10KV干式變壓器設計.doc

畢 業(yè) 設 計 論 文題 目 10KV干式變壓器的設計 （院）系 電氣與信息工程系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 0101 學 號 0101120314 學生姓名 曹 洋 導師姓名 劉金澤 完成日期 2005年6月15日 湖南工程學院畢業(yè)設計（論文）任務書 設計（論文）題目： 10千伏干式變壓器設計 姓名 曹 洋 系別 電氣與信息工程系 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級0101學號0314 指導老師 劉金澤 教研室主任 一、 基本任務及要求： 設計一臺干式變壓器。包括鐵心方案設計和繞組方案設計以及電磁計算。根據(jù)損耗大小和國標選擇鐵心；由電壓大小和工藝方法選擇繞組方案；并進行電磁計算。還必須進行溫升計算。對干式變壓器和油浸式變壓器進行比較，并分析干式變壓器的各種繞組工藝。 二、 進度安排及完成時間： （1）第二周至第四周：查閱資料、撰寫文獻綜述和開題報告； （2）第五周至第六周：畢業(yè)實習； （3）第七周至第八周：總體方案的確定； （4）第九周至十二周：電磁方案和溫升計算； （5）第十三周：畫變壓器低壓引線、高壓引線圖 ； （6）第十四周至第十五周：撰寫設計說明書 ； （7）第十六周：畢業(yè)設計答辯 目 錄摘要AbstractII第1章 概述- 1 -1.1 干式變壓器的發(fā)展- 1 -1.2干式變壓器的概述- 2 -1.3干式變壓器的種類和特點- 3 -1.3.1 浸漬絕緣干式變壓器- 3 -1.3.2 環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器- 3 -1.3.2.1樹脂澆注- 3 -1.3.2.2繞包絕緣- 4 -1.4發(fā)展趨勢- 4 -1.4.1 容量和電壓- 4 -1.4.2 溫控- 5 -1.4.3 調(diào)壓裝置- 5 -1.5 干式變壓器的結(jié)構(gòu)- 5 -1.5.1 浸漬式線圈- 5 -1.5.2 澆注式線圈- 6 -1.5.2.1 環(huán)氧樹脂澆注式線圈- 6 -1.5.2.2 薄層樹脂澆注式線圈- 6 -1.5.3 纏繞式樹脂包封線圈- 6 -1.6 設計任務- 7 -1.7 絕緣水平- 7 -1.8 噪聲水平問題- 8 -1.9 干式變壓器的冷卻方式和保護方式的選擇- 9 -第2章 設計步驟及原理- 10 -2.1 鐵心直徑的選擇- 10 -2.2 鐵心磁通密度和電流密度的選擇- 11 -2.3 線圈繞組匝數(shù)的計算- 11 -2.4 電壓比的校核- 12 -2.5 線圈繞組的一些尺寸和重量的計算- 13 -2.6 H級干式變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)- 13 -2.6.1 概述- 13 -2.6.2 SG型敞開式干式變壓器在中國的發(fā)展- 14 -2.6.3 Nomex紙作為主要絕緣材料的特點- 16 -2.7 H級干式變壓器的溫升計算- 16 -2.7.1 鐵心溫升- 17 -2.7.2 繞組溫升- 18 -第3章 10KV干式變壓器的設計計算- 20 -3.1 技術參數(shù)- 20 -3.2 鐵心直徑及繞組匝數(shù)- 20 -3.3 繞組計算- 21 -3.4 鐵心柱心距及線圈的徑向尺寸 單位：m- 21 -3.5 阻抗計算- 22 -3.6 鐵心重量及損耗計算- 22 -3.7 空載電流計算- 23 -3.8 溫升計算- 23 -第4章 需要探討的一些問題- 25 -4.1 干變?nèi)〈徒儔浩? 25 -4.2 銅箔與鋁箔比較- 25 -4.3 抗短路能力- 25 -4.4 過負載能力- 25 -4.5 絕緣水平- 26 -4.6 電磁設計中應注意的問題- 26 -4.7 溫升- 27 -4.8 H級干式變壓器主要部件的生產(chǎn)成本- 28 -第5章 小結(jié)與致謝- 30 -參考文獻- 32 -附錄A低壓引線圖附錄B高壓引線圖 湖南工程學院畢業(yè)論文10kv干式變壓器的設計摘 要：環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器在設計制造、運行、最終處置三個環(huán)節(jié)的環(huán)保特性，論證了環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器符合國家環(huán)保標志產(chǎn)品標HBC212004，進一步探討了壽命終結(jié)后的干式變壓器回收處理技術和方法。主要分析了有關干式變壓器的一些技術問題及有關發(fā)展干式變壓器的相關問題,如電流密度選擇與絕緣耐熱等級關系、繞組平均溫升與繞組熱點溫升關系、自冷容量與風冷容量間關系、高壓繞組聯(lián)結(jié)法的選擇,以及耐低溫的問題。文中還介紹了擬采用的新的溫升試驗方法。關鍵詞：干式變壓器 環(huán)氧樹脂澆注 干式變壓器 絕緣耐熱等級 溫升The design of 10kv class H dry-type transformerAbstract：The environmental aspects in the three stages of designing and producing，running， disposal of the endlife of Resin Cast Drytype Transformers are analyzedConclude that this kind of transform er fulfill the standard of HBC2 1 The Certifiable Technical Requirement for Envkonmental Labeling Products Drytype Power Tran sform ers Far more discussion and illusafion on the recyclingan dhan dfingtechnologyofthe endlifetran sform ersaregiveninthis articleThis paper analyses some technical problems on dry - type transformer and the correlative problems on developing dry - type transformer , such as the relation between current dencity selection and insulation endurance class , the relation between average temperature rise and heat - spot temperature rise of winding , therelation of self - cooling capacity and forced - air cooling capacity , selection of HV winding connection and the problem of resistance to lower temperature. A new temperature rise test method which will adopted is introduced.Keyword：dry-type transformer epoxy resin casting Dry - type transformer Insulation endurance class Temperature riseI第1章 設計概述1.1 干式變壓器的發(fā)展隨著社會的發(fā)展，我們對更多購物區(qū)、地鐵車站、工業(yè)綜合性建筑、商業(yè)區(qū)和有大量人存在的高密度住宅區(qū)等基礎設施的需求產(chǎn)生了更多的壓力。這又需要采用更復雜的配電電網(wǎng)來改善生活和工作在這些區(qū)域中的人的安全性。這對于亞洲這個世界上人口密度最大的地方來說已變得尤為重要。 常規(guī)配電是通過油浸配電變壓器提供的。100多年來，這些變壓器一直是將浸有礦物油的基于纖維素的材料作為冷卻介質(zhì)。礦物油除了是一種卓越的冷卻和絕緣介質(zhì)外，還十分易燃，并且當遇到火焰時可能會燃燒。因此，當居民位于比較接近這級變壓器的地方時就提出了更安全地配電的要求。 對為21世紀供能的供電設備的安全，高效和環(huán)境保護方面的這些日益增長的需求可以用過去四十年中已經(jīng)驗證的可靠技術來滿足。H級干式變壓器正越來越替代油浸式變壓器而常用于分配電能。這類變壓器能在嚴酷的環(huán)境和氣候條件下工作，耐火，工作時無噪聲，并可減少體積和降低重量以最大程度地減少使用空間，可以專供生產(chǎn)上使用。這種變壓器最適用于亞洲地區(qū)。 今日對高能源的日益增加的需求對能在重負荷下工作的變壓器施加了更高的壓力，尤其是在高峰負荷時段和嚴酷的高溫環(huán)境條件下。工作在F級或H級，甚至更高級熱條件下的變壓器，具有220 C級等級的芳族聚酰胺的絕緣系統(tǒng)，可使用戶從固有超負荷能力中受益，而不必投入附加費用來增加使用壽命。 十年來發(fā)達國家中的技術和商業(yè)趨勢已反映了這些因素。敞開式干式變壓器采用已獲得UL認證的絕緣系統(tǒng)，長久以來一直是北美市場上的優(yōu)先選擇方案。在歐洲，對采用這些非澆注式變壓器的興趣正與日俱增，這種變壓器滿足了在火災，氣候和環(huán)境等方面非常嚴格的新標準的要求。 