Расчет силового трехфазного двухобмоточного трансформатора с естественным масляным охлаждением

Министерство образование и науки Российской Федерации

Кафедра «ЭПП»

Курсовой проект

« Расчет силового трехфазного двухобмоточного трансфор­матора с естественным масляным охлаждением ».

Вариант №49

Выполнил:

.

Проверил:

Содержание.

1. Условие и исходные данные курсовой работы

–
3 стр.

2. Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний

-
4 - 6 стр.

3. Определение основных размеров

-
6 стр.

4. Расчет обмотки НН

–
7 – 9 стр.

5.Расчет обмотки ВН -

11 – 16 стр.

6. Расчет параметров короткого замыкания -

16 – 17 стр.

7
.
Расчет напряжения короткого замыкания -

17 - 18 стр.

8. Расчет магнитной системы -

18 – 20 стр.

9. Расчет потерь и тока холостого хода -

20 – 22 стр.

10. Тепловой расчет трансформатор -

22 – 29 стр.

11.Список литературы -

30 стр.

1.Условие и исходные данные курсовой работы.

Рассчитать силовой трехфазный двухобмоточный трансфор­матор с естественным масляным охлаждением (теория вопроса, общая мето­дика расчета и справочный материал в виде таблиц, графических зависимо­стей и рисунков даются по книге «Расчет трансформаторов» автор П.М. Тихомиров М.: Энергоатомиздат, 1986). Исходные данные:

- полная мощность трансформатора S =400 кВА;

- число фаз m = 3;

- частота тока в сети f = 50 Гц;

- номинальное линейное напряжение обмотки высшего напряжения

(ВН) U1н
= 20 кВ;

- номинальное линейное напряжение обмотки низшего напряжения

(HH) U2
H
= 0,4 кВ;

ток холостого хода - i0
= 2,1 %,

потери холостого хода - Рх
= 1,15 кВт,

напряжение короткого замыкания - Uк
= 6,5 %,

потери короткого замыкания - Рк
=5,5 кВт.

- способ регулирования напряжения, число ступеней и пределы регу­лирования - ПБВ 2 х 2,5% (переключением без возбуждения на сто­роне ВН, т.е. ручным переключением, 2 ступени каждая по 2,5%);

- схема и группа соединения обмоток - Y/Yн = 0;

- материал сердечника (магиитопровода) и обмоток - холоднокатанаятекстурованная рулоннаясталь 3404, медь;

- режим работы и способ охлаждения - длительный, естественный масляный, - характер установки - внутренняя (внутри помещения).

2. Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний.

Расчет проводится для трехфазного трансформатора с плоской шихтованной магнитной системой, с концентрическими обмотками из медного провода.

Определение основных электрических величин по § 3.2. Мощность одной фазы и одного стержня

S
ф
=
S
'
=
S/m =
400
/3 =
133
кВА.

Номинальные токи: I = S/√3*U, где S - в кВА, U - в кВ

на стороне ВН

I
1
= 400/√3*20 = 11,55 А;

на стороне НН

I
2
= 400/√3*0.4 = 577 А

Фазные токи:

ВН I
ф1=
I
1
= 11,55 А
;

НН I
ф2
=
I
2=
577 А
.

Фазные напряжения:

ВН U
ф1
=
U
1
/√3 = 20000/√3=11,56
кВ
;

НН Uф2
=U2
/√3
=0,231кВ.

Испытательные напряжения (см. табл. 4.1): обмотки ВН Uисп1
= 35 кВ; обмотки НН Uucn
2
=
5кВ.

По табл. 5.8 выбираем тип обмоток: обмотка ВН при напряжении 20 кВ и токе 11,55 А — выбрали цилиндрическую многослойную из кругового провода; обмотка НН при на­пряжении 0,4 кВ и токе 577 А — выбрали цилиндрическая двухслойная обмотка из прямоугольного провода.

Для испытательного напряжения обмотки ВН Uисп1
= 35 кВ по табл. 4.5 находим изоляционные расстояния (см. рис . ) a12
= 9 мм; l02
= 30 мм; а22
= 10 мм.

Для испытательного напряжения обмотки НН Uucn
2
=
5кВ по табл. 4.4 найдем а01
= 5 мм.

Определение исходных данных расчета. Мощность обмоток одного стержня S'=133 кВА.

