Проектирование трехфазного двухобмоточного

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 17Следующая ⇒

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО

СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА С МАСЛЯНЫМ

ОХЛАЖДЕНИЕМ

Методические указания к курсовому проекту по дисциплине

“Электромеханика” для студентов специальности 140211 “Электроснабжение» всех форм обучения

Дзержинск 2009

Составитель С.Е.Невский

УДК 621.3

Проектирование трехфазного двухобмоточного силового трансформатора с масляным охлаждением: метод. указания к курсовому проекту по дисциплине “Электромеханика” для студентов специальности 140211 “Электроснабжение” всех форм обучения/ НГТУ им. Р.Е. Алексеева, ДПИ Сост. С.Е. Невский. Дзержинск, 2009.- 87с.

Издание предназначено для студентов факультета автоматизации, транспорта и энергетики специальности 140211 “Электроснабжение”

Оглавление

Раздел 1.      Задание на проектирование …………………………………….4

Раздел 2.  Общие вопросы проектирования силовых                                  

                 трансформаторов.............................................................................9

        2.1.   Введение в методику расчета электромагнитных    

                 устройств переменного тока……………………………………….9

        2.2. Основные эксплуатационные параметры                 

                 трансформатора и их расчет………………………...…................13

        2.3.   Изменение вторичного напряжения…………………..…………20

        2.4. Процесс теплопередачи в масляных трансформаторах…….…..21

Раздел 3. Методика расчета трансформатора …………………………...26

        3.1. Схема расчета трансформатора…………………………………..26

        3.2. Определение основных электрических параметров   

                 трансформатора…………………………………………………...27

        3.3. Определение основных размеров трансформатора……………..28

        3.4 Изоляция в трансформаторах…………………………………….33

        3.5. Главная изоляция обмоток. Минимально допустимые                                                           

                   изоляционные расстояния………………………………………...34

        3.6. Продольная изоляция обмоток…………………………………...39

        3.7. Выбор конструкции и расчет обмоток…………………………..40

        3.8. Расчет обмоток НН………………………………………………..42

        3.9. Расчет обмоток ВН………………………………………………..50

        3.10. Определение параметров короткого замыкания………………..57

        3.11. Расчет магнитной системы……………………………………….60

        3.12. Определение превышения температуры обмоток над                    

                 температурой масла........................................................................71

        3.13. Выбор типа бака и определение его размеров………………….73

        3.14. Окончательный расчет превышения температуры обмоток и

                 масла над температурой окружающего воздуха………………..83

Список рекомендуемой литературы……………………………………………85

Приложение: перечень таблиц…………………………………………………86

                   требования к оформлению расчетно-пояснительной записки..88
РАЗДЕЛ 1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 Задание на проектирование трехфазного двухобмоточного силового трансформатора включает следующие основные параметры и эксплуатационные характеристики:

номинальная полная мощность S, кВ А;

номинальные линейные напряжения: первичное U1н и вторичное U2н, кВ;

схемы соединения и группы соединения обмоток;

параметры короткого замыкания: напряжение uк % и потери Pк, кВт;

параметры холостого хода: ток i0, % и потери Pх, кВт.

Одинаковыми для всех вариантов являются:

Частота тока 50 Гц, число фаз 3, число обмоток на стержне – 2 (одна первичная и одна вторичная), способ охлаждение – масляное, режим работы - продолжительный, регулирование напряжения ± 2 х 2,5 % (+5; +2,5; 0; - 2,5; - 5) % за счет переключения ответвлений (ПБВ) обмотки высшего напряжения (ВН).

В соответствием с указанными данными необходимо:

- провести электромагнитный, конструктивный и тепловой расчеты, определить размеры магнитопровода и обмоток;

- определить параметры холостого хода и короткого замыкания и сравнить их с заданными;

- рассчитать и построить:

· Зависимость изменения напряжения ∆U2 от коэффициента мощности нагрузки cos φ2 при номинальном токе;

· Зависимость вторичного напряжения U2 от коэффициента нагрузки Кнг при cos φ2 = 0,8;

· Зависимость коэффициента полезного действия (КПД) от коэффициента нагрузки Кнг при cos φ2 = 0,8;

При окончательном расчете трансформатора допускается отклонение расчетных параметров от заданных:

· По току холостого хода до 15%;

· По потерям холостого хода до 7,5%;

· По напряжению и потерям короткого замыкания не более чем на ± 5%.

Каждому студенту выдается индивидуальное задание, форма которого указана на следующей странице. Каждому номеру задания соответствуют цифровые данные, указанные в табл. 1, где приводятся номинальные параметры рассчитываемого трансформатора. Цифровые данные переносятся в соответствующие графы задания.

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА

Факультет автоматизации, транспорта и энергетики

Задание №

на проектирование трёхфазного двухобмоточного трансформатора

1. Номинальная мощность...................................................кВ×А

2. Номинальное напряжение................................................кВ

3. Схема и группа соединения обмоток...............................

4. Напряжение короткого замыкания....................................%

5. Потери короткого замыкания............................................кВт

6. Потери холостого хода.......................................................кВт

7. Ток холостого тока...............................................................%

ОБЪЁМ И ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗДЕЛОВ ПРОЕКТА

Чертежи: 1. Активная часть трансформатора.

            2. Расположение и размеры обмоток.     

            3. Проходной изолятор ВН.

Задание студенту гр.­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­         ЭСН___________________выдано

«___» ___________201 г.     Срок защиты «___»__________201 г.

Руководитель___________________ (                            )

Задание принял ___________________ (                            )

Таблица 1. Данные для расчёта трёхфазных двухобмоточных                

 трансформаторов с масляным охлаждением

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине “Электромеханика”

РАЗДЕЛ 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ТРАНСФОРМАТОРА И ИХ РАСЧЕТ

Для силовых трансформаторов, работающих в системах электроснабжения, нормируются стандартом следующие величины:

- потери холостого хода Р Х и короткого замыкания Р К;

- ток холостого хода, i 0,%

- напряжение короткого замыкания u K,%.

 Рассмотрим технико-экономическое значение этих параметров и методику их расчета.

Трансформатора

Потери мощности определяют коэффициент полезного действия (КПД):

,

где, Р1-активная мощность первичной цепи или потребляемая;

   -активная мощность вторичной цепи или мощность приемников, включенных во вторичную цепь;

   ∆ Р - потери мощности, которые преобразуются в тепло и нагревают трансформатор.

Основными видами потерь являются потери в магнитопроводе или потери холостого хода при номинальном напряжении Р х и потери в обмотках , где -потери короткого замыкания при номинальном токе,  -коэффициент нагрузки.

Следовательно:  где .

Ввиду того, что практически вся электроэнергия на пути от электростанции к потребителю проходит до 4-5 трансформаций, к КПД предъявляются жесткие требования и он достаточно высок, до 99% и выше.

Определение КПД через мощности  и  неточно, так как эти значения близки друг к другу. Поэтому КПД определяется через потери и нормируется стандартом не сам КПД, а отдельно потери холостого хода и короткого замыкания.

При установлении нормируемых потерь решается компромиссная задача: с одной стороны, при увеличении электромагнитных нагрузок В· J   уменьшается расход активных материалов и стоимость трансформатора, с другой стороны из-за роста потерь мощности увеличивается стоимость потерь электроэнергии за время эксплуатации трансформатора.

Важным является также соотношение потерь при их неизменной сумме. Потери холостого хода  относятся к постоянным, одинаковым при любой нагрузке, а потери в обмотках зависят от квадрата тока нагрузки и относятся к переменным. Максимальное значение КПД достигается, когда переменные и постоянные потери равны

.

Нагрузка трансформатора в течении суток изменяется, так как оборудование цеха включается и отключается по мере необходимости, диктуемой производственным циклом. На рис.2 представлен один из возможных графиков суточной нагрузки.                                  

Рис.2 Суточный график нагрузки трансформатора

Среднее значение коэффициента нагрузки, соответствующее этому графику, равно 0,69. В большинстве случаев К нг= 0,45-0,55. Чтобы сохранить при недогрузке высокий КПД требуется, чтобы максимальный КПД был при коэффициенте нагрузки 0,45-0,55. В этом случае соотношение потерь

то есть потери короткого замыкания должны быть в 3,5-5 раз больше потерь холостого хода.

 При определении потерь холостого хода пользуются справочными данными о величине удельных потерь в 1кг стали , Вт/кг:

                                  Р Х = Р уд  · G ст ,

где G ст - масса стали магнитопровода. Величина Р уд зависит от марки стали, толщины листов, частоты тока и величины магнитной индукции B (табл.28). 

Потери короткого замыкания

где - номинальные первичный и вторичный фазные токи, -фазные активные сопротивления обмоток.

Активное сопротивление фазы

                                  ,

где l в-средняя длина витка обмотки, w - ее число витков, П в - поперечное сечение провода. Удельное сопротивление  берется при температуре 75 С. Для меди , для алюминия

Потери в одной обмотке  можно выразить через ее объем:

Произведение , где  - объем провода трех фаз данной обмотки.

 Поэтому потери:

Объем можно заменить массой, ввода величину плотности металла обмотки :

.

Для меди  кг/ , для алюминия  кг/ .

При определении активного сопротивления и потерь мощности необходимо также учитывать увеличение сопротивления и потерь, обусловленное добавочными потерями от вихревых токов в проводнике, созданных переменным магнитным полем (поверхностный эффект). Размеры проводников и их расположение должны быть такими, чтобы добавочные потери не превышали 5% от основных потерь.

ТРАНСФОРМАТОРАХ

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора в его магнитпроводе, обмотках и конструктивных деталях, преобразуются в тепло и нагревают трансформатор. Для изоляционных материалов и масла установлены допустимые температуры, при превышении которых срок службы резко сокращается. Поэтому необходим проверочный тепловой расчет, при котором определяется температура нагрева различных частей трансформатора и сравнивается с допустимой.

Стандартом определяются следующие нормы превышения температуры частей масляного трансформатора над окружающей средой, температура которой принимается за 40°С:

· обмотки - 65°С

· магнитопровод – 75°С

· масло в верхних слоях – 60°С

Например, предельная температура обмотки в этом случае равна

θ = 40°+ 65° = 105°С, что соответствует допустимой температуре нагрева изоляции класса А.

Температура трансформатора через определенное время работы становится неизменной вследствие того, что тепло передается в окружающую среду.

Теплота передается от более нагретого тела к менее нагретому тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Закономерности этих процессов различны.

Основной характеристикой, которая определяет перепад температур при различных способах теплопередачи, является удельный тепловой поток или плотность теплового потока на поверхности:

 Вт/м².

где Р – тепловая мощность, проходящая через заданную поверхность П 0 . Для обмоток трансформатора Р – потери мощности в данной обмотке,

П – её полная поверхность. Для трансформаторов с масляным охлаждением рекомендуемое значение q доп  1200 Вт/м².

При определении поверхности охлаждения П 0 необходимо учитывать, что часть поверхности обмотки может быть закрыта конструктивными деталями, вследствие чего эффективная поверхность охлаждения будет меньше реальной. Это учитывается введением коэффициента закрытия поверхности

К з ≤ 1,0, на который надо умножить реальную поверхность. Предварительно принимается данный коэффициент равным К з =0,75 – 0,8.

Если закрытая поверхность определяется рейками, которые обеспечивают определенное расстояние обмотки от изоляционного цилиндра или одной части обмотки от другой для образования охлаждающего канала, то коэффициент закрытия

где D – диаметр обмотки, n -  число реек, с – ширина рейки. При определении n и с можно ориентироваться на следующие рекомендации: ширина рейки с = 40 – 60 мм.; количество реек по окружности обмотки в зависимости от мощности n = 6 при S = 100 кВА, n = 8 при S = 100 – 630 кВА, n = 8 – 12 при S = 1000 – 1400 кВА и n = 12 – 16 при S = 2500 – 10000 кВА.

Удельный тепловой поток q можно определить без расчета поверхности обмотки. Вывод соответствующей формулы основывается на выражении для потерь в обмотке через удельное сопротивление ρ и плотность тока J, полученное в пункте 2.2. С учетом добавочных потерь имеем:

,

где К д – коэффициент добавочных потерь (п. 3.10), V пр – объем металла обмотки.

Для цилиндрической обмотки с двумя поверхностями, охлаждаемыми маслом, можно приближенно получить

,

где δ – размер обмотки в направлении теплопередачи (для цилиндрической обмотки – радиальный размер), К ₀ - коэффициент заполнения объема обмотки металлом проводника, равный отношению суммарной площади сечения всех проводников к общей площади поперечного сечения обмотки. Этот коэффициент зависит от конструкции обмотки, формы проводника – круглый или прямоугольный и ряда других факторов.

Из этих двух выражений находим удельный тепловой поток

 Вт/м2

Если пренебречь межслойной изоляцией, неплотностью намотки и рядом других факторов, то приближенно

для прямоугольного провода

для круглого провода

Размеры проводов a, b, d – без изоляции, , ,  - с изоляцией.

Рассмотрим определение перепада температур в зависимости от удельного теплового потока при разных способах теплопередачи.

Теплопроводность

Под теплопроводностью понимается перенос теплоты путем соприкосновения тел или частей тела с различной температурой, не связанный с перемещением частиц тела.

Если удельный тепловой поток q передаётся через плоскую однородную стенку, толщиной δ (например, изоляционный цилиндр, прокладку, стенку бака), то перепад температур (рис. 4,а):

где θ1 - температура более нагретой поверхности, θ2 - температура менее нагретой поверхности, λ – коэффициент теплопроводности материала стенки.

Рис. 4 Теплопередача через плоскую стенку при подводе тепла извне (а)

и при выделение тепла в самой стенке (б)

Коэффициент теплопроводности λ для различных материалов приводится в табл. 32.

Некоторые элементы трансформатора можно рассматривать как плоские стенки, внутри которых выделяется определенное количество тепла, которое передаётся через боковые поверхности (рис. 4,б). Такими элементами являются обмотки и магнитопровод, внутри которых имеются потери электроэнергии, преобразующиеся в тепло. Распределение источников тепла внутри тела применительно к трансформатору можно считать равномерным. Теплопередача при наличии внутренних источников будет проходить иначе, поскольку тепловой поток по пути прохождения не остается постоянным, как в первом случае, а непрерывно увеличивается от середины к поверхности.

Для плоской стенки внутренними источниками тепла, например, обмотки максимальное превышение температуры между центром стенки θ1 и наружной поверхностью θ2 (рис. 4,б):

где λср – средняя теплопроводность, учитывающая неоднородность материала обмотки, δ – размер обмотки в направлении теплового потока.

Конвекция

Под конвекцией понимается передача теплоты за счет движения частиц жидкости или газа. В трансформаторе роль жидкости играет трансформаторное масло, роль газа – окружающий воздух.

Удельный тепловой поток при конвективном теплообмене

где αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, θ1 – температура поверхности нагретого тела, θ2 – температура жидкости или газа.

Коэффициент теплоотдачи αк зависит от многих факторов: разности температур, высоты поверхности, её расположения, типа омывающей среды и других факторов. Определяется экспериментально или с помощью эмпирических формул.

Превышение температуры

.

Так как αк зависит от температуры, то часто разность температур определяется по эмпирической формуле вида

где к – опытный коэффициент зависящий от условий теплообмена,

n = 0,6 – 0,8 – показатель степени.

Излучение

В нагретом теле часть тепла превращается в энергию электромагнитных волн, называемых тепловыми. Такой процесс передачи тепла называется тепловым излучение или лучеиспусканием.

Удельный тепловой поток при лучистом теплообмене зависит от абсолютной температуры в четвертой степени:

,

и в значительной мере проявляется при высоких температурах.

В трансформаторах температуры относительно невелики, поэтому для упрощения расчета его ведут как при конвекции с введением коэффициента теплоотдачи излучением

и рассматривают общую теплоотдачу

В трансформаторе теплоотдача конвекцией происходит от нагретых поверхностей обмоток и магнитопровода в масло, а конвекцией и излучением – от внешней поверхности бака в окружающую среду. Например, при разности температур в десятки градусов для конвекции с поверхности бака в воздух αк = 8 Вт/м^{2 °}С, а для излучения αи = 6 Вт/м^{2 °}С.

Эффективность масла как охладителя заключается в том, что для него коэффициент теплоотдачи конвекцией αк = 90 – 110 Вт/м^{2 °}С, что более чем в 10 раз выше, чем для воздуха.

 Рассмотрим кратко путь теплового потока в трансформаторе: от внутренних точек обмоток и магнитопровода до их наружных поверхностей (теплопроводность), затем от наружных поверхностей в масло (конвекция); масло переносит все тепло к внутренней поверхности бака (конвекция); за счет теплопроводности через стенки бака тепло переносится на его наружную поверхность, а затем конвекцией и излучением отдается в окружающую среду.

Расчет обмоток ВН и НН

● Выбор типа обмоток ВН и НН.

● Расчет обмотки НН.

● Расчет обмотки ВН.

Параметров холостого хода

● Определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма.

● Определение массы стержней и ярм и массы стали.

● Определение потерь холостого хода.

● Определение тока холостого хода.

ИЗОЛЯЦИЯ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Изоляция обмоток подразделяется на:

1) главную – изоляцию каждой из обмоток от частей остова и от других обмоток и

2) продольную – изоляцию между различными точками данной обмотки, т. е. между витками, слоями, катушками, элементами емкостной защиты. Аналогично подразделяется изоляция отводов и переключателей.

Изоляция трансформатора должна длительно выдерживать без повреждений электрические, тепловые, механические и физико-химические воздействия, которым она подвергается в эксплуатации. Электрический расчет изоляции производится так, чтобы она могла выдержать приемо-сдаточные и квалификационные испытания, предусмотренные нормами.

Приемо-сдаточные испытания изоляции проводятся заводом-изготовителем согласно ГОСТ 1516.1.2-76. При испытаниях:

а) главной изоляции масляных трансформаторов, обмотки которых имеют один уровень изоляции линейного конца и нейтрали, испытательное напряжение (табл. 8) прикладывается между испытуемой обмоткой, замкнутой накоротко, и заземленным баком (в сухих трансформаторах – кожухом), с которым соединяются остов и замкнутые накоротко все прочие обмотки испытуемого трансформатора; длительность испытания 1 мин. Обмотки масляных и сухих трансформаторов с рабочим напряжением до 1 кВ имеют .

Для сухих трансформаторов классов напряжения 3, 6, 10, 15 и 25 кВ одноминутные испытательные напряжения промышленной частоты составляют соответственно 10, 16, 24, 37 и 50 кВ;

б) продольной изоляцией между вводами одной из обмоток прикладывается двойное поминальное напряжение повышенной частоты (2 f и более) при разомкнутых остальных обмотках. Длительность испытания 1 мин.

3. 5 ГЛАВНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОБМОТОК. МИНИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ РАССТОЯНИЯ

Изоляционные расстояния и конструкция главной изоляции обмоток масляных трансформаторов классов напряжения до 35 кВ включительно выбираются по табл. 9 и 10 согласно рис.6.

Таблица 8. Нормированные испытательные напряжения силовых трансформаторов с нормальной изоляцией, кВ, ГОСТ 1516.1-76 и ГОСТ 20690-75

(для класса напряжения 750 кВ)

¹ Для трехфазных трансформаторов.

² Для соединенных в звезду обмоток с полной изоляцией нейтрали при невыведенной нейтрали.

³ Для соединенных в звезду обмоток классов напряжения от 3 до 35 кВ с полной изоляцией нейтрали и для обмоток классов напряжения от 110 до 220 кВ с неполной изоляцией нейтрали, допускающей работу с ее разземлением.

⁴ Для обмоток классов напряжения от 3 до 35 кВ с полной изоляцией нейтрали при испытании приложенным напряжением одновременно с изоляцией линейного вывода и для обмоток классов напряжения от 110 до 220 кВ с неполной изоляцией нейтрали, допускающей работу с ее разземлением.

⁵ По данным ВЭИ

Структура и основные размеры главной изоляции обмотки ВН класса напряжения 110 кВ с вводом линейного конца в середину высоты обмотки показаны на рис. 7. Главная часть обмотки ВН рассчитана на номинальную мощность. Регулировочная обмотка рассчитана на напряжение, равное половине диапазона регулирования, и включается по ступеням с реверсированием, встречно или согласно с напряжением основной части.

Размеры прессующих колец по рис. 7, склеенных из древесно-слоистого материала, = 60 и 80 мм при мощностях до 25000 и 4000-80000 кВ∙А соответственно. Размеры стальных колец = 35 и 55 мм при тех же мощностях. Для стальных колец расстояние от торца обмотки до кольца составляет 90 мм.

Главная изоляция обмоток сухих трансформаторов выбирается по табл. 11 согласно рис. 8.

Таблица 9. Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН

с учетом конструктивных требований. Масляные трансформаторы

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология