Трансформатор ТМ 160/6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформатор ТМ 160/6

1. Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

трансформатор масляный замыкание обмотка

Развитие производства трансформаторов, так же как и любых других электрических машин и аппаратов, тесно связано с прогрессом в производстве магнитных, проводниковых и изоляционных материалов. В свою очередь задачи, стоящие перед трансформаторостроением, требуют от соответствующих отраслей промышленности разработки и выпуска новых видов и марок различных материалов.

Поиски новых материалов чаще всего имеют целью улучшение параметров трансформатора - уменьшение потерь энергии в трансформаторе, уменьшение его массы и размеров, повышение надежности работы. Возникает также вопрос о замене дорогих материалов более дешевыми и о сокращении расхода некоторых материалов, в частности цветных металлов.

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т.е. сталь магнитной системы и металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформатора, например изоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т.д.; и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах. Применение того или иного материала может отразиться на технологии изготовления трансформатора и его конструкции. Замена одних активных или изоляционных материалов другими иногда приводит к существенному изменению конструкции и технологии изготовления трансформатора.

Одним из активных основных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течение многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки. Появление в конце 40-х годов холоднокатаной текстурованной стали, т.е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющие значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе до 1,6-1,65 Тл против 1,4-1,45 Тл для горячекатаной стали и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов - изоляционных, конструкционных и т.д.

Применение холоднокатаной стали, позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали, является анизотропия ее магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства холоднокатаной существенно ухудшаются при различных механических воздействиях. Ухудшение магнитных свойств может быть снято восстановительным отжигом при температуре 800 С, проводимым до начала сборки магнитной системы, а для навитых частей - после навивки. Механические воздействия, возникающие после начала сборки, должны быть ограничены путем соответствующей организации транспортировки пластин, осторожного обращения с ними при сборке магнитной системы и т.д. Несмотря на указанные недостатки холоднокатаной стали и ее относительно высокую цену трансформаторы с рационально спроектированной магнитной системой из этой стали при надлежащей технологии ее изготовления имеют относительно малые потери и ток холостого хода, дают экономию в расходе активных и других материалов и являются экономичными в эксплуатации. Поэтому уже более 30 лет все вновь проектируемые серии трансформаторов разрабатываются на основе применения холоднокатаной стали лучших марок с толщиной 0,35; 0,30 и 0,27 мм.

Другой активный материал трансформатора - металл обмоток - в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки, удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течение ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь алюминием, более широко распространенным в природе. Замена медного обмоточного провода в обмотках силовых трансформаторов алюминиевым проводом затрудняется прежде всего тем, что удельное электрическое сопротивление алюминия существенно (примерно в 1,6 раза) больше удельного сопротивления меди.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Плотность алюминия - 2700 кг/м3. Таким образом, алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами - как механическими, так и электрическими. Температура плавления 657°С, удельное сопротивление 0,5 мкОмМм., предел прочности при растяжении у_Р=160-170 МПа.

Рационально спроектированные трансформаторы с алюминиевыми обмотками существенно отличаются по соотношению основных размеров от эквивалентных им по мощности и параметрам короткого замыкания и холостого хода трансформаторов с медными обмотками. Отличительными особенностями магнитной системы трансформаторов с алюминиевыми обмотками является при этом меньший диаметр, большие высоты стержня и площадь окна магнитной системы. Алюминиевые обмотки имеют несколько большее число витков. Увеличение чисел витков и сечений витков алюминиевых обмоток по сравнению с эквивалентными медными обмотками приводит к увеличению стоимости работы по намотке обмоток и значительному увеличению расхода некоторых изоляционных материалов. При большей высоте магнитной системы увеличиваются также высота бака и масса масла. Увеличение стоимости работы и материалов компенсируется уменьшением массы и стоимости провода обмоток так, что общая стоимость рационально спроектированного трансформатора с алюминиевыми обмотками практически не отличается от стоимости эквивалентного трансформатора с медными обмотками. При переходе на алюминиевые обмотки был решен также ряд задач технологического характера, связанных с технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время все новые серии трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 кВА включительно проектируются с алюминиевыми обмотками.

В большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный провод марки ПБ (АПБ для алюминия) с изоляцией из кабельной бумаги класса нагревостойкости А (предельно допустимая температура 100 С) общей толщиной 0,45-0,5 мм на две стороны. Применение провода более высоких классов нагревостойкости (Е, В, F и т.д.), допускающих более высокие предельные температуры, в масляных трансформаторах смысла не имеет, потому что допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой температурой масла, в котором находится обмотка.

Применение проводов с изоляцией, имеющую повышенную нагревостойкость имеет смысл в сухих трансформаторах, в которых за счет повышения температуры обмоток возможно допустить более высокие плотности тока и получить компактную конструкцию трансформатора. Если при этом допускается существенное повышение эксплуатационной температуры обмоток, то потери короткого замыкания трансформатора неизбежно возрастают вследствие как увеличения плотности тока так и повышения удельного сопротивления провода обмотки.

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло - жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя. Только благодаря трансформаторному маслу удалось создать трансформаторы с рабочим напряжением 500, 750 и 1150 кВ, а в перспективе и 1500 кВ. Ни один жидкий или газообразный диэлектрик не может служить ему заменой.

В отличие от других изоляционных материалов один и тот же объем масла не может использоваться в течение всего срока службы трансформатора, т.е. не менее 25 лет. При эксплуатации трансформатора вследствие окисления при повышенной температуре. (до 95 градусов С) и при каталитическом воздействии присутствующих в масле металлов и твердых изоляционных материалов масло стареет, т.е. ухудшает свои качества и требует систематического ухода - сушки и фильтрации, очистки и смены.

Кабельная бумага (ГОСТ 23436-83) изготовляется из сульфатной небелёной целлюлозы и выпускается в рулонах шириной 500, 650, 670, 700, 750 и 1000 мм (±3 мм) при диаметре рулона от 450 до 800 мм. В трансформаторах применяется бумага главным образом марки К-120 толщиной 120 мкм для изоляции обмоточного провода; в виде полос разной ширины для междуслойной изоляции и в многослойных цилиндрических обмотках класса напряжения 6, 10,20 и 35 кВ; в виде полосок шириной 20-40 мм, наматываемых вручную, для изоляции отводов.

2. Задание на расчёт трансформатора

Рассчитать трехфазный трансформатор с плоской магнитной системой со следующими данными: номинальная мощность S=160 кВА; число фаз m=3; частота сети f=50 Гц; напряжение обмотки высокого напряжения (ВН) U _ВН=6 кВ; напряжение обмотки низкого напряжения (НН) U_НН=0,4 кВ; схема и группа соединения обмоток Y/Y_H-0. Способ охлаждения - естественное масляное. Установка наружная.

Параметры трансформатора: напряжение короткого замыкания U_K=4.5%, потери короткого замыкания P_K=2600 Вт, потери холостого хода P_X=320 Вт, ток холостого хода i₀=1%.

3. Предварительный расчет трансформатора

3.1 Исходные данные для предварительного расчета трансформатора

1). В_с - магнитная индукция в стержне, Тл. Выбирается по табл. 2.4. [1.78].

В_с=1,4 Тл.

2). а₁₂ - величина изоляционного расстояния между обмотками ВН и НН.

Выбираем по табл. 4.5. [1.184]. а₁₂=0,009 м

3). а₂₂ - изоляционное расстояние между обмотками ВН.

Выбираем по табл. 4.5. [1.184]. а₂₂ = 0,008 м.

4). k - коэффициент, выбирается по табл. 3.3. [1.121]. k=0,63.

5). k_c - коэффициент заполнения сталью площади круга, k_c=k_кр*k_з,

k_кр-выбирается по табл. 2.5. [1.82] k_кр=0,92;

k_з-выбирается по табл. 2.2. [1.77] k_з=0,96;

k c=0,883

6). k_я-коэффициент усиления ярма, определяют по табл. 8.7. [1.365], k_я=1,02.

7). I₀-изоляционное расстояние от обмотки до ярма, выбирают по табл. 4.5. [1.184], l₀=0,02 м.

8). k_р-коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному, в предварительном расчете принимают равным 0,95.

9).k_д-коэффициент, учитывающий добавочные потери выбирают по табл. 3.6. [1.131], k_д=0,97.

10). а-коэффициент, определяемый отношением среднего диаметра витка двух обмоток к диаметру стержня, выбирают по табл. 3.4. [1.123], а=1,44.

11). в-отношение удвоенного радиального размера обмотки ВН к диаметру стержня, выбирают согласно табл. 3.5. [1.125], в=0,68.

12). р_с-величина удельных потерь в стержне магнитопровода, Вт/кг, выбирают по табл. 8.10. [1.376], р_с=1,4 Вт/кг.

13). р_я-величина удельных потерь в ярме магнитопровода, Вт/кг, выбирают по табл. 8.10. [1.376] по индукции В_я=В_я/k_я, р_я=1,3 Вт/кг.

14).q_c-величина удельной намагничивающей мощности в стержне магнитопровода, ВА/кг, выбирают по табл. 8.17. [1.390], q_c=6,2 ВА/кг.

15). q_я-величина удельной намагничивающей мощности в ярме магнитопровода, ВА/кг, выбирают по табл. 8.1. [1.390] по индукции В_я=В_с/k_я, q_я=3,85 ВА/кг.

16). q'_з-величина удельной намагничивающей мощности косого стыка, ВА/м², выбирают по табл. 8.17. [1.390] по значению индукции в косом стыке В_с/v2, q'_з=2000 ВА/м².

17). q''_з-величина удельной намагничивающей мощности прямого стыка, ВА/м², выбирают по табл. 8.17. [1.390], q''_з=23500 ВА/м².

18). k_у.т.- коэффициент, равный произведению двух коэффициентов k_у.т.=k_т.у.*k_т.пл., выбираемых по табл. 8.20., 8.21. [1.395-396], k_т.у.=42,45, k_т.пл.=1,35, kу.т.=57,31.

19). K_и.р., k₀, k₁, k_м-коэффициенты, соответственно равные 1,06; 0,012; 12,75; 0,152*10^-6.

20). k_п.у.-коэффициент, выбирают по табл. 8.13. [1.382], k_п.у.=10,45.

21). k_п.д.-коэффициент, выбирают по табл. 8.14. [1.383], k_п.д.=1,22.

22). k_о.с.-коэффициент, выбирают по табл. 3.7. [1.134], k_о.с.=1,51.

23). k_у-коэффициент для определения массы стали углов для ярма с многоступенчатой формой поперечного сечения, k_у=4,86*10³.

24). K'_т.д.-выбирают по рекомендациям [1.396], k'_т.д.=1,2.

25). k''_т.д.-выбирают по рекомендациям [1.396], k''_т.д.=1,06.

3.2 Расчет основных электрических величин

Мощность одной фазы трансформатора:

Номинальный линейный ток на стороне ВН:

Номинальный линейный ток на стороне НН:

Так как обмотки трансформатора соединены в звезду, то

Фазное напряжение на стороне ВН:

Фазное напряжение на стороне НН:

Испытательное напряжение обмоток (по табл. 4.1. [1.169]): для обмотки ВН U_исп=25 кВ; для обмотки НН U_исп=5 кВ.

По табл. 5.8. [1.258] выбираем тип обмоток.

Обмотка НН при напряжении 0,23 кВ и токе 401,6 А цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода:

Достоинства: простая технология изготовления, хорошее охлаждение.

Недостатки: малая механическая прочность.

Обмотка ВН при напряжении 6 кВ и токе 15,4 А цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Достоинства: простая технология изготовления.

Недостатки: ухудшение теплоотдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности.

Ширина приведенного канала рассеяния.

k=0,63

Таким образом: а_р=0,027+0,021=0,048 м.

Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания.

Согласно рекомендациям § 2.3 [1.79] выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне (рис. 3.). Прессовка стержней путем расклинивания с жестким цилиндром обмоткой НН и ярм - стальными балками. Материал магнитной системы холоднокатанная рулонная сталь марки 3413 толщиной 0,22 м. Индукция в стержне 1,4 Тл. В сечении стержня шесть ступеней, коэффициент заполнения круга k_кр=0,92 (см. табл. 2.5. [1.82]); изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, k_з=0,96 (см. табл. 2.3. [1.78]). Коэффициент заполнения сталью k_с=k_крk_з=0,92*0,96=0,883.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней пять, коэффициент усиления ярма k_я=1,02. Индукция в ярме В_я=1,4/1,02=1,373 Тл. Число зазоров в магнитной системе четыре на косых стыках. Индукция в зазоре на косом стыке В_з'=В_с/=1,4/=0,98 Тл.

Удельные потери в стали р_с=1,4 Вт/кг; р_я=1,3 Вт/кг. Удельная намагничивающая мощность q_с=6,2 ВА/кг; q_я=3,85 ВА/кг; для зазоров на косых стыках q_з'=2000 ВА/м².

По табл. 3.6. [1.131] находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания k_д=0,97 и по табл. 3.4. [1.123] и табл. 3.5. [1.125] постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток а=1,06*1,36=1,442 и b=0,55*1,25=0,688. Принимаем k_р=0,95.

Расчет основных коэффициентов:

Решение этого уравнения дает значение =1,0616, соответствующее минимальной стоимости активной части.

Масса стали стержней G_c, ярем G_я и магнитопровода G_ст.

Потери холостого хода:

Намагничивающая мощность:

-

число немагнитных зазоров (стыков).

Ток холостого хода.

Активная составляющая:

;

Реактивная составляющая:

Масса обмоточного провода:

Стоимость активных материалов:

Средняя плотность тока в обмотках:

Механическое растягивающее напряжение в проводе обмотки:

3.3 Основные размеры трансформатора

Диаметр стержня:

Средний диаметр обмоток:

Высота обмоток:

Расстояние между осями стержней:

Далее задаемся 9 значениями в диапазоне 0,7-1,5, рассчитываем таблицу предварительного расчета трансформатора (табл. 3.3.1) и строим зависимости Р₀, i₀, С_акт от .

Расчет трансформатора типа ТМ-160/6.

Величина определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Принимаем =1,1. (данное значение находится в 1% зоне от найденного из графика).

Далее выбираем диаметр стержня d в соответствии со шкалой нормализованных диаметров [1.87-88]:

В соответствии со шкалой нормализованных диаметров принимаем d=0,15 м.

Для принятого диаметра пересчитываем значение _н по формуле:

Для данного значения проверяем, соответствуют ли выбранному значению коэффициента следующие величины:

заданное значение потерь холостого хода (допуск +7,5%):

Р_х=343 Вт, что на 7,2% больше заданного и лежит в допустимых пределах.

заданное значение тока холостого хода (допуск +15%): i₀=1,05%, что на 5% больше заданного и лежит в допустимых пределах.

рекомендованное значение плотности тока в обмотках (табл. 5.7. [1.257]):

(1,2<1,65<2,5)

допустимое растягивающее напряжение в проводе [1.139]:

Таким образом в расчете получены следующие значения основных размеров трансформатора:

Диаметр стержня: d=0,15 м;

Средний диаметр обмоток: d₁₂=0,22 м;

Высота обмоток: l=0,673 м;

Расстояние между центрами двух стержней: С=0,34 м.

Литература

1. Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: энергоатомиздат, 1986.-528 с.

Размещено на Allbest.ru