Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением

Коэффициент заполнения высоты обмотки медью βзп рассчитывается по формуле

где m - число проводов обмотки в осевом направлении:

Электрические потери в обмотке:
Вт
Тепловая нагрузка:


3.4 Расчет параметров короткого замыкания
3.4.1 Расчет потерь короткого замыкания

Электрические потери РЭ1 и РЭ2 обмоток с учетом добавочных потерь от поля рассеяния определены выше при расчете обмоток.
Потери в отводах обмотки НН:
Вт
Потери в отводах обмотки ВН:
Вт
где Gотв1, Gотв2 – масса отводов обмоток НН и ВН.
При соединении НН обмотки в «звезду»:
кг
При соединении ВН обмотки в «звезду»:
кг
где γ – плотность металла обмотки, для медных обмоток
γ = 8960 кг/м3.
Потери в стенках бака на этапе расчета обмоток, когда размеры бака еще не известны, можно определить по приближенной формуле:

где kб =0,025 - коэффициент, определяемый по табл. 6.1 (Уч.пособие С. А. Гераськов).
Полные потери короткого замыкания:

Сравним полученные потери короткого замыкания с заданными Ркзад (табл. 10.2 Уч.пособие С. А. Гераськов):
%

3.4.2 Определение напряжения короткого замыкания

Активная составляющая напряжения короткого замыкания
%
Ширина приведенного канала рассеяния:

где м – диаметр осевого канала между обмотками.
Соотношение основных размеров β:

где м – средняя высота обмоток НН и ВН.
Коэффициент Роговского:

где
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Полное напряжение короткого замыкания:

Сравним полученное напряжение короткого замыкания с заданным uкзад (табл. 10.2 Уч.пособие С. А. Гераськов):

3.4.3 Расчет механических сил в обмотках при коротком замыкании

Действующее значение, установившегося тока короткого замыкания:
обмотки НН А
обмотки ВН А
Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания обмотки ВН:
А
где коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания.
Радиальная сила, действующая на наружную обмотку ВН и стремящаяся растянуть её:

Такая же радиальная сила, но направленная в противоположенную сторону, действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать её.
Напряжение на разрыв, действующее в проводниках обмотки ВН:
σр = МПа.
Напряжение на сжатие, действующее в проводниках обмотки НН:
σсж = МПа.
Допускается σ = 0,64 МПа (для меди).

Осевая сила:

Конечная температура обмотки υк, через 4 секунды после возникновения внезапного короткого замыкания:

где J – средняя плотность тока:

υн =90о – начальная температура обмотки.
Время достижения температуры 200 °С:


3.5 Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода
3.5.1 Определение размеров пакетов и активных сечений стержней и ярм

Принята конструкция трёхфазной плоской шихтованной магнитной системы, собираемой из пластин холоднокатаной текстурованной стали марки 3405 толщиной 0,3 мм. Стержни магнитной системы прессуются путем расклинивания их с обмоткой. Размеры пакетов (из табл. 7.1 Уч.пособие С. А. Гераськов, а приведены в табл. 11.1 Уч.пособие С. А. Гераськов для стержня диаметром 0,16 м без прессующих пластин. Число ступеней в сечении стержня - 6, в сечении ярма - 5.
По табл. 7.2 Уч.пособие С. А. Гераськов:
- площадь ступенчатой фигуры сечения стержня: Пф.с = 184 см2 = 0,0184 м2;
- площадь ступенчатой фигуры ярма: Пф.я = 188 см2 = 0,0188 м2;
- объём угла магнитной системы: Vу = 2470 см3 = 0,02470 м3.
Активное сечение стержня:
Пс = kз(Пф.с = 0,96(184 = 176,64 см2.
Активное сечение ярма:
Пя = kз(Пф.я = 0,96(188 = 180,5 см2.
Объём стали угла магнитной системы:
Vу.ст = kз( Vу = 0,96(2470 = 2371 см3.
Длина стержня:
lc=l2+l0’+l0”=1,341+0,075+0,075=1,491 м


Таблица 11.1. Уч.пособие С. А. Гераськов.
Размеры пакетов в сечении стержня и ярма

№ пакета Размеры пакетов стержня, мм Размеры пакетов ярма, мм 1 155(20 155(20 2 135(23 135(23 3 120(10 120(10 4 105(7 105(7 5 85(7 - 6 55(7 -

мм – расстояние от нижнего края обмотки до ярма,
мм – расстояние от верхнего края обмотки до ярма, определяются по табл. 4.3, прим.2 (Уч.пособие С. А. Гераськов).
Для трансформаторов без прессующего кольца l0’= l0” = lо2=0,75 мм.

Расстояние между осями соседних стержней:
.
3.5.2 Определение массы стали

Масса стали одного угла:

где γст =7650 кг/м3 - плотность трансформаторной стали.
Масса стали ярм определяется как сумма двух составляющих:

Полная масса ярм :

масса стали стержней:

где масса стали стержней в пределах окна магнитной системы

Масса стали в местах стыка стержня и ярма:

Полная масса стали плоской магнитной системы :


3.5.3 Определение потерь холостого хода

Для трехфазных шихтованных плоских стержневых магнитных систем (рис. 4.2) потери холостого хода рассчитываются по формуле:
=
Вт
где коэффициенты:
kпу = 10,64 (табл. 7.3 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kпр = 1,05 для отожженной стали марки 3405;
kпз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;
kпп = 1,03 (табл. 7.5 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kпш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;
- удельные потери в стержне рс=1,074 Вт/кг – определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс:

- удельные потери в ярме ря=1,038 Вт/кг – определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в ярме Вя:

- число углов с прямыми стыками nпр = 2; с косыми стыками nк = 4 (по рис. 4.2а Уч.пособие С. А. Гераськов);
- площадь прямого стыка Ппр = Пс = 0,0176 м2;
- площадь косого стыка Пк = Пс = ·0,0176 = 0,025 м2;
- удельные потери в зазоре на прямом стыке рзпр = 615 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;
- удельные потери в зазоре на косом стыке рзк = 320 Вт/м2 определяются по табл. 7.4 для индукции Тл
Сравним полученные потери холостого хода с заданными Р0зад


3.5.4 Определение тока холостого хода

Активная составляющая тока холостого хода i0a:

Для определения реактивной составляющей тока холостого хода рассчитаем намагничивающую мощность Q0:
=
ВА,
где коэффициенты:
kту = 49,0 для магнитной системы по рис. 4.2а (Уч.пособие С. А. Гераськов);
kтр = 1,18 для отожженной стали марки 3405;
kтз = 1,02 для отожженной стали марки 3405;
kтп = 1,045 (табл. 7.7 Уч.пособие С. А. Гераськов);
kтш = 1,01 для трансформатора мощностью до 250 кВА;
- удельная намагничивающая мощность стержня qс=1,383 ВА/кг определяется по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции в стержне Вс = 1,57 Тл;
- удельная намагничивающая мощность ярма qя=1,321 ВА/кг – определяется по табл. 7.6 для индукции в ярме Вя = 1,53 Тл;
- удельная намагничивающая мощность зазора на прямом стыке qзпр = 1,680 ВА/см2 = 16800 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции Вс = 1,57 Тл;
- удельная намагничивающая мощность зазора на косом стыке qзк = 0,25 ВА/см2 = 2300 ВА/м2 определяются по табл. 7.6 (Уч.пособие С. А. Гераськов) для индукции 1,11 Тл.
Реактивная составляющая тока холостого хода:

Полный ток холостого хода:

что меньше заданного i0зад = 2,4 %.
КПД трансформатора определяется по формуле:


3.6 Тепловой расчет трансформатора

Определяем размеры бака и поверхность охлаждения бака и крышки:
- ширина бака:

где аоб = 0,12 м – изоляционное расстояние от внешней обмотки до стенки бака (табл. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов);
- длина бака:

- глубина бака:

где hяк = 0,40 м – расстояние от верхнего ярма до крышки бака (табл. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов);
hяд =0,05м – высота прокладки между нижним ярмом и дном бака.
Используем бак овальной формы. В этом случае площадь боковой поверхности бака:

- площадь крышки бака:

Определяем превышение температуры обмоток над температурой масла:
- для цилиндрической обмотки НН:

- для цилиндрической обмотки ВН:

Определяем допустимое среднее превышение температуры масла над воздухом из условия, чтобы температура наиболее нагретой обмотки превышала температуру воздуха не более, чем допускает ГОСТ:

где Θом – наибольшее из значений Θом1 и Θом2.
Определяем превышение температуры масла в верхних слоях расширителя:

Выбираем унифицированный прямотрубный радиатор (рис. 8.1 Уч.пособие С. А. Гераськов)
Определим тепловой поток поверхности бака и радиаторов, при котором превышение температуры масла над воздухом будет ограничено полученной величиной Θмв:

Определим потери, отводимые с поверхности бака:

Потери, которые должны быть отведены с поверхности радиаторов:

Необходимая поверхность радиаторов:

По табл. 8.2 (Уч.пособие С. А. Гераськов) выбираем два радиатора Nр = 2 с характеристиками:
- расстояние между осями патрубков Нор = 710 мм;
- высота радиатора Нр= 905 мм;
- ширина радиатора Lр = 189 мм;
- число рядов труб nряд = 1;
- поверхность охлаждения Пр= 4,46 м2;
- масса радиатора Gр= 55 кг;
- масса масла в радиаторе Gмр= 28 кг.
Уточняем тепловой поток поверхности бака и радиаторов:

Уточняем среднее превышение температуры масла над воздухом:

Определим превышение температуры наиболее нагретой обмотки над воздухом:

3. 7 Расчет массы трансформатора

Определим массу активной части:

где кг – масса провода обмоток НН и ВН.
Масса бака с радиаторами:

где γст = 7850 кг/м3 – плотность стали;
– объем стали бака (δст = 0,003 м – толщина стали бака);
Общая масса масла:

где γм = 900 кг/м3 – плотность масла;
– объем бака;
– объем активной части – объем расширителя;
Масса трансформатора:

Заключение

Высокие темпы развития машиностроительного комплекса и, в частности, энергомашиностроения во многом определяют технический прогресс в области энергетики, топливной промышленности, транспорта и связи, металлургии, станкостроения и приборостроения, строительства, агропромышленного комплекса и др., комплексной механизации и автоматизации во всех этих отраслях народного хозяйства.
В целом в настоящее время в развитии отечественного трансформаторостроения наблюдаются следующие тенденции:
- улучшение конструкций магнитных систем, обмоток и систем охлаждения с целью снижения стоимости, габаритных размеров трансформаторов, потерь энергии в них;
- увеличение единичной мощности трансформаторов;
- повышение надежности путем улучшения качества изоляции обмоток, качества трансформаторного масла;
- создание линейных электродвигателей и двигателей возвратно-поступательного движения;
- разработка более технологичных конструкций трансформаторов, приспособленных для массового и серийного производства;
- усовершенствование методов расчета трансформаторов на основе применения ЭВМ, физического и математического моделирования;
В решении поставленных задач ведущая роль принадлежит работникам заводов и отраслевых научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов, созданных при всех научно-производственных объединениях электротехнической промышленности.

Список использованной литературы

1. Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
2. Гончарук, А.И. Расчет и конструирование трансформаторов – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 257 с.
3. Васютинский, С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов.- Л.: Энергия, 1970.
4. Дымков, А.М. Расчет и конструирование трансформаторов.- М.: Высшая школа, 1971.
5. Сапожников, А.В. Конструирование трансформаторов - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
6. Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.



Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
Тихомиров, П.М. Расчет трансформаторов/ П.М. Тихомиров. - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.
Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита,  2005 г.
Гераськов С. А. Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением. Уч. пособие. Чита 2005 г.
Расчет трехфазных силовых трансформаторов с масляным охлаждением: Учебное пособие / С. А. Гераськов. - Чита : ЧитГУ, 2005









41