非晶合金变压器设计

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要S7系列变压器是1980年后推出的变压器，其效率较SJSJLSLSL1系列的变压器高，其负载损耗也较高80年代中期又设计生产出S9系列变压器，空载损耗较S7系列平均降低8%，负载损耗平均降低24%非晶合金铁芯变压器SH15系列的空载损耗较S9系列降低75%左右，但其价格仅比S9系列平均高出30%，因此本文探讨了非晶合金材料特性以及非晶合金变压器的发展现状、结构特点、节能效果，描述了非晶合金变压器设计方案：（1）非晶合金变压器的电磁参数设计即磁密的选取方法，绕组联结组别的确定，电压和电流、铁心叠厚、高低压绕组匝数的计算；（2）结构参数设计即铁心尺寸及绕组轴向、辐向尺寸的计算及绝缘结构设计；（3）性能设计即空载损耗及空载电流计算、负载损耗计算等。经过ansoft maxwell仿真软件验证所设计SH15-500/10-0.4非晶合金变压器的正确性。关键词：非晶合金变压器； 电磁参数设计； 结构参数设计； ansoft maxwell仿真 Design of Amorphous Alloy TransformerS7 transformer is introduced after 1980, whose efficiency and load loss are both higher than SJ, SJL, SL and so on. In the middle of 1980s the S9 series transformer is designed, whose non-load loss and load loss are both lower than the S7 series transformers. The non-load loss of the amorphous alloy iron core transformer SH15 is reduced by 75% comparing the S9 series transformer, but its price is higher than S9 series. Amorphous alloy material properties were introduced in this paper, so as the development of the amorphous alloy transformer status, the structure characteristics and energy-saving effect of the amorphous alloy, it also described the design method of the amorphous alloy transformer: The first, the electromagnetic parameter design of the amorphous alloy transformer namely the method of choosing the flux density, the determination of winding connection group, the Calculation of the voltage and current ,the core thickness and the high and low voltage winding circle number. The second, the structural parameter design namely the calculation of the axial, radial size of the core and winding structure and the insulation structure design. The third, performance design namely the calculation of the no-load loss and no-load current, load loss, etc. Through the ansoft maxwell simulation, the SH15-500/10-0.4 transformer we design in this paper is testified correct.KEYWORDS: amorphous alloy transformer; electromagnetic parameter design; structural parameter design; ansoft maxwell simulation目 录1 绪论11.1 本课题的研究目的及意义11.2 国内外现状及发展趋势11.3 主要研究内容与章节安排42 非晶合金变压器性能分析及电磁计算52.1 非晶合金材料简介52.2 非晶合金变压器经济效益分析92.3 非晶合金变压器电磁计算92.3.1 非晶合金变压器设计流程图92.3.2 电压和电流计算132.3.3 变压器铁心计算132.3.4 变压器空载损耗计算152.3.5 变压器绕组计算152.3.6 