电力变压器设计要点

日本新日铁 35Z155 35Z145 30Z140 30ZH120 27ZH100
(川崎 ) (35RG155) (35RG145) (30RG140) (30RGH120) (27RGH100)
中国国标 叠片系数
适用范围
35Q155 35Q145 30Q140 30QG120 27QG100
0.97 0.97 0.96 0.96 0.955
常规产品
要求损耗较低或噪声较低的产品 要求损耗极低的产品 (需经批准 )
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 70～ 1600 的级数为 6～ 26 级 (1/4 圆
内 )。当铁心直径为 70 ～ 395 时 , 铁轭截面形状与铁心柱截面形状相同 ; 当铁心直径为 340 ～ 1600 时铁
u φ t
0
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。
正弦波的电压 (u) 下 , 磁的饱和现象使励磁电流 (iow ) 波形畸变而尖锐 ,且仍保持对称性。但磁滞现象使
励磁电流 (iow) 波形不但畸变而尖锐 , 且破坏对称性 (如图所示 )。经谐波分析 , 除了基波外 ,还有较强的三次
, 即采用新材料、 改进结构、 改进工艺、不断扩大变压器的使用
1
2. 变压器用途及分类
发电机 ≤20kV
～
升压变
厂用变 电 抗 器
联
络
启动变
变
500kV
电流互感器
降压变
电 压 互 感 器
110 ～35kV
220kV
发电机 ≤20kV
～
升压变
220kV
降压变 35kV
110kV
降压变
降压变 35kV
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 : 3.0 cm / kV 等 )、拉力、防污、排列方式等 ; (14) 开关要求 : (15) 噪声要求 : 如 65 dB ( 标准规定测量距离 : ONAN 为 0.3 m; ONAF 或 OFAF 为 2 m ); (16) 局放要求 : 如 500 Pc ( 标准规定测量电压 : 1.5U m 5 min; 1.732U m 5s; 1.5U m 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) 其它要求。
一 概述
变压器设计及计算要点
—蒋 守 诚—
1. 变压器发展史
(1) 发明阶段 (1831 ～ 1885)
变压器是利用电磁感应原理来变换电能的设备
,故变压器一定在电磁感应原理发现后出现。
1831 年英国人法拉第 (M.Farady) 在铁环上缠绕两个闭合线圈 , 在一个线圈中突然接上或断开电池 , 另
降低约 6dB;
6.6.3 铁心与油箱间垫 WT 橡胶减振垫 , 噪声最大可降低 3dB;
6.6.4 采用自冷式 (ONAN) 冷却方式 , 噪声可降低 10～ 12dB;
6.6.5 加强铁中灌砂子，噪声最大可降低 6dB;
6.6.6 制造工艺及压紧力的大小也会铁心的噪声。
综上所述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;
7 窗高与心柱中心距之比 : 一般双绕组 H 0 / M 0 = 1.4 ～ 1.5; 三绕组 H 0 / M 0 = 1.1 ～1.2;
8 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。
9 空载电流 :
i ow
2
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、同板差及毛剌的大小。
Bm
成正比 , 故磁密不宜取得过高 , 特别是小型变压器。
热轧
6.2 考虑材质的饱和程度 : 热轧饱和点 1.55 ～1.60 T 冷轧饱和点 2.03 ～ 2.05 T 。
6.3 考虑运行特点 :
H
6.3.1 考虑过励磁 : U% =110 － 5 K 2
0 ≤ K ( 负载率 ) ≤ 1
6.3.2 考虑故障运行 : 当单相接地时 , 分级绝缘水平的相电压 U 可提高 0.8 √ 3 = 1.39 倍 (接地系数为 0.8),
1888 年俄国人多利沃—多勃罗沃尔斯基
( M.O.Dolivo － Dobrowolsky ) 提出交流三相制。 并于 1890
年发明了三相变压器。同年布朗（ Brown ）又制造出第一台油冷、油绝缘变压器。
1890 年德国人威士顿 (Wenstrom) 做成对称三相铁心。
1891 年德国西门子 (Siemens Sohucrerf) 做成不对称三相铁心。 美国人斯汀兰 (W.Stanley) 在西屋公司
1915 年华纳 (K.W.Wagner) 研究线圈内部电磁振荡的基本理论 ,提出了过电压保护一种方式。
1922 年美国人维特 (J. M. Weed) 研究过电压理论时 , 提出了过电压保护另一种方式。
1930 年前后变压器的基本理论已基本形成。
(3) 提高阶段 (1930 ～至今 )
1930 年以后变压器进入改进提高阶段 范围。
轭截面形状为 D 形。
4. 铁心直径 :
D 0 = K D Pzh0.25
式中 : KD－直径经验系数 , 冷轧硅钢片 , 铜导线 KD = 52 ～57 Pzh－每柱容量 (kVA)
5. 铁心叠积图及接缝 :
④
⑥
④
⑤
④
⑤
①
②
③
b
⑤
⑦
b
三相三柱式半直半斜有台阶叠片图
①
②
③
b
④
⑤
b
三相三柱式全斜有尖角叠片图
①
②
③
b
④
⑤
b
三相三柱式全斜有台阶叠片图
③
④
③
④
⑤
⑥
①
②
①
b
④
③
b
三相三柱式全斜无台阶无尖角叠片图
①
⑨②
②⑨
⑨②
①
b
b
⑦
④
b
⑤
⑧
心柱片宽≥ 600 的采用纵向拼接
三相五柱式全斜无台阶无尖角叠片图
铁心叠片的搭接长度 : b ≈ 0.03 D o 一般如下表 :
铁心结构 铁心直径 D o (mm) 搭接长度 b (mm)
10.1 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 0.3 mm;
10.2 铁心磁密 : 铁心磁密选过高 , 空载损耗及空载电流均会增加 ;
10.3 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 ;
1900 年英国人哈特菲尔德 (Hodfeild) 发明了硅钢片 , 1903 年开始用硅钢片制造变压器铁心。
(德国在 1904 年 , 美国在 1906 年, 俄国在 1911 年 , 日本在 1922 年分别用硅钢片制造变压器铁心 )
1905 年德国人洛果夫斯基 (W. Rowgowski) 研究漏磁场提出漏磁系数。
配电变
10kV
0.4kV 用户
电 整矿 调 其
试
其
炉 流用 压 它
验
它
变 变变 变 变
变
变
(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% ) / 10 kV ; (4) 联结组标号 : 如: YN yn 0 d 11 ; (5) 额定频率 : 如: 50Hz 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 % ;
Fra Baidu bibliotek
一个线圈所接仪表指针发生偏转 , 从而发现电磁感应原理。
1837 年英国人曼生 (Masson) 用薄铁片做电磁线圈的铁心 , 从而减少损耗。
1881 年法国人爱维 (Jaewin) 发现磁滞现象 , 美国人斯坦曼茨 (C.P.Steimetz) 发现磁滞损耗是磁密的
1.6 次方成正比例。
1882 年英国人格拉特 ( Goulard) 和吉普斯 (J.D.Jibbs) 制成 15kVA1.5kV 的开路铁心的单相变压器。 同
(Westing House) 做成单相壳式铁心。 瑞士的勃朗—鲍佛利 (B.B.C) 公司的创始人勃朗 (E.F.Brown) 做成三
相壳式铁心。
1891 年德国生产 30kVA 的油浸变压器 (1878 年美国人勃劳克斯 (D.Brdoks) 开始用油做绝缘。 )
1900 年德国人夏拉 (Schalley) 做成三相五柱式铁心。
无拉板结构
≤φ 160 φ165 ～φ 395
5
10
φ 340 ～φ 580 15
拉 板结 构
φ 590 ～φ 740 φ750 ～φ 910
20
25
≥φ 920 30
3
6. 磁通密度选择原则 :
冷轧
6.1 考虑空载损耗 (P 0): 当空载损耗 (P 0)要求较低时 , 空载损耗接近与磁密的 2 次方
, 从而产生不需要的三次谐波电势 ,
且磁密取得愈高愈甚 , 故一般 Y y 联结常不采用三相五柱式或单相组。
6.5 考虑铁心的温升 : 应使相邻的绝缘材料不致损伤的温度。
6.6 考虑铁心的噪声 :
6.6.1 磁密每降低或升高 0.1T 噪声将降低或升高约 3dB;
6.6.2 选高导磁的硅钢片噪声较低 , 如 30ZH120 比 35Z155 噪声降低约 5dB; 27ZH100 比 35Z155 噪声
全绝缘水平的相电压 U 提高 1.0 √ 3 = 1.732 倍 (接地系数为 1.0), 但由于运行时间短 , 设计时可不考虑。
6.4 考虑绕组联结方式 : 根据铁心的磁化曲线 , 励磁电流中必有三次谐波电流 , 而 Yy 联结的无三次谐波
电流回路 , 故三相五柱式或单相组的铁心中有三次谐波磁通流通
4. 变压器的尺寸、重量、价格、损耗与容量的关系
D ( 直径 ) ∝ L ( 长度 ) ∝ P 1 / 4 S ( 面积 ) ∝ L 2 ∝ P 2 / 4 = P 1 / 2 V ( 体积 ) ∝ L 3∝ P 3 / 4 C ( 价格 ) ∝ G ∝ P 3 / 4
e t (每匝电势 ) ∝ P 1 / 2 G (重量 ) ∝ V∝ P 3 / 4 Pt (损耗 ) ∝ G ∝ P 3 / 4
的甘兹 (Ganz) 工厂制造一台 1400 VA 120 / 72 V 40 Hz 单相闭合磁路的变压器。 至 1887 年底甘兹 (Ganz)
工厂就生产 24 台总容量达 3000 kVA 。
1885 年才把这种电器叫做 ”变压器 ”。
(2) 完善阶段 (1886 ～ 1930)
1887 年英国人配莱 (Belry) 发明了单相多轭的分布式铁心。
年法栾 (S.Z.Ferranti) 和汤姆生 (A.Tomson) 制成电流互感器。
1884 年英国人戈普生兄弟开始采用具有闭合铁心的变压器作照明电源。
1884 年 9 月 16 日匈牙利人布拉提 (O.Blathy) 和但利 (M.Dery) 和齐彼尔斯基 K.Zipernovsky) 在匈牙利
谐波和其它高次谐波。励磁电流中高次谐波占基波的百分数
, 一般如下表 :
热轧 硅钢片
冷轧 硅钢片
磁通密度 三次谐波 五次谐波 三次谐波 五次谐波
1.4 43% 20% 32% 11%
1.5 55% 25% 37% 14%
1.6 60% 30% 43% 18%
1.7
51% 24%
1.8
63% 33%
4
10 影响空载性能的因素