Расчёт силового трансформатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление.

 

 

Введение

В настоящее время электрическая  энергия для промышленных целей  и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного  тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721-62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины - 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют  силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.)

Трансформатором называется статический  электромагнитный аппарат, предназначенный  для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном

 

 

 

 

 

(стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального  магнитопровода значительно снижает  относительную величину потока  рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800-1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Таким образом, две (или более) обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод, представляют собой трансформатор. Из этого определения следует, что основными принципиальными частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки и магнитопровод. Коэффициентом трансформации называется отношение индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с., равное отношению чисел витков этих обмоток.

Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме  того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов  и элементов, представляющих собой  конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы - для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели - для регулирования напряжения трансформатора, баки - для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы - для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками. Для силовых трансформаторов преимущественно применяются магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, а трехфазные - три стержня. Стержни соединены верхним и нижним ярмами. Магнитопровод трансформатора собирается из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга нанесением лаковой или химической изоляционной пленки. Так как магнитопроводы собираются из пластин прямоугольной формы, то их сборка производится впереплет (такая сборка называется шихтовкой). При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя. Сборка встык применяется редко. Сборка магнитопроводов способом шихтовки преследует две цели: во-первых, уменьшение намагничивающего тока трансформатора и, во-вторых, увеличение механической прочности собранного магнитопровода. Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают форму, близкую к кругу (вписанную в окружность). Число ступеней выбирается в зависимости от мощности трансформатора: чем больше мощность (а следовательно, и диаметр круга), тем больше берется число ступеней.

 

 

 

 

 

Внутри магнитопроводов трансформаторов  большой мощности для лучшего  отведения тепла, возникающего от потерь в стали, устраиваются охлаждающие  каналы, по которым циркулирует масло  или воздух (у «сухих» трансформаторов).

Ярмо магнитопровода имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности с целью некоторого упрощения конструкции число ступеней сечения ярма часто берут меньшим, чем у сечения стержня, или иногда ярмо делают прямоугольного сечения. В последних случаях для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали сечение ярма выбирают на 5-10% больше сечения стержня.

Обмотки силовых трансформаторов  обычно подразделяют на обмотки высшего  и низшего напряжения (ВН и НН), а не на первичную и вторичную, так как любая из обмоток может быть первичной или вторичной в зависимости от того, которая из них включается в питающую сеть. Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из проводникового материала (обмоточная медь или алюминий) и изоляционных деталей. В комплект обмотки входят также выводные концы, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений. Обмотки выполняются цилиндрическими двух- или многослойными, катушечными, винтовыми или непрерывными. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем  потерь нагревается. Чтобы температура  нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.

Материалы, применяемые для изготовления трансформаторов, могут быть разделены  на:

-активные, к которым относятся  электротехническая сталь магнитопровода  и обмоточные провода;

-электроизоляционные, которые  необходимы для электрической  изоляции обмоток и других  токоведущих частей трансформатора, например, электроизоляционный картон, кабельная и телефонная бумага, лакоткань, гетинакс, фарфор, трансформаторное  масло и др.;

-конструкционные, требующиеся для изготовления деталей остова, бака, охладительных устройств, различных крепежных деталей и т. д. и другие материалы, полуфабрикаты и аппараты.

 

 

 

 

 

 

Для изготовления магнитопроводов  применяется тонколистовая легированная электротехническая сталь. Эта сталь бывает горяче- и холоднокатаная. Первоначально применялась горячекатаная сталь, допускавшая индукцию В до 1,4-1,45 Тл. Холоднокатаная сталь имеет удельные потери, в 1,5-2 раза меньшие, чем у горячекатаной стали, и значительно большую магнитную проницаемость. Она позволила повысить индукцию до 1,6-1,7 Тл.

Основным материалом для изготовления обмоток трансформаторов является обмоточная медь (или алюминий), представляющая собой изолированный медный (или  алюминиевый) провод круглого или прямоугольного сечения.

Электроизоляционные материалы, применяемые  в трансформаторостроении, должны обладать определенными свойствами, из которых  наиболее важными являются электрическая  и механическая прочность, гигроскопичность и нагревостойкость. Одним из основных изоляционных материалов является электрокартон толщиной от 0,5 до 3 мм. Он обладает хорошими электрическими характеристиками, повышенной масловпитываемостью и механической прочностью. Электрокартон применяется для изготовления различных изоляционных деталей. Кабельная бумага толщиной 0,12 мм применяется как изоляция между слоями обмоток и для изолирования концов обмоток и отводов. Лакоткань шелковая и хлопчатобумажная применяется для изолирования концов обмоток и отводов, а также для усиления изоляции отдельных мест обмоток, например в местах паек проводов. Хлопчатобумажные ленты, киперная и тафтяная, применяются для механической защиты изоляции и вообще как вспомогательный крепежный материал. Бумажно-бакелитовые цилиндры и трубки применяются в качестве каркасов для намотки обмоток (цилиндры) и для изолирования стяжных шпилек магнитопроводов и отводов (трубки). Гетинакс листовой толщиной до 50 мм используется для изготовления изолирующих досок и панелей, а также деталей конструкции переключающих устройств. Фарфор применяется для изготовления проходных изоляторов (вводов) и некоторых изоляционных деталей сухих трансформаторов. К электроизоляционным материалам относятся также различные лаки и эмали.

Трансформаторное масло служит одновременно двум целям: для повышения электрической прочности изоляции трансформатора и для улучшения условий его охлаждения. Применение трансформаторного масла дало возможность, с одной стороны, повысить электромагнитные нагрузки (индукцию и плотность тока) на активные материалы и тем самым уменьшить их расход и, с другой стороны, строить трансформаторы большой мощности и на высокие напряжения.

Правильно спроектированный трансформатор, кроме того что он должен удовлетворять  определенным техническим требованиям, должен быть и возможно более дешевым. Стоимость трансформатора зависит от его размеров и веса, и в первую очередь от веса активных материалов как

 

 

 

 

 

более дорогих. Основными размерами, определяющими в конечном итоге  вес активных материалов, являются размеры магнитопровода.

Чтобы правильно выбрать основные размеры магнитопровода, надо в первую очередь выяснить зависимость этих размеров от номинальной мощности трансформатора. Как будет видно далее, вместе с ростом мощности трансформатора должны возрастать и его линейные геометрические размеры. При определении зависимости размеров от мощности необходимо предположить, что трансформаторы разных мощностей должны быть геометрически подобны, т. е. отношения всех трех линейных размеров должны сохраняться одинаковыми, и что электромагнитные нагрузки на активные материалы, т. е. индукция и плотность тока в обмотках, должны также оставаться одинаковыми. Вес активных материалов (стали и меди) трансформатора пропорционален их объемам или линейным размерам в третьей степени. Отсюда следует, что вес активных материалов будет пропорционален мощности в степени 3/4. С ростом мощности уменьшается удельный расход активных материалов, выраженный в кг/ква. Поэтому более мощные трансформаторы имеют относительно меньшую стоимость. Мощные трансформаторы также экономичнее и в эксплуатации, так как они имеют относительно меньшие потери, и, следовательно, более высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Силовые трансформаторы общего назначения в зависимости от напряжения и  мощности условно подразделяются на группы или габариты. Трансформаторы мощностью от 25 до 100 ква включительно относятся к габариту I, мощностью от 160 до 630 ква - к габариту II, мощностью от 1000 до 6300 ква - к габариту III, мощностью 10000 ква и более с напряжением 35 кв и все трансформаторы с напряжением 110 кв обмотки ВН - к габариту IV, мощностью 40 000 ква и более с напряжением 220 кв обмоток ВН и выше - к габариту V и мощностью 10 0000 ква и выше - к габариту VI. Трансформаторы указанных выше мощностей чаще изготовляются масляными, т. е. с активной частью, опущенной с целью лучшего охлаждения и повышения прочности изоляции в бак с маслом. Однако трансформаторы мощностью до 1000 - 1600 ква и напряжением до 10 - 15 кв могут изготовляться также и сухими, т. е. с воздушным охлаждением.

Основные и эксплуатационные параметры  силовых трансформаторов обусловлены  в соответствующих стандартах, и  серийным производством выпускаются  лишь трансформаторы, удовлетворяющие  требованиям этих стандартов. Стандартизованные  сочетания номинальных линейных напряжений обмоток ВН и НН, схем и групп соединения для каждого значения номинальной мощности приведены в ГОСТ 12022-66 и ГОСТ 11920-66.

 

 

 

 

 

 

 

 

На стороне ВН силового трансформатора должна быть предусмотрена возможность  изменения коэффициента трансформации относительно номинального путем переключения ответвлений от обмотки. У силовых трансформаторов применяются два вида переключения ответвлений: ПБВ (переключение без возбуждения), т. е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети, и РПН (регулирование под нагрузкой).

 

Расчет магнитопровода

Предварительный выбор диаметра D стержня магнитопровода производится по кривым (рис. 2.3)[1]. Активное сечение  Р_ст стержня, т. е. сечение активной стали, будет зависеть от выбранной формы сечения, числа ступеней и коэффициента заполнения.

Число ступеней в принципе должно быть возможно большим, потому что чем  больше ступеней, тем большим будет  коэффициент К_з.кр заполнения площади круга геометрической фигурой сечения стержня. Но по технологическим соображениям число ступеней часто предпочитают ограничивать с тем, чтобы не усложнять производство чрезмерно большим количеством размеров пластин. Поэтому число ступеней выбирается в зависимости от выбранного диаметра D.

Выбранное число ступеней определяет число пакетов пластин, из которых складывается сечение стержня. Наибольшее сечение стержня (ступенчатой фигуры) получается лишь при определенных соотношениях ширины с_п пакетов к диаметру D. Эти соотношения различны для разных чисел ступеней (рис. 14.1)[1]. Ширина каждого пакета c_п получается путем умножения соответствующего коэффициента на диаметр D.

Сечение ярма, поскольку магнитный  поток в ярме такой же величины, как и в стержне, теоретически (по крайней мере в геометрическом смысле) должно было бы повторять сечение стержня. Однако ярмо не несет обмоток и поэтому его форма не обусловлена в этом отношении особыми требованиями. С другой стороны, желание упростить в какой-то мере конструкцию магнитопровода приводит к уменьшению числа ступеней сечения ярма по сравнению со стержнем. У трансформаторов малой мощности (габарита I) ярмо вообще делают прямоугольного сечения. Для трансформаторов габарита II наиболее распространенным является двухступенчатое (Т-образное) ярмо. И лишь у более крупных трансформаторов габарита III и выше ярмо делают многоступенчатым с числом ступеней, близким или равным числу ступеней стержня.

В случае применения прямоугольного или двухступенчатого ярма необходимо увеличивать его сечение, т. е. делать так называемое усиление ярма. Усиление ярма делается из следующих соображений. Так как пакеты ярма в этих случаях не равны соответствующим пакетам стержня, то при равных общих сечениях магнитные индукции в пакетах будут разными. Например, в прямоугольном ярме сечение среднего пакета, очевидно, будет меньше сечения среднего (большего) пакета стержня, следовательно, индукция в среднем пакете ярма будет больше средней индукции. Кроме того, индукция будет стремиться выравниваться по общему сечению, а это значит, что часть магнитного потока будет переходить из одного пакета в другой, вызывая добавочные потери от

 

 

 

 

 

 

 вихревых токов в пластинах  стали. Это явление главным  образом будет происходить в  углах магнитопровода.

Чтобы уменьшить добавочные потери и отчасти несколько уменьшить  перераспределение магнитного потока по пакетам, делают усиление ярма. Величина усиления обычно составляет 10—15% при прямоугольном ярме и около 5% при двухступенчатом ярме. При этом только в среднем (большем) пакете ярма индукция будет примерно на 10% больше средней индукции стержня.

Так как пакеты стержня и ярма собираются из тонких изолированных  пластин электротехнической стали, то из-за наличия изоляционных прослоек и  неплотностей между пластинами  активное сечение стержня и ярма на несколько процентов меньше площади  ступенчатой фигуры.

Активное сечение определяется умножением площади сечения  ступенчатой  фигуры на коэффициент заполнения сталью этой площади. Для обычно применяемого двустороннего изоляционного покрытия пластин лаковой пленкой коэффициент  заполнения имеет значение 0,93.

Основные размеры магнитопровода Н и МО определяются после расчета  обмоток, при котором производится раскладка витков в окне магнитопровода и тем самым определяются размеры  окна магнитопровода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на курсовой проект.

Исходные данные для расчёта:

Тип трансформатора ……………………………………………………….. ТДНС

Мощность трансформатора…………………………………………… 10000 кВА

Номинальные линейные напряжения обмоток:

Высокого напряжения ВН  ……………………………………………….. 36750 В

Низкого напряжения НН …………………………………………………… 6300 В

Напряжение короткого  замыкания , u_к ………………………………………10,0 %

Ток холстого хода, i₀ ……………………………………………………………0,8 %

Потери мощности короткого  замыкания…………………………………… 85000 W

Потери мощности холстого хода …………………………………………….12300 W

Материал обмоток……………………………………………………………….. медь

Вид переключения……………………………………………………… звезда /звезда

Схема и группа соединения обмоток………………………………………………. 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дано :

 

 

 

 

 

 

4.1. Расчёт основных  электрических величин.

Расчёт производиться  для трёхфазного трансфотматора.

Найдём мощность одной  фазы и одного стержня, кВА:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получили мощность фазы и стержня 3333 кW.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдём фазные токи и  напряжения:

Для обмоток ВН

Найдём ток I_ф (T);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для обмоток НН

Найдём ток I_ф (T); НН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 2. Выбор главной  изоляции.

Главная изоляция обмоток  определяется, в основном, электрической  прочностью при частоте 50Гц и соответствующими испытательными напряжениями, которые зависят от напряжения обмоток и выбераются по таблице 1. Примем для ВН U_исп = 85 кВт, Для НН U_исп = 25 кВт.

    Изоляцию между  обмотками ВН и НН осуществляют  жёсткими бумажно- бакелитовыми  цилиндрами или мягкими цилиндрами  из электротехнического картона,  намотоными при сборке трансформатора. Размеры выступа цилиндра за высоту обмоток обеспечивает отсутствие разряда по поветхности цилиндра между обмотками и на стержень. Изоляцию обмоток от ярма усиливают шайбами и прокладками из электротехнического картона. Между обмотками соседних стержней устанавливают репегородку из электротехнического картона. Минимальные изоляционные расстояния выберем по таблице 4.5 и примем равными l₀₂ = 80 мм = 8 см, а₁₂= а₂₂= 30 мм = 3 см.

 

 

4. 3. Выбор конструкции  магнито провода, марки стали  и индукции.

     Для трёхфазных силовых трансформаторов мощностью до 100000 кВА наибольшее распространение получила плоская шихтованная стержневая магнитная система со сборкой впереплёт с 4 косыми и 2 прямыми стыками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для современных трансформаторов применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405 и толщиной листа 0, 35 и 0,3 мм. Для проекта выберем сталь 3405 толщиной 0,3 мм. Индукция в стержне Вс= 1,56 Тл. Для трансформаторов мощностью10000 кВА ореентировочнный диаметр стержня 0,40- 0,42 м. Поперечное сечение стержня имеет вид ступенчатой фигуры, вписанной в окружность.

 

        Найдём коеффициент заполнеия  круга сталью:

 

 

 

 

 

 

 

 

Число зазоров магнитной  системы на косом стыка 4, на прямом 3. Найдём индукцию в зазоре прямого  стыка.

В_з= В_с= 1,56 Тл

Индукция в зазоре косого стыка

 

 

 

4. 4.Определение  основных размеров трансформатора.

По таблице 3. 4. выберем  значение коеффициента «а» для медных обмоток и найдём средний диаметр  обмоток ВН и НН.

 

 

 

 

 

 

Найдём ореентировочную  высоту обмотки:

 

 

 

 

 

 

Активная по стали площадь  сечения стержня, см²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжение  одного витка обмотки ( предварительно)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число витков обмотки НН (предварительно)

 

 

 

 

 

 

 

Уточнённое напряжение одного витка

 

 

 

 

 

 

 

 

Уточнённое значение индукции

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя плотность  тока А/мм²

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Выбор конструкции  обмоток .

   

         Общие требования предъявляемые к обмоткам трансформатора, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.

         Основными эксплуатационными требованиями  являются надёжность электрическая  и механическая, нагревостойкость  обмоток и других частей трансформатора. Нагрев обмоток и других частей  трансформатора при номинальной  работе, а так же при допустимых нагрузках и токах короткого замыкания, ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей трансформатора, а также масло к тепловому износу.

         Основные производственные требования  к обмоткам, как и ко всему трансформатору, заключаются, прежде всего, в технологичности конструкции, позволяющие изготовить их с минимальными затратами. Эта задача решается при выборе конструкции обмотки.

      Для  данного проекта выберем катушечную  обмотку из прямоугольного провода.

 

 

 

 

 

4.6. Расчёт обмотки  низшего напряжения НН.

Используем катушечную обмотку, из провода прямоугольного сечения. Найдём предварительное сечение витка обмотки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виток обмотки НН выполним из 4 параллельных проводов марки ПБ сечением 12.5 мм на 4.75 мм . Общее сечение витка 262,4 мм².

 

Марка провода:  

 

 

 

Найдём фактическую  плотность  тока  в обмотке  НН, А/мм²

 

 

 

 

 

 

 

 

Используем двухслойную  обмотку с укладкой провода плашмя и осевыми масляными каналами 10 мм, радиальными 5 мм . Найдём высоту обмотки НН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим число катушек  на одном стержне

 

 

 

 

 

 

 

Полученное значение округлим до 37 катушек, найдём ореентировочное  число витков в катушке.

 

 

 

 

 

 

 

Полученное значение округлим до 3 витков в катушке. Найдём внутренний диаметр обмотки НН , значение а₀₁ выберем по таблице 4. 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим радиальный размер катушек:

 

 

 

 

 

 

 

Определим коеффициент  добавочных потерь для обмотки НН.