Размещено на http://allbest.ru

КУРСОВАЯ РАБОТА

Проектирование силового трехфазного трансформатора

Мешалкин



Введение

Целью данной курсовой работы является изучение основных принципов проектирования силового трехфазного трансформатора, требований и ограничений, предъявляемых к его характеристикам.

Исходные данные

1. Тип трансформатора ТМ-400/35;

2. Номинальное линейное напряжение: обмотка ВН 35 кВ, обмотка НН 0,4 кВ;

3. Схема и группа соединений Y/Д - 11;

4. Потери холостого хода 1200 Вт;

5. Потери короткого замыкания 5500 Вт;

6. Напряжение короткого замыкания 6,5%:

7. Ток холостого хода 2.1%;

8. Материал обмоток - медь;

9. Материал сердечника - сталь электротехническая марки 3405.



1. Расчет основных электрических величин

Мощность одной фазы:

Мощность на один стержень:

где с=3 - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора.

Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения (ВН):

Номинальный ток низкого напряжения (НН):

Номинальный фазный ток ВН (соединение звездой):

Номинальный фазный ток НН (соединение треугольником):



Номинальное фазное напряжение ВН

Номинальное фазное напряжение НН

Испытательное напряжение обмотки ВН - 85 кВ

Испытательное напряжение обмотки НН - 5 кВ



2. Определение основных размеров трансформатора

2.1 Предварительный выбор конструкции сердечника

Величину диаметра стержня d и коэффициент заполнения круга К кр выбираем по таблице 2.1.

Таблица 2.1

Sн,кВА	16...25	40... 100	160... 630
d, м	0,08... 0,09	0,10... 0,14	0.16... 0,22
K кр	0,86 ... 0,89	0,91 ... 0,92	0,91... 0,93 (0,88 ... 0,90)

Выбираем d = 0.2, Ккр = 0,93.

2.2 Материал сердечника и величина магнитной индукции

Материал сердечника - электротехническая сталь марки 3405. Это холоднокатаная сталь, величина магнитной индукции: для холоднокатаной стали Вс=1,5....1,65 Тл; выбираем значение Вс=1,57

Выбираем лаковую межлистовую изоляцию с коэффициентом заполнения К_З=0,96.

Общий коэффициент заполнения сталью

Кс =Ккр*Кз = 0,893

2.3 Выбор величин, определяющих размеры трансформатора

Соотношение между шириной и высотой трансформатора.

Величина для медной обмотки , выбираем значение в=1,99.

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному принимают равным Kр=0,95.

Изоляционный промежуток между обмотками НН и ВН при испытательном напряжении 85 кВ: a₁₂=27 мм.

Приведенная ширина двух обмоток

, м.

Коэффициент k при мощности 400 кВА, напряжении 35 кВ выбираем из диапазона 0,65…0,58. Зададимся значением 0,62

м

Величина приведённого канала рассеяния

=0,048 м.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

= %.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

, %.



2.4 Предварительный расчет сердечника

Диаметр стержня

, м,

где S' в кВА;в Гц; U kp в %;Bс вТл; а_р в м.

Выбираем стандартный диаметр стержня 0.20 м.

Средний диаметр канала между обмотками

При классе напряжения 35 кВ соответственно а=1,40.

0,28 м = 280 мм

Высота обмотки

=442 мм

Активное сечение стержня

м²,



Предварительное значение ЭДС витка

где Вс в Тл; П_С в м².

Число витков в одной фазе обмотки НН:

Новое значение U_B = 400/44=9,091

Новое значение B_c = U_B /(4.44*f*Пс) = 1,57



3. Расчет обмоток трансформатора

3.1 Выбор типа обмоток

Средняя плотность тока в обмотках, выполненных из меди:

где р_K в Вт; Uв в В; S_H в кВА; d₁₂ в м.

Величина kg принимается равной 0,93 при мощности 400 кВА.

Плотность тока должна находиться в следующих пределах:

2,2 ... 3,5 МА/м² - для меди, это условие выполняется.

Предварительное значение сечения витка обмотки низкого напряжения (НН)

В качестве обмотки НН выбрана двухслойная цилиндрическая обмотка. Обмотка ВН выполняется в виде цилиндрической многослойной.

3.2 Расчет обмотки низкого напряжения (НН)

Число витков W1=44. Число витков в слое: W_1сл =44/2= 22

Стандартное сечение витка составлям из нескольких стандартных проводников.



Осевой размер витка:

,

Осевой размер витка составляем из 4 стандартных проводников.

Проводники вплотную прилегают друг к другу с учетом изоляции между ними.

Выбираем прямоугольный провод ПБ.

Марка проводника

Сечение витка

= 110 мм² = 0,00013 м²

где - стандартное сечение одного проводника, м².

Пересчитанный осевой размер витка

Действительная плотность тока

Осевой размер обмотки

м,

где - осевой размер одного витка в изоляции, м.

Величина совпадает с найденным в п. 2.4.3 значением высоты обмотки.

Радиальный размер обмотки:

= (2*7,6+5) = 21,8мм = 0,0218м

где мм.

Внутренний диаметр обмотки

где принято равным 5 мм при U_ИСП=5 кВ.

Наружный диаметр обмотки

м

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН, для двухслойной с масляным каналом между слоями

=2,968 м²,

где с - число активных стержней; k=0,75 - коэффициент, учитывающий закрытие поверхности рейками, изоляцией и др.

3.3 Расчет обмотки высокого напряжения (ВН)

В обмотке выполняются отводы для регулирования напряжения, например, на ±5 % от номинала:



Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении

Полное число витков обмотки ВН

W_2H = 2416

Предварительное значение плотности тока

=3777308 A/м²=3,777 А/мм²

Предварительное значение сечения витка обмотки

Тип провода, число параллельных проводов и фактическое сечение витка обмотки определяются по табл. 5.1 [1] или по табл. П-2а [2]:

Уточняем значение плотности тока



Число витков в слое .

,

где (м), (мм).

Число слоев в обмотке ВН

Рабочее напряжение двух слоев

Обмотка выполняется в виде двух катушек с масляным каналом между ними, . Величина междуслойной изоляции д_мсл=0,72

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки

=0,308 м

где радиальный размер осевого канала между обмотками



Наружный диаметр обмотки

Полная поверхность охлаждения обмотки ВН при наличии масляного канала

Средний диаметр канала между обмотками

Соотношение между шириной и высотой трансформатора

Полученные уточненные значения и принимаются для дальнейших расчетов.



4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Потери короткого замыкания

Электрические потери в обмотке НН (для медной обмотки)

Масса обмотки из меди:

где средний диаметр

Все линейные размеры в м, масса в кг, плотность тока в А/м².

Вычисляем электрические потери в обмотке ВН

Потери в отводах обмотки НН



^\где при соединении обмотки в звезду

112,4 Вт

Потери в отводах обмотки ВН

^\где при соединении обмотки в звезду

1,333 Вт

Потери в стенках бака

, Вт

При номинальной мощности трансформатора менее 1000 кВА величина k может быть принята в пределах от 0,015 до 0,02, принимаем k=2

Потери короткого замыкания трансформатора

Рк=1.05*(1747+3741,8)+112,4+1,333+80=5958 Вт

где коэффициент добавочных потерь kg принят равным 1,05. При

Полученное значение Р_K не должно превосходить заданное более чем на 10%. Проверим: (5958-5500)*100% /5500= 8,3%..

Отклонение в пределах допустимого.



4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая короткого замыкания

где

f в Гц;

S в кВА;

a_p в м;

U_в в В.

Напряжение короткого замыкания

Полученное значение нужно сравнить с заданным.

Если различие превышает , необходимо пересмотреть принятые значение и магнитной индукции.

Проверим различие: (6,791-6,5)*100%/6,5 = 4,5%.

Отклонение в допустимых пределах.



4.3 Определение механических усилий в обмотках

Установившееся значение тока короткого замыкания

Мгновенное наибольшее значение тока короткого замыкания

где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Радиальное растягивающее усилие в обмотке ВН

Fp =0,628*205,2*2416*2,186*0,95=320621 Н

где Fp в Н; i_KM в А.

Растягивающее механическое напряжение в проводе обмотке ВН

=10,5 МПа

где -в МПа; П₂-в м².

Допустимое значения растягивающих напряжений для медной обмотки - 30 МПа.

Вычисленное значение 10,04 МПа соответствует допустимому значению.

Сила, сжимающая обмотку:

Обмотки имеют одинаковую длину и равномерно распределены на ней,

Величина напряжения сжатия

где п - число прокладок по окружности обмоток между катушками, обычно от 4 до 8;

а - радиальный размер обмотки, м;

b - ширина прокладки, обычно от 0,04 до 0,06 м.

Допустимое напряжение сжатия МПа, вычисленное значение 1,9 МПа в пределах допуска.



5. Расчет магнитной системы

5.1 Определение размеров ярма и сердечника

Размеры пакетов стержня и ярма определяются по табл. 8.2-8.5 [1] или по табл.

Таблица 5.1. Размеры пакетов в стержне d=200 мм и ярме

№ пакета	Размеры пакетов в стержне aс*bс	Размеры пакетов в ярме aя*bя
1	195*22	195*22
2	175*26	175*26
3	155*15	155*15
4	145*8	145*8
5	120*6	120*6
6	105*5	120*5
7	75*7	120*7

Рис. 5.1 Угол магнитной системы



По табл. 8.6, 8.7 [1] определяются площади ступенчатых стержня П_ФС и ярма П_ФЯ в см² и объем угла V_У в см³ .

При d=200 мм:

П_ФС =288,4; П_ФЯ=296,2; V_У =4811

Активное сечение стержня

м²,

Активное сечение ярма

м²,

Длина стержня

,м.

Для Uисп = 85 кВ мм.

5.2 Определение массы стали

Масса стали угла

кг,

для холодокатаной стали

кг/ м³ ,



Масса стали стержней

где П_С в м², в м, Gу в кг, в кг/ м³, а_1Я =195 мм,

Масса стали ярма

Масса стали трансформатора

5.3 Расчет потерь холостого хода

Магнитная индукция в стержне

Магнитная индукция в ярме

Магнитная индукция в косых стыках



Схема магнитной цепи. Выбираем для холоднокатаной стали плоскую трех стержневую магнитную систему.

Рис.5.2. схема магнитной цепи

При использовании холоднокатаной стали

Pc = 0.900;

Ря = 0.730;

Рз = 515

Кпp =1,05 учитывает увеличение потерь за счет резки полосы рулона на ленты.

Кпз =1 учитывает наличие заусениц.

Кпу = 8,85 - учитывает увеличение потерь в углах магнитной системы.

Кпя=1учитывает различие числа ступеней ярма и стержня.

Кпn =1,03 учитывает способ прессовки стержня и ярма.

Кпш, 1,02 при Sн =400 кВА, учитывает перешихтовку верхнего ярма при установке обмотки.

=1236 Вт

Отклонение от заданной в условии величины не должно превышать 35%. трехфазный трансформатор ток обмотка

Проверяем: (1236-1200)*100%/1200= 3%

Значение находится в допустимом диапазоне.

Намагничивающая мощность: При использовании холоднокатаной стали

где

q_C =1,688

q_Я=1,238

q₃ =4000

К_ТР =1,18 учитывает увеличение намагничивающей мощности за счет резки полосы рулона на ленты.

К_Т3 =1 учитывает наличие заусениц.

К_ТУ = 4,3

К_ТП=1,045

К_ТПЛ =1,15...1,19.

К_ТЯ = 1 учитывает форму сечения ярма.

К_ТШ, = 1,02 при S_Н от 400, учитывает необходимость перешихтовки верхнего ярма при установке обмотки.

Подставим числовые значения и выполним вычисления:

=8044 BA



Активная составляющая тока холостого хода

%

Реактивная составляющая холостого хода

%

Ток холостого хода

Величина тока холостого хода должна отличаться от заданной не более чем на +30 %.

Проверяем:

(2,1-2,035)*100/2,1=3,1%.

Вычисленное значение находится в допустимых пределах.



6. Тепловой расчет трансформатора. Расчет охладительной системы

6.1 Тепловой расчет обмотки низшего напряжения

Рассматривается вариант применения прямоугольного провода обмотки.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Внутренний перепад в обмотке

где =0.0025 м - толщина изоляции провода на одну сторону, м;

Вт/м°С для бумажной изоляции, пропитанной лаком или маслом.

Перепад температуры между поверхностью обмотки и маслом

⁰С,

где К₁=1для естественного масляного охлаждения;

К₂= 1,1 для обмоток ВН; К₃=1для обмоток НН;

К₄=1для номинальной мощности трансформатора вплоть до 630 кВА.



Превышение температуры обмоток над средней температурой масла.

6.2 Тепловой расчет обмотки высшего напряжения

Рассматривается вариант применения круглого провода обмотками.

Внутренний перепад температуры в обмотке

где

Удельные потери в 1 м³ объема обмотки для медной обмотки

где j₂ = -- плотность тока в обмотке ВН, А/м² ;

d₂ =1,72 диаметр провода обмотки ВН без изоляции, м;

d '₂ =2,12 то же с изоляцией, м;

- толщина прокладки между слоями обмотки ВН, м.

Средняя теплопроводность обмотки ВН:

, Вт/м ⁰С

где



Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

Перепад температур на поверхности обмотки

Превышение температуры обмотки ВН над средней температурой

6.3 Расчет охладительной системы

Выбор типа бака производится по табл. 9.4 [I]. Для мощности S_H=400 кВА выбираем бак с навесными радиаторами и прямыми трубами.

Изоляционные расстояния для отводов

S₁ =50мм (от отвода НН до обмотки)

S₂ =50 мм (от отвода НН до стенки бака)

S₃ = 50 мм (от отвода ВН до обмотки)

S₄=50мм (от отвода ВН до стенки бака)

S₅ = 115 мм (от катушки до стенки бака)

Ширина бака по условиям изоляции

где S₁ , S₂, S₃, S₄ -- изоляционные расстояния для отводов, мм;

d₁ и d₂ - наибольший размер сечения отвода, мм.

Длина бака

L=2С+B=1,443м

Глубина бака

где h - толщина деревянной прокладки под нижнее ярмо 0,05м;

Н_ЯК =0,3м-- расстояние от верхнего ярма до крышки бака

h_Я =0,195м - высота ярма.

Увеличим глубину бака на 30%

Среднее превышение наиболее нагретой части обмотки над температурой воздуха, допустимое по ГОСТ 11677-85:

Допустимое среднее превышение температуры масла над температурой окружающего воздуха:

Среднее превышение температуры поверхности бака над температурой воздуха

где от 5 до 6 ⁰С

Поверхность конвекции гладкой части бака



где поверхность крышки бака

Поверхность излучения бака трансформатора

К =1,5 для бака с навесными радиаторами.

Необходимая поверхность конвекции трансформатора

Необходимая поверхность трубчатых охладителей

К_ФТР=1,26 - для трубчатых охладителей.

Требуемое число требуемых охладителей: Выбор производится по табл. 9.9 [1] , чтобы их суммарная поверхность была не менее необходимой. Чтобы выдержать соотношение - 0,185, допускается при необходимости увеличить высоту бака на 20 ... 30 %. Выбираем охладители с длиной труб 1400 мм, площадь стенок 4,333. Количество охладителей 6.



Поверхность конвекции бака с радиаторами

Превышение температуры стенки бака или трубы трубчатого охладителя над температурой воздуха

Превышение температуры масла вблизи стенки бака над

температурой стенки

Превышение температуры масла верхних слоев над температурой воздуха

По ГОСТ 11677-85

Превышение температуры обмоток относительно воздуха:

;



По ГОСТ 11677-85 .

Расчетные значения соответствуют ГОСТ.

6.4 Определение объема масла и размеров расширителя

Объем выемной части бака

где удельная масса выемной части зависит от материала обмоток:

Объем бака

,м³

Объем масла в баке

Масса масла в баке

692 кг



Масса масла в трубчатых охладителях: Массу масла в одном радиаторе G_мтр находим по таблице 9.9 [1]

Общая масса масла в трансформаторе

кг

Объем расширителя

Расширитель обычно выполняется цилиндрическим из листовой стали толщиной от 1 до 3 мм и длиной =0,49м

Диаметр расширителя



Заключение

В результате выполненной работы был спроектирован силовой трансформатор, обладающий заданными характеристиками.



Литература

1. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.

2. Попов А.Д., Соломин В.А., Соломин А.В. Приложения к методическим указаниям по проектированию мощных силовых трансформаторов. Ростов н/Д: РГУПС, 2000. 35 с.

3. Петров Г.М. Электрические машины. 4.1. М.: Энергия, 1974. 240 с.

4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. 928с.

5. Свечарник Д.В., Нарешелашвили Д.Г. Расчет на ЭЦВМ электрических параметров силовых трансформаторов при вероятностной оценке характеристик нагрузки: Методические указания к курсовому проектированию. М.: МИИТ, 1982. 40

6. Попов А.Д. Проектирование силовых трансформаторов на ЭВМ: Методические указания к курсовому проектированию. Ростов-н/Д: РГУПС, 1987. 24с.

7. Попов А.Д. Математическое моделирование в электромеханике с применением ЭВМ. 4.1. Трансформаторы: Методические указания к самостоятельной научно-исследовательской работе. Ростов-н/Д: РГУПС, 1989.



Приложение

Выемная часть трансформатора



Общий вид трансформатора ТМ 400/35

Размещено на Allbest.ru

...