Определение геометрических параметров трансформатора. Выбор схемы магнитопровода. Расчет обмоток высокого и низкого напряжения, потерь мощности короткого замыкания, тока холостого хода трансформатора, бака и радиаторов. Размещение отводов и вводов.
Аннотация к работе
Линейные токи в обмотках ВН и НН определяются по следующим формулам: , (1) где I1 - ток в обмотке НН, А; На рисунке 2 введены следующие обозначения: lц1 и lц2 - выступы цилиндров (из электроизоляционного картона) за высоту обмоток НН и ВН; - толщина шайб и подкладок из электроизоляционного картона, установленных при испытательном напряжении 55 КВ; , - толщина изолирующих цилиндров между обмоткой НН и стержнем и между обмотками НН и ВН; - толщина между фазовой перегородки (между обмотками ВН разных фаз) выполняют из электроизоляционного картона; а1 и а2 - радиальные размеры обмоток; а12 и а22 - допустимые изоляционные размеры между обмотками; а01 - расстояние от обмотки до изоляционной части. Теперь определим главный размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками d12 : d12 = dн 2а01 2а1 а12, (9) где а01 - расстояние от обмотки до изоляционной части, м; Эту обмотку применяют как обмотку НН в трансформаторах мощностью 100КВА и выше при больших токах (600…800А). Кроме того, в этих трансформаторах для уменьшения осевых сдвигающих усилий при отключении регулировочных витков (катушек) обмотки ВН необходимо выполнить разгон витков (катушек) обмотки РР в зоне регулирования (в середине обмотки) увеличением двух-трех горизонтальных каналов до 0,015…0,02м.На основе заданных параметров в данной пояснительной записке произведен электромагнитный расчет трансформатора ТМ-1600/20, определены основные геометрические размеры, механические силы в обмотках, а также масса трансформатора.
Введение
Трансформатор - электромагнитное статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный другого напряжения той же частоты.
При помощи трансформаторов осуществляются повышение и понижение напряжения, преобразование чисел фаз и в некоторых случаях преобразование частоты переменного тока. Трансформаторы используются при передаче и распределении электрической энергии в энергетических установках, а также для разнообразных преобразований переменного тока в промышленных установках, в устройствах связи, радио, автоматики, телемеханики и т.д.
1. Определение главных геометрических параметров трансформатора
1.1 Линейные и фазные токи и напряжения обмоток ВН и НН
Линейные токи в обмотках ВН и НН определяются по следующим формулам: , (1) где I1 - ток в обмотке НН, А;
Sн - номинальная мощность трансформатора, ВА;
Uнн - напряжение обмотки НН, В.
Итак, А.
, (2)
Где I2 - ток обмотки ВН, А;
Sн - номинальная мощность трансформатора, В·А;
Uвн - напряжение обмотки ВН, В.
А.
При соединении обмотки НН по схеме «Звезда» фазный ток равен: А.
А напряжение будет определяться по следующей формуле:
В.
Обмотки ВН также соединены в «Звезду», фазные токи и напряжения будем находить: А;
В.
1.2 Испытательные напряжения обмоток
Для надежной работы трансформатора его изоляция испытывается в соответствии с ожидаемыми перенапряжениями, величина которых полностью определяется характеристиками, защищающими его нелинейные вентильные разрядники, а также от типа трансформатора и от класса напряжения. Номинальное напряжение обмотки ВН 20 КВ, наибольшее рабочее напряжение 24 КВ, исходя из этого, получаем испытательное напряжение: UИСПВН = 55 КВ; UИСПНН = 5 КВ.
По испытательному напряжению находим изоляционные промежутки между обмотками, между обмотками и другими токоведущими частями и между обмотками и заземленными деталями трансформатора.
1.3 Активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания
Активная Uka и реактивная Ukr составляющие напряжения короткого замыкания в процентах могут быть определены по формулам:
; (3) где Рк - потери короткого замыкания, Вт;
Sн - номинальная мощность трансформатора, ВА.
%;
; (4)
%.
1.4 Выбор схемы и конструкции магнитопровода
В трансформаторах новой серии предусматривается бесшпилечная конструкция магнитопроводов с различными схемами шихтовки, которая выбирается исходя из полной мощности; для трансформаторов мощностью Sн?6300 КВА можно принять схему шихтовки магнитопровода с прямыми стыками на средней фазе (рисунок 1), как наиболее простую.
Рисунок 1 - Схема шихтовки магнитопровода
Поперечное сечение магнитопровода представляет собой ступенчатую фигуру, число ступеней которой зависит от мощности трансформатора. Для трансформатора ТМ-1600/20 получим: число ступеней равно 7; коэффициент заполнения круга ккр = 0,9. Коэффициент ккр определяет отношение площади ступенчатой фигуры стержня в сечении к площади круга с диаметром d, который ориентировочно должен быть равен d = 0,28…0,30м.
Наличие изоляции между листами магнитопровода учитывается коэффициентом заполнения кз, значение которого для рулонной стали толщиной 0,00035м с двухсторонним жаростойким покрытием керамическими или оксидными пленками можно принять кз=0,95. Далее определяем общий коэффициент заполнения сталью круга кс по следующей формуле: ; (5)
.
Далее, исходя из полной мощности, определяем коэффициент усиления ярма кя = 1,02, который зависит от способа прессовки ярма и формы его сечения. Прессовка ярма осуществляется балками, стянутыми полубандажами.
1.5 Выбор и определение индукций в стержне и ярме магнитопровода
Рекомендуемое значение индукции Вс в стержнях масляных трансформаторов при марке стали 3414 зависит от мощности трансформатора Sн = 1600 КВА. Принимаем Вс = 1,65 и определяем индукцию в ярме Вя по формуле: ; (6)
Тл.
1.6 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
Подробная конструкция главной изоляции обмоток масляного трансформатора для класса напряжения 20 КВ и испытательного напряжения Uисп= 55 КВ изображена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Главная изоляция обмотки ВН (штриховыми линиями показаны возможные пути разряда, определяющие размеры lц)
На рисунке 2 введены следующие обозначения: lц1 и lц2 - выступы цилиндров (из электроизоляционного картона) за высоту обмоток НН и ВН; - толщина шайб и подкладок из электроизоляционного картона, установленных при испытательном напряжении 55 КВ; , - толщина изолирующих цилиндров между обмоткой НН и стержнем и между обмотками НН и ВН; - толщина между фазовой перегородки (между обмотками ВН разных фаз) выполняют из электроизоляционного картона; а1 и а2 - радиальные размеры обмоток; а12 и а22 - допустимые изоляционные размеры между обмотками; а01 - расстояние от обмотки до изоляционной части.
Все вышеприведенные размеры выбираем в зависимости от мощности трансформатора и испытательного напряжения. Сведем их в таблицу 1.
Таблица 1 - Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН и НН в метрах d01 ац1 а01 lц1 l02
Однако расстояние от верхнего ярма l02?? принимают увеличенным против l02 на величину 0,045 м для трансформаторов с мощностью Sн = 1000…6300 КВА
.
А расстояние от нижнего ярма l02?, в этом случае принимаем равным: .
1.7 Выбор коэффициента ? и определение главных размеров трансформатора
Значение ? выбираем, исходя из полной мощности трансформатора, материала обмоток и значения напряжения высокой стороны. Принимаем ?=1,2. После выбора коэффициента ? приступаем к определению ориентировочного значения диаметра стержня d, м.
, (7) где Sн? - мощность обмоток одного стержня трансформатора, ВА;
ВА, с - число активных стержней, с = m = 3;
kp - коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю, принимаем кр = 0,95;
ар - ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, м.
Согласно [1]
, (8) где k - коэффициент, зависящий от мощности трансформатора, напряжения ВН. Принимаем k = 0,00082·1,25 = 0,001025.
Итак, м.
Ориентировочное значение диаметра стержня м.
= 0,26 м - нормализованное значение.
Уточним н
.
Теперь определим главный размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками d12 : d12 = dн 2а01 2а1 а12, (9) где а01 - расстояние от обмотки до изоляционной части, м;
а1 - радиальный размер обмотки НН, м;
а12 - допустимые изоляционные размеры между обмотками, м. м, где k1-коэффициент, для трансформаторов мощностью S=1600КВА ___ принимаем k1=1,4. d12 = 0,26 2 0,015 2 0,039 0,02=0,388 м.
Высоту обмоток трансформатора l будем определять по формуле
; (10) м.
2. Расчет обмоток трансформатора
2.1 Выбор типа обмоток ВН и НН
Выбор типа обмоток трансформатора производится с учетом эксплуатационных и производственных требований, предъявляемых к трансформаторам. Предварительно следует определить следующие величины.
ЭДС витка, В, согласно [1]
UB = 4,44?f?BC?ПС, (11) где f - промышленная частота, f = 50 Гц;
ПС - площадь активного сечения стержня, м2.
ПС, в случае масляных трансформаторов, определяется по следующей формуле
, (12) где КЗ - коэффициент заполнения, КЗ = 0,95;
Исходя из номинального диаметра dн выбираем площадь фигуры ярма Пфя=566,6?10-4 м2.
Итак, В.
Средняя плотность тока в обмотках определяется из условия получения заданных потерь короткого замыкания (для алюминия), А/м2
, (13) где Рк - мощность короткого замыкания, Вт;
Sн - номинальная мощность, ВА;
кд - коэффициент, определяющий долю электрических потерь в обмотке от __ потерь короткого замыкания. Выбирается исходя из мощности ___ трансформатора кд = 0,9.
Итак, А/м2.
Далее определяем площади сечения витков обмоток НН и ВН, м2.
Площадь сечения витков обмотки НН: м2.
Площадь сечения витков обмотки ВН: м2.
Исходя из выше представленных расчетов, выбираем тип обмоток. Для обмотки НН выбираем винтовую обмотку, а для обмотки ВН выбираем непрерывную катушечную обмотку.
2.2 Расчет обмотки НН
Винтовая обмотка.
