變壓器計(jì)算課件

1、第一章 概述1-1 電力變壓器在電力工業(yè)中的作用變壓器與電機(jī)電力變壓器的應(yīng)用 容量匹配關(guān)系： 發(fā)電機(jī)功率(kW)； 發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)； 變壓器容量(kVA)第1頁，共73頁。1-2 我國電力變壓器制造工業(yè)的發(fā)展1. 我國電力變壓器的發(fā)展簡況第2頁，共73頁。50年代初期, 熱軋硅鋼片,各種損耗很大。70年代開始, 冷軋硅鋼片, 變壓器損耗降低?！鞍宋濉逼陂g, 非晶合金材料, 損耗大幅度降低。目前, 我國已具備110kV、220kV、330kV、500kV高壓、超高壓變壓器生產(chǎn)能力。超高壓變壓器的絕緣介質(zhì)仍以絕緣油為主。SF6氣體絕緣的高壓、超高壓變壓器正在研究開發(fā)中。第3頁，共73頁。2. 我

2、國電力變壓器的發(fā)展方向及趨勢中小型變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)。城網(wǎng)用變壓器應(yīng)向難燃降噪方向發(fā)展。大型變壓器向超高壓（500kV、750kV）、特高壓（1000kV及以上等級(jí)）方向發(fā)展。高溫超導(dǎo)變壓器用超導(dǎo)線圈取代銅線圈，小型制冷系統(tǒng)取代常規(guī)的油浸熱交換系統(tǒng), 該技術(shù)是使變壓器發(fā)生變革的重大關(guān)鍵。 第4頁，共73頁。 總之，電力變壓器正朝著降低損耗水平、提高單臺(tái)容量、電壓向1000-1500kV的超高壓方向發(fā)展?？傮w講, 我國電力變壓器的制造水平處于國際20世紀(jì)90年代初的水平, 少數(shù)處于20世紀(jì)90年代末的水平, 與技術(shù)先進(jìn)的國家相比, 還存在一定的差距。第5頁，共73頁。1-3電力變壓器的分類1按變壓器

3、的容量分： 500kVA及以下的為小型變壓器； 630一6300kVA中型變壓器； 8000一63000kVA的變壓器稱為大型變壓器； 90000kVA及以上的稱為特大型變壓器。2按線圈數(shù)： 可分為雙線圈與三線圈變壓器。3按高低壓線圈有無電的聯(lián)系：可分為普通電力變壓器與自耦變壓器。4按變壓器的調(diào)壓方式：可分為無載調(diào)壓與有戴調(diào)壓變壓器。 在不勵(lì)磁條件下調(diào)壓的變壓器稱無載調(diào)壓變壓器；在負(fù)載下調(diào)壓的變壓器稱有載調(diào)壓變壓器。5按相數(shù)：可分為單相與三相變壓器。6按冷卻方式：可分為油浸自冷、油浸風(fēng)冷、強(qiáng)油風(fēng)冷與強(qiáng)油水冷變壓器。7. 按絕緣介質(zhì)分：油浸式變壓器和干式變壓器。第6頁，共73頁。常用的品種有11

4、0kV級(jí) 6300kVA及以下 三相雙線圈油浸自冷電力變壓器。（10kVA ）235kV級(jí) 31500kVA及以下 三相雙線圈油浸電力變壓器。（50kVA ） 6300kVA及以下為油浸自冷式，8000kVA及以上為油浸風(fēng)冷式。360 kV級(jí) 63000kVA及以下 三相雙線圈油浸式電力變壓器。 （630kVA ） 6300kVA及以下為油浸自冷式， 8000一40000kVA為油浸風(fēng)冷式， 50000kVA及以上為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式或水冷式。4110 kV級(jí) 63000kVA及以下 三相雙線圈或三相三線圈油浸式。（3150kVA ）6300kVA及以下為油浸自冷式， 8000一40000kVA

5、為油浸風(fēng)冷式， 50000kVA及以上為強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式或水冷式；5220 kV級(jí) 360000kVA及以下 三相雙線圈、三相三線圈、三相自耦油浸式電力變壓器。一般都采用強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷式或水冷式。（31500kVA ）第7頁，共73頁。重點(diǎn)介紹油浸式電力變壓器的一般設(shè)計(jì)方法 1一高壓套管；2一分接開關(guān)；3一低壓套管；4一氣體繼電器；5一安全氣道；6儲(chǔ)油柜；7一油表； 8一吸濕器；9散熱器； 10一名牌；11一接地螺栓；l 2一油樣活門；13一放油閥門；14一活門；15一線圈；16一信號(hào)溫度計(jì)；17一鐵心；18一凈油器；19一油箱；20一變壓器油。圖1-3 油浸式電力變壓器結(jié)構(gòu)概況第8頁，共73

6、頁。 第二章 電力變壓器結(jié)構(gòu)簡介 2-1 電力變壓器鐵心結(jié)構(gòu)圖2-1 變壓器鐵心結(jié)構(gòu)（a）心式結(jié)構(gòu)（線包鐵） （b）殼式結(jié)構(gòu)（鐵包線）第9頁，共73頁。表2-1 鐵心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用范圍第10頁，共73頁。續(xù)表2-1 鐵心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用范圍第11頁，共73頁。 續(xù)表2-1 鐵心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用范圍第12頁，共73頁。在一個(gè)周期內(nèi)的交變磁通分布 第13頁，共73頁。 三. 鐵心材料、截面及其迭積圖1. 材料 熱軋硅鋼片、冷軋硅鋼片、非晶合金新型材料2. 鐵心迭積圖 # 對裝式鐵心（心柱、軛分別迭裝） # 迭裝式鐵心 鐵心迭積圖：指迭裝式鐵心迭片的布置與排列方式 第14頁，共73頁。（a)一直接縫 (

7、b)一半直半斜接縫 (c)一68斜接縫 (d)一全斜接縫圖2-5 三相心式鐵心迭積圖第15頁，共73頁。3. 鐵心與鐵軛截面形狀 圖2-6 鐵心柱截面形狀圖2-7 鐵軛截面形狀第16頁，共73頁。四. 鐵心綁扎圖2-8 穿心螺桿夾緊鐵心 圖2-9 綁扎鐵心第17頁，共73頁。2-2 電力變壓器繞組結(jié)構(gòu) 一. 線圈分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第18頁，共73頁。1. 圓筒式線圈基本結(jié)構(gòu) 圖2-8 圓筒式線圈結(jié)構(gòu)示意圖第19頁，共73頁。表2-2 為圓筒式線圈的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及其適用范圍第20頁，共73頁。2.餅式線圈基本結(jié)構(gòu) 圖2-9 連續(xù)式線圈示意圖 圖2-10 糾結(jié)式線圈示意圖圖2-11 單螺旋線圈示意圖

8、 圖2-12雙螺旋線圈示意圖 第21頁，共73頁。表2-3為餅式線圈的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及其適用范圍第22頁，共73頁。餅式線圈的結(jié)構(gòu)形式、特點(diǎn)及其適用范圍第23頁，共73頁。3. 并聯(lián)導(dǎo)線換位圖2-13 變壓器漏磁場分布 圖2-14縱向漏磁場 圖2-15 并繞導(dǎo)線換位方式 第24頁，共73頁。 二. 線圈材料 銅線、鋁線對線圈設(shè)計(jì)的基本要求 電氣強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度2-3 電力變壓器絕緣與散熱第25頁，共73頁。二油浸式電力變壓器絕緣等級(jí)及絕緣材料 A級(jí)絕緣；變壓器油和絕緣紙板三. 有關(guān)絕緣的幾個(gè)基本概念 絕緣結(jié)構(gòu)；絕緣配合；絕緣擊穿油箱及散熱器結(jié)構(gòu) 油箱是變壓器的容器、散熱裝置應(yīng)具備足夠的

9、機(jī)械強(qiáng)度。 油箱結(jié)構(gòu)隨容量增大而有所改變。 兩種主要結(jié)構(gòu)型式：平頂式(圖2-16) 拱頂式(圖2-17鐘罩式)。 第26頁，共73頁。平頂式油箱 拱頂式油箱 第27頁，共73頁。 第三章 變壓器設(shè)計(jì)概述3-1變壓器設(shè)計(jì)的任務(wù)電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3-2變壓器主要技術(shù)參數(shù) 電力變壓器設(shè)計(jì)任務(wù)書. 了解變壓器型號(hào)二. 變壓器技術(shù)參數(shù)1變壓器額定容量 ；2相數(shù)； 3 頻率 ； 4一次和二次側(cè)線圈的額定電壓； 5聯(lián)結(jié)組； 6調(diào)壓方式及調(diào)壓范圍；7負(fù)載特點(diǎn)； 8使用條件和海拔高度變壓器技術(shù)性能數(shù)據(jù) 9阻抗電壓； 10負(fù)載損耗； 11空載損耗； 12空載電流第28頁，共73頁。a. 阻抗電壓（表中為雙線圈電

10、力變壓器的阻抗電壓值）b. 空載電流 c變壓器損耗 第29頁，共73頁。3-3變壓器設(shè)計(jì)的一般程序(l)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書確定各原始技術(shù)數(shù)據(jù); (2)計(jì)算鐵芯柱直徑、選擇 鐵芯柱和鐵軛截面: (3)根據(jù)硅鋼片牌號(hào)，初選 鐵芯柱磁密，計(jì)算每匝電勢; (4)計(jì)算高低壓繞組匝數(shù) (5)根據(jù)正常及過電壓下的 電氣計(jì)算，進(jìn)行繞組鐵芯等部分 的絕緣設(shè)計(jì)，確定變壓器的主、 縱絕緣結(jié)構(gòu); (6)高、低壓繞組設(shè)計(jì)，(7)短路特性計(jì)算; (8)磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和空載特性的計(jì)算，（9）散熱及冷卻裝置計(jì)算；（10）溫升計(jì)算；（11）安匝平衡與短路電動(dòng)力計(jì)算；（12）重量計(jì)算；（13）其它特殊計(jì)算。第30頁，共73頁。圖3-1

11、 變壓器設(shè)計(jì)流程圖第31頁，共73頁。3-4變壓器設(shè)計(jì)“增長定律”和“十年變電成本” 增長定律 在系列產(chǎn)品中，變壓器的幾何尺寸隨變壓器容量的增大而相應(yīng)增長。如果幾何尺寸之間的比例關(guān)系不變時(shí)，變壓器系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)都是相似的。 并且存在關(guān)系十年變電成本 變壓器正常運(yùn)行時(shí)，十年內(nèi)材料消耗和能源消耗的總和，即 變壓器的主要幾何尺寸 鐵心柱直徑、鐵窗高度、鐵窗寬度。他們對變壓器性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大。 電流密度的選擇，將直接影響變壓器常數(shù)和負(fù)載損耗水平。 磁通密度的選擇，將直接影響變壓器常數(shù)和變壓器空載損耗水平。 第32頁，共73頁。第四章 變壓器設(shè)計(jì)一般方法及設(shè)計(jì)依據(jù)4-1電壓和電流的計(jì)算一. 聯(lián)接

12、組（常用的三種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接組） Yyn0 Yd11 YNd11二.電壓計(jì)算第33頁，共73頁。若高壓繞組帶分接，如圖示。則計(jì)算各分接對應(yīng)的分接電壓三.電流計(jì)算最大分接 X1-X2； 額定分接X3-X4； 最小分接X5-X6算例：（算例)第34頁，共73頁。4-2變壓器鐵心與空載損耗計(jì)算確定鐵芯柱截面積1. 鐵芯柱直徑與級(jí)數(shù)的關(guān)系 直徑一定，級(jí)數(shù)基本確定 2.鐵芯柱最大截面積及 各級(jí)片寬的理論計(jì)算第35頁，共73頁。二. 鐵軛截面 常用的冷軋硅鋼片鐵軛級(jí)數(shù)與鐵心柱級(jí)數(shù)相同，截面相同。 特殊情況 ：采用橢圓形鐵軛截面 、T形鐵軛截面等。三.鐵心柱直徑計(jì)算 影響有效材料的消耗、變壓器的體積及性能。 一般

13、以每柱容量作基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。3.鐵心油道 鐵心直徑大，需設(shè)置冷卻油道使鐵心中各點(diǎn)的溫度不超過80 ，油道寬度一般為56mm。油道數(shù)目與鐵心直徑、級(jí)數(shù)及迭片系數(shù)有關(guān)。4.鐵心迭片系數(shù)（查國標(biāo)準(zhǔn)） 例題：求直徑為50mm、n=3的鐵心柱各級(jí)片寬及最大截面積。第36頁，共73頁。每柱容量計(jì)算 定義：每柱容量是變壓器的物理容量(計(jì)算容量)除以套有線圈的鐵心柱數(shù)，而物理容量必須折合成雙線圈變壓器容量 。單相雙線圈變壓器每柱容量三相雙線圈變壓器每柱容量 三相三線圈變壓器每柱容量 單相雙柱三線圈變壓器每柱容量 自耦變壓器每柱容量 第37頁，共73頁。四. 鐵心重量計(jì)算單相變壓器鐵心重量計(jì)算 總重量 =鐵心柱重

