Силовой масляный трансформатор ТДН – 18000/150

Федеральное Агентство по Образованию

Тольяттинский Государственный Университет 

Кафедра: «Электрооборудование автомобилей  и электромеханика» 
 
 
 
 

Силовой масляный трансформатор

ТДН – 18000/150 

Пояснительная записка к курсовому проекту  по курсу: «Электромеханика» 
 
 
 
 
 

Студент:         Куренков Д.И.

Группа:         ЭЭНбз-302

Преподаватель:        Терентьева М.А. 
 
 

Тольятти 2011

 

    Аннотация

    В данном курсовом проекте разработан силовой трансформатор ТДН-18000/150, расчетно-пояснительная записка содержит расчет оптимального варианта, отвечающего условиям минимума приведенных затрат, что позволило выявить основные размеры стержня, высоту окна магнитопровода, потери холостого хода и короткого замыкания, цену трансформатора. Приведены построения и расчет активного сечения магнитопровода, выбор и расчет параметров обмоток, определены потери и напряжение короткого замыкания, потери и ток холостого хода.

    В записке приведена компоновка активной части трансформатора в баке, выбраны  размеры бака. В результате теплового  расчета определены тип и число радиаторов, выбраны расширитель и термосифонный фильтр. Рассчитана динамическая стойкость трансформатора при коротком замыкании.

 

    

Оглавление

Введение 4

1.Исходные  данные для расчета 6

2.Технико-экономический  расчет оптимального  варианта. 7

3.Построение  и расчет активного  сечения стержня  магнитопровода. 14

4.Расчет  напряжения одного  витка, количества  витков, напряжений  и токов на всех  ответвлениях обмотки. 15

5.Выбор типа и расчет параметров обмоток трансформатора. 17

6.Расчет  потерь короткого  замыкания и напряжения  короткого замыкания. 25

Результаты  расчётов добавочных потерь от вихревых токов 30

7.Тепловой  расчет трансформатора. 37

8.Компоновка  активной части  трансформатора в  баке. 42

9.Выбор  вспомогательного  оборудования. 44

10.Описание  конструкции. 46

Заключение. 50

Литература. 51 

 

    

Введение

    В данном курсовом проекте рассчитывается трансформатор с естественным масляным охлаждением, регулированием напряжения под нагрузкой. Номинальная мощность 18 МВА и напряжения 158 кВ.

    Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более, индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

    Трансформаторы  различного назначения в диапазоне  мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн кВА широко используются в народном хозяйстве.

    Назначение  силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на трансформаторы общего назначения, которые предназначены для включения в сеть, не отличающиеся особыми условиями работы, характером нагрузки и режимом работы, и трансформаторы специального назначения, которые предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приёмников электрической энергии.

    Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной  электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических  сетей, а, следовательно, энергетики страны.

    Особо важными задачами являются повышение  качества трансформаторов, использование  прогрессивной технологии производства, экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии  при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны  в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает  существенная часть потерь энергии  всего трансформаторного парка.

    Хотя  КПД трансформаторов очень велик и для большинства составляет 98-99%, общие потери во всём трансформаторном парке достигают существенных значений ввиду многократной трансформации энергии. Поэтому одной из главных задач в настоящее время является задача существенного уменьшения потерь в трансформаторах, то есть потерь холостого хода и потерь короткого замыкания.

    Уменьшение  потерь холостого хода достигается, главным образом, путём всё более  широкого применения холоднокатаной рулонной электрической стали с улучшенными  магнитными свойствами - низкими и  особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей  мощностью.

    Применение  этой стали, обладающей анизотропией магнитных  свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при  обработке - продольной и поперечной резке рулона на пластины, сочетаются с существенным изменением конструкции  магнитных систем, а также с  новой прогрессивной технологией  заготовки и обработки пластин, сборки магнитной системы.

    Новые конструкции магнитных систем характеризуются  применением косых стыков, стяжкой  стержней и ярм кольцевыми бандажами  вместо сквозных шпилек. Эти новые  конструкции позволяют уменьшить  расход активной стали и потери холостого  хода. Существенное уменьшение потерь короткого замыкания достигается  понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотке.

    В значительной мере это стало возможным  после замены медного провода  алюминиевым в силовых трансформаторах  общего назначения мощностью до 18000 кВА.

    Сокращение  расхода изоляционных материалов, трансформаторного  масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто путём снижения испытательных напряжений и уменьшением изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции.

 

  1. Исходные  данные для расчета
 

1). Номинальная  мощность  (ВА).

2). Число фаз  .

3). Частота  .

4). Номинальные  линейные напряжения обмоток:  (В)

                                                  (В).

5). Схема и группа соединения  обмоток:     /     -11

6). Регулирование  напряжения под нагрузкой.

7). Потери короткого  замыкания  (Вт)

8). Напряжение  короткого замыкания  %

 

  1. Технико-экономический  расчет оптимального варианта.

    Целью технико-экономического расчета является выбор среди нескольких технически возможных вариантов конструкции  трансформатора такого, который имеет  оптимальное соотношение между  уровнем затрат на изготовление и  уровнем затрат при эксплуатации.

    Критерием при выборе оптимального варианта считается  минимум приведенных затрат для  различных значений коэффициента , определяющего соотношение основных размеров в трансформаторе:

    

,

    где -средний диаметр канала между обмотками НН и ВН; - высота обмоток.

    Минимум приведенных затрат определяется в результате расчета нескольких вариантов с различными значениями . Результаты расчета сводим в таблицу 1. Выбор оптимального варианта проводим по графику (рис.1). Для выбранного оптимального значения коэффициента проводим повторный расчет.

  Все формулы  и значения коэффициентов взяты  в таблице [1].

Таблица 1

Результаты  расчета зависимости 

Наименование  параметра
0,63 1 1,6 3,5 4
1,56
 0,39 0,44 0,503 0,61 0,63 0,5
 0,63 0,69 0,75 0,86 0,88 0,743
 1,12 1,17 1,24 1,35 1,37 1,233
 3,18 2,16 1,46 0,77 0,69 1,5
 3,49 2,47 1,77 1,08 1 1,81
 13430 13990 15330 19870 21010 15227
 19250 20050 21980 28480 30110 21823
 48120 55410 65910 92500 98470 65175
 0,27 0,31 0,37 0,51 0,55 0,36
 1,19 1,4 1,63 2,1 2,19 1,61
Зпр руб/год 24790 22730 21970 23570 24220 21979

 

Рис 1. Определение минимума приведенных затрат.

 

    1. Предварительная ширина обмотки НН

(м),

где - коэффициенты, определяемые на основе анализа геометрических соотношений в изготавливаемых трансформаторах и могут быть приняты равными следующим значениям: .

    1. Предварительная ширина обмотки ВН

(м)

    1. Предварительная ширина главного канала рассеяния (между обмотками

НН и ВН):

= (м),

где - ширина канала между обмотками НН и ВН, выбираем по таблице 2 м.

 

Таблица 2

Основные  изоляционные промежутки

ПАРАМЕТР КЛАСС НАПРЯЖЕНИЯ ОБМОТОК
60 110 130 150
вн-в ,м

вв-р ,м

вм-ф ,м

hобм-в.я ,м

hобм-н.я ,м

 0,045

0,045

0,04

0,08

0,07

 0,05

0,05

0,04

0,09

0,08

 0,055

0,055

0,045

0,1

0,09

 0,06

0,06

0,05

0,11

0,1

Рис. 2 Разрез обмоток в  окне магнитопровода трансформатора с  нерасщепленной обмоткой НН

    1. Диаметр стержня магнитопровода:

= (м),

- коэффициент осевого поля  рассеяния;

- индукция в стержне (предварительно)

-коэффициент заполнения площади  круга стержня магнитопровода  активной сталью.

    1. Средний диаметр канала между обмотками:

 

где - коэффициент, учитывающий толщину бандажей, прессующих стержень магнитопровода; - изоляционное расстояние от стержня до обмотки НН.

    1. Ширина регулировочной обмотки:

 

    1. Межосевое расстояние между центрами разных фаз:

    1. Высота  обмотки:

    1. Высота  окна магнитопровода:

,

где - высота емкостного кольца обмотки ВН совместно с прилегающим к обмотке каналом; -изоляционный промежуток от обмотки до верхнего и нижнего ярма магнитопровода; - высота, необходимая для размещения устройств, прессующих обмотки.

    1. Масса электротехнической стали магнитопровода:

 

где - плотность электротехнической стали; - коэффициент увеличения площади сечения ярма по сравнению с площадью сечения стержня. 

    1. Удельные  потери в стали магнитопровода:

  ,

где - коэффициенты, определенные для стали марки 3407 толщиной 0,3 мм для диапазона индукции в стали

    1. Активные потери холостого хода (полные потери в стали магнитопровода):

  ,

где - коэффициент, учитывающий увеличение активных потерь в стали в зависимости от конструкции и технологии изготовления магнитопровода.

    1. Удельная намагничивающая мощность в стали, ВАР/кг:

,

где .

    1. Удельная намагничивающая мощность в стыках, ВАР/м :

  ,

где .

 Величина коэффициентов зависит от марки стали и индукции в стержне магнитопровода и в зоне рабочей индукции может быть принята постоянной и равной указанным значениям.

    1. Реактивные потери хх (полная намагничивающая мощность):

 

где - коэффициент, учитывающий увеличение реактивных потерь в стали в зависимости от конструкции и технологии изготовления магнитопровода; - количество стыков в схеме шихтовки трехфазных трансформаторов плоской стержневой конструкции с косым стыком. 

    1. Ток холостого  хода трансформатора, %

  %

    1. Средняя плотность тока в обмотках:

 

где - удельное сопротивление провода при 75°С, 3,65×10-8 Ом×м – для алюминиевого провода; - коэффициент, учитывающий добавочные потери короткого замыкания, создаваемые магнитным полем рассеяния трансформатора.

    1. Масса обмоточного провода:

  ,

где - плотность обмоточного провода, - для медного провода; - коэффициент, учитывающий увеличение массы обмоточного провода за счет регулировочной обмотки (РО).

    1. Экономически приведенная к стали масса активных материалов:

  ,

где - оптовая цена провода; - оптовая цена электротехнической стали; - коэффициент увеличения массы обмоточного провода за счет изоляции; - для алюминиевого провода.

    1. Удельная оптовая цена трансформатора:

  ,

где

    1. Цена трансформатора:

 

    1. Приведенные затраты:

где - нормативный коэффициент эффективности дополнительных капиталовложений; - норма амортизационных отчислений от стоимости трансформатора; - стоимость электроэнергии, рассчитанная на двухставочного тарифа при средней продолжительности максимальной нагрузки для понижающих трансформаторов 5300 час/год; - продолжительность включения трансформатора.

    1. По графику определяем βопт

βопт=1,5

Дст=0,495

    1. Для диаметров стержней силовых трансформатор принят стандарт , который содержит нормализованные диаметры и из которого выбираем наиболее близкое Дст.

Дстн=0,5

    1. Уточняем βопт

βоптн==1,56

 

  1. Построение  и расчет активного  сечения стержня  магнитопровода.
 
    1. Расчет  геометрического сечения стержня.

Поперечное сечение  стержня имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в  окружность диаметром  (рис.3)

Расчет геометрического  сечения стержня представлен  в таблице 3.

Таблица 3

Расчет  геометрического  сечения стержня

Номер пакета Ширина пакета Вк, м Толщина пакета tк, м Площадь пакета, м2
1 0,485 0,0607 0,0294
2 0,465 0,0305 0,0142
3 0,440 0,0272 0,0112
4 0,425 0,013 0,0055
5 0,410 0,0112 0,0046
6 0,385 0,0166 0,0064
7 0,368 0,0099 0,0036
8 0,350 0,0092 0,0032
9 0,325 0,0116 0,0038
10 0,310 0,0061 0,0019
11 0,270 0,0143 0,0386
12 0,250 0,0061 0,0015
13 0,215 0,0096 0,0021
Fст.геом.=2× ,                                 Fст.геом =0,196мм2
    1. Активное сечение стержня:

,

где - коэффициент заполнения пакета сталью, зависящий от толщины покрытия стали.

    1. оэффициент заполнения площади круга:

- сечение стержня спроектировано  рационально. 

 

  1. Расчет напряжения одного витка, количества витков, напряжений и токов на всех ответвлениях обмотки.
 
    1.  Предварительное  значение напряжения одного витка:

,

где - предварительное значение индукции в стержне. 

    1.  Количество  витков в обмотке НН:

,

где при соединении фаз обмоток НН в треугольник. 

    1.  Уточненное  значение напряжения одного витка:

 

    1.  Уточненное  значение индукции в стержне:

 

    1. Номинальное фазное напряжение обмотки ВН:

 

    1.  Количество  витков обмотки ВН на основном  ответвлении:

 

    1.  Фазное  напряжение на одной ступени  регулирования:

,

где  

    1. Количество  витков в одной ступени регулирования

Wступ = , 

    1. Количество  витков на любой ступени регулирования
 

    WВН_N_ступ = WВН_ном  ± Nступ × Wcтуп   , 

где  Nступ – номер ступени регулирования, принимающий положительные и отрицательные значения Nступ = ± 9, для номинального ответвления Nступ = 0.

WВН_N_ступ = 1375+0*24 = 1375 

    1. Номинальный фазный ток обмотки ВН

 

    1.  Номинальный  фазный ток обмотки НН:

 

  1. Выбор типа и расчет параметров обмоток трансформатора.
    1. Исходные данные для выбора типа и расчета параметров обмоток.
      1. Высота обмотки

      Нобм о = Нобм = 1,5 м

      1. Плотность тока

      jo = j = 1,61 * 106 А/м2

      1. Число параллельных ветвей обмотки

      mв=1

      1. Предельные величины
  • Минимальная высота провода hпр. min = 4,75*10-3 м;
  • Максимальная высота провода hпр. max = 19,5*10-3 м;
  • Максимальная ширина провода bпр. max = 5,6*10-3 м;
  • Минимальная ширина провода bпр. min = 1,25*10-3 м;
  • Минимально допустимое отношение высоты провода к его ширине
  • ;
  • Максимально допустимое отношение высоты провода к его ширине
  • ;
  • Максимальное количество параллельных проводов на параллельную ветвь обмотки

    nпар. max = 8;

  • Добавочные потери от осевого поля рассеяния

    [Pдоб.ос %] = 15% для алюминиевой.

      1. Величины, определяемые конструктивными факторами:
  • коэффициент усадки обмоток при сушке kус = 0,1;