Проектирование силового трансформатора с цилиндрическими слоевыми обмотками и масляным охлаждением

 

Министерство образования Украины

Одесский национальный политехнический университет

Кафедра электрических машин

Курсовая работа

по курсу

Основы автоматизированного проектирования ЭМП и ЭМС

Тема:

Проектирование силового трансформатора с цилиндрическими слоевыми обмотками и масляным охлаждением

Содержание

Задание на проект

. Предварительное определение расчетных коэффициентов и технико-экономических показателей

. Предварительный расчет основных размеров и конструктивных показателей трансформатора

. Исходные данные для расчета с помощью САПР "Аметист"

. Оптимизация электромагнитных показателей по одной управляемой переменной (УП)

. Оптимизация электромагнитных показателей по двум управляемым переменным (УП)

. Оптимизационный вариант для детального расчета трансформатора. Выводы:

. Определение конструктивных параметров магнитопровода и размеров изоляции в окне

. Расчет среднего значения плотности тока в обмотках. Определение плотности тока в обмотках НН и ВН

. Определение массы стали магнитопровода. Определение потерь в стали и тока холостого хода

. Тепловой расчет обмоток

. Расчет стоимости трансформатора и определение приведенных затрат на трансформацию электроэнергии

Литература

Задание на проект

Для выполнения предварительного оптимизационного расчета трансформатора предоставлены следующие данные:

SнmfUл1Uл2Диапазон регулированияUкBcМатериал обмоткиСхема соединенияМатериал стали МПСсСAlкВА-ГцкВкВ%%Тл--марка/ммгрн/кггрн/кг250350100,692Ч2,55,51,6ч1,68AlY/Y-0Э3407/0,33,06,0

Трехфазный силовой распределительный трансформатор (Т);

Система охлаждения - масляное охлаждение с естественной циркуляцией воздуха и масла (М);

Номинальная мощность, Sн - 250 кВА;

Число фаз, m - 3;

Количество обмоток - 2;

Частота питающей сети, f - 50 Гц;

Номинальное линейное напряжение обмотки ВН, Uл1 - 10 кВ;

Номинальное линейное напряжение обмотки НН, Uл2 - 0,69 кВ;

Схема и группа соединения обмоток - Y/Y-0;

Напряжение короткого замыкания, Uк - 5,5%;

Материал обмотки - алюминий (Al);

Материал магнитопровода - электротехническая сталь марки Э3407, толщиной 0,3 мм с термостойким магниефосфатным покрытием.

Диапазон регулирования - 2Ч2,5%.

Таким образом, предполагается рассчитать трансформатор типа ТМ 250/10, предназначенного в для работы в режиме длительной нагрузки с регулированием напряжения ПБВ (переключение ответвлений обмотки трансформатора без возбуждения, т.е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети).

1. Предварительное определение расчетных коэффициентов и технико-экономических показателей

Предварительная оценка отношения стоимости обмоток к стоимости магнитопровода X0 и экономического отношения потерь ?0

По рекомендациям [1] принимаем отношение стоимостей обмоток к стоимости магнитопровода равной: .

Удельная стоимость приведенной массы трансформатора рассчитывается как:

,

где:

К - коэффициент отношения прейскурантной стоимости всего трансформатора (с отводами, вводами, баком, арматурой, маслом и т.п.) к стоимости магнитопровода с обмотками в собранном виде (выемной части трансформатора); для рассчитываемого трансформатора номинальной мощностью Sн = 250 кВА и классом напряжения 10 кВ принимается равным 1,6;

Кст - коэффициент разности стоимости изготовленного магнитопровода и стоимости его электротехнической стали принимается равным 1,35;

Cст - цена стали Э3407, принимается равной 3 грн/кг.

Тогда,

Согласно п. 2.1.1 [1] по выбору конструктивных параметров магнитной системы и величины индукции в стержне Bc для стали Э3407 толщиной 0,3 мм рекомендуется значение находится в диапазоне (1,54ч1,7) Тл. Но следует учитывать и номинальную мощность трансформатора Sн, которая в нашем случае больше 160 кВА. Поэтому, согласно таблице 2.1 [1], подходит диапазон (1,6ч1,68) Тл. Принимаем усредненное значение: .

По таблице А7 [1] для стали Э3407, толщиной 0,3 мм при значении индукции Bc = 1,65 Тл, удельные потери составляют: .

Удельная намагничивающая мощность:

.

Удельные потери в стыке: .

Отсюда,

средние удельные потери в стали собранного магнитопровода:

;

средняя удельная намагничивающая мощность магнитопровода:

;

коэффициент стоимости компенсации намагничивающей мощности трансформатора:

,

Где - удельные затраты на 1 кВт потерь холостого хода за год;

- годовая стоимость 1 кВАр часа реактивной энергии, вырабатываемой статическими конденсаторами.

Экономическое отношение потерь:

,

Где - удельные затраты на 1 кВт потерь короткого замыкания за год;

- для трансформатора с цилиндрическими слоевыми обмотками;

Кд - коэффициент учета добавочных потерь.

Выбор начального значения активной составляющей напряжения короткого замыкания Ua0

Величина начального значения активной составляющей напряжения короткого замыкания, Ua0, изменяется в пределах (3,0ч1,2)%. Для значения Sн = 250 кВА выберем: .

Предварительные значения потерь в обмотках

Определим предварительные значения потерь в обмотках:

;

Предварительные значения потерь в стали магнитопровода

Предварительные значения потерь в стали магнитопровода равны:

Масса электротехнической стали магнитопровода

Рассчитаем предварительное значение массы электротехнической стали магнитопровода:

;

Масса проводникового материала обмоток

Определим массу проводникового материала обмоток:

,

где с0 - отношение стоимости 1 кг обмотки и магнитопровода:

.

. Предварительный расчет основных размеров и конструктивных показателей трансформатора

Средняя плотность тока в обмотках

Средняя плотность тока в обмотках равна:

.

Отношение полного числа витков в обмотке к номинальному числу витков при диапазоне регулирования ±2Ч2,5% найдем, выразив числа витков в относительных единицах (по отношению к номинальному числу витков):

.

Для отношения плотностей токов обмоток НН() и ВН() берем среднее значение из диапазона (0,75ч0,85), т.е.: .

С учетом средней приближенной плотности токов обмоток , регулировочных витков в обмотке ВН и выбранного отношения плотности токов каждой из обмоток соответственно равны:

;

.

Определение фазных токов и напряжений обмоток

Определим фазные токи и напряжения обмоток для схемы Y/Y:

;

;

;

Рассчитаем предварительные значения площади сечений витков обмоток НН и ВН:

;

.

Произведем подбор провода обмотки НН. Для этого определим, что виток будет состоять из 4-х проводов. Найдем площадь одного провода. Поскольку площадь витка больше 16 мм2, то предварительно по таблице Б3 [1] выберем алюминиевый прямоугольный провод марки АПБ сечением 32,5 мм2 и составим сечение витка:

.

Толщина изоляции на две стороны tв1 = 0,45 мм и размерами: a1 = 13 мм, b1 = 2,5 мм. Величина толщины изоляции провода на две стороны, с учетом допуска на толщину изоляции 0,1 мм, определяется так:

.

Определим предварительное значение среднего коэффициента заполнения ЦС-обмотки из провода прямоугольного сечения:

.

Сечение витка обмотки ВН по предварительным расчетам составляет: .

Провод обмотки ВН целесообразно выбрать круглым, чтобы избежать проблем при наматывании обмотки. По данным таблицы Б1 [1] к нашим расчетам наиболее подходит провод марки АПБ диаметром d02 = 2,65 мм с сечением Sпр = 5,515 мм2, причем виток будет состоять из двух элементарных проводов:

.

Изоляция для данного провода tв2 = 0,3 мм, допуск на толщину изоляции 0,1 мм, общая величина изоляции:

.

Расчетный диаметр изолированного провода:

.

Определим предварительное значение среднего коэффициента заполнения ЦС-обмотки из провода круглого сечения с учетом толщины межслойной изоляции tм = 0,36 мм:

.

Предварительно предположим установку регулировочных витков в обмотке ВН(2) и примем: ,

а ранее было рассчитано: .

Рассчитаем предварительное значение среднего коэффициента заполнения проводниковым материалом сечений катушек как отношение суммарной площади проводников обмотки в окне к полной площади сечения в окне катушки этой обмотки вместе с катушечной, витковой и слоевой изоляцией:

.

По таблице 2.9 [1] значение коэффициента ?k = 0,55. Отклонение расчетного ?k от показателей значений серийных трансформаторов составляет:

,

что допустимо.

Для рассчитываемого трансформатора классом номинального напряжения 10 кВ устанавливается испытательное напряжение в 35 кВ, согласно таблице 2.5 [1].

Рассчитаем внутреннюю изоляцию масляного трансформатора (изоляцию обмоток, отводов, переключателя в масле).

Внутренняя изоляция подразделяется на:

1.поперечную изоляцию между обмотками и изоляцию обмоток от стержня (изоляция поперек окна, см. рис. 2.). Общий размер изоляционных промежутков поперек окна обозначается lq, мм:

.

2.продольную изоляцию между обмотками и ярмом - lq , мм:

Учитывая, что Sн = 250 кВА и класс напряжения для обмоток НН 0,69 кВ (т.е. до 1 кВ), согласно таблице 2.6 [1] выбираем минимально допустимый изоляционный промежуток для обмоток НН от ярма: , и минимально допустимый изоляционный промежуток для обмоток НН от стержня: .

Sн, кВАКласс напряжения, кВНН от ярма 0,5l01, ммНН от стержня a01, мм2500,69154

Теперь определим минимально допустимые изоляционные расстояния для обмоток ВН согласно таблицы 2.7 [1]:

Sн, кВАКласс напряжения, кВВН от ярмаМежду ВН и ННМежду ВН и ВН0,5l02, ммa12, ммt12, ммlн2, ммa22, мм2501015931510

где:

t12 - толщина изоляционного цилиндра между обмотками НН и ВН;

lh2 - выступ этого цилиндра за высоту обмоток.

Класс напряжения ВН (до 35 кВ) и номинальная мощность (в диапазоне 25ч400 кВА) рассчитываемого трансформатора не предусматривают наличие изоляционной шайбы и междуфазной перегородки, поэтому в таблице данные величины не приведены и при расчетах учтены не будут.

Расчетные значения a12 и a22 изоляционных промежутков будут завышены в 2 раза с целью эксперимента.

Выберем схему радиального строения обмоток. Для Sн = 250 кВА рекомендуется схема, состоящая из 4-х концентров, с вертикальным разделением охлаждающими каналами. При этом внутренний слой обмотки ВН соприкасается непосредственно с жестким изоляционным цилиндром и в процессе теплоотдачи не участвует. Значение коэффициента nq зависит от числа поверхностей охлаждения обмоток НН и ВН и определяет схему размещения обмоток. Для данного расчета количество поверхностей охлаждения 6,5:

.

Ширину вертикальных охлаждающих каналов предварительно примем равной: .

Определим величину изоляционного промежутка между обмотками НН и ВН с учетом наличия охлаждающих каналов:

.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания равна:

,

где kR = 0,95 - коэффициент Роговского, учитывающий эффект от действия поля рассеяния при отключении регулировочных витков.

Расчетный коэффициент, характеризующий материал (массу, объем и теплоотдачу) обмоток, в данном случае алюминий равен:

.

Общая ширина обмоток в окне трансформатора

Определим общую ширину обмоток в окне трансформатора:

Уточним значение коэффициент nq:

.

Величина средней удельной тепловой нагрузки обмоток трансформатора q0m = 400 Вт/м2 определяет срок службы изоляции и величину приведенных затрат. Правильный выбор данной величины должен обеспечить перегрев обмоток по сравнению с маслом не более 25°C. Значение выбрано из таблицы 2.10 [1].

Полученное значение близко к предварительно выбранному:

,

что позволяет сделать выводы о правильном выборе схемы радиального строения обмоток.

Ширина каждой из обмоток в окне и ширина окна

Рассчитаем предварительную ширину каждой из обмоток в окне конструкции магнитопровода (k = 2 - число фаз в окне для трехфазных трансформаторов):

;

;

Определим суммарный размер изоляционных расстояний в окне по поперечной оси:

.

Ширина окна равна:

.

Предварительное значение коэффициента ?0

Исходя из условий задания и методических рекомендаций [1], для трансформатора номинальной мощностью Sн = 250 кВА и классом напряжения 10 кВ является конструктивное исполнение со стержневой магнитной системой и цилиндрическими слоевыми обмотками из провода с прямоугольной или круглой формой поперечного сечения.

Форма сечения стержня предполагается ступенчатой, вписываемой в окружность диаметром D.

Рисунок 1. Сечение стержня магнитопровода

При ступенчатой форме сечения магнитопровода несколько снижается расход обмоточного провода. Схема конструктивного исполнения магнитопровода и обмоток приведена на рис. 2.

Значение D определяем по эмпирической формуле:

.

Поскольку D < 190 мм, конструкция рассчитываемого трансформатора будет предусматривать механическое соединение прессовочных балок верхнего и нижнего ярма внешними по отношению к обмоткам вертикальными шпильками, без прессовочной пластины.

Теперь определим коэффициент использования площади круга Кг - отношение площади ступенчатой фигуры сечения к площади описанной вокруг стержня окружности:

.

Найдем коэффициент заполнения пакета электротехнической стали активной (чистой) сталью Кз. Значение этого коэффициента зависит от толщины листов стали, толщины изоляции стали и усилия опрессовки стержня. Согласно таблице 2.2 [1] для стали Э3407 толщиной 0,3 мм Кз = 0,96.

Имея информацию о выше указанных коэффициентах, определим коэффициент заполнения активной сталью площади поперечного сечения стержня магнитопровода:

Данный коэффициент ?0 является важным конструктивным показателем магнитной системы трансформатора и фактически определяет отношение площади активного сечения стержня магнитопровода к площади, ограниченной окружностью, описанной вокруг ступенчатого сечения стержня.

Рисунок 2. Основные размеры магнитопровода и обмоток

Диаметр стержня магнитопровода

Рассчитаем диаметр стержня магнитопровода.

;

;

;

.

Число витков ВН

Рассчитаем число витков ВН:

;

Теперь определим высоту обмоток. Для этого определим ширину приведенного канала рассеяния:

;

Теперь необходимо определить отношение среднего диаметра канала рассеяния к диаметру стержня:

;

;

Геометрия магнитопровода и обмоток

Высота обмоток равна:

.

Определим высоту окна магнитопровода:

;

Ширину вертикальных охлаждающих каналов для 500 < Н = 901 < 1200 согласно таблице 2.8 примем равной: .

Межосевое расстояние магнитоповода равно:

.

Масса стали магнитопровода и проверка критерия правильности предварительного расчета

Определим массу стали магнитопровода и сравним с предварительно рассчитанной:

Проверка правильности произведенных расчетов

Полученная величина не должна отличаться от предварительно рассчитанной более чем на 3%.

,

т.е. предварительный расчет выполнен верно.

. Исходные данные для расчета с помощью САПР "Аметист"

Наименование и размерность исходной величиныЗначениеТип трансформатораТМ 250/10Номинальная мощность, Sн ,кВА;250Число фаз, m3Отношение потерь, ?07,63Частота питающей сети, f -Гц;50Напряжение короткого замыкания, Uк ,%;5,5Отношение стоимости обмоток и магнитопровода, X00,9Марка сталиЭ3407Толщина стали, мм0,3Материал обмоткиалюминий (Al)Фазное напряжение обмотки НН, Uф1,кВ;0,4Фазное напряжение обмотки ВН, Uф2,кВ;5,77Тепловая нагрузка обмоток, q0m, Вт/м2400Изоляция между обмотками ВН и НН, a12, мм18Коэффициент заполнения обмоток, ?k0,58Межфазная изоляция, a22, мм20Изоляция от стержня до обмотки НН, a01, мм4Охлаждающий канал в обмотках, bq, мм8Индукция в стержне, Bc, Тл1,65Изоляция НН от ярма, l0НН, мм30Изоляция НН от ярма, l0ВН, мм60

трансформатор электромагнитный конструктивный тепловой

Результаты предварительных расчетов трансформатора с помощью САПР "Аметист"

Исходные данные

1. Тип трансформатора ТМ 250/10

. Мощность трансформатора, кВА 250.0

. Тип магнитной системы Трехфазная шихтованная конструкция

. Число фаз 3

. Частота питающей сети, Гц 50.0

. Линейное напряжение обмотки НН, кВ 0.69

. Линейное напряжение обмотки ВН, кВ 10.00

. Регулирование напряжения:

.1. Способ регулирования ПБВ

.2. Шаг регулирования 2.50, %

.3. Число ступеней регул. до 0-й точки 2

.4. Число ступеней регул. после 0-й точки 2

. Напряжение короткого замыкания, % 5.50, %

. Индукция в стержне, Тл 1.65, Тл

. Материал обмотки Алюминий

. Марка стали 3407 (0.3 мм)

. Схема соединения Y/Y-0

. Цена стали, грн/кг 3.00

. Цена провода, грн/кг 6.00

. Отношение стоимостей обмоток

к стоимости магнитопровода, о.е. 0.90

Результаты оптимизационно-предварительного расчета

Геометрические размеры:

Диаметр стержня, мм126.8

Высота обмотки, мм972.6

Высота окна, мм1062.6

Ширина окна, мм184.7

Межосевое расстояние, мм311.5

Электромагнитные нагрузки:

Средняя плотность тока, А/мм21.42

Плотность тока в обмотке НН, А/мм21.61

Плотность тока в обмотке ВН, А/мм21.28

Индукция в стержне, Тл1.65

Teхнико-экономические показатели:

Удельная стоимость приведенной массы трансформатора6.48

Экономическое отношение потерь, ?0 о.е7.630

Активная составляющая напряжения КЗ, %1.71

Реактивная составляющая напряжения КЗ, %4.966

Напряжения КЗ, %5.500

Масса обмоток, кг162.4

Масса стали, кг402.0

Потери в обмотках, Вт4275.97

Потери в стали, Вт500.82

Намагничивающая мощность, ВАр1680.46

Ток холостого хода, %0.7139

Приведенные затраты, грн/год. 2637.02

Коэффициент заполнения проводниковым материалом сечения катушек:

Для обмотки НН, о.е.0.7200

Для обмотки ВН, о.е.0.5040

Средний для обоих обмоток, о.е.0.5791

Размеры изоляции:

a01 = 4.0000 мм

a12 = 18.0000 мм

a22 = 20.0000 мм

t12 = 3.0000 мм

lon = 30.0000 мм

lov = 60.0000 мм

bq1 = 8.0000 мм

bq2 = 8.0000 мм

4. Оптимизация электромагнитных показателей по одной управляемой переменной (УП)

Таблица 1

Оптимизация электромагнитных показателей по одной управляемой переменной

Порядковый номер итерацииЭл-маг. Параметры Тип УПBc, ТлХ0, о.е.?Приведенные затраты, Зпр, грн/год1. Bc1,5920,97,632624,742. Bc1,5980,97,632623,903. Bc1,6000,97,632623,664. Х01,6500,5837,632558.975. Х01,6500,5927,632558.956. Х01,6500,5907,632558.947. ?1,6500,95,5122587,008. ?1,6500,95,4772586,979. ?1,6500,95,4692586,97По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

·каждая из трех величин - Bc, Х0, ?, влияет на величину приведенных затрат;

·наиболее сильное действие на изменение Зпр, оказывает отношение стоимости обмоток к стоимости магнитопровода Х0.

. Оптимизация электромагнитных показателей по двум управляемым переменным (УП)

Таблица 2

Электромагнитные показателей по двум управляемым переменным (УП)

Порядковый номер итерацииЭл-маг. Параметры Тип УПBc, ТлХ0, о.е.?Приведенные затраты, Зпр, грн/год1. ? Bc1,5970,595,8152515.782. ? Bc1,5880,595,8472516.693. ? Bc1,60,595,6362516.494. ? X01,650,6255.7482526,295. ? X01,650,5675,4792527,256. ? X01,650,6045,4482526,347. X0 Bc1,5870,5575,52520,138. X0 Bc1,5700,5875,52522,339. X0 Bc1,5970,6505,52522,34

Как видно из таблицы 2, наиболее оптимальным по приведенным затратам является вариант 1, который предположительно будет принят для детального проектирования трансформатора.

6. Оптимизационный вариант для детального расчета трансформатора

Значение и тип управляемых переменных:

1)Магнитная индукцияBc = 1.597, Тл

)Отношение потерь КЗ к потерям ХХKsi = 5.815, о.е.

Значение и тип заданного параметра:

1)Отношение стоимостей обмоток к стоимости магнитопроводаX0 = 0.590, о.е.

Геометрические размеры:

Диаметр стержня, ммDst = 155.3

Высота обмотки, ммHо = 539.7

Высота окна, ммH = 629.7

Ширина окна, ммF = 206.0

Межосевое расстояние, ммMo = 361.3

Электромагнитные нагрузки:

Средняя плотность токаDelta_m = 1.46

Плотность тока в обмотке ННDelta_1 = 1.65

Плотность тока в обмотке ВНDelta_2 = 1.32

Индукция в стержне, ТлBc = 1.60

Teхнико-экономические показатели:

Удельная стоимость приведенной массы трансформатора Gy = 6.48

Экономическое отношение потерь Ksi = 5.815

Активная составляющая напряжения КЗ Uka = 1.392

Масса обмоток, кг Gk = 125.8

Масса стали, кг Gс = 474.5

Потери в обмотках, Вт Pk = 3481.22

Потери в стали, Вт Po = 678.01

Намагничивающая мощность, ВАр Qo = 1931.33

Ток холостого хода, % Io = 0.8188

Приведенные затраты, грн/годZp = 2515.78

Выводы:

Несмотря на полученные данные по оптимизации электромагнитных показателей по двум управляемым переменным и кажущееся существенное снижение приведенных затрат (на 120 грн/год) следует не забывать о возникшей разнице в конструкции магнитопровода трансформатора по оптимизированным оценкам и предварительно рассчитанным:

ПараметрПредварительное значениеОптимизированное значениеДиаметр стержня, мм127.2155.3Высота обмотки, мм930.5538.7Высота окна, мм1020.5629.7Ширина окна, мм190.4206.0Межосевое расстояние, мм311.5361.3Масса стали, кг395.6474.5Масса обмоток, кг159.8125.8

Исходя лишь из изменений геометрии магнитопровода - уменьшения вертикальных размеров и увеличение горизонтальных - очевидно увеличение массы магнитопровода и уменьшение массы обмоток. Это может привести к тому, что при подборе проводов для обмоток НН можно столкнуться с ситуацией отсутствия в сортаменте проводов нужного соотношения a и b, для которых . Поэтому для детального расчета будет принята не оптимизированная, а предварительно рассчитанная модель и ее параметры, хотя по оптимизационному показателю - приведенным потерям - они уступают оптимизированной модели.

Ряд данных из предварительно рассчитанной модели трансформатора будет принят при детальном проектировании.

