毕业设计（论文）-非晶合金干式节能变压器的研究.doc

摘要本文从非晶合金变压器的目前背景和发展概括出发，随后阐明了非晶合金变压器的种类和特点，分析了目前推广非晶合金变压器的原因和有利条件，以及存在的阻碍其推广使用的问题。非晶合金变压器由于非晶材料的特殊性能，拥有比传统变压器低很多的空载损耗和空载电流，这对于节约能源，响应国家的节能降耗政策是一个很好的办法，但同时非晶合金变压器在噪音、机械强度、抗短路能力等方面的问题又阻碍它的推广使用。然后介绍了非晶材料的概念和特殊性能，讲述了干式变压器的分类和特点，重点讲述了环氧树脂浇注型干式变压器的优点，最后讨论非晶合金变压器的节能性和经济性，以及非晶合金变压器和传统变压器的不同之处和优缺点。之后对非晶合金干式变压器的铁心结构和绕组进行设计和计算，其中涉及了绝缘结构和主要参数的计算和确定。最后单独分章讨论非晶合金干式变压器的噪音、机械强度和抗短路能力方面上的缺点，重点讲述应该如何改善这几个方面的问题。关键词：变压器，非晶合金AbstractThis article starts from the current background and development of amorphous core transformers, and then set out the type and characteristics of amorphous core transformers , and the reasons why to promote the use of amorphous core transformers and its own favorable conditions and the existence of obstacles. Because of the special performance of amorphous materials, this kind of transformers are much lower than traditional transformer on the no-load loss and no-load current, then it is good for energy conservation and in response to the national energy saving policy, but the problems on the noise, mechanical strength, short-circuit ability embarrass the use of amorphous core transformer. Then introduced the concept of amorphous materials and its performance, the classification and characteristics of dry-type transformers, finally discuss its economy and energy-saving characteristics, and the different of advantages and disadvantages between the traditional transformer and amorphous core transformer. After that, it is about the design and calculation of amorphous core structure and the winding, which involves the insulation structure and the main parameters of calculation and determination. Finally separate chapters to discuss the shortcomings on amorphous core transformers noise, mechanical strength and short circuit ability, the how to improve these aspects.Keyword: transformer, amorphous alloy目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题背景11.2 本文的主要内容2第二章 非晶合金干式变压器的概论32.1非晶合金的概要32.2非晶合金的制造工艺及特点32.2.1非晶合金的制造工艺32.2.2非晶合金的主要特点32.3干式变压器的概要42.4干式变压器的应用分类和结构特点42.5环氧树脂浇注型干式变压器52.6非晶合金干式变压器的节能性和经济性62.7 非晶合金变压器与传统变压器不同之处7第三章 