Выбор основных размеров трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Выбор основных размеров трансформатора

1.1 Расчет основных электрических величин трансформатора

1.2 Определение размеров главной изоляции обмоток

1.3 Выбор материала магнитной системы

1.4 Определение основных размеров трансформатора

2. Расчет обмоток трансформатора

2.1 Выбор материала и конструкции обмоток

2.2 Расчет обмотки НН

2.2.1 Общие замечания

2.2.2 Расчёт катушечной обмотки НН

2.3 Расчет обмоток ВН

2.3.1 Общие замечания

2.3.2 Катушечной обмотки ВН из прямоугольного провода

3. Определение параметров короткого замыкания

3.1 Расчет потерь короткого замыкания

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания

3.3 Проверка обмоток трансформатора на механическую прочность при коротком замыкании

4. Расчет магнитной системы трансформатора

4.1 Определение размеров и массы магнитной системы

4.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

4.3 Определение тока холостого хода трансформатора

5. Тепловой расчет трансформатора

5.1 Тепловой расчет обмоток

5.2 Тепловой расчет бака трансформатора

5.3 Бак с охлаждающими трубам

5.4 Окончательный расчет превышений температуры

Заключение

Библиографический список



Введение

Трансформатор- электрическая машина, предназначенная для преобразования, на основе взаимоиндукции, одной или нескольких систем тока (переменного) в одной или нескольких других системах.

Трансформаторы нашли широкое применение.

Трансформатор различают: по кол-ву фаз (1-3); назначению: силовые, асинхронные, др.

Большая группа - силовые трансформаторы, предназначенные для повышения напряжения у источников энергии (напряжение генератора до 32 кВ повышается до 600, 700, 1150 кВ) и понижение его у потребителя (в основном до 0,38кВ).

К силовым относятся испытательные, сварочные и др. трансформаторы (например, для преобразования фаз и частоты).

Трансформаторы малой мощности нашли применение в устройствах связи, телевидения, радио и др.

Исходные данные представлены в таблице 1:

Таблица 1

№	Номинальная мощность Sн, кВА	Uн2ВН, кВ	Uн1НН, кВ	Схема и группа соединения обмоток	Потери, кВт	uкз, %	iоз, %	Допустимый материал обмоток
								Cu	Al
					х.х. Pхз	к.з. Pкз
44	1000	20	10,5	Y/Д-11	2	11,6	6,5	1,4	да	да



1. Выбор основных размеров трансформатора

1.1 Расчет основных электрических величин трансформатора

Мощность трансформатора на один стержень равна его мощности на одну фазу:

где -номинальная (полная) мощность трансформатора;

-число фаз трансформатора (в данном случае =3).

Номинальные линейные токи обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора соответственно:

где и - номинальные линейные напряжения обмоток НН и ВН.

Фазные токи и напряжения обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора соответственно:

Обмотка ВН соединена в «звезду» отсюда следует что:

Обмотка НН соединена в «треугольник» отсюда следует что:

Заданная активная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

где - заданные потери короткого замыкания.

Заданная реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

где - заданное напряжение короткого замыкания.

Выбираем испытательные напряжения для обмоток в соответствии с их классами напряжения по таблице 2:

Таблица 2

Класс напряжения, кВ	До 1	3	6	10	15	20	35
Испытательное напряжение , кВ	5,0	18,0	25,0	35,0	45,0	55,0	85,0

Для обмоток ВН принимаю:

Для обмоток НН принимаю:

1.2 Определение размеров главной изоляции обмоток

Выбираем соответствующие изоляционные расстояния между частями проектируемого трансформатора, исходя из его мощности и испытательных напряжений его обмоток.

Основные размеры указаны на рисунке 1.

Рисунок 1.

Для своего варианта по заданной мощности трансформатора и испытательному напряжению его обмоток НН и ВН основные параметры представлены в таблицах 3 и 4:

Таблица 3

Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН

Мощность трансформатора Sн, кВА	Испытательное напряжение НН , кВ	НН от ярма l01, мм	НН от стержня, мм
			д01	ац1	а01	lц1
630-1600	18, 25 и 35	Принять равным l02 для обмоток ВН	4	6	15	25

Таблица 4

Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН

Мощность трансформатора Sн, кВА	Испытательное напряжение ВН , кВ	ВН от ярма, мм	Между ВН и НН, мм	Выступ цилиндра lц2, мм	Между ВН и ВН, мм
		l02**	дш	а12	д12
							а22	д22
630 и выше	55	50	2	20	5	30	20	3



1.3 Выбор материала магнитной системы

Выбираю марку и толщину стали, определяю коэффициент заполнения стали, коэффициент заполнения круга и общий коэффициент заполнения сталью площади круга, описанного вокруг сечения стержня.

Выбираю самую дешевую и принимаю:

Толщина листов 0,27 мм (k_зап=0,95).

Для своего варианта по заданной мощности трансформатора предварительно выбираю: диаметр, число ступеней стержня и коэффициент заполнения круга. Данные представлены в таблице 4:

Таблица 4

Мощность трансформатора Sн, кВА	Диаметр стержня dн, м	С прессующей пластиной
		Число ступеней	Коэф. kкр
1000-1600	0,23-0,26	7	0,9

Выбираю прессовку с прессующей пластиной, так как это позволит в будущем в случае необходимости скорректировать потери.

Таким образом, общий коэффициент заполнения сталью площади круга, описанного вокруг ступенчатой фигуры сечения стержня:

1.4 Определение основных размеров трансформатора.

Определяю диаметр стержня, высоту обмоток и диаметр осевого канала между обмотками. Дополнительно определяю площади сечения стержня.

Диаметр стержня предварительно определяю по формуле:



где - мощность трансформатора на один стержень или его мощности на одну фазу; - заданный коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному, предварительно ;реактивная составляющая напряжения короткого замыкания; Гц; заданная индукция в стержне, выбирается предварительно в пределах 1,60-1,65.

Заданная ширина приведенного канала рассеяния:

где:

-коэффициент, представленный в таблице 5:

Таблица 5.

Мощность трансформатора Sн, кВА	Материал обмоток
	Медь	Алюминий
	Класс напряжения (обмотки ВН), кВ
	6 и 10	35 и 20	6 и 10	35 и 20
	Коэффициент K
1000-6300	0,51-0,43	0,52-0,48	0,61-0,54	0,65-0,60

Принимаю материал обмотки медь и при классе напряжения ВН 20 кВ K=0,52. электрический трансформатор обмотка замыкание

-коэффициент, представленный в таблице 6:

Таблица 6.

Мощность трансформатора Sн, кВА	Материал обмоток
	Медь	Алюминий
	Класс напряжения трансформатора, кВ
	6 и 10	35 и 20	6 и 10	35 и 20
	Коэффициент
1000-6300	2,0-2,6	1,8-2,4	1,3-1,7	1,2-1,6

Принимаю материал обмотки медь при классе напряжения ВН 10 кВ =2,4.

Тогда:

Полученный диаметр округляю до ближайшего нормализованного и принимаю:

Определяю коэффициент , соответствующий выбранному диаметру :

.

Заданный средний диаметр канала между обмотками:

Предварительно заданный:

,

где коэффициент =1,4.

Тогда:

Предварительно определяю заданную высоту обмоток:

где , а и найдены ранее.

Активное сечение стержня равно:



2. Расчет обмоток трансформатора

2.1 Выбор материала и конструкции обмоток

Рассматриваются типы применяемых проводов, типы обмоток и различия между ними. Определяется напряжение витка и средняя плотность тока в обмотках.

Заданная электродвижущая сила (напряжение) одного витка:

Средняя плотность тока в обмотках:

где коэффициент (Ом·м)^-1 для обмоток из медного провода; коэффициент, учитывающий добавочные потери выбирается по таблице 7;

Таблица 7.

Мощность трансформатора Sн, кВА	Коэффициент
25-100	0,97
160-630	0,96-0,93
1000-6300	0,93-0,85

Тогда:

Полученное значение должно быть в пределах 2,2-3,5 .



2.2 Расчет обмоток НН

2.2.1 Общие замечания

Определяется число витков обмотки с уточнением напряжения витка и индукции в стержне. Определяется ориентировочное сечение витка. Выполняется глубокий анализ всех вариантов и выбирается тип провода и тип обмотки.

Число витков обмотки НН на одну фазу:

Уточняется напряжение одного витка:

Уточняем действительную индукцию стержня:

Заданное ориентировочное сечение витка обмотки:

Выбираем катушечную обмотку, размеры:



2.2.2 Расчет катушечной обмотки

Определяется число реек, выбираются провода нужного размера. Уточняется сечение витка и находится реальная плотность тока в обмотке. Находятся высота катушки, ориентировочное число катушек и число витков в катушке. Уточняется радиальный размер обмотки. Находится плотность теплового потока обмотки, уточняется осевой размер обмотки и находятся ее внутренний и наружный диаметры.

На рисунке 2 представлена непрерывная катушечная обмотка НН.

Рисунок 2.

На рисунке 3 представлено расположение катушек, реек и меж катушечных прокладок в обмотке НН.

Рисунок 3.

Размеры провода в изоляции:

где из справочных таблиц.

Подобранные размеры проводов:

То есть, выбран медный провод с числом параллельных проводов равным 1, и поперечными размерами без изоляции , а с изоляцией .

Полное сечение витка обмотки из параллельных проводов:

Реальная плотность тока в обмотке НН:

Высота катушки в этой обмотке равна большему размеру

провода в изоляции:

Примем заданную высоту обмотки НН равной:

Делаем каналы между всеми катушками:

Ориентировочное число витков в катушке:

Принимаем:

Определяем радиальный размер обмотки:

Плотность теплового потока определяется по формуле:

Осевой размер (высота) обмотки, опрессованной после сушки

трансформатора , определяется по формуле:

Увеличиваем , условие выполняется.

Таким образом, была уточнена высота обмотки НН.

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

2.3 Расчет обмоток ВН

2.3.1 Общие замечания

Определяется число витков обмотки для получения номинального напряжения и всех ступеней регулирования, плотность тока (предварительно), ориентировочное сечение витка. Выполняется глубокий анализ всех вариантов и выбирается тип провода и тип обмотки, а также схема регулировочных ответвлений.

Число витков при номинальном напряжении:



Число витков на одной ступени регулирования напряжения:

Число витков обмотки на ответвлениях будет равно:

-на верхней ступени:

-при номинальном напряжении:

-на нижней ступени:

Плотность тока в обмотке ВН предварительно:

где и ранее найденные величины.

Заданное ориентировочное сечение обмотки ВН:

Выбираем схему регулировочных ответвлений в обмотке ВН;

В катушечной обмотке на напряжение до 35 кВ регулировочные катушки размещают в конце фазы. Схема (рис. 4), удовлетворяет нашим условиям:

Рисунок 4.

2.3.2 Расчет катушечной обмотки ВН

Для данного типа обмотки необходимо определить число реек и выбрать провода нужного размера. Уточнить сечение витка и найти реальную плотность тока в обмотке. Найти высоту катушки, ориентировочное число катушек и число витков в катушках. Уточнить радиальный размер обмотки. Найти плотность теплового потока обмотки, уточнить осевой размер обмотки и найти ее внутренний и наружный диаметры.

На рисунке 5 представлена непрерывная катушечная обмотка ВН.

Рисунок 5.

На рисунки 6 представлено месторасположения катушек, реек и меж катушечных прокладок в обмотке ВН.



Рисунок 6.

Размеры провода в изоляции:

где из справочных таблиц.

Подобранные размеры проводов:

То есть, выбран медный провод с числом параллельных проводов равным 1, и поперечными размерами без изоляции с изоляцией .

Реальная плотность тока в обмотке ВН:



Высота катушки в этой обмотке равна большему размеру провода в изоляции:

Примем заданную высоту обмотки BН равной:

Делаем каналы между всеми катушками:

Ориентировочное число витков в катушке:

Число витков в катушках с усиленной изоляцией:

Реальное число витков в основных катушках обмотки:



Определяем радиальный размер обмотки:

Плотность теплового потока определяется по формуле:

Осевой размер (высота) обмотки, опрессованной после сушки

трансформатора , определяется по формуле:

Увеличиваем , условие выполняется.

Таким образом, была уточнена высота обмотки BН.

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:



3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

3.1 Расчет потерь короткого замыкания

Средние диаметры обмоток НН и ВН соответственно:

Тогда массы металла обмоток НН и ВН соответственно:

В результате основные потери в обмотках НН и ВН равны:

Число проводников в осевом направлении:

Коэффициенты заполнения высоты обмотки материалом провода обмоток НН и ВН:



Число проводников в радиальном направлении:

В результате коэффициенты, учитывающие добавочные потери в обмотке НН и ВН рассчитываются по формулам:

Общая длина отводов для соединения обмоток:

Массы металла отводов обмоток НН и ВН равны:

В результате потери в отводах обмоток НН и ВН:

Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора находятся через мощность трансформатора:

Таким образом, полные потери короткого замыкания:

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Средний диаметр канала между обмотками:

Тогда коэффициент:

Тогда равно:

Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального:

Параметр l_x вычисляется по формуле:

Ширина приведенного канала рассеяния, может быть рассчитана по формуле:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания равна (

Напряжение короткого замыкания:

.

.

3.3 Проверка обмоток трансформатора на механическую прочность при коротком замыкании

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания в обмотке НН и ВН:

Апериодическая составляющая, учитываемая в виде коэффициента:

Наибольшие (максимальные) мгновенные значения токов короткого замыкания в обмотке НН и ВН:

Радиальные силы, действующие на обмотки НН и ВН:



Осевые силы, действующие на обмотки НН и ВН:

Расстояния от стержня магнитопровода до стенки бака трансформатора:

Принимаем т.к.

На рис. 7 показана катушечная обмотка с взаимным положением:

Рисунок 7.

Сила, сжимающая внутреннюю обмотку и разрывающая внешнюю обмотку:



Тогда напряжение сжатия в проводе внутренней обмотки:

Тогда напряжение сжатия в проводе внешней обмотки:

Температуры обмоток в °С через 4 секунды после возникновения короткого замыкания:

В учебных целях были рассмотрены только отдельные фрагменты расчета механической прочности трансформатора.



4. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА

4.1 Определение размеров и массы магнитной системы

На рисунке 8 представлены основные размеры трансформатора:

Рисунок 8.

Активное сечение стержня и ярма:

м²;

м²;

Длина стержня трансформатора:



Расстояние между осями соседних стержней:

Масса стали угла:

кг;

Масса стали ярма:

кг;

Масса стали стержней:

В результате полная масса магнитной системы трансформатора:

4.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

Магнитная индукция в ярме:

Потери холостого хода в магнитопроводе стержневого типа:

4.3 Определение тока холостого хода трансформатора

Активная составляющая тока холостого хода:

%

Тогда полная намагничивающая мощность

(=1,225; =1,07; =27,95; =1,35; =1,560; =1,560; =0; =6; =19200; =19200):

Реактивная составляющая тока холостого хода:

В результате полный ток холостого хода:



Коэффициент полезного действия трансформатора:



5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

5.1 Тепловой расчет обмоток

Внутренние перепады температур:

В итоге средний внутренний перепад температуры обмотки:

Перепад температуры на поверхности катушечных обмоток:

Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой охлаждающего масла:



5.2 Тепловой расчет бака трансформатора

5.2.1 Общие замечания

Размеры бака:

Минимальные длина A и ширина B бака трехфазного трансформатора:

Высота активной части трансформатора:

Глубина бака ():

Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над воздухом должно быть не более величины:

Среднее превышение температуры бака над воздухом:

Предварительное значение необходимой поверхности конвекции бака:



5.2.2 Бак с охлаждающими трубами

Выбираем бак с охлаждающими трубами.

Этот тип бака в течение десятилетий применялся в трансформаторах мощностью до 1600 кВ•А, но в последние годы был заменен на более технологичный тип бака с навесными радиаторами из прямых труб. Коэффициент теплоотдачи стенки с трубами выше, а удельный расход материалов ниже, чем у радиатора с прямыми трубами. Поэтому не исключен возврат к типу бака с трубами при возможном совершенствовании технологии его изготовления.

Рисунок 6

Для бака выберем овальные трубы. Данные приведены в таблице 4.

Таблица 4

Форма трубы	Размеры сечения, , мм	Толщина стенки, мм	Поперечное сечение в свету, мм2	Поверхность 1 м трубы , м2	Масса в 1 м, кг
					металла	масла в трубе
овальная	72Ч20	1,5	890	0,1600	1,820	0,79
Форма трубы	Шаг	Радиус изгиба , мм	Число рядов труб при мощности, кВА
	между рядами, , мм	в ряду , мм
				63-160	250-630	1000-1600
овальная	100	50	188	1	1	1-2

Расстояния между осями труб на стенке бака:

Развернутая длина трубы:

Посчитаем фактическую поверхность теплоотдачи самого бака:

где

Необходимая поверхность конвекции труб:

Необходимая реальная поверхность труб:

где - коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи конвекцией с поверхности труб по сравнению с вертикальной гладкой стенкой,

Необходимая общая длина всех труб:

Число труб в каждом ряду:

Округляем до ближайшего четного числа;

Шаг труб в ряду:

Фактическая поверхность труб:

Фактическая поверхность конвекции бака с трубами:



Поверхность излучения бака с трубами:

5.3 Окончательный расчет превышений температуры

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака:

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха:



Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха отдельно для обмоток НН и ВН:

;

Превышения температуры обмоток и масла в верхних слоях над окружающим воздухом не превышают допустимых величин.



Заключение

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической системы. Передача эл. энергии на большие расстояния от места производства до места потребления требует в современных сетях не менее, чем 5-6 кратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Особенно важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства. Экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляют 98-99% и более, однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающих мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии в трансформаторном парке достигают существенных значений.

Дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется развитием электрических сетей, а следовательно энергии страны.



Библиографический список

1. Подборский, П.Э. Проектирование трансформаторов: учеб. Пособие к выполнению курсового проекта / П.Э. Подборский, Э.Н. Подборский; Сиб. федер. ун-т, СШФ СФУ - Черемушки: РИО СШФ СФУ, 2010. - 188 с.

Размещено на Allbest.ru

...