Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизоване проектування трансформатору струму

Пояснювальна записка містить 39 сторінок ,9 рисунків, 6 таблиць, використаних джерел 2

Трансформатор струму, магнітопровід, первинна обмотка, вторинна обмотка, клас точності, клас напруги, ізоляція, похибки трансформатору, поток розсіяння, кратність струму, магнітна індукція

Об'єктом проектування є трансформатор струму ТВТ220 300/1 класу напруги 220 кВ.

Мета роботи - розробка тороїдального трансформатору струму що відповідає заданим технічним вимогам.

В ході проектування виконано розрахунки по заданим технічним умовам для основних частин трансформатора: магнітної системи, обмоток, ізоляції, розмірів вікна магнітопроводу. Первинна обмотка виконана із мідного проводу марки ПВДО, а вторинна із проводу марки ПСД. При розрахунку геометрії магнітопроводу використано метод простих ітерацій. Розрахували розподіл магнітної індукції по довжині магнітопроводу.

В результаті проектування було отримано трансформатор з похибкою , і вартістю активних матеріалів 735.66 грн.

Зміст

• Вступ
• Вихідні дані
• 1. Розрахунок магнітної системи трансформатора по заданим технічним умовам
• 1.1 Визначення густини струму
• 1.1.1. Первинна обмотка
• 1.1.2 Визначення числа витків первинної обмотки
• 1.1.3 Вторинна обмотка
• 1.2 Розрахунок розмірів первинної обмотки
• 1.3 Розрахунок головної ізоляції трансформатора з литою ізоляцією
• 1.3.1. Визначення висоти котушки вторинної обмотки
• 1.4 Попередній розрахунок розмірів магнітної системі трансформатору
• 1.4.1 Перша ітерація
• 1.4.2 Друга ітерація
• 1.5 Розрахунок вартості трансформатору та маси затраченого матеріалу
• 2. Розрахунок похибки трансформатору
• 2.1 Параметри вторинного контуру
• 2.2 Параметри повного потоку розсіяння
• 2.3 Розподіл магнітної індукції по довжині магнітопроводу
• 2.4 Струм намагнічування із урахуванням магнітної індукції у магнітопроводі
• 2.5 Похибки трансформатора
• 2.6 Виткова корекція
• 2.7 Розрахунок ТС при великих кратностях первинного струму
• 2.7.1 Розрахунок максимальної кратності вторинного струму
• 2.7.2 Розрахунок граничної кратності
• 2.7.3 Розрахунок номінальної граничної кратності
• 2.8 Розрахунок напруження на кінцях роз'єднаної вторинної обмотки
• 2.9 Тепловий розрахунок трансформатора
• 3. Розрахунок ЕОМ
• Висновки
• Список літератури
• Вступ
• Останні роки характеризуються швидким розвитком енергетики. Швидко підвищуються номінальні напруги і струми електрообладнання, що встановлюється в енергосистемах. У зв'язку з об'єднанням енергосистем, значно збільшуються струми короткого замикання. Все це призводить до необхідності створення нового високовольтного обладнання, одним із видів якого є трансформатор струму.
• Трансформатор струму призначений для перетворення струму великого значення в струм який зручно виміряти звичайним амперметром. Як правило їх виготовляють з таким коефіцієнтом трансформації, щоб на вторинній обмотці сила струму була стандартною(1 або 5 ампер).
• Трансформатори струму широко використовуються , також, для виміряння електричного струму в пристроях релейного захисту електроенергетичних систем. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірів, ізолюючи вимірювальні кола від первинного кола з високою напругою, часто складаючи сотні кіловольт. Як правило трансформатор струму виконують з двома групами обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, а інша, для підключення засобів виміру й обліку (на приклад електричних лічильників).
• Лінії напруги 220 кВ застосовуються на заміну розширення лінії 110кВ при значному збільшені навантаження в енергосистемах з вищою напругою 500кВ, або там де напруга надалі є найбільш перспективним. При наявності в енергосистемах діючих мереж 220 кВ ця напруга використовується також для створення повітряних або кабельних вводів на електроємкі промислові підприємства.
• Трифазні мережі з ефективно-заземленими нейтралями (мережі високої і надвисокої напруги, нейтралі яких з'єднані з землею безпосередньо, або через невеликий активний опір).Це мережі напругою 110, 150 і частково 220 кВ, в яких застосовуються трансформатори (автотрансформатори вимагають обов'язкового глухого заземлення нейтралі).

Вихідні дані

Ст. Гр. ЕМ-092 Гнатенко М.А.

Таблиця 1- Завдання до проектування

Величина	Значення
1	Номінальний струм первинної обмотки
2	Номінальний струм вторинної обмотки
3	Клас точності
4	Кут обхвату
5	Клас напруги
6	Коефіцієнт потужності
7	Номінальне вторинне навантаження
8	Номінальна гранична кратність первинного струму
9	Кратність струму термічної стійкості
10	Виконання трансформатору	Тороїдальна
11	Матеріал вторинної обмотки	Мідь
12	Матеріал магнітопроводу	Сталь 3414
13	Тип ТС	ТПОЛ

1. Розрахунок магнітної системи трансформатора по заданим технічним умовам

1.1 Визначення густини струму

Обмотка трансформатору повинна відповідати ряду вимог: термічній і механічній стійкостям, забезпечення гідності ізоляції. При виборі густини струму в обмотках найбільший вплив має термічна стійкість обмоток., що визначається часом протікання струму короткого замикання, що для трансформаторів із номінальною напругою 110 кВ: . Для повітряної ізоляції допустима температура струмопровідних частин трансформатору з мідними обмотками . Температуру, що відповідає тривалому протіканню номінального струму приймаємо . Відповідно цим значенням визначаємо тепловий ефект струму:

Вважаючи, що все тепло іде на нагрів трансформатора, тепловий ефект у режимі короткого замикання

Відповідно цьому густина струму термічної стійкості

1.1.1 Первинна обмотка

Кратність струму термічної стійкості апарату , являє собою відношення струму термічної стійкості до діючого номінального первинного струму, задається у вхідних даних. Приймаємо коефіцієнт запасу в термічної стійкості

Густина струму у номінальному режимі

Відповідно до густини струму термічної стійкості переріз первинної обмотки

Для номінального режиму переріз знаходимо аналогічно

За розрахункове значення перерізу первинної обмотки приймаємо більше із < , тоді . Остаточна площа перетину проводу первинної обмотки з розмірами 4.0х25 дорівнює = 100 Приймаємо переріз первинної обмотки (рис 1) А1=4 мм, В1 = 25 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1 - Переріз проводу первинної обмотки

1.1.2 Визначення числа витків первинної обмотки

При проектуванні трансформаторів з діапазоном струмів I_1н=15…600 А номінальна кількість ампер-витків первинної обмотки, яка задовольняє наведеній вище умові цілочисленності, рівна 600 А. При цьому число витків первинної обмотки

1.1.3 Вторинна обмотка

Вторинна обмотка виконується із круглого проводу марки ПСД. При номінальному вторинному струмі використовують провід діаметром . Для вживаних марок сталей кратність вторинного струму при номінальному навантаженні не більше 40. Тому попередньо можна прийняти кратність вторинного струму n_2т=n_1т при n_1т<40

Приймаємо кратність струму вторинної обмотки . Найбільший струм вторинної обмотки.

Переріз проводу вторинної обмотки

При = 5 А для вторинної обмотки модна вибрати одножильний круглий провід марки ПСД 1.81/2.05 та площею перетину:

Враховуючи значення перерізу проводу вторинної обмотки густина струму короткого замикання

Так як значення то необхідно збільшити переріз проводу вторинної обмотки або зменшити

1.2 Розрахунок розмірів первинної обмотки

Визначення діаметру первинної обмотки виконується за теоремою Піфагора, знаючи розміри проводів і товщину ізоляції.



