Проектирование и проверочный тепловой расчёт силового трансформатора

Введение

Трансформатором называется электромагнитное статистическое устройство тока, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукцией одного переменного напряжения в другое.

Трансформаторы находят самое широкое применение. Существуют множество разнообразных типов, различающихся как по назначению, так и по выполнению.

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

Развитие трансформаторостроения определяется, прежде всего, развитием сетей, в которых они применяются, а, следовательно, и энергетикой страны. Первоочередными задачами являются качество  трансформаторов, использование прогрессивных методов их производства, экономия материала при их производстве и снижение потерь при их работе в сети.

Проектирование трансформатора ставит своей главной задачей обеспечение надежной работы с допустимыми потерями короткого замыкания и холостого хода.

Целью выполнения курсовой работы является обучение основам проектирования силового трансформатора, приобретение в ходе выполнения работы навыков пользования справочными материалами, ГОСТами и самостоятельного ведения инженерных расчетов.

1.  Электромагнитный расчёт

  Расчёт основных электрических величин

Мощность одной фазы трансформатора, кВА,

,  *)                                                    (1.1)                                                                                          где S – мощность трансформатора, кВА;

m – число фаз;

Мощность на один стержень трансформатора, кВА,

,                                                 (1.2)

где с – число стержней;

Номинальные токи, А:

на стороне низкого напряжения (НН)

               (1.3)

где U₁ – номинальное линейное напряжение обмотки НН, кВ;

на стороне высокого напряжения (ВН)

(1.4)

где U₂ – номинальное линейное напряжение обмотки ВН, кВ;

Номинальные фазные токи обмоток НН и ВН, А,

I_ф=I,               (1.5)

I_ф1=144.34,

I_ф2=9.623.

Номинальные фазные напряжения обмоток НН и ВН, В,

                                                             (1.6)

Испытательное напряжение обмотки  НН, кВ, /таблица 4.1/  *)

u_исп1=5.

Испытательное напряжение обмотки  ВН, кВ, /таблица 4.1/

u_исп2=25.

Изоляционные расстояния для испытательных напряжений ОНН и ОВН приведены на рисунке 1.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

                                                                                                                                                                             u_a=P_к/(10×S),                                                             (1.7)

где Р_к– потери короткого замыкания, Вт,

u_a=2000/(10×100)=2.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

                                       (1.8)                                 где u_к– напряжение короткого замыкания, %;

для ОНН:   l₀₁=25 мм;                для ОВН:   l₀₂=30 мм;

                    d₀₁=2´0,5 мм;                             а₁₂=27 мм;   а₀₁=5 мм;                                     d₁₂=3 мм;

а₂₂=10 мм;

l_ц2=15 мм.

Рисунок 1 – Главная изоляция обмоток НН и ВН

  Расчёт основных размеров трансформатора

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, м,

(1.9)

где b– коэффициент, /таблица 3.12/;

К_р– коэффициент Роговского;

а_р– ширина приведённого канала рассеивания, м,

(1.10)

а₁₂– размер канала между обмотками НН и ВН, м, /таблица 4.5/,

 – суммарный приведённый радиальный размер обмоток, м,

(1.11)

К– коэффициент, /таблица 3.3/,

В_с– индукция в стержне, Тл, /таблица 2.4/,

К_с– общий коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга,

К_с=К_кр×К_з ,                                                           (1.12)

К_кр определяется по таблице 2.6 с учётом прессовки стержней (таблица 2.8),

К_з– коэффициент для сталей 3408 с толщиной листа 0,27 мм равен 0,95,

К_с=0,915×0,95=0,869;

f– частота сети, Гц;

 

Совпадает со стандартным значением d_н=0,130м /таблица 8.2/.

Уточняется значение b

(1.13)

Средний диаметр окружности ОВН и ОНН, м,

      (1.14)

где а находится из таблицы 3.4;

d₁₂=1,36×1,06×0,130=0,187.

