Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Введение

Силовой трансформатор – это важнейший элемент большинства электрических сетей. Передача электроэнергии на значительные расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях неоднократного трансформирования в повышающих и понижающих трансформаторах.Коэффициент полезного действия трансформатора очень велик и для большинства составляет 98-99%. Однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии во всем парке трансформаторов достигают существенных значений. Ввиду вышеуказанного расчет потерь короткого замыкания и холостого хода требует особой тщательности и точности. Уменьшение потерь холостого хода достигается путем все более широкого применения холоднокатной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами – низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Уменьшение потерь короткого замыкания достигается повышением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.В качестве основных критериев экономичной работы трансформаторов служат уровни потерь короткого замыкания и холостого хода, уровни тока холостого хода и напряжения короткого замыкания, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности и т.д. Для обеспечения экономичности работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителем, т.е. для поддержания постоянства напряжения возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулируемым напряжением под нагрузкой (РПН).Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов 110, 150, 220, 330 и 500 кВ, а также части трансформаторов класса напряжения 35 кВ мощностью от 10000 до 63000 кВА с регулированием напряжения под нагрузкой.Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью от 63 до 6300 кВА также могут иметь устройства РПН, однако, они выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ).

 

 

Задание

Тип трансформатора	ТМ – 320/20
Номинальная мощность, кВА	320
Число фаз	3
Частота, Гц	50
Напряжение на стороне ВН, кВ	20
Напряжение на стороне НН, кВ	3,15
Схема соединения обмоток	Д/Д
Способ охлаждения	Естественное, масляное
Напряжение короткого замыкания, %	Uк = 5.5
Потери короткого замыкания, Вт	Pк = 5500
Коэффициент	2,73

 

 

Определение параметров короткого замыкания

Потери короткого замыкания

4.1.1. Масса меди обмотки НН

M_м1=28*С*D_1ср*W₁*П₁*10^-3=28*3*0,28*298*9,895*10^-3=69.47 кг

Где D_1ср= = =0,28 м

4.1.2. Масса меди обмотки ВН

М_м2=28*С*D_2ср*W₂*П₂*10^-3=28*3*0,4075 *1.77*5,545*10^-3=114,69 кг

ГдеD_2ср= = =0,4075 м

4.1.3. Основные потери в обмотке НН

P_к1осн=2,4*J₁²*M_м1*10^-12=2,4*(3.42*10⁶)²*69.4*10^-12= 1948.2 Вт

4.1.4. Основные потери в обмотке ВН

P_к2осн=2,4*J₂²*M_м2*10^-12=2,4*(3.01*10⁶)²*114,69*10^-12=2493.8 Вт

4.1.5. В силовых трансформаторах общего назначения основные потери в обмотках составляют до 0,95 потерь короткого замыкания P_к.

Обозначив P_кр/P_осн=K_дк, получим P_кр=P_осн*K_дк, где К_дк учитывает добавочные потери в обмотках от вихревых токов, вызванных собственным магнитным полем рассеяния обмоток, электрические потери в стенках бака и может быть принят в пределах 1,03…1,05. Принимаем K_дк=1,05.

Тогда суммарные расчётные потери короткого замыкания

P_кр=K_дк*(P_к1осн+P_к2осн)=1,04*(1948.2 +2493.8)=4664.1 Вт

4.2. Напряжение короткого замыкания

4.2.1. Активная составляющая короткого замыкания

u_а= = *100%=1,4575%

4.2.2. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

u_р= *100%= =5,04%

где β= = =3,297

d₁₂=d+2*а₀₁+2*а₁+а₁₂=0,21+2*0,015+2* +0,02=0,331 м

а₀₁=0,015 м из таблицы 4.4      а₁₂=0,02 м из таблицы 4.5

а_р=а₁₂+

K_р=1-σ=1-0,108=0,8922

σ= = =0,108

K_д=1, так как разрыва в обмотке нет.

4.2.3. Напряжение короткого замыкания

u_кр= = =5,2465%

4.2.4. Ошибка, %

*100%= *100%=4,6 % - В пределах нормы (+- 5%)

4.3. Определение механических сил в обмотках

4.3.1. Установившийся ток короткого замыкания

I_ку1=I_1ф* 33,8625* =645.43 А

I_ку2=I_2ф* =5.333* =101,65А

4.3.2. Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания

i_км= *K_макс*I_ку, где K_{макс=1+ ,} K_макс*

i_км1=2*645.43=1297.7 А иi_км2=2*101.93=204.384 А

4.3.3. Радиальная сила

F_р=0,628*(i_км2*W₂)²*β*K_р*10^-6=0,628*(204,38*1893)²*3,297*0,892*10^-6=281.2 кН

4.3.4. Среднее сжимающее напряжение в проводе обмоток НН

σ_сж=F_р/(2*π*W₁*П₁)=281.2/(2*3,14*298*9,895*10^-6)=15,1 МПа

4.3.5. Среднее растягивающее напряжение

σ_р= = =13,35 МПа,

т.е13.35*100/60=22.26% от допустимого значения σ_ргост=60(МПа).

4.3.6. Температура обмоток через 5с после короткого замыкания

θ_кмеди= +θ_н= =169˚С

где t_к=4(с), θ_н=90˚С.

Значение ГОСТ в 250 ˚С не превышено

 

Введение

Силовой трансформатор – это важнейший элемент большинства электрических сетей. Передача электроэнергии на значительные расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях неоднократного трансформирования в повышающих и понижающих трансформаторах.Коэффициент полезного действия трансформатора очень велик и для большинства составляет 98-99%. Однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии во всем парке трансформаторов достигают существенных значений. Ввиду вышеуказанного расчет потерь короткого замыкания и холостого хода требует особой тщательности и точности. Уменьшение потерь холостого хода достигается путем все более широкого применения холоднокатной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами – низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Уменьшение потерь короткого замыкания достигается повышением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.В качестве основных критериев экономичной работы трансформаторов служат уровни потерь короткого замыкания и холостого хода, уровни тока холостого хода и напряжения короткого замыкания, масса трансформатора, отнесенная к единице мощности и т.д. Для обеспечения экономичности работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителем, т.е. для поддержания постоянства напряжения возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулируемым напряжением под нагрузкой (РПН).Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов 110, 150, 220, 330 и 500 кВ, а также части трансформаторов класса напряжения 35 кВ мощностью от 10000 до 63000 кВА с регулированием напряжения под нагрузкой.Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью от 63 до 6300 кВА также могут иметь устройства РПН, однако, они выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ).

 

 

Задание

Тип трансформатора	ТМ – 320/20
Номинальная мощность, кВА	320
Число фаз	3
Частота, Гц	50
Напряжение на стороне ВН, кВ	20
Напряжение на стороне НН, кВ	3,15
Схема соединения обмоток	Д/Д
Способ охлаждения	Естественное, масляное
Напряжение короткого замыкания, %	Uк = 5.5
Потери короткого замыкания, Вт	Pк = 5500
Коэффициент	2,73

 

 

Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

1.1. Мощность одной фазы

S_ф =  = 106.67 кВА

1.2. Мощность на один стержень

S’ = = 106.67 кВА

1.3. Номинальные линейные токи

1.3.1. На стороне ВН

I₂ =  =  =9.237 A

1.3.2. На стороне НН

I₁ =  =  =58.651 A

1.4. Фазные токи

1.4.1. На стороне ВН (соединение Д)

I_2ф =  = А

1.4.2. На стороне НН (соединение Д)

I_2ф =  = А

1.5. Фазные напряжения

1.5.1. Сторона ВН

В

1.5.2. Сторона НН

В

1.6. Испытательные напряжения (по таблице 4.1)

U_исп2 = 55 кВ; U_исп1 = 18 кВ

1.7. Активная составляющая напряжения короткого замыкания

U_ка =  =  = 1.718 %

1.8. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

U_p =  =  = 5.224 %

 

2. Определение основных размеров трансформатора

2.1. Диаметр стержня трансформатора

где

2.1.1.

2.1.2.

2.1.3. Канал рассения

а_р=а₁₂+ =0,027+0,019=0,046(м),

где а₁₂= 0.02 м – размер канала между обмотками ВН и НН по таблице 4.5

=K* *10^-2=0,62* *10^-2=0,02 м

K=0.62 по таблице 3.3

2.1.4. K_р=0,95 – коэффициент Роговского

2.1.5. f=50Гц

2.1.6. U_р=5,224%

2.1.7. B_с=1,55 Тл – индукция в стержне по таблице 2.4 для стали 3404                     

                             толщиной пластин 0,35 мм

2.1.8. K_с=K_кр*K_з=0,918*0,97=0,89 – коэффициент заполнения стержня

сталью, где K_крпо таблице 2.5 для 6 ступеней, K_з по таблице 2.2.

2.1.9. Приблизительный диаметр стержня

d`=0,507* =0,1958 м

Выбираем стандартный стержень, учитывая, что для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит определённые нормализованные диаметры

d_ст=0,21 м (далее просто d)

2.2. Так как полученный диаметр стержня d` не соответствует нормализованной шкале диаметров, то определяют значение β_н, соответствующее нормализованному(стандартному) диаметру d_ст.

β_н=β*(d/d`)=2,73*(0,21/0,1958)=2,928

2.3. Средний диаметр канала между обмотками d₁₂может быть принят предварительно по формуле

d`₁₂=d+2*a₀₁+2*a₁+a₁₂

илиd`₁₂=a*d,

где а=1,4 из таблицы 3.4 для P_кпо ГОСТ для медных обмоток.

Тогда

d`₁₂=1,4*d=1,4*0,21=0,294 м

2.4. Осевая длина обмотки

l= = =0,3154 м

2.5. Активное сечение стержня, т. е. чистое сечение стали по формуле

П_с=K_с* =0,89* =0,0308 м²,

где К_с=0,89

2.6. Электродвижущая сила одного витка

U_в1=4,44*f*B_с*П_с=4,44*50*1,6*0,0308=10,5983(В)