Восстановительный ремонт трансформатора
Контрольная работа
Восстановительный расчет
трансформатора
Исходные
данные
Номинальные данные:н=63кВ×А - полная мощность
трансформатора,ВН=20кВ - номинальное высшее линейное напряжение,НН
=0,4 кВ - номинальное низшее линейное напряжение,к=5,3% -
напряжение короткого замыкания,
Схема и группа соединения обмоток.
Данные из каталога:
d=11 см - диаметр стержня магнитопровода,
С =27 см - расстояние между осями стержней,
=53,5 см - высота стержня,
Пя=89см2 - площадь активного поперечного
сечения ярма,
Р0=390Вт - потери мощности холостого хода (т.е. потери
мощности на перемагничивание магнитопровода при номинальном напряжении),
Рк=1470Вт - потери мощности при коротком замыкании при
номинальном токе,0=4,4 - сила тока холостого хода, %
3412 - Марка стали с лаковой межлистовой изоляцией.
Задание:
1. Провести расчет обмотки низкого напряжения.
2. Провести расчет обмотки высшего напряжения.
. Определить потери короткого замыкания.
. Провести тепловой расчет обмоток трансформатора.
1.
Расчет обмоток НН
Расчет обмоток трансформатора начинают с обмотки НН,
располагаемой у большинства трансформаторов ближе к стержню.
Число витков на одну фазу обмотки НН
U = Uнн / √3 = 400/1,73 = 231В
где - номинальное фазное напряжение обмотки
НН, В,
= 50 Гц - частота тока;
- магнитная индукция в стержнях, Тл.
При схеме соединения обмоток низшего напряжения в зигзаг
необходимо число витковW1 увеличить в 1,155 раз.
Площадь активного поперечного сечения стержня, м2:
где - диаметр стержня магнитопровода, м;
Кр= (0,91…0,93) - коэффициент заполнения круга при
расчете площади сечения стержня для трансформаторов от 40 до 630 кВ×А.
Для расчета примем Кр= 0,91
После округления числа витков необходимо найти напряжение
одного витка, В:
,
Для обмотки НН принимаем простую по технологии изготовления
цилиндрическую обмотку двухслойного прямоугольного провода. Число слоев обычно
выбирается равным двум.
Число витков в одном слое:
для двухслойной обмотки
Основные размеры трансформатора
Осевой размер обмотки, м:
,
где =0,015 - расстояние от обмотки НН до ярма
для трансформаторов, м; определяется по таблице;
- высота стержня, м.
Ориентировочный осевой размер витка, м,
Ориентировочное сечение витка, мм2
где - ориентировочная средняя плотность тока,
А/м2
номинальный фазный ток обмотки НН, А.
Главная изоляция обмоток определяется
электрической прочностью при 50 Гц и соответствующими испытательными
напряжениями, определяемыми по таблице.
где - мощность трансформатора, кВА;
- напряжение одного витка, В;
- коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках (в
отводах, стенках бака от гистерезиса и вихревых токов);
=0.97 - для трансформаторов до100 кВА.
Средний диаметр витка двух обмоток:
,
=1,40 для трансформаторов с напряжением до 35кВ.
Для обмоток из алюминиевого провода значения умножить на 1,06.
По полученным значениям П1'и hв1по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (см.
приложение 1 и 2) подбираются подходящие провода с соблюдением следующих
правил:
а) число параллельных проводников nв1не более 4-6 при намотке
плашмя и не более 6-8 при намотке на ребро;
б) все провода имеют одинаковые размеры поперечного сечения;
в) радиальные размеры всех параллельных проводов витка равны
между собой;
г) радиальные размеры проводов не выходят за предельные
размеры, найденные по формулам, кривым. по предельному q (обычно для масляных
трансформаторов q ≤1200 Вт/м2 и в редких случаях q ≤1400 Вт/м2);
Д) при намотке на ребро отношение радиального
размера провода к осевому его размеру не менее 1,3 и не более 3;
е) расчетная высота обмотки на 5-15 мм меньше .
При изготовлении обмоток трансформатора применяются провода
следующих марок: ПБ, АПБ, ПСД, ПСДК.
АПБ - провод алюминиевый, изолированный лентами кабельной
бумаги, класс нагревостойкости «А».
Выбираем провод
Площадь сечения провода: =36,6мм2
,
где - сечение одного проводника, мм2;
пв1 - число параллельных проводников.
Полученная плотность тока, А/м2:
,
где - осевой размер проводника с изоляцией,
мм.
Осевой размер обмотки, м:
Осевой размер обмотки должен быть близок к найденному ранее, но не
превышать его (в моем расчете условие выполняется: 0,3185 <0,33).
двухслойной
Радиальный размер канала а11=5 выбирается по условиям
изоляции в зависимости от длины обмотки по таблице.
Внутренний диаметр обмотки, м:
D1’=d+2∙a01=0,1+2∙4∙10-3=0,108
где- диаметр стержня магнитопровода, м;
a01=4∙10-3
- ширина канала между обмоткой НН и стержнемопределяется из условий изоляции
обмотки, м (таблица 2).
Наружный диаметр обмотки, м:
Средний диаметр обмотки, м:
Двухслойная обмотка с каналом между слоями, имеет четыре
охлаждаемые поверхности, ммІ:
где с - число активных (несущих обмотки)
стержней, с = 3.
Коэффициент k3учитывает закрытие части
поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями. При
предварительном расчете может быть принято k3= 0,8. Далее следует
найти плотность теплового потока, Вт/м2, на поверхности обмотки:
,
где - основные потери в обмотке НН;
- коэффициент добавочных потерь в обмотке:
для алюминия
В этих выражениях для прямоугольного провода может быть подсчитано по формуле:
где - размер проводника, в направлении
перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния, м;
- размер проводника, в направлении параллельном направлению линий
магнитной индукции поля рассеяния, м;
- число параллельных проводников в витке,
- число слоев обмотки;
- осевой размер обмотки, м;
=0,95.
Основные потери в обмотке НН, Вт
- для алюминиевого провода
,
где J1-плотность тока в обмотке
НН, А/м2,
- масса обмоток НН.
Масса обмоток НН из медных и алюминиевых проводов соответственно,
кг
,
где с - число активных (несущих обмотки)
стержней трансформатора;
- средний диаметр обмотки, м;
- число витков обмотки;
- сечение витка без изоляции, мм2.
Для масляных трансформаторов плотность теплового потока q1в обмотках не должна превышать 800-1000Вт/м2при медном
проводе и600-800Вт/м2 - при алюминиевом.
Полученное значение q1во избежание чрезмерного повышения
температуры обмотки необходимо выдерживать в пределах. Для масляных
трансформаторов плотность теплового потока в обмотках не должна превышать при
алюминиевом проводе 600-800 Вт/мІ.
.
Расчёт обмоток ВН
Расчет обмоток ВН начинается с определения
числа витков, необходимого для получения номинального напряжения, для
напряжений всех ответвлений. Число витков при номинальном напряжении
определяется по формуле:
где - номинальное фазное напряжение обмотки
ВН, В.
После определения числа витков необходимо проверить
коэффициенты трансформации:
где UВНф - фазное напряжение ВН;
UННф -
фазное напряжение НН;
- число витков обмотки высокого напряжения;
- число витков обмотки низкого напряжения.
Если это необходимо, то следует подкорректировать число витков в
обмотках. Расхождение между значениями КтрUи КтрW не должно превышать 1%.
Число витков на одной ступени
регулирования напряжения при соединении обмотки ВН в звезду:
,
где - напряжение одного витка обмотки, В
- напряжение на одной ступени регулирования обмотки или разность
напряжений двух соседних ответвлений (линейное), В.
Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании
напряжения без возбуждения ПБВ
Обычно ступени регулирования напряжения выполняются равными
между собой, чем обуславливается равенство числа витков на ступенях.
В этом случае число витков обмотки на
ответвлениях
На пяти ступенях:
верхние ступени напряжения Х1=,
Х2=
при номинальном напряжении: Х3=
нижние ступени напряжения: Х4=
Х5=
Для трехфазного трансформатора найденное число витков является числом витков на один стержень.
Осевой размер обмотки ВН 2
принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН 1.
2=1=0,3185
Плотность токав обмотке ВН, А/м2 предварительно определяется
по формуле:
,
где - средняя плотность тока обмотки, А/м2.
- плотность тока обмотки НН, А/м2.
Сечение витка обмотки ВН, мм2 предварительно
определяется по формуле:
,
где - номинальный фазный ток обмотки ВН, А.
Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода. По
ориентировочному сечению витка и сортаменту обмоточного провода (приложение 3) для
трансформаторов подбирается провод подходящего сечения:
Площадь проводника=2,545 ммІ
где- число параллельных проводников.
Полное сечение витка, м2
,
где - сечение одного проводника, мм2.
Полученная плотность тока, А/м2:
Число витков в слое:
Число слоев в обмотке:
( округляется до ближайшего большего
числа). 10ˉі
.
Радиальный размер обмотки, м.
катушки без экрана с каналом:
где - толщина междуслойной изоляции, мм
Внутренний диаметр обмотки, м,
,
где - минимальный радиальный размер осевого
канала между обмотками НН и ВН и толщина изоляционного цилиндра выбираются по
испытательному напряжению обмотки ВН согласно таблице 4, мм. =9 мм
Наружный диаметр обмотки, м,
без экрана,
,
Изоляционное расстояние между наружными обмотками соседних
стержней мм, находится по таблице 4 для масляных
трансформаторов.
Поверхность охлаждения, м2:
где с - число стержней магнитной системы.
Для одной катушки по рис. 4, в n = l; к = 1.
Коэффициент k учитывает закрытие части
поверхностей обмотки изоляционными деталями и число внутренних и наружных
поверхностей.
После того как обмотка ВН рассчитана и размещена на стержне,
для предварительной оценки ее нагрева определяется плотность теплового потока
на ее охлаждаемой поверхности, Вт/м2, по формуле:
,
где -основные потери в обмотке трансформатора,
Вт
- коэффициент добавочных потерь.
Основные потери в обмотке ВН, Вт:
- для алюминиевого провода
где - масса обмоток ВН.
Масса обмоток ВН, кг:
где - число витков обмотки ВН на средней
ступени регулирования.
Коэффициент добавочных потерь в обмотке из круглого провода:
для алюминия .
В этих выражениях для круглого провода может быть подсчитано по формуле:
где d2 - диаметр круглого проводника, м;
- число параллельных проводников в витке,
- число слоев обмотки;
- осевой размер обмотки, м;
=0,95.
Полученное q не должно быть
более допустимого. Для масляных трансформаторов плотность теплового потока в
обмотках не должна превышать 600-800Вт/м2при алюминиевом проводе.
Условие выполняетсяq = 529Вт/мІ.
3.
Определение потерь короткого замыкания
Полные потери короткого замыкания, Вт:
где - основные потери в обмотке НН и ВН, Вт
определены выше
- основные потери в отводах НН и ВН, Вт;
- коэффициенты добавочных потерь определяются по формулам;
- потери в баке и деталях конструкции, Вт.
Основные потери в отводах, Вт:
- для алюминия
Необходимо провести расчет потерь для
обмотки НН и ВН.
Масса металла проводов отводов:
где - длина отводов, м;
- сечение провода отводов принять равным сечению витка;
, м2;
, м2;
- плотность металла отводов (для алюминия кг/м3).
Длина провода для соединения в звезду: ,
где l - длина обмотки =0,3185
Потери в баке и деталях конструкций, Вт:
,
где - полная мощность трансформатора, кВА,
к = (0,015-0,02) для трансформаторов мощностью до 1000 кВА. к
=0,015
Полные потери не должны отличаться более, чем на % от табличного.
.
Тепловой расчет трансформатора
Внутренний перепад температуры в обмотке
НН (прямоугольное сечение, ˚С):
,
где - толщина изоляции провода на одну
сторону, м;
- теплопроводность изолированного провода (кабельная бумага в
масле =0,17).
Превышение температуры поверхности обмотки
над температурой масла, ˚С:
,
где =0,285;
- плотность теплового потока Вт/м2, определяется по
формуле 1.23.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой масла, ˚С:
Внутренний перепад температуры в обмотке для наружной катушки.
где - радиальный размер обмотки, м;
- средняя теплопроводность обмотки, Вт/м·с;
р - потери в 1 м3 объема обмотки, Вт/м3:
для алюминиевого провода
где , , выражены в метрах, в А/м2.
Средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной
изоляции, Вт/(м2 ˚С)
где
- теплопроводность материала изоляции витков (кабельная бумага в
масле =0,17).
Средняя теплопроводность обмотки , , приведенная к условному случаю
равномерного распределения витковой и междуслойной изоляции:
где - теплопроводность междуслойнойизоляции
витков (кабельная
бумага - =0,12, кабельная бумага в масле, электроизоляционный картон -=0,17).
Средний перепад температуры, ˚С:
Перепад температуры на поверхности обмотки, ˚С:
где =0,285. Среднее превышение температуры
обмотки над температурой масла, ˚С
трансформатор обмотка напряжение
Согласно ГОСТ предельная средняя
температура обмоток в наиболее жаркое время года не более 105-110 ˚С.
Превышение температуры частей трансформатора сверх температуры охлаждающей
среды для масляных трансформаторов:
для обмоток - 65˚С,
поверхность магнитопровода - 75˚С,
масло в верхних слоях трансформатора без
расширителя - 55˚С
Используемая
литература
1. Ерошенко, Г.П. и др.
Эксплуатация электрооборудования. - М.: Колос, 2005.
2. Гончарук, А.И. Расчет
и конструирование проводов. - М.: Энергоиздат, 1990.
. Тихомиров, П.М. Расчет
трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986.