Проектирование трехфазной силовой масляной двух обмоточной трансформатор

Page 1

2
Введение
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или
более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством
электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или
несколько других систем переменного тока.
В различных отраслях используются трансформаторы различного назначения в диапазоне
мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВ-А и более. Принято различать трансформаторы
малой мощности с выходной мощностью 4 кВ-А и ниже для однофазных и 5 кВ-А и ниже для
трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВ-А и более для трехфазных и
от 5 кВ-А и более для однофазных сетей.
Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах
радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т. п., а также для питания бытовых
электроприборов. Назначение силовых трансформаторов — преобразование электрической
энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования
электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы
общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями
работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми
условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального
назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников
электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы,
характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической
энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки,
электрические печи и т. п.
Централизованное производство электрической энергии на крупных электростанциях с
генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и
гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах большие количества
электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование
дешевой электрической энергии непосредственно у потребителей, находящихся на значительном
удалении, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенных на
территории страны, требует при этом создания сложных разветвленных электрических сетей.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической
сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места
потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в
повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции
15, 75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть,
около 1000 км часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с
учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ;
115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.
Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между
многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных
трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность
трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях
более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность
предыдущей ступени более высокого напряжения.

---

Page 2

3
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Необходимо спроектировать трехфазный силовой масляный двух обмоточный
трансформатор с параметрами, удовлетворяющими ГОСТ 11677-85 и ГОСТ 11920-73, которые
должны быть получены с заданной точностью.
Исходные данные :
1. полная мощность трансформатора S, кВ-А;
2. номинальное линейное напряжение обмотки низкого напряжения U
1л
, В;
3. номинальное линейное напряжение обмотки высокого напряжения U
2л
, В ;
4. потери короткого замыкания Р
к
, Вт;
5. потери холостого хода Р
хх
, Вт;
6. напряжение короткого замыкания U
к
, % ;
7. ток холостого хода i
0
, %;
8. схема и группа соединения обмоток (числитель - схема обмотки ВН,
знаменатель -
схема обмотки НН);
9. материал обмоток. Частота f = 50 Гц.
Магнитная система трансформаторов - плоская, из рулонной холодно-катанной стали. Все
трансформаторы рассчитываются на длительный характер нагрузки и наружную установку.
Способ регулирования напряжения переключение без возбуждения трансформатора (ПБВ) ,
диапазон регулирования напряжения ± 2  2,5 % от U
2н
, Трансформаторы должны иметь
устройства для переключения регулировочных отводов обмотки ВН.
Данные трансформатора
Тип
S
н
,
кВа
ВН
U
2л
, кВ
НН
U
1л
, кВ
Потери , кВт
U
k
, %
i
0
, %
материал
схема
P
0
P
k
630
6,0
0,69
1,31
7,6
5,5
2,0
Медь
Y/Δ-11

---

Page 3

4
Содержание
1. Расчёт основных электрических величин трансформатора
2. Определение основных размеров трансформатора
3. Изоляция
4. Выбор конструкции обмоток трансформатора
5. Расчёт обмотки низкого напряжения
6. Расчёт обмотки высокого напряжения
7. Определение потерь короткого замыкания
8. Определение напряжения короткого замыкания.
9. Определение механических сил в обмотках
10. Определение размеров магнитной системы
11. Расчёт массы магнитной системы
12. Потери холостого хода трансформатора
13. Определение тока х.х.
14. Тепловой расчёт трансформатора
15. Поверочный тепловой расчёт обмоток
16. Тепловой расчёт бака
17. Окончательный расчёт превышений температуры обмоток и масла
Список литературы

---

Page 4

5
1.Расчёт основных электрических величин трансформатора
Мощность одной фазы
m
S
S
ф

,
210,0
3
630
S
ф


кВА.
где m – число фаз
Мощность на один стержень
c
S
`S
,
210,0
3
630
`S


кВА.
где с – число активных стержней , несущих обмотки трансформатора
для силовых масляных трёхфазных трансформаторов c = m = 3
Номинальный линейный ток обмотки низкого напряжения
,
U
3
10
S
I
л
1
3
1



527,14
690
3
10
630
I
3
1




А.
Номинальный линейный ток обмотки высокого напряжения
л
U
S
I
2
3
2
3
10



,
60,62
6000
3
10
630
I
3
2




А.
Номинальный фазный ток и напряжение обмотки низкого напряжения
3
I
I
1
ф
1

,
304,34
3
527,14
I
ф
1


А.
л
1
ф
1
U
U 
,
690
U
ф
1

В.

---

Page 5

6
Номинальный фазный ток и напряжение обмотки высокого напряжения
л
2
ф
2
I
I 
,
60,62
I
ф
2

А.
3
U
U
л
2
ф
2

,
1,
464
3
3
6000
U
ф
2


В.
Активная составляющая напряжения короткого замыкания
S
10
P
U
к
а


,
1,206
630
10
7600
U
а



% .
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания
2
a
2
k
р
U
U
U


,
5,36
1,206
5,
5
U
2
2
р



% .

