Трифазний масляний трансформатор потужністю 2500 кВА з напругою 35/10 кВ

ВСТУП

Розвиток сучасної науки і техніки неперервно пов’язаний з використанням електричної енергії в різних виробничих процесах та сферах. Виробництво електричної енергії на електростанціях з генераторами великої потужності, що розміщені поблизу паливних і гідроресурсів, дозволяє отримати в цих районах необхідну кількість електричної енергії при відносно невеликій її вартості. Реальне використання дешевої електричної енергії безпосередньо споживачами, що знаходяться на відстані та розміщені на значній території створює необхідність застосування складних розгалужених електричних мереж. Силовий трансформатор є одним з найважливіших елементів кожної електричної мережі. Трансформатор був винайдений у 1876 році в Росії П. М. Яблочковим, який використав його для живлення своїх «свічок», що потребували різної напруги. А власне розробив і сконструював такий прилад ассистент Московського університету І.П. Усагін. Перший трансформатор він продемонстрував в 1882 році на промисловій виставці в Москві. Передача електричної енергії на великі відстані від місця її виробництва до місця споживання, вимагає в сучасних мережах не менш п’яти-шести кратної трансформації в підвищувальних та понижуючих трансформаторах. Так при напрузі на шинах електростанції 15,75 кВ, при відстані 1000 км до споживачів використовується така послідовність шести трансформацій напруги з врахуванням спаду напруги на лініях електропередач: 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 кВ.

Необхідність розподілу енергії між багатьма дрібними споживачами приводить до значного збільшення кількості окремих трансформаторів. При цьому сумарна потужність трансформаторів в кожній наступній ступені нижчої напруги, з метою кращого варіювання енергією вибирається більшою ніж потужність попередньої ступені вищої напруги. Внаслідок цього загальна потужність всіх трансформаторів в даний час перевищує загальну потужність генераторів.

В народному господарстві використовуються трансформатори різного призначення в діапазоні потужності від вольт ампера до одного мільйона кіловольт ампера і більше. Розрізняють трансформатори малої потужності з вихідною потужністю 4 кВА і менше, для однофазних і 5 кВА і менше, для трифазної мережі, та трансформатори силові потужністю від 6.3 кВА і більше для трифазної мережі, і від 5 кВА і більше, для однофазної мережі. Трансформатори малої потужності використовуються в пристроях радіотехніки, автоматики, зв’язку, при електричних вимірюваннях (вимірювальні трансформатори) у функціональних перетворювачах (обертові трансформатори), а також для живлення побутових електроприладів. Призначення силових трансформаторів — перетворення електричної енергії в електричних мережах. Трансформатори спеціального призначення служать для безпосереднього живлення мережі споживачів та приймачів електричної енергії, якщо ця мережа або приймачі відрізняються особливими умовами експлуатації, характером навантаження або режимом роботи. До тих мереж або приймачів відносяться електричні печі, випрямляючі пристрої і т.д.

Силовий трансформатор є одним з найважливіших елементів сучасної електричної мережі і розвиток трансформаторобудування визначається в першу чергу розвитком електричних мереж, а отже енергетики країни.

1. ОБГРУНТУВАННЯ ПРИЙНЯТИХ ТЕХНІЧНИХ РІШЕНЬ

Теорія і практика проектування силових трансформаторів дозволили встановити, що вибір вихідних даних розрахунку суттєво впливає на результати розрахунку мас основних матеріалів трансформатора, вартість, параметри неробочого ходу і короткого замикання. На основі цих міркувань був проведений попередній розрахунок трансформатора, який дав змогу визначити основні розміри трансформатора.

Вибір конструкції магнітної системи базувався на основі таких міркувань.

Для трансформаторів потужності 2500 кВА виготовлення просторових магнітних систем є більш дорожчим і потребує спеціального обладнання для навивки і довготривалого відпалювання навитих, тому ми приймаємо просту стрижневу магнітну систему.

Матеріалом для магнітної системи є електротехнічна холодно вальцьована анізотропна сталь, в якій напрям прокатування співпадає з вектором магнітної індукції.

Використання гаряче вальцьованої сталі для основних серій трансформаторів не практикується. На основі цих міркувань вибрана сталь 3405 товщиною 0,3 мм.

