电力变压器电磁计算教学文案.doc

电力变压器电磁计算哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 杨会鹏 学号：0403010229学 院： 电气与电子工程学院 专业：电气工程及其自动化任务起止时间： 2008 年3月1 日至 2008 年 6 月 15 日毕业设计（论文）题目：电力变压器电磁计算设计一台OSFZ9-130000/242发电机升压变压器，额定电压高压侧242+2/-2x2.5%kV；额定电压低压侧 10.5kV；额定容量 130MVA；阻抗电压 14%，允许误差10；负载损耗：330kW；空载损耗：70kW；冷却方式：ONAF；空载电流: 0.2%；变压器为发电机用，要求能够在120%负载的情况下连续运行；其他指标全部满足现有GB标准及用户要求。毕业设计工作内容：设计一台电力变压器的电磁计算，计算出变压器的全部电气性能，包括阻抗电压，空载损耗，负载损耗，主要外形尺寸，重量等等。并在对铁心直径进行微微调整的情况下，对变压器性能表现出来的差异进行分析。得出结论。资料：电力变压器计算路长柏电力变压器设计计算与实践刘长彝变压器设计（电磁计算部分）沈阳变压器研究所指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表电力变压器电磁计算摘要本文介绍了变压器的发展现状及130MVA/242kV发电机升压变压器电磁计算的两种方案及其分析比较。根据给定的技术任务要求和环境使用条件，确定变压器的电磁负载和主要尺寸，计算性能数据包括阻抗电压、空载损耗、负载损耗、各部分温升、机械短路电动力、导线应力及变压器重量，确定外形尺寸，取得合理的技术经济效果。计算结果满足国家标准及有关技术标准和使用部门的要求。从运行的经济性考虑，我们要求变压器损耗低，效率高，但在实际生产中，降低损耗必然导致材料和制造成本的增加，所以应综合考虑各方面因素，从中选择最优方案。关键词：电力变压器；电磁计算；方案分析Power Transformer Electromagnetic DesignAbstractThis article introduces the development of power transformer in present years and two plans of the 130MVA/242kV generator step-up transformer electromagnetism design. I also compare them with each other. According to technology mission requirement and environment exploitation conditions which assigns, determine the transformers electromagnetic load and the main dimension of the outline. The estimated performance data including the impedance voltage, the no-lead loss, the load loss, the temperature rises of various transformer part, the short circuit force, the wire stress and the transformer weight, external dimensions, obtaining the reasonable technical economic effect. The computed result satisfies the national standards and the related technical standard and user departments request. Considered from the movement efficiency that we request the transformer loss to be low, the efficiency is high. But in the actual production, reducing the loss to cause the material and production cost increase inevitably, therefore we should the overall evaluation various aspects factor, choose the synergy.Keyword: power transformer；electromagnetic design；plan analyze目录摘要.IAbstract.II第1章 绪论1.1课题研究的背景.11.2问题的提出及研究的意义.11.3变压器计算的一般程序.11.4本课题的目的.2第2章 发电机用电力变压器电磁计算方案一2.1技术条件.32.2 额定电压 电流计算.32.2.1 高低压线圈相电压计算.32.2.2 高低压线圈电流计算.32.2.3 铁芯的确定.42.2.4线圈匝数计算42.2.5电压比校核.52.2.6 绕组排列及计算.52.2.7 导线选取.62.2.8 线圈计算.62.2.9 铁芯中心距的计算.62.2.10窗高的计算.72.3阻抗电压的计算.72.4导线重量和电阻阻值的计算.102.4.1导线长度的计算.102.4.2导线电阻阻值的计算.102.4.3导线重量的计算.102.5负载损耗的计算.112.5.1电阻损耗.112.5.2涡流损耗.112.5.3油箱尺寸计算.122.5.4杂散损耗.122.5.5引线损耗.132.6空载损耗和空载电流的计算.132.6.1铁芯硅钢片总重.132.6.2空载损耗的计算.132.6.3空载电流的计算.132.7温升计算.14 2.7.1线圈对油的温升计算.14 2.7.2油对空气的温升计算.14 2.7.3绕组对空气的温升计算.15 2.8短路电动力的计算.16 2.8.1安匝分布的计算.16 2.8.2漏磁计算.17 2.8.3短路电流稳定倍数.17 2.8.4不平衡安匝漏磁组所产生的总轴向力.18 2.8.5导线应力的计算.182.9变压器重量的计算.19 2.9.1总油量的计算. 19 2.9.2器身重量.202.9.3油箱重量.20 2.9.4附件重量.21 2.9.5总重量的计算. 21第3章 发电机用电力变压器电磁计算方案二3.1技术条件.223.2 额定电压 电流计算.223.2.1 高低压线圈相电压计算.223.2.2 高低压线圈电流计算.223.2.3 铁芯的确定.233.2.4线圈匝数计算.233.2.5电压比校核.243.2.6 绕组排列及计算.243.2.7 导线选取.253.2.8 线圈计算.253.2.9 铁芯中心距的计算.253.2.10窗高的计算.263.3阻抗电压的计算.263.4导线重量和电阻阻值的计算.293.4.1导线长度的计算.293.4.2导线电阻阻值的计算.293.4.3导线重量的计算.293.5负载损耗的计算.303.5.1电阻损耗.303.5.2涡流损耗.303.5.3油箱尺寸计算.313.5.4杂散损耗.313.5.5引线损耗.313.6空载损耗和空载电流的计算.323.6.1铁芯硅钢片总重.323.6.2空载损耗的计算.323.6.3空载电流的计算.323.7温升计算.33 3.7.1线圈对油的温升计算.33 3.7.2油对空气的温升计算.34 3.7.3绕组对空气的温升计算.35 3.8短路电动力的计算.35 3.8.1安匝分布的计算.35 2.8.2漏磁计算.36 2.8.3短路电流稳定倍数.36 2.8.4不平衡安匝漏磁组所产生的总轴向力.37 2.8.5导线应力的计算.383.9变压器重量的计算.39 3.9.1总油量的计算.38 3.9.2器身重量.383.9.3油箱重量.38 3.9.4附件重量.39 3.9.5总重量的计算.39第4章 两个方案变压器的性能比较与分析.40结论.41致谢.42参考文献.43附录一.44 第1章 绪论1.1 课题研究的背景变压器是电力系统中重要的电力设备，平均一台发电机就需要配备七台相同容量的变压器。因此变压器的需求量是非常大的，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发展。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级、1000kV级。