Проектирование силового трёхфазного трансформатора типа TM-630/10

Задание

Спроектировать силовой трёхфазный трансформатор по следующим техническим данным:

Тип трансформатора TM-630/10

Номинальная мощность S_н = 630 кВА

Число фаз m = 3

Частота f = 50 Гц

Высокое напряжение 10±(2·2,5%) кВ

Материал обмотки ВН: Алюминий

Низкое напряжение 0,4 кВ

Материал обмотки НН: Алюминий

Схема и группа соединений Y/Y-0

Способ охлаждения - масляное

Установка - наружная

Напряжение короткого замыкания U_к=5,5%

Потери короткого замыкания P_к= 8,5 кВт

Ток холостого хода I_о=2,0%

Потери холостого хода P_х= 1,31 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

Спецификация

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 = 630/3 =210 кВА

S'= S/c= 630/3 =210 кВА

где : m - число фаз,

с - число активных стержней трансформатора.

Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I₂=== 36,37 А

НН: I₁= = = 909,3 А

Фазные токи обмоток (звезда/звезда-0):

ВН: I_ф2 = I₂ = 36,37 А

НН: I_ф1 = I₁ = 909,3 А

Фазные напряжения обмоток:

ВН: U_ф2 = U_н2/= 10000/= 5774 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 36,37 А - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Обмотка НН при напряжении 0,4 кВ и токе 909,3 А - цилиндрическая многослойная из алюминиевой ленты.

Определение исходных данных расчёта:

Мощность обмоток одного стержня:

S' = 210 кВА

Для испытательного напряжения обмотки ВН, U_исп.2 = 35 кВ по таблице 4.5 находим изоляционные расстояния:

a₁₂ = 27 мм; l₀₂ = 30 мм; a₂₂ = 10 мм

l_ц2 = 15 мм д₁₂=3 мм

Для обмотки НН, U_исп.1 = 5 кВ (по таблице 4.4)

a₀₁ = 5 мм; д₀₁= 1 мм

Ширина приведённого канала рассеивания:

a_p = a₁₂ + (a₁ +a₂)/3

(a₁ +a₂)/3 = 1,25·K,

где K=0.53 (из табл. 3.3, примечание 1),

(a₁ +a₂)/3 = 1,25·0,53· =2,5 см

а_р = а₁₂ + (a₁+a₂)/3 = 0,027 + 0,025 = 0,052 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 = 8500/(10·630) = 1,35%

Реактивная составляющая:

U_р= = = 5,33 %

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 расклиниванием 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 = 1,62 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 = 1,62/1,025 = 1,58 Тл

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

Индукция в зазоре на прямом стыке:

В_з^ґґ = В_с = 1,62 Тл

на косом стыке:

В_з^ґ = В_с/= 1,62/ = 1,146 Тл

Удельные потери в стали р_с = 1,353 Вт/кг, р_я = 1,251 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность q_c = 1,958 ВА/кг, q_я = 1,675 ВА/кг,

Для зазоров прямых стыков q_з^ґґ =25100 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=0,93 и по таблице 3.4 и 3.5 находим постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток

a = 1,06·1,36=1,44

b = 1,25·0,42=0,5

Принимаем К_р = 0,95.

Диапазон изменения от 1,0 до3.0 (по таб.12.1)

2. Расчёт основных коэффициентов

По (3-30) находим: А = 0,507 = 0,507 = 0,187

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 ==168 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+0,123X⁴-0,471X-0,678=0(*)

Решением этого уравнения является: в=1.0

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^” = 1,07 (для пластин с отжигом и ярма с многоступенчатой формой сечения), k_т,у = 42,45, k_т,пл = 1,35

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

в	1	1,4	1,8	2,2	2,6
	1	1,087757	1,158292	1,217883	1,269823
	1	1,183216	1,341641	1,48324	1,612452
	1	1,287052	1,554012	1,806413	2,047529
A1/x=215,86/x	477,4	438,8847	412,1585	391,9916	375,9578
A2x2=19,96x2	34	40,22934	45,61579	50,43015	54,82335
Gc=A1/x+A2x2	511,4	479,114	457,7743	442,4217	430,7811
B1x3=155,07x3	337,8	434,7661	524,9453	610,2063	691,6552
B2x2=8,63x2	28,5	33,72165	38,23676	42,27233	45,95487
Gя=B1x3+B2x2	366,3	468,4878	563,182	652,4786	737,6101
Gст=Gc+Gz	877,7	947,6018	1020,956	1094,9	1168,391
Gу=13,4x3	29,5	37,96803	45,84336	53,28918	60,4021
1,35Gc	777,328	728,2533	695,817	672,481	654,7873
1,27GЯ	512,82	655,8829	788,4548	913,47	1032,654
6,47Gу	189,685	244,1344	294,7728	342,6494	388,3855
Px=1,35Gc+1,27Gя+6,47Gу	1479,833	1628,271	1779,045	1928,6	2075,827
Пc=0,0145x2	0,0247	0,029225	0,033139	0,036636	0,039828
2Gc	1283,614	1202,576	1149,014	1110,479	1081,261
1,79Gя	787,545	1007,249	1210,841	1402,829	1585,862
96,8Gу	3569,5	4594,131	5547,046	6447,991	7308,654
1166,5x2	2363	2795,939	3170,297	3504,895	3810,223
Qx	8003,659	9599,896	11077,2	12466,19	13786
i0р=Qx/10S, %	1,270422	1,523793	1,758285	1,978761	2,188254
G0=C1/x2=98,74/x2	168	141,9859	125,2198	113,2656	104,1892
1,03G0	173,04	146,2455	128,9764	116,6635	107,3149
1,1·1,03G0=Gпр	190,344	160,87	141,874	128,3299	118,0463
kocGпр=1,81Gпр	344,5226	291,1748	256,792	232,2771	213,6639
Cач'=kocGпр+Gст	1222,223	1238,777	1277,748	1327,177	1382,055
	1792843	1950178	2076636	2183473	2276594
	6,02	7,748052	9,355152	10,87461	12,32612
d=Ax=0,144x	0,187	0,203411	0,216601	0,227744	0,237457
d12=ad=1,442d	0,26928	0,292911	0,311905	0,327952	0,341938
	0,845968	0,657291	0,544377	0,468314	0,413165
C=d12+a12+2a2+a22	0,378836	0,408835	0,432946	0,453316	0,471071

3. Определение основных размеров

По полученным результатам выбираем диаметр стержня d = 0,187см при в=1,0

Для выбранных d и в:

x =1,0; x² = 1,0; x³ =1,0

Диаметр стержня:

d = A·x = 0,187·1=0,1187 м

Активное сечение стержня:

П_с = 0,0247·x² = 0,0247 м².

Средний диаметр обмоток:

d₁₂ = 1,44·d = 1,44·0,187 = 0,269 м.

Высота обмоток:

l = d₁₂/ = 3,14·0,261/1= 0,84 м

Высота стержня:

l_c = l+2l₀ = 0,84+2·0,03 = 0,9 м

Расстояние между осями стержней:

С = 0.4 м

ЭДС одного витка

u_в = 4.44fП_СВ_С·10^-4 = 4.44·50·0.0247·1.62·= 8.88 в

Масса стали

G_ст = 877.7 кг

Масса металла обмоток

G₀ = 168 кг

Масса провода

G_пр = 190.3 кг

Плотность тока

Д = 1,79·10⁶ A/м²

Механическое напряжение в обмотках

у_р = 6,02МПа

Потери и ток ХХ

P_x = 1479,8 Вт, i₀ = 1,27 %

4. Расчёт обмоток НН

Число витков обмотки НН:

витков

Примем щ₁ґ = 26 витков.

ЭДС одного витка

U_в = U_ф1/₁ = 231/26 = 8,88 В

Средняя плотность тока:

Д_ср = 0,463k_дP_кU_в/(Sd₁₂)= 0,463·0,93·8500·8.88/(630·269) = 1,92·10⁶ А/м²

Сечение витка ориентировочно:

П₁' = I₁/ Д_ср = 909.3/1,92·10⁶ = 473.6·10^-6 м²

По таблице 5.8 по мощности 630 кВА, току обмотки одного стержня 909.3 А, сечению витка 473.6·10^-6 м² и плотности тока 1,92·10⁶ А/м² - выбираем конструкцию многослойной цилиндрической обмотки из алюминиевой ленты.

Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q=1200 вт/м²:

м

где: к_з=0,8

Выбираем алюминиевую ленту марки А6 по ГОСТ 13726-78 размерами (0,840,0006) м

Полное сечение витка:

П₁ = n_в1·П1' = 0,84·0,0006 = 504·10^-6 м²

Полученная плотность тока:

Д₁ = I₁/П₁ = 909,3/504·10^-6 = 1,804·10⁶ А/м²

Число витков в одном слое:

витков

Обмотка НН наматывается в 26 слоёв.

Междуслойная изоляция по таблице (4-7) - 2·0,12. Два слоя 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 = 0,022+0,003 = 0,025 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·(0,197+0,219)/2·504·10^-3 = 69,26 кг

5. Расчёт обмотки ВН

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

_H2=₁ = 26· =650+34= 684 витков

Число витков на одной ступени регулирования:

_р = = 17 витка

10500	650+2·17 = 684
10250	650+1·17 = 667
10000	650
9750	650-1·17 = 633
9500	650-2·17 = 616

Ориентировочная плотность тока:

Ориентировочное сечение витка

Пґ₂ = 17,8 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 = 17,6 мм²

Плотность тока в обмотке:

А/м²

Число витков в одном слое:

витков

(6 слоев по 98 витков, 1 слой с 62 витками, и 1 слой с 34 витками)

Обмотка разделяется на 2 катушки - внутреннюю А с 4 слоями и наружную В с 4 слоями. Между катушками А₂ и В₂ осевой масляный канал шириной 10 мм. Под внутренним слоем обмотки располагается электрический экран - алюминиевый незамкнутый цилиндр толщиной 0,5 мм.

Добавочные потери составляют менее 5% (табл.5.9).

Напряжение двух слоев обмотки:

В

Междуслойная изоляция по таблице (4-7) - 3 слоя кабельной бумаги по 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 16 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 = =0,362 + 0,01 = 0,372 м

По испытательному напряжению обмотки ВН U_исп1=35 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·(0,293+0,362)/2·684·17,6·10^-6·10³= 100,18 кг

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

G_{пр 2} = 106 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 0,84 = 6,3 м

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

G_отв.1 = l_отв.·П₁·· = 6,3·504·10^-6·2700 = 8,57 кг

Потери в отводах НН по (7-24):

(при k = 12,75)

Р_отв.1 = k·Д₁²·G_отв.1 = 12,75·1,804²·8,57 = 355,6 Вт

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

G_отв.2 = l_отв.·П₂· = 6,3·17,6·10^-6·2700 = 0,299 кг

Потери в отводах ВН:

(при k = 12.75)

Р_отв.2 = k· Д ₂²·G_отв.2 = 12,75·2,07²·0,299 = 16,335 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 = 10·0,02·630 = 126 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 =

= 2873,86·1,0003 + 5473,08·1,005 + 355,6 + 16,34 + 126 = 8873,1 Вт

%

Напряжение короткого замыкания рассчитывается согласно параграфу 7.2 :

Активная составляющая:

u_а = = = 1,4 %

Реактивная составляющая:

, где:

f = 50 Гц, Sґ= 210 кВА, м

%

Напряжение короткого замыкания:

u_к = %

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН :

А

S_k = 500·10³

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

i_к.max = 1,41k_max ·I_к.у. = 2,06·646,5 = 1331,8 А

1,41k_max = 2,06 по таблице 7.3 стр. 330.

Радиальная сила :

F_p = 0,628·(i_к.max · w)²··k_p·10^-6 = 0,628·(1331,8·684)²·1·0,96· 10^-6 =0,5 МН

Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН:

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН:

Па (44% допустимого у_рд=15МПа)

Осевые силы:

H, где:

% (по таблице 7-4)

a₀ = a₁₂ + a₁ + a₂ = 0,102

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	180	30	5400
2	165	17	2805
3	145	14	2030
4	130	8	1040
5	115	7	805
6	100	5	500

По табл. 8-2:

Полное сечение стержня по пакетам:

П_ф.с = 0,02628 м²;

Активное сечение:

П_с = k_з·П_ф.с = 0,97·0,02628 = 0,0255м²

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

Номер пакета	Ширина пакета, мм	Толщина пакета, мм	Площадь сечения, мм2
1	180	30	5400
2	165	17	2805
3	145	14	2030
4	130	8	1040
5	115	7	805

Полное сечение ярма по пакетам по таблице (8-2):

П_ф.я = 0,02673 м²;

Активное сечение ярма:

П_я = k_з·П_ф.я = 0,97·0,02673 = 0,0259 м²

Длина стержня по таблице (4-5):

l_с = l+2l₀₂ = 0,9 + 2·0,03 = 0,96 м

Расстояние между осями соседних стержней:

С = D₂^ґґ + a₂₂ = 0,372+0,01 = 0,382 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 =2·0,0259·2·0,382·7650+2·30,52= 363.79 кг

=7650 кг/м³ - плотность холоднокатаной стали.

Масса стали угла магнитной системы

кг, где

м³ - Объём стали угла магнитной системы;

V= 0,004118 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 = 561,816+ 13,78 = 575,6, где:

G_с^ґ = с·l_с·П_с·_ст = 3·0,96·0,0255·7650 = 561,816 кг

G_с^ґґ= с·(П_с·а_1я·_ст - G_у) = 3 (0,0255·0,18·7650 - 30,52) = 13,78 кг

Общая масса стали:

G_ст = G_я + G_с = 363,79 + 575,6 = 939,39 кг

8. Расчёт потерь холостого хода

Расчёт потерь холостого хода производим по параграфу 8.2

Индукция в стержне:

В_с = = =1,57 Тл

Индукция в ярме:

В_я = = =1,54 Тл

Индукция на косом стыке

В_кос. = = = 1,11 Тл

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

При В_с = 1,57 Тл, р_с = 1,23 Вт/кг; р_зс = 620 Вт/м²

При В_я = 1,54 Тл, р_я = 1,168 Вт/кг; р_зя = 600 Вт/м²

При В_кос. = 1,11 Тл, р_кос = 0,5 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. = 1,02

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 = 1,57 Тл, q_с = 1,6 ВA/кг; q_зс = 20700 ВA/м²

При В_я = 1,54 Тл, q_я = 1,48 ВA/кг; q_зя = 19320 ВА/м²

При В_кос. = 1,11 Тл, q_кос = 0,6 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 = 42.42; k _т.пл = 1,21.

ВА

Ток холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода:

i_0а = = 0,22 %

Реактивная составляющая тока холостого хода:

i_0р = = 0,88 %

Ток холостого хода:

i₀ = 0,9 %, 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 = 0,84 мм, bґ = 1,39 мм, д_мс = 0,12 мм, b =0,6 мм, aґ = 1,615 мм

Средняя теплопроводность обмотки НН

, где

Полный внутренний период

?С

Средний внутренний период:

?С

Потери в единице объёма обмотки ВН

Вт/м³

, где

а = 0.84 мм, bґ = 1.39 мм, д_мс = 0,12 мм, b =0.6 мм, aґ = 1.615 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 = 630 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 =0,362+(30+25+25+90+25+40) ·10^-3 = 0,597мм

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= 2·0,372+0,597 = 1,341 м.

Глубина бака:

Н_б = Н_а.ч+ Н_я.к. = 1,32 + 0,2= 1,52 м.

Высота активной части:

Н_а.ч. = l_с + 2h_я + n = 0,9 + 2·0,27+0,05 = 1,32 м.

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

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака: Н_я.к. = 200 мм.

Высота волны

Н_в = 1520 - 100 = 1420 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 =1,2·35.23 = 43 ?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 ТМ 630/10 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 для ВН и алюминиевую ленту для НН.

Бак. Выбрана конструкция волнистого бака.

Стандартные изделия - вводы НН и ВН, ПБВ,

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 ТМ 630/10 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 ,%	5,48	0,36	Uk, %	5,5	±5
Pk, Вт	8873,1	+4,4	Pk, Вт	8500	+10
I0, %	0,9	-55	I0, %	2,0	+30
Рх, Вт	1400,9	+7	Рх, Вт	1310	+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.