Расчет силового трансформатора

Расчет силового трансформатора

1.      
Определение основных электрических величин. Определение линейных и фазных напряжений и токов обмоток ВН и НН

Тип трансформатора ТМ 2500/35

Мощность трансформатора S=2500 кВа

Количество фаз m=3

Количество активных стержней с=3

Напряжение на высокой стороне U_BH =35 кВ

Напряжение на низкой стороне U_НH =3,15 кВ

Потери короткого замыкания P_K =23,5 кВт

Потери холостого хода Р_Х =3,9 кВт

Напряжение короткого замыкания U_К = 6,5%

Ток холостого хода i_O =1,0%

Схема соединения обмоток Y / /\ - 11

Мощность одной фазы трансформатора

Мощность на одном стержне

Номинальные (линейные) токи обмотки трехфазного трансформатора

Фазные токи в данной схеме соединения равны:

Фазные напряжения:

Выбор испытательных напряжений обмоток

Для обмотки ВН (Класс напряжения - 35 кВ) = 85 кВ

Для обмотки НН (Класс напряжения - 10 кВ) = 35 кВ

Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая:

Реактивная составляющая:

2.       Расчет основных размеров трансформатора

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками в 4-х углах.

Число ступеней стержня n=7. Ориентировочный диаметр стержня 0,32 - 0,34 м.

Коэффициент k_KP = 0,929.

Число ступеней ярма n=6. Прессовка ярм балками, стянутыми стальными полубандажами.

Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции

Выбор индукции в сердечнике.

Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатанную сталь марки 3404 с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким электроизоляционным покрытием. Коэффициент заполнения k_З = 0,96.

Величину индукции принимаем B_С = 1,6 Тл.

Выбор материала обмоток

В качестве материала обмоток выбираем электротехническую медь.

Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков

Основные изоляционные расстояния главной изоляции, выбранные согласно табл. 4.4 и 4.5 [1].

Для НН: l₀₁ = 60 мм, б₀₁ = 4 мм, a₀₁ = 17.5 мм

Для ВН: l₀₂ = 60 мм, б₀₂ = 5 мм, а₁₂ = 27 мм, а₂₂ = 20 мм, б₂₂ = 3 мм.

Выбор коэффициента соотношения между основными размерами

Для медных обмоток принимаем =2,4

Определение диаметра стержня и высоты обмоток. Предварительный расчет сердечника

Диаметр стержня является первым основным размером трансформатора.

где  - приведенная ширина канала рассеяния

k_P = 0.95 - коэффициент Роговского

k_C = k_P * k_З = 0,95*0,96 = 0,912

Вторым основным размером трансформатора является средний диаметр канала между обмотками.

‘d₁₂ = d_CT + 2a₀₁ + 2a₁ + a₁₂

где

Для трансформаторов 2500 - 6300 кВа - К₁ = 1,4

‘d₁₂ = 0,32 + 0,04*2 + 0,0378*2 + 0,027 = 0,5026 м = 50,26 см

Третий основной размер трансформатора - высота обмотки:

Активное сечение стержня:

ЭДС одного витка:

3. Расчет обмоток ВН и НН. Выбор типа обмоток

K_Д - коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь. (табл. 3.6 [1])

средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

По табл. 5.8 [1] выбираем для НН и ВН - многослойную цилиндрическую из прямоугольного провода.

Расчет обмотки НН

Число витков на одну фазу определяется:

Уточним ЭДС одного витка:

Действительная индукция в стержне:

Примем НН 4-х слойной. Тогда число витков в слое:

Ориентировочный осевой размер обмотки:

Ориентировочное сечение витка:

Выбираем провод

Толщина изоляции на 2 стороны:  мм.

Размеры выбранных проводов:

 см.

см.

 см.

см.

Осевой размер витка:

Полное сечение витка:

П₁ = 84,61 мм²

Плотность тока в обмотке НН:

Осевой размер обмотки:

Радиальный размер обмотки:

‘а₁₁ - радиальный размер канала, выбранный по условиям изоляции = 0,5 см

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

К_ИЗ - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями.

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН всего трансформатора:

Расчет обмотки ВН

На обмотке ВН предусмотрено регулирование напряжения на . В нашем случае предусмотрено регулирование в двух ступенях. Примем, что ступени регулирования равны.

Напряжение между двумя отводами:

Число витков на одну ступень регулирования:

Число витков при номинальном напряжении:

верхняя ступень -

верхняя ступень -

нижняя ступень -

нижняя ступень -

Плотность тока в обмотке ВН:

Сечение витка:

Осевой размер обмотки:

ЭДС одного витка:

Число витков в одном слое:

Осевой размер витка:

Выбираем провод: ПБ -

Размеры выбранных проводов:

 см.

см.

 см.

см.

П₂ = 13,17 (мм²)

Число витков в слое:

Число слоев в обмотке:

 слоев

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

В.

В этом случае межслойная изоляция выполняется из 7 слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 мм. Выступ межслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) 1,6 см. (табл. 7.5 [1])

Толщина межслойной изоляции:

 мм.

Радиальный размер обмотки:

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Поверхность охлаждения:

(К=0,75)

4. Определение характеристик короткого замыкания

Определение потерь короткого замыкания

а) Определение электрических потерь в обмотках.

Средние диаметры обмоток:

- обмотки НН: см.

обмотки ВН: см.

Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

, кг

Вес металла для обмоток ВН и НН:

Электрические потери определяются следующим образом:

б) Определение добавочных потерь.

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):

где коэффициент

Следовательно,

Для круглого провода при  (обмотка ВН):

где коэффициент

Следовательно,

Где n-число проводов в радиальном направлении, см;

m - число проводов в осевом направлении, см;

a - размер проводника в радиальном направлении обмотки, см;

- размер проводника в осевом направлении обмотки, см;

d - диаметр круглого провода, см;

- коэффициент приведения идеального поля рассеивания к реальному =0,95.

в) Определение электрических потерь в отводах.

Электрические потери в отводах:

Массу металла проводов находим по формуле:

где γ = 8,9 кг/дм³ - удельный вес металла отводов.

Основные потери в отводах:

г) Определение потерь в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.

 Вт

где S-полная мощность трансформатора, кВА;

К - коэффициент, по табл. § 8.4 [1] принимаем К = 0,01

д) Определение полных потерь короткого замыкания

Определим соотношение полученной и заданной величин мощности к. з.:

Активная составляющая:

Ширина канала рассеяния

 - см. пункт 2.6

Реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

Проверка:

Определение механических сил в обмотках

Принимаем мощность короткого замыкания электрической сети S_K = 2500 мВа

Определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания:

По таблице 7.3 определяем коэффициент, учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока К.З. -

Определяем уд ток к.з.

Продольное и поперечное поля в концентрической обмотке

Найдем механические радиальные силы в обмотках:

Среднее сжимающее напряжение:

Определение веса стержня и ярм и веса стали.

Длина стержня магнитной системы:

см.

где  и -расстояние от обмотки до верхнего и нижнего ярма, определяемые по таблице 5.2

Расстояние между осями стержней:

см.

где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2],  см

Масса стали угла магнитной системы:

кг.

 кг/м³ - плотность трансформаторной стали

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

кг.

Масса стали в частях ярм в углах:

кг.

Полная масса стали ярм:

кг.

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы:

кг.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма:

кг.

Общая масса стали стержней:

кг.

Общая масса стали плоской магнитной системы:

 кг.

Определение потерь холостого хода.

Индукция в стержне:

Тл.

Индукция в ярме:

Тл.

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 [2] для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при шихтовке в две пластины:

при Тл, Вт/кг,

при Тл, Вт/кг,

, Вт

Определение тока холостого хода.

По таблице 8.17 [2] находим намагничивающие мощности:

при Тл,  ВА/кг,

при Тл,  ВА/кг,    ВА/м²;

Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления намагничивающую мощность рассчитаем по формуле:

===0,08454

Следовательно, намагничивающая мощность:

 Вар

Ток холостого хода:

Активная составляющая тока холостого хода:

Реактивная составляющая тока холостого хода:

Коэффициент полезного действия трансформатора:

6. Тепловой расчет и расчет охладительной системы

Поверочный тепловой расчет обмоток

Внутренний перепад температуры:

обмотка НН (прямоугольный провод):

, °С

где  - толщина изоляции на одну сторону,  см

 - теплопроводность изоляции провода, по табл. 11.1 [2] Вт/см°С

 - плотность теплового потока на поверхности обмотки:

 Вт/м²

Тогда  °С

Потери, выделяющиеся в 1 см³ общего объема обмотки:

Вт/см³

Средняя теплопроводность обмотки:

, Вт/см °С

где - средняя условная теплопроводность обмотки без учета межслойной изоляции:

Вт/см °С

Следовательно  Вт/см °С

Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН (круглый провод):

 °С

В связи с тем что нормы необходимо в обмотке ВН сделать 3 осевых канала тогда:

°С

Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:

°С

°С

Для цилиндрических обмоток из прямоугольного и круглого провода перепад на поверхности обмотки:

Для обмотки НН:

°С

где  - по табл. 11.2 [1],

Для обмотки ВН:

 Вт/м²

следовательно, по табл. 11.2 [1],

°С

Рассчитаем среднее превышение температуры обмоток над средней температурой масла:

 °С

°С

Расчёт охладительной системы. (Бака и охладителей)

По таблице [1] в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака с прямыми трубами.

Изоляционные расстояния:

 см (для отвода U_исп = 25 кВ, покрытие 2 мм, расстояние до стенки бака по табл. 4.11 [2])

 см (для отвода U_исп = 25 кВ, покрытие 2 мм, расстояние до прессующей балки ярма по табл. 4.11 [2])

 см (для отвода U_исп = 5 кВ, без покрытия, расстояние до стенки бака по табл. 4.11 [2])

 см (для отвода U_исп = 5 кВ, без покрытия, по табл. 4.12 [2])

 см - диаметр изолированного отвода обмотки ВН

 см - диаметр изолированного отвода от обмотки НН

Расстояние S₅ определяется как:

К определению основных размеров бака

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора:

см

Принимаем А = 66 см при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Минимальная ширина бака:

см

Принимаем В = 64 см

Высота выемной части:

см

Принимаю

где n - толщина подкладки под нижнее ярмо, по § 12 [1] принимаем n =3 см

Глубина бака:

 см

где - расстояние от верхнего ярма трансформатора до крышки бака, определяется по § 12 [1].

 =90 см

Так как из двух обмоток наиболее нагрета обмотка ВН, то среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки над температурой воздуха, должно быть не более:

 °С

-большее из двух значений, подсчитанных для обмоток ВН и НН.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха будет меньше  на величину перепада температуры между маслом и стенкой бака:

°С

где °С - по [1]

Полученное значение  должно удовлетворять условию:

°С

°С

°С

Поверхность излучения бака в предварительном расчете:

м²

где к - коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и определяется по таблице[1].

К=1,2.

Поверхность конвекции бака:

 По

Определение превышения температуры обмоток и масла над воздухом.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

°С

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки бака:

 °С

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха:

°С

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха:

для НН:  °С

для ВН: °С

Определение веса масла и основных размеров расширителя

Объем бака:

м³

Масса проводов:

кг

Объем активной части:

м³

Объем масла в баке:

 м³

Масса масла в баке:

кг

Масса масла в трубах:

кг

Общая масса масла:

кг

Длина бака расширителя:

м

Объем расширителя (10% от общего объема масла):

обмотка замыкание трансформатор сердечник

кг

Требуемый объем бака расширителя:

м³

Площадь сечения бака расширителя:

 м²

Диаметр бака расширителя:

м

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта был произведен расчет силового трансформатора с заданными параметрами. Расчет велся с цель как можно проще и компактнее сконструировать основные элементы трансформатора - обмотки, сердечники, ярма, в тоже время обеспечить заданные электрические параметры работы трансформатора.

Были подтверждены тесные связи между величинами характеризующие основные размеры трансформатора и его энергетическими показателями, такими как потерь короткого замыкания и холостого хода, напряжения короткого замыкания, ток холостого хода, а также величинами характеризующие его экономические показатели - объем стали в ярмах и сердечниках, объем меди в обмотках, объем масла и т.д.