设计主要任务为设计 SCB10-1000/10B 变压器。3.3.1 技术条件产品型号： SCB10-1000/10额定容量： 1000kVA电压比： (105%)/0.4kV频率： 50Hz联结方法：Dyn11额定电压电流：高压侧 1000V/57.74A 低压侧400V/1443.38A短路阻抗：6%空载损耗：2200W负载损耗：8180W硅钢片牌号：Q120-30执行标准：GB/T10228, GB6450铁心计算铁心直径：Pt为三相变压器每相容量，故 Pt=P/3=1000/3kVAK 为经验系数，

6、取K=57根据经验公式：D=KP =57物000/ 3 =243.5mm由于铁心直径的位数取0或者是5,所以变压器的铁心直径为：D=245mmD2S =兀铁心净横截面积：根据公式4 ， 计算可得：S=471.196cm2。绕组计算 初选磁密：B=1.50 T 初算匝电压：f=50Hz铁心净横截面积经查表得出：A=436.306cm由公式 q =4.44fBA二型，计算可得 q=14.5435V45低压匝数：因为低压侧是丫接，故UUL 400= 231V ,计算可得W =15.883，由公式W=U 空 15.883,取整得 W=16 14.5434重算匝电压：et =U 231 = 14.437

7、5 VW 1645et 45 14.4375Bt1.49T重算磁密：A436.3O6高压匝数：咼压绕组一般均设有分接线匝，这样就应根据各分接的相电压求出各分接匝数高压侧D接 故U ：严Ul=ioooov高压绕组为Ug 0.5%调压，共3级那么 U :.：1二 u 门 15% =1O5OOVU ：2=U ：严 Ul=ioooovU ：.：3=u ：1 一5% =95OOVwu 10500 = 727.27由公式et ,计算可得e14.4375U 10000= 692.64W3仝9500658.Oe14.4375et14.4375取整：W仁727W2=693W3=658D接Pn电流：a高压侧一辿，

8、PN =1OOOkVAUUL =1OOOOVJ计算可得I =1OOOOOO= 57.74 a1OOOO、3Pnb、低压侧 丫接 Nf=%3ul ,Pn OOOkVA,Ul =40VI JOOOOOOW43.38A计算可得4OO.3低压绕组计算：从浇注干式变压器的设计、工艺和生产现状来看，低压绕组一般采用箔式绕 组结构。箔式绕组，一层就是一匝，也就是只有一段，每段的长度即为导线宽度 795mm同时，根据实际需要，我们选低压侧端绝缘为1Omm空气距离为45mm层间绝缘为O.18mm外表绝缘0.36mm前面已经计算出总匝数为16,我们可以分为三层5+5+6=16 , 相临两层之间加气道，气道厚度分别

9、为 8mm和10mm具体计算如下：、=2.0 A/mm2S=141138 =721.69mm2 d 2.0-1初选电流密度：-2算导线截面积：根据计算得出的导线截面积，查表找出最接近的导线规格。导线截面积 S =802.95 mm28-4重算电流密度：由公式:、=LS ，计算可得-3 选线规：1.01795/ 802.95 ,2I 1443.38S 一 802.95= 1.80A/mm-5低压绕组轴向尺寸计算:795箔式导线高度，即轴向长度，mm+10 X 2端绝缘高度,mm815绕组轴向总高度,mm+45X 2绕组到上下铁轭距离，mm905铁心窗高,mm-6低压绕组辐向尺寸计算： 辐向有16

10、层，被两个气道隔开，分为：5层、5层、6层1.011.01箔式导线厚度，mmX 5X 6总层数5.056.06+0.18 X4X 1.1+0.18 X 5X 1.1绝缘总厚度(:=(Nm-1 )X层绝缘缘),mm5.8427.05X( 1+2%X (1+2%辐向裕度取 2%5.958847.191+0.36+0.36X 2外表绝缘厚度，mm6.31884(6.31)7.911(7.91 )低压绕组辐向总厚度=5层辐向厚度+气道1厚度+5层辐向厚度+气道2厚度+6层辐向厚度单位mm高压绕组采用分段层式绕组，前面已经计算出高压绕组的匝数为 727-693-658，计算时，用最大的匝数727来计算。

11、高压绕组可分为4段，每段 182匝，分7层，每层26匝，中间夹一个气道3+4+0=7。另外其余参考数 据如下：外表绝缘3.00mm,段间距离20mm端间距20mm空气距离45mm气道厚 度为16mm具体计算如下：-1 初选电流密度：、=2.0 A/mm2 I= 57.74 =33.3362 A -2 算导线截面积：s 二丄二 33.3362 = 16.6681mm2 ，d 2.0-3 选线规：3.00 X 6.30 / 0.16 ,导线截面积 S=1X 18.35=18.35 mm2-4 重算电流密度：=|,s = 33.3362 =1.82A/mm2，18.35-5高压绕组轴向尺寸计算高压线

12、圈轴向电气长度=带绝缘高压线圈导线宽度X每层匝数+起末宽度X轴向裕度X段数+ 段数-1 X段间距单位mm高压线圈轴向几何长度=高压线圈轴向电气长度+2X端绝缘咼压线圈窗咼=咼压线圈轴向几何长度+2X空气距离=咼压线圈轴向电气长度+2 X端绝缘+2 X空气距离6.30+ 0.166.46X (26+1)174.42X 1.02177.91 (178)X 4单位mm;带绝缘导线宽度，mm每层匝数加上起末头高度，mm轴向裕度，单根导线取2%每段长度取整数，mm总共有4段+0.56 X 3X 1.1+3.00+0.56X 3X 1.1+3.00外表绝缘厚度,mm15.2818.97高压绕组辐向总厚度：

13、 15.28+16+18.97=50.3 mm+20X 3772 (775)+45X 2865+ 20X 29053个段间距轴向长度，mm空气距离,mm端间距,mm铁心窗高，mm辐向有7层，被一个气道隔开，分为3.003.00X 3X 49.0012.00+0.56 X2X 1.1+0.56X 3X 1.1缘缘),mm10.23213.848X( 1+2%X(1+2%10.436614.125-6高压绕组辐向尺寸计算3层、4层-箔式导线厚度，mm-总层数绝缘总厚度(：=(Nm-1 ) X层绝辐向裕度取2%绕组绝缘半径及平均匝长的计算前面已经计算出，铁心直径 D =245mm那么铁心外接圆半径F

14、0=235/2=122.5 mm其余相关数据如下：低压-铁心：10mm高压-低压：40mm相间距离：41mm具体计算如下：122. 5+ 10-铁心外接圆半径R),mm低压绕组至铁心距 C,mm132. 5低压绕组内半径R,mm+38. 5低压绕组辐向厚度 R,mm171低压绕组外半径R,mm+40咼低压绕组间主绝缘距a12,mm(211-3-0.5 ) 207.5咼压绕组内半径R,mm+ 50 . 0咼压绕组辐向尺寸 B3,mm257.5 (258)咼压绕组外半径R,mmX 2516咼压绕组外径D,mm+ 41相间距离干变取 40左右A, mm 557-3.00 X 2咼压线圈外表绝缘，mm

15、551 (550)铁心柱中心距离为10或5的倍数M, mm铁心柱中心距离二高压绕组外径+相间距离-2*高压绕组外表绝缘故:外径：342外径：516单位mrh低压线圈内径：265高压线圈内径：415中心距：550绕组平均匝长I的计算:高压绕组Lm仁霊高压绕组外径高压绕组内径/2 0.5 ;低压绕组Lm2二囂牡低压绕组外径低压绕组内径 /2 0.5 ;平均匝长 Lm=Lm1+Lm2/2; m(R4 Rs) 0.5m207.5 258 0.5 =1462.24mm=1462m(取整)Lm4(R2 R3) 0.5=恵叫132.5 171 0.5 = 953.56mm=953m(取整)Lm =(Lmi

16、Lm2)/2 =(1462 953)/2 =1207.5mm 参考温度120 C 下绕组每相电阻及导线重量的计算R ,?SL 导线总长度额定分接时，m:：120 C时电阻系数，铜导线时Q=0.02445,mrmm；高压绕组电阻120C:L1=Lm1 NG =1462727 693 658 /3=1012m;2A =18.35mm1012R1 =0.024451.351 ;18.35高压绕组铜导线重：J 1 丄(415 2 3.00 15.28) 3 = 4109mmCu11=3 8.9 103 4.109 18.9 10-6 =207kgL2 1=二 516-2 0.56-16 4 = 626

17、5mmCu12=3 8.9 103 6.265 18.9 10-6 =316kg所以Cun=207 kgCu12=316 kg Cu13=0高压绕组导线重：Cu1=207+316=523kg高压绕组电阻损耗120CFCu1 =3 1.35 57.74/、32 =4512W低压绕组电阻120C:L? = Lm2 Nd =0.954 16 = 15.264m ;2A = 802.95mmR2=0.0244515.264 =4.57 10 已；802.95L2 1 丄265 2 0.36 6.34 5 二 4271mmCu21=3 8.9 103 4.271 802.95 10-6=91kgL2 2

18、 1=二 265 2 6 8 65=4694mmCu22 =3 8.9 103 4.694 802.95 10-6 =99kgL2 3=二 342-2 0.18-10 6 =6248mmCu23=3 8.9 103 6.248 802.95 10-6=132kg低压绕组导线重：Cu2=91+99+132=322kg低压绕组电阻损耗120C:Pcu2=3 4.57 10，1443.38 =2859W导线总重：523+322=845kg336负载损耗的计算H =90亦口/ ho：窗高I2 “443.38A 低压额定电流D=245mm /铁心直径B0=D-5=245-5=240mm B0:最大片宽；

19、为省去查表麻烦，近似等Sb=( 1443.38/1.8+0.5)/5+1=( 802/5+1)5=805mm2 ； Sb： 积；高压绕组电阻损耗(120C):九=3 1.35 (57.74d4512W低压绕组电阻损耗(120C) : Pcu2=3 4.57 10 1443.3=2859W杂散损耗、引线损耗及附加损耗分别如下：PzP =0.05 4512 2859i=368.55WKr18)9Py =Prr 73717371663.39W100 100 100 100KfPf-7131 3% =213.93W100低压绕组为箔绕，所以连接及附加损耗百分比K PsupPercent=0.006 x

20、 12=8.66导线中附加的所有损耗 Rup =(Pcu1 Pcu2 Pz P, P-) KPsupPercent/100 -(4512 2859 368.55 663.39 213.93) 8.66/100 =747W总负载损耗 PFtotal=Pcu Rup 二 Ru1 Pcu2 Rup =4512 2859 747 = 8188W树脂、玻璃纤维重的计算如果低压为箔式:纤维重 FibreWeight=C5 0.173=523 0.173=90kg树脂重 ResinWeight=Cg 0.16=523 0.16=83kg338空载损耗Pcm仁3 7.65 H0 S/10000.0=3 7.6

21、5 905 18.9/10000=39.25Pcm2=4 7.65 M0 S/10000.0=4 7.65 550 802.95/10000=1351;铁心重二Pcm1+Pcm2+ 角重 +0.5= 39.25+1351+417+0.5 =1808kgP0二铁心重量 单位损耗=1808 0.919=1662W P0空载损耗；短路阻抗计算Kex=l 2/6000.0 二 1443.38/ 6000.0 二 0.24:F= 775+795 / 240 38.6 50.3-0.36-3 /3 = 785 41.85 = 826.85 =40+ 10.78+14.56+0+5.94+5.94+7.17

22、/38 10 16 / 4 = 63mmex=4 1000 1207.5/(3 826.85 14.43752 100)kex= (4.83 106/5.17 107) 63+1443.38/6000=5.95Ver=8118/ 10 1000 =0.8118VUcc= ex2 er2=、5.952 0.811=6.01V=上下压间漏磁宽高压线厚低压线厚气道宽之和F二平均电抗高度漏磁总宽上下压线圈辐向尺寸o4 x容量x平均匝长汇也+低压电流ex 0 _心柱数：F匝电势26000Uk % = Jex %2+e2 (箔绕需再x 0.95)铁心温升的计算有计算可得：铁心柱中心距 M=550mm,低压

23、绕组的内径 D2=265mm电抗高度Le2=795mm,空载损耗R=1662W铁心窗高H0=905mm有查表可得：迭片系数k0=0.97 ,迭片总厚度b=238mm最大迭片厚度bmax=235mm最小迭片厚度 bmin =60mm 净横截面积 Ac =436.306 mm2。散热面积的计算S =8 汉 M0 汉 b/匕汉10 +2 汇代汉 10, =8 汽 550 汉 238/0.97+2 汉 436.406汉 10，= 1.17m2 5=4 (bmax -bmin b k。)10=4 (235-60 238 0.97) 10 -0.162m2S3=4 (2 M0 bmin) (bmax-bm

24、in) 10=4 (2 550 60) (235 -60) 10“=0.812m254 =6 (H0-Le2) (b k0 bmax) 0.75 10=6 (905 -795) (238 0.97235) 0.75 10= 0.22m255 =6 (bbmax) Le2 0.75 10 =6 (238 0.97 235) 795 0.75 102-0.167ma0 =0.5 (D2 -11.6 . AC) =0.5 (265-11.6 ,436.306) = 11.35a = 0.5 a0 =0.5 11.35 = 5.67有效散热系数为a1 =0.56 (2 a1.6/(H。Le2)0.25

25、 =0.56 (2 5.671.6/(905 795)0.25 =2.8总的散热面积为S2 Ss S4 Ss a01 =1.17 0.162 0.812 0.22 0.167 2.8 = 2.8316m2铁心的单位热负荷为q0 二 R/S =1662/2.8316 =586.95W/m2铁心温升为t =0.36 q0.8 =0.36 586.9518 =59K高压绕组温升的计算有计算可得高压绕组内径D4 =415mm高压绕组外径D5 =516mm高压绕组轴向长 度L =775mm轴向厚度为l1=15.28mm,l2=19.06mm电抗高度Lq=765mm,高压绕组 的铜损FCu4512W由查表

26、可得撑条根数口=8，净横截面积Ac =436.306 mm2，气道宽度为a =16mm,上下压绕组间的距离L=40mm散热面积计算%(D3 泊専-q 10) 10=775 (415 二-8 10) 10- = 0.948m2S1L1 (D3 2 IJm -rh 10) 10= 775 (4152 15.28)二 -8 10) 103= 1.02m2S3 =L1；(D5 _2：j2)二 1口；10)；10= 775 (516 2 18.97)沁眞一8 10) 106 =1.1 m2Sf4 =Li D5n10_6= 775 516 二 10-6= 1.26m2有效散热系数冇=0.56 (0.5 L

27、 a)/ 2)16 / L1)020.56 (0.5 40 16)/2)16 /775)02 0.33762 =0.56 (a/L1)1.6)0.25 = 0.56 (16/775)1.6)0.25 = 0.119总的散热面积为S =3 (ai1 Sn a12 (SI2 S13) S14)=3 (0.337 0.948 0.119(1.02 1.1) 1.26)-5.50m2高压绕组的单位热负荷为5 =FCu1/S =4512/5.50 =820.36W/m2高压绕组温升0 80 8t =0.33 5.=0.33 820.36,70.7 K 底压绕组温升的计算有计算可得低压绕组内径D2 =26

28、5mm低压绕组外径D3 =342mm低压绕组轴向长 度l_2=795mm 轴向厚度为 h =l2=6.34mm,l3=7.96mm，电抗高度 Le2=795mm,低压绕组的铜损氐2二2859W有查表可得撑条根数n2=8,净横截面积 代=436.306 mm2,气道宽度为a1=8mm, $=10mm,上下压绕组间的距离L=40mm散热面积计算SL2 (D2 二-压 10) 10 =795 (265 二-8 10) 10 = 0.598m2S22 二 L2 (D2 2 IJ： ：0.7-n2 10) 10-6= 795 (2652 6.31)二 0.7-8 10) 10“2=0.422mS23=L2 (D2 2 (h aj)n 0.7 n2 10) 10-6= 795 (265 2 (6.31 8)二 0.7-8 10) 10= 0.4