Расчет трехфазного силового трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТРЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Электрические машины»

на тему

«Расчет трехфазного силового трансформатора»

Вариант №9

Выполнил: студент группы

ЭЭб(ДО)з-12-1 (ЦДО)

Лебех Д.Н.

Проверил: Ст. преподаватель Шаталова Н.А.

Тюмень 2017 г

Задание на проектирование силового трансформатора

Исходные данные:

Тир трансформатора	ТМ-630/6
Мощность	630 кВА
Число фаз	3
Частота	50 Гц
Номинальное напряжение ВН	10000 В
Номинальное напряжение обмотки НН	690 В
Схема и группа соединения обмоток	У/Д
Напряжение короткого замыкания	5,5 %
Потери короткого замыкания	7600 Вт
Потери холостого хода	1420 Вт
Ток холостого хода	2 %.

Содержание

Введение

1. Расчет основных электрических параметров трансформатора

2. Расчет обмоток НН

3. Расчет обмоток ВН

4. Расчет параметров короткого замыкания

5. Расчет магнитной системы

6. Расчет параметров холостого хода

7. Тепловой расчет

Заключение

Список литературы

Введение

Задача построения трансформатора, отвечающего современным требованиям в эксплуатации, а также наиболее простого и дешевого в производстве, решается определением тех воздействий, которым он подвергается в эксплуатации, рациональным выбором его конструкции, правильным выбором размеров и материала отдельных его частей и конструктивных деталей и правильно организованным технологическим процессом его изготовления, учитывающим свойства применяемых материалов и назначение трансформаторов.

Расчет трансформатора тесно связан с конструированием. На самых первых стадиях расчета необходимо произвести выбор основной конструктивной схемы трансформатора, а также в ходе расчета выбирать конструкции его отдельных частей - магнитной системы, обмоток, изоляционных деталей, отводов и т.д.

До начала проектирования необходимо установить некоторые технологические операции, оказывающие существенное влияние на некоторые параметры трансформатора.

1. Расчет основных электрических параметров трансформатора

Мощность одной фазы трансформатора

S - номинальная мощность трансформатора, кВА.;

m - число фаз трансформатора.

кВА.

Номинальный (линейный) ток обмотки ВН, СН и НН трехфазного трансформатора, А:

S - мощность трансформатора, кВА;

U - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

Номинальный ток на стороне ВН:

А.

Номинальный ток на стороне НН:

А.

Фазные токи

На стороне ВН: А

На стороне НН А

Фазные напряжения

На стороне ВН: В

На стороне НН: В

Испытательные напряжения

Обмотка ВН: кВ.

Обмотка НН: кВ

(Обмотки масляных и сухих трансформаторов с рабочим напряжением до 1 кВ имеюткВ).

Типы обмоток:

Обмотка ВН при напряжении 6кВ и токе 35 А: цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Обмотка НН при напряжении 0,4кВ и токе 909,3 А: винтовая одноходовая из прямоугольного провода.

Изоляционные расстояния

Для испытательного напряжения ВН кВ находим изоляционное расстояние: мм, мм, мм

, .

Для испытательного напряжения НН кВ находим изоляционное расстояние

мм, , , , .

Рис.1. Главная изоляция обмоток ВН и НН

В связи с тем, что изготовление плоской магнитной системы с косыми стыками в четырех и прямыми в двух углах (рис.2.) менее трудоёмко, то выбираем именно такую схему.



Рис.2. Плоская магнитная система с косыми стыками в четырех и прямыми в двух углах

Для того, чтобы магнитная система, собранная из массы пластин тонколистовой стали, обладала достаточной устойчивостью, её верхнее и нижнее ярма должны быть надежно соединены механически. Таким соединением верхних и нижних ярмовых балок в основе с плоской магнитной системой при напряжении обмотки ВН 6 кВ могут служить вертикальные шпильки, расположенные вне обмоток ВН и достаточно от них удаленных или надежно изолированные. Они также могут использоваться для осевой прессовки обмоток за счет небольшого сдвига вниз верхних ярмовых балок.

Материалом для магнитной системы трансформатора выбираем электротехническую холоднокатаную анизотропную сталь марки 3404, толщиной 0.35мм.

