Проектирование силового трансформатора



м²

Плотность тока для такого провода определяется по формуле (6.37) [Л. 1, стр. 282]:

А/м².

Число витков в слое определяется по формуле (6.38) [Л. 1, стр. 283

витков.

Число слоев в обмотке определяется по формуле (6.39) [Л. 1, стр. 283]:

слоев.

Рабочее напряжение двух слоев определяется по формуле (6.40) [Л. 1, стр. 283]:

В.

По рабочему напряжению двух слоев по таблице 4.7 [Л. 1, стр. 190] выбираем число слоев равно 3 и общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями мм, с выступами на торцах 0,16 м.

мм.

Радиальный размер обмотки с двумя катушками без экрана находим по формуле (6.42) [Л. 1, стр. 283]:

м,

где - минимальная ширина масляного канала между катушками выбирается равна 5 мм по таблице 9.2 [Л. 1, стр. 426].

Внутренний диаметр обмотки определяется по формуле (6.45) [Л. 1, стр. 284]:

м.

Наружный диаметр обмотки определяется по формуле (6.46) [Л. 1, стр. 284]:

м.

Поверхность охлаждения определяется по формуле (6.48) [Л. 1, стр. 285]:

м²,

где - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхностей обмотки изоляционными деталями и число внутренних и наружных поверхностей

принимается 0,83, = 1,5 для обмоток ВН на рейках с каналом [Л. 1, стр. 285]:



3. Расчет параметров короткого замыкания

3.1 Расчет потерь в обмотках

Основные потери в обмотке НН определяются по формуле 7.3 [Л. 1, стр. 305]:

,

где - масса металла обмотки НН определяется по формуле 7.6 [Л. 1, стр. 306]:

кг.

Вт.

Аналогично определяем основные потери в обмотке ВН:

кг;

Вт.

Коэффициент добавочных потерь для медного прямоугольного провода НН находится по формуле (7.14) [Л. 1, стр. 311]:

,

где - размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; - коэффициент, который в этих формулах может быть посчитан по формуле (7.13) [Л. 1, стр. 310]:

,

где - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния.

.

Коэффициент добавочных потерь для круглого медного провода находится по формуле (7.14а) [Л. 1, стр. 311]:

,

где рассчитывается по формуле (7.13а) [Л. 1, стр. 310]:

;

.

3.2 Расчет потерь в отводах и стенках бака трансформатора

Длина проводов НН для соединения в звезду определяется по формуле (7.21) [Л. 1, стр. 315]:

м.

Масса отводов НН находится по формуле (7.23) [Л. 1, стр. 315]:

Основные потери в отводах НН определяются по формуле (7-24) [Л. 1, стр. 320]:

Аналогично определяются потери в отводах ВН:

Потери в баке и деталях конструкции до выяснения окончательных размеров бака определяются приблизительно по формуле (7.25) [Л. 1, стр. 318]:

Вт,

где K - коэффициент равен 0,015, определяемый по таблице (7.1) [Л. 1, стр. 319].

3.3 Суммарные потери КЗ и расчет напряжения КЗ

Полные потери короткого замыкания, рассчитываются по формуле (7.1) [Л. 1, стр. 304]:



Отклонение практически посчитанного значения потерь короткого замыкания от заданных в задании потерь равно:

.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания определяется по формуле (7.28) [Л. 1, стр. 322]:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания определяется по формуле (7.32) [Л. 1, стр. 323]:

%.

Напряжение короткого замыкания трансформатора определяется по формуле (7.37) [Л. 1, стр. 326]:

%.

Отклонение посчитанного значения напряжения короткого замыкания от заданного в задании:

.

3.4 Расчет усилий, возникающих при КЗ

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания определяется по формуле (7.38) [Л. 1, стр. 328]:

А,

где - мощность короткого замыкания электрической сети, равная по таблице 7.2 [Л. 1, стр. 329] 500 МВА.

Максимальное значение тока короткого замыкания определяется по формуле (7.39) [Л. 1, стр. 329]:

,

где - коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания, определяется по формуле (7.40) [Л. 1, стр. 329]:

;

А.

Рисунок 7 - К определению радиальных сил

Механическая сила в обмотке определяется по формуле (7.43) [Л. 1, стр. 333]:

Сила, сжимающая внутреннюю обмотку определяется по формуле (7.48) [Л. 1, стр. 340]:

Н.

Напряжение сжатия, МПа, в проводе внутренней обмотки определяется по формуле (7.49) [Л. 1, стр. 340]:

МПа,

что намного меньше допустимого значения 30 МПа.

Осевая сила, действующая на обмотки рассчитывается по формуле (7.51) [Л. 1, стр. 341]:

,

где - коэффициент осевой силы, определяемый по формуле (7.52) [Л. 1, стр.341]:

.

Коэффициент определяется по формуле (7.53) [Л. 1, стр. 341]:

.

Из таблицы (7.4) [Л. 1, стр. 342] находим коэффициент :

.

Поскольку коэффициент равен 0, то:

.

Н.

Рисунок 8 - К расчету механических напряжений в обмотке

Напряжение сжатия на опорных поверхностях определяется по формуле (7.50) [Л. 1, стр. 340]:

МПа,

что меньше допустимого значения 18-20 МПа

где n=8 - число прокладок по окружности обмотки НН (рисунок 8);

а=0,025 м - радиальный размер обмотки НН;

b=0.04 м - ширина прокладки для трансформаторов мощностью от 1000 до 63000 кВт.

Найдем значение температуры обмоток через после возникновения короткого замыкания по формуле (7.54) [Л. 1, стр. 344]:

где - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, ;

- начальная температура обмоток.

Полученная величина не превышает допустимого значения для медных обмоток , таблица 7.6 [Л. 1, стр. 345].



4. Расчет магнитной системы трансформатора

4.1 Определение размеров магнитной системы и массы стали

Из таблицы 8.2 [Л. 1, стр. 357] для стержня диаметром 0,18 м выбираем размеры пакетов. Число ступеней для стержня 6, для ярма - 5. Размеры показаны на рисунке 6.

Таблица 1

Размеры пакетов магнитной системы

Диаметр стержня d, м	Стержень	Ярмо	Размеры пакетов a х b, мм, в стержне
	Без прессующей пластины
					1	2	3	4	5	6
0,18	6	0,915	5	95	175х21	155х25	135х13	120х8	95х9	65х8

Полное сечение стержней и ярма из таблицы 8.2 [Л. 1, стр. 365] равны:

см²; см²; см³.

Активное сечение стержней и ярма определяется по формуле (8.2) [Л. 1, стр. 363]:

см²;

см².

Длина стержня определяется по формуле (8.9) [Л. 1, стр. 363]:

м.



Рисунок 9 - Сечения стержня и ярма

Расстояние между осями соседних стержней определяется по формуле (8.4) [Л. 1, стр. 366]:

м,

где - расстояние между обмотками ВН соседних стержней равно 0,01 м из таблицы 4.5 [Л. 1, стр. 184].

Масса стали одного угла для многоступенчатой формы поперечного сечения ярма в плоской магнитной системе определяется по формуле (8.6) [Л. 1, стр. 367]:

где - плотность трансформаторной стали (для холоднокатанной стали 7650 кг/м³).

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней определяется по формуле (8.8), (8.9) [Л. 1, стр. 367]:

кг,

кг.

Полная масса двух ярм определяется по формуле (8.10) [Л. 1, стр. 368]:

кг.

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы определяется по формуле (8.12) [Л. 1, стр. 368]:

см.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма определяется по формуле (8.13) [Л. 1, стр. 368]:

кг.

Масса стали стержней при многоступенчатой форме сечения ярма определяется по формуле (8.11) [Л. 1, стр. 368]:

кг.

Полная масса стали плоской магнитной системы определяется по формуле (8.14) [Л. 1, стр. 368]:

кг.

4.2 Расчет потерь холостого хода

Индукция в стержне определяется по формуле (8.28) [Л. 1, стр. 374]:

Тл.

Индукция в ярме определяется по формуле (8.29) [Л. 1, стр. 374]:

Тл.

Индукция в косых стыках определяется по формуле [Л. 1, стр. 379]:

Тл.

Удельные потери для стали 3404 находятся по таблице (8.10) [Л. 1,стр. 376]:

Тл , ;

Тл , ;

Тл .

Площадь сечения на косом стыке находится по формуле [Л. 1, стр. 379]:

м².

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, изготовленной из холоднокатаной стали потери холостого хода определяются по формуле (8.32) [Л. 1, стр. 381]:

,

где - коэффициент, который для стали 3404 с толщиной листов 0,35мм равен 10,18 по таблице 8.13 [Л. 1, стр. 382];

- коэффициент увеличения потерь, зависящий от формы сечения ярма равен 1;

- коэффициент, учитывающий увеличение потерь, связанных с отпрессовкой стержней и ярм при сборке остова принимается равным 1,02 по таблице 8.12 [Л. 1, стр. 380];

- коэффициент, учитывающий потери от необходимости расшихтовки верхнего ярма перед насадкой обмоток и расшихтовки его после насадки принимается равным 1,02;

- коэффициент, учитывающий потери, связанные с закаткой или срезанием заусенцев после резки пластин, и при отсутствии отжига принимается равен 1,05;

- коэффициент, учитывающий увеличение потерь после резки пластин при отсутствии отжига, равен 1,11.

Отклонение посчитанного значения потерь холостого хода от заданного значения в задании:

,

что ниже допустимой погрешности .

4.3 Расчет тока холостого хода

Удельные намагничивающие мощности для стали Э330 определяются по таблице (8-11) [Л. 1, стр. 395]:

Тл , ;

Тл, ;

Тл .

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, изготовленной из холоднокатаной стали намагничивающая мощность холостого хода определяются по формуле (8.43) [Л. 1, стр. 393]:



где - коэффициент, учитывающий форму ярма, при числе ступеней в ярме равном или близком к числу ступеней в стержне принимается 1;

- коэффициент, учитывающий расшихтовку и зашихтовку верхнего ярма при сборке, при мощности трансформатора до 25000 кВА принимается 1,02;

- коэффициент, учитывающий влияние прессовки стержней и ярм при сборке остова, для мощностей до 630 кВА принимается 1,04;

- коэффициент, учитывающий срезку заусенцев, принимается равен 1,05;

- коэффициент, учитывающий резку пластин, при отсутствии отжига принимается 1,45 [Л. 1, стр. 393];

- коэффициент равен 42,45 по таблице (8.20) [Л. 1, стр. 395];

- коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а₂ для холоднокатаной стали равен 1,18 по таблице 8.21 [Л. 1, стр. 396].

Относительное значение тока холостого хода в процентах определяется по формуле (8.48а) [Л. 1, стр. 398]:

%.



Активная составляющая тока холостого хода, вызванная потерями холостого хода определяется по формуле (8.49а) [Л. 1, стр. 398]:

%.

Реактивная составляющая тока холостого хода определяется по формуле (8.50а) [Л. 1, стр. 398]:

%.

Отклонение посчитанного значения тока холостого хода от заданного значения в задании:



5. Определение рабочих характеристик трансформатора

Для характеристики режима нагрузки трансформатора важное значение имеют зависимости к.п.д. и вторичного напряжения от нагрузки трансформатора при постоянных коэффициента мощности, частоте и первичном напряжении.

Зависимость к.п.д. от нагрузки может быть получена с помощью формулы:

где - коэффициент нагрузки, Р_к, Р_х - потери х.х. и потери к.з. соответственно при номинальном первичном напряжении и при номинальном токе, полученные расчетом; сosц₂ - коэффициент мощности нагрузки трансформатора, для построения графика принимаем 0,8; S_N - номинальная мощность трансформатора по заданию.

Таблица 2

Зависимость КПД от нагрузки.

	0	0,1	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2
з,%	0	0,9664	0,9826	0,9846	0,9823	0,979	0,9753	0,9714	0,9674	0,9634

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от К_нг строится по формуле:

.

Для построения графика примем =0,8, тогда =0,6, поскольку составляющие напряжения короткого замыкания подставляются в процентах, то =100%.

