Курсовой проект
Тема: «Проектирование масляного трансформатора ТМ-100/10»
1. Определение основных электрических величин
Мощность одной фазы трансформатора: Sф=S/m=100/3=33.3, кВА.
Мощность на одном стержне: S’=Sф=33.3, кВА.
1.1 Определение линейных и фазных токов и напряженийобмоток ВН и НН
ВН:/>, A Iф2=I2=5.77, A />, B
HН: />, A Iф1=I1=144.3, A />, B
1.2 Определение испытательных напряжений обмоток
По таблице 4.1 выбираем: BH Uисп2=35, кВ НН Uисп1=5, кВ (ГОСТ 1516.1–76).
Тип обмоток: ВН – цилиндрическая многослойная из круглого провода, НН – цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода. (См. табл. 5.8)
Изоляционные расстояния:
ВН: а12=9, мм а22=8, мм l02=20, мм (См. табл. 4.5)
НН: а01=4, мм l01=15, мм (См. табл. 4.4)
1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения к.з
Ширина приведённого канала рассеяния:
/>По таблице 3.3 выбираем К=1,25К=0,79
/>, м
/>, м
Активная составляющая напряжения к.з: />
Реактивная составляющая напряжения к.з: />
2. Расчёт основных размеров трансформатора
2.1 Выбор магнитной системы
Выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками в четырёх и прямыми в двух углах (См. рис. 2.17.б).
Соединение верхних и нижних ярмовых балок – вертикальные шпильки.
Прессовка стержней путём забивания деревянных и планок между стержнем и обмоткой НН.
2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе
Материал магнитной системы холоднокатанная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Индукция в стержне Вс=1,6 Тл (См.табл. 2.4).Число ступеней 5 в сечении стержня. Коэффициент заполнения круга Ккр=0,92. (См.табл. 2.5). Изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие; Кз=0,97 (См.табл. 2.2). Коэффициент заполнения сталью Кс=Ккр*Кз=0,92*0,97=0,892
Ярмо многоступенчатое, число ступеней 4. Ширина крайнего наружного пакета ярма
ая=60, мм (См.табл. 8.2).Коэффициент усиления ярма Кя=1,018 (См.табл. 8.6).
Индукция в ярме: Вя=Вс/Кя=1,6/1,018=1,572, Тл.
Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 4 на прямом 3.
Индукция в зазоре на прямом стыке Вз’=1,6, Тл. на косом />, Тл.
Удельные потери в стали рс=1,295, Вт/кг. ря=1,251 б Вт/кг.
Удельные потери в зоне шихтованного прямого стыка рз’’=990, Вт/м2.
в зоне косого стыка рз’’=515, Вт/м2. (См.табл. 8.10).
Удельная намагничивающая мощность qc=1.775, ВА/кг. qя=1.675 ВА/кг.
Для зазоров на прямых стыках qз’’=23500, ВА/м2.
Для зазоров на косых стыках qз’=4000, ВА/м2. (См.табл. 8.17).
Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма l0’=20, мм. от верхнего l0’’=20, мм.
По табл. 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям к.з. Кд=0,97.
Для алюминиевых обмоток по таблице 3.4: а=d12*1.06/d=1.36*1.06=1.44
по табл. 3.5 b=2*a2*1.25/d=0.55*1.25=0.69 Kp=0.95
2.3 Расчёт основных коэффициентов
/>
/>, кг
/>, кг
/>, кг
/>, кг
/>, кг
/>
/>, Мпа
2.4 Предварительный расчёт трансформатора и выбор соотношения основных размеров bс учётом заданных значений ux, Pk и Px
Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением: />
Для рассчитываемого трансформатора:
/>
Кос=1,81 (См.табл. 3.7) Кир=1,13 />/>
Получаем: />
Решение этого уравнения даёт: />
/> – соответствует минимальной стоимости активной части трансформатора.
Находим предельные значения β:
/>/>--PAGE_BREAK--
/>/>
Оба значения β лежат за пределами обычно принимаемых значений.
Масса одного угла магнитной системы: />
Активное сечение стержня: />
Площадь зазора на прямом стыке />
Площадь зазора на косом стыке />
Для выбранной магнитной системы, потери х.х: Кпд=1,22 Кпу=10,18
Рх=Кпд рс(Gc+0.5KпуGy)+Кпд ря(Gя-6Gy+0.5KпуGy)=
=1.22*1.295 (Gc+0.5*10.18*Gy)+1.22*1.251 (Gя-6*Gy+0.5*10.18*Gy)=
=1.58*Gc+1.526*Gя+6.652*Gy
Намагничивающая мощность:
Кту=42,45 Ктр=1,49 Ктз=1,01 Кт.пл=1,2 Ктя=1,0 Ктп=1,04 Ктш=1,01
К’тд=Ктр*Ктз=1,49*1,01=1,5 К’’тд=Ктя*Ктп*Ктш=1*1,04*1,01=1,05
Qx=К’тдК’’тдqc(Gc+0.5КтуКт.плGy)+ К’тдК’’тдqя(Gя-6Gy+0.5 КтуКт.плGy)+ К’’тдSqзnзПз=
=1,5*1,05*1,775 (Gc+0.5*42,45*1,2Gy)+1,5*1,05*1,675 (Gя-6Gy+0.5*42,45*1,2Gy)+
+1,05*4000*4*0,011*х2+1,05*23500*3*0,011*х2=
=2,796 Gc+2,638 Gя+122,56 Gy+999х2
Определяем основные размеры трансформатора:
d=Ax=0.109x; d12=aAx=0.157x; l=pd12/b=2.48d12; 2a2=bd; C=d12+a12+2a2+a22
Дальнейший расчёт проводим в форме таблицы:
Данные таблицы рассчитаны при помощи программы «Microsoft Excel», на основе вышеупомянутых и следующих формул:
/>/>/>
/>/>/>
/>/>/>
Таблица 1. Предварительный расчёт трансформатора ТМ-100/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками
b
1
1,4
1,8
2,2
2,6
3
x
1
1,087757
1,158292
1,217883
1,269823
1,316074
x2
1
1,183216
1,341641
1,48324
1,612452
1,732051
x3
1
1,287052
1,554012
1,806413
2,047529
2,279507
A1/x
93,7
86,14054
80,89496
76,93676
73,78979
71,1966
A2*x2
7,64
9,03977
10,25014
11,33195
12,31913
13,23287
Gc
101,34
95,18031
91,1451 продолжение
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
4013,378
I, %
2,183133
2,606311
2,992509
3,351997
3,690936
4,013378
G
53,81
45,47775
40,10761
36,27869
33,37155
31,06722
1.03G
55,4243
46,84208
41,31083
37,36706
34,37269
31,99923
Gпр
60,96673
51,52629
45,44192
41,10376
37,80996
35,19916
KocGпр
110,3498
93,26259
82,24987
74,39781
68,43603
63,71048
C’ач
287,6398
285,7376
290,4877
298,4416
308,1404
318,8597
J
1668908
1815367
1933083
2032535
2119218
2196406
σp
2,623
3,375937
4,076174
4,738221
5,370668
5,979147
d
0,109
0,118566
0,126254
0,132749
0,138411
0,143452
d12
0,15696
0,170734
0,181806
0,191159
0,199311
0,206571
l
0,493104
0,383127
0,317311
0,272974
0,240829
0,216321
C
0,24917
0,269545
0,285921
0,299756
0,311815
0,322553
Результаты расчётов, приведённые в таблице 1, показаны в виде графиков на рис. 1.
Рис. 1. Трансформатор ТМ-100/10. Зависимость Рх, i0и С’ач от b.
Предельные значения b для заданных потерь х.х Рх=330 Вт, b£1,25. Предельное значение b для заданного тока холостого хода i0=2.6% составляет b£1,4. Ранее были установлены предельные значения, ограниченные платностью тока, b£6,851.
С учётом заданных критериев выбираем значение b=1,25; соответствующее ему значение d по шкале нормализованных диаметров составляет 0.115 м. В этом случае стоимость активной части трансформатора минимальна, потери холостого хода соответствуют заданному, а ток холостого хода меньше заданного значения.
2.5 Определение основных размеров
Диаметр стержня /> м.
Средний диаметр стержня /> м.
Ориентировочная высота обмоток /> м.
Активное сечение стержня /> м2.
Напряжение одного витка предварительно: /> В
Число витков в обмотке НН: /> принимаем 71 виток. продолжение
--PAGE_BREAK--
Уточнение напряжения одного витка: /> В.
Средняя плотность тока в обмотках:
/>А/м2.
3. Расчёт обмоток НН и ВН
3.1 Расчёт обмотки НН
Ориентировочное сечение витка:/> м2.
По таблице 5.8 по мощности обмотки S’=33.3 kBA, номинальному току I1=144.3 А и
напряжению 0,4 кВ выбираем цилиндрическую трёхслойную обмотку из алюминиевого прямоугольного провода.
По сечению витка выбираем провод АПБ сечением 83,9 мм2
/>, изоляция />, мм на две стороны.(Табл.5.2)
Сечение витка /> м2/> А/м2.
Общий суммарный радиальный допустимый размер проводов для алюминиевого провода:
/>принимаем q=1200, Вт/м; к3=0,8
/>м.
Следовательно, в этом предельном размере можно уместить /> слоя провода с радиальным размером />
Число витков в одном слое: />
Число слоёв обмотки /> 24,24 и 23 витка.
Таким образом, радиальный размер обмотки />
Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре с размерами /> м.
Диаметры обмотки:
внутренний: />
внешний: />
Плотность теплового потока на поверхности обмотки
/>
Масса металла обмотки НН:
/>
масса провода обмотки НН: />
3.2 Расчёт обмотки ВН
Выбираем схему регулирования напряжения с выводом концов от всех трёх фаз обмотки к одному трёхфазному переключателю.
Контакты переключателя рассчитываются нарабочий ток 6, А.
Наибольшее напряжение между контактамипереключателя в одной фазе:
рабочее />
испытательное 577*2=1154 В
Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:
/>принимаем 1775 витков.
Напряжение одного витка uB=3.25 B.
Число витков на одной ступени регулирования
/>витков.
Напряжение, В
Число витков на ответвлениях.
10500
1775+89=1864
10000
1775
9500
1775–89=1686
Ориентировочная плотность тока:
/>
Ориентировочное сечение витка:
/>
По мощности трансформатора, току на стержень, напряжению и сечению витка выбираем цилиндрическую, многослойную обмотку из круглого провода. (Табл. 5.8)
По сортаменту алюминиевого провода выбираем провод марки АПБ диаметром 2,12 мм сечением 3,53 мм2/>с толщиной изоляции на две стороны 2d=0,3 мм
В расчёте принимаем 2d=0,4 мм.
Увеличение массы провода за счёт изоляции 9,9% (Табл. 5.1.)
Сечение витка: П2=3,53 мм2.
Плотность тока: />
Общий суммарный радиальный размер алюминиевых проводов, принимая q2=1200 Вт/м2 и КЗ=0,8
/>
Число витков в одном слое />
Обмотка ВН наматывается в 10 слоёв: девять слоёв по 195 витков и один слой –109 витков.
Всего 1864 витка. Общий суммарный, радиальный размер металла b=10*2,12=21,2 мм
Напряжение двух слоёв обмотки />
Междуслойная изоляция по табл. 4.7 – кабельная бумага марки К-120 по ГОСТ 23436–83Е, три слоя толщиной 0,12 мм (3*0,12). Выступ изоляции 16 мм с каждого конца обмотки.
Радиальный размер обмотки:
/>
Диаметры обмотки:
Внутренний: />
Внешний: /> продолжение
--PAGE_BREAK--
Расстояние между осями стержней />
При испытательном напряжении обмотки ВН Uисп=35 кВ по табл. 4.5 находим:
/>
Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре />
Плотность теплового потока на поверхности обмотки
/>
Масса металла обмотки ВН
/>
Масса провода обмотки ВН />
Масса металла двух обмоток />
Рис. 3. Расположениеобмоток
4. Расчёт параметров к.з.
4.1 Расчёт потерь к.з.
Основные потери:
Обмотка НН:
/>
Обмотка ВН:
/>
Масса металла обмотки ВН при номинальном числе витков:
/>
Добавочные потери в обмотке НН:
/>
где: />
Добавочные потери в обмотке ВН:
/>
где: />
Основные потери в отводах:
Длина отводов: />
Масса отводов НН: />
Масса отводов ВН: />
Потери в отводах НН
/>
Потери в отводах ВН
/>
Потери в стенках бака и других элементах конструкции: по табл. 7.1 К=0,015
/>
Полные потери к.з.
/>
т.е. />от заданного.
4.2 Расчёт напряжения к.з.
Активная составляющая
/>
Реактивная составляющая
/>где:
/>
/>
/>
/>или /> от заданного значения.
5. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
Установившийся ток короткого замыкания в обмотке ВН
/>
Мгновенное максимальное значение тока к.з.
/>где:
/>
Радиальная сила:
/>
Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН
/>
Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН
/>
Осевые силы в обмотках:
/>
/>
где: />
/>
По табл. 7.4 />/>
/>
Осевые силы действуют на обе обмотки по рис. 4.
Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток. В середине высоты обмотки НН, имеющей меньший радиальный размер, сжимающее напряжение:
/>, что ниже допустимого 18–20 Мпа.
Температура обмотки через tk=4 c после возникновения короткого замыкания
/>что ниже допустимой 200°С. продолжение
--PAGE_BREAK--
Время достижения температуры 200°С для обмоток
/>
6. Расчёт магнитной системы трансформатора
6.1 Определение размеров магнитной системы и массы стали трансформатора
Принимаем конструкцию плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы с четырьмя косыми и двумя прямыми стыками на среднем стержне. Прессовка стержня – путём забивания деревянных реек между стержнем и обмоткой НН. Прессовка ярма – прессующими балками и шпильками.
В сечении стержня 5 ступеней без прессующей пластины, размеры пакетов по табл. 8.2.
Для d=0.115 м Кр=0,903
В сечении ярма 4 ступени. Ширина крайнего наружного пакета 65 мм.
Размеры пакетов стержня a´b мм Размеры пакетов ярма a´b мм
a
B
105
25
95
9
85
6
65
9
40
5
a
B
105
25
95
9
85
6
65
14
Полное сечение стержня и ярма и объём угла магнитной системы (по табл. 8.6) Пфс=93,9 см2; Пфя=95,4 см2; Vy=812.8 см3. Активное сечение стержня />Активное сечение ярма />Ширина ярма />Длина стержня
/>
Расстояние между осями соседних стержней
/>
Масса стали угла магнитной системы
/>
Масса стали ярм
/>
Масса стали стержней />
/>
/>
Полная масса стали плоской магнитной системы
/>
6.2 Расчёт потерь и тока холостого хода
Магнитная система шихтуется из электротехнической, тонколистовой, рулонной, холоднокатаной, текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм.
Индукция в стержне />
Индукция в ярме />
По таблице 8.10 находим удельные потери:
При Вс=1,607 Тл; рс=1,35 Вт/кг; рз, с=651 Вт/м2; при Вя=1,58 Тл; ря=1,251 Вт/кг.
При /> рз=340 Вт/м2. />
Потери холостого хода
/>/>
/>Где:
/>
Что составляет /> от заданного значения.
По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности
При Вс=1,607 Тл qc=1.84 ВА/кг qзс=24000 ВА/м2
При Вя=1,58 Тл qя=1,675 ВА/кг
При Вз=1,14 Тл qз=3000 ВА/м2.
По таблице 8.13 находим коэффициенты для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при наличии отжига.
/>Полная намагничивающая мощность
/>
/>
/>
Ток холостого хода
/>
Или /> от заданного значения.
Активная составляющая тока холостого хода
/>
Реактивная составляющая тока холостого ход
/>
7. Тепловой расчёт трансформатора
7.1 Тепловой расчёт обмоток
Внутренний перепад температуры:
Обмотка НН: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
Где d-толщина изоляции провода на одну сторону d=0,25*10-3 м.
lиз=0,17 Вт/(м2*°С) – теплопроводность кабельной бумаги в масле.
Обмотка ВН: />
d=0,2*10-3 м lиз=0,17 Вт/(м2*°С).
Перепад температуры на поверхности обмоток:
Обмотка НН: />
/>
Обмотка ВН: />
/>
Полные перепады температур на обмотках:
Обмотка НН: />
Обмотка ВН: />
7.2 Тепловой расчёт бака
Выбираем конструкцию бака, со стенками в виде волн. (Табл. 9.4)
Минимальная ширина бака
/>
Где: />
Принимаем В=0,375 м (при расположении магнитной системы в центре бака).
Минимальная длина бака
/>S5=33 мм
Глубина бака /> (Табл. 9.5).
/>n=30 мм.
/>
Для выбранного типа бака принимаем:
Толщина волны с=d=12 мм.
Расстояние между соседними волнами />
Высота волны Нв=Н – 0,1=0,86–0,1=0,76 м.
Толщина стенки d=0,8 мм.
Ширина волны b=80 мм.
Поверхность излучения стенки
/>
Шаг волны стенки
/>
Развёрнутая длина волны
/>
Число волн />
Поверхность конвекции стенки />
Где КВ коэффициент, учитывающий ухудшение конвекции
/>/>
Поверхность крышки бака
/>
Поверхность верхней рамы бака
/>
Полная поверхность излучения бака
/>
Полная поверхность конвекции бака
/>
7.3 Окончательный расчёт превышения температуры обмоток и масла
Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха(для индивидуального расчёта К=1,05).
/>
Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака(для естественного масляного охлаждения, К1=1).
/>
SПК-поверхность конвекции бака без учёта коэффициента ухудшения конвекции.
/>
Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха
/>
Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха
ВН: />
НН: />
8. Приближённое определение массы конструктивных материалов и масла трансформатора
Масса активной части трансформатора
/>
Объём бака
/>
Объём активной части />
Объём масла в баке />
Масса масла />
Масса бака />
Масса стенки />
/>
Масса крышки />
Масса дна />
Общая масса трансформатора (ориентировочно)
/>