毕业设计-10KV干式变压器设计

1、目 录摘 要 IAbstract II第1章 概 述 11.1 干式变压器的发展及前景11.2 干式变压器的应用场合21.3 干式变压器的分类21.4 冷却方式及其标志31.5 温升限值及参考温度31.6 绝缘水平41.7 干式变压器的过载能力41.8 干式变压器的防护方式51.9 干式变压器的环保标准5第2章 设计要点 62.1 铁心相关计算62.1.1 铁心直径的选择 62.1.2 铁心的空间填充系数62.1.3 铁心叠片系数72.1.4 铁轭截面和形状的选择72.1.5 其它 82.2 高低压绕组匝数的计算82.2.1 初算每匝电压 8 2.2.2 低压绕组匝数的计算 92.2.3 磁通

2、密度和磁通的计算 92.2.4 高压绕组匝数的计算 102.2.5 电压比校核 102.3 绕组相关尺寸和铜重的计算112.4 关于H级干式变压器的绝缘结构 122.4.1 概述 122.4.2 关于NOMEX 纸的技术性能122.4.3 用NOMEX纸做原料的H 级干式变压器 142.5 温升计算142.5.1 开敞通风式干式变压器的温升计算原则152.5.2 有关参数的补充说明18第3章 10KV 干式变压器的设计计算193.1 技术参数193.2 铁心直径及绕组匝数193.3 绕组计算20 3.4 铁心柱心距及线圈的径向尺寸203.5 阻抗计算213.6 铁心重量及损耗计算213.7 空

3、载电流计算223.8 温升计算22第4章 需要探讨的一些问题 254.1 H 级干变和环氧浇注干变的比较254.2 电流密度的选择264.3 关于温升284.4 关于容量294.5 关于联结法294.6 低温的使用环境294.7 噪声和发热问题的控制304.8 合理利用干式变压器的过载能力来节省投资30参考文献 32结束语 33附录A 低压引线图附录B 高压引线图10KV干式变压器的设计摘要：我国目前常用的干式配电变压器主要是F 级绝缘的环氧树脂浇注型或缠绕型的产品, 最近, 国内推出一种采用NOMEX绝缘纸作绝缘的H 级绝缘干式变压器。通过F1 级耐火能力、E2 级环境适应能力和承受C2 级

4、热冲击能力试验, 证明它具有良好的电气性能、机械性能和较高的耐热等级, 并且是一种安全性好的环保产品,能在多种恶劣的环境下运行, 值得推广使用。还介绍了用NOMEX纸制造H级绝缘非包封绕组干式电力变压器的技术性能特点、并就其制造成本与树脂浇注干式变压器进行了对比分析。关键词： H 级干式变压器； 特点； 分析；The design of 10kv class H dry-type transformerAbstract: The dry-type transformer most in use in China is class F insulated encapsulated-winding

5、 type. Recently , the class H Nomex-paper-insulated dry-type transfor-mer appears on china market , whose outstanding elect romechanical performance , heat resistance , safety , environment protecting capability and compatibility are validatedthrough class F1 fire-resistant test , class E2 environme

6、nt compatibility test and class C2thermal impulse test . As a result, it is worth spreading. The technical characteristicsof the class no-encapsulated-winding dry-type power transformer with NOMEX paper are introduced. Its cost is compared with the cast-resin dry-type transformer.Key words: class H

7、dry-type transformer； features； analysis；第 1 章 概述1.1 干式变压器的发展及前景自新中国成立以来，尤其是改革开放后，我国的电力工业取得了突飞猛进的发展。迄今，我国的总装机容量与年发点量都已越居世界前列，成了名副其实的“电力大国”。但是，由于我国人口众多，按人均的装机容量和年用电量方面，仍处于发展中国家的中等水平。今后，随着我国在新世纪中国民经济全面迈向小康水平，电力工业必将取得更快的发展。众所周知，变压器是电力系统中的一个极其重要的设备，无论是发电厂、变电所、输配电网络还是广大的用户以及国民经济的各个部门，都使用着各式各样的变压器。据统计，每增加

8、1kw的发电装机容量，就需要配套6-8KVA的变压器，可见，随着国民经济的高速发展，对变压器的需求量还将不断增加。当今世界范围内电力变压器以油浸式变压器(即绝缘介质使用矿物油)为主，尤其在电压等级超过66kV时，几乎全部采用这类产品。因为油浸式变压器具有散热好、成本低、容易制造、技术成熟等特点，最重要的一点是，用于高电压等级时油浸式变压器的绝缘性能是其他类型的变压器无法比拟的。但是在人们工作和生活的重要区域，如地铁、矿井、商业中心、机场、高层建筑、码头和电厂等地，采用油浸式变压器供电则非常不安全。因为油浸式变压器一旦出现内部故障，极易引燃变压器油，产生爆炸，导致变压器油外溢和飞溅，进而引发更大

9、的事故。正因如此，具有防火、难燃等特点的干式变压器就成为城市供电的首选产品。干式变压器，在GB6450标准中定义为“铁心和线圈不浸在绝缘液体中的变压器”。由于不用液体来绝缘且采用阻燃材料，因而难燃；同时，因产品铁心和线圈的外露，使维护和检修变得更加方便。因此，许多国家明确规定在重要场所必须采用干式变压器供电。干式变压器在世界范围内得到迅速发展，是要追溯到20世纪中后期。1964年，第一台环氧树脂浇注的干式变压器在德国诞生，这种干式变压器易于批量生产，与早期的浸渍干式变压器比较，优点明显，尤其是机械强度高，质量稳定性好，故很快推广应用开来。80年代末期，干式变压器从外国进入中国，至今每年以超过2

10、0%的增长率迅猛发展。随着城市电网用电负荷的逐渐增加, 城网变电站深入城区和居民区越来越多, 干式变压器便得到了广泛的应用, 在不断的需求中, 干式变压器本身也得到了巨大的发展。1989 年我国第二次城网改造会议时, 国内干式变压器年产量只有2 000MVA , 到1995 年发展到6 000 MVA , 2000 年已达到17 000 MVA , 占配电变压器产量的19 %。从世界各国干式变压器的发展状况去看, 其产量及使用范围逐渐扩大。在美国, 干式变压器已成为变配电变压器主体, 成套变电站中干式变压器占80 %90 %。因为干式变压器具有诸多的优点, 越来越多地被应用于高层建筑及商业中心

11、、石油、化工等对防火与安全有更高要求的部门。我们相信在中国加入WTO之后，随着开放程度的进一步提高，干式变压器领域将出现更为广阔的市场空间和未来。1.2 干式变压器的应用场合干式电力变压器的选用，应根据负荷状况、工程特点、场所环境、发展规划等因素，合理确定容量和台数。(1)在防火要求较高的场所、人员密集的重要建筑物内(如地铁、高层建筑、剧院、商场、候机大楼等)和企业主体车间的无油化配电装置中(如电厂、钢厂、石化等)，应选用干式电力变压器。(2)当场地较小时，如果技术经济指标合理，应选用干式电力变压器。(3)初期投资和油浸电力变压器附设的排油设施、防爆隔墙、废油处理，以及运行维护和损耗等费用，经

12、技术经济比较合理时，宜选用干式电力变压器。(4)与居民住宅连体的和无独立变压器室的配电站，宜选用干式电力变压器。(5)难以解决油浸电力变压器事故排油造成环境污染的场所，可选用干式电力变压器。(6)在与重要建筑物防火间距不够的户外箱式变电站内，可选用干式电力变压器。1.3 干式变压器的分类干式变压器按绕组、外壳和绝缘材料的温度等级进行分类。(1)按绕组分类：分为包封绕组的干式变压器和非包封绕组的干式变压器二类。有一个或几个绕组用固体绝缘包封起来的干式变压器称为包封绕组的干式变压器。任何绕组均没有用固体绝缘包封起来的干式变压器称为非包封绕组的干式变压器。(2)按外壳分类：分为密封型、全封闭型、封闭

13、型和非封闭型干式变压器四类。密封型干式变压器，带有密封型保护外壳，壳内充以空气或某种气体。其外壳的密封性能使壳内外的气体不发生交换。全封闭型干式变压器，带有全封闭型外壳，壳内外的空气能够发生交换，但外界空气不能以循环方式冷却铁心和绕组。封闭型干式变压器，带有封闭型外壳，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。非封闭型干式变压器，不带外壳，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。(3)按绝缘材料的温度等级分类：分为A级、E级、B级、F级、H级、C级绝缘干式变压器。目前，常见的是B级、F级、H级干式变压器。下表列出了各温度等级绝缘材料的最高允许温度：表1-1 各温度等级绝缘材料的最高允许温度温度等级A

14、EBFHC最高允许温度 105120130155180220 1.4 冷却方式及其标志干式变压器的冷却介质为空气或其他某种气体（例如氮气），冷却介质的循环方式有自然循环和强迫循环二种。前者称为自冷式，后者称为风冷式。通常用二个字母表示冷却方式。第一个字母表示冷却介质，第二个字母表示冷却介质的循环方式。冷却介质为空气时，用字母A表示；冷却介质为其他气体时，用字母G表示。冷却介质自然循环时，用字母N表示；冷却介质强迫循环时，用字母F表示。（1）对于非封闭型和封闭型干式变压器来说，外界空气能够以循环方式冷却铁心和绕组。绕组和铁心的冷却方式完全能够反映这二种干式变压器的冷却方式，所以只用二个字母来表示

15、冷却方式。自冷时用AN表示，风冷时用AF来表示。（2）对于全封闭型和密封型干式变压器来说，外界空气不能以循环方式冷却铁心和绕组。壳内外的冷却介质及其循环方式可能相同，也可能不同，必须分别标志壳内外的冷却方式。通常用4个字母来标志这两种干式变压器的冷却方式。前2个字母表示壳内绕组和铁心的冷却方式，后2个字母标志外科的冷却方式。当某一干式变压器有二种冷却方式时，可用这二个冷却方式标志中间加斜线的方法来标志，例如：AF/AN。1.5 温升限值及参考温度干式变压器绕组的温升限值取决与绝缘的温度等级。负载损耗、阻抗电压、短路阻抗的参考温度等于绕组的温升限值加上20。表1-2列出了在正常使用条件下运行的干

16、式变压器绕组绝缘的温度限值。从调研中得出，运行温度限值每超过额定值10，变压器使用寿命降低一半，不论运行环境温度的变化如何，铭牌容量的15倍为该台变压器的应急容量极限 绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。冷却风机的自动控制、超温报警、跳闸系统、温度显示系统，必须灵敏、准确、可靠动作，才能对于式变压器的运行状态、故障状况作出正确的判断，以便及时处理。表1-2 各类绕组绝缘温度限值绝缘的温度等级AEBFHC绕组温升限值（K）607580100125150性能参考温度（）8095100120145170干式

17、变压器的正常使用条件主要是指：（1）海拔不超过1000m；（2）最高气温不超过40，最高日平均气温不超过30，最高年平均气温不超过20。当冷却空气的温度某一项超过上列限值但不超过10K时，超过部分以5K为一级，绕组温升限值每级降低5K。当海拔超过1000m时，超过部分以500m为一级，自冷干式变压器绕组温升限值每级降低2.5%，风冷干式变压器绕组温升限值每级降低5%。1.6 绝缘水平 用于一般配电网络或工业系统的干式变压器，其绝缘水平应符合下表 1-3 的规定。表1-3 绝缘水平电压等级（KV）工频耐受电压（有效值）（KV）雷电冲击电压（峰值）（KV） 13610152035310202838

18、5070 2040607595145-40607595125170表中雷电冲击耐受电压有系列和系列二种。可按干式变压器遭受雷电过电压和操作过电压的程度，中性点接地方式和过电压保护装置的型式来选择，通常由用户来提出。当干式变压器安装地点的海拔高度超过1000m，但不超过3000m时，超过1000m的部分以每500m为一级，干式变压器工频耐受电压每级增加6.25%。1.7 干式变压器的过载能力 干式变压器的过载能力与环境温度、过载前的负载情况、变压器的绝缘散热情况和发热时间常数等有关。 因此，从运行经济安全可靠方面，可以从以下两点考虑。（1）减少备用容量或台数：在某些场所，对变压器的备用系数要求较

19、高，使得工程选配的变压器容量大、台数多。而利用干式变压器的过载能力，在考虑其备用容量和备用台数时可以减少。变压器处于过载运行时，一定要注意监测其运行温度：若温度超过允许温升限值即应采取减载措施，减去一些次要负荷，以确保对主要负荷的安全供电。（2）可适当减小变压器容量：充分考虑某些设备短时冲击过负荷的可能性，尽量利用干式变压器的较强过载能力而减小变压器容量；对某些不均匀负荷的场所，可充分利用其过载能力，适当减小变压器容量，使其主运行时间处于满载或短时过载。1.8 干式变压器的防护方式根据使用环境特征及防护要求，千式变压器可选择不同的外壳。通常选用IP20防护外壳，可防止直径大于12mm的固体异物

20、及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。若须将变压器安装在户外，则可选用IP23防护外壳，除上述IP20防护功能外，更可防止与垂直线成60角以内的水滴入。但IP231-壳会使变压器冷却能力下降，选用时要注意其运行容量的降低。1.9 干式变压器的环保标准国家环保局在广泛调研、论证、征求意见的基础上，于2004年1月19日发布并开始实施干式变压器的环保标准HBC212004环保标志产品认证技术要求干式电力变压器。该标准就成为变压器行业的第一部环保法典，激励和约束变压器产品朝着“节能、低噪、少维护、高可靠、易于回收处理”的方向发展。该标准提出三方面基本要求：(1

21、)变压器品质方面：必须满足GBT10228和GB6450变压器质量标准。(2)变压器制造企业环保方面：企业污染物排放满足相应国家和地方法规标准。(3)该标准对变压器产品本身的环境指标做出严格规定，进一步从变压器损耗、噪音、局部放电、废置产品回收特性等四个方面提出了具体的达到环保标志产品要求。针对环保标志产品回收特性的要求，标准规定：产品应易于拆解，产品中金属材料与非金属材料应易于分离。申请者应证明这种分离设施目前是广泛存在的，同时必须为废弃的产品建立回收系统或必须与目前设立的回收系统相结合。第2章 设计要点2.1 铁心相关计算铁心柱直径是变压器的最基本的参数，因为铁心的大小一旦确定，也就决定了

22、绕组的内径以及原、副绕组的匝数，从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。它的正确选定还涉及到变压器材料消耗的铜铁比，是影响优化设计的重要因素。2.1.1 铁心直径的选择 选择铁心直径的方法是较多的，如按照容量、短路阻抗、损耗值等，这些在有关书籍（如电机设计）中均有介绍，但这些公式使用起来都比较复杂。我国目前在设计时，一般均在综合考虑上述因素之后，采用下面的半经验公式来计算铁心直径，即： （2-1）式中 铁心直径，mm；铁心直径经验系数，它的取值可参见表2-1； 变压器的每柱容量，KVA。上式表明，对绝缘等级相同，结构相似的变压器，其铁心直径与每柱容量的1/4次方成比例。这种关系也与一般电机

23、设计的规律相同。表2-1 铁心直径的经验系数值变压器类别三相双绕组三相三绕组单相双绕组单相三绕组自耦变压器铝绕组50-5448-5250-5448-5248-52铜绕组53-5751-5553-5751-5551-55从表中可知：值与结构形式有关，在一般情况下，就值本身而言，具有铜线大于铝线，双绕组大于三绕组等特点。根据我国以往的中小型变压器的统一设计，对双绕组铝线一般取=52；对双绕组铜线取=55。但是随着技术的进步，的取值也在不段变化。例如对铜线双绕组的配电变压器有的厂家建议平均可取=52.5，这样可交好地节省硅钢片。所以表2-1中所推荐的值也并非一成不变的，在设计时还应根据产品的发展、材

24、料的价格以及各厂的具体条件来选择最优的值。2.1.2 铁心的空间填充系数 由于一般变压器的铁心都是采用薄硅钢片迭成的圆内多级矩形截面。显然，当多级矩形的级数愈多时，则它的截面愈接近圆面积。通常把多级矩形的几何截面积与圆面积之比成为铁心的空间填充系数，即： =（铁心的实际几何面积/铁心外接圆面积） 1 （2-2）当铁心级数愈多时，则填充系数愈高，这就意味着空间利用效果较好，漏磁也较少。但是，随着级数的增加，则铁心的冲剪、叠片等的工时都大为增加。所以铁心的级数要选择恰当，总的原则是直径愈大则级数愈多，一般为5-14级（1/4圆内级数）。铁心级数与填充系数的关系见表2-2，从此表看出，当级数在9级以

25、上时，填充系数增加不多。目前采用的铁心直径与级数范围见表2-3。表2-2 铁心级数与填充系数的关系级数123456789101112131415填充系数.637.787.851.866.908.923.934.942.948.953.955.958.961.967.969 表2-3 铁心级数与铁心直径的关系铁心直径D（mm）80-9095-120125-195200-225230-240245-265270-290400-560580-680700-980980以上级数56789101112131415以上2.1.3 铁心叠片系数由于硅钢片表面的平整度、绝缘涂层厚度等的影响，使得硅钢片实际通过

26、磁力线的净截面（有效截面）与其几何截面（毛截面）并不相等，它们之间的关系，常引用叠片系数的概念来表示，其定义为：=（通过磁力线的铁心净截面铁心的几何截面）208，因此，其阻燃性能要优越于环氧树脂与PET薄膜。2.4.3 用NOMEX纸做原料的H级干式变压器（1）真空压力浸渍式 （VPI）VPI H级干式变压器是在原有的浸渍式干式变压器的基础上发展起来的，由于采用了全新的真空压力浸渍工艺，大大增加了产品的防潮性能与耐电强度。这种变压器一般做成开敞通风式(OVDT)结构，通风散热情况较好。由于采用C级(220X2绝缘系统)的NOMEX纸来制造H级(180X2绝缘系统)的干式变压器，使得这种变压器具

27、有约20的过载热裕度，因而过载能力很强。再加上NOMEX纸在防火、防潮、环保、安全方面所具有的诸多优点，大大提高了其技术性能。目前，OVDT式VPI H级干式变压器在世界上已得到了广泛应用。OVDT式VPI H级干式变压器有如下主要特点。1)高压线圈可以是饼式、层式等多种结构。2)线圈为开敞通风式，散热情况良好，热点温升与平均温升间的差值小，有助于长期过载能力的提高与耐受热冲击负荷。3)依靠良好的真空压力浸渍工艺，可保证其优质的防潮性能以及较低的局放值。4)为降低突发短路时的冲击短路电流，线圈参数可设计为低XR结构。（2） 真空压力浸渍包封式(VPE或VDT)为了提高VPI变压器的环保与防潮性

28、能，在真空压力浸渍后，再用涂有硅树脂漆(或聚脂漆)的NOMEX纸加以包封，就形成了VPE H级干式变压器。VPE H级干式变压器基本结构与VPI OVDT式基本相同，绝缘材料也都是220的绝缘系统，不同的是前者防潮性能极好，且最高可容许到250温度下运行。2.5 温升计算 无论是油浸式变压器还是干式变压器，它们在运行的过程中，由于有铁耗和铜耗的存在，这些损耗都将转化成热能而向外发散，从而引起变压器不段发热和温度升高。具体而言，铁耗和铜耗所产生的热量将首先使铁心和绕组的温度逐步升高。最初，温度上升很快，但随着铁心和绕组温度的饿高，它们对周围的冷却介质（如油或者空气）就有一定的温度差（又叫温差或温

