Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение  высшего профессионального образования

«Омский государственный университет

путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

 

 

 

Кафедра "Электрические машины и общая электротехника"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет основных параметров трансформатора

распределительных сетей

 

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

"Электрические машины и электропривод"

ИНМВ. 400026.000 П3

 

 

 

 

 

 

 

                                           Студент гр. 41А

                                                 ___________ И.А. Зайцев

          Руководитель –

                                           доцент кафедры ЭМ и ОЭ                                                

                                                                ___________ Д.И. Попов

 

 

 

 

 

 

Омск  2013

 

Задание

 

студенту  гр. 41 А Ганеев Р.Р.

на  курсовую работу по теме:

 

«Расчет основных параметров трансформатора распределительных  сетей»

Произвести расчет основных параметров трехфазного двухобмоточного силового трансформатора, отвечающего заданным техническим условиям.

 

Высшее  напряжение (ВН) обмотки U₂ = 35 кВ, низкое напряжение (НН) обмотки U₁ = 6 кВ. Магнитная система трансформатора плоская.

 

 Таблица 1 - Технические условия

Мощность Sн, кВ.А	Напряжение к. з. uк, %	Потери к.з. Pк, Вт	Потери х.х. P0, Вт	Материал обмоток	Группы соединения
4000	7,5	33500	5300	Al	Y \ Δ -11

 

Примечания.

1. Напряжение в задании указано линейное.
2. Полные потери к. з. не должны отличаться от заданных более чем на ±10 %.
3. Расчётное напряжение к. з. не должно отличаться от заданного более чем на ±5%.
4. Приняты следующие условные обозначения схем соединения обмоток: Y - звезда, ∆ - треугольник.

 

Реферат

 

УДК 62.314.21

Курсовая работа содержит 45 страниц, 10 рисунков , 3 таблицы, 
4 источника.

 

Трехфазный трансформатор, магнитная система, обмотка высокого напряжения, обмотка низкого напряжения, напряжение короткого замыкания, потери короткого замыкания, потери холостого хода, масляный бак, ввод трансформатора, расширительный бачок.

          

Объектом  исследования является трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор.

Цель  работы – ориентировочный расчет основных параметров трехфазного двухобмоточного силового трансформатора, отвечающего заданным техническим условиям.

В данной работе произведен расчёт трансформатора, выбор материала обмоток, типа обмоток, типа магнитной системы. Приведён конструктивный расчёт обмоток, расчёт напряжения короткого замыкания, потерь холостого хода и короткого замыкания. Рассчитан магнитопровод плоской магнитной системы. Уточнены сечения стержня и ярма, приведён расчёт намагничивающей мощности и тока холостого хода. В ходе теплового расчёта уточнены температуры масла и обмоток при работе трансформатора. Определена необходимая поверхность охлаждения и количество навесных радиаторов. Выполнен сборочный чертёж трансформатора.

 

Содержание

 

Введение….………………………………………………………………………	5
1 Предварительный расчёт основных размеров………………………………	7
1.1 Выбор марки стали, индукции  в стержне и конструкции магнитной   системы………..………………….….......……………………………………….	7
1.2 Расчет основных электрических величин…………………………………	8
1.3 Расчет основных размеров…………………..……………………………...	10
2 Расчёт обмоток трансформатора……………………………………………..	14
2.1 Общие положения. ………………………………………………...…..…....	14
2.2 Расчёт обмотки НН……………………………….....………………………	15
2.3 Расчёт обмотки ВН………………………………….………………………	19
2.4 Регулирование напряжения....………………………....…………………...	20
2.5 Расчет обмотки ВН…………………………………….……………………	21
3 Расчёт параметров короткого  замыкания .……………...…………………...	23
3.1 Определение массы обмоток…………………………...………………….	23
3.2 Расчёт потерь короткого замыкания……………………………………….	23
3.3 Расчёт напряжения короткого замыкания…………………………………	26
4 Расчет потерь и тока холостого хода………………………………………...	28
4.1 Расчет массы стали………...…………………………..……………………	28
4.2 Расчет потерь холостого хода………………………..…………………….	29
4.3 Расчет намагничивающей мощности……...…………....……………….....	30
4.4 Расчёт тока холостого хода…...………………………..……………….......	31
5 Тепловой расчёт трансформатора…………………………………………….	31
5.1 Расчет размеров бака ……………………..……………......…………….....	32
5.2 Расчет  плотности теплового потока…………………….………………….	34
5.3 Тепловой расчёт обмоток…………………………………....……………...	34
5.4 Расчет необходимой и реальной поверхности охлаждения ….…….........	37
5.5 Расчет превышения температуры обмоток………………….…………….	39
6 Расчет весовых данных трансформатора……………….….………………..	42
6.1 Полная рабочая масса трансформатора..…….…………….………………	42
Заключение……………………………………………………………………….	44
Библиографический список ……………...…………………………………….	45

 

 

 

 

Введение

 

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для  преобразования одной системы переменного  тока и напряжения в другую той  же частоты.

Принято различать трансформаторы малой  мощности и силовые трансформаторы.

Трансформаторы  малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи, а  также для питания бытовых  электроприборов.

Назначение силовых трансформаторов  – преобразование электрической  энергии в электрических сетях  и установках, предназначенных для  приема и использования электрической  энергии.

Силовые трансформаторы делятся на два вида:

          - трансформаторы общего назначения – предназначены для включения в сеть или для приемников электрической энергии;

          - трансформаторы специального назначения – предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии.

По мере удаления от электростанции единичные  мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также  цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому  значительная часть материалов, расходуемых  на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т.е. в трансформаторы с ВН 35 кВ и  10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь.

Особо важными задачами трансформаторостроения являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивных технологий их производства, экономия материалов при их изготовлении, существенное уменьшение потерь энергии в трансформаторах  при их работе в сети. Выбор оптимального варианта в зависимости от назначения трансформатора может определяться не только соображениями экономической  эффективности, но также и ограничением таких показателей как падение  напряжения в трансформаторе, общая  масса трансформатора, его габариты.

При проектировании трансформатора должно быть обеспечено соответствие действующим  стандартам, а также современным  требованиям к электрической  и механической прочности, нагревостойкости обмоток, экономичности работы трансформатора. Задача построения трансформатора, отвечающего  данным требованиям, наиболее простого и дешевого в производстве, может  быть решена путём рационального  выбора конструкции, размеров и материала  его отдельных частей, правильного  выбора его основных электромагнитных нагрузок: индукции в стержнях трансформатора и плотности тока в его обмотках.

 

 1 Предварительный расчет размеров

 

1.1 Выбор марки стали,  индукции в стержне и конструкции  магнитной  системы

 

Конструктивной  основой трансформатора является его  магнитная система (магнитопровод, сердечник). Стержни и ярмо с целью  снижения потерь на вихревые токи набираются (шихтуются) из листов электротехнической стали толщиной 0,3 мм и выполняются ступенчатыми для наибольшего заполнения площади круга сталью (рисунок 1). Отношение сечения стали к общей площади круга учитывается в расчете коэффициентом круга k_кр. Число ступеней ярма для заданной мощности можно принять равным числу ступеней стержня. Ориентировочное число ступеней 8, коэффициент круга k_кр = 0,913.

Сечение ярма за счет увеличения его  высоты обычно больше сечения стержня. Для заданной мощности коэффициент  усиления ярма k_я = 1,02-1,03 (в данной работе принято k_я = 1,02).

 

Рисунок 1 – Конструкция стержня трансформатора

 

Вследствие  неплотного прилегания листов стали  и наличия изоляции между листами  активное сечение стали оказывается  меньше сечения ступенчатой фигуры стержня, что учитывается коэффициентом  заполнения пакета k_з = 0,94 – 0,97 (в данной работе принято k_з = 0,955).

Таким образом, общий коэффициент заполнения активной сталью фактической площади круга, описанного вокруг ступенчатой фигуры стержня,

k_с = k_з ^. k_кр                                                    (1)

k_с = 0,955·0,913 = 0,872.

В современном  трансформаторостроении используется холоднокатаная текстурованная сталь, обладающая достаточно сильно выраженными анизотропными свойствами, что дает возможность использовать при конструировании магнитопровода косые стыки. Высоколегированная сталь используется лишь для витых магнитопроводов и сердечников сверхмощных и наиболее ответственных трансформаторов.

Существенно влияет на технико-экономические показатели трансформатора расчетная индукция в стержне B_с. Уменьшение индукции способствует снижению потерь х. х. и, следовательно, эксплутационных затрат, но приводит к увеличению массы стали и обмоток, габаритов трансформатора и, в конечном счете, к увеличению его стоимости, т. е. капитальных затрат. Увеличение индукции напротив позволяет уменьшить затраты активных материалов, но вызывает увеличение потерь и тока х. х. Практика современного трансформаторостроения рекомендует принимать индукцию в стержне B_с = 1,5 - 1,65 Тл (в данной работе принято B_с' = 1,55).

Для расчета  взята конструкция плоской магнитной  системы с шестью косыми стыками и двумя прямыми в ярме (рисунок 2).

Рисунок 2 – Конструкция плоской магнитной  системы

    

 1.2. Расчет основных электрических величин

Расчет  обмоток производится по фазным напряжениям  и токам, которые определяются по схеме соединения соответствующей  обмотки. Номинальные линейные токи при любой схеме соединения, А,

                                                     (2)                                             

где S_н – номинальная мощность, кВ^.А;

      U_н – номинальное линейное напряжение, кВ;

      i – номер обмотки

Фазные  токи при соединении Y равны линейным:

I_фi = I_нi,                                            (3)

при соединении Y:

I_ф1 = 230.94 A.

при соединении Δ:

 

Фазные напряжения при соединении Δ

при соединении Δ:

U_фi = U_нi;                                                     (4)

U_ф2 = 35

.

при соединении Y:

Активная  составляющая напряжения к. з., %

,                                                  (5)

 где P_к – потери к. з., Вт

Реактивная  составляющая, %

,                                              (6)

где u_к – напряжение к. з., %

      

 1.3   Расчет основных размеров

Для обеспечения  достаточной электрической прочности  трансформатора необходимо   найти   минимальные допустимые  расстояния (промежутки) между элементами обмоток  и заземленными деталями конструкции. К таким промежуткам относятся (рисунок 3) расстояния: от стержня до обмотки НН (а₀₁); между обмотками НН и ВН одной фазы (а₁₂); между обмотками ВН соседних фаз (а₂₂), от обмотки ВН до ярма магнитопровода (l₀₂).

 

Рисунок 3 – Изоляционные расстояния

 

Эти расстояния определяются рабочими и испытательными напряжениями соответствующей обмотки. В данной курсовой работе принято:

Согласно [1, табл.4.4-4.5] ,принимаем значения:

а₀₁ = 17,5 мм;                             а₁₂ = 27 мм;