Курсовой проект

Тема: «Проектирование масляного трансформатора ТМ-100/10»

1. Определение основных электрических величин

Мощность одной фазы трансформатора: S_ф=S/m=100/3=33.3, кВА.

Мощность на одном стержне: S^’=Sф=33.3, кВА.

1.1 Определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН

ВН:, A I_ф2=I₂=5.77, A , B

HН: , A I_ф1=I₁=144.3, A , B

1.2 Определение испытательных напряжений обмоток

По таблице 4.1 выбираем: BH U_исп2=35, кВ НН U_исп1=5, кВ (ГОСТ 1516.1–76).

Тип обмоток: ВН – цилиндрическая многослойная из круглого провода, НН – цилиндрическая двухслойная из прямоугольного провода. (См. табл. 5.8)

Изоляционные расстояния:

ВН: а₁₂=9, мм а₂₂=8, мм l₀₂=20, мм (См. табл. 4.5)

НН: а₀₁=4, мм l₀₁=15, мм (См. табл. 4.4)

1.3 Определение активной и реактивной составляющих напряжения к.з

Ширина приведённого канала рассеяния:

По таблице 3.3 выбираем К=1,25К=0,79

, м

, м

Активная составляющая напряжения к.з:

Реактивная составляющая напряжения к.з:

2. Расчёт основных размеров трансформатора

2.1 Выбор магнитной системы

Выбираем трёхфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками в четырёх и прямыми в двух углах (См. рис. 2.17.б).

Соединение верхних и нижних ярмовых балок – вертикальные шпильки.

Прессовка стержней путём забивания деревянных и планок между стержнем и обмоткой НН.

2.2 Выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пластин, индукции в магнитной системе

Материал магнитной системы холоднокатанная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Индукция в стержне Вс=1,6 Тл (См.табл. 2.4).Число ступеней 5 в сечении стержня. Коэффициент заполнения круга К_кр=0,92. (См.табл. 2.5). Изоляция пластин – нагревостойкое изоляционное покрытие; К_з=0,97 (См.табл. 2.2). Коэффициент заполнения сталью К_с=К_кр*К_з=0,92*0,97=0,892

Ярмо многоступенчатое, число ступеней 4. Ширина крайнего наружного пакета ярма

а_я=60, мм (См.табл. 8.2).Коэффициент усиления ярма К_я=1,018 (См.табл. 8.6).

Индукция в ярме: В_я=В_с/К_я=1,6/1,018=1,572, Тл.

Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 4 на прямом 3.

Индукция в зазоре на прямом стыке В_з^’=1,6, Тл. на косом , Тл.

Удельные потери в стали р_с=1,295, Вт/кг. р_я=1,251 б Вт/кг.

Удельные потери в зоне шихтованного прямого стыка р_з^’’=990, Вт/м².

в зоне косого стыка р_з^’’=515, Вт/м². (См.табл. 8.10).

Удельная намагничивающая мощность q_c=1.775, ВА/кг. q_я=1.675 ВА/кг.

Для зазоров на прямых стыках q_з^’’=23500, ВА/м².

Для зазоров на косых стыках q_з^’=4000, ВА/м². (См.табл. 8.17).

Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма l₀^’=20, мм. от верхнего l₀^’’=20, мм.

По табл. 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям к.з. К_д=0,97.

Для алюминиевых обмоток по таблице 3.4: а=d₁₂*1.06/d=1.36*1.06=1.44

по табл. 3.5 b=2*a₂*1.25/d=0.55*1.25=0.69 K_p=0.95

2.3 Расчёт основных коэффициентов

, кг

, кг

, кг

, кг

, кг

, Мпа

2.4 Предварительный расчёт трансформатора и выбор соотношения основных размеров  с учётом заданных значений u_x, P_k и P_x

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением:

Для рассчитываемого трансформатора:

К_ос=1,81 (См.табл. 3.7) К_ир=1,13

Получаем:

Решение этого уравнения даёт:

– соответствует минимальной стоимости активной части трансформатора.

Находим предельные значения β:

Оба значения β лежат за пределами обычно принимаемых значений.

Масса одного угла магнитной системы:

Активное сечение стержня:

Площадь зазора на прямом стыке

Площадь зазора на косом стыке

Для выбранной магнитной системы, потери х.х: К_пд=1,22 К_пу=10,18

Р_х=К_пд р_с(G_c+0.5K_пуG_y)+К_пд р_я(G_я-6G_y+0.5K_пуG_y)=

=1.22*1.295 (G_c+0.5*10.18*G_y)+1.22*1.251 (G_я-6*G_y+0.5*10.18*G_y)=

=1.58*G_c+1.526*G_я+6.652*G_y

Намагничивающая мощность:

К_ту=42,45 К_тр=1,49 К_тз=1,01 К_т.пл=1,2 К_тя=1,0 К_тп=1,04 К_тш=1,01

К^’_тд=К_тр*К_тз=1,49*1,01=1,5 К^’’_тд=К_тя*К_тп*К_тш=1*1,04*1,01=1,05

Q_x=К^’_тдК^’’_тдq_c(G_c+0.5К_туК_т.плG_y)+ К^’_тдК^’’_тдq_я(G_я-6G_y+0.5 К_туК_т.плG_y)+ К^’’_тдq_зn_зП_з=

=1,5*1,05*1,775 (G_c+0.5*42,45*1,2G_y)+1,5*1,05*1,675 (G_я-6G_y+0.5*42,45*1,2G_y)+

+1,05*4000*4*0,011*х²+1,05*23500*3*0,011*х²=

=2,796 G_c+2,638 G_я+122,56 G_y+999х²

Определяем основные размеры трансформатора:

d=Ax=0.109x; d₁₂=aAx=0.157x; l=d₁₂/=2.48d₁₂; 2a₂=bd; C=d₁₂+a₁₂+2a₂+a₂₂

Дальнейший расчёт проводим в форме таблицы:

Данные таблицы рассчитаны при помощи программы «Microsoft Excel», на основе вышеупомянутых и следующих формул:

Таблица 1. Предварительный расчёт трансформатора ТМ-100/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками



1

1,4

1,8

2,2

2,6

3

x

1

1,087757

1,158292

1,217883

1,269823

1,316074

x²

1

1,183216

1,341641

1,48324

1,612452

1,732051

x³

1

1,287052

1,554012

1,806413

2,047529

2,279507

A₁/x

93,7

86,14054

80,89496

76,93676

73,78979

71,1966

A₂*x²

7,64

9,03977

10,25014

11,33195

12,31913

13,23287

Gc

101,34

95,18031

91,1451

88,26872

86,10892

84,42947

B₂*x³

71,55

92,08856

111,1896

129,2488

146,5007

163,0987

B₂*x²

4,4

5,20615

5,903219

6,526255

7,094787

7,621024

Gя

75,95

97,29471

117,0928

135,7751

153,5955

170,7198

Gст

177,29

192,475

208,2379

224,0438

239,7044

255,1492

Gy

5,715

7,355501

8,881179

10,32365

11,70163

13,02738

1.58G_c

160,1172

150,3849

144,0093

139,4646

136,0521

133,3986

1.526G_я

115,8997

148,4717

178,6836

207,1928

234,3867

260,5183

6,652G_y

38,01618

48,92879

59,0776

68,67292

77,83922

86,65815

Px

314,0331

347,7854

381,7704

415,3303

448,278

480,5751

Пс

0,008

0,009466

0,010733

0,011866

0,0129

0,013856

2.796G_c

283,3466

266,1241

254,8417

246,7993

240,7605

236,0648

2.638G_я

200,3561

256,6634

308,8908

358,1747

405,1848

450,3587

122.56G_y

700,4304

901,4902

1088,477

1265,266

1434,151

1596,636

999x²

999

1182,033

1340,299

1481,756

1610,839

1730,319

Qx

2183,133

2606,311

2992,509

3351,997

3690,936

4013,378

I₀, %

2,183133

2,606311

2,992509

3,351997

3,690936

4,013378

G₀

53,81

45,47775

40,10761

36,27869

33,37155

31,06722

1.03G₀

55,4243

46,84208

41,31083

37,36706

34,37269

31,99923

Gпр

60,96673

51,52629

45,44192

41,10376

37,80996

35,19916

KocGпр

110,3498

93,26259

82,24987

74,39781

68,43603

63,71048

C^’_ач

287,6398

285,7376

290,4877

298,4416

308,1404

318,8597

J

1668908

1815367

1933083

2032535

2119218

2196406

σ_p

2,623

3,375937

4,076174

4,738221

5,370668

5,979147

d

0,109

0,118566

0,126254

0,132749

0,138411

0,143452

d₁₂

0,15696

0,170734

0,181806

0,191159

0,199311

0,206571

l

0,493104

0,383127

0,317311

0,272974

0,240829

0,216321

C

0,24917

0,269545

0,285921

0,299756

0,311815

0,322553

Результаты расчётов, приведённые в таблице 1, показаны в виде графиков на рис. 1.

Рис. 1. Трансформатор ТМ-100/10. Зависимость Р_х, i₀ и С^’_ач от .

P_x,Bтт

i₀,%

C^’_ач

β

C^’_ач

i₀

P_x

Предельные значения  для заданных потерь х.х Р_х=330 Вт, 1,25. Предельное значение  для заданного тока холостого хода i₀=2.6% составляет 1,4. Ранее были установлены предельные значения, ограниченные платностью тока, 6,851.

С учётом заданных критериев выбираем значение =1,25; соответствующее ему значение d по шкале нормализованных диаметров составляет 0.115 м. В этом случае стоимость активной части трансформатора минимальна, потери холостого хода соответствуют заданному, а ток холостого хода меньше заданного значения.

2.5 Определение основных размеров

Диаметр стержня м.

Средний диаметр стержня м.

Ориентировочная высота обмоток м.

Активное сечение стержня м².

Напряжение одного витка предварительно: В

Число витков в обмотке НН: принимаем 71 виток.

Уточнение напряжения одного витка: В.

Средняя плотность тока в обмотках:

А/м².

3. Расчёт обмоток НН и ВН

3.1 Расчёт обмотки НН

Ориентировочное сечение витка: м².

По таблице 5.8 по мощности обмотки S^’=33.3 kBA, номинальному току I₁=144.3 А и

напряжению 0,4 кВ выбираем цилиндрическую трёхслойную обмотку из алюминиевого прямоугольного провода.

По сечению витка выбираем провод АПБ сечением 83,9 мм²

, изоляция , мм на две стороны.(Табл.5.2)

Сечение витка м² А/м².

Общий суммарный радиальный допустимый размер проводов для алюминиевого провода:

принимаем q=1200, Вт/м; к₃=0,8

м.

Следовательно, в этом предельном размере можно уместить слоя провода с радиальным размером

Число витков в одном слое:

Число слоёв обмотки 24,24 и 23 витка.

Таким образом, радиальный размер обмотки

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре с размерами м.

Диаметры обмотки:

внутренний:

внешний:

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Масса металла обмотки НН:

масса провода обмотки НН:

3.2 Расчёт обмотки ВН

Выбираем схему регулирования напряжения с выводом концов от всех трёх фаз обмотки к одному трёхфазному переключателю.

Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 6, А.

Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе:

рабочее

испытательное 577*2=1154 В

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении:

принимаем 1775 витков.

Напряжение одного витка u_B=3.25 B.

Число витков на одной ступени регулирования

витков.

Напряжение, В

Число витков на ответвлениях.

10500

1775+89=1864

10000

1775

9500

1775–89=1686

Ориентировочная плотность тока:

Ориентировочное сечение витка:

По мощности трансформатора, току на стержень, напряжению и сечению витка выбираем цилиндрическую, многослойную обмотку из круглого провода. (Табл. 5.8)

По сортаменту алюминиевого провода выбираем провод марки АПБ диаметром 2,12 мм сечением 3,53 мм² с толщиной изоляции на две стороны 2=0,3 мм

В расчёте принимаем 2=0,4 мм.

Увеличение массы провода за счёт изоляции 9,9% (Табл. 5.1.)

Сечение витка: П₂=3,53 мм².

Плотность тока:

Общий суммарный радиальный размер алюминиевых проводов, принимая q₂=1200 Вт/м² и К_З=0,8

Число витков в одном слое

Обмотка ВН наматывается в 10 слоёв: девять слоёв по 195 витков и один слой –109 витков.

Всего 1864 витка. Общий суммарный, радиальный размер металла b=10*2,12=21,2 мм

Напряжение двух слоёв обмотки

Междуслойная изоляция по табл. 4.7 – кабельная бумага марки К-120 по ГОСТ 23436–83Е, три слоя толщиной 0,12 мм (3*0,12). Выступ изоляции 16 мм с каждого конца обмотки.

Радиальный размер обмотки:

Диаметры обмотки:

Внутренний:

Внешний:

Расстояние между осями стержней

При испытательном напряжении обмотки ВН U_исп=35 кВ по табл. 4.5 находим:

Обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре

Плотность теплового потока на поверхности обмотки

Масса металла обмотки ВН

Масса провода обмотки ВН

Масса металла двух обмоток

НН

ВН

115

121

123

123

158

169

174

176

233

8

470

Рис. 3. Расположение обмоток

4. Расчёт параметров к.з.

4.1 Расчёт потерь к.з.

Основные потери:

Обмотка НН:

Обмотка ВН:

Масса металла обмотки ВН при номинальном числе витков:

Добавочные потери в обмотке НН:

где:

Добавочные потери в обмотке ВН:

где:

Основные потери в отводах:

Длина отводов:

Масса отводов НН:

Масса отводов ВН:

Потери в отводах НН

Потери в отводах ВН

Потери в стенках бака и других элементах конструкции: по табл. 7.1 К=0,015

Полные потери к.з.

т.е. от заданного.

4.2 Расчёт напряжения к.з.

Активная составляющая

Реактивная составляющая

где:

или от заданного значения.

5. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании

Установившийся ток короткого замыкания в обмотке ВН

Мгновенное максимальное значение тока к.з.

где:

Радиальная сила:

Среднее растягивающее напряжение в проводах обмотки ВН

Среднее сжимающее напряжение в проводах обмотки НН

Осевые силы в обмотках:

где:

По табл. 7.4

Осевые силы действуют на обе обмотки по рис. 4.

l

1

2

Обмотка 1

Обмотка 2

Рис.4. Расположение осевых сил.

Наибольшая осевая сила возникает в середине высот обмоток. В середине высоты обмотки НН, имеющей меньший радиальный размер, сжимающее напряжение:

, что ниже допустимого 18–20 Мпа.

Температура обмотки через t_k=4 c после возникновения короткого замыкания

что ниже допустимой 200С.

Время достижения температуры 200С для обмоток

6. Расчёт магнитной системы трансформатора

6.1 Определение размеров магнитной системы и массы стали трансформатора

Принимаем конструкцию плоской трёхфазной шихтованной магнитной системы с четырьмя косыми и двумя прямыми стыками на среднем стержне. Прессовка стержня – путём забивания деревянных реек между стержнем и обмоткой НН. Прессовка ярма – прессующими балками и шпильками.

В сечении стержня 5 ступеней без прессующей пластины, размеры пакетов по табл. 8.2.

Для d=0.115 м К_р=0,903

В сечении ярма 4 ступени. Ширина крайнего наружного пакета 65 мм.

Размеры пакетов стержня ab мм Размеры пакетов ярма ab мм

a

B

105

25

95

9

85

6

65

9

40

5

a

B

105

25

95

9

85

6

65

14

Полное сечение стержня и ярма и объём угла магнитной системы (по табл. 8.6) П_фс=93,9 см²; П_фя=95,4 см²; V_y=812.8 см³. Активное сечение стержня Активное сечение ярма Ширина ярма Длина стержня

Расстояние между осями соседних стержней

Масса стали угла магнитной системы

Масса стали ярм

Масса стали стержней

Полная масса стали плоской магнитной системы

6.2 Расчёт потерь и тока холостого хода

Магнитная система шихтуется из электротехнической, тонколистовой, рулонной, холоднокатаной, текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Индукция в стержне

Индукция в ярме

По таблице 8.10 находим удельные потери:

При В_с=1,607 Тл; р_с=1,35 Вт/кг; р_з,с=651 Вт/м²; при В_я=1,58 Тл; р_я=1,251 Вт/кг.

При р_з=340 Вт/м².

Потери холостого хода

Где:

Что составляет от заданного значения.

По таблице 8.17 находим удельные намагничивающие мощности

При В_с=1,607 Тл q_c=1.84 ВА/кг q_зс=24000 ВА/м²

При В_я=1,58 Тл q_я=1,675 ВА/кг

При В_з=1,14 Тл q_з=3000 ВА/м².

По таблице 8.13 находим коэффициенты для стали марки 3404 толщиной 0,35 мм при наличии отжига.

Полная намагничивающая мощность

Ток холостого хода

Или от заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода

Реактивная составляющая тока холостого ход

7. Тепловой расчёт трансформатора

7.1 Тепловой расчёт обмоток

Внутренний перепад температуры:

Обмотка НН:

Где -толщина изоляции провода на одну сторону =0,25*10^-3 м.

_из=0,17 Вт/(м²*С) – теплопроводность кабельной бумаги в масле.

Обмотка ВН:

=0,2*10^-3 м _из=0,17 Вт/(м²*С).

Перепад температуры на поверхности обмоток:

Обмотка НН:

Обмотка ВН:

Полные перепады температур на обмотках:

Обмотка НН:

Обмотка ВН:

7.2 Тепловой расчёт бака

Выбираем конструкцию бака, со стенками в виде волн. (Табл. 9.4)

Минимальная ширина бака

Где:

Принимаем В=0,375 м (при расположении магнитной системы в центре бака).

Минимальная длина бака

S₅=33 мм

Глубина бака (Табл. 9.5).

n=30 мм.

Для выбранного типа бака принимаем:

Толщина волны с=d=12 мм.

Расстояние между соседними волнами

Высота волны Н_в=Н – 0,1=0,86–0,1=0,76 м.

Толщина стенки =0,8 мм.

Ширина волны b=80 мм.

Поверхность излучения стенки

Шаг волны стенки

Развёрнутая длина волны

Число волн

Поверхность конвекции стенки

Где К_В коэффициент, учитывающий ухудшение конвекции

Поверхность крышки бака

Поверхность верхней рамы бака

Полная поверхность излучения бака

Полная поверхность конвекции бака

7.3 Окончательный расчёт превышения температуры обмоток и масла

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха (для индивидуального расчёта К=1,05).

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака (для естественного масляного охлаждения, К₁=1).

П_К-поверхность конвекции бака без учёта коэффициента ухудшения конвекции.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха

60С

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха

ВН: 65С

НН: 65С

8. Приближённое определение массы конструктивных материалов и масла трансформатора

Масса активной части трансформатора

Объём бака

Объём активной части

Объём масла в баке

Масса масла

Масса бака

Масса стенки

Масса крышки

Масса дна

Общая масса трансформатора (ориентировочно)