СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ
1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
2.РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА
2.1. Выбор конструктивной схемы магнитной системы, марки стали и толщины листьев, технологии изготовления
2.2. Выбор материала и конструкции обмоток
2.3. Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
2.4. Определение основных размеров трансформатора
3.РАСЧЕТ ОБМОТОК НН и ВН
3.1. Общие вопросы расчёта обмоток
3.2. Расчёт обмоток НН
3.2.1. Расчёт цилиндрических обмоток из прямоугольного провода
3.2.2. Расчёт цилиндрической многослойной обмотки из алюминиевой ленты
3.3. Расчёт обмоток ВН
3.3.1.Расчёт цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода
3.3.2.Расчёт многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода.
4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
4.1. Определение потерь короткого замыкания
4.2. Расчёт напряжения короткого замыкания
4.3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
4.3.1.Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании
4.4. Способы снижения сил в обмотках при коротком замыкании
5.ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ
5.1. Определение размеров магнитной системы
5.2. Определение потерь холостого хода
5.3. Расчет тока холостого хода
6.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ И РАСЧЕТ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
6.1. Проверочный тепловой расчёт обмоток
6.2. Тепловой расчёт бака
7.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ОСНОВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Введение
Трансформаторы - весьма распространенные электромагнитные аппараты для преобразования электрической энергии переменного тока с одними параметрами в электрическую энергию переменного тока с другими параметрами без изменения частоты.
Силовые трансформаторы являются важнейшими элементами электрической сети, где производятся многократные преобразования параметров электрической энергии, и в стоимости электрических сетей большую долю составляют стоимости трансформаторов. Примерно 40% от суммарных потерь электроэнергии в электрической сети составляют потери в трансформаторах. Поэтому при проектировании большое внимание следует уделять вопросам снижения потерь в трансформаторах и стоимости трансформаторов.
Выполнение условий задания на проектирование возможно лишь с использованием новых электротехнических и изоляционных материалов, современных технологий проектирования, изложенных в рекомендуемой литературе.
Курсовой проект должен иметь две взаимосвязанных части:
- расчетно-пояснительную записку;
- графическую часть.
Расчетно-пояснительная записка должна содержать:
- введение;
- задание на курсовой проект;
- реферат;
- расчетную часть;
- заключение;
- список использованной литературы;
- содержание.
Расчетно-пояснительная записка выполняется согласно требованиям ЕСКД к текстовым документам. В качестве образца можно использовать оформление этих методических указаний.
Графическая часть выполняется на листе формата А1 и должна содержать чертежи общего вида трансформатора в трех проекциях с необходимыми размерами и сечениями, основную надпись и спецификацию, выполняемые в соответствии с ЕСКД.
Расчет трансформатора осуществляется в 2 этапа: предварительный и окончательный. На этапе предварительного расчета определение некоторых размеров и параметров осуществляется по упрощенным выражениям с использованием коэффициентов, полученных из практики проектирования. При окончательном расчете, который производится после выбора конструкции и определения размеров элементов трансформатора, проверки и подгонки к заданной норме параметров короткого замыкания, уточняются основные размеры и параметры трансформатора. Для снижения трудоемкости расчетов схему их выполнения необходимо строить так, чтобы заданные параметры учитывались и подгонялись на ранних стадиях расчета.
1. Определение основных электрических величин
К основным электрическим величинам, значения которых используются в расчетах трансформаторов, относятся:
- мощности на одну фазу и на стержень;
- номинальные линейные токи обмоток высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН);
- номинальные фазные токи и напряжения обмоток ВН и НН;
- активная и реактивная составляющие напряжения короткого замыкания;
- испытательные напряжения для элементов обмоток ВН и НН.
Эти электрические величины определяются по нижеприводимым формулам.
Мощность одной фазы трансформатора
где – номинальная мощность трансформатора, кВ·А;
– число фаз.
Мощность на одном стержне
где с – число активных (несущих обмоток) стержня магнитопровода трансформатора.
Для трехфазного (= 3) трехстержневого (= 3) трансформатора
Номинальные линейные токи обмоток
где и – напряжение соответствующих обмоток ВН и НН при использовании нулевых ответвлений обмотки ВН, В.
Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора:
при соединении обмоток в звезду или зигзаг
при соединении обмоток в треугольник
где I – номинальный ток обмотки: обмотки ВН, обмотки НН.
Фазное напряжение трёхфазного трансформатора:
при соединении обмоток в звезду или зигзаг
при соединении обмоток фаз в треугольник
где U – номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки: обмотки ВН, обмотки НН.
Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземлёнными деталями трансформатора необходимо знать испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции элементов трансформатора. Эти напряжения определяются по классу напряжения обмоток по таблице 1.1.
Таблица 1.1
Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц) для масляных силовых трансформаторов
Класс напряжения, кВ
До
1кВ
6
Наибольшее рабочее напряжение, кВ
-
7,2
Испытательное напряжение, Uисп., кВ
5
25
Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %
где– мощность потерь короткого замыкания, Вт; дана в задании.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %
где– номинальное напряжение короткого замыкания (из задания).
2. Расчёт основных размеров трансформатора
2.1 Выбор конструктивной схемы магнитной системы, марки стали и толщины листьев, технологии изготовления.
Основой конструкции трансформатора является магнитная система, так как её основные размеры вместе с основными размерами обмоток определяют главные размеры активной части и всего трансформатора.
Наибольшее распространение в трансформаторостроении получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанного в окружность, и с обмотками в виде цилиндров [2]. Стержневые магнитные системы шихтуются из листов электротехнической стали с косыми сторонами на крайних стержнях и с прямыми – на среднем стержне (рис. 2.1). Использование косых стыков в углах позволяет уменьшить потери и намагничивающую мощность для углов и всей магнитной системы.
Рисунок 2.1. Схема шихтовки магнитной системы (пунктиром показаны пластины нижнего ряда).
Материалом для магнитной системы силовых трансформаторов служит электротехническая холоднокатаная тонколистовая сталь марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 толщиной 0,35, 0,30 и 0,27мм, поставляемая в рулонах. При выборе марки стали и толщины пластины нужно учитывать, что сталь с высокими магнитными свойствами имеет большую стоимость, а сталь меньшей толщины имеет лучшие магнитные свойства, но при сборке магнитопровода даёт меньший коэффициент заполнения и требует увеличенных трудозатрат. По этому в трансформаторах мощностью до 1000 кВ·А используются, в основном, сталь марки 3404 с толщиной пластин 0,35мм, а в трансформаторах большей мощности – сталь марок 3405, 3406 с меньшей толщиной пластин.
В табл. 2.1. приведены рекомендуемые значения индукции в стержнях трансформаторов из этих сталей.
Таблица 2.1
Рекомендуемая индукция в стержнях масляных трансформаторов
Марка стали
Номинальная мощность трансформаторов, кВ·А
До 16
25-100
160 и более
3404, 3405, 3406
1,50-1,55
1,55-1,60
1,55-1,65
Электротехнические стали марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 имеют анизотропные свойства – резкоотличающуюся магнитную проводимость в направлении проката и поперёк направления проката. Поэтому пластины сердечников и ярм штампуются так, чтобы направления их длинных сторон совпадали с направлением проката. В этом случае большая магнитная проводимость будет в направлении основного магнитного потока трансформатора.
Форма поперечного сечения стержней магнитопровода определяется формой обмоток. Так как для трансформаторов используются цилиндрические обмотки, то поперечное сечение стержней стремятся приблизить к кругу с диаметром, равным внутреннему диаметру обмотки НН или каркаса обмоток. Стержни круглого сечения изготовить практически невозможно. Поэтому сечение стержня делают ступенчатым, набирая каждую ступень (пакет стержня) из пластин одинаковой ширины, поэтому поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность (см. рис. 2.2)
Рисунок 2.2. Поперечное сечение стержня стержневой магнитной системы
Нормализованные (устанавливаемые стандартом) диаметры стержней, м: 0,08; 0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,10; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,20; 0,21; 0,22; 0,225; 0,23;0,24; 0,245; 0,25;0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,40; 0,42; 0,45; 0,48; 0,50; 0,53; 0,56; 0,60; 0,63; 0,67; 0,71; 0,75 – для магнитных систем без поперечных каналов и 0,80; 0,85; 0,875; 0,9; 0,925; 0,975; 1,0; 1,03; 1,06; 1,12; 1,15; 1,18; 1,22; 1,25; 1,28; 1,32; 1,36; 1,40; 1,45; 1,50 – для магнитных систем, имеющих поперечные охлаждающие каналы.
Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня называется активным сечением стержня. Отношение площади сечения стержня к площади круга диаметром называется коэффициентом заполнения площади круга -. Число ступеней, определяемое числом пакетов стержня в половине круга, для трансформаторов разных мощностей различно. С увеличением числа ступеней увеличивается , но увеличивается число типоразмеров пластин, что усложняет их заготовку и сборку магнитной системы. В табл. 2.2 приведены рекомендуемые значения числа ступеней и получающиеся при этом значения и .
Таблица 2.2
Число ступеней в сечении стержня трёхфазных масляных трансформаторов мощностью 1000-6300 кВ·А
Показатель
Прессовка стержня бандажами, сечение стержня диаметром 0,63м и выше имеет продольные каналы
Мощность трансформатора, кВ·А
1000-1600
2500-6300
Ориентировочный диаметр стержня , м
0,23-0,26
0,28-0,30
0,32-0,34
0,36-0,38
Без прессующей пластины
Число ступеней
8
8
9
9
Коэффициент
0,925
0,928
0,929
0,913
Примечание: в коэффициенте учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня, если они выполняются.
Ярма магнитной системы с целью иметь равномерное распределение магнитного потока в стыкуемых стержнях и ярмах также должны иметь ступенчатую форму с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня. При этом активное сечение ярм должно быть несколько большим активных сечений стержней. С целью получить равномерное сжатие пластин ярма балками 2-3 крайних пакета выполняют из пластин одинаковой ширины, что также увеличивает активное сечение ярма.
Отношение активного сечения ярма к активному сечению стержня называется коэффициентом усиления ярма:
Для нормализованных размеров пакетов пластин точные значения приведены в таблице 2.4.
В предварительном расчёте, когда размеры пакетов пластин ещё не установлены, активное сечение стержня определяется по выражению:
где – коэффициент заполнения сталью;
где - коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сечения стержня чистой сталью; значения зависят от вида стали (рулонная или листовая), типа изоляционного покрытия, технологией сборки магнитной системы и определяются из таблице 2.3.
Таблица 2.3
Значения коэффициента для рулонной холоднокатанной стали
Марка стали
Толщина, мм
Вид изоляционного покрытия
3404, 3405, 3406
0,35
0,30
Нагревостойкое
0,97
0,96
3404, 3405, 3406
0,35
0,30
Нагревостойкое плюс однократная лакировка
0,965
0,955
Примечания: 1. При прессовке стержней путем расклинивания с внутренней обмоткой полученное из таблицы, уменьшить на 0,01.
2. При использовании листовой холоднокатаной стали толщиной 0,35мм уменьшить на 0,01 дополнительно к прим. 1.
3. Для стали толщиной 0,35мм без электроизоляционного покрытия при двух кратной лакировке
Предварительное значение активного сечения ярма
Пластины пакетов стержней и ярм выштамповываются из рулонной стали или резаных лент. Поставляемые с металлургических заводов исходные материалы могут иметь нагревостойкое электроизоляционное покрытие обеих плоскостей, или покрытия может не быть [2]; если используется такая сталь, то на обе поверхности выштампованных пластин наносится покрытие лаком КФ 965 с последующей огневой обработкой. Число слоёв лаковой плёнки должно быть не менее 2.
Свойства холоднокатанной стали, в процессе механической обработки могут ухудшатся: увеличиваются удельные потери и мощность намагничивания. Поэтому после штамповки и снятия заусенцев пластины необходимо подвергнуть восстановительному отжигу при температуре 800 - 820. А после отжига во избежание ухудшения магнитных свойств необходимо исключить толчки, удары и изгибы пластин.
Остов трансформатора – магнитная система со всеми деталями для соединения её отдельных частей – должен быть жестким и механически прочным. Для этого пакеты стержней и ярм шихтованного магнитопровода стягиваются (прессуются) и скрепляются в единую конструкцию. По мимо придания жесткости и прочности прессовка и стяжка исключают вибрацию пластин, и снижает уровень шума при работе трансформатора.
Прессовка ярм трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А выполняется стальными ярмовыми швеллерными балками, стягиваемыми шпильками. Шпильки располагаются вне ярма. При этом между балками и пластинами крвйних пакетов устанавливаются изолирующие прокладки, шпильки изолируются от балок.
Таблица 2.4
Способы прессовки стержней и ярм, формы сечения и коэффициенты усиления ярма
Мощность
Трансформатора,
кВ·А
Прессовка
стержней
Прессовка ярм
Форма
Сечения
ярм
25 - 100
Расклинивание
с обмоткой
Швеллерными балками,
стянутыми шпильками, расположенными
вне ярма
3-5
ступеней
1,025
160, 250
С числом ступеней
на 1-2
меньше
числа
ступеней
стержня
1,015 –
1,025
400, 630,
1000 - 6300
Бандажами из
стеклоленты
Для того чтобы магнитная система была достаточно устойчивой, могла выдержать механические усилия, возникающие в обмотках при коротких замыканиях, не разваливалась при подъеме остова или активной части, верхние и нижние ярма магнитной системы должны быть надёжно соединены между собой. Такое соединение в масляных трансформаторах с напряжением обмотки ВН классов 6, 10, 35 и 110 кВ выполняется стягиванием между собой верхних и нижних прессующих балок вертикальными шпильками.
Шпильки надёжно изолируются на достаточное расстояние от обмотки ВН. Другой функцией этих шпилек является осевая прессовка обмоток.
Порядок сборки активной части трансформатора:
1) шихтуется магнитопровод трансформатора;
2) выполняется прессовка нижнего и верхнего ярм магнитопровода;
3) производится предварительная стяжка верхних и нижних прессующих балок;
4) на стержни магнитной системы накладываются бандажи из стеклоленты (если предусматривается прессовка стержней таким образом);
5) стяжка балок снимается, производится распрессовка и расшихтовка верхнего ярма;
6) на стержни насаживаются обмотки;
7) путём расклинивания с обмотками прессуются стержни (если предусмотрена такая прессовка стержней);
8) устанавливаются прессующие кольца, если таковые предусматриваются для осевой прессовки обмоток;
9) шихтуется и прессуется верхнее ярмо;
10) проводится окончательная стяжка верхних и нижних прессующих балок.
2.2 Выбор материала и конструкции обмоток (предварительно)
Электролитическая медь, как проводниковый материал, по сравнению с алюминием имеет примерно в 1,5 раза меньше удельное электрическое сопротивление, большую механическую прочность, легко обрабатывается, более стойка к каррозии. Но из-за дефицитности меди алюминиевые обмотки также находят весьма широкое использование.
Сравнение трансформаторов равной мощности с медными и алюминиевыми обмотками, имеющих одинаковую конструкцию и материал магнитной системы, одинаковые параметры холостого хода и короткого замыкания, даёт следующие результаты:
- трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют несколько меньшие диаметры стержней магнитной системы, но большую их длину; в целом расстояние между стержнями магнитопровода на 10 %, а высота магнитной системы на 15 – 30 % больше соответствующих размеров трансформатора с медными обмотками; массы деталей магнитных систем примерно равны;
- числа витков алюминиевых обмоток на 15 – 20 %, сечение витков на 50 – 60 % больше, чем медных; поэтому трудоёмкость работ при намотке алюминиевых обмоток выше, больше расход изоляционных материалов;
- при использовании алюминиевых обмоток увеличены также размеры бака трансформатора и масса трансформаторного масла;
- общая стоимость трансформаторов равной мощности и класса напряжения с одинаковыми параметры холостого хода и короткого замыкания с алюминиевыми и медными обмотками примерно одинакова [2].
Поэтому все новые серии трансформаторов общего применения мощностью до 16000кВ·А проектируются исключительно с алюминиевыми обмотками [2].
Выбор конструкции обмоток должен проводиться с учётом эксплуатационных (надёжность, электрическая и механическая прочность, хорошие условия охлаждения) и технических (технологичность, наименьшую трудоёмкость и расход материалов) требований и удобства выполнения отводов обмотки ВН на переключатель регулирования напряжения.
В табл. 2.5 приведены основные свойства и условия применения различных типов обмоток масляных трансформаторов. Предварительный выбор конструкции обмоток трансформатора можно выполнить, руководствуясь рекомендациями этой таблицы. Выбор окончательного варианта конструкции обмоток ВН и НН может быть проведён после их расчета.
2.3 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
Силовой трансформатор может быть представлен состоящим из трёх систем:
- системы частей, находящихся при включенном трансформаторе под напряжением (обмотки, контакты переключателей ступеней напряжения, отводы, проходные шины и шпильки вводов, защитные экраны);
- системы заземлённых частей (магнитная система со всеми металлическими деталями, бак и система охлаждения);
- системы изоляции, разделяющей первые две системы и отдельные части, находящиеся под напряжением.
Изоляция подразделяется на главную и продольную. Главная изоляция отделяет токоведущие части от заземлённых, а продольная служит для изоляции разных точек токоведущих частей (витков, слоёв обмотки и т.п.).
В трансформаторах используется маслобарьерная главная изоляция, состоящая из комбинации масляных каналов или промежутков с барьерами в виде бумажно-бакелитовых, электрокартонных и кабельно-бумажных цилиндров, плоских и угловых шайб.
Структура главной изоляции масляных трансформаторов классов напряжений от 1 до 35 кВ (испытательные напряжения от 5 до 85 кВ) показана на рис. 2.3.
Ярмо .
Ярмо
Стержень
Рис. 2.3 Главная изоляция обмоток НН и ВН трансформаторов классов напряжений от 1 до 35 кВ
Таблица 2.5
Основные свойства и условия применения различных типов обмоток масляных трансформаторов
Тип обмотки
Применение на стороне
Основные достоинства
Основные недостатки
Материал обмоток
Пределы применения, включительно
Число параллельных проводов
Схема регулирования
напряжения
основное
возможное
мощность трансформатора, кВ·А
по току на стержень,
А
по напряжению, кВ
по сечению витка, мм2
Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода
ВН
НН
Простая технология изготовления, хорошее заполнение окна магнитной системы
Уменьшение поверхности охлаждения по сравнению с обмотками с радикальными каналами
медь
от 630 до 63000
от 15 до 1200
10 и 35
от 5,04 до 400
от 1 до 8
Рис. 3.2
а - в
алюминий
до 25000
от 10 до 1200
10 и 35
от 6,39 до 500
Продолжение таблицы 2.5.
Цилиндрическая
многослойная из алюминиевой
ленты
НН
-
Простая технология
изготовления, хорошее охлаждение, хорошее заполнение окна
Малая механическая прочность в радиальном направлении
алюминий
от 160 до 1000
от 100
до 1500
до 1кВ
от 100
до 1000
1
Цилиндрическая многослойная из круглого провода
ВН
НН
Простая технология изготовления
Ухудшение теплоотдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности
медь
до 630
от 0,3 до 100
до 35
от 1,094
до 42,44
1
2
Рис.
3.2 а-в
алюминий
до 630
от 2 до 135
до 35
от 1,37
до 50,24
1
1
Изоляция между обмотками ВН и НН выполняется жесткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами или мягкими из электроизоляционного картона. Размеры выступов цилиндров за высоту обмоток ( и ) обеспечивают отсутствие разрядов по поверхности цилиндра между обмотками и с обмоток на стержни магнитопровода. Изоляция обмоток от ярма при испытательном напряжении 85 кВ усиливается шайбами и подкладками из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанавливается междуфазная перегородка из электроизоляционного картона. Значения размеров главной изоляции обмоток НН и ВН указаны в табл. 2.6 и 2.7.
Продольная изоляция обмоток будет рассмотрена в разделе «расчет обмоток НН и ВН»
Таблица 2.6
Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния НН
мощность трансформатора, кВ·А
для обмоток НН, кВ
Обм. НН от ярма , мм
Обм. НН от стержня, мм
25 – 250
400, 630
1000 - 2500
630 – 1600
630 и выше
630 и выше
все мощности
5
5
5
18; 25; 35
45
55
85
15
принимается равным найденному по испытательному напряжению обмотки ВН
картон
2х0,5 картон
2х0,5
4
4
5
5
6
-
-
6
6
10
13
19
4
5
15
15
20
23
30
-
-
18
25
30
45
70
Таблица 2.7
Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния ВН
Мощность трансформатора кВ·А
для ВН, кВ
ВН от ярма, мм
Между ВН и НН, мм
Выступ цилиндра , мм
Между ВН и НН, мм
25 – 100
160 – 630
1000 - 6300
630 и выше
630 и выше
160 – 630
1000 – 6300
18,25 и 35
18,25 и 35
18,25 и 35
45
55
85 (прим.)
85 (прим.)
20
30
50
50
50
75
75
-
-
-
2
2
2
2
9
9
20
20
20
27
27
2,5
3
4
4
5
5
5
10
15
20
20
30
50
50
8
10
18
18
20
20
30
-
-
-
2
3
3
3
2.4 Определение основных размеров трансформатора
Магнитная система и обмотки трехфазного двухобмоточного трансформатора с плоской трехстержневой магнитной системой изображены на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Активная часть трёхфазного двухобмоточного трансформатора с плоской трёхстержневой магнитной системой.
Расчет основных размеров активной части трансформатора следует начинать с определения диаметра стержня магнитопровода:
где – ширина приведенного канала рассеянья трансформатора:
значение выбирается по табл. 2.7;
на этом этапе расчета размеры и неизвестны; поэтому рассчитывается по приближенной формуле:
где – коэффициент, зависящий от мощности трансформатора, металла обмоток, класса напряжения обмоток ВН и мощности потерь короткого замыкания; значения выбираются из таблицы 2.8:
Ширина приведенного канала рассеянья трансформатора равна:
Таблица 2.8
Значение коэффициента для масляных трёхфазных двухобмоточных трансформаторов с ПБВ с медными обмотками и потерями короткого замыкания по ГОСТ 12022-76 и ГОСТ 11920-85
Мощность трансформатора, кВ·А
Класс напряжений, кВ
10
35
1000 – 6300
0,51 – 0,43
0,52 – 0,48
Примечание: 1.Для обмоток из алюминиевого провода значение , найденные из таблицы 2.8 увеличить в 1,25 раза.
– отношение средней длины окружности канала между обмотками НН и ВН к высоте обмотки:
Таблица 2.9
Рекомендуемые значения для масляных трансформаторов
Мощность, кВ·А
Алюминий
Медь
6, 10 кВ
35 кВ
6, 10 кВ
35 кВ
1000 – 6300
1,3 – 1,7
1,2 – 1,6
2,0 – 2,6
1,8 – 2,4
Примечание: 1.Рекомендуемые значения приведены для трёхфазных масляных трансформаторов классов напряжений 6, 10 и 35 кВ, отвечающих требованиям ГОСТ 12022 – 76 и ГОСТ 11920 – 85.
2. Применяемые марки стали 3404 и 3405 при толщине листа 0,35 и 0,30мм при индукциях .
(из таблица 2.9);
– коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному (коэффициент Роговского); значение при концентрическом расположении обмоток и равномерном расположении витков по их высоте колеблется от 0,93 до 0,98; при определении основных размеров можно принять [2];
– частота питающей сети (по заданию):
– индукция в стержне магнитной системе; для выбранной марки стали для трансформатора в заданной мощности предварительное значение принимается из таблицы 2.1:
– коэффициент заполнения сталью; значения выбираются из табл. 2.2 и 2.3, а – из табл. 2.4:
Определяем диаметр стержня магнитопровода:
Если полученный диаметр отличается от нормализованного значения (см. § 2.1), то следует принять ближайший диаметр по нормативной шкале - и пересчитать значение на это значение по формуле:
Средний диаметр канала между обмотками (предварительное значение) может быть определен по формуле:
где – коэффициент, значения которого зависит от мощности, класса напряжений и принятого уровня потерь короткого замыкания; ориентировочные значения для трансформаторов с магтитопроводами из холоднокатаной стали приведены в табл. 2.10.
Таблица 2.10
Ориентировочные значения коэффициента для медных обмоток
Мощность трансформатора, кВ·А
Уровень потерь короткого замыкания
Значения при классе напряжения обмотки ВН, кВ
6,10
35
От 1000 до 6300
1,2 Рк по ГОСТ
Рк по ГОСТ
0,8 Рк по ГОСТ
1,35
1,38
1,42
1,37
1,40
1,44
Примечание: Для обмоток из алюминия значения , полученные из таблицы, умножить на 1,06.
Высота обмоток трансформатора:
Значения других размеров и параметров, необходимых для полного расчета обмоток и окончательного расчета магнитной системы:
радиальный размер обмоток НН:
где – коэффициент, значения которого могут быть приняты для трансформаторов с плоской магнитной системой мощностью 1000-6300 кВ·А класса напряжения 10 кВ – 1,4.
активное сечение стержня:
активное сечение ярма:
где из таблицы 2.5
высота стержня:
где из таблицы 2.7
расстояние между осями соседних стержней:
где - удвоенный радиальный размер обмотки ВН;
где , . из таблицы 2.7;
– коэффициент, зависящий от мощности класса напряжения трансформатора, материала обмотки и типа переключателя; в табл. 2.11 приведены ориентировочные значения коэффициента .
Таблица 2.11
Ориентировочные значения коэффициента для масляных двухобмоточных трансформаторов с ПБВ с медными обмотками и потерями короткого замыкания по ГОСТ
Мощность трансформатора, кВ·А
Класс напряжений, кВ
6,10
35
1000 – 6300
0,26 – 0,24
0,32 – 0,28
Примечание. Для обмоток из алюминиевого провода значение , полученное из таблицы, умножить на 1,25.
Напряжение одного витка (предварительно)
, .
3. Расчёт обмоток
3.1 Общие вопросы расчёта обмоток
Большое значение при выборе типа обмоток и расчёте их параметров имеет плотность тока в проводах обмоток: от неё зависят размеры масса обмоток, основные потери в них.
Другим важным показателем при расчёте обмоток и выборе их конструкции является плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности - , т.е. потери в обмотке, отнесённые к единице площади охлаждаемой поверхности. Для каждого типа обмоток установлены допустимые значения , используя которые можно определить максимальный радиальный размер металла обмотки между охлаждаемыми поверхностями.
Исходя из рекомендаций таблица 2.5 для условий задания на проектирование, в качестве вариантов могут быть рассмотрены:
для обмоток НН:
- цилиндрическая из прямоугольного провода двухслойная или многослойная;
- цилиндрическая многослойная из алюминиевой ленты:
для обмоток ВН:
- цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода;
- цилиндрическая многослойная из круглого провода.
3.2 Расчёт обмоток НН
Расчёт обмоток начинается с обмотки НН, располагаемых у большинства трансформаторов между стержнем и обмоткой ВН. По этому эту обмотку считают первой. И все параметры и размеры обмотки НН и её элементов обозначают индексом «1»: , и т. д.
Порядок расчёта.
1. Число витков одной фазы обмотки
, .
.
Полученное округляется до ближайшего целого числа чётного или нечётного. Для трёхфазного трансформатора является также числом витков на один стержень.
2. Определяются уточнённые (изменённые в результате округления ) значения напряжения одного витка и индукции в стержне
.
, .
3. Средняя плотность тока в обмотках, обеспечивающая получения заданных потерь короткого замыкания определяется по выражениям:
для алюминиевых, А/м2
, .
где – коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотке, потерь в отводах, стенках бака и других конструкциях от гистерезиса и вихревых токов, от воздействия полей рассеяния. Значения из таблицы 3.1.
Таблица 3.1
Значения для трехфазных трансформаторов
Номинальная мощность трансформатора, кВ×А
До 100
160 – 630
1000 – 6300
0,97
0,96 – 0,93
0,93 – 0,85
Сверить рассчитанное значение ( с целью исключить ошибки в расчете) можно по данным таблицы 3.2. Из этой таблицы также выбирается , если потери короткого замыкания не заданы.
Таблица 3.2
Средняя плотность тока в обмотках (МА/м2) для масляных трансформаторов с потерями короткого замыкания по ГОСТ
Номинальная мощность трансформатора, кВ×А
25 – 40
63 – 630
1000 – 6300
Медь
1,8 – 2,2
2,2 – 3,5
2,2 – 3,5
Алюминий
1,1 – 1,8
1,2 – 2,5
1,5 – 2,6
4. Ориентировочное сечение витка, м2
, .
умножением полученного результата на 106 сечение витка перевести в мм2.
Дальнейший ход расчёта зависит от типа выбранной обмотки.
3.2.1. Расчёт цилиндрических обмоток из прямоугольного провода
В цилиндрической обмотке витки (по высоте обмотке) плотно прилегают друг к другу. При этом в зависимости от величины тока витки могут выполняться одним или несколькими параллельными проводами. При мощностях на стержне до 16 кВ×А все витки, возможно, расположить в один слой, до 250 кВ×А – в два слоя, при больших – в три – четыре слоя. Укладка провода может быть осуществлена плашмя или на ребро.
Во всех случаях для обеспечения нормального охлаждения каждый слой обмотки хотя бы с одной стороны должен омываться маслом.
Применяемые прямоугольные провода для масляных трансформаторов имеют изоляцию класса нагревостойкости А, выполняемую лентами кабельной бумаги, и маркируются – медные ПБ, алюминиевые АПБ. Электрическая прочность изоляции достаточна для межвитковой изоляции, а изоляция между слоями, кроме того, обеспечивается либо масляным охлаждающим каналом, либо двумя слоями электроизоляционного картона толщиной 0,5 мм. Вопрос выбора того или другого вида межслойной изоляции решается путём определением плотности теплового потока на поверхности охлаждения обмотки по результатам сравнения её с допустимой.
Продолжение расчёта цилиндрической обмотки следует проводить в следующей последовательности:
1. Допустимый радиальный размер металла обмотки НН между охлаждаемыми маслом поверхностями
.
где плотность теплового потока для цилиндрический обмоток из прямоугольного медного провода = (800 ÷ 1000) Вт/м2, алюминиевого – = (600 ÷ 800) Вт/м2 ;
кзк – коэффициент учитывающий закрытие охлаждающего канала рейками и изоляционными материалами: = 0,75÷0,8.
2. По полученным значениям и по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (см. приложение 1) подбираются подходящие провода с соблюдением следующих правил:
а) с целью упростить намотку обмотки на станке и получить компактное ее размещение на магнитопроводе желательно применять наиболее крупные сечения проводов;
б) способ намотки (плашмя или на ребро) выбирается, исходя из значений и размеров провода без изоляции: необходимо, чтобы получаемый размер металла одного слоя (при намотке на ребро) или двух трёх слоёв (при намотке плашмя) был примерно равен ;
в) число параллельных проводов должно быть не более 4 – 6 при намотке плашмя и не более 6 – 8 при намотке на ребро;
г) все провода должны иметь одинаковые размеры поперечного сечения;
д) при =5–85 кВ использовать прямоугольный провод с толщиной изоляции на две стороны =0,45 (0,50) мм;
е) радиальные размеры всех параллельных проводов витка должны быть равны между собой;
ж) при намотке на ребро отношение радиального размера к осевому не менее 1,3 и не более 3;
з) расчетная высота обмотки должна быть на 5 – 15 мм меньше l.
Подобранные размеры провода витка записываются по форме:
так как и отношение , то обмотку выполняем плашмя.
3. Полное сечение витка из параллельных проводов
.
где – сечение одного витка, мм2 (из прилож.1).
4. Полученная плотность тока, А/м2
, .
5. Осевой размер витка, м
.
6. Число витков обмотки в одном слое
.
.
где - высота обмотки НН; слагаемым (0,005÷0,015) учитывается возможность увеличения осевого размера из-за неплотности намотки.
7. Необходимое число слоёв обмотки
.
.
округляется до большего.
8. Радиальный размер металла обмотки
.
где - радиальный размер провода без изоляции, при намотке на ребро .
Так как то обмотку делим на 3 катушки с радиальным размером металла в каждой , а между катушками выполняется охлаждающий масляный канал.
9. Радиальный размер межслойного канала; выбирается по условной изоляции мм при кВ и проверяется по условиям отвода тепла по табл. 3.3; применяется наибольшее значение, определённое по этим условиям
.
10. Изоляцию между слоями обмотки принимаем двумя слоями электроизоляционного картона толщиной по 0,5мм, следовательно .
11. Радиальный размер обмотки (с охлаждающим каналом)
, .
где - радиальный размер провода с изоляцией.
- толщина межслойной изоляции.
- ширина охлаждающего канала, так как принятое число катушек равно 3 то количество охлаждающих каналов равняется 2.
Таблица 3.3
Минимальное ширина охлаждающих каналов в обмотках масляных трансформатор
Вертикальные каналы
Горизонтальные каналы
Длина канала, мм
Обмотка – обмотка, мм
Обмотка – цилиндр, мм
Обмотка – стержень, мм
Длина канала, мм
Обмотка – обмотка, мм
До 300
300-500
500-1000
1000-1500
4-5
5-6
6-8
8-10
4
5
5-6
6-8
4-5
5-6
6-8
8-10
До 40
40-60
60-70
70-80
4
5
6
7
12. Внутренний диаметр обмотки
, .
где – ширина канала между обмоткой НН и стержнем; определяется из условий изоляции обмотки из таблицы 2.7, .
13. Наружный диаметр обмотки
, .
14. Полная охлаждаемая поверхность обмотки НН всего трансформатора:
при обмотке с двумя каналами
, .
15. Масса металла обмотки
,
.
Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода, наматывается в 2-3 слоя, рассчитывается по выше приведённым формулам с учётом действительного числа слоёв и соответствующих поправок.
3.2.2 Расчёт цилиндрической многослойной обмотки из алюминиевой ленты
Эта обмотка выполняется из изолированной отожженной ленты из алюминия А5 или А6 шириной равной высоте обмотки. Каждый слой обмотки состоит из одного витка. Изоляция между витками образуется – одним двумя слоями кабельной бумаги, ширина полосы которой на 16-24 мм больше ширины ленты. Для создания жёсткой торцевой изоляции на краях полосы бумаги приклеивается буртик – полоска электроизоляционного картона с толщиной, равной толщине ленты, и шириной 8-12 мм. Отводы от обмотки выполняются шинами, надёжно привариваемые к торцам ленты. Толщина ленты от 0,2 до 3 мм ширина от 40 до 1000 мм.
