Proiect gata2

UNIVERSITATEA DE NORD BAIA MARECATEDRA DE ELECTROTEHNICA

PROIECTTRANSFORMATORUL TRIFAZAT

COORDONATOR: STUDENT:ING. CHIVER OLIVIAN SIPOS ALEX

ANUL –III- EE

UNBM PROIECT pag. 1

Cuprins :

1. Tema proiectului, generalitati ................................................................................. 22. Capitolul I : - Calculul circuitului magnetic al transformatorului.......................... 4 I.1. - Calculul sectiunii coloanei si jugului ..................................................... 4 I.2. - Dimensiunile ferestrei transformatorului................................................ 6 3. Capitolul II : - Calculul înfasurarilor transformatorului .......................................... 8 II.1. - Stabilirea numarului de spire................................................................. 8 II.2. - Sectiunile si dimensiunile conductoarelor............................................. 9 II.3. - Dimensiunile înfasurarilor si ale ferestrei transformatorului................ 113. Capitolul III : - Calculul pierderilor si curentului de functionare în gol................. 14 III.1. - Pierderile în înfasurari si masele conductoarelor................................. 14 III.2. - Pierderile în fier si curentul de functionare în gol................................ 164. Capitolul IV : - Tensiunea de scurtcircuit............................................................... 185. Capitolul V : - Caracteristicile de functionare ...................................................... 20 V.1. - Caracteristicile externe......................................................................... 20 V.2. - Caracteristicile randamentului.............................................................. 236. Capitolul VI : - Verificarea solicitarilor mecanice.................................................. 26 VI.1. - Verificarea înfasurarilor la actiunea fortelor electrodinamice............ 26 VI.2. - Calculul mecanic al schelei metalice................................................... 287. Capitolul VII : - Calculul termic al transformatorului............................................. 30 VII.1. - Calculul termic al înfasurarilor racite în ulei..................................... 30 VII.2. - Calculul termic al miezului racit în ulei.............................................32 VII.3. - Calculul caderii de temperatura dintre peretele cuvei cu ulei si aerul din

exterior ............................................................................................... 33 VII.4. - Determinarea supratemperaturilor înfasurarilor si uleiului , fata de

temperatura mediului ambiant, pentru transformatoarele în ulei......... 36 VII.5. - Influenta factorilor externi asupra încalzirii transformatoarelor...... 378. Bibliografie .............................................................................................................. 389. Schema transformatorului proiectat

UNBM PROIECT pag. 2

Tema proiectului

Sa se proiecteze un transformator trifazat în ulei, cu înfasurari din Cu , cu circuitul magnetic realizat din tabla laminata la rece cu cristale orientate, cu cifra de pierderi p10/50 = 0,45 W/kg , cu urmatoarele date de proiectare :

1. Puterea nominala : SN = 40 kVA2. Tensiunea înalta : Uî = 6 kV3. Tensiunea joasa : Uj = 0,4 kV4. Frecventa : f = 50 Hz

5. Conexiunea : Yzn – 56. Tensiunea de s.c. : Usc = 4 %7. Tensiunea de reglaj : Ur = ± 5 %8. Pierderile în Fe : Po = 200 W 9. Pierderile în Cu : PCu = 1 kW10.Curentul de mers în gol : Io = 3 % 11.Cifra de pierderi P10\50 = 0,45 W\kg

Generalitati :

Transformatorul electric este un aparat static cu doua sau mai multe înfasurari , cuplate magnetic , cu ajutorul caruia se shimba valorile marimilor electrice ale puterii in curent alternativ (tensiunea si curentul) , frecventa ramânând aceeasi. Functionarea transformatorului are la baza fenomenul de inductie electromagnetica. Pentru realizarea unui cuplaj magnetic cît mai strâns , înfasurarile sunt asezate pe un miez feromagnetic. La frecvente mai mari de 10 kHz transformatorul se realizeaza fara miez feromagnetic. Transformatoarele de puteri mici (SN < 1 kVA) au, de regula ,racire naturala în aer si se numesc transformatoare uscate. Cele de puteri mai mari au racire în ulei , desi în ultimul timp s-au construit si transformatoare uscate cu puteri de pana la 1600 kVA. Cele mai importante elemente constructive ale transformatoarelor sunt : - miezul feromagnetic; - înfasurarile; - schela; - constructia metalica; - accesoriile. Miezul feromagnetic , denumit si miez magnetic , reprezinta calea de închidere a fluxului magnetic principal al transformatorului , flux produs de solenatia de magnetizare a înfasurarii primare care se alimenteaza de la o tensiune alternativa.

UNBM PROIECT pag. 3

Înfasurarile reprezinta una din partile cele mai importante ale unui transformator. Înfasurarile trebuie sa asigure transformatorului o rigiditate dielectrica suficienta , precum si stabilitate dinamica si termica mare , astfel încât sa garanteze buna functionare a acestuia si la supratensiunile care apar în exploatare. Constructia metalica se executa numai pentru transformatoarele cu racire în ulei, si se refera la cuva , capac si conservator. Cuvele cu pereti din tabla ondulata sunt utilizate la transformatoarele în ulei cu puteri de la 20 kVA la 1600 kVA , în limitele posibilitatilor de cedare catre mediul ambiant a pierderilor din transformator , având o rezistenta relativ mica la cresterea presiunii interioare . Din acest motiv , uscarea sub vid a transformatorului în cuva din tabla ondulata nu este posibila. Cele mai importante acesorii ale transformatorului sunt : - izolatoarele de trecere ; - releul de gaze ; - supapa de siguranta ; - indicatoarele de temperatura ; - comutatorul de reglare a tensiunii ; - filtrul de aer ; Izolatoarele transformatoarelor servesc la trecerea conductoarelor electrice prin capacul cuvei , permitând legarea intrarilor sau iesirilor înfasurarilor cu reteaua electrica. În afara transformatoarelor cu iesire prin cablu. Releul de gaze este unul din aparatele cele mai raspândite în practica pentru protectia transformatoarelor . Orice neajunsuri în functionarea unui transformator dau nastere unor centre locale de temperatura ridicata , provocând în locul respectiv descompunerea uleiului care este însotita de eliminarea unor gaze ca produse ale descompunerii. Releul de gaze este montat pe conducta de legatura dintre capacul cuvei si conservator . În cazul defectelor importante cantitatea de gaze crescând , în momentul evacuarii lor de catre conservator sau când viteza de trecere a uleiului spre releu depaseste o anumita limita , releul comanda deconectarea transformatorului atât pe partea de joasa tensiune , cât si pe partea de înalta tensiune. Supapa de siguranta care mai este numita si teava de evacuare , asigura cuva transformatorului contra exploziilor (ca urmare a unor presiuni interioare excesive) si contra defectarilor care produc o degajare brusca si în cantitate mare de gaze. Comutatorul de reglare a tensiunii are rolul de a modifica numarul de spire aflate în circuit , ceea ce înseamna modificarea tensiunii secundare, când reglarea tensiunii se face în starea deconectata de la retea a transformatorului. Filtrul de aer montat pe conducta de legatura dintre conservator si mediul ambiant , izolând uleiul de influenta atmosferei (a umiditatii, a impuritatilor). În etapa actuala , ca absorbant al umiditatii se foloseste silicagelul , care în stare uscata are culoarea albastra , iar sub influenta umiditatii capata culoarea rosie. Caracteristicile higroscopice ale silicagelului pot fi regenerate , încalzindu-l la o temperatura de 400 - 500° C.

UNBM PROIECT pag. 4

Capitolul I . Calculul circuitului magnetic al transformatorului

Circuitul magnetic este construit din coloane pe care se aseaza înfasurarile transformatorului si din juguri , prin care se închide fluxul magnetic al coloanelor. Constructiv , formele sectiunilor coloanei si jugului pot fi dreptunghiulare sau în trepte. Numarul de trepte si dimensiunile fiecarei trepte corelate si cu cele ale jugului, constituie pentru fiecare fabrica elemente normalizate cu scopul tipizarii cât mai mult a proceselor tehnologice de fabricatie.

I.1. Calculul sectiunilor coloanei si jugului

- Sectiunea transversala neta de fier a coloanei de determina , orientativ cu relatia :

Sc = Ct

unde puterea aparenta pe o coloana, avand în vedere ca transformatorul va avea trei coloane si înfasurarile concentrice , este :

S1= = [VA]

în care : f – frecventa tensiunii de alimentare , în Hz

Ct = (4 - 6) · -- constanta de calcul S1 – puterea aparenta a transformatorului pe o coloana , în VA

- Diametrul coloanei , considerând ca sectiunea coloanei este în trepte rezulta :

Dc = [m]

unde : km = kg · kFe = 0,91·0,95 = 0,86 iar kg = 0,92 din tabelul 1 , pentru un diametru al coloanei Dc estimat orientativ între 10 si 18 cm . De asemenea din acelasi tabel , rezulta orientativ un numar de trepte pentru coloana ntr = 6 , strângerea miezului coloanei pentru asemenea diametre se face, în mod obisnit , prin lipire cu lac. Îmbinarea dintre tolele coloanelor si jugurilor se face prin întretesere , sub un unghi de 45°.

UNBM PROIECT pag. 5

Tabelul 1. Miez strâns cu înfasurarea, prin lipire cu lac si fara canale de racire

Dc [cm] < 8 8 9 10 ÷ 18 20 ÷ 30 32 ÷ 40

ntr

kg

3

0,851

4

0,877

5

0,915

6

0,915 – 0,92

7 – 8

0,918 – 0,925

9 – 11

0,915 – 0,925

În cazul de fata se stabileste : Dc = 12 cm = 120 mm, cu urmatoarele latimi ale treptelor :

a1 = 0,96·12 = 11,52 cm a2 = 0,885·12 = 10,62 cm a3 = 0,775·12 = 9,3 cm a4 = 0,631·12 = 7,57 cm a5 = 0,465·12 = 5,58 cm a6 = 0,28·12 = 3,36 cm Din constructia grafica la scara a sectiunii coloanei rezulta urmatoarele grosimi ale treptelor :

UNBM PROIECT pag. 6

b1 = 1,7 cm b2 = 1,1 cm b3 = 1 cm b4 = 0,9 cm b5 = 0,6 cm b6 = 0,4 cm

b = 2 = 11,4 cm

Sectiunea neta de fier a coloanei , rezulta :

Sc = kFe ·2· = 0,95·2(11,52·1,7 + 10,62·1,1 + 9,3·1 + 7,57·0,9 + 5,58·0,6 + 3,36·0,4) = 98,8

Sectiunea jugului se determina considerând ca jugul va avea cu doua trepte mai putin decât coloana. Astfel daca la sectiunea coloanei se mai adauga cele patru suprafete hasurate se obtine :

Sj = 2· kFe ·[a1b1+a2b2+a3b3+a4(b4+b5+b6)] = 2·0,95·[11,52 ·1,7+10,62 ·1,1+9,3 · 1 +7,57 ·(0,9+0,6+0,4) = 104,38

ceea ce înseamna ca :

este în limitele indicate de relatia: Sj = bj · Sc = (1,03 ÷ 1,1) Sc

I.2. Dimensiunile ferestrei transformatorului

- Înaltimea coloanei , este :

unde s-a ales A = 350 A/cm si Bc = 1,7 T , iar tensiunea electromotoare pe o spira este :

e1 = 4,44 ·f ·Sc ·Bc = 4,44 ·50 ·99 · · 1,6 = 3,5

UNBM PROIECT pag. 7

- Latimea ferestrei (valoare orientativa) se determina cu relatia : T = M – Dc = 24 – 12 = 12 cm

în care , distanta dintre coloane , este : M = · Dc = 2·12 = 24 cm unde s-a considerat = 2 - Lungimea medie a jugului magnetic , pentru fazele marginale , rezulta din relatia :

Lj 2M + 0,9Dc = 2·24 + 0,9·12 = 58,8 cm Verificarea prealabila (pentru aceste dimensiuni orientative ale miezului) a pierderilor la functionarea în gol , se face conform relatiei :

P0 Pfe = kp · p · ·(Bc²·GFec + Bj²· GFej) =

P0 1,07·0,45·1·(2,56·38,62 + 2,25·93,56) = 148,96 W ≈ 149 W

unde : - inductia magnetica în jug :

Bj = T

- masa neta a fierului : - pentru coloane : GFec = 3·Sc·Lc· Fe = 3·99·17·7,65· = 38,62 kg - pentru juguri : GFej = 2·Sj·Lj· Fe = 2·104·58,8·7,65· = 93,56 kg

Daca pentru kp se ia valoarea rezultata din practica de fabricatie , considerând kp = 1,25 , atunci rezulta : P0 = 1,25∙0,45∙309,37 = 174,02 ≈ 174 W

Valoare apropiata de cea impusa prin tema , ceea ce înseamna ca dimensionarea miezului , pâna în aceasta etapa , este bine facuta.

UNBM PROIECT pag. 8

Capitolul II. Calculul înfasurarilor transformatorului

- Tensiunile electromotoare din înfasurarile primare si secundare :

Ei Uif = = 3468,2 V 3468 V , înfasurare având conexiunea Y

Ej Ujf = U2N = 266,66 V 267 V , înfasurare având conexiunea z

II.1. Stabilirea numarului de spire - Numarul de spire al înfasurarilor : - pentru înfasurarea de înalta tensiune :

wi= = spire

- numarul de spire corespunzator treptei maxime de reglaj a tensiunii :

Dwi = wi= ·991 49,55 50 spire

- numarul total de spire al înfasurarii primare (de înalta tensiune) :

wiT = wi + Dwi = 991+50 = 1041 spire

- pentru înfasurarea de joasa tensiune :

wj = =76,28 spire 76 spire

Pentru a nu modifica raportul de transformare se recalculeaza numarul se spire al înfasurarii primare, din conditia mentinerii raportului de transformare , impus prin datele nominale.

k =

Se obtin astfel, pentru înfasurarea de înalta tensiune :

wi = k·wj = wj = ·76 = 12,98· 76 = 986 spire

UNBM PROIECT pag. 9

Dwi = wi = ·986 49 spire

si numarul total :

wiT = wi + Dwi = 986 + 49 = 1035 spire

Ei Uif = = 3468,2 V 3468 V

Valorile definitive ale fluxului magnetic si inductiilor magnetice

- fluxul magnetic util (maxim) :

1,58· Wb

- inductia magnetica în coloana :

Bc = =1,59 T

- inductia magnetica în jug :

Bj = = 1,51 T

- tensiunea electromotoare într-o spira :

e1 = = =3,51 V/spira

II.2. Sectiunile si dimensiunile conductoarelor

Curentii nominali ai transformatorului , sunt :

- în înfasurarea de înalta tensiune :

Ii = = 3,8 A

UNBM PROIECT pag. 10

- în înfasurarea de joasa tensiune :

Ij = = 49,93 A 50 A

unde pentru ambele înfasurari , numarul de faze este acelasi , adica mi = mj = m = 3 .

Sectiunile orientative ale conductoarelor :

- pentru înfasurarea de înalta tensiune :

Swi = =1,52 ,

- pentru înfasurarea de joasa tensiune :

Swj = = 18,5 ,

unde, s-a considerat ca înfasurarile nu au aceleasi conditii de racire , deoarece înfasurarea de înalta tensiune fiind mai subtire se raceste mai bine , iar cea de joasa tensiune fiind mai groasa si cu izolatii între straturi (se ia înfasurare stratificata), se raceste mai greu. Deci Ji si Jj

nu sunt egale. Ji si Jj – sunt densitatile de curent din înfasurarea primara respectiv secundara , în A/mm² . Astfel pentru înfasurarea înalta tensiune se alege coductor rotund (vezi Anexa 1) care de regula este izolat cu email tereftalic (ET) pentru cele din Al. Iar pentru înfasurarea de joasa tensiune se alege conductor profilat (vezi Anexa 2) care este izolat cu email tereftalic (tip PET) sau email tereftalic peste care se izoleaza cu hartie (de la 2 la 5 straturi 1/2 sau 1/3 suprapus) . Se stabilesc din anexe urmatoarele dimensiuni :

- pentru înfasurarea de înalta tensiune d1 = 1,40 mm => Swi= 1,53 (grosimea izolatiei 0,08 mm)

- pentru înfasurare de joasa tensiune se vor utiliza 2 fire în paralel , a x b = (3,15x3,15) => Swj=2x9,37 =18,74 cu grasimea izolatiei egala cu 0,21 mm Grosimile izolatiilor s-au stabilit conform STAS 6163-76 (anexa 3 , tabelele 3-I si 3-III).


Rezulta astfel urmatoarele dimensiuni ale conductoarelor izolate : - pentru înfasurarea de înalta tensiune = 1,48 mm

- pentru înfasurarea de joasa tensiune = (3,36x3,36)

Valorile definitive (recalculate) ale densitatilor de curent :

Ji = =2,48 A/

Jj = =2,66 A/

II.3. Dimensiunile înfasurarilor si ale ferestrei transformatorului Tipul si dimensiunile înfasurarilor

- înfasurarea de înalta tensiune va fi de tip stratificata , cu conductor rotund . Bobina va avea un canal axial de racire în partea interioara (la o distanta cuprinsa între 1/3 si 2/5 din numarul total de straturi) cu latimea aia = 5 mm.

Figura 2. înfasurare stratificata depanata pe cilindru si cu canal axial de racire interior


- înfasurarea de joasa tensiune , va fi de tip cilindric , cele doua conductoare în paralel sunt suprapuse radial . Între straturi se prevede un canal de racire aja = 3 mm.

Bobina de înalta tensiune se deapana direct peste cea de joasa tensiune , rezultând astfel o înfasurare monolit.

Figura 3. Înfasurare cilindrica cu conductoarele în paralel suprapuse radial Înaltimea bobinelor , valoarea orientativa, de determina cu relatia :

HB = Lc - 2·sim = 17 – 2 · 2,5 = 12 cm

UN(înf)

(kV)Uinc

(kV) JT fata de miez Înf. fata

de jug Între JT si IT Între IT si IT ( între

bobinele de IT vecine) amj gmj sjc sjm,sim,s4 aji gji aii gii sc

1 5 0.3 - 0.3 - 2 - - - - - 0.4

3 16 0.6 0.3 0.8 2 0.6 0.3 0.6 - 1 6 22 0.6 0.3 1 2.2 0.8 0.3 0.7 - 1.2 10 28 0.6 0.3 1 2.5 0.8 0.3 0.8 0.3 1.5 20 50 0.8 0.4 2 3 1.2 0.4 1 0.4 2 35 80 1.4 0.6 4 6 1.8 0.6 1.6 0.5 4.5 60 140 1.8 0.8 8.5 11.5 3.4 0.8 18.0 0.8 9 110 185 2.0 1.0 12 15 4.0 1.0 23.0 1 12.5

Tabelul 2. Izolatia tip a transformatoarelor în ulei , cu coloane , în cm

Din tabelul 2 pentru UiN = 0,6 kV si UjN = 400 V , s-au stabilit , urmatoarele distante de izolare : sim = 2,5 cm ; amj = 0,4 cm ; aji = 0,8 cm ; aii = 0,8 cm


Numarul de spire pe un strat : - pentru înfasurarea de joasa tensiune este ,

wsj = = 17,68 18 spire

în care : hs = 2· = 2 · 3,36 = 6,72 mm = 0,672 cm kg = 1,01 ; nt = 0 , deoarece fiind numai doua conductoare suprapuse radial , se face o singura transpozitie , dupa primul strat . Înaltimea bobinei de joasa tensiune rezulta, astfel cu relatia :

HBj = (wsj+1)hs· hg + nt·hs = 19 · 0,672 · 1,01 = 12,89 13 cm

- pentru înfasurarea de înalta tensiune , numarul de spire pe un strat , rezulta din relatia urmatoare, considerând dimensiunile conductorului profilat.

wsi = = 85,71 – 1 ≈ 85 spire/strat

iar numarul de straturi :

nsi = =12,17 straturi 12 straturi

Tensiunea între straturi :

Us = 2·wsi·e1 = 2·85·3,5 595 V

pentru care rezulta o grosime a izolatiei dintre straturi ds = 2 x 0,12 = 0,24 mm izolatia depasind capetele bobinei ci 1 mm în fiecare parte.

Grosimea înfasurarilor : - pentru înfasurarea de joasa tensiune cu diz = 0 : aj = nsj · as + na ·aja+(ns-na-1) ·diz = 4 ·6,72 + 1·3 = 29,88 mm = 2,98 cm iar :

as= 2 · =2 ·3,36=6,72 , este grosimea stratului na – numarul de canale axiale de latime aja


nsj= 4

- pentru înfasurarea de înalta tensiune , folosind grosimea a conductorului profilat , în locul lui

ai = ns· +aia+(ns-2) ·ds = 12·1,4+5+(12-2)·0,24 = 24,2 mm = 2,42 cm

Latimea ferestrei transformatorului , conform relatiei , este :

T = 2 (amj+aj+aji+ai)+aii = 2·(0,4+2,98+0,8+2,42)+0,8=14 cm

Capitolul III. Calculul pierderilor si curentului de functionare în gol

În timpul functionarii în transformator se produc pierderi în înfasurari datorita rezistentei electrice , cât si în miez , datorita curentilor turbionari si fenomenului de histerezis , ca urmare a variatiei în timp cu frecventa f , a fluxului magnetic.

III.1. Pierderile in infasurari si masele conductoarelor Rezistentele înfasurarilor pe faza , având conductoare din Cu si clasa de izolatie A pentru : - înfasurarea de joasa tensiune :

Rj = Al 75° = 0,037· 0,037 W

în care : lmed j =p · Dm2 = 3,14 ·(Dc + 2amj +aj) = 3,14(12+2 ·0,4+2,98) = 49,54 cm = 0,49 m Dm2 = Dc + 2amj +aj =15,78 cm iar : Al 75° =0,037 Wmm²/m , pentru clasa de izolatie A , la care t = 75 ° C

- înfasurarea de înalta tensiune având conductoare din Al :

Ri = Al 75 W


în care : lmed i = p · Dmi = 3,14 · 22,78 = 71,52 cm = 0,71 m

Dmi = Dc + 2(amj+aj+aji)+ai = 12 + 2 ·(0,4+2,98+0,8) + 2,42 = 22,78 cm

iar : Al 75° = 0,037 Wmm²/m

Pierderile în înfasurari - pentru joasa tensiune

P j = m·krj·Rj·Ij ² = 3·1,0003·0,073·2500 = 547,5 W unde: krj – factorul de majorare a pierderilor în curent alternativ , fata de cele în curent continuu

kr = 1+ 1,73· p²· · ·(ms – 0,2) =1 + 1,73·0,59·0,01·0,01·3,8 = 1,0003

în care : a=b=3,36 mm - dimensiunile conductorului de joasa tensiune

p = kR·

kR = 1- - coeficientul lui Rogowski

n=2·wsj= 2·18 =36 conductoare pe înaltimea bobinei ms – numarul de conductoare pe grosimea bobinei

- pentru înalta tensiune

P i = m·kri·Ri·Ii² = 3 · 1,0001 ·17,88 ·14,14 = 747,5 W unde :

kri = 1+ 0,8· r²· · ·ms² = 1+0,8 ·0,69 ·0,01 ·0,3 · ·144 = 1,0001

în care : n= wsi = 85 conductoare pe înaltimea bobinei ms = nsi = 12 conductoate pe grosimea bobinei

r = kR·

kR = 1-

d = 1,40 cm


Densitatile de suprafata ale pierderilor în înfasurari : - pentru înfasurarea de joasa tensiune este :

qj = W/m²

unde : swj = 0,8·3,14·(Dij+2·Dm2+Dej)·HBj = 0,8·3,14·(12,8+31,56+18,76)·13 = 0,2060 m² Dij = Dc + 2·amj = 12 + 2·0,4 = 12,8 cm (diametrul interior al înfasurarii de joasa tensiune)

Dej = Dii + 2·aj = 12,8+2·2,98 = 18,76 cm (diametrul exterior al înfasurarii de joasa tensiune)

- pentru înfasurarea de înalta tensiune este :

qi = W/m²

unde : swi = p [0,8·(Dii+2· mi)+Dei]·HBi = 3,14·[0,8·(20,36+43,96)+25,2]·12 = 0,2888 m² Dii = Dmi – ai = 22,78 – 2,42 = 20,36 (diametrul interior al înfasurarii de înalta tensiune) mi = Dii + 2· + aia = 20,36 + 2·4·0,14+ 0,5 = 21,98 , este diametrul mediu al canalului de racire , care se prevede spre interiorul grosimii înfasurarii de înalta tensiune la circa 1/3 din a i , adica dupa = 6 straturi din cele 18 câte are înfasurarea.

= = 4

Dei = Dmi + ai = 22,78 + 2,42 = 25,2 – este diametrul exterior al înfasurarii de înalta tensiune. Aceasta suprafata este spalata în întregime de uleiul de racire.

Pierderile electrice totale :

PkN = Pwj + Pwi = 547,5 + 774,5 =1322 W

III.2. Pierderile in fier si curentul de functionare in gol

Masa neta a Fe : - pentru coloane GFec = 3·Sc·Lc Fe · = 3·99·17·7,65· =38,62 kg

- pentru juguri GFec = 2 Sj·Lj· Fe = 2·104·65·7,65· = 103,42 kg


Pierderile în fier , ale transformatorul care reprezinta si pierderile la functionarea în gol se calculeaza cu relatia :

P0 Pfe = kp · p · ·(Bc²·GFec + Bj²· GFej) =

= 1,07·0,45·(2,56·38,62+2,25·103,42) = 160 W

în care :

- p este cifra de pierderi specifice a materialului tolelor , din care este facut

miezul magnetic . Se ia 0,45 W/kg , daca miezul se face din tabla silicioasa laminata la rece cu cristale orientate si grosime de 0,28 – 0,35 mm. - kp ~ 1,03 – 1,07 În practica fabricatiei transformatoarelor s-a constatat ca valorile coeficientului de majorare a pierderilor în fier , datorita prelucrarilor tolelor prin stantare kp , sunt mai mari , ajungând pâna la kp = 1,2 – 1,25 .

P0 = 160· = 186 W

Dimensiunile definitive ale miezului magnetic sunt :

Dc = 12 cm Lc = 17 cm Lj = 65 cm Sc = 99 cm² T = 15 cm Sj = 104 cm² M =27 cm

Componenta activa a curentului de functionare în gol

I0a = = = 0,0103 A

Componenta reactiva a curentului de functionare în gol

Se determina din legea circuitului magnetic aplicata pe un contur G corespunzator liniei mediane a câmpului magnetic util , care parcurge atât coloanele si jugurile magnetice, cât si intrefierurile fictive de îmbinare dintre acestea.

I0r =


Pentru coloana din mijloc nu se mai ia produsul HjLj . în care : - Hi , Hj sunt intensitatile câmpului magnetic în coloana si respectiv în jugul miezului magnetic , în A/cm . Valorile lor se iau din anexa 4.

- pentru Bc = 1,59 rezulta Hc = 0,538 A/cm - pentru Bj = 1,51 rezulta Hj = 0,600 A/cm - di este lungimea întrefierului fictiv a rostului de îmbinare dintre tolele coloanelor si jugurilor , în m . - Bi este amplitudinea inductiei magnetice în întrefierul fictiv de îmbinare , în T , care se determina din conditia conservarii fluxului magnetic .

Bi = Bc·cosa=1,59·cos45°=1,113 T - unde a este unghiul de îmbinare al tolelor fata de orizontala

Curentul total la functionarea în gol a transformatorului (valoare eficace) :

I10 =

sau valoarea în procente a curentului nominal absorbit de transformator :

I10 %= =

Capitolul IV : Tensiunea de scurtcircuit

Componenta activa a tensiunii de scurtcircuit

Uka =

Componenta reactiva a tensiunii de scurtcircuit

Ukr =

= 1,70 %


în care : - d' - latimea echivalenta a canalului de scapari :

= aji +

- lm - lungimea medie echivalenta a spirelor celor doua înfasurari :

lm =

= = 0,62 m

În cazul în care cele doua înfasurari ale transformatorului au solenatiile nesimetrice , atunci corectarea nesimetriilor se face cu factorul :

kg = 1+

x =

Hx = HBj – HBi = 1 kr = 0,84

Tensiunea de scurtcircuit :

Ukr = %

Valoare care se încadreaza în abaterile admise de STAS 1703/1-80, care sunt de ± 10% din tensiunea de scurtcircuit data în datele nominale. Rezulta deci ca pentru noile dimensiuni ale conductorului înfasurarii de joasa tensiune , pentru care au rezultat si alte dimensiuni ale înfasurarilor si ferestrei transformatorului , tensiunea de scurtcircuit s-a încadrat în limitele admise. Aceste dimensiuni se considera deci definitive, bineînteles daca ele vor corespunde si la verificarile mecanice si termice. În figura 5 este reprezentata , la scara , sectiunea transversala prin înfasurarile transformatorului din care reiese atât modul concret de realizare a izolatiilor pentru distantele prevazute , cât si forma constructiva cu dimensiunile reale ale înfasurarilor. Întreaga înfasurare (de joasa tensiune si de înalta tensiune) este realizata din punct de vedere tehnologic , sub forma de înfasurare monolit , adica înfasurarea de înalta tensiune de deapana direct peste înfasurarea de joasa tensiune evident cu prevederea penelor 3 si izolatiei 4 .


Capitolul V : Caracteristicile de functionare

La un transformator este indicat a se predetermina prin calcul , caracteristicile de functionare în sarcina , dintre care mai importante sunt caracteristicile externe si randamentul .

V.1. - Caracteristicile externe

- valoarea relativa a sarcinii secundare

- caderea de tensiune secundara

- pentru b= 0 si cosf2 = 1

- pentru b= 0,05 si cosf2 = 1






- pentru b= 1 si cosf2 = 1


- pentru b= 0,05 si cosf2 = 0,7 ind.


- pentru b= 0,2 5 si cosf2 = 0,7 ind.




- pentru b= 1 si cosf2 = 0,7 ind.


- pentru b= 0,05 si cosf2 = 0,7 cap.






- pentru b= 1 si cosf2 = 0,7 cap.


V.2. - Caracteristicile randamentului

;

- pentru b=0 si cosf2 = 1 rezulta h = 0 ;- pentru b=0,05 si cosf2 = 1

- pentru b=0,15 si cosf2 = 1





- pentru b=1 si cosf2 = 1


- pentru b=0,05 si cosf2 = 0,7





- pentru b=1 si cosf2 = 0,7



b=I2/I2N 0,05 0,15 0,25 0,5 0,75 1 1,25

cosf2 = 1 0,998 0,995 0,991 0,983 0,975 0,966 0,958

cosf2 = 0,7 ind 0,998 0,994 0,991 0,982 0,973 0,964 0,955

cosf2 = 0,7 cap 1,00175 1,00526 1,00878 1,01765 1,0265 1,0356 1,0447

cosf2 = 1 0,843 0,965 0,974 0,975 0,970 0,963 0,956

cosf2 = 0,7 0,886 0,952 0,964 0,964 0,958 0,949 0,939

0.90.920.940.960.981

1.021.041.06

0.00 0.05 0.15 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

U2/U20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.00 0.05 0.15 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25


Capitolul VI : Verificarea solicitarilor mecanice

Din punct de vedere mecanic , elementele componente ale transformatorului sunt solicitate în primul rând de forte electrodinamice care apar în cazul scurtcircuitelor si în al doilea rând atât de fortele necesare strângerii miezului , cât si de greutatea partii decuvabile (ansamblu miez bobinat si capacul cuvei cu toate accesoriile pe el). VI.1. - Verificarea înfasurarilor la actiunea fortelor electrodinamice Deoarece cele doua înfasurari de joasa tensiune si cea de înalta tensiune au cam aceleasi înaltimi , iar spirele de reglaj a tensiunii sunt repartizate pe întreaga înaltime a înfasurarii de înalta tensiune , rezulta ca în functionarea transformatorului nu apar nesimetrii axiale importante ale solenatiilor , care sa conduca la forte electrodinamice axiale periculoase. De aceea , înfasurarile se vor verifica numai la actiunea fortelor electrodinamice radiale si la actiunea fortei interioare F0 .

