Расчет трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание на курсовую работу и схема расчета трансформатора

Введение

Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

Конструкция магнитной системы силового трансформатора 25 - 630 кВ? А

Расчет основных электрических величин трансформаторов

Определение основных размеров трансформаторов

Расчет обмотки низкого напряжения (НН)

Расчет обмотки высокого напряжения (ВН)

Расчет параметров короткого замыкания

Определение потерь короткого замыкания

Определение напряжения короткого замыкания

Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

Расчет магнитной системы трансформатора

Определение потерь холостого хода трансформатора

Определение тока холостого хода трансформатора

Расчет эксплуатационных характеристик трансформатора

Список литературы

трансформатор магнитный обмотка замыкание

Задание на курсовую работу и схема расчета трансформатора

Исходные данные для расчета

В задании на курсовую работу по расчету двухобмоточного трансформатора указаны следующие данные:

1) полная мощность трансформатора S, кВ·А;

2) число фаз, m;

3) частота ѓ, Гц;

4) номинальные линейные напряжения обмоток высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений U₁ и U₂

5) способ регулирования напряжения - переключение без возбуждения (ПБВ), число ступеней с указанием процента регулирования напряжения:

а) в масляных трансформаторах мощностью от 25 до 200000 кВ·А с ПБВ ГОСТ 12022 -76, 11920-85 и 12965-85 предусмотрено выполнение в обмотках ВН четырех ответвлений на +5; +2,5; - 2,5 и -5% номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. Переключение ответвлений обмоток должно производится специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с выведенными из бока рукоятками управления.

б) в сухих трансформаторах применяется регулирование напряжения ВН на 2 х 2,5%. Регулировочные ответвления выводятся на доску зажимов, и пересоединение с одной ступени на другую осуществляется при отключении всех обмоток трансформатора от сети перестановкой контактной пластины, зажимаемой под гайки контактных шпилек;

6) схема и группа соединения обмоток - С;

7) способ охлаждения трансформатора - О;

8) режим нагрузки - продолжительный;

9) материал провода обмоток - П;

10) напряжение короткого замыкания U_к %;

11) потери короткого замыкания Р_к, Вт;

12) потери холостого хода Р_х, Вт;

13) ток холостого хода I_о %

Схема расчета трансформатора

а) Расчетная часть с разделами

1. Определить геометрические размеры магнитопровода

2. Определить числа витков, сечение провода и геометрические размеры обмоток трансформатора.

3. Определить напряжение короткого замыкания трансформатора и произвести коррекцию обмоток для получения заданного напряжения короткого замыкания трансформатора.

4. Определить параметры трансформатора в Омах.

5. Определить ток холостого хода трансформатора при номинальном напряжении.

6. Определить тепловые нагрузки на магнитопровод и обмотки и сравнить их с допустимыми.

7. Определить ток внезапного короткого замыкания трансформатора, время нагрева трансформатора до критической температуры при к.з. и вычислить удельное разрывное усилие, действующее на витки обмоток.

8. Определить зависимость изменения вторичного напряжения трансформатора ДU от угла сдвига фаз между напряжением и током ц₂.

9. Рассчитать внешние характеристики трансформатора.

10. Рассчитать зависимость коэффициента полезного действия трансформатора от степени нагрузки.

Расчетную часть курсовой работы оформляют в виде пояснительной записки на 20 - 25 страницах (формат А 4) рукописного текста.

б) Графическая часть задания

1. Вычертить общий вид трансформатора и показать шихтовку его магнитопровода.

2. Построить Т - образную схему замещения, векторные диаграммы трансформатора при cos ц₂ = 0,8 и ₂ > 0 и ₂< 0.

3. Построить графические зависимости по пунктам 8, 9, 10 расчетной части задания.

Графическую часть выполняют на одном листе формата А1 и оформляют в соответствии с требованиями ЕСКД. В пояснительной записке делают ссылки на рисунки графической части.

Кроме того, в курсовую работу входят следующие разделы:

1. Аннотация - краткое содержание курсовой работы.

2. Выводы, в которых проводится анализ расчетной части курсовой работы пп 1 - 10.

3. Указатель используемой литературы.

4. Оглавление.

Задание на курсовую работу

Введение

В соответствии с ГОСТ 16110 - 82 трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, называется силовым. Если силовой трансформатор предназначен для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, то он называется силовым трансформатором общего назначения. Силовые трансформаторы, предназначенные для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, называются трансформаторами специального назначения. К числу таких сетей и приемников относятся подземные шахтные сети и установки, выпрямительные установки, электрические дуговые печи и т.п.

В предложенной курсовой работе необходимо расчитать силовой трансформатор общего назначения мощностью 25 - 630 кВ? А.

Для удобства пользования учебным пособием все необходимые практические указания и справочные материалы расположены в тексте по мере изложения методики расчета. Студент должен на собственном опыте, на основе ручного расчета, понять взаимосвязи размеров трансформатора, свойств активных материалов и его технических параметров с учетом места трансформатора в сети и технологии его производства. После усвоения этих основ будет возможен переход к комплексному решению задач проектирования с сознательным и полноценным использованием современных средств вычислительной техники.

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. Так, напряжение на шинах электростанции 15,75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть, около 1000 км. часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи : 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11кВ ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этих причин общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 7 - 8 раз.

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т.е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а следовательно энергетики страны.

Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономии материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах непосредственно питающих потребителей при напряжениях 10 и 35 кВ, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.

Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т. е. сталь магнитной системы и металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформаторов, например электроизоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т. д., и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах.

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течении многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.

Появление в конце 40-ых годов холоднокатаной текстурованной стали, т. е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе до 1,6 - 1,65 Тл против 1,4 - 1,45 Тл для горячекатаной стали и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов - изоляционных, конструкционных, масла и т. д.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных характеристик, т. е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства существенно ухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен под углом, отличающимся от 0^° к направлению прокатки, и становится наихудшим при угле, равном 55^°.

Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во всех ее частях - стержнях и ярмах вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали.

Магнитные свойства холоднокатаной стали существенно ухудшаются при различных механических воздействиях: при резке стали на пластины, снятии с них заусенцев, изгибах пластин, случайных ударов при транспортировке, легких ударов при сборке магнитной системы и т. д. Ухудшение магнитных свойств при этих воздействиях может быть снято восстановительным отжигом при температуре 800^°С, проводимым до начала сборки магнитной системы. Механические воздействия, возникающие после начала сборки, должны быть ограничены путем соответствующей организации транспортировки пластин, осторожного обращения с ними при сборке магнитной системы и т. д.

Несмотря на указанные недостатки холоднокатаной стали и ее относительно высокую цену, трансформаторы с рационально спроектированной магнитной системой из этой стали при надлежащей технологии ее изготовлении имеют относительно малые потери и ток холостого хода, дают экономию в расходе активных и других материалов и являются экономичными в эксплуатации. Поэтому уже более 40 лет все вновь проектируемые серии трансформаторов в СНГ разрабатываются на основе применения холоднокатаной стали лучших марок с толщиной 0,35; 0,30 и 0,27 мм.

Материалом для магнитной системы силового трансформатора служит электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь, главным образом марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 по ГОСТ 21427.1-83, поставляемая в рулонах. Применение холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 по ГОСТ 21427.1-83 для основных серий трансформаторов не практикуется, но не исключено использование этой и горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513 для электрических реакторов, выпускаемых трансформаторными заводами.

Современная холоднокатаная электротехническая сталь, используемая в силовых трансформаторах, поставляется в рулонах с шириной 650, 750, 800 и 1000 мм. и толщиной 0,35, 0,30 и 0,27мм. при массе рулона не более 5000 кг. или в листах тех же толщин с размерами 650-700-800-860 х 1500 и 1000 х 2000 мм. Применение листовой стали не рекомендуется, поскольку существенно усложняет технологию заготовки пластин и увеличивает количество отходов стали. Сталь обычно поставляется с нагревостойким электроизоляционным покрытием с толщиной на одной стороне не более 5 мкм, нейтральным по отношению к трансформаторному маслу при 105^°С и маслостойким при 150^°С, сохраняющим электроизоляционные свойства после нагрева до 800^°С в течении 3 часов в нейтральной атмосфере или выдержки при температуре 820± 10^°С в течении 3 минут на воздухе. Плотность холоднокатаной стали 7650 кг/м^3, удельное электрическое сопротивление 0,50 мкОМ·м (плотность горячекатаной стали марок 1511,1512,1513, 1514 - 7550 кг/м^3, удельное электрическое сопротивление 0,60 мкОМ·м.).

Обозначения марок холоднокатаной стали расшифровываются следующим образом: первая цифра 3 - класс по структурному состоянию и виду прокатки - холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой; вторая цифра 4 - класс по содержанию кремния - свыше 2,8 до 3.8% включительно; третья цифра 1 или 0 - группа по основной нормируемой характеристике согласно примечанию к таблице 2.1 1, 71 стр.; четвертая цифра от 0 до 8 - порядковый номер марки стали с улучшением магнитных свойств по мере возрастания этого номера.

Сталь различают также по точности прокатки по толщине - Н-нормальной точности и П - повышенной точности, по ширине- нормальной и повышенной точности - Ш, а также по виду покрытия - с электроизоляционным нагевостойким покрытием - ЭТ, с покрытием, не ухудшающим штампуемость, - М (мягкое) и без электроизоляционного покрытия - БП.

В качестве примера обозначения можно привести следующее: рулон 0,35х1000-П-ЭТ-3404, ГОСТ 21427.1-83; что обозначает: рулонная сталь толщиной 0,35 мм, шириной 1000 мм, повышенной точности прокатки, с электроизоляционным нагевостойким покрытием, марки 3404 по ГОСТ 21427.1-83.

Магнитные свойства современной холоднокатаной электротехнической стали по ГОСТ 21427.1-83 приведены в таблице 2.1 1, 71 стр..

Холоднокатаная электротехническая сталь прокатывается в горячем состоянии до толщины 3,0 -2,5 мм и затем в холодном состоянии до нормированной толщины 0,35 - 0,27 мм. Благодаря прокатки в холодном состоянии сталь получает определенное упорядоченное взаимное расположение и ориентировку микрокристаллов - текстуру, вследствие чего создается анизотропия магнитных свойств стали т. е. различие магнитных свойств в разных направлениях в листе.

Другой активный материал трансформатора - металл обмоток - в течении долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течении ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь алюминием, более широко распространенным в природе.

Замена медного обмоточного провода в обмотках силовых трансформаторов алюминиевым проводом затрудняется прежде всего тем, что удельное электрическое сопротивление алюминия существенно (примерно в 1,6 раза) больше удельного сопротивления меди.

Основные физические свойства меди и алюминия приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные физические свойства обмоточных проводов из меди и алюминия

В большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный провод ПБ (АПБ для алюминия) с изоляцией из кабельной бумаги класса нагревостойкости А (предельно допустимая температура 105С) общей толщиной 0,45 -0,50 мм на две стороны. Применение провода более высокой нагревостойкости (классов Е, В. F и т. д.), допускающих более высокие предельные температуры, в масляных трансформаторах смысла не имеет, потому что допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой температурой масла, в которой находится обмотка.

Основным направлением прогресса в производстве изоляционных материалов в настоящее время является получение новых материалов с повышенными нагревостойкостью и механической прочностью. Существенных достижений в повышении электрической прочности изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, не наблюдается.

Применение проводов с изоляцией, имеющей повышенную нагревостойкость, имеет смысл в сухих трансформаторах, в которых за счет повышения температуры обмоток возможно допустить более высокие плотности тока и получить компактную конструкцию трансформатора. Если при этом допускается существенное повышение эксплуа...