Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей (стр. 6 )

– сечение зазора, м2.

Число косых и прямых стыков определяется выбранной конструкцией магнитной системы (см. подразд. 2.1). Намагничивающая мощность в зазорах находится по табл. 5.2 по соответствующей индукции в стержне или ярме, сечение берется соответственно либо , либо .

Для косых стыков индукция снижается в раз:

, (5.10)

а сечение напротив увеличивается в раз:

. (5.11)

С целью уменьшения трудозатрат, т. е. снижения стоимости и времени сборки трансформатора, в последнее время практикуется шихтовка сердечника в две пластины. Потери и ток х. х. в этом случае несколько возрастают.

Полная намагничивающая мощность, В×А,

, (5.12)

где = 1,1 – 1,15 – коэффициент, учитывающий увеличение намагничивающей мощности за счет резки пластин, магнитопровода, перешихтовки верхнего ярма и т. д.

Т а б л и ц а 5.2

Удельные намагничивающие мощности в сердечниках

из холоднокатаных сталей и намагничивающие мощности

в зазорах (стыках) магнитной системы

Индук-ция В, Тл	q, B×A/кг	qз, B×A/ м2
марка стали	шихтовка
3404, 3405	3406, 3407	в один лист	в два листа
1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,52 1,54 1,56 1,58 1,60 1,62 1,64 1,66 1,68 1,70	0,525 0,633 0,745 0,866 1,048 1,236 1,306 1,377 1,456 1,543 1,630 1,798 1,966 2,170 2,410 2,650	0,488 0,575 0,680 0,800 0,950 1,110 1,201 1,231 1,291 1,352 1,412 1,527 1,642 1,784 1,952 2,120	900 1900 3700 6000 9200 13800 14760 15720 16800 18000 19200 20480 21760 23160 24680 26200	1000 2200 4000 7400 11400 16600 17960 19320 20700 22100 23500 25100 26700 28600 30800 33000

5.4. Расчет тока холостого хода

Активная составляющая тока х. х., % [2, 3],

. (5.13)

Реактивная составляющая тока х. х. (намагничивающий ток), %,

, (5.14)

где – намагничивающая мощность трансформатора, В×А.

Полный ток х. х., %,

. (5.15)

6. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

6.1. Расчет размеров бака

Минимальные внутренние размеры бака масляного трансформатора

(рис.определяются минимальными допустимыми изоляционными расстоя-ниями:

– от отвода обмотки ВН до собственной обмотки;

– от отвода обмотки ВН до боковой стенки бака;

– от отвода обмотки НН до обмотки ВН;

– от отвода обмотки НН до боковой стенки бака;

– от обмотки ВН до торцевой стенки бака.

 

При рабочем напряжении обмотки ВН 35 кВ (испытательное напряжение 85 кВ) эти расстояния для неизолированных отводов будут следующими:

= 35 мм; = 90 мм; = 40 мм. Размер (диаметр отвода ВН) при мощности трансформатора менеекВ×А должен быть не менее 20 мм; за размер отвода обмотки НН (размер ) при токе обмотки 600 А и более рекомендуется принять реальный радиальный размер витка, при меньшем

токе – .

Бак имеет овальную форму. Сердечник в баке трансформатора располагается симметрично относительно его продольной оси. Для этого при конструировании бака рассчитываются отдельно расстояния от обмотки ВН до боковых стенок бака со стороны отводов ВН и НН, мм:

, (6.1)

и за расчетное принимается большее . Величина также принимается равной .

Длина бака в этом случае определяется по формуле, мм:

(6.2)

ширина бака, мм, –

; (6.3)

глубина (высота) бака, мм, –

(6.4)

где – высота активной части, мм,

(6.5)

где – высота стержня, мм;

– высота ярма, мм;

– толщина подкладки под нижнее ярмо, = 30 – 50 мм;

– расстояние от верхнего ярма до крышки бака, зависит от принятой конструкции переключателя: при горизонтальном расположении переключа-теля = 400 мм, при вертикальном – 850 мм.

Найденные размеры бака должны быть округлены в большую сторону в соответствии с основной шкалой нормальных размеров.

6.2. Расчет плотности теплового потока

Основной причиной, вызывающей нагревание трансформатора при работе, являются потери, возникающие в обмотках и магнитопроводе. В силовых трансформаторах общетехнического назначения наиболее нагретыми обычно являются обмотки. Квантитативной оценкой количества тепла, выделяемого той или иной обмоткой, может служить плотность теплового потока, т. е. количество тепла, выделяемого с единицы поверхности охлаждения данной обмотки. Для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла оптимальной считают плотность теплового потока порядка = 1000 – 1200 Вт/м2 , предельно допустимой – до 1400 Вт/м2.

Плотность теплового потока для одно - и двухслойной обмоток из прямоугольного провода и многослойной из круглого провода определяется по найденной ранее поверхности охлаждения, Вт/м2:

(6.6)

где – основные потери в данной обмотке, Вт;

– коэффициент добавочных потерь;

– поверхность охлаждения, м2.

Плотность теплового потока для винтовых и катушечных обмоток определяется по формуле, Вт/м2:

(6.7)

где – коэффициент материала обмоток (см. формулу 3.1);

– уточненная плотность тока в данной обмотке, А/мм2;

– номинальный ток данной обмотки, А;

– число витков в катушке при катушечной обмотке, при одноходовой винтовой обмотке = 1, при двухходовой = 0,5;

– коэффициент добавочных потерь в данной обмотке;

– осевой размер проводника с изоляцией (при намотке “на ребро” – размер ), мм;

– радиальный размер (толщина) обмотки, мм;

– коэффициент закрытия части обмотки рейками, = 0,75.

Для винтовой обмотки со сдвоенными ходами (или катушечной со сдвоенными катушками) найденную по формуле (6.7) плотность теплового потока необходимо увеличить вдвое.

При > 1400 Вт/ м2 следует изменить конструкцию обмотки, например отказаться от сдвоенных витков (катушек), заменить намотку “на ребро” намоткой “плашмя” и т. п.

6.3. Тепловой расчет обмоток

Тепловой расчет отдельных элементов и в целом электрической машины или трансформатора принято вести не в абсолютных единицах, а в так называемом превышении температуры q того или иного элемента над температурой окружающей среды. При сопоставлении значений температуры двух элементов часто используется термин перепад температуры.

Тепловой расчет обмоток ведется раздельно для обмотки НН и ВН, поэтому во всех нижеследующих формулах данного подраздела необходимо проставлять цифровые индексы порядкового номера обмотки.

Внутренний перепад температуры в обмотках из прямоугольного провода с обтеканием проводника маслом со всех сторон (винтовые, катушечные, одно - и двухслойные) определяется по найденной плотности теплового потока, толщине и теплопроводности изоляции проводника, о С,

, (6.8)

где – плотность теплового потока, Вт/м2;

– толщина изоляции проводника на одну сторону (0,25·10 –3 м);

– теплопроводность изоляции, для хлопчатобумажной пряжи можно принять 0,27 Вт/(м ·оС).

Средний перепад температуры обмотки, оС,

(6.9)

В многослойных обмотках из круглого провода внутренний перепад температуры определяется потерями, выделяющимися в 1 м3 объема обмотки, Вт/м3:

(6.10)

где – коэффициент материала обмоток, для меди – 1,68, алюминия – 2,71;

– реальная плотность тока в данной обмотке, А/мм2 ;

– диаметр голого (неизолированного) проводника обмотки, мм;

– то же изолированного проводника, мм;

– толщина междуслойной изоляции, мм.

В этом случае внутренний перепад температуры в обмотке, оС,

(6.11)

где – радиальный размер (толщина) катушки, при разделении катушки на

части – толщина наиболее широкой катушки, мм;

– средняя теплопроводность обмотки, Вт/(м ·оС)

(6.12)

где – условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции,

(6.13)

– теплопроводность междуслойной изоляции, для кабельной бумаги

= 0,17 Вт/(м · оС);

– теплопроводность витковой изоляции, для хлопчатобумажной

пряжи = 0,27 Вт/(м · оС).

Средний перепад температуры в многослойных обмотках

(6.14)

Перепад температуры на поверхности обмоток (перепад «обмотка – масло») для одно - и двухслойных обмоток из прямоугольного провода и многослойных обмоток из круглого провода, оС,

(6.15)

для винтовых и катушечных обмоток с горизонтальными каналами

(6.16)

Среднее превышение температуры обмотки над маслом, оС,

(6.17)

6.4. Расчет необходимой и реальной поверхности охлаждения

Теплопередача «бак – воздух» осуществляется путем конвекции и лучеиспускания (излучения). В предварительном расчете поверхность излучения для трансформаторов с номинальной мощностью более 50 кВ·А

(6.18)

где – поверхность конвекции гладкой части бака.

В свою очередь поверхность конвекции гладкой части бака может быть определена по найденным выше размерам овального бака трансформатора, м2:

(6.19)

где – поверхность крышки, м2 ,

(6.20)

Размеры бака в формулах (6.19) и (6.20) подставляются в миллиметрах, крышка бака берется больше его ширины на 160 мм (2 ´ 80) – для размещения крепежных болтов и уплотнительного кольца.

Допустимое превышение температуры обмоток над воздухом для класса термостойкости изоляции А составляет 65оС, отсюда допустимый перепад температуры «масло – воздух», оС,

(6.21)

при этом берется наибольшее из найденных по формуле (6.17) значений .

Расчет перепада температуры «бак – воздух» зависит от выполнения условия: , 60оС,

если оно выполняется,

если не выполняется,

Превышение температуры «масло – бак» (5 – 6) оС.

Необходимая для успешного охлаждения трансформатора поверхность конвекции определяется выражением, м2:

(6.22)

Полученную по формуле (6.22) величину нужно сравнить с найденной ранее поверхностью гладкой части бака. Для заданного диапазона мощностей обычно оказывается, что поверхности гладкой части бака недостаточно для эффективного охлаждения трансформатора. Дополнительная поверхность охлаждения может быть получена с использованием волн, труб и навесных радиаторов (охладителей). В настоящее время наибольшее распространение находят баки с навесными радиаторами. Конструкции последних могут быть разнообразными: с прямыми или гнутыми трубами, круглого или овального сечения. Основные технические данные радиаторов с гнутыми трубами Запорожского трансформаторного завода и с прямыми трубами завода «Уралэлектротяжмаш» приведены в табл. 6.1 и 6.2.

Т а б л и ц а 6.1

Основные технические данные радиаторов

с гнутыми трубами

Размер А, мм	Одинарный радиатор	Двойной радиатор
, м2	Вес масла, кг	, м2	Вес масла, кг
1880 2000 2285 2485 2685 3000 3250 3750 4000	11,45 12,1 13,55 14,55 15,6 17,2 18,45 21,0 22,3	205 215 236 249 264 285 302 337 352	22,9 24,15 27,05 29,1 31,15 34,35 36,9 42,0 44,6	276 291 321 341 362 393 418 469 492
, м2	0,72	0,66

При выполнении курсовой работы студенты могут воспользоваться данными по любой иной конструкции (со ссылкой на источник) или сконструировать охладители самостоятельно.

Основанием для выбора того или иного типа радиаторов служат поверхность охлаждения одного радиатора (с учетом поверхности патрубков и коллекторов) и расстояние между осями верхнего и нижнего патрубков для соединения с баком трансформатора .

Размер находится по известной высоте (глубине) бака, мм:

, (6.23)

где 340 мм – технологический запас. По данному размеру подбирается радиа-тор и рассчитывается необходимое количество радиаторов:

(6.24)

где – коэффициент формы, равный 1,26 для радиаторов с трубами овального сечения, и 1,4 – с трубами круглого сечения; при использовании обдува радиаторов .

Рис. 6.2. Размеры охладителей

Необходимо обязательно проверить возможность размещения найденного по формуле (6.24) числа радиаторов на баке трансформатора. С этой целью на миллиметровой бумаге вычерчивается в масштабе бак и располагаются

симметрично (по возможности) выбранные охладители, размеры которых приведены на рис. 6.2. Минимальное допустимое расстояние между трубами соседних одинарных радиаторов – 100 мм, двойных – 160 мм, такое же расстояние допускается между краями коробчатых коллекторов охладителей завода «Уралэлектротяжмаш».

Если радиаторы данной конструкции не размещаются на баке, следует выбрать другую конструкцию или несколько увеличить высоту бака так, чтобы появилась возможность выбрать другой радиатор с большей поверхностью охлаждения. В некоторых случаях для уменьшения числа радиаторов бывает целесообразным усилить интенсивность охлаждения путем использования принудительного обдува радиаторов.

Т а б л и ц а 6.2

Основные технические данные радиаторов

завода “Уралэлектротяжмаш”

Размер А, мм	Радиатор с круглыми трубами	Радиатор с овальными трубами
одинарные	двойные
, м2	вес масла, кг	, м2	вес масла, кг	, м2	вес масла, кг
1200 1500 1660 2000 2285 2485 2685 3000	– – 20,06 24,43 28,10 30,82 33,84 37,94	– – 170 200 230 250 270 310	7,07 9,0 10,05 12,21 14,05 – 16,52 –	78 82 100 120 135 – 158 –	– 18,01 20,06 24,43 28,10 30,82 33,24 37,94	– 185 210 255 280 310 345 385

Выбрав типоразмер и число радиаторов, можно определить фактическую поверхность охлаждения одного охладителя с учетом поверхности коллекторов, м2:

(6.25)

где – суммарная поверхность патрубков и коллекторов, м2,

и полную поверхность конвекции бака с охладителями, м2:

(6.26)

где – суммарная поверхность патрубков и коллекторов, м2.

Естественно, что полученная величина должна быть не менее Если напротив окажется, что фактическая поверхность конвекции превышает необходимую величину более чем на , следует уменьшить число ради-аторов. Допускается в месте расположения крана для слива масла из бака устанавливать радиатор меньшего типоразмера при условии соблюдения условия

П р и м е ч а н и я.

1. Поверхность охлаждения приведена с учетом поверхности кол-

лекторов.

2. Одинарные радиаторы с овальными трубами не могут иметь обдув.

3. Радиаторы с размером = 3000 мм используются только с обдувом.

4. Вес масла в радиаторе приведен для радиаторов без обдува, при наличии его вес масла следует увеличить на 10 – 12 кг.

6. 5. Расчет превышения температуры обмоток

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды, °С,

(6.27)

где – соответственно потери к. з. и х. х., Вт;

– поверхности излучения и конвекции, м2 .

51

Поверхность конвекции определена по формуле (6.26), поверхность излучения бака с навесными радиаторами, м2,

(6.28)

где – периметр по контуру крайних точек радиаторов (определяется по эскизу расположения радиаторов), мм;

– высота бака, мм.

Перепад температуры «масло – бак», оС,

(6.29)

где 1 при отсутствии обдува радиаторов; 0,9 при охлаждении с обдувом;

– реальная поверхность конвекции (без коэффициентов формы), м2,

Превышение температуры в верхних слоях масла над температурой окружающего воздуха, оС,

(6.30)

По ГОСТ не должна превышать 60°С.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха рассчитывается отдельно для каждой обмотки, оС:

, или (6.31)

Согласно ГОСТ превышение температуры обмоток над окружающей средой для класса термостойкости изоляции А не должно быть более 65°С. Если требования стандарта по (для наиболее нагретой обмот-ки) или не удовлетворяются, необходимо увеличить поверхность охлаж-дения. Напротив, если эти величины ниже требований стандарта более чем на

5°С, следует подумать о возможности уменьшения поверхности охлаждения или привести аргументированные доказательства, что этого сделать нельзя.

7. РАСЧЕТ ВЕСОВЫХ ДАННЫХ ТРАНСФОРМАТОРА

7.1. Полная рабочая масса трансформатора

Для сравнения вариантов, предварительного расчета фундамента и т. п. часто требуется знание полной массы трансформатора в рабочем состоянии.

Масса активной части трансформатора слагается из массы стали (см. подразд. 5.1) и проводников обмоток:

(7.1)

где – масса проводов -й обмотки с учетом массы изоляции, кг.

Масса металла бака, кг,

(7.2)

где – толщина стенок бака, = 5 – 8 мм;

– плотность металла бака, = 7850 кг / м2.

Для определения массы масла необходимо из полного объема бака трансформатора вычесть объем активной части (сердечника в сборе).

Объем овального бака, м3,

, (7.3)

ориентировочный объем активной части, м3,

(7.4)

где – условная плотность активной части, составляющая 5750 кг/ м3 для

трансформаторов с медными обмотками и 5250 кг/ м3 – с алюминиевыми.

Таким образом, масса масла в баке, кг,

(7.5)

где – плотность масла, = 900 кг/ м3 .

Полная масса масла слагается из массы масла в баке, в расширителе и радиаторах. Массу масла в расширителе принимают равной 0,1, масса масла в одном радиаторе указана в [1, табл. 9.9], тогда

(7.6)

где – число радиаторов.

В заключении курсовой работы необходимо дать анализ основных параметров трансформатора и сравнить с заданием и типовыми трансформаторами.

Библиографический список

1. Т и х о м и р о в П. М. М.: Энергоатомиздат, 19с.

2. Холоднокатаные электротехнические стали: Справочник. М.: Метал-лургия, 19с.

3. Расчет потерь и тока холостого хода преобразовательных транс-форматоров: Метод. указания // Уралэлектротяжмаш. Свердловск, 19с.