Силовой масляный трансформатор

 

Карагандинский Государственный Технический университет

Курсовая работа

Силовой масляный трансформатор

Название предмета «Электрические машины»

г. Караганда, 2007г.

Содержание

Введение

. Расчет трехфазного двухобмоточного трансформатора 4000кВ*А с масляным охлаждением

. Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний

. Определение исходных данных расчета

. Расчет основных коэффициентов

. Определение основных размеров

. Расчет обмотки НН

. Расчет обмотки ВН

. Расчет параметров короткого замыкания

. Расчет магнитной системы

. Расчет потерь и тока холостого хода

. Тепловой расчет трансформатора

. Выбор основных размеров бака

. Окончательный расчет превышения температуры обмоток и масла трансформатора

. Определение массы масла

Список использованной литературы

Введение

Силовой трансформатор - один из важнейших элементов любой электроэнергетической системы. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места ее потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Необходимость распределения энергии между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов.

Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети , в настоящее время превышает общую генерирующую мощность в 7 - 8 раз, а в будущем она еще может увеличится.

По мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на их изготовление и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы вкладывается в наиболее отдаленные участки сети, то есть в трансформаторы с высшим напряжением: 35,20, 10, 6 и 3 кВ. В этих же трансформаторах выделяется и основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее высокой цене.

В связи с этим одна из важнейших задач при проектировании силовых трансформаторов в настоящее время - задача существенного уменьшения потерь энергии в них, которые выделяются в магнитной системе (потери холостого хода) и в обмотках (потери короткого замыкания).

Уменьшение потерь холостого хода достигается в основном за счет применения холоднокатаной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами - низкими и особо низкими удельными потерями и удельной намагничивающей мощностью. За последние 30 - 40 лет потери холостого хода удалось снизить почти вдвое.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом за счет снижения рабочей плотности тока в обмотках трансформатора, что способствует увеличению массы металла обмоток из-за увеличения сечения провода.

Наряду с уменьшением потерь при проектировании трансформаторов должно соблюдаться требование наиболее эффективного использования материалов с целью уменьшения стоимости всего изделия.

1. Расчет трехфазного двухобмоточного трансформатора, 4000кВ*А, с масляным охлаждением

Номинальная мощность S=4000кВ*А; обмотка НН расщеплена по мощности на две группы, мощность каждой группы 2000кВ*А; число фаз m=3; частота f=50Гц; напряжение обмотки ВН: U2=38,5кВ; напряжение обмотки НН: U1=10кВ.

Параметры трансформатора: напряжение короткого замыкания Uк=7,5%; потери короткого замыкания Рк=33000Вт; потери холостого хода Рх=5200Вт; ток холостого хода i0=0,9%

. Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний

Мощность одной фазы и одного стержня

Sф=S=4000/3=1333 кВ*A

Номинальные токи:

На стороне ВН

на стороне НН

При параллельном соединении двух групп расщепленной обмотки НН мощность трансформатора составляет 4000кВ*А. Каждая группа может работать на изолированную систему мощностью 2000кВ*А.

Фазные токи:

ВН Iф2=60А

НН Iф1==66А

Фазные напряжения:

ВН Uф2= =22228В

НН Uф1=10000В

Испытательные напряжения: обмотки ВН Uисп2=85кВ; обмотки НН Uисп1=35кВ.

Выбираем тип обмоток: обмотка ВН при напряжении 38,5кВ и токе 60А - катушечная непрерывная; обмотка НН при напряжении 10кВ и токе 66А - также катушечная непрерывная.

Для испытательного напряжения обмотки ВН Uисп2=85кВ находим изоляционные расстояния а12=27мм; =75мм; принимаем увеличение на 45мм для размещения прессующих колец (примечание 2 к табл. 4.5); таким образом, =120мм; а22=30мм.

Для испытательного напряжения обмотки НН Uисп1=35кВ по табл. 4.4 находим а01=17,5мм. С учетом размещения в этом канале внутренних отводов расщепленной обмотки НН (примерно 25мм) принимаем а01=40мм.

Рисунок 1 Основные размеры трансформатора

3. Определение исходных данных расчета

Мощность обмоток одного стержня S`=1333кВ*А

Ширина приведенного канала рассеяния

;

(см. табл.3.3, прим.1)

ар=0,027+0,0325=0,0595м

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и комбинированными «полукосыми» на среднем стержне. Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм - стальными балками. Материал магнитной системы - холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35мм. Индукция в стержне Вс=1,55 Тл (по табл.2.4). В сечении стержня 9 ступеней, коэффициент заполнения круга kкр=0,913 (см. табл.2,5), изоляция пластин - нагревостойкое изоляционное покрытие, kз=0,97 (табл. 2,3). Коэффициент заполнения сталью kc=kкрk3=0,913*0,97=0,88561.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 6, коэффициент усиления ярма kя=1,015 (см. табл. 8.7). Индукция в ярме Вя=1,55/1,015=1,527 Тл. Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 6, на прямом 2. Индукция в зазоре на прямом стыке Тл, на косом стыке Тл.

