电磁装置设计原理变压器设计-华中科技大学原

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　茹 Urtivr 愉厨 m Science & Tlechnologv 电磁装置设计原理 变压器设计 专 业：— 班 级：

　_______________

　设计者：

　_____________________

　学 号：

　___________

　华中科技大学电气与电子工程学院

　一、 变压器设计综述及其基本原理 变压器是一种静止电机， 由绕在共同铁芯上的两个或者两个以上的绕组通过 交变的磁场而联系着。

　用以把某一种等级的电压与电流转换成另外一种等级的电 压与电流。

　其用途是多方面的， 十分广泛的应用在国民经济的各个领域。

　在电力 系统中，通常要将大功率的电能输送到很远的地方去， 利用低电压大电流的传输 是有困难的，一方面，电流大引起的输电线损耗很大；另一方面，电压的下降也 会使电能无法传送出去。

　因此需要用升压变压器将发电机端电压升高， 而经过高 压传输线到达用户端所在城市后， 再利用降压变压器将电压降低， 方便用户使用。

　二、 设计步骤 1、根据设计仟务书确定各原始技术数据； 2、计算铁心柱直径、铁芯柱和铁轭截面； 3、绕组尺寸计算； 4、绕组的确定及相关计算； 5、绕组的绝缘设计； 6、绝缘半径计算； 7、铁芯重量计算；

　8 性能计算; 9、 温升计算； 10、 主要部件价格计算 二、设计内容 已知参数有：

　额定容量 S n

　500kVA ； 额定电压 10kV/0.4kV （高压绕组 5%分接头）

　;

　额定频率 f = 50Hz Dy11 连接模式； 高压侧：

　S N 5

　N

　10kV ；

　（1）技术条件 名称：变压器 绝缘材料耐热等级：H 级（145 C ）

　容量：500kVA 电压比：10± 5%/0.4kV

　1

　1N 500 10 、 3 28.8675A（线电流）

　； 1 1N 3 16.6667（相电流）

　低压侧：

　U 2N 0.4kV（线电压 ）

　1

　2N U 2N 230.94V（相电压 ）

　500 3 0.4721.6878 A

　频率：50Hz 硅钢片型号：DQ122G-30 导线材料 ：

　铜导线 连接组：Dy11 短路阻抗：4% 负载损耗（145 C）

　: 9350w 空载损耗：1500w 空载电流：1.8% （2）铁心计算 铁心直径根据经验公式 D K （ P 主 ）

　4

　60 （ 500 ）

　1/4

　215mm 可得。叠片系数 柱 3 选取 0.97，硅钢片牌号 DQ122G-30 预取磁密为 B m" 1.6T，贝 U

　分接头匝数：土 5%< 866= ± 43 匝。

　当磁密 1.6106T 时，查表得铁心毛截面为 A=339.8 cnl,净截面为 A=322.81cn i , 角重 G v =112.18kg，单位损耗为 0.995W/kg，励磁功率为 1.28VA/kg，单位励磁 功率为 0.219VA/ cm 2 。

　铁心重量：

　心柱重：

　G Z 3H W A 7.65 10 4

　3 1010 322.81 7.65 10 4

　748.26kg 铁轭重：

　G e

　4M o A 7.65 10 4

　4 465.6 322.81 7.65 10 4

　459.92kgW 2 .2 B m "fA 2 1.6 50 322.81 —— 4

　20.13 匝 10 故取 W=20 匝，得实际磁密 B m Wi"B m " W 2 2013

　1.6T 1.6106T 20 匝电势：

　e t 詈 400 3 20 11.547V 高压绕组匝数：

　W 1 U 1 N W 2 U 2 N 10 0.4 .320 866 匝

　角重 G 112.18kg

　 总重 G pe G z

　G e

　G 1320.36 kg 空载损耗 P o K po P o G Fe

　1.12 0.995 1320.36 1471.41W 1500W 空载电流: 无功分量：

　, 1.3 (1.28 1320.36 6“ 322.81 0.219) l or 0.59% 500 10

　I

　oa 1471.41 0.29% 有功分量: 空载电流: I o 500 10 .0.59 2

　0.29 2

　0.66%<1.8% (3)绕组计算

　 ①高压绕组 容量：500kVA 联结组：D 额定电压: U 1N

　10kV 额定电流: S N

　500 I 1N - N

　- 28.8675A .3U 1N

　.3 10 相电流：

　I l 1N

　W 16.6667 A 3 绕组匝数: 909/866/823 匝 预取电密为 J 高 2.62A/mm 2 ，则

　 " I 1 N S % " J 高 n 16.667A

　2

　6.361mm 2

　2.62 A/mm 2

　查表，选取线包扁铜线 S 高 6.41mm 2 ，知 a=1.25mm,b=3.50mm

　得实际电密：

　J

　S N n 需 mA 2 . 600A/mm2

　采用 N-0.33 的 Nomef 纸纸包绝缘，所以导线线规是: 绕组的形式采用连续式 4A 8 32 3B 9 27 1C 10 10 70E 12 840 所以高压绕组一共有 78 段，909 匝 幅向尺寸计算：

　垫 4.32mm、统包 2mm) B 段的幅向尺寸为：

　(1.58 9 4.74) 1.045 20mm (其中内垫1.25 5.30 1.58 5.63 A 段的幅向尺寸为: (1.58 8 2 4.32) 1.045 20mm (期中内

　 段的幅向尺寸为：

　(1.58 10 3.16) 1.045 20mm (其中内垫 3.16mm) E 段的幅向尺寸为：

　( 1.58 12) 1.045 20mm 轴向尺寸计算：

　线段轴向：78 5.63 439.14mm 一共 78 段，462.54mm 垫块轴向：70 5 350mm 1 12 12mm 6 8 48mm 一共有 77 块，410mm 所以高压绕组轴向尺寸，即绕组高为 439.14 410 0.86 850mm 窗高为 850 160 1010mm ( H w ) ②低压绕组 容量：500kVA 联结组：y 额定电压：

　U 2N 0.4kV 721.6878 A 相电流：

　I 2 N

　I 2N 721.6878A 绕组匝数：20 匝 预取电密为 J 低 2.16A/mm 2 ，则

　4.74mm 得实际电密：J 低 " 2N 721 . 68728A

　2.16A/mm 2 S 氐 n 41.85mm 8 查表，选取线包扁铜线 S 氐 2 41.85mm , 知 a=2.65mm,b=16.00mm 721.6878A 2.16A/mm 2

　8 41.76mm 2

　额定电流：

　| 2N

　500 -3 0.4

　 其中公式中的” 8”表示绕组是轴向 2 根并联，幅向 4 根并联，因此每一匝由 8 根导线并绕而成。

　采用 N-0.33 的 Nomex 纸纸包绝缘，所以导线线规是：

　2.65 16.00

　2.98 16.33 绕组的形式采用双螺旋式，中间预留 12mm 气道。

　幅向尺寸计算：

　气道一侧幅向尺寸为：2.98 2 1.16 6.9mm 故低压绕组幅向尺寸为：

　6.9 12 6.9 25.8mm 轴向尺寸计算：

　16.33 2 （20 1）

　1.035 709.9mm （轴向 2 根并绕，共有 20 匝）

　故低压绕组电抗高度为：709.9 2 16.33 677.24mm 为配合高压绕组，故低压绕组窗高为 677.24 332.76 1010mm （ H w ）

　（4）绝缘半径计算（单位 mm 107.5 （ 107.5 :铁心直径 /2）

　1

　______ （ 15+5:铁心到低压绕组距离，其中 5mm 是 H 级玻璃钢筒）

　122.5 5 ______

　127.5 （低压绕组内半径）

　25.8 （25.8mm: 低压绕组辐向尺寸 a 2 ）

　153.3 （ 127.5+12.9=140.4 :低压绕组辐向半径 r 2 ）

　23.5

　___

　176.8 4 （4mm : H 级玻璃钢筒）

　180.8 （ 153.3+19=172.3mm 高低压线圈间漏磁通道平均半径 r 12 ）

　10.5 （23.5+4+10.5=38mm :高低压绕组之间的距离 a 12 ）

　191.3

　 20 （20mm: 高压绕组幅向尺寸 aj

　211.3 (191.3+10=201.3mm 高压绕组幅向半径 r , )

　2 ______

　 422.6 43 (43mm : 2 个铁心所属高压绕组之间的距离) 465.6 ( M d

　)

　B211.3 (5)短路阻抗计算

　漏磁面积：刀 D=6.3049+66.0426+13.1986+4.3278=89.873 平均电抗高度：

　击 850晋76 . 362cm

　 5 5 23. R107.5 J ——B12U——► B1S13>

　------------------------ R19LX 高压线S S (1.38-0.033) 14.04/3=6.3040 (3.8+0.033) 17.23=66.0426 (2.0-0.033) 20.13/3=13.1986 (1.2+0.033) 14.04/4=4.3278 入=13.8+38+20+12-0.33=83.47mm 洛氏系数: H k 83.47 3.1415 763.62 0.965 间陽板

　211.3 (191.3+10=201.3mm 高压绕组幅向半径 r , )

　电抗修正系数:K=1.03

　0.001453 电阻损耗：p 低 3I 2P 2 R 氐 3 721.6878 2

　0.001453 2270.3W电抗分量：

　U

　49.6 f I 2P

　20 D K X

　e t H k 10 6

　49.6 50 721.6878 20 89.873 0.965 1.03 11.547 76.362 10 6

　3.63% 电阻分量 ：

　7981.84 U a

　1.596% 5000 短路阻抗 ：

　U k ,U 2 U 2 , (3.63) 2

　(1.596) 2

　3.965%

　(6)损耗计算(145 C) ①高压绕组 平均匝长：

　I 高 2 几 2 3.14159 201.3 1265mm 1.265m 总长：

　l 1

　N 1 I 高 909 1.265 1149.885m 导线重：G 高 3 3 8.92 6.41 1149.885 10 197.24kg 145 C 电阻：R 高 0.0175 10 6

　234.5 145 1149.885 234.5 15 6.41 10 6

　4.7750 75 E 下涡流损耗：

　3.8 (50 866

　依

　6 . 41

　°. 965/ 850 ) 2

　0.0590% 10000000

　234.5 145 234.5 75 1.226 平均匝长：

　I 低 2 r 2 2 3.14159 145.4 913.57mm 0.9136m 20 0.9136 18.272m 导线重：G 低 3 8.92 8 41.85 18.272 10 3

　163.34kg 145 C 电阻：R 氐 0.0175 10 6

　234.5 145 234.5 15 18.272 8 41.85 10 1高 电阻损耗：p 高 3I 1P 2 R 高 3 16.6667 2

　4.7750 3979W 折算到145口汽犖％ 1 . 562W

　②低压绕组 I 低

　高压绕组（10000V）

　S: 内层有效散热面：

　3 (2 191.3 8 18) 6 2 394.1 0.2656 10 0.3320 m 水平有效散热面：

　3 (2 201.3 8 40) 20 76 2 0.3793 10 6

　3.2661m 2

　外层有效散热面：

　3 2 211.3 427.88 6 2 10 1.7033m 总有效散热面：S 0.3320 3.2661 1.7033 5.3014 75 C 下涡流损耗：

　2 CC (50 20 2.65 41.85 8 0.965/ 677.24) 门 3.8 0.607% 10000000 负载损耗：

　( 3979 1.562 2270.3 9.17) 1.04 空载损耗：1471.41W 总损耗：6510.43 1471.41 7981.84W （7）温升计算 低压绕组（400V）

　234.5 75 6510.43W 内层散热面：

　（ 绕组绕在 5mn 骨架筒上不计散热面 ）

　绕组气道内层散热面 ：

　S 21

　3 (2 134.4 12 10) 677.24 10 6

　2 1.4710m 绕组气道外层散热面: S 22 3 (2 146.4 12 10) 677.24 10 6

　2 1.6241m 绕组外层散热面：

　S 3 3 (2 153.3) 677.24 10 6

　1.9560m 2

　总散热面：

　S S 1 S 21 S 3

　0 1.4710 1.6241 1.9560 5.0511m 2

　低压温升：T LV

　0.66 2270.3 (1 0.607%) 0.8 87.86K 5.0511 内层轴向气道修正系数: 0.56 (空 850 1.6 ) 1/4 0.2656 水平轴向气道修正系数: 5 1.73 {1 - 20 [1 佥 )2]1/2}

　0.3793 里段：内层轴向有效散热高度 （除去内垫 8 饼线匝）

　（ 78 8) 5.63 394.1 外段：外层轴向有效散热高度 （除去统包 2 饼线匝）

　（ 78 2) 5.63 427.88 234.5 145 1.226 折算到 "SC：

　2270 1 3 22° 2 607 %

　山

　 咼压温升：

　T HV

　0.3 ( 3979 1.00059 ) 0.8

　59.93K 5.3014

　(8 )重量计算 铁心重 1320.36 kg 电磁线重 ( 197.24 163.34) 360.58kg 总重 ( 1320.36 360.58) 1.15 1933.08 kg 四、总结 额定容量 S n 500kVA ; 额定电压 10kV/0.4kV （高压绕组 5%分接头）； 额定频率 f = 50Hz; Dy11 连接模式； 心柱直径 D 215mm ; 中心距 440mm ； 窗高 1010mm； 磁密 B m 1.6106T ； 空载损耗 P 。

　1471.41W 1500W ； 空载电流 I 。

　0.66% <1.8%； 低压匝数 W 2 = 20 ； 高压匝数 W 1 = 866 （主抽头）

　； W 1+

　= 909 （高压抽头 ）

　； W ；

　=823 （低压抽头）

　； 低压导线尺寸 2.65 16.00

　； 2.98 16.33 低压导线截面积 S 低 41.85mm 2

　； 低压线圈高度 677.24mm ； 低压电密 J 低 2.16A/mm 2

　；

　 高压导线尺寸 E3 高压导线截面积 S 高 6.41mm 2

　; 高压线圈高度 850mm ; 高压电密 J 高 2.600A/mm 2 ; 负载损耗：6510.43W ; 短路阻抗 3.965% ; 低压绕组温升 T LV 87.86 K

　； 高压绕组温升 T HV

　59.93K ； 铁心重 1320.36kg ； 电磁线重 360.58kg ； 主要部件价格：80 360.58 40 1320.36 81660.8 元