Электрические машины

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 
 
 
 

• Полная  мощность трансформатора, Sн =400 кВА
• Число фаз, m = 3.
• Частота тока, f = 50 Гц.
• Номинальные напряжения высшее (U₁ =10,5 кВ) и низшее (U₂ =0,4 кВ).
• Схема и группа соединения обмоток:   Y/ Yо -0
• Напряжение короткого замыкания, u_k =6,0%
• Мощность короткого замыкания, P_K = 6.05кВт
• Мощность холостого хода, P₀ = 0.95кВт
• Ток холостого хода, i₀ = 2.0 %.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ  ПРОЕКТА 

  Техническое задание;

     Содержание  проекта;

   Введение;

1. Определение основных электрических величин и изоляционных промежутков трансформатора;
2. Выбор главных размеров трансформатора;
3. Выбор конструкции и расчет обмоток трансформатора;

3.1  Выбор  типа обмотки низкого напряжения

3.2  Выбор  типа обмотки высокого напряжения

4. Расчет характеристики короткого замыкания и стойкости обмоток при возникновении короткого замыкания;

4.1 Потери короткого  замыкания;

4.2 Расчет напряжения  короткого замыкания;

4.3 Расчет механических  сил в обмотках;

4.4 Расчет обмоток  на механическую прочность;

4.5 Расчет температуры  нагрева обмоток при возникновении КЗ;

5. Расчет магнитной системы;

5.1 Определение  размеров и массы магнитопровода;

5.2 Расчет потерь  холостого хода;

5.3 Расчет тока  холостого хода;

5.4 Расчет коэффициента  полезного действия при нормальной  нагрузке;

6. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения;
7. Определение массы трансформатора;

Список литературы; 
 
 

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 рассредоточены по обширной территории страны, требует создания сложных разветвленных электрических сетей.

     Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции 15,75 кВ в современной сети часто применяется последовательность шести 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 превышает общую генераторную мощность в 8—10 раз. В ближайшие 10—15 лет это отношение может повыситься.

     Следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т. е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает большая часть потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

Уменьшение потерь холостого хода (XX) достигается главным образом путем все более широкого применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами — низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке (продольной и поперечной резке рулона на пластины), к толчкам и ударам при транспортировке пластин, к ударам, изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова сочетается с существенным изменением конструкций магнитных систем, а также с новой прогрессивной технологией заготовки, обработки пластин, сборки магнитной системы и остова.

     В новых конструкциях применяются косые стыки пластин в углах магнитной системы, стяжка стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатая форма сечения ярма в плоских магнитных системах. Все более широкое применение находят пространственные магнитные системы, навитые из ленты холоднокатаной стали. Это позволяет уменьшить расход активной стали, потери и ток XX.

     Уменьшение потерь короткого замыкания (КЗ) достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. Кроме того, это достигается заменой медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.

     В настоящее время для силовых трансформаторов установлены две категории качества. К высшей категории относятся трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне лучших мировых достижений или превосходят их; к первой категории — трансформаторы, технико-экономические показатели которых находятся на уровне современных требований  и отвечают нормативно-техническим документам. В качестве основных критериев для отнесения трансформаторов к той или иной категории служат: значения потерь XX и КЗ, тока XX, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности, и другие показатели.

     Одной из важных задач является повышение эффективности использования материальных ресурсов в трансформаторостроении — материалов, топлива и энергии. Эта задача решается в сложном комплексе мероприятий, направленных на уменьшение расхода активных, изоляционных и конструктивных материалов и на уменьшение размеров трансформатора.

     Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее время за счет изменения конструкции магнитной системы, например путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам.

      Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения, достигается путем допустимого снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

     Для обеспечения экономичности работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителями, т. е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Современными стандартами предусмотрен выпуск с РПН всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов напряжения 110, 150, 220, 330 и 500 кВ. При этом у двух и трехобмоточных трансформаторов, как правило, напряжение регулируется при помощи устройства для переключения ответвлений в нейтрале обмотки высшего напряжения. У автотрансформаторов напряжение регулируется у линейного конца обмотки среднего напряжения и в отдельных случаях вблизи нейтрали обмоток.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  ВЕЛИЧИН И ВЫБОР ИЗОЛЯЦИОННЫХ РАССТОЯНИЙ

 

     Расчет  электрических величин является  первым этапом проектирования  трансформатора. Результаты полученные  на этом этапе, определяют выбор основных размеров, электромагнитных нагрузок на последующих этапах.

   1.1. Мощность одной фазы:

 

1.2. Мощность на один стержень магнитопровода: 

   где с- число стержней магнитопровода.

   1.3. Номинальный ток  обмотки низкого  напряжения:

     1.4. Номинальный ток обмотки высокого напряжения:

     1.5. Номинальные фазные  токи:

            при соединении фаз обмоток в звезду

I_1Ф = I₁ =

I_2Ф = I₂ =

     1.6. Фазные напряжения:

            при соединении фаз обмоток  в звезду

 

     1.7. Испытательные напряжения  обмоток

   Испытательные напряжения обмоток выбираются в зависимости от номинального напряжения обмоток, которое определяет класс напряжения трансформатора.

     для обмотки НН    U_{ИСП НН} =

для обмотки ВН      U_{ИСП ВН} = .

     1.8. Активная составляющая  напряжения короткого  замыкания

     1.9 Реактивная составляющая  напряжения короткого  замыкания

     1.10 Выбираем тип обмотки

     Обмотка ВН при напряжении     кВ и токе     А – многослойная цилиндрическая из медного прямоугольного провода.

     Обмотка НН при напряжении      В и токе     А – винтовая.

     Для  испытательного напряжения обмотки  ВН находим изоляционные расстояния:    а₁₂ =

                              а₂₂ =

                              h₀ =

     Для  испытательного напряжения обмотки  НН находим:

                              а₀₁ =

Основные размеры  трансформатора показаны на рис.1 
 
 
 
 
 
 

рис.1 
 
 
 
 
 

2. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

     2.1 Определение диаметра стержня магнитопровода:

Здесь S^’ – мощность на один стержень магнитопровода,

          f – частота питающей сети,

      u_p – реактивная составляющая напряжения короткого замыкания,

      a_p – ширина приведенного канала рассеяния, определяемая выражением:

Принимаем нормализованный  диаметр   D₀ =     где  П_Ф.С. =

     Выбираем сталь марки 3405 толщиной 0,35 мм с жаростойким покрытием для  отжига,   к_З = 0,96.

где    a₁₂ – изоляционный промежуток между обмотками НН и ВН определяется испытательным напряжением ( на данном этапе можно принять 3 см)

      а₁ и а₂ – ширина обмоток ( НН и ВН ) предварительно может быть определена в виде: