Проектирование силового трехфазного трансформатора

Задание



Спроектировать силовой трёхфазный трансформатор по следующим техническим данным:

Тип трансформатора:				ТМН - 6300/35

Номинальная мощность:			Sн = 6300 кВА

Число фаз:						m = 3 

Частота:						f = 50 Гц

Высокое напряжение:				35±(4·2,5%) кВ

Материал обмотки ВН: 			Алюминий

Низкое напряжение:				6,3 кВ

Материал обмотки НН:				Алюминий

Схема и группа соединений:			Y/Y-0

Способ охлаждения:				масляное 

Установка:						наружная

Напряжение короткого замыкания:		Uк=7,5%

Потери короткого замыкания:		Pк= 46,5 кВт

Ток холостого хода:				Iо=0,8%

Потери холостого хода:			Pо= 7,6 кВт

Способ регулирования напряжения		РПН

Класс изоляции:					В

Характер нагрузки:				длительная


Содержание



Введение

Расчет исходных данных

Расчёт основных коэффициентов

Определение основных размеров

Расчёт обмоток НН

Расчёт обмоток ВН

Расчёт параметров короткого замыкания

Расчёт магнитной системы трансформатора

Расчёт потерь холостого хода

Расчёт тока холостого хода

Тепловой расчёт обмоток	

Тепловой расчёт бака

Определение массы масла

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. 

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.


1. Расчёт исходных данных



Расчёт проводим для трёхфазного трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

1.1. Мощность одной фазы и одного стержня:



Sф = S/m = 6300/3 = 2100 кВА

S’ = S/c = 6300/3 = 2100 кВА



где: 	m – число фаз, 

с – число активных стержней трансформатора.

1.2. Номинальные (линейные) токи на сторонах:



ВН:	I2=== 104 А



НН:	I1= = = 577 А



1.3. Фазные токи обмоток (звезда/звезда-0):



ВН:	Iф2 = I2 = 104 А

НН:	Iф1 = I1 = 577 А



1.4. Фазные напряжения обмоток:



ВН:		Uф2 = Uн2/ = 35000/= 20200 В

НН:		Uф1 = Uн1/ =6300/=3640 В




1.5. Испытательное напряжение обмоток смотрим по таблице 4.1:



ВН:		Uисп.2 = 85 кВ

НН:		Uисп.1 = 25 кВ



Обмотка ВН при напряжении 35 кВ и токе 104 А – катушечная непрерывная. 

Обмотка НН при напряжении 6,3 кВ и токе 577 А – катушечная непрерывная.

1.6. Определение исходных данных расчёта:

1.6.1. Мощность обмоток одного стержня: 



S’ = 2100 кВА



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



a12 = 35 мм;		l02 = 75 мм;		l02 = 120 мм ;

lц2 = 50 мм		δ12 = 5 мм		a22 = 30 мм



l02 принимаем увеличенным на 45 мм для размещения прессующих колец

Для обмотки НН, Uисп.1 = 25 кВ (по таблице 4.4)

a01 = 18 мм;		l01= 75 мм

1.6.3. Ширина приведённого канала рассеивания:



ap = a12 + (a1 +a2)/3

(a1 +a2)/3 = 1,25·K·10-2, 


где K=0,48 (из табл. 3.3, примечание 1), 



(a1 +a2)/3 = 1,1·1,25·0,48· = 0,0447 м

ар = а12 + (a1+a2)/3 = 0,035 + 0,0447 = 0,0797 м



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



Uа = Pк/10S = 46500/(10·6300) = 0,738 %



Реактивная составляющая:



Uр= = = 7,46 % 



1.6.5.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.



Прессовка стержней бандажами из стеклоленты и ярм – стальными полубандажами. Материал магнитной системы – холоднокатанная текстурованная рулонная сталь марки 3405 толщиной 0,30 мм.

Индукция в стержне Вс = 1,48 Тл. В сечении стержня 9 ступеней, коэффициент заполнения круга Ккр = 0,913, изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие, Кз = 0,96 (по таб.2,2), коэффициент заполнения сталью



kc =Ккр·Кз = 0,913·0,96 = 0,876.



Ярмо многоступенчатое, число ступеней 7, коэффициент усиления ярма kя = 1,025

индукция в ярме:



Вя = Вс/Кя = 1,48/1,025 = 1,44 Тл



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

Индукция в зазоре на прямом стыке:



Вз´´ = Вс = 1,48 Тл





на косом стыке:



Вз´ = Вс/= 1,48/ = 1,05 Тл



Удельные потери в стали рс = 0,943 Вт/кг, ря = 0,869 Вт/кг.

