Проект силового трёхфазного трансформатора мощностью 4300 кВА

Проект силового трёхфазного трансформатора мощностью 4300 кВА

Введение

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых и гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 Гц. Для передачи электроэнергии на дальние расстояния, от производителя к потребителю, необходимо повышать напряжение (110; 220; 330; 500; 750 кВ). Эту функцию выполняют повышающие трансформаторы. Далее на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кВ (в городах и промышленных объектах) или 35 кВ в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей. Наконец для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 В.

Примером современного подхода к проектированию новых серий трансформаторов может служить принятие новых расчетных и конструктивных решений, позволяющих улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого хода, повысить электродинамическую стойкость обмоток и модернизировать системы охлаждения трансформаторов. Для того чтобы построить трансформатор нужно в начале спроектировать, т.е. рассчитать и схематически представить его на бумаге основными размерами.

В данном проекте требуется рассчитать силовой трёхфазный трансформатор масляного типа мощностью 4300 кВА, напряжение на высокой стороне 35 кВ, на низкой стороне 10,5 кВ работающий при номинальной частоте 50 Гц, группа соединения обмоток. Способ охлаждения масляный, потери короткого замыкания 35000 Вт, напряжение короткого замыкания 7,5%, потери холостого хода 5700 Вт, ток холостого хода 0,8%, обмоточный провод алюминий, регулирование напряжения ПБВ.

Трансформатор - это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной - первичной системы переменного тока в другую - вторичную, имеющую другие характеристики тока и напряжения при неизменной частоте. Принцип работы трансформатора вытекает из закона электромагнитной индукции.

По конструкции трансформаторы бывают однообмоточные, двухобмоточные и многообмоточные. Соответственно по роду тока трансформаторы бывают однофазные, трехфазные и многофазные. В нашем случае проектируется двухобмоточный трёхфазный трансформатор.

Одним из главных требований, предъявляемых к проектированию, является оптимальное уменьшение метало - и материалоемкости, а также общих масс и габаритов их конструкций. Также следует отметить и экономическую сторону. Использование ценных материалов, технологии производства, тоже выбираются в оптимальном варианте. Интерес вызывают и оптимально малые потери холостого хода и короткого замыкания.

Необходимо заметить, что экономическая оценка является важнейшим критерием при выборе оптимального варианта. Некоторые варианты, являясь экономически целесообразными, могут оказаться неприемлемыми вследствие недостаточной нагревостойкости, механической прочности обмоток при коротком замыкании или по другим причинам.

Нагрев обмотки трансформатора определяется конструкцией обмотки и потерями в ней, отнесенными к единице поверхности охлаждения. Поскольку величина потерь в обмотке напрямую связана с плотностью тока и размером провода обмотки, а превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха ограничено ГОСТ 11677-85 (для масляных трансформаторов 65^оС). Механическая прочность обмоток при коротком замыкании ограничивает выбор вариантов предельными механическими растягивающими напряжениями в проводе обмоток.

Силовые 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 0.3мм. 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.

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесённые к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдалённые части сети, т.е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

1        Выбор значений величин, необходимых для проведения предварительного расчёта основных размеров трансформатора на ЭВМ

1.1     Заданные величины

Мощность трансформатора на стержень:

Потери короткого замыкания: P_К = 35000 Вт;

Частота напряжения: f = 50 Гц;

Напряжение короткого замыкания: U_К = 7,5 %;

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

1.2     Выбираемые физические величины

Величина изоляционного расстояния от торца обмотки ВН (НН) до ярма:

Величина изоляционного расстояния между обмотками ВН и НН:

Величина изоляционного расстояния между обмотками ВН:

Величина магнитной индукции в стержне:

Величина магнитной индукции в ярме:

Выбираем холоднокатаную сталь 3405, толщиной 0,3 мм;

Величина удельных потерь в стали стержня магнитопровода:  

Величина удельных потерь в стали ярма магнитопровода:  

Величина удельной намагничивающей мощности для стали стержня магнитопровода:

Величина удельной намагничивающей мощности для стали ярма магнитопровода:

Величина удельной намагничивающей мощности для прямого стыка (зазора):

Величина удельной намагничивающей мощности для косого стыка (зазора):

1.3 Выбираемые коэффициенты

Признак металла обмоточного провода: , для алюминиевого провода;

Коэффициент заполнения площади круга сталью:  где

Коэффициент усиления ярма:

Коэффициент, учитывающий добавочные потери, возникающие от воздействия поля рассеяния:

 пластины отожжены;

Коэффициент добавочных потерь в стали стержней и ярм соответственно:

Коэффициент добавочных потерь в стали углов:

Коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности для стержней и ярм соответственно:

Коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности для углов:

где  

Коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности для зазоров:

Эмпирический коэффициент:

Коэффициент формы поперечного сечения:

Коэффициент, зависящий от цен на материалы обмоток и магнитной системы:

Коэффициент массы стали угла магнитопровода:

Коэффициент, определяемый отношением удвоенного радиального размера обмотки ВН к диаметру стержня:

Коэффициент, определяемый отношением среднего диаметра витка двух обмоток к диаметру стержня:

Коэффициент, учитывающий изменение удельных потерь в стали при изменении частоты: ;

Коэффициент, определяемый отношением плотностей горячекатаной и холоднокатаной электротехнических сталей:

Коэффициент площади зазора для косого стыка: , для плоского шихтованного магнитопровода из холоднокатаной стали;

Коэффициент площади зазора для прямого стыка: ,

Количество немагнитных прямых зазоров в магнитопроводе:

Количество немагнитных косых зазоров в магнитопроводе:

Признак способа охлаждения трансформатора:  при масляном охлаждении;

Коэффициент, зависящий от конструкции магнитной системы и влияющий на массу ярм:  для плоского шихтованного магнитопровода;

Признак числа обмоток на фазу:  для двухобмоточного трансформатора (ВН и НН);

1.4 Выбранные коэффициенты, введенные в фортран-программу в виде констант

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю:

Коэффициент, влияющий на величину механического растягивающего напряжения в проводе обмотки:

Коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления и плотности металла обмоток:

Коэффициент, учитывающий увеличение массы обмотки за счет изоляции и регулировочных витков:  для обмоток из алюминиевогопровода;

Все величины и коэффициенты представлены в формуляре для ввода на ЭВМ, на листке, в конце расчетно-пояснительной записки.

После введения данных в фортран-программу, мы получили результаты расчета основных размеров трехфазного трансформатора, представленных в конце работы.

Построение графиков для стоимости активной части, тока холостого хода, потерей холостого хода, плотности в обмотках и механического растяжения напряжения в проводе в функции от  представлены на графике 1.

Величина  определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Значение  может варьироваться в широких пределах и практически в масляных и сухих трансформаторах существующих серий в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значениям  соответствует трансформаторы относительно узкие и высокие, большим - широкие и низкие. Это показано на рис.1, где представлены два трансформатора одинаковой мощности, одного класса напряжения, рассчитанные при одинаковых исходных данных , одинаковыми параметрами короткого замыкания  для значений  и .

Различными значениями  соответствует и различные соотношения между массами активных материалов - стали магнитной системы и металла обмоток. Меньшим значениями  соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток. С увеличением  масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, а следовательно и на стоимость трансформатора.

2        Определение основных электрических величин

Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических величин - мощности на одну фазу и стержень, номинальных токов на стороне ВН и НН, фазных токов и напряжений.

Мощность одной фазы трансформатора:

Мощность на одном стержне: где с = 3 - число стержней.

2.1     Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

Номинальный линейный ток на стороне ВН:

Номинальный линейный ток на стороне НН:

Фазные токи на сторонах ВН и НН:

Согласно заданию на проектирование соединение обмоток - ∆/Y-11, в следствии чего фазные и линейные токи обмоток равны:

Обмотка НН: (Y) I_ф1 = I₁ = 248,26, A;

Обмотка ВН: (∆)

Фазные напряжения обмоток на сторонах:

Обмотка НН: (Y)

Обмотка ВН: (∆)

2.2     Определение испытательных напряжений обмоток

Согласно табл.4.1 [1] испытательные напряжения обмоток принимаются равными:

Обмотка НН: (Y)

Обмотка ВН: (∆)

Тип обмоток:

ВН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода (См. табл.5.8 ст. 258 [1]);

НН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода (См. табл.5.8 ст. 258 [1]).

2.3     Определение активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

3        Расчет основных размеров трансформатора

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.

3.1     Выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы

Первой задачей, решаемой при проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор ее конструктивной схемы. При расчете плоской магнитной системы из рулонной холоднокатаной стали должен быть выбран план шихтовки пластин. С учетом рекомендации данных на стр.79 [1], выбирается плоская магнитная система из рулонной холоднокатаной стали, шихтовка производится с шестью косыми стыками.

Рис.3. План шихтовки магнитной системы

Данная схема шихтовки магнитной системы позволяет получить низкие потери холостого хода и тока холостого хода, кроме того, выбранная схема отличается простотой технологии.

3.2     Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе

С учетом задания на проектирование выбирается холоднокатаная электротехническая сталь марки 3405, толщиной 0,3 мм. Данная марка стали характеризуется низкими удельными потерями холостого хода, поэтому ее применение позволяет получить низкие потери холостого хода, кроме того, необходимо отметить, что она обладает одним из наиболее оптимальных соотношений цены, технологии производства и магнитных свойств.

Пластины электротехнической стали, заготовленные для сборки магнитной системы, во избежание возникновения между ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Это осуществляется нагревостойким электроизоляционным покрытием, что позволяет получить надежную и достаточно прочную изоляцию пластин, при высоком коэффициенте заполнения сечения пакета пластин сечением чистой стали. По табл.2.2 стр.77 [1] с учетом полной мощности трансформатора выбирается вид изоляционного покрытия. Покрытие - электроизоляционное нагревостойкое.

Весьма важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы. В целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукции, что однако приводит к относительно малым увеличением потерь и существенным увеличением тока холостого хода. В соответствии с рекомендациями, данными на стр.78 [1], по табл.2.4 [1] выбирается индукция в стержнях трансформатора равная

3.3     Выбор материала обмоток

Обмотки масляных и сухих трансформаторов изготовляются из медных и алюминиевых обмоточных проводов, а также из медной и алюминиевой ленты или фольги. Медные и алюминиевые провода могут иметь эмалевую, хлопчатобумажную или бумажную изоляцию класса нагревостойкости А. В задании на проектирование указан материал обмоток трансформатора (материал обмоток - алюминий).

3.4     Предварительный выбор конструкции обмоток

Согласно с указаниями, приведенными в табл.5.8 стр.258-259 [1] с учетом полной мощности трансформатора выбирается цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода на стороне НН и цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода на стороне ВН. Выбранные конструкции обмоток характеризуются простой технологией изготовления, однако вместе с этим обладают меньшей охлаждаемой поверхностью по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы.

Простой цилиндрической обмоткой называется обмотка, сечение витка которой состоит из сечений одного или нескольких параллельных проводов, а витки и все их параллельные провода расположены в один ряд без интервалов на цилиндрической поверхности в ее осевом направлении. Обмотка, состоящая из двух или большего числа концентрически расположенных простых цилиндрических обмоток (слоев), называется двухслойной или многослойной цилиндрической обмоткой.

3.5     Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

Для обеспечения надлежащей электрической прочности обмотки между ее витками, катушками, а также между обмоткой и другими частями трансформатора должны быть выдержаны определенные изоляционные расстояния, зависящие от рабочего напряжения и гарантирующие обмотку от пробоя изоляции, как при рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях.

Изоляция обмоток может быть подразделена на главную изоляцию, т.е. изоляцию каждой из обмоток от заземленных частей и от других обмоток, и продольную изоляцию - между различными точками данной обмотки, т.е. между витками, слоями, катушками и элементами емкостной защиты.

Главная изоляция обмоток определяется в основном электрической прочностью при 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями. Изоляция между обмотками ВН и НН осуществляется жесткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами или мягкими цилиндрами, намотанными при сборке трансформатора из электроизоляционного картона. В данном проекте с учетом полной мощности трансформатора изоляция между обмотками ВН и НН осуществляется при помощи мягких цилиндров из электроизоляционного картона.

По табл.4.4 и 4.5 стр.183 [1] выбираются минимально допустимые изоляционные расстояния:   где l_o - минимальное изоляционное расстояние от обмотки ВН до ярма;  - минимальное изоляционное расстояние между обмотками ВН и НН; - минимальное изоляционное расстояние между обмотками ВН соседних стержней; - минимальное изоляционное расстояние между обмоткой НН и стержнем.

3.6     Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β

Предварительный расчет трансформатора производится на ЭВМ. Данный расчет позволяет предварительно оценить показатели трансформатора (массу металла обмоток, потери холостого хода, ток холостого хода, стоимость активных материалов), кроме того, он позволяет выбрать оптимальное, для данного трансформатора, соотношение основных размеров. Результаты расчета приводятся в приложении.

Выбор основных коэффициентов:

- индукция в стержне выбирается по табл.2.4 стр.78 [1];

Сечение стержня насчитывает девять ступеней, коэффициент заполнения круга , выбирается по табл.2.5 стр.82-83 [1];

Изоляция пластин - нагревостойкое покрытие,выбирается по табл.2.2 стр.77 [1];

Коэффициент заполнения сталью

Ярмо многоступенчатое, число ступеней четыре, коэффициент усиления ярма выбирается согласно указаниям на стр.18 [2];

Индукция в ярме

Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 6, на прямом 0;

Индукция в зазоре на прямом стыке на косом стыке

Удельные потери в стали: стержней, ярм  выбираются по табл.8.10 стр.376 [1];

Удельные намагничивающие мощности для: стержня  ярма  выбираются по табл.8.17 стр.390 [1];

Удельные намагничивающие мощности для: прямого стыка косого стыка  выбираются по табл.8.17 стр.390 [1];

Коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания выбирается по табл.3.6 стр.131 [1];

Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) выбирается в соответствии с указаниями на стр.162 [1].

3.7     Определение диаметра стержня и высоты обмотки, предварительный расчет магнитной системы

Диаметр окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня:

Согласно с указаниями, данными на стр.87 [1], диаметры стержней силовых трансформаторов должны удовлетворять установленным стандартам. Для этого необходимо определенный в предварительном расчете диаметр нормализовать до ближайшего значения из стандартного ряда

Средний диаметр витка: где - коэффициент, определяемый отношением среднего диаметра витка двух обмоток к диаметру стрежня;

Коэффициент, определяющий соотношение между диаметром и высотой обмотки:

Высота обмотки или осевой размер обмотки:

Расстояние между двумя стрежнями:

Активное сечение стержня:

где - коэффициент заполнения круга;

- полная площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня;

- полная площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения ярма;

- объём угла плоской шихтованной магнитной системы без прессующей пластины;

Ориентировочное напряжение витка трансформатора:

4        Расчет обмоток НН и ВН

4.1     Выбор типа обмоток НН и ВН

Согласно табл.5.8 стр.258-259 [1] выбираются типы обмоток на сторонах высшего и низшего напряжений (ВН и НН). По величине полной мощности трансформатора выбираются типы обмоток: на стороне НН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода; на стороне ВН - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

В процессе расчета обмотки трансформатора следует добиваться наибольшей компактности в ее размещении, распределении витков и катушек с тем, чтобы получить наилучшее заполнение окна трансформатора. Одновременно следует стремиться к получению более развитой поверхности охлаждения обмотки и обеспечению достаточных размеров охлаждающих каналов, что даст возможность уменьшить внутренний перепад температуры в обмотках и, как следствие этого, несколько уменьшить охлаждающую поверхность бака трансформатора. Расчет обмоток начинается с обмотки низкого напряжения. Устройство многослойной цилиндрической обмотки трансформатора из прямоугольного провода поясняет рис. 5.

Рис. 4. Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода: 1 - междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 2 - бумажно-бакелитовое опорное кольцо; 3 - рейка, образующая охлаждающий канал

4.2    
Расчет обмотки НН

Расчет обмоток трансформатора, как правило, начинается с обмотки НН, располагаемой у большинства трансформаторов между стрежнем и обмоткой ВН.

Число витков на одну фазу:

Число слоев в обмотке:  

Число витков в одном слое:  

Напряжение одного витка:

Действительная индукция в стержне:

Высота обмотки (осевой размер обмотки):

Средняя плотность тока в обмотке:

Ориентировочное сечение витка:

По таблице 5.8 [1] по мощности 4300 кВА, току на один стержень 248,26 А, номинальному напряжению одной обмотки 10 кВ и сечению витка 134,41 мм² - выбираем конструкцию цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода, намотка плашмя с тремя слоями.

Общий суммарный радиальный размер проводов, м, необходимый для получения полного сечения всех витков обмотки, для обмотки НН:

,

где k_оc - средний коэффициент, учитывающий изоляцию проводов в осевом направлении обмотки, который может быть принят 0,92 для медного и 0,93 для алюминиевого провода; .

Если найденный суммарный размер b окажется больше размера, допустимого по плотности теплового потока, то обмотку следует разделить на две или три концентрические катушки так, чтобы у каждой из них суммарный размер был не больше допустимого.

Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q ≤ 1200 Вт/м²:

 где k_з=0,75.

Ширина каждого осевого канала между катушками должна быть равна 0,01l₁, но не менее 5 мм. Ввиду того, что  обмотку следует выполнить с двумя осевыми каналами с междуслойной изоляцией шириной  = 6х0,12 мм и  выбирается по табл. (9.2) ст. 426 [1].

Радиальный размер провода а и число слоев обмотки n_сл1 должны быть выбраны при помощи табл. 5.9 [1] так, чтобы добавочные потери в обмотке не вышли за принятый уровень. Например, при алюминиевом проводе, добавочных потерях до 5 % и суммарном радиальном размере проводов b = 0,015 м или 15 мм при числе слоев от одного до шести радиальный размер провода а = b / n_сл1 будет изменяться от 15/1 = 15 до 15/6 = 2,5 мм. При таком числе слоев и размерах проводов согласно табл. 5.9 получить добавочные потери в пределах до 5% возможно. Изменение числа слоев при расчете легко достигается путем варьирования соотношения размеров поперечного сечения провода при заданной его площади.

Ориентировочный осевой размер витка: ;

где l - высота обмотки.

Размер витка без изоляции: h_в1 = h_в1’ - 0,5 = 15,39 - 0,5 = 14,89 мм;

Выбор обмоточного провода:

По полученным величинам П₁^’ и h_в1^’, по сортаменту обмоточного провода по табл. 5.2 стр.212-213 [1] для трансформаторов подбираются подходящие провода с соблюдением следующих правил:

число параллельных проводов n_в1 не более 4 - 6 при намотке «плашмя» и не более 6 - 8 при намотке «на ребро»;

число различных размеров проводов не более 2;

радиальные размеры всех параллельных проводов витка равны между собой;

при намотке «на ребро» отношение радиального размера провода к осевому его размеру не менее 1,3 и не более 3;

расчетная высота обмотки (W_сл1+1)h_в1 на 0,5-1,5 см меньше, чем l.

Исходя из того, что полученное ориентировочное сечение витка невозможно получить из одного проводника сортамента провода представленного в табл.5.2 [1], используется виток, состоящий из трёх параллельных проводников.

Исходя из простоты технологии и величины добавочных потерь в обмотке, используется намотка плашмя. В этом случае больший размер провода b располагается в осевом направлении.

Выбираем сечение одного провода:

Размеры провода записываются следующим образом:

Марка провода х число параллельных прводов х ;

Выбираем провод марки: , т.е. ;

где число параллельных проводов n_в1 = 3; a’ и b’ размер провода с изоляцией;

Под внутренним слоем обмотки располагается электрический экран - алюминиевый незамкнутый цилиндр толщиной 0,5 мм.

Полное сечение витка: П₁ = n_в1П = 3·43,7 = 131,1 мм²,

где П - сечение одного провода выбранное по таблице (5.2) [1] ;

Полученная плотность тока:  

Осевой размер обмотки:  

Напряжение двух слоев обмотки:

Междуслойная изоляция по таблице (4.7) - 6´0,12 мм. Шесть слоев кабельной бумаги по 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 22 мм на одну сторону.

Радиальный размер обмотки без экрана:

,

где n_k = 2 - число каналов; n_в1 = 3 - число параллельных проводов.

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Радиальный размер обмотки с экраном: ;

Внутренний диаметр: ;

Наружный диаметр:

Масса метала обмотки НН по (7.7) ст. 306 [1]:

где: D_ср = 0,412 м;

Масса провода в изоляции по таблице (5.5): G_пр1 = (1+0,025 ·3,3) ·310,87 = 336,52 кг.

Поверхность охлаждения:

Основные потери в обмотке НН формула (7.2) ст. 305 [1]:

Плотность теплового потока на поверхности обмотки НН (по 6.16) ст. 269 [1]:

 где k_д1 = 1,02.

4.3     Расчет обмотки ВН

Схема регулирования напряжения в нейтрале, расположение регулировочных витков и схема переключателя по рис. 7.

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:

W_H= W₁ = 226,5· = 1370 витков;

Число витков на одной ступени регулирования:

W_р =  = 19 витков;

Число слоев:  

Число витков в одном слое:  

Для четырёх ступеней регулирования имеем:

Напряжение, В Число витков на ответвлениях

Ориентировочная плотность тока: = 1,804 А/мм²;

Ориентировочное сечение витка: П₂’ » = 22,7 мм²;

В соответствии с ранее принятым решением рассчитываем многослойную цилиндрическую обмотку из прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ по ГОСТ 16512-80. Выбираем провод  сечением 20,4 мм². Сечение витка: П_В2 = 20,4·10^-6 м².

Сечение одного провода в витке:

Плотность тока в обмотке:  А/м².

Ориентировочный осевой размер витка: ;

где l - высота обмотки.

Размер витка без изоляции: h_в2 = h_в2’ - 0,5 = 5,87 - 0,5 = 5,37 мм;

Суммарный радиальный размер проводов, необходимый для получения общего сечения витков обмотки по (6.49):

где k_ос = 0,93 (для алюминиевого провода).

По формуле (5.7) находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q ≤ 1200 Вт/м.

 Так как  обмотку следует выполнить с двумя осевыми каналами шириной  с междуслойной изоляцией шириной  = 9х0,12 мм и  выбирается по табл. (9.2) ст. 426 [1].

В масляных трансформаторах применяется регулирование напряжения ВН на . Для данного трансформатора выбирается по табл. 5.8 на с.258 [1] для цилиндрической многослойной обмотки из прямоугольного провода схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения ПБВ по рис. 6.6 б) с.275 [1].

Рис. 7. Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения ПБВ.

Обмотка разделяется на 3 катушки - внутреннюю с 2 слоями по 202 витка, среднюю с 2 слоями по 202 витка и наружную с 3 слоями по 200 витков. Между катушками делаем осевой масляный канал шириной 10мм. Под внутренним слоем обмотки располагается электрический экран - алюминиевый незамкнутый цилиндр толщиной 0,5 мм.

Осевой размер обмотки:  

Напряжение двух слоев обмотки:

Междуслойная изоляция по таблице (4.7) - 9 слоев кабельной бумаги по 0,12 мм, выступ изоляции на торцах обмотки 22 мм на одну сторону.

Радиальный размер обмотки без экрана:

,

где n_k = 2 - число каналов; n_в2 = 2 - число параллельных проводов.

Радиальный размер обмотки с экраном:

Расчетный размер канала между обмотками НН и ВН:  

Внутренний диаметр обмотки (для расчета массы провода) по внутреннему слою проводов (по 6.58):

Наружный диаметр обмотки без экрана (по 6.59):

По испытательному напряжению обмотки ВН U_исп1 = 85 кВ (по таблице 4.5)

a₁₂ = 30 мм; l₀₂ = 75 мм; a₂₂ = 30 мм;

l_ц2 = 50 мм; δ₁₂ = 5 мм; δ₂₂ = 3 мм;

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Масса метала обмотки ВН по (7.7) ст. 306 [1]:

где: D_ср = 0,593 м;

Масса провода в изоляции по таблице (5.5): G_пр2 = (1+0,025 ·3,3) ·421,12 = 455,86 кг;

Масса металла обмоток НН и ВН: G_о = G_о1 + Gо₂ = 310,87 + 421,12 = 732 кг;

Масса провода двух обмоток: G_пр = G_пр1 + G_пр2 = 336,52 + 455,86 = 792,38 кг.

Поверхность охлаждения обмотки (по 6.61):

где n = 3 - число катушек; k = 0,8.

Основные потери в обмотке ВН формула (7.2) ст. 305 [1]:

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН (по 6.16) ст. 269 [1]:

 где k_д1 = 1,02.

Рис. 8. Основные размеры обмоток трансформатора.

После намотки и сушки обмотку опрессовать осевой силой 25000 Н.

Средний диаметр витка:

5        Определение параметров короткого замыкания

Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называют потери при установлении в одной из обмоток тока, соответствующего номинальной мощности и замкнутой накоротко другой обмотке. Потери короткого замыкания Р_к в трансформаторе подразделяют на следующие составляющие: основные потери в обмотках НН и ВН, вызванные рабочим током, P_ОСН01 и Р_ОСН02; добавочные потери в обмотках НН и ВН, от токов, наведенных полем рассеяния; основные потери в отводах между обмотками и вводами, Р_ОТВ1 и Р_ОТВ2; потери в стенках бака и других металлических элементах конструкции трансформатора, вызванных полем рассеяния обмоток, Р.

5.1     Определение потерь короткого замыкания - основных и добавочных в обмотках, добавочных в элементах конструкции

Определение основных потерь в обмотках:

Основные потери в обмотке НН формула (7.2) ст. 305 [1]:

Основные потери в обмотке ВН формула (7.2) ст. 305 [1]:

Определение добавочных потерь в обмотках:

Добавочные потери обмотки НН:

Где  - коэффициент приведенного поля рассеяния.

Добавочные потери обмотки ВН:

Основные потери в отводах:

Длина провода отводов для соединения в звезду: .

Масса отводов НН:

Сечение отвода принимаем равным сечению провода обмотки:

Плотность металла отводов:

Потери в отводах НН:

Длина провода отводов для соединения в треугольник: ;

Масса отводов ВН:

Сечение отвода принимаем равным сечению провода обмотки:

Потери в отводах ВН:

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно:

, где - коэффициент, определенный по таблице (7.1) ст. 319 [1].

Полные потери короткого замыкания:

Плотность теплового потока на поверхности обмотки НН (по 6.16) ст. 269 [1]:

 где k_д1 = 1,02.

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН (по 6.16) ст. 269 [1]:

 где k_д1 = 1,02.

Значение q в целях недопущения чрезмерного нагрева обмоток в трансформаторах с естественным масляным охлаждением ограничивается  или во всяком случае . Данный трансформатор этим требованиям удовлетворяет.

Отклонение расчётных потерь от заданных:

Полные потери короткого замыкания готового трансформатора не должны отклоняться от гарантийного значения, заданного ГОСТ более чем на 10 %.

5.2     Определение напряжения короткого замыкания

Напряжением короткого замыкания U_К двух обмоточного трансформатора называют напряжение, которое следует подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обеих обмотках установились номинальные токи. Напряжение короткого замыкания определяет падение напряжения в трансформаторе при нагрузке, его внешнюю характеристику и ток короткого замыкания. Его рассчитывают в процентах от номинального напряжения первичной обмотки и учитывают при подборе трансформаторов на параллельную работу.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

где Р_к - полные потери короткого замыкания, Вт; S - номинальная мощность

трансформатора, кВ×А.

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Числовой коэффициент  - коэффициент определяющий распределение активных материалов в трансформаторе:

,

где l -высота обмотки по формуле, м; d₁₂ -средний диаметр канала между обмотками, м.

Ширина приведенного канала рассеяния:

,

где а₁ и а₂ - радиальные размеры из расчетов обмоток НН и ВН, мм; а₁₂ - ширина канала между обмотками, принимаемая по таблице 2.8.

Коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеального:

,

где σ - числовой коэффициент:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,:

где f = 50 Гц - частота сети, Гц; S^’ - мощность одной фазы трансформатора, кВ×А;

u_в - напряжение одного витка, В; b, а_р, k_р, k_q - числовые коэффициенты.

Напряжение короткого замыкания, %:

Значение u_к не должно отличаться от U_к = 7,5% в задании на проектирование трансформатора более чем на 5%.

Расчетное напряжение короткого замыкания трансформатора должно удовлетворять значениям регламентированным ГОСТ. Согласно ГОСТ 11677-85, напряжение короткого замыкания готового трансформатора на основном ответвлении не должно отличаться от гарантийного значения, более чем на . Для того, чтобы отклонение напряжения короткого замыкания у готового трансформатора не выходило за допустимый предел, рекомендуется при расчете трансформатора не допускать отклонений в расчетном значении напряжения короткого замыкания более чем на гарантийного значения.

Таким образом расчетное значение напряжения короткого замыкания больше заданного на .

5.3     Определение механических сил в обмотках

Процесс короткого замыкания трансформатора, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением токов в обмотках трансформатора по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки и их части. Наибольшую опасность при коротком замыкании представляют для обмоток трансформатора механические силы, возникающие между обмотками и их частями. Их необходимо учитывать при расчете и конструировании обмотки, к деформации или разрыву витков или разрушению опорных конструкций.

Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает: расчет максимального тока короткого замыкания трансформатора; определение механических сил между обмотками и их частями; определение механических напряжений в изоляционных опорных и межкатушечных конструкциях и в проводах обмоток; определение температуры обмоток при коротком замыкании.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке НН и ВН по формуле (7.38) ст. 328 [1]:

На обмотке НН:

На обмотке ВН:

S_k = 2500·10³ по таблице (7.2) ст. 329 [1].

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:

На обмотке НН:

На обмотке ВН:

 - коэффициент, учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока КЗ по табл.7.3 ст. 330 [1] ().

Радиальная сила действующая на обмотку НН, Н:

Радиальная сила, действующая на обмотку ВН, будет равна силе F_Р(НН), действующей на обмотку НН, но с противоположного направления.

Среднее сжимающие напряжение в проводе внутренней обмотки НН:

Среднее растягивающее напряжение в обмотке ВН:

т.е.  допустимого значения 25МПа.

В трансформаторах мощностью до 6300 кВ^.А напряжение на разрыв, для алюминиевых обмоток, должно удовлетворять неравенству: , условие выполняется.

Осевые силы в обмотках по формуле (7.51) ст. 341 [1]:

;

;

;

;

;

Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток. Наибольшая осевая сила в середине обмотки НН: МПа;

Температура обмоток через после возникновения короткого замыкания:

Расчёт температуры обмоток при коротком замыкании проводится для установившегося тока короткого замыкания при предложении, что вследствие кратковременности процесса отдача тепла, обусловленного возникновением тока короткого замыкания от обмотки к маслу не успевает установиться и всё тепло накапливается в обмотке, повышая её температуру.

Предельная условная температура обмотки, , рассчитываемая при предложении линейного её нарастания, при учёте теплоёмкости металла обмотки и изоляции провода через  после возникновения короткого замыкания определяется по формуле:

,

где - начальная температура обмотки.

Исходя из допустимой температуры обмоток при коротком замыкании по табл.(7.6) ст. 345 [1], при масляном охлаждении, при металле обмоток - Al, при классе изоляции А допустимая температура 200 ⁰С, следовательно обмотка данного трансформатора не успеет перегреться за 5с при токе короткого замыкания. Этого времени вполне достаточно для отключения даже самой поздней защиты или КЗ устранится самостоятельно.

6        Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода

При окончательном расчете магнитной системы, который производится после завершения полного расчета обмоток, параметров и токов короткого замыкания трансформатора, для плоской шихтованной магнитной системы определяются: число ступеней в сечении стержня и ярма, размеры пакетов - ширина пластин и толщина пакетов, расположение и размеры охлаждающих каналов, полные и активные сечения стержня и ярма, высота стержня, расстояние между осями стержней, масса стали стержней, ярм и углов магнитной системы и полная масса магнитной системы трансформатора. После установления всех размеров и массы стали частей магнитной системы определяются потери и ток холостого хода трансформатора.

6.1     Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405/0,3 мм. Стержни магнитной системы скрепляются бандажами из стеклоленты, ярма прессуются ярмовыми балками.

Выбор числа и размеров пакетов в сечении стержня плоской магнитной системы должен быть сделан так, чтобы площадь ступенчатой фигуры его поперечного сечения, вписанного в окружность, была максимально возможной.

Число ступеней в сечении стержня, толщину пакетов, ширину пластин (пакетов), высоту сегмента принимают по табл. 8.4 ст. 358 [1], в зависимости от диаметра стержня d_H. В таблицах указана толщина пакетов, мм, в одной половине стержня. Число и размеры пакетов приведены для двух вариантов вертикальной стяжки магнитопровода (остова): без прессующей пластины и с прессующей пластиной. Стяжку с прессующей пластиной производят стальными пластинами, соединяющими ярмовые балки и расположенными внутри обмотки НН. В этом варианте прессующую пластину размещают на место наиболее узкого пакета стержня, уменьшая число пакетов на единицу с каждой половины стержня. Стержни с диаметром большим 220 мм прессуют только бандажами из стеклоленты.

Форма поперечного сечения ярма в средней части повторяет сечение стержня. Крайние пакеты в целях уменьшения прессовки ярма ярмовыми балками делают более широкими, объединяя два-три пакета в один.

Площади поперечного сечения стержня П_фс и ярма П_я, приведены в табл. 8.7 ст. 365 [1], в зависимости от диаметра стержня d_Н. Эти сечения определены по размерам пакетов указанных в табл. 8.4.

Размеры пакетов стержня - ширина пластин а и толщина пакетов b, мм, для магнитных систем без прессующей и с прессующей пластиной с прессовкой стержней бандажами из стеклоленты (n_c и n_я - число ступеней в сечении стержня и ярма; а_я - ширина крайнего наружного пакета ярма; k_кр - коэффициент заполнения круга для стержня).

- полная площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня;

- полная площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения ярма;

- объём угла плоской шихтованной магнитной системы без прессующей пластины.

Для стержня диаметром 0,32 м без прессующих пластин. Число ступеней в сечении стержня 9, в сечении ярма 7.

Объём стали угла магнитной системы:

Размеры пакетов в сечении стержня и ярма по табл. 8.4