Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы и одного стержня:

Номинальные токи:

на стороне ВН

на стороне НН

Фазные токи:

ВН

НН

Фазные напряжения:

ВН

НН

Испытательные напряжения (т. 4.1):

ВН ,

НН ,

Тип обмоток (т. 5.8):

обмотка ВН при  и  - цилиндрическая многослойная из круглого провода;

обмотка НН при  и  - катушечная непрерывная.

Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных расстояний.

Для  обмотки ВН по т. 4.5:

Для обмотки НН по т. 4.4:

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора.

трансформатор ток замыкание обмотка

Определение исходных данных расчета

Мощность обмотки одного стержня

Ширина приведенного канала

;

,

где  по т. 3.3

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая

Выбираем трехфазную стержневую систему (по § 2.3) с четырьмя косыми углами на крайних стержнях и двумя прямыми углами на среднем стержне. Прессовка стержней путем расклинивания с жестким цилиндром обмотки НН (рис. 2.18. а) и ярма - прессовка осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма (рис. 2.21. а).

Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3405 толщиной 0,35 мм. Индукция  (по т. 2.4).

В сечении стержня 8 ступеней, коэффициент заполнения сталью  (по т. 2.5.), изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, .

Коэффициент заполнения сталью . Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня К_С зависит от способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней шесть, коэффициент эсиления ярма  (см. т. 2.8).

Индукция в ярме . Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 4, на прямом 3. Индукция в зазоре на косом стыке . На прямом стыке

Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма , от верхнего ярма (без прессующего кольца) .

По т. 3.6 находим , учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям короткого замыкания. Принимаем .

Активное сечение стержня

.

Определение основных зазоров

Диаметр стержня

где , ,  (предварительно), - коэффициент Роговского, , ,

Так диаметр  меньше нормированного диаметра  (см. т. 2.5 при ) для принятого для данной мощности трансформатора то пересчитываем значение , , при  диаметр стержня

.

Средний диаметр канала между обмотками НН и ВН

,

где , для трансформатора при , ,  - (ст. 164), - (см. т. 3.3 прим. 6)

Ориентировочная высота обмотки

Активное сечение стержня

.

Напряжение одного витка, предварительно

.

Число витков в обмотке НН

Уточнение напряжения одного витка

Выбор обмоток

Выбор типа конструкции обмоток при расчете трансформатора производится с учетом эксплуатационных и производственных требований. Основными критериями при выборе обмоток являются:

·      Ток нагрузки одного стержня I_C;

·        Мощность трансформатора S;

·        Номинальное напряжение U_ном;

·        Поперечное сечение витка обмотки П_в.

Средняя плотность тока в обмотках

Расчет обмотки НН

Ориентировочное сечение витка,  

Максимальное поперечное сечение провода при  для медного провода

По т. 5.8 по мощности трансформатора , номинальному току  и напряжению и напряжению  выбираем непрерывную катушечную обмотку из прямоугольного медного провода.

По сечению витка и учетом  по т. 5.2 выбираем один параллельный провод ПБ сечением 11,7 мм², с изоляцией на две стороны .

или

,

Плотность тока

Канал между катушками принимаем предварительно ,

Предварительно, число катушек обмотки

Число витков в катушке, ориентировочно

Осевой размер обмотки, при (стр. 291)- коэффициент учитывающий усадку

Радиальный размер обмотки

Внутренний диаметр обмотки

Наружный диаметр обмотки

Масса металла обмотки, где с - число активных (несущие обмотки) стержней трансформатора; =0,2844м - средний диаметр обмоток; w - число витков обмотки; П - сечение витка, м²

Масса провода обмотки НН (т. 5.5)

Расчет обмотки ВН

Выбираем схему регулирования переключения ответвлений обмотки без возбуждения ПБВ (рис. 6.6.б ст. 275). Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 10,4 А. В обмотке ВН предусмотрено выполнение четырех ответвлений на  от номинального напряжения.

Наибольшее напряжении между контактами переключателя в одной фазе:

,

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить:

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении

.

Число витков на одной ступени регулирования

36750 35875 35000 34125 33250          

1718+2×43=1804

+43=1761

-2=1716

Ориентировочная плотность тока

.

Ориентировочное сечение витка

По т. 5.8 выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода.

По сортаменту медного провода (т. 5.1) выбираем провод марки ПБ, с изоляцией на две стороны .

марка провода х число параллельных проводов х

или , , сечением

Плотность тока

Число витков в слое ,

Число слоев в обмотке ориентировочно

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

При таком v_Мсл = 4330 В осевой размер больше L₂. Поэтому принимаем число витков в слое 170, тогда рабочее напряжение двух слоев:

Число слоев в обмотке:

Число витков в слоях:

По рабочему напряжению двух слоев по табл.4.7 выбираем междуслойную изоляцию с числом слоев 7х0,12 мм и общую толщину кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки 22 мм.

Минимальная ширина масляного канала между катушками (таб.9.2).

Радиальный размер обмотки при двух катушках без экрана:

Диаметры обмотки:

- внутренний диаметр;

- наружный диаметр;

- масса металла.

Масса провода обмотки ВН:

Расчет параметров короткого замыкания.

Потери короткого замыкания

Основные потери

Обмотка НН

Обмотка ВН

Добавочные потери

Обмотка НН , где

,

 - размер проводника в направлении параллельном линии индукции магнитного поля рассеивания;

 - размер проводника в направлении перпендикулярном линии индукции магнитного поля рассеивания;

 - общий размер обмотки в направлении линии индукции магнитного поля рассеивания;

 - число проводников обмотки направленных параллельно линии магнитной индукции поля рассеивания;

- коэффициент приведения поля рассеивания.

, где ,

Обмотка ВН

,

где

,  - диаметр круглого провода;

 - общий размер обмотки

Основные потери в отводах:

Отводы НН

Длина проводов приблизительно (для соединения в треугольник)

;

Масса отводов ;

-плотность металла отводов для меди.

Потери при ,

.

Отводы ВН

Длина проводов приблизительно (для соединения в звезду)

;

Масса отводов ;

Потери при ,

.

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно (т. 7.1)  при , ; .

Полные потери;

или заданного значения.

Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая

.

Реактивная составляющая по (7.32)

;

где ,  при , ,

, ,

,

.

Напряжение короткого замыкания

или  заданного значения.

ГОСТ допускает отклонение 10%. Изменение может быть достигнуто за счет изменения , путем увеличения  и  при соответствующем уменьшении  или изменением напряжения одного витка (уменьшением) за счет уменьшения диаметра стержня магнитной системы d или индукции В_с в стержне.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН по (7.38) и т. 7.2.

 - мощность короткого замыкания электрической сети (таб.7.2)

Мгновенное максимальное значения тока короткого замыкания

,

где  при  (т. 7.3)

Радиальная сила

где  - средняя длина витка, м.

Среднее сжимающее напряжение на проводе НН

.

Среднее растягивающее напряжение обмотки ВН

.

При равномерном распределении по высоте обтекаемых токов обеих обмоток возникают осевые силы

Осевые силы по рис. 2.11, а.

.

Максимальные сжимающие силы в обмотках

,

.

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН (обмотка 1) где . Напряжение сжатия на межвитковых прокладках

,

где - число прокладок по окружности, - радиальный размер обмотки, - ширина прокладки.

что ниже допустимого .

Температура обмотки через  после возникновения к.з.

,

при , что меньше .

Время, в течении которого медная обмотка достигнет температуры .

.

Расчет магнитной системы

Определение размеров магнитной системы и массы стали.

Примем конструкцию трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираем из пластин холоднокатаной текстурированной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм.

Стержни магнитной системы, ярма с прессующими ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по т. 8.3 для стержня диаметром 0,22 м без прессующей пластины.

Число ступеней в сечении стержня 8, в сечении ярма 6.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по т. 8.3.

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) 0,206 м.

Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по т. 8.7

, ярма .

Объем угла магнитной системы .

Активное сечение стержня .

Активное сечение ярма .

Объем стали угла магнитной системы

Длина стержня .

Расстояние между осями стержней .

Массы стали в стержнях и ярмах магнитной системы.

Масса стали угла магнитной системы

, где .

Масса стали ярма ,

где

,

, .

Масса стали стержней ,

где

,

,

.

Общая масса стали .

Расчет потерь холостого хода

Индукция в стержне .

Индукция в якоре .

Площадь сечения немагнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны соответственно активным сечениям стержня и ярма.

Площадь сечения на косом стыке

.

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по т. 8.10, для стали марки 3405, толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины;

при , , ;

при , , ;

при , ;

Для плоской шихтованной магнитной системы по рис. 2.17, б потери холостого хода с учетом т. 8.10, 8.13 и 8.14, с косыми стыками на крайних стержнях и прямых стыках на среднем стержне с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев.

,

где , , , , (т. 8.13), (т. 8.12),

 от заданного значения.

В правильно рассчитанном трансформаторе отклонение действительных

потерь от расчетных составляет в среднем не более

Расчет тока холостого хода

По т. 8.17 находим удельные намагничивающие мощности

при , , ;

при , , ;

при , ;

Намагничивающая мощность холостого хода

где по т. 8.12 - т. 8.21 , ,  по т. 8.21, , , ,  по т. 8.20,

ток холостого хода , или  заданного значения.

Активная составляющая тока холостого тока:

.

Реактивная составляющая тока холостого хода

Ток холостого хода для НН:

,

, .

Тепловой расчет трансформатора

Тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры:

Обмотка НН:

,

где , , , - теплопроводность бумажной, пропитанной маслом изоляции провода т. 9.1;

 - толщина изоляции провода на одну сторону

 - плотность теплового потока на поверхности обмотки

;

.

Полный внутренний перепад температуры в обмотках из круглого провода определяется:

 - потери, выделяющиеся в 1 м³ общего объема обмотки:

 - средняя теплопроводность обмотки, приведенная к условному случаю равномерного распределения междуслойно изоляции по всему объему обмотки, определяется по формуле:

 - теплопроводность междуслойной изоляции (т.9.1)

Средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

,

где

Перепад температур на поверхности обмоток:

Обмотка НН:

,

где - для естественного масляного охлаждения;

- для внутренней обмотки НН;

- при т. 9.3;

Обмотка ВН:

,

где - для естественного масляного охлаждения;

- для внутренней обмотки НН;

П_ОХЛ2 - поверхность охлаждения бака, м²

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу

обмотки НН

обмотки ВН

Тепловой расчет бака

В соответствие с мощностью трансформатора выбираем бак с вваренными охлаждающими трубами (трубчатый). Число рядов труб выбирается обычно от одного до четырех в зависимости от необходимой по расчету поверхности конвекции. Увеличение числа рядов труб свыше четырех значительно ухудшает теплоотдачу внутреннего ряда труб. Соседние трубы разных рядов располагаются одна над другой. Расположение труб в шахматном порядке менее выгодно, т.к. при этом затрудняется движение воздуха и уменьшается теплоотдача. Все трубы имеют радиус изгиба R. Трубы могут быть круглого сечения или овального. Шаги труб в рядах t_Т и между рядами t_р могут быть различными. Применение овальных труб позволяет разместить в ряду большее число труб и обеспечить нормальную теплоотдачу бака при одном - двух рядах труб там, где трубы круглого сечения приходится располагать в два - три ряда.

Определение основных размеров бака

Минимальная ширина бака

по т. 4.11, т. 4.12 определяем изоляционные расстояния;

- изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до собственной обмотки, для отвода с , покрытием 4 мм

- расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до стенки бака, для отвода;

- изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН;

 - изоляционное расстояние от отвода обмотки НН до стенки бака;

- диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 35 кВ;

- диаметр изолированного отвода обмотки НН при классах напряжения 35 кВ.

Длина бака

.

Высота активной части

,

где - толщина изоляции под нижнее ярмо;

- высота ярма;

 - длина стержня.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по т. 9.5 .

Глубина бака .

Для должной поверхности охлаждения используем бак с вваренными, гнутыми трубами. Трубы круглые диаметром 51 мм, толщиной стенки 1,5 мм.

Число рядов для  - 3 ряда, поперечное сечение трубы 1810 мм², поверхность 1 м, 0,16 м², масса металла в 1 м 1,82 кг, масса масла в трубе 1,63 кг. Шаг между трубами 75 мм, в ряду 70 мм, радиус изгиба 150 мм, по т. 9.7.

Прямой участок для внутреннего труб, для второго ряда, третьего - при . По т. 9.8 ,  при .

Расстояния между осями труб на стенке бака, начиная с 3-го, наружного ряда;

третий ряд: ;

второй ряд: ;

первый ряд: .

Развернутая длина трубы в каждом ряду:

первый ряд:

;

второй ряд: ;

третий ряд: .

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы:

, где .

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки ВН

Найденное среднее значение превышения может быть допущено, так как превышение масла в верхних слоях в этом случае

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней стенке бака  и запас  находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

.

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения

,

где - поверхность излучения бака с трубами

,

где - площадь крышки бака.

.

Поверхность конвекции бака

, где ,  по т. 9.6

;

;

, >.

Определение превышения температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха.

, при ;

Превышение температуры масла над температурой воздуха

;

где ,

.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха

, при .

Превышение средней температуры обмотки над температурой воздуха

, , .

Для обмотки НН: ,

.

Для обмотки ВН: ,

.

Превышение температуры масла в верхних слоях  и обмоток ,  лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11677-85.

Приближенное определение массы масла трансформатора

Объем бака

.

Объем активной части приближенно

,

 = 5500 кг/м³ - средняя плотность активной части для трансформаторов с медными обмотками.

Объем масла в баке .

Масса масла в баке  в баке по т. 9.7.

Масса масла в трубах  в трубах по т. 9.7.

Общая масса масла .

Все ссылки (формулы и таблицы), используемые в курсовой работе даны по книге Тихомирова П.М. «Расчет трансформаторов», Энергоатомиздат, 1986 г.