Рис 2 - Ескіз багатошарової первинної обмотки

1.3 Розрахунок головної ізоляції трансформатора з повітряною ізоляцією

Приймаємо напруженість робочого поля при робочій напрузі . Головна ізоляція розраховується наступним шляхом

Значення U_расч вибирається з методичних указань

U_расч=126

1.3.1 Визначення внутрішнього діаметру магнітопроводу

,

де Д_буф=2 мм - одностороння товщина буферної ізоляції.

Кількість витків у вторинній обмотці

Визначення кількості витків у шарі вторинної обмотки

Кількість шарів вторинної обмотки

Сумарна товщина ізоляції вторинної одношарової обмотки

, заокруглим до 3 мм.

- товщина ізоляції між вторинною обмоткою і магнітопроводом;

=- толщина изоляции наружной поверхности вторичной обмотки

=- толщина изоляции между слоями вторичной обмотки

Товщина вторинної обмотки

Внутрішній діаметр магнітопроводу

1.4 Попередній розрахунок розмірів магнітної системи трансформатору

Розрахунок активного перерізу магнітопроводу виконується для двох нормових кратностей первинного струму в номінальному режимі , та номінальній граничній кратності .

1.4.1 Перша ітерація

Середня довжина магнітопроводу для першої ітерації

Коефіцієнт , залежить від первинного струму і типу ізоляції Напруженість магнітного поля

По кривій намагнічування сталі 3414 знайденим напруженостям відповідають магнітні індукції

Повний, активний та індуктивний вторинного кола опори

При розрахунку активного перерізу враховують коефіцієнти для режиму номінальної граничної кратності і для кратностей номінального режиму, розраховують кратність вторинного струму, відповідно до похибок трансформатору при різних кратностях первинного струму

У якості дійсного значення площі перерізу для наступної ітерації приймаємо найбільше з отриманих значень

Висоту магнітопроводу вибирають згідно до відношення

,

коефіцієнт заповнення перерізу магнітопроводу сталлю приймаємо , тоді

вибираємо висоту магнітопроводу

Ширина магнітопроводу

Прийнято Т_м=19 мм

Перевіряється активний опір вторинної обмотки при температурі

Повний опір вторинного кола

1.4.2 Друга ітерація

Середня довжина магнітопроводу для другої ітерації

Напруженість магнітного поля

По кривій намагнічування сталі 3414 знайденим напруженостям відповідають магнітні індукції

Розрахунок активного перерізу магнітопроводу

У якості дійсного значення площі перерізу для наступної ітерації приймаємо найбільше з отриманих значень

Висоту магнітопроводу вибирають згідно до відношення

, коефіцієнт заповнення перерізу магнітопроводу сталлю приймаємо , тоді

вибираємо висоту магнітопроводу

Ширина магнітопроводу

Перевіряється активний опір вторинної обмотки при температурі

Повний опір вторинного кола

Результати розрахунку третій ітерації практично не відрізняється від другої тому результати розрахунку приведені в таблиці 2

1.5 Розрахунок вартості трансформатору та маси затраченого матеріалу

Густина провідникового матеріалу вторинної обмотки

- для мідного проводу

Середня довжина витку вторинної обмотки

Маса провідникового матеріалу вторинної обмотки

Вартість провідникового матеріалу вторинної обмотки, рахуючи 1 кг міді

65 грн.

Джерелом інформації являється веб-сторінка адреса якої вказана нижче:

http://www.lom-trade.ru/cena-medi

Густина провідникового матеріалу первинної обмотки

- для мідного проводу

Середня довжина витку первинної обмотки

Маса провідникового матеріалу первинної обмотки

Вартість провідникового матеріалу первинної обмотки, рахуючи 1кг міді 54.45 грн.

Повна вартість дроту трансформатору

Для тороїдальної системи маса та вартість сталі

Вартість електротехнічної сталі рахуючи 1кг=19.57грн/кг

Джерелом інформації являється веб-сторінка адреса якої вказана нижче:

http://prom.ua/p3735199-elektrotehnicheskaya-transformatornaya-stal.html

- густина електротехнічної сталі

Повна вартість активних матеріалів

Ескіз магнітопроводу зображено на рис 3 та рис 4, результати розрахунків магнітопроводу приведені у таблиці 3.

Таблиця 3-Результати попереднього розрахунку трансформатора

			Сталь 3414

2. Розрахунок похибки трансформатору

трансформатор струм магнітопровід індукція

2.1 Параметри вторинного контуру

Активний опір вторинної обмотки

Довжина внутрішньої поверхні магнітопроводу

При заданому навантаженні у вторинному контурі наводиться ЕРС

Кут зсуву вектора ЕРС відносно вектору вторинного струму зумовлений навантаженням вторинного кола

2.2 Параметри повного потоку розсіяння

Амплітудне значення магнітного потоку розсіяння за умовою рівності струмів первинної і вторинної обмоток

Провідність шляху потоку розсіяння ТС із магнітопроводом квадратного перерізу

де - питома провідність шляху розсіяння.

Сумарна провідність шляху потоку розсіяння

2.3 Розподіл магнітної індукції по довжині магнітопроводу

Первинна обмотка не займає ціле число шарів, тоді приймаємо число витків

Тоді густина потоку розсіяння у магнітопроводі такого трансформатору

Повний потік у магнітопроводі визначається сумою магнітного потоку взаємоіндукції і повного магнітного потоку розсіяння. Так як вектори магнітної індукції співпадають по фазі, то їх можна скласти арифметично

Враховуючи зсув магнітних потоків взаємоіндукції і розсіяння, густина повного магнітного потоку у магнітопроводі

Для подальших розрахунків розбиваємо магнітопровід на 10 елементів, за допомогою одинадцяти площин, не враховуючи область, зайняту обмоткою. Знайдена індукція відповідає індукції в перерізі , де - кількість сікучих площин . Розподіл магнітної індукції на ділянках, вільних від витків вторинної обмотки можна прийняти синусоїдальним. Значення магнітної індукції в к-ій ділянці магнітопроводу

Для розрахунок індукцій зведено до таблиці 4

Таблиця 4- Значення індукції у довільних ділянках магнітопроводу

	1	2	3	4	5	6
	0.024	0.024	0.024	0.024	0,024

2.4 Струм намагнічування із урахуванням магнітної індукції у магнітопроводі

Нерівномірність розподілу індукції вздовж магнітопроводу оцінюється за допомогою критерію

У випадку, коли о?0.25, нерівномірність незначна, і доцільно застосовувати більш простий алгоритм розрахунку при забезпечені достатньої точності результатів.

Розрахуємо складові напруженості поля

тобто для напруженостей дані занесемо до табл.5

Таблиця 5-Найдемо для кожної дільниці індукції, напруженості,та кути зсуву.

№	Ні	ші	, А/м	, А/м
1	1,5	40	1,14	1

Складові напруженості магнітного потоку в сталі частини магнітопроводу під вторинною обмоткою

В подальших розрахунках магнітопровід розбиваємо на дві ділянки: заповнену вторинною обмоткою і вільну від обмотки. Ділянці, заповненій вторинною обмоткою відповідає довжина і індукція , напруженість , довжина елемента вільної ділянки

Результуюча МРС розкладається на складові по поперечній і подільній осях

Модуль МРС знаходимо через складові

Кут зсуву вектора результуючої МРС відносно осі Х

Струм намагнічування дорівнює

2.5 Похибки трансформатора

Кутова похибка для трансформатору із заданим класом точності не враховується, похибка по струму визначається, як відношення МРС намагнічування до ДРС первинної обмотки із урахуванням куту зсуву

2.6 Розрахунок ТС при великих кратностях первинного струму

Для заданого режиму роботи виконується розрахунки максимальні кратності вторинного струму (K12max), залежності граничної кратності ТС (К10) від опору вторинного навантаження (Zн), номінальної граничної кратності первинного струму (К10н), ЕРС на кінцях розімкнутого вторинної обмотки.

Повна похибка може бути визначена і як відносна МРС намагнічування ТС

2.7.1 Розрахунок максимальної кратності вторинного струму

Максимальна кратність вторинного струму ТС визначається індукцією насичення матеріалу магнітопроводу (В_нас); значення магнітної індукції, збільшення якої на 1% приводить до збільшення напруженості магнітного поля в сталі на 50%.

Значення вторинного струму (А), відповідне індукції насичення, можна визначити з виразу

Однак, беручі до уваги те, що при досягненні режиму насичення магнітна індукція В_м в дійсності дещо зростає, необхідно врахувати деяке зростання І₂, Е₂ за допомогою апроксимуючого співвідношення

2.7.2 Розрахунок граничної кратності

Гранична кратність ТС - найбільше значення кратності первинного струму, при якому повна похибка при заданому вторинному навантаженні не перебільшує значення за табл. П1.4. [1]

При виконані розрахунку - визначення залежності граничної кратності (К₁₀=1;3;5;8;10) і для них визначити МРС намагнічування (А)

та потужність магнітного поля в сталі магнітопроводу (А/м)

За прийнятим розрахунковим значенням повної похибки кратність вторинного струму можна приблизно розрахувати

Повний опір вторинного кола ТС, що включає послідовно з'єднані вторинну обмотку з опором r₂ та навантаженням з опором Z_н (Ом)

B_mk необхідно визначити значення магнітної індукції в магнітопроводі для кожного значення .

Опір вторинного навантаження, при якому забезпечується прийняте на початку розрахунку значення граничної кратності.

Розраховуємо номінальну потужність

Розрахунки, виконані для всіх перелічених значень граничної кратності зведені в таблицю 6

Таблиця 6 - Результати розрахунку граничної кратності ТС

K10	Fok	Hok	Вмк	K12	Z2k	Zнк	Sн
-	А	А/м	Тл	-	Ом	Ом	ВА
1	24	34.1	1.2	0.97	4.35	3.419	84.4
3	72	102.5	1.72	2.91	20.7	19.7	402.5
5	120	170.9	1.76	4.85	12.76	11.8	295
8	192	273.5	1.78	7.76	8.06	7.1	177.5
10	240	341.1	1.80	9.7	6.52	5.5	137.5

За одержаними розрахунковими даними необхідно побудувати залежність S_н=f(К₁₀).

2.7.3 Розрахунок номінальної граничної кратності

Номінальна гранична кратність ТС- гарантована при номінальному вторинному навантаженні. Початкове значення граничної кратності

2.8 Розрахунок напруження на кінцях роз'єднаної вторинної обмотки

Максимальне значення ЕРС може досягти значної величини, що небезпечно для обслуговуючого персоналу. Значення напруженості магнітного поля в сталі в розгляду вальному режимі

ЕРС вторинної обмотки (кВ)

2.9. Тепловий розрахунок трансформатора

Розрахунок втрат в електричній конструкції

,

де - електричні втрати первинної обмотки

- електричні втрати вторинної обмотки

- значення питомих втрат для марки сталі 3414

- втрати у сталі магнітопроводу

Робота ТС у номінальному режимі

Перепад температури в ізоляції магнітопроводу

, де

- сумарна товщина ізоляції поверх магнітопроводу

- площа поверхні ізоляції

- результуючий коефіцієнт теплопровідності ізоляції

Перепад температури в ізоляції вторинної обмотки

,

де - результуючий коефіцієнт теплопровідності ізоляції, поверх вторинної обмотки.

- площа поверхні ізоляції

- сумарна товщина ізоляції

Перепад температури первинної обмотки

,

де- результуючий коефіцієнт теплопровідності ізоляції, поверх вторинної обмотки.

- площа поверхні ізоляції

- сумарна товщина ізоляції

Підвищення температури поверхні котушки над температурою середи

,

де - коефіцієнт тепловіддачі

Перепад температури в ізоляції котушки

, де

- еквівалентна теплопровідність котушки

Перепад температури в котушці

- товщина ізоляції

3. Розрахунок на ЕОМ

Расчет ТТ Граненко А.С. - D:\tt\gran.itt 25.03.2014

I1н= 400.000 I2н= 5.0000 S2н= 20.0000 cosФ= 0.8000 К10= 8.0000

Dвн= 0.2056 Ho= 0.1570 Tм= 0.0190 Hм= 0.0280 Kс= 0.9600

alf2=360.0000 dпр2= 1.8100 Sв1= 95.000

Кт=4 Kr=10 w1=2 PR1=2 PR2=2 MO=0 JPC=4 PRO=1

ki = 0.05 0.20 1.00 1.20

f,% = 3.00 1.50 1.00 1.00

б,мин = 180.00 90.00 60.00 60.00

Gc= 3.1098 Gm1= 0.0000 Gm2 0.3846

Gm= 0.3846 Gam= 3.4945 Cam 3.9527

ki= 0.0500 0.2000 1.0000 1.2000 1.2000 1.0000

Zн= 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.2000 0.0000

Bм2= 0.0125 0.0504 0.2525 0.3030 0.1081 0.0400

B3м= 0.0125 0.0503 0.2523 0.3027 0.1081 0.0399

Br= 0.0125 0.0504 0.2525 0.3030 0.1081 0.0400

Hr= 1.1378 2.8256 9.0361 10.2319 5.3392 2.4983

psi= 38.0892 41.1594 55.3893 57.1084 45.7920 40.3225

б= 26.9708 14.3340 1.7503 0.7905 5.8336 6.4356

f= -2.0905 -1.3220 -0.8851 -0.8362 -0.4022 -0.1584 Wot=0.00

ki ksi f б Bk1 Bk2

1.0000 0.2500 -0.8691 1.8689 0.2462 0.2462 0.2462 0.2462

2.0000 0.2573 -0.8814 -0.7545 0.5031 0.5031 0.5031 0.5031

3.0000 0.1045 -0.7241 -1.1401 0.7546 0.7546 0.7546 0.7546

4.0000 0.1234 -0.7380 -1.7083 1.0077 1.0077 1.0077 1.0077

5.0000 0.1092 -0.7342 0.0856 1.2595 1.2595 1.2595 1.2595

6.0000 0.5073 -1.0742 8.1044 1.5115 1.5115 1.5115 1.5115



Рис.7. Залежність f=f(I^*).

Рис.8. Залежність д=f(I^*).

Рис.9. Залежність B=f(l_ср).

Висновки

Трансформатор струму, призначений для виміру й контролю великих струмів з використанням стандартних вимірювальних приладів і пристроїв автоматичного керування й контролю. Трансформатор струму класифікують по призначенню, способу установки, способу кріплення, числу витків ПО, робочій напрузі, виду ізоляції обмоток. В даному випадку це, опорний, вимірювальний трансформатор струму з повітряною ізоляцією, розрахований на клас напруги 220 кВ.

В результаті розрахунку трансформатору струму його струмова похибка склала 0.78%, що не відповідає умові для заданого класу точності, тому була виконана виткова корекція трансформатора, після якої похибка зменшилася до 0.45%, що відповідає умові

Також в розрахунку були отримані невеликі втрати в електричній конструкції, які склали 478.76 Вт. Внаслідок чого, і перепади температур в конструкції теж невеликі.

Також були розраховані масово - вартісні показники. Повна вартість активних матеріалів склала 735.66 грн.

В цілому розрахований трансформатор відповідає заданим технічним вимогам.

Список літератури

1. Г.В. Пуйло, В.П. Шевченко, В.В. Гололобов. Автоматичне проектування трансформаторів струму. Одеса: ОПУ 1994. - 129 с.

Размещено на Allbest.ru

...