Проектирование трёхфазного двухобмоточного масляного трансформатора

Марийский Государственный Университет

Электроэнергетический факультет

Кафедра электромеханики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пояснительная записка к курсовому  проекту по электромеханике

« Проектирование трёхфазного двухобмоточного масляного  трансформатора» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент ЭС – 31

Коновалов Д.И.

Проверил: Орлов А.И. 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола

2012 г.

     Содержание 

1. Исходные  данные для проектирования трехфазного двухобмоточного масляного трансформатора ……………………………………………..    3

2. Расчет  основных электрических величин  и выбор главной изоляции…..4

3. Определение основных размеров………………………………………….6

4. Расчет  обмоток НН………………………………………………………….9

5. Расчет  обмоток ВН………………………………………...........................12

6. Расчет  характеристик короткого замыкания…………………………….17

7. Расчет  магнитной системы, потерь и тока холостого хода……………..20

8. Тепловой  расчет трансформатора………………………………………...24

 Заключение……………………………………………...………………….....30 

 Список использованной  литературы…………………………………..…   31

1. Исходные данные  для проектирования  трехфазного

двухобмоточного масляного трансформатора 

- Полная мощность  трансформатора S = 1600 кВА.

- Номинальное  линейное напряжение обмотки  ВН U_ВН = 10 кВ.

- Обмотка ВН  выполняется с двумя ступенями  регулирования -5% и +5%.

- Номинальное  линейное напряжение обмотки  НН U_НН = 0.4 кВ.

- Потери холостого  хода Р_xx = 5740.0 Вт.

- Потери короткого  замыкания Р_кз = 20100.0 Вт.

- Ток холостого  хода i_xx = 1.7 %.

- Напряжение  короткого замыкания u_кз = 5.4 %.

- Схема и группа  соединения обмоток D/Yn-11

- Материал магнитопровода  – рулонная холоднокатанная электротехническая сталь марки 3404, толщина листа 0.3 мм.

- Материал обмоток  – медь.

- Конструктивная  схема трансформатора – трехстержневой  с концентрическими обмотками.

- Частота f = 50 Гц.

- Нагрузка - длительная. 
2.  Расчет основных электрических величин и выбор главной изоляции 

1. Мощность  одной фазы трансформатора, кВА

= .

2. Мощность на одном стержне, кВА

.

3. Номинальный линейный ток обмотки НН, А

.

2.4.   Номинальный линейный ток обмотки ВН, А

5. Фазный  ток обмотки НН, А

.

6. Фазный ток обмотки ВН, А

.

7. Фазное напряжение обмотки НН, кВ

.

8. Фазное напряжение обмотки ВН, кВ

. 

Выбираем  испытательное напряжение по табл. 2.1:

2.9. Для заданного  U₂ испытательное напряжение обмотки ВН U_исп2 = 35 кВ.

10. Для заданного U₁ испытательное напряжение обмотки НН U_исп1 = 5 кВ.

11. Выбираем  изоляционные расстояния обмоток ВН и НН.

     рис 1. Главная изоляция обмоток

Таблица 1

Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН, мм. 

Таблица 2

Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН, мм. 

3. Определение основных размеров

Основными размерами  трансформатора являются:

• диаметр стержня d,
• средний диаметр канала между обмотками d₁₂,
• высота обмотки l.

     рис. 2. Основные размеры трансформатора 

Основные размеры  связаны между собой коэффициентом b, представляющим собой отношение средней длины окружности канала между обмотками  к высоте обмотки. Величина b определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора, между весом стали и меди, оказывает влияние на стоимость трансформатора, а также на такие его технические характеристики, как потери и ток холостого хода, механическая прочность и нагревостойкость обмоток. 

3.1. Выбор оптимального b. Для трансформатора по заданной мощности 1600 кВА с медными обмотками и напряжением ВН 20 кВ принимаем в соответствии с табл. 3.1  b=2,0.

3.2. Ширина приведенного  канала рассеяния, м

Здесь а₁₂ – размер канала между обмотками ВН и НН, изоляционный промежуток – принимаем по таб.1. а₁₂=20 мм.

Приведенная ширина двух обмоток  в предварительном расчете определяется по формуле

Значение  вычислено в п. 2.2, значение к выбираем по таблице 3.2 в соответствии с полной мощностью трансформатора и напряжением ВН: к=0,43 Вычисляем приближённое значение :

      (м),

Находим значение а_р:

(м).

3.3. Коэффициент  приведения идеального поля рассеяния  к реальному полю  приближено  принимается в предварительном  расчете 

     К_р» 0,95.

3.4. Реактивная  составляющая напряжения короткого замыкания, %

      ,

где U_a – активная составляющая напряжения, определяемая по формуле

      %.

Вычисляем U_р:

    %.

3.5. Индукция  в стержне В_с=1,55 Тл для материала магнитопровода стали 3404 и мощности трансформатора S=1600 кВА.

3.6. Коэффициент  заполнения активным сечением  стали площади круга, описанного  около сечения стержня, к_с зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции. Общий коэффициент заполнения определится

Коэффициент заполнения площади круга с диаметром  d площадью ступенчатой фигуры к_кр определяется из таб. 3. 

Таблица 3.

Коэффициент заполнения стержня (или ярма) сталью, равный отношению площади чистой стали в сечении – активного сечения n_c к площади ступенчатой фигуры определяем по табл. 3.5 в методическом указании [1]: 
 
 
 

 Вычисляем К_с:

      .

3.7. Диаметр стержня,  м

      ,

полученный диаметр  округляем до ближайшего по нормализованной шкале, в результате получаем значение:

       d_н=0,28 м.

3.8. Определение b_н :

      .

3.9. Средний диаметр  канала между обмотками d₁₂  в предварительном расчете приближенно определяется по формуле

      ,

где по табл.2  а₀₁ = 15 мм, по табл.1 а₁₂ = 20 мм, радиальный размер обмотки НН а₁, м

      ,

где – из п. 3.2., для S = 1000 – 6300  кВА.

Вычисляем значение d₁₂:

      (м).

3.10. Высота обмотки,  м

      .

11. Активное сечение стержня, м²

      ,

где П_фс – по таб.4.; к_з – по п. 3.6.

Таблица 4

Площади сечения  стержня П_фс и ярма П_фя

Вычисляем П_с:

      (м²).

12. Электродвижущая сила одного витка, В

      ;

4. Расчет обмоток НН

4.1. Средняя плотность  тока, определяется заданными потерями

      ,

где к=0,746 для медных обмоток;  к_g=0,85, остальные переменные вычислены выше. Вычисляем J_ср:

Кроме того, J_ср должно удовлетворять условию

      ;  

при котором  в режиме внезапного КЗ через 4 с после возникновения КЗ температура обмоток не превышает допустимого по ГОСТ 11677-85 значения 250 С° для медных обмоток. Для дальнейшего расчёта необходимо взять наименьшее из двух значений.

4.2. Ориентировочное сечение витка, м²

      .

4.3. Выбор типа  обмотки осуществляется по таб.5а.

Таблица 5а

Основные свойства и нормальные пределы применения различных типов обмоток. 

4.4. Число витков  на одну фазу (с округлением до ближайшего целого числа):

      .

4.5. Уточнение  ЭДС одного витка, В

      .

4.6. Уточнение  индукции в стержне, Тл

4.7. Далее проводим расчет винтовой обмотки из прямоугольного провода. Обмотка выполнена с радиальными каналами между витками и группами проводов, т.к. J₁ > 2.5·10⁶  A/м² для медного провода.

4.7.1. Ориентировочный  осевой размер витка для двухходовой обмотки, м

      .

где l₁ – по п.3.10., W₁ – по п. 4.4., h_k1 – осевой размер масляного охлаждающего канала между витками, ориентировано может быть принят , но не менее 0,004 м, где а₁ по п. 3.9

4.7.2. Наибольший  осевой размер провода b_q (мм) определяется по кривым рис. 4.2 [1] для допустимой плотности теплового q=1500 Вт/м² , b_q=15.

4.7.3. Производим сравнение ориентировочного осевого размера витка h_в1, наибольшего размера провода b_q и предельного размера провода по сортаменту Таким образом выбираем двухходовую винтовую обмотку, 
 

Рис. 2. Определение размеров витка винтовой обмотки

с радиальными  каналами

ориентировочный осевой размер  витка которой  может быть определен более точно по следующей формуле:

4.7.1. К полученным ориентировочным значениям сечения витка П₁ и h_в1 по сортаменту обмоточного провода подбираются подходящие сечения провода:

4.7.2. Принимаем минимальное число параллельных проводов в двухходовой обмотке n_в1=10. Размер параллельных проводов определяем как отношение общей площади проводников к их количеству, мм²:

      .

По П^//₁ и b подбираем подходящий провод, и так как провод с такими данными отсутствует, то берём ближайшие значения.

Подобранные размеры  проводов записываются так, мм: 

      ;  ; 

Расчетная толщина  изоляции на две стороны 2d=0,5 мм.

Полное сечение  витка, м² 

      . 

     где - сечение выбранного провода.

 Уточняем плотность тока, А/м²

                               .

4.7.3. Осевой размер  витка, м 

      .

4.7.4. Осевой  размер обмотки,опрессованной после сушки трансформатора, м 

  м 

4.7.5. Плотность  теплового потока на поверхности  обмотки с каналами между всеми  витками и группами проводов, Вт/м²

к = 1,5 где для медных обмоток, W_k = 0,5 – для двухходовых обмоток.

Определяем диаметры обмотки:

4.8.  Внутренний  диаметр обмотки, м

      .

     где а₀₁ – по таб.2., d_н в п. 3.7

4.9.  Наружный  диаметр обмотки, м

      .

10. Средний диаметр обмотки, м

      .

4.11. Масса металла  обмотки, кг 

      ,

     где к = 84 для медного провода. 
 

5. Расчет обмоток  ВН 

5.1. Число витков  при номинальном напряжении

      .

5.2. Плотность тока в обмотке ВН, А/м²

      .

5.3. Сечение витка обмотки ВН, мм²

      .

5.4. По табл. 5.8[1] выбираем непрерывную катушечную обмотку из медного прямоугольного провода. 
 
 

Таблица 5б

Расчет непрерывной катушечной обмотки из прямоугольного провода осуществляется таким образом:

-По сортаменту медного обмоточного провода (табл. 5.2[1]) выбираем провод марки ПБ:

      ;  .

В двух верхних  и двух нижних катушках обмотки каждой фазы применяем провод того же размера  с усиленной изоляцией. 

 5.5.  Полное сечение витка, м²

.

     где - сечение выбранного провода.

5.6.  Плотность  тока (уточненная):

5.9.2. Высота катушки: 

5.9.3. Число катушек  на стержне (ориентировочно): 

;

=0,005м;

=0,0058м

=0,542м 

5.9.4. Число витков  в катушке ориентировочно: 

витков; 

5.9.5.

24 основные катушки В по 12 витков	288
18 основные катушки Г по 11 витку	198
4 регулировочные катушки Д по 10 витков	40
4 катушки с усиленной изоляцией Е по 11 витков	44

Всего 50 катушек (570 витков) 
 
 
 
 
 
 

Данные катушки  обмотки  ВН трансформатора: 

5.9.6. Осевой размер  обмотки,м: 

5.9.7. Радиальный  размер обмотки: 

5.9.8. Плотность  теплового потока, : 

5.9.9. Выбираю  схему регулирования-она показана  на рисунке (рис 5.1 г) : 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 5.1 г

5.10. Внутренний диаметр обмотки, м 

5.11. Наружный диаметр, м 

5.12. Средний диаметр обмотки, м 

14. Масса металла обмотки, кг

     где к=84 для медного провода.

15. Средний диаметр между обмотками НН и ВН, м

      . 

Сводим полученные параметры обеих обмоток в  одну таблицу – см. таб.7. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 7.

     Основные  данные обмоток.