Расчет трансформатора ТМ 160100,4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или несколько систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. При помощи трансформаторов повышают или понижают напряжение, изменяют число фаз, и в некоторых случаях преобразуют частоту тока.

В промышленности используются трансформаторы различного назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВА и более. Трансформаторы широко используют для следующих целей.

1) Для передачи и распределения электрической энергии.

2) Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на выходе и входе преобразователя.

3) Для различных технологических целей.

4) Для питания различных цепей радио и телеаппаратуры.

5) Для включения электроизмерительных приборов.

Основное же назначение силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть или для питания приемников, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения, предназначенные для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки, электрические сети и т.п.

Цель данного курсового проекта по исходным данным, характеризующим особенности электрической сети и условиям питания потребителей, спроектировать силовой трансформатор, отвечающий этим требованиям.

Задание на проектирование

Спроектировать трехфазный силовой масляный двухобмоточный трансформатор с параметрами, удовлетворяющими ГОСТ 11677-85 и ГОСТ 11920-73, которые должны быть получены с заданной точностью.

Исходные данные (вариант 13):

1. мощность трансформатора…………………………. S_H = 160 кВ·А;

2. число фаз…………………………………………m = 3;

3. частота……………………………………………f = 50 Гц;

4. номинальное линейное напряжение обмотки низкого напряжения 400 В;

5. номинальное линейное напряжение обмотки высокого напряжения 10000 В;

6. схема соединения обмоток ……………………Y/Y;

7. напряжение короткого замыкания…………….u_k = 4,5%,

8. потери холостого хода…………………………P₀ = 0,51 кВт,

9. потери короткого замыкания……….………. P_к = 2,65 кВт,

11. ток холостого хода……………………………..I₀ = 2,4%.

1. Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы в соответствии с 3.1 [1]

S_ф=, (1.1)

где - номинальная мощность трансформатора;

т - число фаз.

S_ф==53,33 кВ·А.

Мощность на одном стержне в соответствии с 3.2 [1].

S`=, (1.2)

где с - число активных стержней трансформатора.

S`==53,33 кВ·А.

Номинальный линейный ток обмоток ВН и НН в соответствии с 3.3 [1]

I_н=, (1.3)

где - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки ВН или НН

I₂==9,23 А;

I₁==230,94А.

Согласно 3.6 [1] величины фазных напряжений

, (1.4)

В;

В.

Испытательное напряжение обмоток согласно табл. 3.1 [1]:

для обмотки ВН =35 кВ;

для обмотки НН =5 кВ.

В качестве материала обмоток выбираем алюминий.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания согласно 3.8

u_а=. (1.5)

u_а== 1,656%.

Реактивная составляющая согласно 3.9 [1]

u_р=. (1.6)

u_р==4,184%

Для испытательного напряжения обмотки ВН =35кВ по табл. 4,5 [1] находим изоляционные расстояния:

канал между обмотками ВН и НН…………………………….=9 мм;

расстояние от обмотки ВН до ярма…………………………..=30 мм;

расстояние между обмотками ВН двух соседних стержней . =10 мм;

Для =5 кВ по табл. 4.6 [1] находим:

Расстояние от стержня до обмотки НН………………………=4 мм.

Расстояние от обмотки НН до ярма…………………………..=15 мм;

2. Расчет основных коэффициентов трансформатора

Для определения величины а_р-ширины приведенного канала рассеяния, вначале необходимо рассчитать значение по согласно формуле 4.4 [1]

=, (2.1)

где значение k из табл 4.7 [1] k = 0,787

==21,26 мм

После чего определяется величина а_р согласно 4.5 [1]

(2.2)

а_р=9+21,26=30,26 мм

Согласно рекомендациям главы 4 выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Порядок сборки плоской магнитной системы с четырьмя косыми и тремя прямыми стыками

Согласно табл. 4.1 [1] прессовка стержней осуществляется расклиниванием с обмоткой, а прессовка ярма - балками, стянутыми шпильками, расположенными вне ярма. Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурированная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Величина индукции в стержне трансформатора предварительно выбирается по табл 4.8 [1].

В_с =1,55 Тл.

В сечении стержня по табл 4.2 [1] 6 ступеней, коэффициент заполнения круга К_кр=0,913.

В соответствии с табл. 4.3 [1] изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, коэффициент заполнения сталью =0,97

(2.3)

=0,97 ? 0,913=0,885

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма =1,015 табл. 4.1 [1].

Индукция в ярме согласно 4.6

В_я=. (2.4)

В_я=1,52 Тл.

Число зазоров в магнитной системе на косом стыке - 4, на прямом - 3.

Индукция в зазоре на прямом стыке согласно 4.7 [1]

=1,55 Тл. (2.5)

на косом стыке согласно 4.8 [1]

= . (2.6)

= 1,1 Тл.

