环氧树脂浇注绝缘干式变压器设计与计算

戴永林 整理

本章以环氧树脂浇注干式变压器SCB10-1000/10的设计为例，详细列出了树脂浇注干式变压器的设计计算过程，以及每一步计算所涉及到的公式和原理。该变压器具有以上所述的树脂浇注干变的各项优点，是树脂浇注干变设计的典型实例。

1变压器设计计算的任务

变压器设计计算的任务是使产品设计符合国家标准，或者用户在合同中提出的标准和要求。在合同中通常包括以下一些技术规范：

a.变压器的型式： 相数、绕组数、冷却方式、调压方式、耦合方式。 b.额定容量，各绕组的容量，不同冷却方式下的容量。 c.变压器额定电压、分接范围。 d.额定频率。

e.各绕组的首末端的绝缘水平。 f.变压器的阻抗电压百分值。 g.绕组结线方式及连接组标号。

h.负载损耗、空载损耗、空载电流百分值。 i.安装地点海拔高度。

此外，用户可能还有一些特殊参数。

变压器计算的任务，就是根据上述技术规范，按照国家标准，如《电力变压器》、《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》、《高压输变电设备的绝缘配合及高电压试验技术》和其它专业标准，确定变压器电磁负载，几何尺寸、电、热、机械方面的性能数据，以满足使用部门的要求。对方案进行优化计算，在满足性能指标前提下，具有良好的工艺性和先进的经济指标。

2变压器设计计算步骤

以下主要针对电力变压器而言，特种变压器的计算基本与之相同，只需考虑特殊要求和自身特点即可。

1) 根据技术合同，结合国家标准及有关技术标准，决定变压器规格及相应

的性能参数，如额定容量、额定电压、联结组别、短路损耗、负载损耗、空载损耗及空载电流等。

2) 确定硅钢片牌号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，计算心柱和铁轭截

面。

3) 根据硅钢片牌号，初选铁心柱中磁通密度，计算每匝电势。

4) 初选低压匝数，凑成整匝数，根据此匝数再重算铁心柱中的磁通密度及

每匝电势、再算出高压绕组额定分接及其他各分接的匝数。

5) 根据变压器额定容量及电压等级，计算或从设计手册中选定变压器主、

从绝缘结构。

6) 根据绕组结构形式，确定导线规格，进行绕组段数、层数、匝数的排列，

计算出段数、层数、总匝数及每层的匝数、每段匝数。

7) 计算绕组的轴向高度及辐向尺寸。计算绕组几何高度、电气高度及窗高。 8) 计算绝缘半径，确定变压器中心距M0，高、低压绕组平均匝长L。 9) 初算短路阻抗无功分量，大型变压器无功分量值应与短路阻抗标准值接

近。

10) 计算绕组负载损耗，算出短路阻抗有功分量（主要指中小型变压器），

检查短路阻抗是否符合标准规定值。

11) 计算绕组对油温升，不合格时，可调整导线规格、或调整线段数及每段

匝数的分配，当超过规定值过大时，则需要调整变更铁心柱直径。 12) 计算短路机械力及导线应力，当超过规定值时，应调整安匝分布或加大

导线截面。

13) 计算空载性能及变压器总损耗，计算变压器重量。

3树脂浇注干式变压器设计的详细计算

本毕业设计主要任务为设计SCB10-1000/10-0.4变压器。 3.1技术条件

产品型号：SCB10-1000/10 额定容量：1000kVA

电压比：(10±5%)/0.4kV 频率：50Hz 联结方法：Dyn11

额定电压电流：高压侧 1000V/57.74A 低压侧 400V/1443.38A 短路阻抗：6％ 空载损耗：1770W 负载损耗：8130W 硅钢片牌号：30Q120

执行标准： GB/T10228，GB1094.11 3.2 铁心计算

铁心直径：Pt为三相变压器每相容量，故 Pt=Pn/3=1000/3kVA K为经验系数， 取K=57

44根据经验公式： D=KP′=571000/3=243.5mm

由于铁心直径的位数取0或者是5，所以变压器的铁心直径为：D=245mm。 D2

S=π

4 ， 计算可得： S=471.196cm2。 铁心净横截面积：根据公式 3.3绕组计算

1初选磁密：B=1.50 T ○

2初算匝电压: f=50Hz 铁心净横截面积经查表得出：A=436.306cm ○

2

t

由公式 et=4.44fBAt=

BAt

, 计算可得 et=14.5435V 45

3低压匝数：因为低压侧是Y接，故U○W=15.883 ，

Φ

=

UL3=

4003=231V , 计算可得

由公式W=

UΦ231

==15.883，取整得W=16 et14.5434

UΦ231

==14.4375V W16

4重算匝电压：et=○

B=

○5重算磁密：

45et45×14.4375==1.49TAt436.306

○6高压匝数：高压绕组一般均设有分接线匝，这样就应根据各分接的相电压求出各分接匝数

高压侧D接 故U Φ=UL=10000V 高压绕组为U Φ±0.5%调压，共3级 则U Φ1=

U Φ×(1+5%)=10500V

U Φ2=U Φ=UL=10000V

U Φ3=U Φ×(1−5%)=9500V

Wi=

由公式 W2=

UΦi10500U

W1=Φ1==727.27

et, 计算可得et14.4375

U10000UΦ29500==692.64W3=Φ3==658.0et14.4375et14.4375

取整：W1=727 W2=693 W3=658

IΦ=

○7电流：a、高压侧 D接

I=

计算可得

1000000=57.74A

100003

IL=

PN

3UL , PN=1000kVA, UL=400V

PN3UΦ， PN=1000kVA, U Φ=UL=10000V

b、低压侧 Y 接 IΦ=

I=

计算可得

1000000=1443.38A

4003

⑧低压绕组计算：

从浇注干式变压器的设计、工艺和生产现状来看，低压绕组一般采用箔式绕组结构。箔式绕组，一层就是一匝，也就是只有一段，每段的长度即为导线宽度795mm。同时，根据实际需要，我们选低压侧端绝缘为10mm，空气距离为45mm，层间绝缘为0.18mm

表面绝缘0.36mm.前面已经计算出总匝数为16，我们可以分为三层（5+5+6=16），相临两层之间加气道，气道厚度分别为8mm 和10mm。 具体计算如下：

○8-1初选电流密度：δ=2.0 A/mm2

S=

I1443.38

==721.69mm2δ2.0 ，

○8-2 算导线截面积：

根据计算得出的导线截面积，查表找出最接近的导线规格。 ○8-3选线规：1.01×795∥802.95 ,导线截面积 S=802.95 mm2 ○8-4重算电流密度： 由公式 ：δ=IS ， 计算可得 δ=

I1443.38

==1.80A/mm2S802.95

○8-5 低压绕组轴向尺寸计算：

795 ——箔式导线高度，即轴向长度，mm +10×2 ——端绝缘高度,mm 815 ——绕组轴向总高度,mm +45×2 ——绕组到上下铁轭距离,mm 905 ——铁心窗高,mm ○8-6 低压绕组辐向尺寸计算：

辐向有16层，被两个气道隔开，分为：5层、5层、6层

1.01 1.01 ——箔式导线厚度，mm × 5 × 6 ——总层数

5.05 6.06

+0.18×4×1.1 +0.18×5×1.1 ——绝缘总厚度（δ=(Nm-1）×层绝缘

缘),mm

5.842 7.05

×（1+2%） × （1+2%） ——辐向裕度取2% 5.95884 7.191

+0.36 +0.36×2 ——表面绝缘厚度,mm 6..31884(6.31) 7.911（7.91） 低压绕组辐向总厚度： 6.31+8+6.31+10+7.91=38.5 mm

