Расчет масляного трансформатора

Аннотация

Проведен расчет масляного трансформатора типа ТМ-400/35.

Рассмотрены особенности проектирования масляного трансформатора с обмотками из алюминиевого провода, плоской трёхстержневой магнитной системой и типом регулирования напряжения РПН.

Выполнены сборочный чертёж магнитопровода и чертежи обмоток высокого и низкого напряжения.

Введение

масляный трансформатор обмотка

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две и более индуктивно связанные обмотки и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько систем переменного тока. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электроэнергии на большие расстояния от места ее производства до места ее потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличения числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанций единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 kBm потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы вкладываются в наиболее отдаленные части сети, то есть в трансформаторы 35 kB и 10 kB. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии оплачиваемых по дорогой цене.

К высшей категории относятся трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне лучших мировых достижений или превосходят их. В качестве основных критериев для отнесения трансформаторов к той или иной категории служат: значения потерь XX и КЗ, тока XX, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности и другие показатели

 

1. Расчет основных электрических велечин

1.1 Определение основных параметров

.1.1 Мощность одной фазы и одного стержня трансформатора

.1.2 Номинальный (линейный) ток обмоток

Низкого напряжения (НН)

Высокого напряжения (ВН)

.1.3 Фазный ток обмотки одного стержня

Низкого напряжения (НН) Iф нн=76,98 А.

Высокого напряжения (ВН) Iф вн = 6,598 А.

.1.4 Фазное напряжение

Низкого напряжения (НН)

Высокого напряжения (ВН)  

1.1.5 Испытательное напряжение (таблица 4.1): для обмоток НН U_{ИСП НH}=18 кB; для обмоток ВН U_{ИСП ВН} =85 кB

Для испытательного напряжения обмоток ВН изоляционные расстояния (таблица 4.5):

Для испытательного напряжения обмоток НН изоляционные расстояния (таблица 4.4):

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 6,598 А цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Обмотка НН при напряжении 3 кВ и токе 76,98 А двухслойная цилиндрическая из прямоугольного провода.

1.1.6 Активная составляющая напряжения короткого замыкания

.1.7 Реактивная составляющая короткого замыкания

 

2. Расчет основных значений трансформатора

2.1 Выбор схемы конструкции и изготовления магнитной системы

Для разрабатываемого трансформатора согласно указаниям §2.1 выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему. Стержни и ярма собираем в переплет из плоских пластин как единую цельную конструкцию. Используем шихтовку пластин с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне.

Рисунок1.1 - Шихтовка магнитной системы

 

.2 Выбор марки, толщины листов стали, типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе

Стержни магнитной системы прессуются расклиниванием с обмоткой. Материал магнитной системы холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Магнитная индукция в стержне трансформатора В=1,65 Тл (таблица 2.4). В сечении стержня 7 ступеней, коэффициент заполнения круга kкр=0,918 (таблица 2.5); изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие kз=0,97 (таблица 2.2)

2.3 Предварительный выбор конструкции обмоток

Расположение обмоток на стержне трансформатора концентрическое. По форме обмотки выполняются в виде круговых цилиндров, в поперечном сечении имеющих форму кольца.

2.4 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений конструкции обмоток основных размеров с учетом заданных значений

2.4.1 Суммарный приведенный радиальный размер обмоток

где k=0,6 (табл. 3.3).

.4.2 Ширина приведенного канала рассеяния

.4.3 Расчет основных коэффициентов

Коэффициент заполнения круга k_Kp=0,918 (таблица 2.5); изоляцияпластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, k₃=0,97 (таблица 2.3).Коэффициент заполнения сталью

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 6, коэффициент усиления ярма k_я=1,02 (таблица 2.8). Индукция в ярме . Число зазоров в магнитной системе: на косом стыке - четыре, на прямом - три. Индукция в зазоре на прямом стыке В"₃=В_С=1,65 Тл, на косом стыке В’₃=В_С/=1,15 Тл

По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках k_d=0,94 и по таблицам 3.4, 3.5 постоянные коэффициенты для медных обмоток

а=1,4

b=0,4

Принимаем k_p=0,95 (стр. 162). Удельные потери в стали р_с=1,411 Вт/кг, р_я=1,353 Вт/кг (таблица 8.10). Удельная намагничивающая мощность q_c= 2,131 В А/кг, q_я=1,958 ВА/кг. Удельная намагничивающая мощность для зазоров на прямых стыках qз"=26700 ВА/м, на косых стыках qз’=4000 ВА/м

2.4.4 Минимальная стоимость активной части трансформатора

x=1,1158

Решение этого уравнения дает значение , соответствующее минимальной стоимости активной части.

.4.5 Предельные значения  по допустимым значениям плотности тока и растягивающим механическим напряжениям

Оба полученных значения  лежат за пределами обычно применяемых.

2.4.6 Масса одного угла магнитной системы

.4.7 Активное сечение стержня

.4.8 Площадь зазора на прямом стыке:

Площадь зазора на косом стыке:

.4.9 Для магнитной системы потери холостого хода

k_п.д.=1,13(табл. 8.14)

k_п.у.=10,18(табл. 8.13)

2.4.10 Полная намагничивающая мощность

=1,2 (стр. 396)- для плоской трехфазной шихтованной магнитной системы; =1,06;

Таблица 1.1- Предварительный расчет трансформатора типа ТМ-400/35 с плоской шихтованной магнитной системой и медными обмотками

в	1,8	1,85	1,9	2	2,4
x	1,158292	1,166253	1,174055	1,189207	1,244666
x^2	1,341641	1,360147	1,378405	1,414214	1,549193
x^3	1,554012	1,586276	1,618323	1,681793	1,928228
A1/x	260,8806	259,0998	257,3781	254,0987	242,7768
A2*x^2	85,43971	86,61824	87,78096	90,06136	98,65728
Gc	346,3203	345,718	345,159	344,1601	341,4341
B1*x^3	321,4163	328,0895	334,7177	347,8452	398,8154
B2*x^2	36,35847	36,85999	37,35477	38,32519	41,98314
Gя	357,7748	364,9495	372,0725	386,1704	440,7986
Gст	704,0951	710,6675	717,2316	730,3305	782,2326
Gу	29,51069	30,12338	30,73195	31,93725	36,61705
1,243*Gс	552,0346	551,0745	550,1835	548,5912	544,2459
1,2*Gя	547,3954	558,3727	569,2709	590,8407	674,4218
5,23*Gу	154,3409	157,5453	160,7281	167,0318	191,5072
Px	1253,771	1266,993	1280,183	1306,464	1410,175
Пс	0,02482	0,025163	0,0255	0,026163	0,02866
1,69*Gс	938,5281	936,8958	935,381	932,6738	925,2863
80,04*Gy	3719,232	3796,45	3873,148	4025,051	4614,847
1,62*Gя	890,8592	908,7242	926,4606	961,5643	1097,588
1491,524*x^2	2001,089	2028,692	2055,924	2109,333	2310,659
Qx	7549,709	7670,762	7790,914	8028,623	8948,381
i0	1,887427	1,917691	1,947728	2,007156	2,237095
G0	235,806	232,5976	229,5167	223,7053	204,214
0,89*G0	209,8674	207,0119	204,2699	199,0977	181,7505
Gпр	186,782	184,2406	181,8002	177,1969	161,7579
ko,c *Gпр	343,6788	339,0027	334,5124	326,0424	297,6346
Са,ч	1047,774	1049,67	1051,744	1056,373	1079,867
J	3,022471	3,043246	3,063603	3,103141	3,247857
ур	8,764628	8,946598	9,127342	9,485312	10,87521
d	0,188431	0,189726	0,190995	0,19346	0,202482
d12	0,263803	0,265617	0,267393	0,270844	0,283475
l	0,46019	0,45083	0,441903	0,425226	0,37088
C	0,386803	0,388617	0,390393	0,393844	0,406475

Рисунок 1.2- Изменение массы стали стержней, ярм, магнитной системы и металла обмоток для трансформатора типа ТМ-400/35 с медными обмотками

Рисунок 1.3 - Изменение относительной стоимости активной части с изменением  для трансформатора типа ТМ-400/35 с медными обмотками

Рисунок 1.4- Изменение потерь с изменением для трансформатора типа ТМ-400/35 с медными обмотками

Рисунок 1.5- Изменение тока холостого хода с изменением  для трансформатора типа ТМ-400/35 с медными обмотками

2.5 Определение диаметра стержня и высоты обмотки

Для выбранного значения d и  рассчитаем некоторые данные: =1,85; x=1,166; x²=1.36

.5.1 Диаметр стержня

.5.2 Средний диаметр обмоток

.5.3 Высота обмоток

.5.4 Активное сечение стержня

.5.5 Высота стержня

2.5.6 Расстояние между осями стержней

Масса стали G_cm=710,67 кг; масса металла обмоток Go=232,6 кг; масса провода G_np=184,24 кг; плотность тока j=3,04*10⁶ А/м²; механические напряжения в обмотках _р= 8,95 МПа; Р_х=1266,99 Вт; i₀=1,9 %.

3. Расчет обмоток ВН и НН

3.1 Расчет обмотки НН

3.1.1 Число витков на одну фазу обмотки

.1.2 Уточняем напряжение одного витка

.1.3 Средняя плотность тока в обмотках

.1.4 Ориентировочное сечение витка

По таблице 5.8 выбираем конструкцию цилиндрической двухслойной обмотки из прямоугольного провода.

По сечению витка по таблице 5.2 выбираем 4 параллельных проводов ПБ сечением . Берем =5,79 мм

Выбираем двухслойную обмотку для намотки на ребро

Полное сечение витка

.1.5 Полученная плотность тока

.1.6 Осевой размер витка

.1.7 Осевой размер обмотки

.1.8 Радиальный размер обмотки

.1.9 Внутренний диаметр обмотки

.1.10 Наружный диаметр обмотки

3.1.11 Двухслойная обмотка с каналом между слоями шириной не более (45)мм имеет 4 охлаждаемые поверхности

.1.12 Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Условие выполняется  < (8001000) (стр. 229)

.1.13 Масса металла обмотки

По табл. 5.5 G₀₁=79 кг

 

.2 Расчет обмотки ВН

.2.1 Число витков при номинальном напряжении

3.2.2 Число витков на одной ступени регулирования

.2.4 Предварительное сечение витка

По таблице 5.8 выбираем цилиндрическую многослойную обмотку из круглого провода.

По таблице 5.1 подбираем провод сечением П₂"=2,015 мм², диаметрами

d=1,6 мм, d’=1,9 мм

.2.5 Полное сечение витка

.2.6 Плотность тока

.2.7 Число витков в слое

.2.8 Число слоев в обмотке

.2.9 Рабочее напряжение двух слоев (6.40)

По рабочему напряжению двух слоев (таблица 4.7) выбираем междуслойную изоляцию, материалом которой является кабельная бумага толщиной . Число слоев бумаги-5. Выступ межслойной изоляции на торцах в одну сторону - 16 мм.

.2.10 Радиальный размер обмотки с одной катушкой без экрана

Так как , то под внутренним слоем обмотки устанавливается металлический экран толщиной .

.2.11 Радиальный размер обмотки с двумя катушками с экраном

Для рабочего напряжения 35 кВ  увеличивается на 3 мм за счет экрана и двух слоев междуслойной изоляции.

.2.12 Внутренний диаметр обмотки

.2.13 Наружный диаметр обмотки

3.2.14 Полная охлаждающая поверхность

.2.15 Средний диаметр обмотки

.2.16 Плотность теплового потока на поверхности обмотки

3.2.17 Масса металла обмотки

По табл. 5.4 G₀₂=127,47, кг

4. Определение параметров короткого замыкания

4.1 Потери короткого замыкания

.1.1 Основные потери

.1.2 Добавочные потери в обмотке НН

.1.3 Добавочные потери в обмотке ВН

.1.4 Длина отводов

.1.5 Масса отводов НН

где =8900 кг/м³ - плотность.

.1.6 Потери в отводах НН

.1.7 Масса отводов ВН

.1.8 Потери в отводах ВН

.1.9 Потери в стенках бака и других элементах конструкции где k=0,015 (таблица 7.1).

.1.10 Полные потери при коротком замыкании

 

 

4.2 Расчет напряжения короткого замыкания

.2.1 Активная составляющая U_K3

.2.2 Реактивная составляющая U_K3

.2.3 Напряжение КЗ

.2.4 Установившийся ток КЗ на обмотке ВН

где S_K=2500 (таблица 7.2).

4.2.5 Мгновенное максимальное значение тока КЗ (таблица 7.3)

 

.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

.3.1 Радиальная сила

4.3.2 Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН

.3.3 Средние растягивающие напряжения в обмотке ВН

.3.4 Осевые силы в обмотках

4.3.5 Максимальные сжимающие силы в обмотках

Осевые силы действуют на обе обмотки. Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток ВН.

.3.6 Напряжения сжатия на межвитковых прокладках

4.4 Температура обмоток через 5 с. После возникновения КЗ

5. Расчет магнитной системы

5.1 Расчет размеров магнитной системы и массы стали

Принята конструкция трехфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной, текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы прессуются расклиниванием с обмоткой. Размеры пакетов выбраны по таблице 8.3 для стержня диаметром 0,18 м без прессующей пластины.

Таблица 5.1

№ пакета	Стержень, мм	Ярмо, мм
1	175*21	175*21
2	155*25	155*25
3	135*13	135*13
4	120*8	120*8
5	95*9	95*21
6	65*8	-

.1.1 Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня, ярма (табл. 8.6)

.1.2 Объем угла магнитной системы (табл. 8.7)

.1.3 Активное сечение стержня

5.1.4 Активное сечение ярма

.1.5 Длина стержня магнитной системы

.1.6 Расстояние между осями соседних стержней

где  - расстояние между обмотками соседних стержней (таблица 4.5).

.1.7 Масса стали угла магнитной системы

.1.8 Масса стали ярм

.1.9 Полная масса стали стержня

5.1.10 Полная масса стали плоской магнитной системы

6. Расчет параметров холостого хода

6.1 Расчет потерь холостого хода

.1.1 Магнитная индукция в стержнях плоской шихтованной магнитной системы

.1.2 Магнитная индукция в ярмах плоской шихтованной магнитной системы

.1.3 Индукция на косом стыке

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

6.1.4 Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков (таблица 8.10):

На основании § 8.2 и таблицы 8.12 принимаем коэффициенты:

.1.5 Потери холостого хода

 

.2 Расчет тока холостого хода

.2.1По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности:

На основании § 8.3 и таблицам 8.12 и 8.21 принимаем коэффициенты:

.2.2 Намагничивающая мощность холостого хода

.2.3Ток холостого хода

6.2.4 Активная составляющая тока XX

.2.5 Реактивная составляющая тока XX

7. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения

7.1 Поверочный расчет обмоток

.1.1 Внутренний перепад температуры обмоток НН

где =0,17 - теплопроводность бумажной, пропитанной маслом, изоляции провода (табл. 9.1).

.1.2 Внутренний перепад температуры обмоток ВН

.1.3 Перепад температуры на поверхности обмотки НН

.1.4 Перепад температуры на поверхности обмотки ВН

7.1.5 Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу

7.1.5.1 Обмотки НН

7.1.5.2  Обмотки ВН

7.2 Расчет системы охлаждения 7

7.2.1  Определение габаритных размеров трансформатора

По таблице 9.4 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака со стенками в виде волн.

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН.

Изоляционные расстояния( по табл. 4.11, 4.12)

S₁=90 мм

S₂=40 мм ₃⁼25 мм ₄⁼20 мм ₁=20 мм₂=20 мм

.2.2 Минимальная ширина бака

Принимаем В=0,6 м

.2.3 Минимальная длина бака

.2.4 Высота активной части

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака по таблице 9.5

.2.5 Глубина бака

 

.3 Допустимое превышение температуры обмоток и масла над температурой воздуха

.3.1 Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН

Найденное среднее превышение может быть допущено, т.к. превышение температуры масла в этом случае будет:

.3.2 Среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

Принимая предварительный перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака  и запас 2 °С, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

.3.3 Основные размеры стенок бака

Бак со стенками в виде волн выполняется с боковой стенкой, выполненной из тонколистовой стали толщиной (0,81)мм, выгнутой в виде волн

.3.4 Поверхность излучения стенки

7.3.5 Развернутая длина волны

.3.6 Число волн

.3.7 Поверхность конвекции стенки

7.3.8  Полная поверхность излучения бака

.3.9 Полная поверхность конвекции бака

7.4 Окончательный расчет превышений температуры обмоток и масла

.4.1 Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха (9.49)

.4.2 Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака (9.50)

.4.3 Превышение средней температуры над температурой воздуха

.4.4 Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

.4.5 Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха:

НН

ВН

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

Список литературы

1. Тихомиров Т.М. Расчет трансформаторов: Учеб. Пособие для вузов.-5-е изд., перераб. И доп.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 528 с.: ил.