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_1
Ф
=
I₁ =


I
_2Ф
=
I
₂
=

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  
D
₀
=     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:



коэффициент к можно принять при напряжении U₁  =  35 кВ 

         k_р – коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному (коэффициент Роговского) может принимать значение в пределах (0,93 - 0,97) и может быть принят равным 0,95.

         k_С  - коэффициент заполнения сечения стержня сталью:



         β – коэффициент, связывающий основные размеры обмотки. Значение параметра β влияет на массогабаритные и стоимостные показатели трансформатора.

2.2 Определим средний диаметр обмоток трансформатора:



где  а – коэффициент (для медной обмотки а =     )

2.3 Высота обмотки трансформатора



2.4. Определим ЭДС витка



где    B_C – индукция в стержне магнитопровода (Тл), определяемая маркой стали при расчете главных размеров.

         П_С – сечение стержня магнитопровода (мм²), определяемое диаметром (d, мм)


3.  ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

     Проектирование обмоток трансформатора осуществляется с учетом производственных и эксплуатационных требований предъявляемых к ним.

     Производственные требования сводятся к оптимизации затрат материалов и труда на производство трансформатора. Это обеспечивается выбором рационального типа обмотки, материала обмоточного провода, компактным размещением и распределением витков и катушек чтобы ограничить расход обмоточного провода и обеспечить наилучшее заполнение окна магнитопровода.

      К эксплуатационным требованиям относятся механическая прочность при воздействии короткого замыкания и ограниченный нагрев обмоток в номинальном режиме работы.

      Механическая прочность обеспечивается рациональным расположением витков и катушек так, чтобы ограничить возникающие электромагнитные усилия.

      Для достижения необходимой нагревостойкости следует обеспечить эффективную теплоотдачу от обмотки в охлаждающую среду путем создания развитой охлаждающей поверхности и выбором рациональной плотности тока. Требование эффективной теплоотдачи ограничивает размер обмотки между двумя охлаждающими поверхностями. Критерием эффективности теплоотдачи обмотки являются потери в обмотке, отнесенные к площади охлаждающей поверхности.     

3.1 Выбор типа обмотки высокого напряжения:

3.1.1. Число витков на одну фазу обмотки НН.



где    U_Ф,НН – фазное напряжение на стороне низкого напряжения

         u_B – напряжение одного витка.

3.1.2  Уточняем напряжение одного витка.



3.1.3  Определяем действительную индукцию в стержне, Тл.



3.1.4  Ориентировочное сечение витка, мм²



где  J- средняя плотность тока, определяется по таблице.

Выбираем винтовую двухходовую обмотку, изображенную на  рис.2


рис.2

3.1.5  Определим высоту одного витка, см.



где    h_КАНАЛА – осевой размер масляного охлаждающего канала ( ориентиро-      вочно =0.4 см).

     Основные размеры витка и радиального размера для винтовой двухходовой обмотки изображены на рис.3.

     По сортаменту обмоточного провода выбираем, провод для двухходовой обмотки с каналом через каждый ход и с числом параллельных проводов 16.




рис.3







3.1.6
 
 
Уточняем плотность тока



3.1.7  Уточняем высоту обмотки



где   к_у – коэффициент учитывающий усадку межкатушечных прокладок после сушки и опрессовки обмотки (может быть принятым =0.95)

3.1.8  Определяем радиальный размер обмотки



3.1.9    Определим внутренний диаметр обмотки



3.1.10   Определим наружный диаметр обмотки




3.2   Расчет обмотки высокого напряжения

3.2.1   Число витков на одну фазу обмотки ВН на осевом ответвлении



3.2.2   Число витков на одной ступени регулирования



3.2.3   Число витков на ответвлениях:





3.2.4  Номинальное напряжение





3.2.5  Ориентировочная плотность тока, А/мм².



3.2.6   Ориентировочное сечение витка, мм².

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ТРАНСФОРМАТОРА


7.1  Масса активной части, кг.



7.2 Масса проводов, кг.



7.3  Масса бака с радиаторами, кг.



где    

        

7.4   Общая масса масла, кг.



7.5  Объем бака



7.6  Объем активной части трансформатора



7.7  Общая масса трансформатора



Таблица 2.

Наименование	НН		ВН
1.  Мощность одной фазы, кВА.
2.  Номинальный линейный ток, А.
3.  Номинальный фазный ток, А.
3.  Фазные напряжения, В.
4.  Активная составл. напряжения КЗ, %.
5.  Реактивная составляющая напряжения КЗ, %.
6.  Испытательные напряжения, кВ.
7.  Диаметр стержня, см.
8.  ЭДС витка, В.
9.  Высота обмотки, см.
10. Тип обмотки	винтовая, двухходовая.		цилиндрич многослойная.
11. Число витков обмотки
12. Число витков в катушке
13. Количество катушек	1		1
14. Число витков в слое
15. Провод (марка, размер), мм.
16. Сечение провода, мм2
17. Сечение витка, мм2
18. Плотность тока  А/мм2
19.  Осевой размер обмотки, мм
20. Радиальный размер обмотки, мм
21.  Диаметр обмотки, мм наружный внутренний
22. Масса провода, кг
23. Потери в обмотках, Вт
24. Плотность теплового потока, Вт/м2.
25. Основные потери обмотки, Вт.
26. Масса металла обмотки, кг.
27.  Добавочные потери в обмотке, кг.
28. Основные потери в отводах, Вт.
29. Масса отводов, кг.
30.  Длина отводов, см.
31. Потери в стенках бака, Вт.
32.  Полные потери короткого замыкания, Вт.
33. Активная составляющая напряжения, %
34. Реактивная составляющая напряжения, %
35. Установившийся ток КЗ, А.
36. Мгновенное макс. значение тока КЗ, А.
37.  Радиальная сила, Н.
38.  Полная осевая сила, Н.
39. Напряжение на сжатие, в проводе обм. ,МПа.
40. Напряжение на сжатие, на прокладках обмотки, МПа.
41.  Температура обмотки через 4с после возникновения короткого замыкания, С0.
42. Время достижения температуры 200 0С, с.
43. Расстояние между осями обмоток, см.
44. Высота окна, см.
45. Масса угла, кг.
46. Масса стержней, кг.
47. Масса ярм, кг.
48. Масса стали магнитопровода, кг.
49. Сечение стержня, см2.
50. Сечение ярма, см2.
51. Ширина пластин, см.
52. Объем угла, дм3.
53. Индукция в стержнях, Тл.
54. Индукция в углах, Тл.
55. Потери в магнитопроводе, Вт.
56. Средняя индукция в косом стыке, Тл.
57. Полная намагничивающая мощность, ВА.
58. Относительное значение тока ХХ, %.
59. Относительное значение реактивной составляющей тока ХХ, %.
60. Относительное значение активной составляющей тока ХХ, %.
61. Коэффициент полезного действия, %
62. Удельная тепловая нагрузка обмотки, Вт/м2
63. Превышение температуры обмоток над температурой масла, 0 С.
64.  Ширина бака, см.
65.  Длина бака, см.
66.  Глубина бака, см.
67.  Потери отводимые с поверхности бака, Вт.
68.  Потери отводимые с поверхности радиаторов, Вт.
69. Масса трансформатора, кг.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