Тепловой расчет и расчет охладительной системы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 3

1.Определение основных электрических  величин 3

1.1 Определение линейных  и фазных токов и напряжений  обмоток ВН и НН. 4

1.2. Определение испытательных  напряжений обмоток. 4

1.3. Определение активной  и реактивной составляющих напряжения  короткого замыкания. 4

2.  Расчет основных размеров  трансформатора. 4

2.1  Выбор схемы и  конструкции сердечника. 4

2.2.    Выбор марки  и толщины листов стали и  типа междулистовой изоляции. Выбор  индукции в сердечнике. 5

2.3  Выбор материала  обмоток. 5

2.4  Выбор конструкции  и определение размеров основных  изоляционных промежут-

ков главной изоляции обмоток. 5

2.5 Предварительный расчет  трансформатора и выбор коэффициента  соотношения основных размеров  . 5

2.6  Определение диаметра  стержня и высоты обмотки. Предварительный  расчет сердечника. 5

3. Расчет обмоток НН и ВН. 6

3.1. Выбор типа обмоток  НН и ВН. 6

3.2.   Расчет обмотки  НН. 7

3.3  Расчет обмотки  ВН. 8

4.  Определение характеристик  короткого замыкания. 10

4.1. Определение потерь  короткого замыкания. 10

4.2. Определение напряжения  короткого замыкания. 12

4.3  Определение механических  сил в обмотках. 12

5.  Окончательный расчет магнитной  системы. Определение характеристик  холостого хода. 14

5.1.  Определение размеров  пакетов и активных сечений  стержня и ярма. 14

5.2. Определение веса  стержня и ярм и веса стали. 15

5.3  Определение потерь  холостого хода. 16

5.4  Определение тока  холостого хода. 17

6.  Тепловой расчет и расчет  охладительной системы 18

6.1  Поверочный тепловой  расчет обмоток 18

6.2  Расчет охладительной  системы (бака и охладителей) 20

6.3  Определение превышения  температуры обмоток и масла  над воздухом. 22

6.4  Определение веса  масла и основных размеров  расширителя 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Интенсивный рост энергосистем требует значительного  повышения мощности и улучшения  качества выпускаемых трансформаторов. Поэтому исключительно важное значение имеет вопрос о рациональном проектировании и производстве трансформаторов общего и специального назначения.

Целью данного  курсового проекта является изучение основных методов расчета и конструктивной разработки электрической машины или  трансформатора. В курсовом проекте  производится расчет основных размеров трансформатора, расчет обмоток, определение  характеристик холостого хода и  короткого замыкания, расчет магнитной  системы, а также тепловой расчет и расчет охладительной системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

 
Вариант

 
Тип трансформатора

Мощность S

Напряжение

Потери мощности

 
UК

 
i0

Схема соединения обмоток 

Uвн

Uнн

PК

РХ

кВА

кВ

КВ

кВт

кВт

%

%

25

40000

115

38,5

170

34

10,5

0,55

Y/

- 11


1.Определение основных электрических  величин

1.1 Определение линейных и фазных  токов и напряжений обмоток  ВН и НН.

 

Мощность  одной фазы трансформатора:

 кВА.

Мощность  на одном стержне:

 кВА.

Номинальные (линейные) токи:

 А    - на стороне ВН.

 

 А   - на стороне НН.

Фазные токи:

 А    - на стороне ВН.

 

А   - на стороне НН.

 

Фазные напряжения:

 кВ  - для обмотки ВН.

 

кВ  - для обмотки НН.

 

 

 


1.2. Определение испытательных  напряжений обмоток.

 

Испытанное  напряжение трансформатора определяем по табл.4.1.а [2]

Для обмотки  ВН (класс напряжения 110 кВ)   кВ.

Для обмотки НН (класс напряжения 35 кВ)   кВ.

1.3. Определение активной  и реактивной составляющих напряжения  короткого замыкания.

 

Активная  составляющая напряжения короткого  замыкания:

Реактивная  составляющая напряжения короткого  замыкания:

2.  Расчет основных размеров  трансформатора.

 

 

 

Рис.1. Схематическое изображение  трансформатора и его основных размеров.

2.1  Выбор схемы и конструкции  сердечника.

 

Согласно  указаниям § 2.3 [2], выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками.

Сечение стержня по табл.2.5 [2]  выбираем с  14 ступенями, без прессующей пластины.

    1. Выбор марки и толщины листов стали и типа межлистовой изоляции. Выбор индукции в сердечнике.

Согласно рекомендациям [2] выбираем марку стали и её параметры. Для изготовления магнитопровода принимаем рулонную холоднокатаную сталь марки Э411А с толщиной листов 0,35 мм с нагревостойким электроизоляционным покрытием. Коэффициент заполнения kЗ = 0,96.

Величину  индукции принимаем BС = 1,7 Тл.

2.3  Выбор материала  обмоток.

 

В качестве материала для обмоток высокого и низкого напряжения принимаем  медный обмоточный провод марки ПБ.

2.4  Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет сердечника.

 

Первый  основной размер трансформатора - диаметр  стержня сердечника:

,  см

где - коэффициент Роговского,

  - частота, Гц

  - общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга .

  - приведенная ширина канала рассеяния.


следовательно:                   

см

 

Тогда диаметр  стержня:

cм.

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между  обмотками:

, см

где - радиальный размер обмотки НН

- коэффициент, согласно указаниям  [1] принимаем

см

Следовательно, диаметр канала между обмотками:

см.

 

Третий  основной размер трансформатора - высота обмотки:

см.

Активное  сечение стержня:

м2.

ЭДС одного витка:

В.

3. Расчет обмоток НН и ВН.

3.1. Выбор типа обмоток  НН и ВН.

 

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки  определяется по формуле:

,  мм²

где - средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.

,   А/мм²


-коэффициент, учитывающий наличие  добавочных потерь, по табл.5.1.[1] выбираем 

Тогда                       А/мм2

 

 

 

Ориентировочные сечения витков:

Для обмотки НН:            

мм2

Для обмотки ВН:            

мм2

 

По табл.5.3.[1] выбираем тип обмоток:

 

Для обмотки ВН и НН - многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного провода.

 

 

3.2.   Расчет обмотки  НН.

 

Число витков на одну фазу обмотки НН определяется:

 виток.

Уточненная ЭДС одного витка:

 В.

Действительная  индукция в стержне:

Тл.

С согласно указаниям [1] по табл. 5.4 [1], выбираем провод:

                                

Толщина изоляции на 2 стороны: мм.

Полное сечение витка:

Полученная  плотность тока:

А/мм2

Число витков в слое:

витков


Принимаю:  
    

Согласно  табл. 3.6 [1] δмс=0,24 мм.

      Ориентировочный осевой размер  обмотки:

Осевой  размер обмотки:  

 см

Радиальный  размер многослойной обмотки:

.

Внутренний  диаметр обмотки:

см.

Наружный  диаметр обмотки:

см.

Площадь поверхности охлаждения:

 м2.

3.3  Расчет обмотки ВН.

 

 Согласно  ГОСТ 401- 41 обмотка ВН всех силовых  масляных трансформаторов - трехфазных  свыше 5600 кВА, с регулированием на ±5%, от номинального напряжения ([1]). Схема регулирования приведена на рис.2.


                     

Рис 2. Схема регулирования обмотки ВН

 

Число витков при номинальном напряжении:

 

витков.

Округляем:  витка

 

Обычно  ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что  обуславливает равенство числа  витков на стержнях.


Напряжение  между двумя отводами:

кВ.

Число витков на одну ступень регулирования:

витков.

Принимаем число витков на одну ступень  витков.

 

Число витков на верхней ступени:

витков.

Число витков в нижней ступени:

 виток.

Плотность тока в обмотке ВН предварительно определяется:

А/мм2.

 

 

Сечение витка обмотки ВН предварительно:

мм2.

Согласно  указаниям по табл. 5.6 [1], выбираем провод:

Полное  сечение витка:

мм2.

Плотность тока в обмотке:

А/мм2.

Число витков в слое:

витков.

Округляем: витков.


Число слоев  в обмотке:

 слоев.

Толщина междуслойной изоляции согласно таблице 3.6 [1]:

 мм.

Радиальный размер обмотки без экрана:

см.

Внутренний  диаметр обмотки:

см.

Наружный  диаметр обмотки:

                              см.

Осевой  размер обмотки ВН принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН:

см.

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка  намотана непосредственно на цилиндр, - три  поверхности охлаждения (коэффициент К = 0,75)(Согласно указаниям пункту 6-3[2]):

 

 

м2.

4.  Определение характеристик  короткого замыкания.

4.1. Определение потерь  короткого замыкания.

 

а) Определение  электрических потерь в обмотках.

 

Средние диаметры обмоток:

- обмотки  НН:                      см.

- обмотки  ВН:                      см.

Вес провода  для обмоток ВН и НН рассчитываем по формуле (для медного провода):

  , кг

- обмотка  НН:

кг

- обмотка  ВН:       кг

Электрические потери в обмотках:

- в обмотке  НН:           Вт.

- в обмотке  ВН:           Вт.


б) Определение  добавочных потерь.

Определение добавочных потерь в обмотках практически  сводится к расчёту коэффициента увеличения основных электрических  потерь обмотки  . Этот коэффициент подсчитывается отдельно для каждой обмотки трансформатора.

 

Коэффициент добавочных потерь:

Для медного  прямоугольного провода при (обмотка НН):

 

      Где n – число проводов обмотки в радиальном направлении;

для цилиндрических обмоток n = nсл =3;

 

где коэффициент 

 

Следовательно,       

 

Для провода ВН обмотки при :

где коэффициент

Следовательно,        

 

в) Определение  электрических потерь в отводах.

 

Длина отводов  приближенно определяется:

см.

см.

 

Вес металла  отводов:

Для НН: кг.

Для ВН:  кг.

где γ = 8,9 кг/дм3 - удельный вес металла отводов (для меди).

Электрические потери в отводах:

Вт.

Вт.


г) Определение  потерь в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.

 

 Вт

 

где К - коэффициент, который находится по табл.6.1[1], принимаем

К = 0,03

 

д) Определение полных потерь короткого замыкания.

 

Полные  потери К. З.:

 кВт

Определим соотношение полученной и заданной величин мощности к. з.:

 

Полные  потери короткого замыкания готового трансформатора откланяются от гарантийного значения, заданного техническими условиями  на проект трансформатора, на – 4.8%. Что удовлетворяет заданию курсового проекта.

4.2. Определение  напряжения короткого замыкания.

 

Активная  составляющая напряжения короткого  замыкания:

Реактивная  составляющая напряжения короткого  замыкания:

,  %

где - ширина приведенного канала рассеяния:

 

Реактивная  составляющая:

Напряжение  короткого замыкания:

Проверка  отклонения полученного значения uK от заданного:


 4.3  Определение механических сил в обмотках.

 

Определяем действующее значение установившегося тока короткого  замыкания:

Согласно таблице 7.1 [1] принимаю Sk=15000 МВА.

 

Определяем ударный ток КЗ:

Найдем механические радиальные силы в обмотках:

 Напряжение сжатия в проводе обмотки НН:

 

МПа.

 

Напряжение  на разрыв в наружной обмотке ВН:

МПа.

Осевые силы в обмотках:


НН:

ВН:

Температура обмотки через  после возникновения короткого замыкания:

, °С

где - наибольшая продолжительность к. з., в соответствии с указаниями [2], принимаем с.

- начальная температура обмотки,  °С

ВН

НН

 

По табл. 7.6 [2] допустимая температура .

5.  Окончательный расчет магнитной  системы. Определение характеристик  холостого хода.

5.1.  Определение размеров  пакетов и активных сечений  стержня и ярма.

 

Принята конструкция трёхфазной плоской  шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной стали марки Э3411, толщиной 0,35 мм. Стержни магнитной системы скрепляются без прессующей пластины с прессовкой стержня обмоткой без бандажей. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.2[1] для стержня диаметром 0,5 м. Число ступеней в сечении стержня 14 в сечении ярма 13.


Размеры пакетов в сечении стержня  и ярма по табл. 8.1 [1]:

 

№ пакета

Стержень, мм

Ярмо, мм

1

458´61

458´61

2

465´31

465´31

3

440´27

440´27

4

425´13

425´13

5

416´11

416´11

6

385´16

385´16

7

358´10

358´10

8

350´9

350´9

9

325´12

325´12

10

295´12

295´12

11

270´9

270´9

12

250´9

250´9

13

215´9

215´9

14

175´8

  

Рис.3. Ступенчатая форма ярма.

Площадь ступенчатой фигуры сечения  стержня по табл.8.5 [1]

 ПФС = 1816,4 см2 и ярма    ПФЯ = 1843,9 см2 , объем углаVу = 76604см3

Активное сечение стержня:

 см2

Полное сечение ярма:

 см2

Объем стали  угла магнитной системы:

 см3

Ширина ярма:

 

Высота ярма:

Активное  сечение ярма:

.

5.2. Определение веса стержня  и ярм и веса стали. 

Длина стержня  магнитной системы:

см.

 

Расстояние  между осями стержней:

см.

 

где - расстояние между обмотками стержня, по табл. 4.5. [2], мм

Масса стали  угла магнитной системы:

кг.

 

кг/м3 - плотность трансформаторной стали

 

Масса частей ярм, заключенных между осями  крайних стержней:

кг.

Масса стали  в частях ярм в углах:

кг.

Полная  масса стали ярм:

кг.

 

Масса стали  стержней магнитной системы:

кг.

 

Общая масса  стали плоской магнитной системы:

кг.

5.3  Определение потерь  холостого хода.

 

Индукция  в стержне:

Тл.

Индукция  в ярме:

Тл.

Индукция  на косом стыке:


Тл.

Площадь сечения стержня на косом стыке:

см2.

Для плоской  магнитной системы с косыми стыками  с многоступенчатым ярмом для определения потерь холостого хода применим выражение:

при Тл,      Вт/кг,        Вт/м2;

при Тл,      Вт/кг,       Вт/м2;

при Тл,   Вт/м2.


Для определения  потерь холостого хода применим выражение:

,   Вт

где  - коэффициент добавочных потерь, по табл. 8.14 [2],

- коэффициент увеличения потерь  в углах, по табл. 8.13 [2],

кф – коэффициент, учитывающий число стержней; для трехфазного трансформатора равен 4.

Тогда потери холостого хода:

В процентах  от заданного значения:

5.4  Определение тока  холостого хода.

 

Для принятой конструкции магнитной системы  и технологии ее изготовления намагничивающую  мощность рассчитаем по формуле:

 

Следовательно, намагничивающая мощность:

Вар

 

Ток холостого  хода:

 

Активная  составляющая тока холостого хода:

 

Реактивная  составляющая тока холостого хода:

 

Коэффициент полезного действия трансформатора:

6.  Тепловой расчет и расчет охладительной  системы

6.1  Поверочный тепловой расчет  обмоток

 

Внутренний  перепад температуры:

обмотка НН (прямоугольный провод):

, °С

где  - толщина изоляции на одну сторону, см

-теплопроводность изоляции  провода, по табл.11.1 [2] Вт/см °С

Полная охлаждаемая  поверхность обмотки НН = 52,3 м²  ( п. 3.2]):

- плотность теплового потока  на поверхности обмотки:

 Вт/м²


Тогда                          °С

Для обмотки ВН = 34,7 м² ( п. 3.3]):

 Вт/м²

°С              

Средняя теплопроводность обмотки:

, Вт/см °С

где - средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции:

Вт/см °С

 

Следовательно            Вт/см °С

 

Средний перепад температуры составляет 2/3 от полного перепада:

°С

°С


Для цилиндрических обмоток из прямоугольного провода  перепад на поверхности обмотки:

Для обмотки  НН:

°С

Для обмотки  ВН:

 

°С

 

Рассчитаем  среднее превышение температуры  обмоток над средней температурой масла:

 °С

 °С

6.2  Расчет охладительной  системы (бака и охладителей)

 

 

Рис. 4

 

По табл.9.4 [2] в соответствии с мощностью трансформатора выбираем бак из гнутых труб с дутьём

 

Минимальная длина бака трехфазного трансформатора:

см

 

Принимаем А = 377см при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Минимальная ширина бака:

см

Принимаем В = 177см

По табл. 9.5 [2] минимальное расстояние от верхнего ярма до крышки бака:

 см

Высота  выемной части:

см

 

где n - толщина подкладки под нижнее ярмо, по [1] принимаем n = 5 см

Глубина бака:

 см

 

Принимаем Нб =372 см

Так как  из двух обмоток наиболее нагрета  обмотка ВН, то среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки  над температурой воздуха, должно быть не более:

 °С

 

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха будет  меньше на величину перепада температуры между маслом и стенкой бака

°С

где °С - по [1]

Полученное  значение должно удовлетворять условию:

°С

°С

 

 

Так как  условие выполняется, то принимаем:

°С

 


Поверхность излучения бака и крышки в предварительном  расчете:

м²


 

Поверхность конвекции бака:

 м²

 

По табл. 9.9 [2] выбираем данные для бака с навесными охладителями:

 

 

 

Рис.4. Трубчатый радиатор с прямыми  трубами.

 

 

 

 

Рис.5. Схематичное расположение радиаторов на баке.


6.3  Определение превышения  температуры обмоток и масла  над воздухом.

 

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха:

°С

 

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки бака над температурой стенки бака:

 °С

 

Превышение  температуры масла в верхних  слоях над температурой окружающего  воздуха:

°С

 

Превышение  температуры обмоток над температурой окружающего воздуха:

 

  • для НН: °С
  • для ВН: °С

6.4  Определение веса  масла и основных размеров  расширителя

 

Объем бака:

м3

Масса проводов:

кг

 

Объем активной части:

м3

 

Объем масла  в баке:

 м3


 

 

Масса масла  в баке:

кг

 

Масса масла  в трубах:

кг

 

Общая масса  масла:

кг