Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением

Коэффициент заполнения высоты обмотки медью βзп рассчитывается по формуле

где m — число проводов обмотки в осевом направлении:

Электрические потери в обмотке:

Вт Тепловая нагрузка:

3.4 Расчет параметров короткого замыкания

3.

4.1 Расчет потерь короткого замыкания

Электрические потери РЭ1 и РЭ2 обмоток с учетом добавочных потерь от поля рассеяния определены выше при расчете обмоток.

Потери в отводах обмотки НН:

Вт Потери в отводах обмотки ВН:

Вт где Gотв1, Gотв2 — масса отводов обмоток НН и ВН.

При соединении НН обмотки в «звезду»:

кг При соединении ВН обмотки в «звезду»:

кг где γ - плотность металла обмотки, для медных обмоток

γ = 8960 кг/м3.

Потери в стенках бака на этапе расчета обмоток, когда размеры бака еще не известны, можно определить по приближенной формуле:

где kб =0,025 — коэффициент, определяемый по табл. 6.1 (Уч.пособие С. А. Гераськов).

Полные потери короткого замыкания:

Сравним полученные потери короткого замыкания с заданными Ркзад (табл. 10.2 Уч. пособие С. А. Гераськов):

%

3.

4.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

%

Ширина приведенного канала рассеяния:

где м — диаметр осевого канала между обмотками.

Соотношение основных размеров β:

где м — средняя высота обмоток НН и ВН.

Коэффициент Роговского:

где Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Полное напряжение короткого замыкания:

Сравним полученное напряжение короткого замыкания с заданным uкзад (табл. 10.2 Уч. пособие С. А. Гераськов):

3.

4.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании

Действующее значение, установившегося тока короткого замыкания:

обмотки НН, А обмотки ВН, А Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания обмотки ВН:

А где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Радиальная сила, действующая на наружную обмотку ВН и стремящаяся растянуть её:

Такая же радиальная сила, но направленная в противоположенную сторону, действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать её.

Напряжение на разрыв, действующее в проводниках обмотки ВН:

σр = МПа.

Напряжение на сжатие, действующее в проводниках обмотки НН:

σсж = МПа.

Допускается σ = 0,64 МПа (для меди).

Осевая сила:

Конечная температура обмотки υк, через 4 секунды после возникновения внезапного короткого замыкания:

где J — средняя плотность тока:

υн =90о — начальная температура обмотки.

Время достижения температуры 200 °С:

3.5 Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

3.

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм. Стержни магнитной системы прессуются путем расклинивания их с обмоткой. Размеры пакетов (из табл. 7.1 Уч. пособие С. А. Гераськов, а приведены в табл. 11.1 Уч. пособие С. А.

Гераськов для стержня диаметром 0,16 м без прессующих пластин. Число ступеней в сечении стержня — 6, в сечении ярма — 5.

По табл. 7.2 Уч. пособие С. А. Гераськов:

— площадь ступенчатой фигуры сечения стержня: Пф. с = 184 см² = 0,0184 м²;

— площадь ступенчатой фигуры ярма: Пф. я = 188 см² = 0,0188 м²;

— объём угла магнитной системы: Vу = 2470 см³ = 0,2 470 м³.

Активное сечение стержня:

Пс = kз (Пф.с = 0,96(184 = 176,64 см².

Активное сечение ярма:

Пя = kз (Пф.я = 0,96(188 = 180,5 см².

Объём стали угла магнитной системы:

Vу.ст = kз (Vу = 0,96(2470 = 2371 см³.

Длина стержня:

lc=l2+l0'+l0"=1,341+0,075+0,075=1,491 м

Таблица 11.

1. Уч. пособие С. А. Гераськов.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма

№ пакета Размеры пакетов стержня, мм Размеры пакетов ярма, мм 1 155(20 155(20 2 135(23 135(23 3 120(10 120(10 4 105(7 105(7 5 85(7 — 6 55(7 ;

мм — расстояние от нижнего края обмотки до ярма, мм — расстояние от верхнего края обмотки до ярма, определяются по табл. 4.3, прим.

2 (Уч.пособие С. А. Гераськов).

Для трансформаторов без прессующего кольца l0'= l0″ = lо2=0,75 мм.

Расстояние между осями соседних стержней:

.

3.

5.2 Определение массы стали

Масса стали одного угла:

где γст =7650 кг/м3 — плотность трансформаторной стали.

Масса стали ярм определяется как сумма двух составляющих:

Полная масса ярм :

масса стали стержней:

где масса стали стержней в пределах окна магнитной системы

Масса стали в местах стыка стержня и ярма:

Полная масса стали плоской магнитной системы :

3.

5.3 Определение потерь холостого хода

Для трехфазных шихтованных плоских стержневых магнитных систем (рис. 4.2) потери холостого хода рассчитываются по формуле:

=

Вт где коэффициенты:

kпу = 10,64 (табл. 7.3 Уч. пособие С. А. Гераськов);

kпр = 1,05 для отожженной стали марки 3405;

kпз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;

kпп = 1,03 (табл. 7.5 Уч. пособие С. А. Гераськов);

kпш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;

— удельные потери в стержне рс=1,074 Вт/кг — определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс:

— удельные потери в ярме ря=1,038 Вт/кг — определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в ярме Вя:

— число углов с прямыми стыками nпр = 2; с косыми стыками nк = 4 (по рис. 4.2а Уч. пособие С. А. Гераськов);

— площадь прямого стыка Ппр = Пс = 0,0176 м²;

— площадь косого стыка Пк = Пс = ·0,0176 = 0,025 м²;

— удельные потери в зазоре на прямом стыке рзпр = 615 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;

— удельные потери в зазоре на косом стыке рзк = 320 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 для индукции Тл Сравним полученные потери холостого хода с заданными Р0зад

3.

5.4 Определение тока холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода i0a:

Для определения реактивной составляющей тока холостого хода рассчитаем намагничивающую мощность Q0:

=

ВА, где коэффициенты:

kту = 49,0 для магнитной системы по рис. 4.2а (Уч.пособие С. А. Гераськов);

kтр = 1,18 для отожженной стали марки 3405;

kтз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;

kтп = 1,045 (табл. 7.7 Уч. пособие С. А. Гераськов);

kтш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;

— удельная намагничивающая мощность стержня qс=1,383 ВА/кг определяется по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс = 1,57 Тл;

— удельная намагничивающая мощность ярма qя=1,321 ВА/кг — определяется по табл. 7.6 для индукции в ярме Вя = 1,53 Тл;

— удельная намагничивающая мощность зазора на прямом стыке qзпр = 1,680 ВА/см2 = 16 800 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;

— удельная намагничивающая мощность зазора на косом стыке qзк = 0,25 ВА/см2 = 2300 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции 1,11 Тл.

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Полный ток холостого хода:

что меньше заданного i0зад = 2,4%.

КПД трансформатора определяется по формуле:

3.6 Тепловой расчет трансформатора

Определяем размеры бака и поверхность охлаждения бака и крышки:

— ширина бака:

где аоб = 0,12 м — изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака (табл. 8.1 Уч. пособие С. А. Гераськов);

— длина бака:

— глубина бака:

где hяк = 0,40 м — расстояние от верхнего ярма до крышки бака (табл. 8.1 Уч. пособие С. А. Гераськов);

hяд =0,05м — высота прокладки между нижним ярмом и дном бака.

Используем бак овальной формы. В этом случае площадь боковой поверхности бака:

— площадь крышки бака:

Определяем превышение температуры обмоток над температурой масла:

— для цилиндрической обмотки НН:

— для цилиндрической обмотки ВН:

Определяем допустимое среднее превышение температуры масла над воздухом из условия, чтобы температура наиболее нагретой обмотки превышала температуру воздуха не более, чем допускает ГОСТ:

где Θом — наибольшее из значений Θом1 и Θом2.

Определяем превышение температуры масла в верхних слоях расширителя:

Выбираем унифицированный прямотрубный радиатор (рис. 8.1 Уч. пособие С. А. Гераськов) Определим тепловой поток поверхности бака и радиаторов, при котором превышение температуры масла над воздухом будет ограничено полученной величиной Θмв:

Определим потери, отводимые с поверхности бака:

Потери, которые должны быть отведены с поверхности радиаторов:

Необходимая поверхность радиаторов:

По табл. 8.2 (Уч.пособие С. А. Гераськов) выбираем два радиатора Nр = 2 с характеристиками:

— расстояние между осями патрубков Нор = 710 мм;

— высота радиатора Нр= 905 мм;

— ширина радиатора Lр = 189 мм;

— число рядов труб nряд = 1;

— поверхность охлаждения Пр= 4,46 м²;

— масса радиатора Gр= 55 кг;

— масса масла в радиаторе Gмр= 28 кг.

Уточняем тепловой поток поверхности бака и радиаторов:

Уточняем среднее превышение температуры масла над воздухом:

Определим превышение температуры наиболее нагретой обмотки над воздухом:

3. 7 Расчет массы трансформатора

Определим массу активной части:

где кг — масса провода обмоток НН и ВН.

Масса бака с радиаторами:

где γст = 7850 кг/м3 — плотность стали;

— объем стали бака (δст = 0,003 м — толщина стали бака);

Общая масса масла:

где γм = 900 кг/м3 — плотность масла;

— объем бака;

— объем активной части — объем расширителя;

Масса трансформатора:

Заключение

Высокие темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, энергомашиностроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборостроения, строительства, агропромышленного комплекса и др., комплексной механизации и автоматизации во всех этих отраслях народного хозяйства.

В целом в настоящее время в развитии отечественного трансформаторостроения наблюдаются следующие тенденции:

— улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения стоимости, габаритных размеров трансформаторов, потерь энергии в них;

— увеличение единичной мощности трансформаторов;

— повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, качества трансформаторного масла;

— создание линейных электродвигателей и двигателей возвратно-поступательного движения;

— разработка более технологичных конструкций трансформаторов, приспособленных для массового и серийного производства;

— усовершенствование методов расчета трансформаторов на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования;

В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам заводов и отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов, созданных при всех научно-производственных объединениях электротехнической промышленности.

1. Тихомиров, П. М. Расчет трансформаторов/ П. М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 528 с.

2. Гончарук, А. И. Расчет и конструирование трансформаторов — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 257 с.

3. Васютинский, С. Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов.

Л.: Энергия, 1970.

4. Дымков, А. М. Расчет и конструирование трансформаторов.

М.: Высшая школа, 1971.

5. Сапожников, А. В. Конструирование трансформаторов — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

6. Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.

Тихомиров, П. М. Расчет трансформаторов/ П. М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 528 с.

Тихомиров, П. М. Расчет трансформаторов/ П. М. Тихомиров. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 528 с.

Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита, 2005 г.

Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.

Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением: Учебное пособие / С. А. Гераськов. — Чита: Чит

ГУ, 2005