3217_EI

УДК 621.3.013

Электрические машины : методические рекомендации к выполнению курсовой работы «Проектирование силового трансформатора с масляным охлаждением» для студентов специальности 190901.65 «Электроснабжение железных дорог» очной и заочной форм обучения / составитель А. А. Ионов. – Самара : СамГУПС, 2013. – 84 с.

Методические рекомендации содержат теоретическую часть для выполнения курсовой работы по дисциплине «Электрические машины» и содержат следующие разделы: общая конструкция трансформатора, конструкция магнитной цепи и схем магнитопроводов, конструкции обмоток трансформаторов и типы изоляций, регулирование напряжения трансформатора, системы охлаждения трансформаторов. Методические рекомендации содержат ссылки на используемую литературу и действующие ГОСТы.

Утвержденыназаседаниикафедры«Электротехника» 17 апреля2013 г. протокол№7. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составитель: Ионов Андрей Андреевич

Рецензенты: к. т. н., доцент, зав. кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» СамГУПС М. А. Гаранин; д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Мехатроника в автоматизирован-

ных производствах» СамГУПС О. А. Кацюба

Под редакцией составителя Компьютерная верстка: Е.А. Ковалева

Подписано в печать 23.05.2013. Формат 60x90 1/16. Усл. печ. л. 5,25. Заказ 79.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Выпускаемые в настоящее время трансформаторы чрезвычайно разнообразны по назначению, конструкции и размерам. Кроме силовых трансформаторов существует большое количество трансформаторов специального назначения [1].

Силовые трансформаторы выполняются двух основных видов – масляные и сухие. Первые получили преимущественное распространение, так как имеют лучшие условия охлаждения и изоляции. Сухие трансформаторы находят применение в тех случаях, где требования взрыво- и пожаробезопасности приобретают главное значение.

Конструктивные особенности трансформаторов объединяются в понятии типа трансформатора, который согласно [2] указывается сочетанием букв и цифр.

Буквенно-цифровое обозначение трансформатора имеет следующую структуру [2]:

——— ——— / ——— ——— , 1 2 3 4

где 1 – буквенная часть обозначения, содержащая обозначения в следующем порядке: А – автотрансформатор; О или Т – однофазный или трехфазный трансформатор (условное обозначение вида охлаждения); З – с естественным масляным охлаждением; Л – с литой изоляцией; Т – трехобмоточный трансформатор (для двухобмоточных трансформаторов не указывают); Н – трансформатор с РПН (регулирование напряжения под нагрузкой); С – для собственных нужд электростанции; 2 – номинальная мощность трансформатора, кВ·А (числитель дроби); 3 – класс напряжения обмотки высшего напряжения (ВН) (знаменатель дроби); 4 – климатическое исполнение и категория размещения по [3].

Условное буквенное обозначение вида охлаждения:

С – естественное воздушное при открытом исполнении; СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении; СГ – естественное воздушное при герметическом исполнении; СД – воздушное с принудительной циркуляцией воздуха; М – естественная циркуляция воздуха и масла; Д – принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла; МЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла; НМЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла; ДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла; НДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком; Ц – принудительная циркуляция воздуха с ненаправленным потоком масла; НЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла.

4

Разрешается в обозначении типа после перечисленных букв в позиции 1 добавлять, для указания особенностей конструкции, еще некоторые буквы, например, букву А для трансформаторов с обмотками из алюминия.

Пример: ТМН-2500/35-У1 – трансформатор трехфазный масляный с охлаждением при естественной циркуляции воздуха и масла, двухобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН), номинальная мощность трансформатора– 2500 кВ·А, напряжение первичной обмотки – 35 кВ, исполнения У (для работы в умеренном климате), категории размещения 1 (для эксплуатации на открытом воздухе) по [3].

ТРДНС-32000/35−У1 – трехфазный двухобмоточный трансформатор, с расщепленной обмоткой низкого напряжения, с охлаждением Д, с регулированием напряжения под нагрузкой, исполнения для собственных нужд электростанций, номинальной мощностью 32 МВ·А, напряжение первичной обмотки 35 кВ, исполнения У, категории 1.

