Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрические машины и общая электротехника»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Электрические машины»

Тема:

Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей

Студент группы 44 В

С.С. Тюрюмов

Руководитель: Д.И. Попов

доцент кафедры ЭМОЭ

Омск 2016



Задание

студенту гр. 44 «В» Тюрюмову С.С.

на курсовую работу по теме: «Расчёт основных параметров трансформатора распределительных сетей»

Произвести ориентировочный расчёт основных параметров трехфазного двухобмоточного силового трансформатора, отвечающего заданным техническим условиям.

Магнитная система трансформатора плоская, с тремя прямыми и четырьмя косыми стыками.

Таблица 1

Технические условия

Мощность, кВА	Низшее напряжения (НН) U1, кВ	Высшее Напряжение (ВН) U2,кВ	Напряжение к.з., uк, %	Потери к.з., Pк Вт	Потери х.х., P0 Вт	Ток х.х., i0 %	Материал обмоток	Схема соединения	Количество косых (прямых) стыков в магнитной системе
450	1	10	4,55%	6000 15%	1050 20%	2,1 20%	Алюминий	Д/Y	4(3)

Выполнить эскизный чертёж трансформатора по расчетным размерам на листе формата А1 с указанием габаритных размеров.

Примечания:

1. Напряжение в задании указано линейное.

2. Потери и ток холостого хода (х. х.) приведены для ориентировочной оценки полученных в ходе расчета величин.

3. Приняты следующие условные обозначения схем соединения обмоток: Д - треугольник, Y - звезда.



Реферат

Курсовая работа содержит 42 страницы, 8 рисунков, 4 таблицы, 3 источника.

Трехфазный трансформатор, магнитная система, обмотка высокого напряжения, обмотка низкого напряжения, масляный бак, ввод трансформатора.

Цель данной курсовой работы заключается в развитии навыков решения реальных инженерных задач, связанных с выбором оптимального варианта и рациональной конструкции проектируемого трансформатора.

Объект исследования - трёхфазный трансформатор ТМ-300/10.

В ходе достижения поставленной цели был произведён расчёт трансформатора ТМ-300/10 путём выполнения следующих задач:

1) произведён выбор материала обмоток, типов обмоток, типа магнитной системы;

2) выполнен конструктивный расчёт обмоток, расчёт напряжения короткого замыкания, потерь х.х и к.з.;

3) выполнен принцип конструктивного расчёта магнитопровода плоской магнитной системы;

4) сделан тепловой расчёт, в ходе которого уточняются температуры масла и обмоток при работе трансформатора; определяется необходимая поверхность охлаждения и количество навесных радиаторов;

5) выполнен эскизный чертёж трансформатора.

Содержание

Введение

1. Предварительный расчет основных размеров

1.1 Выбор марки стали, индукции в стержне и конструкции системы

1.2 Расчет основных электрических величин

1.3 Расчет основных размеров

2. Расчет обмоток трансформатора

2.1 Расчет обмотки НН

2.2 Расчет непрерывной катушечной обмотки из прямоугольного провода

2.3 Расчет обмотки ВН

2.4 Регулирование напряжения

2.5 Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода

3. Расчет параметров короткого замыкания

3.1 Определение массы обмоток

3.2 Расчет потерь короткого замыкания

3.3 Расчет напряжения короткого замыкания

4. Расчет потерь и тока холостого хода

4.1 Расчет массы стали

4.2 Расчет потерь холостого хода

4.3 Расчет намагничивающей мощности

4.4 Расчет тока холостого хода

5. Тепловой расчет трансформатора

5.1 Расчет размеров бака

5.2 Расчет плотности теплового потока

5.3 Тепловой расчет обмоток

5.4 Расчет необходимой и реальной поверхности охлаждения

5.5 Расчет превышения температуры обмоток

6. Расчет весовых данных трансформатора

6.1 Полная рабочая масса трансформатора

Заключение

Библиографический список

Введение

Основная задача выполнения курсовой работы заключается в закреплении теоретических знаний, развитии навыков решения реальных инженерных задач, связанных с выбором оптимального варианта и рациональной конструкции проектируемого трансформатора. При проектировании трансформатора должно быть обеспечено соответствие действующим стандартам, а также современным требованиям к электрической и механической прочности, нагревостойкости обмоток, экономичности работы трансформатора. Задача построения трансформатора, отвечающего приведённым требованиям, наиболее простого и дешевого в производстве, может быть решена путём рационального выбора конструкции, размеров и материала его отдельных частей, правильного выбора его основных электромагнитных нагрузок: индукции в стержнях трансформатора и плотности тока в его обмотках.

Таким образом, расчёт трансформатора тесно связан с его конструированием. Поэтому, прежде чем приступить к работе вообще и расчёту какого-либо узла в частности, следует подробно познакомиться с современными требованиями и тенденциями в области, достоинствами и недостатками того или иного решения.

1. Предварительный расчет основных размеров

1.1 Выбор марки стали, индукции в стержне и конструкции магнитной системы

Общий коэффициент заполнения активной сталью фактической площади круга, описанного вокруг ступенчатой фигуры стержня

(1.1)

.

Для расчетов трансформатора примем сталь марки 3407 с толщиной 0,30 мм, с индукцией в стержне В_с = 1,6 Тл. Для расчета взята конструкция плоской магнитной системы с четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне (рисунок 1).

Рисунок 1 - Конструкция плоской магнитной системы

1.2 Расчет основных электрических величин

Расчет обмоток производится по фазным напряжениям и токам, которые определяются по схеме соединения соответствующей обмотки.

Номинальный линейный ток при любой схеме соединения, А:

(1.2)

где S_н - номинальная мощность, кВ?А;

U_н - номинальное линейное напряжение, кВ;

i - номер обмотки.

А

А

Фазные токи при соединении Y, А:

; (1.3)

А.

Фазные токи при соединении Y, А:

;(1.4)

А.

Фазные напряжения при соединении Y, кВ:

; (1.5)

кВ.

Фазные напряжения при соединении Y, кВ:

(1.6)

кВ.



Активная составляющая напряжения к.з., %:

(1.7)

где - потери к.з. по заданию, Вт.

%.

Реактивная составляющая, %:

(1.8)

%.

1.3 Расчет основных размеров

Для обеспечения достаточной электрической прочности трансформатора необходимо найти минимальные допустимые расстояния (промежутки) между элементами обмоток и заземленными деталями конструкции. К таким промежуткам относятся (рисунок 2) расстояния: от стержня до обмотки НН (а₀₁); между обмотками НН и ВН одной фазы (а₁₂); между обмотками ВН соседних фаз (а₂₂), от обмотки ВН до ярма магнитопровода (l₀₂).

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рисунок 2 - Изоляционные расстояния

Эти расстояния определяются рабочими и испытательными напряжениями соответствующей обмотки. В данной курсовой работе принято:

а₀₁ = 15 мм; а₁₂ = 27 мм;

а₂₂ = 30 мм; l₀₂ = 75 мм

Одним из основных критериев, определяющих технико-экономические показатели трансформатора, является соотношение между средней длиной витка и высотой обмоток:

, (1.9)

где d₁₂ - средний диаметр канала между обмотками ВН и НН;

l - высота обмотки.

Для заданного ряда мощностей и класса напряжения этот диапазон составляет для меди обмоток - 1,8 - 2,4. Примем в' = 1,8.

Условимся в дальнейшем все величины, носящие предварительный ориентировочный характер и подлежащие уточнению в ходе дальнейшего расчета, обозначать верхним штрихом. Так, например, ширина приведенного канала магнитного рассеяния может быть найдена только после конструктивного расчета обмоток, ориентировочное ее значение определяется по формуле, мм:

(1.10)

где К - коэффициент, определяемый мощностью трансформатора и классом напряжения, принимаем для медной обмотки равным 4,8.

мм

Ориентировочный диаметр стержня (диаметр окружности, описанной около ступенчатой фигуры стержня), мм:

(1.11)

где в' - предварительное значение, принятое ранее;

- ширина канала рассеяния;

k_р - коэффициент приведения поля рассеяния к прямоугольной форме (коэффициент Роговского), в расчете можно принять k_p = 0,95;

f - частота питающей сети, Гц;

- принятая индукция в стержне, Тл;

мм

Принимаем диаметр стержня d_c = 180 мм.

По принятому нормализованному диаметру пересчитываем параметр в:

(1.12)

Предварительный средний диаметр витка, мм:

(1.13)

мм.

Ориентировочная высота обмотки, мм:

(1.14)

мм.

По принятому нормализованному диаметру стержня находим активное сечение стали стержня, мм²:

(1.15)

мм²

и напряжение на один виток (ЭДС витка), В/виток:

(1.16)

В/виток

Ориентировочное значение средней плотности тока в обмотках, А/мм²:

(1.17)

где k_j - коэффициент материала, для медных обмоток k_j = 6,75.

А/мм².

Полученная плотность тока лежит в допустимых пределах

2,2 - 3,5 А/мм² для медных обмоток.

2. Расчет обмоток трансформатора

2.1 Расчет обмотки НН

Число витков обмотки НН определяем по её фазовому напряжению и напряжению на один виток (1.16):

(2.1)

После этого уточняются напряжение на один виток, В/виток:

(2.2)

и индукция в стержне, Тл:

, (2.3)

которые используются во всех дальнейших расчетах.

В/виток.

Тл.

Ориентировочное сечение витка, мм²:

(2.4)

Далее рассчитываем реальную (уточненную) плотность тока первичной обмотки, которая и будет использоваться в ходе дальнейших расчетов:

Таблица 2

Обоснование выбора типа обмотки НН цилиндрической однослойной обмотки из прямоугольного провода

Параметр	Необходимое (требуемое) значение	Расчетное значение
Uф1, кВ	до 10	0,577
Iф1, А	до 800	173,205
П1, мм2	до 300	58,5

при расчете обмотки из прямоугольного провода желательно использовать наиболее крупные сечения проводов, однако нельзя забывать, что с увеличением размеров провода возрастают дополнительные потери от вихревых токов в сечении проводника, вызванных полями рассеяния, поэтому обязательна проверка по максимально допустимому размеру проводника, который находится по формуле, мм:

(2.5)

где- плотность теплового потока, = 1200 - 1400 Вт/м²;

- плотность тока в данной обмотке, А/мм²;

- коэффициент закрытия, равный 1- для катушечных обмоток

- коэффициент, для медных - 10,7.

Для дальнейшего расчёта выбираем цилиндрическую однослойную обмотку из прямоугольного провода и медный проводник сечением П₁ = 58,5 мм². Типоразмер выбранного прямоугольного провода:

ПБ 1

Зная число витков и реальное сечение витка, выбираем тип обмотки, согласно [1, табл. 5.8].

Суммарное сечение витка должно быть близким к ориентировочному, рассчитанному по формуле (2.4). Провод может быть взят с любым осевым размером при соблюдении условия b < b_тах по формуле (2.5).

-условие выполняется

Рисунок 3 - Эскиз витка обмотки

2.2 Расчет цилиндрических однослойных обмоток из прямоугольного провода

Приступая к конструктивному расчету цилиндрических обмоток, прежде всего необходимо найти ориентировочный допустимый осевой размер витка, мм;

Ориентировочный допустимый осевой размер витка

, (2.6)

где l' - высота обмотки, мм;

w_сл - число витков в слое, при однослойной обмотке.

По величине h'в и найденному по формуле (2.4) ориентировочному

сечению витка П'1 подбираются подходящие провода по таблице сортамента обмоточных проводов с соблюдением следующих требований:

1) число проводников в витке - не более 4-6 при намотке «плашмя» или 6-8 (по высоте) при намотке «на ребро»;

2) при намотке «на ребро» отношение большего размера проводника (b) к меньшему (а) не должно превышать 3;

3) радиальный размер проводника (а - при намотке плашмя или b - при намотке на ребро) не должен превышать предельно допустимый размер b_max.

Если выполнить поставленные требования не удается, следует изменить тип обмотки. Для правильного конструирования обмотки необходимо выполнить эскиз витка обмотки с указанием реальных размеров.

Запись типоразмера и числа выбранных проводников производится по указанной ранее форме.

Реальное (уточненное) сечение витка обмотки НН, мм²:

П₁ = n_?П_пр, (2.7)

где П_пр - сечение одного проводника (таблица сортамента проводов), мм². Уточненная плотность тока в проводниках обмотки НН, А/мм ²,

(2.8)

Реальный осевой размер обмотки, м,

(2.9)

где - реальная высота витка, определяется по эскизу витка обмотки, мм; - число витков в слое; - технологический зазор, = 5 - 15 мм.

Размер должен быть как можно ближе к предварительному значению, найденному по формуле (1.14).

Радиальный размер (толщина) однослойной обмотки, мм,

(при намотке на ребро ), двух слойной обмотки, мм, -

(при намотке на ребро ), где 11 а - ширина охлаждающего канала между слоями, мм.

Внутренний диаметр обмотки, мм,

; (2.10)

Наружный диаметр обмотки, мм,

;

Поверхность охлаждения однослойной обмотки, м2,

; (2.11)

где k = 0,75 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками.



Рисунок 4 - Эскиз обмотки

2.3 Расчет обмотки ВН

Число витков обмотки при номинальном напряжении:

(2.12)

виток

Ориентировочная плотность тока в обмотке ВН, А/мм²:

(2.13)

Ориентировочное сечение витка, А/мм²:

(2.14)

.



Таблица 4

Обоснование выбора типа обмотки ВН многослойной цилиндрической из круглого провода

Параметр	Необходимое (требуемое) значение	Расчетное значение
Uф2, кВ	до 35	10
Iф2, А	до 100	10
П2, мм2	до 50	3,53

Принимаем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода ПБ . Уточненное сечение витка

Рисунок 5 - Эскиз витка ВН

Уточненная плотность тока в проводниках обмотки ВН, А/мм2:

(2.15)

.

Прежде чем приступить к конструктивному расчету ВН, нужно рассчитать систему регулирования напряжения.



2.4 Регулирование напряжения

В расчете принимаем регулирование на отключенном трансформаторе ПБВ, на стороне ВН. Схема регулирования приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 ? Схема регулирования

Фазное напряжение одной ступени регулирования, В:

(2.16)

Число витков на одной ступени регулирования:

(2.17)

виток.

Число витков обмотки ВН на ответвлениях:

1,05U_2Н - U_2Н + 2U = 10500 В, w₂ + 2w_P = 1346;

1,025U_2Н - U_2Н + U = 10250 В, w₂ + w_P = 1314;

U_2Н - U_2Н = 10000 В, w₂ = 1282;

0,975U_2Н - U_2Н - U = 9750 В, w₂ - w_P = 1250;

0,95U_2Н - U_2Н - 2U = 9500 В, w₂ - 2w_P = 1218.

2.5 Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода для ВН

Число витков в слое

(2.18)

где l₁ - уточненная высота обмотки НН, мм;

- диаметр изолированного проводника, мм;

n_в - число параллельных проводников в витке, n_в = 1.

.

Число слоев обмотки

(2.19)

.

Рабочее напряжение между двумя соседними слоями, В:

(2.20)

где - уточненное значение напряжения на один виток (после расчета обмотки НН).

По найденному напряжению выбирается толщина междуслойной изоляции. Число слоев бумаги 50,12 мм, а суммарная толщина изоляции _м.сл = 0,6 мм.

Радиальный размер (толщина) обмотки одной катушки, мм:

(2.21)

Внутренний и наружный диаметры обмотки при использовании ее на стороне ВН определяются по формулам (2.22) и (2.23) соответственно:

(2.22)

(2.23)

Поверхность охлаждения находится по формуле, м²:

(2.24)

Коэффициенты n и k в формуле (2.24) определяются конструкцией обмотки: для двух катушек с осевым охлаждающим каналом - = 2, = 0,8.

Осевой размер (высота) обмотки ВН, мм:

(2.25)

Эскиз обмотки представлен на рисунке 7. Все размеры на эскизе даны в мм.

Рисунок 7 - Эскиз многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода



3. Расчет параметров короткого замыкания

3.1 Определение массы обмоток

Масса металла обмоток, кг:

(3.1)

где - средний диаметр витка, равный полусумме внутреннего и наружного диаметров обмотки, мм;

- полное число витков обмотки;

- уточненное сечение витка соответствующей обмотки, мм²;

кг/м³ - плотность металла обмотки;

i - номер обмотки.

(3.2)

;

;

;

;

;

.

двухобмоточный трансформатор напряжение магнитопровод



3.2 Расчет потерь короткого замыкания

Основные потери в обмотках, Вт:

(3.3)

где - уточненная плотность тока в соответствующей обмотке, А/мм²;

k = 2,4 - коэффициент, учитывающий удельное сопротивление и плотность металла обмоток, при расчетной температуре 75єС.

;

;

Добавочные потери в обмотках учитываются коэффициентом добавочных потерь:

для круглого провода -

(3.4)

для прямоугольного провода -

(3.5)

где a - размер неизолированного провода в радиальном направлении, мм;

d - диаметр круглого неизолированного провода, мм;

п - число проводников в радиальном направлении;

m - число проводников в осевом направлении;

пр - коэффициент для прямоугольного медного провода, равный - 95;

кр - коэффициент для круглого медного провода, равный - 44;

- коэффициенты,

(3.6)

(3.7)

для обмотки НН:

,

для обмотки ВН:

,

Длина отвода при соединении обмоток в «треугольник», мм:

(3.8)

.

Длина отвода при соединении обмоток в «звезду», мм

(3.9)

.

Масса металлов отвода:



; (3.10)

;

.

Потери в ответвлениях обмотки, Вт:

; (3.11)

;

.

Поскольку размеры бака неизвестны, потери в стенках бака определяем по эмпирической зависимости, Вт:

; (3.12)

Полные потери к.з., Вт:

; (3.13)

Отличие полученного значения от заданного составляет:

Расчетное значение полных потерь к.з. не должно отличаться от заданного более чем на 15%. В данном случае это условие выполняется, т.к. отличие составляет 0,181%.



3.3 Расчет напряжения короткого замыкания

При переходе к расчету напряжения к.з. прежде всего необходимо пересчитать на реальные (уточненные) размеры обмоток следующие характеристики:

средний диаметр канала рассеяния, мм:

; (3.14)

,

ширину приведенного канала рассеяния, мм:

(3.15)

.

параметр:

(3.16)

.

Активная составляющая напряжения к.з. (в процентах от номинального напряжения), %:

(3.17)



Реактивная составляющая напряжения к.з., %:

(3.18)

где k_p = 0,95 - коэффициент приведения реального поля рассеяния к прямоугольной форме;

k_q = 1 - коэффициент, вводимый при расположении регулировочных витков в середине обмотки.

.

Полное напряжение к.з.:

(3.19)

.

Отличие полученного значения от заданного составляет:

Расчетное значение напряжения к.з. не должно отличаться от заданного более чем на 5%. В данном случае это условие выполняется, т.к. отличие составляет 0,69%.



4. Расчет потерь и тока холостого хода

4.1 Расчет массы стали

Приведенная ниже методика расчета основана на использовании обобщенных размеров магнитной системы и в связи с этим носит достаточно приблизительный характер.

Для ориентировочного расчета массы стали магнитной системы найдем следующие размеры:

высоту стержня, мм:

(4.1)

расстояние между центрами стержней, мм:

(4.2)

Ориентировочная масса стали стержней, кг:

(4.3)

где = 7650 кг/м³ - плотность электротехнической стали.

кг.

Масса стали ярма, кг:

(4.4)

где мм².

кг.(4.5)

Объем стали в углах магнитной системы, мм³:

(4.6)

мм³

Если принять ориентировочную высоту ярма h_я = d_с = 180 мм, суммарная масса стали в углах, кг:

(4.7)

кг

Общая масса стали трансформатора, кг:

(4.8)

кг.

4.2 Расчет потерь холостого хода

Для стали марки 3407 толщиной 0,30 мм и индукцией Тл удельные потери в стержне составляют Вт/кг. Индукция в ярме, Тл:

(4.9)

Тл,

и удельные потери Вт/кг

Ориентировочные потери холостого хода, Вт:

(4.10)

где - коэффициент учитывающий добавочные потери, вызванные резкой стали, снятием заусениц, перешихтовкой верхнего ярма, прессовкой магнитной системы;

- коэффициент увеличения потерь в углах магнитной системы

Вт.

Отличие полученного значения от заданного составляет:

%

Расчетное значение потерь х.х. не должно отличаться от заданного более чем на 20%. В данном случае это условие выполняется, т.к. отличие составляет 19,666 %.

4.3 Расчет намагничивающей мощности

Для найденной выше индукции удельная намагничивающая мощность составляет, :

в стержнях

в ярме

Намагничивающая мощность, необходимая для проведения магнитного потока по стальным участкам магнитопровода, :

, (4.11)

где k_т.у = 50 - коэффициент увеличения намагничивающей мощности в углах магнитной системы.

Индукция косых стыков, Тл:

(4.12)

Тл.

Сечение косых стыков, мм²:

(4.13)

мм²

Удельная намагничивающая мощность в зазорах для найденной выше индукции составляет, :

в косых углах

в стержне

Намагничивающая мощность в зазорах, :

(4.14)

где - намагничивающая мощность в зазорах, В?А/кг;

- число зазоров;

- сечение зазора, м²,

.

Полная намагничивающая мощность, :

, (4.15)

где k_т.д = 1,1 - коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности за счет резки пластин, магнитопровода, перешихтовки верхнего ярма и т.д.,

.

4.4 Расчет тока холостого хода

Активная составляющая тока х.х., %:

(4.16)

%.

Реактивная составляющая тока х.х., %:

(4.17)

%.

Полный ток х.х., %:



(4.18)

%.

Отличие полученного значения от заданного составляет:

%.



5. Тепловой расчет трансформатора

5.1 Расчет размеров бака

Минимальные внутренние размеры бака масляного трансформатора определяются минимальными допустимыми изоляционными расстояниями:

s₁ - от отвода обмотки ВН до собственной обмотки;

s₂ - от отвода обмотки ВН до боковой стенки бака;

s₃ - от отвода обмотки НН до обмотки ВН;

s₄ - от отвода обмотки НН до боковой стенки бака;

s₅ - от обмотки ВН до торцевой стенки бака.

При рабочем напряжении обмотки ВН 35 кВ эти расстояния для неизолированных отводов следующие: s₁ = s₂ = 35 мм; s₃ = 90 мм; s₄ = 40 мм. Диаметр отвода ВН при заданной мощности принимаем d₁ = 20 мм, диаметр отвода НН принимаем d₂ = d₁ = 20 мм.

Бак имеет овальную форму. Сердечник в баке трансформатора располагается симметрично относительно его продольной оси. Для этого при конструировании бака рассчитываются отдельно расстояния от обмотки ВН до боковых стенок бака со стороны отводов ВН и НН, мм:

(5.1)

(5.2)

За расчетное принимаем

Длина бака, мм:

(5.3)

мм

Ширина бака, мм:

(5.4)

мм

Высота бака, мм:

(5.5)

где Н_я.к - высота от верхнего ярма до крышки бака, принимаем горизонтальное расположение выключателя, Н_я.к = 850 мм;

Н_а.ч - высота активной части:

(5.6)

где m - толщина подкладки под нижнее ярмо, m = 40 мм,

мм

мм

5.2 Расчет плотности теплового потока

Основной причиной, вызывающей нагревание трансформатора при работе, являются потери, возникающие в обмотках и магнитопроводе. В силовых трансформаторах общетехнического назначения наиболее нагретыми обычно являются обмотки. Квантитативной оценкой количества тепла, выделяемого той или иной обмоткой, может служить плотность теплового потока, т.е. количество тепла, выделяемого с единицы поверхности охлаждения данной обмотки. Для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла оптимальной считают плотность теплового потока порядка q = 1000 - 1200 Вт/м², предельно допустимой - до 1400 Вт/м².

Плотность теплового потока обмотки НН, :

, (5.7)

где k_м - коэффициент материала обмоток, для медных обмоток - 10,7;

J - уточненная плотность тока в данной обмотке, А/мм²;

I_н - номинальный ток данной обмотки, А;

w_к - число витков в катушке при катушечной обмотке, при одноходовой винтовой обмотке w_к = 1, при двухходовой w_к = 0,5;

k_Д - коэффициент добавочных потерь;

b' - осевой размер проводника с изоляцией, мм;

a_рад - радиальный размер (толщина) обмотки, мм;

k_з - коэффициент закрытия части обмотки рейками, k_з = 0,75.

Вт/м².

Плотность теплового потока обмотки ВН, :

(5.8)

Вт/м²

Для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла оптимальной считается плотность теплового потока Вт/м², предельно допустимой - до 1400 Вт/м².



5.3 Тепловой расчет обмоток

Тепловой расчет отдельных элементов и в целом электрической машины или трансформатора принято вести не в абсолютных единицах, а в так называемом превышении температуры и того или иного элемента над температурой окружающей среды. При сопоставлении значений температуры двух элементов часто используется термин перепад температуры.

Тепловой расчет обмоток ведется раздельно для обмотки НН и ВН.

Внутренний перепад температуры в обмотках из прямоугольного провода с обтеканием проводника маслом со всех сторон (винтовые, катушечные, одно- и двухслойные) определяется по найденной плотности теплового потока, толщине и теплопроводности изоляции проводника, °С,

(5.9)

,

где - толщина изоляции проводника на одну сторону (0,25?10-³ м);

- теплопроводность изоляции, для хлопчатобумажной пряжи (0,27 Вт/(м?єС);

В многослойных обмотках из круглого провода внутренний перепад температуры определяется потерями, выделяющимися в 1 объема обмотки,

(5.10)

где - коэффициент материала обмоток, для меди - 1,68;

- реальная плотность тока в данной обмотке, А/мм²;

- диаметр голого (неизолированного) проводника обмотки, мм; - то же изолированного проводника, мм;

- толщина междуслойной изоляции, мм.

Вт/м³.

В этом случае внутренний перепад температуры в обмотке ВН, ^оС:

(5.11)

где - радиальный размер (толщина) катушки, при разделении катушки на части - толщина наиболее широкой катушки, мм:

; (5.12)

мм,

- средняя теплопроводность обмотки, Вт/(м ^оС)

(5.13)

где - условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции;

(5.14)



- теплопроводность междуслойной изоляции, для кабельной бумаги = 0,17 Вт/(м ^оС);

- теплопроводность витковой изоляции, для хлопчатобумажной пряжи = 0,27 Вт/(м?^оС).

Средний перепад температуры обмоток,:

(5.15)

(5.16)

Перепад температуры на поверхности обмоток,:

(5.17)

Среднее превышение температуры обмотки над маслом,:

(5.18)

5.4 Расчет необходимой и реальной поверхности охлаждения

Теплопередача "бак - воздух" осуществляется путем конвекции и лучеиспускания (излучения). В предварительном расчете поверхность излучения для трансформаторов с номинальной мощностью более 50 кВ^.А

(5.19)

где - поверхность конвекции гладкой части бака, м².

Поверхность конвекции гладкой части бака может быть определена по найденным выше размерам овального бака трансформатора, м²:

(5.20)

где - поверхность крышки, м²,

; (5.21)

м²

м²

м²

Размеры бака в формулах (5.20) и (5.21) подставляются в миллиметрах, крышка бака берется больше его ширины на 160 мм (2 х 80) - для размещения крепежных болтов и уплотнительного кольца.

Допустимое превышение температуры обмоток над воздухом для класса термостойкости изоляции А составляет 65°С, отсюда допустимый перепад температуры "масло - воздух", °С,

(5.22)

,

при этом берется наибольшее из найденных по формуле (5.18) значений и_о.м.ср.

Расчет перепад температуры «бак - воздух» зависит от выполнения условия: ,

если оно выполняется,

(5.23)

если не выполняется,

(5.24)

Превышение температуры «масло - бак» .

Проверим выполнение условия:

;

.

Необходимая для успешного охлаждения трансформатора поверхность конвекции, м²:

(5.25)

Полученную по формуле (5.25) величину П'_к сравним с найденной ранее поверхностью гладкой части бака П_к.гл. Для заданной мощности поверхности гладкой части бака оказалось недостаточно для эффективного охлаждения трансформатора. Дополнительную поверхность охлаждения будем получать с помощью использования навесных радиаторов (охладителей). В настоящее время наибольшее распространение находят баки с навесными радиаторами. Конструкции последних могут быть разнообразными: с прямыми или гнутыми трубами, круглого или овального сечения.

Основанием для выбора того или иного типа радиаторов служат поверхность охлаждения одного радиатора (с учетом поверхности патрубков и коллекторов) и расстояние между осями верхнего и нижнего патрубков для соединения с баком трансформатора А.

Размер А определяется по известной высоте (глубине) бака, мм:

, (5.26)

где 340 мм - технологический запас.

.

Принимаем А = 1660 мм.

По выбранному размеру подбираем одинарный радиатор с овальными трубами.

Далее рассчитываем необходимое количество радиаторов:

, (5.27)

где кф.тр. = коэффициент формы, равный 1,26 для радиаторов с трубами овального сечения;

Пк.тр. - поверхность охлаждения одного радиатора:

; (5.28)

м²

В результате расчетов выявили, что нам необходимы 1 одинарный радиатор с овальными трубами размером А = 1660.

Далее можно определить фактическую поверхность охлаждения одного охладителя с учетом поверхности коллекторов:

; (5.29)

м²

и полную поверхность конвекции бака с охладителями:

; (5.30)

м²

Полученная величина Пк оказалась не менее П'к.

5.5 Расчет превышения температуры обмоток

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды, :

(5.31)

где Р_к, Р₀ - соответственно потери к. з. и х. х., Вт;

П_и, П_к - поверхности излучения и конвекции, м²

Поверхность конвекции определена по формуле (5.30), поверхность излучения бака, м²,

П_и = L_пер^. Н^. 10^-6, (5.32)

где L_пер - периметр по контуру бака (определим по эскизу бака с двумя радиаторами (рисунок 8) и вычислим по формуле (5.33)), мм;

Н - высота бака, мм.

Рисунок 8 - Эскиз бака трансформатора с двумя радиаторами с масштабом 1:20

мм; (5.33)

.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды,:

;

Перепад температуры «масло - бак», :

, (5.34)

где k = 1 при отсутствии обдува радиаторов; k = 0,9 при охлаждении с обдувом;

?П_к - реальная поверхность конвекции, м²,

?П_к = П_к. (5.35)

°С.

Превышение температуры в верхних слоях масла над температурой окружающей среды, :

(5.36)

.

По ГОСТ 11677-85 не должно превышать 60єС.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха, :

(5.37)

,

(5.38)

.

По ГОСТ 11677-85 не должно превышать 65єС.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха находится в допустимых пределах.

6. Расчет весовых данных трансформатора

6.1 Полная рабочая масса трансформатора

Для сравнения вариантов, предварительного расчета фундамента и т. п. часто требуется знание полной массы трансформатора в рабочем состоянии.

Масса активной части трансформатора слагается из массы стали и проводников обмоток:

(6.1)

где - масса проводов i-й обмотки с учетом массы изоляции, кг.

Масса металла бака, кг:

(6.2)

где мм - толщина стенок бака;

кг/м² - плотность металла бака,

кг.

Для определения массы масла необходимо из полного объема бака трансформатора вычесть объем активной части (сердечника в сборе).

Объем овального бака, м³:

; (6.3)

;



Ориентировочный объем активной части, м³:

(6.4)

м³

где кг/м³- условная плотность активной части для трансформаторов с алюминиевыми обмотками.

Масса масла в баке, кг:

(6.5)

где - плотность масла.

кг.

Полная масса масла слагается из массы масла в баке, в расширителе и радиаторе. Массу масла в расширителе принимают равной , масса масла в одном радиаторе = 100 кг, тогда

(6.6)

кг

Заключение

В работе выполнен расчет трехфазного двухобмоточного масляного трансформатора мощностью 300 кВт, класс напряжения - 1 кВ.

Тип магнитной системы - плоская с четырьмя косыми и тремя прямыми стыками. Материал магнитной системы - сталь марки 3407 толщиной 0,30 мм.

Обмотка низкого напряжения - цилиндрическая однослойная из прямоугольного медного провода. Обмотка высокого напряжения - цилиндрическая многослойная из круглого медного провода.

Плотность тока в обмотках 2,961 и 2,833 А/мм2 соответственно.

Полные потери к. з. равны 4192 Вт, они отличаются от заданных на 0,181%. Расчетные потери х.х. равны 1017 Вт, отличаются на 19,666%. Полное напряжение к. з. 4,469%, отличается от заданного на 0,69%. Ток х.х. 2,684% погрешность составляет 16,696%. Все эти значения отклонений не превышают допустимых.

В ходе расчетов возникла необходимость использования одного двойного радиатора с овальными трубами.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха: °С, °С. В результате теплового расчета трансформатора получили, что превышения температуры масла в верхних слоях и температуры обмоток над окружающей средой не превышают допустимых по ГОСТ 11677-85, следовательно, температурный баланс трансформатора нормальный.

Так как все полученные в данной курсовой работе значения не превышают заданных значений на заданную величину, то рассчитанный трансформатор можно считать пригодным к работе.

Библиографический список

Тихомиров П.Н. Расчёт трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.

Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей: Задания и методические указания к выполнению курсовой работы. В.Д. Авилов, В.П. Беляев. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. -55с.

Конструкция трансформаторов распределительных сетей: Методические указания к выполнению курсовой работы студентами очной и заочной форм обучения по специальности 191401 - «Электроснабжение железных дорог» / В.В. Харламов, Д.И. Попов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. 28 с.

Размещено на allbest.ru