Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего бюджетного профессионального образования

"Уральский государственный университет путей сообщения"

(ФГБОУ ВПО УрГУПС)

Кафедра "Электрические машины"

Курсовой проект

по дисциплине: "Электрические машины"

на тему: "Расчет трехфазного силового масляного двухобмоточного трансформатора"

Разработал: студент гр. ПСв-311

Лешков Д.Ю.

Проверил: старший преподаватель

Бондаренко А.В.

Екатеринбург - 2014

Содержание

Реферат

Введение

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

2. Определение основных размеров трансформатора

3. Конструкция изоляции и минимально допустимые изоляционные расстояния

4. Выбор конструкции обмоток трансформатора

5. Расчет обмотки низкого напряжения трансформатора

6. Расчет обмотки высокого напряжения трансформатора

7. Определение потерь короткого замыкания

8. Определение напряжения короткого замыкания

9. Определение механических сил в обмотках

Заключение

Реферат

В данном курсовом проекте всего: стр. 42, рис. 8, табл. 15, прил. 1, использованный источник 1.

Ключевые слова: Трансформатор, линейное напряжение, мощность, обмотка низкого напряжения, обмотка высокого напряжения, потери короткого замыкания, сила тока, электрические потери, высота обмотки, изоляционное покрытие, соединение в звезду, соединение в треугольник, рабочее напряжение, испытательное напряжение, плотность тока, отводы, осевая сила, изоляция.

В данном курсовом проекте рассчитаны основные электрические величины, основные размеры, обмотки низкого напряжения и обмотки высокого напряжения трансформатора. А также определили напряжение короткого замыкания и сравнили его с заданным и определи механические силы в обмотках.

Исходные данные:

Тип S_H, kBA - TM-400

U_2л ? 10,0 ВН, kB

U_1л ? 0,004 HН, kB

Потери:

P₀ ? 0,950 kВт

P_к - 6,050 kВт

U_к ? % ? 4,5 %

I₀ ? % ? 2,1 %

Материал - медь

Схема - У/Д-11

Введение

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в линиях передачи и распределения электроэнергии, а также в различных электроустройствах для получения требуемого напряжения. Трансформаторы специального назначения характеризуются разнообразием рабочих свойств и конструктивного исполнения. К этим трансформаторам относятся печные и сварочные трансформаторы, трансформаторы для устройств автоматики (пик-трансформаторы, импульсные, умножители частоты и т.п.), испытательные и измерительные трансформаторы и т. д.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло, омывая обмотки и магнитопровод, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака и трубы радиатора отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

Мощность одной фазы, кВ А

, (1)

где т - число фаз, т = 3.

кВ А.

Мощность на один стержень, кВ А

(2)

где с - число активных стержней, несущих обмотки трансформатора. Для силовых масляных трехфазных трансформаторов с = m =3.

кВ А.

Номинальный линейный ток обмотки низкого напряжения (НН), А

, (3)

А.

Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения (ВН), А

, (4)

А.

Номинальные фазные токи и напряжения обмотки низкого напряжения:

При соединении обмотки в треугольник

; , (4)

В; А.

Номинальные фазные токи и напряжения обмотки высокого напряжения:

При соединении обмотки в звезду

; , (5)

А; В.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %

, (6)

%.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %

, (7)

%.

2. Определение основных размеров трансформатора

Материалом для магнитной системы силового трансформатора служит электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь, главным образом марок 3404, 3405 по ГОСТ 21427.1-83, поставляемая в рулонах толщиной 0,35 и 0,3 мм. Сталь обычно изготавливается с нагревостойким изоляционным покрытием.

Рисунок 1 - Основные размеры трансформатора

Диаметр d окружности, в которую вписана ступенчатая фигура стержня, является первым основным размером трансформатора и рассчитывается по формуле

. (8)

Расчет и выбор величин, входящих в формулу, рекомендуется производить в следующем порядке.

Мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВ А, определена выше.

Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, см

/3, (9)

Размер а ₁₂ канала между обмотками ВН и НН определяется как изоляционный промежуток. Выбираем из таблицы 1 а ₁₂ = 9 мм.

Таблица 1 - Главная изоляция. Минимально допустимые изоляционные расстояния для обмоток ВН

Мощность трансформатора	Uисп для ВН, кВ	ВН от ярма, мм	Между ВН и НН, мм	Выступ цилиндра, lц 2, мм	Между ВН и ВН, мм
		L02		a12	д12		a12	д12
160-630	18,25 и 35	30	-	9	3	15	10	-

Суммарный приведенный размер обмоток ВН и НН (см) может быть приближенно определен по формуле:

, (10)

где k - величина в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН выбирается из таблицы 2.

Для обмоток из алюминиевого провода значение k, найдем из таблицы. Принимаем

Таблица 2 - Значения коэффициента k в формуле для расчета приведенного размера обмоток.

Мощность трансформатора, кВ·Ф	Класс напряжения, кВ
	10	35
400-630	0,53	0,65-0,58

см,

см.

Значение в приближенно равно отношению средней длины витка обмоток L_B трансформатора к их высоте L и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. Значение в может варьироваться в широких пределах и изменяться в существующих трансформаторах в пределах от 1 до 3,5.

Изменение в влияет и на технические характеристики: напряжение короткого замыкания U_к, %; потери и ток холостого хода, механическая прочность и нагревостойкость обмоток.

При заданном уровне потерь для наиболее часто употребляемых материалов магнитной системы и обмоток оптимальное значение в определяется по таблице 3. Принимаем в = 2,4

Таблица 3 - Рекомендуемые значения в

Габарит	Мощность, кВ·А	Алюминий	Медь
		6 и 10 кВ	35 кВ	6 и 10 кВ	35 кВ
II	160-630	1,2-1,6	1,2-1,5	1,8-2,4	1,8-2,4

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

Частота f = 50 Гц подставляется из задания на курсовой проект. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, U_р, %; определена выше.

Рекомендуемые значения расчетной индукции в стержне трансформаторов при использовании современных марок холоднокатаной стали (таблица 4). Принимаем В_с = 1,65 Тл.

Таблица 4 - Рекомендуемая индукция в стержнях трансформатора

Марки Холоднокатанной стали	Мощность трансформатора, S, кВ·А
	До 16	25-100	160 и более
3404, 3405	1,50-1,55	1,55-1,60	1,55-1,65

k_с - коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описывающего сечение стержня, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня, размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали, вида междулистовой изоляции и рассчитывается по формуле

, (11)

где k_кp - коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры (определяем по таблице 5) k_кp = 0,918;

k_з - коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сталью, учитывающий толщину изоляционного слоя и неплотность запрессовки листов(таблиц 6),

k_з = 0,96.

Таблица 5 - Число ступеней в сечении стержня трехфазных масляных трансформаторов

Мощность трансформатора S, кВ ·А	Ориентировочный диаметр стержня d, см	Число сступеней	Коэффициент kкр
160-630	16-18	6	0,913

Таблица 6 - Значение коэффициента заполнения сталью k_з при различных способах изоляции

Толщина пластин, мм	Вид изоляционного покрытия
	Нагревостойкое	Нагревостойкое плюс однократная лакировка
0,3	0,96	0,955

.

см.

Полученное значение диаметра стержня удовлетворяет требованиям таблицы 5, округляем это значение до ближайшего нормализованного диаметра, см.

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками d₁₂ может быть предварительно приближенно определен по формуле

, (12)

Радиальные размеры осевых каналов а ₀₁ = 5 мм (таблица 7) между стержнем и обмоткой НН и а ₁₂ между обмотками НН и ВН определяются из условий электрической прочности, главной изоляции трансформатора по испытательным напряжениям обмоток НН и ВН соответственно (таблица 1) а ₁₂ = 9 мм.

Таблица 7 - главная изоляция. Минимально допустимые изоляционные расстояния обмоток НН

Мощность трансформатора кВ·А	Uисп для НН, кВ	НН от ярма l01, мм	НН от стержня, мм
			д01	ац 1	а 01	lц 1
400-630	18, 25 и 35		Картон 2?0,5	-	5	-

Радиальный размер обмотки НН a₁, можно приблизительно сосчитать по формуле:

, (13)

где k₁ - коэффициент принят равным 1,1 кВА, для трансформаторов мощностью 25-630 кВА.

см,

см.

Третий основной размер трансформатора - высота обмоток определяется по формуле

, (14)

см.

После расчета основных размеров трансформатора определяется активное сечение стержня, т.е. чистое сечение стали, см ²

, (14)

см ²

Электродвижущая сила одного витка, В

, (15)

B.

3. Конструкция изоляции и минимально допустимые изоляционные расстояния

Главными задачами при проектировании изоляции трансформатора являются выбор принципиальной конструкции изоляции, выбор изоляционных материалов, заполняющих изоляционные промежутки, и размеров изоляционных промежутков.

Изоляция в трансформаторе разделяет части, находящиеся под напряжением между собой, и отделяет их от заземленных частей. В силовых трансформаторах изоляция выполняется в виде конструкций из твердых диэлектриков - электроизоляционного картона, кабельной бумаги, лакотканей, дерева, текстолита, бумажно-бакелитовых изделий, фарфора и других материалов. Части изоляционных промежутков, не заполненных твердым диэлектриком, заполняются жидким диэлектриком - трансформаторным маслом.

Для упрощения расчета и стандартизации требований, предъявляемых к электрической прочности изоляции готового трансформатора, электрический расчет изоляции производится так, чтобы она могла выдержать приемосдаточные и типовые испытания, предусмотренные соответствующими нормами. Нормы испытаний составлены с учетом возможных в практике значений, длительности и характера электрических воздействий, содержат необходимые запасы прочности и закреплены в ГОСТ.

При этом в трансформаторах можно использовать материалы класса нагревостойкости А, допускающего температуру до 105° С.

Главная изоляция обмоток (изоляция от заземленных частей и между обмотками).

Главная изоляция обмоток определяется в основном электрической прочностью при частоте 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями.

На рисунке 2 показан вариант конструкции главной изоляции обмоток с испытательным напряжением от 5 до 85 кВ.

Основные размеры изоляционных деталей с учетом производственных допусков и минимально допустимые изоляционные расстояния такой конструкции могут быть выбраны из таблицы 7 и 1.

Рисунок 2 - Главная изоляция обмоток при испытательных напряжениях 5-85 кВ

Межслойная изоляция. Выбор межслойной изоляции зависит от принятой конструкции обмотки. В многослойных цилиндрических обмотках из круглого и прямоугольного провода размеры межслойной изоляции выбираются по таблице 8. Принимаем, что число слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 мм равно 2, а выступ межслойной изоляции на торцах обмотки (на сторону) равно 1 см.

Таблица 8 - Размеры межслойной изоляции в многослойных цилиндрических обмотках из круглого провода

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 мм	Выступ межслойной изоляции на торцах обмотки (на сторону), см
До 1000	2	1,0

Межкатушечная изоляция. Для образования радиальных масляных каналов применяют междукатушечные прокладки из электроизоляционного картона. Ширина прокладок обычно выбирается в пределах 4-6 см. Длина прокладки определяется радиальной шириной обмотки. Прокладка высотой h_k набирается из нескольких слоев электрокартона толщиной 0,5-3 мм. Ввиду того, что стандартные толщины листов электроизоляционного картонакратна 0,5 мм, расчетная толщина прокладок (и размеры каналов) должна быть также 0,5 мм. Число прокладок по окружности равно числу реек. Если регулировочные витки обмотки ВН располагаются по ее середине, то в месте разрыва обмотки напряжение между двумя половинами обмотки ВН значительно больше напряжения между двумя соседними последовательными катушками. Поэтому в месте разрыва обмотки высота радиального канала h_kр должна быть увеличена. Допустимые размеры h_kр должна быть увеличена.

Рисунок 3 - Схема регулирования напряжения

4. Выбор конструкции обмоток трансформатора

Основные критерии выбора типа обмотки - номинальный фазный ток, мощность трансформатора S_ф на одну фазу обмотки и номинальное фазное напряжение U_Н, а также поперечное сечение витка П.

Для расчета поперечного сечения витков обмотки ВН и НН необходимо определить среднюю плотность тока в обмотках, А/мм ², обеспечивающую получение заданных потерь короткого замыкания.

, (16)

где k_д - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, определяется по таблице 10 (k_д = 0,96).

Таблица 10 - значение k_д для трехфазных трансформаторов

Мощность трансформатора, кВ·А	160-630
kд	0,96-0,93

А / мм ².

Чтобы избежать грубых ошибок в расчете , следует рассчитанное значение плотности тока сверить с данными таблицы 11, где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей тока. Средняя плотность тока в обмотках входит в предел ориентировочных значений практически применяемых плотностей тока (таблица 11).

Таблица 11 - Средняя плотность тока в обмотках I_ср А/мм ²

Мощность трансформатора, кВ·А	63-630
Медь	2,2?3,5

Предварительное сечение витка, мм²

обмотка НН

, (17)

мм ².

обмотка ВН:

, (18)

мм ².

После определения предварительного сечения витка выбираем тип обмотки, обмотка НН и ВН не совпадают: НН - винтовая из прямоугольного провода; ВН - цилиндрическая многослойная из круглого провода.

5. Расчет обмотки низкого напряжения трансформатора

Общий вид обмотки низкого напряжения и витка представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Одноходовая винтовая параллельная обмотка

Число витков на фазу обмотки

, (19)

виток.

Уточним значение U_в

, (20)

В.

Найдем действительную индукцию в стержне, Тл

, (21)

Тл.

Предварительная высота витка одноходовой обмотки, см

, (22)

см.

По полученным значениям сечения и высоте витка из сортамента обмоточного меди выбираем подходящий провод с соблюдением следующих правил:

а) число параллельных проводов, из которых наматывается виток не должно превышать одного;

б) число различных размеров проводов - не более одного;

в) радиальные размеры всех параллельных проводов витка равны между собой.

Полное сечение витка состоящего из числа параллельных проводов

, (23)

мм ².

Уточненная плотность тока, А/мм ²

, (24)

А/мм ².

Осевой размер (высота) обмотки, см

Ширина (радиальный размер) обмотки, см

, (28)

см.

Окончательная высота (осевой размер) обмотки НН, см

.

Внутренний диаметр обмотки НН, см,

, (29)

где - ширина канала, определяется из условия изоляции обмотки и в зависимости от способа запрессовки стержня (таблица 7).

см.

Наружный диаметр обмотки НН, см

, (30)

см.

Охлаждаемая поверхность обмотки, м ²

, (31)

Если многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода применяется на стороне НН, то в формуле расчета, следует применить n = 2, k = 0.75, с = 3.

м ².

6. Расчет обмотки высокого напряжения трансформатора

Общий вид обмотки высокого напряжения и витка представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода, изоляция торцевой части многослойной цилиндрической обмотки: 1 - экран; 2 - междуслойная изоляция; 3 - бортики из электрокартона; 4 - витковая изоляция

При выборе и расчете обмотки ВН следует учитывать необходимость выполнения в них отпаек для регулирования напряжения.

Число витков обмотки ВН для средней ступени номинального напряжения:

, (32)

витков.

Число витков для регулирования напряжения

, (33)

витков.

Число витков обмотки на ответвлениях:

а) верхние ступени напряжения

витка;

витков.

б) средняя ступень напряжения при номинальном режиме

витков;

в) нижние ступени напряжения

витка;

витков.

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется по формуле, А/мм ²

, (34)

А/мм ².

Предварительное сечение витка, мм ²

, (35)

мм ².

Записываем размер подобранного провода:

.

Полное сечение витка, мм ²

, (36)

мм ².

Уточненная плотность тока обмотки ВН, А/мм ²

, (37)

А/мм ².

Число витков в слое

, (38)

виток.

Число слоев в обмотке:

, (39)

слоев.

Рабочее напряжение между первыми витками двух соседних слоев, В

, (40)

В.

По этому напряжению двух слоев определяют число слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 (таблица 9).

Радиальный размер обмотки без экрана, см

, (41)

см.

Внутренний диаметр обмотки, см

, (42)

см.

Наружный диаметр обмотки, см

, (43)

см.

Расстояние между осями стержней, см

, (44)

см.

Поверхность охлаждения обмотки ВН, м ²

, (45)

м ².

7. Определение потерь короткого замыкания

Масса обмотки НН, кг

, (46)

кг.

Масса обмотки ВН, кг

, (47)

кг.

Коэффициент добавочных потерь зависит от геометрических размеров проводников обмотки и их расположения по отношению к полю рассеяния трансформатора и определяется для каждой обмотки:

для круглого провода: трансформатор напряжение обмотка замыкание

, (48)

, (49)

,

,

,

.

Рисунок 5 - К определению добавочных потерь в обмотках

Коэффициент приведения реального поля рассеяния k_р к идеальному параллельному полю рассеяния определяется по приближенной формуле

, (50)

.

Электрические потери в обмотке НН с учетом добавочных потерь, Вт

, (51)

Вт.

Электрические потери в обмотке ВН с учетом добавочных потерь, Вт

, (52)

Вт.

Потери в обмотке НН, отнесенные к единице охлаждаемой поверхности (плотность теплового потока), Вт/м ²

, (53)

Вт/м ².

Потери в обмотке ВН, отнесенные к единице охлаждаемой поверхности (плотность теплового потока), Вт/м ²

, (54)

Вт/м ².

Расчет электрических потерь в отводах сводиться к определению длины проводников и массы металла в отводах:

а) сечение отвода принимается равным сечению витка, мм ²

, (55)

, .

б) длина проводов отводов

, (56)

, (57)

см;

см.

в) масса металла проводов отводов, кг

, (58)

кг;

кг.

г) Электрические потери в отводах, Вт

, (59)

Вт.

, (60)

Вт.

Потери в стенках бака и других стальных деталях

, (61)

Таблица 15 - значение коэффициента k

Мощность кВ·А	До 1000
k	0,015-0,02

Вт.

Полные потери короткого замыкания, Вт

, (62)

Вт.

8. Определение напряжения короткого замыкания

Напряжения короткого замыкания U_к % может отличаться от заданного значения не более чем .

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %

, (63)

%.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %

, (64)

где , , - значения уточняются для реальных размеров обмоток трансформатора.

, (65)

.

, (66)

см.

, (67)

.

%.

Напряжение короткого замыкания трансформатора, %

, (68)

%.

9. Определение механических сил в обмотках

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания, А

, (69)

, (70)

А,

А.

Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания, А

, (71)

где k_m - коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания:

, (72)

.

А,

А.

Радиальная сила, действующая на обмотки высокого напряжения и низкого напряжения, H, (рисунок 8)

, (73)

H,

H.

Рисунок 8 - Радиальные силы в обмотках

Напряжение сжатия от радиальной силы во внутренней обмотке НН, МПа,

, (74)

МПа.

Осевые силы, Н

, (75)

Н,

Н.

Эта осевая сила является суммой элементарных осевых сил, приложенных к отдельным проводникам обмотки и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине каждой обмотки. Максимальное значение силы достигается на середине обмотки.

Осевая сила, Н

, (76)

.

Осевые сжимающие силы воспринимаются междукатушечными прокладками и опорными прокладками из электроизоляционного картона.

Напряжение сжатия на опорных поверхностях, Мпа

, (78)

МПа;

.

Мпа,

.

Время достижения 250 ^оС для медной обмотки:

, (79)

с;

с.

Конечная температура обмотки после возникновения короткого замыкания

, (80)

^оС,

^оС.

Заключение

В данном курсовом проекте спроектировали трехфазный силовой масляный двухобмоточный трансформатор с параметрами, удовлетворяющими ГОСТ 11670-85 и ГОСТ 11920-73, которые должны быть получены с заданной точностью, а также выполнили чертеж ввода высокого напряжения.

Размещено на Allbest.ru

...