Электрооборудование Баранов

МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования

«Тульский государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В.П.Грязева

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электрооборудование промышленности» на тему

« Расчет силового трансформатора ТДНС 10000/36,75/10,5 »

Студент Баранов Р.А

Группа 121242 Вариант 91

Руководитель Чумаков А.В. Дата _____________

Члены комиссии:________________________

_______________________________________

_______________________________________

Тула 2015

МИНОБРНАУКИ РФ ФГБОУ ВО «Тульский Государственный университет»

Институт высокоточных систем им. В.П Грязев Кафедра «Электротехника и электрооборудования»

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу по дисциплине : Электрооборудование промышленности студента группы 121242 Ф.И.О студента Баранов Роман Александрович

Тема проекта «Расчет силового трансформатора ТДНС 10000/36,75/10,5 »

Входные данные: Тип трансформатора – ТДСН Номинальная мощность – S=10000 кВА

Номинальное напряжение обмотки: U_вн=36,75 кВ; U_нн=10,5 кВ Напряжение к.з: U_к = 8,0%

Ток ХХ: i_o=0,8%

Потери: Короткого замыкания - P_к=65 кВт Холостого хода – P_x=12,3кВт

Материал обмоток - Алюминий Вид переключения обмоток -РПН Схема и группа соединений – У/У-0

Задание получил Баранов Р.А «____»__________________________2014 г.

Срок представления задания «_____»_________________________2014 г.

Руководитель _________ Чумаков А.В «_____»_______________2014 г.

К защите. Руководитель_______ ________ «______»____________2014г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛЕЧИН 4

2. ВЫБОР ГЛАВНОЙ И ПРОДОЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ 6

3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОПРОВОДА 8

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА 10

5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК 14

6. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 16

7. РАСЧЕТ ОБМОТОК НИЗШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ 21

8. РАСЧЕТ ОБМОТОК ВЫСШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ 25

8.1. Выбор схемы регулирования напряжения 25

8.2. Расчет многослойной цилиндрической обмотки ВН из прямоугольного

провода 26

9. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ 29

9.1. Определение потерь короткого замыкания 29

9.2. Расчет напряжения короткого замыкания 31

10. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА 33

10.1. Определение размеров магнитной системы 33

10.2. Расчет потерь холостого хода 34

10.3. Расчет тока холостого хода трансформатора 34

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 37

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

Изм. Лист

№ докум.

Подпись Дата

Разраб.

Баранов Р.А.

Расчет силового

Лит.

Лист

Листов

Провер.

Чумаков А.В.

2

37

Реценз.

трансформатора

ТулГУ, каф. Э.,

Н. Контр.

ТДНС 10000/36.75/10.5

гр.121242.

Утверд.

ВВЕДЕНИЕ Задания на выполнение курсовой работы охватывают основные разделы

курса «Электрооборудование промышленности».

Целью курсовой работы является изучение основных методов расчета трансформаторов.

В результате расчета необходимо:

– выбрать конструкцию магнитной системы и конструкцию главной изоля-

ции;

– определить основные размеры трансформатора;

– выбрать конструкцию и произвести расчет обмоток низшего и высшего напряжения;

– определить потери короткого замыкания и напряжения короткого замыка-

ния;

– произвести расчет магнитной системы, определить параметры холостого

хода.

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

3

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛЕЧИН Определим мощность одной фазы S_Ф и одного стержня S, кВА по формуле

(1), [7]:

S  S_н /m;

S S_н /c,

(1.1)

ф

где с – число стержней; m – число фаз;

S_н – полная мощность трансформатора.

Мощность одной фазы:

S_ф 10000/3=3333.33КВА

Мощность одного стержня

S10000/3=3333.33КВА

Определим фазные напряжения и токи по формуле (2), [7]:

U

 U / 3 ;

I

 S_н /( 3U ) ,

(1.2)

ф ном i

i

ф ном i

i

где i  1, 2; индекс 1 относится к ОВН, 2 – к ОНН;

U _i – номинальное линейное напряжение i – ой обмотки, приведенное в за-

дании.

Фазное напряжение ВН:

U_{ф ном 1} = 36.75 / 3 = 21.22кВ;

Фазное напряжение НН:

U _{ф ном 2} 10.5/ 3  6.06 кВ;

Номинальный ток ВН

I_{ном 1} 10000/(3 36.5)=157.1А;

Номинальный ток НН

I_{ном 2} 10000/(3 10.5)=549.86А;

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

4

Номинальный фазный ток, т.к. обмотка «звезда-звезда», то

Iном 1Iф ном 1=157.1А; I_{ном 2}  I_{ф ном 2}=549.86А.

Определим по формуле (4), [7] активную и реактивную составляющие на-

пряжения короткого замыкания, % :

u_ка 100 Р_к /S_н ; u_кр 

2

2

u_к

 u_ка .

(1.3)

где Р_к -потери короткого замыкания, кВт;

u_к – напряжение короткого замыкания в трансформаторе, %.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

u _ка 100  65/10000=0.65%;

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

u _кр 8²  0.65²  7.974%.

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

5

2. ВЫБОР ГЛАВНОЙ И ПРОДОЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ Определим испытательные напряжения по [5, таблица 4.1, с.169]: - для обмотки ВН:

U_исп1  85кВ

- для обмотки НН:

U_исп2  35кВ

Выбираем конструкцию главной изоляции масляных трансформаторов на основании [5, рисунок 4.6, с.184]. Выбранная конструкция представлена на ри-

сунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Конструкция главной изоляции трансформатора Определим минимальные изоляционные расстояния НН с учетом конструк-

тивных требований по [5, таблица 4.4, с.183] – для обмоток низшего напряжения

(ОНН):

₀₁  6 мм, а_Ц1 19 мм, а₀₁  30 мм, l_Ц1  70 мм, l₀₁ 80 мм.

Определим минимальные изоляционные расстояния по [5, таблица 4.5] –

для обмоток высшего напряжения (ОВН):

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

6

l₀₂  80 мм, _Ш  3 мм, а₁₂  30 мм, ₁₂  6 мм, l_{Ц 2}  50 мм, а₂₂  30 мм, ₂₂  3 мм.

Минимальные размеры канала h_кр катушечных обмоток ВН в месте распо-

ложения регулировочных витков выбираем по [5, таблица 4.9] см. рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 – Конструкция изоляции в месте разрыва обмотки ВН h _кр 12мм

Выбираем толщину изоляции проводов _из на две стороны по таблице 4.6 [5, с.189]. Для обмоток с испытательным напряжением до 85 кВ _из  0.5мм.

Марка кабеля ПБ (прямоугольный провод – 0.45(0.50), круглый провод

0.30(0.40)).

Выбираем дополнительную изоляцию входных катушек обмоток ВН масля-

ных трансформаторов класса напряжения 85кВ выбираем по табл.4.10 [5, с.196].

Изоляция входных витков первой и второй катушки составляет 1.35(1.50)мм.

Выбор междукатушечной изоляции: масляный канал.

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

7

3. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ МАГНИТОПРОВОДА Для масленого трехфазного силового трансформатора выбираем плоскую

шихтованную стержневую магнитную систему со сборкой впереплет, с четырьмя косыми и двумя прямыми стыками [5, рисунок 2.17,б] см. рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Косые стыки в четырех и прямые в двух углах Выбираем число ступеней стержней с прессующей пластиной согласно таб-

лицы 2.5 и таблицы 2.6 [5] - число ступеней 10 (Число ступеней стержня считает-

ся по числу углов в одной четверти круга);

Коэффициент усиления ярма берем из таблицы 2.8 [5]: 1.015-1.025.

Число и ширина охлаждающих каналов в стержнях выбираем по таблице 2.7

[5]:

число продольных каналов 1;

ширина продольного канала 6мм;

ширина поперечного канала 10мм.

Коэффициент К_кр  0.907 заполнения площади круга ступенчатой фигуры

(определяем по таблицы 2.5 [5]).

Ориентировочный диаметр стержня d  0,40 0,42м .(поперечное сечение которого выполняется в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, со-

гласно таблицы 2.5 [5]).

Марку стали выбираем по таблице 2.3[5] – 3405, толщина 0,35 (мм).

К_з  0.965 – коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры ста-

лью, учитывая толщину изоляционного слоя и не плотность запрессовки листов,

выбираем по таблице 2.2[5], рекомендованной для рулонной стали сжаростойким покрытием и однократной лакировкой при толщине листов 0.35мм.

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

8

Общий коэффициент заполнения сталью (К _с ) площади круга диаметром d

рассчитывается по формуле (3.1):

К _с  К _кр  К_з. (3.1)

К_с  0.907  0.965=0.875.

Форма поперечного сечения ярма выбирается более простой, чем попереч-

ное сечение стержня. Активное сечение ярма принимают равным сечению стерж-

ня или для уменьшения потерь и тока холостого хода берут на 5 – 15 % больше сечения стержня.

Число ступеней в сечении ярма 9 – по таблице 2.8[5].

К_Д = 1,02 – коэффициент усиления ярма по таблице 2.8[5].

Способ запрессовки выбирается по таблице 2.8[5]:

-для ярм прессовка осуществляется стальными балками, стянутыми сталь-

ными полубандажами;

- для стержней прессовка осуществляется бандажами из стеклоленты.

Магнитная система выполнена из стали 3405, выбранной по таблице 2.3[5].

Толщина межслойной изоляции – односторонняя оклейка листов стали бумагой толщиной 0.35мм.

Индукцию в стержня выбираем по таблице 2.4[5]:

B_с 1,65Тл

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

9

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Под основным размером трансформатора понимают: диаметр d окружно-

сти, в которую вписана ступенчатая фигура стержня, осевой размер l (высоту)

обмоток (их среднее значение) и средний диаметр витка двух обмоток d₁₂ [5, ри-

сунок 3.5] (см. рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 – Основные размеры трансформатора По трем основным размерам, определим остальные размеры, определяющие

форму и объем магнитной системы и обмоток.

Основные размеры трансформатора можно связать с мощностью, приходя-

щейся на один стержень:

S 2.22f (B_ср J _ср )П _фсП_ок (К _с К_о ),

где J_ср – средняя плотность тока в обмотках (действ. значение);

П_ок – площадь поперечного сечения окна, занимаемого обмотками;

К_о – коэффициент заполнения окна проводами.

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

(4.1)

Лист

10

Диаметр стержня определим по формуле (4.2):

d  0.507 ₄

S β a_p K_p

,

(4.2)

f uB²

K

2

kp

c

c

где размеры указаны в метрах, а S в к В А .- мощность трансформатора на один стержень.

Величины, входящие в формулу, можно подразделить на три группы:

1) величины, заданные при расчете, – S; частота сети f ; реактивная со-

ставляющая напряжения короткого замыкания u_kp , %.

2) величины, выбираемые при расчете, – отношение длины канала между двумя обмотками к высоте обмоток, приведенная ширина канала рассеяния а_р ;

коэффициент Роговского К_р.

Коэффициент Роговского изменяется в очень узких пределах от 0.46 до 0.48

и по этом согласно таблицы 3.3 [5] может быть принят равным К_р  0.47 .

Исходные данные для расчета B_с 1.65Тл, К_с  0.875.

Для определения предварительных значений а _р и К _р

используем прибли-

женные методы, затем значения уточняются после расчета обмоток.

Значение β_пред приближенно равно отношению средней длины витка двух

обмоток к l_B

трансформатора к их высоте l и определяет соотношение между

шириной и высотой трансформатора



^{ d}12

(Тл)

(4.3)

L

Оптимальное значение выбираем по таблице 3.12 [5,с.159],  1,2 - для ал-

люминия.

Ширина приведенного канала рассеяния определяется по приближенной

формуле (4.4)

а

 а

2

^ар ^{ а}₁₂



1

.

(4.4)

3

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

11

где значение а₁₂  30мм , приведенная ширина двух обмоток определяется по приближенной формуле (4.5)

а₁

 а₂

4

10^-2

 К

S

,

(4.5)

3

Р

где К_р  0.58 - коэффициент Роговского.

Вычислим параметры по формулам (4.4)-(4.5):

^{а1  а2}  0.58 ⁴ 3333.33 10^-2 =0.045м, 3

а_р  30  45  75 мм.

Подставляя все значения в формулу (4.2) находим диаметр стрежня:

_{d  0.507 4} 3333.331.2 0.0750.58 _{ 0.343м,} 50 0.0797 1.65² 0.875²

Полученное по формуле (4.2) значение d ⁽¹⁾ округляем до ближайшего нор-

мализованного значения d=0.35м . согласно указанных нормальных значениях [5,

с.87–89].

