Проектирование силового трехфазного трансформатора

Задание

Спроектировать силовой трёхфазный трансформатор по следующим техническим данным:

Тип трансформатора: ТМН - 6300/35

Номинальная мощность: S_н = 6300 кВА

Число фаз: m = 3

Частота: f = 50 Гц

Высокое напряжение: 35±(4·2,5%) кВ

Материал обмотки ВН: Алюминий

Низкое напряжение: 6,3 кВ

Материал обмотки НН: Алюминий

Схема и группа соединений: Y/Y-0

Способ охлаждения: масляное

Установка: наружная

Напряжение короткого замыкания: U_к=7,5%

Потери короткого замыкания: P_к= 46,5 кВт

Ток холостого хода: I_о=0,8%

Потери холостого хода: P_о= 7,6 кВт

Способ регулирования напряжения РПН

Класс изоляции: В

Характер нагрузки: длительная

Содержание

Введение

Расчет исходных данных

Расчёт основных коэффициентов

Определение основных размеров

Расчёт обмоток НН

Расчёт обмоток ВН

Расчёт параметров короткого замыкания

Расчёт магнитной системы трансформатора

Расчёт потерь холостого хода

Расчёт тока холостого хода

Тепловой расчёт обмоток

Тепловой расчёт бака

Определение массы масла

Описание конструкции трансформатора

Вывод

Литература

Спецификация

Введение

Трансформаторы - это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка-вторичной. Обычно все величины, относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся к вторичной-индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I₁ имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока I_Ом, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф₁ сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов.

Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего - является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий, возникающих при внезапных коротких замыканиях, наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.

1. Расчёт исходных данных

Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

1.1. Мощность одной фазы и одного стержня:

S_ф = S/m = 6300/3 = 2100 кВА

S' = S/c = 6300/3 = 2100 кВА

где: m - число фаз,

с - число активных стержней трансформатора.

1.2. Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I₂=== 104 А

НН: I₁= = = 577 А

1.3. Фазные токи обмоток (звезда/звезда-0):

ВН: I_ф2 = I₂ = 104 А

НН: I_ф1 = I₁ = 577 А

1.4. Фазные напряжения обмоток:

ВН: U_ф2 = U_н2/ = 35000/= 20200 В

НН: U_ф1 = U_н1/ =6300/=3640 В

1.5. Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1:

ВН: U_исп.2 = 85 кВ

НН: U_исп.1 = 25 кВ

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 104 А - катушечная непрерывная.

Обмотка НН при напряжении 6,3 кВ и токе 577 А - катушечная непрерывная.

1.6. Определение исходных данных расчёта:

1.6.1. Мощность обмоток одного стержня:

S' = 2100 кВА

1.6.2. Для испытательного напряжения обмотки ВН, U_исп.2 = 85 кВ по таблице 4.5 находим изоляционные расстояния:

a₁₂ = 35 мм; l₀₂ = 75 мм; l₀₂ = 120 мм ;

l_ц2 = 50 мм д₁₂ = 5 мм a₂₂ = 30 мм

l₀₂ принимаем увеличенным на 45 мм для размещения прессующих колец

Для обмотки НН, U_исп.1 = 25 кВ (по таблице 4.4)

a₀₁ = 18 мм; l₀₁= 75 мм

1.6.3. Ширина приведённого канала рассеивания:

a_p = a₁₂ + (a₁ +a₂)/3

(a₁ +a₂)/3 = 1,25·K·10^-2,

где K=0,48 (из табл. 3.3, примечание 1),

(a₁ +a₂)/3 = 1,1·1,25·0,48· = 0,0447 м

а_р = а₁₂ + (a₁+a₂)/3 = 0,035 + 0,0447 = 0,0797 м

1.6.4.Активная составляющая напряжения короткого замыкания (по 3-9):

U_а = P_к/10S = 46500/(10·6300) = 0,738 %

Реактивная составляющая:

U_р= = = 7,46 %

1.6.5.Согласно параграфу 2.2 выбираем плоскую трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.1.

Рис. 1 Схема плоской магнитной системы трансформатора.

Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм - стальными полубандажами. Материал магнитной системы - холоднокатанная текстурованная рулонная сталь марки 3405 толщиной 0,30 мм.

Индукция в стержне В_с = 1,48 Тл. В сечении стержня 9 ступеней, коэффициент заполнения круга К_кр = 0,913, изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, К_з = 0,96 (по таб.2,2), коэффициент заполнения сталью

k_c =К_кр·К_з = 0,913·0,96 = 0,876.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 7, коэффициент усиления ярма k_я = 1,025

индукция в ярме:

В_я = В_с/К_я = 1,48/1,025 = 1,44 Тл

Число зазоров магнитной системы на косом стыке 4, на прямом 3.

Индукция в зазоре на прямом стыке:

В_з^?? = В_с = 1,48 Тл

на косом стыке:

В_з^? = В_с/= 1,48/ = 1,05 Тл

Удельные потери в стали р_с = 0,943 Вт/кг, р_я = 0,869 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность q_c = 1,161 ВА/кг, q_я = 1,289 ВА/кг,

Для зазоров на прямых стыках q_з^?? =12880 ВА/м²,

Для зазора на косых стыках q₃^? = 1600 ВА/м².

По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, к_д = 0,85 и по таблице 3.4 и 3.5 находим постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток

a = 1,06·1,4=1,484

b = 1,25·1,2·0,28=0,42

Принимаем К_р = 0,95.

Диапазон изменения от 1,2 до 3,0 (по таб.12.1)

2. Расчёт основных коэффициентов.

По (3-30) находим:

А = 0,507 = 0,507 = 0,36

По (3-35):

A₁= кг

По (3-36):

A₂= кг

м

По (3-43):



кг

е = 0,41;

кг

По (3-52) для частоты 50 Гц:

K₀ = 1,2·10^-2

С₁ = K₀ = кг

По (3-65):

МПа

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением (3-55):



по таблице (3-7) - K_oc = 2,36;K_ир = 1,13 (для алюминиевого провода)

Получим:

X⁵+BX⁴-CX-D=0; X⁵ + 0,166X⁴ - 0,49X - 0,93 = 0

Решением этого уравнения является: в = 1,25

Находим предельные значения в по допустимым значениям плотности тока Д и растягивающим механическим напряжением у_р:

По (3-61¹):

По (3-66):

Масса одного угла магнитной системы:

По (3-45¹):



Активное сечение стержня:

По (3-59):

Площадь зазора на прямом стыке:

на косом стыке:

Потери холостого хода по формуле (8-32):

где: К_пд = 1,15 (по таблице 8-14.) - коэффициент, учитывающий добавочные потери, вызванные резкой стали, снятием заусенцев, прессовкой магнитной системы и перешихтовкой верхнего ярма, а также потери в зоне зазора.

К_пу = 10,64 (по таблице 8-13) - коэффициент увеличения потерь в углах

Намагничивающая мощность по формуле (8-44):

где: k_тд' = k_тр·k_тз = 1,2 и

k_тд^” = k_тя·k_тп·k_тш = 1,07

k_т,у = 41,06 (по таблице 8-20)

k_тпл = 1,35 (по таблице 8-21)

Предварительный расчет трансформатора ТМ-2500/35 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

в	1,2	1,3	1,4	1,8	2,2
	1,047	1,068	1,088	1,158	1,218
	1,095	1,14	1,183	1,342	1,483
	1,146	1,217	1,287	1,554	1,806
A1/x = 3430/x	3280	3210	3150	2960	2820
A2x2 = 399x2	437	455	472	535	592
Gc = A1/x + A2x2	3720	3670	3620	3495	3410
B1x3 = 2330x3	2670	2840	3000	3620	4210
B2x2 = 182x2	199	208	215	244	270
Gя=B1x3+B2x2	2870	3050	3215	3860	4480
Gст=Gc+Gz	6590	6720	6835	7360	7890
Gу = 206x3	236	251	265	320	372
1,08Gc	4020	3960	3910	3770	3680
0,999GЯ	2870	3050	3215	3860	4480
4,99Gу	1180	1250	1320	1600	1860
Px=1,08Gc+0,999Gя+4,99Gу	8070	8260	8440	9230	10000
Пc = 0,0891x2	0,0976	0,102	0,105	0,12	0,132
1,49Gc	5540	5470	5390	5210	5080
1,39Gя	3990	4240	4470	5370	6230
71,5Gу	16900	17900	18900	22900	26600
4120x2	4510	4700	4870	5530	6110
Qx	30900	32300	33600	39000	44000
i0р = Qx/10S, %	0,49	0,513	0,533	0,619	0,698
G0 = C1/x2 = 1220/x2	1110	1070	1030	909	823
1,03G0	1140	1100	1060	936	848
1,1·1,03G0 = Gпр	1260	1210	1170	1030	932
kocGпр = 2,36Gпр	2970	2860	2750	2430	2200
Cач' = kocGпр + Gст	9560	9600	9590	9790	10100
	1,67·106	1,7·106	1,73·106	1,85·106	1,94·106
	13,4	14,2	15,1	18,2	21,1
D = Ax = 0,36x	0,377	0,384	0,392	0,417	0,438
d12 = ad = 1,484d	0,559	0,57	0,582	0,619	0,65
	1,46	1,38	1,31	1,08	0,928
C = d12 + a12 + bd + a22	0,782	0,796	0,812	0,859	0,899

Результаты расчётов, приведённые в таблице, показаны в виде графиков.

3. Определение основных размеров.

С учётом заданных критериев выбираем значение в = 1,3

3.1. Диаметр стержня:

м,

примем диаметр стержня d = 0,36 м

3.2. Активное сечение стержня:

м²,

3.3. Средний диаметр обмоток:

d₁₂ = 1,484·d = 1,484·0,36 = 0,534 м.

3.4. Высота обмоток:

l = d₁₂/ = 3,14·0,534/1,3 = 1,29 м

3.5. Высота стержня:

l_c = l + 2l₀ = 1,29+2·97,5·10^-3 = 1,485 м

3.6. Расстояние между осями стержней:

С = d₁₂+a₁₂+bd+a₂₂ = 0,534+0,035+0,42·0,36+0,03 = 0,75 м

3.7. ЭДС одного витка предварительно:

u_в = 4,44fП_СВ_С = 4,44·50·1,48·0,0892 = 29,31 В

3.8. Масса стали

G_ст = 6720 кг

3.9. Масса металла обмоток

G₀ = 1070 кг

3.10. Масса провода

G_пр = 1210 кг

3.11. Плотность тока

J = 1,7·10⁶ A/м²

3.12. Механическое напряжение в обмотках

у_р = 14,2 МПа

3.13. Потери и ток ХХ

P₀ = 8260 Вт

i₀ = 0,513 %

4. Расчёт обмоток НН.

4.1. Число витков обмотки НН:

витков

В предварительном расчёте потери хх Р₀ для выбранного варианта диаметра d = 0,36 м оказались выше заданного значения (8260 Вт вместо 7600 Вт). Для уменьшения Р₀ принимаем число витков щ₁ = 125, что приведёт к некоторому снижению расчётной индукции В_с и уменьшению потерь хх за счёт некоторого увеличения массы металла обмоток.

4.2. ЭДС одного витка U_в = U_ф1/₁ = 3640/125 = 29,2 В

4.3. Действительная индукция в стержне:

Тл

4.4. Средняя плотность тока:

А/м²

4.5. Сечение витка ориентировочно:

мм²

По таблице 5.8 по мощности 6300 кВА, току обмотки одного стержня 577 А, сечению витка 365,2·10^-6 м² и номинальному напряжению обмотки 6300 В - выбираем конструкцию непрерывной катушечной обмотки.

4.6. Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q = 1400 Вт/м²:

м

где: к_з = 1

4.7. По таблице (5-2) по сечению витка выбираем 4 параллельных провода АПБ сечением 94,3 мм²:

АПБ·4·

4.8. Принятое сечение провода:

П₁^?? = 94,3 мм²

4.9. Полное сечение витка:

П₁ = n_в1·П₁^??·10^-6 = 4·94,3·10^-6 = 377,2·10^-6 м²

4.10. Полученная плотность тока:

J₁ = I₁/П₁ = 577/377,2·10^-6 = 1,53·10⁶ А/м²

Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по 5 мм между всеми катушками. Осевой размер катушки 17,5 мм.

4.11. Число катушек на стержне ориентировочно:

катушек

4.12. Число витков в катушке ориентировочно:

витков

4.13. Общее распределение витков по катушкам в каждой группе

56 катушек А по витка

8 катушек Б по витка

всего 64 катушки 125

Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты по рисунку, приведённому ниже:

Обмотка наматывается на 24-х рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размерами O360/368?1520 мм с прокладками между катушками шириной по 40 мм и длиной 55 мм.

4.14. Осевой размер обмотки:

;

м;

4.15. Радиальный размер обмотки:

м;

4.16. Внутренний диаметр обмотки:

м

Наружный диаметр обмотки:

м

4.17. Масса метала обмотки НН по (7-7):

G₀₁ = 8,47·10³·c·D_ср·w₁·П₁ = 8,47·10³·3·0,445·125·377,2·10^-6 = 533 кг

Масса провода в изоляции по таблице (5-5):

G_пр1 = 533 + 533·(1,5·3,3)% =559,4 кг

5. Расчёт обмотки ВН

5.1. Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении (по 6-27):

_H2 = ₁ = 125· = 693,6 ? 694 витка

5.2. Число витков на одной ступени регулирования:

_р = = 17,4 ? 18 витков

Для 8 ступеней регулирования имеем:

Напряжение, В	Число витков на ответвлениях
38500	694 + 4·18 = 766
37625	694 + 3·18 = 748
36750	694 + 2·18 = 730
35875	694 + 1·18 = 712
35000	694
34125	694 - 1·18 = 676
33250	694 - 2·18 = 658
32375	694 - 3·18 = 640
31500	694 - 4·18 = 622

5.3. Ориентировочная плотность тока:

А/м²

5.4. Ориентировочное сечение витка

Пґ₂ мм²

По таблице 5-8 выбираем непрерывную катушечную обмотку (S = 6300 кВ·А, I₂ = 104 A, U_н2 = 35000 В, П₂^? = 63,8 мм²)

5.5. Выбираем провод по таблице (5-3):

АПБ?1? сечением П₂^?? = 65,6 мм²

5.6. Полное сечение витка:

м²

5.7. Плотность тока в обмотке:

А/м²

По формуле (5-7) находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q = 1400 Вт/м

мм

Выбранное значение удовлетворяет данному условию

Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по 5 мм между всеми катушками. Две крайние катушки вверху и внизу отделены каналами по 7,5 мм. Канал в месте разрыва обмотки h_кр = 12 мм.

Размер провода в катушках с усиленной изоляцией 6,25?15,5 мм. Осевой размер основных катушек b? = 14,5 мм

5.8. Число катушек на стержне ориентировочно:

катушек

5.9. Число витков в катушке ориентировочно:

витка

5.10. Общее распределение витков по катушкам

48 основных катушек В по витка 502

8 основных катушек Г по витка 84

12 регулировочных катушек Д по 12 витков 144

4 катушки с усиленной изоляцией Е по 9 витков 36

всего 72 катушки 766

Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты по рисунку, приведённому ниже:

Обмотка наматывается на 24-х рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размерами O520/530?1520 мм с прокладками между катушками шириной по 40 мм и длиной 55 мм.

5.11. Осевой размер обмотки:

;

м;



Данные катушек приведены в таблице:

Данные	Условные обозначения	Всего
	В	Г	Д	Е
Назначение катушки	Основная	Основная	Регули-ровочная	С уси-ленной изоля-цией	-
Катушек на стержень	48	8	12	4	72
Число витков в катушке			12	9	-
Всего	502	84	144	36	766
Размеры провода: без изоляции, мм с изоляцией, мм	4,75?14 5,25?14,5	4,75?14 6,25?15,5	- -
Сечение витка, мм	65,6	65,6	65,6	65,6	65,6
Плотность тока, МА/м2	1,58	1,58	1,58	1,58	1,58
Размер, мм: радиальный осевой	57,8 14,5	57,8 14,5	63 14,5	56,3 15,5	63 1410
Масса провода, кг: без изоляции, мм с изоляцией, мм	520,5 546,3	87 91,3	150,5 158	37,3 43,8	795,3 839,4
kиз по табл. 5.5	1,0495	1,0495	1,0495	1,17325	-
Диаметры, м: Внутренний Внешний	0,564 0,68	0,564 0,68	0,564 0,69	0,564 0,68	0,564 0,69

По испытательному напряжению U_исп = 85 кВ и мощности трансформатора S = 6300 кВ·А по таблице 4-5 находим:

Канал между обмотками ВН и ВН а^?₁₂ = 35 мм;

Толщина цилиндра д^?₁₂ = 5 мм;

Выступ цилиндра за высоту обмотки l^?_ц2 = 50 мм;

Между обмотками ВН двух соседних стержней а^?₂₂ = 30 мм;

Толщина междуфазной перегородки д^?₂₂ = 3 мм;

Расстояние обмотки ВН до прессующего кольца l^?₀₂ = 75 мм;

Высота прессующего устройства l_п = 20 мм;

Расстояние от прессующего устройства до ярма l^?_п = 25 мм;

5.12. Масса металла обмотки ВН:

G₀₂ = 8,47·c·D_ср·w₂·П₂ = 8,47·10³·3·0,627·766·65,6·10^-6·= 795,3 кг

5.13.Масса провода в обмотке ВН с изоляцией (по таблице 5-5):

G_{пр 2} = 795,3+795,3·(1,5·3,3)% = 839,4 кг

5.14 Масса металла двух обмоток6

G₀ = G₀₁ + G₀₂ = 533 + 795,3 = 1328,3 кг;

5.15. Масса провода обмоток НН и ВН:

G_пр = G_пр1 + G_пр2 = 559,4 + 839,4 = 1398,8 кг

6. Расчёт параметров короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установленной в одной из обмоток тока, соответствующего его номинальной мощности при замкнутой накоротко второй обмотки.

Потери короткого замыкания согласно § 7.1:

6.1. Основные потери в обмотках:

Обмотка НН:

Вт;

Обмотка ВН:

Вт;

6.2. Добавочные потери в обмотке:

Обмотка НН (по 7-15'):

;

Обмотка ВН (по 7-15):

;

Катушки В,Г:

Катушки Д:

Катушки Е:

6.3. Основные потери в отводах рассчитываются следующим образом:

Для схемы соединения звезда отводы ВН и НН имеют одинаковую длину.

Длина отводов определяется приближённо по (7-21):

l_отв1 = 7,5·l₁ = 7,5 1,42 = 10,65 м

6.3.1. Масса отводов НН: (при плотности меди отводов = 2700 кг/м³)

G_отв1 = l_отв1.·П_отв·· = 10,65·377,2·10^-6·2700 = 10,8 кг

Потери в отводах НН по (7-24):

(при k = 12,75)

Р_отв1 = k·J₁²·G_отв1 = 12,75·10^-12·1,53²·10¹²·10,8 = 322 Вт

Длина отводов ВН определяется приближённо по (7-21):

l_отв2 = 7,5·l₂ = 7,5 1,41 = 10,58 м

6.3.2. Масса отводов ВН: (при плотности меди отводов = 2700 кг/м³)

G_отв2 = l_отв2·П_отв2· = 10,58·65,6·10^-6·2700 = 1,87 кг

Потери в отводах ВН:

(при k = 12,75)

Р_отв.2 = k J ₂²·G_отв2 = 12,75·10^-12·1,58²·10¹²·1,87 =59,5 Вт

6.4. Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближённо, по (7-25) и таблице (7-1):

Р_б = 10kS = 10·0,04·6300 = 2520 Вт

k = 0,04

6.5. Полные потери короткого замыкания:

Р_к = Р_осн1·k_д1 + УР_осн2·k_д2 + Р_отв1 + Р_отв2 + Р_б;

Р_к = 15908·1,128 + 16567·1,11 + 2769·1,11 + 4790·1,13 + 1187·1,07+

+ 322+59,5 + 2520 = 48991 Вт,

или % заданного значения

6.6. Напряжение короткого замыкания рассчитывается согласно параграфу 7.2:

Активная составляющая:

u_а = = = 0,78 %

Реактивная составляющая:

где: f = 50 Гц, S?= 2100 кВА,

;

м

,

%

Напряжение короткого замыкания:

u_к = %

или % заданного значения

6.7. Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН:

S_k = 2500·10³

6.8. Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

i_к.max = 1,41k_max ·I_к.у.;

при U_р/U_a = 7,13/0,74 = 9,64 по таблице 7-3 к_max·= 2,43

i_к.max = 2,43·1280 = 3110 А

6.9. Радиальная сила:

F_p = 0,628·(i_к.max ·w)²··k_p·10^-6 = 0,628·(3110·694)²·1,14·0,96· 10^-6 =

=3202000 Н

6.10. Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН:

МПа

6.11. Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН:

МПа

6.12. Осевые силы:

Н

;

l_х = 246 мм

m = 4

После установления размеров бака l” = 260 мм

мм

Н

6.13. Максимальные сжимающие силы в обмотках

F_сж1 = F_ос^? + F_ос^?? = 78900+789000 = 867900 Н

F_сж2 = F_ос^?? - F_ос^? = 789000 - 78900= 710100 Н

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН, где F_сж1 = 867900 Н

6.14. Напряжение сжатия на междувитковых прокладках

;

n = 24 - число прокладок по окружности обмотки;

а = 48,8·10^-3 м - радиальный размер обмотки НН;

b = 40·10^-3 м - ширина прокладки.

Мпа,

что ниже допустимого значения 20 МПа

6.15. Температура обмотки через t_к = 4 сек. после возникновения короткого замыкания по (7-54'):

 С

По таблице (7-5) допустимая температура 200 С

Время достижения температуры 200 С для обмоток

c.

7. Расчёт магнитной системы трансформатора

Определение размеров магнитной системы и массы стали по параграфу 8-1.

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм по рис 4.

Способ прессовки стержней - бандажами из стеклоленты ярма прессуются балками, стянутыми стальными бандажами. Обмотки прессуются прессующими кольцами.

Сечение стержня с 9-ю ступенями без прессующей пластины, размеры пакетов по таблице 8-4. Сечение ярма повторяет сечение стержня, три последних пакета ярма объединены в один с шириной пластины 195 мм и толщиной 25 мм; в ярме 7 ступеней. В стержне и ярме 1 продольный канал шириной 3 мм

7.1. Размеры пакетов в одной половине сечения стержня при 9 ступенях:

Номер пакета	Ширина пакета, мм	Толщина пакета, мм
1	350	42
2	325	35
3	295	26
4	270	16
5	250	10
6	230	9
7	195	13
8	155	9
9	135	7

7.2. По табл. 8-7:

Полное сечение стержня: П_ф.с = 929,2 см²;

Активное сечение: П_с = k_з·П_ф.с = 0,96·929,2 = 892 см²

7.3. Размеры пакетов ярма:

Номер пакета	Ширина пакета, мм	Толщина пакета, мм
1	350	42
2	325	35
3	295	26
4	270	16
5	250	10
6	230	9
7	195	29

7.4. Полное сечение ярма по таблице (8-7): П_ф.я = 948,8 см²;

Активное сечение ярма: П_я = k_з·П_ф.я = 0,96·948,8 = 911 см²

7.5. Ширина ярма:

мм

7.6. Длина стержня при наличии нажимного кольца

l_с = [l+(l₀^?+ l₀^??)]·10^-3 = [1420+75+120]·10^-3 = 1,615 ? 1,62 м

7.7. Расстояние между осями соседних стержней:

С = D₂^?? + a₂₂ = 0,6795 + 0,03 = 0,7095 м

7.8. Объём стали угла магнитной системы по таблице 8-7;

V_у = 27944 см³ - объём угла магнитной системы

7.9. Масса стали угла магнитной системы

кг, где

= 7650 кг/м³ - плотность холоднокатаной стали.

7.10. Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:

G_с^? = с·П_с·l_c· = 3·892·10^-4·1,615·7650 = 3306 кг

7.11. Масса стали в местах стыка пакетов стержней ярма:

G_с^??= с·(П_с·а_1я·_ст ·10^-3 - G_у) = 3 (892·10^-4·350·7650·10^-3 - 205,2) = 101 кг

7.12. Масса стали стержней:

G_с = G_с^? + G_с^?? = 3306 + 101 = 3407 кг;

7.13. Масса стали в ярмах:

G_я^? = 2·(с - 1) ·С·П_с·_ст =2· (3 - 1) ·0,7095·911·10^-4·7650 = 1978 кг;

G_я^?? = 2·G_у =2·205,2 = 410,4 кг;

G_я= G_я^? + G_я^?? = 1978 + 410,4 = 2388,4 кг

7.14. Общая масса стали:

G_ст = G_я + G_с = 3407 + 2388,4 = 5795 кг

8. Расчёт потерь холостого хода.

Расчёт потерь холостого хода производим по параграфу 8.2

8.1. Индукция в стержне:

В_с = = =1,47 Тл

8.2. Индукция в ярме:

В_я = = =1,44 Тл

8.3. Индукция на косом стыке

В_кос. = = = 1,04 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

П_кос = м²

8.4. Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по таблице (8-10):

При В_с = 1,47 Тл, р_с = 0,93 Вт/кг; р_зс = 814 Вт/м²

При В_я = 1,44 Тл, р_я = 0,869 Вт/кг; р_зя = 778 Вт/м²

При В_кос. = 1,04 Тл, р_кос = 387 Вт/ м²

Потери хх:

,

где: k_пр = 1,05, k_пп = 1,03, k_тп = 1,05, k_пя = 1,

k_пз = 1, k_пш = 1,05, k_пу = 10,64;

Вт,

или % заданного значения.

9. Расчёт тока холостого хода

Расчёт тока холостого хода производим по параграфу 8.3.

По таблице (8-11) находим удельные намагничивающие мощности:

При В_с = 1,47 Тл, q_с = 1,142 ВA/кг; q_зс = 12420 ВA/м²

При В_я = 1,44 Тл, q_я = 1,082 ВA/кг; q_зя = 11040 ВА/м²

При В_кос. = 1,04 Тл, q_кос = 1600 ВА/ м²

9.1. Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления используем (8-43), в котором по параграфу 8.3 принимаем коэффициенты:



k_тр = 1,18; k _тз = 1,0; k _тя = 1,0; k _тп = 1,05;

k _тш = 1,08; k _ту= 40,74; k _тпл = 1,24,

ВА

9.2. Ток холостого хода

i₀ = = 0,42 %,

или % заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода:

i_0а = = 0,12 %

Реактивная составляющая тока холостого хода:

i_0р = = 0,402 %

Ток холостого хода:

А;

 А;

А;

9.3. КПД трансформатора:

;

%

10. Тепловой расчёт обмоток

Поверочный тепловой расчёт обмоток

10.1. Плотность теплового потока на поверхности обмоток

обмотка НН:

Вт/м²

обмотка ВН (основные катушки):

Вт/м²

10.2. Внутренний перепад:

обмотка ВН (основные катушки):

;

мм - толщина изоляции провода на одну сторону

Вт/(м°С) - бумага кабельная в масле

°С;

обмотка НН:

°С;

10.3. Перепады температуры на поверхности обмоток:

обмотка НН:

,

к₁ = 1, к₂ = 1,1

по таблице (9-1)

°С;

обмотка ВН:

к₁ = 1, к₂ = 1

°С;

10.4. Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

обмотка НН

°С;

обмотка ВН

°С;

11. Тепловой расчёт бака

Тепловой расчёт бака проводится согласно параграфу 9.6.

По таблице (9-4) в соответствии с мощностью трансформатора S = 6300 кВА выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами и прямыми трубами.

11.1. Изоляционные расстояния:

S₁ = 40 мм (для отвода U_исп=85 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до стенки бака по таблице 4-11);

S₂ = 42 мм (для отвода U_исп=85 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до прессующей балки ярма по таблице 4-11);

S₃ = 25 мм (для отвода U_исп=5 кВ, без покрытия, расстояние до стенки бака по таблице 4-11);

S₄ = 90 мм (для отвода U_исп=до 35 кВ, для отвода U_исп=85 кВ, отвод без покрытия по таблице 4-12);

d₁ = 10 мм, d₂ = 20 мм

11.2. Минимальная ширина бака:

В = D₂^?? + (S₁ + S₂ + d₂ + S₃ + S₄ + d₁)·10^-3;

В =0,69 + (40 + 42 + 20 + 25 + 90 + 10)·10^-3 = 0,917 м

Принимаем В =0,96 м при центральном положении активной части трансформатора в баке.

11.3. Длина бака:

А = 2С+ D₂^??+2·S₅·10^-3;

В некоторых случаях S₅ = S₃+d₁+ S₄ D₂^??+2·S₅·10^-3 ? B;

А = 2С+ B = 2·0,7095+0,96 = 2,379 м;

Принимаем А = 2,4 м.

11.4. Глубина бака:

Н_б = Н_а.ч + Н_я.к.;

Высота активной части:

Н_а.ч. = l_с + 2h_я + n·10^-3;

n = 50 мм - толщина подкладки под нижнее ярмо;

h_я = 0,35 м - высота ярма;

Н_а.ч. = 1,62 + 2·0,35 + 50·10^-3 = 2,37 м;

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по таблице 9-5

Н_я.к = 400 мм;

Н_б = 2,37 + 0,4 = 2,77 м;

Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми тубами с расстоянием между осями фланцев А_р = 2400 мм, с поверхностью труб П_тр = 7,533 м², и двух коллекторов П_кк = 0,34 м² (по таблице 9-9). Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята

Н_б ? А_р + с₁ + с₂ = 2,4 + 0,085 + 0,1 = 2,585 м,

Принимаем Н_б= 2,8 м.

11.5. Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН

°С;

Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет

°С < 60°С;

11.6. Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака °С и запас 2°С, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

°С;

11.7. Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака

м²;

11.8. Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами

м²;

11.9. Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения °С:

м²;

Поверхность излучения составляется из:

поверхности гладкого бока: П_кгл = 18,816 м²

Поверхности крышки бака:

мм²,

где 0,16 - удвоенная ширина верхней рамы бака;

П_ккр·0,5= 2,867·0,5 = 1,434 м²,

0,5 - коэффициент, учитывающий закрытие поверхности крышки вводами и арматурой

11.10. Поверхность конвекции радиаторов

;

мм²

11.11. Поверхность конвекции радиатора, приведённая к поверхности гладкой стенки

; (таблица 9-6) к_р = 1,22, т.к. три ряда труб

;

11.12. Необходимое число радиаторов;

, принимаем 20 радиаторов

м²

11.13. Поверхность конвекции бака

мм²

мм²

Вместо 20 двуряднх радиаторов с расстоянием между осями фланцев А = 2,4 м, принимаем 4 четырехфазных радиатора с расстоянием А = 3 м при этом не уменьшая теплоотдачу конвекции с их поверхности. Число труб в ряду - 10.

Поверхность излучения по рис.

Периметр м

Окончательный расчёт превышения температуры обмоток и масла трансформатора. Среднее превышение температуры стенки над температурой воздуха.

м²

11.13.1. Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха

°С

11.13.2. Среднее превышение температуры масла в близи стенки над температурой внутренней поверхности стенки бака:

°С

11.13.3. Превышение средней температуры масла над температурой воздуха

°С

11.13.4. Превышение средней температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

И_М,В,В =k·И_М,В, =1,2·44,2=53,04 ?C < 60 ?C

И_0В < 60 ?C

11.13.5. Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха

обмотка НН: °С < 65 °С

обмотка ВН: °С < 65 °С

Превышения температуры масла в верхних слоях И_М,В,В < 60 ?C и обмоток И_0В < 65 ?C лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ - 11677-85

12. Определение массы масла

12.1. Объём бака

м³

12.2. Объём активной части

м³, где г = 5300 кг/м³

12.3. Объём масла в баке

м³

12.4. Масса масла в баке

кг

12.5. Масса масла в радиаторах

кг

12.6. Общая масса масла

кг

13. Описание конструкции трансформатора

Разработанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 состоит из следующих основных компонентов:

Магнитная система. Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405, 0,30 мм.

Обмотки НН и ВН. Выбрана конструкция непрерывной катушечной обмотки.

Бак. Выбрана конструкция гладкого бака с навесными радиаторами с прямыми трубами.

Стандартные изделия - вводы НН и ВН, РПН,

Трансформатор установлен на специальной тележке, при помощи которой его можно передвигать в нужном направлении. Перевозка трансформатора осуществляется в собранном виде на нормальных железнодорожных платформах.

Вывод

Рассчитанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 удовлетворяет основным государственным нормам и стандартам. В отличие от трансформатора серийного производства, данный трансформатор обладает следующими параметрами:

Разработанный трансформатор	Серийный трансформатор
Параметр	Значение	Отклонение, %	Параметр	Значение	Отклонение, %
Uk,%	7,87	4,9	Uk, %	7,5	±5
Pk, Вт	48991	+5,4	Pk, Вт	46500	+10
I0, %	0,42	-47,5	I0, %	0,8	+30
Рх, Вт	7413	-2,46	Рх, Вт	7600	+15

Литература

Тихомиров П.М., Расчёт трансформаторов, Энергия, М., 1986 г.

Сергеенков Б.Н., Электрические машины. Трансформаторы, Высшая школа, М., 1989 г.

Сапожников А.В., Конструирование трансформаторов, государственное энергетическое издательство, М.-Л., 1959 г.

Иванов-Смоленский А.В., Электрические машины, Энергия, М., 1980 г.

Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины часть 1, Энергия, Л, 1973 г.

Вольдек А.И., Электрические машины, Энергия, М., 1974 г.

Потишко А.В., Справочник по инженерной графике, Будивельник, Киев, 1983 г.

Александров К.К., Электротехнические чертежи и схемы, Энергоатомиздат, М. 1990 г.

ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения.

ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические требования.

ГОСТ 11920-85 Трансформаторы силовые масленые общего назначения до 35 кВ включительно. Технические условия.