Расчёт масляного трансформатора типа ТМ250/35

Аннотация Проведен расчет масляного трансформатора типа ТМ250/35.

Рассмотрены особенности проектирования масляного трансформатора с обмотками из алюминиевого провода, плоской трёхстержневой магнитной системой и типом регулирования напряжения ПБВ.

Выполнены сборочный чертёж магнитопровода и чертежи обмоток высокого и низкого напряжения.

Содержание Введение

1. Расчёт основных параметров

1.1 Определение основных параметров

1.2 Расчёт основных размеров трансформатора

1.3 Предварительный расчет трансформатора и выбор основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

1.4 Определение диаметра стержня и высоты обмотки

2. Расчёт обмотки ВН и НН

2.1 Расчёт обмотки НН

2.2 Расчёт обмотки ВН

3. Определение параметров КЗ

3.1 Потери короткого замыкания

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания

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

4. Расчёт магнитной системы и определение параметров холостого хода

4.1 Расчёт размеров магнитной систем

4.2 Потери ХХ

4.3 Ток ХХ

5. Тепловой расчёт трансформатора

5.1 Поверочный тепловой расчёт обмотки

5.2 Расчёт системы охлаждения

5.3 Допустимое превышение температуры обмоток и масла над температурой воздуха

5.4 Превышение температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха Литература Приложения

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две и более индуктивно связанные обмотки и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электроэнергии на большие расстояния от места ее производства до места ее потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличения числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов.

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанций единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 kBm потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы вкладываются в наиболее отдаленные части сети, то есть в трансформаторы 35 kB и 10 kB.

В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии оплачиваемых по дорогой цене.

К высшей категории относятся трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне лучших мировых достижений или превосходят их. В качестве основных критериев для отнесения трансформаторов к той или иной категории служат: значения потерь XX и КЗ, тока XX, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности и другие показат

1. Расчет основных размеров трансформатора

1.1 Определение основных параметров трансформатора

1.1.1 Мощность одной фазы и одного стержня трансформатора

1.1.2 Номинальный (линейный) ток обмоток Низкого напряжения (НН)

.

Высокого напряжения (ВН)

1.1.3 Фазный ток обмотки одного стержня Низкого напряжения (НН) Iф нн=4,12 А.

Высокого напряжения (ВН) Iф вн = 360,84 А

1.1.4 Фазное напряжение Низкого напряжения (НН) Высокого напряжения (ВН)

1.1.5 Испытательное напряжение (таблица 4.1): для обмоток НН U_ИСПНH=5 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 4,12 А цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Обмотка НН при напряжении 0,4 кВ и токе 360,84 А двухслойная цилиндрическая из прямоугольного провода.

1.1.6 Активная составляющая напряжения короткого замыкания

1.1.7 Реактивная составляющая короткого замыкания

1.2 Расчет основных размеров трансформатора

1.2.1 Выбор схемы конструкции и изготовления магнитной системы Для разрабатываемого трансформатора согласно указаниям § 2.3. 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

1.2.2 Выбор марки, толщины листов стали, типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе Прессовка стержней путем скрепления бандажами из стеклоленты. Материал магнитной системы холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Магнитная индукция в стержне трансформатора В= 1,62 Тл (таблица 2.4). В сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга kкр=0,913 (таблица 2.5); изоляция пластиннагревостойкое изоляционное покрытие kз=0,97 (таблица 2.3).

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

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

1.3.1 Суммарный приведенный радиальный размер обмоток где k=0,61 (табл. 3.3).

1.3.2 Ширина приведенного канала рассеяния

1.3.3 Расчет основных коэффициентов Коэффициент заполнения круга k_Kp=0,913 (таблица 2.5); изоляцияпластин — нагревостойкое изоляционное покрытие, k₃=0,97 (таблица 2.3).Коэффициент заполнения сталью Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма k_я=l, 03 (таблица 2.8). Индукция в ярме. Число зазоров в магнитной системе: на косом стыкечетыре, на прямом — три. Индукция в зазоре на прямом стыке В" ₃=В_С=1,62 Тл, на косом стыке В'₃=В_С/=1,146 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 алюминиевых обмоток а=1,06*1,4=1,484,

b=1,25*0,33=0,412.

Принимаем k_p=0,95 (стр. 162). Удельные потери в стали р_с=1,353 Вт/кг, р_я=1,242 Вт/кг (таблица 8.10)

Удельная намагничивающая мощность q_c= 1,958 В А/кг, q_я=1,66 ВА/кг. Удельная намагничивающая мощность для зазоров на прямых стыках qз" =25 100 ВА/м, на косых стыках qз'=3200 ВА/м По (3.30), (3.36), (3.43), (3.44), (3.52) и (3.65) находим коэффициенты:

1.3.4 Минимальная стоимость активной части трансформатора

x=1,3 125

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

1.3.5 Предельные значения по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

1.3.6 Масса одного угла магнитной системы

1.3.7 Активное сечение стержня

1.3.8 Площадь зазора на прямом стыке:

Площадь зазора на косом стыке: .

1.3.9 Для магнитной системы потери холостого хода

1.3.10 Полная намагничивающая мощность

=1,2 (стр. 396) — для плоской трехфазной шихтованной магнитной системы; =1,06;

Дальнейший расчет приведен в табл.1.1.

Таблица 1.1

Предварительный расчет трансформатора типа ТМ-250/35 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками

Продолжение таблицы 1.1

Рисунок 1.2 Изменение массы стали стержней, ярм, магнитной системы и металла обмоток для трансформатора типа ТМ-250/35 с алюминиевыми обмотками Рисунок 1.3 Изменение относительной стоимости активной части с изменением для трансформатора типа ТМ-250/35 с алюминиевыми обмотками Рисунок 1.4 Изменение потерь с изменением для трансформатора типа ТМ-250/35 с алюминиевыми обмотками Рисунок 1.5 Изменение тока холостого хода с изменением для трансформатора типа ТМ-250/35 с алюминиевыми обмотками

1.4 Определение диаметра стержня и высоты обмотки (§ 3.5)

=1 =1,191 =2

d=0,15 м Определение оптимального значения и диаметра стержня d:

Таблица 1.2

Предельные значения

Выбираем нормализованный диаметр стержня d=0,15 м при=1,191.

Для выбранного значения d и рассчитаем некоторые данные: =1,191; x=1,045;

1.4.1 Диаметр стержня

1.4.2 Средний диаметр обмоток

1.4.3 Высота обмоток

1.4.4 Активное сечение стержня

1.4.5 Высота стержня

1.4.6 Напряжение одного витка

1.4.7 Расстояние между осями стержней Масса стали G_cm=458,98 кг; масса металла обмоток Go=101,3 кг; масса провода G_np=114,77 кг; плотность тока j=1,645 10⁶ А/м²; механические напряжения в обмотках _р= 2,87 МПа; С_ач= 669,6 у.е.; Р_х=774,75 Вт; i₀=1,675%.

2. Расчет обмоток ВН и НН

2.1 Расчет обмотки НН (§ 6.1)

2.1.1 Число витков на одну фазу обмотки

2.1.2 Уточняем напряжение одного витка

2.1.3 Действительная индукция в стержне

2.1.4 Средняя плотность тока в обмотках

2.1.5 Ориентировочное сечение витка По таблице 5.8 выбираю конструкцию цилиндрической двухслойной обмотки из прямоугольного провода.

По сечению витка по таблице 5.2 выбираем 5 параллельных проводов АПБ сечением. Берем =44,1 мм Выбираем двухслойную обмотку для намотки на ребро Полное сечение витка

.

2.1.6 Полученная плотность тока

.

2.1.7 Осевой размер витка

.

2.1.8 Осевой размер обмотки

.

2.1.9 Радиальный размер обмотки

.

2.1.10 Внутренний диаметр обмотки

.

2.1.11 Наружный диаметр обмотки

.

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

.

где K_з=0,75 (стр.269)

2.1.13 Плотность теплового потока на поверхности обмотки Условие выполняется < (600 800) (стр. 229)

2.1.14 Масса металла обмотки

2.1.15 Масса провода (табл.5.5)

2.1.16 Масса провода обмотки НН

.

2.2 Расчет обмотки ВН (по § 6.3)

2.2.1 Число витков при номинальном напряжении

2.2.2 Число витков на одной ступени регулирования

2.2.3 Предварительная плотность тока

где j_ср=1,645-средняя плотность тока (табл.5.7)2.2.4. Предварительное сечение витка По таблице 5.8 выбираем цилиндрическую многослойную обмотку из круглого провода. По таблице 5.1 подбираем провод сечением П₂" =2,545 мм², диаметрами d=1,8 мм, d'=2,2 мм

2.2.5 Полное сечение витка

2.2.6 Плотность тока

2.2.7 Число витков в слое

2.2.8 Число слоев в обмотке

2.2.9. Рабочее напряжение двух слоев (6.40)

.

По рабочему напряжению двух слоев (таблица 4.7) выбираем междуслойную изоляцию, материалом которой является кабельная бумага марки К-120 толщиной. Число слоев бумаги — 5. Выступ межслойной изоляции на торцах в одну сторону — 16 мм.

Обмотку каждого стержня выполняем виде двух катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки равна выбираем 5 слоев.

2.2.10 Минимальная ширина масляного канала между катушками (табл. 9.2)

2.2.11 Радиальный размер обмотки с двумя катушками без экрана (6.42)

где

Так как, то под внутренним слоем обмотки устанавливается металлический экран толщиной .

2.2.12 Радиальный размер обмотки с двумя катушками с экраном (6.42)

.

Для рабочего напряжения 35 кВ увеличивается на 3 мм за счет экрана и двух слоев междуслойной изоляции

2.2.13 Внутренний диаметр обмотки

.

2.2.14 Наружный диаметр обмотки

.

2.2.15 Полная охлаждающая поверхность

где с=3-число стержней, n=1.5, k=0.83 (по рис. 5.22 д).

2.2.16 Средний диаметр обмотки

2.2.17 Плотность теплового потока на поверхности обмотки Условие выполняется

2.2.18 Масса металла обмотки

2.2.19 Масса провода (табл. 5.5)

2.2.20 Масса провода обмотки ВН трансформатор трехстержневой алюминиевый обмотка

3. Расчет параметров короткого замыкания

3.1 Потери короткого замыкания (по § 7.1).

3.1.1 Основные потери В силовых трансформаторах не должно превышать (0,75−0,95) .

Условие выполняется

2364<3700(0,750,95)=(27 753 515)Вт.

3.1.2 Средняя плотность тока в обмотках Для того чтобы отклонения не привели к существенному изменению рекомендуется чтобы.

Условие выполняется, так как составляет1,15%, что меньше

3.1.3 Добавочные потери в обмотке НН

3.1.4 Добавочные потери в обмотке ВН

3.1.5 Длина отводов

3.1.6 Масса отводов НН где =2 700 кг/м³ — плотность алюминия

.

3.1.7 Потери в отводах НН

3.1.8 Масса отводов ВН

.

3.1.9 Потери в отводах ВН

.

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

3.1.11 Полные потери при коротком замыкании

3.1.12 Для номинального напряжения обмотки ВН

3.2 Расчет напряжения короткого замыкания

3.2.1 Активная составляющая U_K3

3.2.2 Реактивная составляющая U_K3

3.2.3 Напряжение КЗ

3.2.4 Установившийся ток КЗ на обмотке ВН где S_K=2500 МВ*А (таблица 7.2).

3.2.5 Мгновенное максимальное значение тока КЗ (таблица 7.3)

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

3.3.1 Радиальная сила

3.3.2 Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН

3.3.3 Средние растягивающие напряжения в обмотке ВН

3.3.4 Осевые силы в обмотках Осевые силы действуют на обе обмотки. Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток НН, имеющий меньший радиальный размер

3.3.5 Напряжения сжатия на межвитковых прокладках

3.3.6 Температура обмоток через 5 с. после возникновения КЗ (§ 7.3)

.

4. Расчет магнитной системы и определение параметров ХХ (§ 8.1)

4.1 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 скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по таблице 8.3 для стержня диаметром 0,15 м без прессующей пластины.

Таблица 4.1

4.1.1 Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня, ярма (табл8.6)

4.1.2 Объем угла магнитной системы

4.1.3 Активное сечение стержня

4.1.4 Активное сечение ярма

4.1.5 Объем стали угла магнитной системы

4.1.6 Длина стержня магнитной системы

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

4.1.8 Масса стали угла магнитной системы

4.1.9 Масса стали ярма

4.1.10 Полная масса стали стержня

4.1.11 Полная масса стали плоской магнитной системы

4.2 Расчет потерь холостого хода

4.2.1 Магнитная индукция в стержнях плоской шихтованной магнитной системы

4.2.2 Магнитная индукция в ярмах плоской шихтованной магнитной системы

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

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

На основании § 8.2 и таблицы 8.12 принимаем коэффициенты:

4.2.5 Потери холостого хода

4.3 Расчет тока XX

4.3.1 По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности На основании § 8.3 и таблицам 8.12 и 8.21 принимаем коэффициенты:

4.3.2 Намагничивающая мощность холостого хода Ток холостого хода

4.3.3 Активная составляющая тока XX

4.3.4 Реактивная составляющая тока XX

4.3.5 КПД трансформатора

5. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

5.1 Поверочный расчет обмоток

5.1.1 Внутренний перепад температуры обмоток НН где =0,17 — теплопроводность бумажной, пропитанной маслом, изоляции провода (табл. 9.1).

5.1.2 Внутренний перепад температуры обмоток ВН

5.1.3 Перепад температуры на поверхности обмотки НН

5.1.4 Перепад температуры на поверхности обмотки ВН

5.1.5 Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

Обмотки НН Обмотки ВН

5.2 Расчет системы охлаждения

5.2.1 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.

5.2.2 Изоляционные расстояния

S1=40 мм — для отвода U_исп=85 Kb, расстояние до стенки бака по таблице 4.11;

S2=42 мм — для отвода U_мсп=85 Kb, расстояние до прессующей балки ярма по таблице 4.11;

S3⁼25 мм — для отвода U_ucn=5 Kb, без покрытия, расстояние до стенки бака по таблице 4.11;

S4⁼90 мм — для отвода U_ucn= до 25 Kb, для обмотки U_ucn=85 Kb, отвод без покрытия по таблице 4.12.

5.2.3 Минимальная ширина бака Принимаем В=0,6 м

5.2.4 Минимальная длина бака принимаем А=1,2 м.

5.2.5 Высота активной части Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака по таблице 9.5

5.2.6 Глубина бака

5.3 Допустимое превышение температуры обмоток и масла над температурой воздуха

5.3.1 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:

5.3.2 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

5.3.3 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

5.3.4 Поверхность излучения стенки

5.3.5 Развернутая длина волны

5.3.6 Число волн

5.3.7 Поверхность конвекции стенки

5.3.8 Полная поверхность излучения бака

5.3.9Полная поверхность конвекции бака

5.4 Окончательный расчет превышений температуры обмоток и масла

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

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

5.4.3 Превышение средней температуры над температурой воздуха

5.4.4 Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

5.4.5 Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха: НН ВН Превышение температуры масла в верхних слоях и обмоток лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11 677–85

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

2. СТО УГАТУ

3. ГОСТ 11 677–85