低压绕组辐向总厚度=5层辐向厚度+气道1厚度+5层辐向厚度+气道2厚度+6层

辐向厚度 单位 mm

高压绕组采用分段层式绕组，前面已经计算出高压绕组的匝数为727-693-658，计算时，用最大的匝数727来计算。高压绕组可分为4段，每段182匝，，分7层，每层26匝，中间夹一个气道（3+4+0=7）。另外其余参考数据如下：表面绝缘3.00mm,段间距离20mm,端间距20mm,空气距离45mm，气道厚度为16mm。

具体计算如下：

2

9-1初选电流密度：δ=2.0 A/mm I=○

57.74=33.3362A 39-2 算导线截面积：S=○

I33.3362

==16.6681mm2 ， δ2.0

33.3362

=1.82A/mm2 ，

18.35

2

9-3 选线规：3.00×6.30∥0.16 ,导线截面积 S=1×18.35=18.35 mm ○

9-4 重算电流密度：δ=IS=○

9-5 高压绕组轴向尺寸计算 ○

高压线圈轴向电气长度=带绝缘高压线圈导线宽度×（每层匝数+起末宽度）×轴向裕度×段数+（段数-1）×段间距 单位 mm

高压线圈轴向几何长度=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘

高压线圈窗高=高压线圈轴向几何长度+2×空气距离=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘+2×空气距离 单位mm;

6.30 + 0.16

6.46 ——带绝缘导线宽度，mm

×(26+1) ——每层匝数加上起末头高度,mm

174.42

× 1.02 ——轴向裕度，单根导线取2% 177.91（178） ——每段长度（取整数），mm

× 4 ——总共有4段 712

+20×3 ——3个段间距 772（775） ——轴向长度，mm

+45×2 ——空气距离,mm 865

+ 20×2 ——端间距,mm 905 ——铁心窗高，mm

9-6 高压绕组辐向尺寸计算 ○

辐向有7层，被一个气道隔开，分为：3层、4层

3.00 3.00 ——箔式导线厚度，mm × 3 × 4 ——总层数

9.00 12.00

+0.56×2×1.1 +0.56×3×1.1 ——绝缘总厚度（δ=(Nm-1）×层绝

缘缘),mm

10.232 13.848

×（1+2%） × （1+2%） ——辐向裕度取2% 10.4366 14.125

+0.56×3×1.1+3.00 +0.56×3×1.1+3.00 ——表面绝缘厚度,mm 15.28

18.97

高压绕组辐向总厚度： 15.28+16+18.97=50.3 mm 3.4绕组绝缘半径及平均匝长的计算:

前面已经计算出，铁心直径D =245mm，则铁心外接圆半径R0=235/2=122.5 mm 其余相关数据如下：

低压-铁心：10mm 高压-低压：40mm 相间距离：41mm

具体计算如下：

122．5 ——铁心外接圆半径R0,mm + 10 ——低压绕组至铁心距C,mm

132．5 ——低压绕组内半径R2,mm + 38．5 ——低压绕组辐向厚度B2,mm

171 ——低压绕组外半径R3,mm + 40 ——高低压绕组间主绝缘距a12,mm

（211-3-0.5）207.5 ——高压绕组内半径R4,mm

+ 50．0 ——高压绕组辐向尺寸B3,mm 257.5（258） ——高压绕组外半径R5,mm × 2

516 ——高压绕组外径D,mm

+ 41 ——相间距离（干变取40左右）A，mm 557 - 3.00×2 ——高压线圈表面绝缘，mm

551（550） ——铁心柱中心距离（为10或5的倍数）M0，mm

铁心柱中心距离=高压绕组外径+相间距离-2*高压绕组表面绝缘; 故：

低压线圈内径：265 外径：342

高压线圈内径：415 外径：516 中心距： 550 （单位mm） 绕组平均匝长l的计算：

高压绕组Lm1=π(高压绕组外径+高压绕组内径)/2+0.5;

低压绕组Lm2=π(低压绕组外径+低压绕组内径)/2+0.5; 平均匝长Lm=(Lm1+Lm2)/2;

Lm1=π[(R4+R5)+0.5]=π×[207.5+258+0.5]=1462.24mm=1462mm（取整） Lm2=π[(R2+R3)+0.5]=π×[132.5+171+0.5]=953.56mm=953mm（取整） Lm=(Lm1+Lm2)/2=(1462+953)/2=1207.5mm

o

3.5参考温度（120C）下绕组每相电阻及导线重量的计算

L'—导线总长度（额定分接时），mL'R=ρ,Ω ——mm2Sρ—120°C时电阻系数，铜导线时ρ=0.02445Ω，高压绕组电阻（120℃） ：

L'1=Lm1×NG=1462×(727+693+658)/3=1012m； A1=18.35mm2

1012

=1.35Ω; 18.35

m; R1=0.02445×

高压绕组铜导线重：

L1[1]=π(415+2×3.00+15.28)×3=4109mm Cu11=3×8.9×103×4.109×18.9×10-6=207kg L1[2]=π×(516-2×0.56-16)×4=6265mm Cu12=3×8.9×103×6.265×18.9×10-6=316kg 所以 Cu11=207 kg Cu12=316 kg Cu13=0

高压绕组导线重：

Cu1=207+316=523kg

高压绕组电阻损耗（120℃）:

Pcu1=3×1.35×(57.74/3)2=4512W

低压绕组电阻（120℃） ：

L'2=Lm2×ND=0.954×16=15.264m ； A2=802.95mm2

15.264

=4.57×10−4Ω;

802.95

R2=0.02445×

L2[1]=π(265+2×0.36+6.34)×5=4271mm Cu21=3×8.9×103×4.271×802.95×10-6=91kg L2[2]=π×(265+2×(6+8)+6)×5=4694mm Cu22=3×8.9×103×4.694×802.95×10-6=99kg L2[3]=π×(342-2×0.18-10)×6=6248mm Cu23=3×8.9×103×6.248×802.95×10-6=132kg 低压绕组导线重：

Cu2=91+99+132=322kg

低压绕组电阻损耗（120℃）:

Pcu2=3×4.57×10−4×1443.382=2859W

导线总重： 523+322=845kg 3.6负载损耗的计算 H0=905mm

// H0:窗高

I2=1443.38A // 低压额定电流 D=245mm // 铁心直径

B0=D-5=245-5=240mm// B0:最大片宽; 为省去查表麻烦,近似等

Sb=[（1443.38/1.8+0.5）/5+1]=（802/5+1）×5=805mm2; // Sb:铜排截面积;

2

P=3×1.35×(57.74/3)=4512W cu1高压绕组电阻损耗（120℃）:

−42

×××=2859W P=34.57101443.38cu2低压绕组电阻损耗（120℃）:

杂散损耗、引线损耗及附加损耗分别如下： Pz=K∑Pr=0.05×(4512+2859)=368.55W

Kr891

7371=7371×+=×=663.39W

100100100100K

Pf=Prf=7131×3%=213.93W

100 Py=Pr

低压绕组为箔绕，所以连接及附加损耗百分比K PsupPercent=0.006×I2=8.66。 导线中附加的所有损耗Psup=(Pcu1+Pcu2+Pz+Py+Pf)×KPsupPercent/100=(4512+2859+368.55+663.39+213.93)×8.66/100=747W总负载损耗

。

PFtotal=Pcu+Psup=Pcu1+Pcu2+Psup=4512+2859+747=8188W

3.7树脂、玻璃纤维重的计算 如果低压为箔式：

纤维重FibreWeight=Cu1×0.173=523×0.173=90kg

树脂重ResinWeight=Cu1×0.16=523×0.16=83kg 3.8空载损耗

Pcm1=3×7.65×H0×S/10000.0=3×7.65×905×18.9/10000=39.25Pcm2=4×7.65×M0×S/10000.0=4×7.65×550×802.95/10000=1351;铁心重=Pcm1+Pcm2+角重+0.5=(39.25+1351+417+0.5)=1808kg P0=铁心重量×单位损耗=1808×0.919=1662W // P0 空载损耗；

3.9短路阻抗计算

Kex=I2/6000.0=1443.38/6000.0=0.24

αF=(775+795)/2+(40+38.6+50.3−0.36−3)/3=785+41.85=826.85∆=40+(10.78+14.56+0+5.94+5.94+7.17)/3+(8+10+16)/4=63mmex=[4×1000×1207.5/(3×826.85×14.43752×100)]×∆+kex=(4.83×106/5.17×107)×63+1443.38/6000=5.95Ver=8118/(10×1000)=0.8118V

Ucc=ex2+er2=5.952+0.81182=6.01V

∆=高低压间漏磁宽+高压线厚+低压线厚气道宽之和+ 34αF=平均电抗高度+漏磁总宽+高低压线圈辐向尺寸 3ex00=4×容量×平均匝长×∆低压电流+ 6000心柱数×αF×匝电势2负载损耗 10×容量020020er00=uk00=ex+er (箔绕需再×0.95) 3.10铁心温升的计算 有计算可得：

铁心柱中心距M0=550mm, 低压绕组的内径D2=265mm，电抗高度Le2=795mm, 空载损耗P0=1662W,铁心窗高H0=905mm。 有查表可得：

迭片系数k0=0.97，迭片总厚度b=238mm，最大迭片厚度bmax=235mm，最小迭片厚度bmin=60mm，净横截面积Ac=436.306mm2。 散热面积的计算

S1=8×M0×b/k0×10−6+2×Ac×10−4=8×550×238/0.97+2×436.406×10−4=1.17m2

S2=4×(bmax−bmin+b×k0)×10−4=4×(235−60+238×0.97)×10−4=0.162m2 S3=4×(2×M0+bmin)×(bmax−bmin)×10−6=4×(2×550+60)×(235−60)×10−6

=0.812m2

S4=6×(H0−Le2)×(b×k0+bmax)×0.75×10−6=6×(905−795)×(238×0.97+235)×0.75×10−6 =0.22m2

S5=6×(b×k0+bmax)×Le2×0.75×10−6=6×(238×0.97+235)×795×0.75×10−6=0.167m

2

a0=0.5×(D2−11.6×AC)=0.5×(265−11.6×436.306)=11.35 a=0.5×a0=0.5×11.35=5.67 有效散热系数为

a01=0.56×(2×a1.6/(H0+Le2))0.25=0.56×(2×5.671.6/(905+795))0.25=2.8 总的散热面积为

S=S1+S2+S3+S4+S5×a01=1.17+0.162+0.812+0.22+0.167×2.8=2.8316m2

铁心的单位热负荷为

q0=P0/S=1662/2.8316=586.95W/m2 铁心温升为

0.8

t=0.36×q0=0.36×586.950.8=59K

3.11高压绕组温升的计算

有计算可得

高压绕组内径D4=415mm,高压绕组外径D5=516mm,高压绕组轴向长度L1=775mm，轴向厚度为l1=15.28mm,l2=19.06mm,电抗高度Le1=765mm ，高压绕组的铜损PCu1=4512W

由查表可得

撑条根数n1=8，净横截面积Ac=436.306mm2，气道宽度为a=16mm, 高低压绕组间的距离L=40mm

散热面积计算

S11=L1×(D3×π−n1×10)×10−6=775×(415×π−8×10)×10−6=0.948m2 S12=L1×((D3+2×l1)×π−n1×10)×10−6=775×((415+2×15.28)×π−8×10)×10−6 =1.02m2

S13=L1×((D5−2×l2)×π−n1×10)×10−6=775×((516−2×18.97)×π−8×10)×10−6 =1.1m2

S14=L1×D5×π×10−6=775×516×π×10−6 =1.26m2

有效散热系数

a11=0.56×(((0.5×L+a)/2)1.6/L1)0.25=0.56×(((0.5×40+16)/2)1.6/775)0.25=0.337

a12=0.56×((a/L1)1.6)0.25=0.56×((16/775)1.6)0.25=0.119 总的散热面积为

S1=3×(a11×S11+a12×(S12+S13)+S14)=3×(0.337×0.948+0.119(1.02+1.1)+1.26) =5.50m2

高压绕组的单位热负荷为

q1=PCu1/S1=4512/5.50=820.36W/m2 高压绕组温升

t=0.33×q10.8=0.33×820.360.8=70.7K 3.12底压绕组温升的计算

有计算可得

低压绕组内径D2=265mm,低压绕组外径D3=342mm,低压绕组轴向长度L2=795mm，轴向厚度为l1=l2=6.34mm,l3=7.96mm,，电抗高度Le2=795mm ，低压绕组的铜损PCu2=2859W

有查表可得

撑条根数n2=8，净横截面积Ac=436.306mm2，气道宽度为a1=8mm, a2=10mm, 高低压绕组间的距离L=40mm 散热面积计算

S21=L2×(D2×π−n2×10)×10−6=795×(265×π−8×10)×10−6=0.598m2 S22=L2×((D2+2×l1)×π×0.7−n2×10)×10−6=795×((265+2×6.31)×π×0.7−8×10)×10−6 =0.422m2

S23=L2×((D2+2×(l1+a1))×π×0.7−n2×10)×10−6=795×((265+2×(6.31+8))×π×0.7−8×10)×10−6 =0.45m2

S24=L2×((D2+2×(l1+a1+l2))×π×0.7−n2×10)×10−6=795×((265+2×(6.31+8+6.31))×π×0.7−8×10)×10−6 =0.47m2

S25=L2×((D3−2×l3)×π×0.7−n2×10)×10−6=795×((342−2×7.91)×π×0.7−8×10)×10−6 =0.506m2

S26=L2×(D3×π−n2×10)×10−6=795×(342×π−8×10)×10−6=0.79m2

d=0.25×(D2−11.6Ac)=0.25×(265−11.6436.306)=5.67 c=(d+0.5×L+a1+a2)/4=(5.67+0.5×40+8+10)/4=10.9175 有效散热系数为

c1.60.2510.91751.60.25µ=0.56×()=0.56×()=0.274

Le2795总的散热面积为

S2=3×µ×(S21+S22+S23+S24+S25+S26)

=3×0.274×(0.598+0.422+0.45+0.47+0.506+0.79) =2.66m2

低压绕组的单位热负荷为

q2=PCu2/S2=2859/2.66=1074.8W/m2 低压绕组温升

0.8

t=0.33×q2=0.33×1074.80.8=87.8K

以上为树脂浇注干式变压器SCB10-1000/10的具体设计计算过程。由此过程可得变压器的性能数据为：

高压铜耗：4512W 低压铜耗：2859W 引线、附加损耗：747W 空载损耗：1662W 硅钢片重：1808kg 树脂重：83kg 玻璃纤维重：90kg 高压导线重：523kg 低压导线重：322kg 导线总重：845kg 高压线圈温升:70.7K 低压线圈温升：87.8K

以上数据满足执行标准 GB/T10228，GB6450，同时又考虑的经济性。由此所设计的变压器电气性能好，节省材料，能给企业带来较高的收益，同时还满足用户的要求。

该SCB10-1000/10变压器，铁心采用30Q120型号硅钢片带料卷制而成，高压绕组采用了多根导线并绕的层式结构，低压绕组采用箔式结构，是典型的三相树脂浇注干式变压器，具备了低损耗、低噪声、安全可靠、环保节能等优点，适合于城市中心、居民小区、大型厂矿等负荷中心使用。