Материал: Расчет силового трансформатора

Расчет силового трансформатора

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Забайкальский государственный университет»

Энергетический факультет

Институт переподготовки и повышения квалификации

Кафедра «Электроэнергетики и электротехники»

Курсовой проект

Расчет силового трансформатора

Чита 2015

Содержание

Введение

. Определение основных электрических величин

.1 Расчет фазных токов и напряжений

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

2. Расчет основных размеров трансформатора

2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

.3 Предварительный выбор конструкции обмоток

.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений Uк; Рк; Р0

.6 Определим основные размеры трансформатора

. Расчет обмоток

3.1    Расчет обмоток низшего напряжения (НН)

3.2    Расчет обмотки высшего напряжения

. Расчет параметров короткого замыкания

.1      Расчет потерь короткого замыкания

.2      Определение напряжения короткого замыкания

4.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании

. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм

.2 Определение массы стали

.3 Определение потерь холостого хода

.4 Определение тока холостого хода

. Тепловой расчет трансформатора

. Расчет массы трансформатора

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или более) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются для передачи электрической энергии на большие расстояния, распределения её между приёмниками, а также в различных устройствах, имеющих другую сферу применения (выпрямительные, усилительные, сигнализационные и другие).

При передаче электрической энергии от электрической станции к потребителям сила тока в линии обуславливает потери энергии в этой линии и расход металла (чаще всего - цветного) на её устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока пропорционально уменьшится, а, следовательно, имеет смысл применить провод с меньшим поперечным сечением. Это, в свою очередь, сократит расход цветных металлов при изготовлении провода и устройстве линии электропередач и снизит потери энергии в ней.

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-20 кВ; в отдельных случаях применяют напряжение 30-35 кВ. Такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования на производстве и в быту, но не являются достаточно высокими для экономичной передачи электрической энергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляется повышающими трансформаторами.

Приёмники электрической энергии (их основную часть) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических машин, приборов и аппаратов на высокое напряжение связано со значительными сложностями в конструкции, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжении требуют усиленной изоляции, что приведет к удорожанию стоимости аппарата и к увеличению его основных размеров. Поэтому высокое напряжение (на котором происходит передача энергии) не может быть непосредственно использовано для питания электроприёмников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.

Электрическая энергия переменного тока по пути следования от электростанции к потребителю претерпевает трансформации порядка 3-4 раз. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременно и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, которые используются для передачи и распределения электрической энергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростанциях.

1. Определение основных электрических величин

.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток

Определим мощность трансформатора на одну фазу и стержень:

 (кВА),

трансформатор напряжение магнитный замыкание

где c - число активных стержней трансформатора; c = 3;

S - номинальная мощность трансформатора, S=6300 кВА.

Определим номинальные линейные токи обмоток ВН и НН по формулам:

, (A); , (A); (1.1)

 (A);

(A),

где  - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки трансформатора,U_вн=10 (кВ), U_нн=3,15 (кВ);

Определим фазный ток обмотки одного стержня при соединении обмотки ВН в звезду и НН в треугольник:

 IФ2 = IВН (1.2)

(А),I_Ф2 = I_ВН=363,731 (А).

Здесь и в дальнейшем все величины, относящиеся к обмотке НН, будут

обозначаться с индексом “1”, а все величины, относящиеся к обмотке ВН - с индексом “2”.

Определим фазные напряжения трехфазного трансформатора при соединении обмотки НН в треугольник и ВН в звезду:

  (1.3)

 (В);

 (В),

где U_ВН, U_НН - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки (ВН или НН).

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора. Эти испытательные напряжения определим по таблице 3.1 для каждой обмотки трансформатора по её классу напряжения.

U_{исп вн}=35 кВ

U_{исп нн}=18 кВ

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания (к.з.)

Определим активную составляющую напряжения к.з. :

 ,(%) ( 1.4)

где P_к=46500 (Вт); S=6300 (кВА).

 (%),

где P_к (Вт); S (кВА).

Определим реактивную составляющую:

, (%) (1.5)

 (%).

2. Расчет основных размеров трансформатора

.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы совместно с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора. Рассчитаем двухобмоточный трехфазный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток.

Магнитную систему выполним со сборкой в переплет (рис. 1б).

Рисунок 1 - Магнитная система.

.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

Применение при проектировании трансформаторов холоднокатаной текстурованной стали марки 3404, обладающей низкими или особо низкими удельными потерями, повышенной магнитной проницаемостью, позволяет повысить магнитную индукцию до В=1,60 Тл, даёт возможность уменьшить массу стали, сделать магнитную систему более компактной, уменьшить вследствие этого массу металла обмоток, уменьшить потери х.х. и к.з. и уменьшить ток х.х.

2.3 Предварительный выбор конструкции обмоток

Выбор конструкции обмоток произведем по таблице 5.4. ("Основные свойства и нормальные пределы применения различных типов обмоток масляных трансформаторов") в соответствии с заданным материалом обмоток - алюминий, мощностью трансформатора - 6300 кВА, фазным током, I_Ф1 =666.667 (А), I_Ф2 =363.731 (А), линейным напряжением U_лн=3,15 кВ, U_лв=10 кВ, сечением витка (сечение витка на данном этапе расчета неизвестно).

Выберем обмотку низкого напряжения винтовую двухходовую из прямоугольного провода, обмотку высокого напряжения - цилиндрическую многослойную из прямоугольного провода.

.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

На рис.2 показаны конструкция главной изоляции обмоток и основные изоляционные промежутки для данных испытательных напряжений.

Главная изоляция обмоток (изоляция от заземленных частей и других обмоток) определяется в основном электрической прочностью при 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями, определяемыми по табл. 3.1.

Изоляция между обмотками ВН и НН осуществляется мягкими цилиндрами, намотанными при сборке трансформатора из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанавливается междуфазная перегородка из электроизоляционного картона.

Обмотки ВН:

Uисп2=35 (кВ)

a₁₂=20 мм, a₂₂=18 мм

=50 мм, =95мм

δ₁₂=4 мм, δ₂₂=3 мм,

=20 мм, δ_ш=2 мм

Обмотки НН:

Uисп1=18 (кВ)₀₁=17.5 мм, a_ц1=8 мм

=4 мм, = 25мм

Рисунок 2. Конструкция главной изоляции обмоток трансформаторов

.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений U_к; Р_к; Р₀

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из основных размеров трансформатора. Вторым основным размером является осевой размер (высота) обмоток ℓ. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. В случае различия в высоте обмоток трансформатора за l принимают их среднее арифметическое значение. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка обмоток ВН и НН, т.е. диаметр осевого канала между обмотками d₁₂ . Два основных размера ℓ и d₁₂ связаны соотношением основных размеров β.

 (2.1)

Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора

 (2.2)

Размер канала между обмотками ВН и НН a₁₂ определен ранее , при определении изоляционных промежутков главной изоляции обмоток: a₁₂=20 мм. Радиальные размеры обмоток a₁ и a₂ на данном этапе расчета неизвестны. Треть суммы радиальных размеров обмоток  (в метрах) может быть приближенно определена

k (2.3)

где S´=2100 [кВА]; в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь к.з. Р_к находится по табл.4.5: ,

k= м

 м

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять: k_р = 0,95.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания u_p определялась ранее (в 1.5): u_p=7.464 %.

Индукцию в стержне В_С, выберем по таблице 4.6: В_С =1,60 Тл.

Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня и размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали, вида между листовой изоляции

k_c = k_з · k_кр , (2.4)

где k_кр определим по таблице 4.7: k_кр=0,89

k_з определим по таблице 2.3: k_з = 0,97.

k_c = k_з · k_кр=

.6 Определим основные размеры трансформатора

Предварительное значение диаметра стержня:

 м

Полученный диаметр округляем до ближайшего стандартного диаметра d = 0,35 м = 350 мм в соответствии с нормализованной шкалой диаметров.

Второй основной размер трансформатора d₁₂ предварительно приближенно определяем по формуле:

d₁₂ = d + 2a₀₁ + 2a₁ + a₁₂ =  м,

где радиальный размер обмотки НН может быть приближенно подсчитан по формуле:

где коэффициент k₁ =1,4 для трансформаторов мощностью 1000…6300 кВА;

Третий основной размер трансформатора (высота обмоток):

l =  

Для d = 350 мм по табл. 7.2 определяем площади ступенчатых фигур стержня и ярма: П_фс = 904 см², П_фя = 928 см².

Активное сечение стержня, т.е. “чистое” сечение стали:

П_С = k_з·П_фс= 0,97×904=876,88 см²

ЭДС витка (предварительно), В:

 В

3. Расчет обмоток ВН и НН

.1 Расчет обмоток низшего напряжения (НН)

Число витков в обмотке НН:

, принимаем 104 витка

Уточнение напряжения одного витка:

 В.

Средняя плотность тока в обмотках: