Проектирование силового трансформатора ТМ

метки: Трансформатор, Проектирование, Обмотка, Стержень, Напряжение, Размер, Данные, Заполнение

«Проектирование силового трансформатора ТМ-100/35»

Вариант 9

Дан трёхфазный двухобмоточный масляный трансформатор.

Номинальная мощность	Sн = 100 кВА
Число фаз	m = 3
Частота	F = 50 гЦ
Номинальные напряжения: Обмотки ВН Обмотки НН	Uн2= 35000 В Uн1= 400 В
Схема и группа соединений	Звезда/звезда– ║
Напряжение короткого замыкания	Uк= 6.5%
Потери короткого замыкания	Pк= 1970 Вт
Потери холостого хода	Pх= 465 Вт
Ток холостого хода	Iо=2.6%
Материал обмоток	Медь

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.

1.1. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора. Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками схематически изображена на рис. 1.1.

Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер l (высота) его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками d12, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток a1 и а2 и осевого канала между ними a12.

Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например высота стержня lс, расстояние

Рис. 1.1. Основные размеры трансформатора

между осями соседних стержней С т.д., могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток (а12, а22, lо)*.

Два основных размера, относящихся к обмоткам d12 и 1с, могут быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками πd12 к высоте обмотки l:

β = πd12/l (1.1)

Приближенно произведение πd12 можно приравнять к средней длине витка двух обмоток πd12≈lв или lв/ l =β.

Величина β определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Значение β может варьироваться в широких пределах и практически изменяется в масляных и сухих трансформаторах существующих серий в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значениям β соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим— широкие и низкие. Это наглядно показано на рис. 1.2, на котором представлены два трансформатора одинаковой мощности, одного класса напряжения, рассчитанных при одинаковых исходных данных (Вс, kс), с одинаковыми параметрами короткого замыкания (Рк и ик) для значений β = 1,2 и 3,5.

Рис. 1.2. Соотношение размеров двух трансформаторов с разными значениями β

Различным значениям β соответствуют и разные соотношения между массами активных материалов — стали магнитной системы и металла обмоток. Меньшим значениям β соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток. С увеличением β масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор β существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, а следовательно, и на стоимость трансформатора.

Вместе с этим изменение β сказывается и на технических параметрах трансформатора: потерях и токе холостого хода, механической прочности и нагревостойкости обмоток, габаритных размерах.

Для вывода формулы, связывающей диаметр стержня трансформатора с его мощностью, воспользуемся следующими соотношениями, известными из теории трансформаторов.

Мощность трансформатора на один стержень, кВ·А,

S’ = UI·10-3 (1.2)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

uр=

10-4

* Основными размерами можно считать также d, lс, С.

или

uр=

10-4 (1.3)

где β= πd12/l; ар= а12+(а1+а2)/3; kр — коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному (коэффициент Роговского); линейные размеры выражены в метрах. Одновременно заметим, что напряжение витка трансформатора, В, может быть записано в виде

ив = 4,44 fBсПс, (1.4)

где Вс—максимальная индукция в стержне, Тл; Пс = kсπd2/4 — активное сечение стержня, м2; kс — коэффициент заполнения площади круга сталью.

Заменив в (1.2) напряжение обмотки U произведением ивω и подставив значение тока обмотки I, определенное из (1.3), и значение uв по (3.4), получим

S’ =

= .

Проведя сокращения и решив это уравнение относительно d, имеем окончательно

d=0,507

, (1.5)

где

0,507 =

Формула (1.5) позволяет определить главный размер трансформатора — диаметр стержня его магнитной системы.

Величины, входящие в подкоренное выражение формулы, впервые предложенной Г. Н. Петровым, можно подразделить на три категории: 1) величины, заданные при расчете, — мощность обмоток на одном стержне трансформатора S’, кВ·А, частота сети f, Гц, и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания ир, %; 2) величины, выбираемые при расчете, — отношение длины окружности канала между обмотками (средней длины витка двух обмоток) к высоте обмотки β, максимальная индукция в стержне Вс, Тл, и коэффициент заполнения активной сталью площади круга, описанного около сечения стержня kс; 3) величины, определяемые в ходе последующего расчета, — приведенная ширина канала рассеяния ар, м, и коэффициент приведения идеализированного поля рассеяния к реальному kp (коэффициент Роговского).

Таким образом, определение диаметра стержня по связано с выбором некоторых исходных данных (β, Вс, kc) и предварительным определением данных обмоток трансформатора, получаемых обычно после завершения расчета обмоток ар и kp. Выбор исходных данных (β, Вс, kc) может быть сделан на основании исследования ряда вариантов или путем использования заранее разработанных рекомендаций. Для определения ар и kp должны применяться приближенные методы.

Расчёт основных электрических величин и изоляционных расстояний.

Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Sф = S` = Sн/3 = 100/3 =33.33 кВА

Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I2= = = =1.649 А

НН: I1= = = = 144.3 А

Фазные токи обмоток (звезда/звезда–║):

ВН: Iф2 = I2 = 1.649 А

НН: Iф1 = I1=144.3 А

Фазные напряжения обмоток:

ВН: Uф2 = Uн2/ = 35000/ = 20207 В

НН: Uф1 = Uн1 / = 400 / =230В

Таблица 2.1. Испытательные напряжения промышленной частоты (50Гц) для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Класс напряжения, кВ	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	500
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	3,6	7,2	12,0	17,5	24	40,5	126	172	252	363	525
Испытательное напряжение Uисп,кВ	18	25	35	45	55	85	200	230	325	460	630

Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 2.1 (Л-1):

ВН: Uисп.2 = 85 кВ

НН: Uисп.1 = 5 кВ

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

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 1.649 А – цилиндрическая многослойная из круглого провода.

Обмотка НН при напряжении 0.4 кВ и токе 144,3 А – цилиндрическая одно- и двухслойная из прямоугольного провода.

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

• a12` = 27 мм;
• l02` = 75 мм;
• a22` = 30 мм

Для обмотки НН, Uисп.1 = 5 кВ

a01` = 4 мм

Определение исходных данных расчёта.

Мощность обмоток одного стержня:

S`= 33.33 кВА

Ширина приведённого канала рассеивания(1.1):

ap = a12 + (a1 + a2) / 3

Первое из этих слагаемых — изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН — а12 определяется по испытательному напряжению обмотки ВН и для данного класса изоляции обмоток является неизменным. Этот промежуток, выраженный в метрах, может быть принят равным

а12 = а’12·10-3

где а’12 — промежуток, мм, найденный по табл. 4.5 (Л-)1 для масляных трансформаторов.

(а1+а2)/3 — приведенная ширина двух обмоток может быть найдено лишь после окончания расчета обмоток по их радиальным размерам и в обобщенном методе предварительного расчета может определяться только приближенно.

(a1 +a2)/3 = к ´10-2, где к=0.6 (из табл. 3.3), (Л-1)

(a1 +a2)/3 = 0.6 ´10-2 = 0.015 м

ар = а12 + (a1+a2)/3 = 27´10-3 + 0.015 = 0.042 м

kр — коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Uа = Pк/(10Sн) = 1970/10´100 = 1.97%

Реактивная составляющая:Uр= = = 6,2 %

Выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.2.1.

Рис. 2.1 Схема плоской магнитной системы трансформатора.

Прессовка стержней расклиниванием с обмоткой и прессовка ярм балками стянутыми шпильками, расположенными вне ярмы. Материал магнитной системы – холоднакатная сталь марки 3404 толщиной 0.35 мм.

Индукция в стержне Вс = 1.6 Тл. В сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга Ккр = 0.92,

изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие плюс однократная лакировка,

Кз = 0.97, коэффициент заполнения сталью kc =Ккр ´ Кз = 0.92 ´ 0.97 = 0,9.

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма

kя = 1.025

индукция в зазоре:

Вя = Вс/Кя = 1.6/1.025 = 1.561 Тл

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