Проектирование силового трансформатора мощностью 630 кВА

Содержание работы

Аннотация

Введение

Аналитический обзор

Расчеты и основные результаты работы:

1.    Техническое задание

2.    Предварительный расчёт трансформатора

3.    Расчёт обмотки низкого напряжения

4.    Расчёт обмотки высокого напряжения

5.    Расчёт параметров короткого замыкания

6.    Расчёт магнитной системы трансформатора

7.    Расчёт потерь и тока холостого хода

8.    Тепловой расчет

9.    Расчёт основных геометрических размеров бака трансформатора

10.  Тепловой расчёт бака. Окончательный расчёт превышения температуры обмоток и масла

11.  Определение массы масла и конструктивных материалов

12.  Коэффициент полезного действия трансформатора

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

Аннотация

Темников Ю.В. Трансформатор масляный герметизированный ТМВГ-630/6.

Страниц:

Иллюстраций:

Приложений:

Таблиц:

Представлены результаты расчета масляного трансформатора на мощность S_н=630 кВА, напряжение высокой стороны U_ВН=6300 В, напряжение низкой стороны U_HH=690 В, при частоте питающей сети f=50 Гц.

Спроектирован вариант герметизированного трехфазного двухобмоточного масляного трансформатора с пространственной навитой магнитной системой из холоднокатаной анизотропной стали марки 3406. Сборка магнитной системы: магнитопровод состоит из трех овальных пакетов, собранных из стальной ленты переменной ширины. Обмотка НН из алюминиевой ленты, обмотка ВН – непрерывная катушечная из прямоугольного алюминиевого провода. Расчет выполнен в соответствии с рекомендациями, данными, изложенными в учебном пособии Тихомирова П.М. «Расчет трансформаторов», М.: Энергоатомиздат, 1996. – 528с.: ил.

Введение

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью до 5 кВА для трехфазных сетей и силовые трансформаторы с выходной мощностью от 5 кВА и выше.

В данной работе спроектирован силовой трансформатор, мощностью 630 кВА.

Навитая магнитная система, использованная в проекте, позволила уменьшить массу используемой электротехнической стали, и улучшить характеристики холостого хода (подробнее в пункте 7). Герметизированная конструкция бака с волнами позволила отказаться от громоздких радиаторов, которые значительно увеличивали бы габариты трансформатора, и от расширителя, тем самым сэкономить на трансформаторном масле (подробнее в пунктах 10-12).

Современные способы изготовления витых магнитопроводов позволяют значительно сэкономить на их сборке. В настоящее время начинается применение лазеров в резке электротехнической стали. Исследования Бухановой И.Ф., Дивинского В.В и Журавеля В.Э – сотрудников НПЦ «Лазертерм» АО ВНИИЭТО – показали, что «одним из самых перспективных бесконтактных методов уменьшения потерь на перемагничивание анизотропной электротехнической стали, является лазерная обработка поверхности. При локальном лазерном нагреве в поверхностных слоях материала создаются термические напряжения, изменяющие характер доменной структуры в зонах, прилегающих к лазерной дорожке. Разработанный экологически чистый технологический процесс обработки поверхности электротехнической стали излучением непрерывного СО₂-лазера позволяет обрабатывать трансформаторную сталь без нарушения изоляционного покрытия и создания дополнительных механических напряжений». Затраты на новую технологию окупятся на заводе менее чем за год, при увеличении стоимости трансформатора на 5%. При этом покупатель получает трансформатор немного дороже аналогичного, но более выгодного в эксплуатации. За первый же год эксплуатации покупатель экономит на электроэнергии сверх той суммы, что он переплатил за более современный трансформатор.

Аналогичный эффект можно получить при использовании навитой магнитной системы. Соответственно, при внедрении обеих технологий в трансформаторостроение можно получить внушительный экономический эффект. Подобная технология немного увеличит стоимость трансформатора, но значительно упростит его производство и улучшит его качество. Такой трансформатор более выгодный в эксплуатации, чем трансформатор, выполненный по старой технологии (в особенности трансформатор с плоской магнитной системой).

Также уменьшению потерь холостого хода способствует применение современных видов холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, таких как 3408 и 3409. Удельные потери этих видов сталей меньше потерь устаревших 3404 и 3405. К сожалению, в настоящее время в нашей стране нет производителей качественной электротехнической стали, за исключением нескольких заводов. Этот фактор сказывается на ее цене. Более современная саль дороже, но обеспечивает снижение магнитных потерь в трансформаторе, в особенности, если сталь имеет малую толщину, например 0,27мм.

С учетом вышеописанных возможностей в данном проекте рассчитан трансформатор, имеющий пространственную навитую магнитную систему, изготовленную из стали 3406 (лучшую из описанных в доступной литературе).

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Краткое описание конструкции трансформатора. Главной частью трансформатора является, так называемая, активная часть, включающая в себя магнитопровод и обмотки. Обмотки служат для трансформации электрической энергии в энергию магнитного поля. Магнитопровод служит для передачи энергии магнитного поля. Активная часть полностью погружена в трансформаторное масло, служащее изолятором и теплоотводом. Активная часть зафиксирована в баке при помощи подъемных шпилек. Бак полностью герметичен, масло заливается под вакуумом. Структура стенок бака позволила отказаться от расширителя масла. На баке установлены вводы – проходные изоляторы, для подключения нагрузки и сети. Внутри активной части расположено устройство ПБВ, переключатель которого находится на крышке бака. Также на крышке расположены коробка выводов, для подключения устройств автоматики, таких как термодатчик и мановакуумметр; пробка для заполнения маслом. Внизу бака имеется пробка для слива масла и зажим заземления. Ко дну бака приварены швеллеры с переставными катками, для транспортировки и установки трансформатора.

Описание основных материалов, используемых в трансформаторе.

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т.е. сталь магнитной системы, металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформатора, например электроизоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т.д., и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах.

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь. Это сталь с определённой ориентировкой доменов, имеющая значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость по сравнению с горячекатаной сталью.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия её магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа стали. Наилучшие магнитные свойства эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства существенно ухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен под углом, отличающимся от 0⁰, к направлению прокатки.

Другой активный материал трансформатора - металл обмоток. В трансформаторах средней мощности чаще применяется алюминий. Плотность алюминия 2700 кг/м³. Таким образом, алюминий примерно в 3,5 раза легче меди. При этом стоимость алюминия значительно меньше стоимости меди, которой в электромашиностроении применяются лишь несколько видов.. Температура плавления 657 ⁰С, удельное сопротивление 0,5 мкОмּм., предел прочности при растяжении σ_Р=160-170 МПа.

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло (ГОСТ 982-80) - жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя. В данном проекте использовано масло ТК-1500.

Кабельная бумага (ГОСТ 23436-83) изготовляется из сульфатной небелёной целлюлозы и выпускается в рулонах шириной 500, 650, 670, 700, 750 и 1000 мм (±3 мм) при диаметре рулона от 450 до 800 мм. В трансформаторах применяется бумага главным образом марки К-120 толщиной 120 мкм для изоляции обмоточного провода; в виде полос разной ширины для межслойной изоляции и в многослойных цилиндрических обмотках класса напряжения 6, 10 ,20 и 35 кВ; в виде полосок шириной 20-40 мм, наматываемых вручную.

Картон электроизоляционный (ГСТ494-83) марки Г – картон средней плотности с повышенным сопротивлением к расслаиванию, применяется для получения склеенного картона и изготовления изоляционных деталей. Плотность 1000 кг/м³, толщина листа, используемого в проекте – 0,50мм, ширина рулона 1000мм.

Трубки электротехнические бумажно-бакелитовые (ГОСТ 8726-80). Изготавливаются путем намотки из электроизоляционной пропиточной или намоточной бумаги, предварительно покрытой пленкой бакелитового лака с последующей лакировкой и полимеризацией лака. Выпускаются трубки марки ТБ. Длительно допустимые рабочие температуры от -60 до +105 ⁰С. Трубки обладают высокой электрической и механической прочностью.

Дерево (бук). В масляных трансформаторах применяется для реек, прокладываемых между слоями обмоток при рабочем напряжением не свыше 10кВ. В данном проекте, также используется в качестве опоры для остова. Многослойные плиты из шпона используются в качестве прессующих колец

Фарфор, использован во вводах.

К конструкционным материалам можно отнести тонколистовую сталь, из которой изготовлен бак, и сталь, из которой изготовлены швеллеры; чугун, из которого изготовлены катки; стеклолента, используемая при стяжке навитых полуколец.

В настоящее время трансформаторы с навитой пространственной магнитной системой и герметичным баком встречаются крайне редко, это обусловлено консерватизмом в трансфоматоростроении. Поэтому данные для сравнения отсутствуют. В настоящее время на рынке можно найти лишь один трансформатор подобного исполнения – ТМВГ – 250/10. В виду схожести конструкции рассчитываемый трансформатор относим к той же серии.

РАСЧЕТЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Техническое задание

S =630 кВ А - полная мощность;

m =3 - число фаз трансформатора;

f=50 - частота сети;

U_1Н /U_2Н =6.3/0.69 кВ - номинальное напряжение;

Δ/Y -11 - схема и группа соединения;

u_к =5.0% - напряжение короткого замыкания;

i₀ =1.5% - ток холостого хода;

P =1.3 кВт - потери холостого хода;

P =7.2 кВт - потери короткого замыкания;

n =5 - число ступеней переключения напряжения;

способ охлаждения - масляное, естественное;

установка - наружная.

2. Предварительный расчет трансформатора

2.1. Расчет основных электрических величин

2.1.1. Мощность одной фазы и одного стержня:

S_Ф=S_Н/3=630/3=210 кВА

2.1.2. Номинальные токи:

на стороне ВН (Δ): I_ВНЛ==57,74 А

на стороне НН (Y): I_ННЛ==527,15 А

2.1.3. Фазные токи:

на стороне ВН (Δ): I_ВНФ= 33,34 А

на стороне НН (Y): I_ННФ=I_ННЛ=527,15 А

2.1.4. Фазные напряжения:

на стороне ВН (Δ): U_ВНФ=U_ВНЛ=6300 В

на стороне НН (Y): U_ННФ==398,37 B

2.1.5. Испытательные напряжения (определяются по табл.4.1 [1]):

на стороне ВН (Δ): U_ВНисп=25 кВ

на стороне НН (Y): U_ННисп=5 кB

2.1.6. Для испытательного напряжения обмотки ВН (U_ВНисп=25 кВ) находим изоляционные расстояния (по табл.4.5 [1])

Таблица 1. Изоляция обмоток ВН для масляных трансформаторов

Uисп для ВН, кВ	ВН от ярма, l0, мм	Между ВН и НН, мм			Между ВН и ВН, мм
		a12	δ12	lЦ2		a22	δ22
25	30	9	3	15		10	-

2.1.7. Для испытательного напряжения обмотки НН (U_ННисп=5 кВ) находим изоляционные расстояния (по табл.4.4 [1]):

Таблица 2. Изоляция обмоток НН для масляных трансформаторов

Uисп для НН, кВ	НН от ярма, l0, мм	НН от стержня, мм
		ац2	δ01	lЦ1	а01
25	30	-	Картон 2х0,5	-	5

2.1.8. Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

U_ка=1,14%

2.1.9 Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %:

U_кр==4,87%

2.2. Выбор марки стали и конструкции магнитной системы.

Выбираем пространственную навитую неразрезную трехфазную магнитную систему, состоящую их трех навитых колец. Сечение каждого полукольца вписано в окружность. Прессовка стержней осуществляется стеклолентой шириной 20мм. Ярма не прессуются. Эскиз на рисунке 1.

Материал магнитной системы – холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь марки 3406, толщина листа 0,27мм. Изоляционное покрытие - нагревостойкое без лакировки. Индукция в стержне В_с = 1,6Тл (по табл.2.4 [1]). Коэффициент заполнения сталью k_з=0,95 (по табл.2.2 [1]), коэффициент заполнения круга k_кр=0,904 (стр.371 [1]).

Коэффициент заполнения круга сталью – k_c=k_кр ·k_з=0,95 · 0,904=0,859.

рис.1. Эскиз магнитопровода трансформатора.