Поперечний переріз стрижня в стрижневих магнітних системах мас вигляд ступінчатої фігури вписаної в коло. Ступінчатий переріз стрижня і ярма виконується перерізами пакетів стрижня. При збільшенні кількості ступеней зросте коефіцієнт заповнення сталлю. Але одночасно збільшується кількість типів пластин, що мають різні розміри, та ускладнюється заготовлення пластин і складання магнітної системи. На основі цих міркувань вибираю кількість ступеней в перерізі стрижня вісім, в перерізі ярма — шість.

Основні виробничі вимоги до трансформатора визначаються в основному технологічністю його конструкцій, що дозволяє виготовити трансформатор з мінімальними втратами матеріалів та трудомісткості. Але слід врахувати і експлуатаційні вимоги, що ставляться до трансформатора: електрична та механічна надійність. Вимоги, що висуваються до трансформаторів відносяться і до обмоток. Враховуючи це, були вибрані неперервні обмотки низької та високої напруги. Ці обмотки мають такі переваги в порівнянні з гвинтовими та багатошаровими обмотками: ефективне охолодження, ефективне заповнення вікна магнітної системи. Основним недоліком неперервної обмотки є технологія виготовлення.

Бак трансформатора приймаємо з гладкими стінками з підвісними радіаторами. При нагріванні і охолодженні масла, що пов’язані зі зміню навантаження трансформатора і температури охолоджуючого повітря, зміни компенсується підвісними радіаторами. Використання радіаторів дозволяє отримати необхідну поверхню охолодження.

2. ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ РОЗРАХУНОК

2.1 Визначення основних електричних величин

S = 2500 кВА — номінальна потужність трансформатора;

m = 3 — кількість фаз;

Номінальні лінійні струми обмоток ВН і НН;

U₁ = 10 000кВ — лінійна напруга обмотки НН;

А;

U₂ = 35 000 В — лінійна напруга обмотки BН;

А.

Фазні напруги ВН І НН;

В;

В.

Випробувальні напруги;

U_в1 = 35 кВ; U_в2 = 85 кВ;

За даними таблиці 5.3 вибираємо тип обмоток неперервна для НН і для ВН. Для U_в1 = 35 кВ знаходимо ізоляційні відстані а₁₂=27 мм, a₂₂ = 30 мм, мм.

Активна складова напруги короткого замикання:

P_кз = 23 500 Вт — втрати короткого замикання;

%.

Реактивна складова:

U_к = 6,5% - напруга короткого замикання ;

% .

2.2 Розрахунок основних розмірів трансформатора

Ширина зведеного канала розсіяння трансформатора:

а₁₂ =0,027 м a₂₂= 0,03 м — товщина головної ізоляції між обмоткою ВН та НН;

k_кр = 0,55 — згідно табл. 6.3 ;

м.

Коефіцієнт заповнення :

k_з = 0,96 — згідно ;

— згідно .

Діаметр стрижня :

k_р = 0,95 — коефіцієнт Роговського;

;

В_с = 1,65 — індукція в стрижні;

Гц — частота мережі;

м;

Приймаємо діаметр стрижня d = 27 см.

Середній діаметр канала між обмотками :

а₀₁ = 1,75 см. — згідно ;

см, де а =1,4−1,45 для алюмінієвого провідника.

· Висота обмотки :

см.

Активний переріз стрижня :

мм² ,

де мм²— з табл. 9.1.

Електрорушійна сила одного витка :

В.

2.3 Розрахунок обмотки НН

Кількість витків на одну фазу :

— приймаємо w₁ =319 витка.

Уточняємо ЕРС одного витка:

В.

Дійсна індукція в стрижні:

Тл.

Орієнтовний переріз витка мм², де І_ф1 = І₁ = 144,34 А

J = 1,8 середня густина струму по таблиці 5.7

За поперечним перерізом та осьовим розміром витка вибираємо неперервний провідник марки AПБ з ізоляцією 0,5 мм :

Поперечний переріз витка:

мм²,

де П₁^/ — переріз проводу по табл. 5.2 .

Уточнюємо значення густини струму:

А/мм² .

Кількість котушок на одному стрижні:

.

см. — висота канала;

Приймаєм .

Кількість витків в котушці:

;

Приймаєм .

Висота обмотки:

см, де; см — канал в розриві обмотки.

Радіальний розмір обмотки НН:

cм.

Внутрішній діаметр обмотки:

cм.

де а₀₁ = 17.5 мм — ширина каналу між обмоткою НН і стрижнем, визначається з вимог ізоляції обмотки, згідно .

Зовнішній діаметр обмотки:

cм.

2.4 Розрахунок обмотки ВН

Кількість витків на одну фазу обмотки ВН на основному відгалуженні:

— приймаємо w₂ =1117 витка.

Кількість витків на одній ступені регулювання:

. — приймаємо w_p = 28 витка.

Кількість витків на відгалуженнях:

+5% - .

+2,5% - .

0% - .

— 2,5% - .

— 5% - .

Орієнтована густина струму:

А/мм²,

де J середня густина струму по табл. 5.7 .

Орієнтоване значення поперечного перерізу витка:

мм².

Вибираємо неперервну обмотку з прямокутного провідника марки АПБ

по табл. 5.2 .

мм².

Поперечний переріз витка:

мм².

Уточнюємо значення густини струму:

А/мм².

Знаходимо кількість котушок обмотки ВН:

— оскільки потрібно зробити декілька збільшених каналів, приймаємо .

Кількість витків в котушці:

— приймаємо .

Обмотка ВН складається з таких груп катушок:

4 катушки з усиленою ізоляцією Д по 18,5 витків 74

49 основних котушок Е по 19 витків 929

8 регулювальних котушок по 14 витків 112

Всього 61 котушка і 1117 витків.

Приймаємо конструкцію обмотки з подвоєними котушками. Між подвоєними котушками канали по 4,5 мм та між рештою котушок. Дві крайні котушки зверху і знизу відділені каналами по 7 мм, і чотири канали по 4 мм, а канал в місці розрива обмотки мм.

Розмір провідника з усиленою ізоляцією 3,62Х12,7 мм.

Схема відводів дана на рис. 2.3.

Висота обмотки:

см, де; смканал в розриві обмотки, смсума усиленої ізоляції і збільшених каналів.

Радіальний розмір обмотки ВН:

см.

Внутрішній діаметр обмотки ВН:

cм.

Зовнішній діаметр обмотки:

cм.

Схема з'єднань ВН І НН зображено на рисунку 2.1 і 2.2.

Рис. 2.1. Схема з'єднань обмотки НН Рис. 2.2. Схема з'єднань обмотки ВН Рис. 2.3. Схема відводів ВН

2.5 Розрахунок параметрів короткого замикання

Визначення втрат короткого замикання Маса провідника НН з ізоляцією:

кг.

Основні втрати в обмотці НН:

Вт.

Основні втрати в обмотці ВН:

кг, Вт.

Додаткові втрати в обмотці НН:

Вт.

де n — кількість паралельних провідників;

де m — кількість перпендикулярних провідників, акоефіцієнт приведоного поля розсіювання.

Додаткові втрати в обмотці ВН.

Вт

.

Основні втрати у відводах НН:

cм.

кг.

де = 2700 кг/м³.

Вт.

Основні втрати у відводах ВН:

cм.

кг.

Вт.

Втрати в стінках бака та інших елементах конструкції:

Вт.

де = 0,03 за табл. 7.1 .

Повні втрати короткого замикання:

Вт.

Втрати для номінальної напруги обмотки ВН від заданого значення Розрахунок напруги короткого замикання.

Активна складова напруги короткого замикання:

%.

Реактивна складова напруги короткого замикання:

.

%,

де, ,

а ,

.

Напруга короткого замикання:

%.

Визначення механічних сил в обмотках та нагріву обмоток при короткому замиканні.

Усталений струм короткого замикання:

А.

Максимальне миттєве значення струму короткого замикання:

ik_max A

Радіальна сила:

кг.

Розрахунок температури нагріву обмоток при короткому замиканні.

Температура обмотки через t_к — 5 с. після виникнення короткого замикання.

⁰С що є нижчою від допустимої для алюмінієвих обмоток ⁰С,

з табл. 7.6. .

Час досягнення температури 200 ⁰ С.

с.

2.6 Розрахунок магнітної системи

Визначення розмірів магнітної системи і маси сталі:

Вибираємо трьохстрижневу конструкцію магнітної системи з косими стиками на крайніх стрижнях і прямими на середньому стрижні. Пресування стрижня відбувається бандажами із склострічкі, ярма — напівбандажами, намотані поза активної сталі. Сталь марки 3405 (0,3 мм).

Розміри пакетів в перерізі стрижня і ярма.

Розміри пакетів вибрані за тал. 8.3 для стрижня діаметром d = 0,27 мм. Кількість ступенів в перерізі стрижня вісім, в ярма шість.

Основні розміри магнітної системи зображені на рис. 2.7. Розміри пакетів в перерізі стрижня наведені на рис. 2.8.

Площа ступінчастої фігури перерізу стрижня, ярма і об'єм кута магнітної системи вибираємо з табл 8.7 :

П_ф.с=516 см². де = 0,93 постійна стала;

П_ф.я=519 см²;

H_я=26 см, V_к=11,76 дм³.

Активний переріз ярма і стрижня:

см²;

см²;

Довжина між вісямі обмотки:

см, приймаємо А=59 см.

Визначаємо висоту вікна:

cм,

де з табл. 4.5

Маса кута магнітної системи:

кг,

де кг/дм³ — густина електротехнічної холоднокатної сталі.

Маса стрижня магнітної системи:

кг.

Маса ярма магнітної системи:

кг.

Маса сталі магнітної системи:

кг.

Розрахунок втрат неробочого ходу:

Оскільки ми проектуємо трансформатор з трьохстрижневою магнітною системою, максимальну індукцію, яка вказує на втрати в сталі можна прийняти рівною розрахованій індукції В_к = В_с=1,646 Тл.

Тл;

З таблиці 9.2 знаходимо значення питомих втрат і з таблиці 9.3 коефіцієнти збільшення втрат для кутів з прямими та косими стиками:

р_с=1,238 Вт/кг, р_я=1,238 Вт/кг, к_пр=2,61, к_к=1,59;

Формула для обчислення втрат холостого ходу має вигляд:

Вт, Декількість прямих кутів, -кількість косих кутів;

Втрати вийшли більше, ніж по ГОСТ 11 920;85 на %,

що допустимо табл. 6.1 .

Струм неробочого ходу.

Середня індукція в косому стикові:

Тл.

Знаходимо значення питомих намагнічувальних потужностей стрижня, ярма, прямого і косого стика з табл. 9.2 і з табл. 9.3. — коефіцієнти потужності для кутів з прямими та косими стиками:

BA/кг; BA/кг; BA/см²; BA/см²; BA/см²;;; .

Намагнічуюча потужність неробочого ходу:

ВА.

Відносне значення струму неробочого ходу у відсотках номінального струму:

А.

Відносне значення aктивнoї складової струму неробочого ходу в %:

%

Відносне значення реактивної складової струму неробочого ходу в %:

%

Струм вийшов більшим на % ,

що є допустимим табл. 6.1 .

Коефіцієнт корисної дії трансформатора:

%.

2.7 Розрахунок характеристик

Залежність коефіцієнта віддачі від коефіцієнта навантаження.

Розрахунок проведений на комп’ютері за допомогою програми MathCAD.

Розрахунок проводимо для і, коефіцієнт змінюється в межах від. Результати зведені в таблицях, а графік залежності коефіцієнта віддачі від коефіцієнта навантаження показаний на рис. 2.4.

Залежність зміни напруги від характеру навантаження:

де,; ;

Результати зведені в таблицях, а графік показаний на рис. 2.5.

Розрахунок зовнішніх характеристик:

;

результати зведені в таблицях, а графік показаний на рис. 2.6.

Графіки розрахованих характеристик зображені на рис 2.4., рис 2.5., рис 2.6., і зображені на кресленні.

Рис. 2.4. Залежність коефіцієнта віддачі від коефіцієнта навантаження Рис. 2.5.Залежність зміни напруги від характеру навантаження Рис. 2.6. Зовнішні характеристики

Рис 2.7. Трансформатор ТМ-2500/35. Розміри магнітної системи.

Рис 2.8. Трансформатор ТМ-2500/35. Переріз стрижня і ярма.

проектування силовий трансформатор електричний

3.ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК

3.1 Тепловий розрахунок обмоток

Розрахунок питомого тепловог навантаження обмотки НН:

Вт/м²,

де коефіцієнт закриття поверхні котушки:

;

Периметр НН котушки:

см.

Розрахунок питомого тепловог навантаження обмотки ВН:

Вт/м²,

;

Периметр ВН котушки:

см.

Перевищення температури обмоток над температурою оливи:

Обмотка НН :

де — коефіцієнт швидкості руху масла, — коефіцієнт затруднення конвекції , — по табл. 9.3 ;

де д — товщина ізоляції провідника на одну сторону, — теплопровідність паперової ізоляції табл. 9.1 ;

.

Обмотка ВН :

,

.

3.2 Розраховуємо розміри бака і поверхні охолодження бака і кришки

Знаходимо ширину бака:

приймаєм 80 см. см-ізоляційна відстань від зовнішньої обмотки до стінки бака табл. 10.7 .

Знаходимо довжину бака:

см,

де, А — відстань між вісямі стрижнів магнітопровода.

Визначаємо глибину бака:

см,

де Н-висота вікна; h_я-висота ярма; h_{я, кр}-сума відстані від магнітопроводу до дна і кришки бака табл. 10.7 ;

Гладкий овальний бак:

м²,

м².

3.3 Визначення перенагрівів

Визначаємо допустиме середнє перевищення темперетури масла над повітрям з умови, що температура найбільш нагрітих котушок обмотки перевищувала температуру повітря не більше, ніж допускається ГОСТ 11 677–85:

.

Визначаємо перевищення температури масла в верхніх шарах:

що нижче допустимого .

Розраховуємо похибку :

,

,

де — між осьова відстань табл. 10.8 ;

По таблиці 10.6; визначаємо Вт/м².

Втрати, що відводяться з поверхні бака:

Вт.

Втрати, що відводяться з поверхні радіаторів:

Вт.

Необхідна поверхня радіаторів:

м²

По табл. 10.8; вибираємо два радіотора H_p=1795 мм; H_o.p=1600 мм; з чотирма рядами труб

П_р=17,94 м²; G_р=192 кг; G_м.р=108 кг.

Уточнюємо q_б :

Вт/м²,

по табл. 10.6 знаходимо .

Визначаємо перевищення температури обмотки НН над повітрям :

.

Визначаємо перевищення температури обмотки ВН над повітрям :

.

Обидва значення попадають в межі допустимого значення .

3.4 Визначення маси трансформатора

Маса активної частини сталі:

кг,

де маса провода визначається

кг.

Маса бака з радіаторами :

кг,

де м³,

м²,

мм — товщина стали бака, м².

Загальна маса оливи:

кг, де м³, а м³.

Маса трансформатора:

кг.

4. ОПИС КОНСТРУКЦІЇ

Трансформатор складається з наступних основних вузлів: бак, активна частина, радіатор, вводи, захисні пристрої, контрольні прилади.

Бак трансформатора зварний, гладкими стінками, з підвішеними радіаторами, що забезпечують необхідну поверхню охолодження. До дна бака приварена жорстка рама з отворами для кріплення трансформатора до фундаменту, або катка. В нижній частині бака є пробки для спуску масла і болт заземлення. Підйом бака і трансформатора здійснюється за крюки, що розміщені під верхньою рамою бака.

Активна частина складається з остова, обмоток, високовольтного перемикача. Остов складається з магнітопроводу. Магнітопровід трьох стрижневий, шихтований з холодновальцьованої електротехнічної сталі. Верхні ярмові балки остова мають вухо для підйому активної частини. Обмотки трансформатора алюмінієві. Розташування обмоток концентричне. Регулювання напруги здійснюється при допомозі високовольтного трифазного перемикача рейкового типу з ковзаючим контактом. В перемикачі використаний лінійний ковзаючий контакт, що розміщений на нерухомій планці. Нерухомі контакти встановлені на планці, яка кріпиться до верхньої консолі магнітопровода. Кінці регулювальних котушок обмотки високої напруги з'єднані з нерухомими контактами рейкового перемикача. Обертання перемикача здійснюється при допомозі магнітної вилки з наконечником, нижній кінець якого відповідно з'єднаний через барабан і зубчату рейку з рухомою планкою, а верхній кінець виходить на кришку трансформатора. На наконечник встановлюється ковпак привода.

Вводи високої напруги та низької напруги зовнішньої установки, ізолятори прохідні фарфорові. До верхньої частини струмоведучого стержня ввода низької иапруги кріпиться спеціальний контактний зажим з лопаткою, що забезпечує під'єднання плоскої шини. Вводи розташовані на кришці.

Для захисту трансформатора встановлюють запобіжний клапан, що спрацьовує при раптовому підвищенні тиску. Бак трансформатора повинен бути заземленим. Для з'єднання заземлюючої шини в нижній частині бака є передбачений спеціальний пристрій з болтом. Для вимірювання температури верхніх шарів масла в баці на кришці встановлений термометричний сигналізатор. Для контролю внутрішнього тиску встановлений електроконтактний мановакууметр. Для захисту мережі низької напруги трансформатор забезпечений пробивним запобіжником. Загальний вигляд трансформатора зображений на кресленні ДП 3151.00.00. СК