姚林杰，王耀斌，蔣 偉

（株洲宏達(dá)電子股份有限公司，湖南株洲 412011）

0 引言

變壓器的理論基于互感現(xiàn)象，變壓器的設(shè)計(jì)涉及豐富的物理知識(shí)如電磁理論、熱力學(xué)、工程力學(xué)等［1－3］。干式變壓器的鐵心材料大多數(shù)采用硅鋼片，新型低功耗硅鋼片的應(yīng)用使得干式變壓器更加節(jié)能。隨著材料學(xué)科和工程技術(shù)的發(fā)展，以及研究人員對(duì)變壓器產(chǎn)生噪聲進(jìn)一步研究、對(duì)鐵心設(shè)計(jì)方案的不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)之下，干式變壓器的工作環(huán)境得到了很好的改善［4］。干式變壓器具有絕緣、不易燃等特點(diǎn)，在工程應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因而對(duì)該類變壓器的需求正在不斷地增長(zhǎng)。

大多數(shù)環(huán)氧樹脂干式變壓器的絕緣層都是薄絕緣的，厚度為1.5～2 mm［5］。當(dāng)前我國(guó)使用的環(huán)氧樹脂干式變壓器在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)為：采用玻璃纖維材料加強(qiáng)高壓繞組和低壓繞組；環(huán)氧樹脂的澆注環(huán)境是在真空環(huán)境中使用模具進(jìn)行澆注，這樣做有利于得到堅(jiān)韌且具有彈性的薄樹脂包封層，樹脂包封層包裹在線圈導(dǎo)體外圍，隨著線圈的收縮膨脹而跟隨線圈發(fā)生一樣的變化，因此杜絕了樹脂包封層的斷裂［5－6］。薄絕緣的樹脂包封層，不僅有了較好的包封作用，而且薄的包封層減少了溫差，這有利于環(huán)氧樹脂澆注線圈的熱傳導(dǎo)效應(yīng)的改善［7］。

環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器的澆注方式是將樹脂材料澆注線圈，滲入到匝間、層間和段間。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在對(duì)環(huán)氧樹脂干式變壓器的澆注體進(jìn)行研究，研究杜絕出現(xiàn)斷裂的澆注體，對(duì)于澆注體出現(xiàn)的多余氣泡的控制等［8］。環(huán)氧樹脂干式變壓器不斷發(fā)展，因其絕緣性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，需求在不斷增長(zhǎng)。本文對(duì)SCB10－1600／10環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器從理論上進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括鐵心計(jì)算、線圈計(jì)算、負(fù)載損耗計(jì)算、重量計(jì)算、阻抗電壓計(jì)算和溫升計(jì)算等。根據(jù)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)AutoCAD工程制圖軟件繪制鐵心截面圖?；陔姶庞?jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了SCB10－1600／10環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器。

1 技術(shù)參數(shù)

變壓器設(shè)計(jì)的要求需要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或者滿足用戶提出的協(xié)議需求［9］。本文采用型號(hào)為SCB10－1600／10的干式變壓器，具體的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 變壓器主要技術(shù)參數(shù)

2 變壓器電磁計(jì)算

本文研究的干式變壓器采用Dyn11聯(lián)結(jié)方式。根據(jù)聯(lián)結(jié)方式可對(duì)相線電壓和電流進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 相線電壓和電流值

本文對(duì)變壓器電磁參數(shù)的計(jì)算作了詳細(xì)的介紹，選擇了合適的鐵心直徑計(jì)算橫截面積。用作電源變壓器鐵心的鋼板都是硅鋼片。本文采用的硅鋼片牌號(hào)為3Z120。

鐵心計(jì)算一般先通過(guò)如下公式計(jì)算鐵心直徑：

式中：D為鐵心直徑；SZ為三相變壓器每相容量；KD為鐵心直徑經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這里取KD＝58。

其中三相變壓器每相容量：

式中：SN為額定容量。

通過(guò)計(jì)算得到高壓側(cè)有效截面積S1＝280.776 cm2，低壓側(cè)有效截面積為S2＝271.32 cm2。有效截面積Sfe＝552.095 9 cm2。

2.1 繞組參數(shù)的計(jì)算

環(huán)氧樹脂干式變壓器繞組部分的主要參數(shù)包括：高壓、低壓繞組與輻向尺寸，繞組絕緣半徑等。下文將對(duì)繞組的主要參數(shù)進(jìn)行介紹與計(jì)算，圖1為環(huán)氧樹脂干式變壓繞組結(jié)構(gòu)主視截面圖。

圖1 環(huán)氧樹脂干式變壓器繞組結(jié)構(gòu)主視截面圖

低壓線圈形式一般采用箔式一個(gè)氣道，根據(jù)實(shí)際需求，選擇層絕緣厚為0.25 mm。

初算每匝電勢(shì)：

式中：磁通密度Bc′取16 T；Sfe為有效截面積。

初算低壓匝數(shù)：

式中：UP2為低壓繞組的相電壓。

匝電勢(shì)的確定：

校驗(yàn)磁通密度：

磁通計(jì)算：

通過(guò)選定磁密，計(jì)算繞組的匝電勢(shì)，低壓繞組的總匝數(shù)以及電流密度等參數(shù)可以計(jì)算低壓繞組輻向尺寸以及以及它的軸向尺寸。

根據(jù)導(dǎo)線為銅線δ為1～2 A／mm2，導(dǎo)線截面積為：

式中：I為低壓繞組線電流；電流密度δ＝2 A／mm2。

這里選擇線規(guī)：銅箔1.5X780／／1170，導(dǎo)線截面積為1 170 mm2。則電流密度：

低壓繞組輻向厚度：

計(jì)算低壓繞組軸向尺寸為780 mm；低壓線圈電抗高為780 mm；鐵心窗高為895 mm。

低壓繞組輻向有12層，被一個(gè)氣道隔開，氣道在6、7層之間，氣道寬度為20 mm，端絕緣為16 mm，空氣距離為40 mm。

對(duì)樹脂絕緣而言，由于工藝上的原因，均無(wú)法采用餅式繞組，本文采用四段多層圓筒式高壓繞組，有一個(gè)氣道。它的電壓分接范圍為±5%。與低壓繞組部分電磁參數(shù)計(jì)算類似，得到其高壓繞組的匝數(shù)與電流密度結(jié)果如下。

高壓匝數(shù)計(jì)算：

式中：UP1為高壓相電壓；ez為匝電勢(shì)。

分接段匝數(shù)為26匝。各檔匝數(shù)：494（26）520（26）546。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算得到高壓線圈分接簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 匝數(shù)簡(jiǎn)圖

導(dǎo)線截面積：

式中：IP1為高壓相電流；δ′為初選電流密度。

電流密度：

與低壓線圈的步驟類似，計(jì)算一系列參數(shù)后對(duì)線圈的尺寸進(jìn)行計(jì)算。

高壓繞組輻向總厚度為11＋18.5＋16＝45.5（mm），高壓線圈段間距離為20 mm、30 mm、20 mm，因此高壓線圈軸向高度為750 mm，電抗高為750－9.35＝740.65（mm）。

鐵心直徑可從前面的計(jì)算得知D＝280 mm，因此計(jì)算鐵心外接圓半徑是280／2＝140（mm），線圈幾何尺寸簡(jiǎn)圖如圖3所示，其他相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)如下：低壓與鐵心之間的距離為12 mm；高壓與低壓之間的距離為40 mm；相間距離為33 mm；圖中的低壓絕緣半徑為a21＝a22＝10.5 mm，高壓絕緣半徑為a11＝11 mm，a12＝18.5 mm。根據(jù)計(jì)算可得到：R21＝152 mm；R23＝162.5 mm；R11＝233 mm；R13＝264 mm。鐵心中心距：M0＝282.5×2＋33＋2＝600（mm）。

圖3 線圈幾何尺寸簡(jiǎn)圖

由以上數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出高低壓繞組平均半徑值、高低壓繞組平均匝長(zhǎng)、繞組導(dǎo)線總長(zhǎng)度分別如表3～5所示。

表3 高低壓繞組平均半徑

表4 高低壓繞組平均匝長(zhǎng)

表5 繞組導(dǎo)線總長(zhǎng)度

2.2 損耗計(jì)算以及短路阻抗計(jì)算

空載電流：變壓器二側(cè)開路時(shí)，流過(guò)一次繞組的總電流稱為空載電流以I0表示［10］，表達(dá)式如下：

式中：I0空載電流；I0y為無(wú)功分量；I0w空載電流的有功分量。

空載損耗：空載損耗主要來(lái)自空載鐵損，空載鐵損主要來(lái)自空載電流［11］，表示如式：

式中：P0為空載損耗；kP0為工藝附加系數(shù)；Ptx為鐵心硅鋼片的單位損耗；GF為鐵心硅鋼片的重量。

負(fù)載損耗：負(fù)載損耗主要包括兩部分，一部分為高、低壓繞組所產(chǎn)生的電阻損耗，另一部分為雜散損耗［8］。

短路阻抗：電路阻抗又稱阻抗電壓百分比，其主要由電阻分量與電抗分量?jī)刹糠纸M成［8］；表6中為電阻損耗、雜散損耗、負(fù)載損耗、總損耗等計(jì)算數(shù)據(jù)。

表6 損耗和短路阻抗計(jì)算值

2.3 溫升及重量計(jì)算

鐵損的存在使鐵心發(fā)熱。在低頻小功率變壓器中，鐵心溫升遠(yuǎn)低于鐵心的居里溫度，也低于線包的溫度。由于環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器鐵心損耗相對(duì)較小，一般忽略鐵心溫升對(duì)繞組溫升的影響［9］。本文采用的環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器計(jì)算溫升原理是認(rèn)為熱量從導(dǎo)體到樹脂傳導(dǎo)到繞組外部，變壓器的熱傳導(dǎo)溫升計(jì)算公式如下：

式中：τ為溫升；W為繞組中的損耗；S為繞組總縱向外表面面積；K為熱傳導(dǎo)率的倒數(shù)。

根據(jù)熱傳導(dǎo)溫升計(jì)算公式，可以計(jì)算出高壓內(nèi)線圈溫升τ1＝101.2℃；高壓外線圈溫升τ2＝96.679 99℃；高壓線圈總溫升τ＝98.3℃；低壓內(nèi)線圈溫升τ1＝107.13℃；低壓外線圈溫升τ2＝92.03℃；低壓線圈總溫升τ＝98.9℃。

變壓器的重量計(jì)算，包含硅鋼片重、導(dǎo)線重、線圈樹脂及玻璃纖維重等，根據(jù)參數(shù)計(jì)算可得低壓導(dǎo)線重為G1＝421.92 kg；高壓導(dǎo)線重為G2＝546.85 kg；低壓線圈樹脂及玻璃纖維重G3＝141 kg；高壓線圈樹脂及玻璃纖維重為G4＝182 kg；低壓引線銅排重G5＝47 kg；夾件及附件重為G6＝150 kg；底座小車等附件重為G7＝100 kg；低壓引線銅排夾件底座小車等附件重合為G總＝3 980 kg。

硅鋼片重：

式中：Wcore為硅鋼片重量；H0為高度；M0為鐵心中心距；G△為總的重量。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

AutoCAD在干式變壓器的設(shè)計(jì)中是一款較為實(shí)用的軟件，從它的工作目的而言，可以分為兩方面來(lái)介紹，一方面利用計(jì)算機(jī)求得最佳的電磁設(shè)計(jì)方案，另一方面為利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)［12］。

干式電力變壓器的計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行設(shè)計(jì)圖樣的繪制。目前，利用計(jì)算機(jī)繪制干式電力變壓器的圖樣有兩種方式，一是交互式繪圖，即人機(jī)直接對(duì)話式繪圖，它利用AutoCAD繪圖系統(tǒng)軟件，按照一定的尺寸、比例繪制；另一種是參數(shù)繪圖，即利用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言和ProE繪圖系統(tǒng)軟件結(jié)合在一起而編制的程序繪圖。本文采用的是前一種方式［13］。

上文介紹了環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器電磁計(jì)算，應(yīng)用了理論物理電磁理論和鐵心磁通的實(shí)際計(jì)算，確定了鐵心尺寸和線圈大小，以及線圈、鐵心在干式變壓器中產(chǎn)生的損耗等。下文采用AutoCAD軟件根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖。

鐵心截面的技術(shù)要求：

（1）鐵芯端面涂聚胺脂漆7110；

（2）夾板可用白布帶臨時(shí)固定在心柱上。

圖4 鐵心截面圖

4 結(jié)果分析

由國(guó)標(biāo)GB1094.11－2007《電力變壓器第11部分：干式變壓器》中對(duì)于1600 KVA，10 KV電壓等級(jí)干式變壓器的要求，對(duì)方案進(jìn)行分析。表7為變壓器的性能參數(shù)比較。

表7 變壓器的性能比較表

由表可知本文所提方案符合國(guó)標(biāo)要求。設(shè)計(jì)的SCB10－1600／10干式變壓器滿足技術(shù)參數(shù)，因而該方案是可行的，它為設(shè)計(jì)同類型的干式變壓器提供了參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

在掌握了干式變壓器電磁計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，本文完成了SCB10－1600／10干式變壓器的計(jì)算，對(duì)本文對(duì)環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先，選定變壓器的主要性能指標(biāo)，并由此選擇合適的鐵心截面優(yōu)化方式，計(jì)算得到符合應(yīng)用需求的鐵心截面面積。其次，確定了硅鋼片牌號(hào)，計(jì)算了鐵心直徑和橫截面積等，計(jì)算了繞組的輻向高度和輻向尺寸，計(jì)算了絕緣半徑，確定了變壓器的中心距，阻抗電壓，損耗溫升等電磁參數(shù)。采用AutoCAD軟件根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)繪圖。通過(guò)與所給出的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的環(huán)氧樹脂干式變壓器在誤差范圍內(nèi)是滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，這也驗(yàn)證了本文所提設(shè)計(jì)方案是可行的。本文的設(shè)計(jì)思路與計(jì)算對(duì)相關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)提供了參考，在新型變壓器需求日益增加的當(dāng)今社會(huì)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。