Расчет силового трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

РГП «Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга имени Ш.Е. Есенова»

Кафедра «Энергетика»

Курсовая работа

по дисциплине: Электрические машины

на тему: Расчет силового трансформатора

Студент

Демегенов Ж.М.

Руководитель

Баймуханова А.К.

Содержание

Введение

1. Задачи проекта. Исходные данные

2. Расчетная часть проекта

2.1 Расчет основных электрических величин

2.2 Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров тр-ра

2.3 Расчет обмоток

2.4 Расчет параметров короткого замыкания

2.5 Расчет магнитной системы и характеристик ХХ

2.6 Расчет коэффициента полезного действия при номинальной нагрузке

Использованная литература

Введение

Трансформатор - устройство, предназначенное для изменения величины переменного напряжения, - является практически обязательным структурным элементом источника вторичного электропитания. При наличии первичного источника, вырабатывающего переменное напряжение, трансформатор достаточно часто включается в источник вторичного электропитания в качестве входного элемента. В этом случае трансформатор называется силовым, и его функциональное назначение заключается в преобразовании входной системы переменного напряжения (однофазной или трехфазной) в одну или несколько других систем переменных напряжений, используемых для питания соответствующих потребителей постоянного и переменного тока. В системах питания электронной аппаратуры применяют силовые трансформаторы малой мощности (не более 4 кВ-А для однофазных и 5 кВ-А для трехфазных систем переменного тока). Они в большинстве случаев работают при низких напряжениях на обмотках (до 1кВ), синусоидальной или близкой к синусоидальной форме преобразуемого напряжения и частоте, равной 50 Гц (частота промышленной сети).

Электронная аппаратура, как правило, требует наличия постоянного напряжения питания одного или нескольких уровней. Поэтому в источниках вторичного электропитания силовой трансформатор работает совместно с одним или несколькими выпрямителями - устройствами, преобразующими системы переменных напряжений в постоянные по полярности и пульсирующие по величине (выпрямленные) напряжения. Выпрямители могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Первые реализуются на базе управляемых полупроводниковых вентилей - тиристоров, вторые - на базе неуправляемых вентилей - диодов. Нерегулируемые выпрямители не обеспечивают стабилизацию выходных напряжений. При колебаниях напряжения источника электропитания, а также при изменении тока в любой из нагрузок, получающих питание от силового трансформатора, величина напряжения, снимаемого с нерегулируемого выпрямителя, изменяется.

Вместе с тем, нерегулируемы выпрямители широко применяются в системах питания электронной аппаратуры в случаях, когда отсутствуют жесткие требования со стороны соответствующих потребителей постоянного тока, или, если такие требования есть, когда предусмотрено включение стабилизаторов постоянного напряжения в цепи питания потребителей.

трансформатор электрический замыкание магнитный

1. Задачи проекта. Исходные данные

Задание: Спроектировать трансформатор ТМ-10000 /35.

Исходные данные для расчета:

1. Номинальная мощность 10000кВ*А

2. Обмотка ВН 35 кВ (22,5 %) кВ

3. Обмотка НН 10,5 кВ

4. Схема и группа соединения обмоток «звезда» / «звезда» -12

5. Частота 50 Гц

6. Потери КЗ - Рк 65 кВт

7. Потери ХХ - Рх 14,5 kВт

8. Напряжение КЗ 7,5 %

9. Ток ХХ 0,8 % *Iн.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет основных электрических величин

Мощность одной фазы и одного стержня, кВ*А,

(1.1)

Номинальные линейные токи на сторонах, А,

ВН А

НН А

Фазные токи при соединении обмоток по схеме «звезда» со стороны ВН равны линейным, А

Фазные токи при соединении обмоток по схеме «звезда» со стороны НН равны линейным: А

Фазные напряжения обмоток ВН при соединении «звезда», В,

Фазные напряжения обмоток ВН при соединении «звезда», В,

2.2 Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров тр-ра

Изоляция тр-ра должна выдерживать без повреждений электрические, механические и физико-химические воздействия, которым она подвергается при эксплуатации тр-ра.

Главными задачами при проектировании изоляции тр-ра являются: определение тех воздействий. прежде всего электрических, которым изоляция подвергается в процессе эксплуатации; выбор принципиальной конструкции изоляции и форм изоляционных деталей; выбор изоляционных материалов, заполняющих изоляционные промежутки, и размеров изоляционных промежутков.

Для упрощения расчетов и стандартизации требований, предъявляемых к электрической прочности изоляции готового тр-ра, электрический расчет изоляции производится так, чтобы она могла выдержать приемо-сдаточные испытания, предусмотренные соответствующими нормами.

Таблица 1. Нормы испытательных напряжений (ГОСТ 1516.1-76).

Класс напряжения кВ	Испытательные напряжения
	Приложенное действующее U исп. кВ	импульсное амплитудное (кВ) при волне
		полной	срезанной
3	18	44	50
6	25	60	70
10	35	80	90
15	45	108	120
20	55	130	150
35	85	200	225
110	200	480	550
150	230	550	600
220	325	750	835
330	460	1050	1150
500	630	1550	1650

Испытательное напряжения по таб. 1 для обмотки ВН Uисп. ВН =85 кВ, для обмотки НН Uисп. НН =35 кВ.

Общие производственные требования сводятся к изготовлению тр-ра с наименьшей затратой материалов, труда и наиболее простого по конструкции обеспечивающего соблюдение эксплуатационных требований. Эти требования предъявляемые к тр-ру в целом, в полной мере относятся и к обмоткам. Задачей проектировщика является разумное сочетание интересов эксплуатации и производства. Эта задача решается в значительной степени привыборе того или иного типа обмотки. Поэтому на выбор типа обмотки. наиболее полно отражающей требования эксплуатации и в тоже время простой и дешевой в производстве, следует обращать особое внимание.

Характеристики различных типов обмоток приведены в табл. 2.

Табл.2 Характеристики различных типов обмоток

Тип обмотки

Применение на стороне

Основные достоинства

Основные недостатки

Материал обмотки

Пределы применения, включительно

Число парал. проводо

Схема регулирования U.

по мощности тр-ра S, кВ*А

по току на стержень I, А

по напряжению U, кВ

По сеч. витка П,мм

от

до

Цилиндрическая одно- и двухслойная из прямо угольного пров.

НН

ВН

Простая технология изготовления, хорошее охлаждение.

Малая механическая прочность

Алюминий медь.

до 630

от 15-18 до 800 от 10-13 до 600- 650

до 6 до 6

от 5,04 до 250 от 7,21 до 300

1

4-8

--

Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода

ВН

НН

Хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления.

Уменьшение охлажд. поверхности по срав-ю с обмотками имеющими радиал-е каналы.

630-80000 до 16 000- 25 000

от15-18 до 1000- 1200 от 10-13 до 1000- 1200

10; 35 10;35

5,04-400 7,21-500

1

4-8

рис. 4.12 а,г

Цилиндрическая многослойная из круглого провода

ВН

НН

Простая технология изготовления

Ухудш-е теплоотд.и уменьшение мех. прочности с ростом мощн.

до 630

от 0,3--0.,5 до 80--100 от 2-3 до 125-135

до 35 до 35

0,1134- -42,44 1.;3-50,24

1 1

2 1

рис. 4,12 а,г

Винтовая одно-, двух- и много-ходовая из прямоугольного провода

НН

--

Высокая мех. прочность, надежная изоляция, хорошее охлаждение

Более высокая стоимость в сравнении с цилиндрическими

160 и выше 100 и выше

300 и выше 150-200 и выше

до 35 до 35

75-100 и выше 75-100 и выше

4

12- 16

----

Непрерывная катушечная из прямоугольного провода

ВН

НН

Высокая эл. И мех. прочности, хор. Охл-е

Необх-ть перекладки полов катушек при намотке

160 и выше 100 и выше

15-18 и выше 10-13 и выше

от 3 до 110- 220 от 3 до 110- 220

5,04 и выше 7,21 и выше

1

3-5

рис. 4.12 б,в

Цилиндрическая многослойная и катушечная из алюминиевой фольги.

НН

ВН

Высокая мех. прочность, хорошее заполнение окна магнит. системы

Сложна технол. изготовления обмоток ВН

Алюминий

25-630

1,5-300

до 10

1-120

1

1

---

По приведенной таблице выбираем тип обмотки.

Рис.1. Непрерывная обмотка и ее элементы:

а - двойная дисковая катушка с замковыми прокладками; б - непрерывная обмоткаиз одного параллельного проводника; в - часть катушки непрерывной обмотки с двумя параллельными проводниками; г - переходы в катушках непрерывной обмотки; д - транспозиция проводников непрерывной обмотки.

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 165 А и обмотка НН при напряжении 10,5 кВ и токе 550 А - непрерывные катушечные из прямоугольного провода. Общий вид выбран-ной обмотки и ее элементов представлены на рис.1

Рис.2. Схемы обмоток с регулировочными ответвлениями в обмотке ВН: а - пятью в конце; б - шестью в середине; в - тремя в конце (оборотная); г - магнитно-симметричная; д - магнитно-симметричная с пятью тветвленимями и отдельной регулировочной обмоткой

Для испытательного напряжения обмотки ВН U исп,ВН= 85 кВ по табл. 3 находим изоляционные расстояния :

8см

Таблица 3. Изоляционные расстояния для обмотки ВН.

Мощность тр-ра S, кВ*А	Испытательное напряжение ВН, кВ	ВН от ярма, мм	Между ВН и НН, мм	Выступ цилиндра	Между ВН и ВН
		h02
25-100	18; 25 и 35	20	--	9	2,5	10	8	--
160-630	18; 25 и 35	30	--	9	3	15	10	--
1000-6300	18; 25 и 35	50	--	20	4	20	18	--
630 и выше	45	50	2	20	4	20	18	2
630 и выше	55	50	2	20	5	30	20	3
160-630	85	75	2	27*	5	50	20	3
1000-6300	85	75	2	27	5	50	30	3
10 000 и выше	85	80	3	30	6	50	30	3

Минимальное изоляционное расстояние от обмотки НН до электростатического экрана цилиндрической слоевой обмотки ВН составляет 30 мм, толщина экрана с изоляцией 3 мм. а1 и а2 - радиальные размеры обмоток НН и ВН мм.

На рис. 3. представлены основные размеры тр-ра.



Рис. 3. Основные размеры трансформатора

Для обмотки НН при испытательном напряжении Uисп НН= 35 кВ (найдено из табл. 1..) по табл. 4 определяем расстояние обмотки НН от стержня =2см.

Таблица 4 Изоляционные расстояния для обмотки НН.

Мощность тр-ра S, кВ*А	Испытательное напряжение НН, кВ	Обмотка НН от ярма мм	Обмотка НН от стержня, мм
25-250	5	15	2 * 0,5	--	4	--
400-630	5		2 * 0,5	--	5	--
400-630*	5	То же	4	6	15	18
1000-2500	5	--«--	4	6	15	18
630-1600	18; 25 и 35	--«--	4	6	15	25
2500-6300	18; 25 и 35	--«--	4	8	17,5	25
630 и выше	45	--«--	5	10	20	30
630 и выше	55	--«--	5	13	23	45
Все мощнос-ти	85	--«--	6	19	30	70

Изоляционные промежутки главной изоляции обмоток НН и ВН для испытательных напряжений от 5 кВ до 85 кВ представлены на рис. 4

Рис. 4. Изоляционные промежутки главной изоляции обмоток НН и ВН для испытательных напряжений от 5 кВ до 85 кВ

Расчет основных размеров трансформатора

Определяем диаметр стержня., см,

= 16 *

где: = 3333 кВ*А мощность одной фазы и одного стержня (п.2.1.1);

= 1,2 приближенно равно отношению средней длины витка двух обмоток lВ тр-ра к их высоте H0 и определяет соотношение между шириной и высотой тр-ра,

Рекомендации по выбору отношения основных размеров даны в табл. 5.

Таблица 5. Рекомендуемые пределы варьирования

Вид охлаждения	Металл обмотки	при мощности, кВ*А
		25-63-	1000-6300	10 000-80 000
Масляное	Медь	1,2-3,6	1,5-3,6	1,2-3
Масляное	Алюминий	0,9-3	1,2-3	1.2-3
Воздушное	Медь	1,2-2,7	1,2-2,7	---
Воздушное	Алюминий	0,8-2,1	0,8-2,1	---

ширина приведенного канала рассеяния тр-ра:

Размер канала между обмотками ВН и НН определяется как изоляционный промежуток по испытательному напряжению обмотки ВН Uисп. ВН = 85 кВ.

Изоляционные расстояния: = 3 см; h0 = 8 см; = 3 см.

Для обмотки НН Uисп.НН = 35 кВ изоляционное расстояние: =2 см.

Размеры: а1 и а2, при определении диаметра стержня не известны, поэтому предварительно определяем по формуле:

(а1 + а2) / 3 = kкр *,

где kкр = коэф. канала рассеяния, определяется по табл. 6.

Таблица 6. Значение коэф. kкр для трехфазных двухобмоточных тр-ров с обмотками из алюминиевого провода.

Габарит тр-ра	Мощность S, кВ*А	Класс напряжения
		10 кВ	35 кв
I	до 100	1-0,75	--
II	160 - 1000	0,81-0,65	0,81-0,73
III	1600 - 6300	0,64-0,54	0,67-0,58
IV	свыше 6300	--	0,6-0,56

kкp = 0,6

Размер (а1 + а2) / 3 = kкр * =0,6 *

kp - коэф. приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэф. Роговского) при определении основных размеров тр-ра можно приближенно взять = 0,930,97, принимаем = 0,95.

f = 50 Гц - частота подставляется из задания на расчет тр-ра.

Реактивная составляющая напряжения КЗ, % определяется:

где ua = Pk / 10 * S

Индукция Вс в стержне для рулонной электротехнической стали принимаем по таблице 7.

Таблица 7 Рекомендуемая индукция в стержнях тр-ров, В, Тл.

Марка стали	Мощность трансформатора S, кВ*А
	до 16	25 - 100	160 и более
Масляные трансформаторы
3411, 3412,3413	1,45 - 1.5	1.5 - 1,55	1,55 - 1,6
3404, 3405,3406, 3407,3408	1,5 - 1,55	1,55 - 1,6	1,55 - 1,65
Сухие трансформаторы
3411, 3412,3413	1,35 -1,4	1,4 - 1,45	1,45 - 1,55
3404, 3405,3406, 3407,3408	1,4 - 1,45	1,5 - 1,55	1,5 - 1,6

Принимаем: Вс = 1,65 Тл

Коэф. заполнения сталью кс - отношение активного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным стержню тр-ра, предварительно принимаем = 0,9.

Сечение стержней и ярм (рис. 5.)представляют собой ступенчатые фигуры, симметричные относительно взаимоперпендикулярных осей.

Рис. 5. К определению размеров магнитопровода

Форма сечения ярма повторяет форму сечения стержня, за исключением нескольких крайних пакетов, которые объединяются в один пакет для увеличения опорной поверхности ярмовых балок. В табл. 8.приведены размеры пакетов, одной половины сечений стержней и ярм, начиная с наименьшего. Там, где в сечении стержня и ярма предусмотрен канал, в таблице после размера наименьшего примыкающего к нему пакета добавлен размер этого канала. Слева от черты в табл.8. находятся размеры пакетов стержня, которые в ярме объединяются в один пакет шириной, равной ширине наибольшего объединяемого пакета.

Э.д.с. одного витка обмотки

В

=1058

Таблица 8. Толщина пакетов, см, поперечных сечений и ярм магнитопроводов (нормаль СЭВ).

Диметр стержня, см	Геометрическое сечение стержня, см	Геометриическое сечение ярма, см	Объем угла, дм	Ширина пластин, см.
				4	5,5	6,5	7,5	8,5	9,5	10,5	12	13,5	15,5	17,5	19,5	21,5	23	25	27	29,5	31	32,5	35	36,8	38,5
8	43.3	44.8	0.292	0.5	0.6	0.9	1.4
9	56.7	58.2	0.429	0.5	0.4	00.6	1.0	1.5
10	72	73.2	0.596	0.4	0.4	0.5	0.7	1.0	1.6
11	86.2	89.7	0.79	0.7		0.4	0.6	0.7	1.1	1.6
12,5	112.3	115.3	1.157	0.6		0.7		0.6	0.6	1.6	1.8
14	141.5	144	1.618	0.5		0.7		0.9		1.0	1.7	1.9
16	183.5	188.1	2.42		0.8			0.7		0.7	1.0	2.3	2.0
18	233	238	3.45			0.8			0.9		0.8	1.3	2.5	2.1
20	278	279	4.69							0.5	0.6	1.1	1.5	2.6	2.2
22	342	344	6.32							0.4	0.5	0.9	1.2	1.5	2.8	2.3
24	408	409	8.27								0.5	0.8	0.9	1.2	1.7	1.9	3.4
26	478	484	10.54								0.9		0.8	1.0	1.3	1.3	2.5	3.5
28	556	567	13.28									1.3		0.9	1.1	0.9	1.7	2.6	3.7
30	645	654	16.3									1.2		1.8		0.8	1.3	1.8	3.7	2.8
32	733	744	20.0										1.4		0.8	0.7	1.1	1.4	2.4	2.2	4.0
34	829	837	23.9										1.1		1.4		1.0	1.2	1.9	1.5	1.9	5.0
36	910	917	27.5										0.9		1.3		0.9	1.0	1.6	2.6		3.5	3.9+
																							+0.3
38	1020	1038	32.7										1.5			1.3		2.3		1.0	1.2	2.4	2.7	4.4+
																								+0.3
40	1143	1150	38.5											0.6	0.6	1.2		0.9	1.2	1.9		2.0	1.8	2.4	5.1+
																									+0.3

Определение высоты обмотки, см.

=

где:

а = 1,3 - 1.35 для медного провода;

2.3 Расчет обмоток

Число витков на одну фазу обмотки НН.

где: В. - фазное напряжение обмотки при соединении треугольником;

В - э.д.с. одного витка обмотки.

Уточняем э.д.с. одного витка, В:

В.

Действительная индукция в стержне, Тл:

где: В.

Гц

сечение активной стали сердечника.

Ориентировочное сечение витка, :

где: фазный ток обмотки при соединении треугольником

средняя плотность тока, А по табл.9, принимаем = 1,5 А/для алюминиевого провода.

Табл. 9

Материал обмотки	Масляные трансформаторы	Сухие трансформаторы
	25-40	63-630	1000-6300	10000-16000	25000-80000	10-160/0,5	160-1600/10
						Внутренняя обмотка НН	Наружная обмотка ВН	Внутренняя обмотка НН	Наружная обмотка ВН
Медь	1,8-2,2	2,2-2,8	2,3-2,8	2,2-2,6	2,2-2,6	2,0-1,4	2,2-2,8	2,0-1,2	2,1-2,6
Алюминий	1,2-1,4	1,4-1,8	1,5-1,8	1,2-1,5	---	1,3-0,9	1,3-1,8	1,2-0,8	1,4-1,7

Ориентировочное сечение витка. К этому сечению по табл.10 подбираем подходящее сечение прямоугольного провода. Сечению витка ПВ обычно соответствует несколько близких сечений провода с различным соотношением сторон b/a, что дает возможность широкого выбора при размещении витков в катушке. Для получения более компактной конструкции обмотки рекомендуется выбирать из сортамента более крупные сечения с большим возможным размером b. При этом должны быть соблюдены следующие требования:

1) общая высота (осевой размер) обмотки после сушки и опрессовки должны совпадать с высотой обмотки НН, ;

2) регулировочные витки и витки с усиленной изоляцией должны быть уложены в отдельные катушки;

3) общее число катушек должно быть четным;

4) число витков в катушке должно быть целым или дробным, при дробном числе знаменателем дроби должно быть число реек по окружности обмотки.

Выбранные размеры записываются следующим образом (изоляция на две стороны 0,5 мм):

=

где: = 2 количество проводов в витке, принимается не более 4-6;

a; b - размеры провода по стороне а и b без изоляции, соответственно 3,55 и 16 мм;

; -- размеры провода по стороне а и b в изоляции, соответственно, 4,05 и 16,5 мм.

Уточняем плотность тока, А/,

где: фазный ток обмотки

Число катушек на одном стержне ориентировочно определяется по формуле для случая, когда каналы сделаны между всеми катушками,

где 141 см. высота обмотки;

высота канала в тр-рах мощностью 160 - 6300 кВ*А и рабочем напряжении не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,6 см, принимаем 0,4 см;

больший размер провода в изоляции, см.

Принимаем 51 катушек.

Табл.10 Сечение прямоугольного обмоточного алюминиевого проводов марки АПБ

Число витков в катушке

число витков в одной фазе обмотки

число катушек на одном стержне.

Высота обмотки, см



- коэф. учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки = 0,94 - 0,96 в отдельных случаях = 0,9

=51число катушек на стержне (п.2.3.7)

больший размер провода в изоляции, см.(п. 2.3.5) = 1,85 см

высота канала.

Рис. 6. Определение высоты витка

Определяем радиальный размер обмотки, см (эскиз обмотки представлен на рис. 7:

см.

где: меньший размер провода в изоляции;

количество проводов в витке

число витков в катушке.



Рис. 7. Определение осевогоразмера витка и радиального размера для винтовой обмотки: а - для одиночной; б - для двухходовой

Определение внутреннего диаметра обмотки, см,

см.

где: D0 - =38.7 см. диаметр стержня магнитопровода;

= 2 см расстояние от стержня магнитопровода до обмотки НН.

Определение наружного диаметра обмотки НН, см,

см.

где: внутренний диаметр обмотки НН = 42,7см;

радиальный размер обмотки = 11,25 см.

Расчет обмотки ВН.

Число витков на одну фазу обмотки ВН,

Число витков на одну ступень регулирования,

где: число витков на одну фазу (п. 2.3.13).

Принимаем 17 витков.

Число витков на ответвлениях:

+5%

+2,5%

0%

-2,5%

-5%

Ориентировочная плотность тока, А/

где: средняя плотность тока, принимается =1,45 А /

уточненная плотность тока для обмотки НН = 1,45 А / .

Ориентировочное сечение витка, ,

где: А. - номинальный линейный ток с ВН,

А / - ориентировочная плотность тока.

Выбираем непрерывную обмотку (рисунок непрерывной обмотки приведен при расчете обмотки НН).

По таблице 10 (приведенной при расчете обмотки НН) выбираем реальное сечение провода обмотки ВН,

Уточняем плотность тока, А / ,

А

Провод унифицированный, т.е. одинаковый для ВН и НН, поэтому высота катушки будет одинаковой с катушкой НН, из соображения использования всей высота стержня магнито-провода и создания жесткой конструкции принимаем количество катушек одинаковое с стороной НН - 60.

Ориентировочное количество витков в катушке:

Т.к. число витков для регулирования на ступень = 17, а у нас по 11,5 витков в катушке т.е. больше чем в одной катушке, то технологически удобно взять для регулировочной ступени одинаковое число витков с двух катушек, а именно по 8,5 витка. Таким образом, число витков в регулировочных катушках принимаем по 8,5 и на каждой ступени будет по 2 катушки, общее число регулировочных катушек будет 8, а основных будет 51- 11 = 40.

Число витков в основных катушках:

.

Т.к. необходимо, чтобы количество витков в катушках было целое то часть катушек должна иметь витков, другая часть 22 витков, необходимо определить (x) -количество катушек с 17 витками и (y) - количество катушек с 22 витками, для чего составляем сис-тему уравнений:

в результате решения которой получим у = 36, х = 4 т.е. 36 катушек имеют по 22 витков и 17 катушек имеют по 17 витков.

Высота обмотки ВН на стержне должна совпадать с высотой обмотки НН, высоту обмотки можно регулировать высотой канала в разрыве обмотки, определим необходимую высоту канала, см

Радиальный размер обмотки, см,

см.

где: см

= 22

Внутренний диаметр обмотки, см

 см.

где: =64.7см.

cм.

Наружный диаметр обмотки, см

см.

где: =70.7см

см.

2.4 Расчет параметров короткого замыкания

В практике определение основных потерь производят через выражение массы металла обмотки (кг), при реальной плотности металла и удельного электрического сопротивления металла обмотки при температуре 7:

для меди - ,

для алюминия -

Масса металла (кг) определяется по (рис. 8-7) и выражению:

для медного провода

кг.

для алюминиевого провода

кг.

где: - число активных (несущих обмотки) стержней тр-ра;

средний диаметр обмотки, см,

число витков обмотки,

сечение витка, .

Вт.

где: плотность тока в обмотке НН (п. 2.3.6);

с = 3 число активных стержней;

- внутренний и наружный диаметры обмотки соответственно = 42.7 и 64.7 см.;

число витков на одну фазу обмотки;

- сечение одного витка обмотки НН;

Основные потери обмотки ВН, Вт,

Вт.

где: уточненная плотность тока в обмотке ВН;

- число активных стержней;

- соответственно внутренний и наружный диаметры обмотки ВН = 70.7 и 103.7 см;

число витков на основном ответвлении обмотки ВН;

сечение провода обмотки ВН.

Добавочные потери в обмотках.

Добавочные потери в обмотках и отводах рассчитывают, определяя коэф. увеличения основных потерь вследствие наличия поля рассеяния. Этот коэф. рассчитывается отдельно для каждой обмотки тр-ра. Значение коэф. зависит от частоты тока f, размеров проводников обмотки, их удельного электрического сопротивления и их расположения по отношению поля рассеяния тр-ра рис. 8, б)

Для некоторых частных случаев, при частоте 50 Гц, для медных и алюминиевых проводов можно пользоваться следующими формулами:

для медного прямоугольного провода () при f = 50 Гц, и (п - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния):

при n>2:

Рис.8: а - к расчету массы обмоток; б - к определению добавочных потерь в обмотках



для круглого провода при п > 2:

.

для алюминиевого прямоугольного провода ( при f = 50 Гц и

при п > 2

для круглого провода при п > 2

.

В этих выражениях коэф. рассчитывают:

для прямоугольного провода

для круглого провода

значения и для изолированного провода меньше 1;

m - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

а -- размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

b - размер проводника, параллельный направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

- общий размер обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

d - диаметр круглого проводника;

- коэф. приведения поля рассеяния = 0,95.

Размеры а, b, d выражаются в см.

Добавочные потери в обмотке НН,

Вт.

где:

- размер проводника, параллельный направлению линии магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния.

= 141 см. общий размер обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

п - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния, т.к. в катушке 5 витков, каждый виток состоит из дух проводников, то общее количество проводников - 10.

Добавочные потери в обмотке ВН.

Для упрощения расчета будем считать, что обмотка состоит из 60 ( катушек по 13 витков в каждой (п = 13).

Вт.

Основные потери в отводах.

Подсчет основных потерь в отводах сводится к определению длины проводников и массы металла в отводах. В процессе расчета может быть произведено приблизительное определение массы отводов.

Общую длину проводов для соединения в звезду

при соединении в треугольник

- высота обмотки 125 см.

определяем массу металла проводов отводов:

где: - длина отводов, см;

- сечение провода отводов, ;

- плотность металла отводов (для меди для алюминия )

основные потери в отводах

.

- аналогично как для обмоток:

для меди = 2,4

для алюминия = 12,75

Длина отводов для схемы соединения звездой, см,

=

Масса отводов НН, кг,

кг.

Потери в отводах НН, Вт,

Вт.

Масса отводов ВН, кг,

Потери в отводах ВН, Вт,

Потери в стенках бака и в других стальных конструкциях.

Потери, возникающие в ферромагнитных деталях от гистерезиса и вихревых токов, также относятся к потерям КЗ. С ростом номинальных мощностей тр-ров возрастает поток и напряженность магнитного поля рассеяния. Это особенно сказывается на трехобмоточных тр-рах, где поток рассеяния при работе на двух крайних обмотках может достигать 18-25% основного потока, и в автотр-рах он достигает 30-40%.

Рис. 9. Поле рассеяния трансформатора 1 - стержень; 2 - обмотки НН; 3,7 - ярмовые балки; 4 - прессующее кольцо; 5 - обмотки ВН; 6 - стенка бака.

Поскольку при рациональной конструкции тр-ра потери в ферромагнитных конструктивных деталях составляют сравнительно малую часть потерь КЗ, расчетное определение этих потерь для тр-ров общего назначения в ограниченном диапазоне мощностей можно проводить, используя приближенные методы.

Когда размеры бака не известны, для тр-ров мощностью 100 - 63000 кВ*А можно с достаточной точностью определить потери в баке и деталях конструкции, Вт.

где: S - полная мощность тр-ра, кВ*А;

- коэф. приведенный ниже:

Мощность, кВ*А до 1000 1000-4000 6300-10000 16000-25000 40000-63000

Вт.

Полные потери КЗ, Вт.

Полные потери КЗ, Вт, могут быть определены выражением:

где сумма основных и добавочных потерь в обмотках со стороны НН и ВН представлена через коэф. увеличения основных потерь в следствие наличия полей рассеяния () и соответственно для остальных элементов.

Вт.

где:

35800 и 51735 Вт;

соответственно = 249 и 66.7 Вт;

Вт.

Расчет напряжения КЗ.

Поле рассеяния имеет исключительную роль в тр-ре: увеличивает добавочные потери в обмотках и элементах конструкции (снижает полезную мощность и КПД); уменьшает напряжение на его вторичных обмотках и увеличивает потребление реактивной мощ-ности, защищает тр-р при КЗ, уменьшает электродинамические усилия, ограничивает токи и нагрев обмоток). Непосредственно измерять поле рассеяние не представляется возможным, а необходимость управлять им правильно измерять и оценивать из-за большой его роли представляется важной задачей. Поэтому его оценивают по влиянию, которое оно оказывает на напряжение и токи в обмотках при КЗ тр-ра.

Линейное напряжение, которое необходимо подвести к одной из обмоток при коротко-замкнутой другой для установления в обмотках номинальных токов: и , наз. напряжением КЗ тр-ра, обозначают и выражают в % от номинального:



где - напряжение КЗ, В;

- номинальное напряжение первичной обмотки, В.

Существует прямая зависимость между полем рассеяния и напряжением КЗ, поэтому напряжение КЗ используют для оценки поля рассеяния и его влияния на работу тр-ра.

Зная напряжение КЗ можно определить ток КЗ в обмотке. Ток КЗ в первичной обмотке будет во столько раз больше номинального тока первичной обмотки, во сколько раз первичное напряжение больше напряжения КЗ.

Напряжение КЗ в зависимости от мощности тр-ра обычно составляет от 4.5 до 14 % (меньшее значение относится к меньшей мощности).

Напряжение КЗ определяется по формуле:

где: - активная составляющая напряжения КЗ, %;

- реактивная составляющая напряжения КЗ, которая может быть определена:

где: - частота тока 50 Гц;

= 3333 кВ*А, мощность одной фазы и одного стержня;

- коэф. варьирования, рассчитываемый по реальным размерам:



=122,8 см. высота обмотки.

см.

- радиальные размеры обмоток соответственно НН и ВН = 11,25 и 16,5 см.

= 3 см. расстояние испытательного напряжения ВН, расстояние между обмотками;

- коэф. учитывающий отклонение реального магнитного поля рассеяния от идеального параллельного поля, вызванное конечным значением осевого размера по сравнению с их радиальными размерами (, для случая расположения обмоток по рис. 10 может быть подсчитан по приближенной формуле:

где: принимается = 2,7;

0,08

- коэф. учета неравномерного распределения витков по высоте, приближенно определяется:



где: ; - по (рис. 10).

Рис. 10. Распределение осевых сжимающих сил для различных случаев взаимного расположения обмоток

При определении х следует исходить, что тр-р работает на средней ступени напряжения ВН. Значение т можно принять = 3 для расположения обмоток по (рис. 10) и 0,75 - для (рис. 8)

Определение х:

общее число витков обмотки не задействованных при работе тр-ра на средней ступени напряжения ВН: 904 - 860 = 44 витка, регулировочными используем катушки, содержащие по 12 витков, т.е. = 44 / 17 = 2,6 катушек, принимаем 3 катушки.

см.

величины определены выше в настоящем пункте;

э.д.с. одного витка обмотки НН

Активная составляющая напряжения КЗ, %:

Вт из условия

номинальная мощность 10000 кВ*А из условия.

Напряжение короткого замыкания:

что составляет от данных задания:

При получении напряжения КЗ отличающееся от заданного на , необходимо повторить расчет изменяя ширину каналов рассеяния, при большой разнице необходимо перейти на другой диаметр стержня.

Расчет механических сил в обмотках.

Определение установившегося тока КЗ, А,



А.

Мгновенное максимальное значение тока КЗ, А,

где: активная составляющая напряжения КЗ;

реактивная составляющая напряжения КЗ.

Определение радиальной силы действующей на обмотку, Н (рис. 11)

Рис. 11. Продольное и поперечное поля в концентрических обмотках: 1 и 2 - обмотки внутренняя и внешняя.

где:

Определение осевых сил, Н:

Осевая сила является суммой элементарных осевых сил, приложенных к отдельным проводникам и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине из обмоток. Максимальное значение достигает на середине высоты обмотки. Осевые силы действуют на межкатушечную и межвитковую изоляции, которые необходимо проверить на сжатие. В цилиндрических обмотках осевые силы могут вызвать сползание крайних витков внешнего слоя, если они недостаточно прочно укреплены.

Дополнительные осевые силы , вызванные дополнительным радиальным полем зависят от:

- высоты разрыва в зоне регулирования, см;

- коэф. приведения для радиального поля рассеяния;

- коэф. зоны регулирования, на рис. 8.11 приведены значения , а также расположение точек сосредоточения макс. сжимающих сил по высоте обмоток НН и ВН.

Расстояние - разрыва в обмотке в значительной степени влияют на осевые силы. Наиболее неблагоприятным является случай работы тр-ра на низшей ступени напряжения при наибольшем . Поэтому определяется как расстояние (измеренное в см.) между крайними витками с током при работе тр-ра на низшей ступени обмотки ВН (рис. 12,а).

Рис.12. К расчету осевых сил

Максимальная сжимающая сила, Н:

Расчет обмотки на механическую прочность.

Механическое напряжение на сжатие, МПа, в проводе обмотки, НН, рис. 13:



Рис.13. К определению механических напряжении в обмотках

= 5043600 Н;

= 270

= 378

Для обеспечения стойкости обмотки не должна превышать 30 МПа для медного провода и 15 МПа для алюминиевого провода, что для нашего случая составляет: т.е. в допустимых пределах.

Напряжение на разрыв в наружной обмотке ВН имеет гарантированный запас и может не рассчитываться в тр-рах мощностью до 6300 кВ*А.

Механическое напряжение сжатия на прокладках НН МПа (рис. 12 б):

- число прокладок по окружности обмотки, принимаем = 12;

- радиальный размер обмотки = 112,5 мм,

- ширина прокладки, принимаем = 60 мм.

Для нормальной работы напряжение, найденное в п. 2.4.17 должно удовлетворять требованию:

МПа для тр-ров мощностью до 6300 кВ*А

и МПа для тр-ров большей мощности.

После определения сил действующих на обмотки следует, руководствуясь, рис..10 сделать заключение о силе оказывающей максимальное воздействие на прокладки под обмотками, для нашего случая и мы расчет вели по

Проверяем, отвечает ли требованию надежности принятая нами конструкция:

принятая конструкция удовлетворяет требованию надежности.

Расчет температуры нагрева обмоток при КЗ.

Предельно допустимые температуры обмоток при КЗ, установленные ГОСТ приведены в таблице11, длительность КЗ с номинальным напряжением 35 кВ и ниже - 4 с, время, в течение которого медная обмотка достигает температуры

Табл. 11. Предельно допустимые температуры обмоток при КЗ, установленные ГОСТ

Параметр	Масляное охлаждение	Воздушное охлаждение
Металл обмотки	Медь	Алюминий	Медь	Алюминий
Класс изоляции	А	А	А	Е	В,F,H	A	E,B,F,H
Допустимая температура	250	200	180	250	350	180	200

время достижения температуры для алюминиевых обмоток

Целью расчета температуры нагрева обмоток является, сравнение полученной расчетной температуры с допустимыми приведенными в табл. 8.1. Полученная расчетная температура должна быть не больше допустимой.

Конечная температура через 4 с. для медных обмоток:

для алюминиевой обмотки,

Температура обмотки через 4 с после возникновения КЗ,

где: расчетное время достижения предельной температуры, принимается = 4 с;

напряжение КЗ;

= 1,3 уточненная плотность тока в обмотке ВН

= 90начальная температура обмотки, принимается =

Полученная расчетная температура нагрева алюминиевой обмотки при КЗ ниже допустимой .

Время достижения температуры ,

с.

2.5 Расчет магнитной системы и характеристик ХХ

Для трехфазных тр-ров с номинальной мощностью 1-80 МВ*А применяется трехстержневая несимметричная магнитная система, показанная на рис. 14 а.

Рис. 14. Участи для определения массы, потерь и тока холостого хода трехстержневого(а), и двухстержневого (б) магнитопроводов 1-стержни; 2- ярма; 3-углы

Для однофазных тр-ров соединяемых в трехфазные группы тех же мощностей, применяются двехстержнефые магнитные системы рис.14,б. С целью уменьшения размеров участков, где направление магнитного потока не совпадает с направлением проката (при использовании холоднокатаной стали), в однофазных тр-рах и на крайних стержнях трехфазных -

делаются косые стыки листов. Для улучшения характеристик стали, после резки листов и закатки заусенцев, производится отжиг.

Расчет магнитной системы заключается в выборе диаметра стержня, определения размеров стержня и ярма, массы стали, тока и потерь ХХ.

Выбираем трехстержневую конструкцию магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми на среднем. Прессовку стержня выполняем бандажами из стеклоленты, ярм - полубандажами, проходящими вне активной стали. Сталь марки 3405 (0,3 мм).

Расстояние между осями обмоток,

см. принимаем 67 см.

где: 103,7 см.

3,0 см.

Сечение стержней и ярм представляют собой ступенчатые фигуры, симметричные относительно взаимоперпендикулярных осей. Форма сечения ярма повторяет форму сечения стержня, за исключением нескольких крайних пакетов, которые объединяются в один пакет для увеличения опорной поверхности ярмовых балок. В табл. 9 приведены размеры пакетов одной половины сечений стержней и ярм, начиная наименьшего. Там, где в стержне предусмотрен канал, в таблице после размера наименьшего примыкающего к нему пакета добавлен размер этого канала. Слева от жирной черты в табл. 9 находятся размеры пакетов стержня, которые в ярме объединяются в один пакет шириной, равной ширине наибольшего объединяемого пакета.

Принимаем следующие сечения стержня и ярма и объем угла:

Определяем высоту окна, см,

принимаем 154 см.

где:

8 см

5 см осевой размер разъемного диска, при помощи которого приводится во вращение обмотка при намотке ее на стержень магнитной системы, для т-ров мощностью до 1000 кВ*А принимается = 3,0 см, при больших мощностях = 3,0 - 5,0 см.

Определяем массу угла (рис. 9)

кг.

где:

коэф. заполнения сечения сталью:

плотность электротехничесой стали.

Определяем массу стержней, кг (рис. 9).

где: с - число стержней магнитной системы;

площадь поперечного сечения стержня (п.2.5.2);

коэф. заполнения сталью;

;

высота ярма, равная ширине наибольшего листа ярма;

плотность электротехнической стали;

масса одного угла.

Масса ярм, кг:



где:

А = 106,7 см.

Масса стали магнитопровода, кг,

кг.

Расчет потерь ХХ.

Потери в стали участка магнитной цепи при заданной индукции могут быть определены как произведение удельных потерь на массу этого участка.

Удельные потери электротехнической стали даются в табл. 12.

В магнитопроводах реальных тр-ров происходит увеличение потерь за счет: отклонения направления магнитного поля от направления проката листов стали; изменения свойств листов стали из-за механических напряжений при обработке, сборке и прессовки; неравномерного распределения магнитного потока по пакетам магнитопровода. Увеличение удельных потерь для различных участков магнитопровода при расчетах учитывается коэф.

Табл. 12. Потери и намагничивающая мощность для стали 3405 толщине листа 0,3 мм. ГОСТ.1-83

Коэф. учитывающие увеличение потерь и намагничивающей мощности в углах для стали 3405 толщиной листа 0,3 мм. приведены в табл.13.

Табл. 13. Увеличение потерь и намагничивающей мощности в углах для стали 3405 толщиной листа 0,3 мм

Магнитная индукция в стержне магнитопровода принимается: , магнитная индукция в ярме магнитопровода:

Тл

Среднее значение индукции в углах принимаем равным индукции в стержнях:

Из табл..12 принимаем удельные потери, а из табл. 13 принимаем коэф. увеличения потерь для углов с прямыми и косыми стыками:

Потери в магнитопроводе, Вт.



где: - масса стали стержней, ярма и углов соответственно;

- удельные потери для стали стержней, ярма;

- число стыков с прямыми и косыми углами.

Полученные потери превышают заданные на величину:

что входит в допустимые пределы определенные таблицей 14.

Табл. 14. Допуски

2.6 Расчет коэффициента полезного действия при номинальной нагрузке

Принимаем . Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке определится,

где: - потери при КЗ и ХХ соответственно.

Использованная литература

1. А.И. Гончарук. Расчет и конструирование трансформаторов. Москва; Энергия, 1978.

2. П.М. Тихомиров. Расчет трансформаторов. Москва: Высшая школа, 1980

3. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов. - В 2-х кн.: под ред. И.П. Копылова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат 1993.

4. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов. - В 2-х кн.: 2 И.П. под ред. И.П. Копылова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат 1993.

Размещено на Allbest.ru