变压器结构笔记.docx
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变压器结构笔记
1变压器设计工艺主要内容概述：
1．变压器原理
2．变压器电磁理论设计
3．变压器结构设计
4．变压器制造工艺
5．变压器试验
6．变压器绝缘材料和附件
7．变压器高电压技术
变压器结构
-----------姜恒大
第一章概述
第一节变压器基本知识
一、变压器：
借助于电磁感应原理来改变交流电流、交流电压，传递电能的一种静止电器。
1、电磁感应原理：
动电生磁，动磁生电
2、通过改变绕组的匝数使电压由低升高或由高降低
3、传递能量：
磁势平衡，一次侧的电流随着二次侧的电流的变化而改变
二、变压器的应用
1、电压等级必须是变压器与电机相匹配。
2、容量一般为：
电机变压器
30万KVA36万KVA
20万KVA24万KVA
3、一般为1KV可输送1KM
三、变压器分类
电力变压器和特种变压器
（一）电力变压器
1、按结构分
（1）按铁心结构分：
壳式和心式
（2）按绕组数量分：
双绕组、三绕组和多绕组
2、按相数分：
单相和三相
3、按容量分：
小于630KVA小型
800KVA~6300KVA中型
8000KVA~63000KVA大型
大于90000KVA特型
4、按调压方式分：
无励磁调压和有载调压
5、按绕组导线材质分：
铜线和铝线
6、按变换电压方式分：
降压变和升压变
国家标准的终端电压为：
0.38,3,6,10,15（20）,35,63,110,220,330,500
而规定始端电压在35KV前（不包括35KV）应比终端电压高5%,35KV后（包括35KV）应高10%,因此始端电压为:
0.4,3.15,6.3,10.5,15.75,38.5,69.3,121,242,363,550
由此定义降压变和升压变：
变压器的额定电压与输变电线路上的终端电压相同的为降压变
变压器的额定电压与输变电线路上的始端电压相同的为升压变
7、按冷却方式、冷却介质分
（1）冷却介质：
油、空气、浇注
（2）冷却方式：
ONAN：
油浸自然冷却
ONAF：
油浸风冷却
ONAS：
油浸水冷却
ODAF：
油浸导向冷却
8、按中性点的绝缘水平分：
全绝缘额定电压小于等于60KV
半绝缘额定电压大于等于220KV
110KV有的是全绝缘，有的是半绝缘。
第二节技术数据
一、频率：
设计频率为50HZ
1、空载电流（无功分量）与频率成反比，将50HZ的变压器用在60HZ的线路上，空载电流就减少。
2、空载损耗：
与频率的-0.7次方成正比。
3、负载损耗：
其中的30%（即附加损耗）与频率的平方成正比。
基本铜损（基本损耗）占70%，与频率无关。
附加损耗占30%，由涡流、环流、引线和杂散损耗四部分组成。
将50HZ的变压器用在60HZ的线路上，负载损耗将增加13.2%。
4、温升：
频率增加温升也增加。
5、输出容量：
随频率的增加而减低。
总之，将50HZ的变压器用在60HZ的线路上，会影响变压器的寿命。
二、额定电压（高压绕组电压）：
与输变电线路电压相等，是指线电压和有效值。
如各果是D接，线相相等；Y接，线是相的√3倍。
在确定线圈匝数时是以相电压为基准的。
三、额定电流：
指绕组额定电流，也是指线电流、有效值。
Y接，线相相等；D接，线是相的√3倍。
四、额定容量（KVA，MVA）：
1、双绕组：
变压器容量为绕组容量。
2、三绕组：
变压器容量为最大绕组的容量。
3、变压器容量随着冷却方式的改变而变化。
4、容量影响变压器的结构和技术参数。
（1）变压器单位容量所消耗的有效材料随着容量的增加而减少。
（2）如果电磁负载不变，损耗与重量成正比。
单位容量所产生的损耗随容量的增加而减少。
5、容量必须与电压相匹配。
高电压小容量，绝缘比例过大；电压低、容量大，电流过大，损耗也就大。
五、连接图与联结组：
1、接图是指同侧不同相的连接，联结组是指同相不同侧的连接方式。
2、相位关系：
是两个绕组电压矢量间的夹角的大小，此夹角又称为相位移。
一类是同侧绕组各相间的电压相位关系，另一类是一相中不同侧绕组的电压相位关系。
3、单相变压器，
4、三相变压器
5、高低压侧绕组接法相同可得到6个偶数联结组别。
Yy---0246810
高低压侧绕组接法不同，可得到6个奇数联结组别。
六、分接范围（调压范围）
1、主分接：
额定电流、电压、额定容量的分接为主分接。
2、分接因数：
某一分接时的匝数与主分接的匝数之比，分接因数>1时为正分接，<1为负分接，等于1为主分接。
3、分接头均设在高压绕组引出。
升压变，铁心内磁通不发生变化，恒磁通调压。
降压变，铁心中磁通发生变化，变磁通调压。
七、空载电流、空载损耗
1、空载电流：
二次侧开路，一次侧绕组施加额定频率的额定电压时，一次绕组中流过的电流，I0-----由两部分组成。
Io---有功分量，Ioa补偿铁心中的损耗
Io---无功分量，Ior励磁，平衡铁心的磁压降。
Io=√（Ioa）2+（Ir）2Io用In的百分数表示io=（Io/In）*100%小变2—4％，大变很小。
2、空载损耗----空载电流中有功分量Ioa所汲取的有功功率为空损。
想降低铁损最好的办法是使用好的硅钢片。
铁损主要包括：
磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗。
八、阻抗电压、负载损耗
1、阻抗电压---二次绕阻短路，一次绕组中流过额定电流时，所施加的电压，用Uk表示，由两部分组成，Ux—电抗电压百分数，电阻电压百分数。
Uk=√（Ux）2+（Ur）2,Ur=（Uk）/（Un）*%Ux/Ur=1—5为中小型Ux/Ur>10为大型产品，Ur可忽略不计。
2、负载损耗---二次绕组短接，一次绕组中流通的额定电流所汲取的有功功率。
用Pf或Pk表示。
Pf=基本损耗（铜损）+附加损耗，其中基本损耗占70%，附加损耗占30%，基本损耗由导线决定，无法减少，因此降负载损耗时主要考虑附加损耗（包括涡流损耗、环流损耗、引线损耗和杂散损耗）。
涡流损耗采用薄导线并绕来降低，二环流损耗采用换位来降低。
但是采用多根并绕降低了涡流损耗时同时也相应地增加了环流损耗。
九、效率：
变压器输入的有功功率与输出的有功功率之比。
一十、温升：
1、空气冷却：
被冷却部件与冷却空气的温度之差。
2、水冷却：
被冷却部件与水冷却器人口处的水温之差。
3、环境温度：
海拔1000米以下
变压器各部件
温升（K）
顶层油
55
绕组
65
油箱
80
铁心
使与之相邻的绝缘材料不致损伤
注意：
（1）绕组温升65是这样来的，绝缘纸耐温98，最高温升与平均之差为13度，而平均室温是20度，因此得到98-13-20=65
（2）硅钢片（含漆膜）的可耐温度为800度左右，因此对铁心的温升要求是使与之相邻的绝缘材料不致损伤。
（3）油箱温度如果大于80度，那么油温肯定过不了。
第三节结构简介
一、由里向外：
铁心→绕组→绝缘→引线→油箱→组件
1、由铁心、绕组、绝缘和引线组成器身
2、组件包括储油柜、压力释放阀、冷却器、散热器等。
二、对结构的要求
1、满足设计要求
2、满足工艺要求
3、选用合理、先进的通用结构。
第二章铁心
第一节概述
一、铁心的作用
1、构成变压器的磁路，传递电能的媒体。
2、器身的骨架和支撑。
二、结构：
有心式和壳式两种，我国均用心式铁心
第二节硅钢片及其性能
一、硅钢片的特性：
变压器不带电时，它不显磁性；变压器通电后，会产生一个附加磁场，加速磁通的流动，导磁性能好。
1、钢中加入硅主要目的是脱C和S，提高其导磁性能。
2、永久性磁铁的磁通或高或低不稳定，因此不能代替硅钢片。
二、钢片的分类：
1、按含碳量分：
0。
8%~1。
8%低硅钢
1．8%~2。
8%中硅钢
2．8%~3。
8%较高硅钢
3．8%~4。
8%高硅钢
我们主要用含硅量在4%左右的硅钢片，当含硅太高时，硅钢片变硬变脆，剪切困难。
2、轧制方式分：
热轧片和冷轧片
3、取向分：
有取向和无取向（变压器中主要采用有取向的）。
4、
（1）热轧硅钢片，板料，磁饱和点1。
6T，设计磁密1。
45T，无方向性。
D41—0。
35
D：
电工钢带；4：
含硅量；1：
品质序号；0。
35：
片厚
（2）冷轧硅钢片，卷料，磁饱和点1。
9T，设计磁密1。
75T，强方向性。
DQ147—30
D：
电工钢带；Q：
有取向；147：
单位损耗的100倍；30：
片厚。
注意：
单位损耗的100倍即1。
47W/Kg，应当在磁密1。
7T，频率50HZ的基础上得到，换了其他情况单位损耗会不同。
DQ122G—30
122：
单位损耗的100倍，1。
22W/Kg；G：
高导磁
（3）日本硅钢片的型号
23ZH90
23：
厚度的100倍；H：
高导磁；90：
单位损耗的100倍
三、冷轧硅钢片的结构：
立方体晶格
1、沿立方体的棱边方向有三个，属于易磁化方向
2、沿立方体晶格表面对角线方向有六个，中等磁化方向
3、沿立方体晶格对角线方向有四个，难磁化方向。
四、硅钢片的性能标志
1、导磁性能B10B25B50B100
10，25，50，100是指单位长度上的安匝数，该值越大越好
2、损耗P10/50P15/50P17/50
10，15，17指磁密，50是指频率
第三节铁心截面（心柱截面）
铁心截面有：
多级圆形和多级椭圆形
一、优化设计原则：
1、铁重等于铜重；
2、铁价等于铜价；
3、轭重等于心柱重；
4、空栽损耗等于负栽损耗；
5、Ho/Mo=1。
05~1。
15（指铜线绕组而言）。
二、利用系数：
心柱的几何面积与其所对应的外接圆面积之比。
铁心直径与利用系数表
铁心直径
利用系数
铁心直径
利用系数
50~55
0．82
120~145
0．93
60
0．87
150~180
0．94
65~70
0．89
185~290
0．95
75
0．88
300~340
0．96
80~90
0．90
350~550
0．93
95
0．91
560~1700
0．91
100~115
0．92
铁心直径与带吊板结构的扇形高度表
铁心直径
扇形高度
350~450
15
460~570
24
580~800
32
810~1400
36
1410~1700
45
注意：
1、铁心每级的片宽均为0或5结尾，
2、最小级片宽应大于或等于最大级片宽的1/3，主要是考虑到铁心的夹紧。
三、叠片系数：
心柱的有效截面积与其所对应的几何截面积之比。
1、影响叠片系数的因素：
（1）硅钢片的厚度，0。
35的比0。
30的要好。
（2）硅钢片绝缘膜的厚度，绝缘膜厚度越小越好。
（3）硅钢片平整度，越平越好。
（4）剪切毛刺，毛刺大叠片系数小，一般要小于2道。
（5）铁心的夹紧程度，夹得好则系数越大。
显然，前三个是跟材质有关，而后两个跟工艺有关。
2、根据有效截面积确定级数：
一般1000以下级数不超过23级。
（1）Do=70~390，每2毫米为一档
Do大于400，每10毫米为一档
（2）叠片系数与硅钢片厚度的关系
片厚
叠片系数
0．23
0．945
0．27
0．95
0．30
0．96~0。
965
0．35
0．97
四、心柱截面的确定
方法：
1、作图法，2、理论计算法，3、计算机法。
目前都用计算机通过多变量函数来求解。
已知铁心直径Do，级数n，则：
任一级片宽A=2DoCos￥j
任一级级厚B=DoSin￥j-DoSin￥j-1
任一级截面F=AB
铁心柱总面积为：
Fz=F1+F2+···+Fn
然后利用导数求得最大值，再通过辅助圆修正。
（1）作直线OA与x轴成夹角50度（或47度），交于圆上A点；
（2）作直线OB与x轴成夹角10度，交于圆上B点；
（3）在直线OA上截取线段Af（很短）；
（4）连接Bf；
（5）作直线Bf的垂直平分线，交于直线OA的反方向延长线于O/点；
（6）以O/B=O/f为半径画弧，该圆弧即为辅助圆圆弧。
粘带绑扎结构的铁心的偏移尺寸f
铁心直径（毫米）
410~450
460~600
610~800
810~1000
F（毫米）
1．0
1．7
2．3
2．9
若采用穿心螺杆夹紧：
f=0。
01Do
钢丝绳捆紧后缠带：
f=0。
004Do
夹板夹紧后缠带：
f=O。
006Do
第四节铁轭截面
铁轭截面有：
多级圆形、多级椭圆形、梯形、矩形和D形
一、多级圆形（采用得最多）
1、级数：
截面均与心柱相同；
2、特点：
（1）磁通分布均匀，空载损耗和空载电流小
（2）噪音小；（3）省料；（4）铁心整体高；（5）夹紧度差；（6）硅钢片剪切时费工时。
其中前三个为优点，后三个为缺点。
二、多级椭圆形：
适用于心柱截面为多级椭圆形或三相三柱旁轭式（三相五柱）铁心。
三、梯形、矩形
1.梯形
2.矩形
四、“D”形轭
五、铁轭截面确定，根据心柱和轭之间的∮的关系确定
单相变压器
1、单相双柱式
2、单相单柱旁轭式
3、单相双柱旁轭式
4、单相三柱旁轭式
三相变压器
1、三相三柱式
2、三相三柱旁轭式
第五节铁心油道
一．作用---降低铁心内部的温升，保证铁心温升不超80度。
二．油道的布置位置
一个油道-----铁心的最大级中间
二个油道----铁心的最大级两侧
三个油以上，根据温升计算来确定
三．材料的粘贴方法
1、热轧片表面焊6钢棍
2、冷轧片粘贴层压纸板条
3、硅钢片冲槽
四、油道种类，横向油道、纵向油道
铁心心柱与级数和油道
铁心直径
80-90
95-120
125-195
200-225
230-240
245-265
270-390
400-560
570-690
700-780
780以上
级数
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15以上
油道数
1
2
3
3以上
第六节铁心的叠积
一．直接缝-----适用于热轧片
剪切简单，无废料，机械强度好。
二．半直半斜---适用于冷轧片
三、全斜接缝----适用冷轧片
1、标准斜接缝（尖角接缝）---适用中小型产品
2、台阶斜接缝。
四、其它接缝：
1、6/85/84/75/7接缝
2、变角接缝（相交接缝）30/6035/5542/48度
3、多级接缝----4级、6级、直接缝、斜接缝
空载损耗：
标么值10.6—0.75
空载电流：
标么值10.3—0.45
五、铁心各接缝的结构形式图
1.三相三柱式标准全斜接缝不断轭片铁心叠积图，适用Do≤200，SN≤500KVA，废料占4.21％。
2.三相三柱式台阶全斜缝不断轭铁心叠积图，适用于小型产品，SN≤630KVA，台阶尺寸5MM，料占4.5％。
3.三相三柱式台阶接缝断轭片叠积图，适用于大型产品，台阶宽为15.25，废料占4％。
4.三相三柱旁轭式（三相五柱式）全斜缝铁心叠积图。
第七节铁心夹紧
一．夹紧要求
1.铁心被反复激磁情况下，无不正常噪音。
2.夹紧力应均匀，避免铁心边缘尖角翘起过大，造成绕组套装困难，而划伤绕组匝绝缘。
3．铁心由水平位置起吊至垂直位置不能发生变形。
4．铁心拆除上轭以后，心柱不能发生倾斜。
5．铁心整体夹紧保证足够的刚度和强度。
二．心柱夹紧
1.Do≤230MM,Ho≤400MM,不需要单独夹紧。
2.Do≤230MM，Ho≤600MM在心柱与绕组之间打入绝缘撑条。
3.Do≥230MM，心柱需要夹紧。
A:
穿心螺杆B:
粘带绑扎
强度公式：
δ=（PLD/2bσ拉）*K
P:
-----单位面积夹紧力0.7kg---1.2kg/Cm
L:
-----粘带绑扎中心距，一般为15MM
D:
----铁心柱直径CM
b:
----粘带宽度CM
σ拉:
----粘带绑扎800kg/Cm
K:
----工艺系数（0.8）
铁心直径与粘带厚度
Do直径
δ拉力
h上
h下
图次
≤230
1.0
60
50—80
A
235---245
1.0
60
50—80
B
250—450
1.5
80
70—100
B
460---500
1.5
80
70—100
B
510---550
2.0
100
80—110
B
560---700
3.0
100
80—110
B
710---850
4.0
110
90—130
C
860---1000
5.0
110
90—130
C
1010---1250
7.0
120
100—140
C
≥1260
8.0
120
100--140
C
三、铁轭夹紧
1、方铁+轭螺杆（与穿心螺杆配合）
2、粘带绑扎（捆紧）
强度考核，σ拉
σ拉=P/2S≤700kg/Cm
式中P---拉带总拉力S---粘带总横截面积
p=0.625g粘带绑扎道1道
P=0.445g粘带绑扎道2道
P=0.248g粘带绑扎道3道
g=ρ*L*Bp单位面积夹紧力（1.0kg/Cm）L=2Mo+BpBp=（B大+B小）/2
S=b*δb---粘带宽δ---粘带厚
四、铁轭整体夹紧
1、无孔绑扎，拉紧螺杆夹紧结构，适用于UN≤35KV，SN≤6300KVA，Do≤400MM，
主要的配件有夹件、拉紧螺杆、旁螺杆、垫脚
2、无孔绑扎，拉板夹紧结构，适用于UN≥110KV,SN≥8000KVA,Do≥410MM,（Do≥340MM）。
拉板代替拉螺杆，侧梁代替夹紧螺杆，上梁代替上拉带。
随着容量变大，电压等级的增高，必须考虑拉螺杆与油箱壁距离是否足够，所以采用拉板结构；同时还存在着旁螺杆的强度问题，因此也用侧梁代替。
注意点：
1、采用拉板结构时，拉板与铁心总尺寸不能超过铁心外接圆，因此扇形高度要计算好。
2、为防止漏磁通产生损耗，拉板材质采用低导磁材料钢板，最好是不导磁钢板（拉板宽度大于200毫米时需开隔磁槽），在保证能承受器身重量和机械力的强度后，隔磁槽越多越好。
3、拉板在线圈里面，还必须其绝缘。
4、对于超重的产品，服板与拉板之间不能再用梢子连接。
第八节铁心绝缘
一．硅钢片之间的绝缘
1、硅钢片之间无绝缘，通磁通垂直截面积大，涡流损耗大，面积与损耗成正平方的关系。
2、片间绝缘膜过薄。
3、片间的绝缘膜过厚，铁心之间会产生电位差，影响接地郊果。
4、硅钢片绝缘膜厚度（两边厚度）3-4微米
5、硅钢片涂漆。
二．铁心片与夹紧之间的绝缘
1、夹件绝缘
2、拉板绝缘
3、垫脚绝缘
4、旁螺杆
5、侧梁绝缘
6、上梁绝缘
第九节铁心接地
一．目的：
