Расчет трансформатора

Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

Омский государственный университет  путей сообщения

ОмГУПС (ОмИИТ)

 

 

 

Кафедра  «Электрические машины и  общая электротехника»

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка 

к курсовому  проекту 

’’ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА’’

 

 

 

 

 

                                                 Разработал

студент группы СЭ-5216

_____Е. Е. Юраев

____________

Руководитель

Профессор

_____В.В.  Харламов 

____________       

 

 

 

 

 

Омск 2005

Исходные данные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант 16

 

Исходные данные по курсовому проекту  выдаются на кафедре ‘’Электрические  машины’’.

Проектируется трансформатор со следующими параметрами:

• мощность трансформатора S_Н = 4000 кВА;
• линейное напряжение на первичной стороне U₁ = 35 кВ;
• линейное напряжение на вторичной сторне U₂ = 6 кВ;
• напряжение короткого замыкания Uк=7.5% (+;-5%);
• потери холостого хода Po=5300 Вт(+;-10%);
• потери короткого замыканияPк=33500Вт(+;-20%);
• соединение обмоток – Y/Д;
• материал обмоток – алюминий;
• ток холостого хода – 0,9%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

УДК 62.314.21

Курсовая работа содержит 45 страниц, 10 рисунков , 3 таблицы, 
4 источника.

 

Трехфазный трансформатор, магнитная  система, обмотка высокого напряжения, обмотка низкого напряжения, напряжение короткого замыкания, потери короткого замыкания, потери холостого хода, масляный бак, ввод трансформатора, расширительный бачок.

          

Объектом исследования является трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор.

Цель работы – ориентировочный  расчет основных параметров трехфазного  двухобмоточного силового трансформатора, отвечающего заданным техническим условиям.

В данной работе произведен расчёт трансформатора, выбор материала  обмоток, типа обмоток, типа магнитной системы. Приведён конструктивный расчёт обмоток, расчёт напряжения короткого замыкания, потерь холостого хода и короткого замыкания. Рассчитан магнитопровод плоской магнитной системы. Уточнены сечения стержня и ярма, приведён расчёт намагничивающей мощности и тока холостого хода. В ходе теплового расчёта уточнены температуры масла и обмоток при работе трансформатора. Определена необходимая поверхность охлаждения и количество навесных радиаторов. Выполнен сборочный чертёж трансформатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

 

Трансформатором называется статистическое электромагнитное устройство, имеющие две или более связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Назначение силовых  трансформаторов – преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.

Определяя место силового трансформатора в электрической  сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные  мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформаторов и потери, отнесенные к единицы мощности,  а также цена 1кВт возрастают.  Поэтому значительная часть материалов расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т. е. в трансформаторы с ВН 35 кВ и 10кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

Потери х. х. трансформатора являются постоянными, не зависят от тока нагрузки и возникают в его  магнитной системе в течение  всего времени, когда он включен  в сеть. Потери к. з. Изменяются с изменением тока нагрузки и зависят от графика нагрузки трансформатора. Характер суточного или годового графика нагрузки трансформатора зависит от его места в сети и характера нагрузки – промышленная, бытовая, сельскохозяйственная и т. д.

При проектировании трансформатора должно быть обеспечено соответствие действующим стандартам, а также современным требованиям к электрической и механической прочности, нагревостойкости обмоток, экономичности работы трансформатора.

Задача построения трансформатора, отвечающего приведенным требованиям, наиболее простого и дешевого в производстве, может быть решена путем рационального выбора конструкции, размеров и материала отдельных его частей; правильного выбора основных электромагнитных нагрузок: индукции в стержнях трансформатора и плотности тока в его обмотках.

Таким образом, расчет трансформатора тесно связан с его конструированием.  Поэтому, прежде чем приступить к работе вообще и расчету какого-либо узла в частности, следует подробно познакомиться с современными требованиями и тенденциями в области конструкции, достоинствами и недостатками того или иного решения. Достаточно подробно эти вопросы рассматриваются в пособии П. М. Тихомирова «Расчет трансформаторов» [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Предварительный расчёт основных параметров

 

1.1. Выбор типа магнитной  системы

 

Конструктивной основой  трансформатора является его магнитная  система (магнитопровод, сердечник). Выбираем магнитную систему плоскую, c четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне. План шихтовки данной магнитной системы представлен на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Плоская магнитная система

 

 

Стержни и ярмо трансформаторов  выполняются ступенчатыми с целью наибольшего заполнения площади круга сталью. Отношение - сечения стали к общей площади круга учитывается в расчете коэффициентом круга k_КР. Число ступеней и ориентировочные диаметры стержней современных трансформаторов приведены в таблице 1.1. [2]. По исходным данным   таблицы 1.1. [2] принимаем:

Ориентировочный диаметр  стержня d = 340 – 350 мм;

Число ступеней в сечении  стержня 9;

Коэффициент круга k_КР = 0,913.

Число ступеней ярма для  заданного ряда мощностей  можно  принять равным числу ступеней стержня  Принимаем что, стержни прессованы бандажами из стеклоленты.

 Сечение ярма трансформатора  увеличено по сравнению с сечением  стержня на 1 – 5%. Из  таблицы 1.2. [2] принимаем k_Я = 1,025.

 

 

1.2 Выбор марки стали  и индукции в стержне

 

В современном трансформаторостроении используется холоднокатаная текстурованная сталь толщиной 0,35 или 0,3 мм марок 3404, 3405, 3406, 3408 по ГОСТ 21427.1 – 83. В /1/ приведены характеристики стали 3404 и 3405. Использование стали с толщиной листа 0,5 мм не рекомендуется в связи с увеличением потерь холостого хода. Выбираем  холоднокатаную неотожженую сталь 3407 с толщиной листа 0,30 мм.