Эту обмотку применяют как обмотку НН в трансформаторах мощностью 100КВА и выше при больших токах (600…800А). Сечение каждого витка состоит из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения в количестве от 6 до 100 штук. Провода располагаются плашмя в радиальном направлении.
Винтовая обмотка может выполняться одним пучком одинаковых параллельных проводов (одноходовая) либо несколькими пучками проводов (многоходовая обмотка).
Винтовую обмотку наматывают на жесткий бумажно-бакелитовый изоляционный цилиндр. Предварительно на цилиндр накладывают рейки из древесины или склеенных полосок электрокартона. Рейки образуют вертикальные каналы.
Горизонтальные каналы между витками (катушками) образуют прокладками из нескольких листов спрессованного электрокартона толщиной м. Ширину прокладки проверяют в дальнейшем по механической прочности, а затем по этой ширине устанавливают ширину реек. Длину прокладки внутренней обмотки (обмотки НН) выбирают до расположенного снаружи изоляционного цилиндра, служащего основанием для обмотки НН, причем углы прокладок, упирающихся в данный цилиндр, необходимо скруглять. В трансформаторах большей мощности применяется дополнительное крепление прокладок при помощи наружных реек. Эта «прошивка» наружных концов прокладок препятствует их смещению в горизонтальной плоскости и повышает стойкость обмоток по отношению к механическим усилиям при коротком замыкании. Кроме того, в этих трансформаторах для уменьшения осевых сдвигающих усилий при отключении регулировочных витков (катушек) обмотки ВН необходимо выполнить разгон витков (катушек) обмотки РР в зоне регулирования (в середине обмотки) увеличением двух-трех горизонтальных каналов до 0,015…0,02м. Разгон необходимо учитывать при определении высоты обмотки.
Число витков в обмотке: ; (14)
.
Принимаем .
ЭДС одного витка: ; (15)
В.
Осевой размер охлаждающего канала: м;
=0,798м.
Высота витка: ; (16) м.
Число ходов: (четыреходовая транспозиция).
Высота провода с изоляцией
;
м.
Количество параллельных проводов: .
Площадь сечения параллельного провода:
м2. (17)
Принимаем м2 , м, м.
Высота провода: ;
.
Марка провода
АПБ .
Радиальный размер обмотки: ; (18) м.
Осевой размер обмотки с каналами между всеми катушками: , (19) где - число разгонов катушек;
- осевой размер масляного охлаждающего канала между витками;
- высота канала в местах разгона.
;
1,144 м.
Площадь сечения витка: ;
м2.
Плотность тока в обмотке: ; (20)
А/м2.
Плотность теплового потока для обмотки из алюминиевого провода: , (21) где k =0,75 - коэффициент закрытия обмотки;
n - число проводников обмотки в радиальном направлении: ;
;
- число проводников обмотки в осевом направлении: , ;
=0,95 - коэффициент приведения поля рассеяния
;
;
- коэффициент добавочных потерь: ;
.
Таким образом: В/м2.
Внутренний диаметр обмотки:
м.
Наружный диаметр обмотки: ;
м.
Средний диаметр витка обмотки: ;
м.
2.3 Расчет обмотки ВН
Расчет начнем с определения высоты провода с изоляцией b?= 0,012 м.
Далее находим предварительное полное число катушек nkat2 для случая, когда каналы выполнены между всеми катушками:
Рисунок 3 - Процесс намотки непрерывной катушечной обмотки
, (21)
Где 2 - высота обмотки, l2 = l1, м;
hk2 - высота горизонтальных каналов, принимаем hk2 = 0,006 м;
Рассчитаем: .
Примем nkat2 = 44.
Далее рассчитываем число витков Wн2, соответствующее номинальному напряжению Uф2: . (22)
Итак, .
Примем WH2 = 700 витков.
Определяем число регулировочных витков Wp на одну ступень регулирования напряжения:
WP = 0,025?WH2 = 0,025?700 = 17,45.
Примем WP = 17 витков.
Выбираем число регулировочных катушек nрег = 8.
Находим число основных катушек по формуле: .
Определяем количество витков в основных катушках: .
Определяем число витков в одной катушке: .
Принимаем Wkat2 = 18 витков.
Производим распределение витков по катушкам.
Получаем следующее распределение витков по катушкам: 20 основных катушки по 18 витков = 360;
18 основных катушки по 17 витков = 306;
8 катушек регулировочных по 3 витков = 24;
Полное число витков обмотки = 688.
Далее уточняем площадь одного витка: , (23)
где П2 - площадь сечения 1 витка, м2;
- плотность тока, А/м2;
, где - плотность тока, А/м2;
А/м2.
Итак, D2 = 2?2?106 - 2?106 = 2?106 А/м2;
.
Далее подбираем размеры провода в зависимости от площади сечения витка П2 = 23,1·10-6 и по осевому размеру провода м согласно сортаменту обмоточного провода. Выбираем по таблице из [1] размер провода, а = 2,01·10 -3 м.
Далее определяем высоту обмотки с каналами между всеми катушками согласно [1]
, (24) где nkat - полное количество катушек после распределения;
? толщина шайбы, = м;
hkp - высота канала в месте разрыва обмотки, принимаем hkp = 0,005.
Рассчитаем: м.
Определяем радиальный размер обмотки а2:
, (26) где a? - размер провода с изоляцией, a? = a 0,0005 = 2,01·10-3 0,0005 = 7,01·10-3 м.
WKAT2 - наибольшее число витков в основных катушках, WKAT2 = 18.
Итак, a2 =7,01·10-3 ·18 = 0,126 м.
Определяем плотность теплового потока для обмотки из алюминиевого провода по формуле из [1]: , (27) где Wkat - число витков в одной основной катушке;
k - коэффициент, принимаем k = 0,75;
- коэффициент увеличения основных электромагнитных потерь _________ обмотки;
, где n - число проводников обмотки в радиальном направлении, который ____________равен: n = Wkat2·nпр = 18·1 = 18;
а - радиальный размер одного провода, а = 2,01·10-3 м;
Внутренний диаметр обмотки: =0,331 2·0,02= 0,371 м.
Наружный диаметр обмотки: =0,371 2·0,126= 0,624 м.
Средний диаметр витка обмотки: м.
Марка провода АПБ - алюминиевый провод прямоугольного сечения.
2.4 Регулирование напряжения обмотки ВН
Согласно ГОСТ 16110-70 регулирование напряжения силового трансформатора осуществляется путем переключения ответвлений обмоток без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети и без перерыва нагрузки (РПН). В масляных трансформаторах мощностью Sн=1600 КВА, предусматривают выполнение в обмотках ВН (и СН) четырех ответвлений на 5; 2,5; -2,5; -5% (±2 х 2,5) от номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. Переключение ответвлений обмоток должно производиться специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с рукоятками управления, выведенными из бака.
При непрерывной катушечной обмотке с номинальным напряжением Uном= 20 КВ, напряжение регулируется по схеме, изображенной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения
3. Расчет параметров короткого замыкания
3.1 Определение потерь мощности короткого замыкания
Потерями короткого замыкания (к.з.) Рк трансформатора называются потери, имеющие место в трансформаторе при установлении в одной из обмоток тока, соответствующего номинальной мощности и замкнутой накоротко другой обмотке. Эти потери могут быть разделены на следующие составляющие: 1) Основные электрические потери в обмотках НН и ВН - Росн1 и Росн2;
2) Добавочные потери в обмотках, вызванные неравномерным распределением тока по сечению проводов Рд1 и Рд2;
3) Потери в отводах Ротв1 и Ротв2;
4) Потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора - Ps, вызванные полем рассеяния обмоток.
Определяем вышеупомянутые параметры мощности к.з.
Основные электрические потери в обмотке НН: , (28) где rt - удельное сопротивление провода обмотки, для алюминиевого _____________ провода принимаем rt = RAL = 0,0344?10-6 (Ом/м).
Вт.
Основные электрические потери в обмотке ВН
, (29)
где Wн2 - число витков, соответствующее средней ступени __________ регулирования, Wн2 = 698.
Вт.
Определение добавочных потерь сводится к нахождению коэффициента увеличения основных электрических потерь обмотки. Для обмотки ВН коэффициент уже определили, , .
Потери в отводах Ротв1 и Ротв2 определяются приближенно для каждой обмотки в зависимости от схемы соединения обмотки.
При соединении обмотки НН в «Звезду»: . (30)
Рассчитаем: Вт.
Обмотка ВН соединена «Звезду: ;
Вт.
Далее определяем потери в стенке бака, по формуле: , (31) где kd - коэффициент, принимаем kd = 3;
Итак, Pd = 3?1600103?10-4 = 480 Вт.
Исходя из выше представленных расчетов, определяем мощность к.з. Рк, по формуле из [1]: ; (32)
Расчетное значение Рк = 1,889?104 Вт не должно отличаться от заданного более чем на ± 5%.
Проверка: .
Так как 4,944% ? 5%, то расчет проведен верно.
3.2 Определение напряжения короткого замыкания
Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется напряжение UKH , которое следует подвести к зажимам одной из обмоток при короткозамкнутой другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установился номинальные токи.
Напряжение к.з. определяет падение напряжения в обмотках трансформатора, его внешнюю характеристику и токи короткого замыкания, ударный и установившийся.
Напряжение к.з. Uk, %, согласно [1], определяют через его составляющие
, (33) где uka - активная составляющая напряжения к.з., %;
ukr - реактивная составляющая напряжения к.з., %.
Определяем величину uka по формуле: ; (34)
Определяем величину ukr по формуле: , (35) где ар - ширина приведенного канала рассеяния, ар=0,069 м;
Определяем уточненные значения коэффициента соотношения габаритов трансформатора b и коэффициент привидения идеального поля рассеяния к реальному полю кр: , (36) где l - высота обмоток ВН и НН, найденная после расчетов обмоток, м;
d12 - средний диаметр канала между обмотками, d12=0,351 м;
Итак, .
Определяем коэффициент кр по формуле: . (37)
Проведем расчет: .
Определяем коэффициент kq, увеличивающий индуктивное сопротивление обмотки, по формуле: , (38) где lx - высота регулировочных катушек, м;
м.
Итак, .
Далее определяем значение ukr
%.
Исходя из полученных данных определяем uk: .
Расчетное значение uk=5,228%, не должно отличаться от заданного uk=5,5% более чем на ± 5%.
Проверка: .
Так как 4,945% ? 5%, то расчет проведен верно.
Определим массу трансформатора, для этого определим массу обмоток и отводов по следующим формулам.
Определяем массу металла обмоток НН:
моб.пр1 = 3•p•Dcp1•W1•П1•g1 = 3•p•0,311•14•1,155•10-3•2700 = 127,711 кг.
Масса металла обмоток ВН и НН составляет: моб.пр = моб.пр1 моб.пр2 = 127,711 204,048 = 331, 759 кг.
Определяем массу металла проводов отводов.
При соединении обмоток в звезду масса металла проводов отводов равна: ;
м;
м.
Таким образом: =27,073 кг.
3.3 Определение механических сил в обмотках при внезапном коротком замыкании
В начальный момент времени внезапного к.з. в обмотках трансформатора возникают значительные механические силы, которые могут разрушить обмотки. Эти силы проявляются в результате взаимодействия тока в обмотке с магнитным потоком рассеяния обмоток.
Наличие радиальной составляющей поля рассеяния вызывает появление сил Fp. Радиальные силы определяются по формуле:
Fp = 0,628• (ikm1•W1)2•b•kp•10-6, (39) где ікм1 - ударный ток к.з. для обмотки НН, А;
;
Определяем ударный ток
А.
Итак, определяем Fp по формуле (39)
Fp = 0,628• (92350•14)2• 0,964•0,954•10-6 = 9,649•105 Н.
Определяем напряжение на разрыв в обмотке НН от радиальных сил: Па.
Определяем напряжение на разрыв в обмотке ВН: Па.
Находим напряжение сжатия на опорных поверхностях
, (40)
где Fсж1 - сила сжатия межкатушечных прокладок, Н;
n - число прокладок по окружности обмотки, соответствует числу реек _______ (10...12), n=10;
а - радиальный размер обмотки, а = 0,0206 м;
bпр - ширина прокладки, для обеих обмоток bпр = 0,03 м.
Fсж1 = F?ос F??ос, (41) где F?oc - осевая сила, обусловленная поперечной составляющей _______ магнитного поля рассеяния, Н;
Н.
F??ос - осевая сила, обусловленная поперечной составляющей поля ________ рассеяния, Н: , где l?x - высота всех регулировочных катушек, м;
(м);
l?? - расстояние от поверхности стержня до стенки бака, l?? =0,2558 м;
Н;
Па; Па;
Fсж2 = F?ос F??ос, (42) где F?oc - осевая сила, обусловленная поперечной составляющей ____________ магнитного поля рассеяния, Н;
Fсж2=2,87 104 2,87 104=5,74 104 Н.
Изобразим продольное и поперечное поля рассеяния в концентрических обмотках (рисунок 5).
Рисунок 5 - Продольное и поперечное поля рассеяния в концентрических обмотках
4. Определение потерь и тока холостого хода трансформатора
4.1 Определение размеров магнитной системы
После проверки и корректировки потерь и напряжения к.з. определяется окончательные размеры пакетов стержней и ярма, их активного сечения, высоты стержня, размеры ярм и масса стали стержней и ярм. Сечение стержня изображено на рисунке 6.
Основные размеры и масса активной стали плоской магнитной системы определяются в следующем порядке: Длина стержня lc , м: lc = l l?02 l??02=0,943 м, (43) где l02 = l?02 - расстояние от обмотки до нижнего ярма, м;
l??02 - расстояние от обмотки до верхнего ярма, м.
Определяем массу стали стержней mc , кг: mc = mc? mc??, (44) где mc? - масса стали стержней в пределах окна магнитной системы, кг;
mc?? - масса стали в местах стыка стержня и ярма, кг;
mc? = 3?Пфс?кз?lc?rc, где rc - плотность электротехнической стали, rc = 7650 кг/м3. mc?= 3?0,048?0,95?0,943·7650=982,999 кг;
mc?? = 3?(Пфс?кз?а1я?rc - my), где а1я - ширина наибольшего пакета ярма, а1я = 0,25;
my - масса стали одного угла, my = 76,6 кг. mc??= 3?(0,48?0,95? 0,25?7650 - 76,6) =30,74кг.
Масса стали стержней: mc = 982,999 30,74 = 1014 кг.
Масса стали ярм мя: мя = мя? мя??, (45) где m?я - масса стали частей ярм, заключенных между осями крайних стержней, кг;
m??я - масса стали в частях ярм, которые находятся за пределами 2?См.о, __________ кг;
m`я = 2?(m - 1)?См.о?Пф.я?кз?rc, где Смо =D??2 a22 - расстояние между осями соседних стержней;
Смо = 0,624 0,018= 0,642 м;
m`я = 2?(3 - 1)?0,642?0,057?0,95?7650 = 1057 кг;
m??я = 2?му = 2?76,6= 153,2 кг.
Полная масса стали ярм: мя = 1057 153,2= 1210кг.
Определяем полную массу плоской магнитной системы: MCT = MC МЯ = 1014 1210 = 2224 кг.
4.2 Расчет потерь холостого хода трансформатора
Потери холостого хода трансформатора P0 в основном представлены магнитными потерями в магнитопроводе трансформатора. С достаточной степенью точности эти потери для трехфазного трансформатора рассчитываются по формуле: Р0 = кпд ?рс?(mc 0,5?куп?му) кпд ?ря?(мя - 6?му 0,5?куп?му), (46) где кпд - коэффициент, учитывающий ряд технологических факторов, для ________ пластин без отжига кпд = 1,16;
Рс и Ря - удельные потери в стержне и ярме зависят от марки стали и __ от индукции в стержне Вс и ярме Вя. Принимаем Рс = 1,32, _____ Ря = 1,32.
Уточенное значение индукции в стержне Вс: Тл.
Значение индукции в ярме Вя : Тл.
Коэффициент куп учитывает потери в узлах магнитной системы и зависит от числа косых и прямых стыков в магнитной системе, куп = 7,68.
Расчетное значение потерь холостого хода Р0= 3,602?103 (Вт) не должно отличаться от заданного Р0 = 3,65?103 Вт более чем на 7,5%.
Проверка: .
Так как в 1,315% < 7,5%, то расчет правильный.
4.3 Определение тока холостого хода трансформатора
При расчете токи холостого хода трансформатора определяют его активную составляющую ioa и реактивную составляющую ior и выражают их в процентах от номинального тока.
Определяем активную составляющую тока холостого хода по формуле: %; (47)
.
Определяем реактивную составляющую тока холостого хода по формуле: %, (48) где Q0 - полная намагничивающая мощность трансформатора, ВА.
Намагничивающая мощность для плоской трехстержневой магнитной системы трансформатора современной конструкции, изготовленной из холоднокатаной стали, рассчитывают по формуле: Q0 = ктя?ктш?ктп?{ктз?ктр?[qc?mc qя?(m`я - 4?му) 0,5?(qc qя)?my?kyt] nkoc?Пкос?qз.кос nпр?Ппр?qз.пр}, (49)
где ктя - коэффициент, учитывающий форму ярма, ктя = 1;
ктш-коэффициент, учитывающий расшихтовку и зашихтовку __________верхнего ярма при сборке, ктш = 1,03;
ктп-коэффициент, учитывающий прессовку стержней и ярм при __________сборке остова, ктп = 1,1;
ктз - коэффициент, учитывающий срезку заусенцев, при отжиге ктз=1,6;
куп-коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей _________ мощности в узлах магнитной системы, выбирается исходя из числа __________косых nkoc =6 и числа прямых nпр = 0 стыков, куп = 22,2;
ктр - коэффициент, учитывающий резку пластин, без отжига ктр=1,15;
qc и qя - удельные намагничивающие мощности для стали стержней и ярм находятся в зависимости от индукции в стержне Вс и _____________индукции в ярме Вя. Принимаем qc = 2,8 ВА/кг, qя = 2,8 ВА/кг;
qз.кос - удельная намагничивающая мощность для зазора в косом стыке, ____________зависит от индукции в этом стыке Взкос.
Определяем параметры короткого замыкания трансформатора: Полное сопротивление короткого замыкания: ; (50)
Ом.
Определяем активное сопротивление короткого замыкания rk по формуле
Ом.
Определяем индуктивное сопротивление короткого замыкания xk по формуле: Ом.
После этого определяем параметры рабочего контура, схемы замещения трансформатора.
Активное сопротивление контура: Ом.
Реактивное сопротивление контура: Ом.
Определяем параметры холостого хода трансформатора: Полное сопротивление холостого хода: ; (51)
Ом.
Активное сопротивление холостого хода:
; (52)
Ом.
Реактивное сопротивление холостого хода: Ом.
Определим параметры намагничивающего контура схемы замещения: Активное сопротивление намагничивающего контура: Ом.
Реактивное сопротивление намагничивающего контура: Ом.
6. Тепловой расчет трансформатора
6.1 Поверочный тепловой расчет обмоток
Тепловой расчет обмоток сводится к нахождению среднего превышения температуры обмоток НН и ВН относительно средней температуры масла , которое определяется как сумма внутреннего перепада температуры по толщине обмотки и перепада температуры на поверхности обмотки , ОС: (52)
Внутренний перепад температуры обмоток ВН и НН определяется по формуле: (53) где q - плотность теплового потока обмотки, Вт/м2;
? - толщина изоляции провода на одну сторону м;
- теплопроводность изоляции провода, для лакированной бумаги, ___________ (Вт/М•ОС).
,ОС;
,ОС.
Для непрерывной катушечной обмотки НН с горизонтальными каналами перепад температуры на поверхности обмоток масляного трансформатора определяется по формуле:
(54) где -коэффициент, учитывающий скорость движения масла внутри _________ обмотки;
-коэффициент, учитывающий затруднение конвекции масла в _________ каналах внутренних обмоток;
-коэффициент, учитывающий влияние на конвекцию масла _________относительной ширины горизонтальных масляных каналов, зависит от _________отношения ;
- осевой размер масляного охлаждающего канала между витками, м;
- радиальный размер обмотки, м.
Принимаем, согласно [1]: - для трансформаторов с естественным масляным охлаждением;
- для внутренних обмоток ВН;
.
Тогда: ОС.
Для непрерывной катушечной обмотки ВН перепад температуры на поверхности определяется по формуле (54).
Принимаем, согласно [1]: - для трансформаторов с естественным масляным охлаждением;
- для внутренних обмоток ВН;
.
ОС.
Тогда: ОС;
ОС.
По среднему превышению температуры нагретой обмотки, у которой выше, вычисляется превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха .
Превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды не должно быть больше 65 ОС.
; (55)
6.2 Расчет бака и радиаторов
6.2.1 Геометрические размеры бака и радиаторов, масса трансформатора
Бак трехфазного масляного трансформатора с плоской магнитной системой представляет собой стальной резервуар овальной формы. Размеры бака зависят от размеров активной части трансформатора, класса напряжения и места размещения переключателя.
Минимальные внутренние размеры бака: ширина: ; (56) длина: ; (57) высота:
, (58) где - длина стержня, =0,943 м;
- внешний диаметр обмотки ВН;
- расстояние между осями стержней магнитопровода, =0,642м;
hя - высота ярма, равная ширине наибольшего пакета стержня в средней части, hя=0,25 м;
- толщина прокладки под нижнее ярмо, примем м;
В трансформаторах III...IV габаритов переключатель расположен на уровне обмоток.
Принимаем согласно с напряжением обмотки ВН по [1] : b=0,22 м, а=0,12 м, Няк=0,3 м.
Тогда получим м;
м;
м.
Основными конструктивными элементами бака являются дно и вертикальная стенка, приваренная к дну. К верхнему торцу стенки приваривается рама, которая охватывает весь бак по периметру, и к ней болтами крепится крышка бака.
Ориентировочные размеры элементов бака: - толщина стенки бака, - толщина дна бака, м, - толщина крышки бака, м, выступ дна бака за стенку принимается равным толщина верхней рамы бака принимается равной , ширина верхней рамы бака принимается равной
Толщина стенок бака дана при условии, что стенки бака дополнительно усиливаются вертикальными или горизонтальными балками жесткости, представляющими собой швеллеры, приваренные полками к стенке на определенном расстоянии друг от друга. В трансформаторах III...IV габаритов применяют также усиление крепления верхней рамы за счет косынок, которые привариваются к раме и к стенке бака.
К дну бака для его усиления привариваются швеллеры, в которых устанавливаются катки, если масса трансформатора больше 800 кг. Швеллеры с катками образуют тележку.
Для подъема трансформатора к стенке бака приваривают четыре подъемных крюка.
Масса трансформатора без учета массы радиаторов и масла в них: (59) где - масса обмоточного провода с изоляцией, где - коэффициент, учитывающий увеличение массы провода за счет ___________изоляции, =3;
- масса металла обмоток, =331,759 кг. кг;
- полная масса электротехнической стали магнитопровода, _____________ ,кг;
- масса масла в баке,
; (60)
- внутренний объем гладкого бака овальной формы, м3, (61) м3;
- объем, занимаемый активной частью, м3, м3.
Тогда: кг.
- масса_бака, (63)
кг.
Тогда масса трансформатора без учета массы радиаторов и масла в них: кг.
В трансформаторах I...III габаритов применяется система охлаждения М (естественная циркуляция масла). В системе охлаждения М, как наиболее простой и надежной, теплоотдача от обмоток к окружающей среде осуществляется путем естественной конвекции масла и воздуха.
В трансформаторах новых серий применяются баки с приостренными прямотрубными радиаторами съемной конструкции.
Основным элементом прямотрубных радиаторов являются трубчатые секции, изготовленные из круглых прямых труб диаметром и толщиной стенки , которые ввариваются в коллекторы каплевидной формы, обеспечивающие хороший доступ воздушному потоку. Расположение труб в радиаторе коридорное. Шаг труб в секции и между секциями . Трубы укладываются в 6 рядов по 10 труб в ряду, в радиаторах 60 труб.
6.2.2 Тепловой расчет бака трансформатора, выбор радиаторов
Тепловой расчет бака сводится к определению поверхности охлаждения, необходимой для обеспечения заданного превышения средней температуры масла над температурой воздуха . Теплоотдача в окружающую среду осуществляется путем излучения и конвекции как с поверхности бака, так и с поверхности радиаторов.
Превышение средней температуры масла над температурой окружающго воздуха
Выбирается тип радиатора. Для этого рассчитывается возможное наибольшее междуосное расстояние патрубков, м: (64) м.
Радиатор выбирается из условия: .
Параметры радиатора: h=1,5 м;
Hp=1,85 м;
форма труб: круглая диаметром ;
число труб: 6 х 10=60 (6 рядов по 10 труб в ряду);
габаритные размеры (L x M): 1.28 х 0,71 м;
- теплорассеивающая поверхность радиатора, Fp=11,34 м2;
- геометрическая поверхность радиатора, F2=11,84 м2;
масса радиатора: 147,7 кг;
масса масла: 86,4 кг.
Коэффициент , учитывающий несовпадение центра выделения потерь в трансформаторе и центра рассеивания потерь в радиаторах: (65)
Для значения с учетом коэффициента , определяют превышение температуры верхних слоев масла над температурой воздуха : . По соответствующим кривым определяем
Тепловой поток бака: (66) где - поверхность охлаждения бака, м2, (67) м2.
- удельный тепловой поток поверхности бака, =700 Вт/м2.
.
Тепловой поток радиаторов: (68)
Вт.
Необходимое число радиаторов: (69) где находится для значения с учетом и для системы масляного охлаждения М: =315 Вт/м2.
Для значения с учетом и определяем значение : =47.
Для действительного значения с учетом h и ?h определяем действительное значение : =35.
Температура средних слоев масла:
(71)
Средние температуры обмоток НН и ВН: (72)
7. Разработка и краткое описание конструкции трансформатора
7.1 Выбор и размещение переключателя ответвлений обмоток
Устройства переключения ответвлений обмоток служат для поддержания на необходимом уровне напряжения у потребителей электроэнергии. Регулирование напряжения осуществляется ступенями за счет изменения коэффициента трансформации трансформатора. Эти устройства подразделяются на устройства переключения обмоток без возбуждения (ПБВ) и устройства переключения обмоток под нагрузкой (РПН).
Устройства ПБВ применяются в масляных трансформаторах мощностью до 100 МВА. В двухобмоточном трансформаторе в обмотке ВН представлен четырьмя ответвлениями на 5; 2,5; -2,5; -5% от номинального напряжения, помимо основного зажима с номинальным напряжением. Контакт между неподвижными и подвижными элементами конструкций
Переключателя может быть точечным или полосовым. Точечный контакт применяется в трехфазных переключателях для регулирования в нулевой точке при токе до 50 А и напряжении до 35КВ.
В устройствах ПБВ применяется полосовой контакт как более надежный. Этот контакт достигается соприкосновением образующих двух цилиндрических поверхностей: плоский стержень ламели (переключатели типа ПЛ, ПТЛ).
Контактная система изготовляется из латуни. Для предотвращения образования на контактах неэлектропроводной пленки от продуктов окисления масла поверхности контактов никелируются, но не полируются. Переключатели с ламельным контактом (ПЛ, ПТЛ, ПТР) могут быть как барабанного, так и реечного типов и применяются при напряжениях до 35КВ. Контактное давление создается цилиндрическими пружинами.
Рукоятка управления переключением выводится на крышку или стенку бака, а некоторые трансформаторы снабжаются электроприводом, допускающим дистанционное управление (переключающее устройство серии НТ). В этих устройствах все три фазы собраны в единый блок с изоляционными расстояниями между фазами, соответствующими классу напряжения. Основой, на которой закреплены все неподвижные детали, является бумажно-бакелитовый цилиндр. Все подвижные детали собраны на длинном валу, который представляет собой бумажно-бакелитовую трубку. В каждом положении ламельный или подвижный сегментный контакт соединяет два соседних неподвижных контакта. Все три фазы такого переключающего устройства работают синхронно.
В трансформаторах III габарита при напряжении до 35КВ используются трехфазные переключающие устройства, представляющие собой три однофазных устройства барабанного типа П6 и П8, собранных в единый блок. Каждое из них работает как самостоятельное однофазное устройство. Осевой размер трехфазного переключающего устройства находят увеличением в три раза осевого размера А однофазного переключающего устройства (рисунок 7.). Переключающие устройства типа П6 и П8 просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
Таблица 2 - Размер однофазного переключателя типа П6
Тип переключателя Размеры, мм
П6-1600/35 А B C Д F a b d
345 238 25 169 35 70 8 115
Переключающее устройство типа П6 размещается на уровне обмотки и крепятся в деревянной раме с помощью бакелитовых цилиндров. Штанги привода переключателя выполняются из бумажно-бакелитовых трубок или комбинированными из деревянных стержней и бумажно-бакелитовых трубок.
Рисунок 7 - Конструкция и схема работы однофазного переключающего
Вывод
На основе заданных параметров в данной пояснительной записке произведен электромагнитный расчет трансформатора ТМ-1600/20, определены основные геометрические размеры, механические силы в обмотках, а также масса трансформатора. Составлена и рассчитана Т-образная схема замещения. Изучена конструкция и ее особенности для данной серии масляных трансформаторов. Технико-экономические показатели проектируемого трансформатора сопоставлены серийному. трансформатор магнитопровод обмотка замыкание
Список литературы
1. Монюшко Н.Д., Сигалов Э.А., Важенин А.С. Расчет трансформаторов: Учебное пособие по курсу "Электрические машины" для студентов- заочников - Челябинск: ЧПИ, 1986
2. Монюшко Н.Д. и др. Расчет трансформаторов, Конструкция и тепловые расчеты: Учебное пособие для студентов-заочников - Челябинск: ЧПИ, 1987