變壓器設計及計算要點總結

變壓器設計及計算要點總結

薛雲

(河南省森電電力設備股份有限公司 )

摘 要：變壓器是電磁感應原理的電器設備，本文重點以三相電力變壓器為主，說明其工作原理及設計計算要點。

關鍵詞：基本技術參數 鐵心 繞組 油箱

一、概述

1. 變壓器的定義及工作原理

變壓器是藉助於電磁感應原理，以相同的頻率，在兩個或更多的繞組之間，變換交流電壓和電流而傳輸交流電能的一種靜止電器。

2．變壓器用途及分類（如下圖）

（1）輸送距離：1km/kV

（2）變壓器總容量：約為發電機裝機容量的8~10倍。

3．基本技術參數（訂貨須知）

（1）型號：

（2）額定容量：三繞組容量分配比如：100/100/100或100/100/50；

（3）電壓組合：如：（110±8×1.25%）/（38.5±2×2.5%）/10kV

（4）連接組標號：如：YN yn d11 D Z；

（5）額定頻率：如50或60Hz；

（6）空載電流：標準規定允許偏差：＋30%；

（7）空載損耗：標準規定允許偏差：＋15%；

（8）負載損耗：標準規定允許偏差：＋15%；但總損耗不得超過＋10%；

（9）短路阻抗：標準規定允許偏差：主分接：阻抗≥10%時 ±7.5%；阻抗＜10%時 ±10%；其他分接：阻抗≥10%時 ±10%；阻抗＜10%時 ±15%；

（10）絕緣水平：有全絕緣及分級絕緣之分；特別注意中性點絕緣水平；

（11）冷卻方式：ONAN；ONAF；OFAF；ODAF；OFWF；ODWF；

（12）套管電流互感器要求：

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

（14）開關要求：

（15）噪聲要求：如65dB（標準規定測量距離：ONAN為0.3m； ONAF或OFAF為2m）；

（16）局放要求：如500pC（標準規定測量電壓：1.5Um 5min；1.732Um ；5s 1.5Um 30min）；

（17）小車及軌距的要求：

（18）外形尺寸及運輸尺寸；重量及運輸重量的要求：

（19）其他要求。

二、鐵心設計及計算

1．鐵心的作用：變壓器是根據電磁感應原理製造的，磁路是電能轉換的媒介，由於鐵心是採用導磁率較高的硅鋼片疊積而成，只要通入較小的勵磁電流，就能得到所需要的磁通。

2．鐵心的材料：常用冷軋硅鋼片的牌號及疊片係數如下表。由於硅鋼片表面已有附著性較好的絕緣薄膜，故可不塗漆。疊片係數取決於絕緣膜厚度、波浪度、同板差及毛刺的大小。

3．鐵心截面形狀：鐵心柱截面形狀為圓內接階梯形，鐵心直徑φ70~φ1600的級數為6~26級（1/4圓內）。當鐵心直徑為φ70~φ395時，鐵軛截面形狀與鐵心柱截面形狀相同；當鐵心直徑φ340~φ1600時鐵軛截面形狀為D形。

4. 鐵心直徑：D₀=K_D P_zh^0.25

式中：K_D—直徑經驗係數，冷軋硅鋼片，銅導線K_D=52~57

P_zh—每柱容量（kVA）

5．磁通密度選擇原則：

鐵心磁密一般熱軋硅鋼片取1.4~1.47T；冷軋硅鋼片取1.6~1.75T

6. 空載損耗：

變壓器在空載時測得的損耗，空載損耗主要包含鐵心硅鋼片中磁滯損耗（與頻率成正比）和渦流損耗（與頻率平方成正比）等。

7. 空載電流：

變壓器在空載時測得的電流，空載電流中主要是勵磁電流無功分量（與頻率成正比）和空載損耗產生的有功分量。

8. 影響空載性能的因素

8.1 鐵心材質：熱軋比冷軋硅鋼片空載損耗及電流大；硅鋼片每片厚度愈厚，空載損耗及電流也愈大，但太薄又會增加工藝附加係數；一般採用每片厚度為0.23、0.27、0.3mm；

8.2 鐵心磁密：鐵心磁密選過高，空載損耗及空載電流均會增加。

8.3 疊片形式：每疊片數多，空載損耗及空載電流均會增加，一般採用2片一疊。

8.4 接縫形式：有取向冷軋硅鋼片，一般採用全斜接縫，如採用半直半斜接縫時，每增加一個直接縫會使空載損耗增加3.5%左右；

8.5 毛刺大小：毛刺大，空載損耗及空載電流均會增加，一般≤0.03mm；

8.6 夾緊方式：採用穿心螺桿比用粘帶及綁紮帶綁紮，空載損耗及空載電流增加。

8.7 製造工藝：如剪切、搬運、摔打均會產生應力，從而使空載損耗及空載電流增加；

8.8 清潔程度：保持鐵心清潔無灰塵、無異物，否則也會使空載損耗及空載電流增加。

三、繞組設計及計算

1．導線材質：變壓器繞組的導線常採用電解銅或無氧銅杆（電阻率約低1%~1.5%）拉制的圓銅線及銅扁線製成縮醛漆包線、紙包線、組合導線及換位導線。也曾用過鋁導線，但由於鋁導線電阻率較高、機械強度較差、焊接較困難現已很少採用。

2．繞組形式：圓筒式（層式）：單層、雙層、多層圓筒式及分段圓筒式。常用於中小型的高壓或低壓繞組。

螺旋式：單、單半、雙、雙半、四、四半螺旋式；常用於中大型的低壓繞組。

連續式：常用於中大型的高壓及低壓繞組。

糾結式：常用於66kV及以上大型的高壓繞組。

內屏式：常用於66kV及以上大型的高壓繞組。

3．繞組排列：雙繞組：高—低排列。三繞組：降壓變壓器為高—中—低；升壓變壓器為高—低—中排列。

4．電壓比偏差：

額定電壓比是一個繞組的額定電壓與另一個具有較低或相等額定電壓繞組的額定電壓之比。

電壓比（變比或匝比）的偏差是產品的實測的空載電壓比與規定的標準電壓比之差，常以規定的標準電壓比的百分數表示。國家標準GB1094.1規定的空載電壓比允許偏差，如表所示。為考慮製造和測量的偏差，在計算時，一般不應超過下表中規定的允許偏差值的一半，即空載電壓比允許偏差的計算值，常取V%≤±0.25%

當高壓繞組電壓較低，且容量較大的產品，電壓比（特別是分接電壓比）的允許偏差，如達不到要求時，應要及時與用戶協商。

注：對某些自耦變壓器和增壓變壓器，因其阻抗很小，則應有更大的偏差。

高壓及中壓各分接位置的電壓比的計算偏差（V%），分別按下式計算：

式中：e_t—每匝電勢（V）；e

W₂—低壓繞組的每相匝數；

U₂—低壓繞組的相電壓（v）

W—高壓或中壓繞組各分接位置的每相匝數；

U—高壓或中壓繞組各分接位置的相電壓（v）。

5．電流密度選擇原則：

繞組導線的電流密度是根據負載損耗（P_k）；長期工作電流的溫升；突發短路的溫升；承受突發短路時的電動力（機械力）；經濟性等來選擇。銅導線電流密度一般選3.0A/mm²左右。

6．主縱絕緣選擇：主要考慮承受電壓：

長期工作電壓；感應試驗電壓；短時工頻耐受電壓；衝擊耐受電壓（全被、截波、操作波）等。

7．負載損耗

7.1 繞組導線的電阻損耗：I²R注意應換算到參考溫度（一般為75C）。

7.2 繞組導線的渦流損耗：由於漏磁通穿過導線而產生渦流，造成渦流損耗，它與頻率及垂直於漏磁的導線厚度等的平方成正比，常以佔電阻損耗的百分數表示。

注意：三繞組變壓器在計算外－內（一般為高－低壓）繞組的負載損耗時，這時中間（一般為中壓）繞組，雖然沒有電流通過，但它處於漏磁場最大的位置，故需另加上中間（一般為中壓）繞組的3倍渦流損耗。

7.3繞組損耗的環流損耗：導線在漏磁場中所處的位置不一樣，或導線的長度不一樣，而又換位不完全，導線間產生環流，造成環流損耗，常以佔電阻損耗的百分數表示。

7.4引線的損耗：包含引線的電阻損耗及附加損耗（渦流損耗）。

7.5雜散的損耗：漏磁通穿過夾件、拉板、油箱等鋼鐵零件而產生渦流，從而造成雜散損耗。

8．繞組在電氣方面常發生的故障

8.1三相電阻不平衡：由於材質、焊接、結構（B相引線較短）會造成三相電阻不平衡，注意，引線配製和焊接質量，使三相電阻不平衡率，一般不超過2%。

8.2匝間短路：由於導線的毛刺或換位不當，而損傷匝絕緣，造成匝間短路。應將墊塊去毛刺、加強制造工藝。

8.3感應或衝擊擊穿：由於材質、設計、工藝等原因，造成匝間、段間、層間擊穿。選擇合理的絕緣結構（如高電壓的繞組採用分部電容補償等）。加強制造工藝，注意清潔度。

8.4對地放電：由於材質、設計、工藝等原因，造成高壓繞組間或對地放電。選擇合理的絕緣結構（如採用薄紙筒小油隙及角環結構），採用靜電板改善端部電場等。加強制造工藝，注意清潔度。

9．提高繞組機械強度的措施

9.1繞組導線：一般採用機械強度較好的半硬銅導線。換位導線宜用粘性換位導線（其抗彎強度為普通換位導線的3倍以上）。

9.2安匝平衡：高低壓繞組要儘量做到安匝平衡，對中大型變壓器不平衡安匝一般不超過5%。

9.3卷緊：注意計算及製造公差。

9.4壓緊：墊塊密化；繞組壓緊力一般為2.5MPa；最好採用恆壓或帶壓乾燥和整體套裝。

9.5撐緊：低壓繞組內部加副撐條，所有繞組均卷在硬紙筒上。

四、油箱設計

1．油箱的作用：作為油的容器和保護器身用。

2．油箱型式：桶式、鐘罩式（平頂、拱頂、梯形頂）。

3．油箱結構

3.1油箱結構尺寸（容量≤6300kVA）

3.2油箱強度：油箱要承受國標GB6451-95規定的正壓及真空強度試驗。考慮變壓器電氣絕緣要求，

當電壓≥66kV油箱強度按全真空設計。

3.3油箱加強鐵：

3.4 油箱吊拌：油箱吊總重的吊拌有的在上節油箱上，有的在下節油箱上，佈置要對稱，但還要考慮吊起時，不能碰套管及儲油櫃。上油箱上還焊有吊上節油箱的吊拌，它兼翻轉上節油箱用。

3.5 油箱屏蔽：為了減少油箱的損耗和局部過熱，油箱上常放置用硅鋼片製成板式或卷式的磁屏蔽或用銅（鋁）板製成的電磁屏蔽。對於大電流引線附近或大電流套管升高座的鋼鐵件常用低導磁鋼板製成。

3.6 油箱整潔“油箱內部要清潔、無焊渣、尖角、毛刺，因在這種低電位處會產生高電場強度，從而造成電暈和局部放電，甚至擊穿，油箱內表面塗有耐變壓器油的漆，漆膜要牢固不得脫落。

3.7 油箱外觀：油箱外部要緊湊美觀，外表面塗有防潮、防鏽、防腐、防紫外線的漆，漆膜要牢固。如溼熱帶地區、沿海地區、重汙染地區及有特殊要求的地區，需塗三防漆（防潮、防黴、防鹽霧）。

4．防止滲漏油的措施

4.1 密封材料：耐油丁腈橡膠1-J8，其壓縮量在25～30%時，密封性能最佳。

4.2 鋼性連接：箱沿密封處，採用鋼性連接，箱沿上焊有護框(大型用14×14方剛)，螺栓中心距約100mm。為防止箱沿變形而滲漏油，下箱沿厚度應與上箱沿厚度基本一致。

4.3 密封面處理：油箱密封面要平整，最好無漆。

4.4 密封法蘭：所有法蘭，採用盲孔（半孔），以防內漏。密封面需加工槽口。

4.5 T形拼焊：箱壁如要拼焊時，不能有十字交叉焊線，宜採用T行焊線。

4.6 焊線外露：油箱加強鐵等外部件不要覆蓋焊線，以免油箱試漏時，觀察不到。

4.7 承重處加強：油箱上的吊拌、千斤頂支架等承重件附近的箱壁、箱沿及密封面處需加強。

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