Расчет трансформатора

Задание для расчета трансформатора

магнитный трансформатор электрический обмотка В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721−62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины — 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800−1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы — для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели — для регулирования напряжения трансформатора, баки — для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы — для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.

1. Предварительный расчет трансформатора

1.1 Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Расчет проводим для трехфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Мощность одной фазы и одного стержня:

(1) КВА Фазные напряжения и токи на стороне ВН:

(2)

(3)

В

А Фазные напряжения и токи на стороне НН:

(4)

(5)

В

А Активная u_{к. а}, и реактивная u_{к. р} составляющие напряжения короткого замыкания, в процентах:

(6)

(7)

%

%

Главная изоляция обмоток определяется, в основном, электрической прочностью при частоте 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями, которые зависят от напряжения обмоток и должны быть определены по Таблице 1, где для обмотки НН — U_испНН, для обмотки ВН — U_испВН.

Таблица 1.

кВ; кВ; кВ; кВ.

Конструкция главной изоляции обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.

Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляют жесткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами (₁₂) или мягкими цилиндрами из электроизоляционного картона, намотанными при сборке трансформатора. Размер выступа цилиндра за высоту обмотки (l_ц1 и l_ц2) обеспечивает отсутствие разряда по поверхности цилиндра между обмотками или с обмотки на стержень. Изоляцию обмоток от ярма (_ш) при испытательном напряжении 85 кВ усиливают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанавливают междуфазную перегородку (₂₂) из электроизоляционного картона.

Минимальные изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма (l₀₁, l₀₂, а₀₁, l_ц1, l_ц2, _ш, а_ц1), между обмотками (а₁₂, а₂₂), а также главные размеры изоляционных деталей (₀₁, ₁₂, ₂₂) с учетом конструктивных требований и производственных допусков в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 585 кВ определяют для обмотки НН по Таблице 2 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ Табл. 4.4 с. 183), а для обмотки ВН — по Таблице 3 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ Табл. 4.5 с. 184).

Н_к представляет собой размер прессующего кольца, склеенного из древесно-слоистого материала (Н_к = 60 и 80 мм при мощностях до 25 000 и 40 000−80 000 кВА соответственно).

Таблица 2.

Соответственно: ₀₁ = 4 мм; а_ц1 = 6 мм; а₀₁ = 15 мм; l_ц1 = 18; l₀₁ = 50 мм.

Таблица 3.

Соответственно: l₀₂=50 мм; а₁₂=20 мм; ₁₂ =4 мм; l_ц2 = 20; а₂₂=18 мм.

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность. Диаметр этой окружности d называют диаметром стержня трансформатора; он является одним из основных размеров трансформатора. Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечением пакетов пластин. При этом пакетом называют стопу пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называют активным сечением стержня П_с или ярма П_я. На данном этапе расчета, когда размеры пакетов стержня еще не установлены, используют коэффициент заполнения сталью K_с, равный отношению активного сечения стержня П_с к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов:

(8)

Где коэффициент заполнения K_з зависит, в основном, от толщины пластин стали, вида изоляции пластин. Для современных трансформаторов обычно применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405 с толщиной листов 0,35 и 0,3 мм. Для заданной стали с жаростойким покрытием и однократной лакировкой при толщине листов 0,3 мм — K_з = 0,955.

Коэффициент заполнения площади круга K_кр и число ступеней в сечении стержня, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга n_с, зависят от мощности трансформатора S_н, диаметра стержня d, способа крепления пластин, способа охлаждения трансформатора, и на данном этапе расчета могут быть определены по заданной расчетной мощности для масляного трансформатора по Таблице 4.

Таблица 4.

Соответственно K_кр = 0,9.

Наиболее рациональной и применяемой в данном расчете является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным сечению стержня. Поэтому коэффициент усиления ярма K_я, в данном случае может быть принят равным 1.

1.2 Определение основных размеров трансформатора

Основные размеры магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяют главные размеры активной части и всего трансформатора.

В данном проекте двухобмоточный трехфазный трансформатор выполним с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток из медного или алюминиевого провода в виде круговых цилиндров. Магнитная система такого трансформатора с обмотками схематически изображена на рисунке 2.

Рисунок 2.

Основными размерами трансформатора являются: диаметр окружности d, в которую вписано ступенчатое сечение стержня 3; осевой размер l (высота) обмоток; средний диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками d₁₂, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток a_р1 и a_р2 и осевого канала между ними a₁₂.

Средний диаметр витка обмоток НН и ВН, м:

d₁₂ = a*d (9)

где a — коэффициент, принимаемый по Таблице 5 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 3.4 с. 123), d принимается по Таблице 4.

Таблица 5

Соответственно, а = 1,38; d = 0,24 м.

d₁₂ = 1,38*0,24=0,45 м Активное сечение стержня (чистое сечение стали) по 3.73 [1]:

П_с = K_сП_{ф. с}, (10)

где П_{ф. с} — площадь сечения стержня (выбирается в зависимости от диаметра стержня d по Таблице 6 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 8.7 с. 365).

Таблица 6.

Так как магнитная система была выбрана с прессующей пластиной соответственно П_{ф. с} = 407,9 .

П_с = 0,859*407,9= 350,59

Напряжение одного витка обмотки (предварительно), В:

(11)

где — максимальное значение индукции в стержне, Тл (принято предварительно по приведенным рекомендациям 1,3 Тл.);

В Число витков в обмотке НН (предварительно):

(12)

округляя: =40.

Уточненное напряжение одного витка, В:

(13)

В Уточненное значение индукции, Тл:

(14)

Тл Средняя плотность тока, для медных обмоток:

(15)

где K_д — коэффициент, учитывающий добавочные потери, принимается по Таблице 7 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 3.6 с. 131);

Таблица 7.

Соответственно K_д = 0,93.

Что соответствует максимально допустимым значениям средней плотности тока по Таблице 8:

Таблица 8

2. Расчёт обмоток

2.1 Расчёт обмотки низкого напряжения

По Таблице 9 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 5.8 с. 258) тип обмотки низкого напряжения — винтовая.

Таблица 9

Предварительное сечения витка обмотки, :

(16)

Выбираем конструкцию винтовой одноходовой обмотки из прямоугольного провода. В витке — 4 провода. Тогда ориентировочная площадь провода:

Ппр`1=

По Таблице 10 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 5.2 с. 212) выберем провод.

Таблица 10

Соответственно выбран провод ПБ. Площадь провода: Ппр1=75,1. Следовательно площадь витка обмотки

75,1 * 4 = 300,4

Фактическая плотность тока в обмотке, А/мм²:

(17)

А/мм²

Размер радиального канала предварительно h_К1 = 15 мм. Определим высоту витка обмотки учитывая всевозможную изоляцию, :

hв1=(a1 + 0,5)*4 + 1 + 1, (18)

где а1 = 4,75 толщина провода без изоляции.

hв1=(4,75 + 0,5)*4 + 1 + 1 = 23

Для того чтобы избежать выполнения транспозиций, выполним обмотку таким образом как на рисунке 3:

Рисунок 3

Определим высоту обмотки, м:

L = (hв1 + h_К1)**(W1 — 1) (19)

L = (23 + 15)* *(40 — 1) = 1,482 м Проверим по плотности теплового потока. Его найдём ориентировочно из рисунка 4 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ рис. 5. 34 с. 262)

Рисунок 4

Соответственно q`= 1400. Определим максимальную ширину провода, м:

(20)

м.

Выбранный провод имеет параметры: а1 = 4,75 мм (толщина); а́1 = 5,25 (толщина с изоляцией); b1 = 16 мм (ширина); b`1 = 16,5 мм (ширина с изоляцией). Так как b1<, условие выполнено. Радиальный размер обмотки, мм:

а``1 = b + 1 + 1 + 0,5 + 0,5 (21)

а``1 = 16 + 1 + 1 + 0,5 + 0,5 = 19 мм Определим внутренний диаметр обмотки, м:

D`1 = d + 2 * a01* (22)

D`1 = 0,24 + 2*15*=0,54 м Определим наружный диаметр обмотки, м:

D''₁ = D'₁ + 2 * а``1* (23)

D''₁ = 0,54 + 2*19* =0,578 м Средний диаметр обмотки, м:

D1cp= (D`1 + D''₁)/2 (24)

D1cp = (0,54 + 0,578)/2 = 0,559 м Плотность теплового потока на поверхности обмотки по Вт/:

(25)

где для винтовой одноходовой =1 (число витков в катушке), =1,05, =0,75.

Вт/.

q`1

Масса металла обмотки, кг:

G₁ = 28*10³*c*D_СР*W₁ * П₁ * (26)

G₁ = 28*10³*3*0,559*40*300,4*=564,223 кг Масса провода, кг:

G1_ПР = G₁ *(1 +), (27)

Где — ориентировочное увеличение массы прямоугольного медного провода в% за счет изоляции для марки ПБ из Таблицы 11.

Таблица 11

Соответственно = 2.

G1_ПР = 564,223 *(1 +) = 592,434 кг.

2.1 Расчёт обмотки высокого напряжения

Выбираем схему регулирования по Рисунку 5 с выводом концов всех трех фаз обмотки к одному трехфазному переключателю.

Рисунок 5

Соответственно выбирается регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ). предусмотрено выполнение в этой обмотке четырех ответвлений на +5%; +2,5%; -2,5%; -5% номинального напряжения помимо основного зажима (вывода) с номинальным напряжением. Переключение ответвлений обмоток производят вручную специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с выведенными рукоятками управления, расположенными на крышке бака. Пример конструкции такого трехфазного переключателя показан на рисунке 6.

Рисунок 6

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:

(28)

Число витков на одной ступени регулирования:

(29)

где) — напряжения на одной ступени регулирования, для ПБВ) = 2,5%

Число витков на ответвлениях:

где K_2р = 2 — число ступеней регулирования вниз и столько же вверх от номинального.

Ориентировочная плотность тока, А/мм²:

. (30)

J`2 = 2*2,775 — 2,774 = 2,776 А/мм²Ориентировочное сечение витка, мм²:

(31)

По таблице 9 обмотка непрерывно катушечная. По таблице 10.1 выберем провод. Выбранный провод имеет параметры: а1 = 2,12 мм (толщина); а́1 = 2,75 (толщина с изоляцией); b1 = 16 мм (ширина); b`1 = 16,5 мм (ширина с изоляцией). ПБ. 33,6. Фактическое сечение витка П2 = 33,6 мм².

Фактическая плотность тока, А/мм²:

(32)

Число катушек с полным числом каналов на одном стержне ориентировочно:

(33)

= 5 мм — ширина радиального масляного канала между катушками.

; окончательно .

(34)

Wкат2 =

Таблица 10.1

Окончательно Wкат2 = 6.

Т.к. W2p>Wкат2 делаем 8 регулировачных (Р) катушек по 4,5 витка на одной ступени регулирования. Тогда общее количество витков в катушках Р:

2K_2рW_2р= 2*2*9 = 36.

Т.к. W2p>Wкат2 делаем 8 Р катушек по 4.5 витка на одной ступени (регул =

8) регулирования. Далее следует определить количество витков и катушек основной части обмотки:

Основ = - регул (35)

Основ = 68 — 8 =60

Wоснов = W2н — 2K_2рW_2р (36)

Wоснов = 364 — 36 = 328

Далее определяем количество катушек Б и В:

КатушекВ = Wоснов — Основ*(Wкат2 — 1) (37)

КатушекБ = Основ — КатушекВ (38)

КатушекВ = 328 — 60*(328 — 1) = 28

КатушекБ = 60 — 28 = 32

Количество витков в каждой катушке Б и В:

WкатБВ2 = (39)

WкатБВ2 = = 5,467

Количество Витов всего в катушках Б и В:

WB = WкатБВ2* КатушекВ (40)

WБ = WкатБВ2* КатушекБ (41)

WB= 5,467*28 = 154

WБ = 5,467*32 = 175

Радиальные размеры катушек, м:

ар2Р = а́2*4,5*0,001 (42)

ар2Б = ар2 В = ар2ВБ =а́2*WкатБВ2 *0,001 (43)

ар2Р = = ар2ВБ 2,62*4,5*0,001 = 0,012 м ар2Б = ар2 В = ар2ВБ ар2 В =а́2*5,467*0,001 = 0,014 м Определим коэффициентЫ добавочных потерь:

(44)

(45)

(46)

Где кр = 0,95 коэффициент Роговского (коэффициент приведения поля рассеяния).

(47)

(48)

(49)

Условие выролнено. Внутренний диаметр обмотки, м:

(50)

D`2 = (0,578 + 2*20)*0,001 = 0,608 м Наружные диаметры обмоток:

D``2P = D`2 + 2 * ар2Р (51)

D``2Б = D``2 В = D``2ВБ = D`2 + 2* ар2БВ (52)

D``2P = 0, 608 + 2 * 0,012 = 0,632 м

D``2ВБ = 0, 608 + 2* 0,014 = 0,637 м Средние диаметры обмоток, м:

D2cpP = (53)

D2cpБВ = (54)

D2cpP = м

D2cpБВ = м Масса меди каждого типа обмотки:

G2мР = 28 *1000 * с * D2cpP * регул*П2* (55)

G2мВ = 28 *1000 * с * D2cpБВ * КатушеВ*П2* (56)

G2мБ = 28 *1000 * с * D2cpБВ * КатушеБ*П2* (57)

G2мР = 28 *1000 * 3 * 0,62 * 8*33,6*= 13,995 кг

G2мВ = 28 *1000 * 3 * 0,622 * 154*33,6*= 268,866 кг

G2мБ = 28 *1000 * 3 * 0,622 * 175*33,6*= 307,275 кг Масса металла обмотки, кг:

G₂ = G_2Р + G_2В + G_2Б. (58)

G2 = 13,995 + 268,866 + 307,275 = 590,136 кг Масса провода обмотки высшего напряжения, кг:

(59)

Где Кпр2 = 2 по таблице 11.

Gпр2 = 590,136*(1 +) = 601,939 кг.

Данные катушек обмотки ВН трансформатора.

Таблица 12

Обмотка ВН (непрерывная).

Рисунок 5.

3. Расчет параметров короткого замыкания

К расчетным параметрам короткого замыкания относят: потери короткого замыкания, напряжение короткого замыкания, действующее значение установившегося тока короткого замыкания, механические силы, действующие на обмотки, и температуру обмоток при коротком замыкании. В данном проекте предлагается определить только потери и напряжение короткого замыкания.

Потери короткого замыкания Р_к в трансформаторе разделяют на следующие составляющие: основные потери в обмотках НН и ВН, вызванные рабочим (номинальным) током обмоток, Р_осн1, Р_осн2; добавочные потери в обмотках НН и ВН, т. е. потери от вихревых токов, наведенных полем рассеяния в обмотках, учитываемые через коэффициент добавочных потерь K_доб; основные потери в отводах между обмотками и вводами трансформатора Р_отв1, Р_отв2; потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора, вызванные полем рассеяния обмоток и отводов, Р_б.

Основные потери в обмотках НН, Вт:

для медного провода

; (60)

Росн1 = 2,4* 2,774* 564,238 = 10 420 Вт Основные потери в обмотках ВН при номинальном числе витков, Вт:

для медного провода:

(61)

Росн2 = 2,4* 2.727*(268.866 + 307.275 + 13.995/2) = 10 410 Вт Сечение отвода следует принять равным сечению витка обмотки, т. е. П_отв П_обм, м².

4. Тепловой расчет

4.1 Тепловой расчет обмоток

В металле обмоток и стали магнитной системы во время работы трансформатора возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. Вследствие выделения тепла обмотки и магнитная система трансформатора начинают нагреваться, постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой — трансформаторным маслом или воздухом — и вследствие этого теплоотдача от активных материалов к окружающей среде. Таким образом, часть тепла, выделяющегося в активных материалах, идет на их нагревание, и вторая часть отводится в окружающую среду. В масляных трансформаторах вслед за активными материалами нагреваются масло и металлический бак, и устанавливается температурный перепад между внешней поверхностью бака и воздухом, окружающим трансформатор. По мере роста температуры накопление тепла постепенно уменьшается, а теплоотдача увеличивается, в конечном итоге при длительном сохранении режима нагрузки повышение температуры прекращается, и все выделяющееся тепло отдается в окружающую среду.

Тепловой поток проходит сложный путь, который для масляного трансформатора может быть разбит на следующие участки: от внутренних точек обмотки или магнитной системы до их наружных поверхностей, омываемых маслом; от наружной поверхности обмотки или магнитной системы в омывающее их масло; перенос тепла маслом от обмоток и магнитной системы к внутренней поверхности стенок бака; переход тепла от масла к внутренней поверхности стенок бака; переход тепла от наружной поверхности стенок бака в окружающую среду.

Необходимо определить плотность теплового потока на поверхности обмотки для винтовой (рассчитано ранее) и непрерывной катушечной обмотки q, Вт/м².

q1 = 975,486 Вт/м²

Для катушечной, Вт/м²:

где кз2 (коэффициент закрытия поверхности):

кз2 = 1 ;

где Np = 6 ориентировочное число радиаторов, bпр = 0,05 м ширина прокладок.

кз2 = 1 ;

Вт/м²

q2 < 1400Вт/м² следовательно условие выполнено.

Внутренний перепад температуры для катушки из провода прямоугольного сечения, являющийся перепадом в изоляции одного провода, °С:

где дп = 0,25 — толщина изоляции провода на одну сторону, м; _из — теплопроводность изоляции провода, _из = 0,17 Вт/(мС).

°С

°С Перепады температуры на поверхности обмоток НН и ВН,°С:

где K₁ — коэффициент, учитывающий скорость движения масла внутри обмотки (для естественного масляного охлаждения K₁ = 1,0); K₂ коэффициент, учитывающий ухудшения конвекции масла в каналах внутренних обмоток (для обмоток ВН K₂ = 1,0; для обмоток НН K₂ = 1,1; - коэффициент, учитывающий влияние на конвекцию масла относительной ширины (высоты) горизонтальных масляных каналов, принимается по таблице 16.

Таблица 16

Соответтвенно = 0,8

18,589°С

13,421°С Среднее превышение температуры обмоток над температурой масла:

_{о. м. ср} = ₀ + _{о. м}.

_{о. м. ср1} = 1,366+ 18,589=19,955°С

_{о. м. ср2} = 0,93+ 13,421=14,351°С

4.2Тепловой расчет бака

Типы и конструкции баков силовых масляных трансформаторов (типами и конструкцией баков силовых масляных трансформаторов по таблице17 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 9.4 стр. 429)

Таблица17

Выбираем бак с навесными радиаторами и гнутми трубами.

Согласно Рисунку 7а необходимо определить следующие минимальные расстояния и размеры:

S₁ — изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН (внешней) до собственной обмотки и равное ему расстояние этого отвода S₂ до стенки бака по таблице (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 4.11. с. 199);

Рисунок 7

Таблица18

Соответственно S1 = S2 = 20 мм. d₁ — диаметр изолированного отвода обмотки ВН (при классах напряжения 10 и 35 кВ d₁ = 20 мм при мощностях до 10 000 кВА).d₂ — диаметр изолированного отвода от обмотки НН, равный d₁, или размер неизолированного отвода НН (шины), равный 1015 мм. d2 = 15 мм. S₃ — изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН, определяемое по таблице 19 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл. 4.12. с. 200)

Таблица 19

Соответственно S3 = 10 мм. S₄ = 10 ммизоляционное расстояние от отвода обмотки НН до стенки бака, определяемое по таблице 18. Изоляционные расстояния S₁, S₂, S₃, S₄ выбирают по соответствующим указанным выше таблицам при толщине изоляции 2 мм на одну сторону.

Минимальная ширина бака, м:

Bmin = 0,635 + 20 + 20 + 20 + 15 + 10 + 10)*0,001=0,73 м.

Примем Bmin = 1 м Минимальная длина бака, м:

S₅ = S₃ + d₂ + S₄.

S5 = 10 + 15 + 10=35 мм

Amin = 2*0,63 + 0,635 + 2*35*0,001=1,965 м. Принимаем Amin = 2 м.

Высота активной части (магнитной системы) трансформатора, м:

H_{а. ч} = l_с + 2h_я + h_пр10-³,

где h_пр — толщина прокладки под нижнее ярмо (h_пр = 50 мм), hя = 0,4 м.

На.ч. = 1,532 + 2*0,4 + 0,05 = 1,982

Общая глубина бака, м:

H_б = H_{а. ч} + H_{я. к},

где H_{я. к} — расстояние от верхнего ярма трансформатора до крышки бака (при U_ВН = 635 кВ следует принять H_{я. кmin} = 400 м).

Нб = 1,982 + 0,4 = 2,382 м Периметр бака овальной формы, м:

Р_б = 2 (А — В) + В.

Рб = 2*(2 — 1) + 3,14*1=5,142

Поверхность гладкого бака, м²:

П_гл = Р_бH_б.

Пгл = 5,142* 2,382 = 12,24 м²

Поверхность крышки бака овальной формы, м²:

Пкр = (2 — 1)*1 + = 1,785 м²

Поверхность излучения бака, представляющая собой полную развернутую суммарную поверхность его гладкой части, труб, волн, радиаторов, м²:

П_и = П_глK,

где K — коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и приближенно равный: 1,5 — для бака с навесными радиаторами.

Пи = 12,24*1,5= 18,371 м²

Длительно допустимое среднее превышение температуры обмоток над воздухом при номинальной нагрузке следует принять равным 65 °C. Тогда среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над температурой окружающего воздуха должно быть не более,°С:

_{м. в} = 65 — _{о. м. ср},

где _{о. м. ср} — наибольшее из двух значений, рассчитанных для обмоток НН и ВН,°С.

_{м. в} = 65 — 19,955 = 45,045°С Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха,°С:

_{м. в. в} = _{ом. в} 55 °C, где _о — коэффициент, определяющий отношение максимального и среднего превышений температуры масла (следует принять для трубчатых баков и баков с радиаторами _о = 1,2).

_{м. в. в} = 1,2*45,045 = 54,054,°С Соответственно условие выполняется.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха, °С:

_{б. в} = _{м. в} — 5 °C.

_б.в. = 45,045 — 5 = 40,045,°С

Ориентировочное значение поверхности конвекции бака, м²:

где Р = Р_кн + Р_х — суммарные расчетные потери трансформатора, Вт.

П`к = м²

Для увеличения поверхности конвекции (охлаждения) применяют бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами по рисунку8 (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ рис. 9.17 с. 443)

Рисунок 8

Тип радиатора выбирают по размеру А_р радиатора, который представляет собой расстояние между осями патрубков, служащих для присоединения радиатора к стенке бака. При подборе размеров радиаторов следует учитывать, что минимальное расстояние от дна или крышки бака до горизонтальной оси ближайшего патрубка радиаторов должно быть не меньше 0,17 м и, следовательно, размер А_р радиатора должен удовлетворять условию:

А_р H_б — 0,34, м.

H_б — 0,34 = 2,382 — 0,34 = 2,042.

Примем Ар = 1,88 м. При размещении радиаторов на баке следует оставлять минимальные промежутки между трубами соседних радиаторов при параллельном расположении коллекторов: 160 мм — для двойных радиаторов; 100 мм — для одинарных.

Полная поверхность конвекции бака с радиаторами, м²:

П_к = П_глK_{ф. гл} + П_крK_{ф. кр} + N_рП_{к. тр}K_{ф. тр} + N_рП_{к. к}K_{ф. к},

где П_{к. тр} = 11,45 по таблице (Тихомиров П.М." Расчёт трансформаторов. Учебное пособие для вузов, 1986″ табл 9.10 с. 444)) — поверхность конвекции труб радиаторов, м²;

П_{к. к} = 0,72 — поверхность конвекции коллекторов радиаторов, м²;

N_р — количество радиаторов выбрано в следствии расчёта с учётом его сходимости;

K_{ф. гл} — коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи конвекцией гладкой стенки бака (K_{ф. гл} = 1,0 — для трансформаторов без дутья);

K_{ф. кр} — коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности крышки бака изоляторами вводов ВН и НН и арматурой (K_{ф. кр} = 0,5);

K_{ф. тр} — коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи конвекцией труб навесных радиаторов (для трансформаторов без дутья с гнутыми трубами K_{ф. тр} = 1,4);

K_{ф. к} — коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи конвекцией поверхностью коллекторов навесных радиаторов (K_{ф. к} = 1,6 — для трансформаторов с дутьем).

Пк = 12,247*1 + 1,785*0,5 + 6*11,45*1,4 + 6*0,72*1,6 = 113,64 м²

Таблица 20

4.3 Окончательный расчет превышения температуры обмоток и масла трансформатора

Среднее действительное превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха, °С:

где K = 1,05.

°С Среднее превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки бака,°С:

где K₁ — коэффициент, равный 1,0 при естественном масляном охлаждении.

°С Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха,°С:

_{м. в} = _о(_{б. в} + _{м. б}) 55 °C Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха рассчитывается для обмоток ВН и НН отдельно, °С:

_{о. в} = _{о. м. ср} + _{м. б} + _{б. в} 65°

Для ВН: °С Для НН: °С

4.4 Определение массы масла и трансформатора

Объем бака, м³:

= 4,253 м³

Объем активной части, м³:

где _{а. ч} — средняя плотность активной части (_{а. ч} = 5500 кг/м³ для трансформаторов с медными);

G_пр — масса провода трансформатора, кг, равная сумме масс проводов обмоток НН и ВН (G_пр1, G_пр2) и масс проводов отводов обмоток НН и ВН (G_отв1, G_отв2), т. е.

G_пр = G_пр1 + G_пр2 + G_отв1 + G_отв2.

G_пр = 592,45 + 601,939 + 0,752 + 6,264 = 1201

м³

Объем масла в баке, м³:

V_{м. б} = V_б — V_{а. ч}.

Vмб = 4,253 — 0,733 = 3,52 кг Масса масла в баке, кг:

G_{м. б} = 900V_{м. б}.

G_{м. б} = 900* 3,52 = 3168 кг Масса масла в радиаторах, кг:

G_{м. р} = N_рG_м,

где G_м — масса масла в одном радиаторе, принимают по таблице

Gмр = 46*6 = 276 кг Общая масса масла, кг:

G_{м. о} = G_{м. б} + G_{м. р}.

Gмо = 3168 + 276 = 3444 кг Масса бака трансформатора, кг:

G_б = 7850 (П_гл + 2П_кр),

где = 10-³ м — толщина стенки бака.

G_б = 7850 (12,247+ 2*1,785)*0,001 = 124,172 кг Масса радиаторов, кг:

G_р = N_рG_{ст. р},

где G_{ст. р}= 53,94 масса стали одного радиатора, принимают по таблице

G_р = 6*53,94 = 323,64 кг Масса трансформатора, кг:

G_т = G_ст + G_пр + G_{м. о} + G_б + G_р.

G_т = 2158 + 1201 + 3444 + 124 172 + 32 364 = 7251 кг

1. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. М.: «Энергоатомиздат», 1986.

2. А. М. Дымков. Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов. «Высшая школа», 1971.

3. В. Е. Китаев. Трансформаторы. «Высшая школа», 1967.

4. А. В. Сапожников. Конструирование трансформаторов. Госэнергоиздат, 1956.

5. М. М. Кацман. Электрические машины и трансформаторы. «Высшая школа», 1971.

6. М. П. Костенко и Л. М. Пиотровский. Электрические машины. «Энергия», 1964.

7. А. М. Голунов. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. «Энергия», 1964.

8. В. В. Порудоминский. Трансформаторы с переключением под нагрузкой. «Энергия», 1965.

9. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов для дуговых электрических печей. Госэнергоиздат, 1959.

10. Е. А. Каганович. Испытание трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кв включительно. «Энергия», 1969.

11. В. П. Шуйский. Расчет электрических машин. «Энергия», 1968.