Расчет силового трехфазного двухобмоточного трансформатора(чертеж)

21.dwg

Охладительный радиатор с прямыми трубами
Трансфолрматор ТМ-16010
Трансформатор ТМ-16010

1.dwg

Охладительный радиатор с прямыми трубами
Трансфолрматор ТМ-16010
Трансформатор ТМ-16010
Шихтовка магнитной системы

курсовой проект вариант 01.doc

Задание на проектирование силового трансформатора
Первичное напряжение
Вторичное напряжение U2
Схема и группа соединения обмоток
естественное масляное
График суточной нагрузки: 0-8
Параметры трансформатора:
Напряжение короткого замыкания
Потери короткого замыкания
Потери холостого хода
Трансформатор должен соответствовать ГОСТ 11677-85 12077-76 и ГОСТ 11920-85.
Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний:
Мощность одной фазы трансформатора
S – номинальная мощность трансформатора кВА.;
m – число фаз трансформатора.
Номинальный (линейный) ток обмотки ВН СН и НН трехфазного трансформатора А:
S – мощность трансформатора кВА;
U – номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки В.
Фазный ток на стороне ВН:
Фазный ток на стороне НН:
На стороне ВН: 5774 кВ (стр. 98 3.8)
На стороне НН: кВ (стр. 98 3.7)
Испытательные напряжения (стр. 169 табл. 4.1)
Типы обмоток (стр. 258 табл. 5.8):
Обмотка ВН при напряжении 10кВ и токе 9238 А: цилиндрическая многослойная из круглого провода.
Обмотка НН при напряжении 315кВ и токе 29326 А: : цилиндрическая многослойная из круглого провода.
Изоляционные расстояния
Для испытательного напряжения ВН кВ находим изоляционное расстояние (стр. 184 табл. 4.5): мм мм мм
Для испытательного напряжения НН кВ находим изоляционное расстояние
(стр. 183 табл. 4.4): мм .
Рис. 7. Главная изоляция обмоток ВН и НН.
Определение основных размеров трансформатора:
Выбор конструкции магнитопровода.
Выбираем плоскую стержневую конструкцию (стр. 80 рис. 2.17в) с 5 косыми и 1 прямым стыками (стр. 395 табл. 8.20). В соответствии с (стр. 82табл. 2.5) выбираем число ступеней 6 без прессующей пластины при ориентировочном диаметре стержня м который соответствует стандарту (стр. 87 88). В соответствии с (стр. 88 табл. 2.7а) при заданной мощности кВА охлаждающие каналы в магнитопроводе не требуются.
Материалом для магнитной системы трансформатора выбираем электротехническую холоднокатаную анизотропную сталь марки 3404 толщиной 0.35мм плотность 7650 кг. При этом коэффициент заполнения сталью площади круга будет
Пластины электротехнической стали заготовленные для сборки магнитной системы во избежание возникновения между ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Поэтому выбираем нагревостойкое
изоляционное покрытие. Коэффициент заполнения для рулонной холоднокатаной стали в этом случае выбираем по (стр. 77 табл. 2.2) равен.
Мощность обмоток одного стержня кВА
Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора
где - размер канала между обмотками(стр. 184 табл. 4.5)
– суммарный приведенный радиальный размер обмоток
Где находится как (стр. 121 табл. 3.3)
Соотношение средней длины витка к длине обмотки (стр. 159 табл. 3.12а)
Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять (стр. 162)
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания %:
Активная составляющая напряжения короткого замыкания %:
Pк – потери короткого замыкания Вт;
S – мощность трансформатора кВА.
uк – напряжение короткого замыкания в %;
uа – активная составляющая напряжения короткого замыкания в %.
Индукция в стержне Тл (стр. 78 табл. 2.4)
Ближайший нормализованный диаметр м
Определим значение : (стр. 163 3.69)
Средний диаметр канала между обмотками может быть предварительно приближенно определен по формуле
- радиальный размер осевого канала между стержнем и обмоткой НН (м – смотри примечание на стр. 183. табл. 4.4 )
- радиальный размер осевого канала между обмотками НН и ВН (м)
- радиальный размер обмотки НН может быть приближенно рассчитан по формуле:
Принимаем для трансформаторов мощностью 25-630кВА с плоской магнитной системой.
Высота обмотки определяется по формуле
Активное сечение стержня (чистое сечение стали)
Активное сечение стержня определяется по формуле
Электродвижущая сила одного витка
Электродвижущая сила одного витка определяется по формуле
Число витков на одну фазу
Уточняем напряжение одного витка
Действительная индукция в стержне
Предварительное значение плотности тока
=0.96 (стр.131 табл.3.6)
Полученное значение соответствует (табл.5.7 на стр. 257)
Ориентировочное сечение витка
В соответствии с определенным выше сечением витка =9164 выбираем провод (стр. 211 таб.5.1) ПБ диаметром мм. Толщина провода в изоляции мм. Сечение провода . Увеличение массы 2%.
Полученная плотность тока с выбранным проводом
Число витков в слое (стр. 283 6.40)
Число слоев в обмотке
Внутренний диаметр обмотки
–радиальный размер осевого канала между стержнем и обмоткой НН
Внешний диаметр обмотки
Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН
Внешняя поверхность обмотки НН представляет собой 2 цилиндрические диаметрами и и высотой и 2 кольцевые поверхности имеющие те же
диаметры. Кроме того на обеих цилиндрических поверхностях имеется по реек ширину которых примем . Исходя из этого определим поверхность обмотки НН
где - масса провода обмотки НН
Плотность теплового потока на поверхности обмотки
Число витков при номинальном напряжении
витков(стр. 281 6.27)
Число витков на одной ступени регулирования обмотки напряжения при соединении обмотки ВН в звезду
Напряжение на одной ступени регулирования
Число витков обмотки ВН на один стержень при четырех ступенях регулирования
Для четырех ступеней регулирования: (стр. 281 6.31-6.32)
Верхние ступени напряжения
При номинальном напряжении
Нижние ступени напряжения
Ориентировочная плотность тока
Ориентировочное сечение витка
Рассчитываем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого медного провода.
По таблице 5.1 выбираем провод: ПБ диаметром толщина провода в изоляции мм сечение .
Принимая во внимание регулировочную катушку примем из которых 10 - обеспечивают номинальное напряжение а 1 - регулировочная часть.
Между 4 и 5 слоями обмотки ВН расположим канал ( стр.283). Радиальный размер "доканальной" (1-4 слои) части обмотки будет таким (стр.283 6.41):
Радиальный размер "послеканальной" (5-11 слои) части обмотки определим аналогично:
Ширину канала примем (стр.426 табл.9.2а) и найдем полный
радиальный размер обмотки ВН:
Рабочее напряжение двух слоев
Толщина межслойной изоляции (стр.190 табл.4.7)
Внутренний диаметр обмотки
Наружный диаметр обмотки
Полная охлаждаемая поверхность обмотки ВН
Внешняя поверхность обмотки ВН представляет собой 4 цилиндрические диаметрами и высотой и 4 кольцевые поверхности имеющие те же диаметры. На 3 цилиндрических поверхностях имеются рейки закрывающие часть поверхности
где -масса провода «доканальной» части обмотки
- масса провода «послеканальной» части обмотки
Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН
Потери Короткого Замыкания
Для медного провода
Добавочные потери в обмотках НН
где d = 395мм – диаметр провода;
n =5 – число проводников в направлении перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния. Численно равное количеству слоев в катушке
гдеm – число проводников обмотки в направлении параллельном направлению магнитной индукции поля рассеяния. Численно равно количеству витков в слое m1 = 66 витков.
– коэффициент учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального параллельного поля вызванное конечным значением осевого размера обмоток по сравнению с их радиальными размерами ()
Добавочные потери в обмотках ВН
где d = 24мм – диаметр провода;
n =11 – число проводников в направлении перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния. Численно равное количеству слоев в катушке.
m – число проводников обмотки в направлении параллельном направлению магнитной индукции поля рассеяния. Численно равно количеству витков в слое m1 = 109 витков.
Добавочные потери в обмотках трансформатора возникают как от продольного поля рассеяния с осевым по отношению к обмоткам направлением индукционных линий так и от поперечного поля с радиальным направлением линий.