Для предотвращения возникновения  мощных вихревых токов отдельные  листы стали изолируются друг от друга, что приводит к изменению  активного сечения стали по сравнению с сечением фигуры стержня (ярма). Это учитывается при расчёте введением коэффициента заполнения пакета сталью k_З = 0,945, который зависит от толщины листов стали, вида изоляции, сжатия пластин и наличия механических дефектов – волнистости и коробоватости.

Общий коэффициент заполнения сталью круга, описанного около стержня, найдём как произведение:

, (1.1)

 

 

Величина расчётной  индукции в стержне В_С существенно влияет на технико-экономические параметры трансформатора. Уменьшение индукции способствует снижению потерь и, следовательно, эксплуатационных затрат, но приводит к увеличению габаритов трансформатора, массы стали и обмоток, то есть к увеличению стоимости трансформатора. Увеличение расчётной индукции, напротив, позволяет сэкономить активные материалы, но вызывает увеличение потерь х. х., величины намагничивающего тока. Согласно рекомендациям [2]  принимаем индукцию в стержне В_С = 1,55 Тл.

 

 

1.3. Расчёт основных  электрических величин

 

Расчёт трансформатора начинаем с определения основных электрических величин: мощности на одну фазу и стержень, номинальных линейных и фазовых токов и напряжений обмоток ВН и НН [1, с. 97 – 99]. За первичную обмотку в дальнейшем принимаем обмотку НН, расположенную ближе к стержню, при этом будем придерживаться следующей индексации: 1 – относится к обмотке НН, 2 – к обмотке ВН.

 

Номинальный (линейный) ток  обмотки ВН и НН трёхфазного трансформатора, А:

     (1.4)

 

где  U – номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки ВН и НН, В. 

А, 

 

А.

Фазный ток обмотки  одного стержня трёхфазного трансформатора, А:

- обмотка НН (Д):

   (1.5)

 

А, 

 

- обмотка ВН (Y):

  (1.6)

 

                                 А.  

 

Фазное напряжение трёхфазного  трансформатора, В:

     - обмотка  НН

,                                               (1.7)

 кВ,

     - обмотка  ВН

                      (1.8)

В.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность  определить активную составляющую напряжения короткого замыкания, %:

 

,                        (1.9)

Реактивная составляющая при заданном u_K определяем по формуле, %:

 

,                                        (1.10)

.

 

1.4. Испытательные напряжения  и основные изоляционные промежутки

 

Для обеспечения необходимой  электрической прочности трансформатора необходимо найти минимальные допустимые расстояния между элементами обмоток  и заземлёнными деталями конструкции. К таким промежуткам относятся расстояния (рисунок 1.2) от стержня до обмотки НН (а₀₁), между обмотками НН и ВН (а₁₂), между обмотками ВН двух соседних фаз (а₂₂), между торцевой стороной обмотки и ярмом (l₀₂) и другие.

 

Таблица 1.1 – Минимальные  изоляционные промежутки при Sн 2500кВА

Обозначение
Расстояние, Мм	17,5   17,5	27	75	30

 

 

Рисунок 1.2 – изоляционные расстояния

1.5. Соотношения между  основными размерами трансформатора

 

Основным критерием, определяющим соотношение между средней длиной витка обмоток и их высотой, является параметр:

                                                       ,                                                      (1.11)

где  d₁₂ – средний диаметр канала между обмотками ВН и НН, мм;

        l – высота обмотки, мм.

  Выбираем  b = 1,35. Принятая величина b во многом определяет технико-экономические показатели трансформатора. Так, например, с ростом b  масса металла стали в стержнях уменьшается, а масса стали в ярмах и общая масса стали возрастают. Увеличение массы стали приводит при неизменной индукции В_С к увеличению потерь и тока х. х. Вместе с тем уменьшение массы металла обмоток с ростом b уменьшает их стоимость и упрощает технологию намотки.

 

 

1.6. Определение основных  размеров трансформатора

 

Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня является одним из его основных размеров ( рисунок 1.3).

Вторым основным размером трансформатора является осевой размер l (высота) его обмоток. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками d₁₂, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток а₁ и а₂ и осевого канала между ними а₁₂

Диаметр стержня определяем по формуле, мм:

                                            ,                                         (1.12)

где  S – номинальная мощность, кВ×А;

b - параметр из п. 1.5;

f – частота 50 Гц;

u_P – реактивная составляющая напряжения к. з., %;

В_С – индукция в стержне, Тл;

k_C – коэффициент заполнения сталью площади круга (1.1):

k_Р – коэффициент приведения реального поля рассеяния к прямоугольному (коэффициент Роговского) , который на стадии предварительного расчёта принимаем равным 0,95;

а_Р – ширина приведённого канала рассеяния в предварительном расчёте, мм:

,                                (1.13)

где,  k – коэффициент из [1, табл. 3.3] принимаем равным 6,25;

а₁₂ – изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН:

 

а₁₂ = 27 мм.

мм

 

Рисунок 1.3 – Основные размеры трансформатора

 

Формула (1.12) даёт ориентировочную величину диаметра стержня. По нормализованной шкале диаметров стержней приведённой в [1, с. 87 –89] принимаем d = 320 мм.

По принятому нормализованному диаметру пересчитываем параметр:

,                                               (1.14)

и среднюю длину витка  обмотки (средний диаметр канала между обмотками), мм:

,                (1.15)

 

Высота обмотки, мм:

,                                              (1.16)