Проектирование силового тансформатора

 

Общая толщина пакетов стержня (ширина ярма) 0,238 м. Площадь ступенчатой  фигуры сечения стержня по табл. 8.7[1].

Площадь сечения стержня:

П_Ф.С = 490,6 см² = 0,04906 м².

Площадь сечения ярма:

П_Ф.Я = 507,1 см² = 0,05071 м².

Объем угла магнитной системы:

V_У = 10746 см³ = 0,010746 м³.

Активное сечение стержня:

П_C = k_З · П_Ф.С = 0,97 · 0,04906 = 0,04759 м².

Активное сечение ярма:

П_Я = k_З · П_Ф.Я = 0,97 · 0,05071 = 0,04919 м².

Объем стали угла магнитной системы:

V_У.СТ = k_З · V_У = 0,97 · 0,010746 = 0,01042 м³.

Длина стержня:

l_С = 0,733 + 2 · 0,05 = 0,833 м.

Расстояние между осями стержней

С = D''₂ + a₂₂ = 0,516 + 0,02 = 0,536 м.

Массы стали в стержнях и ярмах  магнитной системы рассчитываются по (8.6), (8.8) - (8.13).

Масса угла магнитной системы:

G_У = 0,010746 · 7650 = 82,2 кг.

Масса стали ярм:

G_Я = G'_Я + G''_Я = 2 · П_Я · 2 · C · γ_СТ + 2 · G_У =

= 2 · 0,04919 · 2 · 0,536 · 7650 + 2 ·  82,2 = 971,2 кг.

Масса стали стержней:

G_С = G'_С + G''_С = 909,8 + 26,4 = 936,2 кг,

где G'_С = 3 · l_С · П_С · γ_СТ = 3 · 0,833 · 0,04759 · 7650 = 909,8 кг;

G''_С = 3 · (П_С · a_1Я · γ_СТ - G_У) = 3 · (0,04759 · 0,25 · 7650 - 82,2) = 26,4 кг.

Общая масса стали:

G_СТ = 971,2 + 936,2 = 1907,4 кг.

2. Расчет потерь холостого хода.

Расчет выполняется по §8.2.

Индукция в стержне:

 

Индукция в ярме:

 

Индукция на косом стыке:

 

Площади сечения немагнитных зазоров  на прямом стыке среднего стержня  равны соответственно активным сечениям стержня и ярма.

Площадь сечения стержня на косом  стыке:

 

Удельные потери для стали стержней, ярм и стыков по табл. 8.9[1] для стали марки 3411 толщиной 0,35 мм:

 

 

 

Для плоской магнитной системы  с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем  стержне, с многоступенчатым ярмом, без отверстий для шпилек, с  отжигом пластин после резки  стали и удаления заусенцев для  определения потерь применим выражение (8.32).

На основании §8.2 и табл. 8.12[1] принимаем:

k_П.Р = 1,05;

k_П.З = 1;

k_П.Я = 1;

k_П.П = 1,025;

k_П.Ш = 1,04.

По табл. 8.13[1] находим коэффициент:

k_П.У = 8,6.

Тогда потери холостого хода составят:

 

 

 

 

или заданного значения.

3. Расчет тока холостого хода.

Расчет выполняется по §8.3.

По табл. 8.16[1] находим удельные намагничивающие  мощности:

 

 

 

Для принятой конструкции магнитной  системы и технологии ее изготовления используем (8.43), в котором по §8.3 и табл. 8.12 и 8.21[1] принимаем коэффициенты:

k_Т.Р = 1,18;

k_Т.З = 1;

k_Т.ПЛ = 1,2;

k_Т.Я = 1;

k_Т.П = 1,04;

k_Т.Ш = 1,04.

По табл. 8.20[1] находим коэффициент:

k_Т.У = 42,25.

Тогда намагничивающая мощность холостого  хода составит:

 

 

 

 

Ток холостого хода:

 

или заданного значения.

Активная составляющая тока холостого  хода:

 

Реактивная составляющая тока холостого  хода:

 

5. Тепловой расчет трансформатора.

1. Тепловой расчет обмоток.

Расчет выполняется по §9.5.

Внутренний перепад температуры  обмотки НН по (9.9):

 

где δ = 0,25 · 10^-3 м - толщина изоляции провода на одну сторону; q - плотность теплового потока на поверхности обмотки; λ_ИЗ - теплопроводность бумажной пропитанной маслом изоляции провода по табл. 9.1[1]:

 

Внутренний перепад температуры  обмотки ВН по (9.9):

 

Перепад температуры на поверхности  обмотки НН:

θ_О.М1 = k₁ · k₂ · k₃ · 0,35 · q^0,6 = 1 · 1,1 · 0,95 · 0,35 · 646,4^0,6 = 17,76 °C,

где k₁ = 1 - для естественного масляного охлаждения;

k₂ = 1,1 - для внутренней обмотки НН;

k₃ = 0,95 - по таблице 9.3[1] для .

Перепад температуры на поверхности  обмотки ВН:

θ_О.М2 = 1 · 1 · 1 · 0,35 · 465^0,6 = 13,94 °C,

где k₁ = 1 - для естественного масляного охлаждения;

k₂ = 1 - для наружной обмотки ВН;

k₃ = 1 - при отсутствии канала.

Полный средний перепад температуры  от обмотки НН к маслу:

θ_О.М.СР1 = θ_О1 + θ_О.М1 = 0,95 + 17,76 = 18,71 °C.

Полный средний перепад температуры  от обмотки ВН к маслу:

θ_О.М.СР2 = θ_О2 + θ_О.М2 = 0,68 + 13,94 = 14,62 °C.

2. Тепловой расчет бака.

Расчет выполняется по §9.6.

По таблице 9.4[1] в соответствии с  мощностью трансформатора выбираем конструкцию бака с одинарными или  двойными навесными радиаторами  с гнутыми трубами по рис. 9.17[1].

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

Минимальная ширина бака:

B = D''₂ + (s₁ + s₂ + d₂ + s₃ + s₄ + d₁) · 10^-3.

Изоляционные расстояния:

s₁ = 32 мм (для отвода U_ИСП = 55 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до стенки бака по табл. 4.11[1]);

s₂ = 30 мм (для отвода U_ИСП = 55 кВ, покрытие 4 мм, расстояние до прессующей балки ярма по табл. 4.11[1]);

s₃ = 25 мм (для отвода U_ИСП = 5 кВ, без покрытия, расстояние до стенки бака по табл. 4.11[1]);

s₄ = 50 мм (для отвода U_ИСП = 55 кВ, отвод без покрытия по табл. 4.12[1]).

Ширина бака:

B = 0,516 + (32 + 30 + 20 + 25 + 50 + 10) · 10^-3 = 0,683 м.

Принимаем B = 0,686 м при центральном  положении активной части трансформатора в баке.

Длина бака:

A = 2 · C + B = 2 · 0,536 + 0,686 = 1,758 м.

Высота активной части:

H_А.Ч = 0,833 + 2 · 0,25 + 0,05 = 1,383 м,

где высота стержня 0,833 м; высота ярма 0,25 м и толщина бруска 0,05 м.

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

H_И.К = 400 мм = 0,4 м.

Глубина бака:

H_Б = Н_А.Ч + H_И.К = 1,383 + 0,4 = 1,783 м.

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

θ_М.В = 65 - 18,71 ≈ 46 °C.

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

θ_М.В.В = 1,2 · θ_М.В = 1,2 · 46 = 55,2 °C < 60 °C.

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней поверхности стенки бака θ_М.Б = 5 °C и запас 2 °C, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха:

θ_Б.В = θ_М.В - θ_М.Б = 46 - 5 - 2 = 39 °C.

