Проектирование силового трёхфазного трансформатора типа ТМ-250/10

Задание

Спроектировать силовой трёхфазный трансформатор по следующим техническим данным:

Тип трансформатора 250/10

Номинальная мощность S_н = 250 кВА

Число фаз m = 3

Частота f = 50 Гц

Высокое напряжение 10±(4·2,5%) кВ

Материал обмотки ВН: Алюминий

Низкое напряжение 0,4 кВ

Материал обмотки НН: Алюминий

Схема и группа соединений Y/Y-0

Способ охлаждения - маслянное

Установка - наружная

Напряжение короткого замыкания U_к=4,5%

Потери короткого замыкания P_к= 4,2 кВт

Ток холостого хода I_о=2,3%

Потери холостого хода P_х= 0,74 кВт

Задание выдано: 12.09.2002.

Выдал: Шевчик В.Г.

Содержание

Введение

1. Расчет исходных данных

2. Расчёт основных коэффициентов

3. Определение основных размеров

4. Расчёт обмоток НН

5. Расчёт обмоток ВН

6. Расчёт параметров короткого замыкания

7. Расчёт магнитной системы трансформатора

8. Расчёт потерь холостого хода

9. Расчёт тока холостого хода

10. Тепловой расчёт обмоток

11. Тепловой расчёт бака

12. Определение массы масла

13. Описание конструкции трансформатора

Вывод

Литература

Введение

Трансформаторы - это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка-вторичной. Обычно все величины, относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся к вторичной-индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I₁ имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока I_Ом, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф₁ сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов

Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего - является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий, возникающих при внезапных коротких замыканиях, наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.

1. Расчёт исходных данных

Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Мощность одной фазы и одного стержня:

S_ф = S/m = 250/3 =83,3 кВА

S'= S/c= 250/3 =83,33 кВА

где : m - число фаз,

с - число активных стержней трансформатора.

Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I₂=== 14,4 А

НН: I₁= = = 361 А

Фазные токи обмоток (звезда/звезда-0):

ВН: I_ф2 = I₂ = 14,4 А

НН: I_ф1 = I₁ = 361 А

Фазные напряжения обмоток:

ВН: U_ф2 = U_н2/= 10000/= 5770 В

НН: U_ф1 = U_н1/ =400/=231 В

Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1 :

ВН: U_исп.2 = 35 кВ

НН: U_исп.1 = 5 кВ

Обмотка ВН при напряжении 10 кВ и токе 14,4 А - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Обмотка НН при напряжении 0,4 кВ и токе 361 А - цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода.

Определение исходных данных расчёта:

Мощность обмоток одного стержня:

S' = 83,3 кВА

Для испытательного напряжения обмотки ВН, U_исп.2 = 85 кВ по таблице 4.5 находим изоляционные расстояния:

a₁₂ = 9 мм; l₀₂ = 30 мм; a₂₂ = 10 мм

l_ц2 = 15 мм д₁₂=3 мм

Для обмотки НН, U_исп.1 = 25 кВ (по таблице 4.4)

a₀₁ = 4 мм; д₀₁= 1 мм

Ширина приведённого канала рассеивания:

a_p = a₁₂ + (a₁ +a₂)/3

(a₁ +a₂)/3 = 1,25·K,

где K=0.63 (из табл. 3.3, примечание 1),

(a₁ +a₂)/3 = 1,25·0,63· =3 см

а_р = а₁₂ + (a₁+a₂)/3 = 0,009 + 0,0248 = 0,033 м

Коэффициент приведения реального поля рассеяния к идеальному принимаем:

K_р=0,95

Частота: f=50 Гц

Активная составляющая напряжения короткого замыкания (по 3-9):

U_а = P_к/10S = 4200/(10·250) = 1,68%

Реактивная составляющая:

U_р= = = 4,17 %

Согласно параграфу 2.2 выбираем плоскую трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.1.

Рис. 1 Схема плоской магнитной системы трансформатора.

Прессовка стержней расклеиванием с обмоткой и ярм балками, стянутыми шпильками, расположенными вне ярма. Материал магнитной системы - холоднокатанная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0.35 мм.

Индукция в стержне В_с = 1,56 Тл. В сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга К_кр = 0,918, изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, К_з = 0,97 (по таб.2,3), коэффициент заполнения сталью

k_c =К_кр·К_з = 0,918·0,97 = 0,89.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма k_я = 1,025 индукция в ярме:

В_я = В_с/К_я = 1,56/1,025 = 1,52 Тл

Число зазоров магнитной системы на косом стыке 4, на прямом 3.

Индукция в зазоре на прямом стыке:

В_з^ґґ = В_с = 1,56 Тл

на косом стыке:

В_з^ґ = В_с/= 1,56/ = 1,1 Тл

Удельные потери в стали р_с = 1,207 Вт/кг, р_я = 1,134 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность q_c = 1,575 ВА/кг, q_я = 1,408 ВА/кг,

Для зазоров прямых стыков q_з^ґґ =20700 ВА/м²,

Для зазора косых стыков q₃^ґ = 2500 ВА/м².

По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, к_д=0,94 и по таблице 3.4 и 3.5 находим постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток

a = 1,06·1,36=1,442

b = 1,25·0,42=0,525

Принимаем К_р = 0,95.

Диапазон изменения от 1.2 до3.0 (по таб.12.1)

2. Расчёт основных коэффициентов

По (3-30) находим: А = 0,507 = 0,507 = 0,144

По (3-35): A₁= кг

По (3-36): A₂= кг

По (3-43):

кг

кг

По (3-52) для частоты 50 Гц: K₀=1,2·10^-2

С₁ = K₀ ==98,74 кг

По (3-65): МПа

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением (3-55):

по таблице (3-7) - K_oc=1,81;K_пр=1,13 (для алюминиевого провода)

Получим:

X⁵+BX⁴-CX-D=0;

X⁵+0,123X⁴-1,13X-0,87=0(*)

Решением этого уравнения является: в=1.56

Находим предельные значения в по допустимым значениям плотности тока Д и растягивающим механическим напряжением у_р:

По (3-61¹):

По (3-66):

в_Д и в_у лежат за пределами допустимых значений. Находим в из уравнения (*)

х = 1,145 в = х⁴ = 1,7

Масса одного угла магнитной системы:

По (3-45¹):

Активное сечение стержня:

По (3-59):

Площадь зазора на прямом стыке:

на косом стыке:

Потери холостого хода по формуле (8-32):

где: К_пд=1,12 (для пластин с отжигом и ярма с многоступенчатой формой сечения), К_уп = 10,18 (по таблице 8-13), К_ф = 2(с-1) = 2(3-1) = 4 (для трехфазного трансформатора)

Намагничивающая мощность по формуле (8-44):

где: k_тд' = 1,2 и k_тд^” = 1,06 (для пластин с отжигом и ярма с многоступенчатой формой сечения)

k_т,у = 42

k_т,пл = 1,35

Предварительный расчет трансформатора ТМ-250/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

в	1,2	1,8	1,7	2.4	3.0
	1,048	1,16	1,14	1,245	1,32
	1,096	1,344	1,3	1,55	1,734
	1,148	1,56	1,489	1,93	2,29
A1/x=215,86/x	205,97	186,1	189,4	173,4	163,53
A2x2=19,96x2	21,87	26,83	25,9	30,9	34,61
Gc=A1/x+A2x2	227,85	212,93	215,3	204,3	198,14
B1x3=155,07x3	187,02	241,91	230,9	299,3	355,1
B2x2=8,63x2	9,46	11,598	11,22	13,37	14,96
Gя=B1x3+B2x2	164,53	253,51	242,1	312,67	370,06
Gст=Gc+Gz	392,38	466,44	415,4	816,97	568,2
Gу=13,4x3	15,38	20,9	19,95	25,86	30,68
1,35Gc	307,6	287,5	290,6	275,8	267,49
1,27GЯ	208,95	321,96	307,5	397,1	469,98
6,47Gу	87,82	119,34	113,9	147,6	175,18
Px=1,35Gc+1,27Gя+6,47Gу	604,37	728,8	712,01	820,5	912,65
Пc=0,0145x2	0,016	0,019	0,0188	0,0225	0,0251
2Gc	455,7	425,86	430,6	408,6	396,28
1,79Gя	294,5	453,8	433,35	559,68	662,41
96,8Gу	1488,8	2023,1	1887,6	2503,2	2969,8
1166,5x2	1278,5	1567,7	1516,45	1808,07	2022,7
Qx	3517,5	4470,5	4268	5279,5	6051,2
i0р=Qx/10S, %	1,4	1,788	1,7	2,112	2,42
G0=C1/x2=98,74/x2	90,1	73,5	75,95	63,7	56,94
1,03G0	92,8	75,67	78,22	65,61	58,65
1,1·1,03G0=Gпр	105,14	83,24	86,05	72,17	64,52
kocGпр=1,81Gпр	190,3	150,66	155,75	130,64	116,77
Cач'=kocGпр+Gст	582,7	617,1	57,15	647,61	684,97
	1,72	1,9	1,87	2,05	2,16
	0,254	0,345	0,329	0,425	0,506
d=Ax=0,144x	0,151	0,225	0,164	0,179	0,19
d12=ad=1,442d	0,217	0,324	0,233	0,258	0,274
	0,569	0,565	0,431	0,338	0,287
C=d12+a12+2a2+a22	0,315	0,461	0,338	0,371	0,393

3. Определение основных размеров

По полученным результатам выбираем диаметр стержня d = 16,62 см при в=1,75. Для выбранных d и в:

x =1,15; x² = 1,323; x³ =1,521

Диаметр стержня:

d = A·x = 0,0145·1,15 =0,1662 м

Активное сечение стержня:

П_с = 0,0145·x² = 0,019 м².

Средний диаметр обмоток:

d₁₂ = 1,442·d = 1,422·0,106 = 0,239 м.

Высота обмоток:

l = d₁₂/ = 3,14·0,239/1,75 = 0,428 м

Высота стержня:

l_c = l+2l₀ = 0,4288+2·0,03 = 0,488 м

Расстояние между осями стержней:

С = d₁₂+a₁₂+bd+a₂₂ = 0,239+0,009+0,525·0,1662+0,01 = 0,345 м

ЭДС одного витка

u_в = 4.44fП_СВ_С·10^-4 = 4.44·50·1.63·540·10^-4 = 19.54 в

Масса стали

G_ст = 415 кг

Масса металла обмоток

G₀ = 75,95 кг

Масса провода

G_пр = 86,05 кг

Плотность тока

Д = 1,87·10⁶ A/м²

Механическое напряжение в обмотках

у_р = 3,29 МПа

Потери и ток ХХ

P_x = 712,01 Вт

i₀ = 1,7 %

4. Расчёт обмоток НН

Число витков обмотки НН:

витков

Примем щ₁ґ = 36 витков. ЭДС одного витка

U_в = U_ф1/₁ = 231/23 = 6,42 В

Средняя плотность тока:

Д_ср = 0,463k_дP_кU_в/(Sd₁₂)= 0,463·0,94·4200·6,42/(250·239) = 1,96·10⁶ А/м²

Сечение витка ориентировочно:

П₁' = I₁/ Д_ср = 361/1,96·10⁶ = 184,18·10^-6 м²

По таблице 5.8 по мощности 250 кВА, току обмотки одного стержня 361 А, сечению витка 184,18·10^-6 м² и плотности тока 1,96·10⁶ А/м² - выбираем конструкцию цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода. Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q=1200 вт/м²:

м

где: к_з=0,8

По таблице (5-3) выбираем следующий провод:

АПБ·4·

Полное сечение витка:

П₁ = n_в1·П1' = 4·46,4 = 185,6·10^-6 м²

Полученная плотность тока:

Д₁ = I₁/П₁ = 361/185,6·10^-6 = 1,945·10⁶ А/м²

Число витков в одном слое:

витков

Обмотка НН наматывается в один слой. Введу того, что обмотка содержит 4 провода возникает необходимость в транспозиции, т.к. сопротивления каждого провода должны быть одинаковыми. Транспозицию применяем на каждую 1/4 длины. Добавочные потери меньше 5%.

Междуслойная изоляция по таблице (4-7) - 1·0,12. Один слой кабельной бумаги по 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 10 мм на одну сторону.

