（电气工程专业论文）大型电力变压器的电气设计.pdf

2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：兹难匆艮车二_ 一日期：型丝生么山争一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留! 使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印! 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幺燃 导师签名： 2 摘要 随着负荷的增加，系统的壮大，客户对用电可靠性要求的提高，对作为电 力系统主要设备的电力变压器也提出了更高的要求，如电压的提高、容量的增 大、损耗的降低、噪音的抑制、抗短路能力的提高，诸多方面都面临着更多更 新的挑战。本文以s s l 0 2 4 0 0 0 0 k v a 2 2 0 k v 电力变压器的研制过程为主线，针对 各个设计步骤展开探讨，提出相应的解决措施以及需要注意的事项，其中主要 包括绝缘设计、漏磁设计、阻抗设计、短路设计、温升设计、铁心设计、线圈 设计、冲击梯度分布设计、噪音抑制等等。针对电力系统提出的每一个挑战， 从设计的角度提出解决改善方案，从而提高变压器的整体质量水平。 关键词：变压器，损耗，漏磁场，短路力，绝缘，温升 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei n l o a d ，s y s t e me x p a n s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c i t yc u s t o m e r s ，p o w e rt r a n s f o r m e ra st h e m a i ne q u i p m e n ti n p o w e rs y s t e m i sa l s o p u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s ，s u c ha sv o l t a g ei n c r e a s e ，c a p a c i t ye n l a r g e ，l o s s r e d u c t i o n ，n o i s es u p p r e s s i o n 。s h o r t c i r c u i tw i t h s t a n da b i l i t y , m a n y a s p e c t sa r ef a c e dw i t hm o r ea n dm o r ec h a l l e n g e s int h i sp a p e 5 t a k eo n es s10 2 4 0 0 0 0 k v a 2 2 0 k v p o w e rt r a n s f o r m e rd e s i g n p r o c e s sa st h em a i nl i n e ，f o c u so nt h ev a r i o u sm a i nd e s i g ns t e p s ， d i s c u s s e dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa n dt h ei t e m sw h i c hn e e d t op a ya t t e n t i o n ，i n c l u d i n gt h em a i ni n s u l a t i o nd e s i g n ，m a g n e t i c f l u x l e a k a g ed e s i g n ，i m p e d a n c ed e s i g n ，s h o r t c i r c u i td e s i g n ，d e s i g n e d t e m p e r a t u r er i s e ，c o r ed e s i g n ，c o i ld e s i g n ，l e a dd e s i g n ，g r a d i e n t d i s t r i b u t i o no ft h ei m p a c to fd e s i g n ，n o i s es u p p r e s s i o n ，a n ds oo n f o c u so ne a c hc h a l l e n g eo fp o w e r s y s t e m ，f r o mt h ed e s i g np o i n to f v i e w , d i s c u s s e dt h es o l v e i m p r o v es o l u t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v ea n o v e r a l lh i g hq u a l i t yl e v e lo ft h ep o w e rt r a n s f o r m e r s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r , l o s s e s ，l e a k a g em a g n e t i c f i e l d ，s h o r tc i r c u i t ，i n s u l a t i o n ，t e m p e r a t u r er i s e i i ， 山东大学工程硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题背景。l 1 2 国内外发展动态1 1 3 论文工作简介2 第二章损耗设计3 2 1 节能降耗3 2 2 空载损耗3 2 2 1 磁滞损耗4 2 2 2 降低空载损耗的措施5 2 3 负载损耗7 2 3 1 线圈的直流电阻损耗8 2 3 2 涡流损耗8 2 3 3 引线损耗1 1 2 3 4 杂散损耗1 1 2 3 5 环流损耗1 2 2 3 6 负载损耗与运行温度的关系1 4 2 3 7 半匝效应l5 第三章变压器的噪音17 3 1 低噪音变压器已经被广泛采用1 7 3 2 空载噪音。l7 3 2 1 影响空载噪声的其它因素1 8 3 2 2 减少空载噪音可以采取的措施1 3 5 ) ：1 8 3 3 负载噪音3 引2 0 第四章绝缘设计2 3 4 1 市场情况。2 3 4 2 主绝缘结构2 3 4 2 1 绕组间的绝缘2 3 4 2 2 绕组端部对地绝缘2 4 4 2 3 无局部放电绝缘的设计原则2 5 4 3 纵绝缘结构。2 7 4 3 1 梯度电压2 7 4 3 2 纠结式线圈3 0 4 3 3 内屏敝式线圈3 1 4 3 4 匝绝缘3 2 第五章提高抗短路能力3 4 5 1 短路电流计算3 4 5 2 漏磁场的计算。3 8 5 3 轴向短路力4l 5 4 辐向短路力一4 4 5 5 动态短路力问题一4 7 5 6 材料和结构的合理选取与应用4 7 5 7 叫、结4 8 第六章s s l 0 2 4 0 0 0 0 2 2 0 电力变压器的设计4 9 6 1 设计要求。4 9 6 2 设计方案。5 0 6 2 1 变压器采用的主要材料和工艺5 0 出丕太堂王程亟堂僮论文 6 2 2 变压器主要参数5 0 第七章总结5 3 参考文献5 4 致谢5 7 出丕太堂王猩亟堂僮i 金室 第一章绪论 1 1 课题背景 电力变压器发明于1 9 世纪末，为现代远距离恒定电压交流供电系统的发展 奠定了基础，变压器在现代电力传输过程中起着至关重要的作用，可以说正是 由于有了变压器的出现，才有可能采用适合发电机的电压而生产电力；以相对 最低损耗的电压来传输电力；最终实现各种用电设备要求的电压使用电力。 经过一个多世纪的发展，现代输变电系统地域广阔，而变压器做为电力系 统中的一种重要设备，也得到了长足发展。我国的电力变压器制造工业，从建 国以来，随着国民经济建设的发展，特别是随着电力工业的大规模发展而不断 发展。电力变压器单台容量和安装容量迅速增长，电压等级也相继提高。变压 器做为动力装置，用于交换电压或联络不同电压的电网与系统，也用于电力拖 动、电力牵引、电加热和电力工程的其它领域。 随着全球经济的快速发展，社会生活对电气的依赖程度大大提高，随着系 统容量的不断增大，对电力输送系统的可靠性也要求提高，因此系统对供电设 备的质量要求也比过去严格。变压器作为电力系统的关键设备，其质量高低直 接影响着这个电力系统的可靠性。电力变压器向高电压、大容量方向发展的同 时，各种产品都向高可靠性、节能型、环保型、紧凑型、个性化方向发展。各 变压器生产厂商，在研发高电压、大容量产品的同时，也在对现有产品性能进 行提高。如何设计、制造出高质量的产品，已经成为广大电力系统的客户和各 大制造厂家共同关注的问题。 1 2 国内外发展动态 世界上第一台闭铁心式变压器( 1 4 1 k v h ，4 0 h z ，变比1 2 0 7 2 ) 是在1 8 8 4 年9 月由匈牙利g a n z 工厂制造的，距今已1 2 6 年。一个多世纪以来随着电网规 模和发电机的单机容量不断增加，电力变压器的单台容量和电压等级也在不断 增加。目前我国大型电力变压器的单台最大容量、最高电压等级分别为 11 4 0 m v a 、5 0 0 k y ，世界上第一条商业运行的1 0 0 0 k v 的输电线路已经于2 0 0 9 年 1 月在我国成功地投入运行，其采用的变压器为三台单相3 x 1 0 0 0 m v a 1 0 0 0 k v ，创 造了新的世界纪录。目前核电又迎来了新一轮的快速发展，单机组容量到达了 出苤太堂王猩亟堂僮论塞 1 7 5 0 m v a ，与之配套的变压器容量也达到了3 x 7 0 0 m v a 。国外变压器设计者的目标 是额定容量2 0 0 0 m v a ，额定电压1 5 0 0 k v ，目前已有多台额定电压为1 5 0 0 k v 的变 压器处在实验运行阶段。 1 3 论文i 作简介 本文以一台s s l o 一2 4 0 0 0 0 2 2 0 大型电力变压器的设计过程为主线，针对各 个关键设计步骤展开探讨，提出相应的解决措施以及需要注意的事项，其中主 要包括绝缘设计、漏磁设计、阻抗设计、短路设计、温升设计、铁心设计、线 圈设计、冲击梯度分布设计、噪音抑制等等。针对电力系统提出的每一个挑 战，从设计的角度提出解决改善方案，从而提高变压器的整体质量水平。 本论文主要章节内容简介如下： 第一章绪论介绍了工程背景，并对论文的主要工作进行了概述； 第二章介绍了各种损耗设计的问题； 第三章介绍了有关噪音的问题： 第四章介绍了变压器的主绝缘和纵绝缘问题； 第五章讨论了变压器的短路问题； 第六七章介绍了变压器的设计方案。 第七章是结论部分。 2 出苤太堂王猩亟堂僮途塞 第二章损耗设计 2 1 节能降耗 随着能源的日趋紧张，全球都在积极倡导节能降耗。2 0 0 7 年，全国实施了 一系列的节能降耗措施，如关停小火电厂等，取得了可喜的成果，2 0 0 8 年上半 年，全国6 0 0 0 千瓦及以上电厂发电生产供电标准煤耗为3 4 6 克千瓦时，同比 下降9 克千瓦时，从去年以来下降幅度一直保持8 克千瓦时以上，结构调整 的效果非常明显。全国发电厂累计厂用电率5 9 8 ，其中水电0 4 3 、火电 6 7 2 、线路损失率5 5 9 ，比上年同期下降0 4 5 个百分点。 虽然变压器是电网中效率很高的设备，但若按绝对值计算其损耗也不可小 视，大型电力变压器产品的单台损耗可达1 0 0 0 k w 以上。随着厂网的分开，输变 电成本被进一步地细化，线路损耗越来越受到输配电公司的重视。目前国际上 通行的做法是在设备采购时将设备采购成本和输变电运营成本同时考虑在内， 即对设备的损耗进行成本评估并计于总的采购成本。因此低损耗的产品会越来 越受到客户的欢迎。如何选择合理的设计方案成为关键的问题，如空载和负载 损耗如何达到最佳搭配，性能优化和材料消耗的最佳匹配等是设计过程中需要 重点关注的。 变压器的损耗主要由三个部分组成，即空载损耗、负载损耗和辅机损耗( 当 带风扇或油泵时) 。随着变压器的电压等级、额定容量、连接组别和阻抗等主要 参数的不同，空载损耗和负载损耗的比例也不同。对于大型电力变压器，其空 载损耗和负载损耗之比大约在1 5 - 2 0 左右。在额定电压相同的情况下，变压器 的额定容量越大，其空载损耗与负载损耗之比值越小。空载损耗主要与铁心的 重量、磁密的高低和硅钢片的性能有关；负载损耗主要与导线重量、电密的高 低和漏磁场有关。 2 2 空裁损耗 、 由于变压器只要接入电网，其空载损耗就一直存在，其大小不随负荷的变 化而变化。所以供电公司很重视空载损耗的大小。空载损耗主要来自铁心，主 要由磁滞损耗，涡流损耗和附加损耗组成。空载损耗与硅钢片材质等级、毛刺 大小、接缝型式、接缝大小、每叠片数、叠片工艺( 是否叠上扼) 和剪切时所受 3 山苤太堂工程亟堂鱼i 金塞 到的压力等因素均有关。 2 2 1 磁滞损耗 目前各个主要硅钢片的生产厂都在积极地研究采取新工艺来降低磁滞损 耗，如冷轧、晶粒取向、激光蚀刻等等。作为变压器的制造厂来说，目前采取 的方法主要有采用单位损耗更低导磁性更高的硅钢片、采用数控剪切线进行高 精度剪切、采用4 5 。斜接缝步进式搭接工艺、降低工作磁密、减少硅钢片用量 等措施。 磁滞损耗主要来自两个区域，一个是正常区域，该区域磁通流向与晶粒取 向方向一致，磁阻较低，单位体积的磁压降较小，但这种区域的总体积很大， 故产生的损耗占总磁滞损耗比重也较大。另外由于搭接区域有气隙存在，且磁 力线需要在该区域改变方向，所以该区域的磁阻相对较高，单位体积的磁压降 较大，空载损耗的相当大的一部分来自该搭接区域。广大的研究人员多年来一 直在研究合理的搭接结构或搭接工艺来降低该区域的磁压降。先后经历过直接 缝、斜接缝、4 5 。度斜接缝步进式搭接等多种接缝结构，目前比较先进的是4 5 0 多级接缝结构，即搭接结构。