29、升），这时绕组及铁心就将一部分热量传到周围的介质中去，从而使周围的介质温度升高，此时，由于绕组及铁心有一部分热传给周围介质，故本身温度上升将逐渐缓慢。经过一段时间后，绕组及铁心温度最终达到稳定状态，而再不升高，这时绕组和铁心继续产生的热量将全部散到周围介质中去。这就叫做热平衡状态。上述过程是受“传热学”的规律所决定的。总的来说，干式变压器的温升计算其理论基础与处理方法与油浸式是基本相同的。只不过走味对流散热的介质不是油，而是空气。另外一个特点就是干式变压器没有油箱，并且由于干变的类型很多，结构各异。所以干变的温升计算更为繁杂。许多计算方法是属于专利技术，不可能公开发表。因此，这里的计算方法只是

30、一些通用的经验或者法则，也是属于一些基础性的介绍。2.5.1 开敞通风式干式变压器的温升计算原则 2开敞通风式干变（OVDT）的结构和象一个没有油箱的油浸式变压器的器身。但冷却介质为空气，主要依靠辐射和对流来散热。其温升计算的原则为：（1）不考虑发热体之间的热交换时的温升计算 铁心及内、外绕组的温升计算式。铁心以及内、外绕组三者都有损耗，因而可认为是三个独立的发热体，当不考虑它们之间的相互热交换时，起温升计算式为： （2-16） 式中 ，铁心以及内、外绕组的温升，K； ，铁心以及内、外绕组的单位热负荷， 铁心以及内、外绕组的单位表面热负荷的计算。（当内、外绕组均为圆筒式绕组时）。 ， ， （2

31、-17） ， 式中，铁心及内、外绕组的损耗，；，铁心及外绕组露在外面的散热面，；，铁心及内、外绕组被遮蔽的散热面，；，铁心及内、外绕组被遮散热面的散热系数。系数，的计算方法。 （2-18）式中，铁心及内、外绕组的平均气道宽，mm；，铁心及内、外绕组气道高，mm。系数，的计算方法。a.当两发热体间无绝缘筒时，取二者间隙的一半作为每个发热体的气道宽。b.当两发热体见有绝缘筒时，取发热体至绝缘筒间的间隙作为该发热体的气道宽。c.为确定铁心与内绕组的间隙，可按下式确定铁心的等效直径 （2-19）式中铁心柱的有效截面，。d.每个发热体的平均气道宽，应是该发热体所有气道宽的算术平均值。气道高，的计算方法。

32、a.铁心气道高取铁心窗高与内绕组电抗高的算术平均值，mm。b.内、外绕组的气道高分别取内、外绕组的电抗高度，mm。（2）考虑发热体之间的热交换的温升计算 当铁心、内、外绕组这三个独立的发热体之间的温升不相等时，应采用下列方法计算其相互热交换关系，并最终确定其温升。确定两发热体之间的温差。 （2-20）式中下标0、1、2分别表示铁心、内绕组、外绕组。根据上述温差值，求与之相应的热负荷。 （2-21）用于相互交换的热负荷（当内、外绕组均为圆筒式绕组时）。 （2-22）式中 铁心与内绕组气道内，铁心等效直径的表面积，；铁心与内绕组内，内绕组的表面积，；内、外绕组气道内，外绕组的表面积，。注：在计算时

33、，可在与以及与之间，分别取一个温度较高的值进行计算。用于相互交换的温差。 （2-23）铁心及内、外绕组的最终温升。 （2-24）注：当时，取 +，- 时，取 -，+时，取 +，-2.5.2 有关参数的补充说明最后，再说明一下当应用上述公式来进行温升计算时，铁心及内外绕组的几何散热面积的确定原则如下： 铁心。包括上铁轭的上部水平表面面积，上下铁轭的侧面积和端面面积。包括铁心气道的表面积以及铁心柱的外表面积。 内外绕组（圆筒式绕组）。外绕组外部的全部表面积。，包括绕组垂直气道内的全部表面积，但要除掉被撑条，撑板等所覆盖的面积。第3章 10KV干式变压器的设计计算3.1 技术参数型号 SG-1000/10额定容量 1000KVA一次电压 102.5%KV二次电压 0.4KV联 结 组 Y，yn0阻 抗 6%负载损耗（145） 11400W空载损耗 1760W空载电流 1.1%冷却方式 AN外壳种类 封闭式绝缘等级 H导线材料 电工铜3.2