40年来，我国电力变压器制造技术得到飞速发展，突破高压和超高压技术禁区，科研开发手段和产品创新能力得到进一步加强。500kV电力变压器的科研成果和制造技术的应用，转化和逐步改善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10001500kV特高压发展。1.2 问题的提出及研究的意义变压器的电磁计算是整个变压器设计和制造的基础，电磁计算的内容包括变压器的整体外形尺寸、性能表现、附件的选取、成本的估计等各方面。在设计的过程中，如何对铁芯直径、导线规格、线圈尺寸等各方面的进行局部调整从而使变压器在成本不是大幅度增加的情况下，整体性能达到一个最佳的表现，则是电磁计算中的重点和难点。现在我国电网建设的力度正在逐步加大，对高性能的大型变压器的需求量还是很大的，如何快、好、省的发展电力事业，就更需要我们更加深入的研究变压器的电磁计算。1.3变压器计算的一般程序电力变压器计算的任务在于确定变压器的电、磁负载和主要几何尺寸，计算性能数据，取得合理的经济技术效果。变压器计算应根据产品设计任务书中给定的数据进行1.确定硅钢片型号，及铁心结构形式，计算铁心直径，选择标准直径，得出铁心和铁轭截面积。2.根据硅钢片型号，初选铁轭中磁通密度，计算每匝电势。3.初选低压线圈匝数，凑成整数匝，根据整数匝再重算出铁心中得磁通密度及每匝电势，再算出高压线圈匝数。4.根据线圈的结构型式，确定导线规格，进行线圈段数（层数）、匝数的排列，计算线圈轴向高度和辐向尺寸。5.计算阻抗电压，大容量变压器阻抗值应与阻抗电压标准值接近，小容量变压器的阻抗电压值应小于阻抗电压标准值。6.计算变压器负载损耗达到标准规定范围。7.计算线圈导线对油的温升，不合规定时，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，则需更改铁心直径。8.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，或加大导线截面积。9.计算空载性能及变压器总损耗。10.计算变压器的重量。1.4 本课题的目的本论文时作者结合当前变压器的发展趋势，以及以后将从事变压器电磁设计工作的需要来完成的，主要希望达到以下的目的：1.再系统学习变压器的结构原理基础上，通过自己独立的设计一台变压器，了解变压器设计的主要过程及相关的方法。2.通过设计的过程不断学习、消化、掌握变压器电磁计算的主要特点，掌握其计算方法，从而对变压器有一个深入的理解，在今后从事变压器设计、制造中加以运用，能够更快的进入工作角色。3.通过同一台变压器的两个电磁计算结构的比较，加深理解在调整变压器的电磁性能时，从何入手，如何调整。本论文的目的是：通过变压器设计加深对变压器原理的理解，掌握变压器的设计方法，达到举一反三，精通一类变压器的设计方法。为今后从事变压器设计打下坚实的基础，争取在变压器设计、开发方面有所作为。第2章 电力变压器电磁计算方案一2.1技术条件变压器额定容量：SN130MVA变压器额定线电压和分接范围（一次）U1242kV22.5%/10.5kV变压器相数：3相额定频率：50HZ冷却方式：ONAF空载损耗：P070kW负载损耗：Pk330kW阻抗电压：Uk=14，误差10变压器连接组：YNd11本变压器使用环境常年最高气温为40,最低气温为-20，而且海拔位于1000m以下，不需考虑温升校正。变压器在户外使用。2.2额定电压 电流计算2.2.1 高低压线圈相电压计算2.2.2.1高压线圈相电压：高压线圈为Y联接。（242000+0.05242000）/146709V（242000+0.025242000）/143216V242000/139723V（242000-0.025242000）/136230V（242000-0.05242000）/132737V2.2.1.2低压线圈线电压：低压线圈为联接低压线圈相电压等于线电压 U10500V2.2.2 高低压线圈电流计算2.2.2.1高压线圈电流:高压线圈为Y联结，其线电流等于相电流。IN=I=310A2.2.2.2低压线圈电流:低压线圈为联接，低压线圈线电流为：IN2=7148A低压线圈相电流为：I4217A2.2.3 铁芯的确定2.2.3.1硅钢片的选用硅钢片选用美国AK公司牌号H0厚度为0.23mm高导磁冷轧硅钢片。在50Hz,1.7T时，单位损耗为0.85W/kg2.2.3.2铁芯直径的计算铁芯直径的大小，直接影响材料的用量，变压器的体积及性能等经济指标，故选择合理的铁芯直径时变压器设计重要的一环。硅钢片总量和空载损耗随铁芯直径的增大而增大，而线圈导线的总量和负载损耗随铁芯直径的增大而减小。合理的铁芯直径就是硅钢片和导线材料的用量比例适当，达到最经济的效果。从经验公式中得：D=796 mmS1=130000 S1为三相双线圈变压器每柱容量2.2.3.3铁芯柱截面积铁芯级数为17级，迭片系数为0.97，净截面为4655.6 cm22.2.4线圈匝数计算2.2.4.1每匝电势初选值磁通密度初选为B=1.7T，则每匝电势为et=175.879 V/匝2.2.4.2低压线圈匝数计算W=59.6匝，凑成整数匝低压线圈匝数为60匝2.2.4.3每匝电势准确值et=175 V/匝2.2.4.4铁心磁通密度核算B= 1.69T 1.75T，合格2.2.4.5高压线圈匝数计算最小分接时匝数W758.4 取758匝。调压线圈匝数：W19.6匝，取20匝。各分接点匝数：从最小分接到最大分接依次为758，778，798，818，838。2.2.5电压比校核额定电压及各分接电压的偏差，按下式计算：(0.25式中：U为各分接位置的实际相电压Ux为各分接位置的计算相电压UxWxet （Wx为计算分接匝数）(146709-175838)/146709=0.060.25合格(143216-175818)/143216=0.050.25合格(139723-175798)/139723=0.050.25合格(136230-175778)/136230=0.050.25合格(132737-175758)/132737=0.040.25合格2.2.6 绕组排列及计算2.2.6.1高压线圈排列选择及计算对已知的高压总匝数进行分析，最大分接匝数为838匝，选用线性调压方式，高压线圈匝数为最小分接数 758匝。高压线圈选择插入内屏连续式绕线方式，加32根宽14mm的撑条，32个宽40mm的垫块。每8匝导线为一段，则高压线圈分为98段。则每饼匝数分布为：设正常饼匝数为占X段，插入内屏饼匝数为占Y段,则列方程组得： X+Y=98解得正常饼段数为78段，插入内屏段数为19段，1段特殊段匝数为匝。总匝数为758匝。2.2.6.2低压线圈排列选择及计算低压线圈匝数为60匝，绕线方式选择层式线圈螺旋式绕法，60匝分为2层绕制，匝与匝间垫入垫块已增加散热面积。加32根宽14mm的撑条，32个宽14mm的垫块。2.2.6.3调压线圈排列选择及计算调压线圈匝数为80匝，绕线方式选择层式连续式绕制，一匝为一饼。垫入32个宽40mm的垫块，加32根宽14mm的撑条。2.2.7 导线选取2.2.7.1高压线圈导线选取因为高压线圈相电流为310A，又因为本变压器为发电机用变压器，经常会在超负荷的情况下连续运行，所以电流密度不宜过大。电流密度初选2.4A/mm2，则高压线圈导线导电面积大约应为129.2 mm2，所以高压线圈导线选用3根Dbl line，导线规格为1.8013.00，辐向并联绕制，匝绝缘厚度1.2mm。导线实际导电面积为138.2mm2，则实际电流密度为2.24 A/mm22.2.7.2低压线圈导线选取低压线圈相电流为4217A,电流密度初选2.4A/mm2，则低压线圈导线导电面积大约为1757 mm2，低压线圈导线选用3根CTC导线轴向并联绕制，匝绝缘厚度0.75mm，其中每根导线由43根规格为1.807.70的小导线组成。导线实际导电面积为1741.2 mm2，则实际电流密度为2.37 A/mm22.2.7.3调压线圈导线选取调压线圈相电流为310A，电流密度初选3A/mm2，则调压线圈导线导电面积大约为103 mm2，调压线圈选用单根规格为7.8014.00 Flat导线绕制，匝绝缘厚度2.5mm，实际导电面积为107.9mm2，则电流密度为2.88A/mm2。