Радиальный размер обмотки без экрана:

м

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Радиальный размер с экраном

a_1экр=a₁+0,003 = 0,019+0,003 = 0,022 м

Внутренний диаметр:

м

Наружный диаметр:

м

Принимаем бакелитовый цилиндр

Ш м

Плотность теплового потока на поверхности обмотки (по 7-17'^):

Вт/мм²

Масса метала обмотки НН по (7-7) :

G₀₁ = c·D_ср·₁·П₁ = 8,47·3·(0,174+0,182)/36·184·10^-3 = 29,96 кг

Масса провода в изоляции по таблице (5-5):

G _пр1 = 1,025·1,03·29,96 = 31,63 кг

5. Расчёт обмотки ВН

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении (по 6-27):

_H2=₁ = 35,11· = 877 витков

Число витков на одной ступени регулирования:

_р = = 22 витка

10500	877+2·22 = 943
10250	877+1·22 = 899
10000	877
9750	877-1·22 = 855
9500	877-2·22 = 811

Ориентировочная плотность тока:

= 1,97 А/м²

Ориентировочное сечение витка

Пґ₂ = 7,3 мм²

По формуле (5-7) находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q = 1200 Вт/м

мм

Выбираем провод по таблице (5-3):

АПБЧ1Ч сечением

П₂ = 7,24 мм²

Плотность тока в обмотке:

А/м²

Число витков в одном слое:

 витков

(8 слоев по 98 витков, 1 слой по 93 витка, и 1 слой по 44 витка)

Обмотка разделяется на 2 катушки - внутреннюю В с 6 слоями и наружную Г с 4 слоями. Между катушками В₂ и Г₂ осевой масляный канал шириной 10 мм. Под внутренним слоем обмотки располагается электрический экран - алюминиевый незамкнутый цилиндр толщиной 0,5 мм.

Напряжение двух слоев обмотки:

В

Междуслойная изоляция по таблице (4-7) - 3 слоев кабельной бумаги по 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 17 мм на одну сторону.

Радиальный размер обмотки без экрана:

м

Радиальный размер обмотки с экраном:

м

Внутренний диаметр обмотки (для расчета массы провода) по внутреннему слою проводов ( по 6-58):

м (см. примечание)

Внутренний до слоя проводов

м

Наружный диаметр обмотки без экрана (по 6-59):

м

Расстояние между осями стержней

С = =0,33 + 0,01 = 0,34 м

По испытательному напряжению обмотки ВН U_исп1=85 кв (по таблице 4-5)

a₁₂^ґ = 27 мм; l₀₂ = 30 мм; a₂₂^ґ = 10 мм;

l_ц2= 15 мм; д₁₂^ґ = 3 мм; д₂₂^ґ = 2 мм.

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Поверхность охлаждения обмотки ( по 6-61):

м²

к=0,8.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки:

Вт/мм²

Масса металла обмотки ВН:

G₀₂ = 8,47·c·D_ср·w₁·

П= 8.47·3·(0,33+0,256)/2·921·0,724·10^-5·10³= 49,64 кг

Масса провода в обмотке ВН с изоляцией ( по таблице 5-5):

G_{пр 2} = 1,025·1,03·49,64 = 52,45 кг

Масса провода обмоток НН и ВН:

G_пр = G_пр1 + G_пр2 = 31,63 + 52,45 = 84,04 кг

6. Расчёт параметров короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установленной в одной из обмоток тока, соответствующего его номинальной мощности при замкнутой накоротко второй обмотки.

Потери короткого замыкания согласно § 7.1 :

Основные потери в обмотках :

Обмотка НН: Вт

Обмотка ВН: Вт

Добавочные потери в обмотке:

Обмотка НН (по 7-15'):

K_p=0,95

Обмотка ВН (по 7-15):

Основные потери в отводах рассчитываются следующим образом:

Для схемы соединения звезда отводы ВН и НН имеют одинаковую длину.

Длина отводов определяется приближённо по (7-21):

l_отв = 7,5·l = 7,5 0,29 = 2,175 м

Масса отводов НН: (при плотности меди отводов = 2700 кг/м³)

G_отв.1 = l_отв.·П₁·· = 2,175·184·10^-6·2700 = 1,08 кг

Потери в отводах НН по (7-24):

(при k = 12,75)

Р_отв.1 = k·Д₁²·G_отв.1 = 12,75·1,945²·2,47 = 52,12 Вт

Масса отводов ВН: (при плотности меди отводов = 2700 кг/м³)

G_отв.2 = l_отв.·П₂· = 2,175·7,24·10^-6·2700 = 0,0425 кг

Потери в отводах ВН: (при k = 12.75)

Р_отв.2 = k· Д ₂²·G_отв.2 = 12,75·1,98²·0,0 425 = 2,13 Вт

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближённо, по (7-25) и таблице (7-1):

Р_б = 10kS = 10·0,015·250 = 37,5 Вт

к = 0.031

Полные потери короткого замыкания:

Р_к = Р_осн.1·k_д1 + Р_осн.2·k_д2 + Р_отв.1 + Р_отв.2 + Р_б =

= 1525,63·1,015 + 2619,22·1,004 + 52,12 + 2,13 + 37,5 = 4269,96 Вт

%

Напряжение короткого замыкания рассчитывается согласно параграфу 7.2 :

Активная составляющая:

u_а = = = 1,7 %

Реактивная составляющая:

, где:

f = 50 Гц, Sґ= 83,3 кВА, м

%

Напряжение короткого замыкания:

u_к = %

или 4,58·100%/4,5 = 101,77 % заданного значения.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН :

А

S_k = 250·10³

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

i_к.max = 1,41k_max ·I_к.у. = 2,23·326,2 = 727,4 А

1,41k_max = 2,23 по таблице 7.3 стр. 330.

Радиальная сила :

F_p=0,628·(i_к.max · w)²··k_p·10^-6 = 0,628·(727,4·877)²·1,7·0,95· 10^-6 = 0,413МН

Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН:

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН:

Па (69% допустимого у_рд=15МПа)

Осевые силы:

H, где:

% (по таблице 7-4)

a₀ = a₁₂ + a₁ + a₂ = 0,0834

Наибольшая осевая сила в середине обмотки НН

МПа

Температура обмотки через t_к = 5 сек. после возникновения короткого замыкания по (7,54') :

С

По таблице (7-5) допустимая температура 200 С

7. Расчёт магнитной системы трансформатора

Определение размеров магнитной системы и массы стали по параграфу 8-1. Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3404, толщиной 0,35 мм по рис 4.

Способ прессовки стержней - расклинивание с обмотками. Ярма прессуются ярмовыми балками без бандажей.

Размеры пакетов в одной половине сечения стержня при 6 ступенях:

Номер пакета	Ширина пакета, мм	Толщина пакета, мм	Площадь сечения, мм2
1	175	21	3675
2	155	25	3875
3	135	13	1755
4	120	8	960
5	95	9	855
6	65	8	520

По табл. 8-2:

Полное сечение стержня по пакетам: П_ф.с = 0,018535 м²;

Активное сечение: П_с = k_з·П_ф.с = 0,97·0,01835 = 0,0178м²

Размеры пакетов ярма по таблице (8-1б):

Номер пакета	Ширина пакета, мм	Толщина пакета, мм	Площадь сечения, мм2
1	175	21	3675
2	155	25	3875
3	135	13	1755
4	120	8	960
5	95	9	855

Полное сечение ярма по пакетам по таблице (8-2): П_ф.я = 0,01883 м²;

Активное сечение ярма:

П_я = k_з·П_ф.я = 0,97·0,01883 = 0,0183 м²

Длина стержня по таблице (4-5):

l_с = l+2l₀₂ = 0,429 + 2·0,03 = 0,489 м

Расстояние между осями соседних стержней:

С = D₂^ґґ + a₂₂ = 0,33+0,01 = 0,34 м

Масса стали в ярмах магнитной системы рассчитываем по (8-11)-(8-13)-(8-15):

G_я = G_я^ґ + G_я^ґґ = 2П_я·2Cг_ст+2G_y = 2·0,0188·2·0,34·7650+2·18,33 = 227,1 кг

=7650 кг/м³ - плотность холоднокатанной стали.

Масса стали угла магнитной системы

кг, где

м³ - Объём стали угла магнитной системы; V= 0,00247 м³ - объём угла магнитной системы

Масса стали в стержнях магнитной системы рассчитываем по (8-16)-(8-18):

G_с = G_с^ґ + G_с^ґґ = 199,4 + 16,49 = 216 кг, где:

G_с^ґ = с·l_с·П_с·_ст = 3·0,488·0,0178·7650 = 199,4 кг

G_с^ґґ= с·(П_с·а_1я·_ст - G_у) = 3 (0,0178·0,175·7650 - 18,33) = 16,49 кг

Общая масса стали:

G_ст = G_я + G_с = 216 + 227,1 = 443,1 кг

8. Расчёт потерь холостого хода

Расчёт потерь холостого хода производим по параграфу 8.2

Индукция в стержне:

В_с = = =1,625 Тл

Индукция в ярме:

В_я = = =1,58 Тл

Индукция на косом стыке

В_кос. = = = 1,15 Тл

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по таблице (8-4):

При В_с = 1,625 Тл, р_с = 1,353 Вт/кг; р_зс = 661 Вт/м²

При В_я = 1,58 Тл, р_я = 1,251 Вт/кг; р_зя = 645 Вт/м²

При В_кос. = 115 Тл, р_кос = 0,475 Вт/кг

Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне, с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев для определения потерь применим выражение (8-31):

k_п.р. = 1,05; k _п.з. = 1,02;_. k _п.я. = 1,00; k _п.п. = 1,03; k _п.ш. = 1,01

k _пу = 9,38

k _ф = 2(с-1)=4

Тогда потери холостого хода:

Вт, что на

% выше заданного значения.

9. Расчёт тока холостого хода

Расчёт тока холостого хода производим по параграфу 8.3.

По таблице (8-11) находим удельные намагничивающие мощности:

При В_с = 1,62 Тл, q_с = 1,958 ВA/кг; q_зс = 25100 ВA/м²

При В_я = 1,25 Тл, q_я = 0,811 ВA/кг; q_зя = 5360 ВА/м²

При В_кос. = 1,12 Тл, q_кос = 0,570 ВА/кг

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления используем (8-43), в котором по параграфу 8.3 принимаем коэффициенты:

k_т.р. = 1,18; k _т.з. = 1,0; k _т.я. = 1,0; k _т.п. = 1,05;

k _т.ш. = 1,01; k _т.у = 42.45; k _т.пл = 1,21.

ВА

Ток холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода:

i_0а = = 0,33 %

Реактивная составляющая тока холостого хода:

i_0р = = 1,62 %

Ток холостого хода:

i₀ = 1,65 %, что на

% ниже заданного значения.

КПД трансформатора:

%

10. Тепловой расчёт обмоток

Поверочный тепловой расчёт обмоток

Потери в единице объёма обмотки НН

Вт/м^3, где

а = 4,25 мм, bґ = 11,7 мм, д_мс = 0,12 мм, b =11,2 мм, aґ = 4,75 мм

Средняя теплопроводность обмотки НН

, где

Полный внутренний период

?С

Средний внутренний период:

?С

Потери в единице объёма обмотки ВН

Вт/м³

, где

а = 1,9 мм, bґ = 4,5 мм, д_мс = 0,12 мм, b =4,0 мм, aґ = 2,4 мм

Средняя теплопроводность обмотки ВН

;

Полный перепад температуры в обмотке ВН

?С

Средний внутренний перепад

?С

Перепад температуры на поверхности обмоток

обмотка НН : ?С

обмотка ВН : ?С

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

Вт/м²

Превышения средней температуры обмоток над температурой масла

обмотка НН : ?С

обмотка ВН : ?С

11. Тепловой расчёт бака

Тепловой расчёт бака проводится согласно параграфу 9.6.

По таблице (9-4), в соответствии с мощностью трансформатора S = 250 кВА, выбираем конструкцию волнистого бака.

Минимальные внутренние размеры бака - по рис. 5, (а) и (б).

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН.

По таблице 4-11:

S₁ = 30 мм, S₂ = 25 мм, S₃ = 25 мм, S₄ = 90 мм, d₁ = 25 мм, d₂ = 40 мм

Минимальная ширина бака по рис.5 (а) и (б):

В = D₂^ґґ+(S₁ + S₂ + d₂ + S₃ + S₄ + d₁)·10^-3 =0,33+(30+25+25+90+25+40) ·10^-3 = 590 мм

где изоляционные расстояния:

S₁ = 30 мм (для отвода U_исп = 35 кВ, покрытие 2 мм - расстояние от стенки бака)

S₂ = 25 мм (для отвода U_исп = 35 кВ, покрытие 2 мм - расстояние до прессующей балки)

S₃ = 25 мм (для отвода U_исп = 5 кВ, без покрытия - расстояние до стенки бака)

S₄ = 90 мм (для отвода U_исп = 5 кВ, без покрытия - расстояние до прессующей балки)

Длина бака:

А = 2С+ B= 2·0,34+0,565 = 1,245 м.

Глубина бака:

Н_б = Н_а.ч+ Н_я.к. = 1,078 + 0,16= 1,238 м.

Высота активной части:

Н_а.ч. = l_с + 2h_я + n = 0,488 + 2·0,27+0,05 = 1,078 м.

где n = 50 мм - толщина бруска между дном бака и нижним ярмом

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака: Н_я.к. = 160 мм.

Высота волны

Н_в = 12380 - 100 = 1138 мм

Поверхность излучения с волнами

м²

Поверхность излучения гладкой стенки

м²

м²

Шаг волны

м

Число волн

волн

Развёрнутая длина волны

м

Поверхность конвекции стенки

,

м²

м²

Полная поверхность излучения бака

м²

м²

м²

Полная поверхность конвекции бака

м²

Определение превышений температуры масла и обмоток над температурой охлаждающёго воздуха

Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха

°С

Превышение температуры масла над температурой стенки

°С

Превышение средней температуры масла над температурой воздуха

°С

Превышение средней температуры масла над температурой воздуха

обмотка НН: °С < 65 °С

обмотка ВН: °С < 65 °С

Превышение температуры масла в верхних слоях

И_М,В,В =1,2·41,44 = 4973 ?C < 60 ?C

И_0В < 60 ?C

Лежат в пределах допустимого.

12. Определение массы масла

Объём бака

м³

Объём активной части

кг

кг

Объём масла в баке

м³, где г = 5000 кг/м³

Масса масла в баке

м³

Объем активной части:

кг

13. Описание конструкции трансформатора

Разработанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 состоит из следующих основных компонентов:

Магнитная система. Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3404, 0.35 мм.

Обмотки НН и ВН. Выбрана конструкция многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного алюминиевого провода.

Бак. Выбрана конструкция волнистого бака.

Стандартные изделия - вводы НН и ВН, РПН,

Трансформатор установлен на специальной тележке, при помощи которой его можно передвигать в нужном направлении. Перевозка трансформатора осуществляется в собранном виде на нормальных железнодорожных платформах.

Вывод

Рассчитанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 удовлетворяет основным государственным нормам и стандартам. В отличие от трансформатора серийного производства, данный трансформатор обладает следующими параметрами:

Разработанный трансформатор	Серийный трансформатор
Параметр	Значение	Отклонение, %	Параметр	Значение	Отклонение, %
Uk ,%	4,6	1,7	Uk, %	4,5	±5
Pk, Вт	4269	+1,6	Pk, Вт	4200	+10
I0, %	1,56	-30	I0, %	2,3	+30
Рх, Вт	830,2	+12	Рх, Вт	740	+15

Литература

1. Тихомиров П.М., Расчёт трансформаторов, Энергия, М., 1986 г.

2. Сергеенков Б.Н., Электрические машины. Трансформаторы, Высшая школа, М., 1989 г.

3. Сапожников А.В., Конструирование трансформаторов, государственное энергетическое издательство, М.-Л., 1959 г.

4. Иванов-Смоленский А.В., Электрические машины, Энергия, М., 1980 г.

5. Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины часть 1, Энергия, Л, 1973 г.

6. Вольдек А.И., Электрические машины, Энергия, М., 1974 г.

7. Потишко А.В., Справочник по инженерной графике, Будивельник, Киев, 1983 г.

8. Александров К.К., Электротехнические чертежи и схемы, Энергоатомиздат, М. 1990 г.

9. ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения.

10. ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические требования.

11. ГОСТ 11920-85 Трансформаторы силовые масленые общего назначения до 35 кВ включительно. Технические условия.