铁心及金属结构件在绕组电场的作用下，具有不同电位，虽然与油箱的电位差很小，但也会通过很小的距离产生断续的放电，放电一方面造成变压器油的分解，另一方面对变压器的试验结果和变压器运行是否正常的判断造成困难。
二、铁心必须一点接地
带有多余点接地时，等于通过接地片短路铁心一样，短接回路中有感应环流，接地点越多，环流回路越多，环流越大，电流可能由接近于零，上升到十几安培，造成铁心局部过热，可能将接地片烧坏。
三、具体的接地方法
1、既有拉紧螺杆，又有吊心螺杆
2、没有拉紧螺杆，没有吊心螺杆
3、只有拉紧螺杆，没有吊心螺杆
4、拉板结构，接地套管
五、接地片：
1、接地片位置一般在第2级或第3级；
2、中小型产品插入70mm，大型插入140mm；
3、接地片材质一般都用紫铜片，厚0.3毫米左右，宽度20、30、40，外表粘锡，目的减小接触电阻。
接地原理是电容接地。
五、串联和并联接地：
对于大型变压器而言。
第十节铁心故障
一．空载性能---空载电流，空载损耗均大于设计值
原因：
1、接缝大2铁心夹的不紧3铁心夹的过紧4.夹紧的绝缘件损坏5空载电流大，空载损耗不大，主要接缝大引起（闹空载）6、空载电流不大，空载损耗大（闹铁损），铁心接缝处存在搭头，铁心截面积不足，片的边缘毛刺大，片之间的绝缘表面有损坏。
二．铁心局部过热
1.由三次谐波引起2.由片间短路引起3.由多点接地引起
三．铁心多点接地
1.铁心边缘翘起触及夹件支板。
2.下铁轭阶梯垫块表面油污严重，存在油泥，将硅钢片表面短接。
3.铁心中存有金属异物。
四．噪音
1、铁心在交变的磁场中，由磁滞伸缩产生的噪音，为正常的噪音。
2、铁心装配制造质量问题及工艺水平等因素造成的噪音，为不正常噪音。
3、降低噪音的后措施：
1.硅钢片的材质2.磁密的高低，一般磁密上升0.1，噪音上升3分贝3.减振垫块4.风冷却器5.铁心夹紧程度6箱壁上加焊装入沙子，起防振作用7隔音墙阻挡。
第三章绕组（绕组）
第一节对绕组的基本要求
一．电气性能
1、大气过电压
2、操作过电压，一般为额定电压的1.5倍
3、暂态进电压
4、长期工作电压，匝绝缘不应有游离，局放电击穿现象
导线匝绝缘游离电压值KV
匝绝缘厚度MM
0.45
0.93
1.35
1.95
2.95
工艺过程
真空干燥一般浸油
2
2.5
3
真空干燥真空浸漆
3
4
5
6
二、耐热强度
1、长期工作的电流温升-----短路温升
2、影响绝缘寿命的因素----温度、湿度、电场、机械振动力、短路冲击力、周围的介质、由温度变化产生的热膨胀力。
3、绝缘老化，机械强度减弱，电气性能略微下降，表面为开裂，严重时呈粉沫状。
油浸A级绝缘：
A=20*2*（98-t/6）年
三．机械强度
1、机械振动，短路力
2、绕组损坏的现象------1、机械振动力损坏，导线内尖角毛刺，焊头质量不好2.短路力损坏：
由纵向漏磁产生的横向力对绕组造成的损坏，由横向漏磁产生的纵向力对绕组造成的损坏，同时由横向力和纵向力引起的损坏。
第二节绕组的纵向、极性
一、绕向、导线缠绕的方向
1、左绕向：
从绕组的端部观察，导线沿着逆时针方向旋转。
（右起左绕向）
2、右绕向：
从绕组的端部观察，导线沿着顺时针方向旋转。
（左起右绕向）
实际判断时是按换位来判断绕向的。
（对于纠结式线圈则正好相反，向左弯为右绕向，
向右弯为左绕向）
3、极性（绕向决定了极性）
二、换位（为了减少环流损耗）
1、前后段（或前后匝）过渡处弯折的“S”弯（指单根线）。
当导线并联根数沿径向2根以上时，改变其沿径向的排列位置。
2、完全换位：
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