毕业设计KVA电力变压器设计.doc
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6300KVA电力变压器设计
学生姓名:
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指导教师:
助理指导教师:
二〇〇八年五月
摘要
摘要
现代化的工业企业,广泛地采用了电力作为能源,电能都是由水电站和发电厂的发电机直接转化出来的。
发电机发出来的电,根据输送距离将按照不同的电压等级输送出去,就需要一种专门改变电压的设备,这种设备叫做“变压器”。
见于变压器的现状和发展趋势,一些新技术、新材料、新工艺的应用也层出不穷。
目前变压器行业的新材料和新技术在不断发展,除低损耗变压器、非晶和金铁心变压器、干式变压器、全密封变压器、调容量变压器、防雷变压器、卷铁心变压器、R型变压器、单相变压器、有载调压变压器、组合式变压器、箱式变压器外还有硅油变压器、六氟化硫变压器、超导变压器等。
电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一,它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益,所以电力变压设计是一个很值得我们去研究的课题。
关键词变压器,铁心,线圈,损耗,油箱,温升,重量
1
Ⅰ
ABSTRACT
ABSTRACT
Modernizationofindustrialenterprises,thewideruseofelectricityasasourceofenergy,electricityfromhydropowerstationsandpowerplantsarethegeneratorsdirectlyintothem.Senttotheelectricgenerator,accordingtotransmissiondistanceinaccordancewiththedifferentvoltagetransmissionout,weneedachangeinvoltagespecializedequipment,suchequipmentiscalled"Transformer."Transformerseenatthecurrentsituationanddevelopmenttrends,newtechnologies,newmaterials,newtechnologyapplicationsareendless.Thecurrenttransformerindustryofthenewmaterialsandnewtechnologiesindevelopment,withtheexceptionoflow-losstransformers,amorphousandthecoretransformers,dry-typetransformers,allsealedtransformers,fortransformercapacity,minetransformers,woundcoretransformer,R-typetransformers,single-Phasetransformer,OLTCtransformers,modulartransformers,box-typetransformers,therearesiliconeoiltransformers,SF6transformers,suchassuperconductingtransformer.
Itisapowertransformer,lose,change,powerdistributionsysteminoneofthekeyequipment,anditsperformance,quality,directlyrelatedtothereliabilityofpowersystemoperationsandoperatingefficiency,transformerdesignisaveryworthyofourstudyofSubject.
Keywordstransformers,core,coil,loss,thefueltank,temperature,weight
Ⅰ
目录
摘要………………………………………………………………………………………ⅠABSTRACT…………………………………………………………………………………… Ⅱ
1课题背景 1
1.1研究意义 1
1.2国内外发展状况 1
1.2.1国外发展状况 1
1.2.2国内发展状况 1
1.3变压器的发展方向 2
2变压器设计前的准备 4
2.1做好变压器设计应注意的问题 4
2.1.1.熟悉国家标准与- 4
2.1.2熟悉产品规格及技术用户的要求 4
2.1.3变压器设计计算步骤 5
2.2主要材料、结构的确定 5
2.2.1主要材料 5
2.2.2变压器主要结构的确定 5
3电磁计算 7
3.1额定电压和额定电流的计算 7
3.2铁心直径的选择 8
3.2.1影响铁芯直径选择主要因素 8
3.2.1截面的选择 8
3.2.2铁心截面的设计 9
3.3线圈匝数的计算 11
3.3.1每匝电压的确定 11
3.3.2初选每匝电压 11
3.3.3低压线圈匝数的确定 11
3.3.4高压线圈各分接匝数的确定和电压比校核对 12
3.4、线圈型式的选择及线圈排列 12
3.4.1线圈高度的估计 12
3.4.2线圈的确定 13
3.5导线的选择 14
3.6线圈辐向尺寸的计算 15
3.7绝缘半径(见图3-4) 15
3.8阻抗电压计算 17
3.9高压线圈数据计算 18
3.10低压线圈数据计算 19
3.11铁心计算(见图3-6) 19
3.12空载损耗Po的计算 21
3.13空载电流 21
3.14涡流百分数的计算 21
3.14线圈对油温升的计算 22
3.15油箱尺寸的估计(见图3-7) 23
3.16杂散损耗计算 24
3.17总损耗计算 24
3.18箱壁散热面计算 26
3.19四散热器的选择 26
3.20油的温升 27
3.20.1油平均温升的计算(见图3-9) 27
3.20.3线圈平均温升的计算 28
3.21安匝分布 28
3.22各区域安匝占总安匝百分数 29
3.23机械力计算 30
3.24变压器重量计算 32
4三种不同方案的比较 34
4.1三种不同方案中安匝分布和及阻抗电压进行优化 34
4.1.1优化理由 34
4.1.2阻抗电压计算 38
4.2方案三对变压器重量以及散方面的优化 39
4.2.1优化理由 39
5 总结 41
参考文献 42
附录A:
变压器结构安装图 43
附录B:
变压器主要产品部件使用说明书 44
Ⅱ
课题背景
1课题背景
1.1研究意义
现代化的工业企业,广泛地采用了电力作为能源,电能都是由水电站和发电厂的发电机直接转化出来的。
发电机发出来的电,根据输送距离将按照不同的电压等级输送出去,就需要一种专门改变电压的设备,这种设备叫做“变压器”。
电力变压器是发、输、变、配电系统中的重要设备之一,它的性能、质量直接关系到电力系统运行的可靠性和运营效益,所以电力变压设计是一个很值得我们去研究的课题。
1.2国内外发展状况
1.2.1国外发展状况
一个世纪以来,电力变压器原理未曾改变,随着年代的推进,先进生产设备日臻完善,因而各项技术参数越来越先进。
国外在世界范围内形成了几大集团:
乌克兰扎布洛斯变压器厂,年生产能力100GVA;俄罗斯陶里亚第变压器厂,年生产能力40GVA,ABB公司29个电力变压器厂年生产能力80-100GVA,英法GEC-Alshtom年生产能力40GVA,日本各厂总和(三菱、东芝、日立、富士)年生产能力65GVA,德国TU集团年生产能力40GVA。
这些公司生产的已在系统运行的代表性产品:
1150kV、1200MVA,735-765kV、800MVA,400-500kV、3-750MVA或1-550MVA,220kV、3-1300MVA电力变压器;直流输电±500kV、400MVA换流变压器。
1.2.2国内发展状况
与国外相对比我国的变压器组件的发展:
①套管。
国外原全苏电瓷厂(现在乌克兰境内)已生产供应1150kV电容式套管,日
本NGK已生产供应1100kV电容式套管。
我国南京电瓷厂、西安电瓷厂可成批量供应500kV电容式套管。
②有载分接开关。
德国MR分接开关厂是世界著名工厂,已做出了一系列有载分接开
关,如V型、M型,供应世界各国,国产变压器及国内进口变压器已装用多台V型及M型开关,运行上基本可靠。
遵义长征电器厂早已做出了V型与M型分接开关,沈阳变压器厂也能生产。
其产品已在国内众多的变压器上应用,运行证明也是可靠的。
③冷却器。
国外风、水冷却器和片式散热器都有,但水冷却器用得不多。
风冷为板翅式,由专业工厂钎焊,用料少、冷却效率高。
我国这三种冷却器都有。
水冷却器也只在部分水电站用。
风冷却器为肋管式,制造工艺简单,效率尚可,只是与板翅式相比,体积大、用料多。
1.3变压器的发展方向
从当前城乡电网改造的情况来看,我国供电电网要求配电变压器小容量化,降低噪声,就近安装,美化环境,环网供电,以尽量缩短低压配线,降低二次线损,改善电压品质。
我国的变压器制造业和使用总的发展趋势是:
①采用新材料,降低损耗。
②采用新结构,以求重量轻、体积小。
③提高产品的可靠性,减少甚至免维修。
④防火防爆,安全供电。
⑤节约原材料,降低成本。
针对我国目前电网用电峰谷进一步加大的现状,要提高配电变压器的过载能力,要求其具有较强的超铭牌运行能力。
研究科学的效率曲线,尽可能按高效运行的原则合理选用。
跟踪国际潮流,进一步简化配电变压器的结构,取消无功励磁,分接开关做到高度的通用化、标准化、互换化,增加自身的保护功能。
见于变压器的现状和发展趋势,一些新技术、新材料、新工艺的应用也层出不穷。
目前变压器行业的新材料和新技术在不断发展,除低损耗变压器、非晶和金铁心变压器、干式变压器、全密封变压器、调容量变压器、防雷变压器、卷铁心变压器、R型变压器、单相变压器、有载调压变压器、组合式变压器、箱式变压器外还有硅油变压器、六氟化硫变压器、超导变压器等。
新材料的应用:
非晶和金和速冷法制成的硅钢片,激光照射和机械压痕的高导磁取向硅钢片,HI-B高导磁取向电工钢片,菱格上胶绝缘纸。
新工艺的应用:
阶梯叠铁心工艺,圆柱矩轭铁心的应用,贴心自动叠装生产线,铁心硅钢片的专业生产,用激光刀作切割刀,绕组整体套装,绕组用恒压装置压紧处理,采用垫块预压。
改进技术的应用:
采用椭圆形绕组,采用半油道结构,解决直流电阻不平衡率问题,不同硅钢片搭配使用的性能变化,一种新的D联结方法,配电变压器低压引线的改进,变频调速绕线机。
新技术的应用:
现场装配型(ASA)变压器,向超高压、大容量变压器发展,SF6气体绝缘变压器,硅油变压器,超导变压器等。
通过国外与国内技的电力变压器设计比较,我们有应加强国内变压器设计的创新力度,另一个角度也说明电力变压设计也是很值得我们去研究和设计的课题。
3
变压器设计前的准备
2变压器设计前的准备
2.1做好变压器设计应注意的问题
2.1.1.熟悉国家标准与-
“标准”就是技术立法。
任何一台产品是否能够出厂,关键在于它是否符合标准中的各项规定。
只有在产品性能满足标准的前提下,讨论其技术经济性能才有意义。
因此,要搞好产品设计,首先应当熟悉标准。
按我国现行标准体系,标准分为国家标准(GE)、行业标准(JB与ZB以及1)L)以及企业标准达:
:
个等级。
标准又分为强制性与非强制性(又称推荐性标淮)两类。
另外、根据对外开放的需要,为使我国产品赶真甚至超过世界先进国家的水平,我们还推广采用了国际电工委员会标准。
此外,对有些出口产品,有时还应参考采用其他国际先进标难。
其中如英国标准(BS),美围标很(AN51,IEEE),德目标冶(DIN,v1)t),日本标准(JEC,JEM),前苏联标很(Post),加拿大标准(CSA),法国标准(NF)以及奥地利标难(AS)等等。
与产品设计关系最密切的“国标”除前述的GB/l094与GB/T645lGB/T10228等之外,还有GB3ll等。
2.1.2熟悉产品规格及技术用户的要求
产品型号:
额定容量:
6300KVA
额定电压:
35000V相数:
3
额定频率:
50Hz联结组别:
空载损耗:
6.6kW负载损耗:
37kW
空载电流百分数:
0.54%;阻抗电压百分数:
7.5%
冷却方式:
油浸风冷使用形式:
户内使用
绝缘等级:
B级
了解用户的要求是非常必要的前期工作,一个企业经济效益的高低在于产品是否适销对路,是否生产成本较低、产品质量高且销售价格合理,尤其是在当今社会主义市场经济条件下,国家强调不能单纯看产值,而应着重用效益来衡量一个企业。
不言而喻,一个企设计的产品的销售情况就成了企业的生命线。
为此,在产品设计时除了考虑通用化、系列化之外,还应很好考虑各种用户的不同要求,以尽量满足不同用户的需要。
尤其应当着重开发在市场1:
竞争能力强的产品。
变压器的电磁计算应根据产品设计任务书中所给定的技术参数来进行.其结果首先必须满足国家标准及有关技术标准中的规定以及用户的要求,同时还应具有较好的技术经济指标。
通常所说的“优化设计”,就是以实现上述要求为目标的。
2.1.3变压器设计计算步骤
①决定基本的电磁参数决定高压、中压及低压绕组的线电压、相电压、线电流、相电流及绕组中电流。
②铁心直径估计和绕组匝数的确定。
③绕组计算及主纵绝缘的确定:
主要包括高、中及低压绕组型式的选择,绕组尺寸的计算,主、纵绝缘距离的确定,对于高电压大容量变压器应进行冲击分布和绝缘强度的计算。
④阻抗电压计算。
⑤绕组数据、铁心数据及油箱尺寸的计算。
⑥损耗计算:
空载损耗、负载损耗计算,而负载损耗中主要是涡流损耗、不完全换位损耗及结构损耗的分析计算。
⑦温升计民包括绕组对油的温升以及不同冷却方式的温升计算。
⑧绕组机械力的计算。
⑨重量计算。
⑩器件、压板、油箱等部位机械强度的分析计算。
2.2主要材料、结构的确定
2.2.1主要材料
①硅钢片:
冷轧硅钢片
②线圈导线:
线包扁铜线:
XB-0.45
③绝缘材料,用B级绝缘材料,最高平均温度不超过130
④线圈绝缘漆:
1030号、硅钢片绝缘漆:
1161号高温快干漆
2.2.2变压器主要结构的确定
①铁心结构。
②铁心柱的夹紧,采用环氧无纬玻璃丝粘带扎。
③铁轭用铁轭螺杆和方铁通过夹件夹紧。
④铁心的迭积采用半直半斜迭片,迭积图如图2-1所示。
图2-1迭积图
①铁轭的级数与铁心柱级数完全一致。
这样,两者磁通分布均匀,铁轭截面可以与铁心柱一致,节省了材料。
②线圈的压紧采用压板。
③采用单相五位置DWJ型无励磁开关。
④采用拱顶油箱,节省变压器油及钢材,并增加油臬刚度。
6
电磁计算
3电磁计算
3.1额定电压和额定电流的计算
电压、电流及匝数的计算是在假定变压器没有电阻,没有漏磁和没有铁耗的情况下进行的,因为这些问题对计算结果影响很小。
由于三相变压器有Y接法(或YN接法)与D接法两种类型,因此在计算电压、电流时,必须注意线值与相值的关系,下面分别介绍本设计用到的YD接法这种情况。
D(三角形)接法(见图3-1)。
这种接法多用于中、低压绕组。
其特点为相电压等于线电压,但相电流为线电流的,即
图3-1三相变压器的D接法
另外,对于有分接抽头的变压器,还应分别计算在不同分接下的电压和电流。
上所述可知:
根据已知的额定容量、额定电压(包括各分接电压)、变压器绕组的接法以及相数等,按照上述各有关公式、即可计算出所需的线、相电流可以及各分接下的电压。
额定电压和额定电流的计算过程:
1.高压线圈为"Y"接线时,其各级分接的线电压分别为:
其相电压分别为:
2.低压线圈为“d”型接线时,其线、相电压相等,即。
3.高压线圈为"Y"型接线时,其线、相电流相等,即
4.低压线圈为"d"型接线时,其线电流和相电流分别为:
3.2铁心直径的选择
铁芯直径是变压器的最基本的参数,因为铁芯柱的大小一旦确定,也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数,从而影响到整个变压器的尺寸和各主要性能参数。
它的正确选定还涉及到变压器材料消耗的钢铁比,是影响优化设计的重要因素。
所以确定铁芯柱直径往往是变压器设计的第一步。
3.2.1影响铁芯直径选择主要因素
首先,从变压器原理的分析可知,在保持铁芯磁密一定的条件下,铁芯直径的增大将使得绕组匝数减少,换句话说,铁芯材料消耗的增加特使得导线材料的消耗减少并使得短路阻抗、负载损耗值降低;如果减少铁芯直径,则会得出相反的结论。
其次,如保持绕组匝数不变.增大铁芯直径将使得磁密降低,而空载电流、字载损耗均将相应下降,但铁芯材料消耗将增加;反之,如减少铁芯直径则有可能引起铁芯过饱和以致使空载电流和空载损耗均大为增加。
此外.对电力变压器来说,短路阻抗是一个很重要的性能参数,在设计时要求严格地控制在一定范围之内。
根据计算短路阻抗公式可知,短路阻抗的电抗分量。
若要维持短路阻抗为一定值,则需要使绕组电抗高度Hx减少,并使纵向漏磁等效而积增大,即增加辐向尺寸而减少绕组高度,以使绕组和整个变压器的尺寸向宽而低的方向发展。
相反,如减少铁芯直径而使绕组匝数增加时.为保持短路阻抗不变,则整个变压器的尺寸将向窄而高的方向发展。
综上所述可知:
铁芯直径的选取百先将关系到整个变压器的制造成本。
这主要应视铁芯材料的增加(或减少)及导线材料的减少(或增加)之中哪一个量变化对制造成本的影响更大来决定,在这一点上,变压器的设计类似于其他电机的设计,存在一个最优的铜铁比选择的问题。
其次,铁芯直径的变化还将影响到变压器各技术件能参数(如空载电流”空载损耗、负载损耗、短路阻抗等)的改变,而在设计时这些件能参数值的变化均应符合相应国家标淮的规定。
第三,如前所述,铁芯直径的选取还影响到整个变压器的尺寸、形状等。
最后,铁芯直径的选取还要考虑系列化、通用化的要求。
因此铁芯直径的选取是一个复杂的技术经济问题,往往也是变压器实现优化设计的关键。
3.2.1截面的选择
铁心柱截面有矩形和多级圆形截面(如图3-2)。
矩形截面续充系数最高,铁心片种类久剪切、叠积和装配均根简轧但由于我国目前还不生产壳式变压抵因而矩形截面铁心在国内用得很少
图3-2铁心柱截面有矩形和多级圆形截面
铁心直径的大小,直接影响材料的用量、变压器的体积及性能经济指标。
故选择经济合理的铁心直径是变压器设计的重要一环。
硅钢片重量和空载损耗随铁心直径增大而增大,而线圈导线重量和负载损耗随铁心直径增大而减小。
合理的铁心直径就是硅钢片和导线材料的用量比例适当,打破到最经济的效果,故铁心直径的大小,与采用的硅钢片性能和导线材料直接有关。
根据关系式的推导,铁心直径D与变压器容量P的四分之一次方成正比的关系,但因为变压器分单相、三相、双绕组、三绕组、自耦等,同样容量但肖耗材料不同。
一般都按材料消耗折算成物理容量进行计算,为了计算方便,均以每柱的物理容量为基础,按下式求出铁心直径:
K-系数,由硅钢片性能和导线材料而定,采用冷轧硅钢片,铜导线时,K取53-57,本设计K取55。
-一柱容量,三相双绕组变压每柱容量为:
KVA。
按标准直径取的370mm。
3.2.2铁心截面的设计
1.铁心级数的确定
铁心柱截面为一多阶梯形,外形接近于一个圆。
这个阶梯开的级数愈多,有效截面愈大,但制造工时也愈多。
根据材料供应情况和制造工艺水平,尽力增加铁心柱级数。
本计设铁心柱直径取11级。
图3-3铁芯直径级数
2.每级片宽的确定
迭片宽度是根据硅钢片入厂时的宽度而定。
为了套裁,成张硅钢片宽度应为每级片宽的倍数,硅钢片波浪度较大时,还要考虑去边。
由于中小型变压器的铁心可以相互相套裁,而且进厂硅钢片的宽度又是不固定的,故每级片宽一般是采用10mm一进级。
必要时,充许有个别5mm一进级的。
各级尺寸如图3所示
3.迭片系数
迭片系数是由硅钢片的标称厚度,波浪性、绝缘膜厚度及铁心夹紧程度而定。
一般主要根据波浪性来确定迭片系数,因其他因系变化不大。
本设计迭片系数取0.95。
故铁心有效截面积为1007.8平方厘米。
4.铁心温升
铁心各级间是否放置油道,由铁心温升计算来确定。
铁心充许温升为80摄氏度,铁心对油的温升为:
式中:
-铁心表面对油温升。
-铁心内部对铁心表面的温升。
铁心直径在500mm以下时,可按下式计算
式中:
-铁心表面热负荷
-硅钢片的每公斤的损耗瓦数;
C-校正系数,%;
a-最大一级的片宽,cm;
b-两油道间迭厚,无油道时为总迭厚,cm;
K-系数,
铁心温升计算如下:
油平均温升一般取40摄氏度,故铁心对空气温升为36.2+40=76.2摄氏度,铁心中可以不加油道。
3.3线圈匝数的计算
3.3.1每匝电压的确定
按电磁感应定律得每匝电压:
式中:
B-磁通密度,千高斯;
AC-铁心有效截面,平方厘米。
3.3.2初选每匝电压
已知铁心截面AC、硅钢片牌号民,即可初选每匝电压
伏/匝
3.3.3低压线圈匝数的确定
低压线圈匝数的确定最后求得每匝电压和磁密B
用和低压线圈电压初算低压线圈匝数为
匝
匝数不能有小数,取低压线圈匝数为288匝,故每匝电为:
伏/匝
磁密B为
千高斯
3.3.4高压线圈各分接匝数的确定和电压比校核对
5%相电压;
5%匝数
计算高压线圈匝数,首先从-5%开始。
-5%时的匝数
-5%时相电压,匝数
伏
与标准电压误差为:
额定时的匝数= 匝
额定时的相电压= 伏
与标准电压误差为:
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