Удельная намагничивающая мощность qc = 1,161 ВА/кг, qя = 1,289 ВА/кг, 

Для зазоров на прямых стыках qз´´ =12880 ВА/м2,

Для зазора на косых стыках q3´ = 1600 ВА/м2.

По таблице 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, кд = 0,85 и по таблице 3.4 и 3.5 находим постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток 



a = 1,06·1,4=1,484

b = 1,25·1,2·0,28=0,42 



Принимаем Кр = 0,95. 

Диапазон изменения  от 1,2 до 3,0 (по таб.12.1)



2. Расчёт основных коэффициентов.



По (3-30) находим:



А = 0,507 = 0,507 = 0,36



По (3-35):



A1= кг



По (3-36):



A2= кг



 м



По (3-43):




 кг



е = 0,41;



 кг



По (3-52) для частоты 50 Гц:



K0 = 1,2·10-2



С1 = K0 = кг



По (3-65):



МПа 







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














по таблице (3-7) – Koc = 2,36;Kир = 1,13 (для алюминиевого провода) 

Получим:



X5+BX4-CX-D=0;		X5 + 0,166X4 - 0,49X - 0,93 = 0



Решением этого уравнения является: β = 1,25

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 (по таблице 8-14.) – коэффициент, учитывающий добавочные потери, вызванные резкой стали, снятием заусенцев, прессовкой магнитной системы и перешихтовкой верхнего ярма, а также потери в зоне зазора.

Кпу = 10,64 (по таблице 8-13) – коэффициент увеличения потерь в углах






Намагничивающая мощность по формуле (8-44):







где:	kтд’ = kтр·kтз = 1,2 и 

kтд” = kтя·kтп·kтш = 1,07 

kт,у = 41,06 (по таблице 8-20)

kтпл = 1,35 (по таблице 8-21)







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

β

1,2

1,3

1,4

1,8

2,2



1,047

1,068

1,088

1,158

1,218



1,095

1,14

1,183

1,342

1,483



1,146

1,217

1,287

1,554

1,806

A1/x = 3430/x

3280

3210

3150

2960

2820

A2x2 = 399x2

437

455

472

535

592

Gc = A1/x + A2x2

3720

3670

3620

3495

3410

B1x3 = 2330x3

2670

2840

3000

3620

4210

B2x2 = 182x2

199

208

215

244

270

Gя=B1x3+B2x2

2870

3050

3215

3860

4480

Gст=Gc+Gz

6590

6720

6835

7360

7890

Gу = 206x3

236

251

265

320

372

1,08Gc

4020

3960

3910

3770

3680

0,999GЯ

2870

3050

3215

3860

4480

4,99Gу

1180

1250

1320

1600

1860

Px=1,08Gc+0,999Gя+4,99Gу

8070

8260

8440

9230

10000

Пc = 0,0891x2

0,0976

0,102

0,105

0,12

0,132

1,49Gc

5540

5470

5390

5210

5080

1,39Gя

3990

4240

4470

5370

6230

71,5Gу

16900

17900

18900

22900

26600

4120x2

4510

4700

4870

5530

6110

Qx

30900

32300

33600

39000

44000

i0р = Qx/10S, %

0,49

0,513

0,533

0,619

0,698

G0 = C1/x2 = 1220/x2

1110

1070

1030

909

823

1,03G0

1140

1100

1060

936

848

1,1·1,03G0 = Gпр

1260

1210

1170

1030

932

kocGпр = 2,36Gпр

2970

2860

2750

2430

2200

Cач’ = kocGпр + Gст

9560

9600

9590

9790

10100



1,67·106

1,7·106

1,73·106

1,85·106

1,94·106



13,4

14,2

15,1

18,2

21,1

D = Ax = 0,36x

0,377

0,384

0,392

0,417

0,438

d12 = ad = 1,484d

0,559

0,57

0,582

0,619

0,65



1,46

1,38

1,31

1,08

0,928

C = d12 + a12 + bd + a22

0,782

0,796

0,812

0,859

0,899



Результаты расчётов, приведённые в таблице, показаны в виде графиков.



3. Определение основных размеров.



С учётом заданных критериев выбираем значение β = 1,3

3.1. Диаметр стержня:



м,



примем диаметр стержня d = 0,36 м

3.2. Активное сечение стержня:



м2,


3.3. Средний диаметр обмоток:



d12 = 1,484·d = 1,484·0,36 = 0,534 м.



3.4. Высота обмоток:



l = d12/ = 3,14·0,534/1,3 = 1,29 м 



3.5. Высота стержня:



lc = l + 2l0 = 1,29+2·97,5·10-3 = 1,485 м



3.6. Расстояние между осями стержней:



С = d12+a12+bd+a22 = 0,534+0,035+0,42·0,36+0,03 = 0,75 м



3.7. ЭДС одного витка предварительно:



uв = 4,44fПСВС = 4,44·50·1,48·0,0892 = 29,31 В



3.8. Масса стали



Gст = 6720 кг



3.9. Масса металла обмоток



G0 = 1070 кг



3.10. Масса провода


Gпр = 1210 кг



3.11. Плотность тока



J = 1,7·106 A/м2



3.12. Механическое напряжение в обмотках 



σр = 14,2 МПа



3.13. Потери и ток ХХ



P0 = 8260 Вт

i0 = 0,513 %



4. Расчёт обмоток НН.



4.1. Число витков обмотки НН:



 витков



В предварительном расчёте потери хх Р0 для выбранного варианта диаметра d = 0,36 м оказались выше заданного значения (8260 Вт вместо 7600 Вт). Для уменьшения Р0 принимаем число витков ω1 = 125, что приведёт к некоторому снижению расчётной индукции Вс и уменьшению потерь хх за счёт некоторого увеличения массы металла обмоток.

4.2. ЭДС одного витка Uв = Uф1/1 = 3640/125 = 29,2 В

4.3. Действительная индукция в стержне:


Тл



4.4. Средняя плотность тока:



 А/м2



4.5. Сечение витка ориентировочно:



 мм2



По таблице 5.8 по мощности 6300 кВА, току обмотки одного стержня 577 А, сечению витка 365,2·10-6 м2 и номинальному напряжению обмотки 6300 В – выбираем конструкцию непрерывной катушечной обмотки. 

4.6. Находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q = 1400 Вт/м2:



 м 



где:		кз = 1

4.7. По таблице (5-2) по сечению витка выбираем 4 параллельных провода АПБ сечением 94,3 мм2:



АПБ·4· 



4.8. Принятое сечение провода: 


П1´´ = 94,3 мм2 



4.9. Полное сечение витка:



П1 = nв1·П1´´·10-6 = 4·94,3·10-6 = 377,2·10-6 м2



4.10. Полученная плотность тока:



J1 = I1/П1 = 577/377,2·10-6 = 1,53·106 А/м2 



Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по 5 мм между всеми катушками. Осевой размер катушки 17,5 мм. 

4.11. Число катушек на стержне ориентировочно:



 катушек



4.12. Число витков в катушке ориентировочно:



 витков



4.13. Общее распределение витков по катушкам в каждой группе



56 катушек А по  витка		



 8 катушек Б по  витка		



всего 		64 катушки 					125 

Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты по рисунку, приведённому ниже:





Б

Б

Б

Б

Б

Б

Б

Б

А

А

А

А

А

А

63 канала по 5 мм



Обмотка наматывается на 24-х рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размерами Ø360/368×1520 мм с прокладками между катушками шириной по 40 мм и длиной 55 мм.

4.14. Осевой размер обмотки:



;



 м;



4.15. Радиальный размер обмотки:



 м;



4.16. Внутренний диаметр обмотки:



 м


Наружный диаметр обмотки:



 м



4.17. Масса метала обмотки НН по (7-7):



G01 = 8,47·103·c·Dср·w1·П1 = 8,47·103·3·0,445·125·377,2·10-6 = 533 кг



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



Gпр1 = 533 + 533·(1,5·3,3)% =559,4 кг



5. Расчёт обмотки ВН



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



H2 = 1 = 125· = 693,6 ≈ 694 витка



5.2. Число витков на одной ступени регулирования:



р =  = 17,4 ≈ 18 витков






Для 8 ступеней регулирования имеем: 

Напряжение, В

Число витков на ответвлениях

38500

694 + 4·18 = 766

37625

694 + 3·18 = 748

36750

694 + 2·18 = 730

35875

694 + 1·18 = 712

35000

694

34125

694 – 1·18 = 676

33250

694 – 2·18 = 658

32375

694 – 3·18 = 640

31500

694 - 4·18 = 622



5.3. Ориентировочная плотность тока:



 А/м2



5.4. Ориентировочное сечение витка



П΄2   мм2 



По таблице 5-8 выбираем непрерывную катушечную обмотку (S = 6300 кВ·А, I2 = 104 A, Uн2 = 35000 В, П2´ = 63,8 мм2)

5.5. Выбираем провод по таблице (5-3):



АПБ×1× сечением П2´´ = 65,6 мм2 



5.6. Полное сечение витка:



 м2


5.7. Плотность тока в обмотке: 



 А/м2



По формуле (5-7) находим наибольший суммарный радиальный размер металла проводов обмотки для допустимой q = 1400 Вт/м



 мм



Выбранное значение удовлетворяет данному условию

Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по 5 мм между всеми катушками. Две крайние катушки вверху и внизу отделены каналами по 7,5 мм. Канал в месте разрыва обмотки hкр = 12 мм. 

Размер провода в катушках с усиленной изоляцией 6,25×15,5 мм. Осевой размер основных катушек b´ = 14,5 мм 

5.8. Число катушек на стержне ориентировочно: 



 катушек

5.9. Число витков в катушке ориентировочно: 

	

	 витка

5.10. Общее распределение витков по катушкам 

48 основных катушек В по  витка		502

8 основных катушек Г по  витка		 84



12 регулировочных катушек Д по 12 витков		144

4 катушки с усиленной изоляцией Е по 9 витков	 36

всего 		72 катушки 					766



Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты по рисунку, приведённому ниже:





Е

Е

Г

Г

Г

Г

Е

Е

Г

В

В

Г

2 канала по 7,5 мм

Д

Д

Д

Д

Г

Г

1 канал 12 мм

2 канала по 7,5 мм

33 канала по 5 мм

33 канала по 5 мм



Обмотка наматывается на 24-х рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размерами Ø520/530×1520 мм с прокладками между катушками шириной по 40 мм и длиной 55 мм.

5.11. Осевой размер обмотки:



;



м;




18

50

120

30

63

35

48,8

Ø690

Ø564

Ø530

Ø520

Ø494

Ø396

Ø383

Ø375

Ø360

4

3

5







Данные катушек приведены в таблице:

Данные

Условные обозначения

Всего



В

Г

Д

Е



Назначение катушки

Основная

Основная

Регули-ровочная

С уси-ленной изоля-цией

-

Катушек на стержень

48

8

12

4

72

Число витков в катушке





12

9

-

Всего

502

84

144

36

766

Размеры провода: 

без изоляции, мм

с изоляцией, мм



4,75×14

5,25×14,5



4,75×14

6,25×15,5



-

-

Сечение витка, мм

65,6

65,6

65,6

65,6

65,6

Плотность тока, МА/м2

1,58

1,58

1,58

1,58

1,58

Размер, мм:

радиальный

осевой



57,8

14,5



57,8

14,5



63

14,5



56,3

15,5



63

1410

Масса провода, кг:

без изоляции, мм

с изоляцией, мм



520,5

546,3



87

91,3



150,5

158



37,3

43,8



795,3

839,4

kиз по табл. 5.5

1,0495

1,0495

1,0495

1,17325

-

Диаметры, м:

Внутренний

Внешний



0,564

0,68



0,564

0,68



0,564

0,69



0,564

0,68



0,564

0,69




По испытательному напряжению Uисп = 85 кВ и мощности трансформатора S = 6300 кВ·А по таблице 4-5 находим:

Канал между обмотками ВН и ВН					а´12 = 35 мм;

Толщина цилиндра							δ´12 = 5 мм;

Выступ цилиндра за высоту обмотки				l´ц2 = 50 мм;

Между обмотками ВН двух соседних стержней		а´22 = 30 мм;

Толщина междуфазной перегородки				δ´22 = 3 мм;

Расстояние обмотки ВН до прессующего кольца		l´02 = 75 мм;

Высота прессующего устройства					lп = 20 мм;

Расстояние от прессующего устройства до ярма		l´п = 25 мм;



5.12. Масса металла обмотки ВН:



G02 = 8,47·c·Dср·w2·П2 = 8,47·103·3·0,627·766·65,6·10-6·= 795,3 кг



5.13.Масса провода в обмотке ВН с изоляцией (по таблице 5-5):



Gпр 2 = 795,3+795,3·(1,5·3,3)% = 839,4 кг 



5.14 Масса металла двух обмоток6



G0 = G01 + G02 = 533 + 795,3 = 1328,3 кг;



5.15. Масса провода обмоток НН и ВН:



Gпр = Gпр1 + Gпр2 = 559,4 + 839,4 = 1398,8 кг




6. Расчёт параметров короткого замыкания



Потерями короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называются потери, возникающие в трансформаторе при номинальной частоте и установленной в одной из обмоток тока, соответствующего его номинальной мощности при замкнутой накоротко второй обмотки.

Потери короткого замыкания согласно § 7.1:

6.1. Основные потери в обмотках:

	Обмотка НН: 

	

	 Вт;



Обмотка ВН: 



 

Вт;



6.2. Добавочные потери в обмотке:

Обмотка НН (по 7-15’): 

	

	

	

	;

	

	

	
Обмотка ВН (по 7-15): 

	

	;

	

	Катушки В,Г:		

	Катушки Д:			

	Катушки Е:			



6.3. Основные потери в отводах рассчитываются следующим образом:

Для схемы соединения звезда отводы ВН и НН имеют одинаковую длину.

Длина отводов определяется приближённо по (7-21):

	

	lотв1 = 7,5·l1 = 7,5 1,42 = 10,65 м



6.3.1. Масса отводов НН: (при плотности меди отводов  = 2700 кг/м3) 



Gотв1 = lотв1.·Потв·· = 10,65·377,2·10-6·2700 = 10,8 кг



Потери в отводах НН по (7-24): 

(при k = 12,75)



Ротв1 = k·J12·Gотв1 = 12,75·10-12·1,532·1012·10,8 = 322 Вт



Длина отводов ВН определяется приближённо по (7-21):



lотв2 = 7,5·l2 = 7,5 1,41 = 10,58 м


6.3.2. Масса отводов ВН: (при плотности меди отводов  = 2700 кг/м3) 



Gотв2 = lотв2·Потв2· = 10,58·65,6·10-6·2700 = 1,87 кг



Потери в отводах ВН: 

(при k = 12,75)



Ротв.2 = k J 22·Gотв2 = 12,75·10-12·1,582·1012·1,87 =59,5 Вт



6.4. Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближённо, по (7-25) и таблице (7-1):



Рб = 10kS = 10·0,04·6300 = 2520 Вт

k = 0,04



6.5. Полные потери короткого замыкания:



Рк = Росн1·kд1 + ΣРосн2·kд2 + Ротв1 + Ротв2 + Рб;

Рк = 15908·1,128 + 16567·1,11 + 2769·1,11 + 4790·1,13 + 1187·1,07+

+ 322+59,5 + 2520 = 48991 Вт,



или  % заданного значения

6.6. Напряжение короткого замыкания рассчитывается согласно параграфу 7.2:

Активная составляющая:



uа =  =  = 0,78 %


Реактивная составляющая:	







где: f = 50 Гц, S´= 2100 кВА, 



;



м



,







 %

Напряжение короткого замыкания:

uк = % 

или % заданного значения

6.7. Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН:



Sk = 2500·103



6.8. Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания:


iк.max = 1,41kmax ·Iк.у.;

при Uр/Ua = 7,13/0,74 = 9,64 по таблице 7-3 кmax·= 2,43



iк.max = 2,43·1280 = 3110 А



6.9. Радиальная сила: 



Fp = 0,628·(iк.max ·w)2··kp·10-6 = 0,628·(3110·694)2·1,14·0,96· 10-6 = 

=3202000 Н



6.10. Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН:



 МПа



6.11. Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН:



 МПа 



6.12. Осевые силы:



Н



;

lх = 246 мм

m = 4 


После установления размеров бака l” = 260 мм 



 мм 



Н



6.13. Максимальные сжимающие силы в обмотках



Fсж1 = Fос´ + Fос´´ = 78900+789000 = 867900 Н

Fсж2 = Fос´´ - Fос´ = 789000 - 78900= 710100 Н



Наибольшая сжимающая сила наблюдается в середине высоты обмотки НН, где Fсж1 = 867900 Н

6.14. Напряжение сжатия на междувитковых прокладках



;



n = 24 – число прокладок по окружности обмотки;

а = 48,8·10-3 м – радиальный размер обмотки НН;

b = 40·10-3 м – ширина прокладки.



 Мпа, 



что ниже допустимого значения 20 МПа

6.15. Температура обмотки через tк = 4 сек. после возникновения короткого замыкания по (7-54’):


 С



По таблице (7-5) допустимая температура 200 С

Время достижения температуры 200 С для обмоток 



 c.



7. Расчёт магнитной системы трансформатора



Определение размеров магнитной системы и массы стали по параграфу 8-1.

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405, толщиной 0,35 мм по рис 4. 

Способ прессовки стержней – бандажами из стеклоленты ярма прессуются балками, стянутыми стальными бандажами. Обмотки прессуются прессующими кольцами.

Сечение стержня с 9-ю ступенями без прессующей пластины, размеры пакетов по таблице 8-4. Сечение ярма повторяет сечение стержня, три последних пакета ярма объединены в один с шириной пластины 195 мм и толщиной 25 мм; в ярме 7 ступеней. В стержне и ярме 1 продольный канал шириной 3 мм 



7.1. Размеры пакетов в одной половине сечения стержня при 9 ступенях:

Номер пакета

Ширина пакета, мм

Толщина пакета, мм

1

350

42

2

325

35

3

295

26

4

270

16

5

250

10

6

230

9

7

195

13

8

155

9

9

135

7



7.2. По табл. 8-7: 

Полное сечение стержня: Пф.с = 929,2 см2;

Активное сечение:  Пс = kз·Пф.с = 0,96·929,2 = 892 см2



7.3. Размеры пакетов ярма:

Номер пакета

Ширина пакета, мм

Толщина пакета, мм

1

350

42

2

325

35

3

295

26

4

270

16

5

250

10

6

230

9

7

195

29



7.4. Полное сечение ярма по таблице (8-7): Пф.я = 948,8 см2; 

Активное сечение ярма: Пя = kз·Пф.я = 0,96·948,8 = 911 см2

7.5. Ширина ярма:



 мм



7.6. Длина стержня при наличии нажимного кольца



lс = [l+(l0´+ l0´´)]·10-3 = [1420+75+120]·10-3 = 1,615 ≈ 1,62 м




7.7. Расстояние между осями соседних стержней:



С = D2´´ + a22 = 0,6795 + 0,03 = 0,7095 м 



7.8. Объём стали угла магнитной системы по таблице 8-7;

Vу = 27944 см3 – объём угла магнитной системы 

7.9. Масса стали угла магнитной системы



 кг, где



 = 7650 кг/м3 – плотность холоднокатаной стали.

7.10. Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы: 



Gс´ = с·Пс·lc· = 3·892·10-4·1,615·7650 = 3306 кг



7.11. Масса стали в местах стыка пакетов стержней ярма:



Gс´´= с·(Пс·а1я·ст ·10-3 – Gу) = 3 (892·10-4·350·7650·10-3 – 205,2) = 101 кг



7.12. Масса стали стержней:



Gс = Gс´ + Gс´´ = 3306 + 101 = 3407 кг;



7.13. Масса стали в ярмах:



Gя´ = 2·(с - 1) ·С·Пс·ст =2· (3 - 1) ·0,7095·911·10-4·7650 = 1978 кг;

Gя´´ = 2·Gу =2·205,2 = 410,4 кг;

Gя= Gя´ + Gя´´ = 1978 + 410,4 = 2388,4 кг


7.14. Общая масса стали:



Gст = Gя + Gс = 3407 + 2388,4 = 5795 кг 



8. Расчёт потерь холостого хода. 



Расчёт потерь холостого хода производим по параграфу 8.2

8.1. Индукция в стержне:



Вс =  = =1,47 Тл



8.2. Индукция в ярме:



Вя =  = =1,44 Тл



8.3. Индукция на косом стыке



Вкос. =  =  = 1,04 Тл



Площади немагнитных зазоров на прямом стыке на среднем стержне равны соответственно активным сечениям стержня и ярма

Площадь зазора на косом стыке на крайних стержнях 



Пкос =  м2




8.4. Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по таблице (8-10):

При Вс = 1,47 Тл, 		рс = 0,93 Вт/кг; 		рзс = 814 Вт/м2

При Вя = 1,44 Тл, 		ря = 0,869 Вт/кг; 		рзя = 778 Вт/м2

При Вкос. = 1,04 Тл,		 ркос = 387 Вт/ м2 

Потери хх:



,



где: 	kпр = 1,05, 	kпп = 1,03, 	kтп = 1,05, 	kпя = 1, 

kпз = 1, 	kпш = 1,05, 	kпу = 10,64;





 Вт,



или % заданного значения. 



9. Расчёт тока холостого хода



Расчёт тока холостого хода производим по параграфу 8.3. 

По таблице (8-11) находим удельные намагничивающие мощности:

При Вс = 1,47 Тл,		qс = 1,142 ВA/кг;	qзс = 12420 ВA/м2

При Вя = 1,44 Тл,		qя = 1,082 ВA/кг;	qзя = 11040 ВА/м2

При Вкос. = 1,04 Тл,		qкос = 1600 ВА/ м2 

9.1. Для принятой конструкции магнитной системы и технологии её изготовления используем (8-43), в котором по параграфу 8.3 принимаем коэффициенты:






kтр = 1,18;		k тз = 1,0;		k тя = 1,0;	k тп = 1,05;

k тш = 1,08;		k ту= 40,74;		k тпл = 1,24,



	 ВА



9.2. Ток холостого хода 



i0 = = 0,42 %,



или  % заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода:



i0а = = 0,12 %



Реактивная составляющая тока холостого хода:



i0р =  = 0,402 %



Ток холостого хода:



 А;


 А;



 А;



9.3. КПД трансформатора:



;



%



10. Тепловой расчёт обмоток



Поверочный тепловой расчёт обмоток

10.1. Плотность теплового потока на поверхности обмоток

обмотка НН:



 Вт/м2



обмотка ВН (основные катушки):



 Вт/м2



10.2. Внутренний перепад: 

обмотка ВН (основные катушки):


;



 мм – толщина изоляции провода на одну сторону

 Вт/(м°С) – бумага кабельная в масле

°С;

обмотка НН:



°С;



10.3. Перепады температуры на поверхности обмоток:

обмотка НН:



,

к1 = 1, к2 = 1,1



 по таблице (9-1)



°С;



обмотка ВН:



к1 = 1, к2 = 1




°С;



10.4. Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

обмотка НН



°С;



обмотка ВН



°С;



11. Тепловой расчёт бака



Тепловой расчёт бака проводится согласно параграфу 9.6.

По таблице (9-4) в соответствии с мощностью трансформатора S = 6300 кВА выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами и прямыми трубами.

11.1. Изоляционные расстояния: 

S1 = 40 мм (для отвода Uисп=85 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до стенки бака по таблице 4-11);

S2 = 42 мм (для отвода Uисп=85 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до прессующей балки ярма по таблице 4-11);

S3 = 25 мм (для отвода Uисп=5 кВ, без покрытия, расстояние до стенки бака по таблице 4-11);

S4 = 90 мм (для отвода Uисп=до 35 кВ, для отвода Uисп=85 кВ, отвод без покрытия по таблице 4-12);

d1 = 10 мм, d2 = 20 мм

11.2. Минимальная ширина бака:


В = D2´´ + (S1 + S2 + d2 + S3 + S4 + d1)·10-3;

В =0,69 + (40 + 42 + 20 + 25 + 90 + 10)·10-3 = 0,917 м



Принимаем В =0,96 м при центральном положении активной части трансформатора в баке.

11.3. Длина бака:



А = 2С+ D2´´+2·S5·10-3;



В некоторых случаях S5 = S3+d1+ S4  D2´´+2·S5·10-3 ≈ B;



А = 2С+ B = 2·0,7095+0,96 = 2,379 м;



Принимаем А = 2,4 м.

11.4. Глубина бака:



Нб = На.ч + Ня.к.;



Высота активной части:



На.ч. = lс + 2hя + n·10-3;



n = 50 мм – толщина подкладки под нижнее ярмо;

hя = 0,35 м – высота ярма;



На.ч. = 1,62 + 2·0,35 + 50·10-3 = 2,37 м;



Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по таблице 9-5


Ня.к = 400 мм;

Нб = 2,37 + 0,4 = 2,77 м;



Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми тубами с расстоянием между осями фланцев Ар = 2400 мм, с поверхностью труб Птр = 7,533 м2, и двух коллекторов Пкк = 0,34 м2 (по таблице 9-9). Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята



Нб ≥ Ар + с1 + с2 = 2,4 + 0,085 + 0,1 = 2,585 м, 



Принимаем Нб= 2,8 м.

11.5. Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН



°С;



Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет



°С < 60°С;



11.6. Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака °С и запас 2°С, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха



°С;


11.7. Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака



 м2;



11.8. Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами



 м2;



11.9. Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения °С:



м2;



Поверхность излучения составляется из:

поверхности гладкого бока: Пкгл = 18,816 м2

Поверхности крышки бака:



 мм2, 



где 0,16 – удвоенная ширина верхней рамы бака;



Пккр·0,5= 2,867·0,5 = 1,434 м2, 



0,5 – коэффициент, учитывающий закрытие поверхности крышки вводами и арматурой


11.10. Поверхность конвекции радиаторов 



;



 мм2



11.11. Поверхность конвекции радиатора, приведённая к поверхности гладкой стенки



; (таблица 9-6) кр = 1,22, т.к. три ряда труб

; 



11.12. Необходимое число радиаторов;



, принимаем 20 радиаторов



 м2



11.13. Поверхность конвекции бака



 мм2

 мм2



Вместо 20 двуряднх радиаторов с расстоянием между осями фланцев А = 2,4 м, принимаем 4 четырехфазных радиатора с расстоянием А = 3 м при этом не уменьшая теплоотдачу конвекции с их поверхности. Число труб в ряду – 10.

Поверхность излучения по рис.

Периметр  м

Окончательный расчёт превышения температуры обмоток и масла трансформатора. Среднее превышение температуры стенки над температурой воздуха.





 м2



11.13.1. Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха



 °С



11.13.2. Среднее превышение температуры масла в близи стенки над температурой внутренней поверхности стенки бака:



 °С



11.13.3. Превышение средней температуры масла над температурой воздуха



 °С


11.13.4. Превышение средней температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха 



ΘМ,В,В =k·ΘМ,В, =1,2·44,2=53,04 ˚C < 60 ˚C

Θ0В < 60 ˚C



11.13.5. Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха



обмотка НН:  °С < 65 °С



обмотка ВН:  °С < 65 °С



Превышения температуры масла в верхних слоях ΘМ,В,В < 60 ˚C и обмоток 	Θ0В < 65 ˚C 	лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ – 11677-85



12. Определение массы масла



12.1. Объём бака



 м3



12.2. Объём активной части



 м3, где γ = 5300 кг/м3


12.3. Объём масла в баке



 м3



12.4. Масса масла в баке



 кг



12.5. Масса масла в радиаторах



 кг



12.6. Общая масса масла



 кг



13. Описание конструкции трансформатора



Разработанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 состоит из следующих основных компонентов:

Магнитная система. Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405, 0,30 мм.

Обмотки НН и ВН. Выбрана конструкция непрерывной катушечной обмотки.

Бак. Выбрана конструкция гладкого бака с навесными радиаторами с прямыми трубами.

Стандартные изделия – вводы НН и ВН, РПН, 

Трансформатор установлен на специальной тележке, при помощи которой его можно передвигать в нужном направлении. Перевозка трансформатора осуществляется в собранном виде на нормальных железнодорожных платформах.


Вывод



Рассчитанный силовой масляный трансформатор марки ТМН 250/10 удовлетворяет основным государственным нормам и стандартам. В отличие от трансформатора серийного производства, данный трансформатор обладает следующими параметрами:



Разработанный трансформатор

Серийный трансформатор

Параметр

Значение

Отклонение, %

Параметр

Значение

Отклонение, %

Uk,%

7,87

4,9

Uk, %

7,5

±5

Pk, Вт

48991

+5,4

Pk, Вт

46500

+10

I0, %

0,42

-47,5

I0, %

0,8

+30

Рх, Вт

7413

-2,46

Рх, Вт

7600

+15




Литература



Тихомиров П.М., Расчёт трансформаторов, Энергия, М., 1986 г.

Сергеенков Б.Н., Электрические машины. Трансформаторы, Высшая школа, М., 1989 г.

Сапожников А.В., Конструирование трансформаторов, государственное энергетическое издательство, М.-Л., 1959 г.

Иванов-Смоленский А.В., Электрические машины, Энергия, М., 1980 г.

Костенко М.П., Пиотровский Л.М., Электрические машины часть 1, Энергия, Л, 1973 г.

Вольдек А.И., Электрические машины, Энергия, М., 1974 г.

Потишко А.В., Справочник по инженерной графике, Будивельник, Киев, 1983 г.

Александров К.К., Электротехнические чертежи и схемы, Энергоатомиздат, М. 1990 г.

ГОСТ 16110-82 Трансформаторы силовые. Термины и определения.

ГОСТ 11677-85 Трансформаторы силовые. Общие технические требования.

ГОСТ 11920-85 Трансформаторы силовые масленые общего назначения до 35 кВ включительно. Технические условия.