变压器设计要点及计算要点总结

　　变压器概述

　　变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。电路符号常用T当作编号的开头。例： T01， T201等。

　　变压器工作原理

　　单相变压器有两个线圈共同绕在一个闭合铁芯上，如右图所示，其中与电源相连的线圈称为原边线圈，与原边线圈相关的各量的标示符号均在右下角标注以角码1，如U1、I1等，与负载项链的线圈称为副边线圈，相关度额各量的标示符号均在右下角标注角码2，如U2、I2等。

　　此变压器工作原理为：当变压器的原绕组施以交变电压u1时，便在原绕组中产生一个交变电流i1，这个电流在铁芯中产生交变磁通Φ，因为原、副绕组在同一个铁芯上，所以当磁通Φ穿过副绕组时，便在变压器副边产生感应电动势e2（即变压电压）。变压器中感应电动势的大小是和线圈的匝数、磁通的大小及电源的频率成正比。

　　变压器的种类

　　1.按功能分类。变压器按功能可分为普通电力变压器（如配电变压器、输电变压器等）和特种变压器（如试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器、各类调压器等）。

　　2.按相数分类。变压器按相数可分为单相变压器、三相变压器和多相变压器（如六相整流用变压器）。我国电力系统中用的电力变压器大多为三相变压器。若三相变压器容量超大，太过笨重，从制造厂到安装地点的运输过程中，受运输条件限制，需降低变压器的尺寸及质量时，则可以考虑将三个完全相同的单相变压器的绕组按一定的方式作三相连接组成三相变压器组，如500kV电压等级的变压器大都采用三相变压器组，其三相磁路是独立的，各相主磁通以各自铁芯作为磁路。三相变压器较之于同容量的三相变压器组，其铁磁材料消耗少，运行电能损耗少，且占地面积小，因此在条件允许的情况下应优先采用三相变压器。

　　3.按调压方式分类。变压器按调压方式可分为无载调压变压器和有载调压变压器。无载调压变压器必须在停电的情况下才能进行分接头的切换，其调压装置结构较为简单。有载调压变压器则可以在不停电的情况下实现分接头的切换，其调压装置结构相对复杂，造价高，对检修维护的要求也较高。

　　4.按绕组个数分类。变压器按绕组的个数可分为双绕组变压器、三绕组变压器、自耦变压器和多绕组变压器。近年来三绕组变压器在电力系统中应用越来越多，大多用于需要三种不同电压等级的场合。采用一台三绕组变压器比采用两台双绕组变压器，可以节省材料和占地面积，减少附属设备，提高运行效率，维修也方便。只有当某电压等级传输容量很小，三个电压等级之间分别使用多台小容量的双绕组变压器可以使总容量显著减少时，才考虑使用双绕组变压器。三绕组变压器的高压、中压和低压三个绕组，通常套在一个铁芯柱上。由于绝缘结构的要求，高压绕组常套在最外面。由于升压变压器的功率主要由低压侧向高压侧和中压侧传递，所以其低压绕组常套在高、中压绕组之间。这样一来，升压变压器的高压绕组在最外面，低压绕组居中，中压绕组最靠近铁芯。对于降压变压器，绕组排列则采用高压绕组在最外面、中压绕组居中、低压绕组最靠近铁芯的方式，以降低绝缘费用。

　　5.按绝缘及冷却方式分类。变压器按绝缘及冷却方式可分为油浸式、干式和气体绝缘式等。其中油浸式变压器，又有油浸自冷式、油浸风冷式、油浸水冷式和强迫油循环冷却式等。由于油浸式电力变压器具有散热好、损耗低、容量大、价格低等优点，所以获得了广泛应用。

　　6.按铁芯结构分类。变压器按铁芯结构可分为芯式变压器和壳式变压器。

　　7.按容量大小分类。变压器按容量大小可分为小型变压器（10～630kVA）、中型变压器（800～6300kVA）、大型变压器（8000～63000kVA）、特大型变压器（90000kVA以上）。

　　8.按中性点绝缘方式分类。变压器按中性点绝缘方式可分为全绝缘变压器和分级绝缘变压器。所谓全绝缘是指星形接线变压器中性点的绝缘水平与三相出线的绝缘水平相同，例如60kV及以下电压等级的变压器中性点绝缘即采用这种方式。所谓分级绝缘是指中性点的绝缘水平低于三相出线的绝缘水平，例如110kV电压等级的变压器中性点采用35kV的绝缘水平，220kV电压等级的变压器中性点采用110kV的绝缘水平。采用分级绝缘后，因变压器内绝缘的尺寸缩小，变压器的尺寸可以相应地缩小，造价也降低很多。

　　变压器的主要参数

　　1.额定电压。变压器的额定电压包括一次额定电压和二次额定电压。一次额定电压是指接到变压器一次绕组端点的额定电压值。二次额定电压是指当一次绕组所接的电压为额定值，分接开关放在额定分接头位置上，变压器空载时二次绕组的电压。

　　2.额定电流。变压器的额定电流包括一次额定电流和二次额定电流，分别指在额定电压和规定的环境温度下，使各部分不超过允许温度的一次绕组和二次绕组长期允许通过的电流。

　　3.额定容量。额定容量是指变压器在额定电压、额定电流时连续运行所传送的容量。对于双绕组变压器，其额定容量以绕组的容量表示（双绕组变压器的两个绕组具有相同的额定容量）。对于三绕组变压器，应给出每个绕组的额定容量。三绕组变压器各绕组的额定容量有的相同，有的不同，按三个绕组的容量比的不同有三种类型：100%/100%/100%、100%/100%/50%、100%/50%/100%。

　　4.额定频率。我国标准工业频率为50Hz。

　　5.空载损耗。空载损耗指当以额定电压施加于一个绕组的端子上，其余各绕组开路时变压器所产生的损耗。变压器在空载状态下的损耗主要是铁芯中的磁滞损耗和涡流损耗，因此空载损耗也称铁损。

　　6.短路损耗。对双绕组变压器，短路损耗是指将变压器的一侧绕组短路，流经另一侧绕组的电流为额定电流时，变压器所消耗的功率。对三绕组变压器，要提供三个绕组两两短路试验所测的短路损耗，而且当三个绕组容量比为100%/100%/50%或100%/50%/100%时，短路损耗数据是一对绕组中容量较小的一方达到其额定电流时的值。短路损耗主要是绕组的电阻引起，所以又称铜损。

　　7.短路电压，又称阻抗电压。对双绕组变压器，短路电压是指当一侧绕组短接，以额定频率的电压施加于另一侧绕组上，并使短接绕组中流过额定电流时所施加的电压。对三绕组变压器有三个短路电压，即用高-中、高-低、中-低三个短路电压表示。由于大容量变压器的阻抗以电抗为主，可由短路电压近似求得变压器绕组的电抗，因此短路电压是一个十分重要的参数，对变压器的电压变动和并列运行有重要意义，例如两台变压器并列运行的条件之一就是要短路电压相等。除特殊指明外，短路电压均以施加电压绕组额定电压的百分数表示。

　　8.空载电流。空载电流指变压器在额定电压下空载运行时的电流值。一个绕组的空载电流通常以该绕组额定电流的百分数表示。对三绕组变压器来说，这个百分数以最大额定容量的那个绕组为准。

　　9.温升。温升是指变压器各部分的温度与其周围冷却介质温度的差值。

　　铁心设计及计算

　　1．铁心的作用：变压器是根据电磁感应原理制造的，磁路是电能转换的媒介，由于铁心是采用导磁率较高的硅钢片叠积而成，只要通入较小的励磁电流，就能得到所需要的磁通。

　　2．铁心的材料：常用冷轧硅钢片的牌号及叠片系数如下表。由于硅钢片表面已有附着性较好的绝缘薄膜，故可不涂漆。叠片系数取决于绝缘膜厚度、波浪度、同板差及毛刺的大小。

　　3．铁心截面形状：铁心柱截面形状为圆内接阶梯形，铁心直径φ70~φ1600的级数为6~26级（1/4圆内）。当铁心直径为φ70~φ395时，铁轭截面形状与铁心柱截面形状相同；当铁心直径φ340~φ1600时铁轭截面形状为D形。

　　4.铁心直径：D0=KDPzh0.25

　　式中：KD—直径经验系数，冷轧硅钢片，铜导线KD=52~57

　　Pzh—每柱容量（kVA）

　　5．磁通密度选择原则：

　　铁心磁密一般热轧硅钢片取1.4~1.47T；冷轧硅钢片取1.6~1.75T

　　6.空载损耗：

　　变压器在空载时测得的损耗，空载损耗主要包含铁心硅钢片中磁滞损耗（与频率成正比）和涡流损耗（与频率平方成正比）等。

　　7.空载电流：

　　变压器在空载时测得的电流，空载电流中主要是励磁电流无功分量（与频率成正比）和空载损耗产生的有功分量。

　　8.影响空载性能的因素

　　8.1铁心材质：热轧比冷轧硅钢片空载损耗及电流大；硅钢片每片厚度愈厚，空载损耗及电流也愈大，但太薄又会增加工艺附加系数；一般采用每片厚度为0.23、0.27、0.3mm；

　　8.2铁心磁密：铁心磁密选过高，空载损耗及空载电流均会增加。

　　8.3叠片形式：每叠片数多，空载损耗及空载电流均会增加，一般采用2片一叠。

　　8.4接缝形式：有取向冷轧硅钢片，一般采用全斜接缝，如采用半直半斜接缝时，每增加一个直接缝会使空载损耗增加3.5%左右；

　　8.5毛刺大小：毛刺大，空载损耗及空载电流均会增加，一般≤0.03mm；

　　8.6夹紧方式：采用穿心螺杆比用粘带及绑扎带绑扎，空载损耗及空载电流增加。

　　8.7制造工艺：如剪切、搬运、摔打均会产生应力，从而使空载损耗及空载电流增加；

　　8.8清洁程度：保持铁心清洁无灰尘、无异物，否则也会使空载损耗及空载电流增加。

　　绕组设计及计算

　　1．导线材质：变压器绕组的导线常采用电解铜或无氧铜杆（电阻率约低1%~1.5%）拉制的圆铜线及铜扁线制成缩醛漆包线、纸包线、组合导线及换位导线。也曾用过铝导线，但由于铝导线电阻率较高、机械强度较差、焊接较困难现已很少采用。

　　2．绕组形式：圆筒式（层式）：单层、双层、多层圆筒式及分段圆筒式。常用于中小型的高压或低压绕组。

　　螺旋式：单、单半、双、双半、四、四半螺旋式；常用于中大型的低压绕组。

　　连续式：常用于中大型的高压及低压绕组。

　　纠结式：常用于66kV及以上大型的高压绕组。

　　内屏式：常用于66kV及以上大型的高压绕组。

　　3．绕组排列：双绕组：高—低排列。三绕组：降压变压器为高—中—低；升压变压器为高—低—中排列。

　　4．电压比偏差：

　　额定电压比是一个绕组的额定电压与另一个具有较低或相等额定电压绕组的额定电压之比。

　　电压比（变比或匝比）的偏差是产品的实测的空载电压比与规定的标准电压比之差，常以规定的标准电压比的百分数表示。

　　国家标准GB1094.1规定的空载电压比允许偏差，如表所示。为考虑制造和测量的偏差，在计算时，一般不应超过下表中规定的允许偏差值的一半，即空载电压比允许偏差的计算值，常取V%≤±0.25%

　　当高压绕组电压较低，且容量较大的产品，电压比（特别是分接电压比）的允许偏差，如达不到要求时，应要及时与用户协商。

　　自耦变压器和增压变压器，因其阻抗很小，则应有更大的偏差。高压及中压各分接位置的电压比的计算偏差（V%），分别按下式计算：

　　式中：et—每匝电势（V）；et=U2/W2W2—低压绕组的每相匝数；

　　U2—低压绕组的相电压（v）

　　W—高压或中压绕组各分接位置的每相匝数；

　　U—高压或中压绕组各分接位置的相电压（v）。

　　5．电流密度选择原则：

　　绕组导线的电流密度是根据负载损耗（Pk）；长期工作电流的温升；突发短路的温升；承受突发短路时的电动力（机械力）；经济性等来选择。铜导线电流密度一般选3.0A2左右。

　　6．主纵绝缘选择：主要考虑承受电压：长期工作电压；感应试验电压；短时工频耐受电压；冲击耐受电压（全被、截波、操作波）等。

　　7．负载损耗

　　7.1绕组导线的电阻损耗：I2R注意应换算到参考温度（一般为75C）。

　　7.2绕组导线的涡流损耗：由于漏磁通穿过导线而产生涡流，造成涡流损耗，它与频率及垂直于漏磁的导线厚度等的平方成正比，常以占电阻损耗的百分数表示。

　　注意：三绕组变压器在计算外－内（一般为高－低压）绕组的负载损耗时，这时中间（一般为中压）绕组，虽然没有电流通过，但它处于漏磁场最大的位置，故需另加上中间（一般为中压）绕组的3倍涡流损耗。

　　7.3、绕组损耗的环流损耗：导线在漏磁场中所处的位置不一样，或导线的长度不一样，而又换位不完全，导线间产生环流，造成环流损耗，常以占电阻损耗的百分数表示。

　　7.4、引线的损耗：包含引线的电阻损耗及附加损耗（涡流损耗）。

　　7.5、杂散的损耗：漏磁通穿过夹件、拉板、油箱等钢铁零件而产生涡流，从而造成杂散损耗。

　　8．绕组在电气方面常发生的故障

　　8.1、三相电阻不平衡：由于材质、焊接、结构（B相引线较短）会造成三相电阻不平衡，注意，引线配制和焊接质量，使三相电阻不平衡率，一般不超过2%。

　　8.2、匝间短路：由于导线的毛刺或换位不当，而损伤匝绝缘，造成匝间短路。应将垫块去毛刺、加强制造工艺。

　　8.3、感应或冲击击穿：由于材质、设计、工艺等原因，造成匝间、段间、层间击穿。选择合理的绝缘结构（如高电压的绕组采用分部电容补偿等）。加强制造工艺，注意清洁度。

　　8.4、对地放电：由于材质、设计、工艺等原因，造成高压绕组间或对地放电。

　　选择合理的绝缘结构（如采用薄纸筒小油隙及角环结构），采用静电板改善端部电场等。加强制造工艺，注意清洁度。

　　9．提高绕组机械强度的措施

　　9.1、绕组导线：一般采用机械强度较好的半硬铜导线。换位导线宜用粘性换位导线（其抗弯强度为普通换位导线的3倍以上）。

　　9.2、安匝平衡：高低压绕组要尽量做到安匝平衡，对中大型变压器不平衡安匝一般不超过5%。

　　9.3卷紧：注意计算及制造公差。

　　9.4压紧：垫块密化；绕组压紧力一般为2.5MPa；最好采用恒压或带压干燥和整体套装。

　　9.5撑紧：低压绕组内部加副撑条，所有绕组均卷在硬纸筒上。