负载损耗计算172.3.7 空载损耗计算172.3.8 绝缘计算182.3.9 本章小结193 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器电磁计算203.1 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器数据参数203.2 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器各个参数计算203.2.1 电压计算203.2.2 电流计算203.2.3 铁芯计算213.2.4 绕组计算213.2.5 导线计算223.2.6 负载损耗223.2.7 空载损耗及空载电流233.2.8 仿真结果分析233.2.9 本章小结264 总结27致谢28参考文献291 绪 论1.1 本课题的研究目的及意义在我国节约型社会的建设中，随着电力事业的发展及城农电网的建设与改造的不断深入，广大电力用户对节能型变压器的要求越来越高。为了加快产品的更新换代，提高节能水平，满足市场的需求，目前全国各地的变压器生产企业加大了对非晶合金变压器的生产力度1。变压器是根据电磁原理而制造的一种输变电设备，导磁磁路系统是变压器的一个主要部分，导磁材料的性能直接影响变压器的技术经济指标，非晶合金变压器就是用非晶合金材料代替硅钢片制造变压器，加工成的非晶合金铁芯带材厚度仅为0.025mm这种新材料用于变压器铁芯磁化过程相当容易，并且非晶合金的饱和磁密较低一般在1.3到1.35T之间，从而大幅度降低变压器的损耗，它比现行的S9,S11系列变压器空载损耗下降达75%，空载电流下降达45%，推广应用非经合金变压器不仅有良好的节能效益，而且有环保效益。节能相当于减少发电量或少建发电厂，从而减少发电厂排放的二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等。经过计算可知，三相非晶合金铁芯配电变压器系列产品的节能效果非同一般，由于油箱又设计成全密封式结构，使变压器内的油与外界空气不接触，防止了油的氧化，延长了使用寿命为用户节约了维护费用，因此非晶合金变压器是传统配电变压器理想的更新换代产品。目前国家还在不断进行电网建设和改造，如果所有配电变都采用非晶合金铁芯变压器，那么既可为国家节约大量能源，又会取得显著的环保效益23。1.2 国内外现状及发展趋势在我国从20世纪90年代初期到21世纪初期，小部分变压器企业逐渐开始了解和运用非晶合金材料以及非晶合金配电变压器技术制造变压器。但是，由于受原材料供应的限制和终端市场发展的影响，我国非晶合金配电变压器技术尚未完全达到商业化生产的规模和能力，尤其是变压器的核心组件非晶合金铁心的生产主要依赖外资企业。从2005年起，非晶合金配电变压器由于具有高效、环保的特性，成为了电网降耗的重要手段之一，也正是在这样的背景下得到了大规模的应用。中低端变压器产品技术含量低决定了行业进入壁垒不高，生产能力相对饱和，产品销售处于完全竞争状态，由此导致的市场无序竞争格局严重扰乱了市场秩序，不利于整个变压器行业的健康发展。高端产品市场的集中度则相对较高，其中生产500kV及以上变压器产品的内资企业3家；生产220kV变压器的厂家目前有30家左右；生产110kV变压器的厂家目前有100家左右；生产干式变压器的厂家目前有100家左右。我国电力需求增长迅速，电网的高速建设和投资拉动了输变电设备的市场需求。庞大的电力建设资金给变压器行业（包括变压器、互感器、电抗器、组件制造厂）带来了机遇和挑战，促使变压器行业得到了快速发展。中商情报网数据显示，2011年前三季度，我国变压器产量超过11亿千伏安，同比增长13.9%。随着电网改造工程的深入，电网升级速度的加快，我国变压器生产仍将保持较快增速，预计到2015年，我国变压器产量将超过20亿千伏安。随着我国节能降耗政策的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪音、智能化的配电变压器产品。高能耗配电变压器面临着技术升级、更新换代的需求，未来将逐步被节能、节材、环保、低噪音的变压器所取代。非晶合金变压器兼具了节能性和经济性，其显著特点是空载损耗很低，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求，是目前节能效果最为先进，使用成本也较为经济的配电变压器产品。在解决了噪声问题之后，产品普遍适用于城市、农村的各类场所。2013-2017年 中国非晶合金变压器行业市场需求预测与投资战略规划分析报告中国非晶合金变压器市场调研及投资前景预测前瞻显示，随着电网建设持续和城乡配电网改造加速，变压器市场需求量有望保持强劲增长态势。2010年我国非晶合金变压器市场规模约18亿元，随着非晶合金变压器市场推广加快，产品应用比例逐步提升。预计未来10年非晶合金变压器市场容量将达到千亿元，年均市场容量超过100亿元，市场空间巨大。在国家将鼓励发展节能型、低噪音、智能化的配电变压器产品背景下，行业内经营规模较大、技术研发能力较强的大型企业将面临更多的发展机遇。置信电气作为国内规模最大的非晶变压器生产企业，公司产品在非晶合金变压器市场占有率达到80%左右，行业龙头地位稳固，公司拟以非公开发行股份的方式购买非晶合金变压器业务和资产。中商情报网研究员指出，随着国家和各地电网公司对使用非晶合金变压器节能环保认识上趋于统一，并加大对非晶合金变压器的推广力度，未来两年公司非晶合金变压器在招标中的市场份额将上升，保守预计公司今后两年营业收入将有30%左右的增幅。美国是最早研发非晶合金材料和非晶合金变压器的国家，现有9家以上的企业采用非晶合金生产非晶合金变压器，它们生产各种单相、三相非晶配电变压器，生产能力超过30万台，目前成功研制出2500kVA三相非晶合金配电变压器，据不完全统计，到2000年美国非晶合金配电变压器占配电变压器总数的20%左右，超过800万台。美国配电变压器每年更换和补充100多万台，给美国每年节约近50*109kWh的空载损耗，节能产生的经济效益约35亿美元左右。非晶合金配电变压器在美国有美好的情景，在生产和应用上美国都处在世界的前列。欧洲（主要指欧洲中的西欧国家）的6到10千伏级配电变压器总数基本和美国相当，也有4000多万台，近年来，出于环境保护和节能目的采用非晶合金的配电变压器约占总数的5%。欧盟中的英国、法国、德国、荷兰、比利时及瑞典和瑞士都有大量应用。东欧国家近年来也有生产和应用非晶合金变压器的报道5。日本于1999年重新修订了配电变压器的损耗标准，把以前的节能型配电变压器改为普通型配电变压器，而把采用磁畴细化型硅钢和非晶合金的损耗更低的定位为新的节能型配电变压器。预计到2010年为止，要投入的新型节能变压器1000万台，其中非晶合金配电变压器占1/3左右，1999年日本节能大奖和2001年的日本机械工业会长奖都授给了非晶合金配电变压器，日本生产非晶合金配电变压器的有大阪变压器产、日立公司、东芝公司、高岳制作所、爱知电机公司等年生产能力超过10万台NAMCO公司最近也开始上产非晶合金配电变压器6。印度厂家从1992年开始批量生产三相合金变压器，容量为25到100千伏安，主要用于农村电网。印度农村电气化公司每年向农网中投入上万台非晶合金配电变压器。据报道，到2000年印度已有6家非晶合金配电变压器制造厂，年生产能力超过15万台，生产的非晶合金配电变压器也扩大到500千伏安以上，印度农网中的非晶合金配电变压器占总量的20%7。东南亚的马来西亚、印尼、菲律宾、泰国等国南亚的孟加拉、尼泊尔等都积极推广应用非晶合金配电变压器，有的已向电网投入3万到5万台非晶合金配电变压器，有的每年都要采购上千台非晶合金配电变压器，成为非晶合金配电变压器的一个重要应用市场8。另外，台湾地区、韩国等其他一些国家都在开发、研制、制造和使用非晶合金配电变压器9。1.3 主要研究内容与章节安排本课题主要是按照变压器的设计流程设计一台SH15-500/10-0.4非晶合金变压器，并对其进行仿真出结果。主要研究内容如下：（1）非晶合金变压器综述这部分主要分析变压器工作原理及结构，变压器铁芯材料的发展，非晶合金铁芯的特点、结构形式，非晶合金变压器的经济效益分析以及非晶合金变压器的一些知识。（2）变压器的电磁计算变压器的电磁设计流程，技术参数的确定，电压和电流的计算，铁芯直径的确定，高低压绕组匝数的确定，高低压绕组匝数计算，绝缘设计及变压器的铁心与空载参数的计算，变压器的绕组与负载损耗的计算。（3）非晶合金变压器的设计非晶合金变压器主要参数的确定即磁通密度的取值，工艺系数的确定，联结组别，噪声，铁心受力以及非晶合金变压器与硅钢片变压器计算不同的部分。（4）仿真结果与分析2 非晶合金变压器性能分析及电磁计算2.1 非晶合金材料简介物质按照内部微观原子尺度下的方式来区分，可以把物质划分为晶体和非晶体两大类：晶体的结构状态按一定的几何形状有规则的呈周期性排列，也可以说晶体中的原子长程有序排列，例如氯化钠、钻石、普通的金属合金等；而非晶体中原子的排列处于混乱堆积，处于短程有序而长程无序的状态，例如液体、气体、玻璃、以及聚合物等10。对于金属合金而言，通常情况下为晶体状态，具有晶体的一般性质；而当金属合金液体在相当快的冷却速度下凝固时，合金液体的热量被迅速带走，原子的动能迅速降低，成为过冷液体，当合金完全凝固以后，由于在如此快速冷却条件下，原子来不及扩散形成规则排列，从而原子最终保持了与合金液体相似的结构，这种内部原子混乱排列结构的合金便是非晶态合金。非晶态合金与晶态合金之间本质的差别在于：晶态合金具有平移对称性(即长程有序)，而非晶态合金则无平移对称性，只是在1.2 nm的范围内由于化学键合作用而存在一定的配位关系，即形成了一种有缺陷的且不完整的“短程有序”。它们可由多种工艺制备。所有这些工艺都涉及将合金组元从气态或液态快速凝固，将原子的液态组态冻结下来。这样的非晶态结构导致了独特的磁性能，机械性能，电性能和耐腐蚀性能等11。非晶变压器铁心不是由传统的硅钢片叠装而成，使用的是一种新型导磁材料非晶合金。这种合金是1960年美国加利福尼亚工科大学P.瓦兹教授首先从金和硅合金中发现的一种新型导磁材料。这种合金具有超软磁特性。首次研究成的非晶合金为铁、硼非晶合（Fe80B20）。将这种熔化的金属喷射到一个转速为10Km/h的底盘上，足以使这种合金的冷却速度超过106。C/s，从而形成固态非晶合金。因为这个过程是连续的，因而可以最终生产出一定长度的卷料来。晶粒体晶粒结构与硅钢片的晶粒结构不同12。见图2-1。 