对于大型电力变压器，目前几个主要厂家大多采 用两片一叠的4 - 6 级步进。 空载损耗与磁压降有着直接的关系，要计算搭接区域的磁压降，就需要计 算不同结构型式的铁心等效气隙宽度6 ，即铁心等效气隙宽度6 的大小。它可 以反应空载损耗的高低。下面给出了几种典型铁心结构的等效气隙宽度6 的估 算公式： 三相三柱式铁心： 6 = 后老阻睁卜了w 刊 髀- ， 三相五柱式铁心( 斜接缝) ： 6 = 一2 b , s i n a 降m 一陋+ ( 锁考一导) 却脚) ( 一詈 ( 2 哪 4 出丕太堂王猩亟堂僮论塞 三相五柱式铁j 凸“5 0 度斜接缝) ： j 盘降* 陋，+ 啦雌一号) 一幅吃卜一叫j q 引 0 。陡降r t - - 卅卜，+ 皤雌唧习一憾吃k 一号。脚 爿 6 = 盎 等n i i o - h p 肛d 1 ) - 地辔a 忙孚) ( 2 _ 4 ) 0 【一接缝角度，a = 口阳留芸。 ， 2 2 2 降低空载损耗的措施 降低空载损耗除了选用更高规格的硅钢片和降低工作磁密之外，还有以下 几个常用的方法： ( 1 ) 生进揸接结捡! 步进搭接结构主要是将传统的单一接缝改成多级接缝，即让叠片接缝在上 下左右方向均匀错开，尽量使接缝不在同一“截面 处，这样磁通可以较容易 的在局部完成转向，从而降低了空载损耗和噪声。常用的步进级数一般在3 - 6 级之间。由于步进搭接的步幅很小，大约为5 - 8 r a m 左右，所以要求剪片和叠片 5 出苤太堂王程亟堂僮途塞 的精度很高，目前大型变压器厂家均配备了先进的数控横剪线，剪切精度完全 可以满足要求。根据实测结果，采用步进搭接接缝的变压器空载损耗可以降低 1 5 左右，同时噪声可以降低3 - 4 d b 。 表2 1 铁心搭接级数对性能影响的对比 空载损耗( k w )空载电流( )本体噪音( d b ) 铁心搭接级数 五级三级五级三级五级三级 s f z 9 3 1 5 0 0 i1 0 2 4 92 7 30 1 40 3 26 2 86 6 7 s f z 9 3 1 5 0 0 1 1 02 9 23 2 70 1 70 3 86 4 26 8 3 s f z 9 4 0 0 0 0 ii0 3 2 43 5 9o 1 30 2 7 6 3 8 6 7 1 从表2 - i 可以看出，五级步进接缝铁心比三级交错接缝铁心空载损耗平均下 降约8 ，空载电流平均下降约5 0 ，噪音平均下降约4 d b 。 ( 2 ) 减尘攮缝间瞳： 接缝间隙的增大，将引起接缝区域局部磁密升高，导致铁心局部损耗增加。 减少这种影响也是降低损耗的一个有效途径。当接缝大小为2 m m 以上时，空载损 耗附加系数增加很快。一般应将接缝大小控制在i m m 以内。 ( 3 ) 丕叠上毯笾工艺： 由于变压器用硅钢片为晶粒取向结构，其性能受外力的影响比较大，简单 的搬运剪切均会造成其性能的降低，从而引起损耗的上升。为了尽量减少对硅 钢片的操作次数，现在很多先进的生产厂通过在铁心叠装台上增加定位工装和 加强叠片尺寸的监测，已经成功地实现了不叠上铁轭工艺。通过该工艺的采 用，节省了上铁轭叠装与拆除上铁轭的工时，提高了工效，减少了上铁轭硅钢 片受外力的次数，性能得到了保证，空载损耗也相应的降低了。 ( 4 ) 垦量遂鱼工苎王l ； 工艺孔可以引起的空载损耗增加，空载损耗和空载电流与孔径的关系是非 线性的，即空载损耗和空载电流随孔径加大而急剧地增加，空载损耗与孔数是 正比关系，冲孔使冷轧硅钢片损耗增加，不仅是因为孔的周围提高磁通密度，而 且是因为此处磁通弯曲所致。由于工艺孔的影响，将引起三相三柱铁心边柱空 载损耗增加约5 1 ，引起三相三柱铁心中柱空载损耗增加约3 1 ( 3 8 ) 9 引起 6 出丕太堂工猩亟堂僮i 金文 三相三柱铁心上下扼空载损耗增加约5 5 。工艺孔直径越大，孔的数目越 多，空载损耗增加就越多。对于较窄片宽的铁心，工艺孔引起空载损耗的增加 就更加明显。 ( 5 ) 控剑垂刺的直廑； 毛刺的高低对空载损耗的影响非常大，因为较高的毛刺可以使片问形成局 部短路区域，导致空载损耗增加很快。同时过高的毛刺也可以导致空载电流急 剧上升。目前各生产厂均采用先进的数控横纵剪切线，毛刺控制较好，一般低 于0 0 3 r a m 。 ( 6 ) 减尘渴逋塑耗； 减少涡流损耗的有效办法是减小硅钢片的厚度，目前大型电力变压器广泛 采用的是o 2 3 0 3 5 m m 厚的硅钢片，对于一些特殊的高频设备，已经用到了 0 1 8 m m 。另外值得注意的是，当靠近铁心的线圈电流很大时，如大型发电机变 压器，需要对铁心的最外一、两级的片子开轴向槽，这样可以减少由漏磁场在 硅钢片中产生的涡流损耗，同时可以避免铁心漏磁场引起的局部过热。 厶， 2 。