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        基于理論物理的電力變壓器電磁計(jì)算

        2018-08-30 08:48:56,
        電氣開關(guān) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:理論物理鐵芯油箱

        ,

        (1.杭州師范大學(xué),浙江 杭州 310000;2.寧波供電公司,浙江 寧波 315000)

        1 引言

        變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,理論物理對(duì)該電氣設(shè)備專門進(jìn)行計(jì)算,但一個(gè)電力變壓器的實(shí)際設(shè)計(jì),不僅用到電磁場(chǎng)理論,熱力學(xué)理論,力學(xué)理論,還要用到材料學(xué),是一個(gè)貫穿許多理論物理的綜合體。這就說(shuō)明了從理論物理到實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)是有很大的知識(shí)要掌握。要有充分的理論物理知識(shí)與極強(qiáng)的應(yīng)用能力。

        電力變壓器是電力系統(tǒng)中變化電壓的,把發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過(guò)升壓變壓器把電壓升高,在一定的功率下P=UIcosφ,電壓升高后電流減少,可以減少輸電線路的損失,從而輸送給更遠(yuǎn)的地方。在達(dá)到輸送目的地后,為了減少用電絕緣費(fèi)用,把高電壓通過(guò)降壓變壓器的降低電壓,把大電流分配給用戶。

        2 變壓器電磁計(jì)算

        (1)假設(shè)變壓器的容量為SN=100kVA,額定電壓UN1=10kV±5%,UN2=6.4kV,空載損耗P0=290W,負(fù)載損耗Pfz=1500W,空載電流I0=2.0%,阻抗電壓Uzk=4±2.5%,頻率f=50Hz,連接方式Y(jié)yn0。

        這樣有三個(gè)線電壓:10500V,10000V,9500V;

        相電壓為:5774V,6002V,5485V;

        二次側(cè)側(cè)線電壓為:400V,二次側(cè)相電壓為:231V。

        (3)電流計(jì)算

        額定檔位,則高壓側(cè)I?1=5.77A,低壓側(cè)I?2=144.4A。

        (4)鐵芯直徑的選擇及匝數(shù)計(jì)算

        ①鐵芯材料

        這里選用Q147-30冷軋晶粒取向硅鋼片,當(dāng)然根據(jù)情況可選用其他材料的鐵芯材料。但計(jì)算方法一樣。

        ②鐵芯直徑D的初選

        這里SZ是三相雙線圈每柱容量,kd為系數(shù),一般選取50~58。

        ③鐵芯柱有效載面積

        AC=0.785d2K0f0(cm2)。

        其中,k0為疊片系數(shù),取0.97;f0為界面永利用系數(shù),則AC=123.68cm2。

        ④初算每匝電勢(shì)

        式中,磁通密度取16T。

        ⑤初算低壓匝數(shù)

        ⑥每匝電勢(shì)的確定

        ⑦校驗(yàn)磁通密度

        ⑧磁通計(jì)算

        φ=450eZ×103=450×4.3574×103=1960830(線)

        ⑨高壓匝數(shù)計(jì)算

        同理,另兩個(gè)檔位的匝數(shù)為1325匝、1259匝。

        ⑩電壓比檢驗(yàn)

        同理當(dāng)Uxφ為1325匝、1259匝時(shí)電壓比誤差分別為0.0077%、-0.0176%。

        (5)低壓繞組計(jì)算

        ①根據(jù)導(dǎo)線為銅線Δ為1.8~2.8A/mm2,這里取2;電流密度,低壓側(cè)導(dǎo)線截面積:

        ②低壓側(cè)電流密度

        Δ=144.4/70.28=2.055(A/mm2)

        ③低壓繞組高度計(jì)算

        其中n取1.8~2.4,D為鐵芯柱直徑。

        ④繞組匝數(shù)

        b為銅導(dǎo)線9.45mm取9.5;mB為并到銅線根數(shù);kc為裕度。

        ⑤繞組層數(shù)確定

        取2層,每層無(wú)油隙。

        每層26.5匝,這樣軸向?yàn)?10mm,(考慮裕度為1.04~1.05,線圈),繞組內(nèi)徑143mm,外徑181mm。

        ⑥平均半徑:r2=143/2+19/2=81mm;

        平均匝長(zhǎng):l2=2πr2×10-3=0.5087m;

        導(dǎo)線總長(zhǎng):L2=l2w2=27m,取27.5m。

        ⑦75℃時(shí)每相繞組直流電阻:

        ⑧裸導(dǎo)線GC=mrLS=51.6kg

        (6)高壓側(cè)繞組計(jì)算

        ①導(dǎo)線截面積S′=5.78/2.0=2.89(mm2),取

        S1=2.27(mm2),則Δ=5.77/2.27=2.54(A/mm2)

        這樣軸向約310mm;前三層軸向?yàn)?mm。

        1.82×3+0.8+1.08=6.8,取7mm。

        后7層軸向?yàn)?6(1.82×7+2.24+1.06)=16.06,取16。

        則總軸向?yàn)?+4.5+16=27.5mm。

        而線圈高度取310mm。

        繞組內(nèi)徑:181+(7×2)=195mm;繞組外徑:195±(2×2)+(27.5×2)=254mm,以油道為界。

        左邊繞組平均直徑:r3=103mm;

        右邊繞組平均直徑:r4=119mm;

        則油道內(nèi)邊平均l3=2πr3=0.646m,外邊平均直徑l4=0.75m,則L3=420×0.646=271.3,L4=971×0.747=726m。LH=272+726=998m,而額定時(shí)為:0.747×905+272=948m(當(dāng)線圈在中間抽出的額定檔位時(shí))。

        導(dǎo)線質(zhì)量Ge=mrLS1×10-3=60.5kg。

        帶絕緣漆的導(dǎo)線重量Gc=Gc(1+C%)=61.9kg,其中C%為0.33%。

        ②絕緣半徑確定:

        圖1

        R0=67.5

        R2=67.5+4=71.5

        R3=71.5+19=90.5

        R4=90.5+9=99.5

        R5=99.5+7=106.5

        R6=106.5+4.5=111

        R7=111+16=127。

        兩柱中心距離為:127×2+11=265

        以上單位為mm.

        ③阻抗電壓計(jì)算:

        圖2

        以上單位為dm.

        阻抗電壓的電抗分量計(jì)算:

        阻抗電壓的電阻分量計(jì)算:

        阻抗電壓的總計(jì)算:

        ④鐵心(導(dǎo)磁體)計(jì)算:

        根據(jù)前面計(jì)算得,鐵芯柱直徑D=135mm鐵芯窗高H0=310mm。鐵芯中心距M0=254+11=265mm,截面積Ac=Ae=123.68cm2。

        鐵芯柱重量GF1=3rH0Ac·10-4=87.89kg;

        鐵軛重量GF2=4rm0Ae·10-4=100.3kg;

        角重:GFΔ=2rBAc·10-4=26.4kg;

        所以總重GF=GF1+GF2+GFΔ=213kg。

        ⑤空載損耗計(jì)算:

        P0=KP0GFP01

        式中,KP0—空載損耗附加系數(shù);

        P01—硅鋼扎單位損耗(W/kg)取1.15。

        所以P0=1.2×213×1.15=294W。

        ⑥空載電流計(jì)算:

        式中,qc—鐵芯柱單位勵(lì)磁分量(VA/kg),取2.75;

        qi—鐵芯柱接縫處單位面積容量(VA/cm3)取0.25。

        這里K10系數(shù)取1.1,前面已得GF=213kg,Aj=123.68,則Iow=0.93%。

        ⑦總的空載電流(I0)計(jì)算:

        ⑧總損耗

        所以總損耗為PT=PfZ+P0=1455.5+294=1749W。

        3 變壓器郵箱尺寸確定及散熱面計(jì)算

        上面僅介紹了變壓器電磁計(jì)算,充分應(yīng)用了理論物理電磁理論和鐵芯磁通的實(shí)際計(jì)算,確定了鐵芯尺寸和線圈大小及損耗,鐵芯,線圈和鋼件結(jié)構(gòu)在變壓器運(yùn)行中要產(chǎn)生損耗,引起變壓器發(fā)熱和溫度升高,從而將周圍介質(zhì)形成一定的溫度差,將一部分熱量傳給周圍介質(zhì);經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

        根據(jù)實(shí)際結(jié)論,可設(shè)計(jì)為油浸式,干式空氣自冷等方式,首先把握的是絕緣設(shè)計(jì),一般A級(jí)絕緣為油浸式。

        (1)油箱基本尺寸和溫升計(jì)算

        油箱型式:油管式

        油箱寬度:Bb=D1+CB=254+86=340mm;

        油箱高度:Hb=Hl+2hem+hj+CH=310+2+20+140=730mm;

        油箱長(zhǎng)度:L2=2M0+D1+C0=2×265+254+66=850mm;

        油箱壁展形:L=2098mm,直線部分H=510mm,R=170;

        散熱管數(shù)量24根,中心距550mm;

        單跟管展形:Ln=0.943;

        散熱管總長(zhǎng):Lg=22.34;

        箱蓋幾何面積:A1=πR2+2RL=0.264m2;

        箱壁幾何面積:A12=HB(2πR+2L1)=1.54m2;

        高壓繞組的有效散熱面:

        S=3π×0.2582[0.254+0.85(0.213+0.222)]=1.518(m2);

        線圈層數(shù)修正值:Δτ2=0.002×0.48×(10-6)q=2.3℃;

        高壓繞組平均溫升:τ=τy+τ1=36.5+13.3=49.8℃;

        高低壓相差:55.5-49.8=5.7℃<7℃;

        油面對(duì)空氣溫升:τy=36.5℃;τym=51.8℃;

        線圈對(duì)油溫升:高壓:τ1=13.3℃;

        低壓:τ1=19℃。

        (2)變壓器器身及總質(zhì)量計(jì)算

        總油量計(jì)算

        ①器身排油量計(jì)算

        ②油箱裝油重量

        Gky=0.9HBS

        S—油箱橫斷面積

        S=2RL=2×1.7×5.1+3.14×1.72=26.42

        則Gky=0.9×7.3×26.4=173.6kg

        油箱內(nèi)油重:

        GNy=Gky-Gpy=173.6-52.9=120.7kg

        扁管內(nèi)油重:

        Gey=Gblg0.538×22.34=12kg

        儲(chǔ)油柜重量約占總油重的5%

        Ggy=10kg

        器身重量:Gq=k(GFe+Gcu)=377.2kg

        箱蓋重量:GG= 7.85δG(πR2+2RL)=12.74kg

        δG—厚度取0.06cm;

        箱底重量:Gd= 7.85δd(πR2+2RL)=8.5kg;

        δd—厚度取0.04cm;

        箱壁重量:GB= 7.85δB(πR2+2RL)H2=7.85×0.03×(6.28×1.73+2×1.51)×7.3=36.2kg;

        散熱器重量:Ggu=G11lG=1.52×22.34=33.96kg;

        油箱總重量:Gx=K′(GG+Gd+GB+Ggu)=105kg。

        式中,K′取1.15

        附件重量:Gf=Gch+VGt=27kg

        式中,Gch—儲(chǔ)油柜重,14kg;

        Gt—套管重量,13kg。

        變壓器總重量:∑G=Gq+Gx+Gf+Gy=652kg。

        4 結(jié)論

        這是一個(gè)完整的電力變壓器設(shè)計(jì),從電磁計(jì)算加外觀設(shè)計(jì),依據(jù)理論物理的電磁學(xué),熱力學(xué)原理進(jìn)行描述。

        實(shí)際上電力變壓器是按照能承受25倍的額定電流的短路電流的數(shù)值設(shè)計(jì)的,在這個(gè)數(shù)值的電流下。保證繞組不變形。超過(guò)這一數(shù)值,變壓器有可能在短路電功力下?lián)p壞。所以大型變壓器在承受短路電功力下要做本體的變型試驗(yàn)。

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