毕业论文-SZ10-40000110型变压器的设计计算

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEII-SZ10-40000/110型变压器的设计计算摘要本文简要介绍了电力变压器技术发展状况，对国内、国外电力变压器技术进行了对比，提出了中国变压器技术上的不足和改进方向。本文针对SZ10-40000/110型有载调压变压器进行了电磁计算，通过对铁芯尺寸的更改，绕组导线规格的选取以及空道尺寸的调节，分别计算出铁芯质量、绕组高度、铁芯窗高、电抗高度、负载损耗、空载损耗以及温升和短路电动力等情况。然后对所得结果进行分析和修正，使其符合国家、用户和厂家的要求。最后，本文研究了提高110千伏电力变压器抗短路能力的措施，其中包括设计和工艺：机械强度的校核；铁心的垂直度的控制；对导线的材质的要求，抗拉强度控制；围板搭装前的处理，控制套装时各线圈之间的间隙等。关键词：有载调压变压器，SZ10，变压器设计。PowerTransformerDesignandComputationofTypeSZ10-40000/110AbstractThestatusofdevelopmentofpowertransformertechnologyissimplydescribedinthispaper,bythecomparisonofthepowertransformertechnologybetweencivilandforeign,thispaperproposestheshortageofthepowertransformertechnologyofcivilandthewaytoimproveit.ElectromagnetismcalculationofOLTCtypeSZ10-40000/110ismadeinthispaper,bytheadjustmentofthesizeofcore,windingwireandinsulationdistance,coremass,windingheight,reactanceheight,loadlosses,no-loadlosses,andtemperatureriseiscalculatedrespectively.AnalysisandmodifytheparamentsafterthattomakeitmeettherequirementsoftheState,usersandmanufactures.KeywordsOLTC,SZ-10,transformerdesignPAGEII---PAGEIII-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1背景 11.2国内外电力变压器技术发展状况 11.3本论文的主要工作内容 3第2章电磁计算 42.1变压器计算的一般步骤 42.2设计任务 62.3设计过程 62.3.1基本尺寸的确定 62.3.2绕组直流电阻和重量计算 112.3.3短路阻抗Xd计算 122.3.4铁心重量计算 132.3.5空载损耗和负载损耗计算 132.3.6温升计算 152.3.7短路电动力计算 162.4本章小结 18第3章提高110kV电力变压器抗短路能力的措施 193.1研究意义 193.2提高变压器抗短路能力的方法与措施 193.2.1提高变压器抗短路能力在设计上采取的措施 193.2.2提高变压器抗短路能力工艺上采取的措施 213.3本章小结 23结论 24致谢 25参考文献 26附录 28-PAGE10--PAGE55-绪论背景变压器是一种利用电磁感应定律，将一个系统某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一系统另一种或几种数值不同的电压（电流）的静止的电气设备。其发展始于19世纪。其有效的解决了电力不能远距离传输的难题，其既可作为电力传输的节点，也可作为电力分配的终端，其将产电用电的各个单元有机结合为一个网络系统，变压器对现代社会的意义可谓极大。1.变压器的分类变压器的分类方式非常多，我们常见的有以下五种：按相数分：单相变压器、三相变压器；按冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器；按用途分：电力变压器、仪用变压器、试验变压器、特种变压器；按绕组形式分：双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变电器；按铁芯形式分：芯式变压器、壳式变压器。2.变压器基本结构(1).铁芯。铁芯是变压器中主要的磁路部分。(2).绕组。绕组是变压器的电路部分。(3).套管。(4).保护装置(吸湿器、安全气道、气体继电器、储油柜及测温装置等)。(5).冷却器。(6).调压装置。(7).油箱。国内外电力变压器技术发展状况变压器早期选用薄铁带、软铁片来制作，但当时的薄铁带、软铁片价格昂贵，且铁芯损耗大、发热严重，更为主要的是铁芯老化严重，因此在硅钢片实现工业化生产后，逐渐退出了大部分电机及变压器铁芯领域。20世纪初，硅钢片开始工业化生产，开始是热轧硅钢片，含硅量较低，由于生产工艺不成熟，硅钢片的损耗较高。50年代后，随着冷轧硅钢片的出现，由于冷轧硅钢片具有损耗低、质量可靠、厚度均匀、表面平整等优点，冷轧硅钢片在许多场合取代了热轧硅钢片。在硅钢片发展的同时，科学家们也在寻找其他材料来制作铁芯，主要有铁镍合金、铁铝合金、非晶态合金、微晶合金等[1]。其中，非晶合金具有损耗很低的特点，其铁芯损耗比无取向硅钢片铁芯低很多，目前在电源变压器中已有一定的发展。变压器绝缘介质也发生了很大的变化，早期选用矿物油和绝缘漆做绝缘介质，后矿物油经提炼和加工绝缘强度和燃点都逐步提高。化工材料的发展使绝缘漆也有了长足的进步。近年来出现矿物油与绝缘纸、绝缘漆结合、绝缘纸及SF6气体绝缘等。变压器的型式从油浸发展到干式变压器、气体绝缘变压器等。1.国外目前国外已经普遍采用非晶合金铁心变压器，其有更的低单位损耗和铁芯损耗；国外先进企业如日立、东芝、ABB、三菱、西门子等公司，其技术革新速度极快，加工工艺水平极高，其生产产品可靠性强，寿命长。2.国内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进步。电力变压器单台容量和安装容量迅速增长，电压等级也不断提高。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年代发展到550kV级，现在发展到750kV、1000kV级。40年来，我国电力变压器制造技术得到飞速发展，突破高压技术禁区，科研手段和产品创新能力得到进一步加强[2]。