Расчет силового трансформатора

Магнитная система1.cdw

Пробка для доливки масла
Пробка слива масла из расширителя
Вентиль для слива масла из бака
Пробка слива остатков масла из бака

Курсовик.docx

Определение основных электрических величин .9
1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) ..9
2 Определение испытательных напряжений обмоток 10
3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения КЗ .10
Расчет основных размеров трансформатора ..11
1 Выбор схемы и конструкции сердечника ..11
2 Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике ..11
3 Выбор материала обмоток 11
4 Выбор конструкции и определение минимальных размеров изоляционных промежутков главной изоляции обмоток 12
6 Выбор коэффициента соотношения основных размеров трансформатора 13
6 Определение сечения стержня и высоты обмотки. Предв. расчет сердечника .13
Расчет обмоток НН и ВН 16
1 Выбор типа обмоток НН и ВН 16
2 Расчет обмотки НН 17
3 Расчет обмотки ВН 18
Определение характеристик короткого замыкания .26
1 Определение потерь короткого замыкания 26
1.1 Определение электрических потерь в обмотках .26
1.2 Определение коэффициентов увеличения электрических потерь ..27
1.3 Электрические потери в отводах .28
1.4 Определение потерь в стенках бака трансформатора 29
1.5 Суммарные потери короткого замыкания .29
2 Определение напряжения короткого замыкания ..30
3 Определение механических сил в обмотках ..33
Окончательный расчет магнитной системы .36
1 Определение размеров конструкции магнитной системы .36
2 Определение массы магнитопровода .38
3 Определение потерь холостого хода и намагничивающей мощности 38
4 Определение тока холостого хода ..39
Тепловой расчет и расчет охладительной системы .40
1 Проверочный тепловой расчет обмоток 41
2 Расчет охладительной системы 43
3 Расчет превышения температуры обмоток и масла .45
Экономический расчет 49
1 Расчет расхода активных и конструкционных материалов 49
2 Ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора .49
3 Оценка экономичности трансформатора 49
Список литературы .52
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство имеющее две или больше индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
В народном хозяйстве используются трансформаторы различного назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВА и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВА и ниже для однофазных и 5 кВА и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 63 кВА и более для трехфазных и от 5 кВА и более для однофазных сетей.
Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники автоматики сигнализации связи и т. п. а также для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов – преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть не отличающуюся особыми условиями работы или для питания приемников электрической энергии не отличающихся особыми условиями работы характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки выпрямительные установки электрические печи.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти – шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так при напряжении на шинах электростанции 15 75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции питающей сеть около 1000 км часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 1575 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 385 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 04 или 069 кВ.
Современные тенденции в производстве трансформаторов
Определяя место силового трансформатора в электрической сети следует отметить что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери отнесенные к единице мощности а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов расходуемых на все силовые трансформаторы вкладывается в наиболее отдаленные части сети т. е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии оплачиваемых по наиболее дорогой цене.
Потери холостого хода трансформатора являются постоянными не зависят от тока нагрузки и возникают в его магнитной системе в течение всего времени когда он включен в сеть. Потери короткого замыкания (нагрузочные) изменяются с изменением тока нагрузки и зависят от графика нагрузки трансформатора. Характер суточного или годового графика нагрузки трансформатора зависит от его места в сети и характера нагрузки — промышленная бытовая сельскохозяйственная и т д. Для экономических расчетов трансформаторы сети принято разделять на трансформаторы электрических станций основной сети при напряжениях 110 кВ и выше и распределительной сети непосредственно питающие потребителей при напряжениях 10 и 35 кВ. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей а следовательно энергетики страны. Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов использование прогрессивной технологии их производства экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляет 98 – 99 % и более однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью в несколько раз превышающей мощность генераторов приводит к тому что общие потери энергии во всем парке трансформаторов достигают существенных значений. Так в середине 50-х годов на потери в трансформаторах расходовалось до 6 % всей энергии выработанной электростанциями. В сериях трансформаторов выпускавшихся в последующие годы потери холостого хода снижены до 50 % и потери короткого замыкания на 20–25 % однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях роста общей мощности трансформаторного парка общие потери в парке трансформаторов уменьшились в меньшей степени. Поэтому одной из важнейших задач в настоящее время является задача существенного уменьшения потерь энергии в трансформаторах т. е. потерь холостого хода и потерь короткого замыкания.
Уменьшение потерь холостого хода достигается главным образом путем все более широкого применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами – низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке – продольной и поперечной резке рулона на пластины к толчкам и ударам при транспортировке пластин к ударам изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова сочетается с существенным изменением конструкций магнитных систем а также с новой прогрессивной технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова.
Новые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы стяжкой стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатой формой сечения ярма в плоских магнитных системах. Находят применение стыковые пространственные магнитные системы со стержнями собранными из плоских пластин и с ярмами навитыми из ленты холоднокатаной стали а также магнитные системы собранные только из навитых элементов. Эти конструкции позволяют уменьшить расход активной стали и потери холостого хода.
Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее время за счет изменения конструкции магнитной системы например путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам.
Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.
Дальнейшее расширение применения алюминия в трансформаторах больших мощностей ограничивается требованиями механической прочности обмоток при коротком замыкании. Возможность замены меди алюминием в обмотках некоторых типов трансформаторов общего и специального назначения еще не исчерпана.
Сокращение расхода изоляционных материалов трансформаторного масла и металла употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов может быть достигнуто путем снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
1Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН).
Мощность одной фазы трансформатора: [1.стр.19]
где S - номинальная мощность трансформаторакВА;
m- число фаз трансформатора:
Мощность на одном стержне [1.стр.19]
где - число активных стержней
Линейный ток обмотки ВН [1.стр.19]
Линейный ток обмотки НН [1.стр.19]
Фазный ток обмотки ВН (соединение)[1.стр.19]
Фазный ток обмотки НН (соединение [1.стр.19]
Фазное напряжение обмотки ВН (соединение) [1.стр.20]
Фазное напряжение обмоткиНН (соединение [1.стр.20]
2 Определение испытательных напряжений обмоток
Испытательное напряжение для обмоток выберем по ГОСТ 1516.1-76 для масляных силовых трансформаторов
3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения КЗ трансформатора равна [1.стр.99]
где - потери КЗ трансформатора Вт
Реактивную составляющую КЗ определим по формуле [1.стр.99]
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА
1 Выбор схемы и конструкции сердечника
Магнитопровод трансформатора опрессован в стержнях бандажами из стеклоленты [1 таблица 2.1] прессовка ярм балками стянутыми стальными полубандажами форма сечения ярма с числом ступеней на одну-две меньше числа ступеней стержня коэффициент усиления ярма102.
Выбираем плоскуютрехстержневую магнитную систему как наиболее часто применяемую на практике.
Коэффициент использования площади круга для стержня выберем согласно [3.табл.2.5] диаметр стержня ориентировочно число ступеней – 8.
2 Выбор марки и толщины листов стали и типа междулистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике.
Материалом магнитной системы выберем рулонную холоднокатную сталь марки 3404 ГОСТ 21427.1-83 толщиной с нагревостойким покрытием [3.стр.77]. Выбранная сталь обладает средними показателями по относительным удельным потерям (94%) относительной цене (104.1%) коэффициенту заполнения .
Индукцию в стержнях трансформатора примем согласно [3.табл.2.4]
3 Выбор материала обмоток
В качестве проводниковых материалов при производстве трансформаторов применяют медь и алюминий. Медь обладает большей механической прочностью и электропроводностью чем алюминий. Не смотря на то что стоимость алюминиевого провода меньше медного общая стоимость трансформаторов из медного провода практически не отличается от стоимости эквивалентного трансформатора из алюминиевого провода [2.стр.29]. В качестве материала обмоток выберем медный провод.