Удельные потери стали =1,1875; =1,134 (табл. 4.9 [1]).

Удельная намагничивающая мощность =1,5305; =1,408 (табл. 4.10 [1]).

Для зазоров на прямых стыках =20010

Для зазоров на косых стыках =2500 (табл. 4.10 [1]).

По табл. 4.11 [1] находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, =0,96 и по табл. 4.12 [1] и 4.13 [1] определяем постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток а=1,441 и b=0,562.

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному для широкого диапазона мощностей трансформаторов изменяется в узких пределах от 0,93 до 0,97, принимаем =0,95

Диапазон изменения в от 0,9 до 3,0 (табл. 4.14 [1]).

Определяем основные коэффициенты согласно 4.15 [1]; 4.18 [1]; 4.18 [1]; 4.28а [1]; 4.29 [1]; 4.39 [1].

А=89,79 (2.7)

А=89,79=126,136.

А₁=5,663·10^-5·K_c·A³·a (2.8)

А₁=5,663·10^-5·0,885·126,136³·1,441=144,934 кг

A₂=3,605·10^-5·Kc·A²·l₀ (2.9)

A₂=3,605·10^-5·0,885·126,136²·30=15,228 кг

B₁=2,4·10^-5K_cК_яА³(а+b+e), (2.10)

где е=0,405 - постоянный коэффициент при мощности до 630 кВ·А.

B₁=2,4·10^-5·0,885·1,015·126,136³·(1,441+0,562+0,405)=104,182 кг

B₂=2,4·10^-5К_сК_яА²(а₁₂+a₂₂) (2.11)

B₂=2,4·10^-5·0,885·1,015·126,136²(9+10)=6,517 кг

С₁=К_0, (2.12)

где для алюминия К₀=1,2·;

- учитывает добавочные потери в обмотках, потери в отводах, стенках охлаждающего бака и других металлических конструкциях трансформатора от гистерезисных и вихревых токов, от воздействия поля рассеяния по табл. 4.11 [1] =0,96.

С₁=1.2· =83,76 кг

Согласно 4.51 [1]

 (2.13)

где согласно 4.52 [1]

К_кз=1,41 (2.14)

К_кз=1,41=40,369.

М=0,156·10^-3··0,96·0,95=3,38 МПа.

Минимальная стоимость активной части трансформатора будет при выполнении условия 4.42 [1]

x⁵ + Bx⁴ - Cx - D = 0 , (2.15)

где ; (2.16)

=0,139.

; (2.17)

=0,463.

, (2.18)

где из табл. 4,15 [1] =1,81, для алюминиевого провода =1,13.

=1,096.

x⁵ + 0,139x⁴ - 0,463x -1,096= 0 (2.19)

Решением этого уравнения будет х=1,070, откуда:

в= x⁴

в= 1,070⁴=1,3107, соответствующий минимальной стоимости активной части

Находим предельные значения в по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям согласно 4,47 [1]; 4,49.

. (2.20)

=1,74.

= = 1,74⁴=9,166.

_. (2.21)

=1,94.

= =1,94⁴=14,16.

Оба полученных значения в лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла магнитной системы согласно 4.31 [1].

G_y=0,486·10^-5·K_c·К_я·А³·х³. (2.22)

G_y=0,486·10^-5·0,885?1,015?126,136³·х³ = 8,761 х³.

Активное сечение стержня согласно 4.44а [1].

П_с=0,785K_сА²х². (2.23)

П_с=0,785?0,885?126,136²·х² =11053,27 х².

Площадь зазора на прямом стыке =П_с=11053,27 х².

На косом стыке согласно 4.44а [1]:

=П_с· (2.24)

=11053,27 х²·=15631,69 х^2.

Потери холостого хода согласно 4.43 [1].

(2.25)

где =1,12 - коэффициент добавочных потерь для стали 3404 из табл. 4.16 [1];

=10,18 - коэффициент учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы из табл. 4.17 [1];

удельные потери и из табл. 4.9 [1].

.

.

Намагничивающая мощность согласно 4.44 [1]

, (2.26)

где k_{т пл}=1,5 - коэффициент определяемый по величине расчетного значения d=Ax по табл. 4.22 [1];

k'_{т д} = 1,2 - коэффициент для стали марок 3404 и 3405 с отжигом пластин;

k»_{т д} = 1,06 - коэффициент для трансформаторов мощностью до 630 кВ·А;

k_ту = 42,075 - коэффициент для различного числа углов с косыми и прямыми стыками пластин по табл. 4.23 [1].

Масса металла обмоток согласно 4.38 [1]

, (2.27)

Масса провода

k·G_о=1,1 G_о, (2.28)

где k=1,1 - коэффициент учитывающий массу изоляции алюминиевого провода.

Обмотка ВН при обычном регулировании напряжения на ±2·2,5% имеет на ступени 5% массу метала, повышенную на 5% по отношению к номинальной ступени. Для двух обмоток ВН и НН это превышение составляет около 3%, поэтому масса провода

= 1,1·1,03 G_о. (2.29)

Коэффициент отношения стоимости обмоточного провода к стоимости трансформаторной стали из табл. 4,15 [1] для стали 3404.



Плотность тока согласно 4.45 [1].

J=, (2.30)

где К=12,75 - коэффициент для алюминия.

Величина растягивающего напряжения в обмотках согласно 4.54 [1].

_р=М•х³. (2.31)

_р=3,38·х^3.

Основные размеры трансформатора:

Диаметр стержня согласно 4.15 [1].

d=A·x. (2.32)

d=126,136x

Средний диаметр витка двух обмоток согласно 4.9 [1].

d=aAx. (2.33)

d=181,76x

Высота обмотки согласно 4.12 [1].

l= (2.34)

Расстояние между осями соседних стержней согласно 4.24 [1].

С=aAx+a₁₂+bAx+a₂₂ (2.35)

С= d+9+0,562d+10

Дальнейший расчет по выше приведённым формулам, для пяти значений в (от 0,9 до 3) проводим в форме таблицы 2.1.

Таблица 2.1

в	0,9	1,425	1,95	2,475	3	1,517
Gc, кг	163,7	150,8	143,9	139,5	136,5	149,4175
Gя, кг	101,2	143,4	180,6	215,6	248,7	150,1129
Gст, кг	264,9	294,2	324,5	355,1	385,2	299,5304
Gy, кг	7,9	11,4	14,4	17,2	19,9	11,9497
Px, Вт	390,6	446,6	501,6	555,9	609,1	456,4653
Qx, ВА	2171,2	2808,8	3359,4	3868,1	4349,5	2909,6034
I0, %	1,35	1,75	2,09	2,41	2,71	1,8185
G0, кг	88,2	70,2	60,0	53,2	48,3	68,1041
Gпр, кг	100,5	79,3	67,8	60,1	54,5	77,1573
Са.ч., у. е.	446,2	437,9	447,4	464,1	484,1	438,8238
Jа.ч., А/мм2	1,5	1,6	1,8	1,9	2,0	1,7117
ур, МПа	2,4	4,4	5,5	6,6	7,7	4,6101
d, мм	122,3	137,7	148,9	158,1	165,9	140
d12, мм	176,2	198,4	214,5	227,8	239,0	201,74
l, мм	615,0	437,3	345,5	289,1	250,3	418
C, мм	263,9	294,7	317,1	335,6	351,2	299,4

Предварительный расчет ТМ-160/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

По данным табл. 2.1 строим зависимости для = f(); P_x= f(); I₀= f(); _p= f(); J= f().



? J=f(в)

Рис. 2.2 Зависимость плотности тока от .

C_{а.ч. у.е.}

? C_а.ч =f(в)

Рис. 2.3. Зависимость стоимости активной части от.

у_р, МПа

? у_р =f(в)

Рис. 2.4. Зависимость механического напряжения от .

P_k, Вт

? P_k =f(в)

Рис. 2.5. Зависимость потери от .

Основываясь на данных графика рис. 2.7 выбираем нормализованный диаметр d = 140 мм, что соответствует в = 1,517. Расчеты параметров для этого трансформатора приведены в табл. 2.1.

Активное сечение стержня согласно 4.44а [1]

П_с=11053,27 х².

П_с=11053,27 ·1,109²=13594,2 ммІ.

Высота стержня согласно 8.5 [1].

=l•(l₀₁+l₀₂) (2.36)

=418+15+30=463 мм.

Электродвижущая сила одного витка согласно 6.8 [1].

=4,44·f·B_c·П_с (2.37)

=4,44·50·1,55·13594,2=4,67 В.

3. Расчет обмоток НН и ВН

Расчет обмотки НН

Число витков обмотки НН согласно 6.6 [1].

=. (3.1)

==49,36 витков

Принимаем =50 витка.

Напряжение одного витка согласно 6.7 [1].

(3.2)

u_в ==4,61 В.

Средняя плотность тока в обмотках согласно 6.2 [1].

. (3.3)

=1,682.

Сечение витка ориентировочно согласно 6.12 [1].

_. (3.4)

= =137,300 мм

Используя табл. 4.4 [1] по мощности трансформатора 160 кВА, току на один стержень 230,94 А, номинальному напряжению обмотки 400 В и сечению витка

137,3 ммІ выбираем конструкцию цилиндрической обмотки из алюминиевой ленты.