Основные потери в отводах
Длина отводов приближенно при схеме - звезда
73 кг(стр. 315 7.23)
– плотность металла отводов для меди
Потери в отводах НН
55 кг(стр. 315 7.23)
Потери в отводах ВН
Потери в стенках бака и других элементах конструкции
где (стр. 319 табл. 7.1)
Полные потери короткого замыкания
Потери короткого замыкания при номинальном напряжении обмотки ВН
или заданного значения
Напряжение Короткого Замыкания
Активная составляющая
Реактивная составляющая
– ширина приведенного канала рассеяния
Индукция на косом стыке
Для расчета параметров холостого хода (ХХ) определим геометрические размеры магнитопровода. Т.к. длина обмоток НН и ВН выше была принята одинаковой длину стержня определим так (стр.365 (8.3)):
Расстояние между осями соседних стержней (стр.366 (8.4))
Весь объем магнитной системы складывается из 2 ярм каждое длиной 3 стержней длиной и 4 углов объем каждого из которых Сечения стержней и ярм определены там же. Найдем объемы и массы элементов магнитной системы.
Объем и масса всех углов
Объем и масса обоих ярм
Объем и масса трех стержней
Общая масса маг. системы:
Отметим что в стержнях и ярмах имеющих разные сечения несколько различна и маг. индукция и соответственно потери в ваттах на килограмм массы. Однако из (стр.376 табл.8.10) видно что в рассматриваемом случае эти различия малы и выбрав некоторые средние (для стержней и ярм) потери можно получить достаточно точный результат. По ( стр.376 табл.8.10) примем активные маг. потери в стержнях и ярмах . Считая что магнитопровод сделан из неотожженой стали примем коэффициент увеличивающий активные потери (2 стр.45 п.б)). Кроме того примем коэффициент увеличивающий активные потери в углах (2 стр.45 п.в)0. Тeперь используя формулу (стр.45(4.5)) можно найти активные потери ХХ:
По (стр.390 табл.8.17) примем полные маг. потери в стержнях и ярмах . Конструкция маг. системы с 5 косыми и 1 прямым стыками. Для такой конструкции коэффициент увеличивающий полные потери в прямых и косых стыках (стр.395 табл.8.20)
Активная составляющая тока холостого хода
Активную составляющую тока XX найдем по формуле (стр.388 (8.41)):
Реактивная составляющая тока холостого хода
Тепловой расчет обмоток
Внутренний перепад температуры обмотки НН
где - теплопроводность изоляции провода; (стр. 424 табл. 9.1)
q – плотность теплового потока на обмотки;
– толщина изоляции провода на одну сторону;
Внутренний перепад температуры обмотки ВН
Полный внутренний перепад температуры ВН
где a – радиальный размер катушки;
р – потери выделяющиеся в 1 м3 общего объема обмотки;
где - средняя теплопроводность обмотки
(стр. 424 табл. 9.1)
Средний перепад температуры обмотки ВН
Перепад температуры на поверхности обмотки НН
– учитывает скорость движения масла внутри обмотки. Коэффициент принимаем для естественного масляного охлаждения.
– учитывает затруднение конвекции масла в каналах внутренних обмоток НН и СН.
– учитывает влияние на конвекцию масла относительно ширины (высоты) горизонтальных масляных каналов и может быть выбран по (стр. 428 табл. 9.3) в зависимости от отношения высоты к глубине канала (ширине обмотки)
Перепад температуры на поверхности обмотки ВН
Среднее превышение температуры обмоток над средней температурой масла
Тепловой расчет бака
В соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами с прямыми трубами
Изоляционные расстояния:
– изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН (внешней) до собственной обмотки и равное ему расстояние этого отвода до стенки бака по таблице 4.11 на стр.199; кВ.
мм – расстояние от прессующей балки ярма до отвода с кВ по таблице 4.11 на стр.199.
– изоляционное расстояние от неизолированного или изолированного отвода обмотки НН и СН до обмотки ВН по таблице 4.12 на стр. 200; кВ.
мм – изоляционное расстояние от отвода НН или СН до стенки бака по таблице 4.11 на стр.199; кВ.
– диаметр изолированного отвода обмотки ВН при классах напряжения 10 и 35 кВ при мощностях до 10000 кВт и при больших мощностях.
– диаметр изолированного отвода от обмотки НН или СН равный или размер неизолированного отвода НН (шины) равный 10 – 15 мм.
Минимальная ширина бака
Принимаем ширину бака при центральном положении активной части трансформатора в баке
Высота активной части
где – толщина прокладки под нижнее ярмо.
Глубина бака определяется высотой активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма до крышки бака обеспечивающим размещение внутренних частей проходных изоляторов отводов и переключателей.
Минимальное расстояние от ярма до крышки бака
принимаю(стр. 431 табл. 9.5)
Для развития должной поверхности охлаждения будем применять ранее выбранный радиатор внешний вид которого представлен на рис. 95.
Рис. 95. Трубчатый радиатор с прямыми трубами.
Для развития должной поверхности охлаждения используем радиаторы с прямыми трубами по (рис. 95.) или (рис.9.16 на стр.441 в учебнике) с расстоянием между осями фланцев
(стр. 442 табл. 9.9) с поверхностью труб и двух коллекторов. Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:
где – минимальное расстояние осей фланцев от нижнего среза бака
– минимальное расстояние осей фланцев от верхнего среза бака
Масса стали радиатора:
Масса масла в радиаторе:
Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН:
Найденное среднее превышение может быть допущено так как превышение температуры масла в верхних слоях меньше в этом случае будет:
Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака и запас находим среднее
превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха
Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака
Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами
где k – коэффициент учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и приближенно равный k=1.5
Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения:(стр. 433 9.30)
Поверхность конвекции составляется из:
Поверхности гладкого бака
Поверхности крышки бака
где 0.16 – удвоенная ширина верхней рамы бака;
коэффициент 0.5 учитывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой.
Поверхность конвекции радиаторов
Поверхность конвекции одного радиатора приведенная к поверхности гладкой стенки
(стр. 432 табл. 9.6)
где – коэффициент учитывающий улучшение или ухудшение теплоотдачи конвекцией для данной формы поверхности по сравнению с вертикальной гладкой стенкой. Определяется по (табл. 9.6. стр.432) в зависимости от типа радиатора или ряда труб. В данном случае .
Необходимое число радиаторов
Поверхность конвекции бака
Поверхность излучения
Определение превышений температуры масла и обмоток над температурой окружающего воздуха
Среднее превышение температуры наружной поверхности стенки бака над температурой воздуха
- коэффициент повышающий потери против расчетных значений.
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки бака
коэффициент равный 10 при естественном масляном охлаждении.
– сумма поверхностей конвекции гладкой части труб волн крышки без учёта коэффициентов улучшения или ухудшения конвекции.
Превышение средней температуры масла над температурой воздуха
Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха
– определяет отношение максимального и среднего превышений температуры масла может быть принято равным 12.
Полученное значение должно удовлетворять неравенству:
вытекающему из требования ГОСТ чтобы превышение температуры верхних слоев масла над воздухом не превосходилодля трансформаторов с расширителем и герметичных.
неравенство выполняется.
Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха
Превышение температуры масла в верхних слоях и обмоток лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11677 – 85.
Зависимость изменения выходного напряжения при номинальной нагрузке от фазового сдвига в нагрузке
График этой зависимости показан на рис.1. Угол отложен в радианах Изменение напряжения - в процентах Зависимость выходного напряжения трансформатора от коэффициента нагрузки можно записать:
При график этой зависимости будет таким (рис.2):
Зависимость КПД трансформатора от нагрузки выражается формулой:
При график этой зависимости показан на рис.3.
Для определения среднесуточного КПД по формуле (1) определим его в заданные промежутки времени:
От 0 до 8 часов (8 часов) = 10%
От 8 до 12 часов (4 часа) = 100%
От 12 до 14 часов (4 часа) = 50%
От 14 до 18 часов (4 часа) = 100%
От 18 до 24 часов (6 часов) =10%
Т.о. среднесуточный КПД будет таким:
Список используемой литературы
Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. – изд. 5М.: Энергоатомиздат 1986.
Дымков А.М. Расчет и конструирование трансформаторов. М.1971.