Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением

Содержание
Введение
Исходные данные
1. Общие сведения о трансформаторах
1.1 Конструкция трехфазного силового трансформатора
1.2 Условные обозначения трансформаторов
2. Проектирование трансформаторов
3 Расчет трансформатора
3.1Определение основных электрических величин
3.1.1 Расчет фазных токов и напряжений
3.1.2 Определение испытательных напряжений обмоток
3.1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания
3.2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы
3.2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе
3.2.3 Предварительный выбор конструкции обмоток
3.2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
3.2.5 Выбор соотношения основных размеров ? и расчет ширины приведенного канала рассеяния
3.2.6 Определение диаметра стержня и высоты обмотки. Предварительный расчет магнитной системы
3.3 Расчет обмоток
3.3.1 Расчет обмоток низшего напряжения (НН)
3.3.2 Расчет обмотки высшего напряжения
3.4 Расчет параметров короткого замыкания
3.4.1 Расчет потерь короткого замыкания
3.4.2 Определение напряжения короткого замыкания
3.4.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании
3.5 Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода
3.5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм
3.5.2 Определение массы стали
3.5.3 Определение потерь холостого хода
3.5.4 Определение тока холостого хода
3.6 Тепловой расчет трансформатора
3. 7 Расчет массы трансформатора
Заключение
Список использованной литературы

Коэффициент заполнения высоты обмотки медью βзп рассчитывается по формуле
где m - число проводов обмотки в осевом направлении:
Электрические потери в обмотке:
Вт
Тепловая нагрузка:
3.4 Расчет параметров короткого замыкания
3.4.1 Расчет потерь короткого замыкания
Электрические потери РЭ1 и РЭ2 обмоток с учетом добавочных потерь от поля рассеяния определены выше при расчете обмоток.
Потери в отводах обмотки НН:
Вт
Потери в отводах обмотки ВН:
Вт
где Gотв1, Gотв2 – масса отводов обмоток НН и ВН.
При соединении НН обмотки в «звезду»:
кг
При соединении ВН обмотки в «звезду»:
кг
где γ – плотность металла обмотки, для медных обмоток
γ = 8960 кг/м3.
Потери в стенках бака на этапе расчета обмоток, когда размеры бака еще не известны, можно определить по приближенной формуле:
где kб =0,025 - коэффициент, определяемый по табл. 6.1 (Уч.пособие С. А. Гераськов).
Полные потери короткого замыкания:
Сравним полученные потери короткого замыкания с заданными Ркзад (табл. 10.2 Уч.пособие С. А. Гераськов):
%
3.4.2 Определение напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания
%
Ширина приведенного канала рассеяния:
где м – диаметр осевого канала между обмотками.
Соотношение основных размеров β:
где м – средняя высота обмоток НН и ВН.
Коэффициент Роговского:
где
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:
Полное напряжение короткого замыкания:
Сравним полученное напряжение короткого замыкания с заданным uкзад (табл. 10.2 Уч.пособие С. А. Гераськов):
3.4.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании
Действующее значение, установившегося тока короткого замыкания:
обмотки НН А
обмотки ВН А
Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания обмотки ВН:
А
где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.
Радиальная сила, действующая на наружную обмотку ВН и стремящаяся растянуть её:
Такая же радиальная сила, но направленная в противоположенную сторону, действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать её.
Напряжение на разрыв, действующее в проводниках обмотки ВН:
σр = МПа.
Напряжение на сжатие, действующее в проводниках обмотки НН:
σсж = МПа.
Допускается σ = 0,64 МПа (для меди).
Осевая сила:
Конечная температура обмотки υк, через 4 секунды после возникновения внезапного короткого замыкания:
где J – средняя плотность тока:

υн =90о – начальная температура обмотки.
Время достижения температуры 200 °С:
3.5 Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода
3.5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм
Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм. Стержни магнитной системы прессуются путем расклинивания их с обмоткой. Размеры пакетов (из табл. 7.1 Уч.пособие С. А. Гераськов, а приведены в табл. 11.1 Уч.пособие С. А. Гераськов для стержня диаметром 0,16 м без прессующих пластин. Число ступеней в сечении стержня - 6, в сечении ярма - 5.
По табл. 7.2 Уч.пособие С. А. Гераськов:
- площадь ступенчатой фигуры сечения стержня: Пф.с = 184 см2 = 0,0184 м2;
- площадь ступенчатой фигуры ярма: Пф.я = 188 см2 = 0,0188 м2;
- объём угла магнитной системы: Vу = 2470 см3 = 0,02470 м3.
Активное сечение стержня:
Пс = kз(Пф.с = 0,96(184 = 176,64 см2.
Активное сечение ярма:
Пя = kз(Пф.я = 0,96(188 = 180,5 см2.
Объём стали угла магнитной системы:
Vу.ст = kз( Vу = 0,96(2470 = 2371 см3.
Длина стержня:
lc=l2+l0’+l0”=1,341+0,075+0,075=1,491 м
Таблица 11.1. Уч.пособие С. А. Гераськов.
Размеры пакетов в сечении стержня и ярма
№ пакета Размеры пакетов стержня, мм Размеры пакетов ярма, мм 1 155(20 155(20 2 135(23 135(23 3 120(10 120(10 4 105(7 105(7 5 85(7 - 6 55(7 -
мм – расстояние от нижнего края обмотки до ярма,
мм – расстояние от верхнего края обмотки до ярма, определяются по табл. 4.3, прим.2 (Уч.пособие С. А. Гераськов).
Для трансформаторов без прессующего кольца l0’= l0” = lо2=0,75 мм.
Расстояние между осями соседних стержней:
.
3.5.2 Определение массы стали
Масса стали одного угла:

где γст =7650 кг/м3 - плотность трансформаторной стали.
Масса стали ярм определяется как сумма двух составляющих:
Полная масса ярм :
масса стали стержней:
где масса стали стержней в пределах окна магнитной системы
Масса стали в местах стыка стержня и ярма:
Полная масса стали плоской магнитной системы :
3.5.3 Определение потерь холостого хода
Для трехфазных шихтованных плоских стержневых магнитных систем (рис. 4.2) потери холостого хода рассчитываются по формуле:
=
Вт
где коэффициенты:
kпу = 10,64 (табл. 7.3 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kпр = 1,05 для отожженной стали марки 3405;
kпз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;
kпп = 1,03 (табл. 7.5 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kпш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;
- удельные потери в стержне рс=1,074 Вт/кг – определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс:
- удельные потери в ярме ря=1,038 Вт/кг – определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в ярме Вя:
- число углов с прямыми стыками nпр = 2; с косыми стыками nк = 4 (по рис. 4.2а Уч.пособие С. А. Гераськов);
- площадь прямого стыка Ппр = Пс = 0,0176 м2;
- площадь косого стыка Пк = Пс = ·0,0176 = 0,025 м2;
- удельные потери в зазоре на прямом стыке рзпр = 615 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;
- удельные потери в зазоре на косом стыке рзк = 320 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 для индукции Тл
Сравним полученные потери холостого хода с заданными Р0зад
3.5.4 Определение тока холостого хода
Активная составляющая тока холостого хода i0a:
Для определения реактивной составляющей тока холостого хода рассчитаем намагничивающую мощность Q0:
=
ВА,
где коэффициенты:
kту = 49,0 для магнитной системы по рис. 4.2а (Уч.пособие С. А. Гераськов);
kтр = 1,18 для отожженной стали марки 3405;
kтз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;
kтп = 1,045 (табл. 7.7 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kтш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;
- удельная намагничивающая мощность стержня qс=1,383 ВА/кг определяется по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс = 1,57 Тл;
- удельная намагничивающая мощность ярма qя=1,321 ВА/кг – определяется по табл. 7.6 для индукции в ярме Вя = 1,53 Тл;
- удельная намагничивающая мощность зазора на прямом стыке qзпр = 1,680 ВА/см2 = 16800 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;
- удельная намагничивающая мощность зазора на косом стыке qзк = 0,25 ВА/см2 = 2300 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции 1,11 Тл.
Реактивная составляющая тока холостого хода:
Полный ток холостого хода:
что меньше заданного i0зад = 2,4 %.
КПД трансформатора определяется по формуле:
3.6 Тепловой расчет трансформатора
Определяем размеры бака и поверхность охлаждения бака и крышки:
- ширина бака:
где аоб = 0,12 м – изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака (табл. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов);
- длина бака:
- глубина бака:
где hяк = 0,40 м – расстояние от верхнего ярма до крышки бака (табл. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов);
hяд =0,05м – высота прокладки между нижним ярмом и дном бака.
Используем бак овальной формы. В этом случае площадь боковой поверхности бака:
- площадь крышки бака:
Определяем превышение температуры обмоток над температурой масла:
- для цилиндрической обмотки НН:
- для цилиндрической обмотки ВН:
Определяем допустимое среднее превышение температуры масла над воздухом из условия, чтобы температура наиболее нагретой обмотки превышала температуру воздуха не более, чем допускает ГОСТ:
где Θом – наибольшее из значений Θом1 и Θом2.
Определяем превышение температуры масла в верхних слоях расширителя:
Выбираем унифицированный прямотрубный радиатор (рис. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов)
Определим тепловой поток поверхности бака и радиаторов, при котором превышение температуры масла над воздухом будет ограничено полученной величиной Θмв:
Определим потери, отводимые с поверхности бака:
Потери, которые должны быть отведены с поверхности радиаторов:
Необходимая поверхность радиаторов:
По табл. 8.2 (Уч.пособие С. А. Гераськов) выбираем два радиатора Nр = 2 с характеристиками:
- расстояние между осями патрубков Нор = 710 мм;
- высота радиатора Нр= 905 мм;
- ширина радиатора Lр = 189 мм;
- число рядов труб nряд = 1;
- поверхность охлаждения Пр= 4,46 м2;
- масса радиатора Gр= 55 кг;
- масса масла в радиаторе Gмр= 28 кг.
Уточняем тепловой поток поверхности бака и радиаторов:
Уточняем среднее превышение температуры масла над воздухом:
Определим превышение температуры наиболее нагретой обмотки над воздухом:
3. 7 Расчет массы трансформатора
Определим массу активной части:
где кг – масса провода обмоток НН и ВН.
Масса бака с радиаторами:
где γст = 7850 кг/м3 – плотность стали;
– объем стали бака (δст = 0,003 м – толщина стали бака);
Общая масса масла:
где γм = 900 кг/м3 – плотность масла;
– объем бака;
– объем активной части – объем расширителя;
Масса трансформатора:
Заключение
Высокие темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, энергомашиностроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборостроения, строительства, агропромышленного комплекса и др., комплексной механизации и автоматизации во всех этих отраслях народного хозяйства.
В целом в настоящее время в развитии отечественного трансформаторостроения наблюдаются следующие тенденции:
- улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения стоимости, габаритных размеров трансформаторов, потерь энергии в них;
- увеличение единичной мощности трансформаторов;
- повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, качества трансформаторного масла;
- создание линейных электродвигателей и двигателей возвратно-поступательного движения;
- разработка более технологичных конструкций трансформаторов, приспособленных для массового и серийного производства;
- усовершенствование методов расчета трансформаторов на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования;
В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам заводов и отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов, созданных при всех научно-производственных объединениях электротехнической промышленности.
Список использованной литературы
1. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
2. Гончарук, А.И. Расчет и конструирование трансформаторов – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 257 с.
3. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов.- Л.: Энергия, 1970.
4. Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов.- М.: Высшая школа, 1971.
5. Сапожников, А.В. Конструирование трансформаторов - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
6. Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.
Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита,  2005 г.
Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.
Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением: Учебное пособие / С. А. Гераськов. - Чита : ЧитГУ, 2005
41