2.2.8 线圈计算b2.2.8.1高压线圈尺寸计算 高压线圈的Dbl line辐向尺寸如图2-1A1=(a+0.3)2+0.9=5.1mm高压线圈导线辐向尺寸A=38A1=122.4mma考虑工厂加工系数1.03，图2-1 Dbl line 示意图每饼中有2个6mm轴向的油道，则高压线圈的辐向尺寸为138mm导线轴向高h=(b+1.2)98=1391.6mm考虑到高压线圈分为98饼，则有97条辐向油道，每条油道取4mm,则总的轴向尺寸为1779.6mm 取1780mm2.2.8.2低压线圈尺寸计算低压线圈的CTC line 辐向尺寸如图2-2低压线圈导线的辐向尺寸A= (a+0.15) 22+220.04+0.6=44.380.15导线绝缘0.04绕线裕度0.6 匝绝缘图2-2 CTC line 示意图考虑到低压线圈分为2层并有1条12mm的轴向油道，则低压线圈辐向尺寸为A=(44.382+12)1.03=106mm低压线圈单根导线的轴向尺寸 B=(b+0.15)2+0.13+0.6=16.43mm0.13导线层间电缆纸厚度考虑到低压线圈匝与匝间有垫块，每层30匝，螺旋式绕组有30个垫块，每个垫块高度为10mm，则低压线圈总的轴向高度为H16.43330+3010=1778.7mm取1780mm2.2.8.3调压线圈尺寸计算调压线圈导线辐向尺寸 A=a+2.5=10.3mm 考虑调压线圈裕度取11mm调压线圈导线轴向尺寸 H=(b+2.5)80=13201.03=1359.6 取1360mm轴向垫入79个高度为1.5mm的垫块，则总高度为 1480mm2.2.9 铁芯中心距的计算398铁芯半径14纸筒 油隙R2低压线圈内半径 41247LV1线圈的辐向厚度12LV线圈油道尺寸47LV2线圈的辐向厚度低压线圈外半径 51858高低压线圈油道绝缘距离32HV1的辐向厚度R1高压线圈内半径 5766油道尺寸47HV2的辐向厚度6油道尺寸47HV3的辐向厚度高压线圈外半径 71458高调压线圈油道绝缘距离RT调压线圈内半径 77211调压线圈辐向距调压线圈外半径 7832=156644相间绝缘距离1610铁芯中心距绕组分布如图2-3所示47473247471458665812LV1LV2 HV1 HV2 HV3 T图2-3 线圈排列布置图（即漏磁通图）2.2.10 窗高的计算1780导线高和油道高195 至上铁轭95至下铁轭2070铁窗高2.3阻抗电压的计算线圈的平均电抗高度为 HK=1780mm=178cm如图2-3所示，漏磁总宽度：a1+a12+a2=106+58+138+58=360mm=36cm最小分接时高低压线圈间漏磁空道总面积：DLH（a11+a12）r1+A12R12+(a21+a22+a23)r2+ay1()2ry1+ay21() 2ry21+ ay22() 2ry22（4.7+4.7）46.5+5.854.7+ (3.2+4.7+4.7)64.5+1.2(30/30+30) 246.5+0.6(2/2+3+3) 261.1+0.6(3/2+3+3) 266.4=145.7+317.26+256.9+13.95+2.29+2.4=728.6最小分接时阻抗电压为UK=14.21式中，a11、a12、a21、a22、a23 ：分别为低、高压绕组辐向厚度,cmay1、ay21、ay22：分别为低、高压绕组本身油道宽，cmA12：高低压绕组间的油道宽，cmr1、r2：低、高压绕组的平均半径，cmry1、ry21、ry22：分别为低、高压绕组中油道平均半径R12：高低压绕组间油道的平均半径，cmW11、W12、W21、W22、W23：被绕组油道分割的各绕组匝数W：低压绕组匝数I：低压绕组额定电流,AHK：高低压绕组平均电抗高度，cm ：洛氏系数，0.95；K：附加电抗系数，连续式1.02高、调压线圈间的漏磁空道面积：DHT1=A23R23+(a21+a22+a23)r2 +a3r3+ay21() 2ry21+ ay22() 2ry22=5.874.3+13.854.7+1.177.75+0.6(2/2+3+3) 261.1+0.6(3/2+3+3) 266.4=430.94+251.62+85.525+2.29+2.4=772.78额定分接时漏磁空道面积：D1DLHahr2() 2+ DHT1()2=748.7UK=14.61最大分接时漏磁空道面积：D2DLHahr2() 2+ DHT1()2=770.7UK=15.04式中，WT:不同分接时，调压线圈的匝数ah:高压绕组的辐向厚度,cmA23:高调压绕组间的油道宽，cmR23:高调压绕组间的油道平均半径，cma3:调压线圈的辐向厚度，cmr3:调压线圈的平均半径,cm2.4.导线重量和电阻阻值的计算2.4.1导线长度的计算线圈平均半径：高压线圈为r1=R1+ =645mm低压线圈为r2=R2+ =465mm调压线圈为rT=RT+ =777mm线圈的平均匝长高压线圈l1=2r110-3=4.051m低压线圈l2=2r210-3=2.92m调压线圈lT=2rT10-3=4.88m线圈导线总长度高压线圈L1=l1W=4.051758=3070.658m低压线圈L2=l2W2.9260=175.212m调压线圈LT=lTW=4.8880=390.4m2.4.2导线电阻阻值的计算在温度为75下，铜的电阻系数为0.02135（mm2/m）,每相直流电阻阻值为高压线圈R1=0.021353070.658/138.2=0.4744低压线圈R2=0.02135175.212/1741.2=0.002148调压线圈RT=0.02135390.4/107.9=0.07722.4.3导线重量的计算裸导线重量高压线圈为Gc1=mL1S110-3=38.93070.658138.2=11331kg低压线圈为Gc2=mL2S210-3=38.9175.2121741.2=8146kg调压线圈为GcT=mLTST10-3=38.9390.4107.9=1124.7kg式中，m为相数；S为总线总截面积mm2；为导线比重（kg/ dm3）；铜线的为8.9 kg/ dm3带绝缘导线重量高压线圈为Dbl line 导线MC=() Gc1=（0.114.25.1/13.003.6+0.9）11331=11951kg低压线圈为CTC组合导线MC=()()Gc1=(0.144.3816.43/7.71.843+0.9)(0.28.62.7/7.71.8+0.8)8146=9453kg调压线圈为单线MC=() GcT=(0.1915.2/7.814+0.9)1124.7=1153kg2.5负载损耗的计算负载损耗又称铜损，为可变损耗，是变压器性能的重要指标指一。负载损耗越低，则变压器性能越好。负载损耗主要由导线的电阻损耗，导线的涡流损耗和不完全换位损耗，引线损耗，杂散损耗组成。2.5.1电阻损耗高压线圈导线Pr1=mI12R1=331020.4744=136.8kw低压线圈导线Pr2=mI22R2=3412720.002148=110kw调压线圈导线PrT=mIT2RT=331020.0773=22.3kw式中，m为相数，I为相电流。2.5.2涡流损耗高压线圈：Bm1=0.43.141.41431075810-4/178=0.2344TKw1=10.6Pw1=Pr1Kw1=14.5kw低压线圈Bm1=0.43.141.41441276010-4/178=0.2471TKw1=10.5Pw1=Pr1Kw1=11.58kw2.5.3油箱尺寸的计算油箱高度H窗高2倍最大铁轭片宽垫脚高度铁芯至油箱盖距离 2070+2780+30+80=3740mm油箱宽度B调压线圈外径线圈到箱壁间距离 1566+5842100mm油箱长度L2铁芯中心距调压线圈外径间隙 21610+1566+24775740mm2.5.4杂散损耗漏磁场在钢结构件中引起的损耗，通常称为杂散损耗。在变压器设计中，用户会要求提供杂散损耗的数值，来比较各厂设计的变压器性能的好坏。钢的零部件主要指夹件、压板、螺杆和油箱等。在同心式绕组中，此种损耗式由横向和纵向的露磁场所产生的。除了于变压器为心式或壳式以外，还与变压器油箱的形状、材料有很大关系。本人限于自身原因，无法接触到这些参数的选择，因此下面的结果仅仅是一个采用经验公式得出得粗略结果。P20kw式中， KZ：杂散损耗系数，查变压器设计原理图420，KZ=1.5 ：漏磁系数，物理意义相当于两个漏磁断面之比，取4.50：额定励磁时铁芯中主磁通，兆线0= BZAZ BZ：铁芯柱内磁密，0.1T AZ：铁芯柱截面积,cm2 HK：绕组电抗高度，mm S：油箱内壁周长,mm，S=2 (BL) RP：主漏磁空道的平均半径,mm UK：阻抗电压（） R：油箱的平均折合半径,mmR= A:油箱长度B：油箱宽度M0：铁芯中心距2.5.5引线损耗引线损耗当线圈联结组为Y接时不计，联结时为电阻损耗的0.5即为低压线圈电阻损耗的0.5，0.55kw变压器总的负载损耗为：Pk=Pr+Pw+Pz+Pl310kw2.6空载损耗和空载电流的计算2.6.1