a）晶粒结构 b） 非晶粒结构图2-1 结构图非晶合金的单位损耗和励磁特性大大低于硅钢片，其主要特点有：(1)非晶合金铁心片厚度极薄，仅0.025mm，不到常用硅钢片的110；叠片系数较低，只有0861带材有142，170，213mm种宽度。(2)非晶合金的饱和磁通密度较低，单相变压器一般取1.3T1.4T，三相变压器一般取1.25T1.35T，因此，产品设计受到材料的限制。(3)非晶合金的硬度较大，是取向硅钢片的5倍，因此，加工剪切很困难，对设备、刀具要求较高。一般是对边缘剪切处进行加温从而获得良好的剪切面，心柱由同一宽度的非晶合金带卷制而成，故铁心截面呈长方形，相应的高、低压绕组均为矩形13。(4)非晶合金在成材过程中急速冷却和卷绕铁心时会产生应力，为了获得良好的损耗特性，非晶合金铁心成型后必须在一定的磁场条件下进行退火处理。其退火工艺比较复杂，要求较高。(5)非晶合金铁心材料退火之后的脆性(易产生碎屑)也是设计制造时需关注的问题，需要采取一定的工艺措施。(6)非晶合金铁心材料对机械应力非常敏感，无论是张引力还是弯曲应力都会影响其磁性能，所以，铁心的损耗会随着压力的增大而增加。这需要在器身结构设计方案中予以充分考虑。由非晶合金的特点可知，采用非晶合金制造变压器，虽然工艺复杂，但可使空载损耗和空载电流大幅下降。非晶合金变压器与传统的变压器相比空载损耗低，节能效果显著因此在结构设计中有其独特的特点。(1)非晶合金变压器铁心截面为矩形，因此一、二次绕组均加工成带圆角矩形，从而提高了导线的利用率。与采用多级圆形截面铁心相比，可节省铁心及电磁线材料。(2)非晶合金铁心的结构可分为叠环式、单环式、气隙分布式、叠片式和搭接式卷铁心五种。通常铁心采用搭接式，这是考虑到铁心受力、铁心强度、铁心和绕组的夹紧结构等各类因素的合理选择。但搭接式有额外的搭接长度，上下重叠。搭接式结构的材料利用率较低，同时铁轭厚度的有所增加。环式卷铁心先用带材卷成不同的尺寸的环，然后将这些环叠成铁心，并使得心柱的截面接近圆形，这种结构曾在大型壳式变压器中使用。从经济角度出发，一般每个框宜采用5到9个环，填充系数在84%到90%之间。叠环式铁心的优点是铁心性能优良，在绕组绕制和组装等过程中铁心受力很小，其强度也很高；缺点是为防止铁心受力，铁心和绕组的加紧结构较复杂。单环式卷铁心这种结构被应用于自耦变压器和互感器中，见图2-2。这种结构的铁心是用带材直接连续绕制成圆环形，不切割。绕组利用线梭直接绕制在环形铁心上，截面是矩形。绕组支撑在铁心环的边缘上，铁心受力很小。单环式铁心性能极佳，近似于理想状态。但这种结构需用专用的设备，较费工时，并且只符合15kVA左右的小容量变压器21。 图2-2 单环式卷铁心气隙分布式卷铁心先把带材卷成圆环，然后压扁，在进行切割整理，使接缝形成梯形分布。铁心退火后，使接缝处分开，装入矩形绕组后，将铁心重新恢复成原样。气隙分布式卷铁心的性能比前两种差，这是由于铁心接缝的分开和重新恢复造成的。另外，铁心切割时，需使用专用的切割设备22。搭接式卷铁心同“气隙分布式卷铁心”类似，区别在于它们的接缝形式。气隙分布式卷铁心在接缝处片与片之间两端对齐而搭接式有额外的搭接长度，上下重叠，它的接缝示意图见图2-3。 图2-3 搭接式卷铁心示意图非晶合金变压器铁芯结构主要优缺点如表2-4所示：铁芯结构铁心性能加工时量切割量专用设备投资叠环式好多无多单环式很好较多无较多气隙分布式良中少较少搭接式良中少少叠片式中中多较多表2-4 5种铁心结构对照表 三相非晶合金变压器一般采用四框五柱式，其结构如图2-5所示：图2-5 四框五柱式结构2.2 非晶合金变压器经济效益分析变压器在传输功率的过程中其自身要产生有功功率的损耗（即空载损耗与负载损耗的总和）。此部分的损耗只要变压器在使用中就会产生，因此这里引入“变压器全年运行成本”这个参数，可反映出变压器运行一年所消耗的电费。按照 GB20052-2006三相配电变压器能效限定值及节能评价值标准，变压器运行成本计算式如下：Cp=（8600+3400）+0.05M（8600%+3400%） (2-1)参数说明:变压器空载损耗（kW）变压器空载电流（%）变压器负载损耗（kW）阻抗电压百分数,按4%取值变压器容量（kVA）8600，3400变压器全年运行空载，负载小时数（h）0.05无功当量M电费（元/kW.h）,按0.65元取值经过以上数据分析16，SH15系列变压器的空载损耗和空载电流比较常规变压器有显著效果，其多出的初期投资在三到四年后即可弥补过来。2.3 非晶合金变压器电磁计算非晶合金变压器线圈电磁设计和传统的硅钢片变压器设计步骤是相同的，变压器电磁设计计算的任务是确定变压器的电磁负荷和主要尺寸，计算的结果必须满足有关技术标准的规定和使用部门的要求。2.3.1 非晶合金变压器设计流程图变压器电磁设计的主要步骤一般来说如图2-6：图2-6 设计流程图确定技术参数实际就是确定变压器设计的原始条件。在变压器设计计算之前需要确定的技术参数主要有国家标准及有关标准以及用户订货时所提出来的要求所决定。对于电力变压器而言，设计计算中主要涉及的国家标准有电力变压器（即GB1094）干式变压器(GB6450)与JB_T10318-2002油浸式非晶合金铁芯配电变压器技术参数和要求等。其主要项目如下:额定容量、电压组合、联结组标号及性能参数应符合表2-7的规定18表2-7三相油浸式非晶合金变压器性能参数额定容量kVA电压组合及分接范围联结组标号空载损耗W负载损耗W空载电流%短路阻抗%高压KV高压分接范围%低压KV30 66.31010.511 0.4336001.7 4.050438701.3635010401.2806012501.11007515001.01258518000.916010022000.720012026000.725014030500.731517036500.540020043000.550024051500.563032062000.3 4.580038075000.31000450103000.31250530120000.21600630145000.22000750174000.2 52500900202000.2注：当铁芯为三相三柱时，根据需要也可采用Yyn0联结组别。其主要项目如下：（1）额定容量：一般应按GB1094中所规定的容量等级，特别注意所推荐优先采用的容量等级。（2）额定电压：应按GB1094及有关国家标准及IEC标准的规定，尤其是出口产品应考虑订货要求。（3）有载调压及无励磁调压范围和级数。（4）额定频率：一般为50HZ个别出口产品可能为60HZ。（5）相数：单相或三相（个别特种变压器除外）（6）绕组联接标号当非晶合金变压器铁心采用四框五柱式结构时，有两个旁轭可供磁通中的高次谐波或零序分量流通，因此，Yyn0联结法是不合适的，应采用Dyn11联结法。因为前者易造成绕组过电压，绝缘相对不安全，亦会使损耗增加，而后者则相反。（7）磁通密度的确定四框五柱式卷铁心在励磁时，磁通流经4个铁心框，有不对称分布现象存在。这使某些局部磁通由于受不对称分布产生的高次谐波叠加的影响而发生畸变，从而引起局部磁感、应超饱和，导致损耗迅速增加。因此，在设计时，磁通密度不宜选得过高，单相变压器一般取1.3T1.4T,三相变压器一般取1.25T1.35T。（8）工艺系数在变压器制造过程中，4个铁心框在与绕组装配时，须经历打开铁心接缝、套装绕组、再合上接缝以及压紧绕组等工序，这样就使铁心受到力的作用，从而造成装配后的空载损耗比裸铁心时有所增加。因此在设计中，应考虑这个增加值，理论上用工艺系数来表示。该系数同铁心与绕组的组合方式、操作工人的经验和技能等诸多因素有关19，一般取取1.081.15。（9）铁心受力非晶合金对机械应力非常敏感，无论是张应力还是弯曲应力都会影响其性能，空载损耗会随着压力的增大而增加，一般会增加20。因此，应选择合理的装配结构，使铁心表面压力维持在低于某一允许值范围内。变压器短路时产生的冲击性电动力，如直接作用于铁心，铁心是无法承受的。在设计中，使绕组压紧、固定自成体系，尽量减少其装配时及铁心自重产生的应力，减小其短路时径向尺寸的内缩或外扩。（10）额定性能数据（空载损耗、负载损耗、空载电流、短路阻抗等）。（11）额定使用条件：对我国应按国家标准的规定如下： 环境温度：最高气温 +40最高日平均气温 +30最高年平均气温 +20最低气温(适用于户外式变压器) -25最低气温(适用于户内式变压器) -5 海拔高度:变压器安装地点的海拔高度不应超过1000m，当超过时应按降低绝缘处理，对温升标准也另作考虑。 冷却水温度:强循环水冷式变压器规定冷却扣除税文卫30(12）冷却方式：按国家标准的规定。(13) 温升限制（14）绝缘水平全绝缘：中性点绝缘水平与线路绝缘水平一致。分级绝缘：中性点绝缘水平比线路绝缘水平低，一般用于中性点有效接地系统。降低绝缘：产品的绝缘水平一般比正常产品要低，适用于不直接和架空线路连接的产品。（15）噪音水平变压器的噪声源于变压器铁心在交变磁通下磁致伸缩而引起的振动。由于非晶合金的磁致伸缩程度比硅钢片高约10，直接影响非晶合金变压器的噪声。非晶合金材料在一定磁场强度，经过退火处理，使磁畴沿外磁场方向形成条带状磁畴。保温冷却后，这种磁畴被保留下来，磁畴只沿带宽方向变化，而不发生磁畴转动。因此，非晶合金变压器的铁心在良好的退火条件下其噪声应低于硅钢片变压器。由于受力程度的限制，一般非晶合金变压器噪声比硅钢片变压器高6dB8dB，但不会超过相关环境标准中的规定值。2.3.2 电压和电流计算三相变压器根据联接组别有Y接法(或YN接法)与接法两种类型，故可分为两种情况。Y(YN)接法: (2-2) (2-3)接法: (2-4) (2-5)式中额定线电压，V； 额定线电流，A。2.3.3 变压器铁心计算 铁芯尺寸是变压器的最基本的参数，因为铁芯柱的大小一旦确定，也就决定了绕组的内径以及原副绕组的匝数，从而影响到整个变压器的尺寸和个主要参数。它的正确选定还涉及到变压器材料的铜铁比，是影像优化设计的重要因素。所以确定铁芯直径往往是变压器设计的第一步。铁心材料采用具有软磁特性的非晶合金带材为铁心材料。因非晶合金变压器采用的是口字型成型铁心，其本身材质的特点决定了铁心截面只能做成矩形，所以计算相关尺寸时采用非晶带材宽度和厚度。一般铁心双排放置，大小两种铁心框，每种四只，每组线圈内有4个铁心截面。非晶合金变压器铁心一般卷制成三相四框式结构，这样不仅变压器的高度比三相三柱式的低，而且两个旁轭可供磁通中高次谐波或零序分量流通，有效地降低了漏抗压降以及改善了电流质量。铁心尺寸可根据表2-8选择，亦可根据设计需要进行定制，但最大片宽应尽量控制在217mm以下。