Проектирование масляного трансформатора типа ТМН 250035

Курсовая работа

Проектирование масляного трансформатора типа ТМН 2500/35

Задание

Спроектировать силовой трёхфазный трансформатор по следующим техническим данным:

1. Тип трансформатора 2500/35

2. Номинальная мощность Sн
= 2500кВА

3. Число фаз m = 3

4. Частота сети F = 50 Гц

5. Высокое напряжение , кВ

6. Материал обмотки ВН - Алюминий

7. Низкое напряжение 6,3 кВ

8. Материал обмотки НН - Алюминий

9. Схема и группа соединений обмоток Y/Y-0

10. Способ охлаждения - масляное

11. Установка – наружная

12. Напряжение короткого замыкания Uк
= 6.5%

13. Потери короткого замыкания Pк
= 23.5 кВт

14. Ток холостого хода iо
=1%

15. Потери холостого хода Pх
= 3.9 кВт

16. Способ регулирования напряжения – РПН

17. Класс изоляции – В

18. Характер нагрузки - длительная

Содержание

Введение

1. Устройство силовых трансформаторов

2. Расчет исходных данных

3. Расчёт основных коэффициентов

4. Определение основных размеров

5. Расчёт обмоток НН

6. Расчёт обмоток ВН

7. Расчёт параметров короткого замыкания

8. Расчёт магнитной системы трансформатора

9. Расчёт потерь холостого хода

10. Расчёт тока холостого хода

11. Тепловой расчёт обмоток

12. Тепловой расчёт бака

13. Определение массы масла

14. Описание конструкции трансформатора

Вывод

Литература

Спецификация

Введение

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 IОм
, 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.

1.
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.

2. Расчёт исходных данных

Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Мощность одной фазы и одного стержня:

Sф
= S/m = 2500/3 =833.3 кВА

S’= S/c= 2500/3 =833.3 кВА

Где : m – число фаз,

с – число активных стержней трансформатора.

Номинальные (линейные) токи на сторонах:

ВН: I2
== = 41.2 А

НН: I1
= = = 229А

ВН: Iф2
= I2
= 41.2 А

НН: Iф1
= I1
=229 А

Фазные напряжения обмоток:

ВН: Uф2
= Uн2
/= 35000/= 20207 В

НН: Uф1
= Uн1
/ =6300/=3637 В

Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1 :

ВН: Uисп.2
= 85 кВ

НН: Uисп.1
= 25 кВ

По таблице 5.8 выбираем тип обмоток:

Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 41.2 А – цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Обмотка НН при напряжении 6.3 кВ и токе 229 А – цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Определение исходных данных расчёта:

Мощность обмоток одного стержня:

S’= 833,3 кВА

Для испытательного напряжения обмотки ВН, Uисп.2
= 85 кВ по таблице 4.5 находим изоляционные расстояния:

a12
= 2,7 см; l02
= 7,5 см; a22
= 3,0 см

lц2
=5,0 см; δ12
=0.5 см δ22
=0.3 см δш
=0.2 см

Для обмотки НН, Uисп.1
= 25 кВ

a01
= 15 мм; aц1
= 0,6 см;

lц1
=2,5 см; δ01
=0.4 см

Ширина приведённого канала рассеивания:

ap
= a12
+ (a1
+a2
)/3

(a1
+a2
)/3 = K, где K=1.25 (изтабл. 3.3),

(a1
+a2
)/3 =1.25=3.4 см

ар
= а12
+ (a1
+a2
)/3 =3 + 3.4 = 6.4см

Коэффициент приведения реального поля рассеяния к идеальному принимаем:

Kр
=0.95

Частота: f=50 Гц

Активная составляющая напряжения короткого замыкания (по 3-9 ):

Uа
= Pк
/10S = 23500/10´2500 = 0.94%

Реактивная составляющая:

Uр
= = = 6,43 %

Согласно параграфу 2.2 выбираем плоскую трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне по рис.1.

Рис. 1 Схема плоской магнитной системы трансформатора.

По таб.2.1 выбираем ориентировачный диаметр стержня d=26-28 см.

Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм стальными балками. Материал магнитной системы – холоднакатанная текстурованная рулонная сталь марки 3404толщиной 0.35 мм.

Индукция в стержне Вс
= 1.63Тл. В сечении стержня 8 ступеней, коэффициент заполнения круга Ккр
= 0.929, изоляция пластин – жаростойкое изоляционное покрытие плюс однократная лакировка, Кз
= 0.97(по таб.2.6), коэффициент заполнения сталью

kc
=Ккр
´ Кз
= 0.929 ´ 0.97 = 0.9.

Вя
= Вс
/Кя
= 1.63/1.03= 1.57 Тл

Число зазоров магнитной системы на косом стыке = 4, на прямом = 3.

Индукция в зазоре

на прямом стыке:

Вз
``
= Вс
= 1.63 Тл

на косом стыке:

Вз
`
= Вс
/= 1.63/ = 1.14 Тл

Удельные потери в стали рс
= 1.353 Вт/кг; ря
= 1.242 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность qc
= 1.956 ВА/кг, qя
= 1.66 ВА/кг,

Для зазоров прямых стыков q``
з
=2.5 ВА/см2
,

для зазора косых стыков q`
p
= 0.32 ВА/см2
.

По таблице 3.6 находим коэффициент учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, кд
=0.9 и по таблице 3.4 и 3.5 находим постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток

a = 1.40´1.06=1.484

b = 0.28´1.25=0.36

Принимаем Кр
£ 0.95.

Диапазон изменения b от 1.2 до3.0 (по таб.12.1)

3. Расчёт основных коэффициентов

По (3-30) находим:

А = 16 = 16 = 0.259

По (3-35):

A1
=
кг

По (3-36):

A2
=
кг

По (3-43):

кг

l=0.411 для ярма с многоступенчатой формой поперечного сечения.

По (3-44):

кг

По (3-52) для частоты 50 Гц:

K0
=1.2´102

С1
= K0

==538 кг

По (3-65):

МПа

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением (3-55):

по таблице (3-7) – Koc
=2.65; Kпр
=1.13 (для алюминиевого провода)

Получим:

X5
+BX4
-CX-D=0; X5
+0.194X4
-0.5X-1.1=0

Решением этого уравнения является: β=134

Находим предельные значения β по допустимым значениям плотности тока Δ и растягивающим механическим напряжением σр
:

По (3-611
):

По (3-66):

Масса одного угла магнитной системы:

По (3-451
):

Активное сечение стержня:

По (3-59):

Площадь зазора на прямом стыке:

на косом стыке:

Потери холостого хода по формуле (8-32):

где: Кпд
=1.15 (для пластин с отжигом и ярма с многоступенчатой формой сечения)

Куп
=10.18 (по таблице 8-6)

Кф
=2(с-1)=2(3-1)=4 (для трехфазного трансформатора)

Намагничивающая мощность по формуле (8-44):

где: kтд
’
kтд
”
=1.2 (для пластин с отжигом и ярма с многоступенчатой формой сечения)

kтд
’
=1.07

kу
=42.45

Предварительный расчет трансформатора ТМ-2500/35 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

Где: а12
=2.7 см, а22
=3.0 см, по таблице 3-5 а2
=(b*d)/2=(0.25*1.25*d)/2=0.156d

K=12.75 – постоянный коэффициент зависящий от удельного электрического сопротивления и плотности металла обмоток.

4. Определение основных размеров

По полученным результатам выбираем диаметр стержня d=28 см при β=1.32

Для выбранных d и β:

x=1.32; x2
=1.145; x3
=1.225

Диаметр стержня:

d = Ax =25.9´1.07=26.6=28 см

Активное сечение стержня:

Пс
= 470´x2
= 438 см2
.

Средний диаметр обмоток:

d12
= 1.48´d = 1.48´27.7 =0.41 cм.

Высота обмоток:

l = pd12
/b = 3.14´41/1.32 = 97.5 cм

Высота стержня:

lc
= l+2l0
=97.5+2´7.5 = 112.5 cм

Расстояние между осями стержней:

С = d12
+a12
+bd+a22
= 41+3+0.36´27.7+3 = 57 cм

ЭДС одного витка

uв
= 4.44fПС
ВС
´10-4
= 4.44´50´1.63´540´10-4
= 19.54 в

Масса стали

Gст
=2567 кг

Масса металла обмоток

G0
=469 кг

Масса провода

Gпр
=531 кг

Плотность тока

Δ=1.88´106
A/м2

Механическое напряжение в обмотках

σр
=12.55 Мпа

Потери и ток ХХ

Px
=4400 вт i0
=0.85%

5. Расчёт обмоток НН

Число витков обмотки НН:

.1 витков

Потери х.х. для выбранного варианта 0.280 м оказались выше. Для их уменьшения примем ω1
´=187 витков. С той же целью уменьшим высоту обмоток. До 960 мм и соответственно длину и массу стержня.

ЭДС одного витка Uв
= Uф1
/w1
= 3637/187 = 19.45 В

Действительная индукция в стержне:

Тл

Средняя плотность тока:

Δср
= 0.463kд
Pк
Uв
/(Sd12
)= 0.463´0.9´23500´19.45/2500´41 = 1.86 А/мм2

Сечение витка ориентировочно:

П1
’
= I1
/ Δср
= 229/1.86= 123.1мм2

По таблице 5.8 по мощности 2500 кВА, току обмотки одного стержня 299 А, сечению витка 123.1 мм2
и плотности тока 1.86 А/мм2
– выбираем конструкцию цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода.

Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q=1200 вт/м2
:

мм

где: кз
=0.8

По таблице (5-3) выбираем следующий провод:

АПБ´3´

Полное сечение витка:

П1
=nв1
П1
’
= 3´41.6 =124.8 мм2

Полученная плотность тока:

Δ1
= I1
/П1
= 229/124,8=1.83 А/мм2

Число витков в одном слое:

витков

Обмотка НН наматывается в два слоя – внутренний - 95 витков и внешний - 92 витка. Введу того, обмотка содержит 3 провода возникает необходимость в транспозиции, т.к. сопротивления каждого провода должны быть одинаковыми. Транспозицию применяем на каждых 1/3 длины.

Общий суммарный радиальный размер металла 4.25´2´3=25.5 > b1
=> обмотку делим на две катушки – внутренняя 95 витков и внешняя 92 витка и между ними.

Добавочные потери меньше 5%.

Напряжение двух слоев обмотки:

в

Междуслойная изоляция по таблице (4-7) - 6´0.12. Шесть слоев кабельной бумаги по 0.12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 2.2 см на одну сторону.

Осевой охлаждающий канал a11
=0.01´l=0.01´0.98=0.01 м

Радиальный размер обмотки без экрана:

см

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Радиальный размер с экраном

a1экр
=a1
+0.3 = 3.929+0.3 = 4.25 см

Внутренний диаметр:

см

Наружный диаметр:

см

Принимаем бакелитовый цилиндр Ø

Плотность теплового потока на поверхности обмотки (по 7-17’):

вт/мм2

Масса метала обмотки НН по (7-7) :

G01
= cDср
w1
П1
´10-5
= 3´187´123.1´2700´10-6
= 186.5 кг

Масса провода в изоляции по таблице (5-5):

G пр1
= 1.025 ´1.03 ´186.5´3 = 591 кг

6. Расчёт обмотки ВН

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении (по 6-27):

wH