Удельные потери в стали рс=1.207 Вт/кг; ря=1,242 Вт/кг. Удельная намагничивающая мощность 1,795 В*А/кг; 1,655 В*А/кг; для зазоров на прямых стыках 23500 В*А/м2, для зазора на косых стыках В*А/м2 (табл. 8.10, 8.17).

Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма мм, от верхнего ярма при наличии прессующего кольца мм.

По табл. 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям короткого замыкания и по табл. 3.4 и 3.5 - постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток а=1,06*1,40=1,484 и b=1,25*0,31=0,388. Принимаем .

Рисунок 2 Сечение стержня и ярма. Основные размеры магнитной системы.

. Расчет основных коэффициентов

По (3.30), (3.36), (3.43), (3.44), (3.52) и (3.65) находим коэффициенты

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением (3.55). Для рассчитываемого трансформатора

Решение этого уравнения дает значение , соответствующее минимальной стоимости активной части.

По (3.61) и (3.66) находим предельные значения по допустимой плотности тока J

(по (3.61)).

Значение лежит за пределами обычно принимаемых значений.

Масса одного угла магнитной системы по (3,45)

Активное сечение стержня по (3,59)

Площадь зазора на прямом стыке ;

Площадь зазора на косом стыке

Для магнитной системы по формуле (8.33) потери холостого хода с учетом табл. 8.10, 8.13 и 8.14.

Намагничивающая мощность по (8.44) с учетом табл.8.17 и 8.20

Далее определяем основные размеры трансформатора

.

Весь дальнейший расчет, начиная с определения массы стали магнитной системы, для шести различных значений (от 1 до 3) приведен в таблице 1.

Таблица 1 Предварительный расчет трансформатора

1,01,41,82,22,63,01,01,0881,1581,2181,271,3161,01,1831,3421,4841,6121,7321,01,2871,5541,8062,0482,285809,85350,55020,84770,54580,64420,4646,96765,2870,3960,41042,51122,66456,766115,75891,15730,95623,15543,03863,54955,65998,56950,979008780,5234,93278,2315,5348,5379,0406,54090,435233,86314,07298,68279,09187,010547,1911349,512205,113029,513902,114730347,07445,4539,5627,6710,0793,510060948591508920873086006100778094201088012350137001852238028753350378542481801219645214452315024865265480,1280,15120,1720,1900,2060,2221585015000144201405013780136009350119701441016620189202100029900384504650054250612006840010667,212650,514350,015842,217220,018500,065767,278070,589680,0100762,0111120,0121500,00,410,490,560,630,6950,762441,482064,51825,11652,01510,81413,52518,02130,61881,61702,01568,51455,727702342,02065,51871,81725,01600,57100,56005,55284,64800,54430,04100,517647,6917355,017489,717830,018332,118830,51,5451,6721,7851,8751,952,0317,4422,4527,2031,5635,539,820,4260,4640,4930,5280,5400,5610,6330,6870,7320,7840,8000,8331,991,5451,281,120,9650,8700,8580,9270,9830,9971,0691,111

Результаты расчетов, приведенные в таблице, показаны в виде графика.

Рисунок 3 Зависимость Px, io и Cа,ч от

Предельные значения для заданных потерь холостого хода Вт, . Предельное значение для заданного тока холостого хода составляет . Ранее были установлены предельные значения, ограниченные плотностью тока, .

С учетом заданных критериев выбираем значение; соответствующее ему значение d по шкале нормализованных диаметров составляет 0,480м. В этом случае стоимость активной части отличается от минимального значения не более чем на 1%, а потери и ток холостого хода оказываются ниже заданного значения.

. Определение основных размеров

Диаметр стержня

м;

Средний диаметр обмоток НН и ВН

Ориентировочная высота обмоток

м

Активное сечение стержня по табл.8.7

м2

Напряжение одного витка предварительно

В

Число витков в обмотке НН

, принимаем 172 витка

Уточнение напряжения одного витка

В.

Средняя плотность тока в обмотках

А/м2

6. Расчет обмотки НН

Ориентировочное сечение витка, м2

м2

По табл. 5,8 по мощности одной группы расщепленной обмотки , номинальному току группы и напряжению 10,0кВ выбираем непрерывную катушечную обмотку из прямоугольного алюминиевого провода.

По сечению витка выбираем четыре параллельных провода АПБ сечением 37,14 мм2

АПБ изоляция 0,450,5мм на две стороны

Сечение витка П1= м2;

254,0*106/148,56=1,7*106 А/м2.

Канал между катушками принимаем предварительно 5 мм; между группами расщеплений обмотки НН hкр=20мм.

Предварительно определяем число катушек обмотки для одной группы

.

Число витков в катушке ориентировочно по

После предварительного распределения витков в катушках обмотки и согласования размеров обмотки НН с размерами обмотки ВН принимаем следующую структуру расщепленной обмотки НН.

Обмотка НН состоит из двух групп левой и правой намотки. Каждая группа наматывается на цилиндре из электроизоляционного картона с размерами d490/502x1500мм на 16 рейках с прокладками между катушками шириной по 50мм. Осевой размер обмотки м.

Распределение витков по катушкам в каждой группе:

катушки А по 3 витка

катушки Б по 3 витка

Всего 46 катушек, 172 витка

Осевой размер обмотки

м

Радиальный размер обмотки

м.

Внутренний диаметр обмотки

м.

Наружный диаметр обмотки

м.

Масса металла обмотки (группы)

кг.

Масса провода

кг.

Масса привода обмотки НН

кг.

. Расчет обмотки ВН

Выбираем схему регулирования, с выводом концов всех трех фаз обмотки к одному трехфазному переключателю. Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 120А. Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе рабочее U2, т.е. 2220 В испытательное U2, т.е. 4440 В.

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить:

Напряжение, В Ответвления обмотки

А2А3 В2В3 С2С3

,5 А3А4 В3В4 С3С4

А4А5 В4В5 С4С5

,5 А5А6 В5В6 С5С6

А6А7 В6В7 С6С7

Число витков обмотке ВН при номинальном напряжении

Число витков на одной ступени регулирования

Напряжение, В Число витков на ответвлениях

384+2*10=404

,5 384+10=394

384

,5 384-10=374

384-2*10=364

Ориентировочная плотность тока

J2=2Jcp-J1=2*1,74*106-1,71-106=1,77*106 А/м2.

Обмотка ВН состоит из двух симметричных параллельных ветвей, обеспечивающих работу каждой из групп обмотки НН на свою нагрузку.

В двух верхних и двух нижних катушках каждой из ветвей применяется провод с усиленной изоляцией 1,35 (1,50) мм.

Ориентировочное сечение витка

мм2.

По табл. 5.8 выбираем непрерывную катушечную обмотку (S=4000 кВ*А; I2=60А; UН2=38500В; ).

По сортаменту алюминиевого провода (табл. 5.2) выбираем провод марки АПБ

с сечением

Полное сечение витка

П2=2*32,89*10-6=65,78*10-6 м2

Плотность тока

А/м2

При J=1,825*106 А/м2 и b=9 мм по графикам находим q=700 Вт/м2. Это значение q получено для катушек, имеющих четыре охлаждаемые маслом поверхности. Для сдвоенных катушек q увеличивается примерно в 1,5 раза. Принимаем конструкцию обмотки со сдвоенными катушками. В сдвоенных катушках две шайбы по 0,5мм. Две крайние катушки вверху и внизу отделены каналами по 7,5мм. Схема регулирования по рис.6.6г; канал в месте разрыва обмотки hкр=12,5мм, канал между группами обмотки ВН - 30 мм.

Размер провода в катушках с усиленной изоляцией 5,25х10,5 мм.

Осевой размер основных катушек b`=9,5 мм.

Число катушек обмотки ВН в одной группе ориентировочно

Поскольку необходимо сделать несколько увеличенных каналов, принимаем 52 катушки в каждой группе.

Число витков в катушке (ориентировочно)

Общее распределение витков между каналами

катушки с усиленной изоляцией Г по витка …27

8 катушек Д по витка

основных катушек 12 катушек Е по витка

20 катушек К по 8 витков …160

8 регулировочных катушек Н по 5 витков 40

Всего 52 катушки 404

Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты

Рисунок 4 Расположение катушек и радиальных каналов в обмотке ВН (одна группа)

Осевой размер обмотки

По испытательному напряжению Uисп=85кВ и мощности S=4000кВ*А находим:

Канал между обмотками ВН и НН а12, мм30

Толщина цилиндра , мм6

Выступ цилиндра за высоту обмотки

Расстояние между обмотками ВН двух соседних стержней а22, мм 30

Толщина междуфазной перегородки , мм3

Расстояние обмотки ВН до прессующего кольца , мм80

Высота прессующего устройства , мм30

Расстояние от прессующего устройства до ярма , мм30

Принимаем размеры бумажно-бакелитового цилиндра d 728/740*1500мм.

Таблица 2 Данные катушек обмотки ВН трансформатора

ПоказателиУсловные обозначения катушекВсего на стерженьОсновныеРегулировочная НС усиленной изоляцией ГДЕКЧисло катушек в одной параллельной ветви812208452х2Число витков в катушке85404х2Размеры провода без изоляции, мм9х3,759х3,759х3,759х3,759х3,75-Размеры провода в изоляции, мм9,5х4,259,5х4,259,5х4,259,5х4,2510,5х5,25-Радиальный размер, м0,0770,0770,0680,077*0,074-Сечение витка, мм265,7865,7865,7865,7865,78-Плотность тока, 106А/м21,8251,8251,8251,8251,825-Масса провода (на три фазы), кг:без изоляции99,0149,5222,056,538,0565х2с изоляцией104,0158,0233,559,545,0600х2Диаметры,м:внутренний0,7640,7640,7640,7640,764-наружный0,9180,9180,9000,9180,912-Масса металла обмотки (группы) G02=565,0 кг.

Масса провода GПР1=600 кг.

Масса провода обмотки ВН GПРВН=2*600=1200 кг.

. Расчет параметров короткого замыкания

Основные потери:

обмотка НН

Вт.

Добавочные потери в обмотке НН

;

(предварительно принимаем kp=0,95);

обмотка ВН (при нормальном числе витков)

Добавочные потери в обмотке ВН

Катушки Д и Е

Катушки К

Катушки Н

Катушки Г

Рисунок 5 Основные размеры обмоток

Основные потери в отводах:

Отводы НН

м;

кг;

Вт;

отводы ВН

м;

кг;

Вт;

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно:

Вт

Полные потери короткого замыкания

Вт;

или 87025*100/33000=263,71% заданного значения.

Расчет напряжения короткого замыкания

Активная составляющая

Реактивная составляющая

%,

где ;

м;

;

;

.

Напряжение короткого замыкания

%,

или заданного.

Установившийся ток короткого замыкания в обмотке ВН

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания

А,

где при up/ua=8,03/0,575=13,95.

Рисунок 6 Определение зоны разрыва в обмотке ВН при расчете up и осевых механических сил

Радиальная сила

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН

МПа.

Среднее сжимающее напряжение в проводах внутренней обмотки

МПа.

Осевые силы

Н;

Н,

где lx=112.5; m=4; после установления размеров бака l``=310мм. Максимальные сжимающие силы в обмотках

Н;

Н;

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН, где Н.

Напряжение сжатия на междувитковых прокладках

МПа,

что ниже допустимого 18-20МПа.

Температура обмотки через tK=5 с после возникновения короткого замыкания

0C

Время достижения температуры 200 0С для обмоток

. Расчет магнитной системы

Выбираем конструкцию плоской трехфазной магнитной системы, собираемой впереплет (шихтованной), с четырьмя косыми стыками и комбинированными «полукосыми» на среднем стержне. Стержень прессуется бандажами из стеклоленты, ярма - балками и стальными полубандажами. Обмотки прессуются прессующими кольцами.

Сечение стержня с 9 ступенями без прессующей пластины. Сечение ярма повторяет сечение стержня, три последних пакета ярма объединены в один с шириной пластины 270 и толщиной 34мм; в ярме 6 ступеней. В стержне и ярме два продольных канала по 3 мм.

Полное сечение стержня

см2

Активное сечение

см2

Полное сечение ярма

см2

Активное сечение ярма

Ширина ярма

мм.

Длина стержня при наличии нажимного кольца

м.

Расстояние между осями соседних стержней

м

Объем угла VУ=68274см3

Масса стали угла

кг;

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы

кг;

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма

кг;

Масса стали стержней

кг;

Масса стали в ярмах

кг;

кг;

кг;

Полная масса стали трансформатора

кг;

. Расчет потерь и тока холостого хода

Магнитная система шихтуется из электротехнической тонколистовой рулонной холоднокатаной текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35мм.

Индукция в стержне

Тл

Индукция в ярме

Тл.

Находим удельные потери:

при Вс=1,605 Тл, рс=1,31 Вт/кг; рз.с=649 Вт/м2 (шихтовка в одну пластину);

при Вя=1,58 Тл, ря=1,251 Вт/кг;

при Вз= Тл, рз=337 Вт/м2 .

Потери холостого хода

Вт.

Потери холостого хода Рх=22050 Вт, или 22050*100/21000=105% заданного значения.

Находим коэффициенты для стали 3404 толщиной 0,35мм при наличии отжига: kп.я=1,0 ; kп.р=1,05 ; kп.з=1,0 ; kпл=1,0 ; kп.ш=1,09 ; kп.п=1,04 ; kп.у=9,38 .

Число косых зазоров 5, прямых - 1.

Находим удельные намагничивающие мощности:

при Вс=1,605 Тл, qс=1,82 В*A/кг; qз.с=23900 В*A/м2;

при Вя=1,58 Тл, qя=1,675 В*A/кг;

при Вз=1,13 Тл, qз=2950 В*A/м2 .

Полная намагничивающая мощность

В*А.

Находим коэффициенты: kт.р=1,18; kт.з=1,0 (при наличии отжига пластин); kт.у=35,2; kт.пл=1,2; kт.я=1,0; kт.п=1,06; kт.ш=1,09.

Относительное значение тока холостого хода

%,

или 0,613*100/0,6=102,2 % заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода

%,

Реактивная составляющая

%,

Ток холостого хода (для обмотки НН)

I0=98000/(3*10000)=3,26 A;

I0а=22050/(3*10000)=0,7 A;

I0р=3,04 A.

Коэффициент полезного действия трансформатора

. Тепловой расчет трансформатора

обмотка НН

Вт/м3,

где k3=, число реек nр=16, ширина прокладок bпр=0,05 м;

обмотка ВН (основные катушки)

Вт/м2

Внутренний перепад:

обмотка ВН (основные катушки)

0С;

;

обмотка НН

0С;

Перепады на поверхности обмоток

обмотка НН

0С;

для обеих обмоток k1=0,9; k2=1,1; для hк/а=0,005/0,072=0,0695, k3=1,1;

обмотка ВН

0С;

k2=1,0; для hк/а=0,005/0,077=0,065, k3=1,1.

Полные перепады температуры на обмотках:

0С;

0С.

. Выбор основных размеров бака

Выбираем конструкцию - гладкий бак с навесными трубчатыми радиаторами, обдуваемыми индивидуальными вентиляторами.

Ширина бака определяется из условия изоляции отводов от наружной обмотки ВН и стенок бака. Отвод ВН - шина из алюминия 4,0х35,0 мм (на ток 240А); толщина изоляции на сторону 4,11-2,0 мм; общая толщина отвода d3=4+2*2=8 мм; расстояние от отвода до гладкой стенки бака мм; мм. Отводы НН - шины из алюминия такого же сечения, как и ВН, толщина изоляции на сторону 2,0мм; общая толщина отвода d4=8мм. Расстояние отвода НН до обмотки ВН мм;

мм.

Ширина бака

м.

Принимаем В=1,14м при центральном положении трансформатора в баке.

Длина бака

м

мм, принимаем А=3,0м.

Высота активной части

м.

Глубина бака

м;

м, м.

Периметр бака

м.

Поверхность гладкого бака

м2

Поверхность излучения приближенно

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха

Превышение температуры масла в верхних слоях

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха

Находим ориентировочное значение поверхности конвекции бака

Поверхность конвекции радиаторов вместе с поверхностью конвекции гладкого бака (Пк,гл=22,6 м2) должна составлять 568,5 м2, в том числе радиаторов 545,9 м2. Расстояние между осями патрубков радиаторов

м.

Выбираем восемь радиаторов с расстоянием между осями патрубков 2,685 м, с поверхностью коллекторов 2*0,66=1,32м2. Поверхность конвекции одного радиатора при дутье

Поверхность конвекции бака с восемью радиаторами

Поверхность излучения

периметр

поверхность

Рисунок 7 Эскиз расположения радиаторов по периметру бака.

. Окончательный расчет превышения температуры обмоток и масла трансформатора

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха

Превышение температуры масла над температурой стенки

Превышение температуры масла в верхних слоях над воздухом

Превышение температуры обмоток над воздухом:

14. Определение массы масла

Объем бака

.

Объем активной части

Объем масла в баке

Масса масла в баке

Масса масла в радиаторах

Общая масса масла

трехфазный обмотка масло трансформатор

Список использованной литературы

1.Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов.- М.: Энергоатомиздат, 1986.

2.Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов.-М.: Энергоатомиздат, 1990.

Карагандинский Государственный Технический университет Курсовая работа Силовой масляный трансформатор Назва

Больше работ по теме: