变压器设计计算大纲

2/2变压器设计计算大纲一、编制依据与适用范围1.1编制依据本大纲严格遵循现行国家及行业变压器、压力容器、冷却设备相关规范标准，所有计算方法、公式及参数取值均以规范条文与工程通用理论为依据，确保计算结果的科学性与合规性，主要依据包括：《电力变压器第1部分：总则》（GB1094.1-2013）《电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升》（GB1094.2-2013）《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》（GB1094.3-2017）《电力变压器第5部分：承受短路的能力》（GB1094.5-2019）《油浸式电力变压器技术参数和要求》（GB/T6451-2015）《压力容器》（GB150-2011）《变压器用强迫油循环水冷却器》（JB/T8315-2014）《钢结构设计标准》（GB50017-2017）《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）1.2适用范围本大纲适用于工业与电力领域各类水冷却液浸式变压器的设计计算工作，涵盖强迫油循环水冷（OFAW）、强迫水冷却（OFWF）等各类冷却形式的电力变压器，适用于中小型、大型油浸式变压器的水冷却系统设计，涵盖额定电压10kV\220kV、额定容量500kVA\100MVA各类主流规格的变压器，可作为水冷却变压器设计阶段计算工作的统一指导框架，与其他工业设施设计大纲形成完整的工业设施设计体系。二、基础设计参数计算2.1额定电气参数水变压器的额定电气参数是所有计算的核心输入，核心参数如下：额定容量：SN，单位kVA额定电压：原边额定电压U1N，副边额定电压U2N，单位kV，常规取值：10kV/0.4kV，35kV/10kV，额定电流：

原边额定电流：I1N=S参数说明：三相变压器的额定电流计算，基于三相功率公式额定频率：f，常规取50Hz，国内电网标准频率2.2介质基础参数水变压器的介质参数是所有热工、流动计算的基础，核心参数及取值如下：冷却水参数：密度ρw，常规取定压比热容cp,w，常规取4.2kJ/(kg・导热系数λw，常规取0.6W/(m・动力粘度μw，常温下取1.0mPa・变压器油参数：密度ρo，常规取定压比热容cp,o，常规取2.0kJ/(kg・导热系数λo，常规取0.14W/(m・动力粘度μo，常温下取15mPa・介质特性：明确介质的腐蚀性、绝缘性能，变压器油的击穿电压不小于30kV/2.5mm，冷却水的电导率不大于500μS/cm2.3材料基础参数铁芯材料：采用冷轧无取向硅钢片，牌号30Q120、50W470等饱和磁密Bs，常规取2.0T，工作磁密Bm单位损耗，常规取1.0~1.5W/kg（50Hz，1.5T下）绕组材料：采用无氧铜导线，导电率σ=58.0MS/m，20℃下电阻率ρCu屈服强度σs=200MPa，抗拉强度油箱材料：采用碳素钢Q235B或Q345R钢板Q235B常温下许用应力[σ]=113MPa，屈服强度σsQ345R常温下许用应力[σ]=189MPa，屈服强度σs2.4设计压力与计算压力计算基于工作压力与安全要求，计算设计压力与考虑液柱静压力的计算压力：油箱设计压力：

对于液浸式变压器油箱，设计压力取最高工作压力的1.05~1.1倍：

P常规取值：普通油浸式油箱取0.1\0.3MPa，密封式油箱取0.3\0.5MPa冷却器设计压力：油侧设计压力：Poil=0.3∼0.5水侧设计压力：Pwater=0.6∼1.0计算压力：

考虑液柱静压力，计算压力为设计压力加液柱静压力，用于强度计算：

P参数说明：ρl：液相介质的密度（kg/m³g：重力加速度，取9.81m/s²Hmax：最高液位高度（m当液柱静压力小于设计压力的5%时，可忽略不计，简化计算2.5设计温度与许用应力设计温度：油箱本体设计温度：取最高环境温度加油温升，常规取80℃冷却器设计温度：油侧取100℃，水侧取50℃绕组设计温度：取最高热点温度，常规取120℃许用应力：

根据设计温度和材料，查GB150得到材料的许用应力[σ]碳素钢Q345R在100℃下的许用应力为189MPa碳素钢Q235B在100℃下的许用应力为113MPa2.6焊接接头系数与腐蚀裕量焊接接头系数ϕ：根据焊接方式和探伤比例，100%探伤的对接焊缝取0.9~1.0，局部探伤取0.85腐蚀裕量C2：根据介质的腐蚀速率，对于油侧取1mm，对于水侧取钢板负偏差C1：根据钢板厚度，厚度≤20mm时取0.8mm，20~40mm时取1.2mm规范依据：《压力容器》（GB150-2011）第3章三、水变压器本体设计计算3.1变压器选型根据工况、容量与场地条件，选择合适的水变压器类型：强迫油循环水冷变压器（OFAW）：通过油泵强迫油循环，油在冷却器中与水换热，适用于大容量、高损耗的变压器，散热效率高，体积小强迫水冷却变压器（OFWF）：水直接在绕组的冷却管中循环，直接带走绕组热量，适用于超大容量变压器，散热能力强自然循环水冷变压器：油自然循环，通过外置水冷却器散热，适用于中小容量变压器，结构简单，维护方便3.2铁芯设计计算每匝电动势计算：

根据电磁感应定律，每匝电动势为：

E参数说明：Et：每匝电动势（Vf：工作频率（Hz），常规50HzBm：铁芯最大工作磁密（T），常规硅钢片取Ae：铁芯有效截面积（m²Kf：波形系数，正弦波取绕组匝数计算：

原边绕组匝数：N1=U参数说明：U1ph、U2ph分别为原副边相电压（匝数比满足：N1铁芯尺寸计算：

铁芯柱直径：D参数说明：Acore：铁芯毛截面积（m²），KFe：叠片系数，常规取0.95~0.98空载损耗计算：

空载损耗即铁芯的损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成：

P参数说明：pFe：单位铁芯损耗（W/kg），常规GFe：铁芯总重量（kg常规空载损耗占总损耗的15%~25%3.3绕组设计计算电流密度选择：

铜绕组的电流密度，常规取值：自然冷却：2.0~3.0A/mm²强迫水冷：3.0~4.5A/mm²，水冷散热能力强，可提高电流密度导线截面积计算：

原边导线截面积：A1=I参数说明：j为电流密度（A/mm²）绕组电阻计算：

绕组的直流电阻，20℃下：

R=参数说明：ρCu：铜的电阻率，0.0172Ω・L：绕组导线总长度（m）Awire：导线截面积（mm²负载损耗计算：

负载损耗即绕组的铜损，包括直流电阻损耗和杂散损耗：

P参数说明：kstray：杂散损耗系数，常规取常规负载损耗占总损耗的75%~85%总损耗计算：

变压器的总损耗，即需要冷却系统带走的总热量：

P该值是热平衡和冷却系统计算的核心输入3.4冷却系统设计计算冷却水流量计算：

根据热平衡，冷却水带走全部的损耗热量，计算所需的水流量：

Q参数说明：Qw：冷却水体积流量（m³/sPloss：变压器总损耗（Wcp,w：水的定压比热容（J/(kg・K)ρw：水的密度（kg/m³Δtw：冷却水的温升，常规取常规取值：1000kVA变压器的水流量约为10\20m³/h，10MVA约为100\200m³/h油循环流量计算：

油循环的流量，用于带走绕组和铁芯的热量，传递给冷却器：

Q参数说明：Δto常规油流量约为水流量的2~3倍冷却器选型计算：

根据总损耗和传热系数，计算所需的冷却器传热面积，详见第六章传热计算规范依据：《变压器用强迫油循环水冷却器》（JB/T8315-2014）第5章四、油箱与结构设计4.1油箱结构设计油箱尺寸计算：

油箱的尺寸需要容纳铁芯、绕组以及足够的油空间，常规长径比/宽高比取1~2：

油箱的有效容积：V参数说明：Voil：油的容积，常规取总容积的60%~70%常规油箱尺寸：1000kVA变压器油箱约为1.5m×1.0m×1.2m，10MVA约为3.0m×2.0m×2.5m油箱壁厚计算：

内压圆筒的壁厚计算，按照GB150的公式，保证内压下的强度：

δ=参数说明：δ：计算壁厚（mm）Pc：计算压力（MPaDi：油箱内径/当量内径（mm[σ]t：设计温度下材料的许用应力（ϕ：焊接接头系数名义壁厚计算：

考虑钢板负偏差和腐蚀裕量，名义壁厚为：

δ计算后圆整为标准钢板厚度，常规油箱的最小壁厚不小于4mm，保证刚度常规取值：中小容量油箱壁厚取4\6mm，大容量取6\10mm4.2冷却器结构设计冷却器管束设计：

冷却器采用管壳式结构，油走壳程，水走管程：管束直径：dt，常规取10~20mm管束长度：Lt，常规取1.5~3.0m管数：nt，根据水流量和流速计算，冷却器壳体设计：

冷却器壳体的壁厚，按照GB150的公式计算，与油箱壁厚计算一致，常规取6~8mm4.3接管设计根据工艺要求，设置各个工艺接管，满足油循环、水循环、检修的要求：油循环接管：管径：根据油的流速，常规取0.5~1.5m/s，防止阻力过大接管尺寸：根据流量计算，比如100m³/h的油，管径取DN150水循环接管：管径：根据水的流速，常规取1~2m/s，防止阻力过大接管尺寸：根据流量计算，比如50m³/h的水，管径取DN100排污管：

常规取DN25~DN50，用于排出油箱底部的杂质和水分，定期排污人孔：

对于容积大于1m³的油箱，设置人孔，常规取DN600，方便人员进入检修4.4支座设计油箱支座设计：

油箱采用鞍式支座，根据JB/T4712.1选型：支座数量：双鞍座，布置在距离封头切线A≤0.2L的位置，L为油箱长度，保证弯矩最小鞍座包角：常规取120°，对于大油箱取150°，减小筒体的局部应力支座负荷：每个支座承受的重量为总重量的1/2，总重量包括油箱、油、铁芯、绕组、冷却器的重量冷却器支座：

冷却器采用耳式支座，根据JB/T4712.3选型，常规取4个支座，均匀布置规范依据：《压力容器鞍式支座》（JB/T4712.1-2007）第4章五、热力与热平衡计算5.1热平衡计算水变压器的热平衡，输入热量等于输出热量加各项热损失，保证能量守恒：

Q参数说明：Qinput：输入的总热量，即变压器的总损耗QoutputQloss5.2各项热损失计算油箱表面散热损失：

油箱表面的散热损失，通过表面对流和辐射散热到环境中：

Q参数说明：αsurf：表面对流传热系数，常规取10~15W/(m²・Asurf：油箱的外表面积（m²tsurf：油箱表面温度，常规取tamb：环境温度，取常规散热损失取总损耗的1%~3%，水冷变压器的散热损失很小，因为大部分热量都被水带走其他热损失：

包括接管、附件的散热，以及不可预见的热损失，常规取总热损失的0.5%~1%5.3温升计算油的温升计算：

油的温升，即油的温度与环境温度的差值：

Δ常规油的温升不超过15K，顶层油温升不超过55K，符合GB1094.2的要求绕组温升计算：

绕组的温升，即绕组温度与油温度的差值：

Δ参数说明：h：油对绕组的表面换热系数，常规取100~200W/(m²・K)Awinding：绕组的散热面积（m²常规绕组温升不超过65K，符合GB1094.2的要求热点温度计算：

绕组的热点温度，即最高温度点的温度：

t参数说明：Δths规范要求：热点温度不超过105℃（A级绝缘），保证绝缘的寿命5.4温度稳定验算验算散热导致的油温降，保证在断水的情况下，温度能够维持足够的时间：

Δ参数说明：Δt：油温的温度升（℃Δτ：时间（smo：油箱内油的总质量（kg常规要求，在断水30分钟内，油温不超过95℃，保证变压器不会过热损坏规范依据：《电力变压器第2部分：液浸式变压器的温升》（GB1094.2-2013）第5章六、冷却器传热计算6.1传热基本方程冷却器的传热满足牛顿冷却公式，是传热计算的基础：

Q=K⋅A⋅参数说明：Q：总传热量（W），即变压器的总损耗K：总传热系数（W/(m²・K)）A：传热面积（m²）Δtm：对数平均温差（6.2对数平均温差计算对于逆流换热的工况，对数平均温差为：

Δ参数说明：ΔtΔt当Δt6.3总传热系数计算总传热系数由油侧换热系数、管壁导热热阻、水侧换热系数组成：

1参数说明：ho：油侧的对流换热系数，常规取500~800W/(m²・δt：管壁厚度（m），常规取λt：管壁的导热系数，铜管取400W/(m・K)，不锈钢管取16W/(m・hw：水侧的对流换热系数，常规取3000~5000W/(m²・常规总传热系数K取500~800W/(m²・K)，工程经验值6.4传热面积计算根据热负荷、传热系数和温差，计算所需的传热面积：

A=计算后预留10%~15%的裕度，保证在工况波动的情况下，传热能力依然满足要求常规1000kW损耗的冷却器，传热面积约为10~20m²6.5冷却器结构设计分层设计：

当冷却器的管束长度大于3m时，设置折流板，间距取0.2~0.5倍的壳体直径，提高油的湍流度，增强换热防腐设计：

水侧的管束采用不锈钢管或者铜管，防止水的腐蚀，油侧采用碳钢，保证强度规范依据：《管壳式换热器》（GB151-2014）第6章七、附件与安全系统设计7.1压力安全附件压力释放阀：

油箱的压力释放阀，是核心安全附件，防止油箱超压爆炸：开启压力：常规取0.05~0.1MPa，略高于油箱的最高工作压力泄放量：取最大的汽化量，保证超压时能够快速泄放安全阀：

冷却器的安全阀，水侧和油侧分别设置：水侧安全阀：开启压力取1.0~1.2倍的水侧设计压力油侧安全阀：开启压力取1.0~1.2倍的油侧设计压力排量计算：保证泄放量大于最大的进料流量，超压时能够快速泄放7.2监测仪表选型温度仪表：顶层油温计：测量油箱顶层油的温度，量程0~150℃，精度0.5级绕组温度计：测量绕组的热点温度，量程0~150℃，精度0.5级水温计：测量冷却水的入口和出口温度，量程0~100℃，精度0.5级压力仪表：油箱压力表：测量油箱内部的压力，量程0~0.6MPa，精度1.6级油压力表：测量冷却器油侧的压力，量程0~1.0MPa，精度1.6级水压力表：测量冷却器水侧的压力，量程0~1.6MPa，精度1.6级流量仪表：水流量计：测量冷却水的流量，量程覆盖设计流量，精度0.5级，常规采用电磁流量计油流量计：测量油循环的流量，量程覆盖设计流量，精度0.5级液位仪表：油位计：测量油箱的油位，量程覆盖油箱的高度，精度0.5级，常规采用磁翻板液位计7.3保护系统设计超温保护：顶层油温超过85℃报警，超过95℃跳闸绕组温度超过105℃报警，超过120℃跳闸超压保护：油箱压力超过0.3MPa报警，超过0.5MPa跳闸水侧压力超过1.0MPa报警，超过1.2MPa跳闸断水保护：

冷却水流量低于设定值的70%报警，低于50%跳闸，防止断水导致变压器过热油位保护：

油位低于最低油位报警，低于极限油位跳闸，防止绝缘损坏规范依据：《电力变压器第3部分：绝缘水平、绝缘试验和外绝缘空气间隙》（GB1094.3-2017）第7章八、阻力与流动计算8.1各段阻力分解水变压器的总阻力，由油循环阻力和水循环阻力组成，用于泵的选型：水循环阻力：Δ油循环阻力：Δ8.2管道阻力计算管道的阻力包括沿程阻力和局部阻力，采用范宁公式计算：

Δ参数说明：λ：沿程阻力系数，常规取0.02~0.03L：管道的长度（m）d：管道的内径（m）ρ：介质的密度（kg/m³）v：管道内的流速（m/s）ξ：局部阻力系数，弯头取0.5，阀门取0.1~0.5，三通取0.8常规管道的阻力为10~50kPa8.3冷却器阻力计算水侧阻力：

水在管束内的阻力，常规取50~100kPa，因为管束的流速较高油侧阻力：

油在壳程的阻力，常规取30~80kPa，壳程的阻力较大总阻力：

水循环的总阻力常规取100\200kPa，油循环的总阻力常规取100\150kPa8.4流速验算为了保证流动的合理性，需要验算各个位置的流速：冷却水管道的流速：最小流速1.0m/s，防止结垢，最大流速3.0m/s，防止冲刷油管道的流速：最小流速0.5m/s，防止油沉淀，最大流速2.0m/s，防止阻力过大冷却器管内水的流速：常规取1.5~2.5m/s，保证湍流，增强换热冷却器壳程油的流速：常规取0.5~1.0m/s，保证湍流，增强换热规范依据：《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）第4章九、强度与承压校核9.1受压部件强度校核油箱强度校核：

校核油箱的环向应力，保证内压下的强度：

σ=参数说明：δe：有