Ориентировочная высота обмоток, м,

                                          (1.15)

Активное сечение стержня, м²,

(1.16)

Предварительная величина напряжения витка, В,

                                                                                  (1.17)

  Расчёт обмоток трансформатора

Средняя плотность тока в обмотках, А/мм²,

                                                                               (1.18)

где  к_д– коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, отводах(ответвлениях), стенках бака ТР,/табллица3.6/;

Р_к– в Вт;

S – в кВ×А;

d₁₂– в мм;

Полученное значение J_ср лежит в допустимых пределах /таблица 5.7/

J_ср=1,2–2,5

Допустимое значение большего из двух размеров проводника, мм,

                                                                                         (1.19)

где q – удельный тепловой поток (на охлаждаемой поверхности), Вт/м²;

К_з– коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмоток конструкционными (изоляционными) деталями (для цилиндрических обмоток К_з=0,8);

1.3.1 Расчёт обмотки низкого напряжения

Число витков на одну фазу ОНН

                                                                      (1.20)

Уточняется напряжение одного витка, В,

                                                                                                    (1.21)

Действительное значение индукции в стержне, Тл,

                                                                                (1.22)

В качестве ОНН принимается обмотка  из  алюминиевой фольги,/таблица 5.8/.

Сечение витка, мм²,

                                                                                                     (1.23)

Расчётная высота обмотки, мм,

                                                l₁=h_в1×(W_сл+1)                                              (1.24)

на 5…15 меньше размера l=490 мм.

Толщина ленты, мм,

                                                                                                      (1.25)

Принимается алюминиевая фольга с d=0,15 мм.

Ширина обмотки, мм,

                                                        b=W₁×d,                                               (1.26)

b=56×0,15=8.4>13.291/2;

Значит обмотка разбивается на две катушки.

Радиальный размер обмотки, мм,

                             ,                                (1.27)   где n_сл1=W₁– число слоёв в обмотке;

d_мсл– междуслойный изоляционный промежуток, мм, определяется  по таблице 4.8 по U_мсл,

U_мсл– напряжение между слоями, В,

                                                   U_мсл=2×u_в×W_сл1,                                         (1.28)

где W_cл1=1 – число витков в одном слое;

U_мсл=2×4.085×1=8.248;

d_мсл=0,1, в качестве изоляции применяется телефонная бумага;

– ширина промежутка между ОНН и ОВН, мм, /таблица 9.2/;

Поверхность охлаждения, м²,

                                                                   (1.29)

где n – число катушек;

k – коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки конструкционными изоляционными деталями (например, рейками), принимается равным 0,75…0,8;

– внутренний диаметр ОНН (см. рисунок 2), мм,

                                              ,                                              (1.30)

а₀₁– изоляционный промежуток между обмоткой и стержнем, мм, /таблица 4.4/;

– наружный диаметр ОНН, мм,

                                                ,                                           (1.31)

Действительное сечение витка, мм²,

                                                                                                  (1.32)

Уточнённая плотность тока в витке, А/мм²,

                                                                                                      (1.33)

Рисунок 2 – Обмотка низкого напряжения

1.3.2 Расчёт обмотки высокого напряжения

Число витков ОВН при номинальном напряжении

                                                                                           (1.34)

Число витков на одной ступени регулирования

                                                                                             (1.35)

где DU – напряжение на одной ступени регулирования, В,

                                                                                          (1.36)

Число витков на каждой ступени регулирования и соответствующее напряжение, В,

  W₂=W_Н2+2×W_р                 U_ВН+2×DU,

W₂=W_Н2+2×W_р                 U_ВН+DU,

                                   W_Н2                                     U_ВН,                               (1.37)

W₂=W_Н2-W_р                     U_ВН-DU,

  W₂=W_Н2-2×W_р                U_ВН-2×DU,

  840+2×21=882                        6300,

840+21=861                            6150,

840                                           6000,

840-21=819                             5850,

840-2×21=798                          5700.

Предварительная плотность тока, А/мм²,

                                                                                           (1.38)

Сечение витка ОВН, мм²,

                                                                                                      (1.39)

В качестве обмотки ОВН принимается цилиндрическая обмотка из круглого провода /таблица 5.8/.

По таблице 5.1 выбирается сечение П₂ и размер .

АПБ,6.16;

выбран провод повышенного сечения для соблюдения потерь короткого замыкания.

Уточнённая плотность тока, А/мм² и b_доп, мм

                                                                                                     (1.40)

                                        

Число витков в слое

                                                                                     (1.41)

,

Предварительно – в целях соблюдения равного числа обмоток в слое

Число слоёв в обмотке

                                                                                               (1.42)

Рабочее  напряжение двух слоёв, В,

                                                                                    (1.43)

Выбирается /таблица 4.7/ число слоёв и общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки d_сл2, мм,

d_сл2=3´0,12=0,36.

Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) принимается равным 16 мм.

Размер катушки, мм,

                                                                                               (1.44)

обмотка каждого стержня выполняется в виде катушки без охлаждающего