Курсовая работа: Расчет силового трансформатора

ВВЕДЕНИЕ

напряжение обмотка замыкание

Интенсивный рост энергосистем требует значительного повышения мощности и улучшения качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительно важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.

Целью данного курсового проекта является изучение основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или трансформатора. В курсовом проекте производится расчет основных размеров трансформатора, расчет обмоток, определение характеристик холостого хода и короткого замыкания, расчет магнитной системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.

1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ И ФАЗНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ОБМОТОК ВН и НН.

Мощность одной фазы трансформатора:

кВА.

Мощность на одном стержне:

кВА.

Номинальные (линейные) токи:

А - на стороне НН.

А - на стороне ВН.

Фазные токи:

А - на стороне НН.

А - на стороне ВН.

Фазные напряжения:

кВ - для обмотки НН.

кВ - для обмотки ВН.

1.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ОБМОТОК

Испытанное напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [1]

Для обмотки НН (класс напряжения до 1 кВ) кВ.

Для обмотки ВН (класс напряжения 10 кВ) кВ.

1.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

2.1 ВЫБОР СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ СЕРДЕЧНИКА

Согласно указаниям § 2.3 [2], выбираем плоскую шихтованную магнитную систему. Сечение стержня по табл.2.5 [2] выбираем с шестью ступенями, без прессующей пластины. Стержень следует прессовать расклиниванием с обмоткой, сечение стержня с одним каналом. Ориентировочный диаметр стержня 0,22 - 0,26 м, коэффициент .

2.2 ВЫБОР МАРКИ И ТОЛЩИНЫ ЛИСТОВ СТАЛИ И ТИПА МЕЖДУЛИСТОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ. ВЫБОР ИНДУКЦИИ В СЕРДЕЧНИКЕ

Согласно рекомендациям, изложенным в [2], принимаем материал магнитной системы - холоднокатаная рулонная сталь марки 3411 с толщиной листов 0,35мм с нагревостойким изоляционным покрытием. Коэффициент заполнения по табл. 2.2 [2] выбираем .

Индукцию в стержнях трансформатора по табл.2.4. [2] принимаем:

Тл .

2.3 ВЫБОР МАТЕРИАЛА ОБМОТОК

В качестве материала для обмоток высокого и низкого напряжения принимаем медный обмоточный провод марки ПБ.

2.4 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ОСНОВНЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ГЛАВНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК

На рис.1. показана главная изоляция обмоток масляных трансформаторов.

Основные изоляционные расстояния главной изоляции выбранные согласно табл.5.2. и табл.5.7. [1]:

для обмотки ВН: , , , ,

для обмотки НН: , - картон

2.5 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА И ВЫБОР КОЭФФИЦИЕНТА СООТНОШЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

Величина определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. По табл.5.1 [1] в соответствии с классом напряжения трансформатора и его мощностью, принимаем .

2.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА СТЕРЖНЯ И ВЫСОТЫ ОБМОТКИ. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ СЕРДЕЧНИКА

Первый основной размер трансформатора - диаметр стержня сердечника:

,см

где - коэффициент Роговского,

- частота, Гц

- коэффициент, определяемый по табл. 5.3.[2], К=0,48 .

- приведенная ширина канала рассеяния.

следовательно,

- общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга,.

Тогда диаметр стержня:

Округляем к ближайшему нормированному значению: d=22 см.

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками:

, см

где - радиальный размер обмотки НН,

- коэффициент, согласно указаниям [1] принимаем К1=1,4

Следовательно, диаметр канала между обмотками:

Третий основной размер трансформатора - высота обмотки:

Активное сечение стержня:

ЭДС одного витка:

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК НН и ВН

3.1 ВЫБОР ТИПА ОБМОТОК НН и ВН

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки определяется по формуле:

, ммІ

где - средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

, А/ммІ

-коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь, по табл.6.1.[1]) выбираем .

Тогда

Полученную плотность тока сверим с данными табл. 6.2 [1], где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей токов. По таблице = 2,2 - 3,5.

Ориентировочные сечения витков:

Для обмотки НН:

Для обмотки ВН:

По табл.5.8.[2] выбираем тип обмоток:

Для обмотки ВН - многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода.

Для обмотки НН - многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.

3.2 РАСЧЕТ ОБМОТКИ НН

Число витков на одну фазу обмотки НН определяется:

Округляем в большую сторону: W1=24 витков

Уточненная ЭДС одного витка:

Действительная индукция в стержне:

Так как обмотка НН двухслойная, то число витков в слое:

Ориентировочный осевой размер витка:

Ориентировочное сечение витка:

Согласно указаниям [1] по табл. 7.2 [1], выбираем провод:

ПБ

Размеры выбранных проводов:

а=0,56 см.

ам=0,61 см.

b=1,5 см.

bм=1,55см.

мм2

Полное сечение витка:

Обмоточный провод обмотки НН наматываем "плашмя". Уточненный осевой размер витка:

Полученная плотность тока:

Осевой размер обмотки:

Радиальный размер двухслойной обмотки:

см - радиальный размер канала, выбранный по условиям изоляции.

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН для всего трансформатора в случае двухслойной обмотки с каналом между слоями:

где - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями, , то

3.3 РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВН

Согласно ГОСТ 401- 41 обмотка ВН всех силовых масляных трансформаторов - трехфазных до 5600 кВА, имеющих номинальное напряжение до 38,5 кВ, должна выполняться с двумя ответвлениями: одно на +5% и второе на -5% от номинального напряжения ([1]). Схема регулирования приведена на рис.1.

Число витков при номинальном напряжении:

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обуславливает равенство числа витков на стержнях.

Напряжение между двумя отводами:

Число витков на одну ступень регулирования:

Число витков верхней ступени:

Число витков при номинальном напряжении:

витков.

Число витков нижней ступени:

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

Согласно указаниям [1] по табл. 5.1 [2], выбираем провод:

ПБ

Полное сечение витка:

Диаметр провода без изоляции:

d2=0,41см.

Диаметр провода с изоляцией:

dм2 =0,44см.

Плотность тока в обмотке:

Число витков в слое:

Округляем: Wсл2=94 витка.

Число слоев в обмотке:

Рабочее напряжение двух слоев обмотки:

В этом случае междуслойная изоляция выполняется из 3 слоев кабельной бумаги толщиной 0,12 мм. Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) 1,6 см. (табл. 7.5 [1])

Толщина междуслойной изоляции:

Радиальный размер обмотки для двух катушек без экрана:

Внутренний диаметр обмотки:

Наружный диаметр обмотки:

Осевой размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН:

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, - три поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,83):

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

а) Определение электрических потерь в обмотках.

Средние диаметры обмоток:

- обмотки НН:

- обмотки ВН:

Вес провода для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

- обмотка НН:

- обмотка ВН:

Электрические потери в обмотках:

- в обмотке НН:

- в обмотке ВН:

б) Определение добавочных потерь.

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного прямоугольного провода при (обмотка НН):

где коэффициент

Следовательно,

Для круглого провода при (обмотка ВН):

где коэффициент

Следовательно,

в) Определение электрических потерь в отводах.

Длина отводов приближенно определяется:

Для НН (соединение Y):

Для ВН (соединение Y):

Вес металла отводов:

Для НН:

Для ВН:

где г = 8,9 кг/дм3 - удельный вес металла отводов.

Электрические потери в отводах:

г) Определение потерь в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.

где К - коэффициент, по табл. § 8.4 [1] принимаем К = 0,03

д) Определение полных потерь короткого замыкания.

Полные потери к. з.:

Потери отличаются от заданных на 0.05 %.

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

, %

где - ширина приведенного канала рассеяния:

тогда реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

Проверка отклонения полученного значения uK от заданного:

4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ В ОБМОТКАХ

Так как мощность трансформатора меньше 1000 кВА, то согласно [2], определяем действующее значение установившегося тока короткого замыкания основного ответвления обмотки ВН по формуле:

Где SK - мощность короткого замыкания , определяется по таблице 7.2 [2] , SK=500000 кВА.

Соотношение , следовательно, по табл. 7.3. [2] определим коэффициент , учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания:

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

Радиальная сила:

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН:

Среднее растягивающее напряжение в проводе обмотки ВН:

Осевые силы в обмотках:

Максимальные сжимающие силы в обмотках:

Сжимающее напряжение:

Что ниже допустимого значения 18-20 МПа.

Температура обмотки через после возникновения короткого замыкания:

где - наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем tк=5с.

- начальная температура обмотки, °С

Следовательно,

По табл. 7.6 [2] допустимая температура .

5. ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ХОЛОСТОГО ХОДА

5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ПАКЕТОВ И АКТИВНЫХ СЕЧЕНИЙ СТЕРЖНЯ И ЯРМА

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки 3411, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.2[2] для стержня диаметром 0,220 м. Число ступеней в сечении стержня 8, в сечении ярма 6.

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.2 [2]:

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) - мм. Площадь ступенчатой фигуры сечения стержня по таблице 8.6.[2]:

Площадь сечения ярма:

Объем угла магнитной системы:

Активное сечение стержня:

Активное сечение ярма:

Объем стали угла магнитной системы:

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА СТЕРЖНЯ И ЯРМ И ВЕСА СТАЛИ

Длина стержня магнитной системы:

Расстояние между осями стержней:

где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм

Масса стали угла магнитной системы:

кг/м3 - плотность трансформаторной стали

Масса частей ярм, заключенных между осями крайних стержней:

Масса стали в частях ярм в углах:

Полная масса стали ярм: