变压器电磁计算程序.docx
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变压器电磁计算程序
1
一般电磁计算程序
第一部分铁心计算
1．确定铁心形式：
芯式
2．选取铁心直径：
查表确定铁心柱和铁轭截面积（cm2）
3．硅钢片的牌号：
4．接缝形式
5．磁密的选取（材质，空载，噪声，温升）
B大，空载大，噪声大
第二部分绕组计算
1．绕组形式
2．绝缘结构（主，纵绝缘）
3．匝绝缘的选取
4．电密的选取（材质，负载，温升）
电密大，负载大，温升高
第三部分性能参数计算
阻抗计算
损耗计算
温升计算
机械力计算
重量计算
1.根据现有硅钢片牌号确定选用范围 30Q140,30Q130,3409,3408
2.根据经验确定铁心直径．
3.查表确定铁心柱截面积，铁轭截面积和角重．
4.初选磁密．
5.估算每匝电势．
6.计算低压线圈匝数，重新计算磁密和每匝电势．
7.计算高压线圈匝数．电压比校核
8.确定高压线圈的形式，段数，每段匝数，主纵绝缘结构．计算高压线圈的轴向及辅向尺寸．
9.确定低压线圈的形式，段数，每段匝数，主纵绝缘结构．计算低压线圈的轴向及辅向尺寸．
10.阻抗电压的计算．（调整）
11.负载损耗的计算，计算导线的长度，电阻，铜损（调整）
12.空载损耗及空载电流计算，（调整）
13.温升计算
14.机械力计算
15.重量计算
1初选铁心直径．D=K√4P
K
铝
铜
冷轧
48-55
55-60
热轧
50-60
60-65
硅钢片较高时，K值取小值。
取整查表，确定铁心柱截面积，铁轭截面积和角重．
2.每匝电势估算．
E1=4.44fW1BAt
et=E1/W1=4.44fBAtB（高斯），At（Cm2）
3.低压匝数
W2=U2/et保留小数点后三位
重新确定et，B,磁密计算B=450*et/At
4.高压匝数
W1=U1/et各分接匝数
电压比校核实际匝数与et的乘积与实际电压的差
绝对值（W1*et-实际电压）/实际电压*100%
允许偏差
标准规定允许偏差值
计算允许偏差
主分接
≦0.25%或≦短路阻抗x10%
≦0.25%
其他分接
可与用户协商
≦0.25%
5.线圈形式确定：
小容量为层式线圈：
线匝沿轴向按层次排列的线圈.（机械强度差,冲击性能好）
圆筒式：
单层圆筒式，双层圆筒式，多层圆筒式，分段圆筒式
箔式：
一般箔式和分段箔式（一层一匝）
大容量为饼式线圈：
线匝沿辐向形成线饼,再沿轴向排列的线圈.（机械强度好,冲击性能差）
连续式，半连续式，内屏连续式，交错式和螺旋式（单螺旋，单半螺旋，双螺旋，四螺旋）
线圈形式的选择：
容量，电压等级，使用条件。
通常低压电流大，并饶根数多，螺旋式线圈较多，但也要看匝数，如匝数多，线圈高度受限制，可能要采用连续式。
容量
电压等级
线圈形式
适用范围
说明
≦630
0．4
双层圆筒式
内线柱
并连根数1-6根（扁）
≦500
3-10
多层圆筒式
外线柱
圆线或扁线
并饶根数1根，
不超过2根
≦630
35
≦2000
63
分段圆筒式
1000-4000
110
800-1000
0.4
双螺旋
内线柱
单螺旋并饶根数不超过撑条根数
60匝以上采用双或四螺旋
60-100匝单螺旋
100-150采用单半螺旋
1250-2000
0.4
四螺旋
4000-10000
3
单螺旋
单半螺旋
12000-50000
6
40000-63000
10
800-3150
3
连续式
半连续式
外线柱
并饶根数1-4根，最多6根
匝数150以上，高压并饶根数4根以上，采用中部进线
800-10000
6
≥630
10
