变压器的功率怎么设计（变压器设计及计算要点总结）

来源：变压器技术杂志

变压器设计及计算要点总结

薛云

(河南省森电电力设备股份有限公司 )

摘 要：变压器是电磁感应原理的电器设备，本文重点以三相电力变压器为主，说明其工作原理及设计计算要点。

关键词：基本技术参数 铁心 绕组 油箱

一、概述

1. 变压器的定义及工作原理

变压器是借助于电磁感应原理，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间，变换交流电压和电流而传输交流电能的一种静止电器。

2．变压器用途及分类（如下图）

（1）输送距离：1km/kV

（2）变压器总容量：约为发电机装机容量的8~10倍。

3．基本技术参数（订货须知）

（1）型号：

（2）额定容量：三绕组容量分配比如：100/100/100或100/100/50；

（3）电压组合：如：（110±8×1.25%）/（38.5±2×2.5%）/10kV

（4）连接组标号：如：YN yn d11 D Z；

（5）额定频率：如50或60Hz；

（6）空载电流：标准规定允许偏差：＋30%；

（7）空载损耗：标准规定允许偏差：＋15%；

（8）负载损耗：标准规定允许偏差：＋15%；但总损耗不得超过＋10%；

（9）短路阻抗：标准规定允许偏差：主分接：阻抗≥10%时 ±7.5%；阻抗＜10%时 ±10%；其他分接：阻抗≥10%时 ±10%；阻抗＜10%时 ±15%；

（10）绝缘水平：有全绝缘及分级绝缘之分；特别注意中性点绝缘水平；

（11）冷却方式：ONAN；ONAF；OFAF；ODAF；OFWF；ODWF；

（12）套管电流互感器要求：

（13）套管要求：如：泄漏比距（如：3.0cm/kV等）、拉力、防污、排列方式等；

（14）开关要求：

（15）噪声要求：如65dB（标准规定测量距离：ONAN为0.3m； ONAF或OFAF为2m）；

（16）局放要求：如500pC（标准规定测量电压：1.5Um 5min；1.732Um ；5s 1.5Um 30min）；

（17）小车及轨距的要求：

（18）外形尺寸及运输尺寸；重量及运输重量的要求：

（19）其他要求。

二、铁心设计及计算

1．铁心的作用：变压器是根据电磁感应原理制造的，磁路是电能转换的媒介，由于铁心是采用导磁率较高的硅钢片叠积而成，只要通入较小的励磁电流，就能得到所需要的磁通。

2．铁心的材料：常用冷轧硅钢片的牌号及叠片系数如下表。由于硅钢片表面已有附着性较好的绝缘薄膜，故可不涂漆。叠片系数取决于绝缘膜厚度、波浪度、同板差及毛刺的大小。

3．铁心截面形状：铁心柱截面形状为圆内接阶梯形，铁心直径φ70~φ1600的级数为6~26级（1/4圆内）。当铁心直径为φ70~φ395时，铁轭截面形状与铁心柱截面形状相同；当铁心直径φ340~φ1600时铁轭截面形状为D形。

4. 铁心直径：D₀=K_D P_zh^0.25

式中：K_D—直径经验系数，冷轧硅钢片，铜导线K_D=52~57

P_zh—每柱容量（kVA）

5．磁通密度选择原则：

铁心磁密一般热轧硅钢片取1.4~1.47T；冷轧硅钢片取1.6~1.75T

6. 空载损耗：

变压器在空载时测得的损耗，空载损耗主要包含铁心硅钢片中磁滞损耗（与频率成正比）和涡流损耗（与频率平方成正比）等。

7. 空载电流：

变压器在空载时测得的电流，空载电流中主要是励磁电流无功分量（与频率成正比）和空载损耗产生的有功分量。

8. 影响空载性能的因素

8.1 铁心材质：热轧比冷轧硅钢片空载损耗及电流大；硅钢片每片厚度愈厚，空载损耗及电流也愈大，但太薄又会增加工艺附加系数；一般采用每片厚度为0.23、0.27、0.3mm；

8.2 铁心磁密：铁心磁密选过高，空载损耗及空载电流均会增加。

8.3 叠片形式：每叠片数多，空载损耗及空载电流均会增加，一般采用2片一叠。

8.4 接缝形式：有取向冷轧硅钢片，一般采用全斜接缝，如采用半直半斜接缝时，每增加一个直接缝会使空载损耗增加3.5%左右；

8.5 毛刺大小：毛刺大，空载损耗及空载电流均会增加，一般≤0.03mm；

8.6 夹紧方式：采用穿心螺杆比用粘带及绑扎带绑扎，空载损耗及空载电流增加。

8.7 制造工艺：如剪切、搬运、摔打均会产生应力，从而使空载损耗及空载电流增加；

8.8 清洁程度：保持铁心清洁无灰尘、无异物，否则也会使空载损耗及空载电流增加。

三、绕组设计及计算

1．导线材质：变压器绕组的导线常采用电解铜或无氧铜杆（电阻率约低1%~1.5%）拉制的圆铜线及铜扁线制成缩醛漆包线、纸包线、组合导线及换位导线。也曾用过铝导线，但由于铝导线电阻率较高、机械强度较差、焊接较困难现已很少采用。

2．绕组形式：圆筒式（层式）：单层、双层、多层圆筒式及分段圆筒式。常用于中小型的高压或低压绕组。

螺旋式：单、单半、双、双半、四、四半螺旋式；常用于中大型的低压绕组。

连续式：常用于中大型的高压及低压绕组。

纠结式：常用于66kV及以上大型的高压绕组。

内屏式：常用于66kV及以上大型的高压绕组。

3．绕组排列：双绕组：高—低排列。三绕组：降压变压器为高—中—低；升压变压器为高—低—中排列。

4．电压比偏差：

额定电压比是一个绕组的额定电压与另一个具有较低或相等额定电压绕组的额定电压之比。

电压比（变比或匝比）的偏差是产品的实测的空载电压比与规定的标准电压比之差，常以规定的标准电压比的百分数表示。国家标准GB1094.1规定的空载电压比允许偏差，如表所示。为考虑制造和测量的偏差，在计算时，一般不应超过下表中规定的允许偏差值的一半，即空载电压比允许偏差的计算值，常取V%≤±0.25%

当高压绕组电压较低，且容量较大的产品，电压比（特别是分接电压比）的允许偏差，如达不到要求时，应要及时与用户协商。

注：对某些自耦变压器和增压变压器，因其阻抗很小，则应有更大的偏差。

高压及中压各分接位置的电压比的计算偏差（V%），分别按下式计算：

式中：e_t—每匝电势（V）；e_t=U₂/W₂

W₂—低压绕组的每相匝数；

U₂—低压绕组的相电压（v）

W—高压或中压绕组各分接位置的每相匝数；

U—高压或中压绕组各分接位置的相电压（v）。

5．电流密度选择原则：

绕组导线的电流密度是根据负载损耗（P_k）；长期工作电流的温升；突发短路的温升；承受突发短路时的电动力（机械力）；经济性等来选择。铜导线电流密度一般选3.0A/mm²左右。

6．主纵绝缘选择：主要考虑承受电压：

长期工作电压；感应试验电压；短时工频耐受电压；冲击耐受电压（全被、截波、操作波）等。

7．负载损耗

7.1 绕组导线的电阻损耗：I²R注意应换算到参考温度（一般为75C）。

7.2 绕组导线的涡流损耗：由于漏磁通穿过导线而产生涡流，造成涡流损耗，它与频率及垂直于漏磁的导线厚度等的平方成正比，常以占电阻损耗的百分数表示。

注意：三绕组变压器在计算外－内（一般为高－低压）绕组的负载损耗时，这时中间（一般为中压）绕组，虽然没有电流通过，但它处于漏磁场最大的位置，故需另加上中间（一般为中压）绕组的3倍涡流损耗。

7.3绕组损耗的环流损耗：导线在漏磁场中所处的位置不一样，或导线的长度不一样，而又换位不完全，导线间产生环流，造成环流损耗，常以占电阻损耗的百分数表示。

7.4引线的损耗：包含引线的电阻损耗及附加损耗（涡流损耗）。

7.5杂散的损耗：漏磁通穿过夹件、拉板、油箱等钢铁零件而产生涡流，从而造成杂散损耗。

8．绕组在电气方面常发生的故障

8.1三相电阻不平衡：由于材质、焊接、结构（B相引线较短）会造成三相电阻不平衡，注意，引线配制和焊接质量，使三相电阻不平衡率，一般不超过2%。

8.2匝间短路：由于导线的毛刺或换位不当，而损伤匝绝缘，造成匝间短路。应将垫块去毛刺、加强制造工艺。

8.3感应或冲击击穿：由于材质、设计、工艺等原因，造成匝间、段间、层间击穿。选择合理的绝缘结构（如高电压的绕组采用分部电容补偿等）。加强制造工艺，注意清洁度。

8.4对地放电：由于材质、设计、工艺等原因，造成高压绕组间或对地放电。选择合理的绝缘结构（如采用薄纸筒小油隙及角环结构），采用静电板改善端部电场等。加强制造工艺，注意清洁度。

9．提高绕组机械强度的措施

9.1绕组导线：一般采用机械强度较好的半硬铜导线。换位导线宜用粘性换位导线（其抗弯强度为普通换位导线的3倍以上）。

9.2安匝平衡：高低压绕组要尽量做到安匝平衡，对中大型变压器不平衡安匝一般不超过5%。

9.3卷紧：注意计算及制造公差。

9.4压紧：垫块密化；绕组压紧力一般为2.5MPa；最好采用恒压或带压干燥和整体套装。

9.5撑紧：低压绕组内部加副撑条，所有绕组均卷在硬纸筒上。

四、油箱设计

1．油箱的作用：作为油的容器和保护器身用。

2．油箱型式：桶式、钟罩式（平顶、拱顶、梯形顶）。

3．油箱结构

3.1油箱结构尺寸（容量≤6300kVA）

3.2油箱强度：油箱要承受国标GB6451-95规定的正压及真空强度试验。考虑变压器电气绝缘要求，

当电压≥66kV油箱强度按全真空设计。

3.3油箱加强铁：

3.4 油箱吊拌：油箱吊总重的吊拌有的在上节油箱上，有的在下节油箱上，布置要对称，但还要考虑吊起时，不能碰套管及储油柜。上油箱上还焊有吊上节油箱的吊拌，它兼翻转上节油箱用。

3.5 油箱屏蔽：为了减少油箱的损耗和局部过热，油箱上常放置用硅钢片制成板式或卷式的磁屏蔽或用铜（铝）板制成的电磁屏蔽。对于大电流引线附近或大电流套管升高座的钢铁件常用低导磁钢板制成。

3.6 油箱整洁“油箱内部要清洁、无焊渣、尖角、毛刺，因在这种低电位处会产生高电场强度，从而造成电晕和局部放电，甚至击穿，油箱内表面涂有耐变压器油的漆，漆膜要牢固不得脱落。

3.7 油箱外观：油箱外部要紧凑美观，外表面涂有防潮、防锈、防腐、防紫外线的漆，漆膜要牢固。如湿热带地区、沿海地区、重污染地区及有特殊要求的地区，需涂三防漆（防潮、防霉、防盐雾）。

4．防止渗漏油的措施

4.1 密封材料：耐油丁腈橡胶1-J8，其压缩量在25～30%时，密封性能最佳。

4.2 钢性连接：箱沿密封处，采用钢性连接，箱沿上焊有护框(大型用14×14方刚)，螺栓中心距约100mm。为防止箱沿变形而渗漏油，下箱沿厚度应与上箱沿厚度基本一致。

4.3 密封面处理：油箱密封面要平整，最好无漆。

4.4 密封法兰：所有法兰，采用盲孔（半孔），以防内漏。密封面需加工槽口。

4.5 T形拼焊：箱壁如要拼焊时，不能有十字交叉焊线，宜采用T行焊线。

4.6 焊线外露：油箱加强铁等外部件不要覆盖焊线，以免油箱试漏时，观察不到。

4.7 承重处加强：油箱上的吊拌、千斤顶支架等承重件附近的箱壁、箱沿及密封面处需加强。

来源：变压器技术杂志

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