4 Выбор конструкции и определение минимальных размеров изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
Минимальные изоляционные расстояния главной изоляции выберем согласно [3.табл.4.4] для обмотки НН и согласно [3.табл.4.5] для обмотки ВН.
Изоляционные расстояния для обмотки НН:
обмотка НН от стержня мм;мм; мм;
Изоляционные расстояния для обмотки ВН:
между ВН и НН мм; мм; мм;
Изоляционные расстояния между разными фазами:
между обмотками ВН мм;
Изоляцию между обмотками НН и ВН выполним намоткой электроизоляционного картона [3.стр.185].
Расстояние от обмоток до ярма выберем равным осевому размеру разъемного диска при помощи которого приводится во вращение обмотка при намотки ее на стержень [2.стр.156].
Число реек по окружности для трансформатора возьмем равным десяти[3.стр.225].
5 Выбор коэффициента соотношения основных размеров трансформатора
Коэффициент определяющий соотношение между шириной и высотой трансформатора выберем согласно [3.табл.3.12]
6 Определение сечения стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника.
Первый основной размер трансформатора — диаметр стержня сердечника определим по формуле [2.стр.103]
где - коэффициент привидения идеального поля рассеивания к реальному (коэффициент Роговского) примем равным;
- реактивная составляющая напряжения короткого замыкания%;
- мощность трансформатора на один стержень кВА;
- отношение длины окружности канала между обмотками к высоте обмотки;
- максимальная индукция в стержнеТл;
- коэффициент заполнения активной сталью площади круга описанного около сечения стержня;
- приведенная ширина канала рассеивания м
Коэффициент заполнения стальюопределим по формуле [3.стр.118]
где - коэффициент круга;
- коэффициент заполнения
Приведенная ширина канала рассеивания равна [3.стр.120]
где - геометрические размеры (Рисунок 1) см
Второе слагаемое выражения (2.6.3) определим приближенно по формуле [3.стр.120]
где - коэффициент выбираемый согласно [3.табл.3.3]
Из выражений (2.6.3) и (2.6.4) получим
Диаметр стержня трансформатора выберем из стандартного ряда [3.стр.87] равным . Поскольку было произведено уточнение диаметра стержня произведем так же уточнение коэффициента по формуле [3.стр.163]
Определим второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками
где - радиальный размер обмотки НН в приближенном варианте определяется по формуле [1.стр.38]
Коэффициент примем равным. Множитель определим согласно (2.6.4).
Третий основной размер трансформатора — высота обмотки определяется по формуле [1.стр.39]
Примем высоту обмотки равной см
Высоту стержня определим по формуле [2.стр.156]
где - осевой размер разъемного диска при помощи которого приводится во вращение обмотка при намотки ее на стержень можно принять.
Радиус закругления при переходе от стержня к ярму возьмем равным [2.стр.157].
Активное сечение стержня определим по формуле [1.стр.39]
ЭДС одного витка [1.стр.39]
РАСЧЕТ ОБМОТОК НН И ВН
1 Выбор типа обмоток НН и ВН
Определим среднюю плотность тока обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания для медных проводников [1.стр.41]
где - потери мощности короткого замыкания кВт;
- ЭДС одного витка B;
S- номинальная мощность трансформатора кВА;
- средний диаметр канала между обмоткамисм;
- коэффициент учитывающий наличие добавочных потерь принимается согласно [1.табл.5.1]
Полученное значение плотности тока соответствует практически применяемым плотностям [1.табл.5.2] (для обмоток из медных проводников трансформаторов мощностью 1000-1600 кВА-).
Ориентировочное сечение витков обмоток определим по формуле [3.стр.107]
где - фазный ток обмотки одного стержня A
В соответствии с рекомендациями [2.табл.4.1] выберем типы обмоток трансформатора.
Для обмотки НН выберем:
цилиндрическую двухслойную обмотку из прямоугольного медного провода число параллельных проводов от 1 до 4-8.
Для обмотки ВН выберем:
цилиндрическую многослойную обмотку из круглого провода.
Число витков обмотки НН определим по формуле [2.стр.107]
где - фазное напряжение обмотки НН В
Примем число обмоток НН равным .
Произведем уточнение напряжения одного витка [2.стр.107]
Действительная индукция в стержне равна [2.стр.107]
По формуле (3.1.1) произведем уточнение плотности тока
Уточним сечение витка обмотки НН по формуле (3.1.2)
Согласно рекомендациям и используя [2.табл.7.2] подберем марку провода.Толщина изоляции на две стороны (Рисунок 2).
Полное сечение витка.
Определим плотность тока в обмотке НН
Для уменьшения количества слоев обмотки намотку провода будем осуществлять на ребро. Согласно [3.стр.267] для провода наматываемого на ребро должно выполняться условие
Данное условие выполняется.
Размер витка с учетом изоляции равен
Количество слоев обмотки возьмем равным двум.
Число витков в одном слое будет равно
Примем количество витков в слое равным 12.
Осевой размер обмотки определим по формуле [3.стр.267]
Примем осевой размер обмотки равным см полученное значение совпадает осевым размером обмотки полученным при расчете магнитной системы.
Максимальный тепловой поток с поверхности обмотки НН при естественной циркуляции масла должны быть [3.стр.260]. Примем равным максимальный тепловой поток равным это позволит существенно уменьшить скорость старения масла. Максимальный радиальный размер медного провода определим по формуле [3.стр.261]
где - тепловой поток ;
- коэффициент заполнения для цилиндрических обмоток
Толщина обмотки для выбранного провода составляет что меньше допустимой толщины более чем в два раза поэтому охлаждающие каналы между обмотками предусматривать не обязательно [3.стр.267]. Однако для уменьшения добавочных потерь между слоями обмотки будем использовать радиальный канал [3.стр.264]. Ширину охлаждающего канала примем согласно [3.табл.9.2а] .
При данной толщине провода согласно [3.табл.5.9] добавочные потери составляют около 5%.
Рабочее напряжение между слоями определим по формуле
Внутренний диаметр обмотки определим по формуле [3.стр.268]
Внешний диаметр обмотки равен [3.стр.268]
где - толщина обмотки НН
Площадь охлаждаемой поверхности обмотки НН для всего трансформатора определим по формуле [1.стр.51]
где - число стержней;
- коэффициент учитывающий закрытые части обмотки рейками и другими изоляционными материалами примем равным.
Согласно заданию данный трансформатор имеет систему регулирования напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ). Регулирование напряжения будет осуществляться на обмотке ВН поскольку существенно меньшие токи по сравнению с обмоткой НН упрощают конструкцию и стоимость переключающего устройства. В масляных трансформаторах данного типа и мощности кроме ответвления с основного зажима номинального напряжения должно быть еще четыре регулировочных: +5% +%2.5 -2.5% -5%.
Напряжение одной ступени регулирования равно
Число витков обмотки для обеспечения номинального напряжения найдем по формуле [3.стр.281]
Определим напряжение одного витка обмотки
Число витков на одной ступени регулирования при соединении обмотки ВН в звезду равно [3.стр.281]
Примем число витков одной ступени равным
Таблица 1: Характеристики ступеней регулирования
Ступень регулирования %
Напряжение на обмотке ВН В
Номер витка ответвления
Определим предварительно плотность тока в обмотке ВН [3.стр.282]
Определим ориентировочное сечение витка обмотки ВН
По сортаменту [3.табл.5.1] выберем провод . Толщина изоляции на две стороны .
Берем шесть витков провода полным сечением 27.48.
Уточним плотность тока
Определим количество витков помещающихся в одном слое обмотки ВН
Количество витков регулировочных ступеней составляет
где - число ступеней регулирования
Все витки регулировочных ступеней расположим во внешнем слое обмотки. Согласно рекомендациям [3.стр.275] для обеспечения более равномерной механической нагрузки при коротком замыкании регулировочные витки будем размещать симметрично относительно середины высоты обмотки (Рисунок 3).
Определим необходимое количество слоев для размещения остальных витков обмотки
Примем число слоев равным тогда количество витков в одном слое будет равно
Примем число витков в слое равным.
Рабочее напряжение между слоями определим по формуле (3.2.9)
В соответствии с полученным значением напряжения двух слоев обмотки и согласно [3.табл.4.7] между слоями будем укладывать кабельную бумагутолщиной2х0.12мм выступ межслойной изоляции на торцах обмотки на каждую сторону10мм.
По формуле (3.2.8) определим максимальную радиальную толщину обмотки исходя из допустимого теплового потока
В нашем случае суммарная толщина металлической части обмотки равна
где - диаметр проводамм;
- количество слоев без регулирования;
- количество слоев обмотки регулирования
Полученное значение более чем в три раза меньше допустимой толщины обмотки поэтому в обмотке ВН каналов предусматривать не будем.
Радиальный размер обмотки составляет
где- толщина межслойной изоляции мм.
Внутренний диаметр обмотки определим по формуле
Внешний диаметр обмотки равен
Определим полную охлаждающую поверхность обмотки ВН для всего трансформатора
где - высота обмотки ВН без учета выступа межслойной изоляции
Площадь охлаждающей поверхности равна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1 Определение потерь короткого замыкания
1.1 Определение электрических потерь в обмотках
Средний диаметр обмоток равен:
обмотка НН - (4.1.1.1)
обмотка ВН - (4.1.1.2)
Массу металла каждой из обмоток найдем по формуле [3.стр.306]
где - количество стержней трансформатора;
- средний диаметр обмотким;
- количество витков обмотки;
- удельная масс металла (для меди )
Отличием количества витков в регулировочном слое обмотки ВН пренебрежем ввиду малости погрешности.
Электрические потери в обмотках найдем по формуле [3.стр.305]
где K- коэффициент для меди при температуре равен;
- масса провода обмотки.
1.2 Определение коэффициентов увеличения электрических потерь
Для обмотки из медного прямоугольного провода (при частоте и количестве слоев ) коэффициент добавочных потерь можно найти по формуле [2.стр.136]
коэффициент (4.1.2.2)
для обмотки из круглого провода с количеством слоев добавочные потери равны
коэффициент (4.1.2.4)
где a- размер проводника в направлении перпендикулярном направлению линии магнитной индукции поля рассеивания м;
b- размер проводника в направлении параллельном линиям магнитной индукции поля рассеиваниям;
d- диаметр круглого проводника м;
n- число проводников обмотки в направлении перпендикулярном направлению линии магнитной индукции поля рассеивания;
m- число проводников обмотки в направлении параллельном направлению линии магнитной индукции поля рассеивания;
- коэффициент поля рассеивания ().
Произведем расчет для обмотки НН
Произведем расчет для обмотки ВН
1.3 Электрические потери в отводах
Общая длина отводов для обмотки НН соединенной в треугольник найдем по формуле [2.стр.137]
Общая длина отводов для обмотки ВН соединенной в звездой найдем по формуле [2.стр.137]
Вес металла отводов определим по формуле
Электрические потери в отводах найдем по формуле [2.стр.137]
где - коэффициент принимаемый равным коэффициенту в формуле (4.1.1.4).
1.4 Определение потерь в стенках бака трансформатора
Потери в стенках бака и других стальных конструкциях корпуса трансформатора приближенно определим по формуле [2.стр.139]
где - коэффициент для трансформатора заданной мощности примем равным ;
S - полная мощность трансформатора кВА
1.5Суммарные потери короткого замыкания
Суммарные потери короткого замыкания найдем по формуле [1.стр.63]
где - добавочные потери в отводах как правило составляют не более 5% электрических потерь
Полученное значение потерь короткого замыкания отклоняется от заданного на .
2 Определение напряжения короткого замыкания
Определим ширину приведенного канала рассеивания. Для трансформаторов у которых радиальные размеры обмоток мало отличаются друг от друга (трансформаторы ) можно определить по формуле [3.стр.323]
Коэффициент учитывающий отклонение реального поля рассеивания от идеального найдем по формуле [3.стр.324]
Определим действительное значение коэффициента
- диаметр до среднего расстояния между обмотками см
Подставив значения получим:
Коэффициент учитывающий отличие высот обмоток найдем по формуле [3.стр.325]
m- коэффициент зависящий от взаимного расположения обмоток при расположении обмотки ВН симметрично относительно цента коэффициент равен m=3
По формуле [3.стр.323] определим реактивную составляющую падения напряжения при коротком замыкании
Активная составляющая падения напряжения равна
Определим полное падение напряжения
Полученное значение напряжения короткого замыкания отклоняется от заданного на . Данное отклонение больше допустимого пятипроцентного отклонения поэтому произведем уточнение расстояния между обмотками и выполним расчет повторно. Примем.
Полученное значение напряжения короткого замыкания отклоняется от заданного на .
3 Определение механических сил в обмотках
Действующее значение наибольшего установившегося тока короткого замыкания определяется по формуле [1(7.38)]
Ударный ток короткого замыкания найдем по формуле [3.стр.329]
где - коэффициент учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую короткого замыкания.
Определим суммарную радиальную силу действующую на наружную обмотку и стремящуюся растянуть ее [3стр.333]
Сила сжимающая внутреннюю обмотку определим по формуле [3.стр.340]
Напряжение сжатия в проводе внутренней обмотки найдем по формуле [3.стр.340]
где - сила сжимающая внутреннюю обмоткуH;
- площадь поперечного сечения провода
Величина напряжения сжатия удовлетворяет ограничению для обмоток из меди
Напряжение растяжения внешней обмотки найдем по формуле
Величина напряжения растяжения удовлетворяет ограничению для обмоток из меди
Осевую силу рассчитаем по формуле [3.стр.341]
где - коэффициент осевой силы
где - коэффициент определяемый по формуле ;
-коэффициент выбираемый согласно [3.табл.7.4] ;
если обмотки регулирования расположены симметрично относительно центра.
Определим предельную условную температуру обмотки через время после возникновения короткого замыкания [3.стр.344]
где - наибольшая продолжительность короткого замыкания. Для масляного трансформатора напряжением менее 35 кВ составляет;
- начальная температура обмотки
Данная температура меньше максимально допустимой согласно [3.табл.7.6].
ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
1 Определение размеров конструкции магнитной системы
В качестве магнитной системы выбрана пространственная навитая магнитная система. Схематичное изображение одного из колец магнитной системы представлено на рисунке 4.
С учетом увеличения расстояния между обмотками НН и ВН в разделе4.2 произведем уточнение диаметра внешней обмотки.
Расстояние между осями обмоток соседних стержней равно [3.стр.366]
Согласно рекомендациям [3.стр.366] полученное значение округлим до 5 мм тогда С=41.5 см.
Остальные расстояния обмотки связаны с диаметром стержня и расстоянием между осями обмоток следующими соотношениями [3.стр.372]
Подставив значения получим
Координата центра тяжести сечения стержня равна
Радиус закругления при переходе от стержня к ярму примем равным .
2 Определение массы магнитопровода
Длина средней линии кольца магнитопровода равна [3.стр.372]
Масса стали навитой магнитной системы равна [3.стр.372]
где - удельная масса металла магнитной системы для системы с холоднокатной стали
3 Определение потерь холостого хода и намагничивающей мощности
Потери холостого хода трансформатора с навитой магнитной системой определяются по формуле [3.стр.388]
где - масса магнитопроводакг;
- удельные потери стали в зоне шихтованного стыка. Определяются согласно [3.табл.8.10] ;
- коэффициент учета технологического фактора ;
- коэффициент учета искажения кривой магнитного потока и индукции
Полученное значение потерь холостого хода трансформатора составляет. Проектируемый трансформатор обладает более лучшими характеристиками потерь холостого хода чем задано в задании на.
4 Определение тока холостого хода
Активная составляющая тока холостого хода равна [3.стр.388]
где S- полная мощность трансформатора кВа;
- мощность потерь холостого ходаВт;
- фазное напряжение обмотки ВН В.
Намагничивающая мощность трансформатора равна [3.стр.398]
где - коэффициент учитывающий ухудшение магнитных свойств стали в результате технологических воздействий на стальную ленту в процессе изготовления магнитной системы и несовершенство отжига
- коэффициент учитывающий искажение формы кривой магнитной индукции в магнитной системе
- полная удельная намагничивающая мощность стали в зоне шихтованного стыка. Для холоднокатной стали марок 3404 .
Полный фазный ток холостого хода равен [3.стр.398]
Полученная величина тока холостого хода меньше заданного согласно заданию поэтому разрабатываемый трансформатор обладает лучшими характеристиками.
Реактивная составляющая тока холостого хода равна [3.стр.398]
КПД трансформатора равен [1.стр.92]
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И РАСЧЕТ ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
1 Проверочный тепловой расчет обмоток
Плотность теплового потока на поверхности обмотки можно определить по формуле [3.стр.269]
где - электрические потери в обмотке Вт;
- коэффициент добавочных потерь;
- площадь полной охлаждающей поверхности обмотки м2
Плотность теплового потока обмотки НН равна
Для определения плотности теплового потока обмотки ВН произведем расчет площади охлаждающей поверхности которую необходимо уточнить в следствии уточнения размера в разделе 4.2.
Полный внутренний перепад температуры для обмотки НН (прямоугольный провод) равен [3.стр.422]
где - толщина изоляции на одну сторонум;
- удельная теплопроводность изоляции провода. Принята согласно [3.табл.9.1]
Полный внутренний перепад температуры в обмотках из круглого провода не имеющих радиальных каналов определяется по формуле [3.стр.422]
где p- потери выделяющиеся в объеме обмотке Втм3;
а- радиальный размер обмотки м;
- средняя теплопроводность обмотки Вт(м30С)
Потери в единице объема обмотки равны [3.стр.422]
где - толщина межслойной изоляции м
Средняя теплопроводность обмотки [3.стр.422]
где - теплопроводность межслойной изоляции;
- средняя условная теплопроводность без учета межслойной изоляции
Средний перепад температуры равен [3.стр.424]
Перепад на поверхности цилиндрической обмотки масляного трансформатора определим по формуле [3.стр.425]
Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой масла [3.стр.428]
Среднее превышение температуры обмоток над температурой масла лежат в пределах допустимого по ГОСТ11677-85.
2 Расчет охладительной системы
В соответствии с рекомендациями [3.табл.9.4] в качестве корпуса трансформатора выберем бак навесными радиаторами с прямыми трубами.
Определим изоляционные расстояния:
- внешний диаметр обмотки ВН;
- изоляционное расстояние от изолированного отвода (толщина изоляции 2 мм) обмотки ВН до собственной обмотки [3.табл.4.12];
- изоляционное расстояние от изолированного отвода (толщина изоляции 2мм) обмотки ВН до стенки бака [3.табл.4.11];
- диаметр изолированного отвода обмотки ВН;
- изоляционное расстояние от неизолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН [3.табл.4.12];
- изоляционное расстояние от неизолированного отвода обмотки НН до стенки бака [3.табл.4.11];
- диаметр неизолированного отвода обмотки НН
Магнитопровод трансформатора имеет пространственную конфигурацию. Центры обмоток фаз расположены в вершинах равностороннего треугольника. Минимальное расстояние от поверхности обмотки ВН до стенки бака равно:
если между обмоткой с стенкой бака находится отвод ВН
если между обмоткой с стенкой бака находится отвод НН
За расстояние от обмотки ВН до стенки бака примем большее расстояние .
Наиболее типичной формой бака для трансформатора с пространственной магнитной системой является бак в виде равносторонней призмы со скошенными углами. Определение размеров горизонтального сечения бака произведем графическим методом. Примем основные размеры бака равными Высота активной части трансформатора равна
гдеR r A b- обозначения согласно Рисунку 3
n- толщина подкладки под нижнее ярмо (30-50 мм[3.стр.431])
Общая глубина бака равна [3.стр.431]
где - расстояние от ярма до крышки бака примем согласно [1.табл.11.2]
Общую глубину бака примем равной Н = 140 см.
3 Расчет превышения температуры обмоток и масла над температурой воздуха
Длительно допустимое среднее превышение температуры обмоток над воздухом при номинальной нагрузке равно . Тогда среднее превышение температуры масла должно быть не более [3.стр.434]
Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом равно
где - перепад температуры между маслом и стенкой бака.
Согласно требованию ГОСТ превышение температуры верхних слоев масла над воздухом должно составлять менее. Данное условие может быть записано следующим образом [3.стр.434]
где - отношение максимального и среднего превышения температуры. Примем .
Поверхность излучения бака приближенно найдем по формуле [3.стр.435]
где - площадь боковой стенки бака см2;
- площадь крышки бака см2
K- коэффициент учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака. Для бака с навесными радиаторами примемk=1.8.
где - площадь крышки бака
Требуемая поверхность конвекции бака равна [1.стр.108]
Учитывая типоразмеры радиаторов [3.табл.9.9] на данном баке могут быть установлено три радиатора с одним рядом трубA=900мм. Поверхность конвекции данного радиатора составляет для труб и для двух коллекторов. Радиаторов данного типа недостаточно чтобы обеспечить охлаждение поэтому увеличим габариты бака для обеспечения возможности крепления большего количества радиаторов. Размеры бака примем равными и . Согласно формулам (6.3.5) и (6.3.6)
Выберем радиатор с двумя рядами труб и . Определим необходимое количество радиаторов
Примем число радиаторов равным. Размеры бака позволяют установить данное количество радиаторов.
Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха равно [3.стр.446]
где k- примем равным k=1.05
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака равно [3.стр.446]
где - сумма поверхностей конвекции гладкой части труб и крышки;
- при естественном масляном охлаждении
Превышение температуры масла над температурой воздуха равно
Проверим выполнение условия (6.3.3)
Среднее превышение температуры обмотки над средней температурой воздуха равно [3.стр.446]
Среднее превышение температуры обмоток над температурой воздуха лежат в пределах допустимого по ГОСТ11677-85 ().
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
1 Расчет расхода активных и конструкционных материалов
2 Ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора
Стоимость активной части трансформатора (остова с обмотками) определим по формуле [3.стр.37]
где - коэффициент учитывающий стоимость изоляционных материалов;
- средняя цена обмоточного провода. Согласно [3.стр.37] примем равным ;
- коэффициент учитывающий стоимость остова трансформатора;
- коэффициент учитывающий стоимость отходов стали при раскрое;
Коэффициенты для расчета по формуле (7.2.1) выберем согласно [3.табл.1.4].
Стоимость системы охлаждения трансформатора равна [3.стр.38]
где - удельная стоимость системы охлаждения отнесенная 1 кВт потерь [3.табл.1.5]
Общая стоимость трансформатора равна
3 Определение расчетных годовых затрат и оценка экономичности трансформатора
Годовые затраты определим по формуле [3.стр.28-29]
где - затраты связанные с компенсацией потерь холостого хода и короткого замыкания [3.табл.1.3];
- годовые затраты на компенсацию реактивной мощности;
В ходе курсового проектирования был разработан трансформатор масляный трансформатор мощностью 1600 кВА. Были рассчитаны основные электрические характеристики спроектирована магнитная система. Разработана конструкция бака и охладительной системы трансформатора. Выполнены тепловой и экономический расчеты изделия.
Характеристики полученного трансформатора соответствуют исходному заданию.
Сечин В.И. Проектирование силовых трансформаторов: учеб. пособие — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС 2005 г.
Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов: Учеб. для техникумов. - М. - Энергоатомиздат 1990 г.
Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов: учеб. пособие для вузов. - 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат 1986 г.
А.В. Сапожников Конструирование трансформаторов — издание второе перераб. М.: Государственное энергетическое издание 1959г.