Проектирование трансформаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор материала конструкции магнитной системы

2.2 Определение размеров главной изоляции обмоток

2.3 Определение диаметра стержня и высоты обмоток

3. Расчет обмоток НН и ВН

3.1 Расчет обмоток НН

3.1.1 Расчет двухслойной цилиндрической обмотки из провода прямоугольного сечения

3.2 Расчёт обмоток ВН

3.2.1 Расчёт многослойной цилиндрической обмотки из провода круглого сечения

4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.2 Расчёт напряжения короткого замыкания

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

5. Расчет магнитной системы трансформатора

5.1 Определение размеров и массы магнитной системы

5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

5.3 Определение тока холостого хода трансформатора

6. Тепловой расчёт трансформатора

Список использованных источников

трансформатор магнитный замыкание электрический

Введение

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство с двумя или большим числом индукционно связанных обмоток, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока, в том числе для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.

Трансформаторное оборудование в значительной степени определяет качество и надежность электроснабжения. Генераторы переменного тока на электростанциях вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-30 кВ. При таких напряжениях передача электроэнергии больших мощностей на значительные расстояния практический невозможна вследствие больших потерь в линиях электропередач. Трансформатор, повышая напряжение, пропорционально уменьшает силу тока, поэтому передаваемая мощность остается без изменения, а потери (IR²) в проводах ЛЭП резко уменьшаются.

Для транспортировки электроэнергии построены сотни тысяч километров высоковольтных линий напряжением 110, 220, 330, 500, 750 кВ. В 1958 г. введена в эксплуатацию первая линия напряжением 1150 кВ переменного тока, и строится линия передачи энергии на постоянном токе напряжением 1500 кВ. Электрическая энергия между крупными потребителями распределяется при напряжениях 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ, а большинство электрооборудования на переменном токе работает при напряжениях 660, 380, 220 В. Поэтому напряжение при передачи электрической энергии от электрических станций к потребителям подвергается многократной трансформации.

Производство трансформаторов - одна из крупных отраслей электротехнической промышленности. Поэтому для снижения себестоимости трансформаторов и повышения экономической эффективности производства необходимо правильно и грамотно проектировать и выбирать оборудование трансформаторов.

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

Мощность одного стержня (фазы) трансформатора :

кВА

Номинальный линейный ток обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора:

А

А

Фазные токи, А, для обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора при соединении обмоток в звезду Y

А

А

Фазные напряжения, В, для обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора при соединении обмоток в звезду Y

В ;

В



Активная составляющая напряжения короткого замыкания

%

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

%

Таблица 1. Испытательные напряжения для силовых масляных трансформаторов

ВН	Класс напряжения, кВ	6
	Испытательное напряжение частотой 50 Гц Uисп, кВ	25
	Наибольшее рабочее напряжение, кВ	7,2
НН	Класс напряжения, кВ	0.4
	Испытательное напряжение частотой 50 Гц Uисп, кВ	5,0
	Наибольшее рабочее напряжение, кВ	1,2



2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор материала конструкции магнитной системы

Таблица 2. Диаметр и число ступеней стержня

Мощность трансформатора SH, кВА	Ориентировочный диаметр стержня d, м	Без прессующей пластиной
		Число ступеней	kKP
400	0,2	7	0,918

Марка стали 3404 b=0,35 мм

Коэффициент заполнения

Тл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1.2 - Основные размеры трансформатора



Выбор материала и конструкции обмоток

Материал обмоток алюминий, обмоточный провод прямоугольного сечения АПБ

Тип обмоток: ВН цилиндрическая многослойная из провода круглого сечения

НН цилиндрическая двухслойная из провода прямоугольного сечения

Изоляция мм

2.2 Определение размеров главной изоляции обмоток

I Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН

НН от ярма мм

НН от стержня: мм

мм

II Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН

между ВН и НН мм

мм

Расстояние а₁₂ увеличено для увеличения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания

между ВН и ВН мм

мм

выступ цилиндра мм



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.2.1 - Главная изоляция обмоток ВН и НН

2.3 Определение диаметра стержня и высоты обмоток

Ширина приведенного канала рассеяния

=20+22,43= 42,43мм

где мм;

мм;



Диаметр стержня предварительно

м

примем

Средний диаметр канала между обмотками предварительно

м

где

мм

Высота обмоток предварительно

м

Активное сечение стержня

м²



3. Расчет обмоток НН и ВН

Напряжение одного витка

В

Средняя плотность тока в обмотках :

Ориентировочное сечение витка каждой фазы

мм² ;

мм² ;

3.1 Расчет обмоток НН

Число витков одной фазы обмотки НН

Напряжение одного витка



В

Действительная индукция в стержне

Тл

3.1.1 Расчет двухслойной цилиндрической обмотки из провода прямоугольного сечения

Число витков в одном слое двухслойной обмотки

Осевой размер витка, мм

где мм

По расчетному значению , сечению витка и сортаменту обмоточного провода (таблица 2.4) подбирают провода прямоугольного сечения.

Выбранные размеры проводов записывают по форме:

марка провода

где и - размеры провода без изоляции в мм;

и - размеры провода в изоляции;

- число параллельных проводов витка

Размещено на http://www.allbest.ru/

марка провода АПБ

Рисунок 3.1.1 - Способ намотки на ребро

Полное сечение витка из параллельных проводов, мм²

где мм² - сечение одного провода

Реальная плотность тока в обмотке НН, А/ мм²

Осевой размер (высота) витка, мм



где

Осевой размер обмотки НН, м,

Радиальный размер a₁ обмотки, мм

где мм

Внутренний диаметр обмотки

м

Наружный диаметр обмотки

м

Полная поверхность охлаждения обмотки НН, м²

где К=6, если между слоями есть охлаждающий канал.

После определения потерь короткого замыкания в обмотке НН (раздел 4) следует найти плотность теплового потока по поверхности обмотки,



где- основные потери в обмотке НН в Вт;

- коэффициент, учитывающий добавочное потери в обмотке НН от полей рассеивания.

Полученная величина не превышает 600-800

3.2 Расчёт обмоток ВН

Тип обмотки	Применение на стороне	Материал обмоток	Приделы применения, включительно	Число параллельных проводов
			SН, кВА	I, А	U, кВ	П, мм2
							от	до
Цилиндрическая многослойная из провода круглого сечения	ВН	алюминий	До 630	от 2-3 до125-135	до 35	От 1,34 до 50,24	1	1

Рисунок 3.2.1 - Схема регулировочных ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения



Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении

Число витков на одной ступени регулирования

Число витков обмотки на ответвлениях

+5%

+2,5%

0%

-2,5%

-5%

Предварительно плотность тока в обмотке ВН

Сечение витка обмотки

мм²

Для повышения электрической прочности многослойной цилиндрической

обмотки из провода круглого сечения применяют междуслойную изоляцию из кабельной бумаги толщиной 0,12 мм.

Толщина междуслойной изоляции _с=0,36 мм.

Выступ междуслойной изоляции

на торцах обмотки (на одну сторону) - 16 мм.

3.2.1 Расчёт многослойной цилиндрической обмотки из провода круглого сечения

По ориентировочному сечению витка ₂ и сортаменту провода выбирают провод подходящего сечения или два - три одинаковых параллельных провода с диаметром без изоляции и в изоляции ,мм.

Рисунок 3.2.2 - Устройство и изоляция многослойной цилиндрической обмотки из провода круглого сечения

Марка провода

АПБ.

Полное сечение витка



;

мм².

Реальная плотность тока

.

Число витков в слое

Здесь

Число слоев в обмотке

Округляем до ближайшего большего числа

Рабочее напряжение двух слоев

В качестве междуслойной изоляции применяем кабельную бумагу, положенную в несколько слоев. Число слоев кабельной бумаги - 3; толщина междуслойной изоляции ; выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) - 16 мм. Для улучшения охлаждения обмотку выполняем в виде двух концентрических каналов с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки - 3.

Радиальный размер обмотки без экрана,мм

Внутренний диаметр обмотки, м

Наружный диаметр обмотки. М (Без экрана)

Поверхность охлаждения обмотки, разделенной на две катушки вертикальным охлаждающим каналом, м

Плотность теплового потока, Вт/м



4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

Средний диаметр обмоток НН и ВН, м

Масса металла обмоток НН и ВН, кг

Основные потери в обмотках НН и ВН, Вт

Масса металла обмотки ВН с учётом витков верхних ступеней регулирования, кг,

Полная масса металла обмоток трансформатора, кг.



Коэффициент учитывающий заполнение высоты обмотки материалом провода

НН

ВН

Коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках НН и ВН

Общая длина отводов для соединения обмоток в "звезду", м

НН

ВН

Масса металла отводов обмотки НН И ВН, кг

НН

ВН

Основные потери в отводах, Вт



Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора, Вт

Полные потери короткого замыкания, Вт

Полученные потери короткого замыкания отличаются от данных в задании менее 5%.

4.2 Расчёт напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %

Рисунок 4.2. Поле рассеяния двух обмоток



Средний диаметр канала между обмотками, м

Числовой коэффициент

Ширина приведённого канала рассеяния, мм

Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального вследствие конечной высоты обмоток

Расчётный размер, определяющий различие по высоте обмоток НН и ВН, мм,

Коэффициент, учитывающий взаимное расположение обмоток НН и ВН,

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %

Напряжение короткого замыкания, %

Полученное значение отличается от данного в задание менее 5%.

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

Действующие значение установившегося тока короткого замыкания в обмотки НН и ВН, А

НН

ВН

Коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания



Наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания, А

НН

ВН

Радиальная сила, действующая на обмотку ВН, Н

Осевая сила , Н

Напряжение сжатия на опорных поверхностях, Мпа

Сила, сжимающая внутреннюю обмотку, Н



Рисунок 4.3.1 - Схема сжимающих осевых сил для различных случаев взаимного положения обтекаемых током частей обмоток

Напряжение сжатия в проводе внутренней обмотки, МПа

Рисунок - К определению механических напряжений в обмотках

а) силы, сжимающие обмотку;б) опорные поверхности обмотки

Температура обмотки через t_K секунд после возникновения короткого замыкания, °С

5. Расчет магнитной системы трансформатора

5.1 Определение размеров и массы магнитной системы

d, м	nc	kkp	nя	aя, мм	Размеры пакетов ab, мм, в стержне
					1	2	3	4	5	6	7
0,19	7	0,927	5	100	18030	16517	14514	1308	1157	1005	757

Таблица. Крайний пакет ярма (7+5+7)*100

d, м	Без прессующей пластиной
	ПФС, см2	ПФЯ, см2	Vy, см3
0,19	262,8	267,3	4118

Рисунок 5.1.1 - Сечение стержня и ярма для стержня диаметром 0,19 м

Активное сечение стержня П_С и ярма П_Я, м²

Длина стержня трансформатора, м

Расстояние между осями соседних стержней, м

Масса стали угла при многоступенчатой форме сечения, кг

Масса стали двух ярм трехфазного трансформатора, кг

Масса стали стержней, кг

Полная масса магнитной системы трансформатора, кг

5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

Магнитная индукция в стержне В_С и ярме В_Я, Тл,



Удельные потери стали стержней и ярм

BC, Тл	1,528
BЯ, Тл	1,502
pC, Вт/кг	1,148
pЯ, Вт/кг	1,100

Коэффициент k_ПУ увеличения потерь в углах с 4 косыми и 2 прямыми стыками пластин стали марки 3404 толщенной 0,35 мм по рисунку 1 при B=0,9 - 1,7 Тл и f=50 Гц будет равен k_ПУ=10,18

Коэффициент добавочных потерь k_ПД для стали марки 3404 с отожженными пластинами будет равен, k_ПД=1,13

Потери холостого хода в магнитопроводе стержневого типа, Вт,

Полученное значение отличается от данного в задание менее 7,5%.

5.3 Определение тока холостого хода трансформатора

Активная составляющая тока холостого хода, %

k^`_ТД - коэффициент, учитывающий влияние резки рулона стали на пластины и срезание заусенец. Для сталей марок 3404 с отжигом пластин,

k^`_ТД=1,2

k^``_ТД - коэффициент, учитывающий форму сечения ярма, способ прессовки стержней и ярм магнитной системы, расшихтовку и зашихтовку верхнего ярма при насадке обмоток.

При мощности трансформатора до 630 кВА, k^``_ТД=1,06

k_ТУ - коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы. Для стали марок 3404 толщиной 0,35 мм при магнитной индукции 1,6 Тл и f=50 Гц, k_ТУ=42,45

k_ТПЛ - коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета a₂, k_ТПЛ=1,5

Полная намагничивающая мощность, ВА

Реактивная составляющая тока холостого тока, %

Полный ток холостого хода, %

Коэффициент полезного действия трансформатора, о.е.

6. Тепловой расчёт трансформатора

Тепловой расчёт обмоток

Внутренний перепад температуры в обмотках НН и ВН, °С

НН

ВН

Удельные потери для обмоток круглого сечения,Вт/м³

Средняя теплопроводность обмотки, Вт/(м °С)

Средняя условная теплопроводность, Вт/(м °С)

Средний внутренний перепад температуры обмоток НН и ВН, °С

НН

ВН

Перепад температуры на поверхности обмоток ВН и НН, °С

НН

ВН

Среднее превышение температуры над средней температурой охлаждающего масла в обмотках НН и ВН, °С

НН

ВН

Рисунок 6.1 - Элемент объема обмотки

Таблица. Тепловой расчёт бака трансформатора

Тип бака: бак с навесными радиаторами с прямыми трубами.

мм Размещено на http://www.allbest.ru/

мм

Изоляционное расстояние, мм	Толщина изоляции отвода на одну сторону, мм	Испытательное напряжение отвода
S1= S2	2	20
S3, S5	2	20,55
S4	2	20



Рисунок 6.2.- Основные размеры бака в метрах

Минимальные ширина В и длина А бака трансформатора, м

Высота активной части трансформатора, м

Глубина бака, м

Поверхность излучения бака приближённо для бака овального сечения в плане

Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над воздухом не более, °С

Среднее превышение температуры бака над воздухом, °С

Предварительное значение поверхности конвекции бака, м²

Бак с навесными радиаторами

Прямые трубы - два ряда

П_КТР=2,733 м²

П_КК=0,34 м²

Масса: стали - 41,14 кг

масла - 30 кг



Поверхность конвекции радиатора, приведённую к поверхности гладкой стенки, м²

Рисунок 6.3 - Трубчатый радиатор с прямыми трубами

Поверхность крышки овального бака, м²

Фактическая поверхность теплоотдачи овального бака, м²

Необходимая поверхность конвекции всех радиаторов трансформатора

Необходимое по условиям охлаждения число радиаторов

Фактическая поверхность конвекции бака с навесными радиаторами, м²

Поверхность излучения бака с навесными радиаторами, м²

Расчёт превышений температуры обмоток и масла

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха, °С

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака, °С

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха, °С

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха для НН и ВН, °С

НН

ВН

Список использованных источников

1. Встовский А. Л. Проектирование трансформаторов / А. Л. Встовский, С. А. Встовский, Л. Ф. Силин, Н. Е. Полошков. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2013. - 120с.

2. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 528 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

...