курсач трансформаторы

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования
«Петрозаводский государственный университет»
Курсовая работа по дисциплине «Электрические машины» по
теме «Трансформаторы»
Автор работы:
студент группы 21219
Ратманов А.С.
Петрозаводск
2023
1
Содержание
1. Общая часть……………………………………………………………………3
1.1. Пути развития отечественного трансформаторостроения……………..3
1.2. Характеристика основных узлов проектируемого трансформатора......4
2. Расчетная часть…………………………………………………………….…..6
2.1. Расчет основных электрических величин трансформатора……………6
2
1. Общая часть
1.1. Пути развития отечественного трансформаторостроения.
Одним из важнейших преимуществ переменного тока перед постоянным
является легкость и простота, с которой можно преобразовать переменный ток
одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Достигается это
посредством простого и остроумного устройства -трансформатора, созданного
в 1876 г. замечательным русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.
Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве
трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей.
Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с
замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время,
появились значительно позднее, в 1884 г. С изобретением трансформатора
возник технический интерес к переменному току, который до этого времени
не применялся.
Выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский в 1889 г.
Предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый
трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На
электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. ДоливоДобровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу
трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел
мощность 230 КВт при напряжении 95 В.
В дальнейшем начали применять масляные трансформаторы, так как было
установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей
охлаждающей средой для трансформаторов.
При помощи трехфазных трансформаторов напряжение генератора в Лауфене
повышалось до 15 кВ и понижалось во Франкфурт-на-Майне до 65В (фазное
значение), при котором осуществлялось питание трехфазного асинхронного
двигателя для насосной установки мощностью 75 кВт. При дальнейших
опытах напряжение в линии электропередачи повышалось до 28кВ посредстве
последовательного включения обмоток ВН двух трансформаторов. К. п. д.
электропередачи был 77,4% и считался тогда высоким.
К 1930 г. был построен трехфазный пятистержневой трансформатор
мощностью 100 МВА, а к 1936 году — трехфазный групповой трансформатор
мощностью 365 МВА при нормальном охлаждении и 803 МВА при
форсированном охлаждении. В связи с передачей значительных количеств
3
электроэнергии на все большие расстояния росло рабочее напряжение
трансформаторов:
 110 кВ в 1907 г.
 220 кВ в 1921 г.
287,5 кВ в 1937 г.
 400 кВ в 1952 г.
 500 кВ в 1958 г.
 750 кВ в 1970 г.
На данный момент самым мощным трансформатором в РФ является ТЦ630000/ установленный на Курской атомной электростанции. Его мощность –
630 МВА, а вес – 400 тонн. Изготовлен гигант в 2007 году московской
компанией «Электрозавод». Трансформатор выполнен на современном
техническом уровне с использованием новых конструктивных и
технологических решений.
Трансформатор выполнен на современном техническом уровне с
использованием новых конструктивных и технологических решений. В
результате внедрения новейших научно-технических
разработок
характеристики трансформатора ТЦ-630000/330 значительно превосходят
минимально необходимые характеристики по ГОСТу. Так, потери холостого
хода снижены на 38 процентов, транспортная масса – на 22,2 процента, полная
масса – на 14,5 процента, масса масла – на 12,9 процента.
По техническим параметрам, надежности, удобству монтажа и эксплуатации
трансформатор соответствует самым современным требованиям. Его
особенность – полная взаимозаменяемость с аналогичным оборудованием,
установленным на объектах «Росэнергоатома», что позволяет значительно
сократить расходы и время по монтажу.
1.2. Характеристика основных узлов проектируемого трансформатора.
Современный трансформатор – сложное устройство, состоящее из
большого числа узлов, деталей и металлоконструкций. Основными узлами
масляного трансформатора (с естественным масляным охлаждением)
мощностью до 5 600 кВ·А являются:
4
1) магнитопровод;
2) обмотка высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) с
изоляционными деталями;
3) бак;
4) крышка;
5) расширитель;
6) вводы ВН и НН;
7) переключатель;
8) вспомогательная аппаратура для обслуживания и защиты
трансформатора.
Магнитная система (магнитопровод) служит для локализации в ней
основного магнитного поля трансформатора.
Обмотка – совокупность витков из проводников, в которой суммируются
наведенные в них ЭДС для получения высшего, среднего или низшего
напряжений трансформатора. Электротехническую сталь и медь
(алюминий), из которых изготовлены магнитная система и обмотки с
отводами, называют активными материалами.
Магнитная система в собранном виде с соединяющими ее деталями и
ярмовыми балками образует остов трансформатора. Остов трансформатора
с обмотками, отводами, элементами переключающего устройства и
деталями для их механического крепления называют активной частью
трансформатора.
Отводы служат для соединения обмоток с выводами и переключающим
устройством, а переключающее устройство – для регулирования
напряжения трансформатора. Активную часть воздушного трансформатора
иногда закрывают кожухом (защищенное исполнение), который
обеспечивает свободный доступ охлаждающего воздуха, защищая
одновременно активную часть от попадания посторонних предметов.
Активную часть масляного трансформатора помещают в бак, заполняемый
трансформаторным маслом или другим жидким диэлектриком,
являющимся основной изолирующей средой и теплоносителем в системе
охлаждения.
Бак состоит из дна, стенки, крышки. Бак со съемной крышкой называют
баком с верхним разъемом; с разъемом вблизи дна (для отделения и
подъема верхней части) – колокольным; с уплотнениями, исключающими
сообщение между внутренним объемом и окружающим атмосферным
воздухом, – герметичным.
На стенках бака размещают охладители, приводной механизм, иногда
контакторы переключающего устройства, а также термосифонный фильтр,
коробки контактных соединений для приборов контроля и сигнализации.
Крышку бака используют для установки вводов, расширителя и
предохранительной трубы.
Вводы служат для присоединения обмоток трансформатора к сети,
расширитель – для компенсации колебаний уровня масла в баке при
изменениях нагрузки и температуры окружающей среды. Расширитель
5
всегда размещают выше уровня крышки. Для защиты масла в расширителе
от увлажнения используют воздухоосушитель, представляющий собой
сосуд, который сообщается с одной стороны с атмосферным воздухом, а с
другой стороны – с воздухом, заполняющим внутренний объем
расширителя над «зеркалом» масла.
Для наблюдения за уровнем масла в расширителе применяют
маслоуказатели либо со стеклянной трубкой или пластиной, либо
стрелочный. В трубопровод расширителя помещают газовое реле,
реагирующее на выделение газа при повреждении в активной части
трансформатора.
Предохранительная труба – защитное устройство, предупреждающее
повреждение бака при внезапном повышении внутреннего давления и
представляющее собой стальной цилиндр, один конец которого сообщается
с баком, а другой закрыт стеклянным диском.
В крышке устанавливают гильзы для датчиков термосигнализаторов,
измеряющих температуру верхних слоев масла трансформатора.
Термосигнализатор имеет электроконтактное устройство, которое
включается при заранее заданной температуре.
Контакты термосигнализатора включают сигнальную или иную цепь,
предупреждая обслуживающий персонал о недопустимом повышении
температуры масла в трансформаторе.
2. Расчетная часть
2.1. Расчет основных электрических величин трансформатора
Мощность одной фазы 𝑠ф , кВА:
𝑆ф =
𝑠 160
=
= 53,3кВА
𝑚
3
Где S – Полная мощность, m – количество фаз.
Номинальный
𝐼ном =
𝐼ном вн =
ток𝐼ном ,
𝑆 ∗ 1000
А:
√3 ∗ 𝑈
160 ∗ 1000
= 2,642 А
1,73 ∗ 35000
160 ∗ 1000
= 231,214 А
1,73 ∗ 400
где U-номинальное линейное напряжение обмотки, В. Для трехфазного
трансформатора, соединенного в звезду или зигзаг, имеем: 𝐼ф = 𝐼ном
𝐼ном нн =
6
𝐼ф вн = 2,642 А
𝐼ф нн = 231,214 А
𝑈ф =
𝑈ном
√3
35000
𝑈ф вн =
= 20231,2 В
1,73
400
𝑈ф нн =
= 231,214 В
1,73
Используя заданные потери короткого замыкания, можно определить
активную составляющую напряжения короткого замыкания 𝑈𝑎 :
𝑃𝑘
2650
𝑈𝑎 =
=
= 1,656 В
10𝑆 18 ∗ 160
Реактивная составляющая при заданном 𝑈𝑝 определяется как
𝑈𝑝 = √𝑈𝑘2 − 𝑈𝑎2 = √43,56 − 2.742 = 6,389 В
2.2. Выбор изоляционных расстояний и расчет основных размеров
трансформатора.
Исходя из значений фазных напряжений высшей и низшей обмоток, согласно
таблице П.2.2 𝑈исп.вн = 85 В, 𝑈исп.нн = 5 кВ
По таблице П.2.7. выбираем тип обмоток: ВН –цилиндрическая многослойная
из круглого алюминиевого провода, НН –
цилиндрическая двухслойная из прямоугольного алюминиевого
провода.
Для испытательного напряжения обмотки ВН 𝑈исп.вн = 85 кВ, по таблице 2.4
находим изоляционные расстояния: 𝑎12 = 27 мм, 𝑙02 = 75 мм, 𝑎22 = 20мм; для
𝑈исп.нн = 5 кВ по таблице П. 2.3. имеем: 𝑎01 = 4 мм 𝑙02 = 15 мм.
По таблице П.2.6. выбираем коэффициент β = 1.2.
𝑘𝑝 = 0.95, 𝑘𝑐 = 0.9, 𝐵𝑐 = 1.65 Тл.
𝑎1 + 𝑎2
𝑎𝑝 = 𝑎12 +
= 2.7 + 1.92 = 4.62
3
𝑎1 + 𝑎2
4
= 𝑘𝑘𝑝 ∗ √𝑆ф = 0.8 ∗ 2.4 = 1.92
3
𝑘𝑘𝑝 - коэффициент Роговского, определяется по таблице П.2.8.
7
При помощи полученных данных определяем диаметр стержня:
4
𝑆ф ∗ 𝑎𝑝 ∗ β ∗ 𝑘𝑝
2.4 ∗ 2.44 ∗ 1.2 ∗ 0.95
√
𝐷0 = 16 ∗ √
= 16 ∗
= 11.29154
𝑓 ∗ 𝑈𝑝 ∗ 𝐵𝑐2 ∗ 𝑘𝑐2
50 ∗ 6,389 ∗ 1.652 ∗ 0.92
4
Для данного диаметра по таблице П.2.11. соответствует геометрическое
сечение стержня размеромПф.с = 86.2 см2
Выбираем сталь марки 3405 толщиной 0.35мм с жаростойким покрытием с
отжигом, 𝑘з = 0.97
Определяем ЭДС витка:
𝑈в = 4.44 ∗ 𝑓 ∗ 𝐵𝑐 ∗ П𝑐 ∗ 10−4 = 3.06 В.
Пс = 𝑘з∗ Пф.з = 83.614см
Определяем высоту обмотки:
1
1
𝐻0 = 𝜋 ∗ 𝐷12 ∗ = 3.14* 1.4*11* = 40.3 см
β
1.2
Где 𝐷12 = ∝ * 𝐷0 = 1.4 ∗ 11 = 15.4 см, значение ∝ для алюминия принимаем
равное 1.4
2.3. Расчет обмоток высшего и низшего напряжения
Определяем число витков на одну фазу обмотки НН:
𝑈ф нн 231,214
wнн =
=
= 75.6
𝑈в
3.06
Полученное значение округляется до целого числа wнн = 76.
После округления числа витков определяем напряжение одного витка и
индукцию, действующую в стержне:
𝑈ф нн 231,214
=
= 3.04 В
𝑊нн
76
𝑈в ∗ 104
3.04 ∗ 104
𝐵𝑐 =
=
= 1.638 Тл
4.44 ∗ 𝑓 ∗ Пс 4.44 ∗ 50 ∗ 83,614
𝐼ф нн
231,214
Пв нн =
=
= 144.5
𝐽ср
1.6
Где J – средняя плотность тока по таблице П.2.9.
𝑈в =
Выбираем цилиндрическую обмотку НН.
𝐻0
40.3
=
= 1.03 см
𝑤сл + 1
39
По сечению витка выбираем по таблице П.2.12.
провод АПБ сечением 83.14мм2 ,изоляция 2𝛿 = 0.5, мм на две стороны.
ℎв нн =
8
16 ∗ 5.6
16.5 ∗ 6.1
Полное сечение витка определяется по формуле Пв,нн = 100.65мм2
Полученная плотность тока, А/мм2
АПБ ∗ 1 ∗
𝐽нн =
𝐼ф,нн
144.3
=
= 1.43
Пв
100.65
Осевой размер обмотки, см
𝐻0 = ℎ𝐵 ∗ (𝜔сл + 1) + 0.5
𝑤нн 76
𝜔сл =
=
= 38
2
2
𝐻о.НН = 1.05 ∗ 39 + 0.5 = 40.67
Радиальный размер обмотки, см
𝑎1 = 2 ∗ 𝑎′ + 𝑎11 = 3.3
Внутренний диаметр обмотки:
𝐷1′ = 𝐷0 + 2 ∗ 𝑎01 = 11.08 см
Внешний диаметр обмотки:
𝐷1′′ = 𝐷1′ + 2 ∗ 𝑎1 = 17.68 см
Полная охлаждаемая поверхность обмотки:
По.НН = 2 ∗ с ∗ 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (𝐷1′ + 𝐷1′′ ) ∗ 𝐻о.НН ∗ 10−4
= 2 ∗ 3 ∗ 0.8𝜋 ∗ (11.08 + 17.68) ∗ 40.67 ∗ 10−4 = 1.763 см2
где с – число активных стержней;  – коэффициент, который учитывает
закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными
деталями.
Расчет обмотки высшего напряжения (ВН) начинается с определения числа
витков, необходимого для получения номинального напряжения 𝜔н2 , для
напряжений всех ответвлений.
9
𝜔вн = 𝜔нн ∗
𝑈ф вн 20231,2
=
∗ 76 = 87.5 ∗ 76 = 6650
𝑈ф нн 231,214
Число витков на одной ступени регулирования:
𝑤𝑝 =
2.5 ∗ 𝜔вн
= 167
100
Число витков на ответвлениях:
+5%𝜔вн = 𝑤ном вн + 2 ∗ 𝑤𝑝 = 6650 + 2 ∗ 167 = 6984
Верхние ступени напряжения:
+2.5% ∗ 𝑤вн = 𝑤ном вн + 𝑤𝑝 = 6650 + 167 = 6717
Номинальное напряжение:
𝑤ном вн = 6650
Нижние ступени напряжения:
−2.5%𝑤вн = 𝑤ном вн − 𝑤𝑝 = 6483
−5%𝑤вн = 𝑤ном вн − 2 ∗ 𝑤𝑝 = 6316
Ориентировочная плотность тока, А/мм2 :
𝐽вн = 2 ∗ 𝐽ср − 𝐽нн = 2 ∗ 1.7 − 1.43 = 1.97
Число витков в слое:
𝑤сл =
𝐻0
40.67
−
1
=
− 1 = 347
𝑏′
8.56
Число слоев в обмотке:
𝑛сл =
𝑤вн 6650
=
≈ 19.16 = 19
𝑤сл
347
Рабочее напряжение двух слоев,
10
𝑈м сл = 2 ∗ 𝑤сл ∗ 𝑈в = 3.04 ∗ 2 ∗ 347 = 2109.76
Межслойную изоляцию выбираем (по таблице П.2.5.) в четыре слоя
кабельной бумаги 0.12 мм, выступ на торцах обмотки 1.6см на одну сторону.
Радиальный размер обмотки без экрана, см:
𝑎2 = 𝑎′ ∗ 𝑛сл + 𝛿м,сл ∗ (𝑛сл − 1) + 𝑎11 ∗ 𝑛кан = 3.08
Радиальный размер обмотки с экраном, см:
𝑎2′ = 𝑎2 + 𝛿экр + 2 ∗ 𝛿м,сл = 3.2
Расчетный размер канала между обмотками НН и ВН, см:
′
𝑎12
= 𝑎12 + 𝛿экр + 2 ∗ 𝛿м,сл = 2.85
Внутренний диаметр обмотки по внутреннему слою провода, см:
′
𝐷2′ = 𝐷1′′ + 2 ∗ 𝑎12
= 23.4
Наружный диаметр обмотки, см:
𝐷2′′ = 𝐷2′ + 2 ∗ 𝑎2′ = 29.84
Поверхность охлаждения обмотки:
По.ВН = 𝑐 ∗ 𝑛 ∗ 𝑘 ∗ 𝜋 ∗ (𝐷2′ + 𝐷2′′ ) ∗ 𝐻о.ВН ∗ 10−4
= 3 ∗ 1 ∗ 0.88𝜋 ∗ (23.4 + 29.84) ∗ 40.67 ∗ 10−4 = 1.795м2
где =0.88 – коэффициент, который учитывает закрытие части поверхности
обмотки
рейками
и
другими
изоляционными
деталями,
n=1 – число внутренних и наружных поверхностей.
11
2.4.
Расчет параметров короткого замыкания (КЗ)
Масса металла обмотки НН, кг:
МА нн
𝐷1′ + 𝐷1′′
= 8.47 ∗ с ∗
∗ 𝑤нн ∗ Пв нн ∗ 10−5 = 40.13
2
Основные потери НН, Вт:
2 ∗М
2
𝑃осн нн = 12.75 ∗ 𝐽нн
А нн = 12.75 ∗ 1.43 ∗ 40.13 = 1046.29
Масса металла обмотки ВН,
кг,
12