河南机电高等专科学校课程设计报告书课题名称：电机电器及其CAD系部名称：电气工程系专业：电机与电器班级：电器091班姓名：学号：2011年12 月20日设计任务书一、设计目的：1、熟悉变压器优化设计软件。
2、掌握变压器设计各性能参数及材料、结构的设置。
3、掌握优化设计的方法、步骤。
4、掌握优化方案的选择及细调。
5、熟悉铁心截面的优化。
二、设计内容要求：（一）S9系列变压器电磁优化设计1、性能参数输入；2、材料、铁心、线圈、绝缘参数的设置；3、油箱、温升、重量计算；4、优化计算；5、调整计算单；计算单保存生成；6、铁心截面优化。
（二）S9系列变压器结构CAD设计1、总装配图2、铁心、铁心装配3、线圈4、器身装配及绝缘5、夹件及引线装配目录一、课程设计任务书 (1)二、设计方案的优化及选择 (2)1、设计方案A的优化及选择（1）性能参数设置（2）铁心材料、导体材料及结构的选取（3）变压器主纵绝缘尺寸的确定（4）方案的优化及调整（5）方案的比较及选择2、设计方案B的优化及选择（1）性能参数设置（2）铁心材料、导体材料及结构的选取（3）变压器主纵绝缘尺寸的确定（4）方案的优化及调整（5）方案的比较及选择3、问题及讨论三、变压器结构CAD绘制 (12)1、图层、线型、文字等基本绘图环境的设置及绘图模板的绘制2、主要结构尺寸及尺寸配合的确定。
3、问题及讨论。
四、心得体会……………………………………………………………五、附录一：计算单附录二：结构图六、参考文献……………………………………………………………设计方案的优化及选择1、设计方案A的优化及选择（1）性能参数设置额定值：SN=100KV A，，高压侧无励磁调压，调压范围±5%。
S9-500/10 联结组别：Yyn0 ，U1N=10000V，U2N=400V，PK=1485W，P0=280W，阻抗电压：4%（2）性能参数计算变压器的性能参数，主要有空载损耗、空载电流、负载损耗、短路阻抗等。
设计变压器时，在遵循基本物理概念的基础上，还必须考虑材料、结构、工艺等具体要求，各计算公式也必须尽量精确些，方可减少误差。
短路阻抗 3.91 [4.0%] 短路损耗 1531 [1485W]空载损耗 281 [280W] 空载电流 1.06 [1.6%]（3）铁心材料、导体材料及结构的选取铁芯是变压器磁路的主体部分，由表面涂有绝缘漆膜、厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲压成一定形状后叠装而成，担负着变压器原、副边的电磁耦合任务。
变压器使用的铁心材料主要是硅钢片，在钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少,我们通常称加了硅的钢片为硅钢片，硅钢片有热轧和冷轧两种.热轧硅钢片的工作磁通密度B一般取9000-12000高斯,冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好, 它的工作磁通密度B取值范围为12000-18000高斯。
本方案的铁芯材料可采用高导磁的硅钢片，硅钢片型号选用DQ147-30，铁芯结构可采用叠片式。
根据变压器功率选择变压器铁心的直径。
铁心直径 131mm 硅钢片牌号 DQ147-30铁窗高度 265mm 心柱中心距 250mm叠片系数 0.970 磁通密度 1.663T铁轭净截面 123.336cm2 心柱净截面 120.183cm2三相角重 21.2kg 铁心重量 188.7kg单位铁损 1.192W/kg 损耗系数 1.25磁化容量 2.489VA/kg 接缝伏安 0.371VA/cm?空载电流有功分量 0.28% 空载电流无功分量 1.02%铁心由铁柱和铁轭两部分组成，绕组套装在铁柱上，而铁轭则用来使整个磁路闭合。
变压器铁心一般采用交迭方式进行叠装，应使上层和下层叠片的接缝相互错开，减小气隙，降低磁路磁阻。
小型变压器铁心一般采用EI型或F型，本方案采用EI型铁心。
变压器通常用的材料有漆包线、沙包线、丝包线,最常用的漆包线。
对于导线的要求,是导电性能好,绝缘漆层有足够耐热性能,并且要有一定的耐腐蚀能力。
一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线. 本方案中高压导线可采用漆包线，低压导线采用纸包线。
（4）窗高及绝缘半径和中心距的计算铁窗高度及绝缘半径是变压器两个主要尺寸。
这两个尺寸已确定，整个变压器的外形尺寸就基本上能定下来。
铁窗高度主要取决于绕组高度，另外，铁窗高度与端绝缘大小关系也很大。
绝缘半径大小主要取决去主空道尺寸及绕组的辐向尺寸，主空道主要指低压或中压至铁心，以及高、中、低之间距离。
当输入各项参数时，由软件得：铁心半径97.5mm 铁窗高度410mm心柱中心距245mm 低压线圈内半径66.5mm低压线圈辐向宽18.0mm 低压线圈外半径84.5mm主空道距离 6.5mm 高压线圈内半径91.0mm高压线圈辐向宽29.7mm 高压线圈外半径120.7mm高压线圈相间距8.6mm 铁心柱中心距离250mm（5）绕组尺寸的计算绕组是变压器电路的主体部分，担负着输入和输出电能的任务。
绕制变压器通常用的材料有漆包线、丝包线，最常用的漆包线。
对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。
一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。
变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成. 原边绕组接输入电压, 副边绕组接负载. 原边绕组只有一个, 副边绕组为一个或多个原副边绕组套装在同一铁心柱上. 套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。
本方案中高压线圈结构型式采用多层圆筒式，低压线圈结构型式采用四层圆筒式。
通过软件的筛选可确定：高压线圈结构型式多层圆筒式低压线圈结构型式双层圆筒式高压绕组分接线电压(V) 10500 10250 10000 9750 9500高压绕组分接相电压(V) 10500 10250 10000 9750 9500低压绕组电压400/231V 高压线圈额定电流16.67A低压线圈额定电流721.7A 高压线圈电流密度 2.303A/mm?低压线圈电流密度 2.576A/mm2 匝电压9.62250V高压线圈匝数1091 1065 1039 1013 987低压线圈匝数24 高压线圈每层匝数100*10+91*1=1091低压线圈每层匝数12*2=24 高压线圈导线尺寸 1.90*4.00/2.35*4.45mm低压线圈导线尺寸 3.15*15.00/3.60*15.45mm高压线圈导线截面7.237*1=7.24mm2低压线圈导线截面46.701*6=280.20mm2高压线圈平均匝长0.870/0.993m 低压线圈平均匝长0.710m高压线圈总长982.4/1034.0m 低压线圈总长17.54m高压线圈导线电阻 2.8464Ω低压线圈导线电阻0.0013127Ω高压线圈导线重量199.81/206.41kg 低压线圈导线重量131.22/133.21kg导线总重量331.03/339.62kg 高压线圈轴向高度459mm低压线圈轴向高度407mm 高压线圈辐向厚度16.0+20.5=36.5mm低压线圈辐向厚度23.0mm（6）变压器主纵绝缘尺寸的确定变压器的绝缘分内绝缘和外绝缘。
外绝缘指油箱外面的套管导电部分之间的空气绝缘，套管导电部分对储油油柜、安全气道及其他接地部分的空气绝缘。
内绝缘是指油箱内的绕组、引线和分接开关的主绝缘和纵绝缘。
所谓主绝缘是指绕组（或引线）对地、对另一相或对同一相的其他绕组（或引线）之间的绝缘，而绝缘是指同一绕组上各点之间或其相应引线之间的绝缘。
1）主绝缘结构及其尺寸的确定原则油浸式变压器的主绝缘距离是由油隙、绝缘筒、撑条、绝缘端圈、角环等组成。
由于介质和电场分布的不均匀性以及沿面放电的弯曲路径和表面本身的粗糙和污染等复杂情况，使得其难以完全依靠理论计算来确定变压器的绝缘结构及尺寸。
通常是在取得各种情况下的击穿电压或放电电压实验数据的基础上，进行原理分析和计算，得出理论上的最小绝缘距离，最后通过模型试验确定。
绝缘结构设计除应保证足够的绝缘强度以外，还要考虑设置必要的油道尺寸以利于绝缘油循环而满足散热条件。
长期的实验研究和生产实践，对不同电压等级的电力变压器主绝缘结构基本上以做到定型变压器纵绝缘结构，包括绕组的匝间、层间、线段间的绝缘结构与尺寸，由冲击试验电压与绕组的起始分布电压确定。
查表可得变压器主绝缘尺寸和变压器纵绝缘尺寸为：高压线圈层间绝缘K-8 4+3/2 首加2 次首加1 末加1低压线圈层间绝缘K-8 3高压线圈层间油道 4.0mm 位于4层与5层之间低压线圈层间油道无低压线圈对铁心柱的绝缘距离 4.0mm压板厚度及对铁轭的空隙之和无线圈压板低压线圈对上铁轭的绝缘距离51.5mm低压线圈对下铁轭的绝缘距离51.5mm高低压线圈绝缘距离＋静电屏8.0mm高压线圈对上铁轭的绝缘距离25.5mm 有无静电屏自定高压线圈对下铁轭的绝缘距离25.5mm相邻高压线圈的相间绝缘距离7.0mm（7）温升计算变压器在运行时，有一部分电磁能量将转变为热能，也就是说，变压器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中要产生损耗，这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去，从而引起变压器发热和温度升高。
变压器在正常运行条件下，带额定负载连续运行，处于热稳定状态，各部分的温升就是稳定温升值。
其大小只决定于发热和散热情况。
油浸式变压器绕组常采用耐热等级为A级的绝缘，在额定运行状态的平均温升不应超过65K。
目前，温升计算多采用试验结果说提供的数据。
由软件得：高压绕组有效散热面积 1.385m2 高压线圈表面单位热负荷 678W/m2高压线圈表面对油的温升 12.0K 高压绝缘校正温升 0.0K高压层数校正温升 3.5K 高压线圈对油的平均温升 15.5 [24.0K]高压线圈对空气的平均温升 54.3 [65.0K]低压绕组有效散热面积 0.444m2 低压线圈表面单位热负荷 1320W/m2低压线圈表面对油的温升 20.4K 低压绝缘校正温升 0.3K低压层数校正温升 2.2K 低压线圈对油的平均温升 22.9 [24.0K]低压线圈对空气的平均温升 61.5 [65.0K]箱盖几何散热面积 0.251m2 箱壁几何散热面积 1.523m2散热管几何散热面积 2.653m2 油箱有效散热面积 3.507m2油箱表面单位热负荷 514W/m2 油平均温升 38.6 [39.0K]油温升修正值 4.1K 油顶层温升 50.5 [55.0K]（8）重量计算铁心重量计算包括心柱重、铁轭重和角重三部分。
心柱重和铁轭重是由窗高和中心柱直接计算，而角重是由工厂绘制铁心直径表格中查给出的。
由软件得：器身排油重 44.3kg 空箱装油重 163.8kg油箱内油重 119.5kg 储油柜中油重 7.0kg总油重 126.5kg 硅钢片重 188.7kg铜导线重 90.7kg 器身重 307.3kg箱壁重 35.9kg 箱盖重 11.8kg箱底重 7.9kg 散热管重 32.1kg储油柜重 11.0kg 套管重 12.8kg油箱及附件重 120.3kg 变压器总重 554.0kg2、设计方案B的优化及选择2.1性能参数设置S9-100/10 联结组别：Dyn11 ，U1N=10000V，U2N=400V，PK=1500W，P0=290W，阻抗电压：4%根据方案A的计算原则，铁心材料、导体材料及结构，变压器主纵绝缘尺寸的确定，窗高及绝缘半径和中心距的计算，绕组尺寸的计算，温升计算，重量计算的计算值为：2.2 性能计算短路阻抗 4.01 [4.0%] 短路损耗 1558 [1500W]空载损耗 293 [290W] 空载电流 1.24 [1.6%]2.3 铁心计算铁心直径 130mm 硅钢片牌号 DQ147-30铁窗高度 265mm 心柱中心距 250mm叠片系数 0.970 磁通密度 1.687T铁轭净截面 120.426cm2 心柱净截面 118.486cm2三相角重 21.1kg 铁心重量 185.3kg单位铁损 1.265W/kg 损耗系数 1.25磁化容量 3.098VA/kg 接缝伏安 0.425VA/cm2空载电流有功分量 0.29% 空载电流无功分量 1.21%2.4线圈计算高压线圈结构型式多层圆筒式低压线圈结构型式四层圆筒式高压绕组分接线电压(V) 10250 10000 9750高压绕组分接相电压(V) 10250 10000 9750低压绕组电压 400/231V 高压线圈额定电流 3.333A低压线圈额定电流 144.3A 高压线圈电流密度 3.048A/mm2低压线圈电流密度 2.286A/mm2 匝电压 4.44116V高压线圈匝数 2308 2252 2195 低压线圈匝数 52高压线圈每层匝数 168*13+124*1=2308 低压线圈每层匝数 13*4=52高压线圈导线尺寸 1.18/1.29mm低压线圈导线尺寸 4.00*16.00/4.45*16.45mm高压线圈导线截面 1.0936*1=1.094mm2低压线圈导线截面 63.142*1=63.14mm2 高压线圈平均匝长 0.617/0.713m 低压线圈平均匝长 0.489m 高压线圈总长 1525.9/1565.9m低压线圈总长 25.90m 高压线圈导线电阻 29.260Ω低压线圈导线电阻 0.0086026Ω高压线圈导线重量 45.72/46.71kg 低压线圈导线重量 43.67/44.21kg 导线总重量 89.39/90.92kg高压线圈轴向高度 220mm 低压线圈轴向高度 234mm高压线圈辐向厚度 8.5+3.7+15.5=27.7mm低压线圈辐向厚度 19.5mm高压线圈层间绝缘 K-8 4+2/2 首加2 次首加1 末加1低压线圈层间绝缘 K-8 3高压线圈层间油道 3.7mm 位于5层与6层之间低压线圈层间油道无低压线圈对铁心柱的绝缘距离 3.0mm压板厚度及对铁轭的空隙之和无线圈压板低压线圈对上铁轭的绝缘距离 15.5mm 低压线圈对下铁轭的绝缘距离 15.5mm 高低压线圈绝缘距离＋静电屏 6.5mm高压线圈对上铁轭的绝缘距离 22.5mm 有无静电屏自定高压线圈对下铁轭的绝缘距离 22.5mm 相邻高压线圈的相间绝缘距离 6.6mm 2.5 绝缘半径铁心半径 65.0mm 低压线圈内半径 68.0mm低压线圈辐向宽 19.5mm 低压线圈外半径 87.5mm主空道距离 6.5mm 高压线圈内半径 94.0mm高压线圈辐向宽 27.7mm 高压线圈外半径 121.7mm高压线圈相间距 6.6mm 铁心柱中心距离 250mm2.6 短路阻抗高压电抗高度 218.7mm 低压电抗高度 217.5mm平均电抗高度 218.1mm 漏磁宽度 52.83mm洛氏系数 0.923 等值漏磁总面积 20.855cm2额定安匝 7505.6A 额定频率 50Hz短路电阻 1.56% 附加电抗系数 1.00短路电抗 3.70% 短路阻抗 4.01%2.7 油箱计算结构型式平顶长方形桶式油箱油箱长度 810mm 油箱宽度 310mm油箱高度 680mm 油箱周长 2240mm箱壁厚度 3mm 箱底厚度 4mm箱盖厚度 6mm 储油柜直径 180mm储油柜长度 600mm 散热管总长度 21.9m=0.754*29散热管尺寸 L*C=75*450 散热油管上管口中心至箱盖距离 80mm散热油管下管口中心至箱底距离 150mm散热油管弯曲内半径 120mm 箱壁上每排散热油管管间中心距 35mm2.8 温升计算高压绕组有效散热面积 1.415m2 高压线圈表面单位热负荷 710W/m2高压线圈表面对油的温升 12.4K高压绝缘校正温升 0.0K 高压层数校正温升 5.5K高压线圈对油的平均温升 17.9 [24.0K]高压线圈对空气的平均温升 56.4 [65.0K]低压绕组有效散热面积 0.444m2 低压线圈表面单位热负荷 1246W/m2低压线圈表面对油的温升 19.5K 低压绝缘校正温升 0.3K低压层数校正温升 2.1K低压线圈对油的平均温升 21.9 [24.0K]低压线圈对空气的平均温升 60.3 [65.0K]箱盖几何散热面积 0.251m2 箱壁几何散热面积 1.523m2散热管几何散热面积 2.747m2 油箱有效散热面积 3.626m2油箱表面单位热负荷 511W/m2 油平均温升 38.4 [39.0K]油温升修正值 4.1K 油顶层温升 50.3 [55.0K]2.9 重量计算器身排油重 44.0kg 空箱装油重 164.2kg油箱内油重 120.2kg 储油柜中油重 7.0kg总油重 127.2kg 硅钢片重 185.3kg铜导线重 90.9kg 器身重 303.8kg箱壁重 35.9kg 箱盖重 11.8kg箱底重 7.9kg 散热管重 33.2kg储油柜重 11.0kg 套管重 12.8kg油箱及附件重 121.5kg 变压器总重 552.5kg3、问题及讨论：为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？答：把原副边绕组套在同一铁心柱上时, 由于原副边绕组紧挨在一起（间隙实际上很小），部分漏磁通在空气中的路径大受限制，因此漏磁通较小，漏抗压降小，对变压器运行有利，因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化，减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化，使变压器副边电压比较稳定。