14、量 +鐵軛重量 +角重三相變壓器鐵心重量計(jì)算 總重量 =鐵心柱重量 +鐵軛重量 +角重五柱變壓器鐵心重量計(jì)算總重量 =鐵心柱重量 +鐵軛重量 +旁柱重量+旁軛重量+角重第38頁，共73頁。五. 變壓器空載損耗空載損耗鐵心損耗渦流損耗磁滯損耗理論上：實(shí)際上 ：根據(jù)不同的磁密值查出所對應(yīng)的硅鋼片單位損耗值，再乘以鐵心重量得出總的空載損耗。即：鐵心柱和鐵軛級(jí)數(shù)相同 時(shí)有 不同時(shí)第39頁，共73頁。六. 計(jì)算空載電流空載電流包括有功分量和無功分量。常以額定電流百分?jǐn)?shù)表示。算列：巳知三相三線圈鋁線變壓器(SFSL-6300110)，其容量比為100l00100。試確定其鐵心柱直徑并計(jì)算空載損耗及空載電流

15、 第40頁，共73頁。4-3變壓器線圈計(jì)算關(guān)于線圈結(jié)構(gòu)的幾個(gè)概念#匝：導(dǎo)線與鐵心中磁通相交鏈 #線餅：多匝導(dǎo)線沿線圈輻向排列形成 。多個(gè)線（餅）段組成線圈。#線層：多匝導(dǎo)線沿線圈軸向排列形成。線圈可由多層線匝組成。 一. 線圈結(jié)構(gòu)型式 由工作電壓和容量選定，同時(shí)考慮各種型式線圈的特點(diǎn)。第41頁，共73頁。第42頁，共73頁。二.餅式線圈計(jì)算 1線圈電壓、電流計(jì)算 2初選匝電勢3低壓線圈匝數(shù)計(jì)算4確定匝電勢5磁通密度計(jì)算 6. 磁通計(jì)算7高(中)壓線圈匝數(shù)計(jì)算 一般先計(jì)算最大(或最小)分接匝數(shù)，然后減（加）分接匝數(shù)。算例。 Gs 第43頁，共73頁。8電壓比校核 例如：具有士2*25的分接電壓的

16、高壓線圈，電壓比校核：9線圈電抗高度估算 線圈高度：是指線圈壓縮后的總高度. 線圈電抗高度：是指計(jì)算阻抗電壓時(shí)的線圈凈高度. 線圈高度，對阻抗電壓值、溫升、機(jī)械力、材料消耗等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有影響. 借助經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定線圈高度的方法. 第44頁，共73頁。10電流密度選擇 餅式線圈的散熱情況比層式線圈好. 一般情況下，鋁線取1.72.3 Amm2。銅線取3.04.5 Amm2.11. 估算導(dǎo)線截面積12導(dǎo)線匝絕緣 13線段排列及計(jì)算(1)線段分配 (2)高壓線圈段數(shù)及每段匝數(shù)計(jì)算(3) 低壓或中壓 (無分接線圈)段數(shù)分配(4)在線段匝數(shù)分配計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問題第45頁，共73頁。14高壓線圈導(dǎo)線高度

17、計(jì)算15低壓線圈導(dǎo)線高度確定16線段輻向尺寸計(jì)算(1)正常線段 (2)其它線段17. 線圈絕緣半徑及主絕緣距離(查表)18. 線圈軸向高度計(jì)算19. 線圈直流電阻及重量計(jì)算2075下直流電阻損耗計(jì)算第46頁，共73頁。4-4電力變壓器的絕緣設(shè)計(jì)雷電過電壓操作過電壓短時(shí)工頻電壓正常工作電壓主絕緣縱絕緣 絕緣水平 絕緣結(jié)構(gòu) 第47頁，共73頁。二. 電力變壓器主絕緣設(shè)計(jì)油浸式電力變壓器的主絕緣采用油一隔板結(jié)構(gòu)型式. 主絕緣設(shè)計(jì)的任務(wù)是正確選擇這些間隙尺寸及所采用的絕緣材料等，使其耐電強(qiáng)度大于試驗(yàn)電壓下的最大電場強(qiáng)度。第48頁，共73頁。. 線圈間絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（）厚紙筒大油隙結(jié)構(gòu) 紙簡厚度為6mm，