≥800
35
≥2500
63
纠结式
外线柱
并饶根数≦3根，采用纠结式，3根以上采用内屏连续式，内段匝数少可采用内屏
≥5000
110
内屏式
外线柱
≥31500
220
纠结式
以饼式线圈为例计算：
线圈电流,电压,匝数,线圈的电抗高度，线圈的辐向尺寸，段数，每段匝数，线规（a*ba为厚度），导线的长度，重量，匝绝缘，油道，压缩系数等。
主纵绝缘结构：
变压器的主绝缘是指绕组对地，对异相绕组之间，或同相其他绕组之间的绝缘。
绝缘结构的击穿电压不仅与绝缘间隙的结构及尺寸有关还与其中电场分布有关，还与带电及接地部分的形状及其相互间的位置和距离有关。
因此，为了正确的设计绝缘结构，了解其中出现最大场强的部位，并求得这些部位的场强值是非常重要的。
在线圈间主绝缘设计时还应该注意到线圈轴向场强对主绝缘的影响。
在工频电压作用下，电压分布式均匀的。
主绝缘：
线圈对地，同相的各线圈间，异相线圈之间，主空道，线圈到铁轭
纵绝缘：
匝间，段间，层间，相间的绝缘
主绝缘:
电压等级
≦20
35
63
110
主空道
17
23
34
40
纵绝缘:
匝绝缘的选取：
导线双边绝缘厚
电压等级
35kV以下
63kV
110
220kV
扁线
0.45
0.95
1.35
1.95
段数的确定：
双数，中部进线为4的倍数，保证出头在外侧
电压（kV）
3-6
10
35
63
110
段数
36-60
40-70
56-76
60-80
60-80
2x34,2x44
电抗高度的估算：
HK=IN*WN*D*K/et*Uk%*104（D/40+主空道+2Uk%+4）mm
D---铁心直径
K----经验系数
经验系数
铜线
铝线
热轧
冷轧
热轧
冷轧
3-35/0.4-10kV
1.65
1.85
1.78
2.15
63-110/3-10kV
1.85
1.96
2.03
2.17
63-110/35/3-10kV
2
2.1
2.18
2.45
电密计算：
相电流/导线截面积（单根导线面积x并饶根数）
性能水平
8
9
10
电密
3．5
3
2．5
轴向高度计算：
单根导线包完绝缘高度（b）*段数+压缩后轴向油道高度+线圈到铁轭尺寸
辐向尺寸计算：
单根导线包完绝缘厚度（a）*每段匝数*并饶根数*辐向工艺系数
连续式（卧绕）
连续式（立绕）
纠结及内屏
1.02,1.03
1.02,1.01
1.05,1.04
绝缘半径的计算：
铁心直径/2
套装裕度
内线圈辐向尺寸（低压线圈平均半径）
主空道
外线圈辐向尺寸（高压线圈平均半径）
外线圈外半径
外线圈外直径
相间距离
M0（铁心柱中心距）
UK%=49.6fIW∑Dρ/et*HK*104
∑D等效漏磁面积）（cm2）（一般变压器只考虑纵向漏磁，大型变压器则必须考虑横向漏磁，因为此时横向漏磁已不能忽略了），Hk平均电抗高度（cm），ρ洛式系数，修正纵向磁场长
∑D:
计算记忆法
辐向尺寸用3除，再乘各自半径数,漏磁空道是基础,它乘空道半径数,线圈辐向油道处,靠边匝数除总数,其商平方为系数,再乘半径与宽度,最后漏磁总面积,各项相加即得出.
注意:
1.所有尺寸单位为（cm）,
2.辐向尺寸需要减去匝绝缘厚度,即为裸线.
3.空道处尺寸需加上匝绝缘的一半.
10.5%以下
10.5以上
计算值
UK%
±10%
±7.5%
±2.5%
一般UK%的计算不能一次合格,偏差在10%以内时可通过调整线圈的尺寸,（∑D,Hk）等方法而合格,如果偏差在10%以上,则必须调整铁心直径,重新计算.
调整方法:
UK%计算值过大,增加段数,减少每段匝数,线规减薄加高,减少低压匝数,增大铁心直径.
阻抗调整合格,继续下面的计算.
电阻损耗3IR2电阻:
电阻率*导线长度/导线面积
导线长度:
（平均匝长*匝数）+出头长（m）
导线重量（净重）:
3*8.9*导线长度*导线面积
包绝缘导线重量:
17t（a+b+1.57t）/st=匝绝缘/2
涡流损耗系数:
kw%=kw/107（f*m*n*a*s*ρ/Hk）2
m:
垂直于漏磁场方向导线总根数
n:
平行于漏磁场方向导线总根数
环流损耗系数:
:
kb%=kbxkw/108（f*n*a*s*ρ/Hk）2
引线损耗按占基本损耗的百分数取经验值.
杂散损耗:
Pzs=23x0.8*（磁通x10-6）2*（UK%）2*Hk3/L*（Hk+2（RP-主空道）
L:
油箱内壁周长,RP油箱内壁平均半径
负载损耗:
+15%空载损耗:
+15%,总损耗:
+10%
调整方法:
负载损耗高:
降低电密,降低基本损耗,减小附加损耗:
减薄a,多根导线并饶,减小环流损耗,增大油箱尺寸,加磁屏蔽,减小杂散损耗.
空载损耗:
铁心损耗（磁滞损耗+涡流损耗+附加损耗）
磁滞损耗:
铁磁分子克服摩擦所吸收的能量,占空载损耗25-50%,与硅钢片的磁滞回环面积成正比,与硅钢片材质有关,正比于f2,厚度的平方
涡流损耗:
正比于B2,f2,厚度的平方,所以硅钢片的厚度要减小,占空载损耗40-50%,
附加损耗:
5-30%,取决于1.材质,2.接缝方式,片间绝缘,3.工艺性,毛刺,装配工艺等.
计算方法:
P0=铁心工艺系数*铁心重量*单位损耗系数（取决于硅钢片材质）
铁心工艺系数（k1）x铁心重量x单位铁损
铁心直径
125
125-200
200-350
350以上
K1
1.35
1.3
1.25
1.2
铁心重量计算:
心柱重量+铁扼重量+角重
心柱重量=3*窗高*心柱面积*7.65kg/dm2
铁扼重量=3*MO*铁扼面积*7.65kg/dm2
调整方法:
空载损耗大,降低磁密,降低铁心重量,缩小铁心直径,采用单位铁损小的硅钢片（优质硅钢片）
空载电流:
ki*铁心重量*磁化容量（查表）/容量*10
ki经验系数1.4
温升计算:
ONAN:
自然油循环,自然空气冷却
第一个字母
第一个字母
第一个字母
第一个字母
表示与线圈相接触的介质
表示与外部冷却系统相接触的介质
冷却介质种类
循环方式
冷却介质种类
循环方式
温升限值:
A级绝缘:
线圈温升65K（63K）电阻法测量
油顶层温升55K（53K）温度计测量
油箱及结构件80K是相邻绝缘材料不致损伤
高海拔折算:
安装海拔高于1000m,自冷式变压器绕组温升每升高400米降低1k,风冷式每升高250米降低1k
单位热负荷:
q=kj*I*Wx电密/l（1-n*b/lp）
kj=22.1,I,电流,W,每段匝数
l线饼周长,nxb,撑条根数x垫块宽度lp线圈平均匝长
铜油温升计算公式:
自冷内线圈0.41q0.6+匝绝缘校正温差+辐向及油道高度校正温差
自冷外线圈0.358q0.6+匝绝缘校正温差+辐向及油道高度校正温差
风冷线圈0.159q0.7+匝绝缘校正温差+辐向及油道高度校正温差
线圈温升=铜油温升+油对空气的平均温升
油温升计算:
油箱单位热负荷qy=1.032*负载损耗（最大电流的负载损耗）+空载损耗/总散热面
总散热面=油箱散热面+散热器散热面
油对空气的平均温升油浸自冷τy=0.262q0.8
油浸风冷τy=0.16q0.8
顶层油温升:
1.2xτy+△τy
△τy:
发热中心与散热中心的修正值
机械力计算略
重量计算
器身重:
线圈（铜重+绝缘件+硅钢片+夹件等）
35kV以下铁重/7.8+铜重/4.5
60-110kV铁重/7.6+铜重/3.9
总油重:
油箱装油-器身排油重+附件油重
附件油重=储油柜油重+升高座装油+联管+套管+散热器装油
油箱重:
上节+下节+铁件
附件重:
储油柜+升高座+联管+套管+散热器
总重=器身重+总油重+油箱重+附件重
添加油重:
储油柜油重+升高座装油+联管+套管+散热器装油+箱盖下100-150油重
运输重=总重-添加油重
变压器主要性能参数与成本的关系
UK提高，成本提高；
PK降低，成本提高；
P0降低，成本提高；
声级降低，成本提高；
变压器容量，重量，尺寸和性能的关系
SN〆L4（线性尺寸）
有效材料重量（制造成本）〆SN3/4
单位容量消耗有效材料重量〆SN-1/4
PK,P0〆SN3/4
单位容量损耗〆SN-1/4
从经济的角度看，单台大容量比同容量的单台小容量的变压器经济。
结构设计:
将计算单转化为可生产图纸的过程.
要求:
布置图:
总体图,指导每一部分结构设计,细而全
线圈:
出头位置,套管出线位置,分接线出头位置
器身:
夹件与器身绝缘件之间位置关系
引线:
走向,夹持,电缆规格
铁心:
固定方式（上,下）夹件尺寸
油箱:
外形尺寸,散热器布置,吊板位置,附属件表记,阀门位置
高低压柜:
插入式熔断器尺寸
自下而上,由里及外
结构设计:
满足设计要求,满足工艺要求
有里向外:
铁心→线圈→绝缘→引线→油箱→组件
器身
一、铁心:
磁路及骨架、支撑线圈及引线
1.铁心截面:
多级圆形
铁轭截面:
多级圆形、椭圆形、梯形、D形
2.叠片系数:
心柱有效截面积与其几何截面积之比
片厚
叠片系数
0.23
0.945
0.27
0.95
0.3
0.965
0.35
0.97
3.铁心叠积方式:
直接缝、半直半斜、全斜
4.铁心夹紧方式:
粘带+拉板,粘带+拉螺杆
5.铁心绝缘:
片间绝缘、与夹件间绝缘
6.铁心必须一点接地,接地方法（串联+并联）
7.绘制图纸
二、线圈
1.电气性能（雷电过电压、操作过电压、长期工作电压、暂态过电压）
2.耐热性能（绝缘老化）
3.机械性能（抗短路能力）
4.绕向（左绕向--逆时针,右绕向---顺时针）
5.换位:
减少导线间环流损耗
6.绝缘结构:
主绝缘、纵绝缘
7.绘制图纸
三、器身绝缘
绝缘结构设计的原则：
以理论和试验数据为基础。
可靠性，先进性，成熟性。
在现代电场计算理论中一般采用数值计算法，有限元法很普遍，计算精度能满足要求，现在有很多基于有限元法开发出来的计算软件，省去了编程的复杂过程，推荐ANSYS,ANSOFT软件。
绝缘结构的确定的前提要了解电场的分布情况，也就是说要了解在各种电压的作用下电场的分布及场强最大值点，对最大值点进行处理，不要有场强突出点，否则，一点击穿，整个结构就是失败。
变压器的绝缘包括外绝缘和内绝缘
外绝缘：
变压器套管之间以及套管对接地部分的空气绝缘。
接地部分指：
储油柜，油箱，冷却装置，联气管等，异相套管等。
因为空气的绝缘性能较差，通常所需要的距离较大。
内绝缘：
通常指油箱内部绝缘，即油内绝缘。
器身内部绝缘，线圈之间，线圈对地，线圈引出线对接地部分等。
线圈绝缘分主绝缘和纵绝缘。
主绝缘：
线圈本身（属于线圈的各部分，包括与其有电气连接的部分，开关等）对其本身以外的其他部分之间的绝缘。
同柱线圈之间的绝缘
异相线圈之间的绝缘
线圈对接地件之间的绝缘（对铁心柱，铁扼，夹件，油箱），包括端绝缘。
纵绝缘：
匝绝缘，匝间绝缘
段绝缘，线段之间的绝缘，包括首端与静电板之间的绝缘
层间绝缘，层式线圈每层之间的绝缘
引线绝缘：
引线主绝缘：
引线对其他相引线的绝缘称为引线主绝缘，同相引线之间绝缘称为引线纵绝缘。
开关绝缘：
开关对其他结构件的绝缘称为开关主绝缘，开关本身各触头之间绝缘称为开关纵绝缘。
变压器运行中要承受的电压：
长期工作电压，内部过电压（操作过电压），外部过电压（雷电过电压），过电压要比工作电压高得多，是绝缘设计的依据。
对主绝缘而言：
线圈之间，特别是高压线圈端部电场分布。
对纵绝缘：
了解过电压作用下沿线圈电位梯度分布。
现有的验证绝缘结构的试验有：
工频耐压试验和冲击耐压试验。
工频耐压试验考核主绝缘的耐电强度，电场分布是均匀的，冲击耐压试验考核主纵绝缘的耐电强度，GB1094.3-2003已规定高压绕组设备最高电压＞72.5kV，其所有绕组的雷电全波冲击试验列为例行试验。
感应耐压试验：
考核纵绝缘的强度。
为保证铁心不饱和，通常采用在低压线圈加2x50Hz，额定电压的2倍电压，其他绕组开路。
场强:
E=U/dU为试验电压的有效值
变压器主绝缘结构为分层绝缘,主绝缘油隙由纸板和油分割而成,各层分担的场强值与其介电系数成反比.
空气介电系数为1,油的介电系数为2.2,纸板介电系数为4.5,铜线介电系数为10000.可见,空气首先击穿,为绝缘结构中最薄弱的点.从材料的有效利用的角度来看,希望绝缘击穿时,各层同时击穿.
1.内绝缘（绕组绝缘、引线绝缘、开关绝缘）
2.外绝缘
3.油纸复合绝缘结构
4.绘制图纸
四、引线
1.电流、
2.电气性能
3.机械性能
4..绘制图纸
五、油箱:
容纳器身、容纳变压器油、散热、支撑组件
1.机械强度
2.油箱结构（桶形、钟罩式）
3.组件布置
4..绘制图纸
组合变压器结构设计需注意的问题
1．熔断器的固定不采用箱内焊螺柱的方式，而是用强度的螺母在箱外固定，有效节约空间。
2．后备保护熔丝先用支架固定，在固定到铁心夹件上。
3．引线布置：
通常面向高压左侧布置高压进线，高压引线引至高压左侧，右侧布置低压。
4．电阻不平衡问题：
低压yn，通常O,A,B,C排列,a相引线最短，c相最长，将0项引线焊接点延长至c点，从而解决电阻不平衡问题。
5．采用D,yn联结。
6．高、低压控制柜保护罩结构设计：
6.1主要构件：
左右侧板、顶盖板、左右门-----2mm钢板弯折成形螺栓固定在油箱正面。
6.2深度确定：
低压控制柜+裕度
6.3低压侧护罩宽度：
低压柜宽度+裕度（保证组装、维修空间）
6.4高压侧护罩宽度：
考虑高压进线套管、无励磁开关、负荷开关、控制+
裕度
6.5高度确定：
由于插入式熔断器本身固有的结构，其固定后与箱壁有60的斜度，考虑其与其他保护、显示仪表的安装空间和背面的油箱高度及低压控制柜高度外，还要考虑由足够的空间在维护时顺利插拔及更换，综合考虑确定。
6.6低压控制柜底四角有滑轮，在箱壁底部有槽钢支撑，以保证低压柜可在槽钢上滑动，顺利进出，便于维修。
7器身固定：
与普通变压器不同，器身与箱盖无任何固定，器身底部采用定位钉，油箱壁左右两侧靠近四角处焊接槽钢，器身装配完毕后，再进行固定。
8.外饰
风场用组合变压器设计要点：
1.900kVA38.5/0.69D,yn11Uk=6.5%
2.分箱结构，35kV高压接线一回，低压绝缘母线，刀熔开关
3.防风沙，采用特殊处理方法：
4.箱壁加厚为6，散热片采用1.5mm波纹结构。
5.控制柜全密封，取消百叶窗，加密封胶条。
6.套管与箱壁结合处精加工，确保密封良好，无渗漏，密封件采用丙烯酸酯材料。
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