Уточняем значение  по формуле (4.5):

d

^βуточн ^{ β}пред⁽

)⁴.

(4.5)

_d(1)



0.35



4

^β уточн ^1.2





1.3.

0.343





Средний размер витка обмоток (средний диаметр канала рассеяния) опреде-

ляем предварительно по формуле (4.6):

d₁₂⁽¹⁾  d  2a₀₁  2a₁ a₁₂ ,

причем a₀₁

и a₁₂ определены в п.3.2.

Радиальный размер ОНН приближенно находим по формуле (4.7)

a K

1

a₁  a₂

,

1

3

где

a₁

 a₂

 0.045м берем из формулы (4.5),

3

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

(4.6)

(4.7)

Лист

12

а значения K₁

1.4 согласно [5, с.164].)

Подставляя числовые значения в формулы (4.6)-(4.7) получаем:

a

1.40.045  0.063м ,

1

d ⁽¹⁾  35  2 30  2 63  30  251мм

12

Найденное значение d₁₂⁽¹⁾ является предварительным, оно будет уточнено

после расчета обмотки НН.

Найдем высоту обмоток по формуле (4.8)

(1)

l

(1)



πd₁₂

.

(4.8)

^βуточн

_l(1) _ 3.15251_=606мм. 1.3

Это значение высоты обмоток является приближенным; его уточким после расчета обмотки НН, т.е. после определения а₁ и d₁₂⁽²⁾.

Найдем активное сечение стержня П_с определяется по формуле (4.9)

^П с ^{ К} з ^П_фс^,

(4.9)

где

П

фс

– находим по таблице 8.7[5], П  868.6см²

в зависимости от диаметра

фс

d .

П_с  0.965  868.6=838.2см²

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

13

5. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК ЭДС витка (предварительно), В :

Е

 4.44f П

В 10^4.

(5.1)

в

с с

Значение П_с, см², берут из главы 4.

Е_в  4.44  50  838.2 1.65 10 ^4  30.7В

Число витков обмотки ВН (предварительно) определим по формуле (5.2):

w 

 U

/Е .

(5.2)

1

ф1

в

w  ⁶⁰⁶⁰ =197.4

1

30.7

Округляем значение w

до целого числа w

198.

1

1

Уточняем ЭДС витка

^Ев

 U

ф1

/w .

(5.3)

1

Е_в  6060/198=30.61В

Номинальное число витков обмотки НН

w

 U

/Е_в  w

^Uф2

.

(5.4)

2 ном

ф2

1 _U

ф1

w _{2 ном} 198 ^21.22 =694. 6.06

Средняя плотность тока в проводах обмоток J_ср (здесь и далее А мм² ) оп-

ределяем по формуле (5.5), вытекающей из формул [5, (5.4), (5.5), (7.10), (7.10,а)],

^Jср

 К_JК_Д

Р_кЕ_в

10

4

,

(5.5)

S d

^н 12

где Р_к , S_н берут из задания (все величины в системе СИ);

К _Д  Р_{эл осн} /Р_к  0.83 берем из таблицы 3.6 [5,c.131].

J_ср  0.4630.83

6530.61

10⁴

=3.046А/мм² ,

10000251

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

14

Значение К_J

зависит от материала провода (алюминий), а также от расчет-

ной температуры обмоток: 75^о С – для масляных трансформаторов.

Значения К_J

берем из таблицы 2[7], К_J  0.463

Определяем предварительное сечение витка по формуле (5.6)-(5.7),

мм ² :

П I

/J

ср

;

(5.6)

1

ф1

П

 I

/J

ср

(5.7)

2

ф2

П₁157.1/3.046=51.6мм²;

П₂  549.86/3.046=180.5мм²

Число реек N _p берем согласно данным, приведенным в [5, с.225]:

N _p 16 реек

Выберем тип обмотки согласно [5,с.258]:

обмотка ВН: многослойная цилиндрическая из прямоугольного провода;

обмотка НН: цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода.

Лист

Изм. Лист № докум. Подпись Дата

ЭТЭО.650.000.000.ПЗ

15

6. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Исходными данными для расчета обмоток низшего (ОНН) и высшего (ОВН)