Проектирование трансформатора

Федеральное агентство по образованию РФ Хакасский Технический Институт-филиал СФУ Кафедра ЭПП

Курсовой проект

«Проектирование трансформатора»

Выполнил: студент группы 19−1

Идимешев В.Г.

Проверил:

Подборский Э.Н.

Абакан 2012 г.

Вариант № 81 на проектирование трансформатора.

Спроектировать трансформатор по следующим данным:

1. Тип трансформатора: ТМ

2. Мощность: 2300 кВА

3. Число фаз: 3

4. Частота: 50 Гц

5. Номинальное напряжение обмотки ВН: 20 кВ

6. Номинальное напряжение обмотки НН: 10,5 кВ

7. Схемы и группа соединений обмоток: Y / - 11

8. Система охлаждения: естественное — масляное

9. Режим работы: длительная нагрузка Параметры трансформатора:

1.Напряжение короткого замыкания: 6.5%

2.Потери короткого замыкания: 23,5 кВт

3.Потери холостого хода: 3,9 кВт

4.Ток холостого хода: 1%

Дополнительные условия:

1.Сталь марки 3404

2.Обмотка из медного провода

1. Расчет основных размеров трансформатора

2. Расчет основных электрических величин трансформатора

3. Расчет обмоток трансформатора

3.1 Расчет обмотки НН

3.2 Расчет обмотки ВН

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева при коротком замыкании

5. Расчет магнитной системы трансформатора

5.1 Определение размеров магнитной системы

5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

5.3 Определение тока холостого хода трансформатора

6. Тепловой расчет трансформатора

6.1 Тепловой расчет обмоток

6.2 Тепловой расчет бака трансформатора

6.3 Расчёт трубчатого бака

1. Расчет основных размеров трансформатора трансформатор напряжение короткое замыкание Диаметр стержня определяем по формуле, см:

м;

где в=2.4 (табл.3); kр=0.95; kc=0.88; Вс=1.6 Тл

1. Мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВА:

кВА;

2. Ширина приведенного канала рассеивания трансформатора, м

м;

б12 = 0,02 м — размер канала между обмотками ВН и НН находим из таблицы 1

k=0.5 — коэффициент по таблице 3.

3. Реактивную составляющую напряжения:

%;

%;

Полученный размер диаметра округляем до ближайшего по нормализованной шкале dн=0,3 м.

4.Определим отношение вн:

;

что удовлетворяет требованиям

5. Средний диаметр канала между обмотками, см:

м;

и определяем по таблице 3 и 4

м;

а — определяем по таблице 5.

Определяем высоту обмоток:

м;

6. Активное сечение стержня по формуле, см2:

м2;

Принимаем, что см2

2. Расчет основных электрических величин трансформатора

1. Номинальный ток обмотки ВН и НН трехфазного трансформатора, А:

для обмотки ВН:, А, для обмотки НН:, А,

2. Фазные токи, А, и напряжения, В, для обмоток ВН и НН с учетом соединения каждой обмотки в звезду либо треугольник:

для обмотки ВН:, А, для обмотки НН:, А,

3.Фазные напряжения, для обмоток ВН и НН с учетом их соединения в звезду либо в треугольник определяются по формулам:

для обмотки ВН:, В, для обмотки НН:, В,

4.Испытательные напряжения:

для обмотки ВН:, кВ, для обмотки НН:, кВ,

3. Расчет обмоток трансформатора

3.1 Расчет обмоток НН

1.Электродвижущая сила одного витка по формуле, В:

В;

2.Число витков обмотки НН на одну фазу, по формуле:

;

3.Уточним ЭДС одного витка по формуле, В:

В,

4.Уточним действующую индукцию в стержне, Тл:

Тл;

5.Ориентировочное сечение витка по формуле, мм2 :

;

где средняя плотность тока вычисляется по формуле:

где С1=0,746- коэффициент для медного провода,

=0.9-коэффициент добавочных потерь по табл. 5.

6. Обмотку выбираем непрерывную катушечную спиральную:

7. Выбираем провод по табл.7:

;

8. Полное сечение витка, мм2:

мм2;

9. Реальная плотность тока в обмотке НН, А/мм2:

А/мм2

Число катушек на одном стержне:

;

Где, см, см. — осевой размер радиального канала.

;

Принимаем 10 реек.

Радиальное число витков в основных катушках обмотки:

;

10. Определим радиальный размер обмотки, см.

см;

где меньший размер прямоугольного провода в изоляции

11. Уточним высоту обмотки, см,

см;

Где — коэффициент учитывающий усадку обмотки после сушки, см,

12. Внутренний диаметр обмотки, см :

см;

где а01=1.75 см. выбираем по (табл.4)

13. Внешний диаметр обмотки, см:

см;

14. Плотность теплового потока для обмотки с каналами между всеми катушками, Вт/м2:

Вт/м2

где К =1,07- коэффициент для медного провода, — коэффициент учитывающий добавочные потери.

Полученное значение не превышает допустимого для медной обмотки.

3.2 Расчет обмотки ВН Схема выполнения ответвлений:

1.Число витков при номинальном напряжении по формуле:

;

2.Число витков на одной ступени для регулирования напряжения:

;

Определим число витков на ответвлениях +5%;+2,5%;0;-2,5%;-5%:

3.Предварительно определим плотность тока, А/мм2:

А/мм2;

4.Сечение витка обмотки предварительно, мм2:

мм2;

5. Выбираем провод по таблице 7.

мм2

6. Полное сечение витка, мм2:

мм2

7. Реальная плотность тока в обмотке ВН, А/мм2:

А/мм2

8. Высота катушки этой обмотки:

см,

9. Число катушек на одном стержне:

;

10. Число витков в катушке:

;

11. Высота обмотки, см:

см:

Где — коэффициент учитывающий усадку обмотки после сушки, см,

12. Радиальный размер обмотки, см:

см;

13. Внутренний диаметр обмотки, см:

см;

где а12=2 по (табл.1).

14. Внешний диаметр обмотки, см:

см;

15. Плотность теплового потока для обмотки с каналами между всеми катушками, Вт/м2:

Вт/м2

Где — коэффициент для медного провода, — коэффициент учитывающий добавочные потери.

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Определение потерь короткого замыкания

1. Средний диаметр обмоток НН и ВН, см:

см;

см;

2. Масса металла для обмоток НН и ВН, кг:

кг;

кг;

где К=84 -коэффициент для медных обмоток.

3. Основные потери в обмотках, НН и ВН, Вт:

Вт;

Вт;

где к=2.4 — коэффициент для медных обмоток.

4. Коэффициент в для расчета потерь в обмотках от потока рассеивания:

;

;

;

5. Коэффициенты учитывающие потери добавочные в обмотках:

К=0.095 для медного провода, n — число проводов в радиальном направлении.

6. Общая длина отводов, см:

см;

см;

7. Масса отводов, кг:

кг;

кг;

где =8900 кг/м3 для меди.

8. Основные потери в отводах, Вт:

Вт;

Вт;

где — коэффициент для медных обмоток.

9. Потери в стенках бака и в других стальных деталях трансформатора, Вт:

Вт, где К=0.4 из (табл. 14)

10. Полные потери короткого замыкания трансформатора, Вт:

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

1. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

%

Для определения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания нужно определить числовой коэффициент:

;

см;

2. Ширина приведенного канала рассеяния, см:

см;

3. Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального:

;

;

Расчетный размер Lx, см:

см;

4. Коэффициент, учитывающий взаимное расположение обмоток:

;

5. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания %:

;

%;

6. Определим напряжение короткого замыкания %:

%

Получение потери не отличаются от заданных более чем на -/+5%, что соответствует норме.

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева при коротком замыкании

1.Действующее значение установившегося тока короткого замыкания в обмотках, А:

А — для обмотки НН;

А — для обмотки ВН;

2. Мгновенное значение тока короткого замыкания, А:

;

А — для обмотки НН;

А — для обмотки ВН;

3. Радиальная сила, действующая на обмотку ВН, Н:

;

4. Осевая сила, Н:

Н,

5. Дополнительная осевая сила, Н:

Н,

по таблице 15.

6.Сжимающая сила, действующая в обмотке НН, Н:

Н

7.Значение сжимающей силы действующей в обмотке ВН, Н:

Н,

8. Сила, действующая на ярмо, Н: .

9.Напряжение сжатия на опорных поверхностях, МПа:

МПа, где n =10 число прокладок по окружности обмотки равное числу реек, а=3.63 см радиальный размер обмотки, b=40 мм, ширина опорной прокладки.

10.Сила, разрывающая обмотку, Н:

Н,

11.Напряжение на разрыв, МПа:

МПа,

12.Температура обмотки, через t секунд после возникновения короткого замыкания, для НН и ВН, оС:

оС,

оС, Где

Полученные результаты допустимы, удовлетворяют условию к250С для медных обмоток.

5.Расчет магнитной системы трансформатора

5.1 Определение размеров магнитной системы Бес прессующей пластины Число ступеней 8

а1с=295 мма1я=295мм b1с=28 мм а2с=270 мма2я=270 мм b2c=37 мм а3с=250мма3я=250 мм b3c=18 мм а4с=230 мма4я=230 мм b4c=13 мм а5с=215 мма5я=215 мм b5c=8 мм а6с=175 мма6я=175 мм b6c=18 мм а7с=135 мм — b7c=12 мм а8с=105 мм — b8c=6 мм Схема сборки магнитной системы:

1. Активное сечение стержня и ярма, см2:

см2,

см2,

где К3 коэффициент заполнения сталью, зависящий от способа изоляции пластин, в данном случае К3=0.97 для жаростойкого покрытия;

ПФС, ПФЯплощади поперечного сечения стержня и ярма (табл.18).

2.Длина стержня трансформатора, см:

см, где =9,5 см — расстояние от обмотки ВН до ярма по табл. 1.

3.Расстояние между осями соседних стержней, см:

см, где =2 см — расстояние между обмотками ВН соседних стержней, принимаем по табл.1.

4.Масса стали угла магнитной системы, кг:

кг;

К3=0.97 — для жаростойкого покрытия;

=7650 кг/м3 — плотность холоднокатаной стали.

5.Масса стали ярм трансформатора, кг:

кг,

6. Масса стали стержней, кг:

7. Полная масса магнитной системы трансформатора, кг:

кг,

5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора

1.Индукции в стержне и ярме, Тл:

Тл,

Тл, Удельные потери, в холоднокатаных текстурованных сталях в зависимости от индукции выберем из (табл. 20), для стали 3404:

;

2.Потери холостого хода, Вт:

где =1.15- применение отжига после резки и закатки пластин;

=8.58 из (табл. 21) .

5.3 Определение тока холостого хода трансформатора

1. Активная составляющая тока холостого хода, %:

%,

2. Намагничивающая мощность стальных участков магнитной системы, ВА:

где Ктд`=1.18 — коэффициент, учитывающий влияние резки рулона стали на пластины и срезания заусенцев;

Ктд2=1.07 -коэффициент, учитывающий форму сечения ярма, способ прессовки стержней и ярма магнитной системы, расшихтовку и зашихтовку верхней части ярма при насадке обмоток.

Kту=27,95 — коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы;

Кттп=1,25 — коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета стержня или ярма;

nкос = 6 -число косых стыков пластин стали ярма и стержней;

qзкос = 3700

Пкос= 0.09 площади зазоров (стыков);

=1.958 ВА/кг, =1.486 ВА/кг.

3. Реактивная составляющая тока холостого хода, %:

%,

4.Полный ток холостого хода, %:

%,

5.Коэффициент полезного действия трансформатора, %:

%,

6. Тепловой расчет трансформатора

6.1 Тепловой расчет обмоток

1. Внутренний перепад температуры, оС:

оС — для обмотки НН

оС — для обмотки ВН

— толщина изоляции провода на одну строну, см;

— теплопроводность изоляции провода, см;

2. Среднее значение внутреннего перепада температуры обмоток, :

— для обмотки НН

— для обмотки ВН

3. Относительная ширина радиальных каналов:

— для обмотки НН

— для обмотки ВН

4. Перепад температуры на поверхности обмоток:

— для обмотки НН

— для обмотки ВН

q — плотность теплового потока.

5.Среднее превышение температуры над средней температурой охлаждающего масла :

— для обмотки НН

— для обмотки ВН

6.2 Тепловой расчет бака трансформатора

1. Длина и ширина бака, см:

см

см, где S1=5см, S2=5см, S3=5см, S4=5см, S5=8.4см — изоляционные расстояния в зависимости от испытательного напряжения ВН по табл. 31;

меньшие размеры прямоугольного провода обмоток.

2. Высота активной части трансформатора, см:

см, где n=5см — толщина прокладки под нижнее ярмо.

3. Глубина бака, см:

см, где =30 см — расстояние от верхнего ярма до крышки бака, принимаем по табл. 32.

4. Среднее превышение температуры масла над воздухом, :

.

5. Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом, :

где м=6 С

6.Полученное значение должно удовлетворять условию:

— выполняется

7.Поверхность излучения для получившихся размеров бака, м2:

8. Необходимая поверхность конвекции, м2:

м2

6.3 Расчёт трубчатого бака

1. Для трубчатого бака принимаем:

1. Длины прямого участка наружного ряда труб:

см,

см,

см,

см,

2. Определим максимальные расстояния по таблице 34:

см,

см,

3. Расстояния между осями труб на стенке бака, начиная с наружного ряда труб, см:

см,

см,

см,

см,

4. Развёрнутая длина трубы в каждом ряду, см:

см,

см,

см,

см,

5. Фактическая поверхность конвекции гладкого бака с учётом его свободной от изоляторов части крышки, м2:

Где поверхность конвекции крышки бака определяется, м2:

6. Необходимая поверхность конвекции труб, м2:

7. Необходимая реальная поверхность труб, м2:

м2,

Где — коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи.

8. Необходимая общая длинна всех труб, м:

м,

9. Число труб в каждом ряду:

10. Шаг труб в ряду, см:

см,

11. Фактическая поверхность труб, м2:

м2,

12. Фактическая поверхность конвекции бака с трубами, м2:

м2,

13. Фактическая поверхность излучения бака с трубами, м2:

6.4 Расчет превышений температуры обмоток и масла в трансформаторе

1. Среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом, :

2. Среднее превышение температуры масла бака над окружающим воздухом, :

3. Превышение температуры масла в верхних слоях над окружающим воздухом:

4.Превышение температуры обмоток и масла над окружающим воздухом для обмоток НН и ВН:

— для обмотки НН

— для обмотки ВН

5.Превышение температуры обмоток и масла над окружающим воздухом не должно превышать согласно ГОСТ 11 677–75 следующие величины т. к 60,233 < 65 и 57,46 < 65 — условие выполнено