Для развития должной поверхности  охлаждения целесообразно использовать радиаторы с гнутыми трубами по рис. 9.17[1] c расстоянием между осями фланцев А_Р = 3000 мм (табл. 9.10[1]), с поверхностью труб П_ТР = 34,35 м² и двух коллекторов П_К.К = 0,66 м². Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята:

H_Б = A_Р + с₁ + с₂ = 3 + 0,085 + 0,1 = 3,185 м,

где с₁ и с₂ - расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака по табл. 9.10[1].

Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой  стенки бака:

П_К.ГЛ = H_Б · [2 · (A - B) + π · B] = 3,185 · [2 · (1,758 - 0,686) + π · 0,686] = 13,693 м².

Ориентировочная поверхность излучения  бака с радиаторами по (9.35):

П_И = k · П_К.ГЛ = 1,75 · 13,693 = 23,963 м².

Ориентировочная необходимая поверхность  конвекции для заданного значения θ_Б.В = 39 °C по (9.30):

 

Поверхность крышки бака:

 

 

где 0,16 - удвоенная ширина верхней  рамы бака, м; коэффициент 0,5 учитывает  закрытие поверхности крышки вводами  и арматурой.

Поверхность конвекции радиаторов:

∑П_К.Р = 64,09 - 13,693 - 0,735 = 49,662 м².

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой  стенки (табл. 9.6[1]):

П_К.Р = П_ТР · k_Ф + П_К.К = 34,35 · 1,4 + 0,66 = 48,75 м².

Необходимое число радиаторов:

 

Принимаем 1 радиатор.

Поверхность конвекции бака:

П_К = ∑П_К.Р + П_К.ГЛ + П_К.КР = 1 · 48,75 + 13,693 + 0,735 = 63,178 м².

Поверхность излучения:

П_И = 23,963 м².

Определение превышений температуры  масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха по §9.7.

Среднее превышение температуры наружной поверхности стенки бака над температурой воздуха по (9.49):

 

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки бака по (9.50):

 

Превышение средней температуры  масла над температурой воздуха:

θ_М.В = θ_М.Б + θ_Б.В = 6,5 + 39,3 = 45,8 °C.

Превышение температуры масла  в верхних слоях над температурой воздуха:

θ_М.В.В = k · θ_М.В = 1,2 · 45,8 = 55 °C < 60 °C.

Превышение средней температуры обмотки НН над температурой воздуха:

θ_О.В1 = 0,95 + 17,76 + 45,8 = 64,51 °C < 65 °C.

Превышение средней температуры  обмотки ВН над температурой воздуха:

θ_О.В2 = 0,68 + 13,94 + 45,8 = 60,42 °C < 65 °C.

Превышения температуры масла  в верхних слоях θ_М.В.В < 60 °C и обмоток θ_О.В < 65 °C лежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ 11677-85.

 

6. Список использованной литературы

1. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов:  Учеб. пособие для вузов. М.: "Энергоатомиздат", 1986.

2. А. М. Дымков. Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов. "Высшая школа", 1971.

3. В. Е. Китаев. Трансформаторы. "Высшая  школа", 1967.

4. А. В. Сапожников. Конструирование  трансформаторов. Госэнергоиздат, 1956.

5. М. М. Кацман. Электрические  машины и трансформаторы. "Высшая школа", 1971.

6. М. П. Костенко и Л. М.  Пиотровский. Электрические машины. "Энергия", 1964.

7. А. М. Голунов. Охлаждающие  устройства масляных трансформаторов. "Энергия", 1964.

8. В. В. Порудоминский. Трансформаторы  с переключением под нагрузкой. "Энергия", 1965.

9. П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов  для дуговых электрических печей.  Госэнергоиздат, 1959.

10. Е. А. Каганович. Испытание  трансформаторов малой и средней  мощности на напряжение до 35 кв  включительно. "Энергия", 1969.

11. В. П. Шуйский. Расчет электрических машин. "Энергия", 1968.

HTTP://STUDSOFT.NAROD.RU

HTTP://STUDSOFT.NAROD.RU

HTTP://STUDSOFT.NAROD.RU