Расчёт силового масляного трансформатора

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить

 

Напряжение, В               Ответвления обмотки

10500                            А2А3  В2В3  С2С3

10250                            А3А4  В3В4  С3С4

10000                            А4А5  В4В5  С4С5

9750                              А5А6  В5В6  С5С6

9500                              А6А7  В6В7  С6С7

 

Число витков в обмотке ВН при  номинальном напряжении

Число витков на одной  ступени регулирования

Для пяти ступеней регулирования:

 

Напряжение, В          Число витков на ответвлениях

10500                            2782

10250                            2716

10000                            2650

9750                              2584

9500                              2518

 

Плотность тока ориентировочно

Сечение витка ориентировочно

По таблице 5.8 /1/ выбираем многослойную обмотку из алюминиевого круглого провода.

По таблице 5.2 /1/ выбираем провод марки  AПБ с сечением 1,77 мм²

Полное сечение витка

Плотность тока

Число витков в слое

Число слоев в обмотке

         

Рабочее напряжение двух слоев

          

Общий суммарный радиальный допустимый размер проводов для алюминиевого провода

Радиальный размер обмотки

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре , на котором на 6 рейках наматывается обмотка .

Внутренний диаметр  обмотки 

 

 

 

 

Внешний диаметр обмотки

Поверхность охлаждения

         

Плотность теплового  потока на поверхности обмотки

Масса металла обмотки

Масса провода по таблице 5.5 /1/

Масса металла обмоток  ВН и НН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определение параметров  короткого замыкания

 

5.1 Расчет потерь короткого  замыкания

 

Основные потери:

Обмотка НН

Обмотка ВН

Добавочные потери в  обмотке НН

      

 

Добавочные потери в  обмотке ВН

        

Основные потери в  отводах:

 

Длина отводов приблизительно равна

Масса отводов НН

Потери в отводах  НН

 

Масса отводов ВН

Потери в отводах  ВН

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения  размеров бака определяется приближенно:

 

Полные потери короткого  замыкания

Для номинального напряжения обмотки ВН

 

или 98% от номинала

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 Расчет напряжения короткого  замыкания

 

Активная составляющая

Реактивная составляющая

- ширина приведённого канала  рассеивания

- коэффициент учитывающий отклонения реального поля рассеивания

 

Напряжение короткого  замыкания

  или 101% от номинала

 

 

 

 

 

 

 

 

Установившийся ток  короткого замыкания

Мгновенное максимальное значение тока КЗ при U_p/U_a = 1,75 по табл. 7.3 /1/     = 1,67

Радиальная сила равна

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН

Среднее растягивающее  напряжение в проводе обмотки  ВН

 

 

Осевые силы в обмотках

где k – коэффициент осевой силы: 

где - коэффициент , определяемый по формуле:

Здесь ;   - определяется по табл. 7.4 /1/

;   n – число слоев обмотки ВН; 

Наибольшая сжимающая  сила наблюдается в середине высоты обмотки НН, имеющей меньший радиальный размер. Напряжение сжатия на  междувитковых прокладках

,

где n – количество прокладок; b – ширина прокладки.

 

Температура обмотки  через t_k=5 сек после возникновения короткого замыкания

Время достижения температуры  С для алюминиевых обмоток

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Окончательный расчет магнитной  системы. 

Определение параметров холостого  хода

 

6.1 Определение размеров магнитной  системы и массы стали

 

Принята конструкция  трехфазной плоской шихтованной  системы, собираемой из пластин холоднокатанной  стали марки 3405, 0.30 мм  ( рис.2 )

Стержни магнитной системы  прессуются путём расклинивания  с обмоткой, ярма прессуются ярмовыми балками. Размеры пакетов выбраны по табл. 8.3 /1/ для стержня диаметром 0,095 м без прессующей пластины. Число ступень в сечении стержня 5, в сечении ярма 4.

Размеры пакетов в  сечении стержня и ярма по табл. 8.3 /1/

 

№ пакета           Стержень, мм          Ярмо (в половине поперечного сечения), мм

1                           90*15                           90*15

2                           80*10                           80*10

3                           65*9                             65*9

4                           50*5                             50*5

5                           40*4

 

Площадь ступенчатой  фигуры сечения стержня по табл. 8.7 /1/

Ярма

Объем угла магнитной  системы

Активное сечение стержня

Активное сечения ярма

Объем стали угла магнитной  системы

Длина стержня

Расстояние между осями  стержней

 

 

 

Массы стали угла магнитной  системы

Массы стали ярм

Массы стали стержней

 

, где 

масса стали в пределах окна магнитной системы

масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма .

Общая масса стали  плоской магнитной системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2 Расчет потерь холостого  хода

Индукция в стержне 

Индукция в ярме  

Индукция на косом  стыке  

Площадь сечения стержня  на косом стыке     

Удельные потери для  стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.10 /1/ для стали марки 3405 толщиной 0,30 мм при шихтовке в одну пластину:

при            

при            

при          

Для плоской магнитной  системы с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне, с многоступенчатым ярмом, с отжигом пластин после резки стали и удаления заусенцев  на основании табл. 8.12 /1/ и пункта 8.2 /1/  примем 

;   ; ;  ;  ; 

Тогда потери холостого  хода

Или 100,7% заданного значения.

 

 

 

6.3 Расчет тока холостого тока

 

По табл. 8.17 /1/ находим удельные намагничивающие мощности  :

при            

при            

при          

Для принятой конструкции  магнитной системы и технологии ее изготовления по табл. 8.12 и 8.21 /1/ , а  также по пункту 8.3 /1/ принимаем коэффициенты  :                                

;     ;    ;  ; ;  ;

По табл. 8.20 /1/ находим  коэффициент  , тогда намагничивающая мощность холостого хода  

Ток холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода

Реактивная составляющая тока холостого хода

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Тепловой расчет  и расчет системы охлаждения 

 

7.1 Тепловой расчет обмоток

 

Внутренний перепад  температуры 

обмотка  ВН      - полный внутренний перепад

где    -  размер и теплопроводность междуслойной изоляции

- потери выделяющиеся в 1 м³ общего объема обмотки.

  - средняя теплопроводность обмотки

  - средняя теплопроводность обмотки без учета

междуслойной изоляции.

 

 внутренний перепад температуры обмотки НН

обмотка НН       

где – толщина изоляции провода на одну сторону;

- плотность теплового потока  на поверхности обмотки; 

- теплопроводность бумажной, пропитанной маслом изоляции провода по таблице 9.1

Перепад температуры  на поверхности обмоток 

обмотка НН         

       обмотка  ВН        

 

Полный средний перепад  температуры от обмотка к маслу

Обмотка НН       

Обмотка ВН        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2 Тепловой расчет  бака

 

По табл. 9.4 /1/ в соответствии с мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака с гладкими стенками .

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту ВН.

Минимальная ширина бака

Изоляционные расстояния :

 для отвода  , расстояние до стенки бака по табл. 4.11 /1/

  для отвода  , расстояние до прессующей балки ярма по табл. 4.12 /1/

 для отвода ,расстояние до стенки бака по табл. 4.12 /1/

 для отвода  ,для обмотки ,отвод без покрытия по табл. 4.11 /1/

  диаметр изолированного отвода от обмотки НН

  диаметр изолированного отвода  от обмотки ВН

Ширина бака

Принимаем при центральном  положении активной части трансформатора

Длина бака  

Примем  А=0,9 м

Высота активной части

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя  ответвлений обмотки ВН по табл. 9.5 /1/

Глубина бака

Примем H_б = 0,8 м

 

Допустимое превышение средней  температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки BН

Найденное среднее превышение может  быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет

Принимая предварительно перепад  температуры на внутренней поверхности  стенки бака и запас , находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой  стенки бака.

 Поверхность излучения бака 

 

Определение превышений температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха

 

Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха.

 

Среднее превышение температуры масла  вблизи над температурой внутренней поверхности стенки трубы.

 Превышение температуры масла  над температурой воздуха.

 Превышение температуры масла  в верхних слоях над температурой  воздуха.

Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха.

обмотка НН     

обмотка ВН     

Превышения температуры масла  в верхних слоях и обмоток  лежат в пределах допустимого  нагрева по ГОСТ 11677-85.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

По результатам расчета соответствующего ГОСТ 12022-76 возможно сконструировать  силовой трансформатор ТМ 63/10, параметры  которого лежат в заданных пределах.

Использованные типы обмоток ( ВН - многослойная, НН – цилиндрическая )  трансформатора имеют сложную технологию изготовления, но обладают достаточной механической прочностью , надежной изоляцией и хорошим охлаждением, что обеспечивает стабильную и безопасную работу трансформатора,  а также длительный срок его службы, по сравнению другими типах обмоток. Выбранная конструкция бака с гладкими стенками позволяет получить большие поверхности охлаждение.