---

Page 6

7
2. Определение основных размеров трансформатора
Диаметр окружности в которую вписана ступенчатая фигура стержня определяется по формуле
4
2
c
2
c
p
p
p
k
B
u
f
k
a`
S
16
`d








,
Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описывающего сечение
стержня
KP
З
C
k
k
k


,
Принимаем:
96
,0
k
З

;
918
,0
k
KP

.
0,881
918
,0
96
,0
k
C



Ширина приведенного канала рассеяния
3
2
1
12
a
a
a
a
p



Суммарный приведенный размер обмоток
4
2
1
`S
k
3
a
a



Коэффициент к = 0,53;
2,018
210
53
,0
3
a
a
4
2
1




см.
Канал
9,
0
12

а
см;
918
,2
2,018
9,
0
a
p



см.
Индукция в стержне:
55
,1
В
С

Тл;
Параметр β =2,1;
Коэф-т Роговского
95
,0

P
k
;
20,00
0,881
1,55
36
,5
50
0,95
1,
2
2,918
10
2
16
`d
4
2
2









см.
Принимаем нормализованный диаметр d =20 см.
Коэффициент соответствующий нормализованному диаметру
4
н
`d
d









,

---

Page 7

8
2,1
20,00
20
1,
2
4
н










Средний диаметр канала между обмотками находим по формуле
12
1
01
12
a
a2
a2
d
d




,
Радиальный размер обмотки НН
3
2
1
1
1
a
a
k
a


,
где -
1,1
11

k
;
2,219
018
,2
1,1
1



a
см.
Ширина канала:
5,
1
01

а
см;
28,34
9,
0
2,219
2
5,
1
2
20
12







d
см.
Высота обмоток
н
d
l


12


,
42,39
2,1
28,34
l



см.
Активное сечение стержня
4
d
k
П
2
c
с


,
276,86
4
20
0,881
П
2
с





см
2
.
Электродвижущая сила одного витка
4
с
c
в
10
П
B
f
44
.4
U






,
527
,9
10
86
,
276
55
,1
50
44
.4
U
4-
в






В.

---

Page 8

9
Рисунок 2.1 – Основные размеры трансформатора

---

Page 9

10
3. Изоляция
Главными задачами при проектировании изоляции трансформатора являются выбор
принципиальной конструкции изоляции, выбор изоляционных материалов, заполняющих
изоляционные промежутки, и размеров изоляционных промежутков.
Изоляция в трансформаторе разделяет части, находящиеся под напряжением между собой, и
отделяет их от заземленных частей. В силовых трансформаторах изоляция выполняется в виде
конструкций из твердых диэлектриков - электроизоляционного картона, кабельной бумаги,
лакотканей, дерева, текстолита, бумажно-бакелитовых изделий, фарфора и других материалов.
Части изоляционных промежутков, не заполненных твердым диэлектриком, заполняются жидким
диэлектриком - трансформаторным маслом.
Для упрощения расчета и стандартизации требований, предъявляемых к электрической прочности
изоляции готового трансформатора, электрический расчет изоляции производится так, чтобы она
могла выдержать приемосдаточные и типовые испытания, предусмотренные соответствующими
нормами. Нормы испытаний составлены с учетом возможных в практике значений, длительности
и характера электрических воздействий, содержат необходимые запасы прочности и закреплены в
ГОСТ.
Рисунок 3.1 – Главная изоляция

---

Page 10

11
4. Выбор конструкции обмоток трансформатора
Средняя плотность тока в обмотках
12
в
k
д
ср
d
S
U
P
k
746
,0
J





,
Принимаем:
94
,0
k
Д

;
2,844
,34
82
630
9,527
7600
94
,0
746
,0
J
ср






А/мм
2
.
Предварительное сечение витка обмотки НН
ср
ф
1
`
1
J
I
П 
,
107,019
2,844
304,34
П
`
1


мм
2
.
Предварительное сечение витка обмотки ВН
ср
ф
2
`
2
J
I
П 
,
21,31
2,844
60,62
П
`
2


мм
2
.
Рис 4.1 – Одноходовая винтовая
Рис 4.2 - Цилиндрическая многослойная
параллельная обмотка
обмотка из круглого провода

---

Page 11

12
5. Расчёт обмотки низкого напряжения
Число витков на фазу обмотки
в
ф
1
1
U
U
w 
,
72,427
9,527
690
w
1


витка.
73
w
1

витка
Уточненная ЭДС витка
1
ф
1
в
w
U
U 
,
9,452
73
690
U
в


В.
Действительная индукция в стержне
4
с
В
c
10
П
f
44
,4
U
B





,
1,538
10
279,87
50
44
,4
9,623
B
4-
c





Тл.
Используем винтовую обмотку из прямоугольного провода.
Предварительная высота витка
1
k
1
1в
h
4
w
l
h



,
где
1
k
h - осевой масляный канал между витками, см.
0,151
4,
0
4
73
42,39
h
1в




см.
Применяем одноходовую обмотку.
Выбираем провод с размерами
10
n
1в
 пр.;
мм
8,
2
а 
;
мм
0,
4
b 
;
2
мм
7,
10
П 
.
5,
4
3,
3
0,
4
8,
2
10
ПБ




