Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Расчет трехфазного трансформатора. 4

Министерство образования и науки Российской Федерации

Саратовский государственный технический университет

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет трехфазного трансформатора

Расчетно-пояснительная записка

Студент гр. ЭПП-42з

Сунна А.А.

Руководитель:

Угаров Г. Г.

2013

ЗАДАНИЕ

Рассчитать трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением:

полная мощность трансформатора S=630 кВА;
число фаз m=3;
частота тока в сети f=50 Гц;
номинальное линейное напряжение обмотки высшего напряжения (ВН)

U_1Н=6 кВ;

номинальное линейное напряжение обмотки низшего напряжения (НН)

U_2Н=3,15 кВ;

ток холостого хода i₀=1,4%;
потери холостого хода Р_х=2 кВт;
напряжение короткого замыкания U_к=5,5%;
потери короткого замыкания Р_к=11,6 кВт;
способ регулирования напряжения, число ступеней и пределы регулирования – ПБВ 2х2,5% (переключение без возбуждения на стороне ВН, т.е. ручным переключением, 2 ступени каждая по 2,5%);
схема и группа соединения обмоток – Y/Δ-11;
режим работы и способ охлаждения – длительный, естественный, масляный;
характер установки – внутренний (внутри помещения);
материал сердечника (магнитопровода) и обмоток – холоднокатаная анизотропная легированная сталь 3411, медь.

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжения обмоток

ВН и НН 4

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток 4

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого

Замыкания 4

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы 5

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и вида изоляции пластин.

Выбор индукции в магнитной системе 5

2.3 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных

параметров 5

2.4 Определение диаметра стержня и высоты обмотки 6

2.5 Предварительный выбор конструкции обмоток 7

2.6 Выбор конструкции и размеров основных изоляционных промежутков

главной изоляции обмоток 8

3 РАСЧЕТ ОБМОТОК

3.1 Расчет обмотки НН 10

3.2 Расчет обмотки ВН 11

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

4.1 Определение потерь короткого замыкания 13

4.2 Определение напряжения короткого замыкания 14

5 ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма 15

5.2 Определение массы стали 16

5.3 Определение потерь холостого хода 16

5.4 Определение тока холостого хода 17

6 АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЛИТЕРАТУРЫ 19

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжения обмоток ВН и НН

Номинальные (линейные) токи:

, где S- в кВА, U- в кВ.

ВН А;

НН А.

Фазные токи при схеме соединения Y/Δ:

А; А.

Фазные напряжения:

ВН кВ;

НН кВ.

Мощность одной фазы и обмоток одного стержня:

кВА;

кВА.

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

По табл. 22.8 [Л-1, стр. 199]:

для обмотки ВН U_исп=5 кВ;

для обмотки НН U_исп=35 кВ.

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения

короткого замыкания

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

Силовой трансформатор выполнен с плоской магнитной системой (магнитопроводом) стержневого типа, с вертикально расположенными стержнями, имеющими поперечное сечение в виде ступенчатой фигуры вписанной в окружность и с обмотками в виде круговых цилиндров.

Число ступеней в сечении стержня и коэффициент заполнения площади круга ступенчатой фигуры выбираю по таблице 22.2 [Л-1, стр.196]: число ступеней – 8, k_КР=0,928.

Поперечное сечение ярма – многоступенчатое с числом ступеней на 1-2 меньше числа ступеней стержней.

Прессовка набора пластин стержня осуществляется путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН.

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и вида изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

Сердечник трансформатора собирается из пакетов тонколистовой электротехнической холоднокатаной анизотропной легированной стали (ГОСТ 21427.1-83) марки 3411 с электроизоляционным термостойким двухсторонним покрытием (при мощностях трансформаторов до 100000 кВА это покрытие считается достаточным).

Магнитную индукцию в стержне выбираю по таблице 2 [Л-2, стр.9]:

В_С=1,6 Тл.

2.3 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения

основных параметров

Основными размерами трансформатора являются: диаметр стержня магнитной системы d; высота обмотки l; диаметр осевого канала между обмотками d₁₂, приближенно равный среднему диаметру витка двух обмоток.

Диаметр стержня предварительно определяется по формуле:

[Л-2, стр.10], где

S' – мощность одного стержня (кВА);

- соотношение основных размеров (l_В– средняя длина витка двух обмоток)

По таблице 3 [Л-2, стр.10] β'= 1,8

, где

м [Л-2, стр.15, табл. 8];

м, К=0,65 [Л-2, стр.11, табл. 4];

k_р=0,95 – коэффициент приведения идеального поля к реальному;

, где

k_З=0,935 – коэффициент заполнения сечения пакета сечением стали

[Л-2, стр.11, табл. 5].

Таким образом:

0,0247м = 2,47см;

м;

м.

2.4 Определение диаметра стержня и высоты обмотки

По диаметру стержня, найденному по формуле (d=0,1972 м), выбираю ближайшее значение из нормализированного ряда диаметров стержня: d_Н=0,2 м [Л-2, стр.12].

Уточняем значение β:

Активное сечение стержня:

м².

Электродвижущая сила одного витка:

В.

Средний диаметр осевого канала:

, где

м [Л-2, стр.15, табл. 8];

м, где

К₁=1,1 – для трансформатора 25-630 кВА [Л-1, стр.198].

м.

Высота обмотки:

м.

2.5 Предварительный выбор конструкции обмоток

По таблице 6 [Л-2, стр.14] с учетом мощности трансформатора выбираю многослойную цилиндрическую обмотку из провода прямоугольного сечения.

Число витков обмотки на фазу и ЭДС одного витка:

; .

В качестве металла обмотки выбираю – медь, т.к. этот металл имеет низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, напайки), достаточную механическую прочность и др.

Средняя плотность тока в обмотках ВН и НН для медного провода (предварительно):

где Р_К(Вт); u_В(В); S(кВА); d₁₂(м); К_∆=0,91 [Л-2, стр.14, табл. 7].

А/мм².

Окончательно = 4,5 А/мм²

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки:

, где I_С – ток соответствующей обмотки одного стержня (фазный ток).

мм².

По табл. 6 [Л-2, стр.14] выбираю тип обмоток:

ВН – цилиндрическая одно и двухслойная из провода прямоугольного сечения;

НН – цилиндрическая одно и двухслойная из провода прямоугольного сечения.

2.6 Выбор конструкции и размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток.

Изоляция обмоток подразделяется на:

1) главную – изоляцию каждой из обмоток от частей остова и от других обмоток;

2) продольную – изоляцию между различными точками данной обмотки, т. е. между витками, слоями.

Изоляционные расстояния (таблица 1) и конструкцию главной изоляции обмоток (рисунок 1 [Л-2, стр.18]) выбираю по табл. 8 [Л-2, стр.15].

Таблица 1- Главная изоляция и изоляционные расстояния обмоток

Обмотка НН

Обмотка ВН

U_ИСП,

кВ

(50 Гц)

l₀₁,

мм

НН

от

ярма

НН от стержня, мм

U_ИСП,

кВ

(50 Гц)

ВН от ярма, мм

между ВН и НН, мм

Выст.

цил.

l_Ц2 ,

мм

между

ВН и НН

δ₀₁

a_Ц1

a₀₁

l_Ц1

l₀₂

δ₀

a₁₂

δ₁₂

a₂₂

δ₂₂

Рисунок 1 – Главная изоляция обмоток

Продольная изоляция между витками обмоток обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для медного провода прямоугольного сечения марки ПБ толщина изоляции – 0,45 мм [Л-1, стр.201, табл. 22.12].

В двухслойной цилиндрической обмотке из прямоугольного провода достаточная изоляция обеспечивается в масляном трансформаторе осевым каналом шириной 0,4-0,6 см [Л-2, стр.17, табл. 10].

3 РАСЧЕТ ОБМОТОК

3.1 Расчет обмотки НН

Число витков: , принимаем 326 витка.

Уточняю ЭДС одного витка: В.

Средняя плотность тока в обмотке:

А/мм².

По табл. 6 [Л-2, стр.14] для мощности S'=210 кВА, номинального тока I_Ф2=66,68 А и напряжения обмотки 3,15 кВ выбираю цилиндрическую двухслойную обмотку из провода прямоугольного сечения.

Ориентировочное сечение витка: мм².

Выбираю конструкцию одно и двухслойной цилиндрической обмотки из прямоугольного медного провода.

Число витков в слое: .

Ориентировочная высота витка: мм.

По табл. 5.2 [Л-3, стр.212] выбираю два прямоугольных медных провода размерами:

; изоляция из стекловолокна 0,9 мм. Намотка провода на ребро (этими проводами укладывается один слой); сечение витка П_в= мм².

Плотность тока: ,012А/мм², окончательно = 3 А/мм²

Осевой размер обмотки НН – высота обмотки:

мм, где 2мм – толщина картона с наружной и внутренней стороны обмотки.

Радиальный размер обмотки:

мм =1,64 см.

Внутренний диаметр:

см.

Наружный диаметр:

см (увеличено за счет двух слоев картона по 1 мм – наружной изоляции катушки).

Масса металла медной обмотки:

кг, где

см.

3.2 Расчет обмотки ВН

В масляном трансформаторе мощностью 630 кВА (25-200000 кВА) с переключением без возбуждения (ПБВ) предусмотрено выполнение в обмотках ВН четырех ответвлений на +5; +2,5; -2,5; -5% номинального напряжения помимо основного ответвления с номинальным напряжением.

Число витков в обмотке ВН:

верхние ступени напряжения: W₁+0,05W₁; W₁+0,025W₁;

средняя ступень напряжения: W₁;

нижние ступени напряжения: W₁-0,025W₁; W₁-0,05W₁ .

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо рассчитать число витков на напряжение: 5700 В; 5850 В; 6000 В; 6150 В; 6300 В.

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:

витков. Примем витка.

Число витков на одной ступени регулирования ∆U.

Рассчитаем ∆U:

Получаем, что ∆U=150 В.

Число витков на одной ступени регулирования:

витков.

Число витков на ответвлениях:

ступень 5700 В: витков;

ступень 5850 В: витков;

ступень 6000 В: витка;

ступень 6150 В: витков;

ступень 6300 В: витка.

Ориентировочная плотность тока: ∆'≈∆_М=3 А/мм².

Ориентировочное сечение витка: П₁'=мм².

По табл. 5.2 [Л-3, стр.212] выбираю размеры провода прямоугольной формы:

мм

При обмотке таким проводом плашмя в одном слое укладывается: витков.

Все витки катушки (377) уложатся в семи слоях:

6 слоя • 57 витков = 342 витков;

1 слой • 35 витков = 35 витков. Всего 377 витка.

Радиальный размер обмотки:

мм

Внутренний диаметр обмотки:

см.

Наружный диаметр:

см.

Масса металла обмотки:

кг, где

см.

Общая масса обмоток НН и ВН:

кг.

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

4.1 Определение потерь короткого замыкания

Потери короткого замыкания Р_К состоят из:

1. Основных потерь в обмотках ВН и НН - Р_ОСН1 и Р_ОСН2;

2. Добавочных потерь в обмотках, вызванных полями рассеяния, и ;

3. Основных потерь в отводах между обмотками и вводами Р_ОТВ1 и Р_ОТВ2;

4. Потерь в стенках бака и других металлических конструкциях, вызванных полем рассеяния обмоток и отводов, Р_Б.

[Л-1, стр.206].

Основные потери для медных обмоток: :

для обмотки ВН: Вт;

для обмотки НН: Вт.

Добавочные потери в медных обмотках К_Д1 и К_Д2 составляют 1,05÷1,1.

Потери в отводах для медного провода: [Л-1, стр.207].

, где

см – для соединения звездой;

см – для соединения треугольником;

-площадь поперечного сечения витка, мм²

=8,9 кг/дм³– плотность металла отводов(для меди).

кг.

Потери в отводах:

для обмотки ВН: Вт;

для обмотки НН: Вт.

Потери в баке: [Л-1, стр.207], где

k=0,03 [Л-1, стр.207, табл. 22.19].

Вт.

Вт, что на меньше нормы (в пределах допустимого).

4.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая: %.

Реактивная составляющая:

Напряжение короткого замыкания:

%, что на % меньше заданной нормы (в пределах допустимого ±10%).

5 ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и

ярма

Выбираю конструкцию трехфазного стержневого сердечника, собираемого впереплет (шихтованного) из пластин холоднокатаной текстурированной стали со стыками. Стержень прессуется расклиниванием с обмоткой. Размеры пакетов по табл. 8.3 [Л-3, стр.358]. В сечении стержня 8 ступеней; сечение ярма имеет 6 ступеней; крайний наружный пакет имеет ширину и толщину, равную сумме толщин трех крайних пакетов.

Сечение пакетов в половине сечения стержня:

Общая толщина пакетов в половине стержня:

см.

Полное сечение стержня П_ФС= см². Полученное значение сверяем с данными таблицы 11 [Л-2, стр.25]. По данным таблицы П_ФС=490,6 см² , вычисленное значение соответствует.

Активное сечение П_С=К_З·П_ФС=0,935·490,6=458,711 см²

Сечение пакетов в половине сечения ярма:

Полное сечение П_ФЯ= см² . Полученное значение сверяем с данными таблицы 11 [Л-2, стр.25]. По данным таблицы П_ФЯ=507,1 см² , вычисленное значение соответствует.

Активное сечение П_Я=К_З·П_ФЯ=0,935·456,4=474,139 см²

Ширина ярма: 11,9·2=23,8 см.

Длина стержня: , где l₀₁=5 см (Таблица 1).

см.

Расстояние между осями свободных стержней: , где a₂₂=1,8 см (Таблица 1).

см.

Индукция в стержне: Тл.

Индукция в ярме: Тл.

5.2 Определение массы стали

Масса стали в стержнях: , где

с=3 – число стержней магнитной системы;

γ_СТ=7650 кг/м³ – плотность холоднокатаной стали;

=70,34 см - длина сердечника

кг.

Масса стали ярм: [Л-1, стр.210], где

кг – масса стали двух ярм в их частях, заключенных между осями крайних стержней;

кг – масса стали двух ярм в их частях, выходящих за оси.

кг

Полная масса стали:

кг.

5.3 Определение потерь холостого хода

Потери холостого хода в магнитной системе, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали со стержнями и ярмами с многоступенчатой формой сечения, без проштамповки отверстий в пластинах, с прессовкой и стяжкой ярм ярмовыми балками и стержней бандажами, определяются:

Р_с= Р_я =1,75 находим по таблице 13[Л-2, стр.29].

Тл; Тл

Вычислим необходимые значения:

k_ПД=1,08 при отжиге пластин;

k_У=1,3 [Л-2, стр.28, табл. 12].

Вт=3,09 кВт, что на % лучше заданной нормы.

Намагничивающая мощность при холостом ходе для магнитной системы, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали со стержнями и ярмами с многоступенчатой формой сечения, без проштамповки отверстий в пластинах, с прессовкой и стяжкой ярм ярмовыми балками и стержней бандажами, определяется:

, где

k_Т= для медных обмоток

q_C=11,25 В·А/кг, q_Я=7,7 В·А/кг – удельная намагничивающая мощность [Л-2, стр. 29, табл. 14].

В·А.

5.4 Определение тока холостого хода

Ток холостого хода трансформатора, %:

активная составляющая: %;

реактивная составляющая: %.

Полный ток холостого хода, %:

%, что на % выше заданного значения.

6 АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Данный рассчитанный тип трехфазного двухобмоточного трансформатора общего назначения, т.е. предназначенный для питания общих и местных электрических сетей, частотой 50 Гц, класса напряжения 35 кВ, с переключением ответвлений без возбуждения, с естественным масляным охлаждением, с мощностью 1600 кВА по стандартной шкале ГОСТ 9680-77 (от 1000 до 6300 кВА включительно). Уровень и соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания, сочетание номинального напряжения, схемы и группы соединения обмотки ВН и НН определяются соответствующими ГОСТ.

Рассчитанные соотношения потерь холостого хода и другие расчетные технико-эксплуатационные свойства рассчитанного трансформатора удовлетворяют всем требованиям ГОСТ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электротехнический справочник: в 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. – 7-е изд., испр. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Угаров Г. Г., Катаев А. Ф. Расчет трехфазного трансформатора: Методические указания, СГТУ, 2005.

3. Тихомиров П. В. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

4. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980.