今天，隨著我們剛剛開始跨入新世紀，在發(fā)展中地區(qū)如南美和亞洲對采用這種變壓器已變得更為迫切，這些地區(qū)的用戶正開始逐漸認識到作為他們的需求的最佳解決方案的這些趨勢，尤其是在負荷增長較高的地區(qū)。為規(guī)定的基本負荷安裝的變壓器可能在短短的幾年內(nèi)就變得無法使用，因為用電負荷在以兩位數(shù)字的年增長率遞增，除非這些變壓器的絕緣系統(tǒng)允許增加負荷且不會降低壽命。隨著越來越多地采用較低溫度方案，其能力的固有限制迫使用戶尋找具有已獲得認證的絕緣系統(tǒng)的更為可靠的解決方案。具有芳族聚酰胺絕緣系統(tǒng)的H級敞開式變壓器是已獲得驗證的未來選擇。 由于干式變壓器比充礦物油的變壓器具有優(yōu)越的安全性和其他一些固有優(yōu)點，因此正在世界各地越得越普遍地用于為購物中心、醫(yī)院、生產(chǎn)廠家、實驗室、船舶或其他人員或設備的高度安全要求是主要考慮因素的應用場合分配電能。 干式變壓器的主要優(yōu)點是其耐火性和能在不同的環(huán)境下工作。日益增長的需求已產(chǎn)生了用于設備的目標分類的新條例和標準，例如C57.15.56和歐洲的CENELEC標準HD-464。干式變壓器需要具有低噪聲水平，需要緊湊和具有較低的重量以最大程度地減少使用空間，可以專供生產(chǎn)活動用。許多國家的用戶和規(guī)格制定者已改用敞開式干式變壓器作為他們的要求的解決方案，在歐洲，一些制造商已提供了采用B級或F級絕緣系統(tǒng)的澆注樹脂技術。包括中國和韓國在內(nèi)的亞洲許多地區(qū)已采用了來自歐洲的這一技術。但是，這些變壓器在使用十年以后，其固有限制正逐漸成為用戶更關心的問題。日益增長的過負荷，對環(huán)境保護材料的要求和長期可靠性已成為這些較低溫度解決方案的缺點。嚴格的要求能導致大塊樹脂的開裂并加速材料的老化，因而會在不到十年的時間內(nèi)過早失效。隨著國家對防火安全性、人類生活環(huán)境的要求、變壓器壽命終結(jié)后廢棄物的降解處理等環(huán)保要求的提高，以及國家發(fā)展所面臨的電力能源的進一步緊張，H級干式變壓器以其優(yōu)良的性能將越來越受到變壓器廠家和用戶的青睞。安全可靠性更高、環(huán)保性能更為優(yōu)越的H級干式變壓器將是未來配電變壓器的發(fā)展方向。因此這次的設計是非常有實際意義的。這次需要任務是設計SG敞開式10KV干式變壓器H級絕緣的，主要包括設計的概述，電磁設計，冷卻方式和溫升計算等等幾個部分，針對在設計過程中遇到的難點和要點提出問題。1.2干式變壓器的概述 由于干式變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、防火、阻燃、防塵等特點，近10年來，在國內(nèi)得到迅猛發(fā)展。我國干式變壓器制造技術已經(jīng)成熟，技術水平與產(chǎn)品質(zhì)量與國外相當，已形成批量生產(chǎn)能力。隨著城市電網(wǎng)供電要求的不斷提高和變壓器技術的進步，干式變壓器在我國的使用已經(jīng)很普遍。在這短短的二、三十年中，干式變壓器技術得到了迅速的發(fā)展，除了大家比較熟悉的環(huán)氧樹脂型干式變壓器外最近出現(xiàn)了一些不用環(huán)氧樹脂真空澆注或纏繞工藝的SG型敞開式干式變壓器以及采用NOMEX（諾邁克）絕緣材料，非環(huán)氧樹脂真空澆注或VPI真空、壓力浸漬處理的SCR型包封式干式變壓器。這些變壓器的出現(xiàn)可以讓供電用戶有更多的選擇。 所有敞開式干式電力變壓器的產(chǎn)品型號都稱SG型，它們有相似的電磁計算、線圈形式和外形結(jié)構(gòu)，但在絕緣材料的選用、結(jié)構(gòu)設計、制造工藝方面卻有不同之處。 1.3干式變壓器的種類和特點 干式變壓器種類很多，主要有浸漬絕緣干式變壓器和環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器兩類。 1.3.1 浸漬絕緣干式變壓器 這是干式變壓器中應用最早的一種，繞組的結(jié)構(gòu)與油浸式類似，早期就是用玻璃絲包線繞制成的繞組浸普通的絕緣漆。這類變壓器繞組制造工裝設備簡單、成本低，但相對其它形式干式變壓器，它承受短路能力較差。另外，繞組的防潮和防塵性能差，變壓器停用再投入使用時，可能因為周圍的環(huán)境因素產(chǎn)生吸潮甚至凝露，使其絕緣水平大大降低，使用前必須進行清理和干燥處理。 20世紀90年代末，國內(nèi)出現(xiàn)了生產(chǎn)H級絕緣的敞開通風干式變壓器(OVDT)，其低壓一般為箔式繞組，高壓為層式結(jié)構(gòu)，繞組卷制后不用模子澆注，不用澆注設備，只用普通繞線機繞制即可。繞組采用真空壓力浸漆，經(jīng)過這樣處理的繞組具有較強承受短路的能力和耐高溫性能。該種變壓器通風散熱較好，有一定的過載裕度，過載能力強，再加上NOMEX紙在防火、防潮、環(huán)保安全方面所具有諸多優(yōu)點，大大提高了它的技術性能。 1.3.2 環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器 環(huán)氧樹脂是一種早就廣泛應用的化工原料，它不僅是一種難燃、阻燃的材料，而且具有優(yōu)越的電氣性能，已逐漸為電工制造業(yè)所采用。 1.3.2.1樹脂澆注 樹脂澆注式的工藝特點就是必須依靠模具并采用專用澆注設備，在真空狀態(tài)下使線圈澆注成型。它又分為有填料樹脂澆注和無填料樹脂澆注兩種類型。有填料樹脂澆注繞組，由于在樹脂中加入石英粉作為填料，可使樹脂機械強度增加，膨脹系數(shù)減小，導熱性能提高，從而可降低材料成本，且繞組外觀較好。有填料樹脂澆注又分為厚層有填料樹脂澆注和薄層有填料樹脂澆注兩種形式。 (1)厚層有填料樹脂澆注。早期的環(huán)氧澆注式干式變壓器，都是采用厚絕緣的澆注式線圈，其低壓繞組為鋁箔繞制的F級圓筒式繞組，繞組端部用樹脂澆注。高壓繞組采用分段圓筒式結(jié)構(gòu)，在真空狀態(tài)下采用以石英粉為填料的環(huán)氧樹脂用模具進行澆注。絕緣耐熱等級為B級，樹脂層的厚度一般為68mm。當變壓器運行后由于發(fā)熱溫度變化差別大極易導致環(huán)氧澆注層的開裂，并形成小的空氣隙，以致引發(fā)局部放電，這將嚴重威脅變壓器的運行可靠性，加之由于局部放電所引起的電腐蝕還將大大縮短變壓器的使用壽命。隨著技術的進步，厚絕緣就逐步為薄絕緣所代替。 (2)薄層有填料樹脂澆注。這種變壓器低壓繞組采用銅線或銅箔繞制成圓筒式，高壓繞組采用銅導線繞制成分段圓筒式。高低壓繞組分別裝入模具，在真空狀態(tài)下采用以超細石英粉為填料的環(huán)氧樹脂進行澆注，但是這必須在嚴格的工藝與先進的工裝下進行，否則，如果攪拌不均勻或者在澆注過程中將發(fā)生石英粉沉積現(xiàn)象。薄絕緣結(jié)構(gòu)還可以在線圈內(nèi)設置軸向氣道，這樣就可以增加線圈的散熱面，從而散熱能力好，給制造大容量干式變壓器提供了有利的條件。 1.3.2.2繞包絕緣 繞包絕緣干式變壓器又稱纏繞式樹脂全包封干式變壓器。繞組采用浸有樹脂的長玻璃纖維絲用直繞和斜繞的方法把繞組包封起來，繞組在烘箱中邊旋轉(zhuǎn)邊加溫烘干。由于不需要模具，因此生產(chǎn)的靈活性較好。這種結(jié)構(gòu)的繞組防開裂、抗短路能力優(yōu)于澆注變壓器。但是，由于無模成型使繞組外觀比不上澆注式。 1.4發(fā)展趨勢 干式變壓器與油浸式變壓器相比，絕緣運行條件有所改善，但油浸式變壓器的顯著性能和低成本是干式變壓器難以取代的。在戶外及防火要求一般的場所，今后較長一段時間內(nèi)，將仍以油浸變壓器為主。在新的世紀里，隨著國家對防火安全性，變壓器運行壽命終結(jié)后廢棄物質(zhì)的降解處理等環(huán)保要求的提高，以及未來國家具體的環(huán)保政策的走向等，使H級OVDT類干式變壓器在我國的發(fā)展前景看好。干式變壓器將發(fā)展成為配電變壓器的主體，特別在組合(箱)式變電站中，以采用干式變壓器為適宜，其發(fā)展趨勢有以下幾點：1.4.1 容量和電壓國內(nèi)已供應lO干伏2500kVA 的干式變壓器，在重要供電場合可采用多臺變壓器并聯(lián)運行相互備用，多數(shù)是用2000kVA 以下的配電變壓器。容量大于10000kVA的干式變壓器暫不會有所需要。我國高壓配電線路電壓仍以10kV 為主，今后發(fā)展可能會出現(xiàn)20kv 和35kV 的高壓配電線路。國外已提供35kV的干式變壓器，因此35kV變壓器、將得到發(fā)展。1.4.2 溫控干式變壓器線圈的發(fā)熱時問常數(shù)最小、升溫快，又是變壓器的重要部件，因此對它的溫度監(jiān)控是非常重要的。國內(nèi)已生產(chǎn)了供干式變壓器用的信號溫度計，具有三相溫度巡回顯示、最大值顯示、故障報警、啟停風機、超溫報警跳閘等功能，可以嚴密監(jiān)控溫升情況。1.4.3 調(diào)壓裝置干式變壓器一般為無勵磁調(diào)壓但先進的用電設備對電壓的穩(wěn)定有較高的要求。因此干式變壓器裝備有載調(diào)壓裝置是必然趨勢。我國已利用真空開關做有載調(diào)壓開關，但價恪昂貴，構(gòu)造復雜。最近上海已研制成功，且提供新型的干式變壓器用有載分接開關，價格僅為真空式開關的一半，為干式變壓器有載調(diào)壓創(chuàng)造了有利條件。1.5 干式變壓器的結(jié)構(gòu) 干式變壓器的鐵心和線圈部不浸在任何絕緣液中。國內(nèi)外干式變壓器的鐵心都是大同小畀與油浸變壓器的差別不大。通常采用晶粒取向冷軋硅鋼片。心柱用白干型絕緣粘帶間隔綁扎。也有用粘結(jié)劑將鐵心膠合成一體，以增加機械強度和降低噪聲。鐵心和夾件等金羈零部件都是暴露在空氣中，所以要涂以硅樹脂和防銹、防潮、耐熱的漆。變壓器運行中，鐵心是產(chǎn)生振動和嗓聲的根源。在線圈和底座等部件與鐵心交接的部位，都需要設置彈性零件，形成緩沖的過渡結(jié)構(gòu)，可以減小變壓器的振動和嗓聲。干式變壓器的線圈結(jié)構(gòu)分為三類：1.5.1 浸漬式線圈干式變壓器中應用最早的是浸漬式線圈，線圈的結(jié)構(gòu)形式和油浸式變壓器相類似，耐熱絕緣等級一般采用H級或F級，線圈浸漬處理后，表面還涂以耐潮的覆蓋漆制造這類線圈的工裝設備簡單，成本較低，但是其絕緣性能比油浸線圈差，其最大弱點是防潮性能差，為了改善它的防潮性能，采用的新工藝是真空壓力浸漆。首先在線圈纏繞中采用聚脂纖維紙作為匝絕緣和層絕緣，隔板，絕緣筒采用聚醋玻璃布板(筒)，把纏好的線圈放在真空容器內(nèi)預熱和真空干燥，在真空狀態(tài)下把樹脂漆送入容器，浸沒線圈，使樹脂滲透到線圈各部位及所有空隙，然后解除真空，再加壓，樹脂就進一步滲透到線圈內(nèi)部，經(jīng)過一段時間后，解除壓力，放掉樹脂，對線圈加熱，使樹脂固化。由此工藝加工的線圈，因被固化了的樹脂充填包封，大大地改善了防潮性能。因為采用了較多的專門設備，成本也將提高。1.5.2 澆注式線圈環(huán)氧樹脂澆注式線圈是6O年代中期開始采用的。把澆好的高低壓線圈在真空狀態(tài)下用模具以 氧樹脂澆注，完成后具有耐潮、阻燃和自熄性能的包封層。由于具體工藝和采用的填充料不同，澆注式線圈還可舟為二種。1.5.2.1環(huán)氧樹脂澆注式線圈 采用玻璃絲包鋁扃線繞制線圈，絕緣薄膜作為層問絕緣，玻璃布板(條)作為絕緣端圈。包封線同是在真空狀態(tài)下用模具進行環(huán)氧樹脂澆注樹脂層的厚度一般為615mm。在樹脂中加入石英粉作為填充料，可使樹脂增加機械強度，減小膨脹系數(shù)，提高導熱性能，降低材料成本。采用鋁導線是因為鋁與環(huán)氧樹脂的熱膨nK采數(shù)比較相近。即使采用改進樹脂的配方，改善了固化工藝以及在線圈與樹脂層間墊以緩沖材料，而環(huán)氧樹脂包封層的開裂問題，還是存在，還威脅著干式變壓器使用壽命。1.5.2.2 薄層樹脂澆注式線圈 為了解決樹脂包封層的開裂問題，采用玻璃纖維加強薄層環(huán)氧樹脂澆注線圈的干式變壓器，它采用銅導線繞好的高、低壓線圈分別裝入模具，在真空狀態(tài)下進行澆注，使線圈由玻璃纖維增強的薄層樹脂包封，富有彈性的包封層，可隨線圈一起黲脹和收縮，解決了開裂問題，包封層的厚度一般為l2mm，減少了包封層內(nèi)的溫差，改善了熱傳導的性能。采用銅導線加強了變壓器的過載能力，在制造這種線圈中，對工藝有較嚴格的精度，對模具的設計和制造，有較高的難度，因造出來的線圈優(yōu)點多，所以被廣泛地采用。1.5.3 纏繞式樹脂包封線圈 纏繞式樹脂包封線圈是70年代中期開發(fā)的工藝，在專用的繞包機組上用經(jīng)過環(huán)氧樹脂處理的玻璃纖維紗作為層間、段問和匝間的絕緣材料，在繞制導線的同時，把玻璃紗以斜繞和直繞的方式，纏繞成絕緣良好的線圈，經(jīng)過加熱，使樹脂固化從而形成一個封閉的固體絕緣線圈。這種線圈具有F級絕緣耐熱等級。線圈的包封層具有機械強度高，耐潮性能強，以及耐裂，阻燃自熄等優(yōu)良性能。這種方法是無模成型，不需用模具，因此在制造線圈中具有很大靈活性，設備簡單，降低了制造成本。特別適用于小批量生產(chǎn)和特殊規(guī)恪的產(chǎn)品 成為有發(fā)展前途的一種方法。1.6 設計任務干式電力變壓器的選用，應根據(jù)負荷狀況、工程特點、場所環(huán)境、發(fā)展規(guī)劃等因素，合理確定容量和臺數(shù)。(1)在防火要求較高的場所、人員密集的重要建筑物內(nèi)(如地鐵、高層建筑、劇院、商場、候機大樓等)和企業(yè)主體車間的無油化配電裝置中(如電廠、鋼廠、石化等)，應選用干式電力變壓器。(2)當場地較小時，如果技術經(jīng)濟指標合理，應選用干式電力變壓器。(3)初期投資和油浸電力變壓器附設的排油設施、防爆隔墻、廢油處理，以及運行維護和損耗等費用，經(jīng)技術經(jīng)濟比較合理時，宜選用干式電力變壓器。(4)與居民住宅連體的和無獨立變壓器室的配電站，宜選用干式電力變壓器。(5)難以解決油浸電力變壓器事故排油造成環(huán)境污染的場所，可選用干式電力變壓器。(6)在與重要建筑物防火間距不夠的戶外箱式變電站內(nèi)，可選用干式電力變壓器。干式變壓器設計包括電磁設計和結(jié)構(gòu)設計。電磁設計的任務在于確定干式變壓器的電磁負荷和主要尺寸，計算性能數(shù)據(jù)以及重量、外形尺寸等。計算結(jié)果必須滿足有關技術標準的規(guī)定和使用部門的要求。結(jié)構(gòu)設計的任務是選定各種結(jié)構(gòu)件的形式，核算各部分強度。同時應使整體結(jié)構(gòu)及其零部件的制造符合節(jié)約原材料、加工方便以及便于安裝、運輸和維護修理等要求。本次設計任務主要是干式變壓器的電磁計算和溫升計算，并稍涉及與結(jié)構(gòu)設計有關的問題。1.7 絕緣水平 在GB6450 86干式電力變壓器標準中,規(guī)定了干式變壓器絕緣水平。在標準制定中考慮到如下特點, 因而與油浸變壓器有所不同, 在此僅歸納如下。 1. 干式變壓器與油浸式電力變壓器相比, 絕緣運行條件有所改善。油浸式電力變壓器的使用場所較多, 城市農(nóng)村均可, 常安裝在戶外運行。干式變壓器的供電范圍較小, 只安裝在戶內(nèi)運行。 2. 干式變壓器的進線常有電纜段, 架空線段也常有建筑物加以保護, 和油浸式電力變壓器相比, 它遭受的雷電壓幅值較低, 波頭較緩, 雷擊概率也較小。 3. 干式變壓器常使用金屬氧化物避雷器保護,不但限制大氣過電壓, 而且也限制了內(nèi)部過電壓。 4. 干式變器所在的電站容量小, 接線結(jié)構(gòu)簡單, 避雷器到變壓器的距離近, 電氣連接線短, 故可以選用較小的保護系數(shù) 。根據(jù)以上諸因素, 可以認為干式變壓器的絕緣水平應該比油浸式電力變壓器的絕緣水平低一些。GB6486 86 事實上絕緣水平和GB311 83 組規(guī)定數(shù)據(jù)相比, 約低15 %。這是由于干式變壓器的進線條件、避雷器連線和保護水平都足以彌補其降低值。本次的設計任務是選取的H級的絕緣材料。下表列出了各溫度等級絕緣材料的最高允許溫度：各溫度等級絕緣材料的最高允許溫度溫度等級AEBFHC最高允許溫度 1051201301551802201.8 噪聲水平問題建筑等地方由于環(huán)氧澆注干變的運行場所大都是在人口密集的市區(qū)中心、商業(yè)區(qū)或高層,故對噪聲有較高的要求,因此,干變的噪聲大小變得非常敏感。由于對噪聲的認識不足,環(huán)氧澆注干變的前期產(chǎn)品噪聲較大,目前各制造廠對降噪問題都非常重視,產(chǎn)品噪聲已明顯降低。從各廠的資料及已提供的產(chǎn)品看,10kV 級2 500kVA 及以下的環(huán)氧澆注干變,噪聲水平都低于60dB , 有個別廠甚至1600kVA及以下的噪聲都在50dB 左右,這說明各廠對產(chǎn)品已經(jīng)不僅僅是依樣畫葫蘆,而且有了改進。35kV 級16 000kVA環(huán)氧澆注干變的第二批產(chǎn)品,噪聲水平也有所下降,降為6264dB ,遠低于國標。而此次的設計要求是聲壓級46dB的。1.9 干式變壓器的冷卻方式和保護方式的選擇變壓器正常運行時需要合適的通風量來散熱(一般變壓器每lkW 損耗，需要4m min的通風量)，因此當干式變壓器安裝在地下室或其它通風散熱較差的環(huán)境時應考慮其通風問題。干式變壓器在正常運行時，其冷卻方式可分為自然空氣玲卻(AN)和強迫空氣冷卻(AF)。自然空玲時，變壓器可在額定容量下長期連續(xù)運行。強迫風冷時，變壓器輸出容量可提高50 ，適用于在散熱差、溫度高的環(huán)境下運行以及斷續(xù)過負荷運行，或應急事故過負荷運行等情況下運行；但由于過負荷時負載損耗和阻抗電壓增幅較大，處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，故不應使其處于長時間連續(xù)過負荷送行。干式變壓器具體處于哪種玲卻方式，應由運行人員根據(jù)運行實際情況來確定。另外，如果長時間使用風機也容易造成風機損壞，所以一般說來，干式變壓器在經(jīng)濟運行時，應采用自然空氣冷卻方式；在短時過負荷運行時，才應采用強制空氣冷卻方式。根據(jù)本次任務的要求應選用AN自冷的方式。根據(jù)使用環(huán)境特征及防護要求，干式變壓器可選擇不同的外殼，如IP20、IPg3等型號。如果干式變壓器與其他變配電設備安裝于同一室內(nèi)，我們通常選用IPg0防護金屬外殼，一方面可防止直徑大于12ram 的固體異物及鼠、蛇、貓、雀等小動物進入，造成短路停電等惡性故障，另一方面也能為帶電部分提供安全屏障，防止運行人員檢查巡視設備時發(fā)生觸電危險，但IPg0外殼會使變壓器玲卻能力下降使用時要注意其運行容量的降低，金屬外殼下方一定要設置百葉通風孔。如果干式變壓器單獨裝于環(huán)境較好的變壓器室內(nèi)，可不采用外殼。第2章 設計步驟及原理2.1 鐵心直徑的選擇用簡化經(jīng)驗公式來計算鐵心直徑：1 式中 鐵心直徑，mm；鐵心直徑經(jīng)驗系數(shù)，它的取值可參見表2-1； 變壓器的每柱容量，KVA。三相雙繞組變壓器=/3；單相雙繞組變壓器=/2； 變壓器額定容量，KVA。表2-1 經(jīng)驗系數(shù)鐵心材料（適用于50HZ）鋁繞組銅繞組冷扎硅鋼片56-6060-69熱扎硅鋼片60-6669-78當求得鐵心直徑后，便可直接查出鐵心的凈面積S，鐵心厚度T和寬度等尺寸。鐵軛面積可按下列公式計算：=0.05S(單相殼式)， =S（單相芯式）當采用多級鐵心柱截面時，鐵軛截面為： =（1.05-1.1）S = /T (鐵軛高)式中 鐵軛截面 ; 鐵軛高 選片系數(shù)，見表2-2鐵心柱窗高為繞組高加二倍繞組端部到鐵軛的距離，并要考慮到通風散熱及引出線的方便。表2-2 選片系數(shù)的選取硅鋼片類型選片系數(shù)無漆膜絕緣時有漆膜絕緣時0.35mm冷扎硅鋼片0.94-0.950.93-0.940.35mm熱扎硅鋼片0.91-0.920.5mm硅鋼片0.960.932.2 鐵心磁通密度和電流密度的選擇2 鐵心磁通密度的選擇見表2-3；電流密度的選擇見2-4。表2-3 干式變壓器磁通密度的選擇鐵心材料絕緣耐熱等級磁通密度（T）冷扎硅鋼片B1.40-1.55H1.50-1.65熱扎硅鋼片B1.20-1.35H1.30-1.45表2-4 干式變壓器電流密度的選擇繞組材料絕緣耐熱等級電流密度（A/）內(nèi)繞組外繞組銅導線B1.4-2.12-3H2.4-3.62.8-4.3鋁導線B1.0-1.51.6-2.1H1.5-2.11.8-2.32.3 線圈繞組匝數(shù)的計算 ； =4.44式中 一次繞組或二次繞組的匝數(shù)； 一次側(cè)或二次側(cè)的空載額定相電壓； 每匝電壓（V/匝）； 電源頻率（Hz）； 磁通密度（T），見表2-2； 心柱的凈面積。 一般先求出低壓繞組的匝數(shù)，再求高壓繞組的匝數(shù)（為變比）。匝數(shù)全部取整。2.4 電壓比的校核通常，電壓比較核可按下列程序進行； （1）額定分接時電壓比較核，即 式中額定相電壓；計算的相電壓。而 式中額定分接時的匝數(shù)。 （2）最大及最小分接下的電壓比較核：1）最大分接： 2）最小分接： 式中 ，規(guī)定的最大，最小分接下的電壓； ，計算的最大，最小分接下的電壓。當分接的數(shù)目較多時，每個分接下都需要進行校核。另外，在進行各分接下的電壓比較核時，應計算到小數(shù)點后的三位數(shù)字。2.5 線圈繞組的一些尺寸和重量的計算（1） 輻向尺寸的計算 式中 沿輻向的導線并聯(lián)根數(shù)； 每段匝數(shù)； 制造裕度，取1.03-1.05； 帶絕緣導線厚度。（2） 軸向尺寸的計算 式中 帶絕緣導線寬度； 沿軸向?qū)w的總根數(shù)。 對于連續(xù)式（糾結(jié)式），n=總段數(shù)；對于單螺旋（一次標準換位、二次特殊換位），n=匝數(shù)+4；對于雙螺旋，n=2（匝數(shù)+1）；對于四螺旋，一側(cè)出線，n=4（匝數(shù)+1）；對于四螺旋，前后兩側(cè)出線，n=4（匝數(shù)+1/2）。 （3） 鐵心窗口高度計算 式中 軸向尺寸； 壓板至鐵軛間空隙。 （4） 繞組銅重的計算 ， 式中 繞組銅重； 繞組平均匝長； 繞組平均直徑； 繞組導線截面； 繞組匝數(shù)。 考慮到引出線及導線絕緣的重量，一般按上述計算的結(jié)果還要增加5%-10%的重量。2.6 H級干式變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)2.6.1概述 隨著城市電網(wǎng)供電要求的不斷提高和變壓器技術的進步，干式變壓器在我國的使用已經(jīng)很普遍。在這短短的二、三十年中，干式變壓器技術得到了迅速的發(fā)展，除了大家比較熟悉的環(huán)氧樹脂型干式變壓器外最近出現(xiàn)了一些不用環(huán)氧樹脂真空澆注或纏繞工藝的SG型敞開式干式變壓器以及采用NOMEX（諾邁克）絕緣材料，非環(huán)氧樹脂真空澆注或VPI真空、壓力浸漬處理的SCR型包封式干式變壓器。這些變壓器的出現(xiàn)可以讓供電用戶有更多的選擇。 所有敞開式干式電力變壓器的產(chǎn)品型號都稱SG型，它們有相似的電磁計算、線圈形式和外形結(jié)構(gòu)，但在絕緣材料的選用、結(jié)構(gòu)設計、制造工藝方面卻有不同之處。 2.6.2 SG型敞開式干式變壓器在中國的發(fā)展4 1. 二十世紀六十年代以前的干式變壓器主要是B級絕緣的敞 開式干式變壓器，產(chǎn)品型號為SG型。當初還沒有箔式線圈時，低壓多數(shù)為多根并繞的層式或螺旋式線圈，高壓為餅式線圈。導線為雙玻璃絲包線或單玻璃絲包縮醛漆包線。其余絕緣材料多數(shù)為酚醛玻璃纖維類材料。其浸漬工藝為常溫、常壓下用B級絕緣浸漬漆分別對高、低壓線圈浸漬并進行中溫干燥（干燥溫度不超過130）。此種干式變壓器雖然比油浸式變壓器在防燃性能上有了很大的進步，但它的防潮、防污穢性能令人擔憂。目前已經(jīng)不再生產(chǎn)。盡管如此，它成功的電、磁、熱計算和結(jié)構(gòu)設計卻給以后發(fā)展起來的新的H級絕緣敞開式變壓器奠定了很好的基礎。 2. 美國的一些變壓器廠（如位于佛吉尼亞州的FPT公司）研 制出一種采用美國杜邦公司的NOMEX芳香聚酰胺作主要絕緣的干式變壓器。FPT公司的產(chǎn)品有兩種型號：FB型為180（H級）的絕緣系統(tǒng)。FH型為220（C級）的絕緣系統(tǒng)，線圈溫升分別為115K（我國為125K）和150K。它的低壓線圈為箔式或多根并繞層式，匝絕緣和層間絕緣都采用NOMEX。高壓線圈為餅式，導線也用NOMEX紙包扎，線餅之間不用常規(guī)的撐條加墊塊的結(jié)構(gòu)，而采用梳狀撐條，這樣使得餅間的最高電壓降低了一半，也大大提高了高壓線圈的軸向抗短路能力，卻增加了線圈的繞制難度和制造工時。高低壓線圈進行套繞，增強了機械強度。也有采用NOMEX絕緣板作墊塊加撐條結(jié)構(gòu)的。高低壓之間的絕緣筒用0.76mm厚的NOMEX紙板做成。它的浸漬工藝采用多次的VPI真空、壓力浸漬，高溫干燥（干燥溫度達180-190）。在FPT公司，這種變壓器最高電壓制造到34.5kV，最大容量為10000kVA。這種技術在美國得到UL的認證 國內(nèi)有變壓器制造廠采用NOMEX絕緣材料和美國杜邦公司有關制造規(guī)范（HV-1或HV-2）以及Reliatran?雷力通TM變壓器技術標準等要求制造的H級絕緣SG型干式變壓器與美國FPT公司的FB型變壓器有相似之處，只是國內(nèi)產(chǎn)品線圈的VPI浸漬工藝不同于FPT公司，它不對整個變壓器器身進行浸漬，而僅對線圈進行浸漬。整個器身浸漬的包封整體性好，可是不僅不美觀，還要在處理前必須做完產(chǎn)品的相關檢測。浸漬漆也容易被污穢，相對而言在中國后者比較合理。3. 在歐洲，干式變壓器的發(fā)展比較多樣化，除了環(huán)氧樹脂真空 澆注和纏繞工藝外，其它還有類似于我國SCR型非澆注固體絕緣包封式變壓器和SG型敞開式變壓器的品種。在七十年代瑞典一家工廠用NOMEX絕緣材料開發(fā)出敞開式干式變壓器。而后，另一家工廠用玻璃纖維及DMD來替代NOMEX絕緣材料，降低了材料成本。它的線圈結(jié)構(gòu)與早期的B級絕緣產(chǎn)品相似，低壓采用多根并繞或箔式，高壓為餅式。匝絕緣用玻璃纖維，墊塊用陶瓷。其它絕緣件采用改性二苯醚樹脂玻璃布層壓板（筒）或改性聚胺-酰亞胺層壓玻璃布板（筒），還有DMD、SMC等。它的線圈處理工藝為VI真空浸漬，在浸漬過程中不加壓力。它的技術關鍵不僅是浸漬漆（樹脂）和浸漬工藝的合理選擇，更重要的是陶瓷片的制作。普通陶瓷是一種脆性材料，不上釉的陶瓷容易受潮，且在其受力或受熱不均勻時會開裂。因此，它必須有很高密度和硬度才行，目前還只能靠進口。4. 上述幾種SG型敞開式干式變壓器除電磁計算、線圈形式、外形結(jié)構(gòu)有相似之處外，其它不同處歸納于表2-5。表2-5比 較 項 目B級絕緣的SG型玻璃纖維的SG型NOMEX的SG型絕緣等級BHH低壓線圈匝絕緣玻璃纖維玻璃纖維NOMEX絕緣材料高壓線圈匝絕緣玻璃纖維玻璃纖維NOMEX絕緣材料層間絕緣玻璃纖維玻璃纖或NOMEXNOMEX絕緣材料其他絕緣材料酚醛玻璃纖維類陶瓷、二苯醚NOMEX、二苯醚線圈絕緣工藝常溫、常壓浸漬真空浸漬真空、壓力浸漬在我國市場情況已不生產(chǎn)正在發(fā)展正在迅速發(fā)展2.6.3 Nomex紙作為主要絕緣材料的特點H級配電變壓器是以耐高溫固體絕緣材料作為導線的匝絕緣或絕緣結(jié)構(gòu)件材料。國內(nèi)多數(shù)企業(yè)選用Nomex紙作為主要絕緣材料，它的特點如下： (1)介電常數(shù)為1.5-2.5。更接近空氣的介電常數(shù)，可使作用在空氣隙的場強較低；其他H級固體絕緣材料的介電常數(shù)都比Nomex紙的介電常數(shù)大。另外，Nomex紙的局部放電起始電壓也較高。所以絕緣性能上Nomex紙是一種合適的絕緣材料。國內(nèi)已有用Nomex紙制造成的35KV級敞開通風干式配電變壓器，三相容量為2500kVA。雷電沖擊水平已達170kV(峰值)。其他H級絕緣材料的干式配電變壓器僅為l0kV級。Nomex紙實際可能耐溫220，按H級設計時可有較高的超銘牌容量運行的能力而不犧牲預期壽命。 (2)Nomex紙具有很好的防潮性能，不吸水即使在95%相對濕度下，仍可保持完全干燥時90%的介電強度。另外，Nomex紙在220下的化學穩(wěn)定性很好。 (3)阻燃性好，在220高溫下限氧指數(shù)仍大于20.8。即使在特高溫度燃燒，著火后能自熄而不助燃。 (4)當產(chǎn)品達預期運行壽命后，回收很方便，不存在任何影響環(huán)保的問題，因此環(huán)保性能好。 (5)很多企業(yè)研制成功的Nomex紙H級干式配電變壓器都能通過符合國標要求的例行、型式與含突發(fā)短路試驗在內(nèi)的特殊試驗。在技術性能上達到低損耗、低局放、低噪聲與耐受短路機械力高的要求。在國內(nèi)已有較長時間安全運行經(jīng)驗。設計的自由度較大，沒有澆注模具的要求。對于非包封型敞開通風干式H級配電變壓器只要增加真空壓力浸漬設備即可。國內(nèi)也有不用Nomex紙而用玻璃絲布作為H級固體絕緣材料的敞開通風H級干式配電變壓器，工藝上采用真空浸漬設備，繞組中用陶瓷墊塊，由于玻璃纖維的介電常數(shù)(約為5-6)比Nomex紙的介電常數(shù)高，陶瓷質(zhì)介電常數(shù)也