Проектирование силовых трансформаторов

Крсовой электрические машины.docx

Первой стадией создания любого объекта изделия является проект. В этой работе проектируется силовой трансформатор для тяговой подстанции переменного тока. При проектировании трансформатора важно правильно выбрать материалы конструкцию оптимально подобрать сечение обмоток рассчитать систему охлаждения всесторонне проверить полученные значения.
Отдельные частимашины должны быть так сконструированы и рассчитаны чтобы при изготовлении машины трудоемкость и расход материалов были наименьшими а при эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями.
При проектировании необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей машин современному уровню. Проектирование трансформаторов производится с учетом требований государственных и отраслевых стандартов.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
1. Мощность одной фазы трансформатора
Sн – номинальная мощность кВА
2. Мощность на одном стержне
с – число стержней c =3.
3. Номинальный линейный ток обмотки высшего напряжения
4. Номинальный линейный ток обмотки низшего напряжения
5. Номинальные фазные токи
Iф1 – фазный ток обмотки НН
Iф2 – фазный ток обмотки ВН
6. Номинальные фазные напряжения
Uф1 – фазное напряжение обмотки НН
Uф2 – фазное напряжение обмотки ВН
7. Испытательные напряжения обмоток трансформатора
Испытательные напряжения обмоток трансформатора определяем по таблице [стр. 5] в зависимости от класса напряжения:
- для обмоток ВН – 85 кВ;
- для обмоток НН – 5 кВ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА
1. Предварительный выбор конструкции сердечника
Величину диаметра стержня d и коэффициент заполнения круга ККР выбирают по таблице [стр. 5] в зависимости от номинальной мощности трансформатора:
- диаметр стержня d = 018 м;
- коэффициент заполнения круга ККР = 095.
2. Материал сердечника и величина магнитной индукции
2.1. Материал сердечника – электротехническая сталь 3404.
2.2. Величина магнитной индукции Вс = 16 Тл.
2.3. Коэффициент заполнения нагревостойкой лаковой межлистовой изоляции КЗ = 096.
2.4. Общий коэффициент заполнения сталью
3. Выбор величин определяющих размеры трансформатора
3.1. Соотношение между шириной и высотой трансформатора.
; для алюминиевой обмотки =135
3.2. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному принимают равным КР=095
3.3. Изоляционный промежуток между обмотками НН и ВН при испытательном напряжении 85 кВ а12=27 мм.
3.4. Приведенная ширина двух обмоток
k – зависит от мощности трансформатора принимаем k=053
3.5. Величина приведенного канала рассеяния
3.6. Активная составляющая напряжения короткого замыкания
3.7. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания
4. Предварительный расчет сердечника
4.1. Диаметр стержня
Стандартный диаметр стержня выбираем по таблице П-3.1 [2].
Ближайшее значение стандартного диаметра d = 02 (м)
4.2. Средний диаметр канала между обмотками
При классе напряжения 35 кВ для алюминиевой обмотки а=148
4.4. Активное сечение стержня
Пфс – площадь сечения фигуры стержня определяется по таблице П-3.2 [2].
4.5. Предварительное значение ЭДС витка
4.6. Число витков в одной фазе обмотки НН
Определяем новые значения Uв и Вс
РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА
1. Выбор типа обмоток
1.1. Средняя плотность тока в обмотках
1.2. Предварительное сечение витка обмотки
1.3. В качестве обмотки НН выбираем цилиндрическую двухслойную
а в качестве обмотки ВН – цилиндрическую многослойную.
2. Расчет обмотки низшего напряжения
2.1. Число витков в одной фазе обмотки W1=24
2.2. Число витков в слое Wсл1=W12=12
2.3. Стандартное сечение витка
По таблице П-2 [2] выбираем обмоточный провод:
2.4. Действительная плотность тока
2.5. Осевой размер обмотки
2.6. Радиальный размер обмотки а11=5 мм
2.7. Внутренний диаметр обмотки а01=5 мм
2.8. Наружный диаметр обмотки
2.9. Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН
3. Расчет обмотки высшего напряжения
3.1. В обмотке выполняются отводы для регулирования напряжения например на 5% от номинала
3.2. Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении
3.3. Полное число витков обмотки ВН
W2н+Wр=2130+185=2315(виток)
3.4. Предварительное значение плотности тока
3.5. Предварительное значение сечения витка обмотки
3.6. Тип провода и фактическое сечение витка обмотки [2 П-2а]
3.7. Значение плотности тока
3.8. Число витков в слое. l1=l2
3.9. Число слоев в обмотке ВН
3.10. Рабочее напряжение двух слоев
3.11. Обмотка выполнена в виде 2-х катушек с каналом.
3.12. Радиальный размер обмотки
3.13. Внутренний диаметр обмотки. а12=27 мм при Uисп = 85 кВ
3.14. Наружный диаметр обмотки
3.15. Полная охлаждаемая поверхность обмотки ВН. к=083
3.16. Средний диаметр канала между обмотками
3.17. Соотношение между шириной
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
1. Потери короткого замыкания
1.1.Электрические потери в обмотке НН
1.2. Электрические потери в обмотке ВН
1.3. Потери в отводах НН
Масса материалов отводов
1.4. Потери в стенках бака
1.5.Потери короткого замыкания трансформатора
Полученное значение не превышает заданное.
2. Расчет напряжения короткого замыкания
2.1. Активная составляющая напряжения короткого замыкания
2.2. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания
где f в Гц; S’ в кВА; ар в м; UD в В.
2.3. Напряжение короткого замыкания
3. Определение механических усилий в обмотках
3.1. Установившееся значение тока короткого замыкания
3.2. Мгновенное наибольшее значение тока короткого замыкания
где - коэффициент учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.
3.3. Радиальное растягивающее усилие в обмотке ВН
где Fp в Н; iкм в А.
3.4. Растягивающее механическое напряжение в проводе обмотки ВН
Допустимые значения растягивающих напряжений:
3.5. Сила сжимающая обмотку
3.6. Величина напряжения сжатия
где n – число прокладок по окружности обмоток между катушками обычно от 4 до 8;
а – радиальный размер обмотки м;
b – ширина прокладки обычно от 004 до 006 м.
Допустимое напряжение сжатия МПа.
Расчет магнитной системы
1. Определение размеров ярма и сердечника
1.1. Размеры пакетов стержня и ярма
1.2. Площади ступенчатых стержней Пфс и ярма Пфя в см2 и объем угла Vу в см3
Пфс=288 см2 Пфя =296 см2 Vу=4811 см2
1.3. Активное сечение стержня
1.4. Активное сечение ярма
Для Uисп = 85 кВ lo = 75 мм.
2. Определение массы стали
где Vу – удельная масса см3:
для холоднокатаной стали 7650 кгм3
где Пс в м2; Gу в кг; в кгм3; а1я в мм.
2.4.стали трансформатора
Gст = Gc + Gя; Gст = 93311 (кг)
3. расчет потерь холостого хода
3.1. Магнитная индукция в стержне
3.2. Магнитная индукция в ярме
3.3. Магнитная индукция в косых стыках
3.4. Схема магнитной цепи
Для холоднокатаной стали выбираем следующую схему:
3.5. Потери холостого хода
При использовании холоднокатаной стали
где Кпр = 105 учитывает увеличение потерь за счет резки полосы рулона на ленты.
Кпз = 1 учитывает наличие заусенец.
Кпу =1018 учитывает увеличение потерь в углах магнитной системы.
Кпя = 1 учитывает различие числа ступеней ярма и стержня.
Кпп = 103 учитывает способ прессовки стержня и ярма.
Кпш = 102 учитывает перешихтовку верхнего ярма при установке обмотки.
Полученная величина Рх больше заданной на 10%.
3.6. Намагничивающая мощность
При использовании холоднокатаной стали
где Ктр = 118 учитывает увеличение намагничивающей мощности за счет резки полосы рулона на ленты.
Ктз = 1 учитывает наличие заусениц.
Ктя = 1 учитывает форму сечения ярма.
3.7. Активная составляющая тока холостого хода
3.8. Реактивная составляющая тока холостого хода
3.9. Ток холостого хода
Полученное значение i0 меньше заданного на 30%.
Тепловой расчет трансформатора. Расчет охладительной системы
1. Тепловой расчет обмотки низшего напряжения
1.1. Плотность теплового потока на поверхности обмотки НН
1.2. Внутренний перепад в обмотке НН
где - толщина изоляции провода на оду сторону м;
= 017 Втм 0С для бумажной изоляции пропитанной лаком или маслом.
1.3. Перепад температуры между поверхностью обмотки НН и маслом
где К1 = 1 для естественного масляного охлаждения;
К2 = 11 для обмоток ВН;
К3 = 1 для обмоток НН;
К4 = 1 для номинальной мощности трансформатора вплоть до 630 кВА.