18、油隙寬度大于20mm. 所有油隙全部擊穿的情況下，紙簡也能承受全部試驗(yàn)電壓的作用（）薄紙筒小油隙結(jié)構(gòu)型式 紙筒厚度小于4，油道寬度小于12. 這種結(jié)構(gòu)一般認(rèn)為主絕緣的擊穿主要是油隙的擊穿，而油隙一旦擊穿，紙筒也就喪失絕緣能力，因此要求紙筒能耐受住試驗(yàn)電壓是沒有必要的。 2. 線圈端部絕緣設(shè)計(jì) 降低端部場強(qiáng)，提高端部絕緣耐電強(qiáng)度的三種方法 ：第49頁，共73頁。.幾種不同電壓等級(jí)的變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)圖4.1圖4.2第50頁，共73頁。圖4.3圖4.4第51頁，共73頁。三. 電力變壓器縱絕緣設(shè)計(jì) 1. 匝間絕緣2.層間及段間（餅間）絕緣圖4.5圖4.6圖4.7第52頁，共73頁。3. 不同電壓等級(jí)

19、的變壓器縱絕緣結(jié)構(gòu)圖4.9圖4.8第53頁，共73頁。四.變壓器引線絕緣圖4.11圖4.10第54頁，共73頁。4-5 變壓器阻抗電壓計(jì)算一.概述 短路阻抗：是當(dāng)負(fù)載阻抗為零時(shí)，變壓器內(nèi)部的等效阻抗. 阻抗電壓：是指變壓器短路阻抗乘以同側(cè)的電流. 短路阻抗的標(biāo)么值也與阻抗電壓的標(biāo)么值相等. 它對變壓器的制造成本、短路電流的大小、電壓質(zhì)量的高低以及系統(tǒng)運(yùn)行性能等都有顯著的影響。 第55頁，共73頁。二.漏電抗計(jì)算基礎(chǔ)漏電抗就是反應(yīng)漏磁場的參數(shù).計(jì)算式： 三. 縱向漏磁通及橫向漏磁通分布縱向漏磁通：平行于線圈軸向. 短路時(shí)將引起極大的輻向電動(dòng)力 橫向漏磁通：與線圈軸向方向相垂直的漏磁通 .第56頁

20、，共73頁。變壓器繞組產(chǎn)生的漏磁通空間分布與理論分布圖 （縱向）漏磁通空間分布 漏磁通理論分布 繞組高度不等時(shí)的漏磁通空間分布 （b）為縱向漏磁（c）橫向漏磁場第57頁，共73頁。四. 阻抗電壓計(jì)算 以三相雙線圈變壓器為例，計(jì)算漏電抗及阻抗電壓 （1）低壓繞組漏磁鏈（2）高壓繞組漏磁鏈（3）主空道內(nèi)總漏磁鏈第58頁，共73頁。變壓器總漏磁鏈 變壓器漏電抗 阻抗電壓（標(biāo)么值） 算例： 第59頁，共73頁。不同結(jié)構(gòu)的變壓器短路阻抗不同. 但計(jì)算思路是一樣的.計(jì)算大容量變壓器時(shí)，通常只計(jì)算縱向電抗分量即可.而計(jì)算中、小型變壓器時(shí)，還要增加電阻分量計(jì)算. 阻抗電壓偏差20以上，要重新選擇鐵心直徑. 當(dāng)

21、初選值偏大時(shí)，說明初選的鐵心直徑偏小，調(diào)整時(shí)要加大鐵心直徑.阻抗電壓偏差10%左右，可調(diào)線圈高度、改變線圈輻向尺寸等.阻抗電壓的計(jì)算不能孤立地進(jìn)行，有時(shí)必須與損耗值、溫升、短路機(jī)械應(yīng)力計(jì)算一并考慮. 最好是在基本完成電磁計(jì)算后，再?zèng)Q定如何調(diào)整不符合要求的阻抗電壓值. 第60頁，共73頁。4-6 損耗計(jì)算變壓器空載損耗和負(fù)載損耗.空載損耗也稱為基本鐵耗，主要是主磁通在鐵磁材料中交變引起的磁滯損耗和渦流損耗.負(fù)載損耗是當(dāng)變壓器在短路試驗(yàn)時(shí)從電源所吸取的功率： 短路損耗（基本銅耗）， 線圈的附加損耗(包括導(dǎo)線的渦流損耗及不完全換位損耗). 引線損耗 鋼鐵結(jié)構(gòu)件中的雜散損耗.空載損耗的計(jì)算，線圈電阻損耗計(jì)算已講過. 主要介紹各種餅