电力变压器设计方案.doc

绪论电力变压器设计方案1.1 课题背景电力变压器是电力系统中的重要设备之一。随着我国社会主义现代化建设的发展电力系统作为先行工业，近年来已经得到了长足的发展，特别是随着电力网向超高压、大容量方向的发展，对电力变压器提出了更高的要求。当前我国已生产了500KV，750KV超高压电力变压器：2005年全国变压器年产量已达到5亿。我国在变压器的理论研究和生产实践方面取得了可喜的成就1。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。50年代发展到110KV级；60年代发展到220KV级；70年代发展到330KV级；80年代已发展到500KV级电力变压器。建国前我国只能生产单台容量为300KVA的小型配电变压器，建国后50年代中期已能仿制31500KVA的电力变压器，电压等级已发展到110KV。60年代初我国由仿制阶段过渡到自行设计和制造阶段，60年代中期已发展到制造220KV、120000KVA电力变压器。到60年代末期，电力变压器的容量已经发展到260000KVA。70年代初期已达到生产330KV级、360000KVA电力变压器的水平(我国西北地区的刘关线330KV系统中所用的升、降压电力变压器、联络用自耦变压器，全部为国内产品)，到80年代国内变压器的最高电压等级为500KV、最大容量为400000KVA，1995年制造出了容量为450000KVA电力变压器，本世纪初我国已能够生产740MVA/500KV的电力变压器和900MVA/500KV的自耦变压器。近年来随着我国经济建设的不断发展，电网的电压等级不断提高，2005年9月西北750KV线路已经投入运行，线路中的变压器、电抗器等主要设备均为国内生产。现在我国正在进行交流1000KV直流800KV输电线路的研究与输变电设备的研制工作，在不久的将来我国的输电网络将会以交流1000KV直流800KV作为主要框架，使我国的输变电技术走在世界的前列2。1.2 问题的提出及研究的意义变压器的电磁计算是整个变压器设计和制造的基础，电磁计算的内容包括变压器的整体外形尺寸、性能表现、附件的选取、成本的估计等各方面。在设计的过程中，如何对铁心直径、导线规格、线圈尺寸等各方面进行局部调整从而使变压器在成本上不是大幅度增加的情况下，整体性能达到一个最佳的表现，则是电磁计算中的重点和难点。现在我国电网建设的力度正在逐步加大，对高性能的大型变压器的需求量还是很大的，如何快、好、省的发展电力事业，就更需要我们更加深入的研究变压器的电磁计算。变压器的总损耗是由空载损耗（铁损）和负载损耗（铜耗）这样两部分所组成的。空载损耗是不随负载大小而变化的，只要加上励磁电压后就存在，它的大小仅随电压波动而略有变化，在运行中基本上可以认为是一个不变化的值。因此，在总损耗的功率中尽管空载损耗仅占1/6-1/4左右，但从一昼夜的电能损失来看，它所占的比例却并不算小，尤其是一些低负载率的变压器，空载损耗的影响就更加突出。因此，降低空载损耗对节省运行中的能量损耗具有很大意义，在国外，对降低空载损耗是非常重视的，在衡量1KWh的损耗价格时，不仅要考虑电价，还要考虑为此所增加的输变电设备的投资费用，以及火电厂为此多发电而给环境保护所带来的影响和环保治理所增加的费用等。另外随着硅钢片材料的进步，其单位重量的损耗正不断降低，在加上工艺加装和结构的改进，也使得附加损耗系数不断降低。所有这些都使得降低空载损耗既有必要又有了可能。所谓“低损耗变压器”，实质上主要是通过降低空载损耗来达到降低总电能的目的3。1.3 本文研究的内容本论文对目前电力网中使用的SZ11-25000KVA/35KV电力变压器进行了电磁方案计算，计算出了该变压器的各项技术指标及各部分的几何尺寸，计算结果满足国家标准规定值。计算电力变压器的一般程序是：1确定硅钢片的型号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，得出铁心柱和铁轭截面积2根据硅钢片型号，初选铁心柱中的磁通密度，计算每匝电势。3初算低压绕组匝数，估算高压绕组匝数4确定导线规格，进行绕组段数，匝数的排列，计算绕组轴向高度和辐向尺寸5计算短路阻抗6计算负载损耗7计算绕组导线对油的温差8计算空载性能9计算变压器重量在进行SZ11-25000KVA/35KV电力变压器电磁方案计算的同时，本文还对降低变压器的空载损耗进行了讨论。第2章 变压器设计2.1 变压器的基本原理1电磁感应定律设磁场中有一N匝的线圈，当线圈交链的磁通发生变化时，线圈中就会产生感应电动势4。如果感应电动势假定方向与交链的磁通的正方向符合右手螺旋定则，则感应的电动势 (2-1)式中：e-感应电动势，V； N-线圈匝数；-线圈中磁通的变化，Wb；-磁力线变化所需的时间2磁感应强度（磁通密度）磁感应强度为通过垂直单位面积的磁力线数，它是用来衡量磁力线数的强弱的，其中算式可以表示为 (2-2)式中：-磁感应强度，T-磁通，Wb -垂直于磁通的面积，m2 3磁路的基尔霍夫第一定律和第二定律基尔霍夫第一定律为流入节点的电流等于流出节点的电流；第二定律为在闭合回路中电位升之和等于电位降之和，这是电路的定律。由于磁与电有相似的规律，故基尔霍夫定律在磁路中同样适用。设为磁路中的磁通， 为磁路的磁阻，为磁动势，应用欧姆定律则有 (2-3)在同一磁路上有几个线圈就产生几个磁动势，磁通决定于磁动势的总和，即合成磁动势。应用基尔霍夫定律，当有两个磁动势时，合成磁动势为 (2-4)同理，电路上的串并联也可以应用到磁路中。4楞次定律线圈中感应电动势的方向总是企图使它产生感应电动势产生的新磁通反抗原有磁通的变化，表达式为 (2-5)2.2 变压器的特点变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应作用将一种电压、电流的交流电能转换成同频率的另一种电压、电流的电能。变压器是电力系统中重要的电气设备。变压器中最主要的部件是铁芯和绕组，它们构成了变压器的器身。变压器的铁芯既是磁路，又是套装绕组的骨架。铁芯由心柱和铁轭两部分组成，心柱用来套装绕组，铁轭将心柱连接起来，使之形成闭合磁路。按照铁芯的结构，变压器可分成心式和壳式两种。心式结构的心柱被绕组所包围，壳式结构则是铁芯包围绕组的顶面、底面和侧面。心式结构的绕组和绝缘装配比较容易，所以电力变压器常常采用这种结构。壳式变压器的机械强度较好，常用于低压、大电流的变压器或小容量电讯变压器。绕组是变压器的电路部分，用纸包或纱包的绝缘扁线或圆线绕成；其中输入电能的绕组称为一次绕组（或原绕组），输出电能的绕组称为二次绕组（或副绕组），它们通常套装在同一个心柱上。一次和二次绕组具有不同的匝数、电压和电流，其中电压较高的绕组称为高压绕组，电压较低的称为低压绕组。从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组可分为同心式和交迭式两类。同心式绕组的高、低压绕组同心地套装在心柱上，交迭式的高、低绕组沿心柱高度方向互相交迭地放置。同心式绕组结构简单、制造方便，国产电力变压器均采用这种结构。交迭式绕组用于特种变压器中5。从变压器技术的发展趋势来看，我国生产500KV级变压器已经成熟，今后750KV级变压器的装备将继续增长，特高压变压器的研究和应用将进一步加强。对于35KV200KV电力变压器，下一步的发展重点是进一步降低损耗。现在的“9”、“10”型35KV200KV产品，从节约能源、产品总费用最低的观点来看，其损耗仍然偏大。国外国际招标的这一范围的变压器，其损耗低于“9”型标准。我国加入世贸组织，变压器的招标国际规范化，损耗将折入投标总价，势必将向更低损耗方向发展。1、从提高变压器强度观点出发，电流密度低，绕组短路应力也低，所以降低损耗是提高变压器抗短路能力的直接的有效措施；2、向免(少)维护、高可靠方向发展。这就要求产品有低的局部放电，牢固的运输定位，无渗漏，有效的漏磁控制技术，足够的抗短路能力，铁芯不发生多点接地，油质保护措施以及焊死油箱等；3、大城市高负荷密度特殊重要场所的降压变压器将无油化；4、开发220KV三绕组变压器和自耦变压器高阻抗产品。此类产品往往在高中阻抗适当增大的同时，要求低压侧短路电流不超过某限值，因而高低阻抗往往要达到40%50%甚更高；5、适当提高阻抗电压，以降低短路电流；6、开发研究低损耗、低噪声、低温升型产品；7、标准问题。上述许多都涉及这类产品的标准(主要是性能标准)。随电网建设，特别是城网的发展需要，标准也要适时扩展。长期以来，在我国变压器行业中，由于在结构设计方面缺乏先进的手段，各生产厂家只能沿用经过多年实践检验过的结构类型，对产品结构改进态度特别慎重，变压器结构型式多年不变，科技人员的创造思维被抑制。在科学技术飞速发展的今天，在产品竞争激烈的市场经济条件下，如果不能吸取最新科研成果，不断更新换代产品，企业将无生命力可言5。2.3 变压器的注意事项1确定硅钢片品种、牌号及铁芯结构型式，计算铁芯柱直径，选定标准直径，得出铁芯柱和铁轭截面积。铁芯采用3级步进搭接，目的是使铁芯片与铁芯片之间的空气间隙小，减少漏磁损耗。2根据硅钢片牌号，初选铁芯柱中的磁通密度，计算每匝电势。3初算低压线圈匝数，凑成整数匝，根据整数匝再重算铁芯柱中的磁通密度及每匝电势，再算出高压线圈匝数。4根据变压器额定容量及电压等级，确定变压器的主、纵绝缘结构。5根据线圈结构型式，确定导线规格，进行线圈层数、匝数的排列，计算线圈轴向高度及辐向尺寸。6初算阻抗电压无功分量()值，大容量变压器的值应与阻抗电压()标准值相接近；小型变压器的值应小于标准值。7计算线圈负载损耗、空载损耗，算出阻抗电压的有功分量()，检查阻抗电压是否符合标准规定值，若不符合时应调整达到标准规定值范围。降低空载损耗方法。 a.降低磁密 b.使用较好的硅钢片 c.减少铁的重量。8计算线圈导线对油的温差，不合格时，可调整导线规格，或调整线段数及每段匝数的分配，当超过规定值过大时，则需要变更铁芯柱直径。 9计算空载性能及变压器总损耗，计算油温升，当油温升过高或过低时，应调整冷却装置的数目。10计算变压器重量。应该指出，电力变压器计算必须根据国家经济、技术政策和资源情况以及制造和运行方面的要求，合理地制定变压器的性能参数数据，确定变压器相应的主要几何尺寸、电磁负载和电、热、机械方面的性能数据来满足使用部门要求。要有良好的工艺性，使其制造简单，产品的价格应便宜，由于制造和运行的角度不同，对某些性能数据的要求也往往有所不同。在进行变压器计算时必须综合考虑各方面因素，并进行电磁计算结果总结。 第3章 变压器电磁计算及空载损耗的分析3.1 变压器电磁计算电磁计算是电力变压器设计的核心部分。电力变压器的设计计算首先要满足有关的国家标准、行业标准的要求，同时还要符合特定的生产合同要求。变压器设计的任务就是根据上述的技术规范，确定变压器电磁负荷、几何尺寸和电、热、机械等方面的性能参数，以满足使用部门的要求。所设计的电力变压器技术参数如下：1额定容量：25000KVA2高压侧线电压 ：KV，低压侧线电压：10.5KV3联接组号：YN,d114变压器相数：3相5额定频率f：506冷却方式：油浸自冷式7空载损耗：18.5KV8负载损耗：98.2KW9空载电流： 0.2 10短路阻抗：8.0% 11铁心材料：30RK105+30RK10012. 导线材料：高压, ZB-0.45 高压分接线，ZB-1.35 低 压, ZB-0.453.1.1额定电压和电流1. 电压、电流及匝数的计算是在假定变压器无电阻、无漏磁、无铁耗的情况下进行的，因为这些问题对计算结果影响很小。2高压线圈为“Y”接线时，其各级分接的线电压分别为； ； 相电压为线电压的，V； ； ； 3. 低压线圈“d”接，4. 高压线圈“Y”接，线、相电流相等，即 5.低压线圈“d”接，； 3.1.2铁心的确定一、铁心直径的确定铁心直径的大小直接影响材料用量，变压器体积和性能等经济指标，硅钢片重和空载损耗随铁心直径增大而增大，而线圈导线重和负载损耗随铁心直径增大而减小。根据简化公式计算铁心直径其中: D-铁心直径， -对冷轧硅钢片铜线变压器,取60 -每柱容量， 所以铁心直径取 D=570二、铁心截面的确定1铁心的级数的确定铁心柱截面为一多阶梯形，外形接近于一个圆。这个阶梯形的级数越多，有效截面越大，但制造工时也越多。根据材料供应情况和制造工艺水平，尽力增加铁心柱级数。2叠片系数叠片系数是由硅钢片的标准厚度、破浪性、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叠片系数，因为其他因素变化不大。直径取570，叠片系数取0.97。3.铁心有效截面积3.1.3线圈匝数的计算1每匝电势的确定 按电磁感应定律得 伏/匝2初选每匝电势取铁心中磁通密度所以每匝电动势为：伏/匝其中：-初选磁通密度, T -铁芯有效截面积，c3低压线圈匝数，取114匝每匝电势实际值伏/匝4磁通密度实际值5高压线圈匝数 因为高压线圈的分接范围为，故首先应求出2.5%相电压匝数。2.5%相电压=，2.5%匝数=510/=5.54取 5匝和6匝两种。实际2.5%电压为 3.1.4分接电压比较核 误差-7.5%匝数=203匝，实际电压=18696.3V 误差=0.023%-5%匝数=208匝，实际电压=19156V 误差=0.2%-2.5%匝数=214匝，实际电压=19708.6V 误差=0.03%额定匝数=219匝，实际电压=20169.1V 误差=0.16%+2.5%匝数=225匝，实际电压=20721.7V 误差=0.047%+5%匝数=230匝，实际电压=21182.2V 误差=0.17%+7.5%匝数=236匝，实际电压=21734.8V 误差=0.05%+10%匝数=241匝，实际电压=22195.3V 误差=0.15% 误差0.25% 即5%匝数=208匝，实际电压=19156V 误差=0.2%3.1.5线圈形式及排列1. 线圈高度的估计 线圈物理高度电抗高度 = =918mm2. 高压线圈采用连续式，低压线圈采用单半螺旋式绕线方式3. 线圈撑条数为164. 高压线圈的段数及每段匝数的确定 高压线圈最小分接匝数为197，当每段匝数为2、3、4时，197/2=98.5100；197/3=65.6768；197/4=49.2552 取68段，每段3匝，总匝数为683=204，多了7匝，故可将68段中7段取2匝，即得出实际匝数 E613183 G 7 214 合计681973.1.6导线的选择 1.高压线圈共68段67个油道，油道总高度为673+30=231 导线总高度为918-231=687 每根导线高687/68=10.1，裸导线高度为 10.1-0.5=9.6，导线高度为9.6 2. 导线宽度a的选择电流密度取2.74，A=150.36，b=9.6，查找表格a=2.0时截面积最接近，采用8根并绕的绕线方式，匝绝缘为0.5 导线带绝缘=9.6+0.5=10.1导线总高度=6810.1=686.8油道总高度=231线圈高度=686.8+231=917.8mm 3. 低压线圈导线的选择油道=643=192 271.5 导线高=918-271.5=647mm531.5=79.5每根导线带绝缘高度为647/118=5.6mm ，去掉绝缘为5.1mmb=5.1mm 4. 导线宽度a的确定，b=5.1mm 查找表格a=2.1mm 采用24根并绕的绕线方式 3.1.7线圈辐向尺寸计算 1. 低压线圈 导线厚度，加绝缘为2.1+0.5=2.6 辐向厚度=242.61=63mm2. 高压线圈 导线厚度，加绝缘为2.0+0.5=2.5 辐向厚度=82.531.01=61mm3. 高压调压线圈 导线厚度，加绝缘为5.4+0.5=5.9 辐向厚度=5.92=12mm3.1.8绝缘半径计算主绝缘距离是根据试验数据和制造经验确定的。-低压线圈套装裕度，取3mm-低压线圈对铁心绝缘距离，取12mm-高压线圈与低压线圈之间的绝缘距离，取37.5mm-低压线圈辐向尺寸63mm-高压线圈辐向尺寸61mm-低压线圈内半径-低压线圈平均半径-低压线圈外半径-高压线圈外半径-高低压线圈间空隙平均半径-高压线圈平均半径-高压线圈外半径-调压线圈外半径-线圈外径-两铁心柱的中心距离-相间距离 图1 绝缘半径示意图3.1.9阻抗电压计算当线圈几何尺寸确定后，应首先计算阻抗电压，当阻抗电压符合要求后，才能进行线圈数据计算。阻抗电压由电阻压降和电抗压降两部分组成，但对较大容量变压器，因为阻压降很小，计算时可以略去。电抗压降都是以额定电压的百分数表示的，其计算公式如下 图2 阻抗电压计算结构示意图式中-额定频率，50赫 -低压线圈安匝数=794114=90516 -漏磁宽度， =319.1 -每匝电压，92.1 -高低压线圈平均有效电抗高度，89.72 -漏磁场总厚度，22.43 -洛氏系数，取0.93 -0.98 =7.90%阻抗电压的允许误差值，按标准规定为10%，但由于制造时，影响因素较多，故一般计算时，误差控制在34%以下该误差为，符合标准的规定。3.1.10高压线圈及调压线圈数据计算高压线圈1. 电流密度， -高压导线总截面积2. 平均匝长，m 3. 导线总长，m额定电压时，导线总长，m式中 -最高分接电压时的匝数 -额定电压时的匝数4.时额定电压时的电阻， 式中 -铜的电阻系数，取0.01885. 时高压线圈负载损耗，6. 高压线圈铜线重量， 式中 g-铜的毛重调压线圈1. 电流密度2. 平均匝长3. 截面积122.4834. 导线总长5. 时调压线圈电阻 6. 时调压线圈负载损耗7导线重量，kg 3.1.11低压线圈数据计算1. 电流密度， -低压导线总截面积2. 平均匝长，m 3. 导线总长，m4时低压线圈电阻， 5. 时低压线圈负载损耗，6. 低压线圈导线重量，3.1.12铁心计算线圈几何尺寸确定后，即可计算铁心各部的几何尺寸和铁心硅钢片的重量1. 铁心柱中心距2. 铁心窗高的计算 mm3. 铁心柱部分重量4. 铁轭部分重量5. 铁心转角重量 6. 铁心硅钢片重量3.1.13空载损耗和空载电流的计算 一、变压器的空载损耗，就是硅钢片中的损耗，故又称铁心损耗。这个损耗决定于硅钢片的材质和加工工艺的质量，也决定于铁心各部分的磁通密度和重量。按磁通密度B，查得每公斤硅钢片的损耗为 K-系数，取1.05二、空载电流计算 空载运行时在一次线圈中和铁心中产生的有功损耗的有功电流和产生磁通的励磁电流之和为空载电流。无论从变压器安全运行或从变压器经济运行角度来看，都希望空载电流要小，应当提出的是在铁心设计不恰当的情况下，磁密接近饱和时，空载会用电流中峰值，可能引起空载电流稳定值的剧增，达到100倍左右，将在一次线圈上产生危险的机械力。主要调整对空载电流影响较大的无功分量，适当减小磁密即能减小空载电流。1 有功分量计算 2. 无功分量计算 -系数，取1.05 -铁心单位激磁容量，伏安/公斤；查表得2.374 -接缝数单位面积激磁容量，伏安/， -接缝数，8 合格3.1.14涡流损耗百分数的计算涡流损耗的计算，首先要算出涡流损耗占短路损耗的百分数1. 高压线圈涡流损耗百分数的计算 2. 低压线圈涡流损耗百分数的计算 3.1.15线圈对油温升计算 1. 线圈对油的温升计算，首先要算出线圈表面热负荷，即线圈单位表面积所负担散出的损耗瓦数。一般连续式线圈的热负荷计算，是以一个负荷最大的线饼计算的，按下式计算 表1绝缘厚与k的取值表0.64及以下0.760.8811.121.241.4K00.000230.000460.00070.000940.00120.0015式中 I-线饼中流过的电流，A -系数，与导线的导电率有关，铜导线取22.1 -线饼中的电流密度， -线饼中匝数，即每段匝数 -线匝绝缘校正系数，时，=1 -; -线饼断面的周长，mm2 高压线圈的热负荷 3. 高压线圈对油温升 3 低压线圈的热负荷 4. 低压线圈对油温升 3.1.16油箱的设计 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，但在计算时也应尽量估计准确。1. 油箱断面尺寸因为高压侧电压较低，套管较小，故油箱尺寸主要由开关决定。 按图中要求估算油箱尺寸 图3 油箱截面示意图油箱的宽度B 油箱的长度L 油箱直线部分 2油箱高度 油箱高度= 3.1.17杂散损耗计算 油箱周长 油箱平均半径 漏磁通在结构上产生的损耗 -系数，三相变压器当电抗时，取2.19 -电抗压降百分数 -每柱磁通-线圈有效电抗高度-高低压线圈间空道的平均半径mm3.1.18总损耗计算项 目损耗损耗高压线圈负载损耗37683高压线圈涡流损耗37683 4.2%1583低压线圈负载损耗32152低压线圈涡流损耗32152 4.35%1399杂散损耗8103引线损耗 32152 2%643调压线圈负载损耗6561总负载损耗8812490944空载损耗2062220622总损耗1087461115663.1.19散热及温升计算一、散热面计算1. 平定油箱顶部几何面积 2. 下部箱壁 3. 箱壁有效散热面 二、散热器的选择1. 估算油平均温升 2. 估算热负荷 3. 估算有效的散热面积 4. 散热器的总散热面 5. 散热器中心距选择1800mm合适6. 散热片的选择 9只 面积25.5三、油平均温升计算总散热面热负荷 四、油顶层温升计算五、线圈平均温升计算1. 高压线圈 2. 低压线圈 3.1.20变压器重量计算1. 器身重量-杂类系数，铜线圈变压器110KV及以下为1.15-硅钢片重量, -铜导线重量，2油箱内油重计算器身排油量空油箱装油重-油箱高度-油箱横截面积油箱内油重散热片中油重量储油柜中油重 总 油 重 3油箱及附件重量计算箱盖重量 -箱盖厚度 箱底重量 -箱底厚度 箱壁重量： -油箱壁厚 总油箱重： 附件：散热器3681kg 储油柜550kg 套管 100kg 小车 0 净油器0 4. 变压器总重 3.2 本章小结本章通过给定的参数首先确定产品的规格和技术要求，确定材料的选取，然后利用在资料上选择的公式按照步骤计算出额定电压和额定电流、阻抗电压、导线数据、铁心数据、负载损耗数据、温升数据计算、变压器油重和变压器重量计算。由上面的分析可知，对变压器的主要性能指标影响较大的参数是铁心柱直径D,电抗高度，电密及磁密B四个参数。这四个参数不但对其他量如匝电压和铁心结构，线规等有影响，而且彼此制约，因此在调整时必须统筹兼顾，经过多次重复调节最终确定铁心结构和线规型号，以此来设计变压器参数。3.3变压器空载损耗的分析3.3.1 空载损耗的意义变压器的空载特性包括空载损耗和空载电流。它们是变压器主要性能指标之一。空载损耗由铁心的磁滞损耗和涡流损耗及附加损耗组成8。分析如下：变压器的空载电流产生磁势及磁通。由于磁通主要在铁心中通过，因此在铁心硅钢片中将产生一定的损耗，即空载损耗。此外，在一次绕组中流过时产生导线电阻损耗，由于很小（占额定电流的百分之几），所以导线电阻损耗常被忽略不计。另外，除了大部分磁通由铁心中通过外，还有很小一部分漏磁通沿钢铁结构件（夹件、压板、箱盖等）形成闭合回路，在这些钢铁件中产生附加损耗，由于这些损耗很难准确计算，故往往用一个附加系数来表示。空载损耗主要是铁心损耗，而铁心损耗又分为涡流损耗和磁滞损耗。一般在计算空载损耗时并不把它们分开，而只计算总的空载损耗。当外施电压为正弦波且铁心中忽略涡流的去磁作用，即磁通密度沿硅钢片截面均匀分布时，单位铁损（）可按下式计算： (3-1)式中为磁通密度幅值（）; 为硅钢片厚度();为附加损耗()，式中第一项为磁滞损耗，第二项为涡流损耗，对于现在硅钢片而言，其指数取n=22.5。系数与取决于硅钢片的特性，可用试验方法求的。磁滞是硅钢片基本物理现象。当铁心励磁到磁化点在降低时磁场强度不是沿原线下降而是滞后于原线，此现象称为磁滞，其所引起的损耗称为磁滞损耗。随磁场强度增加，磁滞回环的面积增加。1铁心的涡流损耗则为单位体积内的损耗乘以铁心重量。2硅钢片的附加损耗是由铁心的不均匀、励磁和计算式中未考虑到磁通的法线分量引起的涡流损耗，它与铁心结构形式和硅钢片型号有关，其值占空载损耗的5%30%。实际计算时不用以上公式，而是对不同的硅钢片在不同的B值下实际测定的曲线或制成的表格，根据不同的B值查出所对应的值，在乘以铁心重量得出总的空载损耗。空载损耗的工厂计算方法： (3-2)其中：为硅钢片单位损耗（）；为空载损耗附加系数，它决定与铁心加工工艺水平参考如下表3-1：表3-1附件损耗系数()铁心柱直径D（mm）105及以下110-120210及以上热轧硅钢片1.11.151.25冷轧片（不退火）1.41.331.25冷轧（全斜接缝）1.21.153.3.2 影响空载损耗的因素 变压器的空载损耗的计算公式如下： (3-3)式中：工艺系数；单位损耗；硅钢片质量。要降低变压器的空载损耗，就得考虑，和，而这涉及到工艺和设计两个方面。1制造工艺方面式（3-3）中的理论值为1，实际上与铁心的结构状态、工艺制造水平相关9。以铁心的结构为例，采用全直接缝结构时，为1.5；采用全斜接缝结构时，采用全斜接缝结构的已减到1.12。可见，在相同结构条件下，提高工艺制造水平可降低。铁心制造时，直接影响工艺系数的因素有如下几个方面：1)硅钢片表面平整度。铁心产生的磁力线，是在硅钢片组成的闭合磁路内交替进行的，硅钢片表面不平，必将影响到磁力曲线的分布，引起损耗增加。另外，硅钢片表面不平，在其加工过程中，易引起其表层漆膜的磨损，造成磁线扭曲，局部短路导致铁心空载损耗增加。所以，在铁心制造过程中，应该将硅钢片表面的平整度（波浪性）作为一工艺参数加以考核。2)毛刺。硅钢片在剪冲加工过程中产生的毛刺，使铁心片边缘发生短接，形成电路短路，引起空载损耗增大及铁心局部过热。3)内、外应力。在加工过程中，硅钢片因受剪冲加工设备的剪切力、拉力、压力和弯曲力等的作用，会产生对应的内、外应力，使剪切加工处铁心的结晶格排列发生变化，阻碍磁力线的顺利通过，使空载损耗增加。4)铁心离缝。变压器产生的交变磁通在铁心组成的磁路内交替进行，在铁心离缝处磁力线集中，局部过饱和，激磁电流增加，铁心损耗增大。一般要求离缝小于0.8，但是为便于铁心叠装时的插片，离缝也不能太小。综上所述，制造工艺水平的提高对降低变压器空载损耗大有好处10。2技术设计方面式（3-3）中，与硅钢片的材质有关，与变压器的结构、磁路长短和心柱直径等有关。所以，在变压器铁心设计时，应考虑硅钢片的材质、厚度，变压器铁心的结构，叠积方式等。硅钢片按轧制方向可分为有取向和无取向两种。一般有取向硅钢片磁化性能好，空载损耗低。按加工方法有冷、热轧硅钢片之分，冷轧硅钢片晶粒取向性好，单位损耗小，空载损耗低。现在变压器铁心一般采用冷轧有取向硅钢片。变压器铁心的空载损耗包括磁滞和涡流两种。涡流磁场会减弱主磁场。铁心的中部所链的涡流回路数最多，所以中心部分的去磁作用最明显。结果沿边缘的磁通多于中间的磁通，形成“趋表效应”。可见，采用薄硅钢片，不仅能有效减少涡流，而且能降低“趋表效应”的不良影响。硅钢片越薄，空载损耗越低；但硅钢片越薄其加工工艺难度大，成本高，叠装时费时且片间绝缘所占尺寸相对增加使叠片系数下降，造成磁通密度增加。所以目前采用的硅钢片厚度在0.23与0.35 间。3.3.3降低空载损耗的措施在21世纪中，“节能与环保”是人类面临的两大共同的主题11。我国政府对此也相当重视，在各行各业中，不断寻找新的节能、降耗途径，永远是我们共同追寻的目标。要降低变压器的空载损耗从式 (3-4)看，只有从降低铁心的质量、单位损耗以及附加损耗系数这三个方面着手，下面对此进行进一步的分析。1降低铁心的总质量根据变压器原理，降低铁心的总质量往往会增加导线材料的消耗即铜重，是否合理要通过全面的技术经济比较才能确定，并不能简单的下结论，也可缩短铁心磁路的尺寸，从而降低铁心的总质量。2降低铁心材料的单位质量损耗不言而喻，越是优质材料，它的单位损耗就越低，但随之价格也更高。另外，降低工作磁密叶可使单位质量的损耗降低，但随着设计磁密的降低，铁心的质量也会增加，因此这样是否合适同样不能简单的下结论，同样存在一个全面技术经济比较的问题。3降低铁心附加损耗系数这是降低空载损耗的一条行之有效的途径。因为所谓附加损耗系数也可以理解为制品铁耗与材料铁耗之比，即它的大小既与变压器铁心的结构有关，又与制造工艺有关。随着制品铁耗增大，铁心附加损耗系数也就会增大（因为当材料一定时，材料铁耗是不变的）虽然我们已经在表3-1中的值给出了附加损耗系数的参考值，但近年来，随着结构形式和工艺的进步，这个系数已有了显著的降低12。在不同工厂之间，由于工装设备的先进性和工人操作水平个不相同，这个系数的值将会是不一样的。为了探索如何减低附加损耗系数的值，首先我们来看看引进制品铁耗增加的原因。归纳如下：综上所述可知，只有降低制品铁耗才能使优质材料的优越性能得以充分发挥。降低附加系数的方法如下：1)改变每层叠片的数量，降低铁心空载损耗2)减小铁心搭接宽度，降低铁心空载损耗3)采用阶梯接缝降低铁心空载损耗3.3.4降低电力变压器空载损耗的意义空载损耗是变压器的重要参数，只要投入电网，不论带多大负荷，空载损耗都是一样的，空载损耗与变压器带负荷多少无关。如果一台变压器的空载损耗能够降低10KW，运行一年可以节省电能约87600KWh，节约资金约35040 元；如果按照一台变压器使用寿命为30 年，运行30 年可以节约资金105 万元，节约效果显著。要制造出空载损耗更低的变压器，一方面要用单位损耗更低的硅钢片；另一方面要改进结构和提高制造工艺水平，降低铁心空载损耗。使用单位损耗更低的硅钢片会增加铁心制造成本，而通过改进结构和提高制造工艺水平降低空载损耗，即能够节约材料，又能节约成本和能源，这将是变压器制造企业长期追求的目标。要降低变压器的空载损耗，就要了解空载损耗的组成, 每部分的影响因素。针对这些影响因素，采取一些可行的方法，达到降低空载损耗的目的。变压器的空载损耗由磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗组成，即 W (3-5)铁心中的磁滞损耗在整个空载损耗中所占比重随铁心的材质不同而有所不同( 冷轧硅钢片为25%50%) 。磁滞损耗的经验计算公式为： W (3-6)式中：与材料有关的损耗系数；F交变磁场的频率，Hz；Bm磁密峰值，T。G铁心质量, Kg根据电磁感应定律原理，交变磁通在硅钢片内产生感应电势。在这个电势作用下，产生电流Ie，由焦耳定律得到： (3-7)式中： R硅钢片电阻, 单位重量的涡流损耗： (3-8)式中：磁通密度幅值, T；硅钢片厚度, ；硅钢片电阻率, ；硅钢片的密度, ；交变磁场的频率, Hz；励磁电流波形系数。由式(3-5) 可见，涡流损耗是与硅钢片厚度平方成正比的，减小硅钢片厚度, 能使涡流损耗降低。但厚度减小后，引起叠片系数降低，冲剪和叠装工时增多13。铁心附加损耗的大小主要由以下三个因素决定：1材质特性。如硅钢片的方向特性、加工劣化特性及绝缘膜的特性等。2设计结构。如心柱铁轭是否冲孔，角部接缝形状( 对接、搭接、多级搭接) ，铁心整体紧固结构等。3工艺加工。如冲剪加工的尺寸精度和毛刺大小、硅钢片在搬运和叠装过程中的轻拿轻放以及叠装质量等。3.4 本章小结在21世纪中，“节能与环保”是人类面临的两大共同的主题。我国政府对此也相当重视，在各行各业中，不断寻找新的节能、降耗途径，永远是我们共同追寻的目标。所以降低变压器损耗是如今变压器行业的使命，降低空载损耗也是设计的重要任务之一，一般调磁密改善绝缘结构才能降低空载损耗。但降低变压器的空载损耗主要是是铁心材料的选择取决于硅钢片工艺水平。即使用硅钢片越薄越好，级数越多越好，但超过6级也不在适用，系列亦在研究将会取代现在的等，变压器的铁芯材料已发展到现在最新的节能材料非晶态磁性材料如，非晶合金铁芯变压器便应运而生。使用制作的变压器，其铁损仅为硅钢变压器的，铁损大幅度降低。可见降低空载损耗还有待于开发新产品。千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。“结论”以前的所有正文内容都要编写在此行之前。59结论本文首先描述了变压器的发展状况和发展前景，即变压器是电力系统中不可或缺的输变电设备，开发更经济更节能环保的变压器也是当今电力行业的首要任务。其次介绍了变压器原理，然后进行一台100KVA/10KV小型电力变压器设计的电磁计算，利用给定的标准参数，确定产品的规格和技术要求，确定材料的选取，然后利用在资料上选择的公式计算出额定电压和额定电流、阻抗电压、导线数据、铁心数据、负载损耗数据、温升数据、变压器油重和变压器重量计算，设计出一台完整的变压器，且使其性能指标达到国家标准。由于是本人知识有限，在设计中有些没有照顾到例如温升有些偏低，即浪费了材料也增加了成本。最后讨论了变压器空载损耗，要开发低损耗、低成本、高性能的变压器的首要任务是降低损耗，降低变压器铁心的空载损耗，涉及到变压器铁心制造工艺和技术设计两个方面，主要方法有采用优质的硅钢片，提高硅钢片加工工艺和铁心工艺水平。在变压器铁心结构确定的情况下，关键是提高铁心制造中硅钢片剪切的工艺水平，引进先进的硅钢片剪切设备。另外，新型非晶态铁磁材料的进一步开发和利用，生产工艺及应用制作工艺的进一步完善也是降低变压器铁心空载损耗的突破点。致谢感谢我的指导教师徐永明老师，在他的辅导和同学的帮助下，我才得以顺利完成任务，在此还要感谢江苏华鹏变压器有限公司，在那实习使我对变压器有了更全面的认识。我也在严厉的教导中学到了大量的新知识。也使我懂得了做学问是来不得半点虚假的，只有坚定信心、敢于创新、勇于探索，大胆的构思、不畏繁琐，细心、踏实的钻研，才能达到一个崭新的境界。由于水平的限制，再加上自己对知识的了解还不够深刻，本论文中可能还存在着许多缺陷或不足之处，希望各位老师能够指出，并提出宝贵意见。参考文献1 电力变压器手册编写组.电力变压器手册.辽宁科学技术出版社，19902 路长柏，朱英浩等编著.电力变压器计算.黑龙江科技出版社，19903 吴希再，熊信银，张国强编著.电力工程.华中科技大学出版社，19974 尹克宁.变压器设计原理.水利水电出版社，20025 路长柏编著.电力变压器绝缘技术.哈尔滨工业大学出版社,19976 苏C.B.瓦修京斯基.变压器理论与计算.崔立君等译.机械工业出版社，19837 刘传彝编著.电力变压器设计计算方法与实践.辽宁科学技术出版社， 20028 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.电机工程手册（第二版）.机械工业出版社，19969 保定天威保变电气股份有限公司编.变压器试验技术.机械工业出版社，200010 中国电机工程学会农村电气化分会. 低损耗卷铁心配电变压器现状及市场调研活动调研报告. 农村电气化，2002，增刊（低损耗卷铁心变压器专集）：11-13.11 陈玉国等. 国内卷铁心变压器发展概述J. 农村电气化，2004，（11）：13-1412 邱昌容，曹晓珑合编.电气绝缘测试技术（第3版）.机械工业出版社，200113 日M.IKEda et al.PD and BD probability distribution and equi-probabistic v-t characteristics of oil-field transformer insulation. IEEE Power Apparatus &Systems, 1983,102(6):1693-170114 Intermaticnal Electrotechnical Comission. INTERNATIONAL STANDARD. On pas, 1999: pp93315 Reinhard Schlosser, Heinz Schmidt. Development of High-Temperature Superconducting Transformers for Railway Application. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, (19):637642附录一发展高温超导变压器铁路应用摘要西门子公司介绍高温超导（高温）变压器。该项目始于1996年10月结束于2001年9月。这个项目的目的是展现未来超导铁路变压器的前景。研究这种变压器的原理，作者是第一位设计建造并测试了单相变压器在100千伏安， 50赫兹， 5.5 千伏/1.1千伏下。在此成功地进行了测试，我们开始设计和制造单相变压器为1 MVA， 50 赫兹， 25 千伏/1.4千伏。这个装置已经拥有商业变压器在各方面的全部性能，例如，功率范围，额定电压， 铁心距，两极绕组和在25%额定电流下的阻抗。更创新的特点是换位导线和一个封闭的氮气循环冷却。该报告描述了1 MVA变压器的详细设计，并提出电力和热变压器例行试验的结果（例如，测量负载损耗和空载损耗） 。结论强调了未来高温超导变压器在铁路的应用。关键词 高温超导体；铁路运输； 变压器一、概述在发现高温超导和提供第一批高温超导导线用于绕组后， 世界各地有3-5个群体开始发展高温超导变压器。所有这些项目的共同点是他们的目标是