Расчёт основных электрических велечин трансформатора

Задание

Для трехфазного  трансформатора, паспортные данные и  соединение обмоток которого приведены  в табл.1 выполнить следующее:

1. Определить  линейные и фазные токи и  напряжения обмоток высшего и  низшего напряжений.

2. Определить  основные размеры трансформатора.

2.1 Выбрать конструкцию  магнитной системы.

2.2 Выбрать марку  стали и толщину стальных листов, вид их изоляции, определить индукцию  магнитной системы.

2.3 Выбрать проводниковый  материал обмоток.

2.4 Предварительно  выбрать конструкцию обмоток.

2.5 Выбрать конструкцию и размеры основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток.

2.6 Определить  диаметр стержня, высоту обмотки  и активное сечение стержня.

3. Окончательно  выбрать размеры, конструкцию  обмоток и выполнить расчет.

3.1. Выбрать тип  обмоток высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений.

3.2. Рассчитать  обмотки низшего напряжения.

3.3. Рассчитать  обмотки высшего напряжения.

4. Определить  параметры опыта короткого замыкания.

4.1 Определить  потери короткого замыкания.

4.2 Определить  напряжение короткого замыкания.

4.3 Рассчитать  механические силы в обмотках.

5. Провести окончательный  расчет магнитной системы.

5.1. Определить  размеры пакетов и активных  сечений стержня и ярма.

5.2. Определить  массу стержня и ярм, общую  массу активной стали.

6. Определить потери и ток холостого хода.

7. Сравнить параметры,  полученные в п.4,5,6 с паспортными  данными трансформатора.

Таблица 1. - Паспортные данные трансформатора ТМ - 160/35

Тип трансформатора	Схема соединения обмоток	Uk, %	I0, %	Потери, кВ·А		Масса, т		Габариты, мм
				Pхх	Pкз	полная	масла	высота	ширина	толщина
ТМ – 160/35	Y-∆-11	6,5	2,4	0,66	2,65	1,700	0,575	2260	1400	1000

 

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

Номинальный линейный ток обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора определяется согласно [1] по следующей формуле:

(1.1)

где - мощность трансформатора, кВ·А; - номинальное напряжение соответствующей обмотки, В.

Номинальный линейный ток обмотки высшего напряжения (ВН) рассчитываемого трансформатора:

(1.2)

Фазный ток обмотки  ВН трансформатора равен линейному  току, т.к обмотка ВН соединена  в «звезду»:

(1.3)

Фазное напряжение обмотки  ВН при соединении обмотки в «звезду» будет определяться по формуле:

 

(1.4)

Номинальный линейный ток  обмотки низшего напряжения (НН):

(1.5)

Фазный ток обмотки  НН трансформатора при соединении в  «треугольник» определяется по формуле:

(1.6)

Фазное напряжение обмотки  НН трансформатора при соединении в  «треугольник» равно линейному  напряжению:

(1.7)

 

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

2.1 Выбор конструкции магнитной системы

Магнитная система трансформатора – конструкция, собранная из ферромагнитного  материала и служащая для локализации  основного магнитного поля трансформатора. При выборе магнитной системы  в первую очередь должны быть максимально  совмещены следующие параметры трансформатора [1]:

- минимальный ток холостого  хода;

- минимальный расход электротехнической  стали;

- максимальный уровень  заполнения пространства внутри  обмоток;

- механическая прочность  и устойчивость трансформатора  при токах короткого замыкания.

В магнитной системе трансформатора выделяют две основные части: стержни  и ярма. Стержни – те, части  магнитопровода, на которых располагаются  основные обмотки трансформатора, и  которые служат для преобразования электрической энергии. Ярмом называется часть магнитной системы, не несущая основных обмоток, а служащая для замыкания магнитной цепи.

Рассматриваемый в данной работе трансформатор относится  ко II габариту с мощностью 100 – 1000 кВА  и классом напряжения до 35 кВ.

Для данного типа трансформатора число ступеней в сечении стержня от 6 до 8. Примем 6.

Коэффициент k_кр – коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры для рассчитываемого трансформатора с числом ступеней 6 и с прессующей пластиной равен:

k_кр = 0,884.

 

Поперечное сечение  ярма – многоступенчатое с числом ступеней на 1 – 2 меньше числа ступеней стержня, поэтому примем число ступеней ярма равным 5.

На основании принятых допущений ориентировочный диаметр  стержня примем равным 0,2 м.

Поскольку выбранный предварительно диаметр стержня меньше 36 см, то на предварительной стадии расчет охлаждающих каналов в сечении стержня не требуется.

Т.к. мощность рассчитываемого  трансформатора 160 кВА и диаметр  стержня 0,2 м, то прессовка набора пластин  стержня осуществляется путем забивания  деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН или ее жестким изоляционным бумажно- бакелитовым цилиндром.

2.2 Выбор марки стали  и толщины стальных листов, вида  их изоляции, определение индукции  магнитной системы

При выборе марки  и толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь с более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, а сталь меньшей толщины при более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения сталью k_з. Эта сталь для получения пакета заданных размеров требует изготовления, отжига и укладки при сборке магнитной системы большего числа пластин по сравнению со сталью большей толщины.

В основной массе  силовых трансформаторов с учетом трудоемкости отдельных технологических операций, магнитных свойств и цены стали используются стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм. В тех случаях, когда низкие потери являются решающим фактором, может использоваться сталь толщиной 0,27 мм.

Весьма важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы. В целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукции, что, однако, связано с относительно малым увеличением потерь и существенным увеличением тока холостого хода. Уменьшение расчетной индукции приводит к получению лучших параметров холостого хода (главным образом тока) за счет увеличения массы материалов и стоимости активной части.

Учитывая вышеизложенное, выберем электротехническую холоднокатаную анизотропную тонколистовую сталь  марки 3404 толщиной 0,3 мм с термостойким изоляционным покрытием листов.

Для заданного  трансформатора индукцию в магнитопроводе предварительно примем:

B = 1,55,Тл

2.3 Выбор проводникового  материала обмоток

В качестве материала обмоток  в течение долгого времени  использовалась медь, но малое мировое  распространение природных запасов  медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, в первую очередь, алюминием (при этом он дешевле меди на 10 – 15%), более широко распространенным в природе. Рационально спроектированные трансформаторы с алюминиевыми обмотками существенно отличаются по соотношению основных размеров от эквивалентных им по мощности и параметрам короткого замыкания и холостого хода трансформаторов с медными обмотками. Отличительными особенностями магнитной системы трансформатора с алюминиевыми обмотками являются меньший диаметр, большие высоты стержня и площадь окна магнитной системы. Алюминиевые обмотки имеют несколько большее число витков.

Увеличение чисел витков и сечений витков алюминиевых  обмоток по сравнению с эквивалентными медными обмотками приводит к  увеличению стоимости работы по намотке  обмоток и значительному увеличению расхода некоторых изоляционных материалов – бумажно- бакелитовых цилиндров (на 25 – 30%), электроизоляционного картона и пропиточного лака (50 – 60%). При большей высоте магнитной системы увеличиваются также высота бака и масса масла. Увеличение стоимости работы и материалов компенсируется уменьшением массы и стоимости провода обмоток так, что общая стоимость рационально спроектированного трансформатора с алюминиевыми обмотками практически не отличается от стоимости эквивалентного трансформатора с медными обмотками.

На основе вышеизложенного, учитывая мощность заданного трансформатора в качестве проводникового материала  обмоток выбираем алюминий.

2.4 Выбор конструкции обмоток

Выбор конструкции обмоток  при расчете трансформатора должен производиться эксплуатационных и производственных требований, предъявляемых к трансформаторам в целом. При выборе конструкции обмоток учитываются следующие электрические величины: ток нагрузки одного стержня I_с, мощность трансформатора S и номинальное напряжение U_ном, а также поперечное сечение витка обмотки П. Эти данные трансформатора служат основными критериями при выборе типа обмотки.

Выберем конструкцию обмотки  высшего напряжения.

На основании мощности трансформатора и материала обмоток  среднюю плотность тока принимаем равной:

 

Ориентировочное сечение витка определим по формуле:

(2.1)

По таблице  нормальных пределов применения типов  обмоток по току обмотки, номинальному напряжению, мощности трансформатора и сечения витка выбираем тип обмотки ВН [2]: цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Выберем конструкцию  обмотки низшего напряжения.

Средняя плотность  тока также равна

Ориентировочное сечение витка равно:

(2.2)

По таблице  нормальных пределов применения типов обмоток по току обмотки, номинальному напряжению, мощности трансформатора и сечения витка выбираем тип обмотки НН [2]: цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода.

 

2.5 Выбор конструкции  и размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

Минимально допустимые изоляционные расстояния в главной  изоляции обмоток обычно выбираются применительно к определенным конструкциям изоляции, для которых они проверены  опытным путем. При этом предполагается, что хранение изоляционных материалов, заготовка, сушка и пропитка маслом изоляционных деталей выполняются в строгом соответствии с установленным технологическим процессом.

Согласно мощности, класса напряжения и конструктивных особенностей заданного трансформатора по ГОСТ 1516.1 – 76 и ГОСТ 2069.0 075 выбираем конструкции и размеры основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток:

Для обмотки низшего напряжения имеем:

- расстояние от обмотки  НН до ярма:

= 15,мм

- толщина перегородки  между стержнем и обмоткой  НН:

- картон 2 0,5,мм

- расстояние между стержнем  и обмоткой НН:

= 4, мм

Для обмотки высшего напряжения имеем:

- расстояние от обмотки  ВН до ярма:

= 30, мм

- расстояние между обмотками  НН и ВН:

= 9, мм

- толщина перегородки  между обмотками НН и ВН:

= 3 мм

- выступ цилиндра:

= 15, мм

- расстояние между обмотками  ВН соседних фаз:

= 10, мм

Достаточной междукатушечной  изоляцией является масляные каналы высотой, принятой для охлаждающих каналов.

2.6 Определение диаметра  стержня, высоты обмотки и активного  сечения стержня

Для трансформатора стержневого  типа со стержнями, имеющими сечение  в форме ступенчатой фигуры, вписанной  в окружность, основным размером является диаметр этой окружности. Этот диаметр согласно [1] определяется по формуле: