Розрахунок та конструювання силових трансформаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки Україні

Державний вищій навчальний заклад

Донецький національний технічний університет

Курсовий проект

Тема: «Розрахунок та конструювання силових трансформаторів»

Донецьк 2013

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА ДО КУРСОВОГО ПРОЕКТУ

Об'єктом розрахунку і конструювання є трифазний двохобмотковий трансформатор потужністю S = 6300 кВА. Номінальна напруга обмоток ВН і НН відповідно U₂ = 20 кВ і U₁ = 6.3 кВ. Схема і група з'єднання обмоток - Y/Д-11.

Мета роботи: сконструювати і розрахувати двохобмотковий трифазний трансформатор з заданими характеристиками.

Визначено основні розміри трансформатора з трифазною шихтованою магнітною системою з косими стиками на крайніх стрижнях та з прямими стиками на середньому стрижні (стрижень d_Н = 0.37 м), виконаної з холоднокатаної сталі марки 3404. Зроблено розрахунок і вибір обмотки НН - циліндрична багатошарова з алюмінієвого проводу прямокутного перетину марки АПБ, і обмотки ВН - циліндрична багатошарова з алюмінієвого проводу прямокутного перетину марки АПБ.

РОЗРАХУНОК, ТРАНСФОРМАТОР, ПОТУЖНІСТЬ, НАПРУГА, ОБМОТКА, КОРОТКЕ ЗАМИКАННЯ, ХОЛОСТИЙ ХІД, ВТРАТИ, СТРУМ, ХАРАКТЕРИСТИКА

трансформатор електричний магнітний замикання

ЗМІСТ

Перелік умовних позначок і скорочень

Вступ

1. Розрахунок основних електричних величин

2. Розрахунок основних розмірів трансформатора

3. Вибір конструкції і розрахунок обмоток

3.1 Розрахунок обмоток НН

3.2 Розрахунок обмоток ВН

4. Визначення характеристик короткого замикання

5. Розрахунок магнітної системи трансформатора

5.1 Визначення розмірів магнітопровода

6. Тепловий розрахунок трансформатора

6.1 Тепловий розрахунок обмоток

6.2 Тепловий розрахунок бака

6.3 Розрахунок перевищень температури обмоток і олії трансформатора

7. Визначення маси конструкційних матеріалів і олії трансформатора

Висновки

Перелік посилань

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧОК І СКОРОЧЕНЬ

ВН - Висока напруга;

НН - Низька напруга;

ПБЗ - Переключення без збудження;

A - Довжина баку;

В - Ширина баку;

В_Р - Ширина радіатора;

А_Р - Довжина радіатора;

Н_Б - Висота баку;

ХХ - Холостий хід;

КЗ - Коротке замикання.

ВСТУП

У народному господарстві використовуються трансформатори різного призначення в діапазоні потужностей від часток вольт - ампера до 1 млн. кВ^.А і більш. Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, що має дві чи більш індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї чи кілька систем змінного струму в одну чи кілька інших систем змінного струму.

Призначення силових трансформаторів - перетворення електричній енергії в електричних мережах і установках, призначених для прийому і використання електричної енергії. Силові трансформатори підрозділяються на два види. Трансформатори загального призначення призначені для включення в мережу, що не відрізняється особливими умовами роботи, чи для живлення приймачів електричної енергії, що не відрізняються особливими умовами роботи, характером роботи, режимом роботи. Трансформатори спеціального призначення призначені для безпосереднього живлення споживчої мережі приймачів електричної енергії, якщо ця мережа приймачів відрізняється особливими умовами роботи, характером чи навантаженим режимом роботи. До числа таких мереж приймачів електричної енергії відносяться підземні рудничні мережі й установки, випрямні установки, електричні печі і т.п.

Силовий трансформатор є одним з найважливіших елементів сучасної електричної мережі, і подальший розвиток трансформаторобудування визначається в першу чергу розвитком електричних мереж, а отже енергетики країни. Значна частина матеріалів, що витрачаються на всі силові трансформатори, вкладається в найбільш віддалені частини мережі, тобто в трансформатори з вищою напругою 35 і 10 кВ. У цих же трансформаторах виникає основна маса втрат енергії, оплачуваних по найбільш дорогій ціні.

Коефіцієнт корисної дії трансформаторів дуже великий і для більшості їх складає 98-99% і більше, однак необхідність багаторазової трансформації енергії й установки в мережі трансформаторів із загальною потужністю, у кілька разів перевищуючої потужність генераторів, приводить до того, що загальні втрати енергії у всьому парку трансформаторів досягають істотних значень. Тому однієї з найважливіших задач у даний час є задача істотного зменшення втрат енергії в трансформаторах, тобто втрат холостого ходу і втрат короткого замикання.

Зменшення втрат холостого ходу досягається, головним чином, шляхом усе більш широкого застосування холоднокатаної рулонної електротехнічної сталі з поліпшеними магнітними властивостями - низькими й особливо низькими питомими втратами і низкою питомою потужністю, що намагнічує.

Нові конструкції магнітних систем характеризуються застосуванням косих стиків пластин у кутах системи, стяжкою стрижнів і ярем кільцевими бандажами замість наскрізних шпильок у старих конструкціях і багатоступінчастій формі перетину ярма в плоских магнітних системах.

Зменшення втрат короткого замикання досягається, головним чином, зниженням щільності струму за рахунок збільшення маси металу в обмотках. Значною мірою це стало можливим після заміни мідного проводу алюмінієвим у силових трансформаторах загального призначення потужністю до 16000 кВ^.А.

Метою даної курсової роботи є проектування силового трансформатора з заздалегідь заданими параметрами. У вихідні дані входять: потужність трансформатора - S = 6300 кВ^.А, вища напруга - U₂ = 20000 В, нижня напруга - U₁= 6000В, втрати холостого ходу - Р_О = 9400 Вт, втрати короткого замикання - Р_К = 46500 Вт, напруга короткого замикання - U_К = 7.5%, струм холостого ходу - I_О = 0.9%.

Проект виконувався згідно методичних вказівок і рекомендованої літератури.

1. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Потужність одної обмотки на одному стрижні

S_Ф = = 2100 кВ^.А, S^ґ = = 2100 кВ^.А,

де m = 3 - число фаз; С = 3 - число стрижнів у трансформаторі.

1.2 Фазні напруги обмоток низької і високої напруги визначаються згідно зі схемою з'єднання обмоток

U_Ф1 = 6.3 кВ;

U_Ф2 = = = 11.55 кВ;

Фазні струми обмоток низької і високої напруги

I_Ф1 = = 333.33 А; I_Ф2 = = 181.9 А.

Попередні значення активної і реактивної складових напруги короткого замикання

U_ка = = 0.738 %; U_KP = = 7.464 %,

де P_K - втрати короткого замикання, кВт; S_Н - повна потужність трансформатора, кВА.

2. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ РОЗМІРІВ ТРАНСФОРМАТОРА

Основні розміри трансформатора показані на рис. 2.1, а головна ізоляція обмоток показана на рис. 2.2.

Рисунок 2.1 Основні розміри трансформатора

Рисунок 2.2 Головна ізоляція обмоток ВН і НН

Сумарний орієнтований приведений радіальний розмір обмоток ВН і НН

,

де S_Ф - потужність одної фази (стрижня) (кВ^.А); К = 0.5 (табл. 3.3, стор. 121 [1]). Для обмоток з алюмінієвого проводу К = 1.25·0.5 = 0.625

= 0.042 м.

Попередня ширина приведеного каналу розсіювання трансформатора

a_P = a₁₂ + ,

де a₁₂ - ізоляційний проміжок між обмотками ВН і НН, він дорівнює

a₁₂ = а^ґ₁₂·10^-3, м, а^ґ₁₂ = 35мм - для циліндричних обмоток без електростатичного екрана (табл. 4.5, стор. 184 [1]), тоді

а_Р = 35·10^-3 + 0.042 = 0.077 м.

Коефіцієнт заповнення кола сталлю

Відповідно до вказівок § 2.3 [1] вибираємо трифазну стрижневу шихтовану магнітну систему з косими стиками на крайніх стрижнях та прямими на середньому стрижні. Пресування стрижнів бандажами зі стеклострічки і ярем - сталевими балками. Матеріал магнітної системи - холоднокатана текстурована рулонна сталь марки 3404 товщиною 0,35 мм. Індукція в стрижні (по табл. 2.4, стор. 78 [1]) В_С = 1,55 - 1,6 Тл (приймаємо В_С = 1,6 Тл).

К_С = К_КР·К_З,

де К_КР - відношення площі східчастої фігури поперечного перерізу стрижня до площі кругу з діаметром d, у перетині стрижня 6 ступіней.

К_З - відношення площі активного перетину стрижня (чистої сталі) до площі східчастої фігури перетину стрижня.

К_КР = 0.913 - (табл. 2.5, стор. 83 [1]);

К_З = 0.945 (з табл. 2.2, стор. 77 для сталі марки 3404 товщиною 0,35 мм [1]).

К_С = 0.913·0.945 = 0.863.

Значення коефіцієнта, що рекомендується в, що зв'язує середню довжину окружності каналу розсіювання між обмотками трансформатора і висоту обмотки вибираємо з табл. 3.12, стор. 159 [1]. Для алюмінію при заданій потужності трансформатора рекомендується в = 1.2 - 1.6. Приймаємо в = 1.4.

Попередній діаметр стрижня

d = 0,507· = 0.376м,

де К_Р = 0,95 (коефіцієнт приведення ідеального поля розсіювання до реального поля (коефіцієнт Роговського)).

Остаточний діаметр стрижня приймаємо по нормалізованій шкалі d_Н.

Приймаємо d_Н = 0.38 м.

Визначаємо значення в_Н, що відповідає нормалізованому діаметру

в_Н = = 1.455.

Радіальний розмір обмотки НН а₁ визначаємо попередньо по формулі

а₁ = К₁·,

де К₁ = 1.4 - коефіцієнт, обумовлений по табл. 2.3, стор. 78 [2], тоді

а₁ = К₁· 1.4·0.042 = 0.059 м.

Середній попередній діаметр між обмотками

d₁₂ = d_н + 2·a₀₁ + 2·a₁ + a₁₂ = 0.38 + 2·0.175 + 2·0.059 + 35·10^-3 = 0.568 м,

де а₀₁ = 0.0175 м - по табл. 4.4, стор. 183 [1];

а₁₂ = 35·10^-3 - по табл. 4.5, стор. 184 [1].

Висота обмотки трансформатора, м

l = = 1.227 м.

Активний (чистий) перетин сталі стрижня

П_С = К_С· = 0.098 м².

Электродвижущаяся сила витка:

U_В = 4,44·f·B_C·П_С = 4.44·50·1.6·0.098 = 34.756 В.

Число витків фази обмоток НН і ВН

W₁ = = 181.2 витків, приймаємо W₁ = 180 витків.

W₂ = =332.2 витків, приймаємо W₂=332 витків.

Середня щільність струму в обмотках (для алюмінієвих обмоток)

Д_СР = 0.463·K_Д· = 1.88·10⁶ А/м²,

де К_Д = 0.86 - коефіцієнт додаткових втрат в обмотках, у відводах, стінках бака і т.д. (табл. 3.6, стор. 131 [1]).

З табл. 5.7, стор. 257 [1] середня щільність струму в обмотках для сучасних трансформаторів з алюмінієвими обмотками знаходиться в межах 1.5 - 2.6 М·А/м², тобто отримана середня щільність струму 1.75 М·А/м² знаходиться в межах припустимого.

Орієнтований перетин проводу обмотки НН і ВН

П₁ = = 177.5·10^-6 м²; П₂ = = 96.7·10^-6 м².

По табл. 5.8, стор. 258 [1] і згідно завдання вибираємо циліндричну багатошарову обмотку з прямокутного проводу для обмоток НН та ВН.

3 ВИБІР КОНСТРУКЦІЇ І РОЗРАХУНОК ОБМОТОК

3.1 Розрахунок обмоток НН

Визначаємо напругу одного витка після округлення розрахованого числа витків

U_B = = 35 В.

Діюча індукція в стрижні

В_С = = 1.61 Тл.

Розрахунок циліндричної обмотки низької напруги

Приймаємо орієнтоване число шарів обмотки n_сл = 5

Визначаємо орієнтоване число витків у шарі

W_сл = = 36.

Орієнтована висота витка з ізоляцією

h_В = = 0.033 м,

де l - висота обмотки низької напруги.

Попередній перетин проводу обмотки по п. 2.14 перевищує 75 мм², то вона набирається з декількох проводників.

Орієнтоване число елементарних проводів

n_ЭЛ = = 2.7

приймаємо n_ЭЛ = 3.

Орієнтований перетин елементарного проводу

П_ЭЛ = = 59·10^-6 м².

Орієнтована висота елементарного провідника, з якого набирається виток обмотки, з ізоляцією

h^ґ_ПР = = 0.01106 м.

Орієнтована висота елементарного провідника без ізоляції

h_ПР = h^ґ_ПР - д_З = 0.01106 - 0.5·10^-3 = 10.5·10^-3 м.

На підставі h_ПР = 14.8 мм і необхідного перетину по табл. 5.2, стор. 212 [1] вибираємо алюмінієвий провід марки АПБ

Характеристику витка записуємо у виді

АПБЧ3Ч 58.5мм²



Розташування провідників показане на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 Переріз витка обмотки НН

Уточнюємо висоту витка

h_В = n_ЭЛ·b^ґ =3·11.1·10^-3 = 33.3·10^-3 м.

Фактичний перетин витка

П^ґ₁ = n_ЭЛ·П_ЭЛ·10^-6 = 3·58.5·10^-6 = 175.5·10^-6 м².

Дійсна щільність струму

Д₁ = = 1.9·10⁶ А/м²,

Остаточне значення осевого розміру обмотки

l₁ = h_В·(W_СЛ +1) + 0.015 = 33.3·10^-3·(36 + 1) + 0.005 = 1.237 м.

Радіальний розмір обмотки, м (по рис. 6.2 і 6.3, стор. 268 [1]).

a₁ = (n^ґ_СЛ·a^ґ +a`₁₁)·10^-3 = (5·6.1+9)·10^-3 = 0.0395 м.

де a`₁₁= 9 мм - радіальний розмір канала по (табл. 9.2 а, стор. 426 [1]).

Внутрішній діаметр обмотки

D^ґ₁ = d_н + 2·a₀₁·10^-3 = 0.38 + 2·17.5·10^-3 = 0.415 м,

де a₀₁ = 17.5 мм - НН від стрижня.

Зовнішній діаметр обмотки

D^ґґ₁ = D^ґ₁ + 2·a₁ = 0.415 + 2·0.04= 0.494м.

Поверхня охолодження обмотки НН з охолоджуючим каналом

П₀₁ =2^.К_З^. с^.. n^. (D ^'₁ + D^{' '}₁)^. l₁ = 2^.3^.0.75^.3.14^.(0.415 + 0.494)^.1.237 = 18.65 м²,

де К_З = 0.75 - коефіцієнт, визначаючий закриття частини поверхні обмотки рейками.

Орієнтована щільність теплового потоку обмотки НН

q₁ = = 1121 Вт/м².

3.2 Розрахунок обмотки ВН

При виборі обмотки ВН варто враховувати необхідність виконання відгалужень для регулювання напруги. У масляних трансформаторах із ПБЗ (переключенням без порушення) передбачаються чотири відгалуження на +5%; +2,5%; -2,5% і -5% номінальної напруги крім основного затискача з номінальною напругою. Схема розміщення регулювальних відгалужень у трансформаторі з ПБЗ показана на рис. 3.2.

Напруга, В	Число витків на відгалуженнях
20000+5%	330+2·8=346
20000+2.5%	330+8=338
20000	330
20000-2.5%	330-8=322
20000-5%	330-2·8=314

Рисунок 3.2 Схема виконання відгалужень в обмотці ВН при регулюванні напруги без збудження (ПБЗ)

Число витків обмотки ВН при номінальній напрузі

W₂ = W₁· = 329.9, приймаємо 330 витка.



Орієнтована щільність струму в обмотках

Д₂ = 2·Д_СР - Д₁ = 2·1.88·10⁶ - 1.899·10⁶ = 1.86·10⁶ А/м².

Орієнтований перетин витка обмотки

П₂ = = 97.7·10^-6 м².

3.2.4 Орієнтований переріз елементарного провідника

П_ел = =48.85^-6 м².

Кількість витків обмотки з урахуванням межі регулювання напруги

W₂^ґ =1.05· W₂ = 1.05· 330 = 346 витків

Розмір проводу записуємо як

АПБЧ1Ч.

Рисунок 3.2 Переріз витка обмотки ВН

Повний перетин витка

П^'₂ = n_В2·П^ґґ₂·10^-6 = 2·49.5·10^-6 = 99·10^-6 м².

Висота витка

h_B2=n_эл2·b'=2·12.02·10^-3=24.04·10^-3 м² ,

Дійсна щільність струму

Д₂ = = 1.84 МА/м²,

Число витків у шарі

W_СЛ2 = = 50.5 витків,

Число шарів в обмотці з урахуванням витків для регулювання напруги

n_СЛ2 = = 6.92, приймаємо 7 шарів.

Робоча напруга двох шарів

U_М.СЛ = 2·W_СЛ2·U_B = 2·50·35 = 3500 В,

по цій напрузі по табл. 4.7, стор.190 [1] вибираємо число шарів кабельного папера.

Загальна товщина ізоляції д_М.СЛ = 8Ч0.12 = 0.96 мм.

Під внутрішнім шаром обмотки встановлюємо металічний екран д_екр=0.5 мм.

Число витків ступені регулювання

W_P = =0.025·=0.025·= 8 витків

Радіальний розмір обмотки

a₂ = [а' ·n_СЛ2 + д_М.СЛ·(n_СЛ2 - 1)+ a₂₂]·10^-3 = [5.32·7 + 0.72(7-1)+16 ]·10^-3 = 0.059 м.

Радіальний розмір обмотки з екраном, м:

a_2екр=a₂+0.003=0.059+0.003=0.062 м.

Внутрішній діаметр обмотки без екрана

Приймаємо a₁₂ = 45 мм

D^ґ₂ = D^ґґ₁ + 2·a₁₂ = 0.494+ 2·45·10^-3 = 0.584 м,

Зовнішній діаметр обмотки з екраном

D^ґґ₂ = D^ґ₂ + 2·a_2экр = 0.584 + 2·0.062 = 0.708 м.

Ізоляційна відстань між зовнішніми обмотками стрижнів, м:

a`'₂₂ = 30 мм, (табл. 4.5, стор 184[1])

Поверхня охолодження обмотки

П₀₂ = С·n·k·р·(_D^ґ₂ + D^ґґ₂)·l₂ = 3·2·0.8·3.14·(0.584 + 0.708)·1.23 = 25 м²,

де п і k - з табл. 3.1, стор. 17 [2].

Орієнтована щільність теплового потоку

q₂ = 0,55·P_K·10³/П₀₂ = 0.55·46500·10³/25 = 1023 Вт/м².

4. ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ

Втрати короткого замикання.

Визначаються для кожної обмотки (НН і ВН) по формулах

Повна маса металу обмоток

G_Мi = K_н·C·D_CPi·W_i·П_i·10³,

де i - приналежність до обмоток НН і ВН;

К_н = 8.47 - для алюмінію;

С - число активних стрижнів;

D_Cpi - середній діаметр обмоток НН і ВН, м;

W_i - число витків відповідної обмотки;

П_i - перетин витка, м².

- обмотка НН

G_M1 = 8.47·3··180·175.5·10^-6·10³ = 364.828 кг.

- обмотка ВН

G_M2 = 8.47·3··346·99·10^-6·10³ = 562.2 кг.

Основні електричні втрати в обмотках

P_i = K·Д²_i·G_Mi,

де К = 12,75·10^-12 - для алюмінію;

для обмотки НН



P₁ = 12.75·(1.899·10⁶)²·364.828 ·10^-12 = 16780 Вт.

для обмотки ВН

Р₂ = 12.75·(1.84·10⁶)²·562.2 ·10^-12 = 24190 Вт.

Маса металу відводів

G_ОТВ.i = l_ОТВ·П_ОТВi·г,

де l_ОТВY = 7.5l1; l_ОТВД = 14l1;

П_ОТВ = П_i - перетин витка відповідної обмотки, м².

г - щільність металу обмоток (для алюмінію - 2700 кг/м³).

для відводів НН

G_ОТВ1 = 14·1.237·175.5·10^-6·2700 = 8.207 кг.

- для відводів ВН

G_ОТВ2 = 7.5·1.237·99·10^-6·2700 = 2.5 кг.

Втрати у відводах

P_ОТВi = K·Д²_i·G_ОТВi,

для обмоток НН

Р_ОТВ1 = 12.75·10^-12·(1.899·10⁶)²·8.207 = 377.474 Вт.

для обмоток ВН

Р_ОТВ2 = 12.75·10^-12·(1.84·10⁶)²·2.5 =105.756 Вт.

Втрати в баці трансформатора

Рд = 10·К·S_H,

де К = 0.04 - коефіцієнт, обумовлений по табл. 4.1, стор. 24 [2].

Р_д = 10·0.03·6300 = 1890 Вт.

Середній коефіцієнт додаткових втрат

де: - розмір провідника у напрямку , перпендикулярному лініям магнітної індукції поля розсіяння ;

- кількість провідників обмотки у напрямку , перпендикулярному лініям магнітної індукції поля розсіяння ;

- коефіцієнт, який знаходиться по формулі

,

де: - розмір провідника у напрямку , паралельному лініям магнітної індукції поля розсіяння ;

- кількість провідників обмотки у напрямку , паралельному лініям магнітної індукції поля розсіяння ;

- загальний розмір обмотки у напрямку , паралельному лініям магнітної індукції поля розсіяння ;

для обмотки НН:

;

- для обмотки ВН:

;

Втрати короткого замикання трансформатора

P_K = K_Д1·P_Э1 + К_Д2·P_Э2 + P_ОТВ1 + P_ОТВ2 + P_д = 1.07·16780 + 1.022·24190 + 377.474 + 105.756 + 1890 = 45050 Вт.

Відхилення дійсних втрат від заданого значення Р_КЗ

ДР_К = -3.1 % .

Напруга короткого замикання.

Активна складова напруги короткого замикання

U_KA = = 0.715 %.

Реактивна складова напруги короткого замикання

U_KP = ,

а_р = а₁₂ + = 0.079 м.

К_Р = 1 - у; у = = 0.962.

U_KP = = 7.11 %.

Напруга короткого замикання

U_K = = 7.146 %.

Відхилення дійсного U_K від заданого U_КЗ

ДU_K = = -4.7 % < 5% .

Механічні сили в обмотках.

Сталий струм короткого замикання

де: S_k=2500·10³ кВА (табл. 7.2 стор 329[1])

- обмотка НН

А,



- обмотка ВН

А,

Ударний струм короткого замикання

i_KMAX = ,

де К_MAX - коефіцієнт, що враховує максимально можливу аперіодичну складову струму короткого замикання.

для обмотки НН

i_KMAX1 = = 10260 А.

- для обмотки ВН

i_KMAX2 = = 5599 А.

Радіальна сила, що діє на обмотки

F_P = 0.628·(i_KMAX·W)²·в·K_P·10^-6,

де К_Р = 0.95;

W - повне число витків однієї з обмоток;

- для обмотки НН:

F_P = 0.628·(1026·180)²·1.38·0.95·10^-6 = 2811000 Н;

- для обмотки ВН:

F_P = 0.628·(5599·346)²·1.38·0.95·10^-6 = 2812000 Н.

Сумарна осьова сила при концентричних обмотках

F^ґ_O.C = .

- для обмотки НН:

F^ґ_O.C1 = Н;

- для обмотки ВН:

F^ґ_O.C2 = Н.

F^ґ_O.C направлена униз у верхній половині у вверх у нижній половині внутрішній обмотки, та навпаки у зовнішній обмотці.

Осева сила, діюча у місті розриву обмотки ВН при відключенні регулювальних витків:

F^ґґ_O.C1=0; F^ґґ_O.C2=0;

Напруга і розрив в проводі обмотки

у_Р = ,

де W - число витків обмотки, для якої визначена сила;

П - площа поперечного переріза одного витка, м².

у_Р1 = = 14.17 МПа.

у_Р2 = = 13 МПа.

Що потрапляє у межі стійкості внутрішньої обмотки МПа

Напруга стиску на опорних поверхнях

у_СЖ = ,

де F_СЖ - максимальне значення стискаючої осьової сили;

n = 14- число прокладок по окружності обмотки;

а - радіальний розмір обмотки, м;

b = 0.05 - ширина прокладки;

- обмотка НН

у_СЖ1 = = 16.18 МПа.

обмотка ВН

у_СЖ2 = = 10.3 МПа.

Що задовольняє умови стискання на опорних поверхнях у_СЖ16-18 МПа.

Рисунок 4.2 Розподіл стискаючих сил для даного випадку

Час нагрівання обмоток до гранично припустимої температури (алюміній - 200^о C)

t_К200 = 0,79·,

де U_К - напруга короткого замикання, %;

Д - щільність струму, А/м².

t_К200.1 = 0,79· = 11.1 с > 4 с.

t_К200.2 = 0,79· = 11.9 с > 4 с.

5. РОЗРАХУНОК МАГНІТНОЇ СИСТЕМИ ТРАНСФОРМАТОРА

5.1 Визначення розмiрiв магнiтопровода.

Конструкція магнитопровіда - плоска шихтована магнітна система, що збирається з пластин холоднокатаної текстурованої сталі марки 3404 (товщиною 0.35 мм) по рис. 5.2.

Розміри пакета вибираємо з табл. 8.3, стор. 358 [1] для стрижня розрахованого діаметра d_Н = 0.38 м. Число ступіней у стрижні - 10, число ступіней у ярмі - 8.

Площа східчастої фігури перетину стрижня і ярма по табл. 8.6 та 8.7, [1], та обєм кута магнітної системи

П_Ф.З = 1035.8·10^-4 м²; П_Ф.Я = 1063.8·10^-4 м²; V_У = 33074·10^-6 м³.

Активний перетин стрижня

П_С = К_З·П_Ф.З = 0.945·1035.8·10^-4 = 0.09788 м²,

де К_З = 0.97 - з табл. 2.2, стор. 77 [1].

Активний перетин ярма

П_Я = К_З·П_Ф.Я = 0.945·1063.8·10^-4 = 0.1005 м².

Обсяг стали кута магнітної системи

V_У.СТ = К_З·V_У = 0.945·33074·10^-6 = 0.031 м³.

Розміри плоскої магнітної системи показані на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 До визначення розмірів плоскої магнітної системи

На рис 5.2 показано основні розміри магнітної системи та перетин стрижня та ярма.

Рисунок 5.2 Магнітна система трансформатора

Довжина стрижня

l = l + (l^ґ_O2 + l^ґґ_O),

l^ґ_O2 = l^ґґ_O = 75 мм - з табл. 4.5, стор. 184 [1].

l= 1,237+ (75 +75)·10^-3 = 1,387 м.

Відстань між осями стрижнів

С = D^ґґ₂ + a^ґґ₂₂= 0.708 + 0.03 = 0.738м.

a^ґґ₂₂=30мм-табл.4.5, стор.184 [1]

Маса частин ярем, укладених між осями крайніх стрижнів (рис. 5.1)

G^ґ_Я = 2·(c -1)·C·П_Я·г_СТ = 2·(3 - 1)·0.715·0.1·7650 = 2269 кг,

де г_СТ - щільність трансформаторної сталі, 7650 кг/м³.

Маса сталі кута при багатоступінчастій формі перетину

G_У = V_У·г_СТ = 0.033·7650 = 239.1 кг.

Маса сталі в частинах ярем, заштрихованих на рис. 5.1

G^ґґ_Я = 2·G_У = 2·239.1 = 478.2 кг.

Маса сталі ярем

G_Я = G^ґ_Я + G^ґґ_Я = 2269 + 478.2= 2748 кг.

Маса сталі стрижнів у межах вікна магнітної системи

G^ґ_C = c·П_С·l·г_CT = 3·0.098·1.387·7650 = 3116 кг.

Маса сталі в місцях стику пакетів стрижня і ярма

G^ґґ_C = 3·(П_C·a_1Я·г_CT - G_У) = 3·(0.098·0.368·7650 - 239) = 109.381 кг,

Маса стали стрижнів

G_C = G^ґ_C + G^ґґ_C = 3116 + 109 = 3225 кг.

Загальна маса сталі

G_CT = G_Я + G_C = 2748+ 3225 = 5973 кг.

Визначення втрат холостого ходу.

Фактична індукція в стрижні

В_С = = 1.611 Тл.

Фактична індукція в ярмі

В_Я = = 1.57 Тл.

Індукція в косому стику стрижня, та індукція в косому стику ярмa

В_КОС = = 1.139 Тл.



Площа перетину стрижня, та ярма на косому стику

П_КОС = = = 0.138 м².

Питомі втрати для стрижнів, ярем і стиків визначаємо по табл. 8.10, стор. 376 [1].

При В_С = 1.61 Тл: р_С = 1.15 Вт/кг; р_ЗС = 635 Вт/м².

При В_Я = 1.57 Тл: р_Я = 1.1 Вт/кг; р_ЗЯ = 990 Вт/м².

При В_КОС.C = 1.14 Тл: Р_З.КОС.С = 515 Вт/м².

Втрати холостого ходу

Р₀ = [К_ПР·K_ПЗ·(p_С·G_C + p_Я·G^ґ_Я - 4·p_Я·G_У + ) + Уp_Зп_ЗП_З]·К_ПЯ·К_ПП·К_ПШ = [К_ПР·K_ПЗ·(p_С·G_C+p_Я·G^ґ_Я-4·p_Я·G_У+)+4·p_ЗКОС·П_КОС+1·p_ЭС·Пс+p_Я·Пя]· К_ПЯ· К_ПП· К_ПШ =[1.05·1.0(1.15·3225 + 1.1·2269 - 4·1.1·239 + 1.15+1.12·10.18·239) + 4·515 ·0.138+1·635·0.095+2·990·0.0974] ·1.0·1.025·1.06=9331 Вт.

де К_ПР = 1.05; K_ПЗ = 1.0; К_ПЯ = 1.0; К_ПП = 1.025; К_ПШ = 1.06 - коефіцієнти з табл. 8.12, стор. 380 [1]; К_ПУ = 10.18 - з табл. 8.13, стор. 382 [1].

Відхилення фактичних утрат холостого ходу від заданого (Р_ОЗ)

ДР_О = = -0.797 % < 7.5%.

Визначення струму холостого ходу.

По табл. 8.17, стор. 390 [1] знаходимо питомі потужності, що намагнічують

При В_С = 1.61 Тл: q_С = 1.9 В^.А/кг; q_ЗС = 24500 В^.А/м²;

При В_Я = 1.57 Тл: q_Я = 1.775 В^.А/кг; q_ЗЯ = 23100 В^.А/м²;

При В_КОС.С = 1.14 Тл: q_КОС = 0.65 В^.А/кг; q_З.КОС = 2500 В^.А/м².

Потужність холостого ходу, що намагнічує

Q_X = [K_ТP·K_ТЗ·(q_С·G_C + q_Я·G^ґ_Я - 4·q_Я·G_У + ·K_ТУ·К_ТПЛ·G_У) +4 ·q_З.КОС·П _КОС +1· q_ЗС·П_С+2 q_ЗЯ·Пя] · K_ТЯ· К_ТП· К_{ТШ =} [1.18·1.0·(1.9·3225+1.775·2269 - 4·1.9·239+ 1.9+1.775 ·42.45 ·1.16·239) +4·24500·0.144+1·23100·0.095 + 217960·0.0974] ·1.0·1.04·1.06=53680 Вар.

де K_ТP = 1.18; K_ТЗ = 1.0; К_ТПЛ = 1.16 - табл. 8.21, стор. 396 [1];

K_ТЯ = 1.0;

К_ТП = 1.04 - табл. 8.12, стор. 380 [1]; К_ТШ = 1.06;

K_ТУ = 42.45 - табл. 8.20, стор. 395 [1].

Повний струм холостого ходу

I_O = = 0.9 %.

Активна складова струму холостого ходу

I_OA = = 0.148%.

Реактивна складова струму холостого ходу

I_OР = = 0.879 %.



Відхилення фактичної величини струму холостого ходу від заданої

ДI_O = =0 % < 15%.

6. ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК ТРАНСФОРМАТОРА

6.1 Тепловий розрахунок обмоток.

Внутрішній перепад температури в обмотці НН

И_ПРО1 =

де а₁ = (3·6.1·10 ^-3м) - радіальний розмір більшої котушки обмотки НН;

р = ,

де К_Р = 3.44 - для алюмінієвого проводу;

л_СР = , де л = = = 0.604

л_СР = =0.604 , де л_МС = л_ИЗ = 0.17 Вт/(м·^оС);

р = Вт/м³

И_ПРО1= ^оС.

Перепад температури на поверхні обмотки НН

И_О.М1 = 0.285· = 0.285·1122^0,6 = 19.266 ^оС.



Середнє підвищення температури обмотки НН під температурою олії

И_ОМ.СР1 = И_ПРО1 + И_О.М1 =2/3*7.5+ 19.266 = 24.294 ^оС.

Внутрішній перепад температури в обмотці ВН (для циліндричної обмотки з круглого алюмінієвого проводу)

И_ПРО2 = ,

де а₂- радіальний розмір більшої котушки обмотки ВН;

р = ,

де К_Р = 3.44 - для алюмінієвого проводу;

л_СР = , де л = = = 0.514

л_СР = =0.414 , де л_МС = л_ИЗ = 0.17 Вт/(м·^оС);

р = = 80590 Вт/м³.

И_О2 = = 13.4 ^оС

Перепад температури обмотки ВН під температурою олії

И_ОМ2 = 0.285· = 0.285·1023^0,6 = 18.226 ^оС.

Перепад температури над поверхнею обмотки ВН

И_ОМСР2 = И_{ПРО2 СР} + И_ОМ2 = 2/3*13.4+18.226 =27.139 ^оС.

Припустиме перевищення температури олії під повітрям

И_МВ = 65 - И_ОМСР2 = 65 - 27.139 = 37.861 ^оС.

Припустиме перевищення температури стінки бака під температурою повітря

И_БВ = И_МВ - И_Мд = 37.861 ^оС,

де И_Мд = 0^оС - перепад температури між баком та стінкою бака.

Температура олії у верхніх шарах

И_МБВ = 1,2·И_БВ = 1,2·37.861 = 45.443 ^оС < 55 ^оС.

6.2 Тепловий розрахунок бака

У зв'язку з тим, що втрати в трансформаторі зв'язані з його потужністю, то при виборі конструкції бака варто орієнтуватися на потужність трансформатора (табл. 9.4, стор. 429 [1]). Вибираємо бак з начіпними радіаторами з прямими трубами з масляним охолодженням обмоток. По рис. 6.1 робимо визначення ізоляційних проміжків від відводів обмотки ВН і стінки бака.

S₁ = 50 мм - ізоляційна відстань від відводу обмотки ВН до власної обмотки і рівна йому відстань S₂ = 50 мм - до стінки бака (по табл. 4.11, стор. 199 [1]).

Рисунок 6.1 До визначення основних розмірів бака

d₁ = 20 мм - діаметр ізольованого відводу обмотки ВН при U = 35 кв і S = 6300 кВА < 10000 кВА.

S₃ = 25 мм - відстань від відводу обмотки НН до обмотки ВН по табл. 4.12, стор. 201 [1].

S₄ = 25 мм - відстань від відводу обмотки НН до стінки бака (по табл. 4.11, стор. 199 [1]).

d₂ = 20 мм - діаметр ізольованого відводу від обмотки НН рівний d₁.

Мінімальна ширина бака

B = D^ґґ₂ + (S₁ + S₂ + d₁ + S₃ + S₄ + d₂)·10^-3 = 0.708 + (50 + 50 + 25 + 25 + 20 + 20)·10^-3 = 0.928 м, приймаю В = 1 м.

Мінімальна довжина бака

А = 2·С +В = 2·0.738 + 1 = 2.476 м,

приймаю А = 2.5 м.

Висота активної частини трансформатора

H_а.ч = l_С + 2·h_Я + n·10^-3 = 1.387 + 2·0.368 + 50·10^-3 = 2.173 м,

де n = 50 мм - товщина підкладки під нижнє ярмо.

Загальна глибина бака

Н_Б = Н_А.Ч. + Н_Я..К. = 2.173+ 500·10^-3 = 2.673 м,

де Н_Я..К. = 500 мм - відстань від верхнього ярма до кришки бака (по табл. 9.5, стор. 431 [1]).

Бак з начіпними радіаторами.

Габаритний розмір радіатора

A_P ? Н_Б - 0.34 = 2.673 - 0.34 = 2.333 м.

По табл. 9.9, стор. 442[1] вибираємо трубчасті радіатори з двома рядами гнутих труб з відстанню між осями фланців A_P = 2285 мм, з поверхнею труб П_ТР = 27.05 м² і колекторів П_КК = 0.66 м².

Для установки цих радіаторів глибина бака повинна бути

Н_Б = А_Р +С₁ +С₂ =2285+0.17+0.17 = 2.625 м,

де С₁ = 0.085 м і С₂ = 0.10 м - відстані осей фланців від нижнього і верхнього зрізів стінки бака (по табл. 9.9, стор. 442 [1]).

Поверхня конвекції гладкої стінки бака

П_К.ГЛ = Н_Б·[2·(А - В) + р·В] = 2.7·[2·(2.5 - 1) + 3.14·0.1] = 16.582 м².

Орієнтована поверхня випромінювання бака з радіаторами

П_И = К·П_К..ГЛ = 1.5·16.582 = 23.215 м²,

де К = 1.5 - коефіцієнт, що враховує оснащення бака.

Орієнтована необхідна поверхня конвекції для заданого значення И_БВ

П_К ==217.172 м².

Поверхня конвекції складається з поверхні гладкого бака П_К.ГЛ та поверхні кришки бака.

П_К.КР = 0.5·[(A - B)·(B + 0.16) + ] = 0.5· = 1.398 м².

Поверхня конвекції радіаторів

УП_К.Р = П_К - П_К.ГЛ - П_К.КР = 217.172-16.582-1.398=199.191

Поверхня конвекції радіатора, приведена до поверхні гладкої стінки

П_К.Р = П_ТР·К_Ф + П_КК = 27.05·1.4+0.66=38.53 м²,

де П_ТР = 3.533 м², П_КК = 0.34 м² - по табл. 9.9, стор. 442 [1];

К_Ф = 1.4 - по табл. 9.6, стор. 432 [1].

Необхідне число радіаторів

n_Р = = 5.17.

приймаємо 5 радіаторів з розташуванням по рис. 6.3.

Поверхня конвекції бака

П_К = УП_КР + П_КГЛ + П_К.КР = 5·38.53+16.582+1.398= 210.631 м²,

де УП_КР = n_Р·П_КР - сумарна поверхня конвекції радіаторів.

Поверхня випромінювання визначаємо після виконання ескізу розташування радіаторів на стінках бака (рис.6.2)

П^ґ_И = Р_И·Н_Б = 25·2.7 =67.5 м²,

де Р_И = 20 м - реальний периметр випромінювання, обумовлений по ескізі з урахуванням розмірів радіаторів.

Рисунок 6.3 Ескіз розміщення радіаторів на стінках бака

6.3 Розрахунок перевищень температури обмоток і олії трансформатора

Середнє перевищення температури стінки бака в порівнянні з температурою навколишнього повітря



И_дВ = = = 33.232,

де К = 1.05ч1.10, приймаємо К = 1.05.

Середнє перевищення температури олії поблизу стінки бака

И_Мд = 0.165·К₁· = 0.165·0.9· = 4.53 ^оС,

де К₁ = 1.0 - для природнього охолодження;

Перевищення середньої температури олії в порівнянні з температурою повітря

И_М.В = И_Мд + И_дВ = 33.23+4.53 = 37.762 ^оС.

Перевищення температури олії у верхніх шарах у порівнянні з температурою повітря

И_М.В.В = 1.2· И_М.В = 1.2·37.762 = 45.314 ^оС < 60 ^оС.

Перевищення середньої температури обмоток у порівнянні з температурою повітря

обмотка НН

И_О.В1 = И_{О.МСР1 +}И _дВ+ И_Мд = 24.294 + 33.232+4.53 = 62.056 ^оС < 65 ^оС.

обмотка ВН



И_О.В2 = И_О.МСР2 + И _дВ +И_Мд = 27.139+ 33.232+4.53 = 64.9 ^оС < 65 ^оС.

Визначення маси конструкційних матеріалів і олії трансформатора

Маса активної частини трансформатора:

G_А.Ч = 1.2·(G_ПР + G_СТ) = 1.2·(5973 + 938) = 8293 кг,

де G_ПР = = 938 кг - маса проводів обмоток з відводами;

G_CT = 5973 кг - загальна маса сталі магнітопровода - по п. 5.1.16.

Маса бака трансформатора:

G_Б = г_СТ·П_Б·д = 7650·21·6·10^-3 = 968 кг,

Маса труб системи охолодження (для бака з радіаторами)

G_TPУБ = n_р·G_CT.P = 5·442 = 2210 кг,

де G_CT.P = 442 кг - маса сталі радіаторів (по табл. 9.9, стор. 442 [1]).

Об'єм активної частини трансформатора

V_А.Ч = = 1.508 м³,

де г_А.Ч - середня щільність активної частини, яка дорівнює (5 - 5,5)·10³ кг/м³.

Об'єм бака трансформатора

V_Б = (2·С + 0.25·р·В)·В·Н_Б = (2·0.738 + 0.25·3.14·1)·1·2.7 = 6.106 м³.

Маса олії в баці

G_М.Б = 0.9·(V_Б - V_А.Ч)·10³ = 0.9·(6.106 - 1.508)·10³ = 4138 кг.

Маса олії в трубах(для бака з радіаторами)

G_М.ТР = n_P·G_M.P = 5·321 = 1605 кг,

де G_M.P = 321 кг - маса олії в одному радіаторі (по табл. 9.9, стор 442 [1]).

Загальна маса олії в трансформаторі

G_M =G_МБ + G_М.ТР = 4138 + 1605 = 5743 кг.

Маса ізоляційного картону

G_K = K·G_ПР = 0.35·938 = 328 кг,

де K = 0.35 - коефіцієнт використання картону (по табл. 7.2, стор. 40 [2]).

Загальна маса трансформатора

G_TP=1.2·(G_А.Ч+G_Б+G_M+G_K+G_труб)=1.2(8293+968+5743+328+2210)=21050 кг.

7. ЗВЕДЕНІ ДАНІ РОЗРАХУНКУ ТРАНСФОРМАТОРА

Номінальні дані

S_НОМ = 6300 кВА; U_1Н =6.3 U_2Н = 20 кВ.

Схема і група з'єднання Y/Д-11.

Основні геометричні дані і співвідношення

d_Н = 0.38м; l₁ = l₂ = 1.237; в_Н = 1.38

d₁₂ = 0.54 м; a₁ = 0.04 м; a₂ = 0.062 м;

a₁₂ = 45·10^-3 м; С = 0.738 м.

Дані обмоток

U_В = 35 В;

W₁ = 180 виток;

W₂ = 346 витків;

П₁ = 177.5·10^-6 м²;

П₂ = 99·10^-6 м².

Тип обмоток

а) обмотка низької напруги - циліндрична багатошарова з прямокутного проводу;

б) обмотка високої напруги - циліндрична багатошарова з прямокутого проводу.

Електромагнітні навантаження

В_С = 1.61 Тл;

В_Я = 1.57 Тл;

Д₁ = 1.899 ·10⁶ А/м²;

Д₂ = 1.837·10⁶ А/м².

Параметри холостого ходу і короткого замикання

Р_О = 9325 Вт;

I_О = 0.9 %;

Р_К = 45050 Вт;

U_К = 7.5 %.

Габаритні розміри

А = 2.5 м;

В = 1 м;

Н_Б = 2.7 м.

Дані теплового розрахунку

q₁ = 1122 Вт/м²;

q₂ = 1023 Вт/м²;

И_О.В1 = 62 ^оС;

И_О.В2 = 64.9 ^оС.

Результати економічної оцінки трансформатора

G_СТ = 5973 кг;

G_ПР = 938 кг;

G_М = 5743 кг;

G_ТР = 21050 кг.

ВИСНОВКИ

Завданням до курсового проекту було конструювання силового трансформатора з заданими параметрами S_НОМ = 6300 кВ^.А; U_ВН = 20 кВ; U_НН = 6.3 кВ;

Схема з'єднання обмоток - Y/Д-11; Р₀ = 9325 Вт; Р_КЗ = 45050 Вт; U_КЗ = 7.5 %; I₀ = 0.9 %.

У курсовому проекті були проведені розрахунки по проектуванню силового трансформатора з заданими параметрами з алюмінієвими обмотками.

Були проведені розрахунки відповідно до загальноприйнятої методики, викладеної в [1] і [2]. При розрахунку враховувалися і нові розробки по даній проблемі.

Були розраховані основні параметри, розміри, параметри обмоток і основні електричні величини. Тому що мали місце погрішності при обчисленнях, а також інші особливості, то, природно, розрахункові величини відрізняються від заданих.

Перепад температури в обмотках ВН і НН знаходяться в межах норми. Охолодження трансформатора - п'ять начіпних радіатора з двома рядами гнутих труб.

У цілому розрахункові дані трансформатора задовольняють усім вимогам і він може бути застосований у виробництві.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 528 с.

Методические указания к курсовому проекту «Расчет трансформатора» (Сост.: А.А. Гусаров, К.П. Донченко, И.Г. Ширнин. - Донецк: ДПИ. 1991. - 51 с.

Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия 1972. - 832 с.

Конструкция трехфазных силовых трансформаторов: Методические указания к курсовому проектированию. - Винница: ВПИ. - 52 с.

Электротехнический справочник. Том 1. - М.: Энергоатомиздат 1985. - 488 с.

Размещено на Allbest.ru

...