Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Мощность одной фазы

Мощность обмоток одного стержня

Номинальные линейные токи:

Фазные токи обмоток (схема соединения - звезда) равны линейным токам:

Фазное напряжение трёхфазного трансформатора:

Испытательные напряжения обмоток (таблица 4-1)

По таблице 5-8 выбираем тип обмоток.

Обмотка ВН при напряжении 10кВ и токе 11,55А – цилиндрическая многослойная из круглого медного провода; обмотка НН при напряжении 0,4кВ и токе 288,68А – цилиндрическая двухслойная из прямоугольного медного провода.

Для испытательного напряжения обмотки ВН UИСП = 35 кВ по таблице 4-5 находим изоляционные расстояния: a12 =0,9 см; l0 = 3 см; a22 = 1 см; для UИСП = 5 кВ по таблице 4-4 находим а01 = 0,4 см.

Рисунок 1 - Главная изоляция обмотки ВН

2.2 Определение исходных данных расчета

см

k = 0,6 по таблице 3-3.

Приведенный канал рассеяния:

см

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Согласно указаниям §2-2 выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне.

Рисунок 2- Схема плоской стержневой

Рисунок 3-Форма стыков стержней и магнитной цепи трансформатора ярем

Прессовка стержней без применения специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН. Материал магнитной системы – холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки Э330А толщиной 0,35 мм. Индукция в стержне (по таблице 2-9). По таблице 2-1 в сечении стержня 6 ступеней, коэффициент заполнения круга . Изоляция пластин – жаростойкое покрытие с однократной лакировкой по таблице 2-6 ( - коэффициент заполнения сечения стержня (или ярма) сталью – отношение чистой площади стали в сечении – активного сечения Пс (или Пя) к площади ступенчатой фигуры Пф, т.е. ). Общий коэффициент заполнения сталью площади круга, описанного около сечения стержня, . Ярмо многоступенчатое, число ступеней 5 (таблица 2-3), коэффициент усиления ярма . Прессовка ярма: балками стянутыми шпильками, расположенными вне ярма. Индукция в ярме . Индукция в зазоре на прямом стыке . На косом стыке .

Удельные потери в стали pС = 1,38 Вт/кг; pЯ = 1,29 Вт/кг (таблица 8-4). Удельная намагничивающая мощность qC = 3,12 В·А/кг; qЯ = 2,69 В·А/кг (таблица 8-11); для зазоров на прямых стыках q''З =3,51 В·А/см2; для зазоров на косых стыках q'З = 0,158 В·А/см2 (таблице 8-11).

2.3Расчёт основных коэффициентов

По таблице 3-6 находим коэффициент, учитывающий отношение основных потерь в обмотках к потерям короткого замыкания, kД = 0,95 и по таблице 3-4 и 3-5 - постоянные коэффициенты для медных обмоток а = 1,38 и b = 0,46. Принимаем kР = 0,95. Диапазон изменения β от 1,8 до 2,4 (таблица 3-12).

Расчет основных коэффициентов. По (3-30), (3-36), (3-43), (3-44), (3-52), (3-65) находим коэффициенты:

кг

МПа, где

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением . (3-55)

Для рассчитываемого трансформатора:

По таблице 3-7 , а коэффициент для медных проводов , учитывающий изоляцию провода и регулирование напряжения, то есть массу металла обмоток умножают на коэффициент

x = 1,23

Решение этого уравнения даёт β=x4=2,28, соответствующую минимальной стоимости активной части.

Находим предельные значения β по допустимым значения плотности тока ∆ и растягивающим механическим напряжениям σр:

; β∆ =

; βσ =

Оба полученных значения лежат за пределами обычно применяемых.

Масса одного угла

Активное сечение стержня :

Площадь зазора на прямом стыке Пз = Пс = 110,39x2 ;

На косом стыке Пз = Пс*

Потери холостого хода по формуле (8-32):

намагничивающая мощность по формуле (8-44):

Далее определяем основные размеры трансформатора:

Весь дальнейший расчёт, начиная с определения массы стали магнитной системы, для 5 различных значений β (от 1,8 до 2,4) проводиться в форме таблицы 1.

Таблица 1-Предварительный расчет трансформатора ТМ-200/10 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками.

