环氧树脂绝缘干式变压器的设计

姚林杰，王耀斌，蒋 伟

（株洲宏达电子股份有限公司，湖南株洲 412011）

0 引言

变压器的理论基于互感现象，变压器的设计涉及丰富的物理知识如电磁理论、热力学、工程力学等［1－3］。干式变压器的铁心材料大多数采用硅钢片，新型低功耗硅钢片的应用使得干式变压器更加节能。随着材料学科和工程技术的发展，以及研究人员对变压器产生噪声进一步研究、对铁心设计方案的不断优化设计之下，干式变压器的工作环境得到了很好的改善［4］。干式变压器具有绝缘、不易燃等特点，在工程应用中具有显著的优势，因而对该类变压器的需求正在不断地增长。

大多数环氧树脂干式变压器的绝缘层都是薄绝缘的，厚度为1.5～2 mm［5］。当前我国使用的环氧树脂干式变压器在结构上的特点为：采用玻璃纤维材料加强高压绕组和低压绕组；环氧树脂的浇注环境是在真空环境中使用模具进行浇注，这样做有利于得到坚韧且具有弹性的薄树脂包封层，树脂包封层包裹在线圈导体外围，随着线圈的收缩膨胀而跟随线圈发生一样的变化，因此杜绝了树脂包封层的断裂［5－6］。薄绝缘的树脂包封层，不仅有了较好的包封作用，而且薄的包封层减少了温差，这有利于环氧树脂浇注线圈的热传导效应的改善［7］。

环氧树脂绝缘干式变压器的浇注方式是将树脂材料浇注线圈，渗入到匝间、层间和段间。一直以来，国内外都在对环氧树脂干式变压器的浇注体进行研究，研究杜绝出现断裂的浇注体，对于浇注体出现的多余气泡的控制等［8］。环氧树脂干式变压器不断发展，因其绝缘性强、能耗低等特点，目前已广泛应用到各个领域，需求在不断增长。本文对SCB10－1600／10环氧树脂绝缘干式变压器从理论上进行了设计，其中包括铁心计算、线圈计算、负载损耗计算、重量计算、阻抗电压计算和温升计算等。根据计算得到的数据，通过AutoCAD工程制图软件绘制铁心截面图。基于电磁计算和结构设计设计了SCB10－1600／10环氧树脂绝缘干式变压器。

1 技术参数

变压器设计的要求需要满足国家标准，或者满足用户提出的协议需求［9］。本文采用型号为SCB10－1600／10的干式变压器，具体的技术参数如表1所示。

表1 变压器主要技术参数

2 变压器电磁计算

本文研究的干式变压器采用Dyn11联结方式。根据联结方式可对相线电压和电流进行计算，计算结果如表2所示。

表2 相线电压和电流值

本文对变压器电磁参数的计算作了详细的介绍，选择了合适的铁心直径计算横截面积。用作电源变压器铁心的钢板都是硅钢片。本文采用的硅钢片牌号为3Z120。

铁心计算一般先通过如下公式计算铁心直径：

式中：D为铁心直径；SZ为三相变压器每相容量；KD为铁心直径经验系数，这里取KD＝58。

其中三相变压器每相容量：

式中：SN为额定容量。

通过计算得到高压侧有效截面积S1＝280.776 cm2，低压侧有效截面积为S2＝271.32 cm2。有效截面积Sfe＝552.095 9 cm2。

2.1 绕组参数的计算

环氧树脂干式变压器绕组部分的主要参数包括：高压、低压绕组与辐向尺寸，绕组绝缘半径等。下文将对绕组的主要参数进行介绍与计算，图1为环氧树脂干式变压绕组结构主视截面图。

图1 环氧树脂干式变压器绕组结构主视截面图

低压线圈形式一般采用箔式一个气道，根据实际需求，选择层绝缘厚为0.25 mm。

初算每匝电势：

式中：磁通密度Bc′取16 T；Sfe为有效截面积。

初算低压匝数：

式中：UP2为低压绕组的相电压。

匝电势的确定：

校验磁通密度：

磁通计算：

通过选定磁密，计算绕组的匝电势，低压绕组的总匝数以及电流密度等参数可以计算低压绕组辐向尺寸以及以及它的轴向尺寸。

根据导线为铜线δ为1～2 A／mm2，导线截面积为：

式中：I为低压绕组线电流；电流密度δ＝2 A／mm2。

这里选择线规：铜箔1.5X780／／1170，导线截面积为1 170 mm2。则电流密度：

低压绕组辐向厚度：

计算低压绕组轴向尺寸为780 mm；低压线圈电抗高为780 mm；铁心窗高为895 mm。

低压绕组辐向有12层，被一个气道隔开，气道在6、7层之间，气道宽度为20 mm，端绝缘为16 mm，空气距离为40 mm。

对树脂绝缘而言，由于工艺上的原因，均无法采用饼式绕组，本文采用四段多层圆筒式高压绕组，有一个气道。它的电压分接范围为±5%。与低压绕组部分电磁参数计算类似，得到其高压绕组的匝数与电流密度结果如下。

高压匝数计算：

式中：UP1为高压相电压；ez为匝电势。

分接段匝数为26匝。各档匝数：494（26）520（26）546。根据相关数据的计算得到高压线圈分接简图如图2所示。

图2 匝数简图

导线截面积：

式中：IP1为高压相电流；δ′为初选电流密度。

电流密度：

与低压线圈的步骤类似，计算一系列参数后对线圈的尺寸进行计算。

高压绕组辐向总厚度为11＋18.5＋16＝45.5（mm），高压线圈段间距离为20 mm、30 mm、20 mm，因此高压线圈轴向高度为750 mm，电抗高为750－9.35＝740.65（mm）。

铁心直径可从前面的计算得知D＝280 mm，因此计算铁心外接圆半径是280／2＝140（mm），线圈几何尺寸简图如图3所示，其他相关的计算数据如下：低压与铁心之间的距离为12 mm；高压与低压之间的距离为40 mm；相间距离为33 mm；图中的低压绝缘半径为a21＝a22＝10.5 mm，高压绝缘半径为a11＝11 mm，a12＝18.5 mm。根据计算可得到：R21＝152 mm；R23＝162.5 mm；R11＝233 mm；R13＝264 mm。铁心中心距：M0＝282.5×2＋33＋2＝600（mm）。

图3 线圈几何尺寸简图

由以上数据，可以计算出高低压绕组平均半径值、高低压绕组平均匝长、绕组导线总长度分别如表3～5所示。

表3 高低压绕组平均半径

表4 高低压绕组平均匝长

表5 绕组导线总长度

2.2 损耗计算以及短路阻抗计算

空载电流：变压器二侧开路时，流过一次绕组的总电流称为空载电流以I0表示［10］，表达式如下：

式中：I0空载电流；I0y为无功分量；I0w空载电流的有功分量。

空载损耗：空载损耗主要来自空载铁损，空载铁损主要来自空载电流［11］，表示如式：

式中：P0为空载损耗；kP0为工艺附加系数；Ptx为铁心硅钢片的单位损耗；GF为铁心硅钢片的重量。

负载损耗：负载损耗主要包括两部分，一部分为高、低压绕组所产生的电阻损耗，另一部分为杂散损耗［8］。

短路阻抗：电路阻抗又称阻抗电压百分比，其主要由电阻分量与电抗分量两部分组成［8］；表6中为电阻损耗、杂散损耗、负载损耗、总损耗等计算数据。

表6 损耗和短路阻抗计算值

2.3 温升及重量计算

铁损的存在使铁心发热。在低频小功率变压器中，铁心温升远低于铁心的居里温度，也低于线包的温度。由于环氧树脂绝缘干式变压器铁心损耗相对较小，一般忽略铁心温升对绕组温升的影响［9］。本文采用的环氧树脂绝缘干式变压器计算温升原理是认为热量从导体到树脂传导到绕组外部，变压器的热传导温升计算公式如下：

式中：τ为温升；W为绕组中的损耗；S为绕组总纵向外表面面积；K为热传导率的倒数。

根据热传导温升计算公式，可以计算出高压内线圈温升τ1＝101.2℃；高压外线圈温升τ2＝96.679 99℃；高压线圈总温升τ＝98.3℃；低压内线圈温升τ1＝107.13℃；低压外线圈温升τ2＝92.03℃；低压线圈总温升τ＝98.9℃。

变压器的重量计算，包含硅钢片重、导线重、线圈树脂及玻璃纤维重等，根据参数计算可得低压导线重为G1＝421.92 kg；高压导线重为G2＝546.85 kg；低压线圈树脂及玻璃纤维重G3＝141 kg；高压线圈树脂及玻璃纤维重为G4＝182 kg；低压引线铜排重G5＝47 kg；夹件及附件重为G6＝150 kg；底座小车等附件重为G7＝100 kg；低压引线铜排夹件底座小车等附件重合为G总＝3 980 kg。

硅钢片重：

式中：Wcore为硅钢片重量；H0为高度；M0为铁心中心距；G△为总的重量。

3 结构设计

AutoCAD在干式变压器的设计中是一款较为实用的软件，从它的工作目的而言，可以分为两方面来介绍，一方面利用计算机求得最佳的电磁设计方案，另一方面为利用计算机进行变压器的结构设计设计［12］。

干式电力变压器的计算结构设计主要是进行设计图样的绘制。目前，利用计算机绘制干式电力变压器的图样有两种方式，一是交互式绘图，即人机直接对话式绘图，它利用AutoCAD绘图系统软件，按照一定的尺寸、比例绘制；另一种是参数绘图，即利用计算机高级语言和ProE绘图系统软件结合在一起而编制的程序绘图。本文采用的是前一种方式［13］。

上文介绍了环氧树脂绝缘干式变压器电磁计算，应用了理论物理电磁理论和铁心磁通的实际计算，确定了铁心尺寸和线圈大小，以及线圈、铁心在干式变压器中产生的损耗等。下文采用AutoCAD软件根据计算结果进行设计绘图。

铁心截面的技术要求：

（1）铁芯端面涂聚胺脂漆7110；

（2）夹板可用白布带临时固定在心柱上。

图4 铁心截面图

4 结果分析

由国标GB1094.11－2007《电力变压器第11部分：干式变压器》中对于1600 KVA，10 KV电压等级干式变压器的要求，对方案进行分析。表7为变压器的性能参数比较。

表7 变压器的性能比较表

由表可知本文所提方案符合国标要求。设计的SCB10－1600／10干式变压器满足技术参数，因而该方案是可行的，它为设计同类型的干式变压器提供了参考。

5 结束语

在掌握了干式变压器电磁计算方法的基础上，本文完成了SCB10－1600／10干式变压器的计算，对本文对环氧树脂绝缘干式变压器进行了设计。首先，选定变压器的主要性能指标，并由此选择合适的铁心截面优化方式，计算得到符合应用需求的铁心截面面积。其次，确定了硅钢片牌号，计算了铁心直径和横截面积等，计算了绕组的辐向高度和辐向尺寸，计算了绝缘半径，确定了变压器的中心距，阻抗电压，损耗温升等电磁参数。采用AutoCAD软件根据计算结果进行设计绘图。通过与所给出的参数进行对比，本文设计的环氧树脂干式变压器在误差范围内是满足国家标准的，这也验证了本文所提设计方案是可行的。本文的设计思路与计算对相关变压器的设计提供了参考，在新型变压器需求日益增加的当今社会，具有重要的应用价值。