Расчет масляного трансформатора типа ТМ-250/10

1. Расчет основных электрических величин

1.1 Определение основных параметров

1.1.1 Мощность одной фазы и одного стержня трансформатора

1.1.2 Номинальный (линейный) ток обмоток

Низкого напряжения (НН)

Высокого напряжения (ВН)

Фазный ток обмотки одного стержня

Низкого напряжения (НН) Iф нн=77 А.

Высокого напряжения (ВН) Iф вн = 6,6 А.

Фазное напряжение

Низкого напряжения (НН)

Высокого напряжения (ВН)

Испытательное напряжение (таблица 4.1): для обмоток НН U_{ИСП НH}=18 кB; для обмоток ВН U_{ИСП ВН} =85 кB.

Для испытательного напряжения обмоток ВН изоляционные расстояния (таблица 4.5):

Для испытательного напряжения обмоток НН изоляционные расстояния (таблица 4.4):

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

Обмотка НН при напряжении 3 кВ и токе 77 А двухслойная цилиндрическая из прямоугольного провода.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая короткого замыкания

2. Расчет основных значений трансформатора

2.1 Выбор схемы конструкции и изготовления магнитной системы

Для разрабатываемого трансформатора согласно указаниям § 2.1 выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему. Стержни и ярма собираем в переплет из плоских пластин как единую цельную конструкцию. Используем шихтовку пластин с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне.

Рисунок 1.1 — Шихтовка магнитной системы

2.2 Выбор марки, толщины листов стали, типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе

Стержни магнитной системы прессуются без применения специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН. Материал магнитной системы холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Магнитная индукция в стержне трансформатора В=1,55 Тл (таблица 2.4). В сечении стержня 6 ступеней.

2.3 Предварительный выбор конструкции обмоток

Расположение обмоток на стержне трансформатора концентрическое. По форме обмотки выполняются в виде круговых цилиндров, в поперечном сечении имеющих форму кольца.

2.4 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений конструкции обмоток основных размеров с учетом заданных значений

Суммарный приведенный радиальный размер обмоток.

где k=0,62 (табл. 3.3).

Ширина приведенного канала рассеяния

Расчет основных коэффициентов

Коэффициент заполнения круга k_Kp=0,913 (таблица 2.5); изоляция пластин — нагревостойкое изоляционное покрытие, k₃=0,97 (таблица 2.2).

Коэффициент заполнения сталью

.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма k_я=1,025 (таблица 2.8). Индукция в ярме. Число зазоров в магнитной системе: на косом стыке — четыре, на прямом — три. Индукция в зазоре на прямом стыке В"₃=В_С=1,55 Тл, на косом стыке В'₃=В_С/=1,096 Тл

По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках k_d=0,95 и по таблицам 3.4, 3.5 постоянные коэффициенты для медных обмоток

а=1,36•1,06=1,44 мм;

b=0,44•1,25=0,55 мм.

Принимаем k_p=0,95 (стр. 162). Удельные потери в стали р_с=1,207 Вт/кг, р_я=1,134 Вт/кг (таблица 8.10). Удельная намагничивающая мощность q_c=1,575 В А/кг, q_я=1,408 ВА/кг. Удельная намагничивающая мощность для зазоров на прямых стыках qз"=20 700 ВА/м, на косых стыках qз'=1000 ВА/м

Минимальная стоимость активной части трансформатора

x=0,967

Решение этого уравнения дает значение, соответствующее минимальной стоимости активной части.

Предельные значения по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям:

Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла магнитной системы

Активное сечение стержня

Площадь зазора на прямом стыке:

Площадь зазора на косом стыке: .

Для магнитной системы потери холостого хода

k_п.д.=1,12 (табл. 8.14)

k_п.у.=10,18 (табл. 8.13)

Полная намагничивающая мощность

Таблица 1.1 — Предварительный расчет трансформатора типа ТМ-250/10 с плоской шихтованной магнитной системой и медными обмотками

Рисунок 1.2 — Изменение массы стали стержней, ярм, магнитной системы и металла обмоток

Рисунок 1.3 — Изменение относительной стоимости активной части

Рисунок 1.4- Изменение потерь

Рисунок 1.5- Изменение тока холостого хода

2.5 Определение диаметра стержня и высоты обмотки

Для выбранного значения d и рассчитаем некоторые данные: =0,9; x=0,974;

Диаметр стержня

Принимаем d = 0,16 м

Средний диаметр обмоток

Высота обмоток

Активное сечение стержня

Высота стержня

Расстояние между осями стержней

3. Расчет обмоток ВН и НН

3.1 Расчет обмотки НН

Число витков на одну фазу обмотки

Принимаем = 40 витков

Уточняем напряжение одного витка

Средняя плотность тока в обмотках

Ориентировочное сечение витка

По таблице 5.8 выбираем конструкцию цилиндрической двухслойной обмотки из прямоугольного провода.

По сечению витка по таблице 5.2 выбираем 7 параллельных проводов ПБ сечением. Берем по таблице =32,9 мм

Выбираем двухслойную обмотку для намотки на ребро

Полное сечение витка

Полученная плотность тока

Осевой размер витка

Осевой размер обмотки

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки

Наружный диаметр обмотки

Двухслойная обмотка с каналом между слоями шириной не более (45) мм имеет 4 охлаждаемые поверхности

Основные потери в обмотке

Вт

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Условие выполняется < (8 001 000) (стр. 229)

Масса металла обмотки

По табл. 5.5 G₀₁=1,066•44,01=46,9 кг

3.2 Расчет обмотки ВН

Число витков при номинальном напряжении

Принимаем =1000 витков

Число витков на одной ступени регулирования

Предварительная плотность тока

Предварительное сечение витка

По таблице 5.8 выбираем цилиндрическую многослойную обмотку из круглого провода.

По таблице 5.1 подбираем провод сечением П₂«=8,81 мм², диаметрами

d=3,35 мм, d'=3,75 мм

Полное сечение витка

Плотность тока

Число витков в слое

Число слоев в обмотке

Принимаем = 5

Рабочее напряжение двух слоев (6.40)

По рабочему напряжению двух слоев (таблица 4.7) выбираем междуслойную изоляцию, материалом которой является кабельная бумага толщиной и лакоткань. Число слоев бумаги-4. Выступ межслойной изоляции на торцах в одну сторону — 16 мм.

Обмотку делим на две катушки, в первой катушке два слоя, во второй — три.

Радиальный размер обмотки, состоящей из двух катушек без экрана

Внутренний диаметр обмотки

Наружный диаметр обмотки

Полная охлаждающая поверхность

Средний диаметр обмотки

Основные потери в обмотке

Вт

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Условие выполняется.

Масса металла обмотки

По табл. 5.4 G₀₂=1,05•65,2 = 68,5, кг

4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Потери короткого замыкания

4.1.1 Основные потери

Добавочные потери в обмотке НН

Добавочные потери в обмотке ВН

Длина отводов

Масса отводов НН

где =2700 кг/м³ — плотность алюминия

Потери в отводах НН

Масса отводов ВН

Потери в стенках бака и других элементах конструкции где k=0,015 (таблица 7.1).

Полные потери при коротком замыкании

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая U_K3

Реактивная составляющая U_K3

Напряжение КЗ

Установившийся ток КЗ на обмотке ВН

где S_K=500 (таблица 7.2).

Мгновенное максимальное значение тока КЗ (таблица 7.3)

4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

Радиальная сила

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН

<15 МПа Верно

Средние растягивающие напряжения в обмотке ВН

< 15 МПа Верно

Осевые силы в обмотках

Максимальные сжимающие силы в обмотках

Осевые силы действуют на обе обмотки. Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток ВН.

Напряжения сжатия на обмотке НН

4.4 Температура обмоток через 5 с. После возникновения КЗ

Что ниже 200

5. Расчет магнитной системы

5.1 Расчет размеров магнитной системы и массы стали

Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной, текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы прессуются расклиниванием с обмоткой. Размеры пакетов выбраны по таблице 8.3 для стержня диаметром 0,18 м без прессующей пластины.

Таблица 5.1

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня, ярма (табл. 8.6)

Объем угла магнитной системы (табл. 8.7)

Активное сечение стержня

Активное сечение ярма

Длина стержня магнитной системы

Расстояние между осями соседних стержней

где — расстояние между обмотками соседних стержней (таблица 4.5).

Масса стали угла магнитной системы

Масса стали ярм

Полная масса стали стержня

Полная масса стали плоской магнитной системы

6. Расчет параметров холостого хода

6.1 Расчет потерь холостого хода

Магнитная индукция в стержнях плоской шихтованной магнитной системы

Магнитная индукция в ярмах плоской шихтованной магнитной системы

Индукция на косом стыке

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

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков (таблица 8.10):

На основании § 8.2 и таблицы 8.12 принимаем коэффициенты:

Потери холостого хода

6.2 Расчет тока холостого хода

По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности:

На основании § 8.3 и таблицам 8.12 и 8.21 принимаем коэффициенты:

Намагничивающая мощность холостого хода

Ток холостого хода

Активная составляющая тока XX

Реактивная составляющая тока XX

.

7. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

7.1 Поверочный расчет обмоток

Внутренний перепад температуры обмоток НН

где =0,17 — теплопроводность бумажной, пропитанной маслом, изоляции провода (табл. 9.1).

Внутренний перепад температуры обмоток ВН

Перепад температуры на поверхности обмотки НН

Перепад температуры на поверхности обмотки ВН

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

Обмотки НН

Обмотки ВН

7.2 Расчет системы охлаждения

Определение габаритных размеров трансформатора.

По таблице 9.4 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака со стенками в виде волн.

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН.

Изоляционные расстояния (по табл. 4.11, 4.12)

S₁=90 мм

S₂=40 мм

S₃⁼25 мм

S₄⁼20 мм

d₁=20 мм

d₂=20 мм

Минимальная ширина бака

Принимаем В=0,6 м

Принимаем А=1,280, м Высота активной части Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака по таблице 9.5

Глубина бака

7.3 Допустимое превышение температуры обмоток и масла над температурой воздуха

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН Найденное среднее превышение может быть допущено, т.к. превышение температуры масла в этом случае будет:

Среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха Принимая предварительный перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака и запас 2 °C, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха Основные размеры стенок бака Бак со стенками в виде волн выполняется с боковой стенкой, выполненной из тонколистовой стали толщиной (0,81) мм, выгнутой в виде волн Поверхность излучения стенки Развернутая длина волны Число волн Поверхность конвекции стенки Полная поверхность излучения бака Полная поверхность конвекции бака

7.4 Окончательный расчет превышений температуры обмоток и масла

Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха (9.49)

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака (9.50)

Превышение средней температуры над температурой воздуха Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха:

трансформатор магнитный масляный обмотка

1. Тихомиров Т. М. Расчет трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов. — 5-е изд., перераб. И доп. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 528 с.