Трансформатор силовой (расчёт)

Федеральное агентство  по образованию                                                                                                                                  Государственного образовательного учреждения высшего образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Дисциплина  «Электромеханика ч.1»

 

 

 

КУРСОВАЯ     РАБОТА

 

Тема: Трансформатор силовой (расчёт)

 

 

 

Студентка:

Специальность: 140211

Курс: 3

Шифр: 8101020041

Дата выдачи:

Работу принял:

Преподаватель:

 

 

 

Выборг

2011 год

 

Оглавление

 

 

1. Введение

 

Производство  электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах необходимые количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Использование дешевой электрической энергии потребителями, которые находятся на значительном расстоянии, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенными по обширной территории страны, требует создание сложных разветвленных электрических сетей. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети. При помощи трансформаторов осуществляется повышение или понижение напряжения. Так, при напряжении на шинах электростанции 15,75 кВ в современной сети часто применяется следующая последовательность трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 на 0,4 или 0,69 кВ.

Необходимость распределения  энергии между многими мелкими  потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время повышает общую генераторную мощность в 8-10 раз.

Трансформаторы используются не только при передачи и распределения электрической энергии в энергетических установках, но и для разнообразных преобразований переменного тока в промышленных условиях, в устройствах связи, радио, автоматики, телемеханики и т. п. В соответствие с этим номинальные мощности и напряжения в трансформаторов, изготавливаемых на заводах электротехнической промышленности, колеблются в очень широки пределах. В зависимости от мощности, напряжения и назначения меняется также конструкция трансформаторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Задание.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Основные элементы конструкции объекта проектирования и применяемые материалы.

 

В данном случае рассматриваются трехфазные силовые  масляные трансформаторы серии ТМ. Использование ТМ до 1,6 МВА включительно соответствует общим конструктивным требованиям ГОСТ 11677-85, выпускается в баках с охладительными трубами или прямоугольными радиаторами, приваренными к баку. В масляных трансформаторах в систему охлаждения входит бак, заливаемый трансформаторным маслом. Бак состоит из двух частей : нижней высотой 300 – 500 мм, на которой устанавливается активная часть, и верхней, которая может быть снята при осмотре или ремонте активной части без подъёма активной части трансформатора. Гофрированные баки обеспечивают необходимую поверхность охлаждения без съёмных охладителей, что значительно увеличивает   надёжность трансформатора. Внутренний объём трансформаторов ТМ имеет сообщение с окружающей средой, температурные изменения объёма масла, происходящие во время эксплуатации, компенсируется за счёт объёма расширителя. Для отчистки от влаги и промышленных загрязнений воздуха, поступающего в трансформатор при температурных  колебаниях уровня масла, расширитель снабжается воздухоосушителем.

Трансформаторы ТМ имеют  повышенную электрическую прочность изоляции вследствие применения при их заливке маслом глубокого вакуума, который полностью обеспечивает удаление воздуха из обмоток и изоляционных деталей активной части.

Фиксация положений  переключателя ответвлений обмоток  ВН, позволяющего регулировать напряжение ступенями по 2,5% в диапазоне ±5%, осуществляется специальным фиксирующим устройством, расположенным приводе внутри бака трансформатора, а также дополнительным фиксатором, расположенным в металлической рукоятке привода.

Ко дну бака приварены пластины или швеллеры, имеющие отверстия для крепления трансформатора на фундаменте. На швеллерах, в трансформаторах мощностью 160 кВА и выше, по заказу потребителя, устанавливаются  переставные трансформаторные ролики, позволяющие производить продольное или поперечное перемещение трансформатора. В низшей части бака имеются узел заземления и сливная пробка.

Для масляных силовых  трансформаторов общего назначения номинальными условиями  места установки  и охлаждающей среды согласно ГОСТ11677-85 является: высота над уровнем моря не более 1000  м; температура охлаждающей среды: для вывода – не более +20^ºC у входа в охладитель, для воздуха – естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха не более +30^ºC и среднегодовой его температуре не более +20^ºC; температура окружающего воздуха не ниже -45ºC.

Основными частями  трансформатора являются магнитная  система (магнитопровод), обмотки и  система охлаждения.

Магнитопровод  трансформатора представляет собой  комплект пластин холоднокатаной электротехнической стали марки 3404, 3405 толщиной 0,3 – 0,35 мм. Эти стали обладают низкими удельными потерями при высокой магнитной индукции. Магнитная система имеет определенную геометрическую форму, предназначенную для локализации в ней основанного магнитного поля трансформатора. Её обычно разделяют на стержни и ярма.

Обмоткой называется совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируется ЭДС, наведенные в витках с целью получения высшего или низшего напряжения трансформатора.

Из всех возможных групп соединений трехфазных двухобмоточных трансформаторов согласно ГОСТ11677-85 стандартизированы только две группы: 0 и 11 – с выводом в случае необходимости нулевой точки звезды или зигзага (Y/Y – 0; Y/Δ – 11; Y/Z_H – 11).

Обмотки, как правило, выполняется из медного или алюминиевого  изолированного провода. Электротехническая медь отличается высокой чистотой и качеством. Из всех проводниковых материалов, за исключением серебра, она имеет самое низкое удельное электрическое сопротивление. Проволоку из мягкой (отожженной) меди ПММ применяют для изготовления обмоточных проводов, из твердой ПМТ – токопроводящие стержни, шины, прутки и проводы с большой механической прочностью.

Алюминий уступает меди в прочности и электропроводимости, но его дешевизна, легкость и сравнительно низкое удельное электрическое сопротивление позволяет широко внедрять его в производство. За счет уменьшения массы и стоимости провода из алюминия удается компенсировать увеличение других затрат, и общая стоимость трансформатора с алюминиевыми обмотками практически не отличается от стоимости эквивалентного трансформатора с медными обмотками.

Для обмоток  принимают круглые и прямоугольные  провода различных марок (ПБ, АПБ, АПБУ, АПБД, ПЭЛ, ПСД).

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высшего напряжения ВН и обмотку низшего напряжения НН.

Для изготовления отводов применяют гибкие медные изолированные провода круглого сечения марки ПБОТ с бумажной изоляцией, медные и алюминиевые  шины и прутки. По нагревостойкости изоляции провода, принимаемые в трансформаторах, относятся к классу А.

Для изоляции обмоточных проводов и отводов, а также межслоевой  изоляции обмоток и других устройств  применяют электроизоляционные  бумаги, изготовленные из химически  обработанной древесной целлюлозы  на специальных бумагоделательных машинах.  Они обладают высокой электрической и механической прочностью при работе в горячем трансформаторном масле, относятся, по нагревостойкости, к классу А. Применяют следующие  арки бумаги и электрокартона: ЭКТМ, КТ, АМ, СВН.

Главным изоляционным материалом является трансформаторное масло.  Трансформаторное масло продукт перегонки нефти. В масляных трансформаторах применяют масло, выпускаемое с добавкой антиокислительной присадки – дибутилпаракрезола ДБК (не менее 0,2%), которое изготавливают по специальным заказам.

К конструкционным относят материалы, применяемые для изготовления сборочных единиц и деталей, несущих механические нагрузки и скрепляющие отдельные части трансформаторов. Это черные металлы (сталь, чугун) и цветные металлы (латунь, бронза), пластмассы, бук, стеклянная бандажная лента ЛСБ-Т пропитанная клеящим кремнийорганическим лаком, масло-тепломорозостойкая резина МТМ, листовая рулонная резина.

К вспомогательным  материалам относят припои (МФЗ, ПОС, ПСр), канифоль, магнезитовую замазку (используют для вмазки фарфорового изолятора), силикагель (обладает большой пористостью и способностью задерживать влагу), цеолиты (широко применяют для отчистки трансформаторного масла от воды), асбестовую набивку, краски, клей и др.

По заказу потребителей трансформаторы ТМ комплектуются газовым реле и электроконтактным термометром.

4. Основные показатели.

 

Дан трехфазный двухобмоточный трансформатор со следующими техническими характеристиками:

1. P= 50 кВ А –мощность трансформатора;

2. U_1Н= 10 кВ – номинальное напряжение обмотки ВН;

3. U_2Н = 0,525 кВ – номинальное напряжение обмотки НН;

4. Р₀ = 230 Вт – потери холостого хода;

5. Р_КЗ = 1050 Вт – потери короткого замыкания;

6. u_К% = 4,5 % - напряжение короткого замыкания;

7. i₀ = 3,0 % - ток холостого хода;

8. сos φ₂ = 1 – активная нагрузка;

9. сos φ₂ = 0,8 – индуктивная нагрузка;

10. сos φ₂ = 0,8 – емкостная нагрузка;

5. Расчёты, которые необходимо  выполнить.

 

Необходимо  выполнить следующие расчеты:

1. Определить параметры Т-образной схемы замещения одной фазы трансформатора.
2. Начертить в масштабе векторные диаграммы трансформатора для трех видов нагрузки (активной, активно-индуктивной, активно-ёмкостной).
3. Рассчитать и построить зависимость коэффициента полезного действия от нагрузки при значениях коэффициента нагрузки , равных 0; 0,25; 0,75; 1,00 и 1,25 от номинального вторичного тока . Определить максимальное значение КПД.
4. Построить внешние характеристики трансформатора для значений тока, равных 0; 0,25; 0,50; 0,75; 1,00 и 1,25 от номинального вторичного тока .

 

Цель задания – углубление теоретических знаний и приобретение практических навыков расчета параметров, характеристик и построения векторных диаграмм, реальных трехфазных трансформаторов.

Примечание. При определении параметров трехфазного трансформатора и построении векторных диаграмм расчет ведется на одну фазу.

6. Расчёты.

 

1.1. Т-образная схема замещения.

 

 

 

 

1.2. Определение параметров схемы замещения трансформатора по данным в режиме холостого хода.

 

Для определения  параметров схемы замещения трансформатора рассчитаем:

а) номинальный  ток трансформатора

I_1H = ; I_1H = 50/ (3*10) =1,67 A;

б) фазный ток холостого хода трансформатора

I₀ = i₀ *I_1H , I₀ = 0,03*1,67 = 0,05 А;

где I₀ – ток холостого хода, в %;

в) мощность потерь холостого хода на фазу

P_0Ф = , Р_0Ф = 230 / 3 = 76,7 Вт,

где m – число фаз первичной обмотки трансформатора; принимаем

m=3.

г) полное сопротивление ветви намагничивания схемы замещения трансформатора при холостом ходе

Z₀ = ; Z₀ = 10/ 0,05 = 200 кВ;

д) активное сопротивление ветви намагничивания

R₀ = ; R₀ = 76,7/ 0,05² = 30,08 кОм;

е) реактивное сопротивление ветви намагничивания

х₀ = √ Z₀ – r_0; x₀ = √ 200² – 30,08² = 197,6 кОм = 197,6*10³ Ом;

з) коэффициент трансформации трансформатора

k = U_1н / U_2н, k = 10*10³ /0,525*10³ = 19,05

 

2.1. Определение  параметров схемы замещения трансформатора  в режиме короткого замыкания.

 

В опыте короткого  замыкания вторичная обмотка  трансформатора замкнута накоротко, а  подводимое к первичной обмотке  напряжение подбирается таким образом, чтобы ток обмотки трансформатора был равен номинальному. В этом случае намагниченный ток можно считать равным 0. Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания представлена на рис. 2.

 

Здесь суммарное  значение активных сопротивлений (R₁ + R₂^’) обозначают R_k и называют активным сопротивлением короткого замыкания, а (X₁ + X₂^’) индуктивным сопротивлением короткого замыкания X_k.

Для определения  параметров схемы замещения трансформатора рассчитаем:

а) напряжение короткого  замыкания