66kv变压器结构与系统设计讲解.docx
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66kv变压器结构与系统设计讲解
毕业论文
题目：
66kv变压器结构仿真系统设计
一．变压器概述
电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备。
当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。
电力变压器是发电厂和变电所的主要设备之一。
变压器的作用是多方面的不仅能升高电压把电能送到用电地区，还能把电压降低为各级使用电压，以满足用电的需要。
总之，升压与降压都必须由变压器来完成，在过去十年的发展中，我国电力建设快速发展，成绩斐然。
其中，发电装机容量高速增长，电网建设速度突飞猛进，电源结构调整不断优化，技术装备水平大幅提升，节能减排降耗效果显著，电力建设实现了跨越式发展。
这为我国经济社会平稳较快发展提供了强大动力，对改善人民生活起到了重要支撑和保障作用。
目前在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。
因此系统设计在电力系统的规划以及电力系统保护和控制等方面起着越来越重要的作用。
1.1变压器的原理及分类
变压器是一种通过改变电压而传输交流电能的静止感应电器。
它有一个共用的铁心和与其交链的几个绕组，且它们之间的空间位置不变。
它是根据电磁感应的原理实现电能传递的。
变压器内部，既有磁路问题，也有电路问题，而且彼此之间还有耦合关系。
为了研究方便，通常将其转化为等效电路，并且用一组电路方程来描述。
当某一个绕组从电源接受交流电能时，能通过电感生磁，磁感生电的电磁感应原理改变电压（电流），在其余绕组上以同一频率，不同电压传输出交流电能。
它是根据电磁感应的原理实现电能传递的。
变压器内部，既有磁路问题，也有电路问题，而且彼此之间还有耦合关系。
为了研究方便，通常将其转化为等效电路，并且用一组电路方程来描述。
一般常用变压器的分类可归纳如下 ：
（1）、按相数分：
单相变压器：
用于单相负荷和三相变压器组。
三相变压器：
用于三相系统的升、降电压。
（2）、按冷却方式分：
干式变压器：
依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。
油浸式变压器：
依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
（3）、按用途分：
电力变压器：
用于输配电系统的升、降电压。
仪用变压器：
如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。
试验变压器：
能产生高压，对电气设备进行高压试验。
特种试验：
如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。
（4）、按绕组形式分：
双绕组变压器：
用于连接电力系统中的两个电压等级。
三绕主变压器：
一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。
自耦变电器：
用于连接不同电压的电力系统。
也可做为普通的升压或降后变压器用。
（5）、按铁芯形式分：
芯式变压器：
用于高压的电力变压器。
非合金变压器：
非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。
壳式变压器：
用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
1.2变压器设计的目的范围及意义
在过去十年的发展中，我国电力建设快速发展，成绩斐然。
其中，发电装机容量高速增长，电网建设速度突飞猛进，电源结构调整不断优化，技术装备水平大幅提升，节能减排降耗效果显著，电力建设实现了跨越式发展。
这为我国经济社会平稳较快发展提供了强大动力，对改善人民生活起到了重要支撑和保障作用。
目前在网运行的部分高能耗配电变压器已不符合行业发展趋势，面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。
因此系统设计在电力系统的规划以及电力系统保护和控制等方面起着越来越重要的作用。
所以现在设计变压器的原则是在保证性能良好的情况下节材节能，降低损耗。
1.3变压器发展方向
随着市场经济的发展和科技的不断进步，新材料、新工艺的不断应用，新的低损耗配电变压器相继开发成功。
国内许多变压器制造厂商投入了大量资金引进国外先进的制造技术及设备，不断研制开发低损耗变压器和各种结构形式的变压器，如油浸变压器已出现比新S9系列更节能的S10、S11系列，新干式变压器的SC9系列以及非晶合金铁心等低损耗等产品都显示了我国配电变压器的节能潜力。
我国配电变压器行业经过不断努力，在90年代以后较过去有了突破性的进展，变压器性能不仅是铁心硅钢片材质的改进，而且在容量结构和制造工艺都有所突破，因而在节能降耗、降低空载电流和噪音都取得较大进展。
总体来看，中国变压器行业总体产品技术水平有了明显进步，但与国外产品相比，还存有一定差距，某些核心技术和产品对进口的依赖性依然很高。
1.3.1铁心制造技术
国内各企业主要是通过改善自己的剪切设备来改进铁心的生产技术，目前铁心制造技术有以下变化：
①铁心柱采用嵌下轭工艺。
与常规工艺相比可节省大量的芯柱叠装时间，提高铁心叠装质量，该工艺适用于配电变压器铁心的自动化生产。
②多级接缝铁心的应用。
近年来，设计上为降低铁心接缝处的空载损耗，逐渐将传统的单一接缝改为多级接缝。
国内变压器企业多采取局部阶梯接缝的做法，不仅能降低变压器空载损耗15%以上，而且能降低噪声3%～4%。
③铁心片加工技术。
20世纪70年代初，国内各变压器生产企业均采用国产硅钢片纵剪线和多剪床组成的简易硅钢片横剪线。
1.3.2.绝缘加工技术
20世纪80年代，随着产品电压等级容量的提高和实验项目的增加，绝缘加工逐渐从金属加工中分离出来。
1.3.3.绝缘干燥和油处理技术
油浸式变压器采用的是油纸绝缘结构。
其核心工艺是绝缘材料的干燥处理，以及变压器的真空脱水。
气相干燥：
20世纪80年代中期，国内沈变、西变和保变三大变压器厂率先从瑞士Microfilm公司引进气相干燥设备。
近年来煤油蒸发器又开发出内置式新产品，与传统的外置式蒸发器相比，两者各有利弊。
变压器油处理：
进入上个世纪80年代，随着国外先进油过滤设备的引进，国内油净化技术得到了长足发展。
企业大多采用了先进的真空喷雾净油法，它的去杂质和脱水效果是其他方法不能媲美的。
1.3.4.节能技术
就变压器节能技术发展历程看，中国变压器历经了S6、S7、S9、S11等几个系列的替代过程，目前S9型节能产品成为市场主流，而S11节能型产品的市场规模正在增长。
在推广S11的市场过程中，S11的销售价格比S9的平均高出14.2%，所以价格仍是影响S11变压器普及推广的主要因素。
目前，新S9产品虽已占据大部分市场，但随着经济的发展，用户对“11”型产品的需求逐步增长。
S11型叠铁心变压器是在新S9成熟的技术基础上设计开发的，在保持产品可靠性的前提下，其性能指标有了较大提高。
与传统的叠片式变压器相比，S11卷铁心配电变压器具有节约原材料、节能、改善供电品质、噪音低和机械化程度高等特点。
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，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。
目前变压器技术的发展目标是轻量、高效、高密度，片式化产品将获得进一步发展，高频、低损耗、小尺寸和低价位的电源变压器将占有大量市场，高压电源变压器市场前景广阔。
二．变压器结构
2.1结构简介
①油箱：
油箱是变压器的外壳，内装铁芯和绕组并充满变压器油，使铁芯和绕组浸在油内。
②油枕：
油枕装在油箱的斜上方，有油管和油箱相通。
当变压器油的体积随油温变化而膨胀缩小时，油枕起着储油和补油的作用。
③密封件：
密封件是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件的材料或零件。
④散热器：
变压器运行时要产生热量一是铁损，就是变压器铁芯中的涡流缺失产生的热量，二是负载电流流经变压器绕组产生的热量，此发热量与电流的平方成正比。
这此热量必须要及时散发掉，否则会损坏变压器，因此变压器需要安装散热器。
⑤开关：
对变压器进行保护
⑥油位表：
变压器油位计工作原理是采用悬浮的原理，油位计里面有个浮标，当油面到浮标时则有一个标志，未到有另外一标志。
⑦波纹管：
变压器的渗漏油是一个普遍存在的问题，波纹管在部件和管路联结处,在油箱与附件及管道对装处进行连接。
⑧压力释放阀：
作用是使变压器油箱不致因压力过大而变形爆炸。
⑨蝶阀：
通常安装油浸式变压器的油箱和散热片之间，用于控制变压器油箱和散热片之间的油流
⑩温度计：
为防止变压器油温过高，加速变压器的老化。
故变压器一般安装温度计，油面温度计用来测量变压器油箱上层油温，监视变压器运行状态是否正常。
⑪吸湿器：
吸湿器用于清除和干燥由于变压器油温之变化而进入变压器（或互感器）；储油柜的空气中的杂物和潮气，以保持变压器油的绝缘强度。
⑫继电器：
作为变压器运行时内部故障的一种保护。
⑬高压套管：
变压器箱外的主要绝缘装置，变压器高绕组的引出线必须穿过绝缘套管，使引出线之间及引出线与变压器外壳之间绝缘，同时起固定引出线的作用。
⑭低压套管：
变压器箱外的主要绝缘装置，变压器低绕组的引出线必须穿过绝缘套管，使引出线之间及引出线与变压器外壳之间绝缘，同时起固定引出线的作用。
⑮铭牌：
变压器的额定值是制造厂对变压器正常使用所作的规定，变压器在规定的额定值状态下运行，可以保证长期可靠的工作，并且有良好的性能。
2.2元件示意图
图2-1变压器结构示意图
（1）变压器油箱
油箱是变压器的外壳，内装铁芯和绕组并充满变压器油，使铁芯和绕组浸在油内。
变压器油起绝缘和散热作用。
图2-2
图2-3
图2-4
（2）变压器油枕
油枕的侧面还装有油位计,可以监视油位的变化。
变压器上面的筒形储油箱，就是油枕，作用是变压器由于负荷增大，油温升高，油箱内油膨胀，这时过多的油就会流入油枕，温度降低时，油枕内的油会再流入油箱，起到自动调整油面的作用。
图2-5
图2-6
（3）变压器散热片
变压器运行时会发热，热量聚集，会加速变压器内部绝缘材料的老化，所以必须控制变压器的温度，使热量散发出来。
对于空气冷却的变压器来说，热量的散发只能靠变压器表面的热传导，仅靠变压器油箱，散热面积远远不够，所以要加片式散热片，其作用就是加大散热面积，使热量散发出去，保证变压器温升。
图2-7
（4）套管
是将变压器内部高、低压引线引到油箱外部的绝缘套管，不但作为引线对地绝缘，而且担负着固定引线的作用，变压器套管是变压器载流元件之一，在变压器运行中，长期通过负载电流，当变压器外部发生短路时通过短路电流。
因此，对变压器套管有以下要求：
（1）必须具有规定的电气强度和足够的机械强度。
（2）必须具有良好的热稳定性，并能承受短路时的瞬间过热。
（3）外形小、质量小、密封性能好、通用性强和便于维修。
图2-8
图2-9
（5）压力释放阀
使变压器油箱不致因压力过大而变形爆炸。
在大、中型变压器中采用压力释放阀代替防爆管，一般安装在变压器的油箱底部。
压力释放阀在变压器正常工作时，保护变压器油与外部空气隔离。
变压器一旦发生短路故障，变压器绕组将发生电弧和火花，使变压器油在瞬间产生大量气体，油箱内的压力幅增。
当压力达到临界值时，压力释放阀开启、释放压力;在压力值回复正常范围时，压力释放阀自动关闭。
这样，使变压器油箱不致因压力过大而变形爆炸。
图2-10图2-11
图2-12
（6）气体继电器
气体继电器是油浸式变压器上的重要安全保护装置，它安装在变压器箱盖与储油柜的联管上，在变压器内部故障产生的气体或油流作用下接通信号或跳闸回路，使有关装置发出警报信号或使变压器从电网中切除，达到保护变压器的作用。
如果不能正确使用或使用不当，则可能造成变压器损坏。
图2-13图2-14
图2-15
（7）变压器指针式油位计
主要适用于油浸式变压器，安装在变压器油箱上部，显示油箱内的油位，油位上部的视窗中出现蓝色标示时为油位正常，油位在箱盖以下；出现红色标示时为油位异常，油位在箱盖以下，需适当补油，顶端装有压力释放阀，在油箱内压力升高到释放阀开启压力时,释放阀迅速打开释放压力,防止发生危险。
图2-16
（8）变压器用蝶阀
蝶阀通常安装油浸式变压器的油箱和散热片之间，用于控制变压器油箱和散热片之间的油流。
当大型电力变压器出厂时，散热器通常是单独包装以缩小运输尺寸。
此时蝶阀关闭防止外部空气或水分进入变压器油箱内部，当变压器被运输到安装现场后，将散热器逐一安装在蝶阀上。
当散热器安装完毕后就可以开启蝶阀，让变压器油箱和散热器之间的油流可以流通，从而起到散热的作用。
图2-17图2-18
图2-19图2-20
（9）无励磁分接开关
无励磁分接开关是开关的一种，适用于额定电压10KV，额定电流63A或125A以下三相油浸变压器，在无励磁条件下，通过改变变压器一次线圈匝数以达到调整二次电压的目的。
分接开关在油介质中温度最低－25℃，最高100℃。
图2-21
图2-22
三．设计方案
3.1熟悉产品规格及参数
产品型号：
额定容量：
20000KVA
额定电压：
高压66kv低压10.5kv相数：
3
额定频率：
50Hz联结组别：
Dyn11
空载损耗：
18kW负载损耗：
75kW
阻抗电压百分数：
4.5%绝缘等级：
A级
冷却方式：
油浸风冷使用形式：
户内使用
了解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，一个企业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。
3.2变压器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Dyn11接法这种情况。
D（三角形）接法。
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1/
，即
图3-1
（1）.高压线圈为＂D＂接线时，其各级分接的线电压和相电压相等:
（2）.低压线圈为“y”型接线时，其线、相电压分别为：
（3）.高压线圈为＂D＂型接线时，其线、相电流分别为：
（4）.低压线圈为＂y＂型接线时，其线电流和相电流相等，即：
3.3铁心直径的选择
3.3.1影响铁心直径选择的主要因素：
铁心是变压器的磁路和骨架。
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。
3.3.2截面的选择
铁心柱截面有矩形和多级圆形截面矩形截面续充系数最高，
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Pa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57。
Pa－一柱容量，三相双绕组变压每柱容量为:
KVA。
按标准直径取的289mm。
3.3.3.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0.97。
故铁心有效截面积为655.97平方厘米
3.4低压线圈匝数的计算
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。
2.初选每匝电压
已知铁心截面AC、硅钢片牌号，即可初选每匝电压
伏／匝
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
匝数不能有小数，取低压线圈匝数为13匝，故每匝电
为：
磁密B为
千高斯
3.5线圈及相关布置形式的确定
线圈是变压器输入和输出电能的电气回路，是变压器的基本部件，也是变压器检修的主要部件，它是由铜，铝和圆扁导线绕制，再配置各种绝缘件组成的。
变压器容量和电压等级的不同，线圈所具有的结构特点亦各不相同，其中包括匝数，导线截面，并联导线换位，绕向，线圈的连接方式等。
线圈必须具有足够的电气强度，耐热强度和机械强度，以保证制造或修理后的变压器能够可靠的运行根据经验可得本台变压器高压线圈为多层圆筒式，低压线圈为螺旋式。
高压在外，低压在内的布置形式。
3.6油箱的选择
变压器在运行时，铁心中通过的磁通会在铁心中产生损耗，绕组中通过的电流在绕组中也会产生损耗。
除此以外，绕组电流引起的漏磁通，铁心过励磁时在铁心外的漏磁通，会在各个结构件，如线圈，铁心结构件，油箱中产生附加损耗，冷却装置的油泵和风扇也有损耗。
各种损耗都转变为热能，这些热量的一部分用来提高各个部分的温度，另一部分则向各个部件附近的冷却介质散出热量，变压器所用的绝缘材料都有一定的热寿命。
所以油箱的附部件中散热部分占很大比例。
变压器的油箱有两种基本形式，平顶油箱和拱顶油箱。
平顶油箱为桶形结构，下部主体为油桶状，顶部为平面箱盖；拱顶油箱为钟罩式结构，下底为盘形或槽形，上部为钟形箱罩，其间用箱沿和胶条结合成整体。
平顶油箱适用于容量较小的产品，铁心加绕组的重量不是很大的情况下采用平顶油箱。
本变压器采用平顶油箱。
3.6.1油箱器身相关参数的确定
油箱尺寸是由线圈尺寸,线圈对油箱的距离、开关、套管、引线尺寸的布置决定的,油箱尺寸的最后确定,是由布置图来定,介在计算时也应尽量估计准确.因为高压侧电压较低,套管小,故油箱尺寸主要由开关决定.开关是WSP型,线圈对箱壁的距离按35KV级绝缘距离取55mm即可,但考虑降低杂散损耗,最小取100-200mm.按图中要求的距离估算油箱尺寸.
1.油箱的宽度
;
;
;
油箱的长度
图3-3
2.油箱高度
垫脚厚取16mm,垫脚绝缘厚取3mm,上铁轭至油箱顶端一般为200-300mm，本设计中取281mm.
油箱高度=垫脚厚+垫绝缘厚+窗高+2铁轭高+上铁轭至油臬顶端
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