Расчет трансформатора

Содержание: 

                                                                                                                 стр. 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...3 

1.  Основные понятия  трансформаторов……………………..4 

1.1  Применение  трансформаторов………………………………………..4 

1.2  Основные режимы  работы трансформаторов………………………... 8 

1.3. Требуемые предъявления  к работе трансформатора………………....11 

2.  Устройство  трансформатора…………………………………14 

2.1  Остов и магнитная  система трансформаторов………………..………14                           

2.3  Переключающие  устройства…………………………………………...18 

2.4  Отводы…………………………………………………………………...20 

2.5  Вводы………………………………………………………….…………21 

2.6  Изоляция трансформаторов…………………………………………….22 

2.7  Бак, охладители, расширитель, термосифонный фильтр  и др. вспомогательные устройства  трансформаторов…………………….……..23 

2.8  Защитные и  контрольно-измерительные устройства…………………25 

3.  Расчет трансформатора…………………………………………26 

Заключение………………………………………………………………35 
 

Список литературы……………………………………………………36 
 
 
 
 
 

Введение 
 

         Производство электрической энергии  на крупных электростанциях с  генераторами большой единичной  мощности, размещаемых вблизи расположения  топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих  районах необходимые количества  электрической энергии при относительно  невысокой ее стоимости.  Использование  дешевой электрической энергии  потребителями, которые находятся  на значительном расстоянии, иногда  измеряемом сотнями и тысячами  километров, и рассредоточены по  обширной территории страны, требует  создания сложных разветвленных  электрических сетей. Силовой  трансформатор является одним  из важнейших элементов электрической  сети. Передача электрической энергии  на большие расстояния от места  ее производства до места потребления  требует в современных сетях  не менее чем шестикратной  трансформации в повышающих и  понижающих трансформаторах. Необходимость  распределения энергии между  многими мелкими потребителями  приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой последующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этого общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 8-10 раз. Одной из важных задач является повышение эффективности использования материальных ресурсов в трансформаторостроении – материалов, топлива и энергии. Эта задача решается в сложном комплексе мероприятий, направленных на уменьшение расхода активных, изоляционных и конструктивных материалов и на уменьшение размеров трансформатора.  

Целью курсовой работы является изучение устройства, основных режимов работы, расчета силового трансформатора /2/. 
 

1. Основные понятия  трансформаторов

1.1. Применение трансформаторов 
 

         Электрическую энергию, вырабатываемую  тепловыми электрическими станциями,  расположенными обычно в местах  залежей топлива, и гидроэлектростанциями,  расположенными у рек, приходится  передавать в крупные промышленные  центры, которые удалены на сотни,  а иногда и тысячи километров  от места расположения станций.  Для передачи электроэнергии  на большие расстояния сооружают  мощные линии электропередачи  ЛЭП. Известно, что при прохождении  по линии тока часть электрической  энергии расходуется на нагревание  проводов. Электрическая энергия,  теряемая в проводах, тем больше, чем больше ток и сопротивление  проводов. Уменьшать потери только  за счет снижения сопротивления  проводов экономически невыгодно,  так как при этом требуется  значительное увеличение сечения  проводов и, следовательно, большой  расход дефицитных цветных металлов. Для снижения потерь энергии  и сокращения расхода цветных  металлов идут по пути увеличения  напряжения с помощью трансформаторов.  Трансформаторы, повышая напряжение, автоматически уменьшают ток,  поэтому передаваемая мощность  остается неизменной, а потери  в проводах линии, пропорциональные  квадрату силы тока (I2R), резко  сокращаются. Например, при увеличении  напряжения передаваемой энергии  в 10 раз потери снижаются в  100 раз. Для повышения напряжения  линий электропередачи устанавливают  повышающие трансформаторы, а чтобы  напряжение снизить до величины, на которую строят токоприемники    (от 127 В до нескольких киловольт), в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы. Для этого сооружают подстанции,   распределяющие электроэнергию между группами потребителей (заводами, фабриками, поселками домами и др.). В современной электроэнергетике главную роль играют силовые трансформаторы, т. е. трансформаторы, служащие   для    преобразования   электрической   энергии в электрических сетях и установках, принимающих и использующих ее. К силовым относятся трехфазные и многофазные трансформаторы мощностью 6,3 кВА и более н однофазные мощностью 5 кВА и более. 

Электрическую энергию  приходится передавать на большие расстояния — в объединенную энергосистему, в центры ее потребления и непосредственно  к многочисленным мелким потребителям. Из-за большой разветвленности   электрических сетей, обеспечивающих передачу и распределение электрической  энергии между потребителями, отличающимися  мощностями, характером нагрузок и  удаленностью от электрических станций  и подстанций, необходима четырех- и  пятикратная ее трансформация, а следовательно, установка большого    количества   повышающих и понижающих    силовых трансформаторов. Кроме того, при трансформации суммарная мощность силовых трансформаторов на каждой ступени с более низким напряжением обычно больше, чем на ступени с более высоким напряжением. Поэтому общая суммарная мощность силовых трансформаторов, установленных в сетях, превышает суммарную мощность генераторов, установленных на электростанциях, в 6-7 раз. В качестве силового трансформатора в сетях 220 кВ и выше широко применяют автотрансформатор, представляющий собой транс­

 форматор, две  обмотки которого гальванически  соединены между

собой. Кроме силовых  трансформаторов и автотрансформаторов

для передачи и распределения  электрической энергии в народном

хозяйстве используют много видов специальных трансформаторов.

К ним в первую очередь относятся трансформаторы для питания

электропечей, выпрямителей, электросварочные, регулировочные,

 испытательные,  тяговые, судовые, шахтные и  измерительные. Раз­

личные виды трансформаторов  широко применяют в устройствах

 связи, радио,  автоматики, телемеханики, бытовой  техники и т. п.

Трудно представить  себе современное электротехническое устройство, где бы не использовался трансформатор /1/.

1.2. Основные определения 

          Трансформатор представляет собой  статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее количество  индуктивно связанных обмоток  и предназначенное для преобразования, посредством электромагнитной индукции  одной или нескольких систем  переменного тока в одну или  несколько других систем переменного  тока, в том числе для преобразования  электрической энергии одного  напряжения в электрическую энергию  другого. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия  (напряжение) преобразуемого переменного  тока, называется первичной обмоткой  трансформатора. Обмотка трансформатора, от которой отводится энергия  преобразованного переменного тока, называется вторичной обмоткой  трансформатора. Трансформаторы подразделяют  на стандартные классы, напряжения. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток. 

Основная обмотка  трансформатора, имеющая наибольшее номинальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения ВН, наименьшего  — низшего напряжения НИ, а промежуточное  между ними — среднего напряжения СИ. Трансформатор с двумя гальванически  не связанными обмотками называется двухобмоточным, с тремя — трехобмоточным. Мощные силовые трансформаторы часто выполняют трехобмоточными — с обмотками ВН, СН и НН. Одна из этих обмоток является первичной, две другие – вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его   называют   повышающим,   если ВН – понижающим. 

Отношение напряжений на зажимах двух обмоток в режиме холостого хода называется коэффициентом  трансформации (k) трансформатора. В двухобмоточном трансформаторе коэффициент трансформации равен отношению высшего напряжения к низшему; в трехобмоточном трансформаторе три коэффициента трансформации, равные отношению высшего к низшему, высшего к среднему, среднего к низшему напряжениям. 

Для двух обмоток  силового трансформатора, расположенных  па одном стержне, коэффициент трансформации  принимается равным отношению чисел  их витков. Поэтому если, например, первичная обмотка с числом витков W1 является обмоткой высшего напряжения, а вторичная с числом витков W2—низшего напряжения, то k  = Ul/Ui = Wi/W2, откуда U1=kU2, W1=kW2.  Таким образом, зная коэффициент трансформации и напряжение на вторичной стороне трансформатора, легко определить напряжение на первичной, и наоборот. Это относится также и к числам витков.  Трансформатор,  в магнитной системе которого  создается однофазное магнитное поле, называется однофазным, трехфазное — трехфазным. Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения    трансформатора    обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненными или масляными.    Некоторые    трансформаторы    специального   назначения   вместо   масла   наполняют   негорючей    синтетической жидкостью — совтолом.    Трансформаторы,   у    которых   основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой атмосферный воздух, называются сухими. Каждый трансформатор имеет   табличку, в которой    указаны его номинальные величины, т. е. величины, на которые он рассчитан (мощность, высшее и низшее напряжение,    токи,    частота и др.).   Номинальная   мощность трансформаторов выражается  полной электрической мощностью в киловольт-амперах (кВА)   или мегавольт-амперах   (MBА).    Номинальное    первичное    напряжение – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное    вторичное, – получающееся на зажимах вторичной обмотки при холостом    ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки /3/. 

1.3. Основные режимы  работы трансформаторов 

1.3.1. Холостой ход,  токи и потери холостого хода.  

Если к зажимам  одной из обмоток трансформатора подведено переменное номинальное  напряжение, а другие обмотки не замкнуты на внешние цепи, такой  режим работы называется режимом  холостого хода трансформатора. Ток, проходящий в обмотке трансформатора при холостом ходе, называется током  холостого хода. Для трансформаторов малой мощности Он составляет 2—3,5%    номинального,    для   мощных 0,5-1,5%. Потребляемая при холостом ходе трансформатора активная мощность тратится на тепловые потери в магнитной системе и частично в первичной обмотке. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора. В активном сопротивлении обмоток при холостом ходе потери незначительны из-за малого тока, поэтому ими пренебрегают, считая, что мощность, потребляемая трансформатором, расходуется только на потери в стали магнитной системы. Эти потери вызваны периодическим перемагничиванисм (гистерезисом) стали и, вихревыми токами. Перемагничивание связано с выделением тепла и, как любой другой вид работы, требует затраты энергии. Магнитная система находится в переменном магнитном поле, поэтому согласно закону электромагнитной индукции в ней индуктируются токи, которые проходят в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и называются вихревыми. Чем толще пластины, из которых собрана магнитная система, и меньше их удельное электрическое сопротивление, тем больше вихревые токи. Вихревые токи являются паразитными, так как, замыкаясь в стали магнитной системы, они нагревают ее и вызывают бесполезные потери энергии. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитную систему трансформаторов собирают из тонких пластин, изготовленных из специальной стали и изолированных друг от друга /4/. 
 
 

1.3.2. Короткое замыкание.  Напряжение и потери короткого  замыкания.  

Коротким замыканием трансформатора называют режим работы, при котором одна из обмоток замкнута накоротко, а вторая находится под  напряжением. Если короткое замыкание  происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных  напряжениях, в обмотках возникают  токи короткого замыкания, в 5—20 раз (и более) превышающие поминальные. При этом резко повышается температура  обмоток и в них возникают  большие механические усилия. Такое  замыкание является аварийным и  требует специальной защиты, которая  должна отключить трансформатор  в течение долей секунды. Если замкнуть накоротко одну из обмоток  трансформатора, а к другой подвести пониженное напряжение и постепенно его повышать, то при определенном значении напряжения Uк.з,. называемом напряжением короткого замыкания, в обмотках будут проходить токи, равные номинальным. Напряжение короткого замыкания является одной из важных характеристик трансформатора и выражается в процентах номинального напряжения: 

Uк.з.=Uк.з./Uн*100 

где Uк.з. — напряжение короткого замыкания, %; Uк.з. — напряжение короткого замыкания, В; Uн — номинальное напряжение обмотки трансформатора, В. Равенство напряжений короткого замыкания трансформаторов — одно из условий их параллельной работы. Напряжение Uк.з. указывают в табличке каждого трансформатора. Его величина определена стандартами в зависимости от типа и мощности трансформатора: для силовых трансформаторов малой и средней мощности она составляет 5 –7%, для мощных трансформаторов 6 – 17% и более. При опыте короткого замыкания в магнитной системе создается незначительное магнитное поле, обусловленное малым подведенным напряжением. Кроме того, проходящие по первичной и вторичной обмоткам номинальные токи создают поле рассеяния, замыкающееся через воздух и металлические детали трансформатора. Поле рассеяния создает индуктивное сопротивление, которое при коротком замыкании ограничивает ток в обмотках, предохраняя их от чрезмерного нагрева и разрушения. Падение напряжения в индуктивном сопротивлении обмоток в основном определяет значение напряжения короткого замыкания трансформатора. Чем выше Uк.з., тем меньше опасность разрушения обмоток при аварийных коротких замыканиях. Однако величину Uк.з. ограничивают до определенного значения, в противном случае, создавая значительное индуктивное сопротивление, поля рассеяния вызовут недопустимо большое реактивное падение напряжения во вторичной обмотке, в результате чего снизятся вторичное напряжение и соответственно мощность, получаемая приемником электроэнергии. Кроме того, поля рассеяния, замыкаясь через металлические детали, вызывают в них добавочные потери от вихревых токов и перемагничивания, снижая кпд трансформатора. Поля рассеяния ограничивают до оптимальной величины, размещая первичную и вторичную обмотки на одном стержне концентрически, (чем ближе обмотки друг к другу, тем меньше поле рассеяния). При опыте короткого замыкания напряжение Uк.з, подводимое к трансформатору, в зависимости от его типа в 5—20 раз меньше номинального. В этом случае магнитное поле, замыкающееся через магнитную систему, составляет не более 5% основного. Поэтому потерями в стали пренебрегают, считая, что мощность Рк.з. потребляемая трансформатором при коротком замыкании, полностью расходуется на потери в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и на добавочные потери от полей рассеяния в стальных деталях трансформатора (стенках бака, ярмовых балках и др.). Токи и потери при опыте короткого замыкания, по величине такие же, как и при номинальной нагрузке   трансформатора,   поэтому их часто называют нагрузочными потерями (они нормируются стандартом).