Основные исходные данные для детального расчета

SнmUл1Uл2UкМатериал обмоткиСхема соединенияМОDHBcДиапазон регулированияМатериал стали МПкВА-кВкВ%--ммммммТл%марка/мм25030,69105,5AlY/Y-031012711001,652Ч2,5Э3407/0,3

Геометрические параметры магнитопровода округлены до ближайших целых значений второго порядка.

Определение фазных напряжений и токов

Фазное напряжение обмотки ВН:

.

Фазное напряжение обмотки НН:

.

Фазный ток ВН для средней ступени напряжения:

.

Фазный ток НН:

.

. Определение конструктивных параметров магнитопровода и размеров изоляции в окне

Сначала определим коэффициент использования площади круга Кг:

.

Это значение несколько отличается от предварительно рассчитанного (0,922), но объясняется тем, что уменьшилось значение диаметра стержня. Полученное значение Кг соответствует значению, указанному для трансформатора рассчитываемой мощности согласно таблицы 2.4 [1].

Теперь найдем коэффициент заполнения пакета электротехнической стали активной (чистой) сталью Кз. Значение этого коэффициента зависит от толщины листов стали, толщины изоляции стали и усилия опрессовки стержня. Согласно таблице 2.2 [1] для стали Э3407 толщиной 0,3 мм Кз = 0,96.

Имея информацию о выше указанных коэффициентах, определим коэффициент заполнения активной сталью площади поперечного сечения стержня магнитопровода:

.

Определим число ступеней (углов пакетов) nс в площади окружности, описанной вокруг стержня. Согласно таблице 2.4 [1] для номинальной мощности Sн = 250 кВА и величине коэффициента использования площади круга Кг = 0,915, число ступеней nс = 6.

Ширина окна:

.

Высота обмоток:

;

.

Изоляционные расстояния для трансформатора с размещением обмоток по схеме 2 класса напряжения 10 кВ выбираем по таблицам 2.6 - 2.8 [1]:

·минимально допустимый изоляционный промежуток для обмоток НН от стержня: .

Sн, кВАКласс напряжения, кВНН от ярма 0,5l01, ммНН от стержня a01, мм2500,69154

·минимально допустимые изоляционные расстояния для обмоток ВН согласно таблицы 2.7 [1]:

Sн, кВАКласс напряжения, кВВН от ярмаМежду ВН и ННМежду ВН и ВН0,5l02, ммa12, ммt12, ммlн2, ммa22, мм2501030931510

где: t12 - толщина изоляционного цилиндра между обмотками НН и ВН;

lн2 - выступ этого цилиндра за высоту обмоток.

Класс напряжения ВН (до 35 кВ) и номинальная мощность (в диапазоне 25ч400 кВА) рассчитываемого трансформатора не предусматривают наличие изоляционной шайбы и междуфазной перегородки, поэтому в таблице данные величины не приведены и при расчетах учтены не будут.

Ширину вертикальных охлаждающих каналов для 500 < Н = 629 < 1200 согласно таблице 2.8 примем равной: .

Сумма изоляционных расстояний в окне в радиальном направлении:

.

Суммарный размер обмоток поперек окна:

.

Значение предварительного расчета - 110 мм.

Определение числа витков обмоток

Число витков обмотки НН на одну фазу:

.

Ранее рассчитанное значение - 92.

Уточненное значение Bc:

.

Число витков обмотки ВН на одну фазу для средней ступени напряжения:

.

Проверка коэффициента трансформации:

;

.

Число витков для регулирования напряжения (ПБВ):

;

;

;

;

;

.

Рисунок 3. Схема регулирования напряжения

. Расчет среднего значения плотности тока в обмотках. Определение плотности тока в обмотках НН и ВН

Средняя плотность тока в обмотках:

.

Полученное значение отличается от результата предварительного расчета и расчета с помощью САПР "Аметист" . Согласно [1] рекомендуемое значение для алюминиевых обмоток составляет . Поскольку мы вправе воспользоваться значениями предварительного расчета, принимаем значение средней плотности в обмотках:

Плотность тока в обмотке ВН:

.

Плотность тока в обмотке НН:

.

Предварительное значение средней тепловой нагрузки обмоток:

.

Данное значение входит в рекомендуемый диапазон для алюминиевых обмоток трансформатора мощностью 250 кВА согласно таблице 2.10 [1].

Расчет обмотки НН

Предварительное значение площади сечения витка:

.

Число витков в слое обмотки:

.

Вследствие намотки витков по винтовой линии по высоте слоя требуется уложить w+1 витков. Для учета неплотностей при изготовлении обмотки и стремлении спружинить после снятия ее с оправки вводится добавочный коэффициент 1,03.

Осевой размер витка с изоляцией:

.

Расчетный размер изоляции принимается на 0,1 мм больше истинного размера для обеспечения рационального размещения обмоток в окне:

.

Осевой размер провода без изоляции:

.

Радиальный размер прямоугольного провода без изоляции:

,

где коэффициент 1,02 учитывает округление кромок проводов прямоугольного сечения.

Требуется выбрать провод с осевым размером и радиальным размером . Такого провода в сортаменте (таблица Б3 [1]) отсутствует, поэтому составляем сечение витка из 6-ти параллельных проводов. По высоте витка располагаются 3 проводника, по ширине - 2. По таблице сортамента провода выбираем провод со следующими характеристиками:

;

.

Провод наматывается плашмя (см. рис. 4).

Рисунок 4. Сечение витка обмотки НН

Размеры и марка провода:

.

Проверка действительной высоты обмотки по выбранному сечению витка:

Полный радиальный размер обмотки, состоящей из двух слоев с учетом ширины вертикального охлаждающего канала равен:

.

Радиальный размер обмотки без канала:

.

Уточняем действительную плотность тока в обмотке НН:

.

Расчет обмотки ВН

Предварительное значение площади сечения витка:

.

По таблице Б1 [1] сортамента круглого провода выбираем ближайшее сечение провода и диаметр неизолированного провода при этом составляет .

Размеры и марка провода:

,

где - диаметр изолированного провода.

Уточняем действительное значение плотности тока в обмотке по выбранному полному сечению витка:

.

Разместим проводники по слоям обмоток.

Число витков в слое:

.

Число слоев обмотки:

.

Округление производим до ближайшего большего целого числа.

Разделим обмотку ВН каждой фазы на две катушки - Г и Д. Количество слоев в частях обмоток отделенных каналом, выбираем пропорционально количеству охлаждающих поверхностей этих катушек. Катушка Г имеет одну поверхность охлаждения, а катушка Д - две, поэтому катушка Г выполняется из 2-х слоев, а катушка Д - из пяти.

Толщина изоляции между слоями выбирается по суммарному рабочему напряжению двух слоев:

.

Согласно таблице 3.1 [1] в качестве межслойной изоляции выбираем три слоя кабельной бумаги толщиной по 0,12 мм. Толщина межслойной изоляции:

.

Радиальный размер обмотки (с каналом между слоями):

.

Радиальный размер катушки Г:

.

Радиальный размер катушки Г:

.

Радиальный размер обмотки без канала:

.

Радиальные размеры и размещение обмоток в окне:

Рисунок 5. Разделение обмотки ВН на катушки Г и Д

Расстояние между осями обмоток - 273,1 мм, что меньше предварительно рассчитанной величины МО. Существенное отличие ~8% объясняется тем, что при детальном расчете взяты минимальные, а не удвоенные расстояния между НН и ВН. При пересчете с удвоенными расстояниями существенно уменьшается значение F0 , qm0 и возрастают средние значения плотностей обмоток, а значит и типоразмер проводов НН и ВН, причем при этом , т.е. намотку провода придется производить на ребро, что нежелательно с точки зрения технологической (сложность при намотке) и экономической (возрастают потери).

Определение площади поверхности охлаждения обмоток

Для обмотки НН и схемы на рис. 6:

Площадь охлаждаемой поверхности обмоток НН:

;

Рисунок 6. Радиальные размеры и размещение обмоток в окне

Площадь поверхности, закрытая рейками:

,

где число реек по окружности обмотки для трансформатора мощностью 100ч630 кВА;

обычная ширина реек;

число поверхностей обмотки НН, закрытых рейками;

Площадь эффективной поверхности охлаждения обмоток НН:

.

Для обмотки ВН

Площадь охлаждаемой поверхности ВН:

Площадь поверхности ВН, закрытая рейками:

,

где число поверхностей обмотки ВН, закрытых рейками;

Площадь эффективной поверхности охлаждения обмоток ВН:

.

Определение массы обмоток, расчет основных и добавочных потерь в обмотках, отводах и баке. Проверка величины напряжения короткого замыкания

Средний диаметр обмотки НН:

.

Средний диаметр обмотки ВН:

.

Средний диаметр канала рассеяния:

.

Масса обмотки НН:

.

Масса обмотки ВН:

.

Общая масса обмоток:

.

Основные потери в обмотках ВН и НН:

;

,

где коэффициент, учитывающий регулировочные витки.

В предварительных расчетах коэффициент Роговского принимался равным . Теперь рассчитаем его значение:

.

Индукция потока рассеяния:

.

Добавочные потери в обмотке НН:

.

Добавочные потери в обмотке ВН:

.

Потери в отводах НН:

.

Потерями в отводах ВН пренебрегаем согласно рекомендациям п. 3.2.7 [1]. Приближенные потери в баке:

.

Суммарные потери короткого замыкания:

.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

Ширина приведенного канала рассеяния для обмотки ВН:

;

.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

.

Увеличение реактивной составляющей за счет поперечного поля рассеяния: .

Напряжение короткого замыкания:

.

Полученное значение существенно отличается от заданного (5,5%). Причина состоит в том, что для низкой стороны задан несколько завышенное значение напряжения короткого замыкания. Для серийных трансформаторов ТМ 250/10 напряжение короткого замыкания не превышает 4%.

Кроме этого, как видно из расчетов, значение короткого замыкания существенно зависит от величины каналов рассеяния, которые в свою очередь, зависят от выбора величины изоляционных промежутков между обмотками. Поскольку по сравнению с предварительным расчетом величины промежутка между ВН и НН уменьшены в 2 раза, это сказывается на величине каналов рассеяния, а значит и на величине напряжения короткого замыкания. Поэтому для дальнейших расчетов принимаем

. Определение массы стали магнитопровода. Определение потерь в стали и тока холостого хода

Масса ярм:

,

где коэффициент усиления сечения ярма.

Масса стержней:

.

Масса стали магнитопровода трансформатора:

.

Масса углов магнитопровода:

.

Для значения индукции удельные потери магнитопровода согласно таблицы А7 [1] составляют: .

Удельные потери в стали магнитопровода с учетом добавочных потерь:

Потери в стали магнитопровода с учетом добавочных потерь:

.

Активная составляющая тока холостого хода:

.

Индукция в ярмах:

.

Среднее значение индукции:

.

Для значения индукции удельная намагничивающая мощность магнитопровода согласно таблицы А7 [1] составляют: .

Для значения индукции удельная намагничивающая мощность в стали (ярмах) согласно таблицы А7 [1] составляют: .

Для значения индукции удельная намагничивающая мощность в стыках (в воздушных зазорах между пластинами) согласно таблицы А7 [1] составляют: .

Реактивная составляющая тока холостого хода:

.

Ток холостого хода:

.

Удельная намагничивающая мощность с учетом увеличения ее за счет немагнитных зазоров:

.

Расчет механических напряжений в обмотках

Ударное значение тока внезапного короткого замыкания:

.

Радиальная сила, действующая на обмотки при коротком замыкании:

Напряжение на разрыв в проводнике обмотки:

,

что ниже предельно допустимого значения в 25 МПа.

. Тепловой расчет обмоток

Плотность теплового потока по поверхностям обмотки НН:

.

Аналогично, для поверхностей ВН:

.

Средняя тепловая нагрузка обмоток:

,

что отличается от предварительного значения на

.

Перегрев обмотки НН над температурой масла:

Перегрев обмотки BН над температурой масла:

Внутренний перепад температуры в обмотке ВН:

,

где теплопроводность бумажной пропитанной лаком изоляции провода, погруженного в масло.

Потери, выделяющиеся в 1 см2 общего объема обмотки ВН:

.

Условная теплопроводность обмотки ВН:

Средняя теплопроводность обмотки:

Внутренний перепад в обмотке ВН:

Средний температурный перепад в обмотке ВН:

.

Превышение температуры обмотки НН над средней температурой масла:

.

Превышение температуры обмотки ВН над средней температурой масла: .

. Расчет стоимости трансформатора и определение приведенных затрат на трансформацию электроэнергии

Стоимость 1 кг провода марки АПБ обмотки НН сечением более 20 мм2 согласно таблицы Б2 [1]: .

Стоимость 1 кг провода марки АПБ обмотки ВН сечением более 20 мм2 согласно таблицы Б2 [1]: .

Масса обмоток трансформатора с изоляцией:

;

.

Стоимость обмотки НН с изоляцией:

Стоимость обмотки BН с изоляцией:

Стоимость трансформатора:

Коэффициент стоимости компенсации намагничивающей мощности трансформатора:

,

Удельная стоимость приведенной массы трансформатора:

,

Средняя цена обмоточного провода в трансформаторе:

Отношение стоимости 1 кг обмотки и магнитопровода:

.

Условная приведенная масса активных материалов:

.

Приведенные затраты на трансформацию электроэнергии:

Литература:

1.Пуйло Г.В., Крысенко С.И. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию силовых трансформаторов с цилиндрическими слоевыми обмотками и масляным охлаждением для студентов специальностей 7.092206, 8.092206, 7.092202, 6.0922, 6.0906. Одесса: ОГПУ, 2000. - 66 с.

2.Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. Учебное пособие для вузов. Издание 4-е, переработанное и дополненное. М., "Энергия", 1976. - 544 с.

.Дымков А. М. Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов М., «Высшая школа», 1971. - 264 с.

Министерство образования Украины Одесский национальный политехнический университет Кафедра электрических машин Курсовая работа

Больше работ по теме: