Методика расчета силового трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Расчет основных электрических величин и выбор изоляционных расстояний

1. Мощность одной фазы и одного стержня:

=S/m=1000/3=333,3 кВА

2. Номинальные линейные токи на сторонах

ВН Iвн = S103/v3Uвн = 1000103/v335000 =16,5 А

НН Iнн = S103/v3Uнн = 1000103/v3400 = 1443 А

При соединении обмоток в звезду и зигзаг фазные токи и напряжения определяются следующим образом:

3. Фазные токи обмоток (схема соединения - звезда) равны линейным токам

Iф,вн = Iвн = 16,5 А; Iф,нн = Iнн = 1443 А

4. Фазные напряжения обмоток ВН и НН при этом соединении

Uф,вн = Uвн/v3 = 35000/v3 = 20207 В

Uф,нн = Uнн/v3 = 400/v3 = 231 В

При соединении обмоток в треугольник: Iф=Iном/v3; Uф=Uном

5. Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 16,5 А - многослойная цилиндрическая из прямоугольного алюминиевого провода; обмотка НН при напряжении 0,4 кВ и токе 1443 А - винтовая.

6. Испытательные напряжения определяются по табл. 1 для каждой обмотки трансформатора по классу ее напряжения. Для обмоток ВН - Uисп= 85 кВ; для обмотки НН - Uисп= 5 кВ.

Таблица 1. Нормы испытательных напряжений

Класс напряжения, кВ	Испытательные напряжения
	Приложенное действующее Uисп,кВ	Импульсное амплитудное (кВ) при волне
		полной	срезанной
3	18	44	50
6	25	60	70
10	35	80	90
15	45	108	120
20	55	130	150
35	85	200	225
110	200	480	550
150	230	550	600
220	325	750	835
330	460	1050	1150
500	630	1550	1650

Примечание. При классе напряжения < 3 кВ Uисп= 5 кВ.

7. Для испытательного напряжения обмотки ВН по табл. 5.3 находим изоляционные расстояния (рис. 1): а12 =2,7 см, h0=7,5 cм, а22=3 см (см. рис. 2); для НН по табл. 3 находим а01=1,5 см.



Рис. 1. Основные размеры трансформатора

Таблица 2. Изоляционные расстояния для обмотки ВН (мм)

Мощность трансформ кВА	Испытательное напряжение ВН, кВ	ВН от ярма	Между ВН и НН	Выступ цилиндра hц2	Между ВН и НН
		h01	щ	а12	12		а22	22
25-100 160-630 1000-6300 630 и выше 630 и выше 160-630 1000-6300 10000 и выше	18,25,35 18,25,35 18,25,35 45 55 85 85 85	20 30 50 50 50 75 75 80	- - - 2 2 2 2 3	9 9 20 20 20 27 27 30	2,5 3 4 4 5 5 5 6	10 15 20 20 30 50 50 50	8 10 18 18 20 20 30 30	- - - 2 3 3 3 3

Таблица 3. Изоляционные расстояния для обмотки НН (мм)

Мощность трансформ. кВА	Испытательное напряжение НН, кВ	Обмотка НН от ярма h01, мм	Обмотка НН от стержня, мм
			01	а11	а01	hц1
25-250 400-630 400-630* 1000-2500 630-1600 2500-6300 630 и выше 630 и выше Все мощности	5 5 5 5 18,25,35 18,25,35 45 55 85	15 h02, по таб.3 То же То же То же То же То же То же То же	20,5 20,5 4 4 4 4 5 5 6	- - 6 6 6 8 10 13 19	4 5 15 15 15 17,5 20 23 30	- - 18 18 25 25 30 45 70

Рис. 2. Испытательные промежутки главной изоляции обмоток НН и ВН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ

2. Расчет основных размеров трансформатора

8. Диаметр стержня определяется следующим образом:

;

здесь ар - ширина приведенного канала рассеяния трансформатора (при определении диаметра стержня еще не известна).

ар = а12 + ;

а12 - размер канала между обмотками ВН и НН определяется по табл. 2.

размер предварительно определяют по формуле:

см,

где kкр - коэффициент канала рассеяния определяется по табл. 4.

Таблица 4. Значение коэффициента kкр для трехфазных двухобмоточных трансформаторов с обмотками из алюминиевого провода

Габарит трансформатора	Мощность S, кВА	Класс напряжения
		10кВ	35 кВ
1 2 3 4	До 100 160-1000 1600-6300 Свыше 6300	1-0,75 0,81-0,65 0,64-0,54 -	- 0,81-0,73 0,67-0,58 0,60-0,56

Таким образом:

ар = а12+= 2,7 + 3,4 = 6,1 см.

Во всех последующих расчетах следует пользоваться реальными радиальными размерами обмоток рассчитываемого трансформатора.

Значение приближенно равно отношению средней длины витка двух обмоток трансформатора к их высоте и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. Определяем по табл.5.6.

Таблица 5. Рекомендуемые пределы варьирования

Вид охлаждения	Металл обмоток	при мощности, кВА
		25-630	1000-6300	10000-80000
Масляное Масляное Воздушное Воздушное	Медь Алюминий Медь Алюминий	1,2-3,6 0,9-3 1,2-2,7 0,8-2,1	1,5-3,6 1,2-3 1,2-2,7 0,8-2,1	1,2-3 1,2-3 - -

kс - коэффициент заполнения сталью. Предварительно kс = 0,9. kp - коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского). При определении основных размеров можно принять kp = 0,95. - реактивная составляющая напряжения КЗ:

%,

где:

%

Выбираем сталь марки 3405 толщиной 0,35 мм с жаростойким покрытием с отжигом (табл. 6).

Таблица 6. Коэффициент заполнения для рулонной холоднокатаной стали

Марка стали	Толщина, мм	Вид изоляционного покрытия	кз
3404, 3405, 3406, 3407,3408	0,35	Нагревостойкое	0,97
	0,3		0,96
3405, 3406, 3407, 3408	0,27		0,95

Таблица 7. Рекомендуемая индукция в стержнях трансформаторов ВС, Тл

Марка стали	Мощность трансформатора S, кВА
	До 16	25 - 100	160 и более
Масляные трансформаторы
3411, 3412, 3413	1,45 - 1,50	1,50 - 1,55	1,55 - 1,60
3404, 3405, 3406, 3407, 3408	1,50 - 1,55	1,55 - 1,60	1,55 - 1,65
Сухие трансформаторы
3411, 3412, 3413	1,35 - 1,40	1,40 - 1,45	1,45 - 1,55
3404, 3405, 3406, 3407, 3408	1,40 - 1,45	1,50 - 1,55	1,50 - 1,60

Таким образом, определяем диаметр стержня:

см

Берем нормализованный диаметр D0 = 22 см (табл. 8) , где Пф.с=342 см2.

9. Определяем ЭДС витка:

В,

где:

см2,

кз - коэффициент заполнения, определяется по табл. 6.

10. Средний диаметр между обмотками может быть приблизительно определен:

D12 = aсрD0 = 1,4422 = 30,8 см,

где aср = 1,3 - 1,35 для медных проводов и aср = 1,4 - 1,45 для алюминиевых проводов.

11. Определяем высоту обмотки:

см.

3. Расчет обмоток

Расчет обмоток трансформатора начинают с обмотки низшего напряжения, располагаемой между стержнем и обмоткой ВН. На примере расчета обмотки НН будет приведена методика расчета винтовой обмотки, а на примере расчета обмотки ВН - методика расчета многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода. Методика расчетов других типов обмоток будет приведена отдельно.

Расчет винтовой обмотки (Расчет обмотки НН)

12. Число витков на одну фазу обмотки НН:

Полученное значение округляется до целого числа. Принимаем нн = 19.

13. Уточняем ЭДС витка:

В.

14. Действительная индукция в стержне:

Тл

15. Ориентировочное сечение витка:

мм2,

где J = 1,8 А/мм2 - средняя плотность тока (по табл. 8).

Таблица 8. Средняя плотность тока в обмотках J, А/мм2, для современных трансформаторов с нормированными потерями

Материал обмотки	Масляные трансформаторы мощностью, кВА
	25-40	63-630	1000-6300	10000-16000	25000-80000
Медь Алюминий	1,8-2,2 1,2-1,4	2,2-2,8 1,4-1,8	2,3-2,8 1,5-1,8	2,2-2,6 1,2-1,5	2,2-2,6 -
Сухие трансформаторы мощностью, кВА , Напряжением кВ
10-160/0,5	160-1600/10
Внутренняя обмотка НН	Наружная обмотка ВН	Внутренняя обмотка НН	Наружная обмотка ВН
Медь Алюминий	2,0-1,4 1,3-0,9	2,2-2,8 1,3-1,8	2,0-1,2 1,2-0,8	2,1-2,6 1,4-1,7

Выбор одноходовой или двухходовой обмотки зависит от высоты одного витка. Максимально возможная высота витка одноходовой обмотки равна максимальному размеру провода в изоляции, т.е. высота витка не может превышать 1,55 см для медного и 1,85 см для алюминиевого провода.

16. Высота витка одноходовой обмотки:

см,

где hкан 0,4 см - высота масляного охлаждающего канала между витками. В некоторых случаях обмотки могут выполняться без вентиляционных каналов.

Так как получили hВ >1,85 см, то принимаем двухходовую обмотку с каналом через каждый ход.

Высота витка двухходовой обмотки определяется по формуле:

см.

17. Определим предварительно размер провода в изоляции по одной стороне:

- для одноходовой обмотки;

см - для двухходовой обмотки, где ку - коэффициент учитывающий усадку межкатушечных прокладок после сушки и опрессовки, может быть принят равным 0,94 - 0,96 (иногда 0,9).

Размер провода без изоляции:

=16,3 - 0,5 = 15,8 мм,

где 2 = 0,5 мм - толщина изоляции провода на две стороны.

Зная размер провода по одной стороне (b) и ориентировочное сечение витка определяем размер провода по второй стороне (а) (табл. 9), подбирая число параллельных проводов nпр.

Минимальное число параллельных проводов для одноходовой обмотки - 4; двухходовой - 8;

Подобранные размеры провода записываются так:

Марка провода,

где а и b - размеры провода без изоляции, а/ и b/ - размеры провода в изоляции;

; .

Принимаем число параллельных проводов nпр = 16,

АПБмм2

мм2

18. Уточняем плотность тока, А/мм2,

мм2

19. Расчетная высота обмотки должна быть равна предварительно рассчитанному значению.

Высоту обмотки определяем по следующим формулам:

- для одноходовой обмотки:

- для двухходовой обмотки:

см,

Высота обмотки приблизительно равна рассчитанной ранее.

20. Определяем радиальный размер двухходовой обмотки:

см

Для одноходовой обмотки:

21. Внутренний диаметр обмотки:

см

22. Наружный диаметр обмотки:

см

Расчет многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода (Расчет обмотки ВН).

23. Число витков на одну фазу обмотки ВН на основном ответвлении:

24. Так как на каждой ступени регулирования напряжение изменяется на 2,5 %, то число витков на одной ступени регулирования:

Число витков на ответвлениях:

+

Номинальное напряжение :

25. Ориентировочная плотность тока:

А/мм2

26. Ориентировочное сечение витка:

мм2

27. Выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода. Этот тип обмотки применяется в качестве обмотки ВН в масляных трансформаторах классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000 кВА и более.

АПБ мм2 , т.е. мм2

28. Уточняем плотность тока:

А/мм2

29. Определяем число витков в слое:

30. Число слоев в обмотке определяем по наибольшему числу витков:

,

принимаем nсл = 10.

Обмотка разделяется на две катушки - внутреннюю с четырьмя слоями и наружную с шестью слоями. Канал между ними равен 1 см. Под внутренним слоем обмотки располагается экран - алюминиевый незамкнутый цилиндр с толщиной 0,5 мм, электрически соединенный с линейным концом обмотки. Последний слой регулировочный 424 = 168 витков.

31. Напряжение двух слоев обмотки:

В

Межслойную изоляцию выбираем в семь слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмоток 2,2 см на сторону (табл. 9).

Таблица 9. Межслойная изоляция

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги м,сл (толщиной 0,12 мм)	Высота межслойной изоляции на торцах обмотки h0/(на одну сторону), мм
До 1000	2 0,12	10
1000 - 2000	3 0,12	16
2000 - 3000	4 0,12	16
3000 - 3500	5 0,12	16
3500 - 4000	6 0,12	22
4000 - 4500	7 0,12	22
4500 - 5000	8 0,12	22
5000 - 5500	9 0,12	22

32. Радиальный размер обмотки без экрана:

см,

где а11 - радиальный размер канала обмотки, nкан - число осевых каналов.

33. Радиальный размер обмотки с экраном:

см

где для класса напряжения 35 кВ принято увеличение радиального размера обмотки за счет экрана и двух слоев межслойной изоляции на 0,3 см.

34. Расчетный размер канала между обмотками НН и ВН (для расчета up):

см,

35. Внутренний диаметр обмотки (для расчета массы провода) по внутреннему слою проводов:

см

36. Наружный диаметр обмотки:

см

Методика расчета однослойных и двухслойных цилиндрических обмоток из прямоугольного провода.

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки обычно используются в качестве обмоток НН.

Число витков в одном слое:

Для однослойной обмотки:

Для двухслойной обмотки:

Ориентировочный осевой размер витка, см:

Ориентировочное сечение витка, мм2:

где J - средняя плотность тока.

Зная ориентировочное сечение и высоту витка выбираем провод с соблюдением следующих требований:

- число параллельных проводов nпр не более 4 - 6;

- все провода имеют одинаковые размеры.

Подобранные размеры провода записываются так:

Марка провода,

где nпр - число параллельных проводов, а/ и b/ - размеры провода в изоляции.

Уточняем плотность тока, А/мм2:

,

где Пв,нн = nпр Ппр- полное сечение витка; Ппр - сечение одного провода.

Уточняем высоту витка:

Осевой размер обмотки:

Радиальный размер обмотки, см:

для однослойной а1 = а/

для двухслойной а1 = 2а/+а11.

Радиальный размер канала а11 при U ? 1 кВ выбирается по условиям изоляции не менее 0,4 см.

Внутренний диаметр обмотки, см:

Наружный диаметр обмотки, см:

Методика расчета многослойных цилиндрических обмоток из круглого провода.

Многослойные цилиндрические обмотки обычно используются в качестве обмоток ВН.

Число витков на одну фазу обмотки ВН при номинальном напряжении:

Число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении обмотки ВН в звезду:

,

где Uр - напряжение на одной ступени регулирования обмотки, В; uв - напряжение одного витка, В.

Ориентировочная плотность тока, А/мм2:

,

где J - средняя плотность тока.

Ориентировочное сечение витка, мм2:

По сечению и по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов подбирается провод подходящего сечения или 2 - 3 параллельных одинаковых провода с диаметрами провода без изоляции d и провода в изоляции d.

Подобранные провода записываются так:

Марка провода,

где nпр - число параллельных проводов

Полное сечение витка:

Пв = nпр Ппр,

где Ппр - сечение одного провода, определенное по табл. 10.

Уточняем плотность тока, А/мм2:

Определяем число витков в слое:

Число слоев в обмотке округляется до большего числа:



Рабочее напряжение двух слоев, В:

Межслойную изоляцию выбираем по рабочему напряжению двух слоев. Определяем число слоев кабельной бумаги и ее толщину.

По условиям охлаждения обмотка каждого стержня часто выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки при этом должно составлять не более 1/3 - 2/5 общего числа слоев обмотки. Минимальная ширина масляного канала между катушками выбирается 0,4 см.

Таблица 10. Диаметр и площади поперечного сечения круглых медных эмалированных проводов марок ПЭТВ и ПЭТ-155

Диаметр неизолированного провода, d, мм	Диаметр изолированного провода, d/, мм	Площадь поперечного сечения провода, Ппр, мм2	Диаметр неизолированного провода, d, мм	Диаметр изолированного провода, d/, мм	Площадь поперечного сечения провода, Ппр, мм2
0,08	0,10	0,00502	(0,67)	0,73	0,353
0,09	0,11	0,00636	0,71	0,77	0,396
0,10	0,122	0,00785	0,75	0,815	0,442
0,112	0,134	0,00985	0,80	0,865	0,503
0,125	0,147	0,01227	0,85	0,915	0,567
(0,132)	0,154	0,01368	0,90	0,965	0,636
0,14	0,162	0,01539	0,95	1,015	0,709
0,15	0,18	0,01767	1,00	1,08	0,785
0,16	0,19	0,0201	1,06	1,14	0,883
0,17	0,20	0,0227	1,12	1,20	0,985
0,18	0,21	0,0255	1,18	1,26	1,094
(0,19)	0,22	0,0284	1,25	1,33	1,227
0,20	0,23	0,0314	1,32	1,405	1,368
(0,212)	0,242	0,0353	1,40	1,485	1,539
0,224	0,259	0,0394	1,50	1,585	1,767
(0,236)	0,271	0,0437	1,60	1,685	2,011
0,25	0,285	0,0491	1,70	1,785	2,27
(0,265)	0,300	0,0552	1,80	1,895	2,54
0,28	0,315	0,0616	1,90	1,995	2,83
(0,30)	0,335	0,0707	2,00	2,095	3,14
0,315	0,350	0,0779	2,12	2,22	3,53
0,335	0,370	0,0881	2,24	2,34	3,94
0,355	0,395	0,099	2,36	2,46	4,36
0,375	0,415	0,1104	2,50	2,60	4,91

Радиальный размер обмотки, см

одной катушки:

двух катушек:

В обмотках класса напряжения 35 кВ под внутренним слоем обмотки располагается металлический экран - незамкнутый цилиндр из латунного листа толщиной 0,5 мм. Экран электрически соединен с линейным концом обмотки (начало внутреннего слоя) и изолируется от внутреннего слоя обмотки обычно межслойной изоляцией или листом картона толщиной 0,1 см. Такая же изоляция экрана устанавливается со стороны масляного канала.

При наличии экрана радиальный размер обмотки находится по формуле:

,

где экр = 0,05 см.

Внутренний диаметр обмотки (при наличии экрана - до его внутренней изоляции), см:

Наружный диаметр обмотки, см:

без экрана:

с экраном:

Литература

трехфазный двухобмоточный трансформатор

1. Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Аншин В.Ш., Худяков З.И. Сборка трансформаторов и их магнитных систем. М.: Высшая школа, 1985.

4. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978.

5. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986.

6. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1982.

7. Петров Г.Н. Электрические машины. Ч.1. Трансформаторы. Учебник для вузов. М.: Энергия. 1974.

8. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа. 1990.

9. Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио. 1971.

Размещено на Allbest.ru

...