Трансформатор силовой (расчет)

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

    ФЕДЕРАЦИИ

    Северо-Западный государственный заочный 

    технический университет 
     

    Дисциплина  “Электромеханика ч.1” 
     
     
     

    КУРСОВАЯ  РАБОТА 

    Тема: Трансформатор силовой (расчет) 
     
     
     
     
     
     
     

Студент: Сперанский А.А. 

Специальность: 140211  

Курс 2 

Шифр: 9102031004 

Дата выдачи: 

Работу принял: Каган А.В. 
 
 
 

    Санкт-Петербург

    2012 г.

    Федеральное агенство по образованию

    Государственное образовательное учреждение высшего  образования

    СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
     

    Кафедра электротехники и электромеханики 

    Специальность 140211 - электроснабжение 
     
     

    З А  Д А Н И Е

    на  курсовое проектирование по дисциплине "Электромеханика" 

    Трансформаторы 
     
     

Студенту    Сперанскому Алексею Анатольевичу_____________________________

                                                       (фамилия,имя,отчество)

Шифр  9102031004 

Руководитель  Каган А.В..                                                     _

                                                   (фамилия,имя,отчество, место работы, должность) 

  

1. Тема  проекта      Трансформатор  силовой  трехфазный  двухобмоточный

 —————————————————————————————————————————————

  мощностью                      250 кВА;          обмотка ВН                10 кВ;

___________________________________________________________________________________________

обмотка НН                        0,4 кВ.

____________________________________________________________________________

2. Срок  сдачи студентом законченного  проекта  16-я неделя

                                                                                                 (после выхода на курсовое проектирование)

3. Задача  проекта и исходные условия   

Спроектировать  трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением, для эксплуатации в условиях умеренного климата, соответствующий следующим техническим характеристикам: 

- частота  сети 50 Гц;

- схема  и группа соединения обмоток;  Y/ Y -0

            - потери короткого замыкания                                 2970 Вт;

            - напряжение короткого замыкания                            4,5 %;

            - потери холостого хода                                              630 Вт;

            - ток холостого хода                                                      2,3 %;

            - коэффициент мощности нагрузки 

Магнитопроводы  трансформаторов могут быть изготовлены  из штампованных листов холоднокатаных сталей  марок 3404,3405  толщиной 0,35 и 0,3 мм.

В качестве материалов для изготовления обмоток  используются медные или алюминиевые провода прямоугольного или круглого сечения.

Электроизоляционные материалы, принятые к использованию, относятся по нагревостойкости к классу А. 
 

    Содержание. 

Введение.

1. Определение основных электрических величин.

1.1. Определение  линейных  и  фазных  токов  и  напряжений  обмоток

высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН).

1.2. Определение испытательных напряжений обмоток.

1.3. Определение  активной и  реактивной  составляющих  напряжения

короткого замыкания (КЗ).

2. Расчет основных размеров трансформатора.

2.1. Выбор схемы и конструкции магнитной системы.

2.2. Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин, выбор индукции в магнитной системе.

2.3. Выбор материала обмоток.

2.4. Выбор  конструкции  и  определение  размеров  основных

изоляционных  промежутков главной изоляции обмоток.

2.5. Предварительный  расчет  трансформатора  и  выбор  соотношения

основных  размеров, выраженных  коэффициентом с учетом  заданных

значений.

2.6. Определение  диаметра  стержня  и  высоты  обмотки.

3. Расчет обмоток НН и ВН.

3.1. Общие  вопросы расчёта обмоток.

3.2. Расчёт  обмоток НН.

3.3. Расчёт  обмоток ВН.

4. Определение параметров КЗ.

4.1. Определение потерь КЗ.

4.2. Определение напряжения КЗ.

4.3. Определение  механических  сил  в обмотках.

5. Окончательный  расчет  магнитной схемы. Определение параметров холостого хода (XX).

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

5.2. Определение массы стержней и ярма и массы стали.

5.3. Определение потерь XX.

5.4. Определение тока XX.

6. Тепловой расчет.

Заключение.

Список  используемой литературы. 
 
 

 

      Введение 

     Производство  электрической энергии на крупных  электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых  вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах необходимые количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Использование дешевой электрической энергии потребителями, которые находятся на значительном расстоянии, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточены по обширной территории страны, требует создания сложных разветвленных электрических сетей.

     Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической  сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

     Необходимость распределения энергии между  многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 8-10 раз.

     Следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т. е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает большая часть потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

     В настоящее время для силовых  трансформаторов установлены две  категории качества. К высшей категории относятся трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне лучших мировых достижений или превосходят их; к первой категории - трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне современных требований народного хозяйства и отвечают нормативно-техническим документам. В качестве основных критериев для отнесения трансформаторов к той или иной категории служат: значения потерь холостого хода и короткого замыкания, тока холостого хода, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности, и другие показатели. 

     Конструкция трехфазного силового трансформатора

     Современный трансформатор - сложное устройство, состоящее из большого числа узлов, деталей и металлоконструкций. На рисунке 1 представлена конструкция трехфазного силового масляного трансформатора. 

     

     Рис. 1 Устройство силового трансформатора:

     1 - бак; 2 - вентиль; 3 - зажим заземления; 4 - термосифонный фильтр; 5 - радиатор; 6 - переключатель; 7 - расширитель; 8 - маслоуказатель; 9 -воздухоосушитель; 10 - выхлопная труба; 11 - газовое реле; 12 - ввод ВН; 13 - привод переключающего устройства; 14 - ввод НН; 15 - серьга для подъема; 16 -отвод НН; 17 - ответвления обмоток ВН; 21 - обмотка ВН (внутри НН); 22 - каток тележки.

     Основными частями трансформатора являются магнитная  система (магнитопровод) и обмотки. Магнитная система служит для  локализации в ней основного  магнитного поля трансформатора.

     Обмотка - совокупность витков из проводников, в которой суммируются наведенные в них ЭДС для получения высшего, среднего или низшего напряжений (ВН, СН или НН) трансформатора. Электротехническую сталь и медь (алюминий), из которых изготовлены магнитная система и обмотки с отводами, называют активными материалами.

     Магнитная система в собранном виде с  соединяющими ее деталями и ярмовыми балками образует остов трансформатора. Остов трансформатора с обмотками, отводами, элементами переключающего устройства и деталями для их механического крепления называют активной частью трансформатора.

     Отводы служат для соединения обмоток с вводами и переключающим устройством, а переключающее устройство - для регулирования напряжения трансформатора. Активную часть воздушного (сухого) трансформатора иногда закрывают кожухом (защищенное исполнение), который обеспечивает свободный доступ охлаждающего воздуха, защищая одновременно активную часть от попадания посторонних предметов.

     Активную  часть масляного трансформатора помещают в бак, заполняемый трансформаторным маслом или другим жидким диэлектриком, являющимся основной изолирующей средой и теплоносителем в системе охлаждения.

     Бак состоит из дна, стенки, крышки. Бак  со съемной крышкой называют баком с верхним разъемом (обычно дно бака приварено к стенке); с разъемом вблизи дна (для отделения и подъема верхней части) - колокольным (обычно крышка приварена к стенке).

     На  стенках бака размещают радиаторы, приводной механизм, иногда контакторы переключающего устройства, а также  термосифонный фильтр, коробки контактных соединений для приборов контроля и сигнализации. Крышку бака используют для установки вводов, расширителя и предохранительной трубы.

     Вводы служат для присоединения обмоток трансформатора к сети, расширитель - для компенсации колебаний уровня масла в баке при изменениях нагрузки и температуры окружающей среды и для уменьшения поверхности масла, контактирующей с воздухом.

     Для защиты масла в расширителе от увлажнения используют воздухоосушитель, представляющий собой сосуд (заполненный силикагелем), который сообщается с одной стороны с атмосферным воздухом, а с другой - с воздухом, заполняющим внутренний объем расширителя над «зеркалом» масла.

     Для наблюдения за уровнем масла в  расширителе применяют маслоуказатели либо со стеклянной трубкой или пластиной, либо стрелочный. В трубопровод расширителя помещают газовое реле, реагирующее на выделение газа, возникающее при различных повреждениях в активной части трансформатора, а также при внезапном коротком замыкании в линии. Газовое реле также защищает трансформатор от выхода их строя при утечке масла.

     Предохранительная труба (иногда называемая выхлопной) - защитное устройство, предупреждающее повреждение бака из-за резкого повышения внутреннего давления при внезапном коротком замыкании и представляющее собой стальной цилиндр, один конец которого сообщается с баком, а другой закрыт стеклянным диском. При аварии стеклянный диск разрушается, и излишки масла и газов выбрасываются наружу. Выхлопная труба сообщается через уравнительную трубку с верхней частью расширителя, что необходимо для выравнивания давления в трубе при нормальной работе трансформатора.

     В крышке устанавливают гильзы для  датчиков термосигнализаторов, измеряющих температуру верхних слоев масла трансформатора. Термосигнализатор имеет электроконтактное устройство, которое включается при заранее заданной температуре. Контакты термосигнализатора включают сигнальную или иную цепь, предупреждая обслуживающий персонал о недопустимом повышении температуры масла в трансформаторе. 
 
 

  1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, ЛИНЕЙНЫХ И ФАЗНЫХ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ ОБМОТОК ВЫСШЕГО И НИЗШЕГО НАПРЯЖЕНИЙ
 

     Мощность  одной фазы трансформатора, кВ :

     

     где: с – число стержней, равное числу фаз с=3

            S – полная мощность 

     Номинальные линейные токи на сторонах трехфазного трансформатора, А :  

              

       

     где: - номинальные линейные напряжения, В

      

     Фазные  токи обмоток, А:

     - при соединении в Y

       

     Фазные напряжения обмоток, В:

     - при соединении в Y

       
Испытательное напряжение для обмоток

     По  классам напряжений обмоток, устанавливается  испытательное напряжение. При классе напряжения < 3000 В, испытательное напряжение принимается равным 5000 В.

     Испытательное напряжение для обмотки ВН

     

     Испытательное напряжение для обмотки НН

       

  1. ДАННЫЕ  КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ОБМОТОК
 

Типы  обмоток

Обмотки ВН и НН – непрерывная катушечная из прямоугольного провода 

Материал  проводов

Для обмоток  ВН и НН принят к использованию  медный провод 

Коэффициент канала рассеяния 

 

Размерное соотношение, м

- соответственно радиальные размеры обмоток ВН и НН

- мощность обмотки одного стержня, кВА 

Ширина  приведенного канала рассеяния, м

=0,009 – изоляционный канал между обмотками  

Дополнительные  данные необходимые для расчета 

Коэффициент - отношение активного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стрежня трансформатора, предварительно можно принять  

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять  

Соотношения между  основными размерами трансформатора может быть представлены коэффициентом  , принимается  

Принимается  марка стали магнитопровода 3405 

Величина индукции в стержнях масляного трансформатора может быть получена из опыта проектировании, учитывая мощность, индукция в стержне   

Активные  и реактивные составляющие напряжения короткого замыкания, % 

          

где - потери короткого замыкания, Вт;

- полная мощность трансформатора, кВ·А. 

       

где напряжение короткого замыкания, %, определяется из задания

= 4,5% 

Диаметр стержня, м: 

              

где – мощность на один стержень, ВА;

- ширина приведенного канала рассеяния, м;

- коэффициент соотношения основных  размеров обмоток; 

- коэффициент Роговского выбирается из справочного материала ;

- частота питающего напряжения, согласно задания  = 50, Гц;

- максимальная индукция в стержне,  Тл;

- коэффициент заполнения сталью  окружности;

- реактивная составляющая напряжения  короткого замыкания, %. 

 Полученный  размер округляется до ближайшего по таблице нормалей  

После выбора нормализованного диаметра уточняется значение: 

По принятому  размеру  определяем геометрическое сечение стержня

 

Коэффициент заполнения сечения стержня магнитопровода сталью , равный отношению сечения стали стержня к площади его поперечного сечения, , ему соответствует толщина листа пакета 0,3 мм. 

Сечение стали стержня, м2 

 

ЭДС  витка, В 

 

Средний диаметр  между обмотками НН и ВН может быть установлен с помощью вспомогательного коэффициента , значение которого принимается в соответствии с выбранным материалом обмотки НН.  

Средний диаметр  стержня равен, м: 

 

Высота окна под обмотку, м 

 

    3.ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК И ИХ РАСЧЕТ 
     
     

     

     Рис.2 Эскиз магнитной цепи и катушек с обозначением основных размеров. 

     Расчет  обмоток низшего  напряжения 

     Обмотка низшего напряжения располагается  у большинства трансформаторов  между стержнем и обмоткой высшего  напряжения, то есть первой от стержня, поэтому расчет обмоток начинают именно с нее. При расчете обмоток сначала определяют число витков, приходящихся на одну фазу обмотки НН

               

где   - ЭДС, возникающая в одном витке, В;

- напряжение обмотки НН, В

Устанавливается число витков на фазу:

 

Уточняется  напряжение одного витка, В:  

          

Тогда действительная индукция в стержне  будет равна, Т: 

    

Устанавливается средняя плотность тока в обмотке НН, учитывая материал провода. Изоляционные материалы принятые к использованию относятся к классы нагревостойкости А, поэтому расчетная температура  

Удельные электрические  сопротивления проводов при  , А/м2

Для меди   

 

где:   ; S – полная мощность, ВА; - потери короткого замыкания, Вт; - номинальное фазное напряжение, В 

Устанавливается  

Сечения витка, м2:

 

     При выборе проводов используются стандартные  сортаменты. По известному значению сечения  витка из стандартного сортамента проводов выбирается ближайшее по сечению  значение. 

Осевой  размер (высота) канала  

Полное  сечение витка из параллельных проводов, м2: 

         

Уточненная плотность тока, А/м2:

  

Число катушек  на одном стержне в случае, когда каналы выполнены между всеми катушками:

  

Устанавливается число катушек на стержне      

Уточненное число  витков в катушке    

Проверяется высота обмотки с каналами между  всеми катушками, м:

где  

 В данном  случае размещение обмотки соблюдается  
 

Радиальный  размер обмотки, м:  

          

Внутренний  и наружный диаметр обмотки НН, внутренний диаметр обмотки ВН

Внутренний  диаметр обмотки НН, м:

 

Наружный  диаметр обмотки НН, м:

 

Внутренний  диаметр обмотки ВН, м:

        
 
 
 

      Расчет  обмоток высшего  напряжения 

      Число витков при номинальном напряжении: 

               Принимается число витков на фазу

       

Число витков на одной ступени регулирования  , устанавливается из предположения, что регулирование в обмотке осуществляется в пределах от номинального значения напряжения

Полученное  значение округляется до целого  

Число витков на ответвлениях 

Обычно  ступени регулирования напряжения делаются равными между собой  и, в соответствие с ГОСТом при  мощностях для 250 МВ·А, делаются ответвления +5%; +2,5%; 0%; -2,5%; -5%. 

 
 
 
 

Средняя плотность тока в обмотке ВН, учитывая материал провода, А/м2 

   

Устанавливается  

Ориентировочное сечение витка, м2: 

   

Выбор проводника обмотки 

 

Полное  сечение одного эффективного проводника, м2: 

         

Действительная  плотность тока: 

        
 
 

Число катушек на одном стержне для  случая, когда каналы предусматриваются  между всеми катушками (целое число) 

 

Число витков в катушке 

  

Проверяется высота обмотки с каналами между  всеми катушками, м:

где