Расчет трансформатора ТСЗ-100/10

Курсовой проект. Эл ТФ. Андреев В.А..docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Кузбасский государственный технический университет
имени Т. Ф. Горбачева»
Кафедра электроснабжения горных и
промышленных предприятий
Курсовой проект по дисциплине «Электрические трансформаторы»
на тему: «Проектирование трансформатора»
Андреев Виктор Александрович
Долгопол Татьяна Леонидовна
_Toc451882205Задание на проектирование силового трехфазного трансформатора4
Определение основных электрических величин6
1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН6
2. Выбор испытательных напряжений обмоток7
3. Определение активной и реактивной составляющих7
напряжений короткого замыкания7
Расчет основных размеров трансформатора8
1 Выбор схемы конструкции и технологии изготовления8
2 Выбор марки и толщины листов стали типа изоляции пластин индукции в магнитной системе9
3. Выбор материала обмоток10
4. Предварительный выбор конструкции обмоток10
5. Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток10
6. Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений основных размеров с учетом заданных значений Uк Pк Pх11
7. Определение диаметра стержня высоты обмотки и12
предварительный расчет магнитной системы12
Расчет обмоток НН и ВН16
1 Выбор типа обмоток16
2 Расчет обмотки НН17
3. Расчет обмотки ВН22
Определение параметров короткого замыкания28
1. Определение потерь короткого замыкания28
2. Расчет напряжения короткого замыкания31
3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании33
Расчёт магнитной системы трансформатора39
1 Определение размеров и массы магнитной системы39
2 Определение потерь холостого хода трансформатора43
3. Определение тока холостого хода45
Тепловой расчёт трансформатора49
1. Тепловой расчет обмоток49
на проектирование силового трехфазного трансформатора
Выдано « » 2016 г. студенту группы ЭПб-132 Андрееву В.А.
Выполнить расчет и конструктивную разработку трансформатора по следующим исходным данным:
Тип трансформатора – ТСЗ.
Номинальная мощность - 100 кВА.
Номинальная частота – 50 Гц.
Номинальное напряжение обмотки ВН – 10 ± 2х25% кВ.
Номинальное напряжение обмотки НН – 04 кВ.
Схема и группа соединения обмоток – УУн-0.
Режим работы – S1 (продолжительный режим).
Категория размещения – 1(наружная установка) 3 (в закрытом помещении).
Материал сердечника – электротехническая сталь марки 3405. Толщина листа – 03 мм.
Материал обмоточного провода – алюминий
Номинальные (контрольные) данные трансформатора:
Номинальное напряжение короткого замыкания – uкз = 45 %.
Номинальные потери короткого замыкания – Ркз = 172 кВт.
Номинальный ток холостого хода – iхх = 16 %.
Номинальные потери холостого хода – Рхх = 04 кВт.
Класс нагревостойкости обмоток напряжения F
Срок защиты проекта « » . . . . . . . 200.. г.
Преподаватель Т.Л.Долгопол
Проектирование трансформатора включает проработку проектного задания электромагнитный и тепловой расчеты разработку конструкции по результатам расчетов. Задание на проектирование содержит номинальные данные проектируемого трансформатора: сведения о соединении обмоток системе охлаждения режиме работы (длительная или кратковременная нагрузка) и характере установки (внутренняя или наружная); значения основных параметров; дополнительные данные о материалах активных частей.
Определение основных электрических величин
1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН
Мощность одной фазы трансформатора определяется по формуле:
где - номинальная мощность трансформатора кВА; - количество фаз шт.
Мощность на одном стержне:
где - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора;
Номинальный ток (линейный) обмотки:
где - напряжение обмотки ВН и НН кВ.
т.к. соединение «звезда».
2. Выбор испытательных напряжений обмоток
По таблице 4.2 [1] выбирается испытательное напряжение:
Испытательное напряжение Uисп – 24 кВ.
Испытательное напряжение Uисп – 3 кВ.
3. Определение активной и реактивной составляющих
напряжений короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания:
где - номинальные потери короткого замыкания кВт.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
Расчет основных размеров трансформатора
1 Выбор схемы конструкции и технологии изготовления
Существует два варианта схем магнитной системы: пространственная и плоская. В данном курсовом проекте выбирается плоская магнитная система её изготавливают путем сборки из плоских пластин электротехнической стали в которой продольные оси всех стержней и ярм располагаются в одной плоскости она представлена на рис 2.1.1.
Рис. 2.1.1. Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержень; 3 - сечение стержня; 4 - угол магнитной
Существуют следующие виды магнитных систем: стержневые броневые и бронестержневые.
В данной работе выбран стержневой вид магнитной системы в такой магнитной системе трехфазного силового трансформатора ярма соединяют разные стержни и каждое ярмо располагается со стороны торцов стержней.
По способу сборки существуют: шихтованные навитые стыковые магнитные системы.
Выбрана шихтованная магнитная система. В ней ярма и стержни собираются впереплет из плоских пластин как единая цельная конструкция (рис 2.1.2). Наименьшие потери и ток холостого хода обеспечивает наиболее сложная технологически шихтовка с шестью косыми стыками (рис. 2.1.2 а). Технологически проще сборка магнитной системы с четырьмя косыми и двумя прямыми стыками (рис. 2.1.2 б) с более высокими потерями и током холостого хода. Средней по технологичности и величине потерь и тока холостого хода является схема с косыми стыками в четырех углах и чередующимися прямым и косым стыками на среднем стержне (рис. 2.1.2 в г).
Рис 2.1.2. Схемы шихтовки магнитопроводов
Выбран план шихтовки магнитной системы: с шестью косыми стыками (рис 2.1.2). Стержень магнитной системы представляет собой симметричную ступенчатую фигуру.
Размеры стержня определяются по табл. 2.6 [1].
Ориентировочный диаметр стержня = 009 – 014;
Коэффициент заполнения Ккр = 092.
2 Выбор марки и толщины листов стали типа изоляции пластин индукции в магнитной системе
Материалом для магнитной системы силового трансформатора служит электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь марки 3405 толщиной 03 мм.
По таблице 2.4 [1] выбирается индукция в стержне трансформатора.
Для трансформаторов мощностью 100 кВА магнитная индукция лежит в пределах 15-155 Тл.
Выбрана магнитная индукция Вс = 155 Тл.
3. Выбор материала обмоток
Для силового трансформатора ТСЗ-10010 – У1 задана алюминиевая обмотка.
4. Предварительный выбор конструкции обмоток
На предварительном этапе выбора конструкции обмоток по табл. 5.8 [1] выбраны следующие типы обмоток: для ВН – непрерывная катушечная обмотка; для НН – винтовая одно- двух- многоходовая обмотка из прямоугольного провода.
5. Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
Главная изоляция обмоток определяется в основном электрической прочностью при 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями определяемыми по табл. 2.5.1. На рис. 2.5.1 показана конструкция главной изоляции обмоток сухих трансформаторов классов напряжения от 1 до 35 кВ.
По табл. 2.5.1 2..5.2. определяются минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН и НН с учетом конструктивных требований:
Таблица 2.5.1. Изоляция обмоток ВН сухих трансформаторов мм
Таблица 2.5.2. Изоляция обмоток НН сухих трансформаторов мм
Примечания: Для винтовой обмотки при Uиспдля НН 3кВ ставить цилиндр 01=25-5мм и принимать a01не менее 20мм.
Рис 2.5.1. Главная изоляция обмоток сухих трансформаторов
6. Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношений основных размеров с учетом заданных значений Uк Pк Pх
Для определения оптимального значения (коэффициент определяющий соотношение основных размеров) используются рекомендации табл. 3.12 [1] согласно которой для алюминиевой магнитной системы лежит в пределах 11 – 15 Тл.
Принимается = 14 Тл.
7. Определение диаметра стержня высоты обмотки и
предварительный расчет магнитной системы
Рис. 2.7.1. Основные размеры трансформатора
Первый основной размер. Предварительный диаметр стержня:
где Вс – индукция в стержнях трансформатора (Тл); f – частота (Гц); - реактивная составляющая тока короткого замыкания (кВ) kР = 095 – коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров стержня; ширина приведенного канала рассеяния трансформатора.
где = 063 – коэффициент определенный по таб. 3.3 [1]. Для обмоток из алюминиевого провода значение k найденное из таблицы или по прим. 3 умножить на 125.
Таблица 2.7. 1. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных
сухих трансформаторов
Мощность трансформатора S кВА
Ориентировочный диаметр стержня d м
Наличие продольных каналов
До диаметра стержня d=022 м стержень прессуется расклиниванием с обмоткой при d >022 м прессовка осуществляется бандажами. Иногда стержни с d ≤ 022 м прессуют стальными пластинами 9 передающими усилия затяжки ярмовых балок крайним пакетам стержня (рис. 2.2 в).
Рис. 2.7.2. Прессовка стержня: а – расклиниванием с изоляционным цилиндром; б - бандажами из стеклоленты; в – стальными пластинами
Коэффициент заполнения активным сечением стали:
где k3=096 - коэффициент заполнения сечения стержня по таблице 2.2 [1] kКР = 092 - отношение площади ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром d определяется по табл. 2.7.1.
Для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт который содержит нормализованные диаметры dn м [1]. Окончательно выбирается диаметр d =015 м.
Второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками d12 — может быть предварительно приближенно определен по формуле
d12 = d+2a01+2a1+a12 (2.4)
где 2a01 a12 мм определены в пункте 2.5 a1 - радиальный размер обмотки низшего напряжения.
где k1 = 11 согласно рекомендациям [1]. коэффициент k1 может быть принят равным 11 для трансформаторов мощностью 25—630 кВА с плоской или 12 с пространственной навитой магнитной системой;
a1 = 11 0019 = 0021м
d12 = 015 +2002 + 20021 + 004 = 0272 м.
Третий основной размер трансформаторов — высота обмотки определяется по формуле:
где н – величина определенная для нормализованного диаметра.
После расчета основных размеров трансформатора подсчитывается активное сечение стержня т. е. чистое сечение стали м2
Электродвижущая сила одного витка:
При окончательном расчете магнитной системы сечение стержня ПС может быть скорректировано на 05 - 3 %. В процессе расчета обмоток и магнитной системы предварительно найденные размеры могут быть изменены.
Расчет обмоток НН и ВН
1 Выбор типа обмоток
Для алюминиевых обмоток средняя плотность тока определяется по формуле:
где коэффициент kд для сухих трансформаторов мощностью 10—160 кВ·А принимать kд =099-096 и мощностью 250—1600 кВ·А kд = 092-086.
В сухих трансформаторах вследствие существенного различия условий охлаждения для внутренних и наружных обмоток плотность тока во внутренней обмотке НН обычно снижают на 20-30 % по сравнению с плотностью в наружной обмотке ВН. Поэтому в таких трансформаторах отклонение действительной плотности тока в обмотках от найденного среднего значения может достигать ± (15-20) %.
Полученные значения находятся в пределах указанных в таблице 3.1.
Таблица 3.1. Средняя плотность тока в обмоткахJ МАм2 для современных
трансформаторов с потерями короткого замыкания по ГОСТ
Сухие трансформаторы
Мощность трансформатора кВ·А
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки может быть определено:
Окончательно принимается тип обмотки по таблице 5.8 [1]: ВН –непрерывная катушечная обмотка число параллельных проводов – 1; НН - винтовая одно- двух- многоходовая обмотка из прямоугольного провода число параллельных проводов – 4.
Для НН выбрана винтовая одноходовая обмотка из прямоугольного провода (рис.3.2.1 б).
Рис. 3.2.1.Винтовая обмотка:
а – одноходовая их шести витков; б – двухходовая из четырех витков.
Число витков на одну фазу обмотки НН:
После округления числа витков следует найти напряжение одного витка:
Действительная индукция в стержне:
Выбор одноходовой или двухходовой (многоходовой) обмотки зависит от осевого размера (высоты) одного витка м ориентировочно определяемого по формуле для одноходовой обмотки:
hк1— осевой размер охлаждающего канала между витками. Ориентировочно значениеhк1может быть принято равнымhк101a1 но не менее 0004м (4 мм) гдеa1— радиальный размер обмотки НН приближенно определенный по формуле 2.5.
В том случае когда плотность тока в медном проводе обмотки не превышает 22·106-25·106Ам2и в алюминиевом 14·106- 18·106Ам2 возможно применение винтовой обмотки без радиальных каналов с плотным прилеганием витков. Высота одного витка такой обмотки может быть найдена по (6.17) или (6.18) приhк1=0.
Максимальный возможный осевой размер витка одноходовой обмотки равен максимальному размеру обмоточного провода в изоляции т.е. не может превышать 165мм для медного и 185мм для алюминиевого провода. Поэтому при получении по (6.17)hв1≤00165м (165мм) для медного провода иhв1≤O0185м (185мм) для алюминиевого следует применять одноходовую обмотку.
Пересчитаем осевой размер (высоту) одного витка м:
Предельное значение радиального размера обмотки определяется из условия охлаждения мм
где kЗ – коэффициент учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки; для цилиндрической обмоток kЗ = 08; q –плотность теплового потока.
Принимается:; – для винтовых обмоток.
По полученным ориентировочным значениям П1 и по табл. 5.3 [1] подбирают сечение проводника.
Ориентировочное сечение каждого провода 11564=289 .
Таблица 5.3 Номинальные размеры и сечение прямоугольного медного обмоточного провода марок ПСДи ПСДК (предпочтительные размеры)
(размеры а и б – в ммсечения-мм2)
Примечание: толщина изоляции провода марок ПСД ПСДК АПСД и АПСДК при диаметрах до 212 мм 2 = 03 мм при диаметрах от 224 до 5 мм 2 = 04 мм.
Рис. 3.2.2. Определение осевого размера витка и радиального размера
для винтовой обмотки
Полное сечение витка:
Средняя плотность тока:
Осевой размер (высота) обмотки спрессованной после сушки трансформатора для одноходовой обмотки без канала между двумя группами проводов по рис. 6.5 б [1]:
где – толщина прокладки между сдвоенными витками обычно равна 1 – 15 мм.
