Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Определение основных электрических величин трансформатора
• 2. Расчет основных размеров трансформатора
• 2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы
• 2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе
• 2.3 Выбор материала и предварительный выбор конструкции обмоток
• 2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
• 2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров ? с учетом заданных значений
• 3. Расчет обмоток НН и ВН
• 3.1 Расчет обмотки НН
• 3.2 Регулирование напряжения обмоток ВН
• 3.3 Расчет обмотки ВН
• 4. Расчет параметров короткого замыкания
• 4.1 Определение потерь короткого замыкания
• 4.2 Расчет напряжения короткого замыкания
• 4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
• 5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода
• 5.1 Определение размеров магнитной системы
• 5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора
• 5.3 Определение тока холостого хода трансформатора
• 6. Тепловой расчет трансформатора
• 6.1 Проверочный тепловой расчет обмоток
• 6.2 Тепловой расчет бака трансформатора
• 6.3 Определение превышений температуры обмоток и масла над воздухом
• 6.4 Определения веса масла и размера расширителя
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721-62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины - 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800-1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы - для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели - для регулирования напряжения трансформатора, баки - для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы - для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.

трансформатор обмотка ток тепловой

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

Для выполнения электромагнитного расчета трансформатора необходимо определить основные электрические величины: мощность на одну фазу и стержень, номинальные токи на стороне ВН и НН, фазные токи и напряжения, составляющие напряжения короткого замыкания, испытательные напряжения обмоток.

Мощность одной фазы трансформатора:

Sф = = =1333.33 кВА

Мощность на один стержень:

S' = = =1333.33 кВА

Номинальные линейные токи обмотки ВН:

I1 ном = = =230.94 А

где I1 - ток в обмотке ВН, А;

Sн - номинальная мощность трансформатора, кВА;

U1 - напряжение обмотки ВН, В

Номинальные линейные токи обмотки НН:

I2 ном = = =366.57 А

где I2 - ток обмотки НН, А;

Sн - номинальная мощность трансформатора, кВА;

U2 - напряжение обмотки НН, В.

Фазный ток обмотки одного стержня

При соединении ВН обмотки в «звезду» :

Iф1=Iн1=230.94 А

При соединении НН обмотки в «звезду» :

Фазное напряжение трехфазного трансформатора

При соединении ВН обмотки в звезду:

U_ф1

При соединении НН обмотки в звезду:

Испытательное напряжение обмоток

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора. Эти испытательные напряжения определяются для каждой обмотки трансформатора по ее классу напряжения. (смотрим по таблице 4-1)

для ВН U_исп.1=35 кВ

для НН U_исп.2=25 кВ

Активная и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

Ua = = = 0.84 %

Где Р_к - потери короткого замыкания, Вт;

S_н - номинальная мощность трансформатора, кВА.

Up = = = 7.45 %

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), служащая для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора и представляющая собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранной в определенной геометрической форме.

Магнитную систему можно разделить на:

- Стержень - на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие для преобразования электрической энергии;

- Ярма - не несущие основных обмоток, служащие для замыкания магнитной цепи.

По способу сборки выбираем шихтованную магнитную систему, ярма и стрежни которой собираются в переплет из плоских пластин с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми в двух углах, как единая цельная конструкция (рис.2.1а и б)

а) б)

Рис.2.1 Схема плоской магнитной системы.

Основные размеры трансформатора: диаметр окружности, в которую вписан стержень, имеющий сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры; высота обмоток; средний диаметр двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками.

Сборка сердечника у силового трансформатора производится "в перекрышку" как показано на рис 2.2.

Рис 2.2

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

Выбираем материал магнитной системы трансформатора - холоднокатаная электротехническая сталь марки -3405 , толщиной 0,35 мм.

Поперечное сечение магнитопровода представляет собой ступенчатую фигуру, число ступеней которой зависит от мощности трансформатора. Для трансформатора ТМ-4000/10 получим:

Число ступеней в сечении стержня, равное -9, (определяем по таблице 2.5). Число ступеней стержня считается по числу углов в одной четверти круга.

Коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры (определяем по таблице 2.5).

k_КР = 0,929

Коэффициент k_кр определяет отношение площади ступенчатой фигуры стержня в сечении к площади круга с диаметром d, который ориентировочно должен быть равен (определяем по таблице 2.5):

d = 0,32…0,34 м.

Наличие изоляции между листами магнитопровода учитывается коэффициентом заполнения k_з.

Коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сталью, учитывая толщину изоляционного слоя и ее плотность запрессовки листов (выбираем по таблице 2.3.):

k_з=0,97

Далее определяем общий коэффициент заполнения сталью круга k_с по следующей формуле:

=0,929?0,97=0,9

Исходя из полной мощности, определяем коэффициент усиления ярма (по табл. 2,8), который зависит от способа прессовки ярма и формы его сечения.

kя=1,02

Прессовка ярма осуществляется балками, стянутыми стальными полубандажами.

Прессовка стержней осуществляется бандажами из стеклоленты. Продольных каналов в стержне нет. (по таблице 2,8).

Число ступеней ярма на одну-две меньше числа ступеней стержня и равно - 7

Магнитная система выполнена из стали 3405, выбранной по таблице 2.3[1]. Толщина межслойной изоляции - односторонняя оклейка листов стали бумагой толщиной 0,35(мм).

Рекомендуемое значение индукции В_с в стержнях масляных трансформаторов при марке стали 3405 зависит, от мощности трансформатора. Поскольку S_н = 4000 кВА, то (выбираем по таблице 2.4) В_с = 1,65 и определяем индукцию в ярме В_я по формуле:

= = 1,618 Тл

2.3 Выбор материала и предварительный выбор конструкции обмоток

В соответствии с условием задания, материал ВН и НН обмоток - медь электролитическая.

Основным элементом всех обмоток трансформатора является виток. В зависимости от тока нагрузки виток выполняют одним проводом круглого или прямоугольного сечения. Обмоточный провод круглого или прямоугольного сечения (алюминиевый марки АПБ) изолируют лентами кабельной бумаги.

Тип конструкции обмотки ВН и НН выбирают по табл. 5.8 в соответствии с поминальной мощностью, напряжением, током одного стержня и поперечным сечением витка обмотки.

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки, мм²,:

где - средняя плотность тока в обмотках, МА/м², предварительно выбираемая по табл.5.7, = 2,2 -3,5.



Тип обмотки ВН:

Тип обмотки - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Основные достоинства - хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления.

Основные недостатки - уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы.

Материал обмотки - медь.

Пределы применения:

S_Н - от 630 до 80000 кВ^.А;

I_Ф - от 15-18 до 1000-1200 А;

U_Н - от 10 и 35 кВ;

П - от 5.04 мм² до 400.

Число параллельных проводов - от 1 до 4-8 .

Тип обмотки НН:

Тип обмотки - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Основные достоинства - хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления.

Основные недостатки - уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы.

Материал обмотки - медь.

Пределы применения:

S_Н - от 630 до 80000 кВ^.А;

I_Ф - от 15-18 до 1000-1200 А;

U_Н - от 10 и 35 кВ;

П - от 5.04 мм² до 400.

2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляем мягкими цилиндрами составленные при сборке трансформатора из намотанных один на другой листов электроизоляционного картона (плотность 900 кг/м3).

Минимально допустимые изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма, между обмотками, а также главные размеры изоляционных деталей в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5 - 85 кВ приведены в табл. 1 и 2 (рисунок 2).

Рисунок 2 - Размеры главной изоляции обмоток

Таблица 1 - Допустимые изоляционные расстояния для обмотки высокого напряжения

Мощность трансформатора, Sн, кВА	Uисп для обмотки ВН, кВ	От ВН до ярма, см	Между ВН и НН, см	Высота цилиндра, см, lц2	Между ВН и НН, см
		l02	ш	?12	12		?22	22
4000	35	5,0	-	3,0	0,4	2,0	1,8	-

Таблица 2 - Допустимые изоляционные расстояния для обмотки низкого напряжения

Мощность трансформатора, Sн, кВА	Uисп для обмотки низкого напряжения (НН), кВ	От НН до ярма l01, см	От НН до стержней, см
			01	?ц1	?01	Lц1
4000	25	5,0	0,4	0,8	1,75	2,5

2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров ? с учетом заданных значений

Определим диаметр стержня, см.:

где, f = 50 Гц - частота питающей сети, Гц;

kp=0.95 -коэффициент Роговского (стр. 120) ;

Uр - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания;

Вс - индукция в стержне, Тл;

kс - коэффициент заполнения сталью площади круга;

S`- мощность трансформатора на один стержень, кВА.

На размер диаметра стержня магнитной системы влияют:

а) ширина приведенного канала рассеяния, см,:

где, ?₁₂ - изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН, определяемый по испытательному напряжению обмотки ВН, (табл. 4,5);

- второе слагаемое (приведенная ширина двух обмоток):



где, - мощность трансформатора на один стержень, кВА;

k - коэффициент, по таблице 3.3, k = 0,47.

,

б) Величина - отношение средней длины окружности канала между обмотками d₁₂ и высоте обмоток l:

Значения для масляных трансформаторов приведены в табл. 12.1 (1,8 ).

Рекомендуемые значения предусматривает получение трансформаторов с заданными потерями, напряжением короткого замыкания.

Полученное значение d сравним с диаметрами нормализованной шкалы.

Примем ближайший нормализованный диаметр d_н = 0,31 м.

Определим отношение:

.

Средний диаметр канала между обмотками, м,:

(? находим по табл. 3,4)

d₁₂ = 1,38 0,31= 0,428м.

Высота (осевой размер) обмотки, м.:

Находим активное сечение стержня (активное сечение стали), м²,:

=0,9?=0,068 м²

3. Расчет обмоток НН и ВН

Основным элементом всех обмоток является виток. Находим электродвижущую силу одного витка, В:

U_в = 4.44fВ_сП_с10^-4= 4,44501,6568010^-4 = 24.908 В.

При заданном уровне потерь короткого замыкания Р_К средняя плотность тока в обмотках, А/м², (по (5.4) с 255):

где,

- 0,746 - коэффициент пропорциональности для медных обмоток;

- K_д - коэффициент, учитывающий добавочные потери( по табл. 3-6) K_д = 0,88;

- S_н - номинальная мощность трансформатора, кВ^.А;

- U_B - напряжение одного витка, В;

- d₁₂ - средний диаметр канала между обмотками, м;

- P_K - потери короткого замыкания, Вт.

3.1 Расчет обмотки НН

Эту обмотку применяют как обмотку НН в трансформаторах мощностью 100 кВА и выше при больших токах (600…800 А и выше). Провода располагаются плашмя в радиальном направлении. Радиальный размер провода не должен превышать 3,8 мм, иначе резко возрастают добавочные потери в проводе.

Рисунок 3.1 - Винтовая обмотка

Число витков обмотки НН на одну фазу:

146.027 , примем W₂ = 146 витков

Уточним ЭДС одного витка (по 6.2):

В

Действительная индукция в стержне (по 6.3):

Тл

Ориентировочное сечение витка, мм²:

Согласно §5.2 (с225) число реек по окружности обмотки 12, ширина междувитковых прокладок b_пр=40 мм.

Число витков в одном слое для двухслойной обмотки сл1=73

Найдем осевой размер одного витка:

где l₁ - высота обмотки, м;

м

Значение большего из двух размеров поперечного сечения провода b выбираем по формуле (при q=1400 Вт/м²⁾

b=9мм

Найдем предельное значение b:

bпр=10,2мм

Для провода ПБ с испытательным напряжением 5-85 кВ можно принять толщину изоляции на обе стороны 0.5мм. (Табл. 4.6).

Число параллельных проводов примем равным 3. По полученным значениям и по таблице 5.2 подбираем сечение витка из одного параллельного провода.

ПБ 1*(4.5*9)/(5*9.5)

При принятом уровне добавочных потерь 5 %. (Табл. 5.9).

Сечение выбранного провода П''2=39.6

Полное сечение витка обмотки, м² :

П₂ = n_B2 10^-6= 3^.39.6^.10^-6 = 118.6 мм²,

где, - сечение одного провода, принятое по таблице 5.2.

Реальная плотность тока в обмотке, А/м²,:

.

Осевой размер обмотки, м:

9.6**74+0.005=0.715

Радиальный размер обмотки, м:

=(10+7)=0.017

Внутренний диаметр обмотки , м :

.

Наружный диаметр обмотки (с 273), м:

.

Средний диаметр витка обмотки



Плотность теплового потока на поверхности обмотки (по (7.19) с 314)

Где W_к - число витков в одной основной катушке; W_к=1 (с 314)

k - коэффициент, принимаем k = 0,75, (с 314)

k_д2 - коэффициент увеличения основных электромагнитных потерь обмотки;

Где n - число проводников обмотки в радиальном направлении ,

а - радиальный размер одного провода, а = 4,5·10^-3 м.

- коэффициент, характеризующий заполнение обмотки проводниковым материалом;

(с 310, 7.13)

k_д2 = 1 + 0,095·10⁸ · 0.878² · 0,0045⁴ · 9² = 1.027

Масса металла обмотки

 кг

3.2 Регулирование напряжения обмоток ВН

В обмотке ВН выполняют ответвления для регулирования напряжения путем переключения без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток от сети.

В ГОСТе предусматривают выполнение в обмотках ВН (и СН) четырех ответвлений на +5; +2,5; -2,5; -5% (±2 х 2,5) от номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением.

Переключение ответвлений обмоток должно производиться специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с выведенными из бака рукоятками управления.

Выбор той или иной схемы зависит от мощности трансформатора S=4000кВА, схемы соединения фаз, номинального напряжения, типа обмотки ВН осуществляется по рис 6.6 с 275.

При непрерывной катушечной обмотке с номинальным напряжением U_ном=10 кВ, напряжение регулируется по схеме, изображённой на рисунке 3.3.

3.3 Расчет обмотки ВН

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении:

,

где U_Ф2 и U_Ф1 - номинальные фазные напряжения обмоток НН и ВН,В.

Напряжение на одной ступени регулирования обмотки

 В.

Число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении обмотки ВН в звезду:

где, U_В - напряжение одного витка обмотки, В, (из п. 3)

Число витков обмотки на ответвлениях +5%; +2.5% (верхние ступени напряжения); 0% (при номинальном напряжении); -2.5%; -5% (нижние ступени напряжения) от номинального напряжения соответственно равно:

ступень 3637,3 В

ступень 3550,7 В

ступень 3464,1 В

ступень 3377,5 В

ступень 3290,9 В

Предварительное значение плотности тока в обмотке ВН

МА/м²

Предварительное значение сечения витка обмотки ВН

Найдем предельное значение b:

9.61 мм

Исходя из выбранного по таблице 5.8 типа обмотки ВН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода, производим дальнейший расчет.

По сортаменту медного обмоточного провода (табл. 5.2) выбираем провод марки ПБ, = 34.6 мм², а = 5.00 мм, b =7.10 мм²

Выберем 2 параллельных провода.

Подобранные размеры проводов записывают в виде:

ПБ сечением П₁=34.6 мм²

Полное сечение витка обмотки, м² :

П₁ = n_B1 •10^-6= 2^.34.6^.10^-6 = 69.2^.10^-6 м²,

Реальная плотность тока в обмотке, А/м²,:

.

При J₁=3,34 МА/м² и b=7.10 мм по графикам рис.5.34 а) находим q600 Вт/м²

Найдем число витков в слое:



Найдем число слоев в обмотке:

В 1-4 слоях -188 витков по 47 витков на слой

В 5 слое - 44 витка

Найдем рабочее напряжение двух слоев, В:

Выберем по рабочему напряжению двух слоев по табл. 4.7 число слоев и общую толщину кабельной бумаги в изоляцию между двумя слоями обмотки:

Число слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм: 4*0,12=0,48

Выступ межслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм: 20

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр обмотки (по (6.58) с 288):

м.

Наружный диаметр обмотки:

 м.

Средний диаметр витка обмотки

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

где n - число проводников обмотки в радиальном направлении, n = 2 - коэффициент, характеризующий заполнение обмотки проводниковым материалом;

k_д1 = 1 + 0,095·10⁸ ·0,44 ² · 0,005⁴ · 2 ² = 1.005

Масса меди обмотки ВН (по (7.6) с 306)

кг

Масса меди двух обмоток

G_м=527+655=1182 кг

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора согласно ГОСТ 16110-82 называют потери, возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установлении в одной из обмоток тока, соответствующего ее номинальной мощности при замкнутой накоротко другой обмотке. Предполагается равенство номинальных мощностей обмоток.

Потери короткого замыкания Р_к в трансформаторе подразделяют на следующие составляющие:

1) основные потери в обмотках НН и ВН, вызванные рабочим током обмоток, P_осн1 и Р_осн2;

2) добавочные потери в обмотках НН и ВН, т.е. потери от вихревых токов, наведенных полем рассеяния в обмотках Р_д1 и Р_д2;

3) основные потери в отводах между обмотками и вводами (проходными изоляторами) трансформатора, Р_отв1 и Р_отв2;

4) потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора, вызванных полем рассеяния обмоток и отводов, Р_б.

Основные потери (по (7.3) с 305)

Для ВН:

Для НН:

Добавочные потери в обмотке (определены для ВН 3.3.19, для НН в п 3.1.18.)

1.005

1.027

Основные потери в отводах. Расчет основных потерь в отводах обмоток НН и ВН сводится к определению длины проводников и массы металла отводов.

Общая длина отводов для соединения обмоток в «звезду» обмотки ВН и НН соответственно (по (7.21.) с 315):

()

Масса отводов обмотки НН и ВН соответственно (по (7.23) с 315)

кг

кг

- ?- плотность металла отводов ( = 8900 кг/м³ для меди).

Потери в отводах обмотки ВН и НН соответственно (по (7.24) с 315)

Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора, до выяснения размеров бака определяем приближенно по (7.25) и табл. 7.1

где S_н - номинальная мощность трансформатора, кВА;

k - коэффициент, принимаем k = 0,033 ( стр. 319, таблица 7.1);

Полные потери короткого замыкания

=31.64 кВт

что на ниже заданной нормы.

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

Напряжением короткого замыкания U_К двух обмоточного трансформатора называют напряжение, которое следует подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи.

Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе при нагрузке, его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Его рассчитывают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки и учитывают при подборе трансформаторов на параллельную работу.

Активная составляющая, %:

Реактивная составляющая, %:

где ?=2

Напряжение короткого замыкания:

что на выше заданного.

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

Процесс короткого замыкания трансформатора, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением токов в обмотках по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки.

Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает:

- расчет максимального тока короткого замыкания трансформатора;

- определение механических сил между обмотками и их частями;

- определение механических напряжений в изоляционных опорных и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток;

- определение температуры обмоток при коротком замыкании.

Установившейся ток короткого замыкания на стороне ВН, A:



Мгновенные максимальные значения тока короткого замыкания, А:

где

Радиальная сила, Н:

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки BH, МПа:

что удовлетворяет неравенству ~34%?50

Осевая сила, Н:

Максимальная сжимающая сила в обмотках, Н:

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН, где

Напряжение сжатия на междувитковых прокладках

что ниже допустимого 18-20МПа

где, F_СЖ - сжимающая сила, Н;

- n - число прокладок по окружности обмотки, равное числу реек;

- а - радиальный размер обмотки, мм;

- b - ширина опорной прокладки, b = (40 - 60)мм.

Температура обмотки через t_к=5с после возникновения короткого замыкания

Время достижения температуры 250 для обмоток

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

При расчете магнитной системы определяют размеры пакетов и активные сечения стержня и ярма, высоту стержня, расстояние между осями стержней, ярм и всего магнитопровода.

По результатам расчета магнитной системы определяют потери в стали и ток холостого хода.

5.1 Определение размеров магнитной системы

Число ступеней в сечении стержня, толщину пакетов, ширину пластин (пакетов), высоту сегмента принимают по табл. 5.1, в зависимости от диаметра стержня d_H. В таблицах указана толщина пакетов, мм, в одной половине стержня. Число и размеры пакетов приведены для двух вариантов вертикальной стяжки магнитопровода (остова): без прессующей пластины и с прессующей пластиной. Стяжку с прессующей пластиной производят стальными пластинами, соединяющими ярмовые балки и расположенными внутри обмотки НН. В этом варианте прессующую пластину размещают на место наиболее узкого пакета стержня, уменьшая число пакетов на единицу с каждой половины стержня. Стержни с диаметром большим 220 мм прессуют только бандажами из стеклоленты.

Форма поперечного сечения ярма в средней части повторяет сечение стержня. Крайние пакеты в целях уменьшения прессовки ярма ярмовыми балками делают более широкими, объединяя два-три пакета в один.

Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы (рис.2.1), собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы прессуются бандажами из стеклоленты, ярма - ярмовыми балками, стянутыми стальными полубандажами.

Размеры пакетов выбраны по табл. 8.3 с 358, для стержня диаметром 0,25 м без прессующей пластины.

Размеры пакетов для стержня и ярма (табл. 5.1)

Таблица 5.1

Диаметр стержня d,м	стержень	ярмо	Размеры пакетов ab, мм, в стержне
	nc	kкр	nя	ая, мм	1	2	3	4	5	6	7	8
0,30	8	0,93	6	175	295х28	270х37	250х18	230х13	215х8	175х18	135х12	105х6

Площадь сечения стержня и ярма (таб.8.7. с 365):

П_Ф.С = 657.2 см² = 0,06572 м².

П_Ф.Я = 675.2 см² = 0,06752 м².

Объем угла магнитной системы:

V_У = 16552 см³ = 0,016552 м³.

Активное сечение стержня:

П_C = k_З · П_Ф.С = 0,97 · 0,06572 = 0,0637 м².

Активное сечение ярма:

П_Я = k_З · П_Ф.Я = 0,97 · 0,06752 = 0,0655 м².

Объем стали угла магнитной системы:

V_У.СТ = k_З · V_У = 0,97 · 0,016552 = 0,0161 м³.

Длина стержня:

l_С =l+2l₀= 0,711+20,05=0,811 м

где, l - высота обмоток, м;

l₀₂ - расстояние от обмотки ВН до ярма (табл.1), м.

Расстояние между осями стержней

С = D''₁ + a₂₂ = 0,513+ 0,018 = 0,531 м,

где, - внешний диаметр обмотки ВН, м;

- а₂₂ - расстояние между обмотками ВН соседних стержней (табл. 1).

Массы стали в стержнях и ярмах магнитной системы рассчитываются по (8.6), (8.8) - (8.13).

Масса стали угла магнитной системы:

G_У =k_зV_y?_ст=V_у.ст?_ст =0.97 *0,0165527650=122.8 кг.

?_ст =7650 кг/м³ - плотность трансформаторной стали.

Масса стали ярм:

G_Я = G'_Я + G''_Я =1064+245.6 =1309 кг,

где G'_Я =2 · (с-1) · П_Я · C · ?_СТ=2·2·0,0655·0,531·7650=1064кг

G''_Я =2 · G_У =2·122.8=245.6 кг.

Масса стали стержней:

G_С = G'_С + G''_С = 1186 + 63= 1249 кг,

где G'_С = 3 · П_С · l_С · ?_СТ = 3 · 0,0637 · 0,811 · 7650 = 1186 кг;

G''_С = 3 · (П_С · a_1Я · ?_СТ - G_У) = 3 · (0,0637 · 0,295 · 7650 - 122.8) =63 кг.

Общая масса стали:

G_СТ = G_С + G_Я =1064+1249=2313 кг.

5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

Режим работы трехфазного трансформатора при питании от сети переменного тока одной из его обмоток и разомкнутой другой называют режимом холостого хода. Потери возникающие в трансформаторе в этом режиме, называют потерями холостого хода.

Потери холостого ходя в трансформаторе P_к слагаются из магнитных потерь (гистерезис, вихревые токи) в магнитопроводе, потерь в стальных элементах конструкции трансформатора от потоков рассеивания, электрических потерь в первичной обмотке от тока холостого хода и диэлектрических потерь в изоляции.

Диэлектрические потери в изоляции и электрические потери в первичной обмотке у силовых трансформаторов обычно малы и их можно не учитывать. Потери в стальных элементах конструкции трансформатора учитывают приближенно в виде добавочных потерь.

Магнитные потери составляют основную часть потерь холостого хода и рассчитывают их по экспериментально установленным зависимостям между индукцией магнитного поля и удельными потерями в стали Р (Вт/кг) при частоте 50 Гц.

Индукция в стержне:

Тл

Индукция в ярме

Тл

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 с 376, для стали марки 3405 при шихтовке в 2 пластины

при =, ,

при = 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 :

k_п.р=1,05- коэффициент, учитывающий резку пластин;

k_п.з=1,0 - коэффициент, учитывающий снятие заусенцев;

k_п.я=1,0 - коэффициент увеличения потерь, зависящий от формы сечения ярма;

k_п.п=1,03- коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы;

k_п.ш=1,05- коэффициент, учитывающий перешихтовку магнитной системы.

k_п.у - коэффициент, учитывающий сочетание косых и прямых стыков (косые стыки в четырёх углах, прямые - в двух углах (рисунок 5.1)).

По табл. 8.13 с 382: k_п.у=10,45

Потери холостого хода (по 8.32 с 381):

=

=5443Вт

что на превышает заданное, но допустимо рамками

5.3 Определение тока холостого хода трансформатора

Ток в первичной обмотке трансформатора, протекающий при холостом ходе, называют током холостого хода.

Активная составляющая тока холостого хода зависит от потерь холостого хода P_x. Реактивная составляющая, расходуемая на создание магнитного потока в трансформаторе, зависит от намагничивающей мощности Q_x.

Обычно вычисляют не абсолютное значение тока холостого хода и его составляющие, а их относительные значения в % от номинального тока трансформатора.

Удельные намагничивающие мощности по табл.8.17 с390:

при = Тл, ,

при = Тл, ,

Для расчета реактивной составляющей тока холостого хода необходимо определить намагничивающую мощность трансформатора Q_х, которая состоит из намагничивающей мощности для немагнитных зазоров Q_хз.

Составляющие намагничивающей мощности рассчитывают по экспериментально установленным зависимостям между индукцией магнитного поля и удельными намагничивающими мощностями стальных участков q и немагнитных зазоров q_з, В^.А/кг.

Намагничивающая мощность, также как и потери холостого хода зависит от основных магнитных свойств стали магнитопровода и ряда конструктивных и технологических факторов, которые увеличивают ее в большей мере, чем потери холостого хода.

Увеличение намагничивающей мощности учитывают соответствующими коэффициентами, по табл. 8.12 и 8.21:

1. - коэффициент, учитывающий резку пластин (при отжиге после резки пластин и закатки заусенцев = 1,18);

- коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев (при отжиге = 1,0);

2. - коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы

(по табл.8.21 с 396);

3. - коэффициент, учитывающий форму сечения ярма;

_4. - коэффициент, учитывающий влияние прессовки стержней и ярм при сборке магнитопровода

(для мощностей от 1000 до 6300 кВ^.А);

5. - коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма;

6. - коэффициенты, учитывающие увеличение намагничивающей мощности соответственно в косом и прямом стыках магнитной системы.

(по табл. 8.19 с 394);

7. - коэффициент, учитывающий сочетание косых и прямых стыков (косые стыки в четырёх углах, прямые - в двух углах

(по табл.8.20 с 395).

Полная намагничивающая мощность трансформатора:

[1,18·1(5.55 ·1249+2.747 ·1064-4·2.747 ·122.8+

+(5.55+2.747)/2·33,66·1,21·122.8)+33000*0.0637]·1·1,08·1,05=41529 ВА.

Активная составляющая тока холостого хода:

где, Р_х - потери холостого хода, Вт;

S_н - номинальная мощность, кВА.

Реактивная составляющая тока холостого хода:

%

Ток холостого хода:

что на ниже заданного, но допустимо рамками

6. Тепловой расчет трансформатора

Во время работы трансформатора в его активных материалах - металле обмоток и стали магнитной системы - возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. Обмотки и магнитная система начинают нагреваться, постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой - трансформаторным маслом или воздухом. С появлением температурного перепада происходит теплоотдача от активных материалов к окружающей среде.

6.1 Проверочный тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры

Обмотка ВН

где - толщина изоляции провода на одну сторону, ?=0,25·10^-3м

-теплопроводность изоляции провода (электроизоляционного картона), =0,17 Вт/(м) (по табл.9.1 с 424)

Обмотка НН

Перепад температуры на поверхности обмоток

Обмотка ВН

где k₁ = 1 - для естественного масляного охлаждения;

k₂ = 1 - для наружной обмотки ВН;

k₃ = 1.05 - по таблице 9.3 с428 для

Обмотка НН

где k₁ = 1 - для естественного масляного охлаждения;

k₂ = 1,1 - для внутренней обмотки НН;

k₃ = 0,8 - по таблице 9.3 для .

Полный средний перепад температур

Обмотка ВН

Обмотка НН

6.2 Тепловой расчет бака трансформатора

Бак трехфазного масляного трансформатора с плоской магнитной системой представляет собой стальной резервуар овальной формы. Размеры бака зависят от размеров активной части трансформатора, класса напряжения и места размещения переключателя.

Минимальная ширина бака

Изоляционные расстояния:

s₁=2см - расстояние от стенки бака

s₂=1.7см - расстояние от прессующей балки ярма

s₃=3.3см - расстояние от стенки бака

s₄=2.0 см - расстояние от обмотки

В=0,513+(20+17+20+33+20+10)10^-3=0,633 м

Минимальная длина бака

где С- расстояние между осями стержней магнитопровода,

-внешний диаметр обмотки ВН,

S₅=s₃+d₂+s₄=33+10+20=63мм=0,063

Высота активной части

где =0,705- высота стержня магнитопровода, см;

h_я=a_1я=0,24 м- высота ярма магнитной системы;

- толщина прокладки под нижнее ярмо (=3-5 см).

Глубина бака

где Н_я.к.=160мм=0,16м - расстояние от верхнего ярма, до крышки бака (по табл.9.5 с 431).

Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми трубами по рис.9.16. По табл. 9.9 находим:

А_р=1400 мм - расстояние между осями фланцев;

П_тр=4,333 м² - поверхность конвекции труб;

П_к.к=0,34 м² - поверхность конвекции двух коллекторов.

Масса стали=53,94

Масса масла=46

Для установки этих радиаторов глубина бака:

где с₁ и с₂- расстояние осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака по табл. 9.9.

Основными конструктивными элементами бака являются дно и вертикальная стенка, приваренная к дну. К верхнему торцу стенки приваривается рама, которая охватывает весь бак по периметру, и к ней болтами крепится крышка бака.

Рисунок 6.1 - размеры бака

Толщина стенок бака дана при условии, что стенки бака дополнительно усиливаются вертикальными или горизонтальными балками жесткости, представляющими собой швеллеры, приваренные полками к стенке на определенном расстоянии друг от друга. В трансформаторах III...IV габаритов применяют также усиление крепления верхней рамы за счет косынок, которые привариваются к раме и к стенке бака.

Рисунок 6.2-Бак трансформатора

К дну бака для его усиления привариваются швеллеры, в которых устанавливаются катки, если масса трансформатора больше 800 кг. Швеллеры с катками образуют тележку.

Для подъема трансформатора к стенке бака приваривают четыре подъемных крюка.

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки ВН

Среднее превышение температуры масла в верхних слоях

Среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха, принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака и запас

Поверхность конвекции гладкой стенки бака

Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами по (6.35)

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения по (9.30)

Поверхность конвекции составляется из:

поверхности гладкого бака поверхности крышки бака



Поверхность конвекции радиаторов

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки (по табл. 9.6)

Необходимое число радиаторов

Принимаем 30 радиаторов

Поверхность конвекции бака

6.3 Определение превышений температуры обмоток и масла над воздухом

Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом



Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над стенкой бака

Превышение температуры масла в верхних слоях над окружающим воздухом

Превышение средней температуры обмоток над окружающим воздухом

Для ВН:

Для НН:

6.4 Определение веса масла и размера расширителя

Внутренний объем бака

Объем активной части трансформатора

Объем масла в баке

Масса масла в баке

объем расширителя

Заключение

Таблица 1

	Спроектировано	Стандартный трансформатор ТМ-4000/10
Номинальная мощность, кВ•А	4000	4000
Номинальное напряжение, кВ	10/6,3	10/6,3
Потери, кВт
- ХХ	6,49	5,2
- КЗ	31,64	33,5
Напряжение КЗ, %	6,85	7,5
Ток ХХ, %	1,047	0,9

Вывод: Спроектированный трансформатор отличается от стандартного трансформатора типа ТМ-4000/10 в пределах допустимых значений установленных ГОСТ 11677-75, что допустимо.

Библиографический список

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов / П.М. Тихомиров - 5-е изд.-Москва: Энергоатомиздат, 1986.

2. Справочник по проектированию электроснабжения. Под. ред. Ю.Г. Барыбина и др. - М.: Энергоатомиздат, 1990 (Электроустановки промышленных предприятий) Под. общ. ред. Ю.Н. Тищенко и др.

Размещено на Allbest.ru