Ширина ленты равна высоте обмотки, а её толщина

. (3.5)

мм.

В соответствии с ГОСТ 13836-78 выбираем алюминиевую ленту марки А6 шириной l и толщиной =0,33 мм.

Действительное значение витка

. (3.6)

мм

Плотность тока в обмотке согласно 6.14 [1].

. (3.7)

.

Согласно выражению 6.5 [1] общий суммарный радиальный допустимый размер обмотки при максимальном тепловом потоке q=1200 ; к=0,8.

. (3.8)

мм.

В этот размер можно уместить витка.

Обмотка выполняется в виде одной катушки.

Межвитковая изоляция выполняется кабельной бумагой марки К120 толщиной =0,12 мм. в один слой.

Радиальный размер обмотки НН

, (3.9)

где n - количество катушек обмотки.

мм.

Внутренний диаметр обмотки по 6.18 [1]

. (3.10)

мм.

Внешний диаметр обмотки по 6.19 [1]

. (3.11)

мм.

Плотность теплового потока согласно 7.12 [1]

, (3.12)

где ;

;

- размер проводника в радиальном направлении катушки;

В - размер проводника в осевом направлении катушки;

m - число проводников по высоте катушки;

n - число проводников по толщине катушки;

;

.

;

;

.

Масса металла обмотки согласно 7.4 [1]

, (3.13)

где

мм

кг.

Расчет обмотки ВН

Выбираем схему регулирования согласно рис. 6.11а [1] c выводом концов всех трёх фаз обмотки к одному трёхфазному переключателю. Контакты переключателя должны быть рассчитаны на рабочий ток не менее 9,23 А.

Рис. 3.1. Схема регулирования напряжения

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении согласно 6.33 [1]

. (3.14)

витков.

Число витков на одной ступени регулирования согласно 6.34 [1]

, (3.15)

где - напряжение на одной ступени регулирования обмотки или разность напряжений двух соседних ответвлений.

витков.

Принимаем витков.

Для пяти ступеней регулирования:

Напряжение В:	Число витков на ответвлениях:
9500	1225 + 2·32 = 1289
9750	1225 + 32 = 1257
10000	1225
10250	1225 - 32=1193
10500	1225 - 2·32=1161

Ориентировочная плотность тока согласно 6.39 [1]:

. (3.16)

.

Ориентировочное сечение витка согласно 6.1 [1]

. (3.17)

.

По табл. 4.4 [1] выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из алюминиевого круглого провода.

В соответствии с табл. 6.1 [1] выбираем провод марки

, (3.18)

где и - диаметры провода соответственно без и с изоляцией.

.

Сечение витка составляет .

Плотность тока в обмотке согласно 6.43 [1]

(3.19)

.

Число витков в слое по 6.44 [1]

. (3.20)

витка.

Число витков в обмотке по 6.45 [1]

(3.21)

слоёв.

Принимаем слоёв.

Таблица 3.1. Число витков в слоях:

СЛОИ	ВИТКИ ОСНОВНЫЕ	ВИТКИ РЕГУЛИРОВОЧНЫЕ
1-9	1161	108
10		20
всего	1289 витков

Разделяем обмотку на две концентрические катушки, содержащие соответственно внутренняя и внешняя 4 и 8 слоёв. Катушки разделены согласно табл. 6.7 [1] масляным каналом шириной .

Рабочее напряжение двух соседних слоёв обмотки по 6.46 [1]

(3.22)

В.

По табл. 5.1 [1] находим: межслойные изоляции - кабельная бумага толщиной

=0,12 мм., =3 слоёв. Выступ изоляции на торцах обмотки 16 мм.

Радиальный размер обмотки по 6.47 [1]

(3.23)

=2,95·10+3·0,12·(10-1)+5=37,7 мм.

Внутренний диаметр обмотки ВН по 6.51 [1]

. (3.24)

мм.

Внешний диаметр обмотки по 6.51 [1]

. (3.25)

мм.

Расстояние между осями стержней

. (3.26)

С=286,16+10=296,16 мм.

Принимаем С = 296 мм.

Масса металла обмотки ВН по 7.4 [1]

, (3.27)

где .

мм.

кг.

Масса провода обмотки согласно табл. 6.1 [1]

. (3.28)

кг.

Добавочные потери в обмотке согласно 7.8 [1] и 7.10 [1]

, (3.29)

где ;

m - число проводников по высоте сечения катушки;

.

;

.

Поверхность охлаждения обмотки по 6.54 [1]

, (3.30)

где n=1,5;

k=0,83.

.

Плотность теплового потока согласно 6.41 [1]

, (3.31)

где .

Вт.

.

Рис. 3.2. Размещение обмоток трансформатора

4. Определение параметров короткого замыкания

Основные потери в обмотках НН и ВН согласно 7.2 [1]

Р_осн = k J²G₀, (4.1)

где k = 12,75 коэффициент для алюминия.

Основные потери в обмотке НН:

Вт.

Вт.

Потери в отводах НН и ВН согласно 7.19 [1]

Р_отв = kJ²G_отв, (4.2)

где масса отводов НН и ВН согласно 7.20 [1]

10^-9, (4.3)

где - удельный вес алюминия 2700 ;

7,5·4183135 мм. кг.

Вт.

кг.

Вт.

Потери в стенках бака и других элементах конструкции согласно 7.21.

, (4.4)

где К = 0,0153 (из табл. 7.1 [1]).

Вт.

Полные потери короткого замыкания согласно 7.1 [1]

Р_к = Р_осн1·К_д1+Р_осн2К_д2 + Р_отв1+ Р_отв2 + Р_у. (4.5)

Р_к =1066,83·1+1632,65·1,006+41,44+1,42+24,48=2776,61 Вт.

Для номинального напряжения обмотки ВН

(4.6)

=2776,61-0,05•1632,65·1,006=2694,48 Вт.

или % заданного значения.

Активная составляющая согласно 7.22 [1]

. (4.7)

%

Реактивная составляющая согласно 7.23 [1]

u_p=, (4.8)

где . (4.9)

;

Ширина приведённого канала рассеяния согласно (2.2)

мм.;

Величина коэффициента К_р согласно 7.26 [1]

K_p?1-у (1-), (4.10)

где у =. (4.11)

.

K_p?1 - 0,052•(1-.

Величина u_p зависит от взаимного расположения обмоток и в соответствии с этим корректируется коэффициентом К_q умножением его на 4.8 [1], согласно 7.27 [1].

Так как обмотки равновелики, то К_q = 1.

%.

Напряжение короткого замыкания согласно 7.28 [1]

u_k=. (4.12)

u_k= или

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН

(4.13)

 А

Мгновенное максимальное значение тока к.з. согласно 7.30 [1]

, (4.14)

где при по табл. 7.3 [1]

= 1,862·199,352 = 371,193 А.

Суммарные радиальные силы приближенно определяются согласно 7.31 [1]

(4.15)

Н.

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН согласно 7.32.

. (4.16)

МПа

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН согласно 7.32а [1]

. (4.17)

МПа.

Что составляет 17,9% допустимого значения 25 МПа.

Осевые силы по рис. 4.2 [1] согласно 7.33 [1] и 7.36 [1]

. (4.18)

Н.

, (4.19)

где К - коэффициент осевой силы, согласно 7.37 [1]

,

где - коэффициент, определяемый по формуле 7.38 [1]

Здесь ;

- определяется по таблице 7.4 [1],

%.

мм.

К = 3,588·0,14=0,502.



Рис. 4.1. Распределение осевых механических сил

Температура обмотки через =5 с. после возникновения короткого замыкания, согласно 7.40 [1]

, (4.20)

где - наибольшая продолжительность короткого замыкания при классе трансформатора до 35 кВ = 4 с.;

J - плотность тока при номинальной нагрузке;

- начальная температура обмотки, .

Полученная величина сравнивается с допустимой температурой. Для алюминиевых обмоток это 200єС.

5. Определение размеров магнитной системы и массы стали

Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3404, толщиной

0,35 мм по рис. 4.1 [1]. Стержни магнитной системы скрепляются обмоткой без бандажей, ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по табл. 4.18 [1] для стержня диаметром 140 мм без прессующей пластины. Число ступеней в сечении стержня 6, в сечении ярма 5.

Таблица 5.1. Размеры пакетов в сечении стержня и ярма.

№ пакета	Стержень, мм.	Ярма, мм.
1 2 3 4 5 6	13519 12017 10510 859 657 405	13519 12017 10510 859 6512

Рис. 5.1. Сечение стержня и ярма

Рис. 5.2. Основные размеры магнитной системы

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) 134 мм. Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по табл. 8.1 [1].

П_ф,с = 141,5Ч10І мм²;

ярма:

П_ф,я = 144,0Ч10І мм²

Объем угла магнитной системы

V_у = 1620Ч10і мм³

Активное сечение стержня согласно 8.2 [1]

, (5.1)

где = 0,96 - коэффициент заполнения для рулонной холоднокатанной стали по табл. 4.3 [1]:

мм²;

Активное сечение ярма

(5.1a)

мм².

Объем стали угла магнитной системы

(5.2)

мм³.

Длина стержня согласно 8.5 [1]

(5.3)

мм.

Расстояние между осями стержней согласно 8.6 [1]

, (5.4)

где - внешний диаметр обмотки ВН, мм;

- расстояние между обмотками соседних стержней табл. 4.5 [1].

мм.

Округляем размер: С = 300 мм.

Массы стали в стержнях и ярмах магнитной системы рассчитываем по 8.7 [1], 8.8 [1] - 8.14 [1].

Масса стали угла магнитной системы

, (5.5)

где

кг.

Масса стали ярм

, (5.6)

где и масса стали первого и второго ярма согласно 8.9 [1] и 8.10.

кг.

кг.

кг.

Масса стали стержней согласно 8.11 [1]

, (5.7)

где масса стали стержней в пределах окна магнитной системы согласно 8.12 [1]

. (5.8)

кг;

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма согласно 8.13 [1]

, (5.9)

где - ширина первого пакета ярма.

кг.

кг.

Полная масса стали магнитной системы согласно 8.14 [1]

(5.10)

150,73+149,064=299,794 кг.

6. Расчет потерь холостого хода

Индукция в стержне согласно 8.15 [1]

. (6.1)

Тл.

Индукция в ярме согласно 8.16 [1]

. (6.2)

Тл.

Индукция на косом стыке согласно 8.17 [1]

. (6.3)

Тл.

Площади немагнитных зазоров на прямом стыке на среднем стержне равны соответственно активным сечениям стержня и ярма. Площадь зазора на косом стыке на крайних стержнях согласно 8.18 [1]

. (6.4)

ммІ.

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков находим по табл. 4.9 [1] для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины:

при ;

при ;

при .

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 холостого хода применим выражение 8.19 [1].

(6.5)

где значение коэффициента k_п.у в (6.5) определяется по табл. 4.17 [1], k_п.у =10,18.

Удаление заусенцев при нарезке пластин электротехнической стали приводит к увеличению удельных потерь, которое может быть учтено коэффициентом k_п.з: k_п.з = 1 для отожженных пластин.

Удельные потери возрастают при резке пластин. Это увеличение учитывается коэффициентом k_п.р, который для отожженной стали равен 1,05.

Коэффициент формы ярма k_п.я = 1, если число ступеней в сечении ярма и стержня одинаковы или отличаются на 1-3 ступени.

Перешихтовка верхнего ярма приводит к увеличению потерь. Это учитывается коэффициентом k_п.ш. При мощности трансформатора до 250 кВ?А - k_п.ш =1,01.

Увеличение потерь за счет прессовки стержней и ярм учитывается коэффициентом k_п.п, значения которого приведены в табл. 8.3 [1] k_п.п= 1,03.

Полученное значение Вт составляет заданного значения.

7. Расчет тока холостого хода

По табл. 4.10 [1] находим удельные намагничивающие мощности:

при

при

при

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления используем 8.20 [1].

Q_x=[k_т.р.·k_т.з.(q_cG_c+q_яG'_я-4q_яG_y+k_т.у.k_т.пл.G_y)+q₃n₃П₃]·k_т.я.·k_т.п.·k_т.ш., (7.1)

где k_т.р. - коэффициент, учитывающий влияние резки рулона на пластины. Для отожжённой стали k_т.р =1,18;

k_т.з. - коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев. Для отожжённых пластин k_т.з=1,0;

k_т.пл. - коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы. Определяется по табл. 4.22 [1], k_т.пл =1,35;

k _т.я. - коэффициент, учитывающий форму сечения ярма. Для многоступенчатого ярма k _т.я =1;

k _т.п. - коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы. Определяется по табл. 8.3 [1], k _т.п. =1,045;

- коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма. = 1,01 при мощности 250 кВ·А.

k _т.у. - коэффициент определяемый из табл 4.23 [1],

k _т.у. = 42,06.

Ток холостого хода согласно 8.21 [1]

I_о=. (7.2)

или заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода согласно 8.22 [1]

I_оа=. (7.3)

I_оа

Реактивная составляющая тока холостого хода согласно 8.23 [1]

I_ор. (7.4)

I_ор= 1,691%.

8. Тепловой расчет трансформатора

Тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры в обмотке НН согласно 9.1 [1]

, (8.1)

где - теплопроводность изоляции провода, по табл. 9.1 [1],

= 0,17

.

Внутренний перепад температуры в обмотке ВН согласно 9.2 [1]

, (8.2)

где р - потери, выделяющиеся в общего объёма обмотки. Для алюминиевого провода определяется согласно формуле 9.4 [1]

; (8.3)

- средняя теплопроводность обмотки согласно 9.5 [1]

, (8.4)

где - теплопроводность междуслойной изоляции, находится по табл. 9.1 [1].

=0,17 ;

 - средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции, согласно 9.6 [1]

, (8.5)

где

.

Средний перепад температуры составляет полного перепада

Обмотка НН:

.

.

Обмотка ВН:

.

.

Перепад температуры на поверхностях обмоток согласно 9.15 [1]

, (8.6)

где k = 0,285.

Обмотка НН: =17,931 °С.

Обмотка ВН: =14,215 °С.

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу согласно 9.15 [1]

(8.7)

Обмотка НН: єС.

Обмотка ВН: єС.

Тепловой расчет бака

По табл. 9.3 [1] в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию гладкого бака со стенками в виде волн.

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.

Рис. 8.1. Основные размеры бака

Согласно рис. 9.5а [1] должны быть определены следующие минимальные расстояния и размеры:

s₁ - изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до собственной обмотки по табл. 9.4 [1]. s₁ =17 мм;

s₂ - изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до стенки бака по табл. 9.4 [1]. s₂ =20 мм;

d₁ - диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 10 и 35 кВ, d₁=20 мм при мощностях до 10000 кВ·А;

s₃ - изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН или СН до обмотки ВН по табл. 9.5 [1]. s₃ =33 мм;

s₄ - изоляционное расстояние от отвода обмотки НН или СН до стенки бака по табл. 9.4 [1]. s₄=10 мм;

d₂ - диаметр изолированного отвода от обмотки НН или СН, равный d₁=20 мм

Минимальная ширина бака согласно 9.16 [1]

B = D^»₂ + (s₁ + s₂ + d₁ +s₃ + s₄ + d₂). (8.8)

В=286,16+(17+20+20+33+10+20)=406,16 мм.

Принимаем В=500 мм. при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Длина бака согласно 9.17 [1]

A = 2C + D»₂ + 2 s₅, (8.9)

где s₅ = s₃ + d₂ +s₄.

s₅ =33+20+10=63 мм.

А=2·296,16+286,16+2·63=1004,48 мм.

Принимаем А=1100 мм.

Высота активной части

Н_а.ч. = l_с + 2h_я+ n, (8.10)

где п - толщина подкладки под нижнее ярмо, n =50 мм.

мм.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по табл. 9.6 [1]

Н_я,к = 160 мм.

Глубина бака

Н_у = Н_а,ч + Н_я,к. (8.11)

Н_у = 783 + 160 = 943 мм.

Поверхность излучения стенки согласно 9.33 [1]

П_и.в = [2· (А-В)+р · (B+2b)] ·Нв·10^-6, (8.12)

где b - наибольшая глубина волны b=300 мм;

Нв - высота волнистой стенки на 100 мм меньше предварительно рассчитанной глубины бака.

Рис. 8.2. Форма и основные размеры стенки бака с волнами.



Развернутая длина волны согласно 9.34 [1]

l_В = 2^.b+t - 0,86^.с (8.13)

где с - минимальная ширина масляного канала с=10 мм

t - шаг волны стенки согласно 9.35 [1]

t=а+с+2·д, (8.14)

где а - ширины воздушного канала волны, а =25 мм;

д - толщина стенки д =1 мм.

t = 25+10+2·1=37 мм.

мм

Число волн согласно 9.36 [1]

m = [2· (A - В) + р· В]/t. (8.15)

.

Поверхность конвекции стенки согласно 9.37 [1]

П_к,в= m·l_B·k_B ·H_в·10^-6, (8.16)

где k_B - коэффициент, учитывающий затруднение конвекции воздуха в воздушных каналах волн,

k_B =l - б²/190,

где б=b/а.



Полная поверхность излучения бака согласно 9.38 [1]

П_и=П_и,в+П_р+П_кр·0,5, (8.17)

где П_р - поверхность верхней рамы бака

П_р=0,1 tm;

П_кр - поверхность крышки бака

м²

П_р = 0,1·37·75·10=0,2775.

Полная поверхность конвекции бака согласно 9.39 [1]

П_к=П_к,в+П_р+П_кр·0,5 (8.18)

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха

согласно 9.45 [1]

, (8.19)

где k = 1,05

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки трубы согласно 9.46 [1]

И _{м, б} ? k₁·0,165· , (8.20)

где k₁ - коэффициент, равный 1,0 при естественном масляном охлаждении;

УП_к - сумма поверхностей конвекции гладкой части труб, волн, крышки без учета коэффициентов улучшения или ухудшения конвекции [1].

°С

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха согласно 9.47 [1]

И_м.в,в=у(И_бв+И_м,б), (8.21)

где у =1,2.

.

Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха согласно 9.48 [1]. Согласно ГОСТ1677-85 необходимо выполнить условие < 60 °С и < 65 °С

. (8.22)

Обмотка НН: .

Обмотка ВН: .

9. Определение массы конструктивных материалов и масла трансформатора

Масса активной части, т.е. остов с обмотками и отводами

, (9.1)

где G_пр - масса провода

G_пр= G_пр1+ G_пр2.

G_пр=33,83+50,27=84,10 кг.

кг.