1,8

1,9

2,2

2,4

1,16

1,17

1,19

1,22

1,24

1,34

1,38

1,41

1,48

1,55

1,62

1,68

1,81

1,93

122,47

120,83

119,29

116,48

113,97

20,38

20,94

21,48

22,53

23,53

142,85

141,77

140,77

139,01

137,51

154,98

161,40

167,73

180,15

192,30

8,77

9,01

9,25

9,70

10,13

163,76

170,41

176,97

189,85

202,43

306,61

312,18

317,75

328,87

339,94

14,14

14,73

15,30

16,44

17,55

185,14

183,73

182,44

180,16

178,21

201,62

209,81

217,89

233,75

249,24

54,93

57,20

59,44

63,85

68,15

441,68

450,74

459,77

477,75

495,60

Пс = 110,39x2

148,10

152,16

156,12

163,73

171,02

400,15

397,11

394,32

389,39

385,18

416,10

433,01

449,69

482,42

514,38

721,13

750,98

780,43

838,26

894,79

1260,98

1295,54

1329,19

1394,07

1456,06

2798,37

2876,63

2953,63

3104,13

3250,40

1,40

1,44

1,48

1,55

1,63

138,01

134,33

130,93

124,83

119,52

142,15

138,36

134,86

128,58

123,11

146,41

142,51

138,90

132,44

126,80

288,44

280,74

273,64

260,90

249,79

595,05

592,92

591,38

589,77

589,73

3,14

3,18

3,22

3,30

3,37

10,55

10,99

11,42

12,27

13,09

14,91

15,11

15,31

15,67

16,02

20,57

20,85

21,12

21,63

22,11

35,90

34,48

33,18

30,89

28,94

29,33

29,70

30,06

30,74

31,37

Результаты расчетов, приведённые в таблице 1 показаны в виде графиков на рисунках 4 - 9.

Рисунок 4 - Изменение массы стали стержней Gc, ярма Gя и магнитной системы Gст с изменением β.

Рисунок 5 - Изменение относительной стоимости активной части с изменением β.

Рисунок 6 - Изменение потерь холостого хода с изменением β.

Рисунок 7 - Изменение тока холостого хода с изменением β.

Рисунок 8 - Изменение механических напряжений при растяжении с изменением β.

Рисунок 9 - Изменение плотности тока с изменением β.

Графики, показанные на рисунках 4 – 9 позволяют заметить, что с ростом β масса металла обмоток G0 и масса стали в стержнях Gс уменьшается, а масса стали в ярмах Gя и общая масса стали Gcт возрастают.

Общая стоимость активной части Gач с ростом β сначала падает, а затем, пройдя через минимальное значение, снова возрастает. Поскольку с увеличением β при сохранении индукции Вс общая масса стали возрастает, должны возрастать также потери и ток холостого хода, что подтверждается графиками Рх и i0.

Уменьшение массы металла обмоток с ростом β при сохранении потерь короткого замыкания приводит к уменьшению сечения как всей обмотки, так и каждого её витка, а следовательно, к увеличению плотности тока и механических напряжений от растяжения в обмотках при коротком замыкании трансформатора. Рост плотности тока ∆ и напряжений от растяжения в проводе обмоток σр для рассчитанного трансформатора виден из графиков показанных на рисунках 8-9.

Широкий диапазон значений β, практически обеспечивающий получение минимальной стоимости активной части трансформатора с отклонением от минимума не более чем на 1%, еще не определяет оптимального значения β. Для выбора оптимального β необходимо обратиться к другим критериям. Графики на рисунке 3 позволяют определить предельные значения β ≤ 3,85 для заданных потерь холостого хода PХ = 620 Вт. Предельное значение для заданного тока холостого хода i0 = 2,4 % составляет β ≤ 4,83. Ранее были установлены предельные значения, ограниченные плотностью тока, β ≤ 7,59, и механической прочностью обмоток при коротком замыкании, β ≤ 18. Полученные по этим критериям предельные значения β сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 7.

Предельные значения β, полученные при предварительном расчете.

Таблица 2-Предельные значения β, полученные при предварительном расчете.

C'А.Ч min	PX	i0	∆	σP
1,79 – 2,95	3,85	4,83	7,59	18

β=0

i₀

d 14 16 18

Рисунок 10- Определение оптимального значения β для трансформатора.

На этом рисунке заштрихованы те зоны, в которых данный параметр выходит за пределы, установленные для него ГОСТ или заданными условиями. Выбор значений β (и диаметра стержня) возможен только в пределах всех не заштрихованных зон. Учитывая желательность получения стоимости активной части, близкой к минимальной, выбираем нормализованный диаметр d = 16 cм при β = 2,39.

Для выбранных значений d и β рассчитываем и находим по графикам следующие данные трансформаторов:

β = 2,39 ; х = 1,24; х2 = 1,55; х3 = 1,92

Диаметр стержня магнитной системы:

d = 12,87*1,24 = 16 см

Активное сечение стержня:

Пс = 170,66 см2

Средний диаметр обмоток:

d12 = 22,08 см

Высота обмотки:

l = 29,03 см принимаем l = 29 cм

Высота стержня:

lc = l + 2l0 = 35 см

Расстояния между осями стержней:

С = 22,08 + 0,9 + 0,46*16 + 1 = 31,34 см

Электродвижущая сила одного витка:

uв = 4,44*f*Пс*Вс*10-4 = 4,44*50*170,66*1,62*10-4 = 6,14 В

Масса стали:

Gст = 339,39 кг

Масса металла обмоток:

G0 = 119,77 кг

Масса провода:

Gпр = 250,32 кг

Плотность тока:

∆ = 3,37 А/мм2

Механическое напряжение в обмотках:

σр = 13,05 МПа

Стоимость активной части в условных единицах:

Сач = 589,7

Потери холостого хода:

Рх = 494,71 Вт

Ток холостого хода:

i0 = 1,62 %

Расчет обмоток

Расчет обмотки НН

Число витков обмотки НН:

ω1 = Uф1/uв =231/6,14 = 37,62 принимаем ω1 = 38 витка.

ЭДС одного витка:

Средняя плотность тока:

А/мм2

Сечение витка ориентировочно:

мм2

По таблице 5-8 при мощности 200 кВ·A, по току на один стержень 288,68 A, номинальному напряжению обмотки 231 В и сечению витка 87,5 мм2 выбираем конструкцию цилиндрическую двухслойную обмотку из прямоугольного медного провода, без радиальных каналов, с плотным прилеганием витков. Число реек по окружности обмотки равно 8, согласно параграфу 5-2, ширина междувитковых прокладок 4 см.

Число витков в слое:

витков.

Ориентировочный осевой размер витка:

см

По таблице 5-2 выбираем три прямоугольных медных провода размерами 3× с изоляцией из кабельной бумаги, в соответствии с ГОСТ 16512-70. Намотка на ребро левая.

Сечение витка:

П1=3*29,3=87,9 мм2

Плотность тока А/мм2

Высота витка:

см

Выбранные размеры провода проверяем по добавочным потерям по таблице 5-9. Для размера 0,71 см добавочные потери при двух слоях менее 5%.

Радиальный размер провода проверяем по плотности теплового потока на поверхности обмотки

q1= Вт/м2,

что ниже допустимого для внутренних обмоток значения 1200 Вт/м2.

Осевой размер обмотки НН:

l1 = hB*(ωсл1+1) + 0,8 = 1,41*(19+1)+0,8 = 29 см

Радиальный размер обмотки НН:

а1 = = 2*0,755 + 0,45 = 1,96 см

где осевой канал между двумя слоями обмотки 0,45 см принят по таблице 9-2а

Внутренний диаметр = 16+2*0,4 = 16,8 cм

Наружный диаметр = 16,8+2*1,96=20,72 см

D 16,8

D 18,3

1,41

D 19,2

29D 20,72

0,755

1,96

Рисунок 11- Эскиз и основные размеры обмотки НН.

Масса метала обмотки G01 =28*с*Dcp*ω*П1*10-5=28*3*18,76*38*87,9*10-5 = 52,6 кг

По таблице 5-5 находим увеличение веса провода за счет изоляции марки ПБ (толщина изоляции 0,45 мм на обе стороны)

кг

3.2 Расчёт обмотки ВН

Выбираем схему регулирования по типу представленной на рисунке 6-6б. Регулировочные ответвления выводятся на доску зажимов. Регулирование напряжения без возбуждения (ПБВ) производится после отключения трансформатора от сети и от нагрузки, путем перестановки соединяющей пластины

Рисунок 12- Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения ПБВ.

Рисунок 13-Схема переключателя ответвлений

Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 11,55 А. Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе: рабочее , т.е. 577 В; испытательное , т.е. 1154 В.

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить:

Напряжение, В	Ответвления обмотки
9500	x5 y5 z5
9750	x4 y4 z4
10000	x3 y3 z3
10250	x2 y2 z2
10500	x1 y1 z1

Число витков ВН обмотки при нормальном напряжении

Число витков ВН на одной ступени регулирования:

Таблица 3-Число витков на ответвлениях.

Напряжение, В	Число витков на ответвлениях
ступень 10500
ступень 10250
ступень 10000
ступень 9750
ступень 9500

Ориентировочная плотность тока

А/мм2

Ориентировочное сечение витка

мм2

По таблице 5-8, по известным параметрам обмотки ( , , , ) выбираем для основной части цилиндрическую многослойную обмотку из круглого медного провода. По сортаменту медного обмоточного провода (таблица 5-1) выбираем провод марки диаметром 2,1/2,4 мм сечением П2=3,46 мм2 увеличение массы провода за счёт изоляции на 3%.

Плотность тока:

трансформатор замыкание обмотка магнитный

А/мм2

Число витков в слое:

Число слоёв в обмотке ncл2 = ω2/ωсл2 = 998/120 ≈ 9

Рабочее напряжение двух слоёв:

По рабочему напряжению двух слоёв по таблице 4-7 выбираем 3 слоя кабельной бумаги марки К-120 толщиной 0,12 мм. Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону) 1,6 см.

Распределение витков по слоям:

Семь слоёв по 120 витков = 840

Два слоя по 79 витков = 158

Всего 998 витков

Между третьим и четвёртым слоями масляный канал 0,4 см. Витки восьмого слоя располагаются посередине высоты слоя, витки девятого слоя располагаются согласно рисунку схемы ответвлений. Обмотка наматывается на рейках на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре с размерами d 21,12/22,12х32.

Радиальный размер обмотки: