Расчет трехфазного трансформатора

ТМ-630 на 10 с нулем.dwg

Курсовик по трансформатору.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Курсовой проект по предмету
Расчет трехфазного трансформатора
студент группы ЭПП-4 з
УСТРОЙСТВО СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.5
РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИЗОЛЯЦИОННЫХ РАССТОЯНИЙ.8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА.9
Выбор схемы и конструкции магнитной системы.9
Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных параметров.9
Расчёт обмоток НН.11
Расчёт обмотки ВН.12
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.15
Расчет потерь короткого замыкания .15
Расчет напряжения короткого замыкания.16
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА И ПАРАМЕТРОВ ХОЛОСТОГО ХОДА.17
Определение размеров магнитной системы.17
Определение массы стали.18
Расчёт потерь и тока холостого хода.19
Потери холостого хода:19
Расчет тока холостого хода.20
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.22
Трансформаторы - это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим трансформаторы являются элементами электроустановок где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство имеющее две или более обмоток связанных индуктивно и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку присоединённую к питающей сети называют первичной а обмотку к которой подсоединяется нагрузка – вторичной. Обычно все величины относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1 а относящиеся к вторичной – индексом 2.
Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I1 имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход) вследствие действия индуктивной составляющей тока IОм возникает магнитный поток который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями возникающими в местах стали при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф1 сцеплённого с первичной обмоткой сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф1 сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.
ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.
УСТРОЙСТВО СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.
Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней на которых размещаются обмотки и ярм которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.
Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня на котором расположены обмотки.
Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего – является неодинаковой.
Вследствие изменения потока в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС вызывающая вихревые токи которые стремятся замкнуться по контуру стали расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков слои сердечника набранные различными способами чередуются через один. После сборки листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой имеющей толщину 0.03мм и стягиваются при помощи изолированных шпилек.
В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения требующая меньшей толщины изоляции сердечника.
По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные обмотки которых погружены в масло и сухие охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом а содержит большое количество жидкого масла которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.
В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения требующая меньшей толщины изоляции сердечника.
В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.
В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.
В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку выполненную по типу непрерывной в которой в отличие от винтовой каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий возникающих при внезапных коротких замыканиях наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.
Дан трёхфазный двухобмоточный масляный трансформатор.
Номинальная мощность
Номинальные напряжения:
Схема и группа соединений
Напряжение короткого замыкания
Потери короткого замыкания
Потери холостого хода
РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ИЗОЛЯЦИОННЫХ РАССТОЯНИЙ.
Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.
Номинальные (линейные) токи на сторонах:
Фазные токи обмоток (YYн-0):
ВН: Iф1 = I1 = 539 А
НН: Iф2 = I2 = 1406 А
Фазные напряжения обмоток:
ВН: Uф1 = Uн1= 6000= 3464 В
НН: Uф2 = Uн2= 230= 133 В
Мощность одной фазы и обмоток одного стержня:
Sф = S = Sн3 = 5603 =18667 кВА
Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1 [1]:
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
Uа = Pк10Sн = 678010560 = 12%
Реактивная составляющая:
По таблице 5.8 [1] выбираем тип обмоток:
Обмотка ВН при напряжении 6 кВ и токе 539 А – непрерывная катушечная из прямоугольного провода.
Обмотка НН при напряжении 023 кВ и токе 1406 А – винтовая двухходовая из прямоугольного провода.
Для испытательного напряжения обмотки ВН Uисп.1 = 25 кВ по таблице 4.5 [1] находим изоляционные расстояния:
a12 = 9 мм; a22 = 10 мм
По таблице 4.4 [1] для НН Uисп.2=5 кВ S=560 кВА и винтовой обмотки находим:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА.
Выбор схемы и конструкции магнитной системы.
Выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.1.
Рис. 1 Схема плоской магнитной системы трансформатора.
Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм стальными балками. В сечении стержня 8 ступеней ярма 7 ступеней изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие плюс однократная лакировка.
Материал магнитной системы – холоднакатная сталь марки 3411 толщиной 035 мм. Индукция в стержне Вс = 16 Тл.
Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных параметров.
Диаметр стержня предварительно определяем по формуле:
Мощность обмоток одного стержня:
Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному Кр095
Коэффициент заполнения круга Ккр = 0928
Коэффициент заполнения сечения пакета сечением стали Кз = 094
Коэффициент заполнения сталью Кc = Ккр Кз = 0928 094 = 087
Ширина приведённого канала рассеивания:
ap = a12 + (a1 + a2) 3 где а12 = 910-3 м
(a1 +a2)3 = K10-2 где К = 053 табл. 3.3 [1]
(a1 +a2)3 = 05310-2 = 002 м
ар = а12 + (a1+a2)3 = 910-3 + 002 = 0029 м
d = 05 = 05 = 0203 м
После выбора нормализованного диаметра dн уточняем b:
b = b(dн d) = 22(022 0203) = 238
Активное сечение стержня:
Пс = 0785Кc Кз d2 = 07850870935 0222= 00309 м2
uв = 444fПСВС = 444500030916 = 11 В
Средний диаметр обмоток:
d12 = dн+2а01+ 2а1+а12= 022+20004+20022+0009 = 0281 м
где а1=К(a1 +a2)3 (К=11) [2. гл 17-17]
l = pd12b = 3140281238 = 037 м
Число витков обмоток НН:
W2 = Uф2Uв = 13311= 121
Напряжение одного витка:
Uв = Uф2 W2 = 13313= 102 В
Средняя плотность тока в обмотках:
J м = 000746kΔPкUвSd12 = 00074609367801025600281 =305 Амм2
Сечение витка ориентировочно:
П2 = Пв = Iф2 Jм = 1406305= 460 мм2
По таблице 5.8 [1] для мощности 560 кВА номинального тока 1406 А номинальному напряжению одной обмотки 133 В и сечению витка 460 мм2 – выбираем конструкцию винтовой обмотки.
Ориентировочный осевой размер витка:
hВ2 = = = 0025 м = 26 мм
Выбираем двух ходовую винтовую обмотку с радиальными каналами в витках и между витками с равномерно распределённой транспозицией.
По полученным ориентировочным значениям П1 и hВ1 в таблице 5.2[1] подбираем значение сечения витка из 10-ти параллельных проводов марки ПБ:
Разделённых на две группы по пять проводов с каналами по 5 мм между группами витка и между витками (рис.2).Изоляция из стекловолокна толщиной 2 = 045 мм. Намотка провода плашмя
Рис. 2 Сечение витка обмотки НН.
Полное сечение витка:
П2 = 10466 = 466 мм2
J2 = 1406466 = 302 Амм2
l2=2b10-3(W1+1)+hк(2W1+1)10-3 = 21010-3(13+1)+5(213+1)10-3 =042 м
Радиальный размер обмотки:
а1 = 55510-3 = 00275 м.
Внутренний диаметр обмотки:
D2 = d+2a01 = 022+20005 = 023 м
Внешний диаметр обмотки:
D"2 = D2+ 2а1 = 023+200275 = 0285 м
Средний диаметр обмотки:
Dср = (D2+D"2)2=(023+0285)2=0258 м
Масса метала обмотки по (7.6) [1]:
GМ2 = 28103mDсрW2П2 = 28103302581346610-6 = 1313 кг
Для обеспечения регулирования в обмотке ВН выполняется четыре ответвления на +5; +25;-25;-5% Uн и основной вывод на номинальное напряжение.
Число витков в обмотке ВН: W1+ 005 W1+0025 W1- 0025 W1- 005W1
Число витков обмотки ВН при Uн:
W1= W2 U1ф U2ф= 133460133 = 338
Напряжение на одной ступени регулирования:
ΔU= U1ф25% =34600025= 865 В
Число витков на одной ступени регулирования:
Число витков на ответвлениях
Ориентировочная плотность тока
Ориентировочное сечение витка
По таблице 58 [1] выбираем непрерывную катушечную обмотку из медного прямоугольного провода (S=560 кВА; Iф1= 539 A; U1= 6000 B; П1 = 18 мм2). По сортаменту медного обмоточного провода (табл. 52) выбираем провод марки ПБ. Изоляция из стекловолокна толщиной 2 = 045 мм. Намотка провода плашмя.
ПБ–1× сечением П1 = 182 мм2
При намотке таким проводом плашмя в одном слое укладывается витков:
l2b1= 0428010-3 = 50
Все витки катушки уложатся в семи слоях:
слоев 50 витков = 300 витков
слой 48 витков = 48 витков. Всего 348 витков
Плотность тока в обмотке:
а2 = 7а1 + 6025=21+ 15 = 225 мм
Междуслойная изоляция по табл17-13 [2].
D1 = D"2 +2a12 = 029+2910-3 = 031 м
D"1 = D1 + 2а2 = 031+200225 = 0355 м
Dср = (D1+D"1)2=(031+0355)2=0333 м
Масса металла обмотки ВН:
GМ1 = 28103mDсрw1П1= 281033033334818210-6 = 1772 кг
Масса металла обмоток НН и ВН:
Gо = GМ1 + GМ2 = 1772+1313 = 3085кг
РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.
Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установленной в одной из обмоток тока соответствующего его номинальной мощности при замкнутой накоротко второй обмотки.
Расчет потерь короткого замыкания .
Основные потери в обмотках при t = 75° C.
Росн.1 = 24J12GМ1 = 2429621772 = 3726 Вт
Росн.2 = 24J22GМ2 = 2430221313 = 2874 Вт
Добавочные потери в обмотке ВН: kД1 = 105 стр. 22 [3]
Добавочные потери в обмотке НН: kД2= 108 стр. 22 [3]
Основные потери в отводах рассчитываются следующим образом:
Длина отводов определяется приближённо по (721) [1]:
lотв = 75l2 = 75042 = 315 м
Масса отводов НН: (при плотности меди отводов g = 8900 кгм3)
Gотв.2 = lотв.Потв.2 g = 31546610-68900 = 131 кг
Потери в отводах НН: (при k = 24)
Ротв.2 = kJ22Gотв.2 = 243022131 = 287 Вт
Масса отводов ВН: (при плотности меди отводов g = 8900 кгм3)
Gотв.1 = lотв.Потв.1 g = 31518210-68900 = 051 кг
Потери в отводах ВН: (при k = 24)
Ротв.1 = kJ12Gотв.1 = 242962051 = 11 Вт
Потери в стенках бака и других элементах конструкции определяем приближённо по гл. 17-24 и табл. 17-19 [2]:
Рб = 10кбS = 100015560 = 84 Вт
Полные потери короткого замыкания по § 17-24 [2]::
Рк = Росн.1kД1+Росн.2kД2+Ротв.1+Ротв.2+ Рб =3726105+2874108+11+287+84 = 7400 Вт
что на (7400 - 6780)100 7400 = 84 % больше заданной нормы.
Расчет напряжения короткого замыкания.
uа = Pк10Sн = 740010560 = 13%
Реактивная составляющая:
Напряжение короткого замыкания:
что на (45 - 44)100 45 = 22% меньше заданной нормы.
РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА И ПАРАМЕТРОВ ХОЛОСТОГО ХОДА.
Определение размеров магнитной системы.
Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3411 толщиной 035 мм. Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.3 [1] для стержня диаметром 022 м без прессующих пластин. Число ступеней в сечении стержня 8 в сечении ярма 7.
Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.3
Ярмо (в половине поперечного сечения) мм
Сечение пакетов в половине сечения стержня:
(21523+19528+17515+15512+1359+1205+105
+757)10-6 = 001765 м2
Общая толщина пакета стержня:
(23 + 28 + 15 + 12 + 9 + 5 + 4 + 7)2 = 206 мм
Пфс = 0017652 = 00353 м2
Пс = Кз Пфс = 094 00353 = 0033 м2
Сечение пакетов в половине сечения ярма:
(21523+19528+17515+15512+1359+12016)10-6 = 0018 м2
Общая толщина пакетов ярм:
(23 + 28 + 15 + 12 + 9 + 16)2 = 206 мм
Пфя = 00182 = 0036 м2
Пя = Кз Пфя = 094 0036 = 0034 м2
lc = l2+2l01 = 042+2003 = 048 м
где l01 = 30 мм табл. 17-10 [2].
Расстояние между осями стержней:
С = D"1 + a22 = 0355+001 = 0365 м
где a22 = 10 мм табл. 17-10 [2].
Определение массы стали.
Массы стали в стержнях и ярмах магнитной системы рассчитываем по § 17-26 [2].
Масса стали стержней:
Gя = 2(с-1)СПсγс = 2 2 0365 0033 7650 = 369кг
G"я = 2Gу = 20822Пяdγс = 2 0822 0034 022 7650 = 94кг
Gя = Gя + G"я = 369 + 94 = 463 кг
Gст = Gя + Gс = 463 + 380 = 843 кг
Расчёт потерь и тока холостого хода.
Потери холостого хода:
Расчёт потерь холостого хода производим по § 8.2 [1]
Индукция на косом стыке
Площади сечения немагнитных зазоров на прямом стыке среднего стержня равны соответственно активным сечениям стержня и ярма.
Площадь сечения стержня на косом стыке:
Пкос. = Пс = 1410033 = 0047 м2
Удельные потери для стали стержней ярм и стыков по табл. 8.9 [1] для стали марки 3411 толщиной 035 мм при шихтовке в две пластины:
При Вс = 139 Тл рс = 151 Вткг; рз = 350 Втм2
При Вя = 135 Тл ря = 141 Вткг; рз = 300 Втм2
При Вкос. = 098 Тл ркос = 80 Втм2
Для плоской магнитной системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне с многоступенчатым ярмом без отверстий для шпилек с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев для определения потерь применим выражение (832) [1].
На основании § 82 и табл. 812 [1] принимаем:
kп.р. = 105; k п.з. = 1;. k п.я. = 1; k п.п. = 103; k п.ш. = 102.
По таблице 8.13 [1] находим коэффициент k п.у. = 86.
Рх = [kп.р k п.з.(рсGс + ряGя – 4ряGу + k п.у. Gу) + +4Пкос.ркос+ 1Псрз + 2Пярз] k п.я k п.п. k п.ш.
Рх = [111(151380+141369 -414147+8647)+ +4004780+10033350+20034300]1103102 = 1690 Вт
Что на 100 = 155 % меньше нормы.
Расчет тока холостого хода.
Расчёт тока холостого хода производим по § 8.3.
По таблице 8.16 [1] находим удельные намагничивающие мощности:
При Вс = 139 Тл qс = 447 ВAкг; qс.з = 11100 ВAм2
При Вя = 135 Тл qя = 39ВAкг; qя.з = 9000 ВАм2
При Вкос. = 098 qкос = 1660 ВАм2
Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления используем (8.43) в котором по § 8.3 и таблице 8.12 и 8.21 принимаем коэффициенты:
kт.р. = 165; k т.з. = 10; k т.пл. = 120; k т.я. = 10; k т.п. = 105; k т.ш. = 101.
По таблице 820 [1] находим коэффициент k т.у. = 308.
Qх = [kт.р k т.з. (qсGс + qяGя – 4qяGу + k т.у.k т.пл.Gу)+4 Пкос
qкос + 1Псqс.з + 2Пяqя.з] k т.я k т.п. k т.ш.
Qх = [1651(434380+382369-438247+3081247) + 400471660+1003311100+200349000]1105101 = 17870 ВА
i0 = Qx10S = 1787010560 = 32 %
что на = 32 % меньше заданного значения.
Активная составляющая тока холостого хода:
Реактивная составляющая тока холостого хода:
В связи с тем что тепловой расчет и расчет бака не производился помещаем вышерасчитанный трансформатор в трубчатый бак близкого по характеристикам трансформатора ТМ- 63010.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
Тихомиров П.М. ''Расчёт трансформаторов'' издательство Москва энергоатомиздат 1986 г.
Электротехнический справочник: в 3-х т. Т.2. Электротехнические устройства Под общ. ред. проф. МЭИ В.Г. Герасимова П.Г. Грудинского Л.А. Жукова и др. – 6-е изд. - М.: Энергоиздат 1981. – 640 с.
Гончарук А.И. Рачет и конструирование трансформаторов. – М.: Энергоатомизлат 1990. – 256 с.