Нормы и методы испытаний электрической прочности изоляции

Законченный курсовой проект состоит из пояснительной записки, содержащей расчет трансформатора и чертежей, представляющих конструктивную разработку его.

А Пояснительная записка

Содержание пояснительной записки, определяющее также последовательность расчета следующее.

1 Введение

Назначение и роль силовых трансформаторов в энергосистемах; современные тенденции в производстве трансформаторов; назначение спроектированного трансформатора (повышающий, понижающий, для питания промышленной или промышленно-осветительной нагрузки; для связи линии передач; для работы блока с генератором и др.).

2 Технические требования, предъявляемые к спроектированному трансформатору. Технические требования излагаются в ГОСТ 12022-66 для трансформаторов до 630 кВА и в ГОСТ 11920-75 для трансформатора от 1000 до 80000 кВА. Общие технические требования приведены в ГОСТ 11677-65; здесь следует обратить внимание на допустимую высоту (установки трансформатора над уровнем моря и температуру окружающей среды: (воздуха); на допустимый нагрев; условия работы; нагрузочную способность; допуски.

3 Определение основных электрических величин:

а) определение линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН;

б) выбор испытательных напряжений обмоток;

в) определение активной и реактивной составляющих напряжения к.з.

4 Определение главных размеров трансформатора:

а) выбор схемы и конструкции сердечника;

б) выбор марки и толщины листов стали и вида изоляции пластин. Выбор

индукции в сердечнике;

в) выбор материала обмоток;

г) выбор конструкции и размеров основных изоляционных промежутков

главной изоляции обмоток;

д) выбор соотношения основных размеров β ;

е) определение диаметра стержня и высоты обмотки, определение

активного сечения стержня.

5 Выбор типа конструкций и расчет обмоток НН и ВН.

6 Определение характеристик к.з.:

а) определение потерь к.з.;

б) определение напряжения к.з.:

в) определение механических сил в обмотках.

7 Окончательный расчет магнитной системы:

а) определение размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма;

б) определение массы стержней и ярм, массы стали;

в) определение потерь х.х.;

г) определение тока х.х.

8 Определение рабочих характеристик трансформатора.

9 Тепловой расчет и расчет охладительной системы:

а) проверочный тепловой расчет обмоток;

б) расчет бака и охладителей;

в) расчет превышений температуры обмоток и масла над воздухом;

г) определение массы масла и основных размеров расширителя.

10 Экономический расчет:

а) расчет расхода активных и конструктивных материалов;

б) ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора;

в) определение расчетных годовых затрат и оценки экономичности

рассчитанного трансформатора.

Пояснительная записка должна быть оформлена в соответствии с ГОСТ 2.104-68. ГОСТ 2.106.68, которые устанавливают формы и размеры конструкторских документов, предусмотренных стандартами Единой системы конструкторской документации.

В тексте записки даются необходимые пояснения, приводятся расчетные формулы, куда подставляются значения величин, входящих в формулу. После формулы дается конечный результат без промежуточных вычислений.

Не допускается приводить только формулу и конечный результат или численную подстановку без написания формулы. Полученные величины должны снабжаться соответствующими размерностями.

Произвольное сокращение слов в тексте не допускается, можно употреблять только общепринятые сокращения (э.д.с. и т.д.). В записке следует делать ссылки на литературу, откуда привлечены в расчет те или иные сведения.

Количество иллюстраций в записке должно быть достаточным для пояснения излагаемого текста. Обязательными иллюстрациями являются:

1. Кривые изменения массы стали сердечника и металла обмоток в зависимости от β.

2. Изменение потерь в стали и тока холостого хода рассчитываемого трансформатора в зависимости от β.

3. Кривая изменения стоимости рассчитываемого трансформатора в зависимости от β.

4. Сводный график для определения оптимального значения β и нормализованного значения диаметра стержня.

Примечание: рисунки по п.п. 1÷4 не выполняются, если значение β выбирается по таблицам без подробного расчета.

5. Сечение витка обмоток НН и ВН (для катушечных и винтовых обмоток, а также для цилиндрических обмоток НН, выполняемых из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения).

6. Схема регулирования напряжения обмотки ВН.

7. Расположение катушек обмоток по высоте трансформатора и размеры радиальных каналов (для катушечных обмоток).

8. Структура концевой и междуслойной изоляции многослойных цилиндрических обмоток из круглого провода.

