Курсовая работа (т): Расчет масляного трансформатора

Расчет масляного трансформатора

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Введение

. Предварительный расчет трансформатора

.1 Расчет основных электрических величин трансформатора

.2 Основные размеры

. Выбор типа конструкций и расчет обмоток ВН и НН

.1 Выбор типа обмоток

.2 Расчет обмотки НН

.3 Расчет обмотки ВН

. Расчет параметров короткого замыкания

.1 Расчет потерь в обмотках

.2 Расчет потерь в отводах и стенках бака трансформатора

.3 Суммарные потери КЗ и расчет напряжения КЗ

.4 Расчет усилий, возникающих при КЗ

. Расчет магнитной системы трансформатора

.1 Определение размеров магнитной системы и массы стали

.2 Расчет потерь холостого хода

.3 Расчет тока холостого хода

. Определение рабочих характеристик трансформатора

. Тепловой расчет трансформатора

.1 Тепловой расчет обмоток

.2 Тепловой расчет бака

. Определение массы ТР

Вывод

Список используемой литературы

Техническое задание

Мощность трансформатора: 160

Материал обмоток: Алюминий

Схема соединения обмоток:

Напряжения обмоток:

Обмотка ВН:35 кВ

Обмотка НН: 0,69 кВ

Потери холостого хода: 620 Вт

Потери короткого замыкания: 3100 Вт

Напряжение короткого замыкания:

Ток холостого хода:

Введение

Назначение и роль трансформаторов

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 6,3 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.

Централизованное производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах большие количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование дешевой электрической энергии непосредственно у потребителей, находящихся на значительном удалении, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенных на территории страны, требует при этом создания сложных разветвленных электрических сетей.

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: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 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.

В связи с повышением общих требований, предъявляемых энергетикой к силовым трансформаторам, расширением шкалы мощностей и напряжений в последние годы продолжалась работа по стандартизации силовых трансформаторов.

Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей и напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей, нарастающих по стандартизованной шкале с основным коэффициентом нарастания 1,6 (в отдельных местах шкалы 1,25). Увеличивается выпуск трансформаторов специального назначения - для питания электрических печей, преобразовательных устройств, рудничных установок и др., а также трансформаторов для комплектных трансформаторных подстанций. Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства и становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов по мощностям, назначению и классам напряжения между отдельными заводами, а также сосредоточения на отдельных заводах производства однотипных трансформаторов.

Наряду с масляными используются также и сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением. Они находят все более широкое применение в установках внутри производственных помещений, жилых и служебных зданий, т.е. там, где установка масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустима. Мощность в единице этих трансформаторов достигает в нормальных сериях 1600 кВА при напряжении 10 кВ. В дальнейшем возможно увеличение единичной мощности до 2500 кВА и напряжения до 15 кВ. Кроме серий сухих трансформаторов для работы в зоне умеренного климата выпускаются сухие трансформаторы для работы в условиях сухих и влажных тропиков.

Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью до 250 кВА выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ), а мощностью 400-630 кВА с ПБВ в основной массе и с РПН - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000-6300 кВА выпускаются как с ПБВ, так и с РПН, а мощностью 10000- 80 000 кВА класса напряжения 35 кВ - только с ПБВ.

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63 000 кВА) возникает проблема ограничения добавочных потерь, возникающих от вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния в обмотках, и вихревых токов и гистерезиса, возникающих в элементах конструкции трансформатора. Эти потери в сумме могут достигать 25-30% полных потерь короткого замыкания.

В качестве наиболее эффективных средств для уменьшения добавочных потерь применяют: рациональное размещение витков обмоток для уменьшения поперечной (радиальной) составляющей поля рассеяния, искусственную локализацию поля рассеяния при помощи установки магнитных экранов из электротехнической стали и замену некоторых стальных деталей деталями из немагнитных материалов. В дальнейшем наиболее радикальное решение этой проблемы может быть найдено путем замены стальных деталей, в которых возникают потери от гистерезиса и вихревых токов, неметаллическими (прессующие кольца обмоток, ярмовые прессующие балки и т.д.) или деталями из немагнитных металлов.

Разработка новых серий трансформаторов с пониженными потерями холостого хода производится на базе применения электротехнической холоднокатаной анизотропной тонколистовой рулонной стали марок 3404, 3405, 3406 по ГОСТ 21427-83, допускающей магнитную индукцию до 1,6 -1,65 Тл при использовании современной конструкции и технологии изготовления магнитных систем.

В качестве материала обмоток в значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей до 16 000-25 000 кВА применяется алюминиевый обмоточный провод. В трансформаторах больших мощностей и трансформаторах специального назначения обмотки выполняются из медного обмоточного провода.

Перевод ряда серий трансформаторов на алюминиевые обмотки позволил получить большую экономию меди, необходимой для общего увеличения выпуска трансформаторов и увеличения массы меди в обмотках трансформаторов большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания.

Возможность этих исследований обеспечивается широким внедрением вычислительной техники и современных методов экспериментального исследования магнитного ноля.

Важной задачей является совершенствование методов расчета трансформаторов. В условиях проектных организаций и трансформаторных заводов расчет силовых трансформаторов выполняется с использованием ЭВМ. Разработаны математические модели и комплекты стандартных программ, при помощи которых ведется расчет отдельных параметров - потерь и напряжения короткого замыкания, потерь и тока холостого хода, оптимальных размеров сечения стержня, тепловой расчет отдельных частей системы охлаждения трансформатора, его тепловой постоянной времени и др.

Особо важное значение имеют комплекты программ для расчета поля рассеяния обмоток. Эти программы позволяют выполнять расчет индукции поля рассеяния в области внутри и вне обмоток с последующим определением радиальных и осевых электродинамических сил, действующих при коротком замыкании на отдельные части обмоток, и суммарных сил для каждой обмотки, а также добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Повышение класса напряжения трансформаторов с 220 до 330, 500, 750 и 1150 кВ требует развития исследований новых изоляционных конструкций и применения изоляционных материалов повышенного качества. В области производства трансформаторов массовых выпусков мощностью от 25 до 1000-6300 кВА главной задачей остается совершенствование их конструкций для уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии в них, удешевления производства.

Примером современного подхода к проектированию новых серий трансформаторов может служить серия двух- и трехобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 кВ с РПН в диапазоне мощностей от 2500 до 125 000 кВА, разработанная отечественными проектно-исследовательскими организациями и предприятиями в начале 80-х годов и ныне выпускаемая заводами. При разработке этой серии были приняты новые расчетные и конструктивные решения, позволившие улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого хода, повысить электродинамическую стойкость обмоток и модернизировать системы охлаждения трансформаторов.

Классификация трансформаторов

Силовые трансформаторы отличаются номинальной мощностью, классом напряжения, условиями и режимами работы, конструктивным исполнением. В зависимости от номинальной мощности и класса напряжения разделяют на несколько групп (с 1-й по 8-ю).