非晶合金干式节能变压器的设计93.1非晶合金干式节能变压器的铁心结构93.2非晶合金干式节能变压器的绕组103.3绝缘结构123.4 非晶合金变压器主要参数的确定133.4.1磁通密度的取值133.4.2工艺系数的确定133.4.3联结组别133.4.4铁心受力13第四章 非晶合金变压器的电磁计算144.1 非晶合金变压器的铁心计算144.1.1铁心质量计算：144.1.2 空载损耗计算：144.1.3 空载电流计算154.2 非晶合金变压器的绕组计算154.2.1绕组型式154.2.2电抗电压降计算154.3结论17第五章 非晶合金干式变压器的噪声控制185.1 噪音控制概论185.2 非晶合金变压器的降噪措施185.2.1改良非晶铁心本身185.2.2在噪声传递路径采取措施195.3 降噪措施效果分析195.4 总结20第六章 非晶合金干式变压器的机械强度22第七章 非晶合金干式变压器的抗短路能力237.1抗短路能力概论237.2 短路电动力分析237.2.1辐向电动力247.2.2 轴向电动力247.2.3周向电动力257.3 提高变压器抗短路能力的方法与措施257.3.1 电磁计算方面257.3.2结构设计方面26第八章 总结28参考文献29致谢30III第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题背景 我国是世界上能源消费增长最快的国家之一，同时也是能源紧缺国家，节能是我国建设节约型社会的一项必不可少的国策。为满足社会可持续发展和保护生态环境的需要，国家发改委已将非晶合金变压器列为重点推广的节电产品。非晶合金变压器可分为油浸式和干式两种。非晶合金干式变压器包括环氧浇注式和敞开式两种型式，以环氧浇注型式为多。由于铁心材料性能和结构上的差异，环氧浇注非晶合金干式变压器与普通的环氧浇注干式变压器在结构上存在较大差异。非晶合金铁心为矩形截面，一般为三相四框五柱式结构;高低压绕组相应做成矩形，低压绕组一般为箔绕式，高压绕组为线绕式、环氧树脂浇注结构。作为一种新型的低损耗干式变压器，非晶合金干式变压器继承了传统干式变压器的难燃、阻燃、可靠性高和免维护等优点。如果能从技术上解决其噪声、受力以及成本问题，凭借其良好的节能性和经济性，非晶合金干式变压器将有着广阔的应用前景。非晶合金变压器用非晶合金材料代替硅钢片制造变压器。它与现行S9系列变压器相比空载损耗下降74、空载电流下降45。采用非晶合金取代硅钢片制作变压器，关键是两者的产品价格是否能相比拟。目前，由于硅钢片的价格与非晶合金的价格相接近，恰是推广非晶合金变压器的好时机。当前，触发非晶合金变压器在我国大规模推广的要素已经具备，主要有以下几个方面。 1)城市配网投资将快速增长。国家电网公司“十一五”规划对31个主要城市的电网建设和改造投资总额约为4 600亿元，预计南方电网公司约为1 500亿元，合计金额将达到6 000亿元，年均投资额在1 200亿元。“十一五”期间城市配电网建设和改造将成为电网投资的重点之一。 2)国家节能降耗规划有利于节能产品非晶变压器的推广。目前，我国能源利用效率仅为33%，比发达国家低约10%。国家明确提出“十一五”期末“单位国内生产总值能源消耗比十五期末降低20%左右”，因此，对国内各行各业来说，节能降耗将是一项必须完成的政治任务。对于耗能大户电网公司压力尤其巨大，非晶变压器的应用将成为电网降耗重要手段之一。因此积极采用非晶合金变压器等节能型电力设备和无功补偿等技术降低电网损耗，这一切有利于非晶合金变压器等节能型电力设备大面积的推广和应用。 3)硅钢片价格的不断攀升，给非晶变压器的推广应用带来了契机。以往制约非晶合金变压器应用的主要原因是比价效应，但从2004年开始，由于电力需求的强劲拉动，作为变压器铁芯的主要材料取向的硅钢价格猛涨，这使得相同规格的硅钢变压器与非晶变压器的市场价格之比逐步接近。非晶变压器己经具备了替代硅钢变压器的价格优势。 上述3个方面表明非晶合金变压器市场需求己经启动，并将迅速扩大。配电变压器的需求量保守估计将保持10%的年增长，非晶合金变压器所占比例也会逐年增加，至2010年估计能有10%的配电变压器将采用非晶合金变压器。1.2 本文的主要内容本文的主要内容包括以下几个方面：1）非晶合金变压器的特点主要介绍非晶合金和非晶合金变压器的特点和制造工艺，以及非晶合金变压器与传统变压器的不同之处。2）非晶合金变压器的设计主要是非晶合金变压器铁心和绕组结构的设计，非晶合金变压器的电磁计算，以及非晶合金变压器的主要参数的确定。3）非晶合金变压器关键问题讨论主要是非晶合金变压器噪音、机械强度、抗短路能力几个方面的讨论。29第二章 非晶合金干式变压器的概论第二章 非晶合金干式变压器的概论2.1非晶合金的概要自1960年美国麻省理工学院Duwez教授等发明用快淬工艺制备Au- Si系非晶态合金，并于1967年首次制备出Fe- P- C磁性合金以来，由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优异的材料性能和广阔的应用前景，一直受到材料科学家和产业界的特别关注。非晶合金是指原子排列不具有长程有序的金属，它的制备技术完全不同于传统方法，而是采用了冷却速度大约每秒100万度的快速凝固技术，从钢液到薄带一次成形，与一般冷轧取向硅钢薄带制造工艺相比少了许多中间工序，可减少大量的能耗。由于超急冷凝固，在凝固过程中合金中的原子来不及有序排列，所获得的固态合金是长程无序结构。与通常情况下金属材料的原子排列呈周期性和对称性不同，非晶态合金不具有长程有序，所以没有晶态合金的晶粒、晶界存在。这类材料在微观结构上完全不同于人类以往所认识和使用的金属。正是这样特殊的微观结构导致了其独特的磁性能、电性能、机械性能和耐腐蚀性能。因此，非晶态合金的快速凝固制备技术被称为冶金工艺的一次革命，非晶材料也被称为冶金材料的一次革命性进展。2.2非晶合金的制造工艺及特点2.2.1非晶合金的制造工艺非晶合金是将铁、硼、硅、镍和碳（加碳后可提高饱和磁通密度）等为主的材料熔化后，在液态下以的速度冷却，从合金液到金属薄片产品一次成型，其固态合金没有晶格、晶界存在，因此，称为非晶态合金，亦称非晶合金（金属原子都不按晶格排列叫非晶态）。非晶合金分为铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金三大类。2.2.2非晶合金的主要特点 非晶合金的单位损耗和励磁特性大大低于硅钢片，主要特点有: (1)非晶合金没有晶格和晶界存在，因此，其磁化功率小，并具有良好的温度稳定性。由于非晶合金为无取向材料，故可采用直接缝，且可不分级，使制造铁心的工艺比较简单。 ( 2)非晶合金带材的厚度为0.02mm0.03mm,是硅钢片的1 /10左右。因此，其涡流损耗大大降低。 (3)非晶合金的硬度是硅钢片的5倍，加工剪切比较困难。因此，在产品设计时应考虑尽量减少切割量;此外，其表面不太平整，电阻率较高。 ( 4)非晶合金对机械应力非常敏感，无论是张应力还是弯曲应力都会影响其磁性能。在变压器结构设计时，需采取特殊的紧固措施，以减少铁心受力;另外避免采用以铁心作为主支承的结构设计方案。 ( 5)非晶合金的磁致伸缩度比硅钢片高约10，因此不宜过度夹紧，否则将增大变压器的噪声。 (6)非晶合金退火后的脆性（易碎）也是在变压器设计和制造过程中需考虑的问题。由非晶合金的上述特点可以知道，采用非晶合金代替硅钢片来制造变压器，虽然工艺略复杂，但可使空载损耗和空载电流大幅下降。2.3干式变压器的概要干式变压器是我国80年代发展起来的新产品，这种变压器不充油，结构紧凑、体积小、重量轻，具有绝缘性能好、难燃、防尘及防潮等特点，能深入电力负荷中心，特别是适用于高层建筑、机场、车站、码头、工矿企业及隧道的输配电，同时也十分适合组建成套的变电站。2.4干式变压器的应用分类和结构特点干式变压器的铁心和线圈都不浸在任何绝缘的液体中，它一般用于安全防火要求较高的场合。小容量、低电压的特种变压器，为了便于制造和维护，也做成干式。干式变压器可分为开启式、密闭式、及塑封式三种：（1）开启式。最常见的型式，变压器器身与大气相通，由空气散热，结构简单，适用于比较干燥而洁净的室内环境。目前运行电压在15KV以下，空气自冷式容量可达1000个VA左右，更大容量一般用吹风冷却。最大容量也只能达35KV、10MVA级。由于空气的绝缘强度和散热性能都比油差，以空气作绝缘的干式变压器的有效材料消耗比油浸式为多所以电力变压器只有在地下铁道、公共建筑物、车间内部等防火要求较高的场所才采用干式变压器。以空气作绝缘的干式变压器承受冲击电压的能力较油浸式差，其使用条件一般限于不和架空线路相连，不会遇到大气过电压作用的场合（否则应加特殊的防雷保护，使大气过电压的幅值不超过工频试验电压幅值）。因此除工频耐压外，不再另外要求规定冲击强度。（2）密闭式。把变压器器身封闭在外壳中，与外部大气不相连通，可用于更为恶劣的环境，它内部充以绝缘和散热能力都比空气好的六氟化硫（SF6）气体。该气体具有惰性，不燃性、无色、无臭、无毒并且热稳定好。由于密封、散热条件差，目前主要用于矿用隔爆型变压器。如充以23个大气压的六氟化硫。并加以强迫循环，则变压器的绝缘和散热能力可与油浸式变压器相比拟，适用于高电压的产品。目前60KV、70KV，30MVA级的用量增多，275KV、300MVA也在生产。大型的525KV，1500MVA是用低介电子数压合板绝缘的。（3）浇注式。是环氧树脂或其他树脂浇注作为主绝缘，全部线圈都用填充玻璃纤维或石英粉的环氧树脂包封起来，具有优良的电绝缘和机械强度，耐潮耐粉尘性好，维护、保养容易。阻燃、防火是它的两大特色。这种类型的变压器结构简单，体积小。2.5环氧树脂浇注型干式变压器环氧树脂塑封式变压器具有难燃、自熄、耐尘、耐潮、机械强度高、体积小、重量轻、损耗低、噪声小等特点，与油浸式变压器相比具有安全、经济、可靠、方便等优点。（1）难燃性、自熄性。由于变压器事故引起火灾，造成人身伤亡和重大经济损失事故还是不少的。因人口密集，防火问题就显得特别重要，为了消除火源，这就要求变压器本身具有难燃、自熄的特性。随着新型的环氧树脂、硬化剂、增加韧剂、填料等化工材料的迅速发展和浇注工艺的不断改进和提高，高电压大容量变压器线圈采用环氧树脂浇注技术在国内日趋成熟。（2）损耗低。变压器是电力系统中重要的电器设备，提高变压的效率对减少电能的消耗有很大的意义。环氧树脂变压器设计以往选用的是优质冷扎晶粒取向硅钢片，采用25度角全斜接缝铁心，不上漆、不退火、钢带扎紧等一系列技术工艺措施，使铁心损耗大幅度下降。（3）机械强度高。正常运行的变压器由于二次侧突然短路，虽然短路的瞬变过程很短，但巨大的冲击电流所产生的电磁力及线圈的急剧发热很可能使变压器损坏，因此变压器的结构必须具备承受短路电流冲击的能力。线圈由于采用环氧树脂浇注结构，机械强度是很高的，能保证变压器在各种恶劣的条件下正常运行。（4）绝缘性能好。由于环氧树脂浇注型变压器具有良好的耐湿性，且绕组经过浇注后，与空气无直接接触。特性稳定，电气绝缘性能好，在额定电压下运行的变压器，电压幅值是一定的，如果因某种原因使其电压超过额定电压，电压起将遭受过电压的威胁。使用干式变压器的地方，比如大楼、地铁、矿井、居民居住区等等，一般不直接与架空线路相连，因此受大气过电压影响比油浸式变压器要小，其绝缘水平主要考虑操作过电压。（5）噪声低。变压器噪声主要由硅钢片的磁势伸缩引起的，它由两倍电影频率和包括高次波分量叠加而成。环氧树脂变压器线圈压紧，定位采用硅橡胶缓冲结构，线圈在噪音发生体铁心柱周围引起了隔声壁的作用，从而使变压器的振动和噪声得到改善。2.6非晶合金干式变压器的节能性和经济性非晶合金干式变压器是以非晶合金作为铁心材料的新型节能变压器。它比用硅钢片作为铁心的变压器空载损耗下降了70%以上，空载电流下降了约80%，是目前节能效果较理想的配电变压器。 下面以顺特电气有限公司2006年共生产了39台非晶合金干式变压器论述这个问题，其公司生产的变压器损耗值与常规9型系列产品比较如表2.1所示。表2.1 SCBH15非晶干变和SCB9普通干变性能比较Table 1 Characteristic comparison between SCBH15 amorphous dry-type transformer and SCB9 dry-type transformer产品容量/kVASCBHI5非晶干变（实测平均值）SCB9普通干变（GB200522006）试验台数空载损耗/W负载损耗（120）/W空载损耗/W负载损耗（120）/W200118523387002680500230347371310517063053885488151062208002840469081710736010003572794519908610125015719745235010260由表1可见，非晶合金干式变压器的空载损耗和负载损耗均低于GB20052- 2006三相配电变压器能效限定值及节能评价值中所规定的干式变压器能效限定值，具有较好的节能性。通常，变压器在30年有效周期寿命内，变压器的运行成本要高达制造成本的67倍，而能耗是运行成本的主要组成部分，变压器空载损耗和负载损耗的降低不仅能提高我国电力利用率，降低电力浪费，还能为用户节省运行成本，提高经济效益。根据国家电力行业标准DL/T 985-2005配电变压器能效技术经济评价导则提供的总拥有费用法TOC，以1000kVA产品为例，单位月容量费用为20元/kW，电量电费0.65元/kW.h，年最大损耗时间3400h，负载率为0.75，运用TOC法计算，非晶合金干式变压器运行一年，电费较9型系列干式变压器低: C(0.65*8760+20*12)*(1990-572)+0.75*0.75*(0.65*8760+20*12)*(8610-7945) 8640元而一般干式变压器的运行寿命为30年，这样就可计算出非晶合金干式变压器较常规9型系列干式变压器节省电能410805Kw.h，电费259200元，若考虑贴现率为8%，也能节省电费105045元，足以弥补初始投资费用差额，并且还可为国家节约天然煤182t，减少一氧化碳排放400t，一氧化硫排放3.64t，二氧化氮排放2t，具有良好的社会效益。对于农村电网和发展中地区等负载率较低的用户，非晶合金变压器的节能性和经济性更加明显。2.7 非晶合金变压器与传统变压器不同之处 (1)非晶合金变压器铁心截面为矩形，因此一、二次绕组均加工成带圆角矩形，从而提高了导线的利用率。与采用多级圆形截面铁心相比，可节省铁心及电磁线材料，并提高油箱内的填充率。 (2)非晶合金铁心的结构可分为叠环式、单环式、气隙分布式、叠片式和搭接式卷铁心五种。通常铁心采用搭接式，这是考虑到铁心受力、铁心强度、铁心和绕组的夹紧结构等各类因素的合理选择。但搭接式有额外的搭接长度，上下重叠，它的接缝如图2.1所示。搭接式结构的材料利用率较低，同时铁轭厚度的增加(E=1.18C1.25C)也会增大油箱尺寸，增加油重。(3) 非晶合金变压器铁心的总体结构为三相五柱式。由4个单框卷铁心如图1及表1所示组合而成（铁心均可打开，有利于线圈套装），有两个旁扼可供磁图2.1 搭接式卷铁心Fig。2.1 Overlap type wound coreA窗口高度 B窗口宽度 C叠厚 D铁心宽度 R窗口圆角（6.4mm）通中的高次谐波或零序分量流通。当变压器投运后，铁心柱中的奇次谐波能相互抵消，可降低漏抗压降，改善电流质量。 (4)非晶合金变压器不以非晶合金铁心为主支承结构件，绕组的压紧自成体系，以减少绕组和器身对铁心的压力。 (5)非晶合金铁心截面积要比同容量的硅钢片变压器铁心大。这是因为非晶合金带的工作磁密比硅钢片低。在截面相同的条件下，矩形周长比圆形长，因此，非晶合金变压器高低压绕组主空道的周长要比同容量硅钢片铁心变压器长得多。 ( 6)在确保标准规定的绝缘水平下，非晶合金变压器的主绝缘距离比硅钢片变压器小。 (7)非晶合金变压器的噪声比硅钢片铁心变压器高6dB8dB。变压器的噪声来源于变压器的铁心在交变磁通下磁致伸缩而引起的振动。决定噪声高低的主要因素是铁心中的磁通密度和铁心的夹紧程度（在铁心无受力的情况下）。(8)由于非晶合金材料的涡流损耗大大降低，其单位损耗仅为硅钢片的20%30%。因此，非晶合金变压器比S9系列变压器的空载损耗下降74%，空载电流下降45%(9)非晶合金变压器的联结组采用Dyn 11，以减少谐波对电网的影响，改善供电质量。由于非晶合金变压器的铁心都是四框五柱式结构，在YynO联结线的状态下，三相不平衡负载电流会引起三相电压的严重失衡。第四章 非晶合金变压器的电磁计算第三章 非晶合金干式节能变压器的设计3.1非晶合金干式节能变压器的铁心结构非晶合金变压器的铁心通常采用三相五柱搭接式卷铁心结构。这种结构比较适合非晶合金卷铁心的制造工艺及非晶合金材料的特性。它是由四个单相铁心组成的，制造工艺简便。由于绕组内部铁心是由两部分组成的，两部分中的磁通不相同，因而，铁心柱的截面积要相应放大15%左右。非晶合金带材的加工工艺复杂，目前带材规格只有142mm、170mm和213mm三种宽度且材质硬而脆，难以剪切，加工困难，因此非晶合金铁心均采用长方形截面。从结构形式上看，将下铁轭部分设计成有交错搭接布置接缝的开口单卷卷铁心结构，用于非晶合金变压铁心结构为最优选择，开口卷铁心式即铁心一端是可以打开，这样可以方便套装绕组。其主要有三相五柱式卷铁心(如图3.1)和三相平面式卷铁心(如图3.2)两种。其中采用三相五柱式较为普遍，通常l0kV , 500kVA及以下的小型配变采用三相五柱结构，容量较大时由于受到非晶合金带材宽度的限制，一般采用8个卷铁心分前后两排并联叠放在一起，形成较大截面积的铁心结构，但其实质仍是三相五柱式。采用这种并联叠放结构，可使非晶合金铁心三相配电变压器单台容量达到2500kVA。图3.1 三相五柱铁心Fig.3.1 Three-phase five-limb core图3.2 三相平面式卷铁心Fig.3.2 Three-phase phane wound core在非晶变压器设计中，非晶带材铁心的叠片系数取0.820.86，而空载损耗工艺系数一般取1.4左右较为合适。在铁心叠加处，厚度系数国内大致有1.25和1.18两种。其值应与非晶合金铁心生产厂家确定。针对非晶合金材料受力会引起材料性能上有较大的变化，所以在设计中应留有足够的空间和合理的装配尺寸以保证铁心不至于受到各种力的影响而导致损耗增加。非晶合金铁心配电变压器，另一种结构特点是整体器身要保证铁心不能受力或受力最小，一般硅钢片变压器是以铁心做骨架固定绕组，而非晶合金铁心恰恰相反是以绕组为骨架将铁心挂在绕组上，再用夹板固定绕组，这时的铁心上端挂在绕组上，考虑到材料的自重，下端应落在夹板上，但不可受其他外力，使铁心处在一个似挂非挂的状态。在结构还需考虑的是由于铁心截面为矩形，所以绕组受力不如圆形，所以应充分考虑绕组的耐短路能力。3.2非晶合金干式节能变压器的绕组结构非晶合金变压器的铁心采用方形截面，因此非晶合金变压器的高低压绕组也相应的采用长方形(如图3)。在设计中应合理选择方形绕组的长宽比，以使导线的平均匝长与非晶合金铁心重量最优化，发达地区绕组导线一般选用漆包扁铜线或铜箔来加工。图3.3 非晶合金变压器绕组图Fig.3.3 Winding diagram of transformer with amorphous core 非晶合金变压器绕组的结构形式基本和普通S9或S11型绕组的相同，即高压采用多层圆筒式，低压采用双层、四层圆筒式或箔式绕组结构。在国内，考虑到非晶合金铁心变压器绕组高次谐波等原因，联结组别一般采用Dynll居多，即高压绕组为D联结，低压绕组为YN联结，从而对改善高低绕组电压波形，降低电力网垃圾都起到很好的作用。 非晶合金铁心变压器的高低压绕组均为方形绕组，在绕制中及绕制成形后要发生胀包现象，因此从设计上应对高低压绕组的尺寸确定合理的偏差，必须确保相同装配间隙和有效绝缘尺寸。一般的做法是用成形机压装绕组的长轴面以保证相间距离，而把胀出的尺寸赶到非相间方向上去，这样非相间方向上的辐向尺寸就大。但究竟放大多少，需根据情况经实践来确定。方形绕组绕完后有胀力存在，装配及装配完工后可能在绕组层间出现离层而影响装配质量，为避免这种线匝离层后串匝及位置变化，绕组的层间一律使用双面点胶纸，经加压、加热、压装后形成一个整体，保证相间尺寸不发生变形。为使铁心和绕组受力互不干扰，绕组压紧结构自成体系。绕组的夹紧结构如图3.4所示。非晶合金铁心与上夹件间应留有间隙t。图3.4 绕组夹紧结构Fig.4 Clamp structure of windingt间隙 (1)绕组采用层式或箔式结构，截面为矩形，高低压绕组组合绕制，采用不浸漆工艺。层间绝缘采用0.08mm网格上胶纸，以提高抗短路强度及控制辐向尺寸，首末层各加一张点胶纸。 高低压绕组均采用软端圈，绕组外表面分别采用紧缩带和半干无纬玻璃粘带，以保证绕组表面完好和机械强度。(2)高低压绕组间，高压绕组自身及低压绕组自身均采用瓦楞纸板加圆撑条或者撑条做油道，如图3.5所示。其放置方法如图3.6所示。图3.5 撑条Fig.6 Axial striph绕组高 a油道高（a）瓦楞纸板油道 （b）撑条油道图3.6 绕组油道Fig.3.6 Oil duct of winding(3)高低压绕组统绕，纸筒为软纸筒。绕组长边辐向尺寸误差较大，这是因为层间有反作用力的作用，只靠手拉导线绕制绕组会成椭圆形，因此，导线受一定的牵引力和正压力(可使用导线拉紧器)，尽量减小叠绕系数。即使绕后绕组略成椭圆形，但因采用网格点胶纸作层间绝缘，再经加压整形和加热粘合固化定型，同样可以达到图样要求。3.3绝缘结构非晶合金铁心变压器的高低压绕组是矩形绕组，因为绕组在加工完成后加热整形过程中，点胶纸能够有效地保证整形尺寸不发生回弹，所以绕组层间绝缘较常用0.08双面点胶纸。绕组的一、二次之间的主空油道绝缘及高压、低压层间油道绝缘一般采用绝缘纸板条(木条)粘在点胶纸上的形式，并按设计要求确定其大小尺寸。绕组端绝缘一般采用0.5或1.0纸板条制作，在绕组绕制过程中用胶带粘在绕组导线上，用以降低绕组的辐向裕度。其它方面形式基本同于普通S9或S11型绕织结构的绝缘形式。3.4 非晶合金变压器主要参数的确定3.4.1磁通密度的取值 三相五柱式卷铁心在励磁时，磁通流经4个铁心框，有不对称分布现象存在。这使某些局部磁通由于受不对称分布产生的高次谐波叠加的影响而发生畸变，从而引起局部磁感应超饱和，导致损耗增加。因此，在设计时，磁通密度不宜选得过高，单相变压器一般取1.3T1.4T;三相变压器一般取1.25T1.35T。3.4.2工艺系数的确定 在变压器制造过程中，4个铁心框在绕组装配时，经过打开铁心接缝、套装绕组、再合上接缝以及压紧绕组等工序，这样就使铁心受到力的作用，从而造成装配后的空载损耗比裸铁心时有所增加。因此在设计中，应考虑这个增加值，理论上用工艺系数来表示。该系数同铁心与绕组的组合方式、操作工人的经验和技能等诸多因素有关，一般取=1.081.15。3.4.3联结组别当非晶合金变压器铁心采用四框五柱式结构时，有两个旁扼可供磁通中的高次谐波或零序分量流通，因此，YynO联结法是不合适的，应采用Dyn 11联结法。因为前者易造成绕组过电压，绝缘相对不安全，亦会使损耗增加，而后者则相反。3.4.4。第四章 非晶合金变压器的电磁计算4.1 非晶合金变压器的铁心计算铁心材料采用具有软磁特性的非晶合金带材为铁心材料。(1)铁心尺寸可根据设计需要进行定制，但最大片宽应尽量控制在217mm以下。(2)铁心填充系数在0.840.86范围之间。(3)铁心通常采用搭接式卷铁心，三相五柱式结构。(4)密度(5)单位质量损耗在1.3T(50Hz)时， o(6)饱和磁感应密度Bs1.5T，设计时工作磁通密取1.25 Tl .35 T。4.1.1铁心质量计算：可根据设计需要按下式计算：式中A、B、C、D铁心尺寸，mm 铁心填充系数，取0.84 0.86 铁心质量, kg 非晶合金密度，4.1.2 空载损耗计算： 可根据下式计算：式中空载损耗附加工艺系数，取1.081.15单位质量的损耗，W /kg4.1.3 空载电流计算空载电流计算主要是空载电流无功分量的计算，即式中单位质量的励磁容量(按心柱磁密查得)，VA/kg 单位面积的接缝励磁容量(按铁轭磁密查得)，VA/cm 接缝数，取n=4 心柱有效截而，Ae=A/2,其中A为心柱有效截而积，cm 额定容量,kVA4.2 非晶合金变压器的绕组计算高低压绕组均采用无氧铜绕制。导线材质：以下的采用QQ- 2高强度缩醛漆包圆线，其余采用ZB- 0.45纸包铜扁线。4.2.1绕组型式(1)容量为30kVA250kVA、高压为6kV10kV的低压0.4kV绕组，采用双层或四层层式带圆角矩形结构;(2)容量为315kVA1 600kVA、高压为6kV 10kV的低压0.4kV绕组，采用带圆角矩形箔式结构；(3)容量为30kVAl 600kVA、高压为6kV10kV的高压绕组，采用多层层式带圆角矩形结构。4.2.2电抗电压降计算非晶合金变压器的铁心截面是矩形，而绕组的横截面是一个带圆角的矩形，如图4.2所示。在计算电抗电压降时，可以用一个周长相等的等效圆形铁心来代替实际存在的矩形铁心，即Ro=C+D( Ro为等效半径)。对于箔式绕组，这样的代换亦同样成立。计算电抗电压降的关键在于计算漏磁等效面积，式中，高压绕组额定匝数及高压绕组油道外的额定匝数，匝，低压绕组辐向尺寸，cm， 高压绕组辐向尺寸，cm， 高低压绕组内的油道，cm 主空道宽度，cm 低压绕组等效半径，cm，高压绕组等效半径，cm 主空道等效半径，cm，低压绕组油道内外的匝数，匝图4.2 矩形绕组截面及等效半径这样计算电抗电压降，便可用现有的圆形绕组计算公式。在其它计算中，依然用上式及图4.2所示的等效半径。4.3结论利用上述的计算方法，对某种铁心尺寸的非晶合金变压器进行设计，可以计算出相应规格的相关数据。第五章 非晶合金干式变压器的噪声控制第五章 非晶合金干式变压器的噪声控制5.1 噪音控制概论由于非晶合金材料的特殊性，非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10%，因此非晶合金铁心变压器的噪声比同容量硅钢片铁心变压器高，这是非晶合金的一个比较重要的缺点，所以这里对这个问题进行论述。非晶合金铁心组合式变压器噪声的主要来源是非晶铁心的振动，即铁心的磁致伸缩。非晶箱变中采用了四框五柱式的卷铁心结构，由于非晶合金材料对机械应力非常敏感，无论是张应力还是弯曲应力都会影响其磁性能。因此，在变压器结构设计方而应考虑尽量减少铁心受力，非晶铁心不能用夹件过分压紧，这样由磁致伸缩引起的非晶铁心振动所受的约束就比较小。非晶铁心产生的振动通过两种途径传递至油箱:一是通过线圈、夹件和油箱的机械联接传递;一是通过声波在油液中的传递。油箱的振动产生向外辐射的噪声。行业标准JB /T 10088- 2004（6220kV级变压器声级）标准中明确表示:“本标准规定的声级限值不适用于非晶合金铁心变压器，非晶合金铁心变压器的声级限值由制造单位与用户协商确定”。目前，国家标准还没有对非晶合金变压器的噪声作出明确规定。根据市场和客户反馈分析，2500kVA以下非晶合金干式变压器声压级必须控制在65 dB（A）以下。在现有技术条件下，如果非晶合金干式变压器结构设计合理，就能将非晶合金干式变压器噪声控制在理想的范围内。5.2 非晶合金变压器的降噪措施针对噪声产生的根源，可以从铁心和噪声传递途径两个方面采取措施，具体方法如下:5.2.1改良非晶铁心本身（1）铁心柱绑扎;（2）铁心搭接头粘贴紧固;（3）铁心涂环氧与喷涂3M胶的比较;（4）线圈高度方向压紧定位处理;（5）铁心框间间隙处理;（6）非品铁心叠厚与重量的控制;（7）降低磁密;5.2.2在噪声传递路径采取措施（1）铁心下轭用胶垫支撑;（2）器身与箱底间垫防振垫;（3）三相线圈长轴方向与铁心间的间隙处理（4）油箱加隔音钢板;（5）油箱与散热片加强;（6）器身夹件与导板防振处理;（7）线圈底部与托板间吸振处理;（8）箱变底部垫安装橡胶垫。5.3 降噪措施效果分析（1）铁心柱绑扎采用热收缩带在器身装配前，将铁心柱两侧进行绑扎，待器身进烘房烘焙后，热缩带加热收缩后，绑紧铁心从而抑制铁心的振动，有利于降低噪声，此方法成本增加值小，效果较好，但操作比较复杂。（2）铁心搭接头粘贴紧固待铁心开口端搭接完成后，用粘带将铁心搭接轭部粘扎成一个整体，可加强搭接头的坚固，有利于降低噪声，成本几乎不增加，但操作比较复杂。（3）铁心环氧涂层与喷涂3M胶的比较试验证明，铁心涂层采用3M胶优于涂环氧，而成本没有变化。（4）线圈高度方向压紧定位处理在线圈与夹件间在垂直方向上增加支板和压钉，给线圈以预紧力。实际降噪效果不明显，可能有利于降低离散性，但成本增加值较大，须增加压钉结构，支撑胶木板等，转配工时增加较多。（5）铁心框间间隙处理在铁心框间插入纸板，减小铁心可能的位移，有利于降低噪声离散度，成本几乎没有增加。（6）非晶铁心叠厚与重量的控制将铁心叠厚从原来的负公差更改为正公差，铁心重量设定下限，从而保证了产品的实际运行磁密不高于设计磁密，有利于控制铁心噪声和降低离散度。成本不变或略有增加。（7）降低磁密降低磁密的降噪效果比较显著，800KVA样机中，磁密降低0.16T，结合其他措施，噪声可下降12dB左右。但成本上升很快，以800kVA箱变为例，每台增加成本约1万元。（8）铁心下轭用橡胶垫支撑器身装配前，在铁心轭(搭接头)与下夹件之间的空隙部位填塞橡胶垫，过盈量约4mm，以使铁心轭受到弹性支撑。本措施增加了一块较大面积的橡胶垫，成本有所增加，据实测效果，噪声不但不降，反而略有升高。（9）器身与箱底间垫防振垫在器身夹件下与油箱底板间垫24mm厚防振垫，隔振效果十分良好，按实测比较，约可降23dB，但成本增加较大。