График 1 - Зависимость КПД от коэффициента нагрузки

Таблица 3

Зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки

	0	0,1	0,25	0,5	0,75	1	1,25	1,5	1,75	2
з,%	0	100	99,433	98,489	98,111	97,167	96,222	95,278	93,39	92,445

График 2 - зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки



6. Тепловой расчет трансформатора

6.1 Тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры для обмотки НН является перепадом в изоляции одного провода и определяется по формуле (9.9) [Л. 1, стр. 422] как элементарный перепад для теплового потока постоянной величины:

,

где - толщина изоляции провода на одну сторону по рисунку 7 равна 0,25•10^-3 м;

- теплопроводность материала изоляции витков, равная 0,17 по таблице 9.1 [Л.1, стр. 424];

- плотность теплового потока на поверхности обмотки определяется по формуле (6.16) [Л. 1, стр. 269]:

.

Рисунок 10 - К расчету теплоты выделяющейся в обмотке

Полный перепад температуры в обмотках ВН из круглого провода, не имеющей горизонтальных охлаждающих каналов определяется по формуле (9.10) [Л. 1, стр. 421]:

,

где - радиальный размер катушки; - потери, выделяющиеся в 1 м³ общего объема обмотки; - средняя теплопроводность обмотки ВН.

Для медного провода определяются по формуле (9.11) [Л. 1, стр. 422]:

Средняя теплопроводимость обмотки ВН , для случая равномерного распределения витков и междуслойной изоляции по всему объему обмотки определяется по формуле (9.12) [Л. 1, стр. 423]:

,

где - теплопроводность междуслойной изоляции; - средняя условная теплопроводность обмотки определяется по формуле (9.13) [Л. 1, стр. 423]:

;



;

.

Средний перепад температуры составляет 2/3 полного перепада, формула (9.4) [Л.1, стр. 409]:

.

Для цилиндрически обмоток из прямоугольного или круглого провода перепад на поверхности обмотки масляного трансформатора определяется по формуле (9.19) [Л. 1, стр. 425]:

,

где k = 0,285

Для обмотки НН:

.

Для обмотки ВН:

,

что ниже допустимой плотности 1600.



.

Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой масла определяется по формуле (9.21) [Л. 1, стр. 428]:

;

.

6.2 Тепловой расчет бака

Минимальная длинна бака трехфазного трансформатора определяется по формуле (9.22) [Л. 1, стр. 430]:

,

где - расстояние от обмотки ВН до стенки бака.

принимаем равным 1,1 м.

Минимальная ширина бака трансформатора определяется по формуле (9-23) [Л. 1, стр. 428]:

,

где - размеры, показанные на рисунке 8.

- изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН (внешней) до собственной обмотки по таблице 4.11 [Л. 1, стр. 199]; кВ.

- расстояние от прессующей балки ярма до отвода с кВ по таблице 4.11 [Л. 1, стр. 199].

- изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН и СН до обмотки ВН по таблице 4.12 [Л. 1, стр. 200]; кВ.

- изоляционное расстояние от отвода НН или СН до стенки бака по таблице 4.11 [Л. 1, стр. 199]; кВ.

- диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 10 и 35 кВ, при мощностях до 10000 кВт и при больших мощностях.

- диаметр изолированного отвода от обмотки НН или СН, равный , или размер неизолированного отвода НН (шины), равный 10 - 15 мм.

мм.

м,

принимаем =0,44 м.

Рисунок 11 - Изоляционные расстояния отводов.

Высота активной части может быть определена по формуле (9.24) [Л. 1, стр. 431]:

м,

где - толщина подкладки под нижнее ярмо принимается раной 0,05м.

Общая глубина бака определяется по формуле (9.25) [Л. 1, стр. 431]:

м,

где - расстояние от верхнего ярма трансформатора до крышки бака принимается равным 0,16 м из таблицы 9.5 [Л. 1, стр. 431].

Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, должно быть не более значения, посчитанного по формуле (9.32) [Л. 1, стр. 434]:

.

Перепад температуры между маслом и стенкой бака определяется по формуле (9.33) [Л. 1, стр. 434]:

,

где - не превышает 5-6 .

Необходимо проверить условие (9.34) [Л. 1, стр. 434]:

- удовлетворяется.



Поверхность излучения бака для овального сечения в предварительном расчете может быть определена по формуле (9.35) [Л. 1, стр. 435]:

м²,

Поверхность конвекции бака определяется по формуле (9.30) [Л. 1, стр. 433]:

м².

Из таблицы 9.7 [Л. 1, стр. 439] выберем необходимые данные для охлаждающих труб и сведем их в таблицу 4.

Таблица 4

Данные охлаждающих труб

Форма трубы	Размеры сечения, мм	Толщина стенки, мм	Попереч-ное сечение в свету, см2	Поверхность 1м, м2	Масса в 1м, кг	Шаг, мм	Радиус изгиба R, мм	Число рядов труб при мощности 250-630 кВА
					Металла	Масла в трубе
							Между рядами tp	В ряду tT
Овальная	72х20	1,5	890	0,16	1,82	0,79	100	50	188	2

Расстояние между осями труб наружного ряда:

где с, e - минимальные расстояния оси труб от дна и крышки бака, с = 70 мм, e = 80 мм по таблице 9.8 [Л. 1, стр. 439].

Расстояние между осями труб внутреннего ряда:

Развернутая длинна трубы наружного ряда равна:

,

где - прямой участок для внутреннего ряда труб, принимается равным 50 мм.

развернутая длинна трубы внутреннего ряда:

Прямой участок для наружного ряда труб равен:

Число труб в ряду для обеспечения этой общей длинны определяется по формуле (9.44) [Л. 1, стр. 440]:

Поверхность излучения крышки находится по формуле :

где 0,16 - удвоенная ширина верхней рамы бака;

коэффициент 0,5 учитывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой.

Поверхность излучения бака с трубами определяется по формуле (9.45) [Л. 1, стр. 440]:

где d - диаметр круглой трубы или большой размер поперечного сечения овальной трубы, d=72 мм.

Поверхность конвекции труб определяется по формуле (9.47) [Л. 1, стр. 440]:

,

где - поверхность 1 м трубы, равная 0,16 м² по таблице 9.7 [Л. 1. стр. 439].

Поверхность конвекции бака определяется по формуле (9.46) [Л. 1, стр. 440]:

м²,

где и - коэффициенты, равные 1 и 1,344 соответственно по таблице 9.6 [Л.1, стр. 432].

Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом определяется по формуле (9.49) [Л. 1, стр. 446]:

Превышение температуры масла вблизи стенки над стенкой бака может быть приближенно посчитано по опытной формуле (9.50) [Л. 1, стр. 446]:

,

где - коэффициент, равный 1,0 при естественом масляном охлаждении [Л. 1, стр. 446].

Превышение температуры масла в верхних слоях над окружающим воздухом определяется по формуле (9.51) [Л. 1, стр. 446]:

<60,

где - коэффициент для трубчатых баков может быть принят равным 1,2.



7. Определение массы ТР

Обьём бака трансформатора рассчитывается по формуле:

Обьём активной части трансформатора определяется по формуле:

где - плотность активной части, принимает значение 5500 кг/м³.

Объём масла в баке определяется по формуле:

.

Масса масла в баке:

.

Масса масла в элементах системы охлаждения(трубах):

,

Общая масса масла определяется по формуле:



.

Общая масса трансформатора определяется по формуле:

Обьем расширительного бака определяется исходя с общего веса масла:

м³.

Соответственно диаметр расширительного бака при его длине l_р = 0.8м равен:

м.



Вывод

В данном курсовом проекте был спроектирован и рассчитан трансформатор мощностью 400 кВА. Были определены его основные электрические величины, рассчитаны обмотки высокого и низкого напряжения, 10 и 0,23 кВ соответственно. Также был проведён расчёт магнитной системы трансформатора и характеристик короткого замыкания.

Расчётные данные находятся в промежутке который удовлетворяет требования ГОСТа.

Размещено на Allbest.ru