550kV电力变压器的科研成果和制造技术的应用，转化和逐步改进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。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1000~1500kV特高压发展。3.国内外间的差距制造水平总体讲，我国电力变压器技术处于国际20世纪90年代初的水平，少量的处于世界20世纪90年代末的水平，与国外先进国家相比，还存在一定的差距[3]。随着我国国民经济的迅速发展，为适应和满足市场需求，许多制造厂家不断地改进产品结构，提高产品性能，从国外引进先进的生产技术和装备，在新工艺新材料的探索方面做了不懈的努力，以此来不断提高产品的质量和可靠性，已经获得了长足的进步。另一方面，在全球化竞争中，虽然我国在小容量方面已经拥有相当的实力，并在国际市场中占有重要的地位，但是在高容量、超高容量变压器方面，我国的技术实力还非常薄弱，这就造成了欧美发达国家高容量、超高容量变压器市场我国无法进入的情况，这将阻碍我国变压器行业今后的发展，需要引起高度的关注[4]。4.展望变压器将来的发展方向随着新材料的开发和进步，非晶合金将获得长足发展，并有可能在配电变压器中逐步取代传统的硅钢片。将来随着超导材料的研究和突破，以超导材料制作的变压器会进入实际应用阶段，将来产品开发也不会只强调降损，而会从运行可靠性、安全环保、方便维修、节能降耗、控制成本等方面进行综合考虑，研制出低损耗、低噪音、安全性强，抗短路、低局放的变压器。新结构、新工艺、新材料的综合发展与结合，会不断推出质量更高、可靠性更好的产品。本论文的主要工作内容本文以110kV电力变压器电磁计算为主要研究内容，利用变压器基本原理，把电磁计算过程一步步展开，合理地制定了性能参数和相应的主要几何尺寸。从而达到降低变压器损耗,降低制造成本的目的。本论文共分为三章，第一章为绪论，介绍本课题的目的和意义、国内外电力变压器的发展以及变压器的分类。综述了本论文所作的主要上作以及论文章节的安排。第二章从整体结构出发，阐述分析了电力变压器电磁计算的基本过程，以及对变压器的性能参数进行了计算，如短路阻抗、负载损耗、空载损耗、空载电流、温升等的计算，使其最终的计算结果满足国家标准规定和使用部门的要求。第三章研究了提高110千伏电力变压器抗短路能力的措施，其中主要强调了提高绕阻抗短路能力的措施，包括：绝缘件制造方面，绕组干燥处理等。电磁计算电力变压器设计计算，主要进行的是电磁计算，而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，计算性能参数和各个部分的温升以及计算变压器的重量、外形尺寸和取得比较合理的技术经济效果。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。变压器计算的一般步骤（1）确定硅钢片品种、牌号及铁心结构形式、计算铁心柱直径，选定标准直径，得出铁心柱和铁轭截面积。（2）根据硅钢片牌号，初选铁心柱中的磁通密度，计算每匝电势。（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/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（μx）值，大容量变压器的μx值应与短路阻抗（μzk）标准值相接近；小型变压器的μx值应小于μzk标准值。（7）计算绕组负载损耗，算出短路阻抗的有功分量（ux），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）计算短路电动力及导线应力，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）计算变压器质量[6]。图1-1电力变压器计算的一般程序设计任务1.SZ10-40000/110kV变压器技术参数相数：三相；绕组数：双绕组；连接组：YNd11；电压组合：高压：110±8×1.25%kV，低压：10.5kV；调压方式：有载调压；额定频率：50Hz；额定电压：110kV；冷却方式：ONAN；短路阻抗：12%；负载损耗：148kW；空载损耗：28kW；额定容量：=40000kVA；空载电流：0.5%主要材料（1）硅钢片：冷轧硅钢片35z155；（2）绕组导线：纸包铜导线；（3）绝缘材料：用A级绝缘材料，最高平均温度不超过1050C；（4）绕组绝缘漆：1130#；（5）硅钢片绝缘漆：1161#高温快干漆。3.设计任务依据基本技术参数计算出该台变压器的所有电磁参数、结构参数、外形尺寸、各种材料重量。设计过程基本尺寸的确定铁心的选取铁心是变压器的最基本部件，是变压器的磁路和安装骨架。在原理上铁心是变压器的磁路。铁心直径的尺寸，直接影响变压器有效材料的用量，以及变压器的体积及损耗等经济指标，故选择合理的铁心直径尺寸是变压器设计中的重要环节。硅钢片总量和空载损耗随铁心直径的增大而增大，而线圈导线的总量和负载损耗随铁心直径的增大而减小。合理的铁芯直径就是硅钢片和导线材料的比例适当，达到最经济的效果。每柱容量：==37500kVA铁心直径：取D=590mm（35z155，=0.97）铁心柱截面积：=2515.79cm2铁轭截面积：=2522.776cm2（二）绕组A.电压、电流计算1.高压绕组，YN连结，=110kV，其各分接线、相电压为：其线、相电流相等：==209.95A2.低压绕组，d连结，其线、相电压相等：=10.5kV其线、相电流分别为：==2199.43A，==1269.84AB.绕组匝数计算磁通密度的选取直接关系到变压器的空载性能、铁心的温升，以及空载噪声和运行时过励磁的能力。由于这些原因，这里磁通密度初选B=1.68T，则每匝电势根据=2515.79mm2，有==93.92V/匝。低压绕组匝数计算==111.79匝，取=112匝。则每匝电势为：==93.75V/匝。2.高压绕组匝数计算相邻分接，==8.2匝，取7匝；=8.7，取8匝。最大分接，=745匝其他分接，=737，=729，=721，=713，=704，=695，=686，=677，=669，=661，=653，=645，=636，=627，=618，=609高压绕组匝数校核:表1-1校核误差编号93.75V标准相电压（V）差值（V）误差157093.755716066.250.116%257937.55795012.50.022%358781.2558750-31.25-0.053%45962559540-85-0.014%560468.7560340-128.75-0.213%661218.7561130-88.75-0.145%761968.7561920-48.75-0.079%862718.7562710-8.75-0.014%963468.756351041.250.065%1064312.564300-12.5-0.019%1165756.2565100-56.25-0.133%126600065890-110-0.167%1366843.7566680163.750.246%1467593.7567480113.750.017%1568343.756827073.750.011%1669093.756907023.750.034%1769843.756986016.250.023%误差都在0.25%以内，符合要求。C.绕组分段1.高压绕组分段因为高压线圈相电流为209.95A，又因为电流密度与负载损耗、温升以及变压器二次侧突发短路时的动热稳定有关。其极值根据动热稳定要求确定。为了提高效率，希望变压器损耗降低，电流密度应须适当降低。取电流密度为：=2.5A/mm2，则有：高压导线截面积：==83.9784mm2导线规格为ZB-1.35，两根并联，a=4mm，b=10.6mm总匝数为：+868+82=677匝总段数为：8+68+2=78段低压绕组分段取电流密度为：=3A/mm2，则有：低压导线截面积：==423.28mm2导线规格为ZB-0.95，8根并联，a=4mm，b=13.2mm总匝数为：+4=112匝总段数为：56+4=60段3.调压绕组分段截面积为：==83.9784mm2导线规格为ZB-1.95，一根并联，a=4mm，b=10.6mm总段数为：68段D.绕组尺寸纵向尺寸a.高压绕组：正常段：（4+1.35)2=99.9915mm加强段：(4+1.35)=93.2505+6.741=99.9915mmb.低压绕组：正常段：（4+0.95）=77.4972mm加强段：（4+0.95）=58.212+19.2852=77.4972mmc.调压绕组：（4+1.35）=5.35mm2.轴向尺寸高压绕组：（10.6+1.35）78=932.1导线高度，mm+214.5油道高度，mm1146.61150电抗高度，mm+24压板厚度，mm1265绕组总高度，mm低压绕组：（13.2+0.95）60=849导线高度，mm+190油道高度，mm10391040电抗高度，mm调压绕组：（10.6+1.35）68=812.6导线高度，mm+207.4油道高度，mm10203.铁心窗高：=1150+85+70+20+35=1360mm4.绝缘半径：295铁心柱半径，mm+6间隙，油道C，mm301低压绕组内半径，mm+77.5低压绕组辐向厚度，mm378.5低压绕组外半径，mm+38高低绕组主空道，mm416.5高压绕组内半径，mm+100高压绕组辐向厚度，mm516.5高压绕组外半径，mm+40高压调压绕组主空道，mm556.5调压绕组内半径，mm+5.35调压绕组辐向厚度，mm561.85调压绕组外半径，mm+80相间距，mm645铁心柱中心距，mm图2-1变压器结构图绕组直流电阻和重量计算绕组长度计算：低压绕组平均半径：==566.5mm高压绕组平均半径：=417.25mm调压绕组平均半径：=564.675mm2.绕组平均匝长低压绕组：=2=2.622m高压绕组：=3.559m调压绕组：=3.548m3.绕组总长低压绕组：=293.604m高压绕组：=2409.443m调压绕组：214.264m4.绕组直流电阻计算（=0.02097，铜导线750C低压绕组：=0.0148Ω高压绕组：=0.6082Ω调压绕组：=0.10816Ω5.绕组裸线重量Gc计算，kg其中：m相数；S导线总的截面积，；导线密度，kg/dm2，铜导线=8.9kg/dm2；L绕组总匝长。低压绕组：3257.3555kg高压绕组：=5344.7132kg调压绕组：=2376.4406kg6.绕组带绝缘导线重量G'c计算，kg其中：c=。低压绕组：=（1+2.78999%）=3348.2353kg高压绕组：=（1+4.3258%）=5575.9172kg调压绕组：=（1+4.3258%）=2479.24067kg短路阻抗Xd计算当线圈几何尺寸确定后，应首先计算阻抗分量。短路阻抗Zd由电阻分量Rd%和电抗分量Xd%两部分构成，但对较大容量变压器，因为电阻分量Rd%很小，计算时可以忽略。电抗分量Xd%都是以额定电压百分数表示的，其计算公式如下：，%高—低绕组短路电抗：从而，短路阻抗数值为：=11.82，%铁心重量计算1.铁心柱重量计算==6639.7988kg其中：铁心柱数，三相三柱式=3；铁心窗高；铁心柱净截面积；铁心硅钢片密度，冷轧硅钢片取7.62g/cm2。2.铁轭重量计算==4979.2030kg其中：上下主轭的心柱中心距数目，三相三柱式=4；铁心柱中心距；上下主轭净截面积。3.角重量计算，kg角重量也可以查表取得，=2337.0kg。4.铁心重量计算=13956.0018kg空载损耗和负载损耗计算空载损耗p0计算变压器的空载损耗，就是硅钢片中的损耗，故又称铁心损耗，这个损耗决定于硅钢片的材质和工艺质量，也决定于铁心各部分的磁通密度和重量。其计算公式如下：==26.235kW其中：=1.15；铁心硅钢片单位损耗，W/kg，查表可求；铁心硅钢片总质量，kg。2.空载电流I0计算%==0.0997%<0.58%其中=1.4；铁心单位磁化容量，VA/kg，查表可求；额定容量，kVA。负载损耗Pfz计算变压器的负载损耗，是在短路试验状态下，测得的一对绕组的损耗。对于两绕组变压器，其负载损耗应该是每个绕组损耗之和。其计算公式如下：，kW(1).绕组导线电阻损耗Pr计算①低压绕组：kW②高压绕组：kW(2).附加损耗Pf计算，kW其中：，附加损耗系数涡流损耗系数：其中，kw=3.8，铜导线750C时；S每根导线截面积，mm2；ρ洛氏系数；m垂直于漏磁场方向的导线根数；n平行于漏磁场方向的导线根数；a垂直于漏磁场方向裸导线尺寸，mm；Hx绕组电抗高度。环流损耗系数：①低压绕组负载损耗：,当=0时，kW②高压绕组负载损耗：,当=0时，kW.杂散损耗Pzs计算变压器运行时，由于漏磁场穿过钢铁结构件（夹件、钢压板、螺栓及油箱壁等），并在其中产生杂散损耗。在大容量变压器的负载损耗中，杂散损耗可以达到负载损耗的30%-40%，必须引起足够的重视。其计算公式如下：，kWkW(4).负载损耗计算：①低：=75.87049kW②高：=86.28739kW变压器总负载损耗为：Pfz=162.1578KW所有情况下，负载损耗大于148kW，误差为9.57%，在+10%的国标要求范围之内，符合要求。温升计算.