-curentul de soc

Ikm = kA = 1,25· = 180,52 A

unde : kA = 1,2 – 1,3 pentru SN < 10 kVA este coeficientul de marire a curentului datorita componentei aperiodice .

- forta radiala

Fr = 99 · N

- forta interioara care actioneaza în directia axiala asupra fiecarei înfasurari

F0 = 12 · N

- efortul unitar la întindere în înfasurarea exterioara de înalta tensiune

= 10,44 MPa


Valoare care este mai mica decât limitele admise (s = 22 – 30 MPa) pentru înfasurare din aluminiu

- eforturile unitare de compresiune dintre conductoarele infasurarii - joasa tensiune

MPa

unde : j = aj – aja = 29,8 – 3 = 26,8 grosimea neta a înfasurarii de joasa tensiune

- înalta tensiune

= 0,88 MPa

unde : i = ai – aia = 24,2 – 5 = 19,2 grosimea neta a înfasurarii de înalta tensiune

Pentru ca înfasurarea interioara (de joasa tensiune) sa fie supusa la solicitarea de compresiune pura adica sa nu apara solicitarea la încovoiere pe distanta dintre doua pene consecutive , trebuie ca numarul de pene Zp , de consolidare a înfasurarii intrerioare de miezul feromagnetic (pe circumferinta acestuia) sa îndeplineasca conditia :

Zp min =

= 3,1 distantoare în care : - Djm este diametrul mediu al înfasurarii de joasa tensiune , în mm ; - a este dimensiunea radiala a conductorului de sectiune Swj , exprimate în mm respectiv în mm² - E este modulul de elasticitate al materialului conductor EAl = 0,99 MPa Eforturile unitare la compresiune datorate fortelor axiale , îndreptate catre juguri :

= 23,67 MPa


VI.2. - Calculul mecanic al schelei metalice

Prin schela se întelege ansamblul constructiei care îndeplineste urmatoarele roluri : - strângerea jugurilor miezului magnetic (profiluri de otel sau mai numite console) - consolidarea axiala a înfasurarilor (tiranti fixati între console) - consolidarea conexiunilor dintre înfasurari , a celor de la comutatorul de reglaj si de la izolatoarele de trecere - ridicarea întregii parti decuvabile a transformatorului , în cazul în care , datorita masei mari , aceasta nu poate fi ridicata de pe capac.

- Console de presare a jugurilor , se executa din profil U10 (STAS 564-80) , pentru care modulele de rezistenta la încovoiere se pot lua din STAS 564-80 sau se pot calcula cu relatiile :

- dupa axa x – x :

Wx =

unde : b = B – d = 50 – 6 = 44 h = H – 2t = 100 - 2·8,26 = 83,5 m

- dupa axa y – y :

Wy =

unde pozitia centrului de masa C este :

e1 =

a = e1 – d = 15,5 – 6 = 9,5 mm e2 = B – e1 = 50 – 15,5 = 34,5 mm


- momentul încovoietor corespunzator fortei de presare a jugurilor :

My =

unde : Fs = ps·hj·L=0,25·115,2·830=2,39 N ps = 0,25 MPa hj = 115,2 mm L = 830 mm

- efortul unitar la încovoiere datorita presarii jugului :

MPa < 100 MPa

- efortul unitar la încovoiere dupa axa x – x datorita fortelor electrodinamice de presare axiala :

MPa < 200 MPa

Buloanele de strangere a consolelor de presare , se executa din otel rotund de F20 mm si filetate la capete cu M20.

-efortul unitar în bulon

MPa

în care :

(pentru M20 , diametrul minim la baza filetului este de 16,75 mm)

G = (Gschela + Gmiez + Gjug)· g = (Gschela +GFec + GFej + Gwj +Gwi ) = (40+38,62+103,42+0,90+3,05)·9,81 = 1824 W

Gwj = kg

Gwi = kg

MPa


Verificarea buloanelor la forta axiala de scurtcircuit :

MPa < 200 MPa

Capitolul VII : - Calculul termic al transformatorului

Calculul termic al transformatorului se face în functie de modul de racire : cu ulei sau cu aer (uscat). Pentru transformatorul electric trifazat abordat în acest proiect se alege un sistem de racire NL , adica circulatia naturala a uleiului (N) si miscarea libera (L) a aerului care raceste cuva.

VII.1. - Calculul termic al înfasurarilor racite în ulei Cresterea maxima admisa a temperaturii unei înfasurari în raport cu mediul ambiant este determinata de clasa de izolatie a transformatorului. Pentru transformatoare în ulei izolate în clasa A , la care caderea medie de temperatura este de 70°, se da în tabelul 3 o repartitie orientativa a acestei caderi de temperatura în doua trepte :înfasurare-ulei qmbu , si ulei-mediul ambiant q mua .