Трансформаторы одинакового конструктивного типа, изготавливающиеся по одинаковому технологическому процессу, для удобства их сравнения объединяют в габариты. Каждый габарит характеризуется определенным диапазоном номинальных мощностей и классов напряжения. Кроме того, для изготовления трансформаторов одного габарита используется одно и то же подъемно-транспортное и испытательное оборудование. В настоящее время различают 8 габаритов трансформаторов [4].

Все выпускаемые промышленностью трансформаторы должны удовлетворять требованиям государственных стандартов (ГОСТов). Номинальные мощности трансформаторов должны соответствовать [5]. Общие технические требования в отношении условий работы, норм нагрева, схем и групп соединения и т. д. для всех силовых трансформаторов общего назначения устанавливаются [2]. Кроме того, для силовых трансформаторов различных классов напряжения существуют отдельные ГОСТы, в которых указаны допустимые типы трансформаторов, основные параметры, технические требования и пр.

Целью данных методических рекомендаций является дополнение теоретическими сведениями представленный в [6] расчет силового двухобмоточного трансформатора. Методические рекомендации содержат описание основных конструктивных элементов трансформатора, материалов, используемых в их изготовлении и способов производства; описывают необходимость и способы регулирования напряжения на выводах трансформатора, а также способы охлаждения трансформаторов. Весь материал подкреплен ссылками на используемую литературу и действующие ГОСТы.

В методических указаниях [6] приводится расчет для масляных трансформаторов с классом номинального первичного напряжения 10, 35 и 110 кВ, поэтому представленная в данных методических рекомендациях теория охватывает только этот тип трансформаторов. Более подробное описание остальных типов трансформаторов приведено в [7–9].

5

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока при неизменной частоте питающего напряжения [1].

Вобщем случае вторичная система переменного тока может отличаться от первичной любыми параметрами: значениями напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также

вэнергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, за счет которых изменяют значения переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.

Все трансформаторы, используемые в настоящее время, можно разделить:

–по назначению – силовые трансформаторы общего назначения; автотрансформаторы; измерительные трансформаторы; трансформаторы специального назначения;

–по виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением;

–по числу трансформируемых фаз – однофазные и трехфазные;

–поформемагнитопровода– стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

–по материалу обмоток – с медными и алюминиевыми обмотками;

–по числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

2.ОБЩАЯ КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ТРАНСФОРМАТОРА

Вконструктивном отношении современный силовой масляный трансформатор можно схематически представить состоящим из трех основных систем – магнитной системы, обмоток с их изоляцией и системы охлаждения. К вспомогательным системам можно отнести устройства регулирования напряжения, измерительных и защитных устройств, арматуры и др. [1; 7–9].

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), которая служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система представляет собой комплект пластин из ферромагнитного материала, собранных в определенной геометрической форме.

Большинство типов магнитных систем можно разделить на две составные части: стержни – части трансформатора, на которых располагаются основные обмотки транс-

6

форматора, и ярма – части, не несущие основных обмоток и служащие для замыкания магнитной цепи. Вместе с этим, например, системы тороидальной формы не подразделяются на стержни и ярма.

В магнитных системах, разделяющихся на стержни и ярма, при расчете параметров холостого хода трансформатора особо выделяются части, находящиеся в зоне сопряжения стержня и ярма и называемые углами магнитной системы. Понятие «угол» определяется как часть ярма магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или их продолжений одного из ярм и одного из стержней. Магнитная система, изображенная на рис. 1, имеет шесть углов.

Рис. 1. Плоская магнитная система:

1 − ярмо; 2 − стержень; 3 − сечение стержня

По расположению отдельных частей магнитной системы все магнитные системы разделяются на плоские – такие, в которых продольные оси всех стержней и ярм располагаются в одной плоскости (рис. 1), и пространственные, в которых оси стержней и ярм располагаются в разных плоскостях (рис. 2).