Определяем полное сечение витка
П
n
П
в



1
1
,
107
7,
10
10
П
1



мм
2
.
Уточненная плотность тока

---

Page 12

13
1
1
1
П
I
J
ф

,
2,84
107
304,34
J
1


А/ мм
2
.
Высота для одноходовой обмотки НН с каналами через два витка



















2
w
2
2
w
h
k
)4
w(
'b
l
1
1
1
k
1
1
где
k
- коэффициент, учитывающий усадку межкатушечных прокладок после опрессовки
обмотки и принимается равным 0,94...0,95;
52,56
2
73
1,
0
2
2
73
4,
0
94
,0
)4
73
(
45
,0
1






















l
см.
Радиальный размер обмотки
,'
a
n
a
1
1
B
1


3,
3
33
,0
10
1



a
см.
Рисунок 4.1 - к определению размеров винтовой обмотки
Внутренний диаметр обмотки ВН
01
1
a
2
d
D




,
23
5,
1
2
20
D
1





см.
Внешний диаметр обмотки ВН
1
1
1
a
2
'D
"D



,
29,6
3,
3
2
23
D
1





см.
Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН
4
1
1
1
1
01
10
)'
b2
a(
]
a
'D
[
w
k
c
П









,
5,700
10
)
45
,0
2
3,
3(
]3,
3
23
[
73
75
,0
3
П
4
01













м
2

---

Page 13

14
6. Расчёт обмотки высокого напряжения
Число витков на фазу обмотки ВН
ф
1
ф
2
1
2
U
U
w
w


,
367
690
3464,1
73
w
2



витка.
Число витков для одной ступени регулирования
10
025
,0
367
025
.0
w
w
2
P





витка.
Число витков обмотки на отводах
a) Верхние ступени напряжения
387
w
w
2
2
P



витка
377
w
w
2
P


витков
б) При номинальном напряжении
367
w
2

витков
в) Нижние ступени напряжения
347
w
2
w
P
2



витков
357
w
w
р
2


виток
Плотность тока в обмотке ВН
1
cp
2
J
J
2
J



,
2,843
84
,2
844
,2
2
J
2




А/мм
2
.
Предварительное сечение витка обмотки ВН
2
2
2
J
I
П
ф


,
21,32
2,843
62
,
60
П
2



мм
2
.
Выбираем многослойную цилиндрическую обмотку из круглого провода
Выбираем провод с размерами
d = 4,0 мм;


2
П
12,55 мм
2
;
2
n
пр

пр.
5,
4
0,
4
2
ПБ


Определяем полное сечение витка
2
2
в
2
П
n
П



,
25,1
55
,
12
2
П
2



мм
2
.
Уточненная плотность тока
2
ф
2
2
П
I
J 
,

---

Page 14

15
2,41
25,1
62
,
60
J
2


А/ мм
2
.
Число витков в слое (l
1
= l
2
)
1
'd
n
l
w
2
2
в
2
2
сл



,
95
1
44
,0
2
52,56
w
2
сл




витков.
Число слоёв обмотки
2
2
2
2
сл
p
сл
w
w
w
n


,
6,55
59
387
n
2
сл


Принимаем
7
n
2
сл
 .
Рабочее напряжение двух соседних слоёв
в
сл
мсл
U
w
U



2
2
,
1115,34
9,452
59
2
U
мсл




В.
Рис 6.2 – Разрез торцевой части многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода: 1 -
провод обмотки; 2- электростатический экран; 3 – бумажно-бакелитовое опорное кольцо
слоя; 4 – междуслойная изоляция из кабельной бумаги, 
мсл
=0,36 мм.
число слоев кабельной бумаги - 3 толщиной 0,12

мсл
=0,36 мм
Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки 1,6 см
По испытательному напряжению обмотки ВН (25 кВ) и мощности трансформатора определяем
а. Размеры канала между обмотками ВН и НН
a
12
=0,9 см;
б. Толщина цилиндра между обмотками

12
= 0,3 см;
в. Величина выступа цилиндра за высоту обмотки
l
12
= 1,5 см;

---

Page 15

16
г. Минимальное расстояние между обмотками ВН соседних стержней
а
22
= 1 см;
д. Расстояние от обмотки ВН до ярма
l
02
= 3 см .
Радиальный размер обмотки
22
2
сл
МСЛ
2
сл
2
2
'а
)1
n(
n
'd
a







,
3,896
6,
0
)1
7(
036
,0
7
44
,0
a
2







см.
Внутренний диаметр обмотки ВН
12
1
2
a
2
"D
'D



,
31,4
9,
0
2
29,6
'
2




D
cм.
Внешний диаметр обмотки ВН
2
2
2
a
2
'D
"D



,
39,19
3,896
2
31,4
"D
2




см.
Рис 6.3 - Основные размеры обмотки ВН
Полная охлаждаемая поверхность обмотки ВН
4
2
2
2
02
10
l
)
"D
'D
(
k
n
c
П









,
где



8,
0
;2 k
n
для двух катушек;
5,595
10
52,56
)
39,19
4,
31
(
8,
0
2
3
П
4
02










м
2
.

---

Page 16

17
7. Определение потерь короткого замыкания
Масса обмотки НН
1
1
1
1
5
1
м
П
2
"
D
'D
w
с
10
28
G







,
172,56
107
2
6,
29
23
73
3
10
28
G
5
1
м









кг.
Масса обмотки ВН
2
2
2
2
5
2
м
П
2
"
D
'D
w
с
10
28
G







,
273,11
1,
25
2
19
,9
3
4,
31
367
3
10
28
G
5
2
м









кг .
Рисунок 7.1 – к определению добавочных потерь одноходовой винтовой обмотки
Коэффициент добавочных потерь обмотки НН
l
a
a
a
1
k
2
1
12
p





,
0,951
56
,
52
896
,3
3,
3
9,
0
1
k
p






2
p
k
l
mb








,
0,279
0,951
56
,
52
4,
0
73
2











.
10
2.
0
1
2
4



n
а
k
д

,
1,017
10
2,
0
10
0,279
28
,0
1
k
2
4
д







---

Page 17

18
Рисунок 7.2 – к определению добавочных потерь обмотки ВН
Коэффициент добавочных потерь обмотки ВН
2
p
k
l
md
`








,


0,729
951
,0
56
,
52
2
4,
0
59
`
2












.
22
21
.0
'
1
2
4




n
d
k
д

,
1,041
22
21
,0
7
0,729
4,
0
1
k
2
4
д






.
Электрические потери в обмотке НН
1
м
2
1
1
д
1
м
G
J
k
4,
2
P




,
3408,0
172,56
84
,2
017
,1
4,
2
P
2
1
м





Вт.
Электрические потери в обмотке ВН
2
м
2
2
2
д
2
м
G
J
k
4,
2
P




,
3981,87
273,11
41
,2
1,041
4,
2
P
2
2
м





Вт.
Плотность теплового потока обмотки НН
01
1
м
1
П
P
q 
,
597,91
5,700
3408,0
q
1


Вт/м.
Плотность теплового потока обмотки ВН
02
2
2
П
P
q
м

,

---

Page 18

19
711,72
5,595
3981,87
q
2


Вт/м.
Расчёт электрических потерь в отводах
а. Сечение отводов
НН
П
отв
= 107,0 мм
2
ВН
П
отв
= 25,1 мм
2
б. Длинна проводов отводов
НН
735,80
56
,
52
14
l
k
l
отв





см;
ВН
394,18
56
,
52
5,
7
l
k
l
отв





см;
в. Масса отводов
8
отв
отв
отв
10
П
l
G





,
НН
7,007
10
8900
107
735,80
G
8
отв






кг;
ВН
0,881
10
8900
1,
25
394,18
G
8
отв






кг;
г. Электрические потери в отводах
отв
2
отв
G
J
k
P



,
НН
136,06
7,007
84
,2
4.
2
P
2
1
отв




Вт;
ВН
12,33
0,881
41
,2
4.
2
P
2
2
отв




Вт;
Потери в стенках бака и других стальных деталях
94,5
630
015
,0
10
S
k
10
P








Вт
Полные потери короткого замыкания






P
P
P
P
P
P
2
отвм
1
отвм
2
м
1
м
k
,
7632,75
94,5
12,33
136,06
3981,87
3408,00
P
k






Вт.
0,43
%
100
7600
7600
7632,75
P
k





% .

---

Page 19

20
8. Определение напряжения короткого замыкания
.
Активная составляющая к.з.
S
10
P
U
k
a

,
1,21
630
10
7632,75
U
a



%.
Реактивная составляющая напряжения к.з.
2
в
p
p
p
U
k
a
`S
f
9.
7
U







,
l
a
a
a
d
)
2
2
(
12
1
01






,
82
,1
56
,
52
)9,
0
3,
3
2
5,
1
2
20
(









;
3
2
1
12
a
a
a
a
p



,
3,299
3
896
,3
3,
3
9,
0
a
p




см;
l
а
а
а
k
p






2
1
12
1
,
0,951
56
,
52
896
,3
3,
3
9,
0
1
k
p






;
5,31
452
,9
951
,0
3,299
82
,1
210
50
9.
7
U
2
p







% .
Напряжение короткого замыкания трансформатора
2
2
p
a
k
U
U
U


,
5,44
5,31
1,21
U
2
2
k



% .
-0,9
100%
5,
5
5,
5
44
,5
U
k





% .

---

Page 20

21
9. Определение механических сил в обмотках
Механические силы возникают в результате взаимодействия тока в обмотках с магнитным
полем рассеяния, создают механические напряжения в обмотках и частично передаются на
элементы конструкции трансформатора.
При нормальной работе трансформатора эти силы не велики, однако в режиме короткого
замыкания, которое сопровождается увеличением токов в обмотках в десятки раз по сравнению с
номинальными токами, эти силы возрастают в сотни раз и способны привести к разрушению
обмотки, к деформации или разрыву витков или к разрушению опорных конструкций.
Силы, действующие на обмотки трансформатора, как показано на рис. 9.1, можно разделить на
радиальные и осевые. Радиальные силы Fр возникают в результате взаимодействия различных
обмоток. Эти силы внешнюю обмотку растягивают, а внутреннюю - сжимают. Осевые силы Foс
возникают в результате взаимодействия элементов одной обмотки и сжимают обмотку в одном
направлении. Как видно из рис.9.1, осевые силы зависят от взаимного расположения обмоток.
Осевые силы оказывают давление на межкатушечную, межвитковую и опорную изоляцию
обмотки, для которой должна быть обеспечена прочность на сжатие. Прочность металла проводов
при сжатии в этом случае считается достаточной.
Радиальные силы, как уже отмечалось, оказывают различное воздействие на наружную и
внутреннюю обмотки трансформатора. Они наиболее опасны для проводов внутренней обмотки,
испытывающих сжатие и изгибающихся под действием радиальных сил в пролетах между
рейками, на которых намотана обмотка.
а) при одинаковой высоте обмоток
б) при укороченной наружной
в) радиальных сил на катушки обмоток
Рисунок 9.1 – Действие осевых и радиальных сил на обмотки
Действующее значение установившегося тока короткого замыкания
k
ф
ку
U
I
I
100

,
Обмотка НН
5588,08
5,44
100
34
,
304
I
1
ку



А

---

Page 21

22
Обмотка ВН
1113,07
5,44
100
62
,
60
I
2
ку



А
Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания
ку
т
кт
I
k
i


 2
,
где

т
k
коэффициент учитывающий апериодическую составляющую тока к.з.
p
а
U
U
т
e
1
k




,
1,488
e
1
k
5,31
1,21
т






.
Обмотка НН
11763,12
5588,08
1,488
2
i
1
кт




А.
Обмотка ВН
2343,05
1113,07
1,488
2
i
2
кт




А.
Радиальная сила действующая на обмотки
6
p
2
кт
p
10
k
)
w
i(
628
.0
F







,
Обмотка НН
802850,9
10
82
,1
951
,0
)
73
11763,12
(
628
.0
F
6
2
1
p








Н .
Обмотка ВН
805078,5
10
82
,1
951
,0
)
367
2343,05
(
628
,0
F
6
2
2
p








Н .
Напряжение сжатия от радиальной силы во внутренней обмотке НН
1
1
1
p
сжp
П
w
2
F




,
16,36
107
73
2
802850,9
сжp






МПа
Осевая сила
p
p
oc
F
l2
a
`
F 
,
Обмотка НН
25194,91
802850,9
56
,
52
2
3,299
`
F
1
oc




Н.
Обмотка ВН
25264,81
805078,5
56
,
52
2
299
,3
`
F
2
oc




Н.
Осевая сила
p
p
x
oc
F
k
m
"l
l
''F




,
2
d
B
''l


,
19
,9
5
20
19
,
39
)
20
15
(
"D
B
2






см
19,59
2
20
59,19
''l



см

---

Page 22

23
Обмотка НН
94781,76
802850,9
951
,0
4
19,59
8,8
''F
1
oc





Н.
Обмотка ВН
95044,74
805078,5
951
,0
4
19,59
8,
8
''F
2
oc





Н.
Сжимающая сила
Обмотка НН
119976,67
94781,76
25194,91
"F
'F
F
1
oc
1
oc
1
СЖ





Н.
Обмотка ВН
0
F
2
СЖ
 ,
69779,93
25264,81
-
95044,74
'F
"F
F
2
oc
2
oc
Я




Н.
Напряжение сжатия на опорных поверхностях
2
П
П
CЖ
сж
10
b
a
n
F





,
где -

П
n
число прокладок по окружности обмотки;

а
радиальный размер обмотки, см;

П
b
ширина прокладки (4 – 6 см).
Обмотка НН
7,57
10
6
3,
3
8
119976,67
2
1
сж







МПа. < 18 МПа
Обмотка ВН
3,73
10
6
896
,3
8
69779,93
2
2
сж







МПа <18 МПа
Конечная температура обмотки
н
k
2
k
k
km
Q
t
J
U
5.
12
t
670
Q









,
Обмотка НН
154,07
90
4
84
,2
5,44
5.
12
4
670
Q
2
km












0
С.
Обмотка ВН
134,99
90
4
41
,2
5,44
5.
12
4
670
Q
2
km












0
С.

---

Page 23

24
Время, в течение которого медная обмотка достигает температуры 250
0
С.
2
k
k
J
U
5.
2
t







,
Обмотка НН
9,17
84
,2
44
,5
5.
2
t
2
1
k









с.
Обмотка ВН
12,71
41
,2
44
,5
5.
2
t
2
2
k









с.

---

Page 24

25
10. Определение размеров магнитной системы
Сечение стержня представляет собой ступенчатую фигуру, симметричную относительно
взаимоперпендикулярных осей. Форма сечения ярма повторяет форму сечения стержня, за
исключением нескольких крайних пакетов, которые объединяются в один пакет для увеличения
опорной поверхности ярмовых балок. Прямоугольная форма сечения ярма не рекомендуется для
плоских магнитных систем, собираемых из пластин холоднокатаной анизотропной стали, т.к.
приводит к увеличению расхода стали и возрастанию добавочных магнитных потерь.
Площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня
288,4
П
фс

см
2
Площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения ярма
296,2
П
фя

см
2
4811
V
у

см
3
Активное сечение стержня
276,86
288,4
96
,0
П
k
П
фс
з
c





см
2
Активное сечение ярма
284,35
296,2
96
,0
П
k
П
фя
з
я





см
2
Длина стержня
58,56
)0,
3
0,
3(
56
,
52
``)
`
(
0
0







l
l
l
l
c
см
Расстояние между осями соседних стержней
40,19
0,
1
19
,
39
a
D
C
22
2






см.
Принимаем
5,
40
C 
см.
Рисунок 10.2 – К определению размеров плоской магнитной системы

---

Page 25

26
11. Расчёт массы магнитной системы
Масса стали в стержнях и ярмах плоской шихтованной магнитной системы определяется
путем суммирования масс прямых участков и углов. Углом магнитной системы называется ее
часть, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых призматических
поверхностей одного из ярм и одного из стержней.
Рисунок 11.1 – К определению объёма одного угла плоской магнитной системы.
Масса стали угла при многоступенчатой форме сечения
35,33
10
65
,7
4811
96
,0
V
k
G
3
ст
у
з
у









кг
Массы частей ярм заключённых между осями крайних стержней
352,40
10
65
,7
284,35
5,
40
)1
3(
2
П
C
)1
c(
2
`
G
3
ст
я
я














кг
Массы стали в частях ярм заштрихованных на рис 10.2
70,66
33
,
35
2
G
2
``
G
у
я





кг
Полная масса двух ярм
423,06
70,66
352,40
``
G
`
G
G
я
я
я





кг
Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы
372,07
10
65
,7
58,56
276,86
3
l
П
с
`
G
3
ст
c
c
c












Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма (заштриховано на рис 11.1)
17,91
)
33
,
35
10
65
,7
5,
19
86
,
276
(
3
)
G
a
П
(
C
``
G
3
у
ст
я
1
c
c














кг
Масса стали стержней при многоступенчатой форме сечения ярма
389,98
17,91
372,07
``
G
`
G
G
c
c
c





кг
Полная масса стали плоской магнитной системы
813,04
423,06
389,98
G
G
G
я
c
cт





кг

---

Page 26

27
12. Потери холостого хода трансформатора
Режим работы трансформатора при питании одной из его обмоток от источника переменного
напряжения при разомкнутой второй обмотке называется режимом холостого хода. Потери,
возникающие в трансформаторе в режиме холостого хода при номинальном напряжении на
первичной обмотке и номинальной частоте, называются потерями холостого хода. Основную
часть потерь холостого хода составляют магнитные потери - потери в активной стали магнитной
системы, которые могут быть разделены на потери от гистерезиса и вихревых токов.
В практике при частоте 50 Гц обычно определяют магнитные потери, не разделяя их, и
пользуются экспериментальными зависимостями удельных потерь в стали от величины индукции.
Данные экспериментальных исследований потерь в стали обычно сводятся в таблицы.
Потери холостого хода трансформатора с плоской шихтованной магнитной системой, собранной
из пластин, определяются ее конструкцией, массой стали отдельных участков системы, индукцией
на каждом из этих участков, качеством стали, толщиной пластин и технологией изготовления и
обработки пластин.
Потери холостого хода



















nш
nn
nя
з
з
з
у
nуг
я
с
у
я
я
я
c
с
nз
np
x
k
k
k
]
П
n
p
)
G
k
2
p
p
G
p4
`
G
p
G
p(
k
k[
P
,
Индукция в стержне
1,54
10
276,86
50
44
,4
452
,9
П
f
44
,4
U
B
4-
c
в
с








Тл
Индукция в ярме
50
,1
10
284,35
50
44
,4
452
,9
П
f
44
,4
U
B
4-
я
в
я








Тл
Индукция для косых стыков
09
,1
2
54
,1
2
B
В
B
с
кос
з




Тл .
Коэффициент удельных потерь
ср
.
пу
кр
.
nу
nу
k
25
,1
2
k
4
k





,
10,45
02
,2
25
,1
2
35
,1
4
k
nу







---

Page 27

28
Коэф-ты для вычисления потерь х.х.( отожженная сталь 3404 толщиной 0.3 мм , без заусенцев,
шихтована в две пластины):
К
n.p.
= 1,05
К
n.n.
= 1,03
К
n.Я.
= 1
К
n.з.
= 1
К
n.ш.
= 1,02
Из табл.5 принимаем удельные потери
р
с
= 1,11 Вт/кг
р
Я
= 1,03 Вт/кг
р
зс
= 906 Вт/м
2
р
ЗЯ
= 850 Вт/м
2
р
ЗК
= 460 Вт/м
2
Вт
1305,98
02
,1
03
,1
1
]
10
460
2
276,86
4
10
850
284,35
2
10
906
276,86
1
)
33
,
35
45
,
10
2
03
,1
11
,1
33
,
35
03
,1
4
352,40
03
,1
389,98
11
,1(
1
05
,1[
P
4
4
4
x































-0,3
%
100
1310
1310
1305,98
P
x





%

---

Page 28

29
13. Определение тока х.х.
Ток первичной обмотки трансформатора при холостом ходе при номинальном синусоидальном
напряжении и номинальной частоте называется током холостого хода.
При расчете тока холостого хода трансформатора отдельно определяют его активную и
реактивную составляющие.
Обычно определяют не абсолютное значение тока холостого хода и его составляющих, а их
относительное значение по отношению к номинальному току трансформатора i
о
, i
оа
i
oр
-, выражая в
процентах от номинального тока.
Активная составляющая тока холостого хода обусловлена наличием потерь холостого хода.
Активная составляющая тока холостого хода
0,207
6300
1305,98
S
10
P
i
x
a
0



%
Потери холостого хода


















тш
тn
з
з
з
у
ту
я
с
у
я
я
я
c
с
тз
тp
x
k
k
]
П
n
q
)
G
k
2
q
q
G
q4
`
G
q
G
q(
k
k[
Q
,
Коэф-ты для вычисления намагничивающей мощности:
К
m.p.
= 1,18
К
m.n.
=1,045
К
m.з.
= 1,0
К
m.ш.
= 1,02
К
m.y.
= 42 Тл
Из табл. 10 принимаем удельные намагничивающие мощности:
q
с
= 1,431 ВА/кг
q
Я
= 1,289 ВА/кг
q
зс
= 19320 ВА/м
2
q
ЗЯ
= 16600 ВА/м
2
q
ЗК
= 6260 ВА/м
2
.
А
В
6203,93
02
,1
045
,1
]
10
6260
2
276,86
4
10
16600
284,35
2
10
19320
276,86
1
)
33
,
35
42
2
289
,1
431
,1
33
,
35
289
,1
4
352,40
289
,1
389,98
431
,1(
0,
1
18
,1[
Q
4
4
4
x



































Реактивная составляющая тока холостого хода
0,985
6300
6203,93
S
10
Q
i
x
p
0



% .
Ток холостого хода
1,01
0,985
0,207
i
i
i
2
2
2
p
0
2
a
0
0





% .
-49,6
%
100
2,0
2,0
-
1,01
i
0




%

---

Page 29

30
14. Тепловой расчёт трансформатора
Тепловой расчет трансформатора проводится после завершения электромагнитного и
механического расчетов его обмоток и расчета магнитной системы. При правильном выборе
электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих
масляных каналов внутренние температуры в обмотках и магнитной системе оказываются не
выше допустимых значений.
Порядок теплового расчета трансформатора следующий.
1.Поверочный тепловой расчет обмоток.
2.Расчет допустимого среднего превышения температуры стенки бака над окружающим
воздухом.
3.Определение размеров и числа конструктивных элементов: гладких стенок бака, труб,
охладителей.
4.Окончательный расчет превышений температуры стенок бака и масла над окружающим
воздухом.
При получении превышений температуры, отличающихся от допустимых, производится
корректировка охлаждающей поверхности путем увеличения или уменьшения числа или размеров
охлаждающих элементов.
15. Поверочный тепловой расчёт обмоток
Прежде всего, необходимо определить внутренний перепад температуры в обмотке.
Внутренний перепад температуры в обмотках
Обмотка НН:
0,879
17
,0
10
25
,0
91
,
597
q
Q
3
из
1
01








0
С
Обмотка ВН:
0,100
4,
0
4,
0
44
,0
d
d
'd
2
2
2
2






Средняя условная теплопроводность обмотки без учёта межслойной изоляции
0,768
0,100
7,
0
17
,0
7,
0
из








Вт/м
о
С
.
Средняя теплопроводность обмотки
0,607
44
,0
17
,0
036
,0
0,768
)
036
,0
44
,0(
17
,0
0,768
d
)
d(
мс
мс
мс
мс
2
cp

















Вт/м
о
С.

---

Page 30

31
Потери в 1 м общего объёма обмотки ВН
74865,12
4,
4
)
36
,0
4,
4(
10
0,
4
41
,2
68
,1
d)
`d
(
10
d
J
k
p
4
2
2
2
2
мсл
2
4
2
2
2
2
p
2
м











Вт/м
3
Внутренний перепад температуры в обмотке ВН
1,868
)1
4(
036
,0
4
44
,0
)1
'n
(
'n
'd
'a
2
сл
МСЛ
2
сл
2
2












5,383
0,607
8
10
1,868
74865,12
8
10
'a
p
Q
4
2
2
cp
4
2
2
2
м
02











0
С
Средний перепад температуры обмотки НН
0,586
0,879
3
2
Q
3
2
Q
01
СР
01




0
С
Средний перепад температуры обмотки ВН
3,589
5,383
3
2
Q
3
2
Q
02
cp
02




0
С
Перепад температуры на поверхности обмотки НН
16,95
91
,
597
35
.0
95
,0
1,
1
q
к
к
Q
6.
0
6.
0
1
2
1
м
01








0
С
Перепад температуры на поверхности обмотки ВН
17,11
72
,
711
35
,0
95
,0
0,
1
q
к
к
Q
6.
0
6.
0
2
2
1
м
02








0
С
Превышение средней температуры обмоток над температурой масла
НН:
17,54
16,95
0,586
Q
Q
Q
м
01
cp
01
мср
01





0
С
ВН:
20,70
17,11
3,589
Q
Q
Q
м
02
cp
02
мср
02





0
С

---

Page 31

32
16 Тепловой расчёт бака
Бак с навесными радиаторами
Охлаждаемая поверхность бака с радиаторами образуется главным образом развернутой
поверхностью радиатора. Эта конструкция позволяет получить значительно больше поверхности
охлаждения, чем конструкция трубчатого бака при одинаковых внутренних его размерах. Число
радиаторов и их расположение определяются необходимой поверхностью охлаждения и
необходимостью получить наименьший общий габарит бака.
В конструкции радиатора обычно имеется два коллектора -прямоугольной или другой
формы, в которые ввариваются своими верхними и нижними концами трубы. Радиатор фланцами
своих коллекторов присоединяется к баку трансформатора. Возможно применение труб различной
формы и размеров и различные способы сочетания их с коллекторами.
Навесной радиатор с прямыми трубами при естественном движении охлаждающего воздуха
находит применение в широком диапазоне мощностей трансформаторов - от 100 до 6300 кВ-А.
Прямые трубы круглого или овального сечения ввариваются своими концами в нижний и верхний
коллекторы радиатора.
Для определения требуемой величины поверхности конвекции бака со всей системой
охлаждения необходимо рассчитать среднее превышение температуры стенки бака над
окружающим воздухом
,
Q
Q
Q
мб
мв
бв


Среднее превышение температуры масла, омывающего обмотки.
44,30
20,70
65
Q
65
Q
мср
02
мв





0
С
39,30
5
44,30
Q
бв



0
С.
60
53,16
60
)5
39,30
(
2,
1
60
)
Q
Q(
мб
бв







0
С
Рисунок 16.1 – Основные размеры бака

---

Page 32

33
Внутренние размеры бака:
Минимальная ширина
51,99
5,
1
2
3,
3
0,
2
2
2
19
,
39
d
s
s
d
s
s
D
B
2
4
3
1
2
1
2
















см.
Минимальная длина бака
6,8
5,
1
2
3,
3
d
S
S
S
2
4
3
5







см
133,79
8,
6
2
,16
19
,9
3
5,
40
2
s
2
D
C
2
A
5
2












см.
Высота активной части
102,55
5
5,
19
2
56
,
58
n
h2
l
H
я
c
ач








см .
Общая глубина бака
118,55
16
102,55
H
H
H
як
ач





см .
Предварительная поверхность излучения для бака овального сечения
7,75
10
0,
2
118,55
]
51,99
)
51,99
133,79
(
2[
10
k
Н
]В
)B
A(
2[
П
4
4
и



















м
2
Площадь конвекции бака


29,46
7,75
12
,1
39,30
5,
2
75
,
7632
98
,
1305
05
,1
П
12
,1
Q
5,
2
P
05
,1
П
25
.1
и
25
,1
бв
к













м
2
Площадь конвекции крышки бака
0,64
10
]
4
51,99
51,99
)
51,99
133,79
[(
10
]
4
В
В
)B
A
[(
П
4
2
4
2
КР















м
2
Периметр гладкого бака, см
3,269
10
)
51,99
)
51,99
133,79
(
2
10
)B
)B
A
(
2(
P
2
2
















м.
Параметры радиатора
140
А
Р

см;
5,
50

р
В
см;
3,
25

р
С
см.
Минимальная глубина бака для установки радиаторов
167,5
19
5,
8
140
19
5,
8
А
Н
Р
Р







см.
Уточняем размеры бака
134
'A
см;
164,99
)6
5,
50
(
2
51,99
)6
B(
2
В
'В
р









см;
Принимаем
165
'В
см;
202
'Н
>
34
Н
р

см.

---

Page 33

34
Поверхность гладкого бака, м
2
6,604
)
10
202
(
3,269
'H
P
П
2
гл








м
2
Поверхность конвекции радиаторов, м
2









22,543
64
,0
5,
0
6,604
29,46
П
5.
0
П
П
П
kp
гл
k
p
м
2
.
Данные для радиаторов принимаем из табл. 20,19:
П
K.ТР.
= 4,333 м
2
П
K.K.
= 0,34
м
2
К
ф
= 1,26
Поверхность конвекции радиатора приведённая к гладкой стенке
5,80
34
,0
26
,1
333
,4
П
к
П
П
к.
к
ф
тр
.к
p







м
2
Необходимое число радиаторов
3,88
5,80
22,543
П
П
n
р
р
p




шт.
Принимаем 5 трубчатых радиатора с прямыми трубами в два ряда.
Полная поверхность конвекции бака с радиаторами
.
м
30,12
5,8
4
5,
0
64
,0
6,604
П
n
5,
0
П
П
П
2
кр
P
кр
гл
k











Уточнённая поверхность излучения для бака овального сечения
.
м
18,43
10
0,
2
202
]
165
)
165
134
(
2[
10
k
Н
]В
)B
A(
2[
П
2
4
4
и




















---

Page 34

35
17.Окончательный расчёт превышений температуры обмоток и масла
После окончательного установления размеров бака и определения поверхностей
излучения и конвекции необходимо подсчитать действительные превышения температуры
обмоток и масла над температурой воздуха. Подсчет производится для потерь, повышенных на 5%
в сравнении с расчетным значением Рх + Рk при индивидуальном расчете трансформатора. В этом
случае среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха
определяется выражением
31,27
30,12
5,
2
18,43
8.
2
)
75
,
7632
98
,
1305
(
05
,1
П
5,
2
П
8,
2
)
P
P(
05
,1
Q
8.
0
8.
0
k
и
k
x
бв

























0
С.
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака может быть
приближенно подсчитано по эмпирической формуле:
6.
0
К
k
x
1
мб
П
)
P
P(
165
,0
k
Q










,
5,02
30,12
)
75
,
7632
98
,
1305
(
165
,0
Q
6.
0
мб










0
С
Превышение масла в верхних слоях над воздухом
),
Q
Q(
Q
мб
бв
мвв



Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха
Обмотка НН:
бв
мб
м
01
cp
01
в
01
Q
Q
Q
Q
Q




,
.C
65
53,83
27
,
31
02
,5
95
,
16
586
,0
Q
o
в
01






Обмотка ВН:
бв
мб
м
02
cp
02
в
02
Q
Q
Q
Q
Q




,
.C
65
56,98
27
,
31
02
,5
11
,
17
589
,3
Q
o
в
02






С
60
43,55
)
5,02
27
,1
3(
2,
1
Q
о
мвв






---

Page 35

36
Список литературы
1. Сапожников А. В. Конструирование трансформаторов. - М. - Д.: Госэнергоиздат, 1959 -С.360.
2 Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1986 -С 528.
3. Булгаков Н. И. Расчет трансформаторов. - М.: 1950. - С.230