Масса бака при толщине стенок 1 мм

, (9.2)

где - сумма объёмов стенок стали, крышки и дна бака;

- удельная плотность стали = 7800.

(9.3)

 (9.4)

.

(9.5)

кг.

Внутренний объём гладкого бака

, (9.6)

где - объём бака без волн

;

- объём всех волн

.

Объём активной части

, (9.7)

где для трансформаторов с алюминиевыми обмотками.

мі.

Общая масса масла в [т] согласно 9.49 [1]

(9.8)

где - масса масла в расширителе

, (9.9)

где - плотность масла ;

- объём расширителя

10%.

.

кг.

т = 569,83 кг.

Масса трансформатора

(9.10)

кг.

10. Экономическая оценка рассчитанного трансформатора

Удобным для расчётов является определение не сроков окупаемости, а расчетных годовых затрат, определяемых согласно 10.2 [1]

, (10.1)

где - затраты связанные с изготовлением трансформатора.

- затраты на амортизационные годовые отчисления.

- удельные годовые затраты руб./кВт·год, связанные с покрытием независящих от нагрузки потерь холостого хода = 85 руб./кВт·год и изменяющихся с нагрузкой потерь короткого замыкания =31 руб./кВт·год табл. 10.1 [1].

- удельные годовые затраты руб./кВар·год, на компенсацию реактивной мощности() трансформатора

- могут быть приняты равными 1,1 руб./кВар·год

- реактивная мощность, определяется как сумма реактивных мощностей холостого хода и короткого замыкания.

- коэффициент, учитывающий максимальную нагрузку трансформатора в последний год нормативного срока окупаемости по табл. 10.1 [1] принимаем = 0,8

Выражение +может быть заменено формулой 10.4 [1]

+=(+ ), (10.2)

где - себестоимость или оптовая цена трансформатора;

= 0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

= 0,063 - нормативные амортизационные годовые отчисления.

Стоимость трансформатора согласно 10.9 [1]:

=+. (10.3)

Стоимость активной части согласно 10.7 [1]:

=+, (10.4)

где - коэффициент, учитывающий стоимость изоляционных материалов;

= 1,06 руб./кг - цена обмоточных проводов для трансформаторов 25 - 630 кВА;

= 1,23 руб./кг - коэффициент учитывающий стоимость изготовления остова трансформатора, включая стоимость крепежных и других материалов, заработную плату;

k_отх - коэффициент, учитывающий отходы стали при раскрое для рулонной стали:

k_отх = 1,05;

= 0,456 руб./кг - цена стали по прейскуранту согласно табл. 1.11 [1];

==408,27 руб.

Стоимость системы охлаждения согласно 10.8 [1]:

С_охл= k_охл(Р_х+Р_к), (10.5)

где k_охл = 13,8 руб./кВт - удельная стоимость системы охлаждения отнесённая к 1 кВт потерь по табл. 10.2 [1];

С_охл= 13,8·(0,516 +2,694) = 44,29 руб.

Согласно 10.3 [1]

К_тр = 408,27 +44,29 = 452,56 руб.

Согласно 10.2 [1]

+= 452,56·(0,15 +0,063) = 96,39 руб.

Реактивная мощность согласно 10.3 [1]

Q_p =. (10.6)

Q_p = кВАр.

Годовые затраты согласно 10.1 [1]

З = 96,39 + 85·0,516 + 0,8·31·2,694 + 1,1·7,924 = 215,13 руб.

11. Инженерная оценка рассчитанного трансформатора

При расчете был рассчитан трансформатор ТМ 160/10 с алюминиевыми обмотками и с плоской магнитной системой с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми на среднем. Материал магнитной системы холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Трансформатор был рассчитан с максимальным приближением к ГОСТ.

Все рассчитанные параметры входят в допустимые значения.

В результате расчета получены следующие значения:

- потери короткого замыкания Р = 2694,48 Вт, задано было значение Р= 2650 Вт.

Согласно ГОСТ допустимое отклонение составляет +5%. Полученное значение отличается от заданного на 1,67%;

- расчетное значение напряжения короткого замыкания составляет u = 4,630%, заданное u = 4,5%, отклонение 2,88%. Согласно ГОСТ допустимое отклонение составляет 5%.

- потери холостого хода Р=516,87 Вт, заданно было значение Р = 510 Вт, полученное значение отличается от заданного на 1,25%. Согласно ГОСТ допустимое отклонение составляет +7,5%.

- при расчете получен ток холостого хода I = 1,66% при заданном I = 2,4%, отклонение составляет - 30,6%. Согласно ГОСТ допустимое отклонение составляет + 15%.

Список литературы

1. Мирош В.Ф., Радченко В.Н. Проектирование силовых трансформаторов, 2007.

Размещено на Allbest.ru