3 负载损耗 变压器负载损耗包括绕组导线直流电阻损耗，绕组涡流损耗( 包括绕组导线 在横向、轴向漏磁下的损耗及并联导线不完全换位环流损耗) 引线损耗以及漏 磁在钢铁结构件中形成的杂散损耗四大部分。通常将电阻损耗称为基本损耗， 其余三部分统称为附加损耗，其中基本损耗占负载损耗的绝大部分。负载损耗是 变压器损耗的主要部分，其大小随着负荷的变化而变化。目前大型电力变压器 的负荷都比较高，有些地区甚至需要过负荷运行，大型电力变压器的负载损耗 从l o o k w 至1 0 0 0 k w 不等，不容小视。目前低损耗变压器已经成为全球的重要发 展趋势。 变压器负载损耗计算公式淄为： 尸= 只+ 只 跏+ e 础+ ( 2 5 ) 式中： p 叱一电阻损耗( w ) ； p 。曲一涡流损耗( w ) ； p 。甜。一引线损耗( w ) ； 7 l。1。卜 出丕太堂王猩亟堂僮途塞 p o 。一杂散损耗( w ) 。 2 3 7 线圈的直流电阻损耗 线圈的直流电阻损耗是变压器负载损耗的主要部分，降低直流电阻损耗的 主要措施是减小电阻和环流，如增加导线截面降低电流密度，选用电阻率低的 材料，合理选择导线换位位置等。 = n ，：r ( 2 6 ) 式中： n 一相数： i 。一绕组相电流( a ) ； r 一绕组相电阻( q ) 。 笼统地说，附加损耗都是由漏磁通引起的。漏磁通按其来源可分为线圈漏 磁通( 主漏磁通) 和引线漏磁通，它们共同形成了极其复杂的变压器漏磁场，并 在整个场域内的导电材料中产生涡流损耗。以往的多数资料都把在线圈中产生 的附加损耗统称为线圈涡流损耗，而在线圈除外的其它金属结构件中( 如油箱、 铁心夹件、压板等) 产生的附加损耗统称为杂散损耗。由于线圈并联导线的存 在，因此把线圈附加损耗又细分为环流损耗和涡流损耗。这是两种不同的漏磁 效应，前一种是彼此绝缘的并联导线形成的回路电流的损耗，后一种是在各导 体中形成的体积电流的损耗。 2 3 2 涡流损耗 涡流损耗计算公式为： = 0 2 9 9 x ( 丢) 2 x 砩x l o - 5x 浯7 ， 式中： a 一导线厚度( m i l l ) 5 一电流密度( a 姗2 ) ； b - 一漏磁通的大小( t ) ，其计算公式为 8 b 。= ( 2 - 8 ) 出丕太堂互猩亟堂焦论塞 式中： i 一相电流( a ) ； w 一绕组匝数； p 一洛洛氏系数； h k 一电抗高度( n u n ) 。 上面两个公式由于忽略辐向磁场作用，导致涡流损耗计算不准确，对于小 容量常规变压器仍然在可以接受的误差范围内，但是对于大容量、高阻抗、大 电流变压器，其误差将超过人们的接受度。在绕组中由于感应电流随主电流的 变化而变化，产生的电流矢量作为复数才能进行计算。采用解析法并不能精确 计算涡流损耗，在最正、最负分接下计算涡流损耗偏差会更大，因此需要利用 有限元来计算漏磁场。 综合损耗分布轴向涡流损耗分布辐向涡流损耗分布 图2 - 1 线圈中的损耗分布( 高一中运行时) 针对一台2 4 0 m v a 、2 2 0 k v 三绕组电力变压器线圈中的损耗分布情况进行了 计算。图2 - 1 给出了高一中运行时中压绕组的损耗分布情况，从中可以清楚地 9 出丕太堂工程亟堂僮论塞 看出由轴向和辐向漏磁引起的涡流损耗在中压绕组的分布区域。由轴向漏磁弓 起的涡流损耗主要集中在绕组的中间区域( 如图2 2 所示) ，由辐向漏磁引起的 涡流损耗主要集中在绕组的上下两端( 如图2 - 3 所示) 。 高中运行时高低运行时中低运行时 图2 2 中压绕组因轴向漏磁场引起的涡流损耗分布图 1 0 上铁轭区域下铁轭区域 图2 - 3 高低运行时由辐向漏磁场产生的涡流损耗分布 囊 由图2 3 可见绕组到上下铁轭的距离对辐向漏磁分布产生影响，涡流损耗 分布也反映了漏磁的分布情况。 涡流损耗是负载损耗中不可忽视的重要部分，尤其对大容量和高阻抗产 品。涡流损耗的大小主要与导线尺寸，漏磁场强度及其分布有关。目前的产品 有向大容量高阻抗发展的趋势，这就从两方面加剧了涡流损耗的控制难度，大 容量就需要增加导线截面积，高阻抗意味着漏磁场强度更大。若减小单根导线 的尺寸，则需要增加并联根数，因换位不完全而产生环流的风险随之上升，与 此同时线圈的抗短路能力也相应的降低。为了解决这个矛盾，目前比较有效的 办法是采用半硬自粘性换位导线。采用该导线同时解决了减小导线尺寸，合理 换位和增加抗短路能力三个问题。 2 - 3 - 3 引线损耗 引线损耗是变压器各引线电阻损耗和涡流损耗的总和，由于引线结构及布 置的复杂性，很难准确计算，一般根据经验按基本损耗的百分数来估算。其计 算公式： = ( o o l o 0 2 ) ( 2 9 ) 为了降低引线损耗和其受到的短路力，引线设计应在保证绝缘距离的前提 下尽量避开高漏磁区域。 2 3 4 杂散损耗 杂散损耗是漏磁在油箱、夹件、箱盖等钢铁结构件中所产生的损耗。其经 验公式为： ，乙抛糟= k o t h 。u kx s 。 ( 2 1 0 ) 式中： l ( o 。胁一杂散损耗系数； u 。一变压器短路阻抗( ) ； s 。一变压器额定容量( k v a ) 。 对于大容量高阻抗的变压器，其漏磁通很大且分布很复杂，难以控制，一 旦处理不好，很容易产生较大的杂散损耗，可达负载损耗的1 5 2 0 ，甚至更 出丕太堂工程亟堂僮途塞 高，由此可能会带来局部结构件过热的危险。因此降低杂散损耗的主要方法是 围绕着如何减小流经各种钢铁结构件的漏磁通，从电气角度主要是尽量避免易 产生高漏磁的线圈排列结构，从机械角度主要是疏通或阻挡漏磁通流经钢铁结 构件，如加磁屏蔽或电屏蔽，甚至两者同时加。国外厂家也有采用层压木夹件 来降低杂散损耗。 在大型变压器电磁计算中，都要进行安匝平衡( 也称磁势平衡) 计算。变压 器安匝平衡好，不但能够保证变压器好的抗短路能力，而且能够明显减小绕组 涡流损耗。为了减小杂散损耗，要确保安匝平衡非常重要外，在本文设计中采 取以下几个措施： ( 1 ) 油箱面对绕组部分，采用磁屏蔽，即在油箱壁靠近绕组部位放置高导 磁材料，使漏磁通沿高导磁材料闭合而不进入箱壁；对于自耦变压器和高漏磁 的变压器，应该适当增加磁屏蔽的覆盖面积和厚度。 ( 2 ) 对于距离绕组较远，漏磁又可能进入的部分采用电屏蔽，即铜板屏蔽 ( 例如斜屋顶部分) ； ( 3 ) 个别部位采用特殊材料。例如绕组拉板采用低磁钢板，在不影响机械 强度的条件下，适当布置开槽位置。低压升高座整体及附近的箱盖采用低磁钢 板制作； 2 3 5 环流损耗 环流损耗是大型变压器不可忽视的一部分，当存在多根导线并联的结构或 高漏磁时应尤其注意。变压器纵向漏磁在线圈端部由于铁轭的存在都要弯曲， 产生辐向分量，而且漏磁场沿线圈轴向和辐向的分布也不均匀，因此几种常用 的经典换位法都是不完全换位。给出的几种计算环流损耗的公式也都存在一定 偏差，随变压器容量增大，线圈漏磁场增强，由不完全换位产生的环流损耗增 加更快，用这些公式计算而产生的偏差也就更大。当变压器每柱容量达4 0 m v a 及以上时，线圈中环流损耗有可能达到直流电阻损耗的2 0 以上。环流损耗的 增加，不仅恶化变压器的技术经济指标，而且还会因线圈中某些导线的过电流而 使热点温升增高，严重时会影响变压器安全运行。 目前单螺旋式线圈常用的换位方法有2 1 2 换位、4 2 4 换位和2 4 2 换位。以 前大都按简化漏磁场图分析线圈环流，计算环流损耗的公式侣如下： 1 2 出丕太堂王程亟堂僮途塞： 2 1 2 换位时： 式中： 耻即m - 2 0 m 2 + 6 4 ) 1 0 - 1 。( 等 ( 2 - 1 1 ) 4 2 4 和2 4 2 换位时： k h = k 2 x b 4 _ 8 0 m 2 + 1 0 2 4 ) x 1 0 - x ( 等 ：( 2 - 1 2 ) l ( i i 一环流损耗占电阻损耗的百分数。 k 。一2 1 2 换位时的系数，在7 5 。c 时铜导线为0 1 1 1 ； k ：一4 2 4 ，2 4 2 换位时的系数，在7 5 0 c 时铜导线为0 0 0 7 ； w 一线圈匝数； f 一频率( h z ) ； a 一带绝缘导线厚度( 姗) ； a x 一单根导线截面积( m m 2 ) ； h k 一线圈有效电抗高度( c m ) 。 当并联导线分别超过4 根和8 根时换位是不完全的。实际上，纵向漏磁场 在线圈端部的弯曲对环流影响是相当巨大的。按实际漏磁场分布计算的线圈环 流损耗要比用公式简化计算的结果大许多，而且变压器容量愈大，漏磁场愈 强，用简化漏磁场计算产生的误差就更为严重。尽管在简化漏磁场条件下4 2 4 与2 4 2 换位具有相同的环流损耗水平，但在实际漏磁场中2 4 2 换位要优于4 2 4 换位。进一步改进2 4 2 换位，如按实际漏磁场分布适应加长端部换位区，能够 获得更为理想的结果。例如一台s f s z 9 4 0 m v a 1 1 0 k v 变压器中压绕组有1 0 2 匝，按2 4 2 等距换位位置为：2 5 5 匝、5 1 匝、7 6 5 匝，根据实际漏磁场分布改 进换位位置为2 6 匝、4 9 5 匝、7 3 匝，经过四台产品对比试验，改进换位能降低 环流损耗约2 k w 。对于需要采用多根换位导线并联的大型变压器绕组，其换 位更应该根据实际漏磁场分布确定合适的换位位置，一旦换位位置设计不合 适，其产生的损耗可高达几十千瓦，线圈很容易出现热点。 图2 - 4 是一台2 4 0 m v a 2 2 0 k v 低压绕组中的电流分布，该绕组有三根换位导 线辐向并联，共计1 3 2 匝，采用平均换位可将绕组分为4 4 匝一4 4 匝一4 4 匝三 1 3 出丕太堂王程亟堂焦途室 段，三根并联导线1 5 、1 6 、1 7 中的电流分别为5 3 9 7 a ，4 3 6 i a ，4 6 5 2 a ，最 大电流差高达1 0 3 6 a ，最大电流为平均电流的1 1 2 4 ，环流损耗为7 6 2 2 w ：而 采用优化计算后，将绕组分为4 6 匝一4 0 匝- 4 6 匝三段，三根并联导线1 5 、1 6 、 1 7 中的电流分别为4 6 8 3 a ，4 9 2 3 a ，4 8 0 i a ，最大电流差只有2 4a ，每根导 线中的电流均非常接近平均电流4 8 0 2 a ，最大电流仅为平均电流的1 0 2 5 ，环流 损耗仅为4 5 7 w 。 4 4 匝一4 4 匝一4 4 匝4 6 匝一4 0 匝一4 6 匝 图2 - 4 并联导线间的电流分布 2 3 6 负载损耗与运行温度的关系 电阻是随着温度的升高而增加的，故电阻损耗也是随着温度的升高而增加 的。涡流损耗却随着温度的升高而降低，因为温度升高后导线表面的电阻也增 加了，而感应电压不变，故随着温度的升高涡流损耗反而有所降低。大型电力 变压器经济运行时需要考虑运行温度对负载损耗的影响，因为在5 0 。c 的温差范 围内可以引起负载损耗的变化近1 0 0 k w 。图2 - 5 给出了s s l 0 2 4 0 m v 2 2 0 k v 1 4 ! 出丕丕堂王猩亟堂僮途塞 常规三线圈电力变压器高中运行时，当温度在5 0 。c 1 0 5 。c 之间变化时，直流 电阻损耗、涡流损耗和总损耗的变化情况。 图2 - 5 变压器负载损耗随运行温度变化曲线( 高一中运行时) 从图2 - 5 中可以看出，当变压器的运行温度由5 0 。c 上升到1 0 5 。c 时，直 流电阻损耗增加了9 4 3 9k w ，涡流损耗降低了约1 0 7k w 和总损耗增加了 8 3 6 9 k w 。因此负载损耗的优化设计应该将运行温度也作为一个考虑因素。 2 3 7 半匝效应 自耦变压器由于其公共绕组和串联绕组的存在着电气连接，当公共绕组， 串联绕组和中性点的端子不在同一侧引出时就会产生所谓的“半匝效应 。即穿 过左右两个窗口的匝数相差半匝，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 半匝效应示意图 1 5 出丕太堂王程亟堂鱼论文 半匝效应的存在，主要会引起漏磁场的显著增加，从而引起相应的涡流损 耗、环流损耗、杂散损耗等均会有不同幅度的增加，其中以杂散损耗增加最显 著，常常引起结构件过热。对于带有旁轭的变压器其铁心局部也会饱和，引起 铁心的局部过热。大型自耦变压器一旦存在“半匝效应 ，其负载损耗会显著增 加，有时可高达上百千瓦，这些损耗主要产生于油箱、箱盖、冷却连管、连接 螺栓等部位，导致这些部位的温升过高，严重时会导致附近油因裂化而产气。 避免半匝效应的措施主要有两种，一种是增加平衡匝来与之抵消，另一种方法 是改变引线布置避免半匝的出现。 1 6 山峦太堂工猩亟堂僮论文 第三章变压器的噪音 3 1 低噪音变压器b 经被广泛采用 随着生活水平的不断提高，人们对环保的问题日益重视。而随着城市化水 平的不断发展，负荷中心越来越集中，这就要求变电站也要不断地向城市中心 移动。目前很多大城市和特大城市，2 2 0 k v 变电站已经星罗棋布，由于土地的 限制，许多居民不得不与变电站为邻。噪音问题就变得异常突出。噪音扰民的 报道已屡见不鲜。随着变压器容量的增加，其负载噪音也变得异常苛刻。加上 冷却设备的噪音，变压器的噪音抑制问题成为市内变电站必须考虑的一个重要 问题。目前有些苛刻的地区，变压器噪音要求已经低于5 0 d b ，这就对变压器设 计制造提出了更高的要求。另外随着高压直流系统的不断增加，交流系统中的 直流分量也在增加，这又对变压器噪音的降低提出了新的挑战。 对于变压器而言，其噪音主要是铁心硅钢片的磁致伸缩和绕组导线或绕组 间电磁力所产生的振动，以及冷却系统风机油泵产生的噪音，即空载噪音、负 载噪音、冷却设备噪音等几部分组成。 3 。2 空载噪音 磁致伸缩是硅钢片在变压器励磁时，沿磁力线方向硅钢片尺寸增加，垂直 于磁力线方向尺寸缩小，在交变磁场的作用下，硅钢片尺寸交替地增大和缩 小，即为磁致伸缩，其产生的振动是电力变压器的主要声源。由于磁致伸缩的 变化周期是电源频率的半个周期，磁致伸缩引起的变压器本体的振动，是以两 倍的电源频率为基频率的，所以硅钢片的振动主要是由铁磁材料的磁致伸缩特 性引起的。磁致伸缩率越大，则噪声就越大。当磁场强度相同的情况下，材质 好的硅钢片磁致伸缩也小，因此噪声也小。磁致伸缩的幅度与硅钢片的种类， 含硅量及磁通密度等因素有关。磁致伸缩率还与磁场强度有关，磁场越强，e 越大。磁致伸缩率还与硅钢片表面是否涂漆及退火有关，因为涂层对硅钢片有 附着力，可防止硅钢片变形。在同样磁场强度下退火的硅钢片比不退火的硅钢 片磁致伸缩要小很多，这是由于选择最佳退火工艺，可以成倍降低磁致伸缩变 压器空载噪声除与本身材质等有关外，还与接缝的情况有关。 1 7 出丕太堂工程亟堂焦途塞 3 2 f 影响空载噪声的其它因素： ( 1 ) 铁心结构的影响。噪声与心柱和铁轭直径、铁心窗高、铁心窗口宽 度、铁心质量有关。铁心质量每降低l t ，噪声可降低l 3 d b 。铁心窗高与铁心 直径的比值每减小0 1 ，变压器噪声就要降低2 3 d b 。 ( 2 ) 空载噪声的频率是以两倍电源频率为其基频的。铁心中除了基频磁通 外，还有高频磁通，所以空载噪声频率也存在二次以上的高频频波。当铁心油 箱的固有频率与噪声频率接近时，将发生噪声共振现象，使噪声增大。因此变 压器铁心和油箱的固有频率要避开一些高频频波。 ( 3 ) 为了防止铁心共振，在设计低噪声变压器时，还要考虑铁心的自振频 率。当变压器的额定频率为5 0 h z 时，铁心的自振频率应避开以下频带：7 5 - 1 2 5 h z 、1 6 5 - 2 3 5 h z 、2 7 5 3 2 5 h z 、3 7 5 4 2 5 h z 。如自振频率避开共振频带，铁心 将不会产生共振。 ( 4 ) 变压器夹紧力虽然对空载损耗的影响完全可以忽略，但夹紧力对铁心 噪声的影响很大。夹紧力对噪音的影响成u 字型，即过低和过高的夹紧力均会 使噪音显著增加。 应用磁致伸缩与磁通密度关系可以计算得出噪音水平( 4 d ： l = 3 0 6 + 2 0 1 9 h o + 2 0 1 9 ( b 。一9 3 ) ( 3 1 ) 式中： h o 一铁心柱高( c m ) ； b - 一工作磁密的幅值( k g s ) 。 3 2 2 减少空载噪音可以采取的措施“d ： 1 减少振源噪声 ( 1 ) 采用磁致伸缩小的高导磁材料，由于高导磁硅钢片中的磁畴排列更有 序从而降低了磁致伸缩的幅度，因此也可以采用性能优良的高导磁硅钢片来降 低噪音。如选3 0 z h l 2 0 硅钢片可比选用普通取向材质的硅钢片噪声降低噪声4 5 d b 。 ( 2 ) 降低铁心磁密，可以降低噪声。磁密每降低0 1 t ，可降低2 - 3 d b 。但 降低磁密后，铁心截面积、变压器等值容量和造价都相应增加，从成本上来说 是不经济的。因此，降低磁密，不能超过标准磁密的1 0 ，进一步降低磁密对 1 8 出丕太堂工程亟堂僮：论文 减少噪音的效果逐渐下降。 ( 3 ) 改善和缩小铁心接缝。铁心采用多级接缝。采用多级接缝铁心比两级 接缝空载噪声小，可使噪声降低4 - 5 d b 。这是因为采用多级( 四级及以上) 接 缝后，在接缝处磁通分布较均匀，又使气隙中的磁密大大降低，导致接缝处由 磁吸力引起的噪声减小的缘故。另外，减小接缝，可以降低振幅，同时减小了 变压器的励磁容量及励磁电流，使声功率大幅度降低，可降低空载噪声4 5 d b 。 ( 4 ) 防止和减少硅钢片在加工、生产过程中受到的机械撞击，否则会使硅 钢片的磁致伸缩加大，从而增加铁心的噪声。 ( 5 ) 在铁心端面上涂环氧胶或聚酯胶，可增加铁心表面张力约束，也可以 起到减少磁致伸缩量，降低噪声的作用。 2 在吸收声能减振方面 ( 1 ) 铁心产生的噪声有一部分是通过箱底和基础传出去的。如果在器身和 油箱之间或在油箱和基础之间加缓冲器，能使声音通过缓冲器衰减。可在铁心 垫脚处和磁屏蔽与箱壁之间放置防振胶垫，使铁心和磁屏蔽的振动传到油箱 时，由钢性连接变为弹性连接，从而达到减少振动，防止共振，降低噪声的目 的。可以降低噪声卜2 d b 。 ( 2 ) 在油箱加强铁内放隔声材料，可以将油箱振动的能量吸收一部分，从 而达到降低本体噪音的目的，可以降低噪音2 - 3 d b 。 3 加隔音层降低噪声 根据油箱结构，分为组合式与高效式两种。组合式为：可根据油箱外部结 构情况将隔音板做成若干件，钢板内放吸音材料。吸音材料有：岩棉、玻璃纤 维等。隔音壁能把变压器本体发射的部分噪声反射回去；而且当噪声穿过隔声 壁时，也能被吸收一些，起到降低噪声的作用。单件的隔音板用螺栓分别固定 在油箱加强铁上，采用这种隔音板可降低噪声l o - 1 5 d b 。也可采用高效隔音 板，放在两个加强铁之间，通过薄弹簧钢板固定。框形附加重物用以调整高效 隔音板的振动特性，使它的振幅明显低于加强铁的振幅，从而有效地屏蔽住变 压器本体发出的噪声，可降低噪声1 0 1 5 d b 。 4 消声法 采用消声法降低噪声。即在变压器以内放置若干个噪声发声器，使它们发 1 9 出苤太堂王猩亟