1.4. Превышение температуры обмотки НН над средней температурой
2. Тепловой расчет обмотки высшего напряжения
2.1. Внутренний перепад температуры в обмотке ВН
Удельные потери в 1 м3 объема обмотки:
для алюминиевой обмотки
где j2 – плотность тока в обмотке ВН Ам2;
d2 – диаметр провода обмотки ВН без изоляции м;
d2’ – то же с изоляцией м;
- толщина прокладки между слоями обмотки ВН м.
Средняя теплопроводность обмотки ВН:
2.2. Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН
2.3. Перепад температур на поверхности обмотки ВН
2.4. Превышение температуры обмотки ВН над средней температурой
3. Расчет охладительной системы
3.1. Выбор типа бака
Выбираем бак с навесными радиаторами и прямыми трубами
3.2. Изоляционные расстояния для отводов
3.3. Ширина бака по условиям изоляции
где S1 S2 S3 S4 – изоляционные расстояния для отводов мм;
hВ1 и d’2 – наибольший размер сечения отвода мм.
где n =004 м – толщина деревянной прокладки под нижнее ярмо;
Hяк = 400 мм – расстояние от верхнего ярма до крышки бака;
hя =0155 м – высота ярма.
3.6. Среднее превышение наиболее нагретой части обмотки над
температурой воздуха
3.7. Допустимое среднее превышение температуры масла над температурой
3.8. Среднее превышение температуры поверхности бака над температурой
3.9. Поверхность конвекции гладкой части бака
Поверхность крышки бака
3.10. Поверхность излучения бака трансформатора
3.11. Необходимая поверхность конвекции трансформатора
3.12. Необходимая поверхность трубчатых охладителей
3.13. Требуемое число трубчатых охладителей
nохл=6 т.к. при nохл=5 мвв ≥600С
3.14. Поверхность конвекции бака
где Кфкр = 05 Кфгл = 1 Кфтр = 126.
3.15. Превышение температуры стенки бака или трубы трубчатого
охладителя над температурой окружающего воздуха
3.16. Превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой
3.17. Превышение температуры масла верхних слоев над температурой
По ГОСТ 11677-85 мвв ≤ 600С
3.18. Превышение температуры обмоток относительно воздуха:
По ГОСТ 11677-85 ов ≤ 650С
4. Определение объема масла и размеров расширителя
4.1. Объем выемной части бака
4.3. Объем масла в баке
4.5.масла в трубчатых охладителях
4.6. Общая масса масла в трансформаторе
4.7. Объем расширителя
4.8. Расширитель обычно выполняется цилиндрическим из листовой стали
толщиной от 1 до 3 мм и длиной lp = B =076 м.
4.9. Диаметр расширителя
5. Расчет тепловых процессов в трансформаторе при пропуске пакета
5.1. Постоянная времени нагрева обмоток трансформатора
=176 Вт минкг 0С – удельная теплоёмкость меди;
kиз=125 – коэффициент учитывающий теплоемкость витковой изоляции.
5.2. Установившееся среднее значение превышения температуры обмотки
над температурой масла (расчет ведется для наиболее нагретой обмотки) до
начала пропуска пакета поездов
где = 1 – степень нагрузки трансформатора до начала следования пакета поездов.
5.3. Установившееся превышение температуры обмоток над температурой
масла при прохождении пакта поездов.
5.4. Превышение температуры наиболее нагретой обмотки над
температурой масла трансформатора при пропуске пакета поездов в функции
5.5. Постоянная времени нагрева трансформатора
Величина номинального перегрева стали по отношению к маслу
Номинальный перегрев масла по отношению к воздуху
5.6. Установившееся среднее превышение температуры масла над
температурой воздуха до начала проследования пакета поездов равно:
5.7. Установившееся превышение температуры масла относительно воздуха
при пропускании пакета поездов равно:
5.8. Превышение температуры масла над температурой воздуха в функции
5.9. Перегрев обмоток относительно воздуха
Все три зависимости представлены на графике (см. рис.1 Приложение 1).
5.10. Допустимое время перегруза трансформатора при пропуске пакета
поездов по условиям нагрева обмоток определяется графически по
допустимому перегреву обмоток относительно воздуха в соответствии с
5.11. Превышение температуры масла верхних слоев над температурой
5.12. Допустимое время работы трансформатора при заданном перегрузе:
Переходные процессы в трансформаторе в условиях эксплуатации
1. Ток включения трансформатора
1.1. Величина намагничивающей мощности
определяем для магнитных индукций 2Тл и 4Тл.
