Расчет силового трансформатора

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более, индуктивно связанных обмоток и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Назначение силовых трансформаторов — преобразование электрической энергии в электрических сетях и устройствах, предназначенных для приема и использования электрической энергии.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти — шести кратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Исходные данные:

тип трансформатора…

ТМ-630/35

мощность номинальная…

S=630 кВА

число фаз…

m=3

частота…

f=50 Гц

номинальное напряжение обмотки ВН…

U2=35 кВ5%

номинальное напряжение обмотки НН…

U1=6,3 кВ

схема и группа соединения обмоток…

Y/-11

система охлаждения…

масляная

режим работы…

длительный

установка…

наружная

материал обмоточного провода…

медь

Параметры трансформатора

напряжение короткого замыкания…

Uк=6,5%

потери короткого замыкания…

Pк=7600 Вт

потери холостого хода…

P0=2000 Вт

ток холостого хода…

i0=2,0%

Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы и одного стержня:

Номинальные токи:

на стороне ВН

на стороне НН

Фазные токи:

ВН

НН

Фазные напряжения:

ВН

НН

Испытательные напряжения (т. 4. 1):

ВН ,

НН ,

Тип обмоток (т. 5. 8):

обмотка ВН при и — цилиндрическая многослойная из круглого провода;

обмотка НН при и — катушечная непрерывная.

Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных расстояний.

Для обмотки ВН по т. 4. 5:

Для обмотки НН по т. 4. 4:

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора.

трансформатор ток замыкание обмотка

Определение исходных данных расчета

Мощность обмотки одного стержня

Ширина приведенного канала

;

,

где по т. 3. 3

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая

Выбираем трехфазную стержневую систему (по § 2. 3) с четырьмя косыми углами на крайних стержнях и двумя прямыми углами на среднем стержне. Прессовка стержней путем расклинивания с жестким цилиндром обмотки НН (рис. 2. 18. а) и ярма — прессовка осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма (рис. 2. 21. а).

Материал магнитной системы — холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3405 толщиной 0,35 мм. Индукция (по т. 2. 4).

В сечении стержня 8 ступеней, коэффициент заполнения сталью (по т. 2.5.), изоляция пластин — нагревостойкое изоляционное покрытие,.

Коэффициент заполнения сталью. Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня КС зависит от способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней шесть, коэффициент эсиления ярма (см. т. 2. 8).

Индукция в ярме. Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 4, на прямом 3. Индукция в зазоре на косом стыке. На прямом стыке

Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма, от верхнего ярма (без прессующего кольца).

По т. 3.6 находим, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям короткого замыкания. Принимаем.

Активное сечение стержня

.

Определение основных зазоров

Диаметр стержня

где, , (предварительно), — коэффициент Роговского,, ,

Так диаметр меньше нормированного диаметра (см. т. 2.5 при) для принятого для данной мощности трансформатора то пересчитываем значение, , при диаметр стержня

.

Средний диаметр канала между обмотками НН и ВН

,

где, для трансформатора при, , — (ст. 164), — (см. т. 3.3 прим. 6)

Ориентировочная высота обмотки

Активное сечение стержня

.

Напряжение одного витка, предварительно

.

Число витков в обмотке НН

Уточнение напряжения одного витка

Выбор обмоток

Выбор типа конструкции обмоток при расчете трансформатора производится с учетом эксплуатационных и производственных требований. Основными критериями при выборе обмоток являются:

· Ток нагрузки одного стержня IC;

· Мощность трансформатора S;

· Номинальное напряжение Uном;

· Поперечное сечение витка обмотки Пв.

Средняя плотность тока в обмотках

Расчет обмотки НН

Ориентировочное сечение витка,

Максимальное поперечное сечение провода при для медного провода

По т. 5.8 по мощности трансформатора, номинальному току и напряжению и напряжению выбираем непрерывную катушечную обмотку из прямоугольного медного провода.

По сечению витка и учетом по т. 5.2 выбираем один параллельный провод ПБ сечением 11,7 мм2, с изоляцией на две стороны.

или

,

Плотность тока

Канал между катушками принимаем предварительно ,

Предварительно, число катушек обмотки

Число витков в катушке, ориентировочно

Осевой размер обмотки, при (стр. 291) — коэффициент учитывающий усадку

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки

Наружный диаметр обмотки

Масса металла обмотки, где с — число активных (несущие обмотки) стержней трансформатора; =0,2844м — средний диаметр обмоток; - число витков обмотки; П — сечение витка, м2

Масса провода обмотки НН (т. 5. 5)

Расчет обмотки ВН

Выбираем схему регулирования переключения ответвлений обмотки без возбуждения ПБВ (рис. 6.6.б ст. 275). Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 10,4 А. В обмотке ВН предусмотрено выполнение четырех ответвлений на от номинального напряжения.

Наибольшее напряжении между контактами переключателя в одной фазе:

,

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить:

Напряжение, В

Ответвления обмотки

36 750

А2 А3

B2 B 3

C2 C 3

35 875

А3 А4

B 3 B 4

C 3 C 4

35 000

А4 А5

B 4 B 5

C 4 C 5

34 125

А5 А6

B 5 B 6

C 5 C 6

33 250

А6 А7

B 6 B 7

C 6 C 7

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении

.

Число витков на одной ступени регулирования

Напряжение, В

Число витков на ответвлениях

36 750

35 875

35 000

34 125

33 250

1718+243=1804

1718+43=1761

1718

1718−2=1716

1718−243=1632

Ориентировочная плотность тока

.

Ориентировочное сечение витка

По т. 5.8 выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода.

По сортаменту медного провода (т. 5. 1) выбираем провод марки ПБ, с изоляцией на две стороны.

марка провода х число параллельных проводов х

или, , сечением

Плотность тока

Число витков в слое ,

Число слоев в обмотке ориентировочно

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

При таком vМсл = 4330 В осевой размер больше L2. Поэтому принимаем число витков в слое 170, тогда рабочее напряжение двух слоев:

Число слоев в обмотке:

Число витков в слоях:

слои

1−9 слой

170*9=1530

10 слой

102+2*20=142

11 слой

22*6=132

1804

По рабочему напряжению двух слоев по табл.4.7 выбираем междуслойную изоляцию с числом слоев 7×0,12 мм и общую толщину кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки 22 мм.

Минимальная ширина масляного канала между катушками (таб.9. 2).

Радиальный размер обмотки при двух катушках без экрана:

Диаметры обмотки:

— внутренний диаметр;

— наружный диаметр;

— масса металла.

Масса провода обмотки ВН:

Расчет параметров короткого замыкания.

Потери короткого замыкания

Основные потери

Обмотка НН

Обмотка ВН

Добавочные потери

Обмотка НН, где

,

— размер проводника в направлении параллельном линии индукции магнитного поля рассеивания;

— размер проводника в направлении перпендикулярном линии индукции магнитного поля рассеивания;

— общий размер обмотки в направлении линии индукции магнитного поля рассеивания;

— число проводников обмотки направленных параллельно линии магнитной индукции поля рассеивания;

— коэффициент приведения поля рассеивания.

, где ,

Обмотка ВН

,

где

, — диаметр круглого провода;

— общий размер обмотки

Основные потери в отводах:

Отводы НН

Длина проводов приблизительно (для соединения в треугольник)

;

Масса отводов;

-плотность металла отводов для меди.

Потери при ,

.

Отводы ВН

Длина проводов приблизительно (для соединения в звезду)

;

Масса отводов;

Потери при ,

.

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно (т. 7. 1) при ,;.

Полные потери;

или заданного значения.

Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая

.

Реактивная составляющая по (7. 32)

;

где, при, ,

, ,

,

.

Напряжение короткого замыкания

или заданного значения.