Обмотки этого типа обладают высокой теплопроводностью в осевом и радиальном направлениях, имеют более равномерное распределение температуры по высоте и ширине по сравнению с обмотками из изолированного провода. Поэтому значения для них выше и составляет 1000÷1200 Вт/м2.
После определения , и уточнения значений , (см. п. 3.2) расчёт обмотки выполняется в следующем порядке:
1. Определяются размеры ленты в мм:
ширина с округлением до 10мм
;
толщина с округлением до 0,1 мм
.
2. Рассчитывается сечение витка (площадь сечения ленты), м2
, .
3. Плотность тока в ленте, А/м2
, .
4. Определяется допустимый радиальный размер металла обмотки
, .
5. Рассчитывается предельное число витков, помещаемое в этот размер
, .
.
Так как , по этому обмотки необходимо делить на катушки с числом витков, меньшим , а между катушками выполнять осевой охлаждающий канал шириной , .
Если – число нечётное, то в первую катушку (по отношению к сердечнику магнитопровода) следует поместить число витков, меньше полвины, так как она имеет несколько худшие условия охлаждения. Если – число чётное, то в обе катушки можно уложить одинаковое число витков
,
где и – число витков в катушках.
6. Радиальный размер катушек. Если витки обмоток находятся в двух катушках, то
так как , то от сюда следует
.
.
где – толщина межвитковой изоляции; при выполнении изоляции одним слоем кабельной бумаги К-120, = 0,12 мм, двумя слоями мм.
7. Радиальный размер обмотки НН
, .
8. Диаметры обмотки:
внутренний , .
внешний , .
9. Масса металла обмотки
,
.
10. Плотность теплового потока на поверхности катушек
, .
, .
где , - радиальные размеры металла катушек
, .
, .
Полученное не должно быть выше рекомендуемых значений.
На основе сравнения результатов расчётов обмотки НН (размеров, массы металла) с учётом преимуществ и недостатков выбирается лучший вариант, который будет рассматриваться в дальнейших расчётах.
Принимаю обмотку из алюминиевой ленты, так как её внешний диаметр и масса обмотки имеют меньшее значение чем у обмотки из прямоугольного провода, что имеет место в трансформаторостроении.
3.3 Расчёт обмоток ВН
При выборе типа обмотки ВН необходимо обязательно учитывать удобство выполнения ответвлений для регулирования напряжения. В диапазоне мощностей заданы при многослойных цилиндрических обмотках используются схемы рис. 3.2.
Рис. 3.2. Схемы включения ответвлений в обмотках ВН.
Намотка регулировочных витков производится те же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки. В цилиндрических обмотках регулировочные витки располагаются в наружном слое обмоток. С целью снижения механических сил, возникающих в обмотках при коротком замыкании, отключаемые витки должны располагаться симметрично относительно середины высоты обмотки. Схема рис. 3.2а не обеспечивает этого требования, и по этому её использование ограничивается трансформаторами мощностью до 160 кВ∙А. Схема рис. 3.2б применима для трансформаторов мощностью от 250 кВ∙А. При схемах соединений обмоток в треугольник использование схем рис. 3.2а и рис. 3.2б усложняется из-за необходимости использовать сложный переключатель ответвлений. По этому предпочтительной является схема (рис. 3.2в) с расположением регулировочных витков в середине обмоток ВН. Обмотка ВН располагается по отношению к стержню после обмотки НН. Поэтому обмотку ВН считают второй и все параметры этой обмотки и её элементов обозначают индексом «2»: ; и так далее.
Порядок расчёта:
1. Определяется число витков, необходимых для получения номинального напряжения
, .
2. Рассчитывается число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении фазных обмоток ВН в треугольник
, .
где – напряжение на одной ступени регулирования (разность напряжений двух соединённых ответвлений). Если ступень регулирования составляет 2,5%, то , .
3. Определяются числа витков обмотки на ответвлениях:
на верхних ступенях напряжения ; .
; .
на основной ступени напряжения ; .
на нижних ступенях напряжения ; .
; .
Для трёхфазного трансформатора найденное число витков является числом витков на один стержень.
4. Ориентировочная плотность тока, А/м2
, .
5. Ориентировочное сечение витка, м2 (мм2)
, .
3.3.1. Расчёт цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода
продолжается в следующем порядке:
1. По выбирается провод марки АПБ сечением с толщиной изоляции на обе стороны 2δ=0,45 (0,50) мм и записываются его обозначения по форме, приведённой в п. 3.2.1.
Допустимый по плотности теплового потока радиальный размер металла в обмотки
, .
где – допустимое значение плотности теплового потока на поверхности; можно принять = 800 Вт/м2.
, .
2. Плотность тока (уточнённое значение), А/м2
,
3. Осевой размер обмотки
.
4. Осевой размер витка, м
.
Число витков обмотки в одном слое
,
.
5. Необходимое число слоёв в обмотке
, ,
.
где – число витков обмотки на верхней ступени напряжения: ; округляется до большего ближайшего числа.
6. Рабочее напряжение двух слоёв
,
По из таблицы 3.4 выбирается число слоёв и общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки
Таблица 3.4
Нормальная междуслойная изоляция в многослойных цилиндрических обмотках
Суммарное рабочее напряжение двух слоёв обмотки, В
Число слоёв кабельной бумаги на толщину листов, мм
Выступ межслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм
До 1000
от 1001 до 2000
от 2001 до 3000
от 3001 до 4000
20,12
30,12
40,12
50,12
10
16
16
16
Примечание: Данные таблицы использовать для трансформаторов мощностью до 630 кВ∙А включительно. При мощности от 1000 кВ∙А межслойную изоляцию применять по таблице, но не менее 40,12 мм, а выступ изоляции не менее 20 мм.
7. Общий радиальный размер металла в обмотке ВН
, .
число катушек помещаемых в этот размер равно 3,
где – радиальный размер провода без изоляции.
Если , то обмотку необходимо разделить на концентрические катушки так, чтобы радиальный размер каждой из катушек был меньше или равным . Между катушками устраиваются охлаждающие осевые масляные каналы, ширина которых по условиям охлаждения выбирается по таблице 3.3. Этот размер нужно проверить по уровню изоляции: при суммарном напряжении двух слоёв кВ достаточную межслойную изоляцию обеспечит канал шириной не менее 4 мм, при кВ – масляный канал шириной 6-8 мм и два слоя из картона толщиной 1 мм.
9. Определяются числа слоёв обмотки в каждой катушке. При их неравенстве большее число слоёв должны иметь наружные катушки
от обмотки НН: 1 катушка – 2 слой;
2 катушка – 2 слоя;
3 катушка – 2 слоя.
10. По таблице 3.5 определяется размер добавочных потерь в обмотке
Таблица 3.5
Предельные радиальные размеры провода a, мм, цилиндрических обмоток из алюминиевого провода прямоугольного сечения при добавленных потерях, не превышающих 5, 10, 15 и 20%
Число слоёв обмотки
Добавочные потери до
5%
10%
15%
20%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11,8
8,0
6,7
5,6
5,0
4,75
4,5
4,0
3,75
3,75
13,2
10,0
8,0
6,7
6,0
5,6
5,0
4,75
4,5
4,5
15,0
10,6
8,5
7,5
6,7
6,0
5,6
5,6
5,0
5,0
16,0
11,8
9,5
8,0
7,5
6,7
6,0
5,6
5,6
5,6
Добавочных потерь в обмотке при , составляют ±5%.
11. Радиальный размер обмотки
,
.
где – толщина межслойной изоляции по таблице 3.4;
– принятая ширина охлаждающего канала;
– число охлаждающих каналов в обмотке.
12. Внутренний диаметр обмотки
, .
где – размер осевого канала между обмотками НН и ВН и толщина изоляционного цилиндра; выбирается обмотки ВН по таблице 2.7.
13. Наружный диаметр обмотки
, .
14. Поверхность охлаждения
, .
при числе катушек , .
15. Масса металла обмотки
, .
3.3.2. Расчёт многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода
Эта обмотка далее рассчитывается в следующей последовательности.
1. По ориентировочному сечению витка и сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (приложение 2) подбирается провод подходящего сечения или в редких случаях два параллельных одинаковых провода.
Выбранные размеры провода записываются так:
где – число параллельных проводов;
– диаметр провода без изоляции;
– диаметр изолированного провода:
– размер двухсторонней изоляции; для провода круглого сечения при
2. Полное сечение витка
где – сечение одного провода (из приложения 2).
3. Плотность тока, А/м2
4. Осевой размер витка, м
5. Число витков в слое
6. Число слоёв в обмотке
округляется до большего ближайшего числа.
7. Рабочее напряжение двух слоёв
8. По из таблицы 3.3 выбирается число слоёв и общая толщина изоляции кабельной бумаги в изоляции между слоями обмотки
.
9. Общий радиальный размер металла обмотки, мм
10. Допустимый по плотности теплового потока радиальный размер металла обмотки, м (мм)
11. При обмотку каждого стержня необходимо разделить на концентрические катушки с осевым масляным каналом между ними. В большинстве случаев по условиям охлаждения обмотка каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоёв внутренней катушки при этом должно составлять 1/5-2/5 общего числа слоёв обмотки.
число катушек принимаем по отношению принимаем равному 3.
12. Минимальная ширина масляного канала определяется по таблице 3.2 и проверяется по уравнению изоляции (см. 3.2.1).
13. Радиальный размер обмотки:
число каналов =2
14. Минимальный радиальный размер осевого канала между обмотками НН и ВН определяется аналогично 3.2.1 п. 12.
15. Внутренний диаметр обмотки
16. Наружный диаметр обмотки
14. Поверхность охлаждения
15. Масса металла обмотки
По результатам сравнения вариантов принимается обмотка ВН.
Принимаю обмотку из алюминиевого прямоугольного провода, так как его внешний диаметр и масса обмотки имеют меньшее значение чем у обмотки из круглого провода, что имеет место в трансформаторостроении.
4. Определение параметров короткого замыкания
Для определения параметров трансформатора искусственно создаётся режим короткого замыкания – режим, когда обмотка НН замкнута накоротко, а к обмотке ВН подводится такое пониженное напряжение, при котором токи в обмотках имеют номинальные значения.
4.1. Определение потерь короткого замыкания
Потери в режиме короткого замыкания Pк имеют следующие составляющие:
и – основные потери соответственно в обмотках НН и ВН, вызванные рабочим током этих обмоток;
и – добавочные потери в обмотках НН и ВН, то есть потери от вихревых токов, наведённых полем рассеяния обмоток;
и – основные потери в отводах от обмоток;
и – добавочные потери в отводах, вызванные полями рассеяния отводов;
– потери в стенках бака и других металлических элементах трансформатора, вызванные полями рассеянии обмоток и отводов.
Обычно добавочные потери учитывают увеличением основных потерь путём умножения последних на коэффициент учёта добавочных потерь , то есть тогда
Основные потери рассчитываются по формулам:
в обмотке из алюминиевого провода (ленты)
для НН:
.
для ВН:
.
где – плотность тока в проводах обмотки;
– масса металла обмотки.
Средний коэффициент учета добавочных потерь при частоте 50Гц для обмоток:
из алюминиевого прямоугольного провода (ленты)
,
для НН:
.
для ВН:
.
где – размер металла прямоугольного проводника в направлении, перпендикулярном линиям магнитной индукции поля рассеяния (по радиусу обмотки);
– число проводников обмотки в направлении, перпендикулярном направлению линиям магнитной индукции поля рассеяния;
- для прямоугольного провода (ленты)
для НН:
.
для ВН:
.
– размер металла проводника в направлении, параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния (по оси обмотки);
– число проводников обмотки в направлении, параллельном направлению линий индукции поля рассеяния;
– общий размер в направлении, параллельном линиям магнитной индукции поля рассеяния (высота обмотки).
Размеры , , и в выше приведенных формулах должно быть выражено в метрах.
При расчёте однослойных обмоток во второе слагаемое формул следует ввести коэффициент 0,8.
Расчёт основных потерь в отводах сводится к определению длины отводов и массы металла в них.
Обычно сечения отвода принимается равным сечению витка обмотки, и по этому плотность тока в проводниках отвода равна плотности тока в проводах обмотки.
выполненных алюминиевым проводом (лентой):
для НН:
.
для ВН:
.
где – масса металлов проводов отводов
для НН:
.
для ВН:
.
где – общая длинна проводов отводов:
при соединении в звезду .
в треугольник – .
– сечение отвода, м2;
– плотность металла отвода ( для алюминия кг/м3).
В силовых трансформаторах общего назначения а Поэтому, как правило, добавочные потери в отводах не учитываются.
При рациональной конструкции трансформатора потери в ферромагнитных конструктивных его элементов составляют незначительную долю и их можно определить по приближенной формуле
, .
где – коэффициент, значение которого принимается по таблице 4.1
Таблица 4.1
Значение коэффициента
Мощность трансформатора, кВ·А
До 1000
1000-4000
0,015-0,02
0,025-0,04
Полные потери короткого замыкания
,
.
Отношением сравнивается фактические расчётные потери короткого замыкания с заданными: расчётные потери короткого замыкания не должны отличатся более, чем на ±5%. В противном случае необходимо ввести корректировки в размеры элементов трансформатора, от которых зависит величина , и расчёт потерь короткого замыкания повторить.
заданного значения.
4.2. Расчёт напряжения короткого замыкания
Активная составляющая напряжения короткого замыкания в процентах номинального напряжения по выражению
, .
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания в процентах номинального напряжения
где – уточнённые значения ширины приведенного канала рассеяния
, .
где , , – реальные размеры рассчитанных обмоток трансформатора;
где , .
.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания в процентах номинального напряжения
.
Расчётное напряжение короткого замыкания в процентах от номинального напряжения
, .
Определяется отношение
заданного значения.
Отклонение расчётного значения от заданного не должно быть большим ±5%. В противном случае нужно изменить : изменение в нужном направлении может быть достигнуто за счёт изменения величины . Небольшие изменения могут быть получены путём увеличения или уменьшения осевого размера обмотки при соответствующем уменьшении или увеличении радиальных размеров обмоток и . Более резкое изменение достигается изменением напряжения одного витка за счёт изменения диаметра стержня магнитной системы или индукции в нём. Изменять изоляционное расстояние для изменения не рекомендуется.
4.3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
Короткое замыкание трансформатора при рабочих напряжениях является аварийным режимом, так как сопровождается много кратным увеличением токов в обмотках по сравнению с номинальными их значениями, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующие на обмотки и их части.
4.3.1 Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании
Эта проверка включает:
определение наибольшего установившегося и наибольшего ударного тока короткого замыкания;
определение механических сил между обмотками и их частями;
определение механических напряжений в изоляционных опорах и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток.
Действующее значение установившегося тока короткого замыкания с учётом сопротивления питающей сети для основного ответвления обмотки определяется по выражению (согласно ГОСТ 11677-85)
для ВН:
.
для НН:
.
где – номинальный ток соответствующей обмотки;
– номинальная мощность трансформатора, МВ·А (1МВ·А=103кВ·А);
– мощность короткого замыкания электрической сети, МВ·А; принимается из таблицы 4.1
Таблица 4.1
Мощности короткого замыкания электрической сети
Класс напряжения обмотки ВН, кВ
6-10
10-35
110
Мощность короткого замыкания электрической сети () МВ·А
500
2500
15000
Действующее значение наибольшего установившегося тока короткого замыкания для трансформаторов мощностью менее 1МВ·А можно определить по упрощенной формуле
.
В начальный момент вследствие наличия апериодической составляющей ток короткого замыкания может значительно превысить установившийся ток. Это наибольшее мгновенное значение тока короткого замыкания – ударный ток короткого замыкания определяется по формуле
где – коэффициент, учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания
,
для ВН:
.
для НН:
.
Ударный ток короткого замыкания
для ВН:
.
для НН:
.
При расчёте и конструировании трансформаторов необходимо учитывать механические силы, возникающие между обмотками и их частями при коротком замыкании трансформатора. Эти силы могут вызвать разрушение обмотки, деформацию или обрыв витков, разрушение опорных конструкций.
Продольное поле рассеяния (линии его индукции направлены параллельно оси обмоток) вызывает радиальные силы.
Суммарная радиальная сила, действующая на наружную обмотку и стремящая растянуть её
.
где – ударный ток короткого замыкания в обмотке ВН
– число витков обмотки ВН на основной ступени.
Такая же сила, но противоположно направленная, действует на обмотку НН, стремясь сжать её. Обе силы равномерно распределены по окружности обеих обмоток (см. рис. 4.1)
Рис. 4.1. Действие радиальных сил на концентрические обмотки:
а) распределение сил; б) деформации внутренней обмотки; в) продольное и поперечное поля в концентрической обмотке.
Для оценки механической прочности обмотки определяются напряжения сжатия во внутренней обмотке (обмотке НН) и напряжения растяжения в наружной обмотке (обмотке ВН), возникающие под воздействием радиальных сил.
Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН
, .
Среднее растягивающее напряжение в проводе обмотки ВН
. .
Для обеспечения стойкости обмотки НН необходимо:
≤ 30 МПа, ≤ 30 МПа в медных обмотках и
≤ 15 МПа, ≤ 15 МПа в алюминиевых.
Поперечное поле рассеяния (линии его индукции расходятся радиально) вызывают осевые силы, сжимающие обмотки в осевом направлении. Для обмоток с плотным прилеганием витков (многослойные цилиндрические или из алюминиевой ленты) осевая сила может быть рассчитана по формуле
где – коэффициент осевой силы
;
; .
; .
определяется из таблицы 4.3
Таблица 4.3
Значения
Мощность трансформатора, кВ·А
Тип обмотки НН
, %
25-100
160-1000
Двухслойная и многослойная цилиндрическая
То же
, .
.
Для обмоток с регулировочными витками, симметрично расположенными относительно середины высоты обмоток на каждой ступени (см. рис. 3.2б), . Если ответвления выполнены по схеме рис. 3.2а, и внешний слой обмотки ВН содержит около 50% витков слоя, и эти витки расположены в верхней или нижней половине обмотки, то определяется из таблицы 4.4.
принимаем -
коэффициент осевой силы:
.
Таблица 4.4
Значения
a12, м
0,01
0,02
0,03-0,06
Медь
Алюминий
0,034
0,06
0,030
0,05
0,026-0,025
0,04-0,03
Осевая сила действующая на обмотки:
Осевые силы действуют на обе обмотки: в верхней половине обмотки они направлены вниз, а в нижней – вверх. Наибольшее значение осевой силы в середине высоты обмотки НН.
Сжимающее напряжение
, .
где – суммарный радиальный размер металла обмотки НН; при намотке
плашмя , .
Для трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А необходимо ≤18÷20 МПа.
Расчёт температуры обмоток при коротком замыкании проводится для установившегося тока короткого замыкания при предположении, что вследствие быстротечности процесса всё выделяющееся тепло идёт на нагрев обмоток.
Температура обмоток через время после возникновения короткого замыкания
для алюминиевых обмоток
,
для НН:
.
для ВН:
.
где – наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора; при коротком замыкании на сторонах с номинальным напряжением 35 кВ и ниже принимается °C.
– начальная температура обмотки; принимается °C.
Предельно допустимые температуры при коротком замыкании приведены в таблице 4.5.
Таблица 4.5
Предельно допустимые температуры обмоток при коротком замыкании масляных трансформаторов
Металл обмоток
Медь
Алюминий
Класс изоляции
A
A
Допустимая температура, °C
250
200
4.4. Способы снижения сил в обмотках при коротком замыкании
При проектировании трансформаторов принимаются меры для ограничения возможных радиальных и осевых сил, возникающих при коротких замыканиях, и для увеличения механической прочности обмоток:
1) ограничение токов короткого замыкания за счёт увеличения напряжения короткого замыкания. За счёт этой меры снижаются как радиальные, так и осевые силы;
2) для уменьшения осевых сил необходимо выдерживать осевые размеры обмоток одинаковыми, располагать регулировочные витки равномерно по высоте обмотки ВН или середине её высоты;
3) для повышения механической стойкости обмоток при воздействии токов короткого замыкания применяется прессовка обмоток при помощи стальных разрезных или пластиковых неразрезных колец; прессующие кольца рекомендуется устанавливать в трансформаторах с РПН с мощностью более 630 кВ·А, с ПБВ мощностью 1000-6300 кВ·А.
5. Окончательный расчёт магнитной системы
При окончательном расчёте магнитной системы, выполняемом после полного расчёта обмоток, параметров и токов короткого замыкания определяются: число ступеней в сечении стержня и ярма, размеры пакетов - ширина пластин и толщина пакетов, полные и активные сечения стержня и ярма, высота стержня, расстояние между осями стержней, масса стали стержней, ярм и углов магнитной системы, полная масса магнитной системы трансформатора, потери и ток холостого хода трансформатора.
5.1. Определение размеров магнитной системы
Выбор числа и размеров пакетов в сечении стержня плоской магнитной системы должен быть сделан так, чтобы площадь ступенчатой фигуры его поперечного сечения, вписанного в окружность, была максимально возможной. В таблице 5.1.приведены рациональные числа ступеней и размеры пакетов для нормализованных диаметров стержня, рекомендуемые по опыту проектирования магнитных систем трансформаторов.
Для рассчитываемого в п. 2.4 , из таблицы 5.1 определяются размеры пакетов в половине сечения стержня и ярма и записываются в следующей форме:
№ пакета
Стержень, мм
Ярмо, мм
1
22034
22034
2
20519
20519
3
18516
18516
4
16512
16512
5
1459
1459
6
1305
1305
7
1155
-
8
906
-
Таблица 5.1
Размеры пакетов для магнитных систем без прессующих пластин с прессовкой стержней бандажами из стеклоленты
Диаметр стержня , м
Стержень
Ярмо
Размеры пакетов , мм, в стержне
0,21
7
0,922
5
130
200´32
180´22
160´14
145´8
130´6
110´8
90´6
-
0,22
8
0,929
6
120
215´23
195´28
175´15
155´12
135´9
120´5
105´4
75´7
0,23
8
0,933
6
130
220´34
205´19
185´16
165´12
145´9
130´5
115´5
90´6
0,24
8
0,927
6
135
230´34
215´19
195´17
175´12
155´9
135´8
120´5
95´6
- ширина пластин;
- толщина пакетов;
, - число ступеней в сечении стержня и ярма.
Крайний наружный пакет ярма имеет ширину и толщину, равную сумме толщин двух или трех крайних пакетов стержня.
Полные площади ступенчатых фигур поперечных сечений стержня и ярма для плоских шихтованных магнитных систем и объёмы одного угла магнитной системы приведены в таблице 5.2.
Таблица 5.2
Площадь сечения стержня и ярма объема угла плоской шихтованной магнитной системы при размерах пакетов по таблице 5.1
, м
, см2
, см2
, см3
,м
, см2
, см2
, см3
0,13
0,14
0,15
0,16
0,17
0,18
0,19
0,20
0,21
121,9
141,5
161,7
183,5
208,5
232,8
262,8
288,4
319,2
124,9
144,0
165,9
188,3
214,1
237,6
267,3
296,2
327,2
1299
1620
2040
1470
2908
3452
4118
4811
5680
0,22
0,23
0,24
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,30
353,0
387,7
419,3
456,2
490,6
532,6
570,9
612,4
657,2
360,5
394,0
425,6
462,6
507,1
543,4
591,1
622,8
675,2
6460
7482
8428
9532
10746
12018
13738
14858
16556
Активное сечение стержня
, .
Активное сечение ярма
, .
Объем стали угла магнитной системы
, .
Длина стержня
где и - расстояния от обмотки до верхнего и нижнего ярма; при отсутствии прессующих колец (в трансформаторах с
(см. табл. 2.7.); при наличии колец расстояние до верхнего ярма для трансформаторов мощностью 1000-6300 кВ∙А увеличивается на 45 мм.
, .
.
Расстояние между осями соседних стержней
, .
значение определяется по таблице 2.7
.
значение округляется до 0,005 м.
Масса стали в стержнях и ярмах плоской шихтованной магнитной системы определяется суммированием масс прямых участков и углов. Плотность холоднокатаной стали =7650 кг/м3.
Масса стали угла при много ступенчатой форме сечения
. .
Масса стали ярм
, .
где
, .
, .
Масса стали стержней
, .
где
, .
, .
где – ширина пластин среднего пакета ярма
Полная масса стали магнитной системы
, .
5.2. Определение потерь холостого хода
Для плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы с взаимным расположением стержней и ярм по рис. 2.1, собранный из пластин холоднокатанной анизотропной стали, с прессовкой стержней расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а а ярм ярмовыми балками потери холостого хода могут быть рассчитаны по формуле:
где – коэффициент увеличении удельных потерь в результате осуществления резки ленты стали на пластины; для отожженной стали марок 3404 и 3405 можно принять =1,05 и для не отожженной - =1,11;
=1,05
– коэффициент увеличении удельных потерь из-за наличия заусенцев; если заусенцы удалялись при помощи ножа, то для отожженных пластин =1, а для не отожженных =1,02; если заусенцы не сняты не сняты, то =1,02 и 1,05 соответственно; для пластин шириной более 0,3 м =1;
=1
, , – удельные потери для стали стержней, ярм и стыков (зазоров), определяемые из таблицы 5.3 по индукциям соответственно в стержне, ярме и на косом стыке
, , ,
Индукция в стержне:
,
Индукция в ярме:
, .
Индукция в косых стыках (зазоров) по ярму:
, .
Удельные потери для стали стержней:
,
удельные потери в зоне шихтованного стыка по стержню:
.
Удельные потери стали ярма:
,
удельные потери в зоне шихтованного стыка по ярму:
.
Удельные потери в зоне шихтованного стыка (зазора):
.
Таблица 5.3
Удельные потери стали сердечника и ярма ( и ) и в зоне шихтованного стыка .
, (Тл)
, (Вт/кг)
, (Вт/м2)
, (Тл)
, (Вт/кг)
, (Вт/м2)
сталь 3404
0,35мм
одна пластина
две
пластины
сталь 3404
0,35мм
одна пластина
две
пластины
0,20
0,028
25
30
1,54
1,168
600
906
0,40
0,093
50
70
1,56
1,207
615
934
0,60
0,190
100
125
1,58
1,251
630
962
0,80
0,320
170
215
1,60
1,295
645
990
1,00
0,475
265
345
1,62
1,353
661
1017
1,20
0,675
375
515
1,64
1,411
677
1044
1,22
0,697
387
536
1,66
1,472
695
1071
1,24
0,719
399
557
1,70
1,600
725
1125
1,26
0,741
411
578
1,72
1,672
741
1155
1,28
0,763
423
589
1,74
1,744
757
1185
1,30
0,785
435
620
1,76
1,824
773
1215
1,32
0,814
448
642
1,78
1,912
789
1245
1,34
0,843
461
664
1,80
2,000
805
1275
1,36
0,872
474
686
1,82
2,090
822
1305
1,38
0,901
497
708
1,84
2,180
839
1335
1,40
0,930
500
730
1,86
2,270
856
1365
1,42
0,964
514
154
1,88
2,360
873
1395
1,44
0,988
526
778
1,90
2,450
890
1425
1,46
1,032
542
802
1,95
2,700
930
1500
1,48
1,066
556
826
2,00
3,000
970
1580
1,50
1,100
570
850
1,52
1,134
585
878
Примечание: В двух последних графах приведены удельные потери в зоне шихтованного стыка при шихтовке слоями в одну и две пластины.
– коэффициент, учитывающий увеличение потерь в углах магнитной системы; для стали 3404 с толщиной листа 0,35 мм в диапазоне индукций при Гц при косом стыке =1,32 при прямом стыке ; при индукции при косом стыке прямом - ; при четырёх углах с косыми стыками и двух углах с прямыми стыками для стали 3404 с толщиной листьев 0,35 мм при среднее значение ;
– число стыков разного вида:
4 – косых по ярму,
1 – прямой по стержню,
2 – прямых по ярму.
– площадь стыков:
прямого по стержню - , .
по ярму - , .
косого , .
– коэффициент увеличения потерь, зависящий от формы ярма; если число ступеней ярма отличается на одну две ступени от числа ступеней в сечении стержня, то =1, если соотношение числа ступеней стержня и ярма равно 3, то =1,04;
=1
– коэффициент, учитывающий влияние прессовки на потери холостого хода; при прессовке стержней расклиниванием с обмоткой и бандажами из стекло ленты, ярма – ярмовыми балками без бандажей для отожженной стали =1,03, для неотожженной – =1,02;
=1,03
– коэффициент, учитывающий увеличения потерь из-за перешихтовки верхнего ярма остова при установке обмоток; при мощности трансформаторов
до 250 кВ∙А =1,01, 400-630 кВ∙А =1,02, 1000-6300 кВ∙А =1,04÷1,08.
А =1,05
Рассчитываем потери холостого хода:
.
Расчётные потери холостого хода могут отличаться от заданных не более чем на +7,5%. В противном случае необходимо снизить, применив либо трёхстержневую магнитную систему с шестью косыми стыками (в этом случае = 8,58), либо ранее принятую, но собираемую из стали марки 3404 толщиной 0,30 мм, либо из стали марки 3405 толщиной 0,30 мм.
5.3 Расчет тока холостого хода
Намагничивающая мощность холостого хода трансформатора с плоской шихтованной трёхстержневой магнитной системой по рис. 2.1, собранной из пластин холоднокатаной анизотропной стали, с прессовкой стержней расклиниванием с внутренней обмоткой или бандажами, а ярм – ярмовыми балками без сквозных шпилек в стержнях и ярмах рассчитывается по формуле
где – коэффициент, учитывающий влияние резки полосы рулона на пластины; для отожженной стали марки 3404 =1,18, для неотожженной =1,49;
=1,18
– коэффициент, учитывающий влияние заусенцев; если заусенцы сняты , то для отожженных пластин =1, для неотожженных =1,01; если заусеницы не сняты, то соответственно равен 1,02 и 1,05;
=1
, , – удельные намагничивающие мощности для стали стержней, ярм и зазоров (стыков); определяются по индукциям , и для прямых и косых стыков из таблицы 5.5;
, ,
для шихтовки в одну пластину:
.
, ,
для шихтовки в одну пластину:
.
, для шихтовки в одну пластину:
.
– коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы, его значение для трёхстержневой магнитной системы из стали марки 3404 толщиной 0,35 мм для разных индукций приведены в таблице 5.4. .
Таблица 5.4
Значение коэффициента для углов с косыми и прямыми стыками пластин из стали марки 3404 с толщиной 0,35 мм при =50 Гц
Число углов со стыками
Магнитная индукция B, Тл
Косыми
Прямыми
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
4
2
38,5
41,7
42,45
40,3
33,66
– коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности в углах магнитной системы в зависимости от ширины пластины второго пакета; значения для холоднокатаной стали приведены в таблице 5.6;
Таблица 5.5
Полные удельные намагничивающие мощности в стали сердечника и ярма и в зоне шихтованного стыка для стали марки 3404 0,35 мм
0,20
0,040
40
1,54
1,486
19320
0,40
0,120
80
1,56
1,575
20700
0,60
0,234
140
1,58
1,675
22100
0,80
0,375
280
1,60
1,775
23500
1,00
0,548
1000
1,62
1,958
25100
1,20
0,752
4000
1,64
2,131
26700
1,22
0,782
4680
1,66
2,556
28600
1,24
0,811
5360
1,68
3,028
30800
1,26
0,841
6040
1,70
3,400
33000
1,28
0,870
6720
1,72
4,480
35400
1,30
0,900
7400
1,74
5,560
37800
1,32
0,932
8200
1,76
7,180
40800
1,34
0,964
9000
1,78
9,340
44400
1,36
0,996
9800
1,80
11,500
48000
1,38
1,028
10600
1,82
20,240
52000
1,40
1,060
11400
1,84
28,980
56000
1,42
1,114
12440
1,86
37,720
60000
1,44
1,168
13480
1,88
46,460
64000
1,46
1,222
14520
1,90
55,200
68000
1,48
1,276
15560
1,95
89,600
80000
1,50
1,330
16600
2,00
250,000
110000
1,52
1,408
17960
Примечание: В последнем столбце приведена удельная намагничивающая мощность в зоне шихтованного стыка при шихтовкеслоями в две пластины. При шихтовке в одну пластинку , полученные из таблицы, умножить на 0,82.
Таблица 5.6
Значения для холоднокатаной стали
, Тл
Ширина пластин второго пакета , м
0,05
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,8-1,0
1,10 и 1,90
1,20 и 1,80
1,30 и 1,70
1,40 и 1,60
1,50
1,30
1,40
1,50
1,70
2,00
3,00
1,25
1,27
1,30
1,38
1,50
2,00
1,20
1,21
1,22
1,25
1,35
1,50
1,17
1,18
1,19
1,21
1,25
1,35
1,15
1,16
1,17
1,18
1,20
1,30
1,14
1,15
1,16
1,17
1,19
1,25
1,13
1,14
1,15
1,16
1,18
1,20
1,12
1,13
1,14
1,15
1,16
1,18
– коэффициент, учитывающий форму сечения ярма; для ярма многоступенчатого сечения =1,0;
– коэффициент, учитывающий прессовку магнитной системы; при прессовке стержней расклиниванием с обмоткой, а ярма ярмовыми балками без бандажей для отожженной стали =1,045, для неотожженной – =1,04; при прессовке стержней бандажами из стеклоленты, ярм – ярмовыми балками без бандажей для отожженной стали =1,05, для неотожонной =1,04;
=1,05
– коэффициент, учитывающий перешихтовку верхнего ярма для установки обмоток; , .
Полный фазный ток холостого хода
, .
Относительное значение тока холостого хода (в процентах номинального тока)
, .
Активная составляющая фазного тока холостого хода
, .
или в процентах номинального тока
, .
Реактивная составляющая фазного тока холостого хода
, .
или в процентах номинального тока
, .
По вышеприведенным формулам рассчитывается среднее значение тока холостого хода для всех стержней трансформатора с магнитной системой по рис. 2.1 и считается током холостого хода (у такого трансформатора тока холостого хода в обмотке среднего стержня меньше, чем в обмотках крайних стержней).
Коэффициент мощности при работе трансформатора в режиме холостого хода при номинальном напряжении
, .
6. Тепловой расчёт и расчёт систем охлаждения
Вследствие потерь в обмотках и в стали магнитной системы эти элементы нагреваются и передают тепло через трансформаторное масло стенкам бака и радиаторов, с наружных поверхностей которых через излучение и конвекцию идёт отдача тепла окружающему воздуху. В установленном режиме всё выделяющееся тепло отдаётся в окружающую среду.
Тепловой расчёт трансформатора проводится после завершения электромагнитного и механического расчётов его обмоток и магнитной системы. При правильном выборе электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих масляных каналов внутренние температуры обмоток и магнитной системы оказываются не выше допустимых значений. По этому тепловой расчёт сводится к определению перепадов температур в нутрии обмоток и на их поверхности.
Конструкция бака трансформатора зависит от того теплового потока, который должен быть отведён с поверхности бака в окружающий воздух, а так же определяется требованиями механической прочности. При тепловом расчёте бака сначала рассчитывается допустимое среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом, затем по требуемой теплоотдаче определяется его охлаждающая поверхность, подбираются конструктивные элементы (их размеры и число), образующие эти поверхности. Далее проводится проверочный расчёт превышения температуры стенок бака и масла над окружающим воздухом. Если при этом получаются превышения температуры, отличающиеся от допустимых, то производится корректировка охлаждающей поверхности путём увеличения или уменьшения числа или размеров конструктивных элементов труб, охладителей и т. д.
6.1. Проверочный тепловой расчёт обмоток
Внутренний перепад температуры в многослойных обмотках из прямоугольного провода рассчитывается в следующей последовательности:
Потери, выделяющиеся в 1м3 общего объёма обмотки:
для обмотки из алюминиевого провода (ленты)
,
для ВН:
,
для НН:
,
в этой формуле и - размеры провода без изоляции и с изоляцией в направлении движения тепла (м),
и - то же, но в направлении перпендикулярном движению тепла (м),
выражены в (м), - в A/м2;
Средняя условная теплопроводность обмотки без учёта межслойной изоляции
,
для ВН:
,
для НН:
.
– удельная теплопроводность изоляции (значение выбирается из таблицы 6.1).
- теплопроводность межслойной изоляции (из таблицы 6.1).
Средняя условная теплопроводность обмотки
,
для ВН:
,
для НН:
.
Полный внутренний перепад температуры
,
для ВН:
,
для НН:
.
- радиальный размер катушки, м; при наличии в обмотке осевого охлаждающего канала размер равен ширине наиболее широкой из катушек;
Среднее значение внутреннего перепада температуры в обмотке
,
для ВН:
,
для НН:
.
Таблица 6.1
Удельные теплопроводимости изоляционных и других материалов
Материалы
λ, Вт/(м·°С)
Бумага кабельная сухая
Бумага кабельная в масле
Электроизоляционный картон
Лакоткани электроизоляционные
Гетинакс
Текстолит
Стекло текстолит
Масло при отсутствии ковекции
Медь
Алюминий
0,12
0,17
0,17
0,25
0,17-0,175
0,146-0,162
0,178-0,182
0,1
390
226
При расчёте внутреннего перепада в катушках с общей изоляцией всей катушки значение - следует определять как суммарную толщину изоляции провода и общей изоляции катушки на одну сторону.
Перепад температуры на поверхности цилиндрических обмоток из круглого или прямоугольного провода или алюминиевой ленты
,
для ВН:
,
где .
для НН:
.
где =0,285.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой масла
,
для ВН:
,
для НН:
.
определяются для каждой обмотки если они выполняются без осевых охлаждающих каналов, или катушки, если обмотки разделены осевыми охлаждающими каналами на катушки.
6.2. Тепловой расчёт бака
Бак трансформатора должен иметь хорошую теплоотдачу, быть механически прочным, простым в изготовлении, иметь малые габариты. Тип бака выбирается по мощности трансформа – (табл. 6.2)
Таблица 6.2
Типы баков силовых масляных трансформаторов
Тип бака
Вид охлаждения
Пределы применения по мощности, кВ∙А
Бак с гладкими сетками
Бак с вваренными охлаждающими гнутыми трубами (трубчатый)
Бак с навесными радиаторами с прямыми трубами
Бак с навесными радиаторами с гнутыми трубами
м
м
м
м
До 25-40
От 40-63 до 1600
От 100 до 6300
От 2500 до 10000
Примечание: При современных технологиях изготовления более технологичными являются баки с навесными радиаторами с прямыми трубами.
Для расчета размеров бака необходимо определить следующие изоляционные расчеты расстояния и размеры (рис. 6.1):
Рис. 6.1. К определению основных размеров бака
– изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до собственной обмотки (по табл. 6.3); ;
– изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки ВН до стенки бака (по табл. 6.3); ;
– диаметр изолированного отвода обмотки ВН: при классах напряжения 10 и 35 кВ при мощности трансформатора до 10000 кВ∙А =20мм, а при больших мощностях =25мм; ;
– изоляционное расстояние от отвода обмотки НН до обмотки ВН (табл. 6.4); ;
– изоляционное расстояние от изолированного отвода обмотки НН до стенки бака (по табл. 6.3); ;
– диаметр изолированного отвода от обмотки НН, равный , или размер неизолированного отвода НН (шины), равный 10-15 мм. .
Таблица 6.3
Минимально допустимые расстояния от отводов до заземлённых частей
Испытательное напряжение отвода, кВ
Толщина изоляции на одну сторону, мм
Диаметр отвода, мм
Расстояние от гладкой стенки бака или собственной обмотки, мм
До 25
Собств.
Собств.
2
>6
—
25
22
20
35
Собств.
Собств.
2
>6
—
33
28
20
45
Собств.
Собств.
2
>6
—
42
37
25
55
Собств.
Собств.
2
>6
—
50
45
32
85
2
4
6
—
—
—
50
40
35
Примечания:1. Для отводов с ≤35 кВ используется медный или алюминиевый провод, изолированный кабельной бумагой или бумажно-бакелитовыми трубками.
2. При рабочем напряжении отвода до 1 кВ провод (шина) отвода собственной изоляции не имеет.
Таблица 6.4
Минимально допустимые изоляционные расстояния от отводов до обмотки
Испытательное напряжение, кВ
Толщина изоляции на одну сторону, мм
Минимальное расчётное расстояние до основных катушек, мм
обмотки
отвода
До 25
35
55
85
До 25
До 35
До 35
До 35
собств., отсутств
2
собств
2
собств
2
собств
2
25
20
33
20
50
30
90
50
Минимальная ширина бака
,
.
Минимальная длина бака трехфазных трансформаторов классов напряжения 6, 10 и 35 кВ
,
.
где – расстояние от обмотки ВН до стенки бака; при испытательных напряжениях до 85 кВ может быть принят таким же, как и расстояние от неизолированного отвода обмотки до обмотки ВН (табл. 6.4), т. е. = ; чаще принимают , .
Внутренние размеры бака и , рассчитанные по вышеперечисленным формулам, обычно оказываются достаточными и по условиям теплоотдачи.
Глубина бака определяется высотой активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма до крышки бака, необходимым для размещения внутренних частей проходных изоляторов, отводов и переключателей
, .
где – высота активной части
, ,
где - ширина среднего листа ярма, ,
– толщина подкладки под нижнее ярмо; = 30÷50 мм;
– расстояние от верхнего ярма магнитопровода до крышки бака; выбирается из таблицы 6.5, .
Таблица 6.5.
Минимальное расстояние от ярма до крышки бака
Класс напряжения трансформатора, кВ
Минимальное расстояние, м
6,10
20
35
0,16
0,30
0,40
Для получения нужной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми трубами (табл. 6.2.) радиаторы этого типа могут крепиться приваркой патрубков коллектора к стенке бака (у трансформаторов мощностью 100-250 кВ∙А) или с помощью разъёмного соединения на фланцах (у трансформаторов мощностью 100-6300 кВ∙А)
В любом случае для установки радиаторов необходимая глубина бака
, ,
.
где = 1,400 – расстояние между осями патрубков радиатора (табл. 6.6);
и – расстояние осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака (табл. 6.6).
Должно быть . В противном случае необходимо принять .
Навесные радиаторы с прямыми трубами круглого или овального сечения выпускаются с одним рядом труб – 7 труб в ряду или двумя рядами – 10 труб в ряду.
Установка радиатора на баке трансформатора показана на рисунке 6.2.
Рис. 6.2. Трубчатый радиатор с прямыми трубами.
Для радиаторов с одним рядом труб размеры мм, =158мм, с двумя рядами труб =505мм, =253 мм. Данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами приведены в табл. 6.6.
Таблица 6.6
Основные данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами
Размер , мм
Поверхность , м2
Масса, кг
Размер , мм
Поверхность , м2
Масса, кг
Стали
масла
стали
масла
С одним рядом труб
1400
1615
1800
2000
2200
2400
4,333
4,961
5,613
6,253
6,893
7,533
53,94
67,14
73,94
81,98
89,18
95,68
46
53
57
64
72
78
710
900
0,746
0,958
12,9
15,35
8,5
10,9
С двумя рядами труб
710
900
1150
2,135
2,733
3,533
34,14
41,14
50,14
24
30
38
Примечание: 1. – поверхность конвекции труб;
– поверхность конвекции двух коллекторов;
=0,15 м2 при одном ряде труб; =0,34 м2 при двух рядах труб; – поверхность конвекции радиатора;
=+ , .
2. Минимальные расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака: =0,085м; = 0,10м.
Превышение средней температуры масла над температурой окружающей среды для наиболее нагретой обмотки или катушки
, .
где – длительное допустимое среднее превышение температуры обмоток над воздухом при номинальной нагрузке; для обмотк масляных трансформаторов по ГОСТ 11677-85 =65°С.
Максимальное превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды (пренебрегая перепадом температуры между маслом и стенкой бака)
°С
где – коэффициент, равный отношению максимального и среднего превышений температуры масла; можно применять =1,2;
– среднее превышение температуры стенки бака над воздухом
,
.
60°С – превышение температуры верхних слоёв масла над воздухом для трансформаторов герметическое или с расширителем.
Если приведённое выше неравенство не соблюдается, то следует принять
°С и °С.
По выбранным размерам бака рассчитывается поверхность гладких стенок бака при овальном его сечении в плане
,
.
Поверхность излучения бака с навесными радиаторами (ориентировочно)
, .
Где – коэффициент, учитывающий отношение поверхности излучения к поверхности гладкой части бака; для бака с навесными радиаторами =1,5÷2.
Необходимая поверхность конвекции для получения найденного выше значения среднего превышения температуры наружных стенок бака над температурой воздуха (ориентировочно)
,
.
Эта поверхность должна быть обеспечена элементами системы охлаждения масляного трансформатора (стенками бака, крышкой и навесными радиаторами), т. е. должно быть выполнено условие
,
где – поверхность конвекции крышки бака
,
.
0,5 – коэффициент, учитывающий закрытие поверхности крышки вводами и арматурой;
0,16 – удвоенная ширина верхней рамы бака;
– число навесных радиаторов;
- приведенная поверхность конвекции радиатора
, .
– коэффициент, учитывающий улучшение теплоотдачи конвекциейнавесного радиатора по сравнению с гладкой стенкой (коэффициент приведения поверхности конвекции радиатора к поверхности конвекции гладкой стенки), .
Необходимое число радиаторов (предварительно)
,
, .
Значение округляется до ближайшего целого числа с учётом схемы расположения радиаторов на баке.
Уточнённое значение поверхности конвекции бака (изменённое в результате округления )
,
.
Уточнённое среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха
,
.
где =1,05÷1,10.
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака для трансформатора с естественным масляным охлаждением
, .
где ,
.
Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха
, .
Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха рассчитывается для обмоток ВН и НН отдельно по формуле
,
для ВН:
.
для НН:
.
Превышение температуры обмоток и температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха не должны быть больше допустимых ГОСТ для масляных трансформаторов (65°С и 60°С соответственно). При получении более высоких значений или следует увеличить поверхность охлаждения бака. Если значения и меньше нормы более, чем на 5°С, то поверхность охлаждения бака следует уменьшить.
7. Определение массы основных материалов
Масса металла проводов обмоток НН и ВН ( и ) определена при расчете обмоток.
Расчет массы провода с изоляцией
; ,
где , – масса провода обмоток НН и ВН с учётом изоляции;
- коэффициент увеличения массы изолированного провода по сравнению с неизолированным. Значение выбирается из таблицы 7.1,
Таблица 7.1
Коэффициент увеличения массы прямоугольных обмоточных проводов марок ПБ и АПБ с толщиной изоляции на две стороны мм
Марка провода
а, мм
b, мм
1,40 – 1,80
1,90 – 2,65
2,80 – 3,75
4,00 – 5,60
ПБ
3,75 – 7,50
8,0 – 18,0
1,035
1,025
1,03
1,02
1,025
1,02
1,02
1,015
АПБ
3,75 – 7,50
8,0 – 18,0
1,12
1,08
1,10
1,07
1,08
1,07
1,07
1,05
Расчет массы провода с изоляцией:
, .
Масса стали магнитной системы определена при окончательном расчёте размеров магнитной системы.
Масса конструктивной стали остова (прессующие балки, шпильки и др.)
, .
Масса картона в изоляции обмоток при классах напряжения трансформаторов 6,10 и
с алюминиевыми обмотками
, .
Масса активной части – остова с обмотками и отводами
, .
Поверхность дна:
, .
Масса бака
,
где 1,1 – коэффициент, учитывающий массу усиливающих элементов;
– толщина стенки бака, м;
;
– толщина крышки, м ;
;
- толщина дна, м (из таблицы 7.2);
;
- масса стали радиатора ( из таблицы 6.6);
.
Таблица 7.2
Толщина стенки, крышки и дна трансформаторов.
Мощность трансформатора, кВ·А
25÷100
160÷630
1000÷1600
Толщина стенки, мм
2
3
4
Толщина крышки, мм
3÷4
6÷8
8÷10
Толщина дна, мм
4
4÷6
6÷8
Объем масла в баке
, .
где – объем бака
,
.
– объем, занимаемый активной частью
, .
– средняя плотность активной части; для трансформаторов с медными обмотками ≈5500÷6000 кг/м3, с алюминиевыми – ≈5000÷5500 кг/м3.
Масса масла в баке
, .
где =900 кг/м3 плотность трансформаторного масла.
Масса масла в радиаторах
, .
где - масса масла в одном радиаторе (таблица 6.6),
.
Объем расширителя обычно рассчитывается на 0,1 общего объема масла. Поэтому с учетом неполного заполнения расширителя общая масса масла в трансформаторе
, .
где 1,05 – коэффициент, учитывающий массу масла в расширителе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте был произведен расчет трансформатора, определены его основные размеры, был выбран тип обмоток, определены параметры короткого замыкания, параметры холостого хода, был произведен тепловой расчет и расчет системы охлаждения.
В ходе данного проектирования был решен вопрос более легкой сборки трансформатора, который позволяет уменьшить трудозатраты, вопрос экономичного использования материалов для сборки, что позволяет уменьшить организационно коммерческие затраты.
Приложение 1
Номинальные размеры и сечения медного и алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ
а
в
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
2,12
2,24
2,36
2,50
2,65
2,80
3,00
3,15
3,35
3,55
3,75
4,00
4,25
4,50
4,75
5,00
5,30
5,60
3,75
5,04
-
5,79
-
6,39
-
7,14
-
8,04
-
8,83
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,0
5,39
5,79
6,19
6,44
6,84
7,24
7,64
8,12
8,60
8,89
9,45
10,1
10,7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,25
5,74
-
6,59
-
7,29
-
8,14
-
9,16
-
10,1
-
11,4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,50
6,09
6,54
6,99
7,29
7,74
8,19
8,64
9,18
9,72
10,1
10,7
11,4
12,1
13,0
13,6
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,75
6,44
-
7,39
-
8,19
-
9,14
-
10,3
-
11,3
-
12,8
-
14,4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
5,0
6,79
7,29
7,79
8,14
8,64
9,14
9,64
10,2
10,8
11,3
12,0
12,7
13,5
14,5
15,2
16,2
17,2
-
-
-
-
-
-
-
-
5,30
7,21
-
8,27
-
9,18
-
10,2
-
11,5
-
12,7
-
14,3
-
16,2
-
18,3
-
-
-
-
-
-
-
-
5,60
7,63
8,19
8,75
9,16
9,72
10,3
10,8
11,5
12,2
12,7
13,5
14,3
15,1
16,3
17,1
18,2
19,3
20,1
21,5
-
-
-
-
-
-
6,0
8,19
-
9,39
-
10,4
-
11,6
-
13,1
-
14,5
-
16,3
-
18,4
-
20,8
-
23,1
-
-
-
-
-
-
6,30
8,61
9,24
9,87
10,4
11,0
11,6
12,2
13,0
13,8
14,3
15,2
16,2
17,1
18,4
19,3
20,6
21,8
22,8
24,3
25,9
27,5
-
-
-
-
6,70
9,17
-
10,5
-
11,7
-
13,0
-
14,7
-
16,2
-
18,2
-
20,6
-
23,2
-
25,9
-
29,3
-
-
-
-
7,10
9,73
10,4
11,2
11,7
12,4
13,1
13,8
14,7
15,5
16,2
17,2
18,3
19,3
20,8
21,8
23,2
24,7
25,8
27,5
29,3
31,1
32,9
34,6
-
-
7,50
10,3
-
11,8
-
13,1
-
14,6
-
16,4
-
18,2
-
20,5
-
23,1
-
26,1
-
29,1
-
32,9
-
36,6
-
-
8,0
11,0
11,8
12,6
13,2
14,0
14,8
15,6
16,6
17,6
18,3
19,5
20,7
21,9
23,5
24,7
26,3
27,9
29,1
31,1
33,1
35,1
37,1
39,2
41,5
43,9
8,50
11,7
-
13,4
-
14,9
-
16,6
-
18,7
-
20,7
-
23,3
-
26,2
-
29,6
-
33,1
-
37,4
-
41,6
-
46,7
9,00
12,4
13,3
14,2
14,9
15,8
16,7
17,6
18,7
19,8
20,7
22,0
23,3
24,7
26,5
27,8
29,6
31,4
32,9
35,1
37,4
39,6
41,9
44,1
46,8
49,5
9,50
13,1
-
15,0
-
16,7
-
18,6
-
20,9
-
23,2
-
26,1
-
29,4
-
33,2
-
37,1
-
41,9
-
46,6
-
52,1
10,00
13,8
14,8
15,8
16,6
17,6
18,6
19,6
20,8
22,0
23,1
24,5
26,0
27,5
29,5
31,0
33,0
35,0
36,6
39,1
41,6
44,1
46,6
49,1
52,1
55,1
10,60
14,6
-
16,8
-
18,7
-
20,8
-
23,4
-
26,0
-
29,1
-
32,8
-
37,1
-
41,5
-
46,8
-
52,1
-
58,5
11,20
15,5
16,6
17,7
18,7
19,8
20,9
22,0
23,4
24,7
25,9
27,5
29,1
30,8
33,1
34,7
37,0
39,2
41,4
43,9
46,7
49,5
52,3
55,1
58,5
61,9
11,80
-
-
18,7
-
20,9
-
23,2
-
26,1
-
29,0
-
32,5
-
36,6
-
41,3
-
46,3
-
52,2
-
58,1
-
65,2
12,50
-
18,5
19,8
20,9
22,1
23,4
24,6
26,1
27,6
29,0
30,7
32,6
34,5
37,0
38,8
41,3
43,8
46,0
49,1
52,3
55,4
58,5
61,6
65,4
69,1
13,20
-
-
-
-
23,4
-
26,0
-
29,2
-
32,5
-
36,4
-
41,0
-
46,3
-
51,9
-
58,5
-
65,1
-
73,1
14,00
-
-
-
-
24,8
26,2
27,6
29,3
31,0
32,5
34,5
36,6
38,7
41,5
43,6
46,4
49,2
52,0
55,1
58,6
62,1
65,6
69,1
73,3
77,5
15,00
-
-
-
-
-
-
29,6
-
33,2
-
37,0
-
41,5
-
46,7
-
52,7
-
59,1
-
66,6
-
74,1
-
83,1
16,00
-
-
-
-
-
-
31,6
33,6
35,5
37,2
39,5
41,9
44,3
47,5
49,9
53,1
56,3
59,1
63,1
67,1
71,1
75,1
79,1
83,9
88,7
17,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
47,2
-
53,2
-
59,4
-
67,1
-
75,6
-
84,1
-
94,3
18,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
53,1
55,8
59,4
63,0
66,6
71,1
75,6
80,1
84,6
89,1
94,5
99,9
Примечания:
1. Медный провод ПБ – все размеры таблицы, за исключением и мм;
2. Алюминиевый провод АПБ – все размеры таблицы вправо и вверх от жирной черты;
3.Провод марки ПБ и АПБ – выпускается с толщиной изоляции на обе стороны; ; ; ; . Вне скобок указана номинальная толщина изоляции, размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.
Приложение 2
Номинальные размеры и сечения
круглого медного и алюминиевого провода
Диаметр, мм
Сечение, мм2
Диаметр, мм
Сечение, мм2
Провод ПБ
4,00
12,55
1,18
1,094
4,10
13,2
1,25
1,23
4,25
14,2
Провод ПБ, АПБ
4,50
15,9
1,32
1,37
4,75
17,7
1,40
1,51
5,00
19,63
1,50
1,77
5,20
21,22
1,60
2,015
Провод АПБ
1,70
2,27
5,30
22,06
1,80
2,545
6,00
28,26
1,90
2,805
8,00
50,24
2,00
3,14
Примечания:
1. Провод марок ПБ и АПБ всех диаметров выпускается с толщиной изоляции на 2 стороны ; ; ; ; провод диаметром от 2,24 мм и выше – также с изоляцией и , а провод диаметром от 3,75 мм и выше – также с изоляцией ; и мм.
2. Без скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.
2,12
3,53
2,24
3,94
2,36
4,375
2,50
4,91
2,65
5,515
2,80
6,16
3,0
7,07
3,15
7,795
3,35
8,81
3,55
9,895
3,75
11,05
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов. Учеб. пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1976. 544 с. с ил.
2. Минскер Е.Г., Аншин В.Ш. Сборка трансформаторов. Учебник для сред. проф. техн. училищ. Изд. 4-е, переработ. и доп. М., «Высш. школа», 1976. 215 с. с ил.
3. Голунов А.М. и Сещенко Н.С. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. Изд. 2-е, переработ. и доп. М., «Энергия», 1976. 216 с, с ил.