ЗАДАНИЕ

Выполнить расчет и конструктивную разработку трансформатора со следующими данными:

1. Тип трансформатора…………………………………………ТМ 250/6

2. Число фаз………………………………………………………… 3

3. Частота напряжения сети……………………………………… 50 Гц.

4. Номинальная мощность……………………………………….. 250кВˣА

5. Номинальное напряжение обмотки ВН…………………….... 6 кВ.

6. Номинальное напряжение обмотки НН……………………… 0,4 кВ.

7. Схемы и группа соединения обмоток………………………… Y/Y_Н -0.

8. Система охлаждения – с естественной циркуляцией масла и воздуха (естественное масляное).

9. Режим работы – длительная нагрузка.

10. Установка………………………………………………………Наружная.

Параметры трансформатора

1. Напряжение короткого замыкания………………………………. 6,5 %.

2. Потери короткого замыкания…………………………………….. 3,7 кВт.

3. Ток холостого хода………………………………………………...2,3 %.

4. Потери холостого хода…………………………………………. 0,96 кВт.

5. Материал обмоток………………………………………………..медь (Cu)

 

 

 

Введение

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или болеe индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т. п., а так же для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов — преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.

Силовые трансформаторы подразделяются на два вида

- трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.

- трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется развитием электрических сетей.

Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.

Современное трансформаторостроение – важная отрасль электротехнической промышленности. Оно играет важную роль в развитии энергетики. Трансформатор - сложная конструкция с сильными электрическими и магнитными полями, отдельные узлы и элементы конструкции подлежат воздействию больших электромеханических нагрузок и больших напряжений, в магнитопроводе выделяется большое количество тепла, следовательно, трансформатор должен включать устройства охлаждения обмоток и самого масла, а также большое число вспомогательных электрических и механических частей и приспособлений; в связи с этим конструкция играет важную роль.

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т.е. сталь магнитной системы и металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформатора, например электроизоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т.д., и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах.

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая холоднокатанная электротехническая сталь. Эта сталь с определённой ориентировкой зёрен (кристаллов), имеющая значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость по сравнению с горячекатаной сталью.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия её магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа стали. Наилучшие магнитные свойства эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства существенно ухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен под углом, отличающимся от 0°, к направлению прокатки, и становится наилучшем при угле, равном 55°.

Другой активный материал трансформатора – металл обмоток. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к корозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформатора в течение ряда десятилетий.

Алюминий является вторым по значению (после меди) проводниковым материалом. Плотность алюминия – 2700 кг/м3. Таким образом алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами – как механическими, так и электрическими. Температура плавления 657°С, удельное сопротивление 0,5 мкОмּм., предел прочности при растяжении σР=160-170 Мпа.

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло – жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя.

Кабельная бумага изготовляется из сульфатной небелёной целлюлозы и выпускается в рулонах шириной 500, 650, 670, 700, 750 и 1000 мм (±3 мм) при диаметре рулона от 450 до 800 мм. В трансформаторах применяется бумага главным образом марки К-120 толщиной 120 мкм для изоляции обмоточного провода; в виде полос разной ширины для междуслойной изоляции и в многослойных цилиндрических обмотках класса напряжения 6, 10 ,20 и 35 кВ; в виде полосок шириной 20-40 мм, наматываемых вручную, для изоляции отводов.

 

 

1.     Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний (Расчет произведен по Тихомирову).                                                

Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы и одного стержня:

Sф=S/3=250/3=83,33 кВт

Номинальные токи:

на стороне ВН: Iвн=Sн/(1,73×Uвн)=250/(1,73·6000)=24,08 А

на стороне НН: Iнн=Sн/(1,73×Uнн)=250/(1,73·400)=361,27 А

Фазные токи:

на стороне ВН (Y): Iвн.ф=Iвн.л=229,37/1,73=24,08 А

на стороне НН (Y): Iнн.ф=Iнн.л=361,27 А

Фазные напряжения:

на стороне ВН (Y) :Uф= Uл.нн/1,73=3468,2 В

на стороне НН (Y):: Uф=Uл.нн/1,73=400/1,73=231,21 В

Испытательные напряжения (определяются по таблице 4.1):

на стороне ВН Uвн.исп=25 кВ

на стороне НН Uнн.исп=5 кB

Для испытательного напряжения обмотки ВН (Uвн.исп=25кВ) находим изоляционные расстояния (по табл.4.5,стр184):

a12 = 2,7 см; l01 = 3,0 см; a22=1,8 см

lц2 =2,0 см; δ12 =0,3 см δ22 =0 см δш =0 см

Для обмотки НН (Uнн.исп=5кВ)

a01 = 15 мм; aц1 =0,6 см;

lц1 =1,5 см; δ01 =0.4 см

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Uа=Pк/(10S)=3700/(10×250)=1,48 %

Реактивная составляющая:

         

2. Выбор конструктивной схемы трансформатора. Общая конструктивная схема трансформатора

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяются на стержневые, броневые и бронестержневые. По взаимному расположению стержней и ярм магнитопроводы разделяются на плоские и пространственные.

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроения получили магнитопроводы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров.

В соответствии с заданием необходимо спроектировать трехфазный трансформатор с номинальной мощностью 250 кВА. Для трансформатора подобной мощности выберем плоский стержневой магнитопровод.

Общая конструктивная схема трансформатора с таким магнитопроводом представлена на рисунке 1.

Рисунок 1- Общая конструктивная схема: 1 - стержень, 2 - ярмо, 3 - обмотка НН, 4 - обмотка ВН.

По способу сборки различают следующие плоские магнитные системы:

-        шихтованные впереплет, ярма и стержни которых собираются из пластин как единая цельная конструкция;

-        стыковые, ярма и стержни которых, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык и скрепляются стяжными конструкциями.

Собранные впереплет плоские шихтованные магнитные системы благодаря простой и дешевой конструкции крепления и стяжки, а также относительной простоте сборки получили наибольшее распространение в трансформаторостроение. Поэтому для трансформатора выберем шихтованную впереплет магнитную систему.

Для шихтованной впереплет магнитной системы существует несколько планов шихтовки пластин. Средней по технологической сложности и параметрам холостого хода является схема с косыми стыками в четырех и комбинированными в двух углах. Несколько проще технология заготовки пластин и сборки магнитной системы с косыми стыками в четырех и прямыми стыками в двух углах, но такая магнитная система имеет более высокие потери и ток холостого хода. Наименьшие потери и ток холостого хода имеет магнитная система с шихтовкой пластин косыми стыками в шести углах.

Для дальнейшего расчета трансформатора выберем шихтовку пластин косыми стыками в четырех и прямыми стыками в двух углах.

Поперечное сечение стержня и ярма имеет вид симметричной ступенчатой фигуры (см. рисунок 1). Диаметр окружности, в которую можно вписать ступенчатую фигуру сечения стержня, называют диаметром стержня. Ступенчатое сечение стержня и ярма образуется сечениями пакетов пластин, где под пакетом понимают стопу пластин одного размера.

Определим параметры магнитной системы по рекомендациям, приведенным в таблице 2.1 /3,с.12/. Рекомендуемое число ступеней и соответствующий ему коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры k_тр приведены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 - Рекомендуемые параметры магнитной системы

Для разрабатываемого трансформатора выгоднее применить холоднокатаную, анизотропную, тонколистовую электротехническую сталь марки 3404, толщиной 0,30 мм.

Кроме коэффициента k_тр стержень и ярмо магнитной системы характеризуются коэффициентом заполнения сечения стержня и ярма сталью k_зап. Этот коэффициент равен отношению чистой площади стали (без учета изоляционного покрытия листов) к площади ступенчатой фигуры сечения, определенной с учетом изоляционного покрытия листов.

Определим значение k_зап по рекомендациям, приведенным в таблице 2.2 /3, с. 13/. Рекомендуемое значение k_зап приведено в таблице 2.

Таблица 2 - Коэффициент заполнения k_зап для рулонной холоднокатаной стали по ГОСТ 21427 – 83

При мощности трансформатора S_н ≤ 630 кВА и диаметре стержня 0,22м  прессовку стержней магнитной системы выполняем путем забивания деревянных клиньев (стержней и планок) между стержнем и обмоткой НН или ее жестким изоляционным цилиндром.

Наиболее рациональной формой сечения ярма плоской магнитной системы является многоступенчатая его форма с числом ступеней, равным активному сечению стержня.

Прессовка ярм в современных конструкциях плоских магнитных систем трансформаторов осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма.

Для обеспечения более равномерного сжатия ярма между прессующими ярмовыми балками обычно два - три крайних пакета выполняются одной ширины, несколько увеличивая этим сечение ярма. Это увеличение активного сечения ярма отражают коэффициентом усиления ярма k_я, равным отношению площади сечения ярма П_я к площади сечения стержня П_с.

При выборе способа прессовки стержней и ярм воспользуемся рекомендациями, приведенными в таблице 2.3 /3, с. 14/. Результаты выбора представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Способ прессовки стержней и ярм, форма сечения и коэффициент усиления ярма k_я

3. Расчет основных размеров трансформатора

Проектируемый трансформатор характеризуется тремя основными размерами:

а) d - диаметр окружности, к которую вписано ступенчатое сечение стержня (условно называемый диаметром стержня);

б) L - высота обмоток (осевой размер);

в) d₁₂ - средний диаметр витка двух обмоток (средний диаметр осевого канала между обмотками).

Осевой размер обмоток L обычно принимается одинаковым для ОВН и ОНН. Размер d₁₂ связывает диаметр стержня d с радиальными размерами обмоток а₁, а₂ и с размером осевого канала между ними а₁₂.

Полученные основные размеры позволяют определить (с помощью исходных данных и рекомендуемых изоляционных расстояний) все остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы.

Диаметр стержня d определяется по выражению

где    S_c - мощность на один стержень, кВА;

β - соотношение основных размеров, принимаемое по таблице 3.1 /3, с. 48/;

а_р - приведенная ширина канала рассеяния, м;

k_р - коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского), принимаемый по рекомендациям /3, с. 49/;

f - частота питающей сети, Гц, равная промышленной;

U_kp - реактивная составляющая U_k, %;

В_с - рекомендуемое значение индукции в стержне, Тл, принимаемый по таблице 3.3 /3, с. 49/;

k_c - коэффициент заполнения активной сталью площади круга, охватывающего сечение стержня.

Значение а_р рассчитываем по выражению

где    а₁, а₂ - радиальные размеры, мм, ОВН и ОНН соответственно.

Поскольку на данном этапе расчета а₁ и а₂ неизвестны, то можно воспользоваться приближенным расчетом приведенной ширины двух обмоток

где    k - расчетный коэффициент, принимаемый по таблице 3.2 /3, с. 48/

Подставляя произведя замену и численные значения получим

Коэффициент k_с равен произведению коэффициентов

k_с = k_зап·k_кр = 0,96·0,918 = 0,881.

Подставляя численные значения коэффициентов определим диаметр стержня

Используя полученное значение диаметра, примем ближайшее стандартное его значение d_н из нормализованного ряда, приведенного в таблице 3.4 /3, с. 50/:

d_н = 0,180 м.

После этого по нормализованному значению d_н скорректируем принятую ранее величину β

Средний диаметр осевого канала между обмотками определим, как

d₁₂ = d_н + 2·а₀₂ + 2·а₂ + а₁₂

Неизвестный радиальный размер ОНН а₂ на данном этапе расчета определим, как

Подставляя численные значения в выражение (6), определим средний диаметр осевого канала между обмотками

d₁₂ = 0,180 + 2·4·10^-3 + 2·0,026 + 27·10^-3 = 0,267 м.

Высоту обмотки определим, как

После этого по нормализованному значению d_н скорректируем принятую ранее величину β

Средний диаметр осевого канала между обмотками определим, как

d₁₂ = d_н + 2·а₀₂ + 2·а₂ + а₁₂

Неизвестный радиальный размер ОНН а₂ на данном этапе расчета определим, как

Подставляя численные значения в выражение, определим средний диаметр осевого канала между обмотками

d₁₂ = 0,180 + 2·4·10^-3 + 2·0,026 + 27·10^-3 = 0,267 м.

Высоту обмотки определим, как

4. Расчет обмоток. Определение общих параметров обмоток

Предварительным этапом расчета обмоток является определение напряжения одного витка. ЭДС одного витка представляет собой характеристику магнитопровода трансформатора и является общим параметром для обеих обмоток.

Напряжение витка определим, как

U_в = 4,44·f·В_c·П_с

где B_c - индукция в стержне магнитопровода, Тл;

f - частота питающей сети, Гц;

П_c - активное сечение стержня, м², рассчитываемое по выражению

Подставим численные значения определим напряжение витка

U_в = 4,44·50·1,6·0,022407 = 7,95897 В.

4.1 Обмотка низкого напряжения. Предварительный расчет ОНН

Число витков на одну фазу ОНН определим по формуле

После округления числа витков скорректируем под него значение напряжения одного витка

а также индукцию в стержне

Далее во всех расчетах будем использовать только эти значения напряжения витка и индукции в стержне.

Среднюю плотность тока в обмотке определим по формуле  Откуда взята?

где k_d - коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, в отводах, в стенках бака и других металлических конструкциях от гистерезиса и вихревых токов, определяемый из таблицы 4.1 /3, с. 52/.

P_к - заданное значение потерь короткого замыкания, Вт;

U_в - напряжение витка, В;

S_н - номинальная мощность трансформатора, кВА;

d₁₂ - средний диаметр канала между обмотками, м.

Подставляя численные значения в выражение, определим среднюю плотность тока в обмотке