123889 (Проектирование силового трансформатора мощностью 630 кВА), страница 3

23·0,5+22·0,12=14,14 мм

Итак, радиальный размер обмотки примерно d₁ = 34мм.

3.6. Внутренний и внешний диаметры обмоток:

D_1внутр=d+2·а₀₁=0,19+2·0,005=0,200м;

D_1внеш= D_1внутр +2·d₁=0,20+2·0,034=0,268 м.

3.7. Плотность теплового потока:

q_HH= =663,168Вт/м², где k₃ – коэффициент закрытия поверхности,

k_Д – коэффициент добавочных потерь, определен в пункте 5.2.1.

3.8. Масса алюминиевой ленты и изоляции:

Основываясь на эскизе обмотки НН (рис. 2) определим массу алюминия и кабельной бумаге (плотность алюминия γ_А=2700 кг/м³, а бумаги γ_бум= 750 кг/м³):

Объем алюминия и изоляции:

V_ал=11250 мм²;

V_бум=2595 мм²;

Масса алюминия и изоляции:

G_HH=3· V_ал · γ_А =3·11250·2700=91,1 кг;

G_изол=3· V_бум· γ_бум=3·2595·750=5,8 кг.

рис.2. Структура обмотки НН.

С торцов обмотки кабельная бумага выступает на 10мм, к этим частям бумаги приклеиваются ленты картона, для придания жесткости торцевым частям обмотки и дополнительной изоляции.

4. Расчет обмотки высокого напряжения.

Обмотка ВН соединена в треугольник, соответственно регулировочные витки располагаем в середине (рис.3) катушки, так как при другом расположении витков контакты переключающего устройства попадают под номинальное напряжение. С учетом этого обстоятельства возможно применение только непрерывной катушечной обмотки (в случае применения механического переключателя).

Обмотку выполняем из прямоугольного алюминиевого провода марки АПБ.

4.1. Число витков при номинальном напряжении:

W_ВH= витков;

Округлим: W_ВH=727 витков.

4.2. Число витков на одной ступени регулирования (+/- 5%):

N=U_ВНф·0,05=6300·0,05=315

w_p= 36 витков

4.3. Число витков на 5 ступенях регулирования:

4.4. Плотность тока в обмотке ВН:

J_ВН=2·J-J_HH=2·1,511-1,585=1,437

4.5. Сечение витка:

П_ВН= 23,191 мм²;

Выбираем (по табл.5.2 [1]):

АПБ сечением П_ВН =20,8мм².

4.6. Уточненная плотность тока в обмотке ВН:

J_ВН = 1,602 А/мм².

4.7. Число катушек:

n_кат= 44,04 катушки, где

b^/ - ширина провода с изоляцией, м;

h_k – осевой канал между катушками, м.

Принимаем n_кат=43.

4.8. Число витков в катушке:

W = , принимаем 18.

4.9. Данные катушек:

Таблица 4. Данные катушек обмотки ВН

* - вплетаются полосы картона до радиального размера 45мм.

рис.3. Схема выполнения ответвлений в обмотке НН при ПБВ.

Размер масляного канала в месте разрыва обмотки 8мм. В обмотке 31 осевой канал шириной 4,5мм и 10 каналов 4мм. Итого:

L=43·11,1+31·4,5+10·4+8=664,8 мм – высота обмотки.

рис.4. Структура обмотки ВН.

4.10. Плотность теплового потока:

q_ВH= =392,14 Вт/м², меньше значения из графика 5.34 [1].

Между обмотками ВН и НН помещаем бумажно-бакелитовый цилиндр толщиной 3мм, внутренним диаметром 137мм.

4.11. Масса алюминия (формула 7.7 [1]):

G_ВН=8,47·10³·с·D_ср·w·П_ВН=8,47·10³·3·331·763·20,8=133,5 кг, где

с – число стержней;

D_cp – средний диаметр обмотки;

4.12. Внутренний и внешний диаметры обмоток:

D_2внутр= D_1внутр +2·а₁₂=0,268+2·0,009=0,286м;

D_2внеш= D_2внутр +2·а_р=0,286+2·0,045=0,376 м.

4.13. Масса обмоток:

G_o=G_HH+G_ВН=91,1+133,5=224,6кг.

Алюминиевого провода потребовалось на 5,3кг меньше, чем было рассчитано в пункте 2.10.

5. Расчет параметров короткого замыкания

5.1. Потери КЗ:

На низкой стороне:

P_оснНН=12,75·J_HH·G_HH=12,75·1,585·91,1=2920 Вт (при t⁰ обмоток 75⁰С);

На высокой стороне:

P_оснВН=12,75·J_ВH·G_ВH=12,75·1,602·133,5=4371 Вт.

5.2. Добавочные потери:

5.2.1. Добавочные коэффициенты:

На низкой стороне:

k_д=1+0,037·10^-4·β²·a⁴·n² – коэффициент добавочных потерь, где

β= ,

где b – осевой размер проводника,

l – осевой размер обмотки;

а – радиальный размер проводника;

n – число витков.

β= = =0,95

k_дНН=1+0,037·10^-4·β²·a⁴·n²=1+0,037·10^-4·0,95²·0,5⁴·46²=1,0004

На высокой стороне:

β= = =0,651,

где m – число проводников в радиальном направлении

k_дВН=1+0,037·10^-4·β²·a⁴·n²=1+0,037·10^-4·0,651²·2,0⁴·43²=1,008

5.2.2. Потери в отводах:

На низкой стороне:

Длина провода при соединении в звезду:

l_отв=7,5L_o=7,5·0,665=4,988м;

Масса отвода:

G_отвНН=l_отв·П_НН·γ_А=4,988·332,5·2700·10^-6=4,478 кг;

Потери:

P_отвНН=12,75·J_НH²·G_отвНН=12,75·1,585²·4,478=143,5 Вт.

На высокой стороне:

Длина провода при соединении в треугольник:

l_отв=14·L_o=14·0,665=9,31м;

Масса отвода:

G_отвВН=l_отв·П_ВН·γ_А=9,31·20,8·2700·10^-6=0,523 кг;

Потери:

P_отвВН=12,75·J_ВH²·G_отвВН=12,75·1,602²·0,523=17,1 Вт.

5.2.3. Потери в стенках бака:

P_бак=10·k·S=10·0,015·630=94,5 Вт , где k по табл.7.1 [1].

5.3. Полные потери.

P_k=P_оснНН·k_дНН+P_оснВН·k_дВН+P_отвНН+P_отвВН+P_бак= =2920·1,0004+4371·1,008+143,5+17,1+94,5=7581 Вт.

Для номинального напряжения:

P_k=7581 – 0,05·P_оснВН·k_дВН=7581 – 0,05·4371·1,008=7361 Вт;

=2,24% - отклонение от заданного значения.

5.4. Напряжение короткого замыкания.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

u_a= 1.168%;

k_p=1 – σ(1 – e^-1/σ) – коэффициент, учитывающий отклонение реального поля рассеяния от идеализированного;

σ= ;

k_p=1 – σ(1 – e^-1/σ)= 1 – 0,042(1 – e^-1/0,042)=0,958;

а_р=а₁₂+ = 0,009+ =0,035мм;

u_p^/= = =4,938%

k_q=1+ =1+ 1,001;

Реактивная часть напряжения КЗ:

u_p=k_q·u_p^/=1,001·4,828=4.943%

Напряжение КЗ:

u_k= = =5,079%

=1,6% - отклонение от заданного значения.

5.5. Определение механических сил в обмотках

Для трансформаторов мощностью менее 1,0 МВА действующее значение наибольшего установившегося тока КЗ:

I_куВН= 656,291 А;

k_max= – по таблице 7.3 [1], коэффициент учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока КЗ;

i_kmax= =2,1·656,291=1378 А – ударный ток короткого замыкания;

Радиальная сила:

F_p=0,628·(i_kmax·W_BH)²·β·k_p·10^-6=0,628·(1378·727)²·1·0,958·10^-6=80420 Н;

Напряжение сжатия:

На низкой стороне:

σ_sHH = МПа;

На высокой стороне:

σ_sВH = МПа;

от предельно допустимого значения 25МПа;

Осевые силы:

F^/_ос= Н;

F^//_ос= Н,

где l^// - расстояние от стержня до стенки бака;

m - по рисунку 7.11 [1];

Сжимающие силы:

По рисунку 7.11 [1]:

Рис.5. Сжимающие силы в обмотке ВН.

F_сжВН= F^/_ос - F^//_ос=20690 – 13230=7464 Н – на высокой стороне;

Рис.6. Сжимающие силы в обмотке НН.

F_сжНН= F^/_ос + F^//_ос=20690 + 13230=33920 Н – на низкой стороне;

σ_сжНН= МПа, где

- средний диаметр обмотки НН;

а^/ - радиальный размер алюминиевых лент (суммарный);

Обмотки после сборки прессуются силой, близкой к 34кН.

5.6. Температура обмоток спустя 5с после возникновения КЗ:

Θ= = =156 ⁰С,

где J – средняя плотность тока.

Температура соответствует допустимой норме - 200⁰С.

6. Расчет магнитной системы

6.1. Полное сечение стержня:

П_фс= м²;

Активное сечение стержня:

П_с=k₃П_фc=0,95·0,026=0,024м²;

6.2. Определение размеров кольца:

Рис.7. Полукольцо магнитопровода.

Длина стержня:

L_ст=L_o+2l_тех=0,665+2·0,03=0,725м,

где l_тех – отступ необходимый для разъемного диска, который фиксирует два кольца при вращении (намотка стеклоленты, обмотки);

Размер «окна» между двумя стержнями:

C=D_2внеш+0,014=0,39м;

Прочие размеры:

А=С+0,71·d=0,39+0,71·0,19=0,525м;

В=0,75·d=0,75·0,19=0,142м;

b= 0,113м;

Координата центра тяжести сечения стержня:

а_ц=0,342·d=0,342·0,19=0,065м;

r=0,02м – радиус сопряжения ярмо-стержень;

R= =0,374м;

Длина средней линии кольца по положению центра тяжести:

α=arcsin 0,251 рад =14,4^о;

L_cp= =

= =1,99м;

6.3. Масса стали навитой магнитной системы:

γ_ст=7650 кг/м³ – плотность электротехнической стали (холоднокатаной);

G_ст=1,5·L_cp·П_с·γ_ст=1,5·1,99·0,024·7650=555,8 кг.

Масса стали получилась на 109,8кг меньше рассчитанной в предварительном расчете. Однако, это делает некоторые преимущества, например, уменьшились и потери холостого хода, ток холостого хода, уменьшилась стоимость трансформатора, так как сталь марки 3406 дорогостоящая (уменьшение массы стали дает большую экономию, чем уменьшение массы обмоток), трансформатор стал значительно легче, что в наше время является важным фактором.