По взаимному расположению стержней и ярм плоские и пространственные магнитные системы могут также подразделяться на стержневые, броневые и бронестержневые. Наибольшее распространение получила плоская магнитная система по типу рис. 1 путем сборки из плоских пластин электротехнической стали. При такой магнитной системе трехфазного силового трансформатора ярма соединяют разные стержни, и каждое ярмо располагается со стороны торцов стержней. Такая магнитная система называется стержневой. На рис. 3, а и б изображены магнитные системы, у которых каждый стержень имеет боковые ярма, соединяющие два разных конца этого стержня. У трансформаторов с такими магнитными системами боковые поверхности обмоток как бы закрыты

7

броней, отчего магнитные системы этого типа при наличии не менее двух боковых ярм

на каждом стержне получили название броневых.

Рис. 2. Пространственная магнитная система:

а– стыковая со стержнями, собранными из плоских пластин, и навитыми ярмами;

б– навитая неразрезная, состоящая из трех навитых колец

Рис. 3. Броневые магнитные системы: 1 – стержень; 2 – ярмо; 3 – обмотка

8

На рис. 3, в показан промежуточный бронестержневой тип магнитной системы, у которой не все стержни имеют боковые ярма или каждый стержень имеет не более чем одно боковое ярмо.

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроения получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров (рис. 4).

Рис. 4. Плоская магнитная система стержневого типа:

1 – деревянная планка; 2 – обмотка; 3 – деревянные расклинивающие стержни

В силовых трансформаторах мощностью до 6300 кВ·А широкое применение нашли пространственные магнитные системы по рис. 2, а и б. Броневые магнитные системы по рис 3, а при горизонтальном расположении стержней и ярм с обмотками прямоугольной формы применяются некоторыми иностранными фирмами для трансформаторов, предназначенных для питания электрических печей [7].

Магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковые форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней, называется симметричной (рис. 2 и 3, б, в). При отсутствии одного из этих признаков магнитная система называется несимметричной. Магнитная система, изображенная на рис. 1, несимметрична, потому что взаимное расположение ее среднего и крайних стержней по отношению к ярмам различно.

По способу сборки различают:

–шихтованные магнитные системы, ярма и стержни которых собираются в переплет из плоских пластин как единая цельная конструкция;

–навитые магнитные системы, все части которых изготавливаются путем навивки из ленточной электротехнической стали, а затем скрепляются в единую конструкцию;

9

– стыковые магнитные системы, в которых ярма и стержни собираются и скрепляются раздельно, а затем при сборке устанавливаются встык и скрепляются специальными стяжными конструкциями или другими способами.

В стыковых магнитных системах могут сочетаться части, собранные только из плоских пластин или из плоских пластин с навитыми частями.

Часто применяемый порядок сборки шихтованной стержневой магнитной системы показан на рис. 5, а. Сборка ведется на горизонтальном стенде путем чередования слоя пластин прямоугольной формы (обычно толщиной в две пластины, редко в три-четыре), разложенных по положению 1, со слоем пластин, разложенных по положению 2. В результате сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами получается остов трансформатора, не требующий добавочных креплений. При сборке такой магнитной системы в углах образуется так называемый прямой стык.

Рис. 5. Сборка шихтованной стержневой магнитной системы

Если концы пластин срезать под углом 45°, то они будут образовывать в углах косой стык. Для насадки обмоток на стержни верхнее ярмо шихтованной магнитной системы разбирается по отдельным пластинам, а после насадки обмоток снова собирается. Магнитные системы трансформаторов мощностью до 630 кВ·А включительно, не требующие стяжки стержней бандажами, могут собираться с укладкой пластин стержней внутрь обмоток. После завершения шихтовки и стяжки ярм балками обмотки оказываются размещенными на остове трансформатора.

На рис. 5, б показана навитая из ленты холоднокатаной стали разрезная стыковая магнитная система, а на рис. 5, в – стыковая система, состоящая из стержней и ярм, собираемых раздельно из плоских пластин.

Навитые системы могут быть неразрезными (рис. 2, б), когда обмотки из обмоточного провода или медной или алюминиевой ленты (фольги) наматываются непосредственно на стержни магнитной системы, или стыковыми, когда для насадки обмоток стержни магнитной системы разрезаются резом, перпендикулярным к продольной оси стержня, и навитая магнитная система становится стыковой (рис. 5, б).

10