Расчет трансформаторов

Техническое задание силовой трансформатор обмотка Тип трансформатора: ТМ-400/6

Мощность трансформатора: 400 кВА Материал обмоток: Алюминий Схема соединения обмоток: Y/Y-0

Напряжения обмоток:

Обмотка ВН:6кВ Обмотка НН: 400 В Потери холостого хода: 1080 Вт Потери короткого замыкания: 5500 Вт Напряжение короткого замыкания: U_к=4.5%

Ток холостого хода: I_хх=2.1%

Введение

Силовые трансформаторы (далее просто трансформаторы), установленные на электростанциях или подстанциях, служат для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое, связи между отдельными элементами (участками) электрической сети, регулирования напряжения и перетоков мощности. Они представляют собой статическое электромагнитное устройство, имеющее две и более индуктивно связанных обмотки. По назначению трансформаторы делятся на повышающие и понижающие, по числу обмоток — на двухобмоточные, трехобмоточные и с расщепленными обмотками. Двухобмоточные трансформаторы имеют обмотки высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН); трехобмоточные — обмотки высшего напряжения, среднего напряжения (СН) и низшего напряжения.

Повышение тарифов на электроэнергию выдвигает требования по снижению потерь в трансформаторах. Основное внимание обращено на внедрение современных конструкций и технологий, направленных на снижение потерь энергии в трансформаторах. Большинство трансформаторов по своей природе наиболее эффективны, когда они работают при 100% нагрузке. Тем не менее, 100% нагрузка является идеальным случаем, а многим трансформаторам приходится работать при более низких нагрузках. С изменением нагрузки трансформатора изменяется его эффективность. Современные конструкции трансформаторов позволяют повысить их эффективность на 30% - 50%, при этом при нагрузке 35% их потери снижены на 30%. Современная конструкция трансформаторов определяется производственными тенденциями, благодаря которым трансформаторы отличаются существенно большей мощностью и экономичностью.

Проектирований трансформатор — это двухобмоточный понижающий трансформатор для питания промышленной или промышленно-осветительной нагрузки изделия общего назначения, используются в целях преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии. Предназначены для работы в электросетях напряжением 6кВ, служат для преобразования напряжения до необходимого уровня потребления.

1. Краткие теоретические сведения силовой трансформатор обмотка Силовой трансформатор является одним из важнейших электрических элементов. Передача электрической энергии на расстояние требует многократного преобразования энергии, поэтому параметры трансформаторов должны быть как можно более с высококачественными параметрами, так как от этого зависит эффект от его использования.

Необходимость распределения энергии между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно больше, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность трансформаторов, установленных в сети, превышает мощность генератора в 8−10 раз. Следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, возрастают.

Уменьшение потерь холостого хода достигается главным образом путем все более широкого применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами — низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке к толчкам и ударам при транспортировке пластин, к ударам, изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова сочетается с существенным изменением конструкции магнитных систем, а также с технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова. В конструкциях применяют косые стыки пластин в углах магнитной системы, стяжку стержней и ярм кольцевыми бандажами. Применение пространственных магнитных систем, навитых из лент холоднокатаной стали, уменьшает расход активной стали, потери и ток ХХ.

Уменьшение потерь короткого замыкания (КЗ) достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы метала в обмотках. Кроме того, это достигается заменой медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16 000 кВ· А.

Одной из важных задач является повышение эффективности использования материальных ресурсов в трансформаторостроении — материалов, топлива и энергии. Эта задача решается в комплексе мероприятий, направленных на уменьшение расхода активных, изоляционных и конструктивных материалов и на уменьшение размеров трансформатора.

Уменьшение расход электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается за счет перехода от плоских к пространственным магнитным системам. Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения, допускается путем допустимого снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологий обработки изоляции и применении новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

В области электромагнитных и электродинамических вопросов проводятся следующие исследования:

по повышению электродинамической стойкости трансформаторов при КЗ;

Ш по снижению шума в трансформаторах;

Ш по нагрузочной способности и перевозбуждению трансформаторов;

Ш методов и средств контроля температуры наиболее нагретых точек силовых трансформаторов;

Ш методов диагностики повреждения трансформаторов условиях эксплуатации;

Ш аппаратуры для контроля внешних воздействий КЗ на трансформаторы в эксплуатации и другие.

1.1 Устройство силового трансформатора Основными частями трансформатора является магнитная система и обмотки. Магнитная система служит для локализации в ней основного магнитного поля.

Обмотка — совокупность витков из проводников, в которой суммируются наведенные в них ЭДС для получения высшего, среднего и низшего напряжений трансформатора. Электротехническая сталь и медь, из которых изготовлены магнитная система и обмотки с отводами, называют активными материалами.

Магнитная система в собранном виде с соединяющими ее деталями и ярмовыми балками образует остов трансформатора.

Отводы служат для соединения обмоток с вводами переключающим устройством, а переключающее устройство — для регулирования напряжения трансформатора. Активную часть воздушного трансформатора иногда закрывают кожухом, который обеспечивает свободный доступ охлаждающего воздуха, защищая одновременно активную часть от попадания посторонних предметов.

Активную часть масляного трансформатора помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом или другим жидким диэлектриком, являющимся основной изолирующей средой и теплоносителем в системе охлаждения.

Бак состоит из дна, стенки, крышки. Бак со съемной крышкой называют баком с верхним разъемом; с разъемом вблизи дна — колокольным; с уплотнениями, исключающими сообщение между внутренним объемом и окружающим атмосферным воздухом, — герметичным.

На стенках бака размещают охладители, приводной механизм, иногда контакторы переключающего устройства, а также термосифонный фильтр, коробки контактных соединений для приборов контроля и сигнализации. Крышку бака используют для установки вводов, расширителя и предохранительной трубы.

Вводы служат для присоединения обмоток трансформатора к сети, расширитель — для компенсации колебаний уровня масла в баке при изменениях нагрузки и температуры окружающей среды. Расширитель всегда размещают выше уровня крышки.

Для защиты масла в расширителе от увлажнения используют воздухоноситель, представляющий собой сосуд, который сообщается с одной стороны атмосферным воздухом, а с другой — с воздухом, заполняющим внутренний объем расширителя.

Для наблюдения за уровнем масла в расширителе применяют маслоуказатели либо со стеклянной трубкой или пластиной, либо стрелочный. В трубопровод расширителя помещают газовое реле, реагирующее на выделение газа при повреждении в активной части трансформатора. Предохранительная труба — защитное устройство, предупреждающее повреждение бака при внезапном повышении внутреннего давления и представляющее собой стальной цилиндр, один конец которого сообщается с баком, а другой закрыт стеклянным диском.

В крышке устанавливают гильзы для датчиков термосигнализаторов, измеряющих температуру верхних слоев масла трансформатора. Термосигнализатор имеет электроконтактное устройство, которое включается при заранее заданной температуре. Контакты термосигнализатора включают сигнальную или иную цепь, предупреждая о недопустимом повышении температуры масла в трансформаторе.

В герметичной конструкции внутренний объем трансформатора не имеет сообщения с окружающей средой. Трансформатор полностью заполнен под вакуумом трансформаторным маслом, расширители не устанавливаются. Температурные изменения объема масла, происходящие в процессе эксплуатации, компенсируется изменением объема за счет подвижности гофрированных стенок баков. Герметичная конструкция позволяет отказаться от профилактических ремонтов в процессе эксплуатации трансформаторов.

Трансформатор состоит из активной части, бака, крышки бака с вводами ВН и НН и выведенным на крышку приводом переключателя. Активная часть жестко соединена с крышкой бака. Магнитопровод трансформатора — витой пространственный, изготовлен из лент электротехнической стали.

Обмотки — многослойные цилиндрические, изготовлены из провода АПБ, вмотанные.

Отводы ВН выполнены медным проводом с усиленной бумажной изоляцией, отводы НН — из алюминиевой шины. Переключатель трансформатора установлен на активной части.

Сварной бак трансформатора состоит из верхней рамы, гофрированной стенки, обечайки, дна с приваренными к нему швеллерами Бак трансформатора имеет треугольную форму. В нижней части баков находятся узел заземления и сливная пробка. В приваренных ко дну бака швеллерах имеются отверстия для крепления трансформатора. На этих же швеллерах установлены переставные транспортные ролики, позволяющие осуществлять продольные или поперечные перемещения трансформатора.

На крышке трансформатора размещены вводы НН и ВН; привод переключателя; узел заземления крышки и активной части; патрубок для заполнения маслом трансформатора; мановакуумметр с краном, коробкой зажимов; серьги для подъема собранного и заполненного маслом трансформатора; пластины с отверстиями для крепления трансформатора на транспортных средствах на время транспортирования изделия.

Мановакуумметр снабжен электроконтактами, которые служат для включения в цепь сигнализации или отключения трансформатора в случае, если внутреннее давление в нем превысит предельно допустимое значение. Контакты мановакуумметра выведены на коробку зажимов.

Пробивной предохранитель, поставляемый по заказу потребителя, предназначен для защиты сети низкого напряжения.

1.2 Классификация трансформаторов Силовые трансформаторы отличаются номинальной мощностью, классом напряжения, условиями и режимами работы, конструктивным исполнением. В зависимости от номинальной мощности и класса напряжения разделяют на несколько групп (с 1-й по 8-ю).

В зависимости от условий работы, характера нагрузки или режима работы силовые трансформаторы разделяются на трансформаторы общего назначения, регулировочные и трансформаторы специального назначения (шахтные, тяговые, пусковые и др.).

Промышленностью выпускаются силовые трансформаторы, предназначенные для работы в районах с умеренным, холодным и тропическим климатом, для установки на открытом воздухе или в помещении.

В зависимости от вида охлаждения различают: сухие, масляные трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком.

1.3 Условные обозначения трансформаторов Условное обозначение различных типов трансформаторов включает в себя:

буквенное обозначение, характеризующее число фаз, вид охлаждения, число обмоток и вид переключателя ответвлений. Кроме вышеуказанных обозначений стандартами и техническими условиями на отдельные виды исполнений трансформаторов, могут предусматриваться дополнительные буквенные обозначения, характеризующие особенности данного типа трансформатора, обозначение номинальной мощности и класса трансформатора, обозначение климатического исполнения и категории размещения.

Буквенное обозначение трансформаторов состоит из следующих по порядку букв. Первая указывает число фаз: 0 — для однофазных трансформаторов; Т — для трехфазных. Следующая одна, две или три буквы указывают условное обозначение вида охлаждения согласно приведенному ниже:

Сухие трансформаторы

Ш Естественное воздушное при открытом исполнении С

Ш Естественное воздушное при защищенном исполнении СЗ Ш Естественное воздушное при герметичном исполнении СГ Ш Воздушное с дутьем СД Масляные трансформаторы

Ш Естественная циркуляция воздуха и маслаМ Ш Принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла МД Ш Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком МЦ Ш Естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком НМЦ Ш Принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла ДЦ Ш Принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла НДЦ Ш Принудительная циркуляция воды и естественная циркуляция масла МВ Ш Принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла Ц Ш Принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла НЦ Ш Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком Ш Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектрикомН Ш Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем и с ненаправленным потоком жидкого диэлектрикаНД

Ш Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем и с направленным потоком жидкого диэлектрика ННД

Буква Т — условное обозначение трехобмоточных трансформаторов; двухобмоточные обозначения не имеют. Буква Н указывает на наличие устройства РПН (регулирование под нагрузкой). Кроме того, для условного обозначения трансформаторов применяют следующие буквы: А — перед условным буквенным обозначением числа фаз для автотрансформаторов; Рпосле условного обозначения числа фаз для трансформаторов с расщепленной обмоткой НН; З — после условного обозначения вида охлаждения для герметичных масляных трансформаторов или с негорючим жидким диэлектриком с защитой при помощи азотной подушки; С или П — в конце условного обозначения для трансформаторов собственных нужд или для линий передачи постоянного тока.

Номинальную мощность и класс напряжения указывают через тире после буквенного обозначения в виде дроби, числитель которой — номинальная мощность в киловольт-амперах, знаменатель — класс напряжения трансформатора в киловольтах. Если автотрансформатор имеет обмотку СН напряжением 110 кВ и выше, то в виде сложной дроби добавляется обозначение класса напряжения обмотки СН.

Исполнения трансформаторов, предназначенных для работы в соответствующих климатических районах, обозначаются следующими буквами: У — для районов с умеренным климатом; ХЛ — для районов с холодным климатом; Т — для районов с тропическим климатом.

1.4 Основные материалы При изготовлении трансформаторов применяют магнитные, проводниковые, электроизоляционные, конструкционные и вспомогательные материалы.

Первые три вида называют электротехническими материалами, которые по отношению к электрическому току, электрическому и магнитному полям обладает по сравнению с другими материалами особыми свойствами и занимают основное место в устройстве электрических аппаратов, машин и различных электроустановок.

Кроме того магнитные и проводниковые материалы принято называть активными, хотя часто в электротехнических устройствах один и тот же материал выполняет функции как активного так и конструкционного материала. Так, стержень ввода, является основной токоведущей его частью, механически скрепляет между собой все его детали.

1.5 Общие вопросы проектирования трансформаторов Проектирование силовых трансформаторов включает в себя широкий круг технических вопросов. Разработка конструкции трансформатора проводится на основе электромагнитного, теплового и механического расчетов, обеспечивающих заданные основные электрические и эксплуатационные параметры. При конструировании должна быть обеспечена необходимая электрическая прочность изоляции, механическая прочность узлов, динамическая и тепловая стойкость обмоток при КЗ. Конструкция изоляции в целом должна обеспечивать его эксплуатационную надежность. При разработке конструкции частей и узлов трансформатора следует стремиться к возможно меньшему расходу материалов и меньшей трудоемкости изготовления, с тем, чтобы снизить стоимость трансформатора до минимума.

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор размеров магнитной системы совместно с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора. Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в виде симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора показана на рисунке1.

Диаметр D₀ окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер Н₀ (высота) его обмоток. Обычно обе обмотки имеют одинаковую высоту. В случае различия в высоте за размер Н0 принимают их среднее арифметическое значение. Третьим основным параметром трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками D₁₂, связывающих диаметр стержня с радиальными размерами обмоток а₁ и а₂ и осевого канала между ними а₁₂. Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например высота стержня Нс и т. д., могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток.

Рисунок 1 — Основные размеры трансформатора Сечение обмоток НН и ВН Расчет обмоток трансформатора начинается с обмотки низкого напряжения. Расчет проводится по алгоритму, которым пользовались в п. 2.3 данной работы. Из данного расчета видно, что основными критериями выбора количества проводников в витке и сечения каждого проводника является величина фазного тока и выбранная плотность тока для данной обмотки. Структурно обмотку НН и ВН (конфигурацию и параметры прямоугольного витка) показаны на рисунке 2 и рисунке 3.

Рисунок 2 — К определению высоты витка Рисунок 3 — К определению радиальных размеров обмотки

Регулирование напряжения Для экономичной и безаварийной работы любого потребителя необходимо, чтобы напряжение, подводимое к нему, было с минимальными отклонениями. Допустимые отклонения нормированы и не должны нарушатся. Так, для электродвигателей напряжение на зажимах не должно отличаться от номинального более чем на — 5% до +10%. При снижении напряжения, например на 10%, уменьшается частота вращения двигателя, возрастают токи в статоре и роторе, потери, нагрев изоляции, что ведет к сокращению срока службы и преждевременному выходу двигателя из строя.

Для осветительных установок нормы ±5% - для жилых помещений и от -2.5% до 5% - для общественных зданий и производственных помещений. При повышении напряжения сверх нормы резко срок службы электроламп, и при снижении — ухудшается освещаемость. Таким образом, колебания напряжения приводят к значительному ущербу, и их надо свести к минимальным.

Однако колебания сети неизбежны вследствие переменных режимов работы потребителей, включения и отключения групп потребителей и других причин. Поэтому для поддержания неизменного уровня напряжения требуется постоянное его регулирование.

Напряжение можно регулировать без отключения нагрузки и с отключением трансформатора от сети. Первый способ называется регулирование под нагрузкой (РПН), а трансформатор в котором оно предусмотрено, трансформатором РПН. Однако РПН требует сложных и дорогих переключающих устройств, поэтому трансформаторы РПН установлены только там, где это дает заметный экономический эффект. В других случаях применяют регулирование без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток от сети. Трансформатор, в котором предусмотрено такое регулирование, называют трансформатором ПБВ.

При ПБВ потребителя на время вообще отключают от сети, что неудобно и особенно там, где нагрузка меняется часто, но вместе с тем конструкция ПБВ проста и относительно дешева.

Наиболее распространено регулирование напряжения ступенчатым изменением числа витков одной из обмоток. Экономичнее выполнять регулирование на той обмотке, напряжение которой меняется особенно часто. Например, у трансформатора, питающего потребителя с переменной нагрузкой, целесообразнее регулировать число витков на обмотке НН, и наоборот, если нагрузка спокойна, а первичное напряжение часто меняется, регулирование выгодно осуществлять в обмотке ВН. Большинство трансформаторов выполняют с регулированием на обмотке ВН, поскольку в обмотке НН большой ток и переключающее устройство получится очень громоздким. Поскольку в обмотке ВН токи гораздо меньше, то переключающее устройство получится относительно небольшим, хотя его приходится изолировать от заземленных частей трансформатора.

Напряжение регулируют чаще изменением основного магнитного поля в магнитопроводе. Так, при постоянном ВН и уменьшении вторичного напряжения следует увеличить магнитной поле, чтобы восстановить номинальной НН. Это достигается уменьшением числа витков в обмотке ВН. Индуктированное напряжение, равное первичному, пропорциональна произведению числа витков 1 и интенсивности магнитного поля В: U1?1· B;

При постоянном напряжении U1 для увеличения индукции надо уменьшить число витков в первичной обмотке, и наоборот, если нагрузка падает, а напряжение U2 растет, следует уменьшить интенсивность поля, т. е. увеличить число витков в первичной обмотке.

Если изменяется первичное напряжение, следует поддержать для сохранения НН магнитное поле неизменным, что достигается соответственным изменением числа витков.

При одновременном изменении U1 и U2 следует отключить такую часть витков, когда скомпенсировалось снижение этих напряжений. Когда регулирование возможно в обмотке НН, основное магнитное поле (U1 неизменно) остается постоянным, а увеличение (или уменьшение) напряжения НН осуществляется включением (или отключением) части последовательно соединенных витков обмотки НН.

Во всех случаях принцип регулирования заключается, а изменении числа витков в обмотке трансформатора определенными ступенями. Обычно в обмотке ВН определяют регулировочную часть и разделяют на ряд ступеней с необходимым числом витков, концы которых выводят с помощью ответвлений. У трансформаторов ПБВ небольшой мощности (до 630 кВ· А) выполняют обычно три — пять ступеней (напряжение регулируют в пределах ±5%), располагая их в середине обмотки. Отключение части витков ухудшает магнитную симметрию и увеличивает опасность от возникающих электродинамических усилий. Поэтому в более мощных трансформаторах стремятся выполнять магнитно-симметричные схемы соединения регулировочных частей.

Добавочные потери Определение добавочных потерь в обмотках сводится к расчету коэффициента увеличения основных электрических потерь обмотки k_д. Этот коэффициент подсчитывается отдельно для каждой обмотки трансформатора. Значение коэффициента зависит от частоты тока, размеров проводников и обмотки, их удельного электрического сопротивления и их расположения по отношению к полю рассеяния трансформатора.

Любая обмотка трансформатора, намотанная из прямоугольного или круглого провода, может быть для расчета коэффициента условно представлена в таком виде, как на рисунке 4. При этом в такой условной обмотке должно быть сохранено число проводников реальной обмотки в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению потока рассеяния. Наличие каналов, параллельных направлению потока рассеяния не влияет на k_д.

Рисунок 4 — К определению добавочных потерь Добавочные потери от вихревых токов, вызванные собственным магнитным полем рассеяния обмоток, неодинаковы для отдельных проводников, различным образом расположенных в обмотке по отношению к полю рассеяния. Наибольшие добавочные потери для двухобмоточных трансформаторов возникают в проводниках, находящихся в зоне наибольших индукций, т. е. в слое проводников, прилегающем к каналу между обмотками. Наименьшие потери возникают в слое, наиболее удаленном от соседней обмотки. Подсчет основных потерь в отводах сводится к определению длины проводников и массы металла в отводах. Этот подсчет может быть точно произведен после окончательного установления конструкции отводов. В процессе расчета может быть произведено приближенное определение массы отводов.

В силовых трансформаторах общего назначения потери в отводах составляют, как правило, не более 5−8% потерь КЗ, а добавочные потери в отводах — не более 5% основных потерь в отводах. Поэтому предварительный расчет дает достаточно точный результат.

Осевые силы Осевая сила F_ос является суммой элементарных осевых сил приложенных к отдельным проводникам обмотки и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине каждой из обмоток. Максимальное значение F_ос достигается в середине высоты обмотки. Осевые силы действуют на межкатушечную и межвитковую изоляции, которые должны быть проверены на сжатие. В цилиндрических обмотках осевые силы могут вызывать сползание крайних витков внешнего слоя, если они укреплены недостаточно прочно. Кроме осевых сил, возникающих при КЗ, в обмотке трансформатора создаются осевые силы прессовки с напряжением на изоляции от 2 до 10 МПа. Эти силы необходимы для того, чтобы сохранялась механическая монолитность обмотки и не образовывались зазоры при прекращении действия сил КЗ.

Равномерное распределение витков по высоте обеих обмоток в трансформаторах встречается редко, например, при многослойных цилиндрических обмотках, когда отключаемые регулировочные витки располагаются по высоте всего наружного слоя обмотки. Во всех остальных случаях регулировочные витки выделяются в особые катушки, чаще всего располагаемые в середине высоты обмотки. Отключение этих катушек приводит к нарушению равномерности распределения витков по высоте обмотки. По силе, действующей на ярмо может быть проверена механическая прочность опорных конструкций. По максимальной сжимающей силе проверяется прочность межкатушечной изоляции. Для определения средней приведенной длины индукционной линии поперечного поля рассеяния пользуются тем, что поперечное поле рассеяния замыкается через стержень и стенку бака и определяется как расстояние от поверхности стержня трансформатора до стенки бака.

Наиболее опасны в механической прочности потеря радиальной устойчивости внутренней обмотки. Потеря радиальной устойчивости имеет место в трансформаторах различных мощностей причем с ростом мощности роль этого факта растет. Для оценки механической прочности обмотки обычно определяют напряжение сжатия во внутренней обмотке НН возникающее под действием радиальной силы и напряжение сжатия в прокладках межкатушечной и опорной изоляции обмоток от наибольшей из осевых сил (рисунок 5).

Рисунок 5 — К определению механических напряжений в обмотках Определение массы магнитопровода Для определения массы стали магнитную систему мысленно делят на части, масса которых легко рассчитывается. Имея ввиду в дальнейшем определение потерь и тока ХХ трансформаторов из холоднокатаной стали, следует делить магнитную систему так, чтобы условия прохождения магнитного потока в пределах каждого из участков были более или менее одинаковыми (рисунок 6). На данном рисунке также схематически показана средняя линия основного магнитного потока. В пределах вертикальных участков поток идет вдоль направления проката листов, что обеспечивает минимальные потери активной и реактивной мощности. В пределах заштрихованных участков (углов) магнитного потока искривляются и не совпадают с направлением проката, что приводит к увеличению потерь в стали и тока холостого хода.

Сечение стержней и ярм (рисунок 7) представляют собой ступенчатые фигуры, симметричные относительно взаимоперпендикулярных осей. Форма сечения ярма повторяет форму сечения стержня, за исключением нескольких крайних пакетов, которые объединяются в один пакет для увеличения опорной поверхности ярмовых балок.

Рисунок 6 — К определению массы стали магнитопровода Рисунок 7 — сечения стержней и ярма

Тепловой расчет трансформатора При правильном выборе электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих масляных каналов внутренние температуры в обмотках и магнитной системе оказываются не выше обычно допускаемых значений. Вследствие этого тепловой расчет обмоток сводится к проверочному определению перепадов температуры внутри и на поверхности для принятой конструкции и размеров обмотки. Определение этих перепадов проводится с учетом конструктивных обмоток различных типов.

Тепловой расчет бака отличается тем, что сама конструкция бака зависит в первую очередь от того теплового потока, который должен быть отведен с поверхности бака в окружающую среду, и лишь во вторую очередь определяется требованиями механической прочности.

2. Расчет основных электрических величин трансформатора Мощность обмоток одного стержня трансформатора:

где S — мощность трансформатора по заданию; c — число активных стержней трансформатора.

Номинальный (линейный) ток обмотки ВН и НН трехфазного трансформатора:

На стороне ВН:

На стороне НН:

где U — номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки; I — ток обмотки одного стержня трёхфазного трансформатора.

Для трехфазного трансформатора фазный ток обмотки одного стержня, для соединения обмоток звездой, фазные напряжения:

ВН:

I_ф.вн=I_вн=33.5А, НН:

I_ф.нн=I_нн=577.35А, ВН:

НН:

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземлёнными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяются электрическая прочность изоляции трансформатора. Испытательное напряжение определяется по таблице 4−1 для каждой обмотки трансформатора по её классу напряжения.

ВН: Uисп=25 кВ, НН: Uисп=5 кВ.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность определить активную составляющую напряжения короткого замыкания:

где Pк — потери короткого замыкания в кВт; S — номинальная мощность в кВА.

Реактивная составляющая при заданном напряжении короткого замыкания:

3. Определение главных размеров трансформатора Основные размеры трансформатора показаны на рисунке 8.

Рисунок 8 — Основные размеры трансформатора.

Расчет основных параметров трансформатора начинается с определения диаметра стержня :

где — ширина приведенного канала рассеяния трансформатора определяется как. Размер — размер канала между обмотками ВН и НН, определяется по таблице (4−5) и равен 9 мм. При определении основных размеров трансформатора :

2.379см где — коэффициент канала рассеяния, зависит от мощности трансформатора, напряжения обмотки ВН и уровня потерь к.з. Рк, находится по таблице (3−3) и выбирается равен 0.7.

вприближенно равен отношению средней длинны витка двух обмоток трансформатора к их высоте и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. В расчете данного трансформатора с таблицы (3−12) принимается равным 1,4; k_p — коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю при определении основных размеров можно приближенно принять 0,95; f — частота сети, в которой будет установлен трансформатор; U_p — реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, определена ранее; B_c — индукция в стержне, выбирается с таблицы (2−4) и равна 1,5 Тл; k_c — коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения круга. Этот коэффициент равен произведению k_c=k_kp*k_з, в свою очередь коэффициенты k_kp и k_з находятся по таблицам (2−6) и (2−2) соответственно, и они имеют значения k_з =0,93, k_kp =0,917.

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне. Сталь выбираем марки 3404 с толщиной одного листа 0,35 мм. На рисунку 9 представлен эскиз магнитной системы.

Рисунок 9 — эскиз магнитной системы Поскольку полученный диаметр не соответствует ни одному значению из нормальной шкалы диаметров, то выбираем нормализованный диаметр, равен 18 см.

После этого рассчитаем коэффициент в_н, соответствующий нормализированному диаметру:

Средний диаметр канала между обмотками :

где — радиальный размер осевых каналов между стержнем и обмоткой НН определяется по таблице (4−4) и равно 0,5 см; - радиальный размер обмотки НН:

где k₁ — коэффициент, который может быть принят равным 1,1 для трансформаторов мощностью 25−630 кВА;

Третий основной размер трансформатора (высота обмотки):

Активное сечение стержня, т. е. чистое сечение стали:

где — сечение ступенчатой фигуры стержня по нормалям.

Электродвижущая сила одного витка:

4. Расчет обмоток трансформатора Расчет обмотки НН:

Число витков на одну фазу обмотки НН:

но так как не может быть дробное число витков, принимаем W₁=31 витков.

После этого следует найти уточненное значение эдс одного витка и действительную индукцию в стержне:

Выберем двухслойную обмотку, для которой количество витков в одном слое:

но поскольку количество витков должно быть целым числом, то выбираем 16 витков.

Ориентировочный осевой размер витка:

Ориентировочное сечение витка:

где j_ср — предварительное значение плотности тока с таблицы (5−7) [1], принимается равно 1,8 А/мм2.

Теперь по полученным данным П₁ и h_в1 выбираем шесть алюминиевых проводов (,) с таблицы (5−2) [1], с бумажной изоляцией.

Полное сечение витка из шести параллельных проводов:

где n_в1 — число параллельных проводов, П₁^" — сеченые одного провода.

На рисунке 10 показан способ намотки провода НН на стержень.

Рисунок 10 — Эскиз намотки провода обмотки НН Осевой размер витка определим исходя из рисунка 3:

Полученная плотность тока:

Осевой размер обмотки:

Радиальный размер двухслойной обмотки:

где — радиальный размер канала выбирается равным 0,6 см из таблицы (9−2).

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Полная охлаждаемая поверхность для двухслойной обмотки НН без охлаждающего канала:

где с — число активных стержней; - коэффициент, который учитывает закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями, при предварительном расчете может быть принят 0,75.

Расчет обмотки ВН Расчет обмотки ВН начинается с определения числа витков, необходимого для получения номинального напряжения. Число витков при номинальном напряжении:

Число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении обмоток ВН в звезду:

где — напряжение на одной ступени регулирования обмотки. Поскольку на трансформаторе будет установлено пяти ступенчатый ПБВ, с шагом 2,5%, то

Верхние ступени:

Номинальное напряжение:

Нижние ступени:

На рисунке 11 представлена схема регулирования напряжения без возбуждения, при этом одна половина мотается правой, а другая левой намоткой.

Рисунок 11 — Регулирования напряжения без возбуждения.

Определяется плотность тока в обмотке ВН предварительно:

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

По сечению выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода. Выбираем алюминиевый провод (АПБ1Ч) с бумажной изоляцией по таблице (5−1). На рисунке 12 показана многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода.

Рисунок 12 — Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода Полное сечение витка:

Плотность тока для такого провода:

Число витков в слое:

Число слоев в обмотке:

Рабочее напряжение двух слоев:

По рабочему напряжению двух слоев по таблице (4−7) выбираем число слоев равно 3 и общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями, с выступами на торцах 1,6 см.

Радиальный размер обмотки с двумя катушками без экрана:

где — минимальная ширина масляного канала между катушками выбирается равна 0,6 см по таблице (9−2).

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Поверхность охлаждения:

где k — коэффициент, учитывающий закрытие части поверхностей обмотки изоляционными деталями и число внутренних и наружных поверхностей. k принимается 0.8, n= 2 для обмоток ВН на рейках с каналом.

5. Определение характеристик к.з.

Расчет потерь в обмотках Потери короткого замыкания Pк в трансформаторе могут быть разделены на следующие составляющие: 1) основные потери в обмотках ВН и НН, вызванные рабочим током обмоток, Pосн1 и Pосн2; 2) добавочные потери в обмотках НН и ВН, т. е. потери от токов, наведенных полем рассеяния в обмотках и создающих неравномерное распределение тока по сечению проводов, Pд1 и Pд2; 3) основные потери в отводах между обмотками и вводами (проходными изоляторами) трансформатора Pотв1 и Pотв2; 4) добавочные потери в отводах, вызванные полем рассеяния отводов, Pотв. д1 и Pотв. д2; 5) потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора, вызванные полем рассеяния обмоток и отводов, Pб.

Основные потери в обмотке НН:

где — масса металла обмотки НН:

Аналогично определяем основные потери в обмотке ВН:

Коэффициент добавочных потерь для алюминиевого прямоугольного провода НН:

где — размер проводника, перпендикулярный направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; - число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; - коэффициент, который в этих формулах может быть посчитан по:

где k_p — коэффициент приведения поля рассеяния при концентрическом расположении обмоток принимается равен 0,95; m — число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния.

Коэффициент добавочных потерь для круглого алюминиевого провода:

где рассчитывается по формуле:

Расчет потерь в отводах и стенках бака трансформатора Длина проводов НН для соединения в звезду:

Масса отводов НН находится:

Основные потери в отводах НН:

Аналогично определяются потери в отводах ВН:

Потери в баке и деталях конструкции до выяснения окончательных размеров бака определяются приблизительно:

где K — коэффициент равен 0,015, определяемый по таблице (7−1).

Суммарные потери КЗ и расчет напряжения КЗ Таким образом, полные потери короткого замыкания:

Отклонение практически посчитанного значения потерь короткого замыкания от заданных в задании потерь равно:

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

где k_р — коэффициент, учитывающий отклонение реального потока рассеяния от идеального параллельного потока, вызванное конечным значением высоты обмоток:

Где — коэффициент, определяющий распределения активных материалов в трансформаторе.

Напряжение короткого замыкания трансформатора:

Отклонение посчитанного значения напряжения короткого замыкания от заданного в задании:

Согласно ГОСТ 11 677–85 допускается отклонение напряжения короткого замыкания от заданного .

Расчет усилий, возникающих при КЗ Действующее значение установившегося тока короткого замыкания:

Максимальное значение тока короткого замыкания:

где k_max — коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания:

На рисунке 13 показано возникновение радиальных сил при К.З.

Рисунок 13 — Возникновения радиальных сил при К.З.

Механическая сила в обмотке:

где — коэффициент, показывающий отношение средней длинны витка к высоте обмотки, равен 1.594.

Сила, разрывающая обмотку:

Напряжение на разрыв в проводе обмотки:

что меньше допустимого значения 15 МПа.

Осевая сила, действующая на обмотки:

где K — коэффициент осевой силы:

Коэффициент k₀₁ определяется по:

Из таблицы (7−4) находим коэффициент :

Поскольку коэффициент k₀₂ равен 0, то:

На рисунке 14 показаны опорные поверхности, воспринимающие осевые силы.

Рисунок 14 — К расчету механических напряжений в обмотке Напряжение сжатия на опорных поверхностях:

что меньше допустимого значения 18−20 МПа.

Температура обмоток через после возникновения короткого замыкания:

где — начальная температура принимается 90C^o.

6. Расчет магнитной системы трансформатора Определение размеров магнитной системы и массы стали Выбираем конструкцию трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатной стали 3404 толщиной 0.35 мм. Из таблицы (8−2) для стержня диаметром 18 см выбираем размеры пакетов. Число ступеней для стержня 6, для ярма 5.

На рисунке 15 показано сечения стержня, а на рисунке 16 ярма.

Полное сечение стержней и ярма из таблицы (8−7) равны:

Активное сечение стержней и ярма:

Длина стержня:

где — расстояния от обмотки до верхнего и нижнего ярм и равное 3 см из таблицы (4−5).

Рисунок 15 — Сечение стержня

Расстояние между осями соседних стержней:

где — расстояние между обмотками ВН соседних стержней равно 1 см из таблицы (4−5).

Рисунок 16 -Сечения ярма Масса стали одного угла для многоступенчатой формы поперечного сечения ярма в плоской магнитной системе:

где — ширина стыкуемых пакетов стержня и ярма; - толщина пакетов стержня; - плотность трансформаторной стали (для холоднокатанной стали 7650 кг/м3).

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

Полная масса двух ярм:

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

Масса стали стержней при многоступенчатой форме сечения ярма:

Полная масса стали плоской магнитной системы:

7. Расчет потерь холостого хода Индукция в стержне:

Индукция в ярме:

Индукция в косых стыках:

Удельные потери для стали 3404 находятся по таблице (8−10) [1]:

Площадь сечения на косом стыке:

Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев, изготовленной из холоднокатаной стали потери холостого хода:

.

где — коэффициент, который для трехфазного трансформатора равен 4; - коэффициент, который для стали 3404 с толщиной листов 0,35 мм равен 8,58 по таблице (8−13) [1]; - коэффициент увеличения потерь, зависящий от формы сечения ярма равен 1; - коэффициент, учитывающий увеличение потерь, связанных с отпрессовкой стержней и ярм при сборке остова принимается равным 1,02; - коэффициент, учитывающий потери от необходимости расшихтовки верхнего ярма перед насадкой обмоток и расшихтовки его после насадки принимается равным 1,02; - коэффициент, учитывающий потери, связанные с закаткой или срезанием заусенцев после резки пластин, и при отсутствии отжига принимается равен 1,07; - коэффициент, учитывающий увеличение потерь после резки пластин при отсутствии отжига, равен 1.

Отклонение посчитанного значения потерь холостого хода от заданного значения в задании:

что ниже допустимой погрешности +7.5%.

Удельные намагничивающие мощности для стали 3404 определяются по таблице (8−17) [1]:

Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев, изготовленной из холоднокатаной стали намагничивающая мощность холостого хода где — коэффициент, учитывающий форму ярма, при числе ступеней в ярме равном или близком к числу ступеней в стержне принимается 1; - коэффициент, учитывающий расшихтовку и зашихтовку верхнего ярма при сборке, при мощности трансформатора до 25 000 кВА принимается 1,02; - коэффициент, учитывающий влияние прессовки стержней и ярм при сборке остова, для мощностей до 630 кВА принимается 1,04; - коэффициент, учитывающий срезку заусенцев, принимается равен 1,1; - коэффициент, учитывающий резку пластин, при отсутствии отжига принимается 1,49; - коэффициент равен 41.7 по таблице (8−20).

Активная составляющая тока холостого хода, вызванная потерями холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Полный ток холостого хода:

Отклонение посчитанного значения тока холостого хода от заданного значения в задании:

Согласно ГОСТ 11 677–85 предел нижнего отклонения тока холостого хода отсутствует, означает, что значения не ограничено.

8. Определение рабочих характеристик трансформатора Для характеристики режима нагрузки трансформатора важное значение имеют зависимости К.П.Д. и вторичного напряжения от нагрузки трансформатора при постоянных коэффициента мощности, частоте и первичном напряжении.

Зависимость К.П.Д. от нагрузки может быть получена с помощью формулы:

где — коэффициент нагрузки, — потери х.х. и потери к.з. соответственно при номинальном первичном напряжении и при номинальном токе, полученные расчетом; - коэффициент мощности нагрузки трансформатора; - номинальная мощность трансформатора по заданию.

Таблица 1 — зависимость КПД от нагрузки.

Рисунок 17 — График КПД от коэффициента нагрузки Зависимость вторичного напряжения трансформатора от Кнг строится по формуле:

Для построения графика примем =0,8, тогда =0,6, поскольку составляющие напряжения короткого замыкания подставляются в процентах, то =100%.

Таблица 2 — зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки

Рисунок 18 — График зависимость вторичного напряжения от коэффициента нагрузки

9. Тепловой расчет трансформатора Тепловой расчет обмоток Внутренний перепад температуры для обмотки НН является перепадом в изоляции одного провода и определяется как элементарный перепад для теплового потока постоянной величины:

где — толщина изоляции провода на одну сторону по равна 0,025 см; - теплопроводность изоляции провода, равна 0,0017 по таблице (9−1) [1]; - плотность теплового потока на поверхности обмотки:

Рисунок 19 — К расчету теплоты выделяющейся в обмотке Полный перепад температуры в обмотках ВН из круглого провода, не имеющей горизонтальных охлаждающих каналов где — радиальный размер катушки; Pпотери, выделяющиеся в 1 см³ общего объема обмотки; - средняя теплопроводность обмотки ВН. Для алюминиевого провода P:

Средняя теплопроводимость обмотки ВН, для случая равномерного распределения витков и междуслойной изоляции по всему объему обмотки:

где — теплопроводность междуслойной изоляции; - средняя условная теплопроводность обмотки определяется по формуле:

Средний перепад температуры составляет 2/3 полного перепада, откуда:

Для цилиндрически обмоток из прямоугольного или круглого провода перепад на поверхности обмотки масляного трансформатора определяется:

где k = 0,285.

Для обмотки НН:

Для обмотки ВН:

Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой масла определяется:

Тепловой расчет бака По номинальной мощности трансформатора в таблице (9−4) [1], выбираем конструкцию гладкий бак с охлаждающими трубами. На рисунке 20 представлен бак с охлаждающими трубами.

Рисунок 20 — Элементы трубчатого бака Минимальная длина бака трехфазного трансформатора определяется по формуле:

— расстояние от обмотки ВН до стенки бака по таблице (4−1)[1], равно 2.5см.

А принимаем равным 110 см.

Минимальная ширина бака трансформатора определяется по формуле:

где — размеры, показанные на рисунке 14. s₁— изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до собственной обмотки, равное 2 см, расстояние отвода ВН к стенки бака s₂=1,2, s₄ — изоляционное расстояние от отвода обмотки НН до стенки бака, равное 2,5 см, определяются из таблицы (4−11). s₃— изоляционное расстояние от неизолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН, равное 1,5 см определяется из таблицы (4−12). d₁— диаметр изолированного отвода обмотки ВН, равен 0,55 см. d₂— размер неизолированного отвода обмотки НН, равен 0,5 см.

принимаем B=45см.

Высота активной части может быть определена по формуле:

где nтолщина подкладки под нижнее ярмо принимается равной 5 см.

Рисунок 21 — - Изоляционные расстояния отводов Общая глубина бака определяется по формуле:

где H_я.к— расстояние от верхнего ярма трансформатора до крышки бака принимается равным 86 см из таблицы (9−5).

Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, должно быть не более значения, посчитанного по формуле:

Перепад температуры между маслом и стенкой бака определяется по формуле:

Необходимо проверить условие:

Поверхность излучения бака для овального сечения в предварительном расчете может быть определена:

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного .

Из таблицы (9−7) выберем необходимые данные для охлаждающих труб и сведем их в таблицу 3.

Таблица 3 — данные охлаждающих труб

Расстояние между осями труб внутреннего ряда:

.

где с, e — минимальные расстояния оси труб от дна и крышки бака, с = 7 см, e = 8 см по таблице (9−8).

Расстояние между осями труб внутреннего ряда:

Развернутая длинна трубы внутреннего ряда равна:

где — прямой участок для внутреннего ряда труб, принимается равным 8 см, по таблице (9 — 8). 1].

Развернутая длина трубы наружного ряда: