Выбор и описание конструкции трансформатора

Реферат

В данном курсовом проекте  составлены технические условия, выбрана  конструкция и приведены электромагнитный и тепловой расчёты трехфазного  двухобмотачного силового масляного  трансформатора общего назначения со следующими данными:

─ номинальная мощность 63 кВ×А;                                                                                                                  

─ номинальное напряжение обмотки ВН 6 кВ;

─ номинальное напряжение обмотки НН 0,4 кВ;

─ потери холостого хода 240 Вт;

─ потери короткого замыкания 1280 Вт;

─ ток холостого хода  2.8 %;

─ напряжение короткого  замыкания 4.5 %;

─ частота питающей сети 50 Гц;

─ число фаз 3;

─ регулирование напряжения ПБВ ±2x2.5 %;

─ схема и группа соединения обмоток У/У_н-0;

─ естественное масляное охлаждение (М).

         Данный трансформатор предназначен для наружной установки в

условиях умеренного климата при длительной нагрузке для 

обеспечения электрической  энергией промышленных объектов.

Остальное соответствуют  требованиям межгосударственных

стандартов   ГОСТ 11677-85 и ГОСТ 12022-76.

 

 

 

Содержание

Введение.....................................................................................................…....

1.Технические условия................................................................................…... 

1.1.Технические требования.......................................................................

1.2.Методы контроля...................................................................................

1.3.Указания по эксплуатации....................................................................

1.4.Гарантия поставщика.......................................................................….

  2.Выбор и описание конструкции трансформатора…...................................

2.1.Общая конструктивная схема трансформатора................................

2.2.Конструкция магнитной системы..........................................................

2.3.Система обмоток...................................................................................

2.4. Вспомогательная   система..................................................................

3.Основные расчеты.............................................................................

3.1 Определение основных электрических величин…............................

3.2 Выбор изоляционных промежутков.....................................................

3.3 Определение основных размеров трансформатора........................

3.4 Расчет обмотки НН…............................................................................

3.5 Расчет обмотки ВН…….....................................................................…

3.6 Расчет потерь и напряжения короткого замыкания...........................

3.7 Механический расчет.............................................................………….

3.8 Расчет магнитной системы…...................................................…...…..

3.9 Расчет потерь  холостого хода.......................................................…..

3.10 Расчет тока холостого хода.............................................................…

3.11 Рабочие характеристики.......................................................................

3.12 Тепловой расчет.................................................................................…

Заключение..............................................................................….......................

Список литературы............................................................................................

 

Введение

 

На современных  электростанциях обычно вырабатывается переменный ток, и для передачи его к потребителям через линии электропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются трансформаторами.

Назначение  силовых трансформаторов – преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются  особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи и т. п.

Особо важными  задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их 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 потерь энергии всего трансформаторного парка. 

Коэффициент полезного действия трансформатора очень велик и для большинства  их составляет 98-99 %. В трансформаторах  серии ТМ потери холостого хода снижены до 50 %, потери короткого замыкания на 20-25 %, однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка, общие потери в парке уменьшились в меньшей степени. Поэтому одной из важнейших задач является существенное уменьшение потерь энергии в трансформаторах, т.е. потерь холостого хода и короткого замыкания.

Уменьшение потерь холостого хода достигается путем применения холоднокатаной рулонной  электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами,  низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью.

Новые конструкции магнитных  систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы, стяжкой стержней и ярем кольцевыми бандажами, вместо сквозных шпилек в старых конструкциях, и многоступенчатой формой сечения ярма  в плоских магнитных системах.

Уменьшение  потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможно после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВ×А.

Сокращение  расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, применяемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто путем снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки  изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжения. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение новых систем форсированного охлаждения  с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

Для обеспечения  экономной работы сетей и надлежащего  качества энергии, отпускаемой потребителям, т.е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой ( РПН ).

Поскольку в  настоящее время в эксплуатации находятся трансформаторы как с  алюминиевыми обмотками, так и с медными, то целесообразно проектировать те и другие с одинаковыми параметрами и напряжением короткого замыкания, потерями и током холостого хода. Особое развитие должны получить работы по исследованию шума трансформаторов, нормированию его уровня, разработке методов измерения и понижения уровня шума.