9. Основные размеры обмоток и главные изоляционные расстояния.

10. Схема транспозиций проводов (для винтовых обмоток).

11. Распределение сжимающих осевых сил для принятого в расчете взаимного расположения обмоток.

12. Форма и размеры сечения стержня и ярма.

13. Эскиз сердечника с указанием всех его размеров.

14.Характеристики =ƒ(к_нг); U₂= ƒ(к_нг)

15.Эскиз и определение основных размеров бака трансформатора.

16.Основные размеры трубчатой стенки бака.

Титульный лист пояснительной записки выполняется по форме, утвержденной кафедрой. Общий объем записки – 40-50 стр. рукописного текста. Допускается представлять пояснительную записку в машинописном виде.

Б Конструктивная разработка трансформатора

Конструктивная разработка представляется в виде двух листов чертежей формата А1 (ГОСТ 2.301-68):

1-й лист - общий вид трансформатора;

2-й лист – разработка одного или нескольких узлов трансформатора в

соответствии с заданием на проект.

Выполнение и оформление чертежей должно во всем соответствовать ГОСТ 2.108-68, ГОСТ 2.109-68, ГОСТ 2.302-684 2.307-68. Основные надписи на чертежах выполняются по форме, утвержденной на кафедре.

Ш Определение основных электрических величин

Ша. Определяются мощность на одну фазу и стержень, номинальные линейные и фазные токи и напряжения на стороне ВН и НН по расчетным формулам § 3-2 [Л.1].

При выборе схемы и группы соединения обмоток трансформатора можно руководствоваться следующими соображениями.

1. Следует принимать одну из схем соединения обмоток, предусмотренных ГОСТ 11677-65.

2. Соединение Υ/Υ применяется в распределительных трансформаторах сравнительно небольших мощностей. Эта схема при некоторых соотношениях токов и напряжений обеспечивает экономию изоляционных материалов и дает возможность использовать как линейные, так и фазные напряжения. Обычно на линейные напряжения включаются силовая, а на фазные – осветительная нагрузка. Однако при несимметричной нагрузке имеет место смещение нейтрали и искажение фазных напряжений. Кроме того, при этой схеме имеют место гармоники напряжения, кратные трем, дополнительные потери в конструктивных металлических элементах трансформатора от потоков третьих гармонических. На стороне НН могут возникать токи тройной частоты, создающие электромагнитные помехи в линиях проводной связи.

3. Соединение Υ /∆ применяется в распределительных сетях в значительно большем диапазоне мощностей, чем предыдущее. Используются вторичное линейное напряжение для питания главным образом силовой нагрузки. При несимметричной нагрузке отсутствуют смещение нейтрали фазных э.д.с., трансформатора. Токи гармоник, кратных трем, протекают только по обмотке НН. Так как эта обмотка представляет собою короткозамкнутый контур, то в фазных напряжениях третьи гармонические практически отсутствуют.

4. Соединение звезда/треугольник и треугольник/зигзаг с нулевым проводом широко применяется в повышающих и понижающих трансформаторах до самых больших мощностей для передачи и распределения электрической энергии, используется в трансформаторах, установленных на обоих концах линии электропередач. Несимметрия нагрузки не вызывает заметных искажений фазных напряжений. Гармоники напряжения, кратные трем, отсутствуют.

5. Соединение обмоток звезда/зигзаг с нулевым проводом позволяет включать потребители на линейные и фазные напряжения, но в значительной степени лишено недостатков схемы звезда/звезда с нулевым проводом. Однако, при соединении обмотки в зигзаг требуется при одинаковой мощности на 15% больше меди, чем при соединении в звезду.

6. ГОСТ 11677-65 для трехфазных трансформаторов устанавливает две группы соединения: 0 и 11.

IIIб. Испытательные напряжения обмоток выбираются по [Л.1], таблица 4-1,

или по [Л.2], таблица 6-1.

IIIв. По заданным потерям к.з. и величине U_к определяются активная

и реактивная составляющая напряжения к.з.

ІV Определение главных размеров трансформатора

IVа. Наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа с концентрическими обмотками и вертикально расположенными стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность. Поэтому при курсовом проектировании применяется указанная конструктивная схема трансформатора.

IV б. Выбор марки и толщины листов стали, типа междулистовой изоляции и индукции в стержне, производится, согласно §2-3, [Л.1].

IV в. Соображения по выбору материала и марки проводов обмоток приводятся в §1-3 , [Л.1].

IV г. Выбор конструкции и определение основных изоляционных промежутков производится в следующей последовательности:

а) для каждой части токоведущей системы (отводы, обмотки) устанавливается испытательное напряжение;

б) выбирается принципиальная конструкция изоляции;

в) определяются основные изоляционные промежутки и расстояния между токоведущими частями и относительно заземленного остова.

При выборе конструкции и размеров основных изоляционных промежутков следует руководствоваться §4-4 и §4-5 [Л.1] или §14-18 [Л.2].

IV д. От величины коэффициента β, связывающего среднюю длину окружности канала между обмотками трансформатора и высоту обмоток, зависит соотношение размеров трансформаторов, его стоимость и технические характеристики и, следовательно, сходимость результатов расчета и задания на проект. Следует иметь в виду следующее.

1. Меньшим значениям β соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим, широкие и низкие.

2. Меньшим значениям β соответствует меньшая масса стали сердечника и большая масса металла обмоток; с увеличением β масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Изменение β оказывает влияние на массу и стоимость остальных материалов трансформатора: конструктивных деталей, охладительной системы. Следовательно величина β существенно влияет на стоимость трансформатора.

3. Изменение β сказывается так же на потерях и токе х.х., механической прочности и нагревостойкости обмоток: с увеличением β при сохранении индукции, потери и ток х.х. возрастают; плотность тока и механические растягивающие усилия при сохранении потерь к.з. также возрастают вследствие уменьшения сечения как всей обмотки, так и каждого ее витка, неизбежного при уменьшении веса меди обмотки с ростом β.

Таким образом, выбор значения β оказывает решающее влияние на результаты расчета. В то же время величина коэффициента β для современных силовых трансформаторов, соответствующих государственному стандарту, может варьироваться в пределах от 1,0 до 3,5, так что задача выбора оптимального (или близкого к нему) значения β становится затруднительной.

В [Л.1] приводится обобщенный метод расчета и выбора β, позволяющий получить полную картину изменения весовых, эксплуатационных и экономических характеристик трансформатора при изменении любых исходных данных и допускать выбор оптимального решения путем экономической оценки исследуемых вариантов с учетом таких факторов как требования стандартов, технологичность конструкции и др.

Любой обобщенный метод является приближенным, так что при окончательном расчете могут иметь место отклонения от первоначально намеченных и полученных данных. Это связано с необходимостью округлять число витков обмоток до ближайшего целого числа, выбирать размеры и сечения обмоточных проводов по существующим сортаментам, применять нормализованные диаметры стержней сердечника и др.

Однако, применение обобщенного метода позволяет существенно ограничить область возможных решений, найти оптимальное решение задачи при минимальном числе рассматриваемых вариантов. Поэтому следует применять этот метод, изложенный в [Л.1] §3-5.

В ряде случаев, определяемых руководителем проекта при заданном уровне потерь для наиболее часто употребляемых материалов сердечника и обмоток значение β находится без подробного расчета по таблице 3-11 [Л.1] или 14-6 [Л.2]. В таблицах приведены значения β, рекомендуемые для трехфазных масляных трансформаторов, отвечающих ГОСТ 12022-66 , ГОСТ 11920-73, ГОСТ 12965-67 и для современных трехфазных сухих трансформаторов при применении стали марки Э 330А 0,35 мм или Э 330 0,35 мм при индукции в стержне 1,6 ÷ 1,65 Тл для масляных и 1,4 ÷ 1,45 Тл для сухих трансформаторов.

Рекомендуемые значения β предусматривают получение трансформаторов с заданным уровнем потерь, заданным напряжением короткого замыкания, со стоимостью активных материалов, близкой к минимальной.

Учитывая, что с уменьшением β уменьшаются потери холостого хода, стоимость охладительной системы, количество масла и общий вес трансформатора, в целях экономии материалов можно рекомендовать при прочих равных условиях выбирать меньшие из рекомендуемых значений.

IV е. Определение диаметра стержня, высоты обмотки и активного сечения стержня производится по §3-6 [Л.1]. По диаметру стержня, найденному по §3-6, выбирается ближайшее значение из нормализованного ряда диаметров, принятого странами производителями трансформаторов §2-2 [Л.1, стр.66].