|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Кафедра электротехники и электрооборудованияСтр 1 из 5Следующая ⇒
Кафедра электротехники и электрооборудования
Проектирование силовых трансформаторов Методические указания для курсового проектирования
Новокузнецк УДК 621.314.2.001.24 П78
Рецензент кандидат технических наук, профессор кафедры АЭПиПЭ СибГИУ А.И. Рыбаков
П78 Проектирование силовых трансформаторов: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост.: В.П. Симаков, М.В. Кипервассер. –Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. – 43 с.: ил. Содержат исходные данные вариантов курсового проекта, требования к составу, содержанию и объему проекта, а также требования по выполнению расчетно-пояснительной записки. Изложена методика расчета силового трансформатора. Предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника профиля подготовки «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений». Печатается по решению Совета Института информационных технологий и автоматизированных систем.
Содержание
Введение 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. Передача электрической энергии от места ее производства до места потребления требует в современных сетях многократной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети (рисунок 1). Назначение силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии.
а б Рисунок 1- Силовые трансформаторы: масляные (а), сухие (б) Силовые трансформаторы обладают 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. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида: - трансформаторы общего назначения - предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы; - трансформаторы специального назначения - предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников относятся выпрямительные установки, электрические печи и др. [1]. Классификация трансформаторов производится по различным признакам: по габаритам, назначению (рисунок 2) и т.д. В настоящее время по назначению обычно выделяют трансформаторы силовые, измерительные и специального назначения. Измерительные трансформаторы включают в себя: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.
Рисунок 2-Краткая классификация трансформаторов по назначению 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. Курсовой проект выполняется в соответствии со стандартами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и стандартами предприятия (СибГИУ). Цель работы: приобретение практических навыков разработки проекта трансформатора. Задачи работы: углубление полученных знаний по дисциплине «Электрооборудование промышленности»: назначение, устройство, принцип действия, режимы работы и экономичность силовых трансформаторов; привить навыки электрического расчета электротехнологических установок. 1 Структура и содержание курсового проекта В исходных данных для каждого варианта курсового проекта задана мощность трансформатора, первичное и вторичное напряжения и основные характеристики. Курсовой проект включает следующие основные части: 1 общая часть (введение); 2 определение основных электрических величин; 3 расчет основных размеров трансформатора; 4 расчет обмоток НН и ВН; 5 определение характеристик короткого замыкания; 6 расчет магнитной системы; 7 тепловой расчет; Пояснительная записка должна иметь рисунки по ходу расчета: • основные размеры трансформатора; • схема транспозиций параллельных проводов; • сечение витка обмотки НН; • расположение катушки ВН и размеры радиальных каналов; • основные размеры обмоток; • схема регулирования напряжения; • определение добавочных потерь в обмотках; • определение механических напряжений в обмотках; • сечение стержней и ярма; • основные размеры магнитной системы; • размеры бака; • элементы радиатора. Графическая часть проекта состоит из одного листа формата А1. Исходные данные Номер варианта курсового проекта выдается преподавателем. Исходные данные вариантов заданий приведены в таблице 1. Общие условия для всех вариантов расчета: Число фаз m = 3. Частота f = 50 Гц. Нагрузка длительная. Установка наружная. Схема соединения – Y/Y – 0. В таблице приведены следующие обозначения: S – общая мощность, кВ· А; U1 – номинальное высшее напряжение, кВ; U2 – номинальное низшее напряжение, кВ; Uк – напряжение короткого замыкания, %; Рк – потери короткого замыкания, кВт; Р0 – потери холостого хода, кВт; i0 – ток холостого хода, %; М – охлаждение естественное, масляное.
Приложение Задание для расчета трансформатора:
Введение Силовой трансформатор - это электрический аппарат, который предназначен для преобразования электрической энергии одного значения напряжения в электрическую энергию другого значения напряжения. Трансформаторы бывают: - в зависимости от количества фаз: однофазные и трехфазные; - по количеству обмоток: двухобмоточные и трехобмоточные; - наружной и внутренней установки; - по назначению: понижающие и повышающие. Кроме того, силовые трансформаторы различают по группам соединения обмоток, по способу охлаждения. Также при установке трансформаторов учитывают климатические условия. Принцип работы любого силового трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Если к обмотке данного устройства подключить источник переменного тока, то по виткам этой обмотки будет протекать переменный ток, который создаст в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток. Замкнувшись в магнитопроводе, переменный магнитный поток будет индуктировать электродвижущую силу (ЭДС) в другой обмотке трансформатора. Это объясняется тем, что все обмотки трансформатора намотаны на один магнитопровод, то есть они связаны между собой магнитной связью. Значение индуктируемой ЭДС будет пропорционально количеству витков данной обмотки. Конструкции силовых трансформаторов различного типа схожи между собой. Отличие заключается в комплектации аппарата, конструкции системы охлаждения и защиты.
Предварительный расчет трансформатора Расчет обмоток НН и ВН Расчет обмотки НН Число витков обмотки НН:
Напряжение одного витка uB:
Средняя плотность тока в обмотках по (5.4):
Сечение витка ориентировочно определяем по (6.6):
По таблице 5.8, учитывая значения мощности 1600 кВ·A, тока на один стержень 1339 A, номинального напряжения обмотки 690 В и сечения витка 384, 8 мм2, выбираем конструкцию винтовой обмотки из прямоугольного провода. Размер радиального канала предварительно hК=5 мм, согласно рекомендациям раздел 6.1. Число реек по окружности обмотки 12, ширина междувитковых прокладок bПР=40 мм, (раздел 5.2). Ориентировочный осевой размер витка (6.18):
Исходя из ограничения для масляных трансформаторов q=2000 Вт/мм2 и полученного значения hВ1=17, 7 мм, плотность тока J=3, 5 МА/м2 задает максимальный размер медного провода bmax=15 мм (график 5.34а). Для предварительно рассчитанных параметров и рекомендаций раздела 5.7, выбираем двухходовую винтовую обмотку с радиальными каналами в витках и между витками с равномерно распределенной транспозицией (рисунок 2.1(м)).
Рисунок 2.1 - Обмотка НН (винтовая). По полученным ориентировочным значениям П'В и hВ1 в таблице 5.2 подбираем сечение витка из 12 параллельных проводов:
Для частичной компенсации разрыва в обмотке ВН при регулировании напряжения размещаем в середине высоты обмотки НН шесть радиальных каналов по 10 мм. Полное сечение витка:
Плотность тока:
По графику (рисунок 5.34а) находим для J=3.39 МА/м2 и b=7, 5 мм значение q=900 Вт/м2. Осевой размер (высота) для двухходовой обмотки с равномерно распределенной транспозицией (6.23), с учетом толщины изоляции и шести радиальных каналов по 10 мм:
k=0.95, согласно раздела 6.1. Радиальный размер обмотки:
По таблице 4.4 для UИСП=5 кВ, S=1600 кВ·А и винтовой обмотки находим а01 = 15 мм. Обмотка наматывается на 12 рейках на бумажно-бакелитовом цилиндре размерами:
Внутренний диаметр обмотки:
Внешний диаметр обмотки:
Плотность теплового потока на поверхности обмотки НН (7.19):
где: b' –размер провода с изоляцией; предварительно принимаем kД=1, 05. Масса металла обмотки (7.6):
Уточненную массу провода определяем по таблице 5.5:
Выбираем схему регулирования рисунок 2.3(м) с выводом концов всех трех фаз обмотки к одному трехфазному переключателю (разделы 6.2, 6.3). Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 26, 4 А. Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе, согласно раздела 6.2: % - рабочее: - испытательное:
Рисунок 2.3 - Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН. Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить выводы, согласно таблицы 2.1(м). Таблица 2.1-Схема соединения ответвлений обмотки ВН
Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении определяем (6.27):
Число витков на одной ступени регулирования (6.28):
Для пяти ступеней число витков на ответвлениях для обмотки ВН определяется (таблица 2.2(м)): Таблица 2.2- Расчет числа витков на ответвлениях для обмотки ВН
Ориентировочная плотность тока (6.33):
Ориентировочное сечение витка (6.34):
По таблице 5.8, с учетом S=1600 кВ·А; I2=26, 4 А; U2=35000 В; П'2=7, 39 мм2 , выбираем непрерывную катушечную обмотку из медного прямоугольного провода. По сортаменту медного обмоточного провода выбираем провод марки ПБ (таблица 5.2):
В двух верхних и двух нижних катушках обмотки каждой фазы применяем провод того же размера с усиленной изоляцией 1, 35 (1, 5) мм, с размерами провода в изоляции 2, 9× 7, 1 мм (таблица 4.10). Плотность тока в обмотке:
На графиках (рисунок 5.34а) определяем (J2=3, 46 Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами по h'К=4, 5 мм между всеми катушками (рисунок 2.4(м)). Две крайние катушки вверху и внизу отделены каналами по 7, 5 мм (таблица 4.10). Канал в месте разрыва обмотки hКР=12 мм (таблица 4.9). Осевой размер катушки b'=6, 1 мм.
Рисунок 2.4 - Обмотка ВН (непрерывная) Число катушек на стержне ориентировочно:
Число витков в катушке ориентировочно: (рисунок 2.5(м)), и радиальный размер a'2=1, 9∙ 21=39, 9≈ 40 мм, с учетом катушек с усиленной изоляцией a2 =42 мм.
Рисунок 2.5 - Сечение катушки непрерывной обмотки ВН. Масштаб 2: 1 Распределение витков по катушкам показано в таблице 2.3(м): Таблица 2.3 - Распределение витков по катушкам:
Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов показаны на рисунке 2.6(м). Данные катушек приведены в таблицах 2.4(м) и 2.5(м).
Рисунок 2.6 - Основные размеры обмоток трансформатора Масштаб 1: 2 Осевой размер обмотки: l2=∑ hКАТ+∑ hКАН=(6, 1·58+7, 1·4+0, 95(7, 5·4+12+4, 5·56))·10-3= 0, 66 м. Согласно раздела 4.3 принимаем размеры бумажно-бакелитового цилиндра, на котором на 12 рейках наматывается обмотка: Ø Учитывая условия: испытательные напряжения UИСП=5 кВ (НН), UИСП = 85 кВ (ВН) и мощности трансформатора S = 1600 кВ·А по таблицам 4.4, 4.5 находим параметры: Таблица 2.4 – Технические параметры обмоток НН и ВН
Плотность теплового потока на поверхности обмотки для самой широкой катушки B (7.19):
Таблица 2.5 - Параметры катушек обмотки ВН трансформатора
Масса металла обмотки (7.6): G'О2=28·103·c·DСР·w2·П2=28·103·3·0, 444·1277·7, 625·10-6=364, 8 кг Масса провода в обмотке с изоляцией: GПР2=kиз·GO2 =1, 035·364, 8=377, 6 кг; где kиз =1, 035 (таблица 5.5[1]) Масса металла (меди) двух обмоток: GО=254, 6+364, 8=619, 4 кг. Масса провода двух обмоток: GПР=259, 7+377, 6=637, 3 кг. Расчет магнитной системы Расчет тока холостого хода По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности:
Для принятой конструкции магнитной системы и технологии ее изготовления используем выражение (8.43), в котором согласно таблиц 8.12 и 8.21 задаем коэффициенты: kТ.Р=1, 18; kТ.З=1, 00; kТ.ПЛ=1, 32; kТ.Я=1, 00; kТ.П=1, 05; kТ.Ш=1, 05. По таблице 8.20 находим коэффициент kТ.У=42, 40. Тогда намагничивающая мощность холостого хода составит:
Ток холостого хода:
Активная составляющая тока холостого хода:
Реактивная составляющая тока холостого хода:
Тепловой расчет обмоток Внутренний перепад температуры определяем по формуле (9.9), согласно рисунка 9.9:
где q - плотность теплового потока на поверхности обмотки; δ = 0, 25·10-3 м - толщина изоляции провода на одну сторону;
Тогда для обмотки НН:
Внутренний перепад температуры обмотки ВН:
Перепад температуры на поверхности обмотки НН (9.20):
где k1 = 1 - для естественного масляного охлаждения; k2 = 1, 1 - для внутренней обмотки НН; k3 = 0, 85 - по таблице 9.3 для Перепад температуры на поверхности обмотки ВН:
где k1 = 1 - для естественного масляного охлаждения; k2 = 1 - для наружной обмотки ВН; k3 = 0, 95 - по таблице 9.3 для
Полный средний перепад температуры от обмотки НН к маслу:
Полный средний перепад температуры от обмотки ВН к маслу:
Тепловой расчет бака По таблице 9.4 в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака с одинарными или двойными навесными радиаторами с гнутыми трубами по рисунку 9.17. Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН. Минимальная ширина бака: B=D''2+(s1+s2+d2+s3+s4+d1)·10-3 Изоляционные расстояния: s1=32 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 обмотки UИСП = 85 кВ, отвод без покрытия по таблице 4.12). Ширина бака: B=0, 49+(40+42+20+25+90+10)·10-3=0, 717 м Принимаем B=0, 76 м при центральном положении активной части трансформатора в баке. Длина бака: A=2·C+B=2·0, 52+0, 76=1, 8 м. Высота активной части: HА.Ч=0, 81+2·0, 25+0, 05=1, 36 м, где высота стержня 0, 81 м, высота ярма 0, 25 м и толщина бруска между дном бака и нижним ярмом 0, 05 м. Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по таблице 9.5: HЯ.К=400 мм=0, 4 м Глубина бака: HБ=НА.Ч+HИ.К=1, 36+0, 4=1, 76 м. Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми трубами по рисунку 9.16 c расстоянием между осями фланцев АР=1615 мм (таблица 9.9), с поверхностью труб ПТР=4, 961 м2 и двух коллекторов ПК.К=0, 34 м2. Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята: HБ=AР+с1+с2=1, 615+0, 085+0, 1=1, 8 м, где с1 и с2 - расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака по таблице 9.10. Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН: Θ М.В=65-20, 61≈ 45 °C Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет: Θ М.В.В=1, 2·θ М.В=1, 2·45=54 °C < 60 °C. Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака Θ М.Б=5 °C и запас 2 °C, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха: Θ Б.В=Θ М.В-Θ М.Б=45-5-2=38 °C Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака: ПК.ГЛ=HБ·[2·(A-B)+π ·B]=1, 8·[2·(1, 8-0, 76)+π ·0, 76]=8, 04 м2 Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами по (9.35): ПИ=k·ПК.ГЛ=1, 5·8, 04=12, 06 м2 Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значения θ Б.В=38 °C по (9.30):
- поверхности гладкого бака Пк.гл=8, 04 м2; - поверхности крышки бака
где 0, 16 - удвоенная ширина верхней рамы бака, м; коэффициент 0, 5 учитывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой. Поверхность конвекции радиаторов: ∑ ПК.Р=81, 76-8, 04-0, 809=72, 91 м2 Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки (таблица 9.6[1]): ПК.Р=ПТР·kФ+ПК.К=1, 2·4, 961+0, 34=6, 59 м2. Необходимое число радиаторов:
Принимаем 10 радиатор с расположением по рисунку 9.19. Поверхность конвекции бака: ПК=∑ ПК.Р+ПК.ГЛ+ПК.КР=10·6, 59+8, 045+0, 81=74, 8 м2. Поверхность излучения: ПИ = 24, 47 м2. Список литературы 1 П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. Москва: " Энергоатомиздат", 1986. — 527 с. 2 Гончарук А.И. Расчет и конструирование трансформаторов: Учеб для техникумов. – Москва: Энергоатомиздат, 1990. — 257 с 3 Сергеенков Б.Н. и др. Электрические машины: Трансформаторы. /Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселев, Н.А. Акимова – Москва: Высш. шк., 1989. — 352 с 4 Технология и механизация производства обмоток и изоляции силовых трансформаторов. /Герасимова Л.С., Дейнега И.А. – Москва: Энергия, 1979. — 336 с 5 Белорусов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник /Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева. – 5 изд. – Москва: Энергоатомиздат, 1988. — 536 с 6 Оформление дипломных и курсовых проектов: Метод. указ. /Сост. Г.С. Свирская, В.М. Кипервассер.: СибГИУ. – Новокузнецк, 2002.
Кафедра электротехники и электрооборудования
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-05; Просмотров: 442; Нарушение авторского права страницы
, разделенных на две группы по 6 проводов с каналами по 5 мм между группами витка и между витками (рисунок 2.2(м)).
Ø 
где: 
2.2 Расчет обмотки ВН 
; 
и b=5, 6 мм) плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки 
.
заданного значения.
- теплопроводность бумажной, пропитанной маслом, изоляции провода (таблица 9.1).
.
.
Поверхность конвекции составляется из: 
