Силовой двухобмоточный трансформатор

Ташкентский Государственный

Технический Университет

им. Абу Райхон Беруний.

Курсовой проект по предмету

''Электрические машины''

Выполнил: студент 3-го курса

заочного отделения

энергетического факультета

Огай В.Г.

Шифр: 1950402.

Приняла: Мешкова Е.А.

Ведение.

Трансформаторы–это наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения энергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток связанных индуктивно, и предназначенные для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка–вторичной. Обычно все величины, относящиеся к первичной обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся к вторичной–индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного тока. Ток первичной обмотки I₁ имеет активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход), вследствие действия индуктивной составляющей тока I_Ом, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока I определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока Ф₁ сцеплённого с первичной обмоткой, сцеплена также со всеми обмотками фазы и является потоком взаимоиндукции между обмотками, или главным рабочим потоком Ф. Другая часть полного потока Ф­₁ сцеплена не со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Её называют потоком рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна числу её витков. Отношение ЭДС первичной и вторичной обмоток называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

Устройство силовых трансформаторов.

Трансформаторы имеют магнитопроводящие сердечники и токопроводящие обмотки. Для лучшего охлаждения сердечники и обмотки мощных трансформаторов погружаются в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают два вида сердечников: стержневой и броневой.

Броневой сердечник имеет разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система таких трансформаторов несколько несимметрична, так как магнитная проводимость потока крайних стержней и среднего ­­– является неодинаковой.

Вследствие изменения потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые токи, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в поперечном сечении стержня. Для уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются (шихтуются) из изолированных прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0.5мм или 0.35мм. Для уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь зашихтовывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0.03мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, имеющие вид размещённых концентрически (одна в другой) полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют масляное охлаждение. Трансформатор в большинстве случаев не является полностью твёрдым телом, а содержит большое количество жидкого масла, которое оказывает значительное влияние на теплопередачу.

В большинстве случаев в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические обмотки, которые имеют вид размещённых концентрически полых цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего напряжения, требующая меньшей толщины изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью до 560 кВА концентрическая обмотка выполняется по типу цилиндрической обмотки, в большинстве случаев имеющей два слоя. Слои обмотки выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших мощностей концентрическая обмотка низшего напряжения выполняется по типу винтовой, в которой между двумя соседними по высоте витками оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих усилий, возникающих при внезапных коротких замыканиях, наиболее надёжными являются непрерывные обмотки.

Дан трёхфазный двухобмоточный масляный трансформатор.

Порядок расчёта.

1. Расчёт основных электрических величин и изоляционных материалов.

2. Расчёт обмоток.

3. Расчёт параметров короткого замыкания.

4. Расчёт магнитной системы трансформатора и параметров холостого хода.

5. Тепловой расчёт трансформатора, расчёт системы охлаждения.

Расчёт основных электрических величин и изоляционных расстояний.

Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

S_ф = S^` = S_н/3 = 2500/3 =833.3 кВА

Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I₂== = =41.24 А

НН: I₁== ==2092 А

Фазные токи обмоток (звезда/треугольник–║):

ВН: I_ф2 = I₂ = 41.24 А

НН: I_ф1 = I₁/= 2092/= 1208 А

Фазные напряжения обмоток:

ВН: U_ф2 = U_н2/= 35000/= 20207 В

НН: U_ф1 = U_н1 = 690 В

Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1 (Л-1):

ВН: U_исп.2 = 85 кВ

НН: U_исп.1 = 5 кВ

По таблице 5.8 (Л-1)выбираем тип обмоток:

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 41.24 А – непрерывная катушечная из прямоугольного провода.

Обмотка НН при напряжении 690 кВ и токе 1208 А – винтовая двухходовая из прямоугольного провода.

Для испытательного напряжения обмотки ВН, U_исп.2 = 85 кВ по таблице 4.5 (Л-1) находим изоляционные расстояния:

a₁₂^{`</sup> = 27 мм; l<sub>02</sub><sup>`} = 75 мм; a₂₂^` = 30 мм

Для обмотки НН, U_исп.1 = 5 кВ

a₀₁^` = 15 мм

Определение исходных данных расчёта.

Мощность обмоток одного стержня:

S^`= 833,3 кВА

Ширина приведённого канала рассеивания:

a_p = a^`₁₂ + (a + a) / 3

(a₁ +a₂)/3 = K´10^-2, где к=0.5 (из табл. 3.3), (Л-1)

(a₁ +a₂)/3 = 0.5´10^-2 = 0.027 м

а_р= а^`₁₂ + (a₁+a₂)/3 = 27´10^-3 + 0.027 = 0.054 м

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

U_а = P_к/10S_н = 26000Вт/10´2500 = 1.04%

Реактивная составляющая:U_р= = = 6,4 %

Выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.1.

Рис. 1Схема плоской магнитной системы трансформатора.

Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм стальными балками. Материал магнитной системы – холоднакатная сталь марки 3404 толщиной

0.35 мм.

Индукция в стержне В_с = 1.6 Тл. В сечении стержня 9 ступеней, коэффициент заполнения круга К_кр = 0.929, изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие плюс однократная лакировка, К_з = 0.965, коэффициент заполнения сталью k_c =К_кр´ К_з = 0.929 ´ 0.965 = 0.8965.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 7, коэффициент усиления ярма

k_я = 1.015

индукция в зазоре:

В_я = В_с/К_я = 1.6/1.015 = 1.576 Тл

Число зазоров магнитной системы на косом стыке = 4, на прямом = 3. Индукция в зазоре на прямом стыке:

В_з^`` = В_с = 1.6 Тл

На косом стыке:

В_з^` = В_с/= 1.6/ = 1.132 Тл

Удельные потери в стали р_с = 1.295 Вт/кг; р_я= 1.242 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность q_c = 1.795 ВА/кг, q_я = 1.655 ВА/кг,

Для зазоров на прямых стыках q^``_з = 23500 ВА/кг,

для зазора на косых стыках q^`_p = 3000 ВА/м² .

По таблице 3.6 (Л-1) находим коэффициент учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, к_q=0.91 и по таблице 3.4 и 3.5 (Л-1) находим постоянные коэффициенты для медных обмоток a = 1.40 и = 0.31.

Принимаем К_р£ 0.95.

Диапазон изменения от 1.5 до3.8, оптимальный вариант =1.8.

Диаметр стержня d=0.32 м.

Расчёт основных коэффициентов.

А = 0.507 = 0.507 = 0.2467

По таблице 3.12 (Л-1)

b = 1.8¸2.4

d = Ax Þ x = d/A = 0.32/0.2467 = 1,3

= x⁴ = 2,8 – принадлежит диапазону 1.8 ≤ β ≤ 2.4

Определение основных размеров.

Диаметр стержня: d = Ax = 0.32 м

Активное сечение стержня:

П_с = 0.785k_ca²x² = 0.785 ´ 0.8965 ´ 0.2774² ´ 1.1535² = 0.0721 м².

Средний диаметр обмоток:

d₁₂ = ad = 1.40´0.32 = 0.448 м.

Высота обмоток:

l = pd₁₂/b = 3.14´0.448/1.77 = 0.8 м

Высота стержня:

l_c = l+2l₀ = 0.8+2´0.05 = 0.9 м

Расстояние между осями стержней:

С = d₁₂+a₁₂+bd+a₂₂ = 0.448+0.02+0.31+0.32+0.02 = 0.5872 м

ЭДС одного витка

u_в = 4.44fП_СВ_С = 4.44´50´0.0721´1.6 = 25.6 В

Расчёт обмоток НН.

Число витков обмоток НН:

w₁ = U_ф1/U_в = 690/25.6 = 27

Напряжение одного витка U_в = U_ф1/w₁ = 690/27 = 25.5 В

Средняя плотность тока в обмотках :

J_ср = 10⁴´0.76k_gP_кU_в/Sd₁₂ = 10⁴´0.746´0.91´26000´25.5/25000´0.448 =

= 401.86´10⁴ А/м² =3.67 МА/м²

Сечение витка ориентировочно:

П₁ = П^`_в = I_ф1/J_ср = 1208/3,67´10⁶ = 329.15´10^-6 м² = 330 мм²

По таблице 5.8 по мощности 2500 кВА, току на один стержень 1208 А, номинальному напряжению одной обмотки 690 В и сечению витка 330 мм² – выбираем конструкцию винтовой обмотки.

Размер радиального канала предварительно: h_к = 5 мм.

Число реек по окружности обмотки – 12.

Ширина между витковых прокладок: b_пр.=40 мм

Ориентировочный осевой размер витка:

h_в1 = + h_к = – 0.005 = 0.0208 м = 20.8 мм

Ввиду того, что h_в1>15 мм и по графикам рис. 5.34(а) (Л-1) при максимальном размере медного провода b=15 мм и плотности тока J=3.50 МА/м² плотность теплового потока q=2400, что при естественном масляном охлаждении не допускается, выбираем двух ходовую винтовую обмотку с радиальными каналами в витках и между витками с равномерно распределённой транспозицией.

По полученным ориентировочным значениям П₁ и h_в1 в таблице 5.2 подбираем значение сечения витка из 12-ти параллельных проводов:

ПБ12´

Разделённых на две группы по шесть проводов с каналами по 5 мм между группами витка и между витками (рис.2).

Для частичной компенсации разрыва в обмотке ВН при регулировании напряжения размещаем в середине высоты обмотки НН шесть радиальных каналов по 10 мм.

Полное сечение витка: П₁ = 12´27.8 = 333.6 мм² = 333.6´10^-6 м²

Плотность тока: J₁ = 1208´10⁶/333.6 = 3.62 МА/м²

По графику рис.5.34(а) (Л-1), находим, что для J=3.6 МА/м² и b=9,5 мм,

q=1600 Вт/м²

Высота обмотки:

l₁ = (27+1)´2´9.5´10^-3+((27´2+1-6)´5+10´6)´0.95´10^-3 = 532´10^-3+289,75´10^-3

» 0.82 м

Радиальный размер обмотки: а₁= 6´3.65´10^-3= 0.022 м.

По таблице 4.4 (Л-1) для U_исп.1=5 кВ, S=2500 кВА и винтовой обмотки находим а₀₁=15 мм, обмотка наматывается на 12 рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размером

´0.0,93 м

3,65

9,5

5 Рис. 2Сечение витка обмотки НН.

9,5

22

Внутренний диаметр обмотки:

D^`₁ = d+2a₀₁ = 0.32+2´0.015 = 0.35 м

Внешний диаметр обмотки по (7.19):

D^``₁ = D^`₁+ 2f₁ = 0.35+2´0.022 = 0.394 м

Плотность теплового потока на поверхности обмотки по (7.19)

q = ´10^-10 = ´10^-10 » 780 Вт/м²

В обмотке предусматривается равномерно распределённая транспозиция параллельных проводов-12 транспозиций по принципиальной схеме рис. 5.29 (Л-1). Первая транспозиция после первого витка, 11 последующих с шагом в два витка, т.е. после третьего витка, пятого витка и т.д. .

Масса метала обмотки по (7.6) (Л-1):

G₀₁ = 28´10³cD_срw₁П₁ = 28´10³´3´0.372´27´333.6´10^-6 = 281.5 кг

Масса провода по таблице 5.5 (Л-1)

G _пр1 = 281.5 ´1,02 = 287,13 кг

Расчёт обмотки ВН.

Выбираем схему регулирования по рис. 3 (6.14) (Л-1) с выводом концов всех трёх фаз обмотки к одному трёх фазному переключателю. Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 41,24 А. Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе:

рабочее: %U_2, т.е. 2020 В

испытательное: %U₂, т.е. 4040 В.

для получения на стороне В различных напряжений необходимо соединять