Трехфазный трансформатор стержневого типа

Введение

Для того, чтобы иметь представление, что такое трансформатор, дадим определение этому устройству: трансформатором — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенных для превращения с помощью электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Силовой трансформатор является одним из важных элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Особенно важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использования прогрессивной технологии их производства, сохранение материалов и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Сохранения материалов и снижения потерь важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется часть материалов и возникает значительная часть потерь энергии всего трансформаторного парка. КПД трансформаторов очень велик и для большинства из них составляет 98 — 99%, но необходимость многократного трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов общей мощностью, в несколько раз превышающих мощность генераторов, приводит к большим потерям во всем парке трансформаторов.

Большой опыт выпуска трансформаторов с алюминиевыми обмотками, в пределах мощностей от 10 до 16 000 кВА, показал, что эти трансформаторы обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же параметры холостого хода и короткого замыкания при одинаковой стоимости всего трансформатора, то есть равноценными с «медными» трансформаторами в техническом и экономическом отношении.

Важной задачей является совершенствование методов расчета трансформаторов. В условиях проектных организаций и трансформаторных заводов расчет силовых трансформаторов выполняется с использованием ЭВМ. Разработанные математические модели и стандартные программы, которые рассчитывают отдельные параметры — потерь напряжения короткого замыкания, потерь тока холостого хода, оптимальных размеров сечения стержня, тепловой расчет отдельных частей системы охлаждения трансформатора, его тепловой постоянной времени и др.

1. Расчет основных электрических величин Расчет проводим для трехфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Расчет мощности одной фазы на одном стержне, :

(1.1)

(1.2)

где m = 3 количество фаз, c = 3 количество активных стержней.

.

Номинальные (линейные) токи на сторонах ВН и НН:

(1.3)

где S_Н — мощность трансформатора, ;

— номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

НН I₁ = A;

ВН I₂ = A.

Фазный ток обмоток ВН и НН (схема соединения — звезда) равны линейным токам. Фазное напряжение обмоток ВН и НН (схема соединения — звезда) равны:

; (1.4)

НН U_Ф1 = В ВН U_Ф2= В.

Преждевременное значение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания, %:

; (1.5)

(1.6)

где: P_к — потери короткого замыкания, кВт;

S_н — полная мощность трансформатора, .

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выполняю эскиз активной части трансформатора Рисунок 2.1 — Основные размеры трансформатора Для нахождения испытательного напряжения обмоток промышленной частоты (50 Гц) (по табл. 1.1[1]) определяю значения: ВН U_ИСП = 25 кВ; НН U_ИСП = 5 кВ.

Для испытательного напряжения обмотки ВН U_ИСП = 25 кВ по табл. 4.5 находим изоляционные расстояния (см. рис. 2.1): a'₁₂ = 0.027 мм; l'₀ = 30 мм; a'₂₂ = 10 мм; для U_ИСП = 5 кВ по табл. 4.4[2] находим a'₀₁ = 5 мм.

2.2 Определение исходных данных расчета Суммарный ориентировочный приведенный радиальный размер обмоток ВН и НН, м:

? · 10^-2, (2.1)

где к — коэффициент, найденный в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь короткого замыкания найдено по табл. 2.3[1].

? · 10^-2 = · 10^-2 = 0.023 м Приведенный канал рассеяния:

a_p= a₁₂ +, (2.2)

где — размер канала между обмотками ВН и НН по табл.2.2.

a_p= 0.027 + 0.023 = 0.05 м

2.2 Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга

(2.3)

где — коэффициент отношения площади активного сечения стержня (чистой стали) до площади ступенчатой?? фигуры поперечного сечения стержня, табл.2.4[1];

— коэффициент отношения площади ступенчатой?? фигуры поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром d, табл. 2.5[1].

Рисунок 2.2 — Главная изоляция обмоток ВН и НН

2.3 Предварительная величина индукции в стержнях масляных трансформаторов

Рекомендуемые значения коэффициента В_с, связывающего среднюю длину окружности канала рассеяния между обмотками трансформатора и высоту обмотки, выбираются по табл. 2.7 [1, табл.2.7]. Для алюминия при заданной мощности трансформатора рекомендуется в = 1,2 — 1,6.

Принимаем в = 1,4.

Для мощности 400 кВ· А В_с лежит в пределах 1,55−1,65 Тл, поэтому предварительно выбираем В_с = 1,55 Тл.

2.4 Диаметр стержня трансформатора:

(2.4)

где — коэффициент приведения совершенного поля рассеяния к реальному поля (коэффициент Роговского); принимается равным 0,95.

м.

Выбираем стандартный стержень, учитывая, что для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит определенные нормализованные диаметры [1, c.18].

После выбора ближайшего диаметра стержня определяем значение соответствующее нормализованному диаметру

(2.5)

Радиальный предварительный размер обмотки НН, м:

(2.6)

где — коэффициент, определяемый по табл. 2.8. 1].

м.

Средний предварительный диаметр канала между обмотками, м:

(2.7)

м Высота обмотки трансформатора, м:

. (2.8)

м Активное сечение стали стержня, м²:

_. (2.9)

м²

Электродвижущая сила витка, В:

. (2.10)

В Количество витков фазы обмоток НН и ВН:

;. (2.11)

вит; вит Средняя плотность тока в обмотках (для алюминиевых обмоток), А/м²:

_СР = 0.463· К_Д··10⁴ (2.12)

где: К_Д = 0.96 — коэффициент дополнительных потерь в обмотках, у отводов, стенках бака и т. д. (табл.3.6 стр. 131[2])

_СР = 0.463· 0.96··10⁴ = 2.05 · 10⁶ А/м²

Исходя таблицы 5.7 стр. 257 средняя плотность тока в обмотках для современных трансформаторах с алюминиевыми обмотками находиться в пределах 1.2- 2.5 М· А/м², значит полученная средняя плотность тока 2.05 М· А/м² находиться в пределах допустимой.

Ориентировочное сечение проводов обмотки НН и ВН П₁ =; П₂ = (2.13)

П₁ = · 10^-6 м²; П₂ = · 10^-6 м²

По таблице 3.9 стр. 58 и согласно заданию выбираю цилиндрическую многослойную обмотку с прямоугольного провода НН, цилиндрическая многослойная обмотка с прямоугольного провода для ВН.

3. Выбор конструкции и расчет обмоток

3.1 Расчет обмоток НН Определяем напряжение одного витка после округления рассчитанного числа витков, В:

_, (3.1)

В.

А так же действующую индукцию в стержне, Тл:

(3.2)

Тл.

Расчет цилиндрической многослойной обмотки с прямоугольного провода низшего напряжения.

Определим ориентировочное число витков в слое:

(3.3)

где число n_ш принимается в диапазоне 2−7 так, что бы общее число витков w₁ делилось на число витков в слое без остатка.

Осевой размер (высота) витка с изоляцией, м:

(3.4)

где l — высота обмотки низшего напряжения за п. 2.8.

м.

Определим ориентировочное число элементарных проводов в витках обмотки НН.

(3.5)

3.7, принимаем n_ел = 4

Ориентировочное сечение элементарного провода, м²:

. (3.6)

· 10^-6 м².

Определение ориентировочной высоты элементарного провода с изоляцией, м:

(3.7)

м.

Определение ориентировочной высоты элементарного провода без изоляции, м:

(3.8)

где = 0.5 мм — толщина изоляции на две стороны ([1] табл. 3.2 примечание 1).

м.

На основании h_пр = 0.0197 м, и необходимости пересечении П_эл = 70.4 мм² по табл. 3.2 [1], выбираю алюминиевый провод марки АПБ-71.1 (а = 4.5 мм b = 16 мм, толщина изоляции 0.5 мм).

Характеристика витка записывается в виде:

П_эл =…мм²;

П_эл = 71.1 мм²

Рисунок 3.1 Сечение витка обмотки НН.

Уточняем высоту витка, м:

(3.9)

где — высота элементарного проводника, мм.

м.

Фактическое пересечение витка, м²:

. (3.10)

м²

Настоящая плотность тока, А/м²:

(3.11)

А/м²

которая должна находиться в пределах, указанных в (табл. 3.8.)1.2−2.5 А/м².

Конечный осевой размер обмотки, м,

. (3.12)

(3.13)

где — радиальный размер провода с изоляцией, мм;

— количество шаров обмотки НН;

а₁₁ — радиальный размер канала середины обмотки НН.

Для длинны охлаждения канала 300−500 мм, а₁₁= 5

м.

Внутренний диаметр обмотки НН, м:

(3.14)

м.

Внешний диаметр обмотки, м:

(3.15)

м.

Реальный диаметр канала между обмотками НН і ВН:

(3.16)

м.

Проверка реального значение коэффициента :

(3.17)

.

Найденное значение в не выходит за рекомендуемые меры по табл. 2.7 [1]: в = 1.2 — 1.6.

Поверхность охлаждения обмотки НН при наличии канала охлаждения, м²:

. (3.18)

м²

где с — число активных стержней;

? 0.75 — коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями.

Ориентировочная плотность теплового потока обмотки НН, Вт/м²,

(3.19)

799 Вт/м².

Для того чтобы не возникало перегрева обмотки и потерь мощности, значение должно быть в пределах 800 — 1400 Вт/ м².

3.2 Расчет обмотки ВН При выборах обмотки ВН следует учитывать необходимость выполнения ответвления для регулирования напряжения. В масляных трансформаторах ПБВ (переключением без возбуждения) предусматриваются четыре ответвления: на + 5%, + 2,5%; -2.5% и -5% номинального напряжения не считая основного зажима с номинальным напряжением. Схема расположения регулирующих ответвлений в трансформаторе с ПБВ показана на рис. 3.2

Рис. 3.2 Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН.

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении.

. (3.20)

602 витков.

Число витков на одной ступени регулирования:

(3.21)

где ?Uнапряжение на одной ступени регулирования, В,

принимаем 15

Ориентировочная плотность тока в обмотках, А/м²:

₂ = 2 · _СР — ₁(3. 22)

₂ = 2 · 2.05 · 10⁶ — 2.02· 10⁶ = 2.08 · 10⁶ А/м²

Ориентировочное сечение витка обмотки:

= (3.23)

= м²

Расчет цилиндрической многослойной обмотки с прямоугольного провода высшего напряжения.

Число витков обмотки ВН с учетом предела регулирования напряжения:

(3.24)

Общий суммарный радиальный размер проводов, м:

(3.25)

м.

где — коэффициент, учитывающий изоляцию проводов в осевом направлении обмотки, принимается для алюминия;

— ориентировачное сечение витка;

— высота обмотки ВН равна высоте обмотки НН Общий предельно допустимый суммарный радиальный размер обмотки по условиям допустимой плотности теплового потока, м:

(3.26)

где — плотность теплового потока в пределах 1200−1400 Вт/м² и не больше 1500 Вт/м²;

— для цилиндрической обмотки,

— плотность тока, А/м².

м На основании необходимого сечения = 11.1 мм² по табл. 3.2 выбираю алюминиевый провод марки АПБ (а = 2.80 мм и b = 4.25 мм с сечением = 11.4 мм²)

Размер провода записываю как:

П₂= 11.4 мм²

Рисунок 3.3 — Сечение витка обмотки ВН Полное сечение витка, м²:

(3.27)

· 10^-6 м²

Действительная плотность тока, А/м²:

. (3.28)

А/м²

Число витков в слое:

(3.29)

98 витков где — высота обмотки ВН, ровняется высоте обмотки НН, м;

— высота одного из параллельных проводников, мм.

Число слоев в обмотке с учетом витков для регулирования:

(3.30)

принимаем 6 слоев Рабочее напряжение двух слоев, В,

. (3.31)

В.

по этому напряжению по табл. 3.12 выбираем число слоев кабельной бумаги.

Общая толщина изоляции д_М.СЛ. = 3×0.12=0.36 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 1.6 см на торцах обмотки, на одну сторону.

По условиям охлаждения каждого стержня обмотки выполняются в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Минимальную ширину масляного канала а₂₂ выбираем по табл. 2.2а. Она равна 10 мм.

Радиальный размер обмотки без экрана, м:

(3.32)

где — число осевых каналов.

м Радиальный размер обмотки с экраном, м:

. (3.33)

м.

Внутренний диаметр обмотки (при наличии экрана — к его внутренней изоляции), м:

(3.34)

где а₁₂ — изоляционная расстояние между обмотками ВН и НН, по табл. 2.2, м. Значение а₁₂ увеличиваем до 0.03 м, для улучшения характеристик напряжения короткого замыкания.

м Внешний диаметр обмотки, м:

; (3.35)

. (3.36)

м.

м Поверхность охлаждения обмотки, м²:

(3.37)

м²

где — число стержней магнитной системы, 3; для двух катушек

— высота обмотки ВН, уточняется после выбора размера и числа проводников по уравнению, м.

(3.38)

0.470 м

— высота проводника, мм.

Ориентировочная плотность теплового потока, Вт/м²,

(3.39)

4. Расчет параметров короткого замыкания

4.1 Потери короткого замыкания Потерями короткого замыкания (КЗ) трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе в режиме, когда первичная обмотка включена на ток, соответствующий номинальной мощности, а одна или более вторичных обмоток замкнуты накоротко.

(4.1)

где Р_осн1 и Р_осн2 — основные потери в обмотках НН и ВН соответственно;

— потери в стенках бака и других металлических конструкциях трансформатора, вызванные полем рассеяния обмоток;

k_д.отв1 и k_д.отв2 — добавочные потери в обмотках НН и ВН соответственно.

Основные потери для алюминиевого провода в обмотках определяются по формулам:

Электрические потери в обмотке НН, Вт, (при номинальном напряжении)

(4.2)

2117 Вт

Электрические потери в обмотке ВН, Вт, (при номинальном напряжении)

3174 Вт где G_А1(2)— полная масса алюминия обмоток НН (ВН), кг.

. (4.3)

k_v = 8.47 для алюминия;

с — число активных стержней;

w₁₍₂₎ — число витков соответствующей обмотки;

П₁₍₂₎ сечение витка соответствующей обмотки, м²;

D_ср1(2) — средний диаметр обмоток НН и ВН, м.

Масса обмотки НН, кг:

= 40.7 кг Масса обмотки ВН, кг:

= 61 кг

(4.4)

Средний диаметр обмотки НН, м:

0.235 м Средний диаметр обмотки ВН, м:

0.35 м Основные потери в отводах

(4.5)

где — зависимость от металла отводов принимается

G_отв— масса металла отвода, кг.

(4.6)

где l_отв — общая длинна провода для соединении звездой, м;

l_отв.нн = 7.5 · l = 7.5 · 0.472 = 3.54 м;

l_отв.вн = 7.5 · l = 7.5 · 0.470 = 3.53 м;

— плотность металла отводов (для алюминиевого провода =2700 кг/м³).

2.71 кг;

0.10 кг.

Потери в отводах:

для обмоток НН:

140.98 Вт для обмоток ВН:

5.20 Вт.

Потери в стенках бака и деталях конструкции Поля рассеяния обмоток и отводов трансформатора, которые возникают в пространстве вокруг этих частей, проникают также в ферромагнитные конструкции трансформатора — стенки бака, прессованные балки якоря, прессованные кольца обмоток и др. А потери в баке и деталях конструкции определяют по приближенной формуле, Вт.

(4.7)

где S — полная мощность трансформатора, кВА ;

k = 0.015 коэффициент, обусловленный по табл. 4.1. 1]

Вт Коэффициент дополнительных потерь рассчитывается по формуле:

; (4.8)

где n — число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния;

a — размер проводника, перпендикулярного направлению линий магнитной индукции осевой составляющей поля рассеяния.

коэффициент в вычисляеться по формуле:

; (4.9)

где l — общий размер обмотки в направлении, параллельном направлении линий магнитной индукции поля рассеяния;

b — размер проводника в направлении, параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния;

m — число проводников обмотки в направлении, параллельном линий магнитной индукции поля рассеяния;

k_р — коэффициент приведенного поля рассеяния.

Коэффициент k_р если расчет выполняют для расчета напряжения короткого замыкания, может быть для концентрических обмоток принят равным 0.95.

для обмотки НН

= 1.05

для обмотки ВН

= 1.006

Потери короткого замыкания трансформатора рассчитываются по формуле (4.1)

5548 Вт

4.2 Напряжение короткого замыкания Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется сведенная к расчетной температуры напряжения, которую необходимо подвести при номинальной частоте в зажим одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обоих обмотках установились номинальные токи. При этом переключатель должен находиться в положении, соответствующем номинальном напряжении.

Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе, его внешнюю характеристику и токи короткого замыкания. Она учитываются также при подборе трансформатора для параллельной работы.

Активная составляющая напряжения к. з. (в процентах от номинального напряжения)

. (4.10)

где Рк — потери короткого замыкания трансформатора, Вт.

1.38%

Реактивная составляющая напряжения к. з., %,

. (4.11)

Определение коэффициента

=0.03 + 0.196 = 0.049 м

= 4.22%

Полное напряжение к. з., %

(4.12)

4.44%

погрешность:

заданного значения.

4.3 Механические силы в обмотках Процесс короткого замыкания является аварийным режимом работы трансформатора. Вследствие многократного увеличения токов в обмотках, по сравнению с номинальными токами, в обмотках возникают ударные механические нагрузки, действующие на обмотки и части трансформатора, сильный перегрев обмоток, вызванный выделением большого количества тепла в проводниковом материале обмоток. Проверка обмоток на механическую прочность при КЗ включает:

— определение максимального тока КЗ трансформатора;

— определение механических сил между обмотками и их частями;

— определение механических напряжений в изоляционных опорных и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток;

— определение температуры обмоток при КЗ.

Действующее значение крупнейшего устойчивого тока короткого замыкания для трансформаторов мощностью меньше 1.0, МВ· А определяется по формуле (если принять).

(4.13)

где — номинальный ток соответствующей обмотки, катушки или витка.

Действующий ток ОНН:

А Действующий ток ОВН:

А Мгновенное значение тока короткого замыкания В начальный момент ток короткого замыкания вследствие наличия апериодической составляющей может значительно превысить установившейся ток и вызвать механические силы между обмотками, превышающие в несколько раз силы при установившемся токе короткого замыкания. Согласно общей теории трансформаторов это мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания определяется по формуле:

(4.14)

где k_max — коэффициент, учитывающий максимально возможное апериодическую составляющую тока короткого замыкания, · k_max, принимается в зависимости от величины u_p/u_a,

. (4.15)

Значение · k_max принимается равным 1.92.

Набольшее мгновенное значение тока короткого замыкания ОНН, А:

А Набольшее мгновенное значение тока короткого замыкания ОВН, А:

А

Радиальная сила, которая действует на обмотки

(4.16)

где коэффициент k_p при расчете суммарных радиальных и осевых сил примерно определен по (4.9) и составляет 0.95 ;

w — полное число витков одной из обмоток;

— мгновенное максимальное значение тока этой обмотки при коротком замыкании.

Радиальная сила ОНН, Н:

3.383 · 10⁵ Н.

Радиальная сила ОВН, Н:

= 3.409 · 10⁵ Н.

F_р действует как на внешнюю обмотку, пытаясь ее растянуть, так и на внутреннюю, пытаясь ее сжать.

Осевая сила суммой элементарных осевых сил, приложенные к отдельным проводников обмотки и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине каждой из обмоток. Максимального значения достигает на середине высоты обмотки. Осевые силы действуют на межкатушечную и межвитковую изоляцию, которая должна быть проверена на сжатие.

(4.17)

Суммарная осевая сила ОНН, Н:

= 17.56 · 10³ Н Суммарная осевая сила ОВН, Н:

= 17.77 · 10³ Н Механические силы, которые действуют на обмотки в осевом направлении, Н:

. (4.18)

где l_x = l₁ — l₂ = 0, значит обмотки имеют одинаковые аксиальные размеры.

l^// — средняя сведенная длина индукционной линии поперечного поля рассеяния, в.о.

Механические силы, которые возникают по действием радиальных сил на обмотку в осевом направлении, Н.

. (4.19)

НН = 53 840 Н ВН = 54 260 Н Напряжения сжатия в проводе внутренней обмотки, МПа.

(4.20)

где: w — число витков обмотки (катушки), для которого определена сила;

П — площадь поперечного сечения одного витка, м².

НН = 7.88 МПа ВН = 7.90 МПа Полученные значения должны быть меньше чем 15 МПа для алюминиевых обмоток. Это условие выполняется для обоих обмоток.

Напряжения сжатия на опорных поверхностях, МПа:

(4.21)

где п — число прокладок по окружности обмотки, п=4;

а — радиальный размер обмотки, м;

b — ширина прокладки, м, НН = 16.825 МПа ВН МПа Полученные значения должны быть меньше чем 18−20 МПа. Это условие выполняется для обоих обмоток.

Время достижения температуры 200 ⁰С для алюминиевых обмоток, с:

(4.22)

НН = 4.783 с.

ВН = 4.794 с.

Полученные значение должны превышать 4 с, что бы защитные устройства среагировали на аварийную ситуацию и отключили трансформатор до его повреждения. Это условие выполняется для обоих обмоток.

5. Расчет магнитной системы трансформатора

5.1 Определение размеров магнитной системы Окончательно выбираем конструкцию магнитной системы — плоская шихтованными магнитная система, собирается из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 (толщиной 0,35мм).

Определим активное сечение стержня, ярма и объем стали угла магнитной системы:

Активное сечение стержня:

. (5.1)

Где К_З= 0,97 — с табл. 2.4,.

м²

Активное сечение ярма:

(5.2)

м²

Объем стали угла магнитной системы:

(5.3)

м³

Длинна стержня, м:

(5.4)

где і - расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма, определяется по табл. 2.2 [1]

м Расстояние между осями стержней, м:

(5.5)

м.

Масса частей ярма, уложеннях между осями крайних стержнем (рис. 5.1):

(5.6)

где г_ст— плотность трансформаторной стали, 7650 кг/м³.

кг.

Масса стали угла при многоступенчатой?? форме сечения, кг:

(5.7)

кг.

Масса стали в частях ярма, заштрихованих на рис. 5.1, кг:

(5.8)

кг.

Полная масса стали ярма, кг:

(5.9)

кг Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы, кг:

(5.10)

кг Масса стали в местах стыка пакетов стержней и ярма, кг:

(5.11)

где а_1я — ширина самого більшого пакета ярма, он равен 0.195 м.

21.3 кг Масса стали стержней, кг:

(5.12)

кг.

Общая масса стали, кг:

(5.13)

кг.

5.2 Определение потерь холостого хода Фактическая индукция в стержне, Тл:

; (5.14)

1.542 Тл Фактическая индукция в ярме, Тл:

; (5.15)

1.503 Тл Индукция в косом стыке, Тл:

(5.16)

1.090 Тл.

Площадь сечения стержня на косом стыке, м²:

(5.17)

0.039 м².

Удельные потери для стержней, ярм и стыков определяем по табл. 5.9 [1], так как удельные потери для стали марки 3405 толщиной 0,35 мм принимать по графе для стали 3404 толщиной 0,30 мм.

При В_с = 1.542 Тл р_С= 1,11 Вт/кг; р_ЗС= 906 Вт/м².

При В_я = 1.503 Тл р_Я= 1.030 Вт/кг; р_ЗЯ= 850 Вт/м².

При В_кос= 1.090 Тл р_КОС= 413 Вт/м².

Потери холостого хода

(5.18)

где К_ПР= 1,05;K_ПЗ= 1,00;К_ПЯ= 1,0;К_ПП= 1,02;К_ПШ = 1,02- коэффициенты с табл. 5.11, [1];

К_ПУ= 10,45 — с табл. 5.12, [1];

Отклонение фактических потерь холостого хода от заданного значения, %:

%

5.3 Определение тока холостого хода По табл. 5.15 находим удельные мощности, которые намагничиваются:

При В_с = 1.542 Тл q_С= 1,376 ВA/кг; q_ЗС= 15 720 ВA /м².

При В_я = 1.503 Тл q_Я= 1.246 ВA /кг; q_ЗЯ= 13 800 ВA /м².

При В_кос= 1.090 Тл q_КОС= 2000 ВA /м².

Намагничивающая мощность холостого хода

(5.19)

где; K_ТЗ — коэффициент, учитывающий влияние срезания заусенцев; для отожженных пластин; K_ТЗ= 1;

К_ТПЛ — коэффициент, учитывающий ширину пластин в углах магнитной системы;

К_ТПЛ= 1,2 — табл. 5.19, [1];

K_ТЯ— коэффициент, учитывающий форму сечения ярма: K_ТЯ= 1,0;

К_ТП— коэффициент, который учитывает передвижения магнитной системы К_ТП= 1,045 — табл. 5.11, [1];

К_ТШ— коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма:

К_ТШ= 1,02;

K_ТУ= 41,70 — табл. 5.18,.

К_ТР— коэффициент, учитывающий влияние резки полосы рулона на пластины: К_ТР=1

Реактивная составляющая тока холостого хода, %:

. (5.20)

Активная составляющая тока холостого хода, %:

. (5.21)

Полный ток холостого хода, %:

(5.22)

Отклонение фактичной величины тока холостого хода от заданного значения, %:

%

6. Тепловой расчет трансформатора

6.1 Тепловой расчет обмоток Внутренний перепад температуры обмотки НН, ⁰С:

Потери в единице объема:

(6.1)

где, а і - размеры провода без изоляции и с изоляцией, которые ориентированы в направлении движения тепла, м;

b і - то же в направлении, перпендикулярном движению тепла, м;

— толщина изоляции провода (на две стороны), м.

Средняя теплопроводность обмотки НН:

; (6.2)

где теплопроводность определяется по формуле:

(6.3)

— теплопроводность материала изоляции витков, которая определяется по табл. 6.1. 1] = 0.25 Вт/(м· ⁰С)

Вт/(м· ⁰С) Полный внутренний перепад температуры в обмотке НН, ⁰С:

а^{`</sup><sub>1</sub> = 3 · а<sup>`}= 3· 0.005 = 0.015

(6.4)

⁰С Перепад температуры на поверхности обмотки НН, ⁰С:

(6.5)

где k = 0,285.

q — плотность теплового потока на поверхности обмотки

⁰С Среднее превышение температуры обмотки НН под температурой масла, ⁰С:

(6.6)

⁰С Потери в единице объема:

; (6.7)

где, а і - размеры провода без изоляции и с изоляцией, которые ориентированы в направлении движения тепла, м;

b і - то же в направлении, перпендикулярном движению тепла, м;

— толщина изоляции провода (на две стороны), м.

Средняя теплопроводность обмотки НН:

; (6.8)

где теплопроводность определяется по формуле:

(6.9)

— теплопроводность материала изоляции витков, которая определяется по табл. 6.1. 1] = 0.25 Вт/(м· ⁰С)

Вт/(м· ⁰С) Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН, ⁰С:

(6.10)

⁰С Перепад температуры на поверхности обмотки ВН, ⁰С:

(6.11)

где k = 0,285.

q — плотность теплового потока на поверхности обмотки

⁰С Среднее превышение температуры обмотки ВН под температурой масла, ⁰С:

(6.12)

⁰С Допустимое превышение температуры масла над воздухом:

(6.14)

⁰С Допустимое превышение температуры стенки бака над температурой воздуха:

(6.15)

перепад температуры между маслом и стенкой бака

⁰С Температура масла в верхних шарах (не должна превышать 55 ⁰С), ⁰С:

⁰С

6.2 Тепловой расчет бака Потери в трансформаторе связаны с его мощностью, при выборе конструкции бака необходимо ориентироваться на мощность трансформатора [1, табл. 6.4].

Выбираем бак с навесными радиаторами и прямыми трубами.

Минимальная ширина бака:

S₁= 22 мм — изоляционная расстояние от отвода обмотки ВН в собственной обмотки (по табл. 4.11, [2])

S₂= 22 мм — изоляционная расстояние до стенки бака (по табл. 4.11, [2])

d₁= 20 мм — диаметр изолированного отвода обмотки ВН

S₃= 25 мм — расстояние от отвода обмотки НН к обмотке ВН по табл. 4.12,.

S₄= 25 мм — расстояние от отвода обмотки НН до стенки бака (по табл. 4.11, [2]).

d₂= 10 мм — диаметр изолированного отвода от обмотки НН.

(6.16)

м.

Принимаем В= 0.500 м Минимальная длинна бака, м:

(6.17)

S₅— расстояние от внешней поверхности ОВН к стенке бака, мм:

м Принимаем А= 1.300 м Высота активной части трансформатора, м:

n = 50 мм — толщина прокладки под нижнее ярмо;

h_Я= 0.195 м — толщина ярма.

(6.18)

м.

Общая глубина бака, м:

. (6.19)

Где Н_Я.К — расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном размещены над ярмом переключателя отводов обмотки ВН находим по таблице 6.5[1]: Н_Я.К=300· 10^-3м.

м.

Габаритный размер радиатора, м:

Потабл. 6.9, выбираем радиаторы с расстояниями между осями фланцев A_P= 1150 мм, с поверхностью конвекции труб П_ТР= 4,333 м²и коллекторов П_КК= 0,34 м².

м (6.20)

Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:

(6.21)

где С₁= 0,085 м і С₂= 0,10 м — расстояния осей фланцев от нижнего и верхнего срезов стенки бака (по табл. 9.9, [2]).

Верхняя конвекция гладкой стенки бака, м²:

(6.22)

м²

Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами, м²:

(6.23)

где К = 1.5 — коэффициент учитывающий оборудование бака.

м²

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения, м²:

(6.24)

м²

Поверхность крышки бака, м²:

(6.25)

м²

Поверхность конвекции радиаторов, м²:

(6.26)

м²

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки, м²:

(6.27)

где К_Ф = 1.26 — по табл. 9.6 [2]

м²

Необходимое количество радиаторов:

(6.28)

Поверхность конвекции бака

(6.29)

м²— суммарная поверхность конвекции радиаторов.

м²

Поверхность излучения, м²:

(6.30)

где Р_и— периметр бака с учетом размеров бака:

Р_и=2(А+В)=2(1300+500)= 3600 мм;

мм² = 4.806 м²

7. Сводные данные расчета трансформатора Номинальные данные:

S_Н = 400 кВ · А U_2Н = 10 кВ U_1Н = 0.4 кВ Схема и группа соединения обмоток: Y/Y₀ — 0

Основные геометрические данные, м:

d_Н = 0.20 L = 0.57 в_Н = 1.58 С = 0.398

d₁₂ = 0.287 а₁ = 0.025 а₂ = 0.031 а₁₂ = 0.03

Данные обмоток:

U_В = 9.63 В П^`₁ = 284.4 · 10^-6 м² П₂ = 11.1 · 10^-6 м²

W₁ = 24 W₂ = 602

Тип обмоток:

Обмотка низшего напряжения — цилиндрическая многослойная обмотка с прямоугольного провода.

Обмотка высшего напряжения — цилиндрическая многослойная обмотка с прямоугольного провода.

Электромагнитные нагрузки:

В_С = 1.54 Тл В_Я = 1.503 Тл ?₁ = 2.029 · 10⁶ А/м² ?₂ = 2.026 · 10⁶ А/м²

Параметры холостого хода и короткого замыкания:

Р₀ = 1157 Вт I₀ = 1.794%

Р_к = 5548 Вт U_к = 4.5%

абаритные размеры, м:

L = 0.57 В = 0.512 Н_б = 1.335

Данные теплового расчета:

q₁ = 799 Вт/м² q₂ = 776 Вт/м²

?_ОВ1 = 58.827 ⁰С ?_ОВ2 = 58.751 ⁰С Результаты экономической оценки трансформатора, кг:

G_тр = 2803.838 G_пр = 105.51 G_м = 820

Вывод В данном курсовом проекте было рассчитано и сконструировано трехфазный двухобмоточных трансформатор полной мощностью S=400 кВА, номинальным напряжением обмоток высшего и низшего напряжений U₂=10кВ та U₁=0.4кВ с регулированием напряжения без возбуждения и схемой и группой соединения обмоток Y /Y — 0. Были определены основные размеры трансформатора с плоской магнитной системой стержневого типа (d_н = 0.20 м), что выполнена с холоднокатаной стали марки 3405 по ДСТУ 21 427−83.

Произведен выбор и расчет обмоток высшего и низшего напряжения. Обмотка высшего напряжения — цилиндрическая многослойная обмотка с прямоугольного алюминиевого провода, с сечением П_пр=11.1мм^2. Обмотка низшего напряжения — цилиндрическая многослойная обмотка с прямоугольного алюминиевого провода, с сечением П_пр=71.1мм².

После выбора обмоток были рассчитаны отклонения некоторых величин от заданных. Эти отклонения составляют: P_к— 3.991%, U_к— 4.44%, Р₀— 7.1%, I₀-14.6% от заданных. Превышений средней температуры обмоток более температурой воздуха составляет: для обмотки ВН — 58.751 ⁰С, для обмотки НН — 58.827 ⁰С.

Масса спроектированного трансформатора составляет G_тр = 2803.838 кг

Трансформатор, имеет массу больше чем силовой масляный трансформатор общего назначения. Если проанализировать расчет, то можно сделать вывод, что увеличение массы зависит от индукции. Индукция была выбрана малой, поэтому увеличилась масса стали магнитной системы и металла обмоток. Однако можно отметить, что увеличение индукции привело бы к повышению потерь и особенно тока холостого хода.

Время нагрева обмоток к предельно допустимой температуры находиться в допустимых пределах. Это значение дает больше возможности при коротком замыкании включению защиты и обеспечения им оптимальной работы трансформатора. Было определено, что для эффективного охлаждения обмоток нужен бак с тремя навесными радиаторами и прямыми трубами.

Данный трансформатор соответствует требованиям ДСТУ.

трансформатор обмотка напряжение замыкание

Перечень ссылок Апухтін О.С., Мельник А. А. Навчальний посібник з електричних машин «Розрахунок трансформатора»: — Донецьк: ДонНТУ, 2008р. -194с.

Тіхоміров П. М. Расчет трансформаторов. — М.: Энергоатомиздат., 1986. — 527с.

Вольдек А. И. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1974. — 840с.

Сапожников А. В. Конструирование трансформаторов. — М.; Л.: Госенергоиздат, 1959. — 360с.

Брускин Д.Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. Электрические машины. — М.: Высшая школа, 1987. — ч.1. — 319с.

Дымков А. М. Расчет и конструкция трансформаторов. — М.: Высшая школа, 1971. — 320с.

Костенко М.П., Пиотровский Л. М. Электрические машины. — Л.: Энергия, 1972. — Ч.1. — 544с.

Конструкция трехфазных силовых трансформаторов: Метод. Указания к курсовому проектированию. — Винница: ВПИ, 1983. — 52с.