树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算

1树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算本章以树脂浇注干式变压器SCB10-1000/10的设计为例，详细列出了树脂浇注干式变压器的设计计算过程，以及每一步计算所涉及到的公式和原理。该变压器具有以上所述的树脂浇注干变的各项优点，是树脂浇注干变设计的典型实例。1.1变压器设计计算的任务变压器设计计算的任务是使产品设计符合国家标准，或者用户在合同中提出的标准和要求。在合同中通常包括以下一些技术规范：a.变压器的型式：相数、绕组数、冷却方式、调压方式、耦合方式。b.额定容量，各绕组的容量，不同冷却方式下的容量。c.变压器额定电压、分接范围。d.额定频率。e.各绕组的首末端的绝缘水平。f.变压器的阻抗电压百分值。g.绕组结线方式及连接组标号。h.负载损耗、空载损耗、空载电流百分值。i.安装地点海拔高度。此外，用户可能还有一些特殊参数。变压器计算的任务，就是根据上述技术规范，按照国家标准，如《电力变压器》、《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》、《高压输变电设备的绝缘配合及高电压试验技术》和其它专业标准，确定变压器电磁负载，几何尺寸、电、热、机械方面的性能数据，以满足使用部门的要求。对方案进行优化计算，在满足性能指标前提下，具有良好的工艺性和先进的经济指标。1.2变压器设计计算步骤以下主要针对电力变压器而言，特种变压器的计算基本与之相同，只需考虑特殊要求和自身特点即可。1)根据技术合同，结合国家标准及有关技术标准，决定变压器规格及相应的性能参数，如额定容量、额定电压、联结组别、短路阻抗、负载损耗、空载损耗及空载电流等。2)确定硅钢片牌号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，计算心柱和铁轭截面。3)根据硅钢片牌号，初选铁心柱中磁通密度，计算每匝电势。4)初选低压匝数，凑成整匝数，根据此匝数再重算铁心柱中的磁通密度及每匝电势、再算出高压绕组额定分接及其他各分接的匝数。5)根据变压器额定容量及电压等级，计算或从设计手册中选定变压器主、从绝缘结构。6)根据绕组结构形式，确定导线规格，进行绕组段数、层数、匝数的排列，计算出段数、层数、总匝数及每层的匝数、每段匝数。7)计算绕组的轴向高度及辐向尺寸。计算绕组几何高度、电气高度及窗高。8)计算绝缘半径，确定变压器中心距M0，高、低压绕组平均匝长L。9)初算短路阻抗无功分量，大型变压器无功分量值应与短路阻抗标准值接近。10)计算绕组负载损耗，算出短路阻抗有功分量（主要指中小型变压器），检查短路阻抗是否符合标准规定值。11)计算绕组温升，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，则需要调整变更铁心柱直径。12)计算短路机械力及导线应力，当超过规定值时，应调整安匝分布或加大导线截面。13)计算空载性能及变压器总损耗，计算变压器重量。1.3树脂浇注干式变压器设计的详细计算1.3.1技术条件产品型号：SCB10-1000/10额定容量：1000kVA电压比：(10±5%)/0.4kV频率：50Hz联结方法：Dyn11额定电压电流：高压侧1000V/57.74A低压侧400V/1441.38A短路阻抗：6％空载损耗：2200W负载损耗：8180W硅钢片牌号：Q120-30执行标准：GB/T10228，GB64501.3.2铁心计算铁心直径：Pt为三相变压器每相容量，故Pt=Pn/3=1000/3kVAK为经验系数，取K=57根据经验公式：D=K4P=5743/1000=241.5mm由于铁心直径的位数取0或者是5，所以变压器的铁心直径为：D=245mm。铁心净横截面积：根据公式42DS，计算可得：S=471.196cm2。1.3.3绕组计算○1初选磁密：B=1.50T○2初算匝电压:f=50Hz铁心净横截面积经查表得出：At=436.306cm2由公式4.4445tttBAefBA,计算可得te=14.5435V○3低压匝数：因为低压侧是Y接，故40023133LUUV,计算可得W=15.883，由公式23115.88314.5434tUWe，取整得W=16○4重算匝电压：23114.437516tUeWV○5重算磁密：454514.43751.49436.306tteBTA○6高压匝数：高压绕组一般均设有分接线匝，这样就应根据各分接的相电压求出各分接匝数高压侧D接故LUU=10000V高压绕组为0.5%U调压，共3级则1U=15%U=10500V2U=LUU=10000V3U=15%U=9500V由公式iitUWe,计算可得1110500727.2714.4375tUWe2210000692.6414.4375tUWe339500658.014.4375tUWe取整：W1=727W2=693W3=658○7电流：a、高压侧D接3NPIU，1000NPkVA,10000LUUV计算可得100000057.74100003IAb、低压侧Y接I=LNLUPI3,1000NPkVA,400LUV计算可得10000001443.384003IA⑧低压绕组计算：从浇注干式变压器的设计、工艺和生产现状来看，低压绕组一般采用箔式绕组结构。箔式绕组，一层就是一匝，也就是只有一段，每段的长度即为导线宽度795mm。同时，根据实际需要，我们选低压侧端绝缘为10mm，空气距离为45mm，层间绝缘为0.18mm表面绝缘0.36mm.前面已经计算出总匝数为16，我们可以分为三层（5+5+6=16），相临两层之间加气道，气道厚度分别为8mm和10mm。具体计算如下：○8-1初选电流密度：=2.0A/mm2○8-2算导线截面积：21443.38721.692.0ISmm，根据计算得出的导线截面积，查表找出最接近的导线规格。○8-3选线规：1.01795∥802.95,导线截面积S=802.95mm2○8-4重算电流密度：由公式：SI，计算可得21443.381.80/802.95IAmmS○8-5低压绕组轴向尺寸计算：795——箔式导线高度，即轴向长度，mm+10×2——端绝缘高度,mm815——绕组轴向总高度,mm+45×2——绕组到上下铁轭距离,mm905——铁心窗高,mm○8-6低压绕组辐向尺寸计算：辐向有16层，被两个气道隔开，分为：5层、5层、6层1.011.01——箔式导线厚度，mm×5×6——总层数5.056.06+0.18×4×1.1+0.18×5×1.1——绝缘总厚度（=(mN-1）×层绝缘缘),mm5.8427.05×（1+2%）×（1+2%）——辐向裕度取2%5.958847.191+0.36+0.36×2——表面绝缘厚度,mm6..31884(6.31)7.911（7.91）低压绕组辐向总厚度：6.31+8+6.31+10+7.91=38.5mm低压绕组辐向总厚度=5层辐向厚度+气道1厚度+5层辐向厚度+气道2厚度+6层辐向厚度单位mm高压绕组采用分段层式绕组，前面已经计算出高压绕组的匝数为727-693-658，计算时，用最大的匝数727来计算。高压绕组可分为4段，每段182匝，，分7层，每层26匝，中间夹一个气道（3+4+0=7）。另外其余参考数据如下：表面绝缘1.00mm,段间距离20mm,端间距20mm,空气距离45mm，气道厚度为16mm。具体计算如下：○9-1初选电流密度：=2.0A/mm2I=57.7433.33623A○9-2算导线截面积：233.336216.66812.0ISmm，○9-3选线规：1.00×6.30∥0.16,导线截面积S=1×18.35=18.35mm2○9-4重算电流密度：233.33621.82/18.35ISAmm，○9-5高压绕组轴向尺寸计算高压线圈轴向电气长度=带绝缘高压线圈导线宽度×（每层匝数+起末宽度）×轴向裕度×段数+（段数-1）×段间距单位mm高压线圈轴向几何长度=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘高压线圈窗高=高压线圈轴向几何长度+2×空气距离=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘+2×空气距离单位mm;6.30+0.166.46——带绝缘导线宽度，mm×(26+1)——每层匝数加上起末头高度,mm174.42×1.02——轴向裕度，单根导线取2%177.91（178）——每段长度（取整数），mm×4——总共有4段712+20×3——3个段间距772（775）——轴向长度，mm+45×2——空气距离,mm865+20×2——端间距,mm905——铁心窗高，mm○9-6高压绕组辐向尺寸计算辐向有7层，被一个气道隔开，分为：3层、4层1.001.00——箔式导线厚度，mm×3×4——总层数9.0012.00+0.56×2×1.1+0.56×3×1.1——绝缘总厚度（=(mN-1）×层绝缘缘),mm10.23211.848×（1+2%）×（1+2%）——辐向裕度取2%10.436614.125+0.56×3×1.1+1.00+0.56×3×1.1+1.00——表面绝缘厚度,mm15.2818.97高压绕组辐向总厚度：15.28+16+18.97=50.3mm1.3.4绕组绝缘半径及平均匝长的计算:前面已经计算出，铁心直径D=245mm，则铁心外接圆半径R0=245/2=122.5mm其余相关数据如下：低压-铁心：10mm高压-低压：40mm相间距离：41mm具体计算如下：122．5——铁心外接圆半径R0,mm+10——低压绕组至铁心距C,mm132．5——低压绕组内半径R2,mm+38．5——低压绕组辐向厚度B2,mm171——低压绕组外半径R3,mm+40——高低压绕组间主绝缘距a12,mm（211-3-0.5）207.5——高压绕组内半径R4,mm+50．0——高压绕组辐向尺寸B3,mm257.5（258）——高压绕组外半径R5,mm×2516——高压绕组外径D,mm+41——相间距离（干变取40左右）A，mm557-1.00×2——高压线圈表面绝缘，mm551（550）——铁心柱中心距离（为10或5的倍数）M0，mm铁心柱中心距离=高压绕组外径+相间距离-2*高压绕组表面绝缘;故：低压线圈内径：265外径：342高压线圈内径：415外径：516中心距：550（单位mm）绕组平均匝长l的计算：高压绕组Lm1=/20.5高压绕组外径高压绕组内径;低压绕组Lm2=/20.5低压绕组外径低压绕组内径;平均匝长Lm=(Lm1+Lm2)/2;145[()0.5][207.52580.5]1462.24mLRRmm=1462mm（取整）223[()0.5][132.51710.5]953.56mLRRmm=953mm（取整）12()/2(1462953)/21207.5mmmLLLmm1.3.5参考温度（120C）下绕组每相电阻及导线重量的计算',LRS——'1200.02445;LCm2—导线总长度（额定分接时），mmm—时电阻系数，铜导线时，高压绕组电阻（120℃）：'1m1L=L1462727693658/31012GNm；2118.35Amm11012R=0.024451.3518.35;高压绕组铜导线重：11(41523.0015.28)34109Lmm3-611Cu=38.9104.10918.910=207kg1L2=516-20.56-1646265mm3-612Cu=38.9106.26518.910=316kg所以Cu11=207kgCu12=316kgCu13=0高压绕组导线重：Cu1=207+316=523kg高压绕组电阻损耗（120℃）:2cu1P=31.35(57.74/3)4512W低压绕组电阻（120℃）：'220.9541615.264mD