Силовой масляный трансформатор ТМН-8000/60

магнитопровод напряжение обмотка трансформатор

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

В народном хозяйстве используются трансформаторы различного назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВ-А и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВ-А и ниже для однофазных и 5 кВ-А и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВ-А и более для трехфазных и от 5 кВ-А и более для однофазных сетей.

Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т. п., а также для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов — преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые 

трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи и т. п.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не  менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции 15, 75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть, около 1000 км часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.

Новые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы, стяжкой стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатой формой сечения ярма в плоских магнитных системах. Находят применение стыковые пространственные магнитные системы со стержнями, собранными из плоских пластин, и с ярмами, навитыми из ленты холоднокатаной стали, а также магнитные системы, собранные только из навитых элементов. Эти конструкции позволяют уменьшить расход активной стали и потери холостого хода.

Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее время за счет изменения конструкции магнитной системы, например путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а следовательно, энергетики страны.

1. Исходные данные для расчета

ТМН 8000/60 - трехфазный двухобмоточный трансформатор, с естественной циркуляцией масла, с регулированием напряжения под нагрузкой ±16% от номинального: 9 ступеней по 1,78% в каждой ступени, номинальной мощностью 8 МВА

1.1 Номинальная мощность  S_ном=8·10⁶  В·А       

1.2 Число фаз m_ф=3

1.3 Частота  f=50 Гц

1.4 Номинальные линейные напряжения обмоток  U_вн=66·10³ В, U_нн=6,3·10³ В

1.5 Схема и группа соединения обмоток Y/Д11

1.6 Диапазон регулирования α_рег=16 %

 Количество ступеней n_ступ=9

 Тип регулирования РПН-регулирование под нагрузкой

1.7 Тип охлаждения: М - с естественной циркуляцией масла 

1.8 Характер нагрузки: длительная непрерывная

1.9 Потери короткого замыкания  Р_кз=48·10³  Вт

1.10 Напряжение короткого замыкания U_кз=10,5 %

1.11 Марка стали ЭЗ407

1.12 Материал обмоток: алюминий

Потери и ток холостого хода не задаются, а определяются при расчете оптимального варианта.

2. Технико-экономический расчет оптимального варианта

При постоянных потерях короткого замыкания Р_к.з. и постоянном напряжении короткого замыкания U_к.з. приведенные затраты при выборе оптимального варианта определяются выражением

З_прив= (e_н+а_тр)×Ц_тр + у_э×Т_вкл×Р_хх + руб./год    (2) ,

а_тр – норма амортизационных отчислений от стоимости трансформатора, а_тр= 0,063  1/год;

Ц_тр – оптовая  цена трансформатора, руб.;

у_э – стоимость электроэнергии, рассчитанная для двухставочного тарифа при средней продолжительности максимальной нагрузки для понижающих трансформаторов 5300 час/год, у_э = 0,338×10^-3  руб/Вт×час;

Т_вкл– продолжительность включения трансформатора, Т_вкл = 8600  час/год.

Критерием при выборе оптимального варианта является минимум проведенных затрат, рассчитанных по вышеприведенной формуле, для различных значений b - коэффициента, определяющего соотношение основных размеров в трансформаторе.

,

где     Д_Н-В  – средний диаметр канала между обмотками НН и ВН;

Н_обм –  высота обмоток.

Коэффициент b в трансформаторах изменяется в пределах 0,5…4. Определение минимума приведенных затрат проводится в результате расчета нескольких вариантов с различными значениями b (0.63, 1, 1.6, 3.5, 4). Результаты расчета сводятся в таблицу 2.2., форма которой приведена ниже. Выбор оптимального варианта, соответствующего З_{прив min}, проводится по графику З_прив= f(b) (см. рис. 2.1). Для выбранного по графику b_опт необходимо провести повторный расчет, округляя Д_ст до ближайшего стандартного значения,  и уточнить b_опт

b_{опт ут =} b_опт

Таблица 2.2

2.1. Предварительная ширина обмотки НН

kв1 , kв2 и αв - коэффициенты, определяемые на основе анализа геометрических соотношений в изготавливаемых трансформаторах и могут быть приняты равными следующим значениям:

k_в1=0,14, k_в2=0,4, α_в=0,0577 - коэффициенты, определяемые на основе анализа геометрических соотношений в изготавливаемых трансформаторах (для трансформаторов с обмотками из алюминиевого провода)

2.2. Предварительная ширина обмотки ВН

2.3. Приведенная ширина главного канала рассеяния (между обмотками ВН и НН)

b_{н_в}=0,045  м  - ширина между обмотками ВН и НН

2.4. Диаметр стержня магнитопровода

β=1,11 -коэффициент, связывающий радиальный размер и высоту трансформатора

К_зап.КР=0,885 -коэффициент заполнения площади круга стержня магнитопровода активной сталью;

К_ос=0,95 -коэффициент осевого поля рассеяния

В_ст=1,6 Тл - индукция в стержне

Принимаем стандартное значение D_ст=0,360 м

2.5. Средний диаметр канала между обмотками

К_{ст_о}=0,015 -коэффициент, учитывающий толщину бандажей, прессующих стержень магнитопровода

b_{о_н}=0.018 м -изоляционное расстояние от стержня до обмотки НН

2.6. Межосевое расстояние между центрами разных фаз

b_р=0,5·b_н=0,5·0,063=0,0315 м  -ширина регулировочной обмотки

b_{м_ф}=0,04 м -межфазное расстояние

b_{в_р}=0,045 м -ширина канала между ВН и РО

2.7. Высота обмотки

2.8. Высота окна магнитопровода

h_ЕК=0,03 м -высота емкостного кольца обмотки ВН совместно с прилегающим к обмотке каналом

h_{обм_в.я}=0,08 м -изоляционный промежуток от обмотки до верхнего ярма магнитопровода

h_{обм_н.я}=0,07 м -изоляционный промежуток от обмотки до нижнего ярма магнитопровода

h_прес=0,07 м -высота, необходимая для размещения устройств, прессующих обмотки

2.9. Масса электротехнической стали магнитопровода

γ_ст=7,65·10³ кг/м³ -плотность электротехнической стали

К_ус.яр=1,02 м -коэффициент увеличения площади сечения ярма по сравнению с площадью сечения стержня

2.10. Удельные потери в стали магнитопровода

К_р=0,296, К_вр=2,64 -коэффициенты, определенные для стали марки 3407 толщиной 0,3 мм для диапазона индукции в стали В_ст=1,5...1,7 Тл

2.11. Активные потери холостого хода трансформатора (полные потери  в стали магнитопровода)

К_ув.р=1,4 -коэффициент, учитывающий увеличение активных потерь в стали в зависимости от конструкции и технологии изготовления магнитопровода

2.12. Удельная намагничивающая мощность стали

К_q=0,137, К_bq=5,06

2.13. Удельная намагничивающая мощность в стыках

К_стык=2620, К_в.стык=5

2.14. Реактивные потери холостого хода трансформатора (полная намагничивающая мощность)

К_ув.Q=1,2 -коэффициент, учитывающий увеличение реактивных потерь в стали в зависимости от конструкции и технологии изготовления магнитопровода

n_стык=8 -количество стыков в схеме шихтовки трехфазных трансформаторов плоской стержневой конструкции с косым стыком

2.15. Ток холостого хода трансформатора

2.16. Средняя плотность тока в обмотках

ρ_пр=3,65·10^-8 Ом·м -удельное сопротивление провода при 75оС (для алюминия)

К_доб=1,25 -коэффициент, учитывающий добавочные потери короткого замыкания, создаваемые магнитным полем рассеяния трансформатора

2.17. Масса обмоточного провода

γ_пр=2,7·10³ кг/м³ -плотность обмоточного провода (для алюминия)

К_рег=1,05 -коэффициент, учитывающий увеличение массы обмоточного провода за счет регулировочной обмотки (РО)

2.18 Экономически приведенная к стали масса активных материалов

Ц_пр=66 руб/кг - оптовая цена провода на 2000г. (Табл.2.3) (1)

Ц_ст=21 руб/кг - цена стали на 2000г. (Табл.2.3) (1)

К_из=1,21 -коэффициент увеличения массы обмоточного провода за счет изоляции (для алюминия)

2.19 Удельная оптовая цена трансформатора

k_c1=6,03, k_c2=0,284

2.20 Цена трансформатора

2.21 Приведенные затраты

α_тр=0,063 1/год -норма амортизационных отчислений от стоимости трансформатора

y_э=0,0183·10³ руб/Вт·час - стоимость электроэнергии, рассчитанная для двухставочного тарифа при средней прoдолжительности максимальной нагрузки для понижающих трансформаторов 5300 час/год

Т_вкл=8600 час/год - продолжительность включения трансформатора

ε_н=0,15 - нормативный коэффициент эффективности дополнительных капиталовложений, 1/год, обратная величина которого называется нормативным сроком окупаемости, с помощью этого коэффициента осуществляется приведение размерностей капитальных затрат и эксплуатационных затрат.

3. Построение и расчет активного сечения стержня магнитопровода

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность диаметром D_ст. и схематично представлено на рисунке 3

Рис.3. Активное сечение стержня магнитопровода

Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечениями пакетов пластин стандартного размера (стопой пластин одного размера).

В_к - ширина пакета     (м)

t_к - толщина пакета     (м)

Расчет выполнен построением графическим методом части поперечного сечения стержня сердечника, с учетом наибольших и наименьших стандартных величин ширины пластин, минимальной толщины пакета не менее 6 мм, величины f = 27 мм, необходимой для размещения конструктивных элементов прессовки стержня магнитопровода, а так же с учетом одного охлаждающего канала шириной 6 мм. Данные сведены в таблицу 2. 

3.1. Расчёт геометрического сечения стержня

Поперечное сечение стержня имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность диаметром Дст  (рис.3).

Расчёт геометрического сечения стержня представлен в таблице 2.

Таблица 2

Расчёт геометрического сечения стержня

3.2. Активное сечение стержня

где kзап = 0,96 – коэффициент заполнения пакета сталью.

F_ст= k_зап· F_{ст.геом}=0,96·0,146727=0,141 м²

Кзап.КР ≥ 0,885 – сечение стержня спроектировано рационально.

4. Расчет напряжения одного витка, количества витков, напряжений и токов на всех ответвлениях обмотки РО

4.1 Предварительное значение напряжения одного витка

В_ст=1,6 Тл - предварительное значение индукции в стержне

4.2 Количество витков в обмотке НН

4.3 Уточненное значение напряжения одного витка

4.4 Уточненное значение индукции в стержне

4.5 Количество витков обмотки ВН на основном ответвлении

где
5. Выбор типа и расчет параметров обмоток трансформатора

5.1 Исходные данные для выбора типа и расчета параметров обмоток

 -число параллельных ветвей обмотки

-коэффициент усадки обмоток при сушке

-коэффициент заполнения сечения провода учитывающий уменьшение сечения провода за счет скругления его углов;

м -расстояние между соседними прокладками рассчитываемое по окружности среднего диаметра обмоток

-кратность количества катушек в одной параллельной ветви непрерывной обмотки

-Высота минимального радиального канала НН

-Высота минимального радиального канала ВН

-Толщина изоляции провода на две стороны НН

-Толщина изоляции провода на две стороны ВН

-минимальная высота провода

-максимальная высота провода

-максимальная ширина провода

-минимальная ширина провода

5.2 Выбор типа обмотки НН

Выбираем однозаходную винтовую обмоткуНН, т.к. hпр>hпр.мин

h_пр.мин=4,75·10^-3 м

Принимаем стандартное значение высоты провода h_{пр_нн}=6.3·10^-3 м

5.2.1 Число катушек обмотки НН

n_зах=1 – число заходов

5.2.2 Высота провода обмотки НН

Принимаем стандартное значение высоты провода h_{пр_нн}=6.3·10^-3 м

b_кат0=b_н=0,063 м – предварительная ширина обмотки

5.2.3 Ширина провода обмотки НН

Выбираем стандартное значение ширины провода b_{пр_нн}=2,5·10^-3 м

5.2.4 Площадь поперечного сечения провода обмотки НН

5.2.5 Число параллельных проводников обмотки НН

5.2.6 Площадь поперечного сечения обмотки НН

5.2.7 Плотность тока в обмотке НН

5.2.8 Высота катушки обмотки НН

5.2.9. Ширина катушки обмотки НН

5.2.10 Средняя высота радиального канала обмотки НН

Полученные в результате расчета окончательные размеры ширины обмотки (b_кат) и высоты  канала h_кан.ср должны, по возможности, минимально отличаться от b_н и h_{кан.мин}

5.3 Выбор типа обмотки ВН

h_{пр_вн} меньше h_пр.мин поэтому выбираем тип обмотки: равномерная непрерывная обмотка ВН

5.3.1. Число прокладок

5.3.2. Высота провода обмотки ВН

 м     m_в0=m_в=1

5.3.3. Число параллельных проводников обмотки ВН

n_{пар_вн}= m_в=1

5.3.4. Площадь поперечного сечения обмотки ВН

5.3.5. Ширина провода обмотки ВН

Выбираем стандартный размер провода

5.3.6. Площадь поперечного сечения провода обмотки ВН

5.3.7. Площадь обмотки ВН

5.3.8. Плотность тока обмотки ВН

5.3.9. Магнитная индукция осевого поля рассеяния

5.3.10. Добавочные потери от осевого поля рассеяния

5.3.11. Высота катушки обмотки ВН

5.3.12. Число катушек обмотки ВН

Принимаем

5.3.13. Число витков в катушке

5.3.14. Ширина катушки обмотки ВН

6. Расч