環氧樹脂絕緣干式變壓器的設計

姚林杰，王耀斌，蔣 偉

（株洲宏達電子股份有限公司，湖南株洲 412011）

0 引言

變壓器的理論基于互感現象，變壓器的設計涉及豐富的物理知識如電磁理論、熱力學、工程力學等［1－3］。干式變壓器的鐵心材料大多數采用硅鋼片，新型低功耗硅鋼片的應用使得干式變壓器更加節能。隨著材料學科和工程技術的發展，以及研究人員對變壓器產生噪聲進一步研究、對鐵心設計方案的不斷優化設計之下，干式變壓器的工作環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，在工程應用中具有顯著的優勢，因而對該類變壓器的需求正在不斷地增長。

大多數環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］。當前我國使用的環氧樹脂干式變壓器在結構上的特點為：采用玻璃纖維材料加強高壓繞組和低壓繞組；環氧樹脂的澆注環境是在真空環境中使用模具進行澆注，這樣做有利于得到堅韌且具有彈性的薄樹脂包封層，樹脂包封層包裹在線圈導體外圍，隨著線圈的收縮膨脹而跟隨線圈發生一樣的變化，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，這有利于環氧樹脂澆注線圈的熱傳導效應的改善［7］。

環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，國內外都在對環氧樹脂干式變壓器的澆注體進行研究，研究杜絕出現斷裂的澆注體，對于澆注體出現的多余氣泡的控制等［8］。環氧樹脂干式變壓器不斷發展，因其絕緣性強、能耗低等特點，目前已廣泛應用到各個領域，需求在不斷增長。本文對SCB10－1600／10環氧樹脂絕緣干式變壓器從理論上進行了設計，其中包括鐵心計算、線圈計算、負載損耗計算、重量計算、阻抗電壓計算和溫升計算等。根據計算得到的數據，通過AutoCAD工程制圖軟件繪制鐵心截面圖?；陔姶庞嬎愫徒Y構設計設計了SCB10－1600／10環氧樹脂絕緣干式變壓器。

1 技術參數

變壓器設計的要求需要滿足國家標準，或者滿足用戶提出的協議需求［9］。本文采用型號為SCB10－1600／10的干式變壓器，具體的技術參數如表1所示。

表1 變壓器主要技術參數

2 變壓器電磁計算

本文研究的干式變壓器采用Dyn11聯結方式。根據聯結方式可對相線電壓和電流進行計算，計算結果如表2所示。

表2 相線電壓和電流值

本文對變壓器電磁參數的計算作了詳細的介紹，選擇了合適的鐵心直徑計算橫截面積。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為3Z120。

鐵心計算一般先通過如下公式計算鐵心直徑：

式中：D為鐵心直徑；SZ為三相變壓器每相容量；KD為鐵心直徑經驗系數，這里取KD＝58。

其中三相變壓器每相容量：

式中：SN為額定容量。

通過計算得到高壓側有效截面積S1＝280.776 cm2，低壓側有效截面積為S2＝271.32 cm2。有效截面積Sfe＝552.095 9 cm2。

2.1 繞組參數的計算

環氧樹脂干式變壓器繞組部分的主要參數包括：高壓、低壓繞組與輻向尺寸，繞組絕緣半徑等。下文將對繞組的主要參數進行介紹與計算，圖1為環氧樹脂干式變壓繞組結構主視截面圖。

圖1 環氧樹脂干式變壓器繞組結構主視截面圖

低壓線圈形式一般采用箔式一個氣道，根據實際需求，選擇層絕緣厚為0.25 mm。

初算每匝電勢：

式中：磁通密度Bc′取16 T；Sfe為有效截面積。

初算低壓匝數：

式中：UP2為低壓繞組的相電壓。

匝電勢的確定：

校驗磁通密度：

磁通計算：

通過選定磁密，計算繞組的匝電勢，低壓繞組的總匝數以及電流密度等參數可以計算低壓繞組輻向尺寸以及以及它的軸向尺寸。

根據導線為銅線δ為1～2 A／mm2，導線截面積為：

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：銅箔1.5X780／／1170，導線截面積為1 170 mm2。則電流密度：

低壓繞組輻向厚度：

計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。

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

高壓匝數計算：

式中：UP1為高壓相電壓；ez為匝電勢。

分接段匝數為26匝。各檔匝數：494（26）520（26）546。根據相關數據的計算得到高壓線圈分接簡圖如圖2所示。

圖2 匝數簡圖

導線截面積：

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，計算一系列參數后對線圈的尺寸進行計算。

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算得知D＝280 mm，因此計算鐵心外接圓半徑是280／2＝140（mm），線圈幾何尺寸簡圖如圖3所示，其他相關的計算數據如下：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。根據計算可得到：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 線圈幾何尺寸簡圖

由以上數據，可以計算出高低壓繞組平均半徑值、高低壓繞組平均匝長、繞組導線總長度分別如表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

表5 繞組導線總長度

2.2 損耗計算以及短路阻抗計算

空載電流：變壓器二側開路時，流過一次繞組的總電流稱為空載電流以I0表示［10］，表達式如下：

式中：I0空載電流；I0y為無功分量；I0w空載電流的有功分量。

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

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

負載損耗：負載損耗主要包括兩部分，一部分為高、低壓繞組所產生的電阻損耗，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兩部分組成［8］；表6中為電阻損耗、雜散損耗、負載損耗、總損耗等計算數據。

表6 損耗和短路阻抗計算值

2.3 溫升及重量計算

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

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為熱傳導率的倒數。

根據熱傳導溫升計算公式，可以計算出高壓內線圈溫升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℃。

變壓器的重量計算，包含硅鋼片重、導線重、線圈樹脂及玻璃纖維重等，根據參數計算可得低壓導線重為G1＝421.92 kg；高壓導線重為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 結構設計

AutoCAD在干式變壓器的設計中是一款較為實用的軟件，從它的工作目的而言，可以分為兩方面來介紹，一方面利用計算機求得最佳的電磁設計方案，另一方面為利用計算機進行變壓器的結構設計設計［12］。

干式電力變壓器的計算結構設計主要是進行設計圖樣的繪制。目前，利用計算機繪制干式電力變壓器的圖樣有兩種方式，一是交互式繪圖，即人機直接對話式繪圖，它利用AutoCAD繪圖系統軟件，按照一定的尺寸、比例繪制；另一種是參數繪圖，即利用計算機高級語言和ProE繪圖系統軟件結合在一起而編制的程序繪圖。本文采用的是前一種方式［13］。

上文介紹了環氧樹脂絕緣干式變壓器電磁計算，應用了理論物理電磁理論和鐵心磁通的實際計算，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生的損耗等。下文采用AutoCAD軟件根據計算結果進行設計繪圖。

鐵心截面的技術要求：

（1）鐵芯端面涂聚胺脂漆7110；

（2）夾板可用白布帶臨時固定在心柱上。

圖4 鐵心截面圖

4 結果分析

由國標GB1094.11－2007《電力變壓器第11部分：干式變壓器》中對于1600 KVA，10 KV電壓等級干式變壓器的要求，對方案進行分析。表7為變壓器的性能參數比較。

表7 變壓器的性能比較表

由表可知本文所提方案符合國標要求。設計的SCB10－1600／10干式變壓器滿足技術參數，因而該方案是可行的，它為設計同類型的干式變壓器提供了參考。

5 結束語

在掌握了干式變壓器電磁計算方法的基礎上，本文完成了SCB10－1600／10干式變壓器的計算，對本文對環氧樹脂絕緣干式變壓器進行了設計。首先，選定變壓器的主要性能指標，并由此選擇合適的鐵心截面優化方式，計算得到符合應用需求的鐵心截面面積。其次，確定了硅鋼片牌號，計算了鐵心直徑和橫截面積等，計算了繞組的輻向高度和輻向尺寸，計算了絕緣半徑，確定了變壓器的中心距，阻抗電壓，損耗溫升等電磁參數。采用AutoCAD軟件根據計算結果進行設計繪圖。通過與所給出的參數進行對比，本文設計的環氧樹脂干式變壓器在誤差范圍內是滿足國家標準的，這也驗證了本文所提設計方案是可行的。本文的設計思路與計算對相關變壓器的設計提供了參考，在新型變壓器需求日益增加的當今社會，具有重要的應用價值。