30079

ТРАНСФОРМАТОР ТМ – 630/10

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

1 Расчет винтовой обмотки 18 3.1 Расчет многослойной цилиндрической обмотки 23 из провода круглого сечения 4 Расчет параметров короткого замыкания 27 4.2 где UH – номинальное линейное напряжение обмотки кВ SH в кВА.8 кВА Классом напряжения трансформатора считают класс напряжения обмотки ВН.

Русский

2013-08-22

1.46 MB

118 чел.

                    

                           Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет: Автоматизации и информационных технологий

Кафедра: Электротехники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТРАНСФОРМАТОР ТМ – 630/10 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

                                         Руководитель проекта               Жуков С.П.

                                         Разработал студент гр. 23-5      Петерс В.Г.

       ЗАДАНИЕ № 24 НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ТРАНСФОРМАТОРА

Выполнить расчёт и конструктивную разработку трансформатора со следующими данными:

  1.  Тип трансформатора……………………………………..

ТМ – 630/10

  1.  Число фаз……………………………………………........

3

  1.  Частота напряжения сети……………………………......

50

Гц

  1.  Номинальная мощность……………………………........

630

кВ*А

  1.  Номинальное напряжение обмоток  ВН.…………….....

10

кВ

  1.  Номинальное напряжение обмоток  НН……………......

0,4

кВ

  1.  Схема и группа соединения обмоток……………….......

Y/Y -11

  1.  Система охлаждения – с естественной циркуляцией масла и воздуха (естественное масляное)
  1.  Режим работы – длительная нагрузка
  1.  Установка……………………………………………........

наружняя

Параметры трансформатора

  1.  Напряжение короткого замыкания……………………..

5,5

%

  1.  Потери короткого замыкания…………………………...

7.6

кВт

  1.  Ток холостого хода………………………………………

2,0

%

  1.  Потери холостого хода………………………………….

1,31

кВт

Спроектированный трансформатор должен соответствовать требованиям государственных стандартов: ГОСТ 11677-85; ГОСТ 12022-76; ГОСТ 11920-85

Дополнительные условия

  1.  Сталь электромеханическая марки………………………..3405
    1.  Обмотка из алюминиевого провода

Содержание

Введение                                                                                                    4                                                        

1.Расчет основных электрических величин                                                 5

2. Расчет основных размеров трансформатора                                            7

     2.1 Выбор материала и конструкции магнитной системы                    7

     2.2 Выбор материала и конструкции обмоток                                       9

     2.3 Определение размеров главной изоляции обмоток                        10

     2.4 Определение диаметра стержня и высоты обмоток                       12

3. Расчет обмоток НН и ВН                                                                          15

      3.1 Расчет обмоток НН                                                                           17

            3.1.1 Расчет винтовой обмотки                                                        18

      3.2 Расчет обмоток ВН                                                                           22

            3.2.1 Расчет  многослойной цилиндрической обмотки                 23

                     из провода круглого сечения

4 Расчет параметров короткого замыкания                                                 27

       4.1Определение потерь короткого замыкания                                    27

       4.2 Расчет напряжения короткого замыкания                                     31  

       4.3 Определение механических сил в обмотках и                              34

            нагрева обмоток при коротком замыкании

5 Расчет магнитной системы трансформатора                                            38

        5.1 Определение размеров и массы магнитной системы                   38

        5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора                 41

        5.3 Определение тока холостого хода трансформатора                     42

6 Тепловой расчет трансформатора                                                              45

        6.1 Тепловой расчет обмоток                                                               46

        6.2 Тепловой расчет бака трансформатора                                         48

               6.2.1 Бак с навесными радиаторами                                             50

        6.3 Расчет превышений температуры обмоток и масла                     52

Литература

1. Расчёт основных электрических величин трансформатора.

Для электромагнитного расчёта трансформатора необходимо определить основные электрические величины:

Мощность одного стержня (фазы) трансформатора, кВА,

,  (1.1)

где SH – номинальная мощность трансформатора, кВА;

m – число фаз трансформатора.

Принимаем SH =630 кВт ; m=3.

Подставляя эти значения в формулу (1.1), получим

кВА

Номинальный линейный ток обмоток ВН и НН трёхфазного трансформатора, А,

,  (1.2)

где UH – номинальное линейное напряжение обмотки, кВ, SH в кВА.

Подставляем значения в формулу (1.2)

А

А

Фазные токи, А, напряжения, В, для обмоток ВН и НН трёхфазного трансформатора:

при соединении обмоток в «звезду»:

,  (1.3)

;  (1.4)

при соединении обмоток в «треугольник»:

,  (1.5)

;  (1.6)

Так как имеем схему соединения обмоток Y/Y, то :

А,  

кВ,

А,

кВ;   

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

,  (1.7)

где РК – потери короткого замыкания, Вт

SH – номинальная мощность трансформатора, кВА;

РК = 7.6 кВт

Подставляя значения в формулу (1.7), получим

кВт

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания при заданном  uK,

 (1.8)

где uК = 5,5 % – потери короткого замыкания

Подставляем значения в формулу (1.8)

кВА

Классом напряжения трансформатора считают класс напряжения обмотки ВН. Классом напряжения обмотки называют её длительно допустимое рабочее напряжение, которое равно номинальному напряжению сети, в которую включается обмотка. Каждому классу напряжения соответствуют испытательное напряжение при 50 Гц и импульсное. Для определения размеров главной изоляции выбираем испытательные напряжения обмоток НН и ВН по таблице 1.1. с.6 [1].

Класс напряжения, кВ

6

Наибольшее рабочее напряжение, кВ

7.2

Испытательное напряжение частотой 50 Гц UИСП, кВ

25.0

2. Расчёт основных размеров трансформатора.

2.1. Выбор материала и конструкции магнитной системы.

Магнитная система является конструктивной и механической основой трансформатора. Магнитопроводы трансформаторов собирают из рулонной холоднокатаной анизотропной электротехнической стали марок 3404, 3405, 3406, 3407, 3408 толщиной 0,35; 0,3; 0,27 мм.

Для уменьшения трудоёмкости изготовления и стоимости магнитопровода мы выбираем дешёвую марку стали 3404 с толщиной листов 0,35 мм. Для холоднокатаных сталей с термостойким покрытием при толщине листов 0,35 мм kЗ=0,97.

При прессовке стержней расклиниванием с внутренней обмоткой (SH <= 630 кВ.А) указанные выше значения  kЗ  уменьшают на 0,01.

План шихтовки магнитопровода следует выбирать по рис.1.

Рис.1. Схемы шихтовки магнитопроводов.

Выбираем следующую схему:

Рис. 2. Схема шихтовки.

  

Стержни и ярма плоской стержневой магнитной системы в поперечном сечении   (рис. 3) имеют форму ступенчатой фигуры, составленной из пакетов пластин стали. Диаметр описанной вокруг ступенчатой фигуры окружности  d  называется диаметром стержня и является одним из основных размеров трансформатора.

   Ширину пакетов, образующих стержень, выбирают так, чтобы получить наибольшее сечение стержня при минимальных отходах стали. Число ступеней в сечении стержня равно числу пакетов пластин в одной половине круга.

334536

Рис. 3. Основные размеры трансформатора.

Стержни магнитопровода будут прессовать расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без канала.

Коэффициент заполнения сталью площади круга, описанного вокруг ступенчатой фигуры сечения стержня:

 

 (2.1)

kKP – коэффициент заполнения круга площадью ступенчатой фигуры

kЗ – коэффициент заполения стали.

По таблице 2.1. c.9 [1], ссылаясь на мощность нашего трансформатора, выбираем:

Ориентировочный диаметр стержня d, ь

C прессующией пластины

Число ступеней

Коэффициент kKP

0.22

7

0,901

Подставляя значения в формулу (2.1), получим

По таблице 2.2. /1/ выбираем ориентировочную индукцию в стержнях трансформатора: ВС = 1,55 Тл. (может изменяться от 1,55 до 1,65).

2.2 Выбор материала и конструкции обмоток

Основным элементом обмоток трансформатора является виток. В зависимости от величины тока витки обмотки наматывают одним или несколькими изолированными проводами круглого или прямоугольного сечения. Для обмоток масляных трансформаторов применяют медный или алюминиевый обмоточный провод марок ПБ и АПБ, изолированный лентами кабельной бумаги класса нагревостойкости А (105 0С). Сортамент обмоточных проводов круглого сечения приведен в табл. 2.3 c.11 [1], прямоугольного сечения в табл. 2.4 c.12 [1].

В трансформаторах с классом напряжения до 35 кВ включительно применяют концентрические обмотки, то есть обмотки ВН и НН выполняют в виде цилиндров, концентрически расположенных на стержне (рис. 2). Обычно обмотка НН расположена внутри, а обмотка ВН - снаружи.

Тип обмоток ВН и НН выбирают по табл. 2.5 c.14 [1]  в соответствии с номинальными мощностью, напряжением и током одного стержня.

Основной материал – алюминий.

Обмотка винтовая одно-, двух- и многоходовая из провода прямоугольного сечения (НН).

Основные достоинства: Высокая механическая прочность, надёжная изоляция, хорошее охлаждение.

Основные недостатки: Более высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой.

Пределы применения, включительно:

по мощности трансформатора - от 100 кВА и выше

по току на стержень - от 150-200 А и выше

по напряжению – до 35 кВ

по сечению витка – от 75 мм2 и выше

Число параллельных проводов - 4-16 и более

Обмотка цилиндрическая многослойная из провода круглого сечения (ВН).

Основные достоинства: Высокая электрическая и механическая прочность, хорошее охлаждение.

Основные недостатки: ухудшение теплоотдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности.

Пределы применения, включительно:

по мощности трансформатора – от 630 кВА

по току на стержень - от 2-3 до 125-135А

по напряжению – до 35 кВ

по сечению витка – от 1,37   до 50,24 мм2

          Число параллельных проводов –  1

2.3. Определение размеров главной изоляции обмоток.

Изоляцию находящихся под напряжением частей между собой и от заземлённых частей трансформатора выполняют из твердых диэлектриков – электроизоляционного картона, кабельной бумаги, лакотканей, дерева и других материалов. В масляных трансформаторах части изоляционных промежутков, не занятые твёрдым диэлектриком заполнены жидким диэлектриком – трансформаторным маслом.

Изоляцию каждой обмотки от других обмоток и от заземлённых частей называют главной изоляцией (рис. 4).

Рис.4. Главная изоляция обмоток ВН и НН.

Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляют жёсткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами или мягкими цилиндрами из электроизоляционного картона. Выступы цилиндров lЦ1, lЦ2  за высоту (осевой размер) обмотки (рис. 3) исключают разряды по поверхности цилиндра между обмотками или с обмотки на стержень.

При испытательном напряжении 85 кВ изоляцию обмоток от ярма усиливают шайбами и подкладками из электрокартона.

Между обмотками ВН соседних стержней устанавливают междуфазные перегородки из электрокартона.

Минимальные изоляционные расстояния и размеры основных изоляционных деталей главной изоляции масляных трансформаторов для испытательных напряжений 5 - 85 кВ выбираем : для обмоток НН – в таблице 2.6 /1/, для обмоток ВН – в таблице 2.7 /1/.  

Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН

Мощность трансформатора SН, кВА

Испытательное напряжение НН UИСП, кВ

НН от ярма l01, мм

НН от стержня, мм

σ01

аЦ1

а01

lЦ1

630

5

30

20,5

-

5

-

Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН

Мощность трансформатора SН, кВА

Испытательное напряжение ВН UИСП, кВ

ВН от ярма, мм

НН от стержня, мм

Выступ цилиндра lЦ2, мм

Между ВН и ВН, мм

l02

σш

а12

σ12

а22

σ22

630

25

30

-

9

3

15

10

-

Толщина нормальной витковой изоляции проводов марок ПБ и АПБ:

При испытательном напряжении обмотки от 5 до 85 кВ, в случае применения провода прямоугольного сечения, толщина изоляции на две стороны 2d  равна 0,45 (0,5) мм.    

2.4 Определение диаметра стержня и высоты обмоток

На диаметр стержня магнитной системы влияют:

1. Ширина приведённого канала рассеяния, мм,

 (2.2)

где а12 – изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН (рис.4), мм.

Суммарный приведённый радиальный размер (приведённая ширина) обмоток ВН и НН, мм:

 (2.3)

где S’ – мощность трансформатора на один стержень, кВА;

k- коэффициент, определяемый по табл. 2.9 /1/ в зависимости от мощности, материала обмоток и напряжения обмочен ВН. Для трансформатора мощностью в 630 кВА и классом напряжения 35 кВ, k=0,81 (может изменяться от 0,81 до 0,73)

Подставляя значения в формулу (2.3), получим

мм

Подставляя значения в формулу (2.2), получим

мм

2. Коэффициент β -отношение средней длины окружности канала между обмотками πd12 к высоте обмотки l (рис.3),

 (2.4)

где d12 и l в м. По таблице 2.10 /1/ определяем рекомендуемое значение β. β = 1,6 (изменяется от 1,3 до 1,7).

Диаметр стержня предварительно, м,

 (2.5)

Здесь S’ – мощность трансформатора на один стержень, кВА; аР по формуле (2.2), мм; коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному kP = 0,95; частота сети f = 50 Гц ; uP - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %; ВС - индукции в стержне, Тл; kC -коэффициент заполнения сталью площади круга.

Подставляя значения в формулу (2.5), получим

м

Определенный по (2.5) диаметр d следует  сравниваем с ориентировочным диаметром стержней по табл. 2.1 /1/. После чего выбираем ближайший к d диаметр dH по шкале нормализованных диаметров (dH = 0,21) и определяем коэффициент βH, соответствующий выбранному диаметру dH,

 (2.6)

Подставляя значения в формулу (2.6), получим

Средний диаметр канала между обмотками предварительно, м.

 (2.7)

Здесь диаметр dН в м; a01 и а12 - минимальные изоляционные промежутки (рис. 4) по табл. 2.6 с.16 [1] и 2.7 с. 17 [1] соответственно в мм;

Радиальный размер обмотки НН (рис. 4) предварительно, мм,

 (2.8)

Здесь S' по формуле (1.1) в кВА; коэффициент k по табл. 2.9 с.19 [1]; коэффициент k1= 1,1.

Подставляя значения в формулу (2.8), получаем

мм

Подставим значения в формулу (2.7), получим

м

Высота обмотки предварительно, м,

 (2.9)

Подставим значения в формулу (2.9), получим

м

Активное сечение стержня (чистое сечение стали), м2,

 (2.10)

Подставляя значения в формулу (2.10), получаем

м2

При окончательном расчете магнитной системы сечение стержня ПС может быть скорректировано на 0,5 - 3,0 %. В процессе расчета обмоток и магнитной системы предварительно найденные размеры могут быть изменены.

3 Расчёт обмоток НН и ВН

Основным элементом всех обмоток является виток. Электродвижущая сила (напряжение) одного витка, В,

 (3.1)

где ВС ранее взятое в пункте 1; ПС по формуле (2.10) в м2; f = 50 Гц.

Подставляем значения в формулу (3.1)

В

В зависимости от тока нагрузки виток выполняют одним проводом или группой параллельных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Количество проводов выбирают исходя из сечения витка, сортамента провода и технологии намотки катушек: провод сечения трудно укладывать, а излишнее количество параллельных проводов увеличивает объём изоляции проводников и размеры обмотки.

Во всех типах обмоток различают осевое – параллельное оси стержня и радиальное – вдоль любого радиуса направления (рис. 5).

Размеры охлаждающих каналов, провода и катушек обмотки зависят от нагрева, характеризуемого плотностью теплового потока q, равной отношению потерь в обмотке к площади поверхности охлаждения. По условиям допустимого нагрева принимают q не более 1400 Вт/м2 для обмоток из медного и на (20-25)% меньше для обмоток из алюминиевого провода.

Средняя плотность тока в обмотках, А/мм2,

 (3.2)

где С1 = 0,463 для алюминиевых проводов; kД = 0,93 – коэффициент, учитывающий добавочные потери ( выбираем по табл. 3.1. с.22 [1]). РК – потери короткого замыкания, Вт; uB – напряжение одного витка по формуле (3.1), В; SH в кВА; d12 по формуле 2.7 в м.;

Подставляя значения в формулу (3.2), получим

А/мм2

Найденное значение JСР находится в пределах, указанных в табл. 3.2 с.23 [1].

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки, мм2,

,  (3.3)

где IФ – фазный ток соответствующей обмотки.

Подставляя значения в формулу (3.3), получим

для низкого напряжения (НН)

мм2

для высокого напряжения (ВН)

мм2

Исходя из ориентировочного сечения витка П , конструктивных особенностей и условий охлаждения обмотки выбираем по таблицам 2.3, 2.4 [1] необходимое число проводов и их сечение.

НН

Сечение витка, мм

Число параллельных проводов

Сечение 1-го провода, мм

Провод прямоугольного сечения

 

Размеры, мм

a

b

 472,8

 8

 59,1

3,75

1,6

ВН

Сечение витка, мм

Число параллельных проводов

Сечение 1-го провода, мм

Провод круглого сечения

 

Диаметр провода d, мм

 28,26

1

28,26

 6,0

3.1. Расчёт обмоток НН

Расчет обмоток трансформатора начинают низшего напряжения, располагаемой между стержнем  и обмоткой ВН.

Число витков одной фазы обмотки НН

 (3.4)

где UФ1 - номинальное фазное напряжение обмотки НН, В;

f- частота напряжения сети, равная 50 Гц;

Вс -индукция в стержне Тл, по табл. 2.2 c.10 [1];

Пс - площадь сечения стержня по формуле (2.10) в м2.

Подставляя значения в формулу (3.4), получаем

витков

Полученное значение w1 округляем до ближайшего целого числа. w1 = 23 витков.

Находим напряжение (ЭДС) одного витка, В,

,  (3.5)

где UФ1 в В.

Подставляем значения в формулу (3.5), получаем

В.

Действительная индукция в стержне Тл,

 (3.6)

Подставляя значения в формулу (3.6), получаем

Тл.

Дальнейший расчёт будем вести в зависимости от выбранного нами типа обмотки НН.

3.1.1 Расчёт винтовой обмотки

Винтовую обмотку выполняют только из провода прямоугольного сечения. Так как в п.3 ориентировочное сечение витка значительно, было принято решение использовать двухходовую обмотку с радиальными каналами между всеми проводниками для качественного улучшения процесса отвода тепла от обмотки (рис. 6).      

В винтовой обмотке для выравнивания полных сопротивлений параллельных проводов во избежание неравномерного распределения тока производят транспозицию (перекладку) проводов.

В одноходовой обмотке применяют комбинацию двух видов транспозиции - групповую, когда все параллельные провода делятся на две или более групп и изменяется взаимное расположение этих групп без изменения расположения проводов в группе и общую, при которой изменяется  взаимное расположение всех  проводов.

Выбор числа ходом обмотки зависит от осевого расположения  размера (высоты) одного витка, мм , определяемого сначала для одноходовой обмотки (рис.6) с учетом   транспозиции:

 (3.7)

где l1 -  высота обмотки, предварительно найденной по формуле (2.9);  hK1- осевой размер охлаждающею канала между витками, мм. Обычно hK1 = 0,1a1, но не менее 4 мм.

hK1 = 4 мм.

Подставляя значения в формулу (3.7), получаем

мм.

Так как hB1 получилось менее 18,5, то обмотка одноходовая.

В обмотках с радиальными охлаждающими каналами между всеми витками и ходами значение большего из двух размеров провода прямоугольного сечения b, мм:

для четырёхходоваой обмотки

 (3.8)

где 2σ – двусторонняя изоляция провода (2σ = 0,5); hB1 – осевой размер витка.

Подставляя значения в формулу (3.8), получаем

мм.

По условиям охлаждения при допустимом уровне добавочных потерь размер провода b, мм,

 (3.9)

где kЗ – коэффициент, учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки; для винтовых обмоток kЗ = 1,0; q – плотность теплового потока не должна превышать 1400 Вт/м2; числовой коэффициент k2 = 17,2 (для алюминиевого провода); JСР – плотность тока в обмотке определяемая по формуле (3.2), А/мм2.

Подставляя значения в формулу (3.9), получим

 

мм

Радиальный размер обмотки а1, мм,

 (3.10)

где а’ -меньший размер провода в изоляции, мм;

nB1- число параллельных проводов витка;

nX -число ходов обмотки: в одноходовой nX = 1, в двухходовой nX = 2, в четырехходовой nX = 4.

Подставляя значения в формулу (3.10), получаем

мм

Предельное значение радиального размера обмотки определяем из условия охлаждения, мм,

.  (3.11)

где kЗ – коэффициент, учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки; для винтовых обмоток kЗ = 1; плотность теплового потока q = 1400 Вт/м2; числовой коэффициент k2 = 17,2 (для алюминиевого провода); JСР – плотность тока в обмотке определяемая по формуле (3.2), А/мм2.

Подставляя значения в формулу (3.11), получаем

мм

АПБ 

где nB1 – число параллельных проводов витка;

а, b - размеры провода без изоляции, мм, определяют по табл.2.4. с.13 [1];

а', b'- размеры провода в изоляции по формулам  ; , мм.

мм

мм

Полное сечение витка обмотки, мм2,

 (3.12)

ППР – сечение одного провода, принятое по таблице 2.4. с.13 [1];

Подставляя значения в формулу (3.12), получим

мм2

Реальная плотность тока в обмотке, А/мм2,

 (3.13)

Подставляя значения в формулу (3.13), получим

А/мм2

Осевой размер (высоту) опрессованной после сушки трансформатора обмотки, определим по формуле для одноходовой обмотки с радиальными каналами

 (3.14)

где k = (0,94-0,96) – коэффициент учитывающий усадку межкатушечных прокладок после сушки и опрессовки обмотки, hσ = (1-1,15) мм – толщина прокладок; hK1 = 4,062 мм.

Подставляя значения в формулу (3.14), получим

м.

Внутренний диаметр обмотки, м,

 (3.15)

где dH – нормализированный диаметр стержня в м;

а01 =  15 мм. – ширина канала между обмоткой и стержнем.

Подставляя значения в формулу (3.15), получим

м.

Наружный диаметр обмотки, мм.

 (3.16)

где а1 – радиальный размер обмотки в мм; D1’ – внутренний диаметр обмотки, м.

Подставляя значения в формулу (3.16), получим

м.

Плотность теплового потока q, Вт/м2, на поверхности одноходовой обмотки с радиальными каналами через два витка

 (3.17)

где  коэффициент k =17,2  - для алюминиевого провода; Jl - реальная плотность тока в обмотке НН в А/мм2; IФ1-фазный ток обмотки НН в А; число витков в одном ходе обмотки wK = 1 для одноходовой обмотки; kД - коэффициент, учитывающий добавочные потери (kД= 1,05); kЗ - коэффициент, учитывающий закрытие охлаждаемой поверхности обмотки изоляционными деталями (k3 = 0,75); а и b - размеры провода без изоляции в мм; a' и b' -размеры провода в изоляции по формулам в мм; a1 - радиальный размер обмотки в мм;

Подставляя значения в формулу (3.17), получим

Вт/м2

Полученное нами значение q не превышает допустимые 1100 Вт/м2 для алюминиевого провода.

3.2 Расчёт обмоток ВН

В обмотке ВН выполняют ответвления для регулирования напряжения путём переключения без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток от сети. Согласно ГОСТ предусмотрено пять ответвлений на +5; +2,5; 0; -2,5; -5 % от номинального напряжения. Схему регулировочных ответвлений выбирают по мощности и номинальному напряжению трансформатора с учётом типа и схемы соединения обмотки ВН.

Число витков обмотки ВН при номинальном напряжении

 (3.18)

где UФ1 и UФ2 - номинальные фазные напряжения обмоток НН и ВН.

Подставляя значения в формулу (3.18), получим

витков

Число витков на одной ступени регулирования

 (3.19)

где uB- напряжение одного витка обмотки, В, по формуле (3.5).

Подставляя значения в формулу (3.19), получим

витков

Число витков обмотки на ответвлениях +5; +2,5; 0; -2,5; -5 %  от номинального напряжения соответственно равно  w2H + 2wP; w2H + wP; w2H; w2H - wP; w2H - 2wP.

Предварительно плотность тока в обмотке ВН, А/мм2,

 (3.20)

где JCP  J1 находят соответственно по формулам (3.2) и (3.13).

Подставляя значения в формулу (3.20), получим

А.

Сечение витка обмотки ВН, мм2,

 (3.21)

где IФ2  - номинальный фазный ток обмотки ВН в А.

Подставляя значения в формулу (3.21), получим

А

3.2.1. Расчёт многослойной цилиндрических обмоток обмотки

  

В трансформаторах мощностью до 630 кВА часто применяют многослойные цилиндрические обмотки из медного или алюминиевого провода круглого сечения в качестве обмоток ВН с напряжением от 3 до 35 кВ и обмоток НН с напряжением от 3 до 10 кВ

Рис. 3 8. Устройство, изоляция и варианты выполнения многослойных цилиндрических обмоток из провода круглого сечения

   

   Намотанные изолированным проводом слои обмотки соединяют последовательно. Вследствие этого между первым витком какого-либо слоя и лежащим рядом последним витком следующего слоя возникает значительное напряжение и собственная изоляция витков может оказаться недостаточной. Для обеспечения электрической прочности обмотки применяют дополнительную изоляцию слоев обмотки (рис.3.8,г).  В качестве междуслойной изоляции применяют кабельную   бумагу, положенную в несколько слоев.      

 Для увеличения пути возможного разряда между слоями по торцевой поверхности обмотки высоту междуслойной изоляции делают на (10-25) мм больше высоты слоя обмотки. Высоту слоев обмотки выравнивают с высотой междуслойной изоляции свернутыми в кольцо полосками электрокартона (бортиками) толщиной, равной толщине слоя обмотки (рис. 3.8,г). Бортики прикрепляют к каждому слою обмотки. Высота бортика равна высоте выступа междуслойной изоляции, поэтому образуется ровная и твердая опорная поверхность обмотки.

Проводники внутренних слоев обмотки, не соприкасающиеся с маслом, нагреваются сильнее, чем проводники наружных слоев. Для интенсификации отвода тепла стремятся увеличить общую поверхность охлаждения и уменьшить толщину обмотки. Обмотку делят на две катушки осевым (вертикальным) каналом (рис. 3.8), по которому циркулирует масло. Канал образован рейками из электрокартона или из дерева (в обмотках на напряжение не более 10кВ).

По ориентировочному сечению витка П2 и сортаменту провода (табл. 2.3) выбирают провод подходящего сечения или два - три одинаковых параллельных провода с диаметром без изоляции d2 и в изоляции d'2, мм (рис. 3.8,г). Размеры провода записывают так:

АПБ

Полное сечение витка, мм2,

 (3.22)

где ППР – сечение одного провода по табл. 2.3. с.11 [1], в мм2.

Подставляя значения в формулу (3.22), получим

мм2

Реальная плотность тока, А/мм2,

 (3.23)

где IФ2 – номинальный фазный ток обмотки ВН, А.

Подставляя значения в формулу (3.23), получим

А/мм2

Число витков в слое:

 

              (3,24)

,

здесь  l2 =( l1 -0.01) =0.5443-0.01 =0.5343м

Число слоев в обмотке

                        (3,25)

Рабочее напряжение двух слоев, В

                                                 (3,26)

  В

В соответствии с рабочим напряжением двух слоев по таблице 3.6 выбирают число слоев и общую толщину кабельной бумаги в изоляции между слоями обмотки.

Для улучшения охлаждения обмотку выполняют в виде двух концентрических катушек с осевым  масляным каналом между ними (рис. 3,8). Число слоев внутренней катушки при этом принимают не более 1/3-2/5 от общего числа слоев обмотки. Минимальную ширину масляного канала  a`22 выбирают по таблице 3,4.   a`22 =6 мм.               

Принимаем число слоев внутренней катушки -3.

Радиальный размер обмотки без экрана

 

                                                     (3,27)

мм.

    Внутренний диаметр обмотки, м,

                                                     (3.28)

где  D1" - наружный диаметр обмотки НН, м,

       а12 – радиальный размер осевого канала между обмотками НН и ВН по табл. 2.7,мм.   

Подставляя значения в формулу (3.30), получаем

м

Наружный диаметр обмотки, м

                                                         (3.29)

Подставляя значения в формулу (3.31), получаем

м

Поверхность охлаждения обмотки, разделенной на две катушки вертикальным охлаждающим каналом, м2

                                                  (3,30)

м2

Плотность теплого потока в обмотке ВН, Вт/м2

                                             (3.31)

        

        PОСН2 – потери в обмотке ВН

        kД2 –коэффициент , учитывающий добавочные потери в обмотке ВН ;

                 

Подставляя значения в формулу (3.32), получаем

Вт/м2

Получившееся значение q не превышает допустимые 1100 Вт/м2 для алюминиевого провода.

4. Определение параметров короткого замыкания

4.1. Определение потерь короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называют потери мощности при установлении в одной из обмоток тока, соответствующего номинальной мощностей и замкнутой накоротко другой обмотке.

Потери короткого замыкания РК в трансформаторе подразделяют на следующие составляющие:

основные электрические потери РОСН1 и РОСН2 обусловлены токами в обмотках НН и ВН;

добавочные потери в обмотках НН и ВН от вихревых  токов индуктированных полем рассеяния;

основные потери в отводах от обмоток РОТВ1 и РОТВ2;

потери в стенках бака и других металлических деталях трансформатора, вызванные магнитным полем рассеяния обмоток, РБ.

Средний диаметр, м, обмоток НН и ВН соответственно:

 (4.1)

 (4.2)

где D1', D1", D'2, D''2 -соответственно внутренние и наружные диаметры обмоток НН и ВН, м, найденные в разделе 3.

Подставляя значения в формулы (4.1), (4.2), получаем

м

м.

Массы металла, кг, обмоток НН и ВН соответственно;

 (4.3)

 (4.4)

где k = 25,4; П1 и П2 – сечение витков обмоток НН и ВН, мм2

 DСР1 и DСР2 – средние диаметры обмоток, м.

Подставляя значения в формулы (4.3), (4.4), получаем

кг

кг

Основные потери, Вт, в обмотках НН и ВН соответственно:

 (4.5)

 (4.6)

где k=12,75; J1 и J2 – реальная плотность тока в обмотках НН и ВН в А/мм2; G01 и G02 – массы металла обмоток НН и ВН в кг.

Подставляя значения в формулы (4.5), (4.6), получаем

Вт

Вт

Масса металла обмотки ВН с учетом витков верхних ступеней регулирования, кг,

 (4.7)

Подставляя значения в формулу (4.7), получаем

кг

Полная масса металла в обмотках трансформатора, кг

 (4.8)

Подставляя значения в формулу (4.8), получаем

кг

Для расчета добавочных потерь в обмотках НН и ВН от потока рассеяния ФР (рис.10) определяем коэффициенты, учитывающие заполнение высоты обмотки материалом провода:

Для обмотки НН из провода прямоугольного сечения

 (4.9)

где m=49 – число проводников в осевом направлении; bПР мм – размер провода прямоугольного сечения в осевом направлении обмотки; kP – коэффициент поля рассеяния (изменяется от 0,93 до 0,98)

Подставляя значения в формулу (4.9), получим

Для обмотки ВН из провода круглого сечения

 (4.10)

где m – число проводников в осевом направлении; d – диаметр провода круглого сечения, мм; kP – коэффициент поля рассеяния (изменяется от 0,93 до 0,98)

Подставляя значения в формулу (4.10), получим

Для изолированного провода β всегда меньше единицы.

Коэффициенты, учитывающие добавочные потери в обмотке НН kД1 и в обмотке ВН kД2 рассчитывают по формулам:

для обмоток НН из провода прямоугольного сечения

 (4.11)

где k = 0,037; коэффициент β по формуле (4.9); аПР – размер провода прямоугольного сечения в радиальном направлении обмотки; n=6 – число параллельных проводов в одном ходе.

Подставляя значения в формулу (4.11), получим

для обмоток ВН из провода круглого сечения

 (4.12)

где k = 0,017; коэффициент β по формуле (4.10); d– диаметр провода круглого; n=nC2.

Подставляя значения в формулу (4.12), получим

Для расчета основных потерь в отводах обмоток НН и ВН определяем длины проводников и массы металла отводов. Сечение отвода ПОТВ обмотки НН или ВН равно сечению витка соответствующей обмотки.

Общая длина отвода обмотки НН, соединённой в «звезду», м,

 (4.13)

Подставляя значения в формулу (4.13), получим

м

Общая длина отвода обмотки ВН, соединённой в«звезду»,  м,

 (4.14)

Подставляя значения в формулу (4.14), получим

м

Масса метала отводов НН или ВН, кг,

 (4.15)

где  длина отводов lОТВ в м; сечение ПОТВ  в мм2; плотность материала обмоток Y- 2700 кг/м3 для алюминия.

Подставляя значения в формулу (4.15) сначала для НН, потом для ВН, получим

кг

кг

Основные потери, Вт, соответственно в отводах НН и ВН:

 (4.16)

 (4.17)

где k=12,75; J1 и J2 – плотности токов в обмотках НН и ВН в А/мм2; GОТВ1 и GОТВ2 в кг. – массы отводов, определённые по формуле (4.15).

Подставляя значения в формулу (4.16), получим

Вт

Подставляя значения в формулу (4.17), получим

Вт

Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора, Вт,

 (4.18)

где k – коэффициент, выбираемый по таблице 4.1. с.56 [1]; k=0,17

 SH – номинальная мощность трансформатора в кВА.

Подставляя значения в формулу (4.18), получим

Вт

Находим полные потери короткого замыкания, Вт, по формуле

 (4.19)

Подставляя значения в формулу (4.19), получим

Вт

Сверяем полученное значение PK с заданным на проектирование трансформатора.

Заданное PK = 7,6 кВт.

%

4.2. Расчёт напряжения короткого замыкания

Напряжением короткого замыкания uK двухобмоточного трансформатора называют напряжение, которое следует подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи. При этом переключатель ответвлений обмотки ВН для регулирования напряжения должен находиться в положении, соответствующем номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе при нагрузке, его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Его рассчитывают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки и учитывают при подборе трансформатора на параллельную работу.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

 (4.20)

где РК – потери короткого замыкания по формуле (4.19) в Вт; SH – номинальная мощность трансформатора в кВА.

Подставляя значения в формулу (4.20), получим

%

Для определения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания необходимо рассчитать ряд коэффициентов.

Числовой коэффициент

 (4.21)

где l – наибольшая высота обмотки НН или ВН, полученная по расчёту в разделе 3.

d12 – средний диаметр канала между обмотками в м,

м.

Подставляя значения в формулу (4.21), получим

Ширина приведённого канала рассеяния в мм (рис. 11),

 (4.22)

где  а12 - ширина канала между обмотками по табл. 2.7 с.17 [1] в мм;

a1 и а2 радиальные размеры обмоток НН и ВН в мм;

Подставляя значения в формулу (4.22), получим

мм.

l = 0,5443

Коэффициент σ, где а12, a1 и а2 в мм,

Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального вследствие конечной высоты обмоток,

 (4.23)

Подставляя значения в формулу (4.23), получим


В многослойной цилиндрической обмотке lX = 0, так как регулировочные витки обычно размещены в наружном слое обмотки, по всей ее высоте (рис. 12).

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

 (4.24)

где f - частота сети, равная 50 Гц; S' - мощность одной фазы трансформатора, определяемая по формуле (1.1), кВА; ширина канала рассеяния аР - по формуле (4.22), мм; kР, kq =1 – коэффициенты по формулам, соответственно, (4,21), (4,23); uB -напряжение одного витка в В, по формуле (3.1).

Подставляя значения в формулу (4.24), получим

%

Напряжение короткого замыкания

 (4.25)

Подставляя значения в формулу (4.25), получим

%

Сверяем полученное значение uK c заданным на проектирование трансформатора.

Заданное uK = 5,5 %

%

Полученное при расчёте значение uK не превышает допустимые значения.

4.3. 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 соками, 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,

 (4.26)

Подставляя значения в формулу (4.26), получим

А

А

Коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания,

 (4.27)

Подставляя значения в формулу (4.27), получим

Наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания, А,

 (4.28)

где kM - коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.

Подставляя значения в формулу (4.28), получим

А

А

Механические силы, возникающие при коротком замыкании между обмотками и их частями, могут привести к разрушению об мотки, 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 (рис. 13)  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,

 (4.29)

где КР -коэффициент, вычисленный по формуле (4.23); DCP2 - число витков и средний диаметр обмотки ВН в м;  l2 - осевой размер (высота) обмотки ВН в м; наибольший мгновенный (ударный) ток iKM по формуле (4.28) в A; w2H - число витков обмотки ВН.

Подставляя значения в формулу (4.29), получим

000 Н

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 FOC (рис. 14), сжимающие обмотки в осевом направлении. Осевую силу FOC, Н, определяют по формуле:

 (4.30)

где Fp - радиальная сила в Н;  ар - ширина приведенного канала рассеяния, определяемая по формуле (4.22), мм; l - реальная средняя, длина обмоток в м.

Подставляя значения в формулу (4.30), получим

Н

Напряжение сжатия на опорных поверхностях, МПа,

 (4.31)

где FСЖ – сжимающая сила в Н;

 n – число прокладок по окружности (выбирается по таблице 3.7. с.48 [1]); n = 8

а – радиальный размер обмотки

 b – ширина опорной прокладки; b = 50 ( может изменяться от 40 до 60).

Подставляя значения в формулу (4.31), получим

МПа

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,

 (4.32)

Подставляя значения в формулу (4.32), получим

Напряжение сжатия в проводе внутренней обмотки, МПа,

 (4.33)

где w – число витков обмотки, для которой определена сила; w = 23.

П – площадь поперечного сечения одного витка в мм2.

Подставляя значения в формулу (4.33), получим

МПа

Температура обмотки через tK секунд после возникновения короткого замыкания, 0С,

 (4.34)

где tK - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, принимаемая при напряжении не более 35 кВ примерно равной 4 секундам;

k - коэффициент, равный 5,5 для алюминиевых проводов обмоток;

uK -напряжение короткого замыкания по формуле (4.30) у   %;

J- плотность тока в рассматриваемой обмотке, А/мм2;

я - начальная температура обмотки, принимаемая равной 90°С.

Вычисленное значение температуры K должно удовлетворять условию .

Подставляя значения в формулу (4.34), получим

 0С

Вычисленное по формуле (4.34) значение K удовлетворяет условию .

5. 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.

5.1 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 5.1. с.68 [1].

1. Верхние и нижние ярмовые балки стягивают вертикальными шпильками, расположенными снаружи обмоток (с прессующей пластиной).

d,м

nC

kР

nЯ

аЯ,мм

Размеры пакетов стали в стержне а х b, мм

1

2

3

4

5

6

0,21

6

0,890

5

130

200 х32

180 х22

160 х14

145 х8

130 х6

110 х8

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.

2. 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. с.72 [1].

d, m

Пфс, см2

Пфя, см2

Vy, см3

0,21

308,4

311,6

5522

где ПФС и ПФЯ – площади сечений стержня и ярма; VY – объём угла плоской шихтованной магнитной системы.

Активное сечение стержня ПС и ярма ПЯ, м2,

  (5.1)

.  (5.2)

где kЗ – коэффициент заполнения сталью.

Подставляя значения в формулы (5.1) и (5.2), получим

м2

м2

Длина стержней трансформатора, м,

 (5.3)

где l2 – высота обмотки ВН, м, рассчитанная в разделе 3.  и

Подставляя значения в формулу (5.3), получим

м

Расстояние между осями отдельных стержней, м,

 (5.4)

где D2’’ – внешний диаметр обмотки в м.

Подставляя значения в формулу (5.4), получим

м

.

Масса 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,

 (5.5)

где VУ – объём угла магнитной системы; γСТ = 7650 кг/м3 – плотность трансформаторной стали.

Подставляя значения в формулу (5.5), получим

кг.

Масса стали двух ярм трёхфазного трансформатора, кг,

 (5.6)

где С – расстояние между осями стержней по формуле (5.4) в м.; сечение ПЯ в м2.

Подставляя значения в формулу (5.6), получим

кг

Масса стали стержней, кг,

 (5.7)

Активное сечение стержня в м2; γСТ = 7650 кг/м3 – плотность трансформаторной стали; длина стержня lC в м; а – ширина среднего пакета стали ярма, мм, равная а.

Подставляя значения в формулу (5.7), получим

кг

Полная масса стали магнитной системы, кг,

 (5.8)

Подставляя значения в формулу (5.8), получим

кг.

5.2 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 В   (табл. 5.6 с.76 [1])

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

 (5.9)

 (5.10)

Подставляя значения в формулы (5.9) и (5.10), получим

Тл

Тл.

Для дальнейшего расчёта из таблиц [1] подбираем коэффициенты:

kПД = 1,13 – коэффициент добавочных потерь для  отожженных пластин по табл. 5.8 с.78 [1]

kПУ = 8,58–коэффициент увеличения потерь в углах с 6 косыми  стыками по табл. 5.7. с.77 [1].

pС = 1,15 по табл. 5.6 с.76 [1].

PЯ = 1,117 по табл. 5.6 с.76 [1].

Потери холостого хода в магнитопроводе стержневого типа, Вт,

 (5.11)

Подставляя значения в формулу (5.11), получим

Вт.

Сверяем полученное PX c заданным.

Заданное PX = 1310 Вт.

5.3. 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, %,

  (5.12)

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:

1. k'ТД - коэффициент, учитывающий влияние резки рулона стали на пластины и срезания заусенцев. k'ТД = 1, 2.

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 =1,06

3. kТУ - коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы (табл. 5.9 с.79 [1]). kТУ = 27,95

4. kТПЛ - коэффициент, учитывающий увеличение   намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета а2 (табл. 5.10 с.80 [1]). kТПЛ = 1,50

Полная намагничивающая мощность, кВА,

(5.13)

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 [1], ВА/кг;

n3ПР, n3КОС - число прямых и косых стыков пластин стали ярм и стержней для выбранного по рис. 1.  плану шихтовки магнитопровода;

q3ПР,  q3КОС - удельная намагничивающая мощность для зазоров, определяемая из табл. 5.11 с.81 [1] по индукциям ВСПР и ВСКОС, в  ВА/м2

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 45 0 площадь зазора в стыке , индукция в стыке .

Принимаем qC и qЯ равным 1,447 и1,3696 соответственно;  q3КОС = 2000 ВА/м2;

Подставляя значения в формулу (5.13), получим

Реактивная составляющая тока холостого хода, %

 (5.14)

Подставляя значения в формулу (5.14), получим

%

Полный ток холостого хода, %,

 (5.15)

Подставляя значения в формулу (5.15), получим

%

Заданное на проектирование i0 =2,0 %.

Коэффициент полезного действия трансформатора, о.е.,

 (5.16)

Подставляя значения в формулу (5.16), получим

6. Тепловой расчёт трансформатора

 Активную часть трансформатора (магнитопровод с обмотками) устанавливают в стальной бак. Бак закрывают крышкой и заливают в бак трансформаторное масло для лучшего охлаждения обмоток и магнитопровода.

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. С ростом температуры возникает температурный перепад (разность температур) между обмоткой или магнитной системой и трансформаторным маслом. С появлением температурного перепада начинается передача тепла от более нагретой активной части к более холодному маслу.

Вслед за активными частями нагревается масло и металлический бак и возникает температурный перепад между внешней поверхностью бака и окружающим воздухом. Тепло с поверхности бака передаётся воздуху лучеиспускания и конвекции. С увеличением температуры обмоток и магнитопровода возрастают температурные перепады между активными частями, маслом, баком и окружающим воздухом. Пропорционально температурным перепадам увеличивается количество тепла, отдаваемое воздуху. Когда все выделяющееся в трансформаторе тепло рассеивается в окружающем воздухе, дальнейший нагрев активных частей прекращается. Температуры активных частей и превышения температур не изменяются.

Большинство силовых трансформаторов работают с длительной малоизменяющейся нагрузкой, не превышающей номинальной мощности. Поэтому тепловой расчёт трансформаторов выполняют для режима номинальной нагрузки.

Задача теплового расчета заключается:

  1.  В определении перепадов температур внутри обмоток и магнитной системы и между обмотками, магнитной системы и маслом.
  2.   В подборе конструкции, размеров бака и системы охлаждения, обеспечивающих нормальную теплоотдачу всех потерь при температурах обмоток, магнитной системы и масла, не превышающих допустимые температуры.
  3.  В поверочном расчете превышений температуры обмоток, магнитной системы и масла над окружающим воздухом.

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 и между обмотками и маслом, не определяя перепады температур для магнитопровода.

6.1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТОК

       

         Тепловой расчет обмоток начинают с определения внутренних перепадов температур: θО1 для обмотки НН и θО2 для  обмотки ВН.

            Внутренний перепад температуры практически равен перепаду в изоляции одного провода, С,

 (6.1)

               где q – плотность теплового потока, Вт/м2;

                     δ – толщина изоляции провода на одну сторону, мм;

                     - теплопроводность изоляции провода, Вт/(м*С) по табл. 6.1 стр.84

                      C

                       

                  

                     

                  C

 Удельные потери p, Вт/м3, определяют отношением электрических потерь в проводе единичной длины к объему, занимаемому этим изолированным проводом вместе с междуслойной изоляцией:

                      для обмоток из провода круглого сечения

 

 

             (6.2)

 

 

Здесь К принимаем равным 2,71;

J – плотность тока в обмотке, А/мм2;

а, b, a`, b` - размеры провода в изоляции и без.;

- толщина междуслойной изоляции, мм.

                               Вт/м3

                              Средняя теплопроводимость λСР обмотки, Вт/(м*С):

     из провода прямоугольного сечения

                                              

                              (6.3)

                                   

                                  здесь λС – теплопроводность междуслойной изоляции, Вт/(м*С);

                                            λ – средняя условная теплопроводимость обмотки без учета междуслойной изоляции, Вт/(м*С)

                                                                                    

 Вт/(м*С)

 

                                                (6.4)

  

                                 Вт/(м*С)

                                 Средний внутренний перепад температуры обмотки, *С,

              

                                              

                                

                                 *С

                                 

                                 *С,

          Перепад температуры на поверхности винтовых и катушечных обмоток с радиальными каналами, *С,

                                        

Для цилиндрических обмоток:

                                                    

        здесь k1 – коэффициент, учитывающий затруднение конвекции масла в каналах                   внутренних обмоток: k1=1 для обмоток ВН; k=1,1 для обмоток НН; k2 - коэффициент, учитывающий влияние относительной ширины радиального охлаждающего канала на конвекцию масла.

                                 *С

                                 *С

После определения внутреннего и внешнего перепадов температуры для обмоток подсчитывают среднее превышение температуры обмотки над средней температуры обмотки над средней температурой охлаждающего масла, *С,

                                                                        

                                 *С

                                 *С

6.2 Тепловой расчет бака трансформатора

Бак трансформатора должен обеспечивать при минимальных внешних размерах хорошую теплоотдачу, позволяющую отвести в окружающую среду все тепло от активных частей трансформатора.

По таблице определяем необходимые для расчета бака минимальные изоляционные расстояния и размеры отводов.

мм - расстояние от изоляционного отвода обмотки ВН до собственной обмотки.

мм – расстояние от изоляционного отвода обмотки ВН до стенки бака.

мм – изоляционное расстояние от неизолированного или           изолированного отвода обмотки НН до обмотки ВН.

мм – изоляционное расстояние от отвода НН до стенки бака.

м – расстояние от обмотки ВН до стенки бака.

мм – диаметр изолированного отвода ВН.

мм - диаметр изолированного отвода НН.

Минимальная ширина  В и длинна бака А, м

,   (6.5)

,                  (6.6)

м,

м,

Высота активной части трансформатора, м

,     (6.7)

м,

         Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по таблице

м.

Глубина бака, м

,     (6.8)

м,

Поверхность излучения бака приближённо для бака овального сечения в плане, м2:

Пи’={2(А-В)+B}Hk,                                         (6.9)

Где А,В,Н – размеры бака

 k – коэффициент учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака 2

Пи’={2(1,352-0,544)+3.14*0,544}*1,3*2=8.6 м2,

При максимально допустимой температуре обмотки 105 0С длительно допустимое среднее превышение температуры обмотки над воздухом при номинальной нагрузке равно 65 0С. Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки, над воздухом должно быть не более, 0С

                                             ,     (6.10)

 0С,

Среднее превышение температуры бака над воздухом, 0С

,              (6.11)

,

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака  0С наружной стенки бака над температурой воздуха, 0С

,        (6.12)

 0С,

 

Предварительное значение поверхности конвекции, м2

                              (6.13)

м2

6.2.1 Бак с навесными радиаторами

Поверхность теплоотдачи такого бака образована в основном развитой поверхностью радиаторов и значительно больше, чем у гладких и трубчатых баков.

В трансформаторах мощностью от 100 до 6300 кВА используют радиаторы с прямыми вертикальными трубами овального сечения с размерами овала  мм и толщиной стенки трубы 1.5 мм.

Основные данные:

АР=1.115 м,

ПКТР=3.533 м2,

Масса стали/масла = 50.14/38 кг.

Пкк=0,34 м2

kф=1,26

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки, м2

Пкрад=kфктркк ,                                      (6.14)

Пкрад=1,26*3.533+0,34=4.79 м2

Необходимая поверхность конвекции всех радиаторов тр-ра, м2

Пкр’=Пк’-Пкгл ,                                           (6.15)

Пкр’= 28.8 – 4.895 =24.01 м2

Для овального бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака, м2

,       (6.16)

м2,

Поверхность крышки овального бака, м2

,                                          (6.17)

м2

Необходимое число радиаторов

,     (6.18)

Фактическая поверхность конвекции бака с навесными радиаторами, м2

,                                      (6.19)

 м2

Поверхность излучения бака с навесными радиаторами, м2

,                              (6.20)

м2

6.3 Расчет повышений температуры обмоток и масла

Среднее повышение температуры бака над температурой окружающей среды, 0С

,    (6.21)

 0С,

Среднее повышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака, 0С

,    (6.22)

 0С,

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха, 0С

,    (6.23)

 0С,

не превышает допустимого ГОСТ 11677 – 85 значения.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха, 0С

,   (6.24)

 0С,

 0С,

удовлетворяют ГОСТ 11677 – 85.

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов. М.: Энеогоатомиздат,

1986. 526 с.

  1.  Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические

машины: Трансформаторы. М.: Высшая школа, 1989. 352 с.

  1.  Аншин В.Ш., Худяков З.И. Сборка трансформаторов/КрПИ.

Красноярск, 1992. 88 с.

  1.  Силин Л.Ф., Мураховская М.А., Мурашкин С.И. Конструирование

магнитопроводов силовых трансформаторов/КрПИ. Красноярск, 1992. 88с.

  1.  Мурашкин С.И., Мураховская М.А., Силин Л.Ф. Конструирование

вспомогательных устройств масляных трансформаторов/КГТУ. Красноярск, 1995. 116 с.

  1.  Конструирование активной части трансформаторов: Метод.

Указания/ Сост. С.И. Мурашкин, Б.Г. Яныгин; КрПИ. Красноярск, 1988. 32 с.

  1.  Конструирование вспомогательных устройств масляных

трансформаторов: Метод. Указания/ Сост. С.И. Мурашкин; КрПИ. Красноярск, 1988. 45 с.

  1.  Стандарт предприятий: Общие требования к оформлению текстовых

и графических студенческих работ. Текстовые материалы и иллюстрации. СТП КрПИ 3.1-92. КрПИ. Красноярск , 1992. 42 с.

  1.  Яныгин Б.Г. Проектирование трансформаторов/КрПИ. Красноярск,

1983. 96 с.