Пластины электротехнической стали, заготовленные для сборки магнитной системы, во избежание возникновения между ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Поэтому выбираем нагревостойкое изоляционное покрытие. Коэффициент заполнения для рулонной холоднокатаной стали в этом случае выбираем по равен.

Выбор материала обмоток

Согласно заданию необходимо принять материал обмоточного провода: алюминий.

Диаметр стержня

Мощность обмоток одного стержня

кВА

Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора

где - размер канала между обмотками

- суммарный приведенный радиальный размер обмоток

Где находится, как

м

м

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять

Частота Гц.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

Pк - потери короткого замыкания, Вт;

S - мощность трансформатора, кВА.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

uк - напряжение короткого замыкания в %;

uа - активная составляющая напряжения короткого замыкания в %.

%.

электрический трансформатор обмотка замыкание

Индукция в стержне Тл

Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции, определим его по формуле:

Число ступеней - 6

м

Ближайший нормализованный диаметр м

Определим значение :

Средний диаметр канала между обмотками может быть предварительно приближенно определен по формуле

- радиальный размер осевого канала между стержнем и обмоткой НН (м ),

- радиальный размер осевого канала между обмотками НН и ВН (м),

- радиальный размер обмотки НН, может быть приближенно рассчитан по формуле:

Принимаем для трансформаторов мощностью 25-630кВА с плоской магнитной системой.

м.

м

Высота обмотки определяется по формуле

м

Активное сечение стержня определяется по формуле

Электродвижущая сила одного витка определяется по формуле

В

2. Расчет обмоток НН

Число витков на одну фазу

Принимаем

Уточняем напряжение одного витка

Действительная индукция в стержне

Предварительное значение плотности тока

=0.94

Ориентировочное сечение витка

В соответствии с ранее принятым решением рассчитываем винтовую обмотку из прямоугольного алюминиевого провода.

Выбираем число ходов обмотки. Для этого предварительно определяем осевой размер одного витка для одноходовой обмотки по

Где =4 мм - осевой размер масляного охлаждающего канала между витками.

Так как <18,5мм, то выбираем одноходовую обмотку

Проверяем полученный осевой размер витка на допустимой плотности теплового потока на поверхности обмотки q=1200 Вт/м2

при (для винтовых и катушечных обмоток следует принять )

Подбираем подходящее сечение витка по предложенному сортаменту в:

Сечение

a= 5.30 мм b=16 мм

Полное сечение витка

- число параллельных полюсов

Плотность тока



Высота обмотки

Принимаю

- учитывает усадку между катушечных прокладок после сушки и опрессовки обмотки и может быть принят 0.94 - 0.96.

где

Радиальный размер обмотки (однослойной)

Внутренний диаметр обмотки

-радиальный размер осевого канала между стержнем и обмоткой НН

Внешний диаметр обмотки

Масса металла обмотки

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

3. Расчет обмоток ВН

Число витков при номинальном напряжении

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

Напряжение на одной ступени регулирования

Число витков обмотки ВН на один стержень при четырех ступенях регулирования

Для четырех ступеней регулирования:

Верхние ступени напряжения

При номинальном напряжении

Нижние ступени напряжения

Ориентировочная плотность тока

Ориентировочное сечение витка

В соответствии с ранее принятым решением рассчитываем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого алюминиевого провода.

Выбираем провод:

Марка провода



Подбираем подходящее сечение витка по предложенному сортаменту:

Сечение с изоляцией на две стороны

Сечение витка

- число параллельных проводов

Плотность тока

Число витков в слое

Число слоев в обмотке

Рабочее напряжение двух слоев

Междуслойная изоляция для .

Кабельная бумага толщиной 0.12 мм в четыре слоя, с выступом изоляции с каждого конца обмотки - 16 мм.

Общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями

По условиям охлаждения обмотка ВН каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними шириной . Число слоев внутренней катушки - три (принимается )

Радиальный размер обмотки ВН, одна катушка без экрана

В трансформаторах мощностью на один стержень не более 3 - 6 кВА возможно применение обмотки, состоящей из одной катушки без осевого канала.

В обмотках класса 6кВ

- минимальная ширина масляного канала между катушками

Внутренний диаметр обмотки

Наружный диаметр обмотки

Поверхность охлаждения обмотки ВН

- число стержней магнитной системы, ;

; - для двух катушек, смотри рис.3.

Рис.3. Вариант выполнения многослойной цилиндрической обмотки: обмотка ВН на цилиндре с каналом

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

Масса металла обмотки

4. Расчет параметров короткого замыкания

Основные потери

Для алюминиевого провода

Добавочные потери в обмотках НН

где n - количество проводов;

a - размер проводника в направлении перпендикулярном линиям магнитной

индукции поля рассеяния.

где b - размер проводника в направлении, параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния; b = 16 мм.

m - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению магнитной индукции поля рассеяния. Численно равно количеству витков в слое m1 = 26 витков.

- коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального параллельного поля, вызванное конечным значением осевого размера обмоток по сравнению с их радиальными размерами (), может быть подсчитано по формуле .

Добавочные потери в обмотках ВН

где d = 5.3мм - диаметр провода;

n = 7 - число проводников в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния. Численно равное количеству слоев в катушке.

где d = 5.3мм - диаметр обмотки;

m - число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению магнитной индукции поля рассеяния. Численно равно количеству витков в слое m2 = 114 витков.

Добавочные потери в обмотках трансформатора возникают как от продольного поля рассеяния с осевым по отношению к обмоткам направлением индукционных линий, так и от поперечного поля с радиальным направлением линий.

Основные потери в отводах

Длина отводов приближенно при схеме - звезда

Масса отводов НН

где

- плотность металла отводов, для алюминия

Потери в отводах НН

Масса отводов ВН

где

Потери в отводах ВН

Потери в стенках бака и других элементах конструкции

где

Полные потери короткого замыкания

Потери короткого замыкания при номинальном напряжении обмотки ВН

или заданного значения

Напряжение Короткого Замыкания

Активная составляющая

Реактивная составляющая

где

- ширина приведенного канала рассеяния

Напряжение короткого замыкания

или заданного значения

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН

где =500 МВт - мощность короткого замыкания электрической сети, зависящаяот класса напряжения.

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания определяется согласно ГОСТ 11677 - 85 с учетом сопротивления питающей сети для основного ответвления обмотки.

Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания

где

- коэффициент, учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Радиальная сила

Для определения суммарных радиальных сил рассмотрим изображение на рис.4 простейший случай взаимного расположения обмоток трансформатора.

Обе обмотки имеют равные высоты и равномерное распределение витков по высоте.

Определение механических сил в обмотке будем вести, рассчитывая отдельно силы, вызванные продольным и поперечным полями.



Рис.4. Продольное и поперечное поля в концентрической обмотке

Тогда радиальная сила будет определяться по формуле:

где витка

- коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального параллельного поля, вызванной конечным значение осевого размера обмоток по сравнению с их идеальными размерами. Обычно при концентрическом расположении витков по их высоте колеблется в пределах от 0.93 до 0.98. Принимаем .

Сила действует на наружную обмотку и стремится её растянуть. Такая же, но направленная в противоположно сила действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать её. Обе эти силы равномерно распределены по окружности обеих обмоток, как показано на рис.5.



Рис.5. Распределение радиальных сил на концентрической обмотке

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки ВН

Для обеспечения стойкости обмоток из алюминия рекомендуется

Осевые силы в обмотках

где

Для обмоток с регулировочными витками, симметрично расположенными относительно середины высоты обмоток на каждой ступени,

Рис.6. Распределение сжимающих осевых сил

Основные силы действуют на обе обмотки по (рис. 66.1.). Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток. В середине высоты обмотки НН, имеющее напряжение.

Определим напряжения сжатия на опорных поверхностях:

где n=8 - число прокладок по окружности обмотки НН (рис.7.)

а=34.8 мм - радиальный размер обмотки НН

b=0.04 м - ширина прокладки для трансформаторов мощностью от 1000 до 63000 кВт.

Рис.7. Опорные поверхности обмотки

Найдем значение температуры обмоток через после возникновения короткого замыкания по

где - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, .

- начальная температура обмоток

Полученная величина не превышает допустимого значения для алюминиевых обмоток

Предельно допустимые температуры обмоток при коротком замыкании, установленные ГОСТ 11677-85.

Время достижения температуры для алюминиевых обмоток.

5. Расчет магнитной системы

Размеры пакетов магнитной системы выбираем для стержня .

Число ступеней в сечении стержня, ярма

Диаметр стержня d, м	Стержень	Ярмо	Размеры пакетов a х b, мм, в стержне
	Без прессующей пластины
					1	2	3	4	5	6	7	8
0.19	7	0.927	5	100	180х30	165х17	145х14	130х8	115х7	100х5	75х7	-

где - коэффициент заполнения круга для стержня;

- ширина крайнего наружного пакета ярма.

Вид стержня представлен на рис. 67.1.

Рис. 8. Сечение стержня

выбираем сечение для

Активное сечение стержня

Активное сечение ярма

Длина стержня

где и - расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма

Расстояние между осями стержней

- расстояние между обмотками соседних стержней

Значение С округляется до 0.005 м.

Масса стали угла магнитной системы

где - плотность холоднокатаной трансформаторной стали

Масса стали ярм

Масса стали стержней

Общая масса стали

6. Расчет параметров холостого хода

Индукция в стержне

Индукция в ярме

Индукция на косом стыке

Площади сечения немагнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны соответственно активным сечениям стержня и ярма. Площадь сечения стержня на косом стыке:

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков для стали марки 3404 толщиной 0.35 мм при шихтовке в две пластины:

При

При

При

Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне; с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек; с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев для определения потерь применим выражение:

Если число ступеней в сечении ярма равно или отличается на одну - две ступени от числа ступеней в сечении стержня, то распределение индукции в ярме и стержне можно считать равномерным и принять коэффициент увеличения потерь, зависящий от формы сечения ярма, равным 1.0.

Сталь не отожжена

Сталь не отожжена

Заусенцы не сняты, пластина не отожженная

при мощностях трансформатора 400 - 630 кВт

Ток холостого хода

Находим удельные намагничивающие мощности

При

При

При

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления используется формула, в котором принимаем:

для не отожженной стали марки 3404

заусенцы не сняты, пластина не отожженная

для ярма многоступенчатого сечения

Сталь не отожжена

при мощностях трансформатора 400 - 630 кВт

Ток холостого хода

%

%

7. Тепловой расчет

Внутренний перепад температуры обмотки НН

где - теплопроводность изоляции провода;

q - плотность теплового потока на обмотки;

- толщина изоляции провода на одну сторону,;

Внутренний перепад температуры обмотки ВН

Полный внутренний перепад температуры ВН

где a - радиальный размер катушки;

р - потери, выделяющиеся в 1 м3 общего объема обмотки;

где - средняя теплопроводность обмотки

где

Средний перепад температуры обмотки ВН

Перепад температуры на поверхности обмотки НН

- учитывает скорость движения масла внутри обмотки. Коэффициент принимаем для естественного масляного охлаждения.

- учитывает затруднение конвекции масла в каналах внутренних обмоток НН и СН.

- учитывает влияние на конвекцию масла относительно ширины (высоты) горизонтальных масляных каналов и может быть выбран в зависимости от отношения высоты к глубине канала (ширине обмотки):

Перепад температуры на поверхности обмотки ВН

Среднее превышение температуры обмоток над средней температурой масла

НН

ВН

В соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами с прямыми трубами

Изоляционные расстояния:

- изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН (внешней) до собственной обмотки и равное ему расстояние этого отвода до стенки бака; кВ.

- расстояние от прессующей балки ярма до отвода с кВ.

- изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН и СН до обмотки ВН; кВ.

- изоляционное расстояние от отвода НН или СН до стенки бака; кВ.

- диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 10 и 35 кВ, при мощностях до 10000 кВт и при больших мощностях.

- диаметр изолированного отвода от обмотки НН или СН, равный , или размер неизолированного отвода НН (шины), равный 10 - 15 мм.

- минимальное расчетное расстояние до основных катушек.

Минимальная ширина бака

принимаем при центральном положении активной части трансформатора в баке

Длина бака

(стр. 431 9.23)

Высота активной части

где - толщина прокладки под нижнее ярмо.

Глубина бака определяется высотой активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма до крышки бака, обеспечивающим размещение внутренних частей проходных изоляторов, отводов и переключателей.

Минимальное расстояние от ярма до крышки бака

принимаю

Глубина бака

Для развития должной поверхности охлаждения будем применять ранее выбранный радиатор, внешний вид которого представлен на рис. 9.



Рис. 9. Трубчатый радиатор с прямыми трубами.

Для развития должной поверхности охлаждения используем радиаторы с прямыми трубами с расстоянием между осями фланцев

, с поверхностью труб и двух коллекторов. Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:

где - минимальное расстояние осей фланцев от нижнего среза бака

- минимальное расстояние осей фланцев от верхнего среза бака

Масса стали радиатора:

Масса масла в радиаторе:

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

Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях меньше , в этом случае будет:

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака и запас , находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака

Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами

где k - коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и приближенно равный k=1.5

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения :



Поверхность конвекции составляется из:

Поверхности гладкого бака

Поверхности крышки бака

где 0.16 - удвоенная ширина верхней рамы бака;

коэффициент 0.5 учитывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой.

Поверхность конвекции радиаторов

Поверхность конвекции одного радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки

где - коэффициент, учитывающий улучшение или ухудшение теплоотдачи конвекцией для данной формы поверхности по сравнению с вертикальной гладкой стенкой. Определяется в зависимости от типа радиатора или ряда труб. В данном случае .

Необходимое число радиаторов



принимаю , с расположением на баке согласно рисунку:

Поверхность конвекции бака

Поверхность излучения

Среднее превышение температуры наружной поверхности стенки бака над температурой воздуха

- коэффициент, повышающий потери против расчетных значений.

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки бака

коэффициент, равный 1,0 при естественном масляном охлаждении.

- сумма поверхностей конвекции гладкой части труб, волн, крышки без учёта коэффициентов улучшения или ухудшения конвекции.

Превышение средней температуры масла над температурой воздуха

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

- определяет отношение максимального и среднего превышений температуры масла, может быть принято равным 1,2.

Полученное значение должно удовлетворять неравенству: , вытекающему из требования ГОСТ, чтобы превышение температуры верхних слоев масла над воздухом не превосходилодля трансформаторов с расширителем и герметичных.

неравенство выполняется.

Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха

НН

ВН

Превышение температуры масла в верхних слоях и обмоток лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11677 - 85.

Заключение

В данной курсовой работе дано описание основных материалов, применяемых в трансформаторостроении.

В расчетной части приведен расчет масляного трансформатора типа ТМ630/10, мощностью 630 кВА и классом напряжения 10 кВ.

Для данного трансформатора выбрана плоская шихтованная магнитная система из тонколистовой холоднокатаной стали марки 3404 (0.30 мм) с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне. Ярмо крепятся ярмовыми балками, которые в свою очередь стягиваются шпильками за пределами магнитной системы.

Расчёт трансформатора выполнен в соответствии с техническим заданием. При расчёте обеспечено его соответствие современным требованиям к электрической и механической прочностям, нагревостойкости обмоток и других частей. При этом в соответствии с основными требованиями сочетается малая себестоимость трансформатора.

Список литературы

1. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. М.: "Энергоатомиздат", 1986.

2. А. М. Дымков. Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов. "Высшая школа", 1971.

3. В. Е. Китаев. Трансформаторы. "Высшая школа", 1967.

4. А. В. Сапожников. Конструирование трансформаторов. Госэнергоиздат, 2014.

5. М. М. Кацман. Электрические машины и трансформаторы. "Высшая школа", 1971.

6. М. П. Костенко и Л. М. Пиотровский. Электрические машины. "Энергия", 1964.

7. А. М. Голунов. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. "Энергия", 1964.

8. В. В. Порудоминский. Трансформаторы с переключением под нагрузкой. "Энергия", 1965.

9. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов для дуговых электрических печей. Госэнергоиздат, 1959.

10. Е. А. Каганович. Испытание трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кв включительно. "Энергия", 1969.

11. В. П. Шуйский. Расчет электрических машин. "Энергия", 1968.

Размещено на Allbest.ru

...