绕组表面单位热负荷计算：；W/m2其中，系数，铜线取22.1；I线段中的电流；绕组每段匝数；线匝绝缘修正系数，当1.75a时，，当1.75a时，；导线中总的附加损耗百分数；线饼的遮盖系数；l线饼的周长。1.低压绕组表面单位热负荷计算：，I=1269.84A，=2，j=3.056，，，l=q=1656.282W/m22.高压绕组表面单位热负荷计算：，I=209.95A，=9，j=2.527，，，l=q=1017.28W/m2.绕组表面最热点对油的平均温升计算，K其中，绕组对油的平均温差，=0.159；导线绝缘厚度的温升校正值，=0.00305；，校正温度。1.低压绕组表面最热点对油的平均温升计算：=28.496K，=0.001525K，=2.137K=30.635K2.高压绕组表面最热点对油的平均温升计算：=20.258K，=0.002745K，=1.969K=22.230K短路电动力计算变压器在正常运行时，铁心中的磁通密度及绕组中的电流均为或接近于额定值，但这种情况不是永远不变的。当系统中出现过电压或由于误操作及保护装置出现故障时，因断路器跳闸需要一定时间，就会使变压器的正常运行遭受到较大的扰动。变压器设计时，若短路强度不够，尽管这种暂态运行的持续时间很短，变压器也会因此而遭受到损坏。因此对变压器进行结构设计时，必须考虑到变压器在运行过程中，由于线路故障短路或变压器线匝内部短路而产生的机械力，以及此机械力对变压器的器身结构和线圈的作用结果。绕组区域划分在计算线圈机械力之前，必须先进行安匝分布计算，因为机械力与漏磁场有直接关系。漏磁场可以分解为横向漏磁场和纵向漏磁场，纵向漏磁场对载流线圈产生辐向力；横向漏磁场产生轴向力。根据上面的电磁计算可将各线圈的安匝分布列于表1-1表2-1区域划分区域高压绕组（mm）低压绕组（mm）18段55.2匝119.66段10.4匝100.9997224段匝351.819段匝330.04324段匝351.819段匝330.04422段匝323.416段匝277.92（二）安匝分布计算表2-2安匝分布区域高压安匝，%低压安匝，%不平衡安匝平均安匝平均高度（cm）18.159.29-1.148.7211.03231.5532.23-0.6831.8934.092331.5532.23-0.6831.8934.092428.7526.252.527.530.066合计1001000100109.5漏磁总安匝计算由上表可知：=109.5cm=7.75+3.8+10=21.55cmS=2.37cm=0.1968=0.0216=0.4043=180.101（四）短路电流稳定值倍数计算Z=0.6667==7.4662倍不平衡安匝漏磁阻所产生的总轴向力计算=19167.1724N绕组导线应力计算1.高压绕组导线应力计算：(1).由辐向力引起的拉应力：=239.99kg/cm2(2).由轴向力引起的弯曲应力：=149.108kg/cm2(3).导线上受到的弯曲应力：=389.099kg/cm22.低压绕组导线应力计算：(1).由轴向力引起的导线弯曲应力计算：=321.115kg/cm2(2).由辐向力引起的导线压缩力计算：=128.889kg/cm2(3).内绕组导线总应力计算：=450.889kg/cm2铜导线的许用应力1600kg/cm2，由此可见，总应力小于铜导线的许用应力，因此是允许的。本章小结本章通过给定的参数，对变压器的额定电压与电流、变压器电路与磁路、阻抗电压、导线重量和电阻阻值、负载损耗、空载损耗和空载电流、温升、短路电动力、变压器重量等进行了计算，计算结果显示，此SZ10-40000/110/11.5双绕组有载调压电力变压器为合格产品，各项指标符合国家标准。提高110kV电力变压器抗短路能力的措施3.1研究意义近年来，随着电力事业的发展，电力系统容量及变压器的安装容量不断增大，人们对变压器承受电力系统的运行条件要求也越来越苛刻。从国家电网公司近年来公布的变压器事故情况分析来看，抗短路能力不够已成为电力变压器事故的首要原因。随着我国电力工业的发展，110kV及以上的大型变压器在电网运行的数目越来越多。这些变压器不可避免地会受到各种短路事故的威胁，一旦发生短事故，强大的短路电流会导致绕组过热而烧坏绝缘。同时，巨大的电动力会造成绕组变形，进一步扩展成匝间、饼间短路，甚至将器身崩掉。国家电力公司安运部和国家机械工业局行管司联合下发文件附件指出：变压器短路事故损坏的原因主要是产品本身抗短路能力不足。故此，电力部门及广大的变压器用户对变压器的可靠性提出了更高的要求。要求变压器有足够的动稳定及热稳定性能，以保证变压器安全运行。为了考核变压器的动、热稳定性，纷纷要求对变压器进行短路试验，以检验其机械强度。变压器的机械强度是影响变压器可靠性的重要因素之一[6]。变压器在系统运行中，由于各种偶然因素的存在，要想完全杜绝短路故障的发生的不可能胡，所以要求变压器能够承受标准规定的短路故障。也就是说，要求变压器应该具备一定的抗短路能力，这一点无论对于保证变压器的使用寿命还是保证电力系统可靠供电都有重要的意义。所以这一章浅谈提高110千伏级电力变压器抗短路能力的措施。3.2提高变压器抗短路能力的方法与措施为提高变压器抗短路能力，我们根据短路时变压器绕组承受的三种电动力及其作用情况，针对110kV级变压器的传统结构和工艺，在设计和工艺方面采取了一些重要的改进措施,现简述如下。3.2.1提高变压器抗短路能力在设计上采取的措施1.电磁计算参数选择要合理，在保证性能指标、温升限值的前提下，综合考虑短路时的动态过程。从保证绕组稳定性出发，综合选择撑条数、导线宽厚比及导线许用应力的控制值。在进行安匝平衡排列时根据额定分接和各极限分接情况整体优化，尽量减少不平衡安匝。要考虑到作用在内绕组上的轴向应力约为外绕组的两倍，尽可能使作用在内绕组上的轴向外力方向与轴向内力方向相反。2.绕组结构绕组是产生电动力又直接承受电动力的结构部件。要保证绕组适中的稳定性，就要针对受力情况，缘筒，所有绕组设置外撑条，并保证外撑条可靠地压在线段上。对单螺旋低压绕组首末端均端平一匝以减少端部漏磁场畸变。对等效轴向电流大的低压和调压绕组，针对周向电动力采取特殊措施固定绕组出头，并在出头位置和换位处采用适形垫块以保证绕组稳定性。3.器身结构器身绝缘是电动力传递的中介，要保证电动力作用时各方向均有牢固的支撑和减小相关部件受力时的压强，在设计时采用整体相套装结构，内绕组硬绝缘筒与铁芯柱间采用撑板撑紧，以保证内绕组上承受的压应力均匀传递到铁芯柱上。合理布置压钉位置和选择压钉数量并设计副压板，以减小压钉作用到绝缘压板上的压强和压板的剪切应力。4.铁芯结构轴向电动力最终作用在铁芯框架结构上。如果铁芯固定框架产生局部结构失稳和变形，将导致绕组失稳而变形损坏。因此，设计时铁芯各部分结构件强度要留有充分的裕度，各部件间尽量采用无间配合和互锁结构，使变压器器身成为一个坚固的整体。5.工艺控制和工艺手段一个好的设计需要有效的工艺手段来控制。对于关键工序如垫块预处理、绕组绕制、绕组压装、整体套装、器身装配时预压力控制等方面进行严格的工艺控制，以保证设计要求。具体做法如下：1)安匝平衡。所有绕组对应区域内安匝尽可能相等，高度尽可能相等,避免由于漏磁通严重而产生过大的短路电磁力。2)使用硬纸筒。所有绕组内部均采用进口高密度纸板制作的硬纸板筒做支撑，即绕组直接绕在硬纸筒上，并采用立式绕线机绕制，提高了绕组的紧度。3)增加内撑条的档数，设计时通常增加四档。也就是增加了绕组内部支撑点，并且所有内撑条靠线圈侧倒圆角，消除了当绕组受短路力作用时产生的应力集中现象。4)所有线圈外部放置与内撑条同等数量的外撑条，并且每隔200mm用电工收缩带绑扎牢固，防止绕组受短路力冲击时，发生垫块移位或脱落。5)压板用60mm～70mm厚的层压木制成，在压板上每隔240mm～280mm沿圆周均匀放置压钉，保证线圈轴向压紧。6)所有线圈在换位处，放置0.5mm纸板DY100/00做成的“Z”型垫片并用丹尼森纸包扎。7)对于用单螺旋绕制的线圈，在标准换位处，即总匝数的1/4、1/2和3/4处，用纸板黏成像“牛角”形状的特殊垫块，放在换位的空档处，不给导线留有振动的空间。8)对绕组的端圈垫块、油隙垫块和撑条进行预密化处理，压缩量为10%～11%，避免了变压器在运行过程中由于垫块的自然伸缩，而给导线留下振动的空间，导致垫块脱落，线饼倒塌。9)当绕组的固有频率与轴向短路力的频率相接近时，将会产生谐振，这时轴向动态短路力的幅值将会大幅增加，对绕组的危害极大。因此在计算过程，应使得绕组的固有频率避开轴向短路力的频率。10)最大的轴向预压紧力不能超过整个线饼的静态轴向失稳临界短路力。否则会因轴向预压紧力过大而导致某些线饼倾斜倒塌。11)设计时引线固定支点足够，避免引线受到短路电流冲击时造成相间短路，固定引线槽口不易过大，避免由于未将引线固定牢固，造成引线绝缘损坏，使引线短路[3.2.2提高变压器抗短路能力工艺上采取的措施1.严格进行机械强度的校核为了保证样机顺利通过短路试验，我们对短路状态下各种分接电压位置变压器所受到的辐向电磁力和轴向电磁力进行认真校核，保证线圈、夹件、铁芯拉板以及焊缝在受到最大短路应力的情况下不超过许用应力，并且有一定的裕度，对线圈的稳定性进行了计算，保证在最大短路电磁力的作用下，线圈不出现失稳现象。还计算了引线之间的电动力。2.结构、材料、工艺措施铁芯：严格控制铁芯的垂直度，因铁芯的垂直度直接影响到绕组的垂直度，是使绕组不失稳的条件之一。铁芯采用粘接工艺，使铁芯与内线圈成紧配合，以免两者之间的间隙会影响试验前后阻抗值的变化。保证铁芯夹件的平整度，夹件上各焊接零件，例如压钉、支架等对腹板的垂直度，确保绕组受力均匀，不变形。器身：围板套装前应进行干燥处理。围板的搭接安置在适当的地方，套装时各线圈之间的间隙均匀，套装时发现松动及时调整，才能保证装配的紧实。压板采用钢压板。钢压板的厚度放一定的落料信息量，平面进行车加工，保证平整，严格控制倒角尺寸，保证线圈压紧时受力均匀。控制引线夹的夹持距离，对引线的根部增加夹持，有效保证线圈出头和引线焊接处的稳定性。器身垫块与线圈垫块对齐，保证线圈的稳定性，增加抗线圈轴向力的能力。线圈：对导线的材质作一定的要求,抗拉强度控制在一定的范围内。具体如下：a.绝缘件制造方面绝缘纸板条料采用HPB纸板制作并热压密化处理，密化压力为20～30MPa，温度为90±10℃，时间不少于5h。注意热压时保持压力恒定，并且从热压机上卸料后及时加工冲制垫块，不可时间过长，一般不超过5d，以免吸潮。垫块穿配时要加强对各撑条上垫块总高度的控制，使各撑条上垫块受力均匀，同一绕组的撑条高度互差控制在±1%以内，同台产品异相绕组撑条垫块总高互差不大于1.5%。铁轭绝缘端圈上的垫块应分布均匀，位置公差为±2mm，厚度要一致，公差控制在±1mm。绕组的绕制当绕组线饼辐向垫条填充厚度超过20mm时,要采用成型层压件，或者把填充辐向尺寸的层间垫条、内径垫条和外径垫条入烘干炉干燥，排除垫条内的水分，出炉后对垫条进行浸变压器油处理。入炉时间不少于8h，温度在80～100℃。当电磁线的裸导体厚度小于2mm、匝绝缘厚度超过整根导线总厚度的50%时，在绕制绕组前要对电磁线进行预处理：把电磁线入烘干炉干燥，入炉时间不少于8h，温度为80～100℃。这样一方面可以排除匝绝缘内的水分，绕制时线饼辐向尺寸紧实；另一方面可以减轻绕制过程中匝绝缘之间的摩擦，必要时可以抽真空处理。绕制绕组时，拉紧,连续式线圈要对全部导线进行轴向和辐向压紧，高压线圈要对全部导线拉紧。绕制反饼临时段时，也要使用拉紧装置，以便使线匝平整。同饼导线用两手指沿辐向拉时，不得有缝隙，即不得超过宽10mm，厚0.2mm[8]。严格控制辐向尺寸，要符合图纸上的技术要求。不可因为辐向尺寸达不到图纸要求，就降低绕制过程中的拉紧力和拉紧的导线根数，不可以把线饼间起连接作用的换位找松。当采用的电磁线裸导体厚度≤2mm、匝绝缘占导线总厚度的50%以上。而线饼匝数在20匝以上时，采用全部绕制正饼的方法（即反饼也绕制成正饼），线饼间的连接采用纠结连接的方法。为了保证线段圆整，绝缘撑条要沿圆周均匀分布，撑条间距偏差不超过±3mm。对于绕组采用普通纸包扁线的，当撑条间距大于150mm时，在主撑条间加放临时假撑条；对于绕组采用纸包组合线和换位导线的，当撑条间距大于200mm时，在主撑条间加放临时假撑条。线圈出头及端部线饼全部用具有热缩性的收缩带打竹节扣绑扎，并且要绑扎紧实牢固。特别是低压和调压螺旋式线圈，更要加强绑扎，出头前、后各3个撑条间隔内均要绑扎。当撑条间距大于150mm时，每间隔绑扎2道，每道至少6层。对于连续式（内屏蔽连式）、纠结式和单螺旋式线圈至少绑扎3个线饼；对于双螺旋、三螺旋或多螺旋式线圈至少绑扎3匝，沿圆周每3个间隔绑扎1处。并且线圈出炉后还要再次进行紧固打结绑扎，保证绑扎带不松动。b.绕组干燥处理线圈采用抽真空恒压干燥，以保证绕组的轴向尺寸稳定。恒压压力为3MPa，干燥时间不少于20h，尤其是要特别注意线圈预热时间不可少于6h。因为经过大量的实测数据表明：变压器线圈在整个恒压干燥过程中轴向尺寸收缩的80%以上是在预热阶段实现的。严格控制线圈的轴向尺寸每个线圈的轴向尺寸公差要严格控制在±2mm，同一相但不同绕组线圈的轴向尺寸互差小于3mm，以便线圈均匀压紧。如果达不到图纸要求尺寸,则在设计指定的区域调节油隙垫块。用于调节的垫块也要随线圈入炉进行恒压干燥处理。线圈恒压干燥后要在4h内完成线圈的再次整理工作，否则要重新入炉干燥处理。完工后要及时用塑料袋把线圈包裹严，以防止线圈匝绝缘吸潮并及时套装，不可存放时间太长[12]。3.3本章小结本章通过对短路故障的分析，得出提高抗短路能力的措施。1.设计方面设计包括电磁计算和结构设计两个方面。从前面分析可知，短路机械力决定于漏磁密和短路电流的大小，所以控制或减小漏磁和降低短路电流是设计中首先考虑的。具体措施如下：减小安匝不平衡程度。适当提高大型变压器短路阻抗。改善铁心的截面形状，合理选择内外撑条的数量。设计合理的绕组端部绝缘结构。采用合理引线结构。2.制造工艺方面措施改进绕组绕制设备和工艺，提高绕组的紧度。绕组垫块放置要整齐笔直，所有垫块均采用密化处理。采用绕组恒压干燥与整体组装工艺，以保证绕组轴向高度。结论本文在介绍了电力变压器的发展状况，及电力变压器的基础知识的基础上，详细的给出了SZ10-40000/110电力变压器的电磁计算方案。对电力变压器损耗情况进行了建模仿真。总结全文的研究内容，并对具体的公式进行分析，结果显示：1.本电磁计算方案计算了变压器线圈的电压电流、铁芯数据、短路阻抗、空载损耗、空载电流、负载损耗、温升和短路电动力等性能参数。并且计算结果均符合设计任务要求。2.变压器的运行性能与变压器的绝缘结构、阻抗电压、负载损耗、空载损耗、空载电流等性能参数密切相关。3.变压器的空载、负载损耗计算值与铁芯和绕组密切相关，空载损耗随铁芯柱直径的增大而增大，而负载损耗则随铁芯柱直径的增大而减小。4.针对电力变压器的抗短路能力问题进行研究和分析，可以从设计和机械工艺两方面提高电力变压器抗短路能力。致谢本论文得以顺利完成，与教师和同学的帮助密不可分，我在此，向所有这些人表示衷心的感谢。首先，我要感谢我的导师，本文从选题、写作形式与内容至最终定稿，陈庆国老师给予了我很多建设性建议和意见，并在百忙中三阅其稿。陈老师严谨的治学态度、科学的治学方法、渊博的学识、诲人不倦的精神和平易近人的工作作风令我敬仰、敬慕，这将会使我终身受益。感谢母校内所有教过我和使我受教的老师们，他（她）的无私的传道、授业、解惑，让我受益匪浅，是我人生中的一笔宝贵的财富。最后我要感谢长期以来给我诸多帮助的同学们，同他们一起探讨学问，相互交流生活学习经验使我受益良多，与他们的友情是我一生值得珍视和怀念的情感。参考文献1.钟冠雄,范广田,吕遵发.国外中小型电力变压器的发展概况.变压器,1984,12(08):23-442.沈阳变压器研究所,郭振岩.中国变压器行业的现状及发展趋势,电器工业,2008,6(8):10-253.易世均,何正富.电力变压器的发展.电工技术,1997,5(6):24-334.姜益民.电力变压器发展趋势及攻关方向.上海电力,2007,5(3):15-355.高兴耀.21世纪初我国电力变压器技术发展展望.变压器,2000,20(1):5-206.路长柏.电力变压器计算.辽宁科技出版社,2001:24-557.刘传彝.电力变压器设计计算方法与实践.辽宁科技出版社,2002:22-438.路长柏,朱英浩.电力变压器计算.黑龙江科学技术出版社,1990,60(34):22-369.沈阳变压器厂.电力变压器手册.辽宁科技出版社,1990:2-3410.贺以燕.国内外变压器的现状及发展.电器工厂设计,2004,38(5):2111.桑士伟.无芯印制版变压器与印制电感器的分析和计算.大连海事大学硕士论文,2005:4~512.尹克宁.变压器设计原理.中国电力出版社,2003:1~1513.王宝珊.变压器设计手册(电磁计算部分).沈阳变压器研究所,1985:1~3614.方大千.变压器速查速算手册.中国水电水利出版社,2004:149~22415.D.Pavlik,D.C.Johnson,R.S.Girgis.Calculationandreductionofstrayandeddylossesincore-formtransformersusingahighlyaccuratefiniteelementmodelingtechnique[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,vol8,No.l,1993,56(6)239~24516.张安红.电力变压器的损耗研究与优化设计.湖南大学硕士论文,2005:13~1517.Z.Godec.Newmethodfordeterminationofsteady-statetemperatureriseoftransformers.IEEProceA,1984131(5),:307~31118C.P.Galvin.DesignPrinciplesforElectricalCoalescers[J].IChemESympSeries,1984,88(12):101-10219Sun.ApplicationofACandDCCrudeOilDesaltingTechnology[J].NaturalGasandPetroleum,1999,17(1):11-1320Waterman,L.C.Coalescence.ElectricalCoalesces.ChemicalEngineering,1965,46(12):459-46721CottrellFG,SpeedJB.SeparatingandCollectingParticlesofOneLiquidSuspendedinAnotherLiquid.1911:25-4422.AtaElali.NetworkCommunicationsTechnology.北京科学出版社,2002:22-55附录附录1：PowerTransformerDesignByBahramDadashiPowerTransformerDesignThissectioncoversthedesignofpowertransformersusedinbuck-derivedtopologies:forwardconverter,bridge,half-bridge,andfull-wavecentertap.Flybacktransformers(actuallycoupledinductors)arecoveredinalaterSection.Formorespecializedapplications,theprinciplesdiscussedhereinwillgenerallyapply.FunctionsofaTransformerThepurposeofapowertransformerinSwitch-ModePowerSuppliesistotransferpowerefficientlyandinstantaneouslyfromanexternalelectricalsourcetoanexternalload.Indoingso,thetransformeralsoprovidesimportantadditionalcapabilities:•.Theprimarytosecondaryturn’sratiocanbeestablishedtoefficientlyaccommodatewidelydifferentinput/outputvoltagelevels.•.Multiplesecondarieswithdifferentnumbersofturnscanbeusedtoachievemultipleoutputsatdifferentvoltagelevels.•.Separateprimaryandsecondarywindingsfacilitatehighvoltageinput/outputisolation,especiallyimportantforsafetyinoff-lineapplications.EnergyStorageinaTransformerIdeally,atransformerstoresnoenergy–allenergyistransferredinstantaneouslyfrominputtooutput.Inpractice,alltransformersdostoresomeundesiredenergy:•.Leakageinductancerepresentsenergystoredinthenon-magneticregionsbetweenwindings,causedbyimperfectfluxcoupling.Intheequivalentelectricalcircuit,leakageinductanceisinserieswiththewindings,andthestoredenergyisproportionaltoloadcurrentsquared.•.Mutualinductance(magnetizinginductance)representsenergystoredinthefinitepermeabilityofthemagneticcoreandinsmallgapswherethecorehalvescometogether.Intheequivalentcircuit,mutualinductanceappearsinparallelwiththewindings.Theenergystoredisafunctionofthevolt-secondsperturnappliedtothewindingsandisindependentofloadcurrent.UndesirableEffectsofEnergyStorageLeakageinductancedelaysthetransferofcurrentbetweenswitchesandrectifiersduringswitchingtransitions.Thesedelays,proportionaltoloadcurrent,arethemaincauseofregulationandcrossregulationproblems.Reference(R4)includedinthismanualexplainsthisindetail.MutualinductanceandleakageinductanceenergycausesvoltagespikesduringswitchingtransitionsresultinginEMIanddamageordestructionofswitchesandrectifiers.Protectivesnubbersandclampsarerequired.Thestoredenergythenendsupaslossinthesnubbersorclamps.Ifthelossisexcessive,non-dissipativesnubbercircuits(morecomplex)mustbeusedinordertoreclaimmostofthisenergy.Leakageandmutualinductanceenergyissometimesputtogooduseinzerovoltagetransition(ZVT)circuits.Thisrequirescaution–leakageinductanceenergydisappearsatlightload,andmutualinductanceenergyisoftenunpredictable,dependingonfactorslikehowwellthecorehalvesarematedtogether.LossesandTemperatureRiseTransformerlossissometimeslimiteddirectlybytheneedtoachieverequiredoverallpowersupplyefficiency.Moreoften,transformerlossesarelimitedbyamaximum“hotspot”temperatureriseatthecoresurfaceinsidethecenterofthewindings.Temperaturerise(°C)equalsthermalresistance(°C/Watt)timespowerloss(Watts).Ultimately,theappropriatecoresizefortheapplicationisthesmallestcorethatwillhandletherequiredpowerwithlossesthatareacceptableintermsoftransformertemperatureriseorpowersupplyefficiency.TemperatureRiseLimitInconsumerorindustrialapplications,atransformertemperatureriseof40-50°Cmaybeacceptable,resultinginamaximuminternaltemperatureof100°C.However,itmaybewisertousethenextsizelargercoretoobtainreducedtemperatureriseandreducedlossesforbetterpowersupplyefficiency.LossesLossesaredifficulttopredictwithaccuracy.Corelossdatafromcoremanufacturersisnotalwaysdependable,partlybecausemeasurementsaremadeundersinusoidaldriveconditions.Lowfrequencywindinglossesareeasytocalculate,buthighfrequencyeddycurrentlossesaredifficulttodetermineaccurately,becauseofthehighfrequencyharmoniccontentoftheswitchedrectangularcurrentwaveshape.Section3discussesthisproblemextensively.Computersoftwarecangreatlyeasethedifficultyofcalculatingthewindinglosses,includinghighorderharmonics(1).ThermalResistanceTemperaturerisedependsnotonlyupontransformerlosses,butalsouponthethermalresistance,RT(°C/Watt),fromtheexternalambienttothecentralhotspot.Thermalresistanceisakeyparameter,unfortunatelyverydifficulttodefinewithareasonabledegreeofaccuracy.Ithastwomaincomponents:internalthermalresistanceRIbetweentheheatsources(coreandwindings)andthetransformersurface,andtheexternalthermalresistanceREfromthesurfacetotheexternalambient.Internalthermalresistancedependsgreatlyuponthephysicalconstruction.Itisdifficulttoquantifybecausetheheatsourcesaredistributedthroughoutthetransformer.RIfromsurfacetointernalhotspotisnotrelevantbecauseverylittleheatisactuallygeneratedatthatpoint.Mostoftheheatgeneratedinthecore(otherthanintoroids)isnearthetransformersurface.Heatgeneratedwithinthewindingisdistributedfromthesurfacetotheinternalcore.Althoughcopperhasverylowthermalresistance,electricalinsulationandvoidsraisestheRTwithinthewinding.Thisisadesignareawhereexpertiseandexperienceisveryhelpful.Fortunately,internalthermalresistanceisconsiderablysmallerthanexternalRE(exceptwithhighvelocityforcedaircooling),andwhileRIshouldn’tbeignored,itusuallyisnotcriticallyimportantcomparedwithRE.ExternalREismainlyafunctionofairconvectionacrossthesurfaceofthetransformer–eithernaturalconvectionorforcedair.REwithnaturalconvectioncoolingdependsgreatlyuponhowthetransformerismountedandimpedimentstoairflowinitsvicinity.Atransformermountedonahorizontalsurfaceandsurroundedbytallcomponents,ormountedinarelativelysmallenclosurewillhaveconsiderablygreaterREthanifitweremountedonaverticalsurface,benefitingfromthe“chimneyeffect”.Withforcedaircooling,REcanbedrivendowntoaverysmallvalue,dependingonairvelocity,inwhichcaseinternalRIbecomestheprimaryconcern.Withforcedaircooling,thermalresistanceandtemperatureriseoftenbecomeirrelevant,becauseanabsolutelosslimittoachievepowersupplyefficiencygoalsbecomesdominant.Fortheaveragesituationwithnaturalconvectioncooling,acrude“ruleofthumb”canbeused:WhereASisthetotalsurfaceareaofthetransformer,excludingthemountingsurface.CalculatingASistime-consuming,butanotherruleofthumbsimplifiesthis,aswell.Foragivenclassofcores,suchasE-EcoresintheETDorECseries,therelativeproportionsarequitesimilarforallcoresizes.ThusforallcoresintheETDorECseries,theusablesurfacearea,AS,isapproximately22timesthewindingwindowarea,AW.Combiningthiswiththeequationaboveenablesthewindowarea,AW,fromthecoredatasheet,tob