Целью курсового проекта  является углубленное изучение методики проектирования трансформаторов на примере силового трехфазного двухобмоточного  масляного трансформатора общего назначения, мощностью   63 кВ∙А. Поставленная цель выполняется при решении следующих задач:

• изучение основных тенденций развития и проблем современного трансформаторостроения;
• составление технических условий на проектируемый трансформатор;
• выбор конструкции трансформатора;
• выполнение электромагнитного, механического, теплового, экономического и других расчетов для ряда вариантов; выбор варианта расчета, наиболее полно удовлетворяющего техническим условиям;
• конструктивная разработка общего вида и основных узлов конструкции спроектированного трансформатора.

 

1 Технические условия

 

Настоящие технические  условия распространяются на силовой  трёхфазный двухобмоточный трансформатор  общего назначения мощностью 63 кВ·А, предназначен для приема, передачи и распределения электрической энергии в линиях электропередач и электрических сетях.

 

1.1 Технические требования

 

Трёхфазный силовой  трансформатор мощностью 63 кВ×А должен соответствовать требованиям действительных технических условий и комплекта документации ГОСТ 12022-76.

1.1.1 Основные  параметры и размеры

1.1.1.1 Основные параметры приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Основные  параметры	Условное обозначение	Единица Измерения	Величина
Полная мощность трансформатора	S	кВ·А	63
Номинальное линейное напряжение	UЛ1	кВ	6
Номинальное линейное напряжение	UЛ2	кВ	0.4
Схема и группа соединения обмоток	У / Ун - 0	—	—
Число ступеней регулирования	ПБВ	ступ.	5
Пределы регулирования	—	%	±2х2,5
Потери холостого хода	РО	Вт	240
Потери короткого замыкания	РK	Вт	1280
Напряжение короткого  замыкания	UK	%	4.5
Ток холостого хода	IO	%	2.8
Частота питающей сети	f	Гц	50
Число фаз	m	—	3
Характер нагрузки	SI	—	—
Способ охлаждения	M	—	—
Категория размещения	1	—	—

 

1.1.1.2 Габаритные и установочные  размеры:

- полная высота –1192 мм;

- высота до крышки –760 мм;

- ширина – 485 мм;

- длина – 870 мм;

 

1.1.2 Характеристики

1.1.2.1 Трансформатор должен  соответствовать требованиям межгосударственного стандарта ГОСТ 11920-85 и рабочим чертежам, утверждённым в установленном порядке.    

1.1.2.2 Согласно требованиям  стандарта ГОСТ 11677-85 в готовом трансформаторе отклонения от заданных величин не должны превышать:

- плюс-минус 10 процентов  для напряжения короткого напряжения;

- плюс 10 процентов для  потерь короткого замыкания;

- плюс 15 процентов для  потерь холостого хода;

- плюс 30 процентов для  тока холостого хода.

При проектировании допускается  отклонения в половину от указанных  выше.

1.1.2.3 Трансформатор должен  соответствовать следующим показателями  надёжности: вероятность безотказной работы за наработку 8800 часов – не менее 0,995; срок службы до первого капитального ремонта не менее 12 лет; полный срок службы – не менее 25 лет.

1.1.2.4 Трансформатор должен  быть рассчитан на продолжительный  режим работы при нагрузке обмоток  1,05·I_max , при условии, что напряжение обмотки на ответвлении соответствует номинальному.

1.1.2.5 Допустимые продолжительные  нагрузки, а также систематические  аварийные перегрузки и их длительность в зависимости от графика нагрузки, температуры окружающей среды, должны соответствовать требованиям стандарта ГОСТ 14209-76.

1.1.2.6 Трансформатор должен  выдерживать без повреждений  внешние внезапные короткие замыкания при любом ответвлении при испытаниях по стандарту ГОСТ 20243-74.

1.1.2.7 Регулирование напряжения должно осуществляться переключением витков обмотки ВН без возбуждения (трансформатор обесточен с обеих сторон) – ПБВ; пять ступени по 2,5 %.

1.1.2.8 Трансформатор должен  допускать параллельную работу  с двухобмоточными трансформаторами.

1.1.2.9 Активная часть трансформатора должна помещаться в баке, герметически закрытом крышкой и заполненном трансформаторным маслом, по физико-техническим показателям соответствующий требованиям стандарта ГОСТ 10121-76.

1.1.2.10 Бак трансформатора  должен выдерживать избыточное давление 35 кПа.

1.1.2.11 К стенкам бака  крепятся радиаторы, оси фланцев  которых должны отстоять от дна и крышки бака не менее чем на 15 см.

1.1.2.12 На стенках бака  должна располагаться арматура  для слива и отбора пробы  масла, причём последняя должна находиться в нижней части бака на высоте не более 10 мм от дна бака.

1.1.2.13 Для регенерации  масла трансформатор должен иметь  термосифонный фильтр, который крепится  к стенкам бака.

1.1.2.14 На стенках бака  должны быть предусмотрены крюки  для подъема трансформатора.

1.1.2.15 На крышке бака  должны располагаться: вводы,  расширитель, выхлопная труба и другая вспомогательная арматура (защиты, очистки и залива масла, т.п.).

1.1.2.16 Расположение вводов  должно соответствовать требованиям  стандарта ГОСТ 11920-85, рис, 1.1

Рисунок 1.1 Расположение вводов трансформаторов

1.1.2.17 Конструкция вводов  должна допускать демонтаж и  смену их без съёма крышки  бака, выемки активной части из  бака и слива масла ниже  прессующих колец.

1.1.2.18 Расширитель должен сообщаться с баком трубой, заканчивающейся внутри расширителя выше его дна, чтобы исключить попадание осадков масла в бак.

1.1.2.19 В нижней части расширителя  должна быть предусмотрена пробка  для слива масла.

1.1.2.20 Ёмкость расширителя должна  обеспечивать постоянное наличие в нём масла при всех режимах работы трансформатора от отключённого состояния до номинальной нагрузки, для чего должен быть маслоуказатель.

1.1.2.21 На маслоуказателе или расширителе  должны быть нанесены контрольные метки для температур масла: минус 45; плюс 15; плюс 45 градусов Цельсия для климатического исполнения У по ГОСТ 15543-70. При этом среднесуточная температура воздуха не более 30 градусов Цельсия и среднегодовая температура воздуха не более 20 градусов Цельсия.

1.1.2.22 Расширитель должен быть снабжён воздухоосушителем с масляным затвором.

1.1.2.23 Трансформатор должен  иметь газовое реле, реагирующее  на повреждения внутри бака, сопровождающиеся выделением газа или резким увеличением скорости движения масла в газовом реле.

1.1.2.24 Установка газового  реле должна обеспечивать отсутствие  ложных срабатываний от вибраций и тряски.

1.1.2.25 Полости трансформатора, в которых могут скапливаться  газы, должны соединяться с коллектором,  отводящим газ в газовое реле.

1.1.2.26 Предохранительная  (выхлопная) труба должна располагаться  вблизи расширителя и сообщаться с последним патрубком.

1.1.2.27 Предохранительная  труба должна быть герметически  закрыта мембраной, которая выбрасывается при избыточном давлении в баке трансформатора.

1.1.2.28 Металлические поверхности  внутри бака, расширителя и защитных  устройств должны иметь маслостойкое покрытие.

1.1.2.29 Трансформатор должен  быть окрашен снаружи светлой  краской без металлических наполнителей, стойкой к атмосферным воздействиям.

1.1.2.30 Трансформатор должен  быть снабжён устройствами для  крепления к фундаменту и передвижения.

 

1.1.3 Комплектность

1.1.3.1 В комплект трансформатора  должны входить следующие составные части:

• активная часть в рабочем баке;
• расширитель с указанием уровня масла;
• предохранительная труба;
• коробка зажимов для присоединения контрольных и силовых кабелей по ГОСТ 11577-85;
• газовое реле;
• воздухоосушитель;
• вводы НН и ВН;
• фильтры;
• комплект запчастей.

1.1.3.2 К трансформатору  прилагают следующую техническую  документацию:

• паспорт трансформатора;
• паспорт комплектующих изделий;
• инструкция по эксплуатации и ремонту трансформатора;
• инструкция по транспортировке, хранению, монтажу и вводу в эксплуатацию;
• чертежи габаритный, установки важнейших составных частей, схемы заземления и контроля.

 

1.1.4 Маркировка

1.1.4.1 Маркировка зажимов  для внешнего присоединения должна быть нанесена способом, обеспечивающим её долговечность и стойкость к атмосферным воздействиям.

1.1.4.2 Трансформатор должен  быть снабжён прикреплённой на  видном месте табличкой, на  которой указывают следующие  данные:

• товарный знак предприятия-изготовителя;
• заводской номер;
• условное обозначение типа;
• год изготовления;
• условное обозначение схемы и группы соединения обмоток;
• номинальную частоту в герцах;
• номинальный режим;
• номинальную мощность в киловольт-амперах;
• номинальные токи обмоток;
• напряжение короткого замыкания;
• полная масса трансформатора;
• масса масла;
• транспортная масса.

 

1.2 Правила  приёмки

1.2.1 Трансформатор должен  подвергаться предприятием-изготовителем  приёмно-сдаточным испытаниям.

1.2.2 Программа приёмно-сдаточных  испытаний должна содержать:

• наружный осмотр и проверку на соответствие чертежам;    
• проверку коэффициента трансформации и группы соединения обмоток;
• испытание пробы масла из бака;
• испытание электрической прочности изоляции одноминутным испытательным напряжением промышленной частоты;
• проверку потерь и тока холостого хода;
• проверку потерь и напряжений короткого замыкания;
• испытание бака на плотность;
• испытание устройств переключения ответвлений обмоток.

 

1.3 Методы контроля

1.3.1 Наружный осмотр  произвести визуально.

1.3.2 Установочные и  габаритные размеры трансформатора  проверять с помощью измерительного инструмента, обеспечивающего точность измерений в пределах допусков, указанных на чертежах.

1.3.3 Проверку коэффициента  трансформации обмоток и группы  соединения - по ГОСТ 3484-77.

1.3.4 Проверка потерь и тока  холостого хода, потерь и напряжения  короткого замыкания проводится - по ГОСТ 3484-77.

1.3.5 Проверка потерь короткого  замыкания - по ГОСТ 3484-65.

1.3.6 Испытание устройства переключения  ответвлений - по 

ГОСТ 3484-65

1.3.7 Испытание бака  на плотность должно проводиться  столбом масла высотой 1,5^+0,3 м.

1.3.8 Определение пробивного  напряжения при испытании трансформаторного  масла - по ГОСТ 6581-66.

1.3.9 Испытание электрической  прочности изоляции напряжением  промышленной частоты с измерением частичных разрядов - по

ГОСТ 20074-74.

1.3.10 Испытание внутренней  изоляции грозовыми импульсами  напряжения - по ГОСТ 1516-73.

1.3.11 Испытание на нагрев - по ГОСТ 3484-65.

1.3.12 Испытание на стойкость  при коротком замыкании – по 
ГОСТ 20243-74.

1.3.13 Безопасное проведение  испытаний обеспечивать выполнением  требований "Правил техники эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правил техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей".

 

1.4 Транспортирование и хранение

1.4.1 Трансформатор должен  транспортироваться высушенным  и заполненным маслом.

1.4.2 Комплектующие съёмные  составные части и детали - реле, термометр и т.д. - должны быть  упакованы в тару, обеспечивающую  их сохранность в процессе транспортирования, хранения и монтажа.

1.4.3 Крупногабаритные  демонтированные части - радиаторы,  расширители, фильтры и т.д. - следует  транспортировать без упаковки, но защищенные от попадания влаги и пыли во внутрь в процессе транспортирования и хранения до монтажа на месте установки.

1.4.4 Крепление трансформатора  при транспортировании должно  быть надёжным и не должно допускать перемещений трансформатора на платформе.

1.4.5 Условия хранения  трансформатора - по группе условий  хранения 8 ГОСТ 15150-69.

1.4.6 Условия хранения демонтированных и запасных частей – по группе условий хранения 5 ГОСТ 15150-69 на допустимый срок сохранности в консервации и упаковке изготовителя один год.

 

1.5 Указания  по эксплуатации

1.5.1 Высота установки  трансформатора над уровнем моря  – не более  
1000 м.

1.5.2 Эксплуатацию трансформатора  производят в соответствии с  инструкцией по эксплуатации.

1.5.3 Форма кривой напряжения, подводимого к трансформатору, должна  быть практически синусоидальной, а система фазных напряжений - практически симметричной.

1.5.4 Трансформатор допускает  параллельную работу при условии,  что ни одна из обмоток не  будет нагружена токами, превышающими  допустимый ток для данной обмотки.

1.5.5 Магнитопровод трансформатора  и массивные металлические конструктивные элементы должны иметь надёжное металлическое соединение с баком, который снабжается заземляющимся контактом, имеющего обозначение "Земля" несмываемой надписью.

1.5.6 Месту установки  трансформатора должен быть придан  уклон, если об этом есть  указание в эксплуатационной документации изготовителя.

1.5.7 Указатель уровня  масла, газовое реле и кран  для отбора масла на пробу  должны быть расположены с  учётом возможности наблюдения  и доступа к ним.

1.5.8 До первого капитального  ремонта трансформатора подпрессовку  обмоток не производить.

1.5.9 Техника безопасности  при эксплуатации трансформатора - по ГОСТ 12.2.007.2-85 и согласно ПТБ  и ПУЭ электроустановок.

 

1.6 Гарантии  поставщика

1.6.1 Трансформатор должен  быть принят службой технического  контроля предприятия поставщика.

1.6.2 Изготовитель должен гарантировать соответствие трансформатора техническим условиям, при выполнении потребителем правил эксплуатации, транспортировки и хранения, которые установлены инструкцией по эксплуатации.

1.6.3 Срок гарантии устанавливается  на протяжении трёх лет со дня введения в эксплуатацию, но не более трёх с половиной лет со дня отгрузки.

 

2 Выбор и описание конструкции

В качестве конструктивного  прототипа в курсовом проекте  выбрана конструкция современного серийного силового  двухобмоточного трехфазного трансформатора ТМ-63/06.

Такое решение  позволяет применить в спроектированном трансформаторе ряд элементов конструкции  серийного трансформатора, то есть  осуществить наиболее экономически выгодный вид стандартизации – унификацию. При этом существенно снизятся затраты на изготовление спроектированного трансформатора за счет применения оборудования и технологических процессов, которые используют для серийно выпускаемых трансформаторов.

На рис. 2.1 приведена  принятая в проекте конструкция  трансформатора.

Рисунок 2.1 Конструкция трансформатора

 

2.1 Общая характеристика конструкции 

 

Конструкцию трансформатора, обычно, представляют в виде трёх систем:

• магнитной;
• обмоток;
• вспомогательной.

Магнитная система предназначена  локализации (канализации) основного  магнитного потока, участвующего в  преобразовании энергии, а также  служит  механической основой, на которой  располагается обмотка и ряд других конструктивных элементов. Величины индукции в магнитной системе и геометрические размеры ее конструкции определяют величину потерь и тока холостого хода.

Система обмоток необходима для осуществления процесса преобразования энергии, а плотность тока и геометрические размеры обмоток влияют на величину потерь и напряжения короткого замыкания.

Вспомогательная  система  включает приспособления и устройства, конструкция которых необходима для обеспечения надежной работы трансформатора (например, система охлаждения), регулирования, защиты, контроля и т.п.

 

2.2 Конструкция магнитной системы

По расположению стержней, которые охватывают обмотки, различают  пространственные (рис. 2.2) и плоские (рис2.3) магнитные системы.

а) стыковая, стержни собраны из плоских пластин, ярмо-витое;                              б) навитая, неразрезная, состоит из трех навитых колец

Рисунок 2.2 Пространственные магнитные системы

1-стержень; 2-верхнее  ярмо; 3-нижнее ярмо

Рисунок 2.3 Плоский стержневой магнитопровод

 

В проекте принята  плоская трех стержневая магнитная  система (рис.2.1), которая состоит  из трех стержней 23 и соединяющих  их верхнего 15 и нижнего 30 ярем.

Поперечное сечение  стержня имеет вид ступенчатой  фигуры, вписанной в окружность (рис.2.4). Размеры ступеней стержня (пакетов) выбраны из условия наибольшего заполнения площади круга  площадью ступенчатой фигуры (наибольший коэффициент круга, Ккр ).

Диаметр стержня (т.е. диаметр  описанной окружности вокруг ступенчатой  фигуры) является основным размером с точки зрения проектирования.

Такая форма сечения  стержня позволяет:

• снизить расход материала обмоток;
• избежать резких перегибов витков обмоток, что не нарушает изоляции проводников;
• равномерно распределить по длине витка электродинамические усилия;
• нарастить изготовление обмоток, наматываемых на поверхность изоляционных цилиндров.

С целью уменьшения индукции (потерь в стали) ярма выполнены с  большим сечением за счет объединения  нескольких стержней (рис.2.5)

В проекте принято для стержня -  8 ступеней, а для ярма - 6.

Пакеты набираются (шихтуются) из электротехнической анизотропной холоднокатаной стали 3404 толщиной 0,28 мм. Шихтовка электротехнической сталью (в стали имеется присадка кремния) снижает потери от вихревых токов в магнитопроводе.

                                

 

Рисунок 2.4  Сечение  стержня                  Рисунок 2.5 Сечение ярма

 

Влияние воздушных зазоров  в местах стыка отдельных пластин  ослабляют применением такой последовательности укладки (плана), при котором последующий слой пластин перекрывает стыки предыдущего. Стыки (углы) пластин могут быть прямыми (рис.2.6), косыми (рис.2.7) и комбинированными (рис.2.8). Применение таких  планов шихтовки позволяет снизить величину тока намагничивания, а косые углы, выполнение которых технологически более сложно, уменьшают потери в углах и дополнительно снижают ток намагничивания трансформатора.