论文SH15-80010-0.4箔式非晶合金变压器电磁计算.doc

南华大学电气工程学院毕业设计1 非晶合金变压器综述1.1非晶合金材料在日常生活中人们接触的材料一般有两种：一种是晶态材料，另一种是非晶态材料。所谓晶态材料，是指材料内部的原子排列遵循一定的规律。反之，内部原子排列处于无规则状态，则为非晶态材料, 一般的金属，其内部原子排列有序，都属于晶态材料。科学家发现，金属在熔化后，内部原子处于活跃状态。一但金属开始冷却，原子就会随着温度的下降，而慢慢地按照一定的晶态规律有序地排列起来，形成晶体。如果冷却过程很快，原子还来不及重新排列就被凝固住了，由此就产生了非晶态合金,制备非晶态合金采用的正是一种快速凝固的工艺。将处于熔融状态的高温钢水喷射到高速旋转的冷却辊上。钢水以每秒百万度的速度迅速冷却，仅用千分之一秒的时间就将1300的钢水降到200以下，形成非晶带材。非晶态合金与晶态合金相比，在物理性能、化学性能和机械性能方面都发生了显著的变化。以铁元素为主的非晶态合金为例，它具有高饱和磁感应强度和低损耗的特点。由于这样的特性,非晶态合金材料在电力、能源、电子、航天、机械、微电子等众多领域中具备了广阔的应用空间。例如，用于航空航天领域，可以减轻电源、设备重量，增加有效载荷。用于民用电力、电子设备，可大大缩小电源体积，提高效率，增强抗干扰能力。微型铁芯可大量应用于综合业务数字网ISDN中的变压器。非晶合金神奇的功效，具有广阔的市场前景。1.2非晶合金的主要特点（1）非晶合金铁心1）非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的1/10；叠片系数较低，只有0.86；带材有142、170、213mm3种宽度。2）非晶合金的饱和磁通密度较低，单相变压器一般取1.31.4T，三相变压器一般取1.251.35T，因此，产品设计受到材料的限制。3）非晶合金的硬度较大，是取向硅钢片的5倍，因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形。4）非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力，为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。其退火工艺比较复杂，要求较高。5）非晶合金铁心材料退火之后的脆性（易产生碎屑）也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。6）非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。图1.1 单相非晶合金铁心结构示意图7）单相非晶合金铁心变压器的铁心结构一般为“框”形，如图1.1所示；三相变压器的结构则由4个“框”合并成类似的三相五柱式结构，如图1.2所示；容量较大时，则采用8个铁心框叠放在一起的结构 。图1.2 三相非晶合金铁心结构示意图（2）非晶合金铁心变压器运行后的空载损耗非晶合金片磁滞损耗和涡流损耗都明显低于取向硅钢片，因此非晶合金铁心配电变压器的空载损耗只有S11型配电变压器空载损耗的40，甚至更少。但也有人认为，运行后的非晶合金铁心变压器的空载损耗会呈增加趋势。此问题早在开发非晶合金变压器期间已经有所考虑。1982年，第一台非晶合金铁心变压器在美国挂网运行；1983年，美国电力研究院（EPRI）、GE公司及纽约州电力公司曾考虑到了这一问题，并于1985年，将已制成的台、柱上变压器送到个成员单位进行为期年的现场试验。现场试验的测试数据表明，运行2年后其空载电流和空载损耗与交付试验时的极为接近。日本东京电力公司、Takao电气公司和日立电气公司对非晶合金变压器的长期可靠性做了深入细致地研究。他们从1991年起对不同容量的200台非晶变压器进行了加速老化、现场运行、短路、冲击等试验，还进行了负荷和振动对变压器空载特性的影响测试。研究结果表明，在30年寿命期内，其空载特性是稳定的，运行是可靠的。我国对此问题亦有研究。1995年，作为非晶合金配电变压器试运行单位的甘肃省天水市北道区电力局，根据冶金部、电力部关于攻关试验项目试验测试的规定要求，对10台挂网运行2个月的非晶合金变压器进行了测试，测试结果与运行前的测试值是相一致的。铁心材料被制作成形铁心后已经过了约400高温的退火处理，这对于正常运行温度、短路热稳定温度都已是足够高的了，所以不必担心材质会在30年寿命期内因温度而发生变化。因此，非晶合金变压器不存在空载损耗在运行中会有所增加的可能。（3）非晶合金变压器噪声研究表明，铁心片的磁滞伸缩现象是产生变压器噪声的主要原因，这与铁心的尺寸和磁通密度有关系。在10%同一磁通密度下的磁滞伸缩程度，非晶合金的这一指标比传统晶粒取向冷轧硅钢片高。但是，冷轧硅钢片的饱和磁通密度较高，约为2.03T，而非晶合金的饱和磁通密度较低，约为1.5T。因为非晶合金铁心变压器的额定工作磁通密度（1.251.35T）要比冷轧硅钢片铁心变压器的额定工作磁通密度（1.631.73T）低得多，因而二者的实际磁滞伸缩是接近的。但是，非晶合金铁心变压器与同规格传统铁心变压器相比，其铁心质量大40%左右，有效截面积大50以上，这在一定程度上会使变压器噪声增大。另外，铁心自身结构和制造工艺对噪声也有一定的影响。非晶合金铁心表面涂覆有环氧树脂，如果树脂涂覆不好或由于树脂质量差或调配比例不当而引起树脂脱落，或者接缝叠装不整齐等都会增加变压器噪声。因此在产品设计中有必要对铁心和器身采取接缝涂漆、加消音垫等减振措施。所以，非晶合金铁心变压器的声级很难控制。在行业标准JB/T1008820046500kV级电力变压器声级中也指出：“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。”然而其噪声并不是不可以控制的，在现有技术条件下，若在非晶合金变压器设计、工艺、制造、使用过程中多加注意，精心控制，则非晶合金铁心变压器也可达到传统铁心变压器的声级水平。但对于噪声要求较严格的场所，建议慎重考虑。（4）联结组由于三相非晶合金配电变压器采用三相四框五柱式铁心结构，每个相绕组套在磁路独立、相邻的两框上。每个框内的磁通除基波磁通外，还有三次谐波磁通，三次谐波磁通占基波正弦波磁通的百分数则与运行时额定磁通密度选用值有关。一个绕组的两个铁心框内的三次谐波磁通在相位上正好相反，数值上相等，因此每一组绕组内的3次谐波的磁通相量和为零。当变压器高压绕组采用D联结时，三次谐波电流在高压绕组三角形内构成回路，在感应出的二次侧电压波形上就不会有三次谐波电压分量。当然，每个框内的空载损耗还是会受到各自框内二次谐波磁通的影响，因而其联结组一般采用Dyn联结。用户在选用产品时应注意这一点。（5）抗短路能力上文已介绍非晶合金铁心的损耗会随着压力的增大而迅速上升。一旦变压器发生短路，所产生的冲击性电动力如果直接作用于非晶合金铁心，铁心是无法承受的。因此，在器身结构上，不能采用将铁心作为主承重结构件的传统设计方案，低压绕组应自保持，一般将低压绕组绕在硬筒上，将高压绕组直接套绕在低压绕组上，装配时将绕组支撑在单独的绕组支撑系统上并压紧固定，这样可使铁心不受压力，减少了变压器短路时径向的内缩或外扩，从而有效地确保了变压器的抗短路能力。这种结构已通过实际短路承受能力试验证明。（6）产品的技术经济性非晶合金变压器的节能效果已经得到广泛的认可，其技术经济性方面的论证已见诸报道。在目前市场状况下，通过对SH15型三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器经济性的分析比较，就投资回收期而言，非晶合金铁心配电变压器在四年多时间里节约的电费就可以补回投资差额，之后用户便可长期受益。1.3非晶合金变压器的发展前景推广应用非晶合金铁心变压器不仅有良好的节能效益，而且还有环保效益。节能相当于减少发电量或少建火力发电厂，从而减少了发电厂排放的CO2、SO2和氮氧化物等。非晶合金铁心配电变压器在国外早已使用并取得了成功经验。美国有100多万台非晶合金铁心配电变压器挂网运行；日本已有35万台在运行，目前世界上最大的5000kVA的非晶合金变压器也在运行；欧盟国家也有应用；亚洲的印度、孟加拉国、韩国、泰国等国家都有非晶合金变压器制造厂。我国从二十世纪九十年代初开始生产和应用非晶合金变压器，但发展较为缓慢，推广的效果不很理想。三相油浸式非晶合金铁心配电变压器与S11型三相油浸式配电变压器相比，其有效材料消耗较大，制造耗费工时较多，因而成本较高。按目前材料价格计，前者的价格约为后者的1.3倍。这一价格与前些年相比，供需双方还是可以接受的，这就有利于大范围推广应用。另外，采购变压器不能只看价格，应对总费用（TOC）进行评估，看其在寿命期内的总成本是否最低。这也是国际上通用的方法。2005年6月，国家电网公司农电工作部在组织讨论非晶合金变压器标准时，已将此方法作为该标准的附录。目前，除油浸式非晶合金铁心配电变压器外，根据市场和用户需要，又推出了多种非晶合金铁心变压器类产品：非晶合金铁心干式变压器、非晶合金铁心地下式变压器、高燃点油非晶合金铁心变压器、非晶合金铁心组合式变压器（即美式箱变）、预装式非晶合金变电站（即欧式箱变）等等，其应用范围越来越广。