Расчёт трансформатора

Введение

Трансформаторы — это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка — вторичной. Обычно все величины, относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся к вторичной — индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I1 имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока IОм, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф1 сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф1 сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего — является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий, возникающих при внезапных коротких замыканиях, наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.

1 Определение основных электрических величин

1.1 Линейные и фазные токи и напряжения обмотки ВН и НН Линейные токи обмоток ВН и НН можно рассчитать по формуле:

. (1)

Линейный ток для обмотки НН:

.

Линейный ток для обмотки ВН:

.

Фазный ток для обмотки ВН:

.

Фазный ток для обмотки НН:

. (2)

Фазное напряжение обмотки ВН:

. (3)

Фазное напряжение НН:

.

1.2 Испытательные напряжения обмоток Так как номинальное напряжение обмотки ВН равно 10 000 В, а обмотки НН 3150 В то по ГОСТ 1516– —73 испытательное напряжение обмотки ВН равно 35 000 В, а обмотки НН 12 000 В.

1.3 Активная и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания Активная составляющая:

(4)

Реактивная составляющая:

(5)

2 Расчет главных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы и конструкции магнитопровода Так как мощность проектируемого трансформатора 1000кВА то можно использовать схему шихтовки магнитопровода с прямыми стыками на средней фазе (рис.1).

Рисунок 1

Косых стыков 4, прямых 3.

Число ступеней стержня 8.

Коэффициент заполнения площади круга Ккр=0,9.

Ориентировочный диаметр стержня 0,24 м.

Коэффициент усиления ярма Кя=1,02.

Прессовка ярма производится балками, стянутыми полубандажами.

Число ступеней ярма 7.

Коэффициент заполнения (сталь 3414 толщиной с двусторонним жаростойким покрытием керамическими или оксидными пленками) Кз=0,95.

Общий коэффициент заполнения сталью площади круга .

2.2 Выбор и определение индукций в стержне и ярме магнитопровода Индуктивность в стержне ВС для стержня из марки стали 3414 при мощности проектируемого трансформатора 1000кВА

Индуктивность в ярме определяется по формуле:

. (6)

2.3 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН:

НН от ярма равна 0,05;

НН от стержня:

Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН:

ВН от ярма:

Между ВН и НН:

Выступ цилиндра:

Между ВН и ВН:

2.4 Выбор коэффициента и определение основных размеров трансформатора: диаметра стержня и высоты обмотки Значение для трансформатора мощностью 1000 кВА равно 1,3.

Габарит трансформатора III.

Ориентировочное значение диаметра стержня рассчитывается по формуле:

. (7)

где мощность обмотки одного стержня трансформатора, ВА.

(8)

где с = m = 3 — число активных стержней трансформатора;

.

— коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю; =0,95;

— ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, м.