Ширина приведенного канала рассеяния

ap
=
a
12
+(
a
1
+ а2
)/3;

(а1
+а2
)/3=
k
*
S
'^(1/4)*10-2
= 0,6*3,4*10-2
=0,02
м (см. табл. 3.3, прим. 1);

a
р
=0,0
09
+0,0
2
=0,029
м.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

ua
=
Pk
/(10
S
) = 5500/(10*400) = 1,375 %.

Реактивная составляющая

up
= √ 6,52
-1,3752
= 6,353%.

Согласно указаниям § 2.3 выбираем трехфазную стержневую ших­тованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и комбинированными «полукосыми» на среднем стержне по рис. 2.17, в.
Прессовка стержней бандажами из стеклоленты — по рис. 2.18,6 и ярм— стальными балками по рис. 2.21, а.
Материал магнитной системы — холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Индукция в стержне ВС
= 1,6 Тл (по табл. 2.4). В сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга kкр
= 0,918 (см. табл. 2.5), изоляция пластин — нагревостойкое изоляционное покрытие, k3
=
0,965 (табл. 2.3). Коэффициент заполнения сталью kс
=kкр
*kз
= 0,918*0,965 = 0,886. Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5, коэффициент усиления ярма kя
=1,015 (см. табл. 8.7). Индукция в ярме Вя
=
1,6/1,015= 1,576 Тл. Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 6, на прямом 2. Индукция в зазоре на прямом стыке Вз
’’
=1,60 Тл, на косом стыке Bз
’
=
BC
/√2 = 1,60/√2 = 1,131 Тл.

Удельные потери в стали рс
= 1,295 Вт/кг; ря
=
1,242 Вт/кг. Удельнаянамагничивающая мощность qc
=
1,775 ВА/кг; qя
=1,655 ВА/кг; для зазоров на прямых стыках q”
з
= 23 500 В-А/м2
, для зазора на косых стыках q’
з
=3000 В-А/м2
(табл. 8.10, 8.17).

По табл. 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение по­терь в обмотках к потерям короткого замыкания kд
= 0,95 и по табл. 3.4 и 3.5 — постоянные коэффициенты для медных обмоток а= 1,33 и b = 0,42.

Принимаем kр
= 0,95.

3.Определение основных размеров.(по § 3.6)

Диаметр стержня

d
=
A
*β^(1/4)

,где β – соотношение размеров, выбирается по таблице 3.12. Я принимаю для своего расчета β = 2.

А
= 0,507*((S'*ap
*kp
)/(f*up
*Bc
2
*kc
2
))^(1/4)

A
=0,507*((133*0,029*0,95)/(50*6,353*1,62
*0,8862
))^(1/4)=0,134

d
= 0,134*2^(1/4) = 0,159 м.

Окончательно принимаем d = 0,16 м.

Средний диаметр обмоток НН и ВН

dl
2
=
a
*
d

dl
2
=
1,33*0,16
= 0,2128 м.

Ориентировочная высота обмоток

l = π* dl
2
/Bc

l
= 3.14*0,2128/1,6 = 0,42 м.

Активное сечение стержня по табл. 8.7

Пс
= 0,785*
kс
*
(A^2)

Пс
=
0,785*0,886*
(
0,134
^2)
= 0,0178 м2
.

Напряжение одного витка предварительно

u
в
==4.44*
f
*
Bc
* Пс

u
в
= 4,44*50*1,6*0,0178 = 6
,32
В
.

4.Расчет обмотки НН (п

o

§ 6.3).

Число витков в обмотке НН

w
2
=
U
2
/uв

w
2
=
231
/6
,32
=
36,55

принимаем 37 витков.

Уточнение напряжения одного витка

u
в
=
U
2
/
w
2

u
в
= 231/37 = 6,243 В.

Уточнение индукцию в стержне

Вс
= uв
/(4,44 * f *Пс
)

Вс
= 6,243/(4,44*50*0,0178)

Средняя плотность тока в обмотках

Jcp
= 0.746*
k
д
*((Рк
*
u
в
)/(S*d12
))*10^4

Jcp
= 0.746*0.96*((5500*6,243)/(400*0.223))*10^4= 2,756 МА/м2

Окончательно принимаем 2,756 МА/м2

По табл. 5.8 S=400 кВА, номинальному току группы I2
= 577 А и напряже­нию 0,4 кВ выбираем цилиндрическую двухслойную обмотку из прямо­угольного медного провода. Размер радиального канала предварительно hк
= 5 мм. Согласно § 5.1 число реек по окружности 8.

Рис. Двухслойная цилиндрическая об­мотка из провода прямоугольного сечения

Число витков в одном слое двухслойной обмотки

w
сл2
=
w
1
/2.

w
сл2
= 37/ 2 = 18,5.

Ориентировочный осевой размер витка, м,

hв2
=
l
2
/(
w
сл2
+1)

hв2
= 0,42 /(18,5+1)=0,021 м.

Ориентировочное сечение витка, м2
,

(П'в
)нн
=Iф2
/
Jcp

(П'в
)нн
= 577*10-6
/2,756 = 210 *10-6 м2
.

Посечению витка по табл. 5.2 выбираем четыре параллельных про­вода

сечением 53,1 мм2
.

МПБ 4х(3,35x16/3,85)x16,5 изоляция 0,5 мм на две стороны.

Сечение витка

П2
=4*
53,1
*10-6
=
212,4
*10-6 м2
.

Плотность тока в обмотке НН

J
2
=
I
ф2
/П2

J
2
=
577
/
212,4
*10^(-6)= 2,
7
МА/м2
.

Осевой размер обмотки, м,

l2
=
h
в2
(
w
сл
+1)+(0,005÷0,015)

l2
= 0,021*(18
,5
+1)+0,005= 0,4145 м.

Радиальный размер обмотки (обозначения по рис. 6.2 и 6.3), м:

двухслойной

а2
= (2а'+ а22
)*10-3

а2
= (2*3+10)*10-3
= 0,016 м.

Внутренний диаметр обмотки, м,

D
’
2
=
d
+ 2*
a
01
*
10-3

D
’
2
=
0,
16
+2*5*10-3
=0,1
7
м.

Наружный диаметр обмотки, м,

D
’’
2
=
D
’
2
+
2а2

D
’’
2
= 0,17+ 2*0,016 = 0,202 м.

Средний диаметр

D
ср2
= (
D
’
2
+
D
’’
2
)/2

D
ср2
= (0,1
7
+ 0,2
02
)/2 = 0,186 м.

Масса метала

GM
2
= 28*103
*с* D
cp
2
*
w
*П2

где с- число активных стержней трансформатора.

GM
2
= 28*103
*3*0,186*37*210*10-6
= 121,4 кг.

Масса провода

G
пр2
= к*
GM
2

где к – коэффициент ориентировочное увеличение массы прямоугольного медного провода в процентах за счет изоляции по таблице 5.5 выбрали 1,05

G
пр2
=1,05*1
21,4
= 127,47 кг.

Однослойная обмотка и двухслойная без охлаждающего канала между слоями имеют две охлаждаемые поверхности. Полная охлаждае­мая поверхность обмотки НН, м2
, для всего трансформато­ра в этом случае

П02
= с*kз
*π*(
D
’
2
+
D
’’
2
)*l2

П02
=
3*0,965*3,14*(0,17+0,202)*0,41= 1,712 м2
.

Основные потери короткого замыкания в НН

Росн2
=2,4*10-12
*J2
*
GM

Росн2
=2,4*10-12
*2,
7
2
*1012
*1
21,4
= 2
124
Вт.

После определения потерь короткого замыкания для обмотки НН (см. §7.1) следует найти плотность теплового потока, Вт/м2
, на поверхности обмотки

q
2
= (Росн2
*
k
д2
)/ П02

где kд2
= 1+0,095*108
*β2
*а4
*n2

β
= (
b
*
m
/
l
)*
kp

β= (
16
*10-3
*
50
/0,42)*0
,
95=
1,8

kд2
= 1+ 0,095*108
*1,82
*(3,35*10-3
)4
*42
=1,065

где n— число проводников обмотки в направлении, перпенди­кулярном направлению линий магнитной индукции поля рассеяния; m— число проводников обмотки в направле­нии, параллельном направлению линий магнитной индук­ции поля рассеяния; а— размер проводника в направле­нии, перпендикулярном линиям магнитной индукции поля рассеяния; b— размер проводника в направлении, парал­лельном линиям магнитной индукции поля рассеяния; l — общий размер обмотки в направлении, параллельном на­правлению линий магнитной индукции поля рассеяния; kp
— коэффициент при­ведения поля рассеяния (см. § 7.2).

q
2
= (2
124
*1,065)/
1,
712 = 1284 Вт/м2
.

меньше допустимого (qдоп
<= 1200÷1400 Вт/м2
).

5.Расчет обмотки ВН (п

o

§ 6.3).

Расчет обмоток ВН начинается с определения числа витков, необходимого для получения номинального напря­жения, для напряжений всех ответвлений. Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле

w
н1
= w
2
*(Uф1
/ Uф2
)

w
н1
=
37
*(
11560
/
231
) =
1851
.

Число витков па одной ступени регулирования напря­жения при соединении обмотки ВН в звезду

w
р
= ∆
U
/(
u
B
*√3)

w
р
=
(20000 * 0,025) / (6,32 * √ 3) = 45,66

принемаем

w
р
=
46

где ∆U — напряжение на одной ступени регулирования об­мотки или разность напряжений двух соседних ответвле­ний, В; uB
— напряжение одного витка обмотки, В.

Обычно ступени регулирования напряжения выполня­ются равными между собой, чем обусловливается также и равенство числа витков на ступенях. В этом случае число витков обмотки на ответвлениях

На четырех ступенях:

верхние ступени напряжения .... w1
=
w
н1
+2
w
р
,
wH
1
+
wp
;

при номинальном напряжении: w
н1

нижние ступени напряжения .... w
н1
— w
p
,
w
н1
—2wр
.

Напряжение, В число витков на ответвлениях

U
н1
+2*0,025*
U
н1
w1
=
w
н1
+2
w
р

U
н1
+0,025*
U
н1
w1
=
wH
1
+
wp

U
н1
w1

U
н1
- 0,025*
U
н1
w1
=
wH
1
-
wp

U
н1
- 2*0,025*
U
н1
w1
=
w
н1
-2
w
р

Для трехфазного трансформатора или однофазного с параллельным соединением обмоток двух стержней най­денное число витков w1
=
w
н1
+2
w
р
или w1
=
w
н1
-2
w
р
является чис­лом витков на один стержень.

Осевой размер обмотки ВН l1
принимается равным ра­нее определенному осевому размеру обмотки НН l2
.

Плотность тока, А/м2
,
в обмотке ВН предварительно оп­ределяется по формуле

J
1
= 2*
JCP
–
J
2

J
1
= 2*
2,756
*106
– 2,
7
*106
=
2,812
*106
А/м2
.

Сечение витка обмотки ВН, мм2

(П'в
)вн
=Iф1
/ (
Jcp
*10-6
)

(П'в
)вн
= 11,55/ 2,756=4,2 мм2

По таблице 5,8 — выбрали цилиндрическую многослойную из кругового провода (S= 400 kBA; I1= 11,55 A; Uн1=20000 B; П'1 =4,2 мм2)

Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода.

П”
1
=(П'в
)вн
/
n
в1
=
4,2/1 =4,2
— сечение одного провода, мм2
. Окончательно принимаем П”
1
=
4,375
мм2
.
По этому сечению и сортаменту обмоточного про­вода для трансформаторов (см. табл. 5.1) подбирается провод подходящего сечения или в редких случаях два параллельных одинаковых провода с диаметрами провода без изоляции d2
и провода в изоляции d” 2
,
мм. Подобран­ные размеры провода записываются так:

Марка провода xnв1
х

ПБ х 1 х

где nв1
— число параллельных проводов,

Полное сечение витка, м2
,

П1
=
n
в1
*
П”
1
*10-6

П1
=
1
*
4,375
* 10-6
=
4,375
*10-6 м2

где П”
1
— сечение одного провода, мм2
. Полученная плотность тока, А/м2
,

J
1
=
I
Ф1
/П1

J
1
=
11,55
/
4,375
*10-6
=
2,64
*10
-
6
А/м2
.

Рис. Многослойная цилиндриче­ская обмотка из провода круглого се­чения.

Число витков в слое

wc
л1
=
l
1
/
d” 2
где
l
1
в мм

wc
л1
= 420
/
4,19 = 100

Число слоев в обмотке

n
сл1
= w1
/
wc
л1