Расчет силового трансформатора. Ч.1. Учебно-методическое пособие для курсового проекта по дисциплине «Электрические машины»

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

_________________________________________________________________

ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ (ИТТСУ)

Кафедра «Электропоезда и локомотивы»

В.А. ШАРОВ, И.И. ГАРБУЗОВ, А.А. ЧУЧИН

РАСЧЕТ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

ЧАСТЬ 1

Учебно-методическое пособие

для подготовки специалистов по программам

23.05.03«Подвижной состав железных дорог»

23.05.05«Системы обеспечения движения поездов»

Москва – 2021

УДК 621.313 Ш26

Шаров В.А., Гарбузов И.И., Чучин А.А. Расчет силового трансформатора. Часть 1: Учебно-методическое пособие для курсового проекта по дисциплине «Электрические машины». – М.: РУТ(МИИТ), 2021. – 46 с.

В учебно-методическом пособии представлен теоретический материал, необходимый для выполнения курсового проекта, посвященного расчету силового трехфазного трансформатора. Представлены сведения о расчете основных электрических величин, изоляционных расстояний, основных размеров, параметров обмоток, магнитной системы, параметров холостого хода и короткого замыкания, а также системы охлаждения трансформатора

Для подготовки специалистов по программам 23.05.03 «Подвижной состав железных дорог», 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов».

Рецензент: профессор кафедры «Электроэнергетика транспорта», д.т.н. Гречишников В.А. РУТ (МИИТ)

© РУТ (МИИТ), 2021

3

ВВЕДЕНИЕ

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов 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% и более. 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 главным образом путем все более широкого применения холоднокатанной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами – низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью.

Новые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением 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,

4

отнесенная к единице мощности и т.д.

Задача повышения эффективности использования материальных ресурсов

– сырья, материалов, топлива и энергии – в трансформаторостроении успешно решается путем проведения мероприятий, направленных на уменьшение расхода активных материалов, а также на уменьшение габаритов трансформатора.

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 10 000 до 63 000 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 обычно с переключением без возбуждения (ПБВ).

Процесс проектирования силового трехфазного трансформатора неразрывно связан с расчетом нагрузок его элементов (электрических, механических, тепловых и т.д.).

Методические указания составлены с целью оказания помощи студентам в определении последовательности и объема расчетов силового трехфазного трансформатора при выполнении курсового проекта.

Настоящие методические указания содержат пример расчета трансформатора, составленный по книге П. М. Тихомирова [1]. При этом использованы справочные материалы названной книги с соответствующими ссылками на номер страницы.

5

Пример расчета силового трехфазного трансформатора с масляным охлаждением и плоской магнитной системой

ЗАДАНИЕ

Расчет производится для трансформатора стержневого типа с концентрическими обмотками.

Схема расчета трансформатора приведена на стр. 95-96 [1].

Следует отметить, что расчет ведется для фазных значений тока и напряжения, а также, в основном, на одну фазу (S' = S/3).

Требуемая точность расчета в курсовой работе: 3-4 значащие цифры.

* Примечание – обозначение в соответствии с [2]

6

1 Расчет основных электрических величин и изоляционных расстояний

Теория для данного раздела представлена на с. 139-140 [1]. 1.1 Мощность одной фазы

Sф S3н 1603 53,33 кВА

1.2 Мощность на один стержень

S' S3н 1603 53,33 кВА

1.3 Номинальные линейные токи 1.3.1 На стороне ВН

1.4 Фазные токи 1.4.1 На стороне ВН (соединение У)

I2ф I2 9,238 А

7

1.4.2 На стороне НН (соединение Д)

I1ф I13 14,6633 8,466 А

1.5 Фазные напряжения 1.5.1 Сторона ВН (соединение У)

U2ф U32 100003 5773,5В

1.5.2 Сторона НН (соединение Д)

U1ф U1 6300 В

1.6 Испытательные напряжения (таблица 4.1, с. 169)

1.7 Активная составляющая напряжения короткого замыкания

1.8 Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания

8

2 Определение основных размеров трансформатора

Теория для данного раздела представлена на с. 160-165 [1]. 2.1 Диаметр стержня трансформатора

В данной формуле

2.1.1S' 53,33 кВА (см. п. 1.2).

2.1.2β = 2,25 (по заданию).

2.1.3aр – канал рассеяния

aр a12 a1 a2 ,

3

где a12 – размер канала между обмотками ВН и НН. Согласно таблице 4.5 (с. 184), a12 = 0,009 м.

a1 – радиальный размер обмотки НН; а2 – радиальный размер обмотки ВН.

aр 0,009 0,01703 0,02603 м

2.1.4КР = 0,95 – коэффициент Роговского.

2.1.5f = 50Гц – частота.

9

2.1.6Uкр 4,184 % (см. п. 1.8).

2.1.7Вс – индукция в стержне. Согласно таблице 2.4 (с. 78), для стали 3404 с толщиной пластин 0,35 мм Вс = 1,55 Тл.

2.1.8Кс – коэффициент заполнения стержня сталью

Kc Kкр Kз ,

где Ккр – отношение площади ступенчатой фигуры поперечного сечения к площади круга с диаметром d. Согласно таблице 2.5 (с. 118-119), Ккр = 0,913 (вариант для 6 ступеней без прессующей пластины).

Кз – отношение площади активного сечения стержня (чистой стали) к площади ступенчатой фигуры сечения стержня. Согласно таблице 2.2 (с. 77), для стали 3404 с толщиной пластин 0,35 мм Кз = 0,97.

Тогда Kc 0,913 0,97 0,8856 .

2.1.9 Рассчитываем приблизительный диаметр стержня

d' 0,5074 53,33 2,25 0,02603 0,95 0,1493 м.

50 4,184 1,552 0,88562 Выбираем стандартный стержень, учитывая, что для диаметров стержней

силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит определенные нормализованные диаметры (см. с. 87-88).

Принимаем dст = 0,16 м (далее будем обозначать его просто, как d).

Здесь следует обратить внимание на то, что принятый диаметр стержня не обязательно может быть максимально приближен к расчетному. Принятый диаметр необходимо скорректировать при значительном расхождении с заданным напряжением короткого замыкания Uк (п. 4.2.4).

2.2 Так как полученный диаметр стержня d' не соответствует нормализованной шкале диаметров, то определяют значение βн, соответствующее нормализованному (стандартному) диаметру dст.

βн β dd' 2,25 00,1493,16 2,411.

10