Расчет силового трансформатора ТД-16000/35

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет силового трансформатора ТД-16000/35

Содержание

Задание

1. Расчет основных электрических величин

2. Расчет основных размеров трансформатора

3. Расчет обмоток ВН и НН

4. Расчет параметров короткого замыкания

5. Расчет потерь и тока холостого хода

6. Тепловой расчет системы охлаждения

7. Экономический расчет

Заключение

Использованная литература

Задание

Рассчитать трехфазный трансформатор ТД-16000/35 со следующими данными:

Таблица 1

Исходные данные

Номинальная мощность, Sн, кВА	Напряжение	Схемы и группа соединения обмоток	Потери, кВт	Uк, %	i0, %
	ВН, кВ	НН, кВ
				X,X,, P0	K,3,, Рк
16000	38,5	10,5	Y/?-11	21	90	8,0	0,6

1. Расчет основных электрических величин

а) Линейные и фазные токи и напряжение обмоток ВН и НН.

Мощность одной фазы:

Мощность на один стержень:

Фазное напряжение ВН при соединении в звезду:

Фазное напряжение НН при соединении в треугольник:

Номинальный ток высокого напряжения:

.

Номинальный ток низкого напряжения:

.

Номинальный фазный ток ВН:

Номинальный фазный ток НН:

б) Испытательные напряжения обмоток (табл. 4.1 [3]).

Испытательные напряжения обмотки ВН для масляного трансформатора:

.

Испытательные напряжения обмотки НН:

в) Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания:

Заданная величина активной составляющей напряжения короткого замыкания:

.

Заданное значение реактивной составляющей напряжения короткого замыкания:

.

2. Расчет основных размеров трансформатора

а) Выбор схемы, конструкции и технологии изготовления трансформатора.

Магнитная система - плоская, так как такую систему можно изготовить на любом трансформаторном заводе.

Выберем конструкцию сердечников стержневых трансформаторов.

Для мощности ориентировочный диаметр стержня (табл. 2.5), число ступеней без прессующей пластины 14, коэффициент заполнения круга (табл. 2.5[3]).

При данных мощности и диаметре прессовку производят стяжкой стержня бандажами из стеклоленты, расположенными по высоте стержня на расстоянии 0,15 см один от другого. При диаметре от 0,36 мм и выше для обеспечения надежного охлаждения внутренних частей стержня между его пакетами делаются охлаждающие каналы. Эти каналы могут быть поперечными и продольными. Учитывая диаметр стержня и мощность трансформатора, количество продольных каналов равно 1 из таблицы 2.7 [3]. Поперечные каналы для диаметров менее 0,8 мм не предусмотрены.

Наиболее рациональной является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным сечению ярма или на одну меньше числа ступеней ярма. Примем число ступеней ярма равным 13. Прессовка ярм - стальными полубандажами, стягивающих две ярмовые балки и изолированных от балок (стр. 91, [3]).

б) Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе.

Материал магнитной системы - холодная текстурированная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие (табл.2.2[3]).

Индукция в стержнях трансформатора (табл 2.4 [3]). Коэффициент заполнения сталью .

в) Выбор материала обмоток.

Для мощности трехфазного трансформатора материал обмоток - медный прямоугольный провод.

г) Предварительный выбор конструкции обмоток.

Основными эксплуатационными требованиями являются надежность, электрическая и механическая прочность, нагревостойкость как обмоток, так и других частей и всего трансформатора в целом. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать. Механическая прочность обмоток должна допускать упругие деформации, но гарантировать их от остаточных деформаций и повреждений при токах короткого замыкания, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора.

Для данного трансформатора с учетом мощности подойдет тип обмотки - непрерывная катушечная из прямоугольного провода для обмотки ВН и винтовая одно-, двух- или многоходовая из прямоугольного провода для обмотки НН (табл. 5.8 [3]).

Непрерывной называется обмотка, состоящая из ряда катушек, расположенных в осевом направлении и соединенных между собой последовательно без пайки. Каждая катушка состоит из нескольких витков, намотанных проводом прямоугольного сечения и расположенных в радиальном направлении. Свое название обмотка получила от способа ее намотки. Способ отличается тем, что катушки, началом которых является наружный виток, сначала наматываются начиная с этого витка так, что он оказывается внутренним, а затем витки катушки меняются местами (производится перекладка). Это позволяет намотать всю обмотку трансформатора непрерывным проводом. Между катушками располагаются охлаждающие каналы. Преимуществом непрерывной обмотки является ее большая торцевая опорная поверхность и поэтому большая устойчивость по отношению к осевым усилиям при коротком замыкании, а также большая поверхность охлаждения. Благодаря указанным преимуществам непрерывные обмотки применяются в трансформаторах в широком диапазоне мощностей, обычно в качестве обмоток на напряжения от 35 до 220 кВ.

В винтовой обмотке витки следуют друг за другом по винтовой линии и каждый из них составлен из нескольких концентрически расположенных параллельных проводов (такую обмотку часто называют спиральной).

Винтовая обмотка имеет такие же изоляционные детали, как и непрерывная; она намотана многими параллельными проводами. Прокладки между витками образуют горизонтальный канал, идущий параллельно виткам, а рейки - вертикальные каналы между обмоткой и цилиндром.

д) Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток.

Выберем минимальные изоляционные расстояния обмоток для найденных значений испытательных напряжений.

Для обмотки ВН:

- минимальное расстояние ВН от ярма примем ;

- минимальное расстояние между ВН и НН примем ;

- минимальная толщина междуфазных перегородок: ;

- минимальное расстояние между ВН и ВН между соседними фазами примем .

Для обмотки НН:

- минимальное расстояние НН от ярма примем ;

- минимальное изоляционное расстояние НН от стержня .

е) Предварительный расчет трансформатора.

Отношение средней длины окружности канала между обмотками к высоте обмотки определяется по формуле . Значение коэффициента в возьмем из таблицы 12.1 [3]. Для масляного трансформатора с медными обмотками при мощности 16000 кВА коэффициент в = 1,2 … 3,0. Возьмем значение в = 1,8.

Диаметр стержня (первый основной размер) определяется по формуле:

,

.

Определим приведенную ширину двух обмоток:

,

где - коэффициент для масляных трехфазных двухобмоточных трансформаторов ПБВ класса напряжения 35 кВ (из табл. 3.3 [3]).

Ширина приведенного канала рассеяния приблизительно:

.

Вычислим диаметр стержня, подставив значения в формулу:

.

Средний диаметр канала рассеяния (второй основной размер трансформатора):

,

где радиальный размер , где для трансформатора мощностью 1000--6300 кВА класса напряжения 10 кВ и мощностью 1000-80 000 кВА класса напряжения 35 кВ (стр.164, [3]).

Высота обмотки (третий основной размер трансформатора):

Активное сечение стержня:

Напряжение одного витка предварительно:

.

3. Расчет обмоток ВН и НН

а) Выбор типа обмоток НН и ВН.

Конструкция обмотки должна обеспечивать достаточную электрическую прочность, механическую прочность, нагревостойкость. Обмотки НН и ВН из медного провода.

Предварительно значение средней плотности тока для медных обмоток:

Коэффициент для силовых трансформаторов из таблицы 3.6 [3]. Сверим с табличным значением средней плотности тока. По таблице для медной проволоки средняя плотность тока находится в пределах 2,0 - 3,5 МА/м², значит предварительное значение найдено верно.

Ориентировочное сечение витка обмотки ВН:

Ориентировочное сечение витка обмотки НН:

Учитывая небольшое сечение витка ВН, обмотка непрерывная катушечная из прямоугольного провода (табл. 5.8 [3]).

Данный тип обмотки обеспечивает высокую электрическую и механическую прочность при больших токах, хорошее охлаждение.

Недостаток - необходимость перекладки половины катушек при намотке.

Для обмотки НН, с учетом большой площади сечения витка, и как следствие применение большого количества параллельных проводов, выберем конструкцию винтовой обмотки.

Данный тип обмотки обеспечивает высокую электрическую и механическую прочность при больших токах, хорошее охлаждение.

Недостаток - более высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой.

б) Расчет обмотки НН.

Число витков в обмотке НН:

Уточним индукцию в стержне:

В обмотках масляного трансформатора из прямоугольного провода, каждый провод с двух сторон омывается маслом. Выбор размеров поперечного сечения провода связан с плотностью теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки q. Значение q в целях недопущения чрезмерного нагрева обмоток в трансформаторах ограничим значением 1200 Вт/м². Значение большего из двух размеров поперечного сечения для медного провода:

,

где где для винтовых и катушечных обмоток (стр. 261, [3]).

Осевой размер витка предварительно:

,

где - размер радиального канала одноходовой обмотки.

Так как , то обмотку примем одноходовую.

Так как ориентировочное сечение провода , возьмем 10 параллельных провода .

Из таблицы 5.2 [3] подберем подходящее сечения провода:

.

Принятое сечение провода .

Полное сечение витка:

.

Плотность тока:

.

Осевой размер (высота) обмотки с каналами через два витка, опрессованный после сушки трансформатора:

Окончательная ширина (радиальный размер) обмотки:

Внутренний диаметр обмотки НН:

Наружный диаметр обмотки НН:

Плотность теплового потока на поверхность обмотки:

.

в) Расчет обмотки ВН.

При выборе типа обмотки ВН следует учитывать необходимость выполнения в обмотке ответвлений для регулирования напряжения. В масляных трансформаторах от 25 до 200000 кВА предусмотрено выполнение в обмотках ВН четырех ответвлений на +5; +2,5; -2,5; -5 % номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. Переключение выполняется специальными переключателями.

Выбираем схему регулирования с выводом концов всех трех фаз обмотки к одному трехфазному переключателю.

Рисунок 1 Схема регулирования ВН

Определим число витков, необходимого для получения номинального напряжения:

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

.

Для пяти ступеней:

Напряжение, В Число витков на ответвлениях

1) 36750 350+16=366

2) 35875 350+8=358

3) 35000 350

4) 34125 350-8=342

5) 33250 350-16=334

Ориентировочная плотность тока:

Ориентировочное сечение витка:

Из таблицы 5.2 выбираем непрерывную катушечную обмотку из медного прямоугольного провода.

Принятое сечение провода

.

Число катушек на одном стержне ориентировочно:

.

Число витков в катушке ориентировочно:

.

Радиальный размер:

.

Осевой размер обмотки ВН:

.

Таблица 1

Общее распределение витков по катушкам

Данные	Условные обозначения катушки	Всего
	В	Г	Д	Е
Назначение катушки	Основная	Основная	Регулировочная	С усиленной изоляцией	-
Катушек на стержень	63	10	8	4	85
Число витков в катушке	4,15	4	4	4	-
Всего	262	40	32	16	350
Размеры провода: без изоляции с изоляцией			- -
Сечение витка, мм2	83,0	83,0
Плотность тока, МА/м2	3	3
Размер, мм: радиальный осевой	37 11,1	36 11,1	36 11,1	40 11,6	37 11,1

Внутренний диаметр обмотки ВН:

.

Наружный диаметр обмотки ВН:

.

Плотность теплового потока на поверхность обмотки:

4. Расчет параметров короткого замыкания

а) Потери короткого замыкания - основные, добавочные в обмотках, добавочные в элементах конструкции.

Основные потери в обмотках НН и ВН.

Для определения основных потерь в обмотках воспользуемся формулой:

Для обмотки ВН определим массу металла:

Масса металла обмотки НН:

Добавочные потери в обмотках НН и ВН.

Определение добавочных потерь в обмотках сводится к нахождению коэффициента увеличения основных электрических потерь обмотки, который подсчитывается отдельно для каждой обмотки.

Для медного прямоугольного провода ВН:

, где

.

Тогда средний коэффициент добавочных потерь для обмотки ВН:

Добавочные потери в обмотке ВН:

Для медного прямоугольного провода НН:

, где

.

Тогда средний коэффициент добавочных потерь для обмотки НН:

Добавочные потери в обмотке НН:

Потери в отводах для обмоток.

Потери в отводах определяются приближенно для каждой обмотки в зависимости от схемы соединения обмотки и при условии, что сечение отвода равно сечению витка самой обмотки.

При соединении обмотки ВН в звезду масса металла отводов ВН:

При соединении обмотки НН в треугольник:

.

Масса металла отводов НН:

Потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора Р_д, вызванные полем рассеяния обмоток.

,

где для трансформатора мощностью 16000 Вт из табл.7.1 [3].

Общие потери короткого замыкания:

;

Отклонение от заданного значения мощности:

.

б) Определение напряжения короткого замыкания.

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение U_кн, которое следует подвести к зажимам одной из обмоток при закинутой накоротко другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи.

Напряжение короткого замыкания, %, определяет через его составляющие:

,

где U_ка - активная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

где U_ра - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Напряжение короткого замыкания:

Отклонение от заданного значения напряжения короткого замыкания U_к:

,

значит найденные значения обмоток, параметры провода удовлетворяют условиям.

в) Расчет механических сил в обмотках.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН:

,

где для трансформатора класса напряжение 35кВ из табл.7.2 [3].

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

.

из таблицы 7.3 [3].

Радиальная сила для обмотки ВН:

где при концентрическом расположении обмоток и равномерном расположении витков по их высоте.

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН:

.

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН:

.

Рисунок 2 Механические силы в обмотках ВН и НН

Для оценки механической прочности определяют напряжение сжатия во внутренней обмотке (НН), возникающей под воздействием радиальной силы F_сж.

Осевая сила:

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмоток и равна .

Напряжение сжатия на междувитковых прокладках:

,

где - ширина прокладки для трансформаторов от 1000 до 63000 кВА;

- число прокладок по окружности обмотки;

- радиальный размер обмотки.

5. Окончательный расчет трансформатора. Определения параметров холостого хода

трансформатор ток напряжение трехфазный

а) Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

Уточним геометрические размеры магнитопровода для диаметра стержня из таблицы 8.5[3] возьмем данные:

Таблица 2

Размеры пакетов стержня без прессующей пластины с бандажами из стеклоленты

Стержень	Ярмо	Толщина пакетов b при ширине а, мм
nc	kкр	nя	ая, мм	485	465	440	425	410	385
14	0,925	11	270	61	31	27	13	11	16
Толщина пакетов b при ширине а, мм
368	350	325	295	270	250	215	175
10	9	12	12	9	6	9	8

Рисунок 3 Поперечное сечение стержня

Поперечное сечение каждого пакета стержня определяется по формуле:

.

Сечение ступенчатой фигуры стержня:

Активное сечение стержня:

Полное сечение ступенчатой фигуры ярма:

.

Активное сечение ярма:

.

Объем угла плоской шихтованной магнитной системы (табл. 8.7):

Объем стали угла магнитной системы:

.

Длина стержня:

Определим расстояние между соседними стержнями:

б) Определение массы стержней и ярм массы стали трансформатора:

Масса стали в угловых частях ярма

Полный вес стали в двух ярмах:

Масса стали в стержнях:

Полный вес стали трансформатора:

.

в) Расчет потерь холостого хода

Потери холостого хода трансформатора, в основном, представлены магнитными потерями в магнитопроводе трансформатора.

Коэффициенты определены по уточненным значениям индукции в стержне и ярме:

;

.

С достаточной степенью точности магнитные потери для трехфазного трансформатора с отожженными пластинами могут быть рассчитаны по формуле:

где - площадь зазора для косых стыков.

Отклонение от заданного значения мощности холостого хода:

г) Определение тока холостого хода:

Индукция на косом стыке:

Удельные намагничивающие мощности (из табл. 8.17 [3]):

; ;

; ;

; .

Принятые коэффициенты:

Относительное значение тока холостого хода трансформатора:

Активная составляющая тока холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

(по ГОСТ 11677-85 разрешенный допуск отклонения 30%). В данном случае полученное отклонение менее половины допустимого значения.

6. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

а) Тепловой расчет обмоток.

Внутренний перепад температуры для обмотки ВН:

,

где - толщина изоляции провода на одну сторону;

- теплопроводность изоляции провода для кабельной бумаги в масле из табл. 9.1 [3].

Внутренний перепад температуры для обмотки НН:

.

Перепад температуры на поверхности обмотки ВН:

,

где при (табл. 9.3).

Перепад температуры на поверхности обмотки НН:

,

где при .

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу для ВН:

.

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу для НН:

.

б) Тепловой расчет бака.

По таблице 9.4 [3] для мощности 16000 кВА выберем бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами с дутьем.

Рисунок 4 Указание размеров бака

Минимальная ширина бака:

где для ;

для ;

для мощностей от 10000кВА;

для мощностей от 10000кВА.

Длина бака:

.

Высота активной части:

.

По таблице 9.5 [3] минимальное расстояние от ярма до крышки бака .

Глубина бака:

.

Для одинарных радиаторов с гнутыми трубами выберем основные данные из таблицы 9.10 [3]:

;

;

;

.

Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:

.

в) Определение превышения температуры обмоток и масла над температурой воздуха.

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки ВН:

.

Найденное среднее превышение в делах допущенных, так как:

.

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности бака , запас :

Вычислим поверхность гладкой стенки бака:

.

Ориентировочная поверхность излучения бака с трубами:

.

Ориентировочная необходимая поверхность для заданного значения :

Поверхность крышки бака:

Поверхность конвекции радиаторов:

Поверхность конвекции одного радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки:

,

где для труб диаметром 51 мм из таблицы 9.6 [3].

Необходимое число радиаторов:

.

Поверхность конвекции бака:

.

Средний перегрев стенки бака (трубы) над воздухом:

Средний перегрев масла вблизи стенки по сравнению с температурой внутренней поверхности бака:

.

Превышение средней температуры над температурой воздуха:

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха:

.

Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха:

,

,

что меньше допустимых 65⁰С по ГОСТ 11677-85.

г) Определение веса масла и расширителя.

Объем бака:

.

Объем активной части:

.

Объем масла в баке:

.

Общая масса масла:

Диаметр расширителя:

.

7. Экономический расчет

а) Расчет расхода активных и конструктивных материалов.

При изготовлении магнитопровода используется рулонная сталь, поэтому отходы составляют незначительную долю - 4-5 %.

Другой активный материал трансформатора - материал обмоток. В данном случае обмотка выполнена из медного провода.

Масса обмоток ВН и НН:

.

Масса магнитопровода:

.

Масса бака (бак изготовлен из холоднокатаной стали толщиной 2 мм):

.

б) Ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора.

Стоимость активной части трансформатора (руб):

где с₀=1,34 руб/кг, с_ст=0,9 руб/кг.

Стоимость системы охлаждения с радиаторами и дутьем:

.

.

Цены даны с использованием данных литературы [3].

в) Определение приведенных годовых затрат и оценка экономичности рассчитанного трансформатора.

Приведенные годовые затраты на трансформаторную установку:

где .

Затраты на трансформаторную установку можно снизить путем замены материала обмоток на более дешевый материал, но это приведет к некоторым изменениям качественных характеристик трансформатора.

При использовании алюминиевого провода того же сечения КПД падает, номинальная мощность трансформатора должна быть снижена на 21,5%.

Это происходит вследствие различия удельных сопротивлений материалов, откуда:

.

Уменьшение массы обмотки и цены на нее не компенсирует уменьшения номинальной мощности и снижения КПД трансформатора.

Заключение

В данной работе разработан силовой трехфазный масляный трансформатор.

Обмотка ВН - непрерывная катушечная из прямоугольного провода. Данный тип обмотки обеспечивает высокую электрическую и механическую прочность при больших токах, хорошее охлаждение. Для обмотки НН выбрали конструкцию винтовой обмотки. Данный тип обмотки обеспечивает высокую электрическую и механическую прочность при больших токах, хорошее охлаждение.

Магнитная система трансформатора - плоская.

Отклонение напряжения короткого замыкания трансформатора составляет -0,36%. При расчете не рекомендуется допускать его отклонение более чем на ±5% заданного значения, в противном случае это может привести к увеличению потерь короткого замыкания.

Общие потери короткого замыкания в результате расчета отклоняются от номинальных потерь короткого замыкания на 5,6%, что соответствует ГОСТ . Уменьшению потерь короткого замыкания способствует увеличение массы обмоток, т.к. при этом плотность тока в обмотках становится меньше, как следствие - уменьшение нагрева обмоток. Такой вариант приводит к увеличению напряжения короткого замыкания. Чрезмерное увеличение сечений проводов обмоток является нецелесообразным, т.к. их применение обходится дороже. После установления всех размеров трансформатора и массы стали частей магнитной системы определяются потери и ток холостого хода трансформатора. Полученное значение потерь холостого хода отклоняется от заданного на 1,33 %.

Согласно тепловому расчету целесообразно использовать для охлаждения при мощности 16000 кВА бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами с дутьем. Для охлаждения используется масло, которое способствует более лучшему теплообмену обмоток с окружающей средой через бак и радиаторы. Превышения температуры удовлетворяют допустимым значениям ГОСТ.

Использованная литература

Гончарук А.И. “Расчет и конструирование трансформаторов.”, М, Энерго- издат, 1990 г.

Попов В.С., Николаев С.А., “Общая электротехника с основами электроники”, М., «Энергия», 1977 г.

3. Тихомиров П.М. “Расчет трансформаторов”, изд. 3-е, М., ”Энергия”, 1968 г.

Размещено на Allbest.ru

...