Определение основных электрических величин трансформатора

Содержание

Введение
1. Определение основных электрических величин трансформатора

2. Расчет основных размеров трансформатора
2.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы
2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе
2.3 Выбор материала и предварительный выбор конструкции обмоток
2.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток
2.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений
3. Расчет обмоток НН и ВН
3.1 Расчет обмотки НН
3.2 Регулирование напряжения обмоток ВН
3.3 Расчет обмотки ВН
4. Расчет параметров короткого замыкания
4.1 Определение потерь короткого замыкания
4.2 Расчет напряжения короткого замыкания
4.3 Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании
5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода
5.1 Определение размеров магнитной системы
5.2 Определение потерь холостого хода трансформатора
5.3 Определение тока холостого хода трансформатора
6. Тепловой расчет трансформатора
6.1 Проверочный тепловой расчет обмоток
6.2 Тепловой расчет бака трансформатора
6.3 Определение превышений температуры обмоток и масла над воздухом
6.4 Определения веса масла и размера расширителя
Заключение
Список использованной литературы

Введение

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721-62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 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 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины - 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800-1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).
Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы - для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели - для регулирования напряжения трансформатора, баки - для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы - для охлаждения трансформатора и др.
Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.
Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.
трансформатор обмотка ток тепловой

1. Расчет основных электрических величин трансформатора

Для выполнения электромагнитного расчета трансформатора необходимо определить основные электрические величины: мощность на одну фазу и стержень, номинальные токи на стороне ВН и НН, фазные токи и напряжения, составляющие напряжения короткого замыкания, испытательные напряжения обмоток.

Мощность одной фазы трансформатора:

Sф = = =1333.33 кВА

Мощность на один стержень:

’ = = =1333.33 кВА

Номинальные линейные токи обмотки ВН:

ном = = =230.94 А

где I1 - ток в обмотке ВН, А;н - номинальная мощность трансформатора, кВА;- напряжение обмотки ВН, В

Номинальные линейные токи обмотки НН:
ном = = =366.57 А
где I2 - ток обмотки НН, А;н - номинальная мощность трансформатора, кВА;- напряжение обмотки НН, В.
Фазный ток обмотки одного стержня
При соединении ВН обмотки в «звезду» :
ф1=Iн1=230.94 А

При соединении НН обмотки в «звезду» :

Фазное напряжение трехфазного трансформатора

При соединении ВН обмотки в звезду:

U_ф1

При соединении НН обмотки в звезду:

Испытательное напряжение обмоток

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора. Эти испытательные напряжения определяются для каждой обмотки трансформатора по ее классу напряжения. (смотрим по таблице 4-1)
для ВН U_исп.1=35 кВ
для НН U_исп.2=25 кВ
Активная и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

Ua = = = 0.84 %

Где Р_к - потери короткого замыкания, Вт;_н - номинальная мощность трансформатора, кВА.

Up = = = 7.45 %

2. Расчет основных размеров трансформатора


.1 Выбор схемы и конструкции магнитной системы

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), служащая для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора и представляющая собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранной в определенной геометрической форме.

Магнитную систему можно разделить на:
Стержень - на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие для преобразования электрической энергии;
Ярма - не несущие основных обмоток, служащие для замыкания магнитной цепи.
По способу сборки выбираем шихтованную магнитную систему, ярма и стрежни которой собираются в переплет из плоских пластин с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми в двух углах, как единая цельная конструкция (рис.2.1а и б)



а) б)
Рис.2.1 Схема плоской магнитной системы.
Основные размеры трансформатора: диаметр окружности, в которую вписан стержень, имеющий сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры; высота обмоток; средний диаметр двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками.
Сборка сердечника у силового трансформатора производится "в перекрышку" как показано на рис 2.2.



Рис 2.2

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин. Выбор индукции в магнитной системе

Выбираем материал магнитной системы трансформатора - холоднокатаная электротехническая сталь марки -3405 , толщиной 0,35 мм.

Поперечное сечение магнитопровода представляет собой ступенчатую фигуру, число ступеней которой зависит от мощности трансформатора. Для трансформатора ТМ-4000/10 получим:
Число ступеней в сечении стержня, равное -9, (определяем по таблице 2.5). Число ступеней стержня считается по числу углов в одной четверти круга.
Коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры (определяем по таблице 2.5).
k_КР = 0,929
Коэффициент k_кр определяет отношение площади ступенчатой фигуры стержня в сечении к площади круга с диаметром d, который ориентировочно должен быть равен (определяем по таблице 2.5):= 0,32…0,34 м.
Наличие изоляции между листами магнитопровода учитывается коэффициентом заполнения k_з.
Коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сталью, учитывая толщину изоляционного слоя и ее плотность запрессовки листов (выбираем по таблице 2.3.):_з=0,97
Далее определяем общий коэффициент заполнения сталью круга k_с по следующей формуле:


=0,929ˑ0,97=0,9

Исходя из полной мощности, определяем коэффициент усиления ярма (по табл. 2,8), который зависит от способа прессовки ярма и формы его сечения. я=1,02

Прессовка ярма осуществляется балками, стянутыми стальными полубандажами.
Прессовка стержней осуществляется бандажами из стеклоленты. Продольных каналов в стержне нет. (по таблице 2,8).
Число ступеней ярма на одну-две меньше числа ступеней стержня и равно - 7
Магнитная система выполнена из стали 3405, выбранной по таблице 2.3[1]. Толщина межслойной изоляции - односторонняя оклейка листов стали бумагой толщиной 0,35(мм).
Рекомендуемое значение индукции В_с в стержнях масляных трансформаторов при марке стали 3405 зависит, от мощности трансформатора. Поскольку S_н = 4000 кВА, то (выбираем по таблице 2.4) В_с = 1,65 и определяем индукцию в ярме В_я по формуле:


= = 1,618 Тл

.3 Выбор материала и предварительный выбор конструкции обмоток

В соответствии с условием задания, материал ВН и НН обмоток - медь электролитическая.

Основным элементом всех обмоток трансформатора является виток. В зависимости от тока нагрузки виток выполняют одним проводом круглого или прямоугольного сечения. Обмоточный провод круглого или прямоугольного сечения (алюминиевый марки АПБ) изолируют лентами кабельной бумаги.
Тип конструкции обмотки ВН и НН выбирают по табл. 5.8 в соответствии с поминальной мощностью, напряжением, током одного стержня и поперечным сечением витка обмотки.
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки, мм²,:

где - средняя плотность тока в обмотках, МА/м², предварительно выбираемая по табл.5.7, = 2,2 -3,5.

Тип обмотки ВН:

Тип обмотки - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.
Основные достоинства - хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления.
Основные недостатки - уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы.
Материал обмотки - медь.
Пределы применения:
S_Н - от 630 до 80000 кВ^.А;
I_Ф - от 15-18 до 1000-1200 А;
U_Н - от 10 и 35 кВ;
П - от 5.04 мм² до 400.
Число параллельных проводов - от 1 до 4-8 .
Тип обмотки НН:
Тип обмотки - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.
Основные достоинства - хорошее заполнение окна магнитной системы, простая технология изготовления.
Основные недостатки - уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками, имеющими радиальные каналы.
Материал обмотки - медь.
Пределы применения:
S_Н - от 630 до 80000 кВ^.А;
I_Ф - от 15-18 до 1000-1200 А;
U_Н - от 10 и 35 кВ;
П - от 5.04 мм² до 400.

.4 Выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток

Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляем мягкими цилиндрами составленные при сборке трансформатора из намотанных один на другой листов электроизоляционного картона (плотность 900 кг/м3).

Минимально допустимые изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма, между обмотками, а также главные размеры изоляционных деталей в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5 - 85 кВ приведены в табл. 1 и 2 (рисунок 2).



Рисунок 2 - Размеры главной изоляции обмоток

Таблица 1 - Допустимые изоляционные расстояния для обмотки высокого напряжения

Мощность трансформатора, Sн, кВА	Uисп для обмотки ВН, кВ	От ВН до ярма, см			Между ВН и НН, см			Высота цилиндра, см, lц2		Между ВН и НН, см
		l02	ш	Δ12		12			Δ22		22
4000	35	5,0	-	3,0		0,4	2,0		1,8		-

Таблица 2 - Допустимые изоляционные расстояния для обмотки низкого напряжения

Мощность трансформатора, Sн, кВА	Uисп для обмотки низкого напряжения (НН), кВ	От НН до ярма l01, см	От НН до стержней, см
			01	Δц1	Δ01	Lц1
4000	25	5,0	0,4	0,8	1,75	2,5

.5 Предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений

Определим диаметр стержня, см.:

где, f = 50 Гц - частота питающей сети, Гц;=0.95 -коэффициент Роговского (стр. 120) ;р - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания;

Вс - индукция в стержне, Тл; с - коэффициент заполнения сталью площади круга;`- мощность трансформатора на один стержень, кВА.
На размер диаметра стержня магнитной системы влияют:
а) ширина приведенного канала рассеяния, см,:

где, α₁₂ - изоляционный промежуток между обмотками ВН и НН, определяемый по испытательному напряжению обмотки ВН, (табл. 4,5);

- второе слагаемое (приведенная ширина двух обмоток):

где, - мощность трансформатора на один стержень, кВА;- коэффициент, по таблице 3.3, k = 0,47.

,

б) Величина  - отношение средней длины окружности канала между обмотками d₁₂ и высоте обмоток l:

Значения  для масляных трансформаторов приведены в табл. 12.1 ( 1,8 ).

Рекомендуемые значения  предусматривает получение трансформаторов с заданными потерями, напряжением короткого замыкания.

Полученное значение d сравним с диаметрами нормализованной шкалы.
Примем ближайший нормализованный диаметр d_н = 0,31 м.
Определим отношение:


.

Средний диаметр канала между обмотками, м,:

(α находим по табл. 3,4)

d₁₂ = 1,38 0,31= 0,428м.