Магнитная индукция в косых стыках равна:
1.2. Амплитуду намагничивающего тока трансформатора определяем для
значений магнитной индукции 2Тл и 4Тл
1.3. На основании полученных данных строим кривую намагничивания.
График приведен на рис.2 в приложении 1.
1.4. Коэффициент самоиндукции одной фазы обмотки ВН при
значительном насыщении стали (В>2Тл)
1.5. Активное сопротивление одной фазы обмотки ВН
1.6. При наиболее неблагоприятном включении трансформатора магнитная
индукция в стержне изменяется по следующему закону:
Графики изменения индукции и тока намагничивания во времени приведены в приложении 1 на рисунках 3 и 4 соответственно.
2. Переходные процессы в трансформаторе при внезапном коротком
2.1. Действующее значение установившегося тока короткого замыкания
трансформатора с учётом мощности электрической системы:
Sк – мощность короткого замыкания электрической системы кВА;
для сетей с классом напряжения 35 кВ она равна 2500000 кВА.
2.2.Наибольшая амплитуда тока короткого замыкания
2.3. Апериодическая составляющая тока в обмотке одной фазы
трансформатора при наиболее неблагоприятном внезапном коротком
2.4. Периодическая составляющая тока короткого замыкания
2.5. Мгновенные значения результирующего тока внезапного короткого
Задаваясь величиной t от 0 до 01 с шагом 0002 с рассчитываем апериодический и результирующий токи внезапного короткого замыкания. График изменения тока к.з. приведен на рис.5 приложения 1.
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНСФОРМАТОРА
1. Коэффициент полезного действия трансформатора
Результаты расчета приведены в таблице 4 приложения 1 также построены графики зависимости КПД от Кн2 (рис.6 приложение 1).
2. Степень нагрузки трансформатора при которой имеет место наибольший КПД.
3. Величина максимального КПД при этой нагрузке и cos φ2=1
4. Изменение напряжения в трансформаторе при номинальной нагрузке
5. Стоимость активной части трансформатора
где Gпр – масса проводов обмотки;
Gст – масса стали магнитопровода;
с0 – цена обмоточного провода:
для алюминия с0=28 у.е.кг;
сст – цена стали магнитопровода может быть принята равной около 12
К0=15; Кст=122; Котх=106.
6.Стоимость системы охлаждения
где Кохл=478 у.е.кВт
7. Стоимость трансформатора
8.Дополнительные затраты на изготовление трансформатора при увеличении расхода проводящих материалов в 1+α раз:
9.Уменьшение потерь энергии в трансформаторе при увеличении расхода проводящих материалов для режима работы с номинальной нагрузкой
10. Экономия электроэнергии в год за счет уменьшения потерь энергии в трансформаторе
где t1г – время работы трансформатора в течение года может быть принято
равным около 8000 ч;
Кнгср –средняя нагрузка трансформатора около 08.
11.Срок окупаемости дополнительных затрат связанных с увеличением расхода проводящих материалов:
где сэл – стоимость 1 кВтч электроэнергии. сэл=006 у.е. кВтч
12.Определить целесообразность увеличения расхода проводящих материалов исходя из нормативного срока окупаемости равного 833 года.
Из-за короткого срока окупаемости (564 года) целесообразно увеличить расход проводящих материалов.
В данном курсовом проекте был спроектирован силовой трансформатор
ТМ-40010. Исходя из начальных условий произведен расчет основных электрических величин согласно которым были подобраны основные размеры трансформатора. Произведен расчет и выбрано сечение витков обмоток трансформатора.
На основе проведенных расчетов были определены параметры короткого замыкания Uк= 655% и Pк= 527428 Вт что допустимо для проектируемого трансформатора. После расчета магнитной системы были определены потери холостого хода которые составили Pх= 160628 Вт.
На основе теплового расчета была выбрана охладительная система с одним охладителем превышения температур не превышают предельно допустимых значений.
Были рассмотрены переходные процессы в спроектированном трансформаторе. На полученных зависимостях кривой намагничивания и изменения тока КЗ видно что характеристики трансформатора при наиболее неблагоприятных условиях допускают использование этого трансформатора.
Рассчитан КПД трансформатора = 0.98 который также допустим для трансформаторов мощностью 400 кВА.
Из-за короткого срока окупаемости целесообразно увеличить расход проводящих материалов.
Список используемой литературы
Соломин В.А. Замшина Л.Л. Соломин А.В. Проектирование силовых трансформаторов учебное пособие. Ростов-на-Дону РГУПС 2014 г.

Чертеж1.cdw