表2-8 非晶合金铁芯截面、尺寸及其质量容量/kVA尺寸（ABCD）/mmmmmmmm只/台每只重量/kg每台重量/kg截面积/ 301224513055100/245755510022012041.5146/2207041.51462/22/229.2/25.730/27109.8114110121.18501224513552150/245755215023512547174/23575471742/22/241.5/36.144/39155.2166156163.56801226014567150/260806715026513058174/26575581742/22/251.9/51.560/53221.2226201201.841001228014570150/280807015026513054217/26575542172/22/264.7/56.869/61243260210234.3640080045015594217/4509094217405170116146/405951161462/24/4187/171155/1407161180407.96677.44注：30kVA100kVA有两种定型的非晶合金铁心可供选择。（1）铁心通常采用搭接式卷铁心，四框五柱式结构。（2）密度。（3）单位重量损耗在1.3T(50HZ)时。（4）磁通密度，饱和磁密，设计时工作磁通密度取1.25T1.35T。（5）铁心质量。2.3.4 变压器空载损耗计算空载损耗的计算: （2-6）式中空载损耗附加工艺系数，；单位质量的损耗（W/Kg）。通常，设计出的空载损耗值不超过国家标准中所规定的值的+15%，并最好是负的偏差。当求得的空载损耗值不符合标准规定时，需调整铁芯直径D。当D增大并保持磁密不变时，由于铁芯尺寸增大，使得与也增大，同时线圈的匝数减少，导线重量、随之降低；当直径D减少时，则与上述结果相反。（3）空载电流的计算:空载电流主要是空载电流无功分量的计算，即 （2-7）式中：单位总量的励磁容量（VA/kg），按心柱磁密查得；q单位面积的接缝励磁容量(VA/)，按铁轭磁通密度查得；n接缝数，取n=4；芯柱有效截面（），=； 芯柱有效截面积； 额定容量（kVA）。2.3.5 变压器绕组计算绕组在电力变压器中是最要、最复杂的部件，因为它基本上决定了变压器的容量、电压、电流和使用条件。它有铜（铅）扁导线绕制，再配以专门的绝缘部件组成。绕组形式主要是根据绕组的电压等级和电流的大小来进行选择，同时还要考虑电气强度、机械强度、散热面积和绕制的可能性等等。一般对电压低而电流大的绕组，常用多根扁导线并联绕制成螺旋式绕组；而对于电压等级较高、电流较小，且在纵绝缘上还有其特殊要求的，常可绕制成连续式和插入电容的内屏蔽式绕组。因为非晶合金铁心截面为矩形，所以一、二次线圈均设计成圆角矩形，而后通过压装整形使线圈固化，以增强其机械特性，提高变压器抗短路冲击能力。其示意图如图2-9所示，图2-9 铁心压装整形装置绕组在运行过程中必须满足绝缘强度要求、动稳定要求、散热能力要求才能保证其安全有效地运行。（1）导线的选择 高低压线圈均采用无氧铜绕制。材质：直径2.5mm以下的采用QQ-2高强度缩醛漆包圆线。其余采用ZB-0.45纸包扁铜线。 线圈形式。容量为315-1600KVA/6-10 KVA的抵押0.4KV的线圈，采用圆角矩形箔式结构；容量为30-1600KVA/6-10KVA的高压线圈，采用多层层式圆角矩形结构。（2）电流密度的选择铜导线电流密度最大不超过4.5；铝导线电流密度最大不超过2.4。小型变压器电流密度可以取较低，容量较大，电流密度可取高些。低损耗变压器铜导线电流密度一般为2.53.0，不超过3.5。电流密度按下式确实： ， （2-8）式中：电流密度（），一般铜导线=3.04.5，铝导线=1.62.0；绕组相电流（A）；n导线并联根数；单根导线截面积，。（3）层式绕组轴向尺寸计算 （2-9）式中：b-带绝缘导线的直径或宽度；导线沿轴向的并联根数；每层匝数；制造裕度。（4）线圈辐向尺寸计算线圈油道两侧的辐向尺寸要分别计算。 （2-10）式中：a带绝缘导线的直径或宽度；导线沿辐向并联根数；油道一侧的线圈层数；绝缘层厚度；裕度；2.3.6 负载损耗计算变压器的额定负载损耗是指变压器的一侧绕组短路，而另一侧绕组有额定电流时，变压器从电网所吸取的有功功率，也就是变压器的短路损耗。线圈电阻计算：非晶合金变压器的铁心截面是矩形，而绕组的横截面是一个带圆角的矩形，在计算线圈电阻时可以用一个周长相等的的等效圆形铁心来代替实际存在的矩形铁芯，即R=C+D（R为等效半径）。对于箔式绕组，这样的等效一样成立。 (2-11)为负载损耗，为短路电流，为短路等效电阻。2.3.7 空载损耗计算（1）变压器空载损耗的组成变压器的空载损耗又称铁耗20，它属于励磁损耗而与负载损耗无关，空载损耗的大小对变压器的制造成本与运行经济性都有较大的影响。通常变压器的空载损耗包括铁芯材料的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗三部分。采用非晶合金材料做成的卷铁芯，异常涡流损耗甚至将占到50%左右。（2）空载损耗的计算 （2-12）式中空载损耗附加工艺系数，；单位质量的损耗（W/Kg）。通常，设计出的空载损耗值不超过国家标准中所规定的值的+15%，并最好是负的偏差。当求得的空载损耗值不符合标准规定时，需调整铁芯直径D。当D增大并保持磁密不变时，由于铁芯尺寸增大，使得与也增大，同时线圈的匝数减少，导线重量、随之降低；当直径D减少时，则与上述结果相反。（3）空载电流的计算空载电流主要是空载电流无功分量的计算，即 （2-13）式中：单位总量的励磁容量（VA/kg），按心柱磁密查得；q单位面积的接缝励磁容量(VA/)，按铁轭磁通密度查得；n接缝数，取n=4；芯柱有效截面（），=； 芯柱有效截面积； 额定容量（kVA）。2.3.8 绝缘计算变压器按绝缘介质的不同，通常可分为：油浸式变压器（包括不燃油变压器），干式变压器以及气体绝缘变压器（主要是六氟化硫气体）这三大类。无论哪种类型的变压器，其绝缘结构都是十分重要的，它既影响到运行的可靠性，也是决定产品成本及其技术先进性等主要因素。变压器在长期运行时，既要承受长期最大工作电压的作用，更要耐受各种可能发生的过电压，而后者对变压器来说更加严峻，它往往是决定变压器绝缘水平的主要依据。变压器的电性能，主要依据各种试验电压来保证。当电流流过变压器绕组时，在漏磁场与电流的共同作用下，在导体内将产生电动力，尤其是在突然短路时，将遭受巨大的短路电流的作用，这时电动力达到很大数值。在设计是选用绝缘材料和整个的绝缘结构在电动力作用下有足够的动稳定性和机械强度。另外，变压器的使用寿命也与机械强度有关。变压器在运行过程中将因各部分的损耗而发热，并直到稳定的稳升值。高温将加速绝缘材料的老化从而缩短其使用寿命。通常，根据变压器所使用绝缘材料的绝缘等级不同，都规定有相应的额定温升与最高容许发热温度值。在运行过程中，一旦发热温度超过最高容许值后，变压器的寿命将锐减。电压器运行时各部分所承受的电压有：(1)正常工作时的最高电压；(2)雷电冲击过电压；(3)工频过电压；(4)内部过电压。变压器的绝缘结构分为主绝缘及纵绝缘两大部分。不同种类的变压器，其主纵绝缘均有一定的绝缘规范要求。这里仅介绍油浸式变压器的绝缘结构。主绝缘系指绕组有电连接的电容屏蔽、引线和分接开关对箱体的绝缘，即绕组对铁心接地部位、箱体以及在电器上与它没有联系的相邻绕组的绝缘。主绝缘设计主要任务，在于正确选择各部位的绝缘尺寸和材料，以确保这些部位的绝缘在工频1分钟试验电压和冲击电压下不发生击穿，在长期最大工作电压下不发生有害的局部放电。变压器绕组绝缘的好坏和可靠程度是决定变压器能否长期、安全运行的基本保障，对于各类高压变压器，绕组绝缘显然更为重要。纵绝缘是指绕组具有不同电位的不同点和不同部位之间的绝缘。变压器的纵绝缘包括匝间绝缘、层间绝缘以及段间绝缘这三部分。纵绝缘设计时要考虑的是：作用在纵绝缘上的各种电压及梯度分布：绕组制造中的工艺裕度；特殊情况下绕组间的相互影响；纵绝缘对主角元的影响，段间油隙大小对散热影响等。2.3.9 本章小结本章主要介绍变压器的电磁设计流程，技术参数的确定，电压和电流的计算，铁芯直径的确定，高低压绕组匝数的确定，高低压绕组匝数的计算，变压器的绕组与负载损耗的计算，空载损耗的计算。3 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器电磁计算3.1 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器数据参数额定容量：额定电压： 联结组别：DYn11短路阻抗： 空载损耗： 空载电流： 负载损耗： 其它技术条件符合GB10941999电力变压器及JB/T103182002油浸式非晶合金铁芯配电变压器技术参数的要求。3.2 SH15-500/10-0.4非晶合金变压器各个参数计算3.2.1 电压计算高、低压侧线电压：，高、低压侧相电压： ，高压侧10kV：（+5%抽头处）： （-5%抽头处）： 3.2.2 电流计算高压侧相电流：低压侧相电流：3.2.3 铁芯计算=41310,取220mm,取110mm3.2.4 绕组计算选取初算V/匝匝取整后实际，V/匝T高压调压抽头：计算电压误差如下：高压绕组额定分接处：高压绕组+5%分接处：高压绕组-5%分接处： 3.2.5 导线计算（1）高压绕组：初算电流密度j=2.3A/，导线选取为ZB-0.45 ，其规格为41.8mm；查表的其截面积为7.0。已知电流为16.7A，则实际电流密度为j=2.386A/，假设绕组为8层，轴向尺寸：=41（871/8+1）(1+1.5%)=446.1mm辐向尺寸：=1.814+(4-1)8(1+8%)=31.668mm =1.814+(4-1)8(1+8%)=31.668mm（2）低压绕组：初算电流密度j=2.3A/，采用箔绕，导线选取为QZ0.45 2.520扁铜线；查表的其截面积为50，采取并联6根，4层。已知电流为721.7A，则实际电流密度为j=2.406A/。轴向尺寸：=206 (5+1）（1+1.5%）=730.8mm辐向尺寸：=2.512+(2-1)8（1+8%）=13.195mm =2.512+（2-1）8（1+8%）=13.195mm3.2.6 负载损耗（1）高压绕组：，由表可得对于500KVA来说C=420和420mm，D=160和90mm=184.7mm,=162.4mm, =15.834mm, =47.502mm, =6.5975mm, =19.7925mm，=1.371m，=1.556m，=1274.8m。高压75摄氏度时的电阻：高压绕组铜损耗： （2）低压绕组：=1.102m，=1.185m低压导线总长：=23.37m低压75摄氏度时的电阻：低压绕组铜损耗： 负载损耗：3.2.7 空载损耗及空载电流有表可推得铁心重量为816 kg， 3.2.8 仿真结果分析（1）使用ansoft maxwell电磁仿真软件进行仿真计算，用其先建立电磁模型如图3-1所示:图3-1非晶合金变压器三维模型图（2）变压器为DYn11联结，一次侧线圈为三角形连接其额定线电压为10千伏匝数为871，如图3-2所示，二次侧匝数设置为20，如图3-3所示图3-2 一次侧设置图图3-3二次侧设置图图3-4励磁加载图（3）设置二次侧电阻为50欧，运行模型，加载激励，如图3-4所示，得出下图： 图3-5二次侧相电压波形图如图3-5所示二次侧相电压幅值为325V，其有效值为230V，验证了所设计的变压器的正确性。 图3-6二次侧线电压波形图如图3-6所示二次侧线电压波形幅值为572V，其有效值为400V，验证了所设计的变压器的正确性。 图3-7二次侧相电流波形图 二次侧设置负载电阻为50欧姆，相电流波形如图3-7所示，幅值为6.5A，有效值为4.6A，所以线电流有效值为8.0A，验证了所设计的变压器的正确性。3.2.9 本章小结本章通过对非晶合金变压器各个部分分别进行分析和研究，得出各个部分的参数，最后通过ansoft maxwell仿真验证了各个参数的正确性。4 总结本选题基于变压器的设计原理与电磁计算以及非晶合金变压器与特点设计出一台非晶合金变压器，并对此进行仿真以检验设计是否满足要求。在设计时遇到很多难题包括对变压器的结构部件的认识，绕组的选型，绝缘设计以及电磁计算公式的理解等通过各种方法最终得以解决，在此对论文的主要工作做一下总结。（1）非晶合金变压器概述这部分主要分析变压器工作原理及结构，变压器铁芯材料的发展，非晶合金铁芯以及非晶合金变压器的一些知识。非晶合金铁芯是由非晶带材卷成长方形，长方形短边侧开口，以便插入线圈，而后搭接而成整体，最外层用普通硅钢片作包扎，用锁扣锁住。在铁芯侧面，涂覆3M胶或环氧树脂，保持整个铁芯牢固和整体性。由于非晶合金带材电阻率是硅钢片的3倍，另外铁基非晶带材的厚度约30m，所以非晶合金铁芯的涡流损耗非常小。同时，铁基非晶的导磁率比硅钢片高很多。（2）变压器的电磁计算变压器的电磁设计流程，技术参数的确定，电压和电流的计算，铁芯直径的确定，高低压绕组匝数的确定，高低压绕组匝数计算，绝缘设计及变压器的铁心与空载参数的计算，变压器的绕组与负载损耗的计算。（3）非晶合金变压器的设计非晶合金变压器主要参数的确定即磁通密度的取值，工艺系数的确定，联结组别，噪声，铁心受力以及非晶合金变压器与硅钢片变压器计算不同的部分。（4）仿真结果与分析本设计详细介绍了变压器设计的基本原理和SH15-500/10-0.4箔式非晶合金配电变压器的电磁计算。包含了铁心参数选择，额定电压、电流计算匝数选择，导线选择，线圈尺寸、结构确定，主绝缘设计，空载损耗计算等，较为系统的计算了变压器所需的具体参数。致谢随着毕业设计的完成，我的大学生活也将结束。在这短短的几个月的时间里，让我学到了以前在书本上学不到的知识。让我度过了大学生活最为充实的一段时期，而且收获了理论和实践上的第一桶金。在做毕业设计的这段时间，我要感谢我的指导老师司纪凯老师，他经常抽出宝贵的时间来询问毕业设计的情况。在这次毕业设计中他还指导了很多学生，任务非常繁重，但是他对每一项工作还是那么负责，对我耐心指导。从他负责指导我的毕业设计开始，就对我设计中的每一个环节都不遗余力的给于我帮助。在毕业设计的这段时间，他深厚的学术修养，严禁的治学态度，强烈的责任心和对学生的无私关怀，将令我收益终身。感谢我的家人，我永远的支持者，正是在你们殷切目光的注视下，我才一步步的完成了求学生涯。没有你们，就不会有今天的我!我一直很感谢你们，让我拥有一个如此温馨的家庭，让我所有的一切都可以在你们这里得到理解与支持，得到谅解和分担。你们的支持和鼓励是我前进的动力。同时，我还要感谢电气学院的所有老师们，他们在大学生活的几年中给我的无私帮助，我将终生难忘。在平时的学习生活中，各位老师不辞辛劳的工作，使我在许多方面都达到了一个较高的层次,对我以后的工作与生活都有着非常有益的帮助。29河南理工大学毕业设计（论文）说明书参考文献1李森，宋小忠.浅析非晶合金铁心变压器降损效益C，20082陈玉国.非晶合金铁心配电变压器的分析J.电力设备2005，6(12)3季爱晖，蔡定国，龙丽琼，项阳.三相五柱式非晶合金变压器磁路及其性能参数J-变压器2009，46(10)4薛智琴.非晶变压器及非晶合金的市场展望J/OL.无线互联科技，2012(07)5刘康生，蒋瑞兰.非晶合金铁芯变压器的节能特点J/OL.科技资讯，2012（29）6郭鸿.非晶合金变压器的节能发展前景J/OL.大众用电，2012（11）7张志，孙楠，许泽冰.非晶合金发展及制备J/OL.科技信息，20078HsChen,DTumbull.Formation,Stability 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