（10）三相线圈长轴方向与铁心间的间隙处理在二相线圈长轴方向与铁心间的间隙中插入纸板撑紧，减小铁心与线圈间可能的相互移位，有利于降低噪声和噪声离散性，成本增加极小。（11）油箱加隔音钢板在油箱中后壁部位安装1块2mm厚的隔音钢板，效果较好，可降噪12dB左右。（12）油箱与散热片加强将散热器的各散热片与油箱焊接连成一体，可减小散热片的振动有利于降噪，该措施几乎不增加成本。（13）器身夹件与导板防振处理 在器身夹件和油箱导板的连接处加装减振橡胶垫，将原来的刚性连接改为柔性连接，可改变振动传递的频率，增加阻尼量，有利于降低噪声值，此法增加成本不多(增加2块小面积橡胶垫)，但效果较好。（14）线圈底部与托板间隔振处理 在线圈底部与夹件托板间加隔振橡胶垫，可抑制线圈的振动强度，但效果不明显。（15）箱变底部垫安装橡胶垫在箱变底脚与安装平台间垫隔振垫。实际对比试验表明，在箱底平台保持平整的前提下，加设5mm厚隔振垫，降噪效果不明显。本措施的缺点是成本增加较大，产品安装难度提高。5.4 总结根据对多次试验结果的分析，按各项降噪措施所花费的成本和获得的实际降噪效果，经评级后列于表1(评级的标准是将花费成本分为大、中、小、无四级，将降噪效果分为优、中、小、差四级，工艺性分简、繁一级，其中花费成本除材料成本外，也考虑了增加的工时。表5.1 不同降噪措施的比较序号措施花费成本工艺性降噪效果1铁心柱绑扎中繁小2铁心搭接头粘贴紧固小繁小3铁心涂3M胶无简中4线圈高度方向压紧定位处理中繁小5铁心框间间隙处理小简小6非晶铁心叠厚与重量的控制小简中7降低磁密大简优8铁心下轭用胶垫支撑中简差9器身与箱底间垫防振垫大简优10三相线圈长轴方向与铁心间的间隙处理小简小11油箱加隔音钢板中简中12油箱与散热片加强无简小13器身夹件与导板防振处理小简中14线圈底部与托板间吸振处理小简小从表5.1可以看出，综合成本、工艺及降噪效果等各种因素，采取器身与箱底间垫防振垫，铁心涂3M胶，非品铁心叠厚与重量的控制，降低磁密，油箱加隔音钢板或器身夹件与导板防振处理等措施比较合理，因此可据实际情况选择采取这些措施，以达到良好的降噪效果。第六章 非晶合金干式变压器的机械强度第六章 非晶合金干式变压器的机械强度非晶合金干式变压器在结构上与传统干式变压器差异较大。由于非晶合金铁心受外加应力后，损耗会增加60%左右，噪声也随之增大，严重影响其性能。因此，非晶合金铁心结构设计不同于传统干式变压器的铁心主支撑结构，为避免非晶合金铁心受力，非晶合金干式变压器的铁心悬挂在绕组上，高压绕组为环氧浇注刚体结构，其轴向的机械强度很高，足以“托起”非晶合金铁心，绕组通过垫块承重于下夹件上。此外，由于非晶合金铁心采用三相五柱式结构，决定了变压器的长度较大。考虑到吊板的跨度过大使起吊时吊绳的横向拉力很大引起吊板变形，因此，一般设计是通过吊拉上夹件，侧夹件连接上下夹件。所以，上、下夹件的承受强度是结构设计的关键。非晶合金干式变压器采用框架式结构，整体框架和连接框架两种型式。一般来说，框架有非晶合金干式变压器，多采用连接框架，这样有利于控制装配误差。夹件通常设计成外翻形的“且”结构。以下夹件为例分析其受力情况。绕组通过12个垫块压在下夹件上，每侧6个受力点G，如图2所示，G为变压器木体所受重力的1/6。下夹件承受应力计算如下:，Pa式中 T折弯钢板承受的最大弯矩，N.m G垫块承受力，N 、 垫块放置位置，m 夹件的抗弯系数， D折弯钢板的厚度，mH折弯钢板的高度，mW折弯钢板的宽度，m图1 下夹件受力分析Fig.1 Forced analysis of lower clamp根据上式计算出下夹件承受最大应力小于钢材Q235的许用应力(160MPVa)，从而合理选取折弯钢板的厚度d、高度H和宽度W。第七章 非晶合金干式变压器的抗短路能力第七章 非晶合金干式变压器的抗短路能力7.1抗短路能力概论抗短路能力是变压器结构设计的另一个重要问题。非晶合金干式变压器绕组是矩形结构，受力不及圆形绕组均匀，承受短路电动力时容易变形，如下图所示，而且非晶合金干式变压器采用的是绕组轴向承重结构。这样，矩形绕组的轴向和径向所承受短路电动力的考验要比圆形绕组严酷。（a）圆形低压绕组 （b）矩形低压绕组图7.1 低压绕组受力分析Fig.7.1 Forced anlaysis of LV winding通过垫块将绕组轴向压紧在上下夹件中，高压绕组为环氧树脂浇注刚体结构，足以承受铁心质量和短路时产生的轴向电动力。低压绕组为铜箔绕制，烘炉固化，刚性不如树脂浇注。因此，矩形绕组在承受短路电动力时，长轴方向的径向变形最为严重。因此，设计时应避免低压矩形绕组长轴与短轴差别过大。在装配过程中，可以在长轴与短轴方向加垫支撑垫块，以增加其强度。7.2 短路电动力分析运行中的变压器绕组导线作为载流体处在强电场和漏磁场中，根据电磁感应原理，绕组导线要承受电动力作用。在正常工作情况下电动力并不太大，但当系统发生短路时，因绕组中电流剧增，短路电动力将剧增至正常工作时的几倍甚至几十倍，变压器容量越大短路电动力越大。如此大的短路电动力作用在变压器上，尽