比如，三相非晶合金铁心配电变压器与新S9型配电变压器相比，其年节约电能量是相当可观的。以800kVA为例，P0为1.05kW；两种型式配电变压器的负载损耗值是一样的，则Pk=0， ，便可计算出一台产品每年可减少的电能损耗为：Ws=8760(1.05+0.620)=9198kWh通过该种规格产品的计算可知，三相非晶合金铁心配电变压器系列产品的节能效果非同一般。由于油箱又设计成全密封式结构，使变压器内的油与外界空气不接触，防止了油的氧化，延长了产品的使用寿命，为用户节约了维护费用。综上所述，非晶合金变压器若能完全替代新S9系列配变，如10kV级配电变压器年需求量按5000万kVA计算时，那么，一年便可节电100亿kWh以上。同时，还可带来少建电厂的良好的环保效益，少向大气排放温室气体，这样会大大地减轻对环境的直接污染，使其成为新一代名副其实的绿色环保产品。总之，国家在城乡电力网系统发展与改造中，若能大量推广采用三相非晶铁心配电变压器产品，其最终会获得节能与环保两方面的效益。2 变压器的电磁计算2.1变压器电磁计算的一般程序图2.1 变压器电磁计算的一般流程变压器电磁计算的一般程序如图2.1所示2.2变压器技术参数的确定 确定技术参数实际上就是确定变压器设计的原始条件。在变压器设计计算之前所需要确定的技术参数主要由国家标准及有关标准以及用户订货时所提出的要求来决定。对于电力变压器而言，设计计算中主要涉及的国家标准有电力变压器（即GB1094）干式变压器（GB6450）与JB_T10318-2002 油浸式非晶合金铁心配电变压器技术参数和要求等。其主要项目如下：表2.1三相油浸式非晶合金变压器性能参数参额定容量、电压组合、联结组标号及性能参数应符合表2.1的规定：额定容量KVA电压组合及分接范围联结组标号空载损耗W负载损耗W空载电流%短路阻抗%高压KV高压分接范围%低压KV3066.31010.511522.50.4Dyn11336001.74.050438701.3635010401.2806012501.11007515001.01258518000.916010022000.720012026000.725014030500.731517036500.540020043000.550024051500.563032062000.34.580038075000.31000450103000.31250530120000.21600630145000.22000750174000.252500900202000.2注：当铁心为三相三柱时，根据需要也可采用Yyn0联结组。其主要项目如下：（1）额定容量：一般应按GB1094中所规定的容量等级，特别注意所推荐优先采用的容量等级。（2）额定电压：应按GB1094及有关国家标准及IEC标准的规定，尤其是出口产品应考虑用户订货的要求。（3）有载调压及无励磁调压范围和级数（4）额定频率：一般为50Hz,个别出口产品可能为60Hz.（5）相数：单相或三相（个别特种变压器除外）（6）绕组联结组标号：按国家标准的规定和用户定货要求来决定。（7）额定性能数据（空载损耗、负载损耗、空载电流、短路阻抗等）（8）额定使用条件：对我国应按国家标准的规定如下：环境温度：最高气温 +40最高日平均气温 +30最高年平均气温 +20最低气温（适用于户外式变压器） -25最低气温（适用于户内式变压器） -5海拔高度：变压器安装地点的海拔高度不应超过1000m，当超过时应按降低绝缘处理，对温升标准也另做考虑。冷却水温度:强油循环水冷式变压器规定冷却器入口处水温为30（9）冷却方式：按国家标准的规定。（10）温升限制（11）绝缘水平 全绝缘：中性点绝缘水平与线路绝缘水平一致。分级绝缘：中性点绝缘水平比线路绝缘水平低，一般用于中性点有效接地系统。降低绝缘：产品的绝缘水平一般比正常产品要低，适用与不直接和架空线路连接的产品。（12）噪音水平：由相应的行业标准所决定。（13）其他特殊参数：如零序电抗值、安装尺寸要求、运行环境要求、运输重量限制等，均有用户与制造厂协商来决定。2.3电压和电流的计算在确定了变压器的技术参数后,在正式的电磁计算开始之前,首先进行电压和电流的计算.这项计算同样也是电磁计算的重要原始条件之一。由于变压器种类繁多，本设计先针对一般单相变压器和三相变压器的电压和电流计算的原则和方法进行介绍。2.3.1 单相变压器（1）当两个芯柱上的绕组相互串联时每柱电压： ， V每柱电流（总电流）：， A式中 额定电压，VI 额定容量，A（2）当两个芯柱上的绕组相互并联时每柱电压：，V总电流： ，A每柱电流：，A2.3.2 三相变压器由于三相变压器有Y接法（或YN接法）与D型接法两种类型，因此在计算电压、电流时，必须线值有相值的关系，下面分别介绍这两种情况。图2.2 Y（YN）接法（1） Y（YN）接法,如图2.2。这种接法多用于高压绕组，又可分为短部出线与中部出线两种情况，当采用Y接法时，具有以下关系电压： ，kV 电流： ，kVA式中、每相的额定电压、额定电流值。当采用中部出线时，每相电流为额定相电流的一半。（2） D（三角形）接法图2.3 D（三角形）接法 这种接法多用于中、低压绕组，如图2.3。其特点为相电压等于线电压，但相电流为线电流的 ，即 电压： ，kV 电流： ，kA另外对于有分接头的变压器，还应分别计算在不同分接头下的电流和电压。宗上所述可知，根据已知的额定容量、额定电压（包括各分接电压）、变压器绕组的接法以及相数等，按照上述各有关公式，即可计算出所需的线、相电流值以及各分接下的电压。2.4铁心直径的确定 铁心柱直径是变压器的最基本的参数，因为铁心柱的大小一旦确定，也就决定了绕组的内径以及原、副绕组的匝数，从而影响到整个变压器的尺寸和各主要参数。它的正确选定还涉及到变压器材料的铜铁比，是影响优化设计的重要因素。所以确定铁心柱直径往往是变压器设计的第一步。2.4.1 影响铁心直径选择的主要因素 首先，由变压器原理分析可知，在保持铁心磁密一定的条件下，铁心直径的增大将使得绕组匝数减少，换句话说，铁心材料消耗的增加将使得导线材料的消耗减少并使得短路阻抗、负载损耗降低；如果减少铁心直径，则会得出相反结论。其次，如保持绕组匝数不变，增大铁心直径将使得磁密降低，而空载电流、空载损耗均将相应下降，但铁心材料消耗将增加；反之，如减少铁心直径则有可能引起铁心过饱和以致使空载电流和空载损耗均大为增加。对于电力变压器来说，短路阻抗是一个重要的性能参数，在设计时要求严格地控制在一定范围内。短路阻抗的电抗分量 ，可以认为所以，当增加铁心直径从而使绕组匝数W减少时，若要维持短路阻抗为一定值，则需要使绕组电抗高度减少，并使纵向漏磁等效面积增大，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，如减少铁心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：铁心的选取首先将关系到整个变压器设计的成本。这主要应视其铜铁比的最优化来选择。其次，铁心直径的变化还将影响到变压器的各技术参数（如空载电流、空栽损耗、负载损耗、短路阻抗等）的改变，而在设计时这些参数值的变化均应符合相应的国家标准的规定。第三，铁心直径的选取还影响到整个变压器的尺寸、形状等。最后，铁心直径的选取还要考虑到系列化、通用化的要求。2.4.2 选择铁心直径的实用方法2.4.2.1基本公式如上所述，铁心直径的选择是个复杂的技术经济问题。我国目前的设计是一般在综合考虑容量、短路阻抗、损耗值等因素之后，采用下列半经验公式来计算铁心直径，即 mm式中 KD铁心直径经验系数，它的值与铜铁材料消耗比，合理的变压器尺寸以及系列设计等因素有关，它的值可参见表2.2。 变压器的每柱容量kVA表2.2 铁心直径的经验系数KD值变压器类三相三绕组三相双绕组单相双绕组单相三绕组自耦变压器铝绕组54-5448-5250-5448-5248-52铜绕组53-5751-5553-5751-5551-55从表可知，KD 与结构有关，在一般情况下，就KD来讲，具有铜线大于铝线，双绕组大于三绕组的特点。据我国其他的中小型变压器的统一设计，对双绕组铝线一般取KD=52 ；对于双绕组铜线取。在我国大中型变压器设计中，对双绕组铜线变压器取常数KD=5556 ，对三绕组变压器及自耦变压器取常数KD=5358 。但随着技术的进步，KD的取值也在不断变化。设计时应根据产品的发展、材料的价格以及各厂的具体条件来选择最优的KD 值。2.4.2.2非晶合金变压器叠厚的选择方法由于非晶合金采用矩形铁心，系数与普通变压器的有点不同，目前还没有比较好的方法来确定，设计人员一般都是凭经验确定，在这里介绍一种方法，具体介绍如以下公式。（1）式中 K取32P为额定容量非晶合金铁心有效截面（2）按近似正方形计算矩形铁心片宽Dcm2Kd0.85Dcm当前D有146，174，217三种，计算结果取与之相近的一个。（3）计算叠厚C2.5 高、低压绕组匝数的计算通常在选好铁心直径（计算值应靠标准铁心直径）后，首先计算没有分接的线圈（如低压线圈）匝数，然后计算高压或中压线圈匝数。2.5.1 初算每匝电压从变压器原理的公式可知故 通常把et称为每匝电压，它是变压器设计的基本参数之一。取f=50Hz时，则有，V/匝式中 每匝电压，V/匝； 铁芯柱的磁密，T。从上式可以看出，当铁芯截面一旦确定后，的选择就决定了每匝电势et大小，所以在设计当中的选择是一项比较关键且复杂的问题，因为它涉及到了铁芯材料的特性、材料的用量、运行损耗和发热、电势波形、噪声等。当磁密取得较大时，可以节省铁芯材料，但磁密取得愈大，则愈接近饱和点，将是激磁电流与铁芯损耗大大增加，从而使运行损耗增加，铁芯发热增加。当然，磁密的选择还与硅钢片材质的饱和特性密切相关，对我国目前最常采用的冷轧硅钢片而言，一般饱和磁密为1.9-2.0 T。而磁密的选择还要考虑到运行的特点。比如对有分接电压的，应考虑在+5%电压运行时，电压波形仍为正弦波，此时，更要可靠防止变压器运行在饱和阶段。在GB1094.1中曾明确规定：“当电压最大值不超过响应分接电压+5%时，变压器在该分解的容量下可连续运行”。即是说，变压器能在+5%的额定电压下运行还能输出额定电流。综合以上原因，目前设计中的的选取范围是1.65-1.75T。对中小型变压器，一般为1.65-1.70T；对大型变压器，一般为1.7-1.75T。非晶合金材料的饱和磁密较低，一般设计取值1.25-1.35T。2.5.2 低压绕组匝数计算由于低压绕组没有分接，一般根据低压侧相电压来初算的每匝电压，初选磁密，计算出每匝电压，V/匝根据低压侧电压和初算的每匝电压，可初算出低压绕组匝数，即将计算出的取整后得到低压绕组的匝数，根据再重新算得每匝电压，即实际的每匝电压为：在实际的每匝电压必须计算到小数点后三位有效数字。2.5.3 磁通密度的计算当正式的每匝电压确定后，便可以确定出正式的磁通密度。即：= ， T 铁心有效截面2.5.4 高压（中压）绕组匝数的计算高压或者中压绕组，往往带有分接抽头，比如5%，还有22.5%等，所以要对各分接位置的匝数分别结算，其计算步骤如下：（1） 先算出额定相电压及各分接位置时的相电压；（2） 按下式求出高压（或中压）绕组最小分接位置时的匝数，即= / （取整数匝）各分接的匝数（取整数匝）根据分别减去，即可分别求出其他各分接相相对应的匝数。从最大分接处的匝数起，一级一级的减去分接间匝数后，就可得到高压（中压）绕组各个分接处的匝数。对于一般只带5%分接抽头的变压器，可直接按下式进行计算：-5%抽头处绕组匝数 ；额定抽头处绕组匝数 ；+5%抽头处绕组匝数 ， 匝。2.5.5 电压比校核众所周知，根据变压器并联运行的要求， 并联运行的变压器之间的变比偏差要求是及严的。为此，在设计时对计算出的高低压绕组匝数必须进行较严格的电压比较核。通常，电压比较核可按下列程序进行：（1）额定分接时电压比的校核，即式中相电压（标准值）计算的相电压。按照国家标准电力变压器GB1904.1-85的规定电压比的数值比上式大，式中0.25%之值是考虑制造和试验的偏差，在设计计算中应保留的裕度。（2）最大及最小分接下的电压比较核： 最大分接： 最小分接：式中，规定的最大，最小分接下的电压；，计算的最大，最小分接下的电压。另外，在进行各分接下的电压比校核时，应计算到小数点后的三位数字。2.6 绝缘设计基础2.6.1变压器绝缘的分类及对绝缘设计的要求变压器按绝缘介质的不同，通常可分为：油浸式变压器（包括不燃油变压器），干式变压器以及气体绝缘变压器（主要是SF6气体）这三大类。无论哪种类型的变压器，其绝缘结构都是十分重要的，它既影响到运行的可靠性，也是决定产品成本及其技术先进性等主要因素。对绝缘设计的基本要求有下列三个方面：（1）电性能的要求变压器在长期运行时，既要承受长期最大工作电压的作用，更要耐受各种可能发生的过电压，而后者对变压器来说更加严峻，它往往是决定变压器绝缘水平的主要依据。变压器的电性能，主要依据各种试验电压来保证。（2）机械性能的要求当电流流过变压器绕组时，在漏磁场与电流的共同作用下，在绕组导体内将产生电动力，尤其是在突然短路时，将遭受巨大的短路电流的作用，这时电动力达到很大数值。在设计是选用绝缘材料和整个的绝缘结构在电动力作用下有足够的动稳定性和机械强度。另外，变压器的使用寿命也与其机械强度有关。（3）热性能的要求变压器在运行过程中将因各部分的损耗而发热，并直到稳定的稳升值。高温将加速绝缘材料的老化从而缩短其使用寿命。通常，根据变压器所使用绝缘材料的绝缘等级不同，都规定有相应的额定温升值与最高容许发热温度值。在运行过程中，一旦发热温度超过最高容许值后，变压器的寿命将锐减。2.6.2 变压器运行时各部分所承受电压（1）正常工作时的最高电压这是指变压器在长期正常运行时所可能承受的最高电压，用Um来表示。也是过电压倍数的基准值，通常Um=（1.051.15）UN（UN为额定电压）。（2）雷电冲击过电压雷击是一种频发的自然现象，而雷电所引起的冲击过电压则具有陡度大、幅值高的特点，它对高电压电气设备的绝缘将产生极大的危害。通常，雷电冲击波有全波与截波之分，我国目前采用的标准全波为1.2/5s，即波头时间为1.2s，波尾时间为50s。雷电冲击过电压又称为大气过电压或外部过电压。（3）工频过电压工频过电压也是运行中常见的。它的特点为过电压波的频率为工业用频率（我国为50Hz），其幅值一般不高，但持续时间较长，具体而言，主要有下列几种：单相接地过电压；甩负荷过电压；长线的电容效应所引起的工频电压升高。应当指出，工频过电压主要是主要影响避雷器灭弧电压的选择，从而影响到绝缘的配合和试验电压的确定。（4）内部过电压它的产生是由于设备投切或系统参数的谐振等引起的，它又可分为：谐振过电压：是由于系统和线路的电容电感参数配合所引起的电路谐振（包括参数谐振和铁磁谐振等）所致的过电压。操作过电压：操作过电压是发生在变压器投切、空载线路投切时的过电压，过电压持续时间为几百微秒到几十毫秒，其波头时间较长。 变压器的试验电压值的确定既考虑了上述运行中可能作用于变压器上的各种过电压，又考虑了过电压保护装置作用的结果，这就是所谓的绝缘配合。考核变压器的绝缘水平，变压器的试验可分为：全波冲击试验电压；截波冲击试验电压；操作冲击试验电压；1min工频试验电压；感应耐压试验电压；局部放电试验电压等。2.6.3变压器的绝缘结构变压器的绝缘分为主绝缘及纵绝缘两大部分。不同类型的变压器，其主、纵绝缘均有一定的绝缘规范要求。这里仅介绍油浸式变压器的绝缘结构。（1）变压器的主绝缘设计主绝缘系指绕组有电连接的电容屏蔽、引线和分接开关对箱体的绝缘，即绕组对铁心接地部位、箱体以及在电气上与它没有联系的相邻绕组的绝缘。主绝缘设计主要任务，在于正确选择各部位的绝缘尺寸和材料，以确保这些部位的绝缘在工频1min试验电压和冲击试验电压下不发生击穿，在长期最大工作电压下不发生有害的局部放电。熟悉其绝缘结构、各组件附件之间绝缘距离及绝缘包垫层数和绝缘材料如何选用，是设计中应该注意的问题。其中变压器绕组是变压器的心脏，是变压器传输、变换电能的核心，是构成变压器输入、输出电能的电气回路，是变压器主要部分。变压器绕组绝缘的好坏和可靠程度是决定变压器能否长期、安全运行的基本保障，对于各类高压变压器，绕组绝缘显然更为重要。高低压绝缘尺寸如表2.3、表2.4所示，主绝缘结构如图2.4所示。表2.3 低压绕组对铁轭的主绝缘尺寸 电压等级（KV）绕组形式5C2B2高压电压级次（KV）0.4圆筒式窗高600,（铁心柱不绑扎）5=3.5窗高600,（铁心柱不绑扎）5= 501.015102.555353、6920103、6、10103.555350.4、3、6饼式10351055353、6、10103.55535表2.4 高压绕组主绝缘尺寸 电压等级（kV）绕组形式A1A1A2B13E4备注3、6、10圆筒式92.55202802748702200高压漆包线35652高压纸包线3、6、10饼式163.566.53501721600kVA351746720006300kVA2749652273图2.4 35KV及以下变压器主绝缘结构1-绝缘筒；2-对铁轭的绝缘纸板；3-相间隔板（2）变压器的纵绝缘设计纵绝缘是指绕组具有不同电位的不同点和不同部位之间的绝缘。变压器的纵绝缘包括匝间绝缘、层间绝缘以及段间绝缘这三个部分。纵绝缘设计时要考虑的是：作用在纵绝缘上的各种电压及梯度分布；绕组制造中的工艺裕度；特殊情况下饶组间的相互影响；纵绝缘对主绝缘的影响，段间油隙大小对散热的影响等。选择标准如表2.5、2.6所示。表2.5 中小型S9饼式绕组（高压绕组）纵绝缘高压侧电压10kV35kV绕组型式半连续式连续式半连续式连续式首末段油道1.5mm纸圈与4mm油道交错排列全部4mm油道1、3、5、7为2.5mm纸圈2、4、6、8为6mm油道6个6mm油道正常油道1.5mm纸圈与4.5（5）mm油道交错放置4.5（5）mm油道中断点油道12mm（反联结中性点调压）910mm（中部调压）内垫纸条首末端各有2段内垫56mm首末端匝数首末端各有4段匝数约为正常段匝的70%左右表2.6 中小型S9系列圆桶式绕组层间绝缘（纵绝缘）层间最大工作电压/V500501800801120012011600160120002001230023012800280133003301430038014300张数0.08总张数345(6)6(7)7(8)8(9)9(10)10(12)12(13)13(14)分级长3(4)4(4)4(5)5 (5)5(6)6(7)7(7)7(8)分级短2(2)2(3)3(3)3(4)4(4)4(5)5(6)6(6)2.7变压器的铁心与空载参数的计算2.7.1铁心的功能铁心具有两个方面的功能：（1）在原理上，铁心是构成变压器的磁路。它把一次电路的电能转化为磁能，又把该磁能转化为二次电路的电能。因此，铁心是能量传递的媒介。（2）在结构上，它是构成变压器的骨架。在它的铁心柱上套上带有绝缘的线圈，并且牢固地对它们支撑和夹紧。铁心本体是用硅钢片叠积成完整的磁路结构，其钢夹紧装置（钢夹件）构成框架，它牢固地把铁心夹持成一个整体，同时在它的上面几乎安装了变压器内部的所有部件。2.7.2空载损耗的计算（1）变压器空载损耗的组成变压器的空载损耗又称铁耗，它属于励磁损耗而与负载无关，空载损耗的大小对变压器的制造成本与运行经济性都有较大的影响。通常变压器的空载损耗包括铁心材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗三部分。采用非晶合金材料做成的卷铁心，异常涡流损耗甚至将占到50%左右。（2）卷铁心的空载损耗计算铁心柱质量(GFe）的计算式中 A，B，C，D 铁心尺寸(mm) ；铁心填充系数，KFe0.840.86 ；铁心质量(kg) ；非晶合金密度(g/cm3)，= 7.2 g/。空载损耗的计算 (2)式中空载损耗附加工艺系数，1.081.15；P0单位重量的损耗(W/kg)。通常，设计出的空载损耗值不超过国家标准中所规定的值的+15%，并最好是负的偏差。当求得的空载损耗P0不符合标准规定时，需调整铁心直径D。当D增大并保持磁密不变时，由于铁心尺寸增大，使得P0与GFe也增大，同时线圈的匝数减少，导线重量、Pd、ur%随之降低；当直径D减小时，则与上述结果相反。2.7.3空载电流的计算变压器的空载电流是由铁耗电流IFe（有功分量）和磁化电流I（无功分量）所合成。因此，在计算空载电流时，只要先分别计算出IFe及I，即可得到总的空载电流I0。（1）铁耗电流IFe的计算 铁耗电流IFe是由空载损耗（铁耗）所引起的，当用额定电流的百分值来表示时，其具体计算公式为式中：P0空载损耗(W)； PN变压器的额定容量(kVA)。（2）空载电流无功分量占额定电流的百分数： 式中 q1单位总量的励磁容量(VA/kg)，按心柱磁通密Bt查得 ；q单位面积得接缝励磁容量(VA/cm2)，按铁轭磁通密度查得 ；n接缝数，取n4；Ae心柱有效截面(cm2)，AeAt/2；At心柱有效截面积 ；SN额定容量(kVA)。空载电流占额定电流的百分数。2.8变压器的绕组及负载损耗计算2.8.1变压器绕组的结构型式和特点绕组在电力变压器中是最重要、最复杂的部件，因为它基本上决定了变压器的容量、电压、电流和使用条件。它由铜（铝）扁导线绕制，再配以专门的绝缘部件组成。绕组形式主要是根据绕组的电压等级和电流的大小来进行选择，同时还要重点考虑电气强度、机械强度、散热面积和绕制的可能性等等。一般对电压低而电流大的绕组，常用多根扁导线并联绕制成螺旋式绕组；而对于电压等级较高、电流较小，且在纵绝缘上还有其特殊要求的，常可绕制成连续式、纠结式和插入电容的内屏蔽式绕组。2.8.2绕组的要求（1）绝缘强度要求由于变压器在运行中要受到大气过电压和操作过电压的冲击，还要受到运行电压的长时期作用，电气强度至关重要，应该尽力保证在变压器运行的一生中不发生任何部位的绝缘击穿（闪络放电）。这就要求绕组的设计和制造都必须留有足够的裕度。（2）动稳定要求变压器在运行中，负载时刻都在变化着，即电流是波动的，绕组都需要承受。当发生短路故障时，还要承受强大的短路电流的冲击。由于绕组导线所承受的电磁力与绕组中电流的平方成正比，因此，要求绕组具有足够的机械强度，必须能够承受强大电磁力的冲击而结构不发生损坏。（3）散热能力要求在绝缘结构中，如静电板、静电屏、纸板端圈、角环、隔板等部件均具有由撑条、垫块等组成的满足电气条件的油道，这些油道还必须满足绕组的散热要求。作为绕组的冷却油道，应尽量减小油流的阻力，避免有“死油区”。变压器绕组即使发生短路产生强大的热量，线匝也不至于烧毁。2.8.3绕组的型式（1）层式绕组其特点为叠层饶制而成，如单层及多层圆筒式绕组、箔式绕组等均属于层式。双层圆筒式由于单层圆筒式绕组的机械稳定性差，所以很少采用。就双层圆筒式而言，它是采用扁导线按螺旋线绕制成双层圆筒式线匝，在双层线匝之间放置冷却油隙或层间绝缘。也可以绕成四层圆筒式线匝。并联导线沿轴向排列时不进行换位，沿幅向排列时，要在轴向高度一半处进行换位。绕制工艺较好，但要保证绕组上，下端部支撑结构稳定可靠。适用范围：容量630kVA及以下，电压1kV及以下的低压绕组。多层圆筒式采用圆导线或扁导线绕制，可以绕成若干个线层。在线层之间放置分级层间绝缘或冷却油隙。在绕组内侧的第1层对地之间的电容较大，使雷电冲击电压的起始分布不均匀，为此当绕组的工作电压为35kV及以上时，应在第1线层内侧放置电容屏，以改善冲击电压起始分布。适用范围：容量630kVA及以下、电压15kV及以下的高压绕组分段圆筒式由于若干对线饼构成，每一对线饼为两个多层圆筒式结构。采用圆导线绕制，各线饼之间放置纸圈或垫块，每个线饼中的层数总是奇数，以便于各对线饼之间的出头联结。主要特点是层间电压较低，但结构复杂，绕制工作量大，散热较困难。适用范围：高电压试验变压器或电压互感器及干式变压器的高压绕组以及少数大容量超高压变压器的高压绕组 （2）饼式绕组其特点为沿轴向高度绕组由一个个的水平与垂直油道的线饼所组成。饼式绕组是目前大中型变压器中应用最广的绕组型式，它包括了连续式、螺旋式、纠结式、内屏蔽式等若干类型。连续式用扁导线绕制，从绕组的第1个线饼开始依次顺序编号。奇数线饼的导线从外侧依次绕至内侧，称为反饼。偶数线饼的导线从内侧依次绕至外侧，称为正饼。一个反饼和一个正饼组成一个单元，所以在连续式绕组的线饼数必须是偶数。连续式绕组的纵向电容较小，雷电冲击电压的电压起始分布不均匀，耐受雷电冲击电压的绝缘强度较低。适用范围：容量630kVA及以上、电压110kV及以下的高压绕组纠结式纠结式的绕制方法与连续式相同，但电气上的单根导线必须用双数根导线并绕。在线饼之间的联线处采用特殊的纠结换位方法，使得线饼内任何相邻线匝之间的电压等于一个线饼的电压，由此来提高线饼的纵向电容，从而改善绕组内雷电冲击电压的起始分布。这一特点能满足绕组具有较高绝缘强度的要求。由于纠结式线饼的匝间电压为一个线饼的电压，所以要加厚匝绝缘。适用范围：容量630kVA及以上、电压110kV及以上的高压绕组内屏蔽式内屏蔽式又称为电容耦合式绕组，适合于大容量变压器因绕组采用的换位导线或组合导线而无法绕制成纠结式绕组时采用。这种绕组能增大线饼纵向电容的原理基本上同纠结式绕组。在线饼中的屏蔽线匝只起电容耦合作用而没有工作电流通过但有涡流损耗。每个线饼内放置的屏蔽匝数可以任意调节，以适应必要的纵向电容量的要求。但屏蔽线匝末端有一定电位，应妥善加工并处理末端的绝缘。适用范围：电压110kV及以上的大容量变压器的高压绕组螺旋式a.单螺旋式这种绕组采用多根扁导线并联绕制，每一匝即构成一个线饼，按螺旋线绕制线匝。线匝（即线饼）之间放置垫块构成辐向油隙。并联导线之间的换位方法有三种，即“212”换位、“424”换位和“242”换位。三种换位方法都是在绕组总匝数N的近似1/4、2/4和3/4处进行换位，当并联的导线的根数为8时，能达到完全换位。要求并联导线的根数应为4的倍数 适用范围：容量800kVA及以上、电压35kV及以下的大电流低压绕组b.双螺旋式这种绕组采用多根扁导线并联绕制，每一构成两个线饼，按螺旋线绕制线匝,各线饼之间放置垫块构成冷却油隙。采用一次均匀交叉换位方法进行并联导线之间的换位,导线换位次数等于双螺旋绕组并联导线的根数。有时也可以采用2次或3次均匀交叉换位。适用范围：电压35kV及以下的特大电流的低压绕组箔式它是采用铜（铝）箔连续绕制以构成箔式绕组。铜（铝）箔的宽度就是绕组的轴向高度。每绕一层铜（铝）箔即构成绕组的一匝。铜（铝）箔的匝绝缘就是绕组的层间绝缘，因此绕组的空间利用系数很高，并且承受短路电流产生的轴向电磁力的能力较强，这是箔式绕组的优点，箔式绕组的缺点是引出线焊接工艺复杂。适用范围：容量2500kVA及以下（各别的可达4000kVA）、电压1kV及以下的低压绕组，目前干式变压器的低压绕组大量采用箔式。表2.5列出了绕组选型参考表，以供一般情况下使用表2.5 绕组选型参考表绕组接法电压等级（kV）容量（kVA）内、外线柱绕组形式Y,yn00.410630内线柱双层或四层圆筒式8001600半螺旋式或螺旋式6、1010500外线柱多层圆筒式630半连续式8001600连续式Yd6、10630外线柱半连续式或连续式3、6内线柱多层圆筒式6、108006300外线柱半连续式或连续式3、6、10内线柱连续式Y,yn0及Yd3550630外线柱多层圆筒式8006300内线柱半连续式或连续式602000及以下外线柱多层圆筒式2500及以上外线柱纠结连续式1105000及以上外线柱纠结连续式2.8.4导线和电流密度的选择（1）导线的选择过去为了节约用铜，变压器容量为6300kVA及以下时，一般采用铝导线，容量更大时采用铝合金导线或铜导线。现在，低损耗变压器一般采用铜导线。常用的导线种类有漆包圆线（QQ、QZ型等）和纸包扁线（ZB型）。纸包扁导线用ab表示宽度厚度。两边绝缘厚度有0.45、0.95