Коэффициент k учитывает усадку междукатушечных прокладок после сушки и опрессовки обмотки и может быть принят 094—096.
Внутренний диаметр обмотки НН:
D'2 = d + 2a01·10-3 (3.12)
где a01 - в мм найденный по табл. 4.4. [1].
D'2 = 015 + 2 20·10-3 = 019 м.
Наружный диаметр обмотки м
D''2 = D'1 + 2а'1·10-3 (3.13)
D''2 = 019 + 221·10-3 = 0232 м.
3. Расчет обмотки ВН
В качестве обмотки ВН выбрана непрерывная катушечная обмотка из прямоугольного провода число параллельных проводов – 1;
Рис. 3.3.1. Непрерывная катушечная обмотка
Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле:
Напряжение одного витка обмотки:
В сухих трансформаторах применяется регулирование напряжения ВН на ±2×25% по схеме рис. 6.6г. Регулировочные ответвления выводятся на доску зажимов и пересоединение с одной ступени на другую осуществляется при отключении всех обмоток трансформатора от сети перестановкой контактной пластины зажимаемой под гайки контактных шпилек.
Число витков на одной ступени регулирования напряжения:
гдеΔU— напряжение на одной ступени регулирования обмотки или разность напряжений двух соседних ответвлений В;uв— напряжение одного витка обмотки В.
Рис. 3.3.1. Различные схемы выполнения ответвлений в обмотке ВН при
регулировании напряжения без возбуждения ПБВ
Обычно ступени регулирования напряжения выполняются равными между собой чем обусловливается также и равенство числа витков на ступенях. В этом случае число витков обмотки на ответвлениях:
Верхняя ступень напряжения 2 = н2 + р;
При номинальном напряжении: н2;
Нижняя ступень напряжения н2 – р
Таблица 3.3.1. Ступени регулирования напряжения
Предел регулирования
Число витков на ответвлениях
Осевой размер обмотки ВНl2принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки ННl1
Далее расчет производится согласно виду обмотки.
Ориентировочное сечение витка
мм2. Так как обмотка катушечная то 639 мм2
Ориентировачное сечение каждого провода 6391=639.
Полное сечение витка м2
Осевой размер (высота) радиального каналаhк в сухих трансформаторах — от 10 до 20 мм. В двойных катушках если в них не делается канал вместо канала прокладываются шайбы — по две шайбы толщиной 05 мм каждая на одну двойную катушку. В трансформаторах большей мощности и при напряжении обмотки 110 и 220 кВ осевой размер канала может быть выбран от 4 до 10—15 мм. Размер каналаhкво всех случаях выбирается по условиям обеспечения электрической прочности изоляции согласно указаниям § 4.5 [1] и проверяется по условиям охлаждения (см. табл. 9.2 [1]).
Число катушек на одном стержне ориентировочно определяется по формуле
Для сдвоенных катушек с шайбами в двойных катушках и с каналами между двойными катушками число катушек
Число витков в катушке ориентировочно
Для обмотки с шайбами в двойных и с каналами между двойными катушками
Высота канала в месте разрыва обмотки и размещения регулировочных витковhкрвыбирается по условиям обеспечения электрической прочности изоляции согласно указаниям § 4.5 [1]. Коэффициентk учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки обмоткиk= 094 - 096.
Радиальный размер обмотки м
где кат2— число витков катушки дополненное до ближайшего большего целого числа; а' — радиальный размер провода мм.
Внутренний и наружный диаметры а также плотность теплового потока на поверхности обмоткиqопределяются соответственно по (6.58) (6.59) (7.19) —(7.19в) [1].
Расстояние между обмотками ВН соседних стержней а22 выбирается согласно указаниям § 4.5 или 4.6 [1].
Внутренний диаметр обмотки:
где – из пункта 2.5.
Наружный диаметр обмотки:
Определение параметров короткого замыкания
1. Определение потерь короткого замыкания
Основные потери определяются по формуле:
где – масса металла обмотки – плотность тока в обмотке.
В сухих трансформаторах вследствие лучших условий охлаждения внешней обмотки (ВН) в этой обмотке допускается более высокая плотность тока J2 чем J1во внутренней обмотке (НН) т.е. всегда J2>J1. Поэтому во избежание отклонения Рк от заданной в большую сторону рекомендуется для сухих трансформаторов принимать Jсроколо 093-097 значений полученных по (7.10) или (7.10а).
Масса металла обмотки:
где с - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора; Dср- средний диаметр обмотки м; - число витков обмотки; П - сечение витка м2.
где - средний диаметр обмоток.
Рис. 4.1.1. К определению добавочных потерь в обмотках: а – из прямоугольного провода; б – из круглого провода (стрелкой показано направление индукционных
линий поля рассеяния обмотки Фр)
Добавочные потери для алюминиевого прямоугольного провода:
где n - число проводников обмотки в направлении перпендикулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния а – размер проводника в направлении перпендикулярном линиям магнитной индукции поля рассеяния.
где m - число проводников обмотки в направлении параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния b - размер проводника в направлении параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния kр – коэффициент приведения поля рассеяния l - общий размер обмотки в направлении параллельном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния (м). Коэффициент kp если расчет kДпроизводится до расчета напряжения короткого замыкания может быть для концентрических обмоток принят равным 095
Размеры проводов а b d (а также размер обмотки l) при расчетах по (7.11) - (7.13) [1] следует выражать в метрах. Для этого реальные размеры провода выраженные в справочных таблицах в миллиметрах следует умножить на 10-3. Коэффициент kp если расчет kДпроизводится до расчета напряжения короткого замыкания может быть для концентрических обмоток принят равным 095.
Основные потери в отводах
Масса метала проводов отводов:
где кгм3 – плотность металла в отводах алюминия - общая длина проводов.
Общая длина проводов при соединении в «звезду»:
Электрические потери Вт в отводах определяются по формуле:
Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора
На этапе расчета обмоток когда размеры бака еще не известны для трансформаторов мощностью от 100 до 63000 кВ·А можно с достаточным приближением определить потери в баке и деталях конструкции:
где k коэффициент определяемый по табл. 4.1.1. – полная мощность трансформатора кВА. k - коэффициент определяемый по табл. 7.1.
Таблица 4.1.1. Значения коэффициента k
Полные потери короткого замыкания
2. Расчет напряжения короткого замыкания
Активная составляющая:
Реактивная составляющая:
где – ширина приведенного канала рассеяния (м) kр - коэффициент учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального параллельного поля вызванное конечным значением осевого размера обмоток l по сравнению с их радиальными размерами.
Коэффициент учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального параллельного поля:
Обычно kрпри концентрическом расположении обмоток и равномерном расположении витков по их высоте колеблется в пределах от 093 до 098
Тогда реактивная составляющая:
3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
Внезапное короткое замыкание вторичной обмотки трансформатора – это аварийный режим который сопровождается многократным увеличением токов в обмотках по сравнению с номинальными токами повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами действующими на обмотки. Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает:
расчет максимального тока короткого замыкания трансформатора;
определение механических сил между обмотками и их частями;
определение механических напряжений в изоляционных опорных и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток.
Действующее значение установившегося тока короткого замыкания в обмотке НН и ВН А
Подставляя значения в формулу (4.3.1) получим
Коэффициент учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания
Подставляя значения в формулу (4.3.2) получим
Наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания А
где kM - коэффициент учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.
Подставляя значения в формулу (4.3.4) получим
Механические силы возникающие при коротком замыкании между обмотками и их частями могут привести к разрушению обмотки к деформации или разрыву витков или разрушению опорных конструкций. Поэтому обмотка должна быть механически прочной что достигается ее максимальной монолитизацией: поджимом витков и опрессовкой всей обмотки пропиткой обмотки лаками.
При рассмотрении механического действия электромагнитных сил раздельно оценивают осевые силы сжимающие обмотку в осевом направлении и радиальные силы растягивающие внешнюю обмотку изгибающие и сжимающие провода внутренней обмотки.
Магнитное поле рассеяния обмоток условно представляют в виде суммы продольного и поперечного магнитных полей. Индукционные линии продольного поля В направлены параллельно оси обмотки поперечного B' – радиально. Наличие поперечного поля зависит от соотношения высоты и суммарной ширины (a1+a12+a2) обмоток. Чем выше и уже обмотка тем меньше поперечное магнитное поле.
Согласно направлению токов и правилу левой руки механические силы FP обусловленные продольным полем рассеяния будут действовать на обмотки в радиально-противоположных направлениях сжимая обмотку НН и растягивая обмотку ВН.
Радиальная сила действующая на обмотку ВН Н
где КР - коэффициент вычисленный по формуле (4.23);
DCP2 - число витков и средний диаметр обмотки ВН м;
наибольший мгновенный (ударный) ток
w2H - число витков обмотки ВН.
Подставляя значения в формулу (4.3.5) получим
На обмотку НН действует радиальная сила равная приложенной к обмотке ВН силе FР но противоположного направления.
Поперечное поле рассеяния направление которого в верхних и нижних половинах обмоток прямо противоположно образует механические силы F’O) сжимающие обмотки в осевом направлении. Осевую силу F’OC Н определяют по формуле:
где Fp - радиальная сила Н;
ар - ширина приведенного канала рассеяния определяемая по формуле (4.22) м;
l - реальная средняя длина обмоток м.
Подставляя значения в формулу (4.30) получим
Напряжение сжатия на опорных поверхностях МПа
где FСЖ – сжимающая сила Н;
n – число прокладок по окружности (выбирается по таблице 3.7. [2]);
а – радиальный размер обмотки;
b – ширина опорной прокладки; b = 50 ( может изменяться от 40 до 60).
Подставляя значения в формулу (4.3.7) получим
Для оценки механической прочности обмотки определяют напряжение сжатия во внутренней обмотке (НН) возникающее под воздействием радиальной силы FСЖ.Р.
Сила сжимающая внутреннюю обмотку (рис. 15) Н
Подставляя значения в формулу (4.3.8) получим
Напряжение сжатия в проводе внутренней обмотки МПа
где w – число витков обмотки для которой определена сила; w = 52.
П – площадь поперечного сечения одного витка мм2.
Подставляя значения в формулу (4.3.9) получим
Температура обмотки через tK секунд после возникновения короткого замыкания С
где tK - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах воздушного трансформатора принимаемая при напряжении не более 35 кВ примерно равной 3 секундам;
uK -напряжение короткого замыкания по формуле () %;
J- плотность тока в рассматриваемой обмотке Амм2;
- начальная температура обмотки принимаемая равной 90°С.
Вычисленное значение температуры должно удовлетворять условию С.
Подставляя значения в формулу (4.34) получим
Вычисленное по формуле (4.34) значение удовлетворяет условию С.
Расчёт магнитной системы трансформатора
При расчете магнитной системы определяют размеры пакетов стали и активные сечения стержня и ярма высоту стержня расстояние между осями стержней массу стержней ярм и всего магнитопровода. По результатам расчетов магнитной системы определяют потери в стали и ток холостого тока трансформатора.
1 Определение размеров и массы магнитной системы
Поперечное сечение стержней и ярм представляет собой ступенчатую фигуру состоящую из пакетов пластин электротехнической стали. Число ступеней n в сечении стержня принимают равным числу вершин углов пакетов в одной четверти сечения или числу пакетов стали в половине круга диаметре d описанного вокруг фигуры сечения стержня.
Число и размеры пакетов стали стержня выбирают руководствуясь рядом противоречивых условий. Для уменьшения диаметра стержня размеров обмоток и стоимости активных материалов желательно увеличивать число ступеней и чтобы приблизить форму сечения к кругу и получить наибольшую площадь сечения стержня. Но с увеличением числа ступеней увеличивается число пластин стали разной ширины отходы при раскрое электротехнической стали и трудоемкость сборки магнитопровода. Также приходится отступать от оптимальных размеров пакетов стали вследствие необходимости образования вертикальных каналов служащих для охлаждения и установки деталей поперечной прессовки стержня.
Число и размеры пакетов стали выбираем по таблице 8.3. [2].
Верхние и нижние ярмовые балки стягивают вертикальными шпильками расположенными снаружи обмоток (с прессующей пластиной).
Таблица 8.3. Число и размеры пакетов стали
Размеры пакетов стали в стержне а х b мм
где а – ширина пластин в мм.; b – толщина пакетов в мм.; аЯ – ширина крайнего наружного пакета ярма; nC и nЯ – число ступеней в сечении стержня и ярма; kР – коэффициент заполнения круга для стержней.
Верхние и нижние ярмовые балки соединяют стальными прессующими пластинами установленными вместо крайних на стержне узких пакетов стали. Вследствие этого число пакетов n и сечение стали стержня уменьшается по сравнению с первым вариантом осевой прессовки стержня.
Форма поперечного сечения ярма в средней части повторяет сечение стержня. Для улучшения прессовки ярма ярмовыми балкам крайние пакеты стали ярма делают более широкими объединяя два-три пакета в один.
Площадь поперечного сечения стержня или ярма определяется суммированием площадей всех пакетов стали соответствующего сечения определяемых произведением размеров пакета а х b. Полные площади поперечного сечения стержня ПФС и ярма ПФЯ приведены в табл. 5.4. [2].
Таблица 5.4. Площади сечения стержня ПФС ярма ПФЯ и объем угла VУ плоской
шихтованной магнитной системы без прессующей пластины
где ПФС и ПФЯ – площади сечений стержня и ярма; VY – объём угла плоской шихтованной магнитной системы.
Активное сечение стержня ПС и ярма ПЯ м2
где kЗ – коэффициент заполнения сталью равный 096.
Подставляя значения в формулы (5.1) и (5.2) получим
Длина стержней трансформатора м
где l2 – высота обмотки ВН м рассчитанная в разделе 3. и
Подставляя значения в формулу (5.3) получим
Расстояние между осями отдельных стержней м
где – внешний диаметр обмотки м.
Подставляя значения в формулу (5.4) получим
стали в стержнях и ярмах плоской шихтованной системы определяется суммированием масс прямых участков и углов. Углом называется часть магнитной системы заключенная в объеме образованном пересечением боковых призматических поверхностей одного ярма и одного стержня.
Масса стали угла при многоступенчатой форме сечения кг
где VУ – объём угла магнитной системы;
γСТ = 7650 кгм3 – плотность трансформаторной стали.
Подставляя значения в формулу (5.5) получим
Масса стали двух ярм трёхфазного трансформатора кг
где С – расстояние между осями стержней по формуле (5.4) м.; сечение ПЯ в м2.
Подставляя значения в формулу (5.6) получим
Масса стали стержней кг
Активное сечение стержня в м2; γСТ = 7650 кгм3 – плотность трансформаторной стали; длина стержня а1Я – ширина среднего пакета стали ярма мм равная а1С.
Подставляя значения в формулу (5.7) получим
Полная масса стали магнитной системы кг
Подставляя значения в формулу (5.8) получим
2 Определение потерь холостого хода трансформатора
Режим работы трансформатора при питании от сети одной обмотки и разомкнутой другой обмотке называется режимом холостого хода. Потери мощности в режиме холостого хода трансформатора при номинальном синусоидальном напряжении и номинальной частого называют потерями холостого хода.
Потери холостого хода трансформатора РХ слагаются из магнитных потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе потерь в стальных элементах конструкции трансформатора от потоков рассеяния электрических потерь в первичной обмотке от тока холостого хода и диэлектрических потерь в изоляции.
Диэлектрические потери в изоляции достаточно велики только при высоких частотах (103 – 106 Гц) и высоких напряжениях. В силовых трансформаторах промышленной частоты 50 Гц их можно не учитывать. Электрические потери при холостом ходе не превышают 1% от РХ и ими обычно пренебрегают. Потери в стальных Элементах конструкции при холостом ходе относительно невелики и учитываются вместе с другими добавочными потерями.
Магнитные потери в активной стали магнитопровода составляют основную часть потерь холостого хода. При определении магнитных потерь пользуются зависимостью удельных потерь в электротехнической стали р от амплитуды магнитной индукции .
Магнитную индукцию в стержне ВС и ярме ВЯ определяют по напряжению витка uВ в В и окончательно рассчитанным в разделе 5.1 активным сечениям стержня ПС и ярма ПЯ м
Подставляя значения в формулы (5.9) и (5.10) получим
Для дальнейшего расчёта из таблиц [1] подбираем коэффициенты:
kПД = 112 – коэффициент добавочных потерь для отожженных пластин по табл. 5.8 [2];
kПУ = 8.85–коэффициент увеличения потерь в углах с 6 косыми стыками по табл. 5.7 [2];
pС = 115по табл. 5.6 [2];
PЯ = 1074 по табл. 5.6 [2];
Здесь коэффициенты kПУ и kПД по табл. 5.7 5.8; удельные потери в стержне рС и ярме рЯ Вткг определяют по табл. 5.6 в зависимости от индукций ВС и ВЯ ; массы стержней GС ярм GЯ и угла GУ магнитопровода в кг. Полученное значение потерь холостого хода РХ не должно отличаться от заданного более чем на ± 75 %.
Потери холостого хода в магнитопроводе стержневого типа Вт
Подставляя значения в формулу (5.11) получим
Сверяем полученное PX c заданным. Заданное PX = 040 кВт.
3. Определение тока холостого хода
Ток первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте называется током холостого хода. Активная составляющая тока холостого хода зависит от потерь холостого хода РХ.
Реактивная составляющая определяет реактивную намагничивающую мощность QХ потребляемую трансформатором из сети и расходуемую на создание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора.
Активная составляющая тока холостого хода %
где РХ – потери холостого хода в Вт.;
SH – номинальная мощность в кВА;
Подставляя значения в формулу (5.12) получим
Реактивную составляющую тока холостого хода определяют по намагничивающей мощности трансформатора QX. Для этого магнитную систему делят на четыре участка - стержни; ярма за исключением углов магнитопровода; углы и немагнитные зазоры в местах стыков пластин стали стержней и ярм. Намагничивающая мощность QX равна сумме намагничивающих мощностей всех участков.
Намагничивающая мощность QX зависит от магнитных свойств стали магнитной системы.
Увеличение намагничивающей мощности учитывают следующими коэффициентами:
k'ТД - коэффициент учитывающий влияние резки рулона стали на пластины и срезания заусенцев. k'ТД = 1 2;
k''ТД - коэффициент учитывающий форму сечения ярма способ прессовки стержней и ярм магнитной системы расшихтовку и шихтовку верхнего ярма при насадке обмоток. k''ТД =106;
kТУ - коэффициент учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы (табл 8.12 [1]). kТУ = 417
kТПЛ - коэффициент учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2 (табл. 8.12 [1]). kТПЛ = 150
Полная намагничивающая мощность кВА
где GC GЯ GУ - массы стали стержней ярм и угла магнитопровода кг;
qC qЯ- удельные намагничивающие мощности для стали стержней и ярм по табл. 5.11 с. 81 [2] ВАкг;
n3ПР n3КОС - число прямых и косых стыков пластин стали ярм и стержней для выбранного по рис. 1.( 2 и 4) плану шихтовки магнитопровода;
q3ПР q3КОС - удельная намагничивающая мощность для зазоров определяемая из табл. 5.11 с.81 [2] по индукциям ВСПР и ВСКОС в ВАм2
П3ПР П3КОС - площадь зазора (стыка) соответственно для прямых и косых стыков м.
Для прямых стыков площадь зазора в стыке П3ПР равна площади сечения в стержне ПС индукцию в стыке ВСПР можно принять равной индукции в стержне ВС. Для косых стыков с углом резки пластин 450 площадь зазора в стыке индукция в стыке .
Принимаем qC и qЯ равным 2289 и 1850 соответственно; q3КОС = 11960 ВАм2 q3пр = 12880 ВА м2
Подставляя значения в формулу (5.13) получим
Реактивная составляющая тока холостого хода %
Подставляя значения в формулу (5.14) получим
Полный ток холостого хода %
Подставляя значения в формулу (5.15) получим
Заданное значение на проектирование i0 =16 %.
Коэффициент полезного действия трансформатора о.е.
Подставляя значения в формулу (5.16) получим
Тепловой расчёт трансформатора
Во время работы в активных частях трансформатора – обмотках и магнитопроводе – возникают потери выделяющиеся в виде тепла. Обмотки и магнитная система трансформатора нагреваются постепенно повышая свою температуру.
Большинство силовых трансформаторов работают с длительной мало изменяющейся нагрузкой не превышающей номинальной мощности. Поэтому тепловой расчёт трансформаторов выполняют для режима номинальной нагрузки.
Задача теплового расчета заключается:
В определении перепадов температур внутри обмоток и магнитной системы и между обмотками.
Наиболее важен расчет теплового режима обмоток так как в них выделяется (60-80) % потерь энергии. От температуры обмоток зависит тепловой износ изоляции и следовательно срок нормальной эксплуатации трансформатора. Поэтому при практических упрощенных расчетах находят средние перепады температур в обмотках не определяя перепады температур для магнитопровода.
1. Тепловой расчет обмоток
Тепловой расчет обмоток начинают с определения внутренних перепадов температур: О1 для обмотки НН и О2 для обмотки ВН.
Внутренний перепад температуры практически равен перепаду в изоляции одного провода С
где q – плотность теплового потока Втм2;
– толщина изоляции провода на одну сторону мм;
λИЗ – теплопроводность изоляции провода Вт(м С) по табл. 6.1[2].
Удельные потери p Втм3 определяют отношением электрических потерь в проводе единичной длины к объему занимаемому этим изолированным проводом вместе с междуслойной изоляцией:
для обмоток из провода прямоугольного сечения
Здесь К принимаем равным 344;
J – плотность тока в обмотке Амм2;
а b a` b` - размеры провода в изоляции и без.;
- толщина междуслойной изоляции мм.
Средняя теплопроводимость λСР обмотки Вт(м С): из провода прямоугольного сечения
здесь λС – теплопроводность междуслойной изоляции Вт(м С);
λ – средняя условная теплопроводимость обмотки без учета междуслойной изоляции Вт(мС).
Средний внутренний перепад температуры обмотки С
Перепад температуры на поверхности винтовых и катушечных обмоток с радиальными каналами С
Плотность теплого потока в обмотке ВН Втм2
где PОСН2 – потери в обмотке ВН
kД2 –коэффициент учитывающий добавочные потери в обмотке ВН ;
Подставляя значения в формулу (6.10) получаем:
После определения внутреннего и внешнего перепадов температуры для обмоток подсчитывают среднее превышение температуры обмотки над средней температурой охлаждающего масла С
Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов П. М. Тихомиров. – М. : Энергоатомиздат 1986. – 528 с.
А.Л Встовский . Проектирование силового масляного трансформатора: А. Л. Встовский С. А. Встовский Л. Ф. Силин. – Красноярск: СФУ 2013. – 121 с.
ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
Филимонов С. Г. Электромеханика. : учеб. пособие. Ч. 1 С. Г. Филимонов; ГУ КузГТУ. – Кемерово 2009. – 323 с.

ТСЗ-100.dwg

Бирка трансформатора
Серьга для подъема тр.
Трансформатор ТСЗ-10010