变压器设计及计算要点变压器设计及计算要点—蒋守诚—一概述1. 变压器发展史(1) 发明阶段(1831～1885)变压器是利用电磁感应原理来变换电能的设备,故变压器一定在电磁感应原理发现后出现。
1831年英国人法拉第(M.Farady)在铁环上缠绕两个闭合线圈, 在一个线圈中突然接上或断开电池, 另一个线圈所接仪表指针发生偏转, 从而发现电磁感应原理。
1837年英国人曼生(Masson)用薄铁片做电磁线圈的铁心, 从而减少损耗。
1881年法国人爱维(Jaewin) 发现磁滞现象, 美国人斯坦曼茨(C.P.Steimetz)发现磁滞损耗是磁密的1.6次方成正比例。
1882年英国人格拉特 ( Goulard)和吉普斯(J.D.Jibbs)制成15kVA1.5kV的开路铁心的单相变压器。
同年法栾(S.Z.Ferranti)和汤姆生 (A.Tomson) 制成电流互感器。
1884年英国人戈普生兄弟开始采用具有闭合铁心的变压器作照明电源。
1884年9月16日匈牙利人布拉提(O.Blathy)和但利(M.Dery)和齐彼尔斯基K.Zipernovsky)在匈牙利的甘兹(Ganz)工厂制造一台1400 VA 120 / 72 V 40 Hz单相闭合磁路的变压器。
至1887年底甘兹(Ganz)工厂就生产24台总容量达3000 kVA。
1885年才把这种电器叫做”变压器”。
(2) 完善阶段(1886～1930)1887年英国人配莱(Belry)发明了单相多轭的分布式铁心。
1888年俄国人多利沃—多勃罗沃尔斯基 ( M.O.Dolivo－Dobrowolsky ) 提出交流三相制。
并于1890年发明了三相变压器。
同年布朗（Brown）又制造出第一台油冷、油绝缘变压器。
1890年德国人威士顿(Wenstrom)做成对称三相铁心。
1891年德国西门子(Siemens Sohucrerf) 做成不对称三相铁心。
美国人斯汀兰(W.Stanley)在西屋公司(Westing House) 做成单相壳式铁心。
瑞士的勃朗—鲍佛利(B.B.C)公司的创始人勃朗(E.F.Brown) 做成三相壳式铁心。
1891年德国生产30kVA的油浸变压器(1878年美国人勃劳克斯(D.Brdoks)开始用油做绝缘。
)1900年德国人夏拉(Schalley)做成三相五柱式铁心。
1900年英国人哈特菲尔德(Hodfeild)发明了硅钢片, 1903年开始用硅钢片制造变压器铁心。
(德国在1904年, 美国在1906年, 俄国在1911年, 日本在1922年分别用硅钢片制造变压器铁心)1905年德国人洛果夫斯基(W. Rowgowski)研究漏磁场提出漏磁系数。
1915年华纳(K.W.Wagner)研究线圈内部电磁振荡的基本理论,提出了过电压保护一种方式。
1922年美国人维特(J. M. Weed)研究过电压理论时, 提出了过电压保护另一种方式。
1930年前后变压器的基本理论已基本形成。
(3) 提高阶段(1930～至今)1930年以后变压器进入改进提高阶段, 即采用新材料、改进结构、改进工艺、不断扩大变压器的使用范围。
2. 变压器用途及分类(1) 输送距离: 1km / kV(2) 变压器总容量: 约为发电机装机容量的8～10倍3. 基本技术参数(订货须知)(1) 型号:(2) 额定容量: 三绕组容量分配比如: 100 / 100 / 100或100 / 100 / 50 ;(3) 电压组合: 如: (110±8×1.25% ) / (38.5±2×2.5% ) / 10 kV ;(4) 联结组标号: 如: YN yn 0 d 11 ;(5) 额定频率: 如: 50Hz或60Hz ;(6) 空载电流: 标准规定允许偏差: +30 % ;(7) 空载损耗: 标准规定允许偏差: +15 % ;(8) 负载损耗: 标准规定允许偏差: +15 % ; 但总损耗不得超过 +10%;(9) 短路阻抗: 标准规定允许偏差: 主分接: 阻抗≥10%时±7.5 % ; 阻抗＜10%时±10 % ;其他分接: 阻抗≥10%时±10 % ; 阻抗＜10%时±15 % ;(10) 绝缘水平: 有全绝缘及分级绝缘之分; 特别注意中性点绝缘水平;(11) 冷却方式: ONAN; ONAF; OFAF; ODAF; OFWF; ODWF;(12) 套管电流互感器要求:(13) 套管要求: 如: 泄漏比距(如: 3.0 cm / kV等)、拉力、防污、排列方式等;(14) 开关要求:(15) 噪声要求: 如65 dB (标准规定测量距离: ONAN 为0.3 m; ONAF 或OFAF为2 m );(16) 局放要求: 如500 Pc (标准规定测量电压: 1.5U m 5 min; 1.732U m 5s; 1.5U m 30min );(17) 小车及轨距的要求:(18) 外形尺寸及运输尺寸; 重量及运输重量的要求:(19) 其它要求。
4. 变压器的尺寸、重量、价格、损耗与容量的关系D (直径) ∝ L (长度) ∝ P 1 / 4S (面积) ∝ L 2 ∝ P 2 / 4 =P 1 / 2 e t (每匝电势)∝P 1 / 2V (体积) ∝ L 3∝P 3 / 4 G (重量)∝V∝P 3 / 4C (价格) ∝ G ∝ P 3 / 4 P t (损耗) ∝ G ∝ P 3 / 4二 铁心设计及计算1. 铁心的作用: 变压器是根据电磁感应原理制造的, 磁路是电能转换的媒介, 由于铁心是采用导磁率较高的硅钢片叠积而成, 只要通入较小的励磁电流, 就能得到所需要的磁通。
2. 铁心的材料: 常用冷轧硅钢片的牌号及叠片系数如下表。
由于硅钢片表面已有附着性较好的绝缘薄膜, 故可不涂漆。
叠片系数取决于绝缘膜厚度、波浪度、同板差及毛剌的大小。
3. 铁心截面形状: 铁心柱截面形状为圆内接阶梯形, 铁心直径φ70～φ1600的级数为6～26级 (1/4圆内)。
当铁心直径为φ70～φ395时, 铁轭截面形状与铁心柱截面形状相同; 当铁心直径为φ340～φ1600时铁轭截面形状为D 形。
4. 铁心直径: D 0 = K D P zh 0.25式中: K D －直径经验系数, 冷轧硅钢片, 铜导线K D = 52～57 P zh－每柱容量(kVA) 5. 铁心叠积图及接缝:铁心叠片的搭接长度: b ≈ 0.03 D o 一般如下表:三相三柱式全斜有台阶叠片图三相三柱式全斜有尖角叠片图 三相三柱式全斜无台阶无尖角叠片图三相五柱式全斜无台阶无尖角叠片图三相三柱式半直半斜有台阶叠片图6. 磁通密度选择原则:6.1 考虑空载损耗(P 0): 当空载损耗(P 0)要求较低时, 空载损耗接近与磁密的2次方成正比, 故磁密不宜取得过高, 特别是小型变压器。
6.2 考虑材质的饱和程度: 热轧饱和点1.55～1.60 T 冷轧饱和点2.03～2.05 T 。
6.3 考虑运行特点:6.3.1 考虑过励磁: U% =110－5 K 2 0 ≤ K (负载率) ≤ 16.3.2 考虑故障运行: 当单相接地时, 分级绝缘水平的相电压U 可提高0.8√3 = 1.39倍(接地系数为0.8), 全绝缘水平的相电压U 提高1.0√3 = 1.732倍(接地系数为1.0), 但由于运行时间短, 设计时可不考虑。
6.4 考虑绕组联结方式: 根据铁心的磁化曲线, 励磁电流中必有三次谐波电流, 而Yy 联结的无三次谐波电流回路, 故三相五柱式或单相组的铁心中有三次谐波磁通流通, 从而产生不需要的三次谐波电势, 且磁密取得愈高愈甚, 故一般Y y 联结常不采用三相五柱式或单相组。
6.5 考虑铁心的温升: 应使相邻的绝缘材料不致损伤的温度。
6.6 考虑铁心的噪声:6.6.1 磁密每降低或升高0.1T 噪声将降低或升高约3dB;6.6.2 选高导磁的硅钢片噪声较低, 如30ZH120比35Z155噪声降低约5dB; 27ZH100比35Z155 噪声降低约 6dB;6.6.3 铁心与油箱间垫WT 橡胶减振垫, 噪声最大可降低3dB; 6.6.4 采用自冷式(ONAN)冷却方式, 噪声可降低10～12dB; 6.6.5 加强铁中灌砂子，噪声最大可降低6dB; 6.6.6 制造工艺及压紧力的大小也会铁心的噪声。
综上所述铁心磁密一般热轧硅钢片取1.4～1.47T; 冷轧硅钢片取1.6～1.75T;7 窗高与心柱中心距之比: 一般双绕组H 0 / M 0 = 1.4～1.5; 三绕组H 0 / M 0 = 1.1～1.2; 8 空载损耗:变压器在空载时测得的损耗, 空载损耗主要包含铁心硅钢片中磁滞损耗(与频率成正比)和涡流损耗(与频率平方成正比)等。
9 空载电流:变压器在空载时测得的电流, 空载电流中主要是励磁电流无功分量(与频率成正比)和空载损耗产生的有功分量。
正弦波的电压(u)下, 磁的饱和现象使励磁电流(iow ) 波形畸变而尖锐,且仍保持对称性。
但磁滞现象使励磁电流(i ow )波形不但畸变而尖锐, 且破坏对称性(如图所示)。
经谐波分析, 除了基波外,还有较强的三次谐波和其它高次谐波。
励磁电流中高次谐波占基波的百分数, 一般如下表:B m10 影响空载性能的因素10.1 铁心材质: 热轧比冷轧硅钢片空载损耗及电流大; 硅钢片每片厚度愈厚, 空载损耗及电流也愈大, 但太薄又会增加工艺附加系数; 一般采用每片厚度为0.3 mm;10.2 铁心磁密:铁心磁密选过高, 空载损耗及空载电流均会增加;10.3 叠片形式:每叠片数多, 空载损耗及空载电流均会增加, 一般采用2片一叠;10.4 接缝形式:有取向冷轧硅钢片, 一般采用全斜接缝, 如采用半直半斜接缝时, 每增加一个直接缝会使空载损耗增加3.5%左右。
另外，接缝处错开次数增多，空载损耗会减小，如错开4次（常称4接缝）比错开2次（常称2接缝）空载损耗要减小3～5%10.5 毛刺大小:毛刺大, 空载损耗及空载电流均会增加, 一般≤0.03 mm;10.6 夹紧方式:采用穿心螺杆比用粘带绑扎空载损耗及空载电流增加;10.7 制造工艺: 如剪切、搬运、摔打均会产生应力, 从而使空载损耗及空载电流增加;10.8 清洁程度: 保持铁心清洁无灰尘、无异物, 否则也会使空载损耗及空载电流增加。
11 夹件型式夹件一般采用一块板型、及L型或ㄈ型, 小型变压器也有用木夹件。
特大型变压器要注意漏磁在夹件中产生损耗和局部过热。
12 铁心紧固12.1 铁心柱绑扎:一般采用半干性稀纬环氧玻璃粘带(0.2×50)绑扎铁心柱。