ГОСТ допускает отклонение 10%. Изменение может быть достигнуто за счет изменения, путем увеличения и при соответствующем уменьшении или изменением напряжения одного витка (уменьшением) за счет уменьшения диаметра стержня магнитной системы d или индукции Вс в стержне.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН по (7. 38) и т. 7.2.

— мощность короткого замыкания электрической сети (таб.7. 2)

Мгновенное максимальное значения тока короткого замыкания

,

где при (т. 7. 3)

Радиальная сила

где — средняя длина витка, м.

Среднее сжимающее напряжение на проводе НН

.

Среднее растягивающее напряжение обмотки ВН

.

При равномерном распределении по высоте обтекаемых токов обеих обмоток возникают осевые силы

Осевые силы по рис. 2. 11, а.

.

Максимальные сжимающие силы в обмотках

,

.

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН (обмотка 1) где. Напряжение сжатия на межвитковых прокладках

,

где — число прокладок по окружности, — радиальный размер обмотки, — ширина прокладки.

что ниже допустимого.

Температура обмотки через после возникновения к.з.

,

при, что меньше.

Время, в течении которого медная обмотка достигнет температуры.

.

Расчет магнитной системы

Определение размеров магнитной системы и массы стали.

Примем конструкцию трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираем из пластин холоднокатаной текстурированной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм.

Стержни магнитной системы, ярма с прессующими ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по т. 8.3 для стержня диаметром 0,22 м без прессующей пластины.

Число ступеней в сечении стержня 8, в сечении ярма 6.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по т. 8.3.

№ пакета

Стержень, мм

Ярмо (в половине поперечного сечения), мм

1

215×23

215×23

2

195×28

195×28

3

175×15

175×15

4

155×12

155×12

5

135х9

135х9

6

120х5

120×16

7

105х4

-

8

75х7

-

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) 0,206 м.

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по т. 8. 7

, ярма.

Объем угла магнитной системы.

Активное сечение стержня.

Активное сечение ярма.

Объем стали угла магнитной системы

Длина стержня.

Расстояние между осями стержней.

Массы стали в стержнях и ярмах магнитной системы.

Масса стали угла магнитной системы

, где.

Масса стали ярма ,

где

,

,.

Масса стали стержней ,

где

,

,

.

Общая масса стали.

Расчет потерь холостого хода

Индукция в стержне.

Индукция в якоре.

Индукция на косом стыке.

Площадь сечения немагнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны соответственно активным сечениям стержня и ярма.

Площадь сечения на косом стыке

.

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по т. 8. 10, для стали марки 3405, толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины;

при, ,;

при, ,;

при, ;

Для плоской шихтованной магнитной системы по рис. 2. 17, б потери холостого хода с учетом т. 8. 10, 8. 13 и 8. 14, с косыми стыками на крайних стержнях и прямых стыках на среднем стержне с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев.

,

где, ,, , (т. 8. 13), (т. 8. 12),

от заданного значения.

В правильно рассчитанном трансформаторе отклонение действительных

потерь от расчетных составляет в среднем не более

Расчет тока холостого хода

По т. 8. 17 находим удельные намагничивающие мощности

при, ,;

при, ,;

при, ;

Намагничивающая мощность холостого хода

где по т. 8. 12 — т. 8. 21, , по т. 8. 21,, ,, по т. 8. 20,

ток холостого хода, или заданного значения.

Активная составляющая тока холостого тока:

.

Реактивная составляющая тока холостого хода

Ток холостого хода для НН:

,

,.

Тепловой расчет трансформатора

Тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры:

Обмотка НН:

,

где, , , — теплопроводность бумажной, пропитанной маслом изоляции провода т. 9. 1;

— толщина изоляции провода на одну сторону

— плотность теплового потока на поверхности обмотки

;

.

Полный внутренний перепад температуры в обмотках из круглого провода определяется:

— потери, выделяющиеся в 1 м3 общего объема обмотки:

— средняя теплопроводность обмотки, приведенная к условному случаю равномерного распределения междуслойно изоляции по всему объему обмотки, определяется по формуле:

— теплопроводность междуслойной изоляции (т.9. 1)

Средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

,

где

Перепад температур на поверхности обмоток:

Обмотка НН:

,

где — для естественного масляного охлаждения;

— для внутренней обмотки НН;

— при т. 9. 3;

Обмотка ВН:

,

где — для естественного масляного охлаждения;

— для внутренней обмотки НН;

ПОХЛ2 — поверхность охлаждения бака, м2

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу

обмотки НН

обмотки ВН

Тепловой расчет бака

В соответствие с мощностью трансформатора выбираем бак с вваренными охлаждающими трубами (трубчатый). Число рядов труб выбирается обычно от одного до четырех в зависимости от необходимой по расчету поверхности конвекции. Увеличение числа рядов труб свыше четырех значительно ухудшает теплоотдачу внутреннего ряда труб. Соседние трубы разных рядов располагаются одна над другой. Расположение труб в шахматном порядке менее выгодно, т.к. при этом затрудняется движение воздуха и уменьшается теплоотдача. Все трубы имеют радиус изгиба R. Трубы могут быть круглого сечения или овального. Шаги труб в рядах tТ и между рядами tр могут быть различными. Применение овальных труб позволяет разместить в ряду большее число труб и обеспечить нормальную теплоотдачу бака при одном — двух рядах труб там, где трубы круглого сечения приходится располагать в два — три ряда.

Определение основных размеров бака

Минимальная ширина бака

по т. 4. 11, т. 4. 12 определяем изоляционные расстояния;

— изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до собственной обмотки, для отвода с, покрытием 4 мм

— расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до стенки бака, для отвода;

— изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН;

— изоляционное расстояние от отвода обмотки НН до стенки бака;

— диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 35 кВ;

— диаметр изолированного отвода обмотки НН при классах напряжения 35 кВ.

Длина бака

.

Высота активной части

,

где — толщина изоляции под нижнее ярмо;

— высота ярма;

— длина стержня.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по т. 9.5.

Глубина бака.

Для должной поверхности охлаждения используем бак с вваренными, гнутыми трубами. Трубы круглые диаметром 51 мм, толщиной стенки 1,5 мм.

Число рядов для — 3 ряда, поперечное сечение трубы 1810 мм2, поверхность 1 м, 0,16 м2, масса металла в 1 м 1,82 кг, масса масла в трубе 1,63 кг. Шаг между трубами 75 мм, в ряду 70 мм, радиус изгиба 150 мм, по т. 9.7.

Прямой участок для внутреннего труб, для второго ряда, третьего — при. По т. 9.8, при.

Расстояния между осями труб на стенке бака, начиная с 3-го, наружного ряда;

третий ряд:;

второй ряд:;

первый ряд:.

Развернутая длина трубы в каждом ряду:

первый ряд:

;

второй ряд:;

третий ряд:.

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы:

, где.

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

Найденное среднее значение превышения может быть допущено, так как превышение масла в верхних слоях в этом случае

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней стенке бака и запас находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

.

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения

,

где — поверхность излучения бака с трубами

,

где — площадь крышки бака.

.

Поверхность конвекции бака

, где, по т. 9. 6

;

;

, >.

Определение превышения температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха.

, при;

Превышение температуры масла над температурой воздуха

;

где ,

.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха

, при.

Превышение средней температуры обмотки над температурой воздуха

,, .

Для обмотки НН: ,

.

Для обмотки ВН: ,

.

Превышение температуры масла в верхних слоях и обмоток, лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11 677–85.

Приближенное определение массы масла трансформатора

Объем бака

.

Объем активной части приближенно

,

= 5500 кг/м3 — средняя плотность активной части для трансформаторов с медными обмотками.

Объем масла в баке.

Масса масла в баке в баке по т. 9.7.

Масса масла в трубах в трубах по т. 9.7.

Общая масса масла.

Все ссылки (формулы и таблицы), используемые в курсовой работе даны по книге Тихомирова П. М. «Расчет трансформаторов», Энергоатомиздат, 1986 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой