Расчет трансформатора ТСЗ-1000/15

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Расчет трансформатора ТСЗ-1000/15

1. Описание конструкции и принципа действия трансформатора

1.1 Устройство трансформатора

трансформатор обмотка магнитный цепь

До сравнительно недавнего времени силовые трансформаторы изготовлялись только масляными. Однако в последние два десятилетия появились установки, для которых отсутствие масла является большим преимуществом, а иногда и решающим условием применения трансформатора. Это внутрицеховые трансформаторные подстанции, подстанции внутри жилых и общественных зданий, в метро, шахтные подстанции и т.д. Для этих установок изготавливают сухие силовые трансформаторы напряжением до 20 кВ и мощностью до нескольких тысяч кВА.

Сухие трансформаторы до мощности 200 - 2500 кВА изготовляют обычно с естественным воздушным охлаждением, а большей мощности с дутьём. Магнитопровод может быть плоско шихтованным, изготовлен из электротехнической холоднокатаной стали, а также может быть стыковым.

Особенности воздушного охлаждения заключаются в более широких каналах в стержнях и ярмах магнитопровода (число каналов зависит от размеров магнитопровода и допущенного перегрева). Отсутствие канала между ярмом и ярмовой балкой, в повышенной нагревостойкости изоляционных деталей.



Рис. 1. Разрез сухого трансформатор 1-ввод ВН; 2-ввод НН; 3-ярмовая балка; 4 - доска зажимов ВН; 5-вентиляция; 6 - обмотки ВН и НН

Обмотки отечественных трансформаторов типа ТСЗ выполняются из алюминиевого провода, а серии ТСЗС - из медного провода с изоляцией класса В по нагревостойкости. Основное отличие обмоток сухих-трансформаторов (применяются обмотки тех же видов что и в масляных, это цилиндрические из прямоугольного провода, и из круглого, а также винтовые обмотки и т.д.) заключается в увеличенных по условию охлаждения каналах. Изоляционные детали обмоток из электрокартона, пропитанного влагостойкими лаками, гетинакса, стеклотекстолита, фарфора. Применение того или иного материала зависит от устройства детали и температуры в месте её установки. Наибольшая нагревостойкость требуется от изоляционных деталей, непосредственно соприкасающихся с проводниками обмоток. В трансформаторах мощностью до 160 кВА осевую стяжку обмоток осуществляют без стального кольца. Осевое давление ярмовые балки передают обмоткам через пропитанные влагостойким лаком деревянные, гетинаксовые, стеклотекстолитовые и фарфоровые прокладки.

Для отводов сухих трансформаторов применяют медные или алюминиевые круглые провода или прямоугольные шины. Регулировочные ответвления обмоток ВН у трансформаторов общего назначения чаще всего выводят на доску зажимов; у специальных трансформаторов они иногда просто зажимаются в планках отводов. Основные отводы BII у трансформаторов общего назначения обычно закрепляются на опорных изоляторах; отводы НН - между фарфоровыми прокладками. У сухих трансформаторах отсутствует бак, расширитель и другие, связанные с ним части. Для механической защиты сухие трансформаторы часто помещают в кожух с естественной вентиляцией. Конструкция кожуха и вводов-зажимов для присоединения трансформатора зависят от его выполнения: как отдельного устройства или как составной части комплектной трансформаторной подстанции.

1.2 Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора (аналогично электрическим машинам) основан на явлении электромагнитной индукции.

Принцип действия трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная система которого приведена на рис. 2.

Такой трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток с числом витков W₁, W₂.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками.



Рис. 2. Электромагнитная система однофазного трансформатора:

1, 2 - первичная и вторичная обмотки;

3 - магнитопровод.

Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии, а также обеспечивают наведение ЭДС, требуемых по условиям эксплуатации трансформатора. Обмотку к которой подводится электрическая энергия, называют первичной, а обмотку, от которой энергия отводится, - вторичной.

При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС.

U₁ > I₁ > I₁W₁ > Ф

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции

.

Во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции

.

Ф=Ф_m•sinщt.

.

Т.к. cosщt= - sin (щt-р/2), то

.

Если sinщt=1, то получим максимальное значение

,

, щ=2рf,

,

,

где в соответствии с обозначениями на рис. 2. f - частота сети; W₁, W₂ - число витков соответствующих обмоток; Ф - максимальное значение синусоидального магнитного потока.

Обмотки W₁, W₂ не имеют электрической связи и поэтому мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем.

Делением индуцированных ЭДС получают коэффициент трансформации.

,

При нагрузке ЭДС вторичной цепи Е₂ вызывает ток I₂. Ток определяется значением полного сопротивления нагрузки, а фазу определяет характер полного сопротивления (активного, индуктивного и емкостного). Во вторичной обмотке возникает МДС I₂W₂, которая действует против МДС I₁W₁. Однако в результате этого уменьшается также ЭДС E₁, вследствие чего возрастает ток в первичной обмотке.

Трансформатор - это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению, поэтому в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную.

2. Предварительный расчёт трансформатора обобщённым методом

2.1 Определение основных электрических величин

Номинальный (линейный) ток обмотки В.Н.

А.

Номинальный (линейный) ток обмотки Н.Н.

А.

Фазный ток обмотки В.Н. (действующее значение)

А.

Фазный ток обмотки Н.Н. (действующее значение)

А.

Фазное напряжение обмотки В.Н. (действующее значение)

кВ.

Фазное напряжение обмотки Н.Н. (действующее значение)

кВ.

Выбор испытательного напряжения:

испытательное напряжение обмотки В.Н. U_исп.в =37 кВ;

испытательное напряжение обмотки Н.Н. U_исп.н =16 кВ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Главная изоляция обмоток сухих трансформаторов

2.2 Определение основных размеров трансформатора

Рассчитываем плоскую стержневую конструкцию с концентрическими обмотками из алюминиевого провода со стержнями, имеющими поперечное сечение в форме ступенчатой фигуры.

По [1] выбираем основные изоляционные расстояния.

Для обмотки В.Н.:

Расстояние от обмотки В.Н. до ярма l₀₂ =80 мм;

Расстояние между обмотками В.Н. и Н.Н. а₁₂ =40 мм;

Расстояние до соседней обмотки В.Н. а₂₂ =45 мм.

Для обмотки Н.Н.:

Расстояние от обмотки Н.Н. до ярма l₀₁ =55 мм;

Расстояние от обмотки Н.Н. до стержня а₀₁ =27 мм.

Расчет размеров трансформатора

Мощность одной фазы и одного стержня трансформатора

кВА,

Активная составляющая напряжения КЗ

;

Реактивная составляющая напряжения КЗ

;

Определение исходных данных расчета

м,

k =0,6 [1; т. 3.3, прим. 3; с. 121];

Согласно указаниям § 2.3 [1] выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему по рис. 2.5, д [1] с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис. 2.17, б [1]. Материал магнитной системы-холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Индукция в стержне В_с=1,44 Тл [1; т. 2.4; с. 78]. В сечении стержня восемь ступеней, коэффициент заполнения круга к_КР=0,93 [1; т. 2.5; с. 83]; изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, к_З=0,97 [1; т. 2.2; с. 77]. Коэффициент заполнения сталью

.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней шесть, коэффициент усиления ярма к_я=1,02 (табл. 8.7). Индукция в ярме В_я=1,44/1,02=1,41 Тл.

Диаметр стержня:

м.

Выбираем нормализованный диаметр стержня

d_Н =0,24 м.

Активное сечение стержня П_С=П_Ф,С. К_З =0,04193•0,97=0,04067 м².

Средний диаметр осевого канала между обмотками:

м.

Высота обмоток:

м.

Расчет размеров трансформатора по Тихомирову

Мощность одной фазы трансформатора:

,

где m=3 - число фаз.

Ширина приведенного канала:

,

где ;

- приведенная ширина двух обмоток;

Коэффициент k в соответствии с табл. 3.3. [1] равен 0,48.

м,

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

;

Реактивная составляющая напряжения КЗ

;

Согласно указаниям параграфа 2.3. [1] выбираем трехфазную стрежневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне.

Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Принимаем индукцию в стержне В_с=1,44 Тл (по табл. 2.4. [1]).

В сечении стержня 7 ступеней, коэффициент заполнения круга k_кр=0,91 (табл. 2.6. [1]); изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, k_з=0,97

Коэффициент заполнения сталью:

Ярмо многоступенчатое, число ступеней девять, коэффициент усиления ярма k_я=1,2 (табл. 2.8. [1]). Индукция в ярме

Число зазоров в магнитной системе на косом стыке четыре, на прямом три.

Удельные потери в стали _с=1,295 Вт/кг; _я=1,251 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность q_c=1,775 ВА/м²; q_я=1,575 ВА/м²; для зазоров на прямых стыках q_з''=23500 ВА/м²; для зазоров на косых стыках q_з'=100 ВА/м² (см. табл. 8.10, 8.17 [1]).

В соответствии с табл. 3.6. [1] находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, k_д=0,82 и по табл. 3.4. и 3.5. - постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток а=1,4 и b=0,26.

Принимаем коэффициент Роговского k_р=0,95.

Диапазон изменения от 1,2 до 3,0 в соответствии с табл. 12.1. [1].

Расчет основных коэффициентов:

В соответствии с (3.30), (3.36), (3,43), (3,44), (3.52) и (3,65) [1] находим коэффициенты:

кг

где k_кз=1,41•100/U_k•(1+e ^(-р*ua/up))=1.41•100/8*•(1+e ^{(-р*1,2/7,91)})=32,58

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых (3.55) [1]. Для рассчитываемого трансформатора:

k_о,с=1.81 (см. табл. 3.7. [1]);

k_и,р=1,06;

х⁵-0,318*х⁴-0,44*х - 0,42=0

Решение этого уравнения дает =1,05, соответствующее минимальному С_а.ч.'.

В соответствии с (3.61) и (3.66) [1] находим предельные значения по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям:

_j=x_j⁴=0,75⁴=0,32;

=x⁴=44,3⁴=3,84*10⁶.

Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла магнитной системы по (3.45а) [1]:

Активное сечение стержня по (3.59) [1]:

П_С= П_Ф,С. К_З =0,09292•0,97=0,09013 м².

Площадь зазора на прямом стыке П_з''=П_с=0,09013х²; на косом стыке П_з'=П_с2=0,127х².

Для выбранной магнитной системы по (8.33) потери холостого хода с учетом табл. 8.10, 8.13 и 8.14 [1]:

Намагничивающая мощность по (8.44) с учетом табл. 8.17 и 8.20 [1]:

Далее определяем основные размеры трансформатора:

Предварительный расчет трансформатора типа ТСЗ-1000/15 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками

	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8
	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4	1,6	1,8
	0,795	0,880	0,946	1,000	1,047	1,088	1,125	1,158
	0,632	0,775	0,894	1,000	1,095	1,183	1,265	1,342
	0,503	0,682	0,846	1,000	1,147	1,287	1,423	1,554
	864,360	781,037	726,837	687,400	656,771	631,942	611,195	593,460
	111,976	137,142	158,358	177,050	193,949	209,488	223,953	237,538
	976,336	918,180	885,195	864,450	850,720	841,431	835,147	830,997
	261,546	354,500	439,866	520,000	596,196	669,267	739,764	808,086
	44,727	54,779	63,254	70,720	77,470	83,677	89,455	94,881
	306,273	409,280	503,120	590,720	673,666	752,944	829,219	902,967
	1282,609	1327,459	1388,316	1455,170	1524,386	1594,375	1664,366	1733,965
	71,422	96,806	120,117	142,000	162,807	182,761	202,013	220,670
	1038,236	976,392	941,317	919,256	904,656	894,778	888,095	883,683
	325,875	435,474	535,320	628,526	716,781	801,132	882,289	960,757
Рх	298,795	404,987	502,511	594,057	681,105	764,582	845,119	923,172
	1662,905	1816,853	1979,148	2141,839	2302,541	2460,492	2615,504	2767,611
	0,075	0,092	0,106	0,119	0,130	0,141	0,151	0,160
	2009,104	1889,430	1821,555	1778,865	1750,611	1731,496	1718,566	1710,027
	613,588	819,951	1007,951	1183,448	1349,623	1508,448	1661,257	1809,004
	6433,285	8719,694	10819,452	12790,508	14664,718	16462,046	18196,078	19876,603
Qх	645,921	791,088	913,470	1021,290	1118,767	1208,407	1291,841	1370,204
	9701,898	12220,163	14562,428	16774,112	18883,720	20910,397	18660	24765,839
	0,006	0,008	0,009	0,010	0,012	0,013	0,014	0,015
	1287,600	1051,321	910,471	814,350	743,396	688,251	643,800	606,981
	1326,228	1082,861	937,785	838,781	765,698	708,899	663,114	625,190
	1366,015	1115,347	965,919	863,944	788,669	730,166	683,008	643,946
	3483,339	2844,134	2463,093	2203,057	2011,107	1861,923	1741,669	1642,062
	4765,948	4171,594	3851,408	3658,227	3535,493	3456,298	3406,035	3376,026
	6115,068	6015,6	5142,139	4863,135	4646,447	4470,790	5002,46	4198,539
	0,169	0,187	0,201	0,213	0,223	0,232	0,240	0,247
	0,237	0,262	0,282	0,298	0,312	0,324	0,335	0,345
	1,862	1,373	1,107	0,936	0,817	0,728	0,799	0,603
	0,387	0,412	0,432	0,448	0,462	0,474	0,485	0,495

Результаты расчетов табл. 2.1. приведены на нижеследующих графиках рис. 2.2. - 2.5.

Рис. 2.2. Изменение массы стали стержней G_c, ярм G_я, магнитной системы G_ст и металла обмоток G_о с изменением .

Рис. 2.3. Изменение относительной стоимости активной части с изменением

а)



б)

Рис. 2.4. Изменение потерь и тока холостого хода с изменением

а)

б)

Рис. 2.5. Изменение механических напряжений и плотности тока с изменением

На основе анализа результатов расчета основных размеров трансформатора устанавливается целесообразное значение коэффициента в=1,6.

Условное значение коэффициента принято так, как ему соответствуют:

- минимум стоимости активной части трансформатора, составляющий 2671 усл. ед.;

- значение потерь холостого хода 2346,116 Вт (отклонение от заданной величины в пределах нормы);

- значение тока холостого хода 1,866% (отклонение от заданной величины в пределах нормы);

- приемлемое значение плотности тока в обмотках 1,866 А/мм²;

- допустимое механическое растягивающее напряжение в проводе 5,002 МПа.

Поэтому принимаем к расчету значения

в=1,6

Выбираем нормализованный диаметр стержня

d_Н =0,24 м.

Активное сечение стержня П_С=П_Ф,С. К_З =0,04193•0,97=0,04067 м².

Высота обмотки

l=0,799 м,

Расстояние между осями стержней

С=0,547 м.



Рис. 5. Основные размеры трансформатора

3. Расчёт обмоток

3.1 Предварительный расчет

ЭДС одного витка

U_В = 4,44• f•В_С •П_С =4,44•50•1,44•0,04067=13 В

Число витков обмотки Н.Н.

витков.

Число витков обмотки В.Н.

витка.

Коэффициент трансформации

;

;

Отклонение не превышает допустимого по ГОСТу.

Плотность тока в обмотках, обеспечивающую получение заданных потерь КЗ, берем из расчета на ЭВМ.

J=1,596 А/мм².

Ориентировочное сечение витка обмотки В.Н.

 мм².

Ориентировочное сечение витка обмотки Н.Н.

мм².

Выбор типа обмоток

Обмотки выбираются [1; табл. 5.8]

Принимаем:

обмотка ВН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода,

обмотка НН - непрерываня обмотка.

В качестве витковой изоляции используется собственная изоляция обмоточного провода. Для учебного проектирования рекомендуется провод марки АПБ, изолированный лентами кабельной бумаги как для сухих так и для масляных трансформаторов класса изоляции А.

3.2 Расчёт обмотки низкого напряжения

Выбираем нормированное сечение провода

.

П_НН=П_ГОСТ•n_эл=58,1•1=58,1 мм²,

Уточняем плотность тока:

А/мм²,

Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по 4 мм.

Находим число катушек:

принимаем 49 катушек.

Число витков в катушке:

принимаем 6 витков.

Радиальный размер катушки [формула 6.68, 1]:

мм.

Высота обмотки

l_HH=(b'+h_К) n_кат=(12,3+4)·49=799 мм.

Внутренний диаметр обмотки

D'₁=d_Н+2a₀₁=0,24+2•0,027=0,294 м.

Внешний диаметр обмотки

D»₁=D'₁+2a₁=0,294+2•0,033=0,36 м.

Поверхность охлаждения обмотки

П_ОХЛ=3•К•(b'+a₁)•3.14•(D'₁+D»₁)•n_кат =

=3•0.75•(0,0123+0,033)•3,14•(0,294+0,36)•49=10,3 м².

Масса металла обмотки

кг.

Рис. 6. Непрерывная обмотка.

3.3 Расчет обмотки высокого напряжения

Число витков на одной ступени регулирования.

принимаем 29 витков.

Пересчет напряжения на зажимах обмотки ВН

В.

Ступень напряжения	1,05UФВН	1,025UФВН	UФВН	0,975UФВН	0,95UФВН
Число витков	1212	1183	1154	1125	1096
Напряжение ступени, В	15756	15379	15002	14625	14248
Напряжение ступени по ГОСТу, В	15750	15377	15000	14625	14250
Разность напряжений, В	-6	-2	-2	0	2

Схема регулирования напряжения ПБВ с регулировочной зоной в середине высоты обмотки изображена на рис. 7. В этом случае регулировочная обмотка выполняется той же конструкции, что и обмотка ВН.

Выбираем нормированное сечение провода [1, табл. 5.2.]:

П_ВН=П_ГОСТ•n_эл=13,8•1=13,8 мм²,

А/мм²,

Число витков в слое

принимаем 117 витков,

Число слоев в обмотке

,

Разделяем обмотку ВН на три концентрические катушки - внутреннюю в четыре слоя, среднюю в четыре слоя и внешнюю в три слоя с осевым каналом b_К=10 мм.

Рис. 7. Схема регулирования ПБВ с регулировочной зоной в середине высоты обмотки

Рис. 8. Сечение обмотки ВН.

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

В.

По [1, табл. 4.7] находим: межслойная изоляция - кабельная бумага 5 слоевЧ0,12 =0,6 мм.

Радиальный размер обмотки ВН:

м.

Высота обмотки

мм.

Внутренний диаметр обмотки

D'₂=D»₁+2a₁₂ =0,36+2•0,04=0,44 м

Наружный диаметр обмотки

D»₂=D'₁+2a₂=0,44+2•0,055=0,55 м.

Поверхность охлаждения

П_ОХЛ=3•(n_К+1)•К•3.14•(D'₂+D»₂)•l₂ =3•(2+1)•0,8•3,14•(0,44+0,55)•0,802=18 м².

Масса металла обмотки.

кг

Выводы

Сравнение данных предварительного и полного расчета трансформатора ТСЗ-1000

Показатели	Задано	алюминиевые обмотки
		Предвар. расчет на ЭВМ	Полный расчет
Потери КЗ, Вт	12000		11319
Потери ХХ, Вт	3200	2346,116	2262
Uкз, %	8		8,07
Iхх, %	2	1,866	1,6
Вс, Тл		1,44	1,44
Плотность тока		1,596	1,577
?		1,6	1,6
d, м		0,24	0,24
Высота обмоток		0,799	0,802
Расст. м/у осями		0,547	0,595

Список литературы

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Сыровешкин А.М. Электромеханика. Расчет трансформаторов. Методические указания к курсовому проектированию. - Братск, 2003.

Размещено на Allbest.ru

...