Расчет трехфазного силового трансформатора с масляным охлаждением

Курсовой проект по курсу «Электромеханика»

Тема проекта: Расчет трехфазного силового трансформатора с масляным охлаждением

Исходные данные

Номинальные напряжения обмоток ВН и НН: Uвн/Uнн = 35/6,3 кВ

Номинальная мощность: S = 2500 кВА

Потери короткого замыкания: Р_к = 25000 Вт

Ток холостого хода: i₀ = 1 %

Потери холостого хода: Р₀ = 3900 Вт

Напряжение короткого замыкания: u_к = 6,5 %:

Материал обмоток: медь

Схема и группа соединений: Y/ -11

Регулирование напряжения: ПБВ ± 2Ч2,5%

Охлаждение - масляное с естественной циркуляцией масла

Введение

Производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах необходимые количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Использование дешевой электрической энергии потребителями, которые находятся на значительном расстоянии, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточены по обширной территории страны, требует создания сложных разветвленных электрических сетей.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 8-10 раз.

Следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т. е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает большая часть потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

В настоящее время для силовых трансформаторов установлены две категории качества. К высшей категории относятся трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне лучших мировых достижений или превосходят их; к первой категории - трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне современных требований народного хозяйства и отвечают нормативно-техническим документам. В качестве основных критериев для отнесения трансформаторов к той или иной категории служат: значения потерь холостого хода и короткого замыкания, тока холостого хода, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности, и другие показатели.

1 Общие сведения о трансформаторах

1.1 Конструкция трехфазного силового трансформатора

Современный трансформатор- сложное устройство, состоящее из большого числа узлов, деталей и металлоконструкций. На рисунке 1 представлена конструкция трехфазного силового масляного трансформатора.

Рис. 1 Устройство силового трансформатора:

1 - бак; 2 - вентиль; 3 - зажим заземления; 4 - термосифонный фильтр; 5 - радиатор; 6 - переключатель; 7 - расширитель; 8 - маслоуказатель; 9 -воздухоосушитель; 10 - выхлопная труба; 11 - газовое реле; 12 - ввод ВН; 13 - привод переключающего устройства; 14 - ввод НН; 15 - серьга для подъема; 16 -отвод НН; 17 - ответвления обмоток ВН; 21 - обмотка ВН (внутри НН); 22 - каток тележки

Основными частями трансформатора являются магнитная система (магнитопровод) и обмотки. Магнитная система служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора.

Обмотка - совокупность витков из проводников, в которой суммируются наведенные в них ЭДС для получения высшего, среднего или низшего напряжений (ВН, СН или НН) трансформатора. Электротехническую сталь и медь (алюминий), из которых изготовлены магнитная система и обмотки с отводами, называют активными материалами.

Магнитная система в собранном виде с соединяющими ее деталями и ярмовыми балками образует остов трансформатора. Остов трансформатора с обмотками, отводами, элементами переключающего устройства и деталями для их механического крепления называют активной частью трансформатора.

Отводы служат для соединения обмоток с вводами и переключающим устройством, а переключающее устройство - для регулирования напряжения трансформатора. Активную часть воздушного (сухого) трансформатора иногда закрывают кожухом (защищенное исполнение), который обеспечивает свободный доступ охлаждающего воздуха, защищая одновременно активную часть от попадания посторонних предметов.

Активную часть масляного трансформатора помещают в бак, заполняемый трансформаторным маслом или другим жидким диэлектриком, являющимся основной изолирующей средой и теплоносителем в системе охлаждения.

Бак состоит из дна, стенки, крышки. Бак со съемной крышкой называют баком с верхним разъемом (обычно дно бака приварено к стенке); с разъемом вблизи дна (для отделения и подъема верхней части) - колокольным (обычно крышка приварена к стенке).

На стенках бака размещают радиаторы, приводной механизм, иногда контакторы переключающего устройства, а также термосифонный фильтр, коробки контактных соединений для приборов контроля и сигнализации. Крышку бака используют для установки вводов, расширителя и предохранительной трубы.

Вводы служат для присоединения обмоток трансформатора к сети, расширитель - для компенсации колебаний уровня масла в баке при изменениях нагрузки и температуры окружающей среды и для уменьшения поверхности масла, контактирующей с воздухом.

Для защиты масла в расширителе от увлажнения используют воздухоосушитель, представляющий собой сосуд (заполненный силикагелем), который сообщается с одной стороны с атмосферным воздухом, а с другой - с воздухом, заполняющим внутренний объем расширителя над «зеркалом» масла.

Для наблюдения за уровнем масла в расширителе применяют маслоуказатели либо со стеклянной трубкой или пластиной, либо стрелочный. В трубопровод расширителя помещают газовое реле, реагирующее на выделение газа, возникающее при различных повреждениях в активной части трансформатора, а также при внезапном коротком замыкании в линии. Газовое реле также защищает трансформатор от выхода их строя при утечке масла.

Предохранительная труба (иногда называемая выхлопной) - защитное устройство, предупреждающее повреждение бака из-за резкого повышения внутреннего давления при внезапном коротком замыкании и представляющее собой стальной цилиндр, один конец которого сообщается с баком, а другой закрыт стеклянным диском. При аварии стеклянный диск разрушается, и излишки масла и газов выбрасываются наружу. Выхлопная труба сообщается через уравнительную трубку с верхней частью расширителя, что необходимо для выравнивания давления в трубе при нормальной работе трансформатора.

В крышке устанавливают гильзы для датчиков термосигнализаторов, измеряющих температуру верхних слоев масла трансформатора. Термосигнализатор имеет электроконтактное устройство, которое включается при заранее заданной температуре. Контакты термосигнализатора включают сигнальную или иную цепь, предупреждая обслуживающий персонал о недопустимом повышении температуры масла в трансформаторе.

1.2 Условные обозначения трансформаторов

Условное обозначение различных типов трансформаторов включает в себя буквенное обозначение, характеризующее число фаз, вид охлаждения, число обмоток и вид переключения ответвлений. Кроме вышеуказанных обозначений стандартами и техническими условиями на отдельные виды исполнений трансформаторов мо гут предусматриваться дополнительные буквенные обозначения, характеризующие особенности данного типа трансформатора; обозначение номинальной мощности и класса напряжения; обозначение климатического исполнения и категории размещения.

Буквенное обозначение трансформаторов состоит из следующих по порядку букв. Первая указывает число фаз: О - для однофазных трансформаторов; Т - для трехфазных. Следующие одна, две или три буквы указывают условное обозначение вида охлаждения согласно приведенному ниже.

Сухие трансформаторы:

Естественное воздушное при открытом исполнении С

Естественное воздушное при защищенном исполнении СЗ

Естественное воздушное при герметичном исполнении СГ

Воздушное с дутьем СД

Масляные трансформаторы:

Естественная циркуляция воздуха и масла М

Естественная циркуляция масла с дутьем Д

Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла МЦ

Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла НМЦ

Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла ДЦ

Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла НДЦ

Принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция

масла MB

Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла Ц

Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла НЦ

Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком:

Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком Н

Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем и с ненаправленным потоком жидкого диэлектрика НД

Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем и с направленным потоком жидкого диэлектрика ННД

Буква Т - условное обозначение трехобмоточных трансформаторов; двухобмоточные обозначения не имеют. Буква Н указывает на наличие устройства РПН. Кроме того, для условного обозначения трансформаторов применяют следующие буквы: А - перед условным буквенным обозначением числа фаз для автотрансформаторов; Р - после условного обозначения числа фаз для трансформаторов с расщепленной обмоткой НН; 3 - после условного обозначения вида охлаждения для герметичных масляных трансформаторов или с негорючим жидким диэлектриком с защитой при помощи азотной подушки; С или П в конце условного обозначения для трансформаторов собственных нужд или для линий передачи постоянного тока.

Номинальная мощность и класс напряжения указывают через тире после буквенного обозначения в виде дроби, числитель которой - номинальная мощность в киловольт-амперах, знаменатель - класс напряжения трансформатора в киловольтах. Если автотрансформатор имеет обмотку СН напряжением 110 кВ и выше, то в виде сложной дроби добавляется обозначение класса напряжения обмотки СН.

Исполнения трансформаторов, предназначенных для работы в соответствующих климатических районах, обозначают следующими буквами: У - для районов с умеренным климатом; ХЛ - для районов с холодным климатом; Т - для районов с тропическим климатом.

В зависимости от места размещения при эксплуатации различают следующие исполнения трансформаторов (по категориям):

- установка на открытом воздухе - категория 1;

- установка в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от внешней среды - категория 2;

- закрытые помещения с естественной вентиляцией, где колебания температуры и влажности значительно меньше, чем на открытом воздухе - категория 3;

- закрытые помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями - категория 4;

- помещения с повышенной влажностью - категория 5.

2. Определение основных электрических величин

2.1 Расчет линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

Мощность на одну фазу и стержень:

,

где c =3 - число активных стержней трансформатора;

S - номинальная мощность трансформатора.

Номинальные линейные токи обмоток ВН и НН:

A;

A.

Фазный ток обмотки НН (соединение в треугольник) :

А.

Фазный ток обмотки ВН (соединение в звезду) :

I_Ф2 = I_ВН = 41,24 А.

Фазные напряжения трансформатора:

- для обмотки НН (соединение в треугольник):

= 6,3 кВ.

- для обмотки ВН (соединение в звезду):

 кВ;

2.2 Определение испытательных напряжений обмоток

Испытательные напряжения определяется по табл. 1 для каждой обмотки трансформатора по её классу напряжения.

Таблица 1 Испытательные напряжения для масляных силовых трансформаторов

Класс напряжения, кВ	3	6	10	15	20	35
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	3,6	7,2	12,0	17,5	24	40,5
Испытательное напряжение Uисп, кВ	18	25	35	45	55	85

Для обмотки НН (класс напряжения до 6 кВ) испытательное напряжение U_1исп = 25 кВ.

Для обмотки ВН (класс напряжения 35 кВ) испытательное напряжение U_2исп = 85 кВ.

2.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

%.

Реактивная составляющая:

% .

3 Расчет основных размеров трансформатора

3.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы совместно с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора. В данной курсовой работе рассчитывается двухобмоточный трехфазный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система выполняется со сборкой в переплет, с косыми стыками в среднем стержне и косыми стыками в крайних стержнях. Прессовка стержней - бандажами из стеклоленты, прессовка ярм - стальными балками, стягиваемыми шпильками, вынесенными за пределы ярма.

Рис 3.1 Плоская магнитная система стержневого типа



Рис. 3.2 План шихтовки магнитной системы

3.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

Выбираем сталь марки 3405 (холоднокатаная текстурованная рулонная сталь) толщиной 0,3 мм. Изоляция пластин - нагревостойкое покрытие, kз = 0,96. Индукция в стержне Вс = 1,65 Тл.

3.3 Предварительный выбор конструкции обмоток

Выбираем обмотки высокого и низкого напряжения цилиндрические многослойные из прямоугольного провода. Ее основные достоинства:

- хорошее заполнение окна магнитной системы;

- простая технология изготовления.

3.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

Главная изоляция обмоток (изоляция от заземленных частей и других обмоток) определяется в основном электрической прочностью и соответствующими испытательными напряжениями.

Изоляция между обмотками ВН и НН осуществляется жесткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами.

Принимаем минимально допустимые изоляционные расстояния от обмотки до стержня и ярма и главные размеры изоляционных деталей:

- расстояние от обмотки ВН до ярма l₀₂ = 75 мм;

- обмотками ВН и НН а₁₂ = 30 мм;

- расстояние между фазами обмоток ВН а₂₂ = 30 мм;

- толщина бумажно-бакелитового цилиндра, расположенного между обмотками ВН и НН д₁₂ = 5 мм;

- выступ указанного цилиндра над обмоткой ВН l_ц2 = 50 мм;

- расстояние от обмотки НН до ярма l₀₁ = l₀₂ = 75 мм;

- расстояние от обмотки НН до стержня а₀₁ = 17,5 мм;

- толщина бумажно-бакелитового цилиндра, расположенного между обмоткой НН и стержнем д₀₁ = 4 мм;

- выступ указанного цилиндра над обмоткой НН l_ц1 = 25 мм;

- расстояние от обмотки НН до указанного цилиндра а_ц1 = 8 мм.

3.5 Выбор соотношения основных размеров в и расчет ширины приведенного канала рассеяния

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из основных размеров трансформатора. Вторым основным размером является осевой размер (высота) обмоток l. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка обмоток ВН и НН, т.е. диаметр осевого канала между обмотками d₁₂ . Два основных размера l и d₁₂ связаны соотношением основных размеров в. Выбор значения в принимаем равным 1,8.

Треть суммы радиальных размеров обмоток :

k м,

где k = 0,48 - коэффициент зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь короткого замыкания Р_к

Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора:

м.

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять : k_р = 0,95.

Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали, вида междулистовой изоляции:

k_c = k_з · k_кр = 0,96 0,912 = 0,876,

где k_кр =0,912.

3.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет магнитной системы

Предварительное значение диаметра стержня:

м.

Полученный диаметр округляем до ближайшего стандартного диаметра d = 0,3 м = 300 мм в соответствии с нормализованной шкалой диаметров. В соответствии с новым значением d определяем уточненное значение в:

.

Второй основной размер трансформатора d₁₂ предварительно приближенно определяем по формуле

d₁₂ = d + 2a₀₁ + 2a₁ + a₁₂ = 0,3 + 2?0,0175+2?0,036+0,03 = 0,437 м,

где радиальный размер обмотки НН может быть приближенно подсчитан по формуле:

= 1,40,0258 = 0,036 м,

где коэффициент k₁ =1,4 для трансформаторов мощностью 1000…6300 кВА.

Третий основной размер трансформатора (высота обмоток):

l = м.

Для d = 300 мм площади ступенчатых фигур стержня и ярма составляют: П_фс = 657 см², П_фя = 675 см².

Активное сечение стержня, т.е. “чистое” сечение стали:

П_С = k_з·П_фс= 0,96657=630,7 см².

ЭДС витка (предварительно), В:

В.

Число витков обмотки НН (предварительно):

.

Уточняем э.д.с. витка:

В.

Номинальное число витков обмотки ВН

.

Средняя плотность тока в проводах обмоток:

Для медных обмоток К_J = 0,746;

Для трансформаторов номинальной мощности 2500кВА: К_Д =0,90.

Сечение витка (предварительно):

- обмотка НН:

мм²;

- обмотка ВН:

мм².

4 Расчет обмоток

4.1 Расчет обмоток низшего напряжения (НН)

Рис.4.1 Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода.

Выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.

Подбираем возможно больший размер провода b и сечение провода П_пр1 так, чтобы количество параллельных проводников в витке было целым числом с точностью 1…3 %.

Выбираем провод ПБ

,

.

Сечение витка обмотки (окончательно):

= 312,40 = 37,2 мм².

Плотность тока в обмотке:

А/мм².

Находим число витков в слое обмотки:

,

где 0,5 мм - двусторонняя толщина изоляции.

Находим число слоев:

.

Проверяем условие а < а_10%, (1,4 3,15) при выбранном выше значении N_сл1 = 11.

Определяем фактический суммарный радиальный размер проводов с изоляцией:

мм.

Определяем предельно допустимое расстояние между охлаждающими каналами с'_пред.

Допустимый по условию нагрева размер с'_пред для медных обмоток:

мм,

где k_зк = 0,8 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности рейками и другими изоляционными деталями;

q_доп = 1200 Вт/м² - допустимая плотность теплового потока.

Находим число концентрических катушек n_кат1, на которое следует разделить обмотку в радиальном направлении:

.

Округляем до ближайшего большего целого числа n_кат1=3.

Определяем рабочее напряжение двух слоев:

.

Число листов и общая толщина кабельной бумаги д_мсл= 0,12х4=0,48 мм в изоляции между двумя слоями обмотки.

Высота обмотки:

Радиальный размер обмотки НН:



где h_к1 - радиальный размер канала, который принимается

h_к1 = 0,01l₁ = 0,01769,5 = 7,41 мм.

Полученный размер h_к1 округляется в большую сторону с точностью до 0,5мм (толщина полосок электрокартона, из которых склеиваются рейки).

h_к1 = 7,5 мм.

Внутренний диаметр обмотки:

= 0,3 + 2?0,0175 = 0,335 м.

Наружный диаметр обмотки:

м.

Средний диаметр обмотки:

м.

Поверхность охлаждения обмотки:

где k_зк = 0,8 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности рейками и другими изоляционными деталями;

Масса металла обмотки:

где К_м = 28 - для медных проводов,

Масса провода обмотки:

,

где

;

Дm=2,5 - увеличение массы провода за счет изоляции.

Коэффициент добавочных потерь:

К_вx - коэффициент, зависящий от материала обмотки и формы провода: для медного провода К_вx = 0,095 (прямоугольный провод).

Под n_p понимается число проводов в катушке, уложенных в радиальном направлении (перпендикулярно линиям магнитного поля рассеяния): для цилиндрических многослойных обмоток n_p = N_сл = 11.

Коэффициент заполнения высоты обмотки алюминием в_зп рассчитывается по формуле

,

k_р - коэффициент Роговского. При предварительных расчетах принимают k_р = 0,95;

m - число проводов обмотки в осевом направлении:

.

Электрические потери в обмотке:

.

К_Э - коэффициент, зависящий от материала обмотки.

Для медных обмоток К_Э = 2,4

Тепловая нагрузка:

4.2 Расчет обмотки высшего напряжения

В трансформаторах с регулированием напряжения на стороне ВН путем переключения ответвлений без возбуждения (ПБВ) должно предусматриваться изменение числа витков ОВН на +2·2,5 % = +5 % от номинального значения. В этом случае на крышке трансформатора имеется переключатель на 5 положений: номинальное напряжение, две ступени вверх и две ступени вниз от номинального.

Рис.4.2 Схема выполнения регулировочных ответвлений.

Для уменьшения осевых сил, возникающих при коротких замыканиях, в случае применения в качестве ОВН многослойных цилиндрических обмоток регулировочные витки размещают равномерно по высоте в отдельных слоях.

Конструкция многослойной цилиндрической обмотки ВН из прямоугольного провода аналогична конструкции многослойной цилиндрической обмотки НН.

Число витков на одной ступени регулирования

щ_р2 = щ_2ном· ДU^*_ст = 8760,025 = 21,9

где

относительное значение напряжения на одной ступени регулирования, ДU_ст% = 2,5 %.

Число витков на ответвлениях:

5 cтупень U_{2 max2:}

щ_{2 max2}= щ_{2 ном}+ 2щ_р2 =876 + 221,9 = 919,8;

4 ступень U_{2 max1:}

щ_{2 max1}= щ_{2 ном}+ щ_р2 =876 + 21,9 = 897,9;

3 ступень U_{2 ном:}

щ_{2 ном} = 876;

2 ступень U_{2 min 1:}

щ_{2 min1} = щ_{2 ном} - щ_р2 = 876-21,9 = 854,1;

1 ступень U_{2 min 2:}

щ_{2 min2} = щ_{2 ном} - 2щ_р2 = 876 - 221,9 = 832,2.

Ориентировочная плотность тока

J'₂=2J_ср - J₁ = 23,55 - 3,56 = 3,54 А/мм².

Ориентировочное сечение витка

мм².

Подбираем возможно больший размер провода b и сечение провода П_пр2 так, чтобы количество параллельных проводников в витке было целым числом с точностью 1…3 %:

.

Сечение витка обмотки (окончательно):

=11,7 мм² .

Марка провода ПБ

Плотность тока в обмотке:

А/мм².

Находим число витков в слое обмотки:

,

где 0,5мм - двусторонняя толщина изоляции.

Находим число слоев:

.

Проверяем условие а < а_10%, (1,43,15) при выбранном выше значении N_сл2 = 11.

Определяем фактический суммарный радиальный размер проводов с изоляцией:

мм.

Определяем предельно допустимое расстояние между охлаждающими каналами с'_пред.

Допустимый по условию нагрева размер с'_пред определяется для медных обмоток:

мм,

где k_зк = 0,8 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности рейками и другими изоляционными деталями;

q_доп = 1200 Вт/м² - допустимая плотность теплового потока.

Находим число концентрических катушек n_кат2, на которое следует разделить обмотку в радиальном направлении:

.

Округляем до ближайшего большего целого числа n_кат2=3.

Определяем рабочее напряжение двух слоев

В.

По рабочему напряжению двух слоев выбираем число листов и общая толщина кабельной бумаги д_мсл = 0,12х6 = 0,72 мм в изоляции между двумя слоями обмотки.

Высота обмотки.

мм.

Радиальный размер обмотки ВН:

где h_к1 - радиальный размер канала, который принимается

h_к2 = 0,01l₂ =0,01738 = 7,38 мм.

h_к2 = 7,5 мм.

Внутренний диаметр обмотки:

 м.

Наружный диаметр обмотки:

м.

Средний диаметр обмотки:

м.

Поверхность охлаждения обмотки:

где k_зк = 0,8 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности рейками и другими изоляционными деталями;

Масса металла обмотки:

где К_м = 28 - для медных проводов;

Масса провода обмотки:

 кг,

где ,

Дm=2,5 - увеличение массы провода за счет изоляции.

Коэффициент добавочных потерь:

где n_p = N_сл = 11 - для цилиндрических многослойных обмоток.

Коэффициент заполнения высоты обмотки алюминием в_зп рассчитывается по формуле

,

где m - число проводов обмотки в осевом направлении:

.

Электрические потери в обмотке:

кВт.

Тепловая нагрузка:

5 Определение параметров короткого замыкания

5.1 Определение потерь короткого замыкания

Электрические потери Р_Э1 и Р_Э2 обмоток с учетом добавочных потерь от поля рассеяния определены выше при расчете обмоток.

Потери в отводах обмотки НН:

Вт.

Потери в отводах обмотки ВН:

Вт,

где G_отв1, G_отв2 - масса отводов обмоток НН и ВН.

При соединении НН обмотки в «треугольник»:

кг

При соединении ВН обмотки в «звезду»:

кг

где г - плотность металла обмотки, для медных обмоток

г = 8900 кг/м³.

Потери в стенках бака на этапе расчета обмоток, когда размеры бака еще не известны, можно определить по приближенной формуле:

,

где k_б = 0,025 - коэффициент потерь на стенках бака трансформатора Sн=2500 кВА.

Полные потери короткого замыкания:

Сравним полученные потери короткого замыкания с заданными Р_кзад=25 кВт:

%

5.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

%.

Ширина приведенного канала рассеяния:



Где м - диаметр осевого канала между обмотками.

Соотношение основных размеров в:

,

Где м - средняя высота обмоток НН и ВН.

Коэффициент Роговского:

где .

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:



Полное напряжение короткого замыкания:

Сравним полученное напряжение короткого замыкания с заданным u_кзад = 6,5%:

5.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании

Рис. 5.1 Радиальные силы, действующие на обмотки трансформатора при внезапном коротком замыкании

Действующее значение, установившегося тока короткого замыкания:

обмотки НН

А,

обмотки ВН

А.

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания обмотки ВН:

А.

где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Радиальная сила, действующая на наружную обмотку ВН и стремящаяся растянуть её:

Такая же радиальная сила, но направленная в противоположенную сторону, действует на внутреннею обмотку, стремясь сжать её (рис.5.1).

Напряжение на разрыв, действующее в проводниках обмотки ВН:

у_р = мПа.

Напряжение на сжатие, действующее в проводниках обмотки НН:

у_сж = мПа.

Допускается у ? 50…60 мПа (для меди).

Осевая сила:

Конечная температура обмотки х_к, через 4 секунды после возникновения внезапного короткого замыкания:

где J - средняя плотность тока:

х_н =90^о - начальная температура обмотки.

Время достижения температуры 250 °С:



Рис. 5.2 Эпюры осевых сил, возникающих в обмотках трансформатора при внезапном коротком замыкании

6 Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

6.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм. Стержни магнитной системы прессуются с обмоткой бандажами из стеклоленты.

Рис .6.1 Магнитная система трансформатора.

- площадь ступенчатой фигуры сечения стержня: П_ф.с=657см²=0,0657 м²;

- площадь ступенчатой фигуры ярма: П_ф.я = 675 см² = 0,0675 м²;

- объём угла магнитной системы: V_у = 16556 см³ = 0,16556 м³.

Активное сечение стержня:

П_с = k_зП_ф.с = 0,96657 = 631 см².

Активное сечение ярма:

П_я = k_зП_ф.я = 0,96675 = 648 см².

Объём стали угла магнитной системы:

V_у.ст = k_з V_у = 0,9616556 = 15894 см³.

Длина стержня:

мм - расстояние от нижнего края обмотки до ярма,

мм - расстояние от верхнего края обмотки до ярма.

Расстояние между осями соседних стержней:

.

6.2 Определение массы стержней, ярм и массы стали

Масса стали одного угла:

где г_ст =7650 кг/м³ - плотность трансформаторной стали.

Масса стали ярм определяется как сумма двух составляющих:

Полная масса ярм :

масса стали стержней:

где масса стали стержней в пределах окна магнитной системы

Масса стали в местах стыка стержня и ярма:

Полная масса стали плоской магнитной системы:

кг

6.3 Определение потерь холостого хода

Для трехфазных шихтованных плоских стержневых магнитных систем потери холостого хода рассчитываются по формуле:

=

4158 Вт,

где коэффициенты:

k_пу = 8,85;

k_пр = 1,05 для отожженной стали марки 3405;

k_пз = 1 для отожженной стали марки 3405;

k_пп = 1,03 (табл. 7.5);

k_пш = 1,04 для трансформатора мощностью 2500 кВА;

- удельные потери в стержне р_с=1,15 Вт/кг - для индукции в стержне В_с:

- удельные потери в ярме р_я=1,074 Вт/кг - для индукции в ярме В_я:

- число углов с прямыми стыками n_пр = 0; с косыми стыками n_к = 6;

- площадь косого стыка

= 0,0631 = 0,08924 м²;

- удельные потери в зазоре на косом стыке р_зк = 265 Вт/м² для индукции

= 1,1 Тл.

Сравним полученные потери холостого хода с заданными Р_0зад:

% < 7,5%.

6.4 Определение тока холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода i_0a:

%.

Для определения реактивной составляющей тока холостого хода рассчитаем намагничивающую мощность Q₀:

 =

13825 ВА,

где коэффициенты:

k_ту = 33,6;

k_тр = 1,18 для отожженной стали марки 3405;

k_тз = 1 для отожженной стали марки 3405;

k_тп = 1,05;

k_тш = 1,04 для трансформатора мощностью 2500 кВА;

- удельная намагничивающая мощность стержня q_с=1,526 ВА/кг определяется для индукции в стержне В_с = 1,6 Тл;

- удельная намагничивающая мощность ярма q_я=1,383 ВА/кг - определяется для индукции в ярме В_я = 1,56 Тл;

- удельная намагничивающая мощность зазора на косом стыке q_зк = 0,37 ВА/см² = 3700 ВА/м² для индукции 1,1 Тл.

Реактивная составляющая тока холостого хода:

%.

Полный ток холостого хода:

что меньше заданного i_0зад = 1 %.

КПД трансформатора определяется по формуле:

7 Тепловой расчет трансформатора

Определяем размеры бака и поверхность охлаждения бака и крышки:

- ширина бака:

где а_об = 0,12 м - изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака;

- длина бака:

- глубина бака:

где h_як = 0,40м - расстояние от верхнего ярма до крышки бака;

h_яд =0,05м - высота прокладки между нижним ярмом и дном бака.

Используем бак овальной формы. В этом случае площадь боковой поверхности бака:

- площадь крышки бака:



Определяем превышение температуры обмоток над температурой масла:

- для цилиндрической обмотки НН:

- для цилиндрической обмотки ВН:

Определяем допустимое среднее превышение температуры масла над воздухом из условия, чтобы температура наиболее нагретой обмотки превышала температуру воздуха не более, чем допускает ГОСТ:

где И_ом - наибольшее из значений И_ом1 и И_ом2.

Определяем превышение температуры масла в верхних слоях расширителя:

< 65 ⁰С

Выбираем унифицированный прямотрубный радиатор (рис.2).

Рис. 7.1 Конструкция унифицированного прямотрубного радиатора.

Определим тепловой поток поверхности бака и радиаторов, при котором превышение температуры масла над воздухом будет ограничено полученной величиной И_мв:

Определим потери, отводимые с поверхности бака:

Потери, которые должны быть отведены с поверхности радиаторов:

Необходимая поверхность радиаторов:



Выбираем два радиатора Nр = 2 с характеристиками:

- расстояние между осями патрубков Н_ор = 1600 мм;

- высота радиатора Н_р= 1795 мм;

- ширина радиатора L_р = 319 мм;

- число рядов труб n_ряд = 3;

- поверхность охлаждения П_р= 17,94 м²;

- масса радиатора G_р= 192 кг;

- масса масла в радиаторе G_мр= 108 кг.

Уточняем тепловой поток поверхности бака и радиаторов:

Уточняем среднее превышение температуры масла над воздухом:

Определим превышение температуры наиболее нагретой обмотки над воздухом:

Не превышает предельно допустимого (65 ⁰С).

8 Расчет массы трансформатора

Определим массу активной части:

,

где кг - масса провода обмоток НН и ВН;

Масса бака с радиаторами:

где г_ст = 7850 кг/м³ - плотность стали;

- объем стали бака (д_ст = 0,003 м - толщина стали бака);

Общая масса масла:

где г_м = 900 кг/м3 - плотность масла;

- объем бака;

- объем активной части (где плотность активной части );

 - объем расширителя;

Масса трансформатора:

Заключение

В условиях научно-технической революции темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, электромашиностроения и трансформаторостроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборостроения, строительства, агропромышленного комплекса и др., комплексной механизации и автоматизации во всех этих отраслях народного хозяйства.

В настоящем пособии изложены основы теории, особенности конструкции, рассмотрены вопросы проектирования силовых масляных трансформаторов общего назначения.

В целом в настоящее время в развитии отечественного трансформаторостроения наблюдаются следующие тенденции:

улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения стоимости, габаритных размеров трансформаторов, потерь энергии в них;

увеличение единичной мощности трансформаторов;

повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, качества трансформаторного масла;

создание линейных электродвигателей и двигателей возвратно-поступательного движения;

разработка более технологичных конструкций трансформаторов, приспособленных для массового и серийного производства;

усовершенствование методов расчета трансформаторов на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования;

Список использованных источников

1 Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.

2 Гончарук, А.И. Расчет и конструирование трансформаторов/ А.И. Гончарук. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 257 с.

3 Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов/ С.Б. Васютинский.- Л.: Энергия, 1970.

4 Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов/ А.М. Дымков.- М.: Высшая школа, 1971.

5 Сапожников, А.В. Конструирование трансформаторов/ А.В. Сапожников.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.