Mod de racire qmbu qmua NL NS FS si FA

22 – 24 24 – 26 28 – 30

48 – 46 46 – 44 42 – 40

Tabelul 3. Valoriile medii ale caderilor de temperatura în °C

La înfasurarea de joasa tensiune , de tip cilindric , temperatura medie a bobinei se poate considera egala cu cea maxima , si deci : q1 = q2 = 0

Deci caderea de temperatura în izolatia , conductoarelor, este :

q3 =


La înfasurarea de înalta tensiune , de tip stratificat , q1 q2 si , pentru partea bobinei exterioara canalului axial , mai groasa , caderea maxima de temperatura , rezulta conform relatiei :

în care pentru conductor rotund :

J = 2,5 A/mm² ; ko = 2,71 ; kp = 3,44

Caderea medie de temperatura

Caderea de temperatura între suprafata bobinei si ulei

- pentru joasa tensiune :

- pentru înalta tensiune :

unde : - q este densitatea de suprafata a pierderilor din bobina considerata , în W/m²


Caderea medie de temperatura medie dintre înfasurare si ulei

Caderile medii de temperatura dintre înfasurare si ulei nu trebuie sa se abata mult de la valorile indicate în tabelul 3. Cresterea caderii de temperatura q mbu peste limitele din tabel si scaderea corespunzatoare a caderii de temperatura ulei-mediu ambiant , atrage dupa sine o diminuare a posibilitatii de supraîncarcare a transformatorului si , totodata , o crestere a suprafetelor de cedare a caldurii catre mediul ambiant.

VII.2. - Calculul termic al miezului racit în ulei

Calculul termic al miezului feromagnetic se limiteaza la estimarea caderii maxime de temperatura dintre miez si ulei , q max fu , care are influenta asupra îmbatranirii uleiului si a izolatiei dintre tole.

în care : -

-

-

-


VII.3. - Calculul caderii de temperatura dintre peretele cuvei cu ulei si aerul din exterior

Pentru calculul caderii de temperatura dintre peretele cuvei si aer qca sunt necesare stabilirea suprafetelor de cedare a caldurii prin convectie si prin radiatie. Determinarea acestora nu se poate face decât prin iteratie , pornind de la unele date considerate a fi cât mai apropiate de realitate .

Figura 4 . Dimensiunile cuvei transformatorului în ulei

Dimensiunile cuvei, pentru transformatoarele în ulei , cu tensiunile nominale ale înfasurarii de înalta tensiune pâna la 60 kV, se determina , conform figurii 4 cu relatiile :

A = 2·M + Dei + 2·s5 = 2·24 + 25,2 + 2·3 = 79,2 cm B = Dei + s1 + s2 + d1 + s3 + s4 + d2 35,5 cm Hcv = Lc + 2·Hj + Hje + Hsj = 17,42 + 2·13 + 27 + 2,7 = 73,12 cm


unde : - valorile distantelor de izolatie s1 , s2, ... , s5 se aleg din tabelul 4 , iar d1 , d2 sunt dimensiunile conductoarelor de legatura ; - distanta Hjc de la jug la capacul cuvei se ia în functie de valoarea tensiunii nominale a înfasurarii de înalta tensiune din tabelul 5. - Dei este diametrul exterior al înfasurarii de înalta tensiune

Tabelul 4 : Distantele minime de izolatie pentru conductoarele de legatura ale transformatorului în ulei

UN [kV] Dimensiuni în mm

Di d s sk

6 0 0 2

< 6 > 6 > 6

15 12 10

20 17 15

10 0 0 2

< 6 > 6 > 6

23 18 10

25 22 17

15 0 0 2

< 6 > 6 > 6

32 27 15

33 30 23

20 0 0 2

< 6 > 6 > 6

40 35 22

38 37 30

35 2 4 6

10 40 35 25

50 42 40

60 5 12 40 55 110 20 12 75 170

Tabelul 5 : Distantele minime de la jug ca capacul cuvei , Hjc

U [kV] 6

10 20 35 440

Hjc [mm]

270 300 300 470

500


Din tabelele de mai sus se aleg : s1 = s2 = 25 mm s2 = s4 = 20 mm s5 = 30 mm d1 = 3 mm (din motive mecanice) d2 = 10 mm Hjc = 27 cm pentru U = 0,6 kV Hsj = 2,7 cm (se ia constructiv)

Caderea de temperatura de la cuva la aer

Se tine seama de variatia temperaturii uleiului si a bobinelor pe verticala , pentru a nu depasi temperatura de lucru corespunzatoare clasei de izolatie , deoarece temperatura maxima a uleiului depaseste cu cel putin 10 °C temperatura medie , rezulta relatia de calcul :

Aria suprafetei verticale a cuvei

Aria suprafetei de radiatie pentru cuve dreptunghiulare , este :

în care : k are valoarea între 1,2 – 1,5 pentru cuvele cu pereti ondulati

Aria suprafetei de convectie :

[m²]

Aria preliminara a elementelor de racire

[m²]


Definitivarea caderilor de temperatura din transformator - caderea de temperatura dintre cuva si aer

VII.4. - Determinarea supratemperaturilor înfasurarilor si uleiului , fata de temperatura mediului ambiant, pentru transformatoarele în ulei

Caderea de temperatura între ulei si cuva

unde k1 = 1 pentru racirea naturala

Caderea medie de temperatura de la ulei la aer , în straturile superioare ale acestuia , (qMua < 60° C) , este :

Valoare care este mai mica decât 60° C.

Caderea de temperatura de la bobina la aer

iar temperatura bobinei tn , pentru valoarea standardizata a temperaturii mediului ambiant ta = 40 ° C , este :

tn = qba + ta = 58,74 + 40 = 98,74 ° C < 105 ° C

Deci transformatorul este bine dimensionat .


VII.5. - Influenta factorilor externi asupra încalzirii transformatoarelor

Factorii externi cum ar fi altitudinea locului de montare , vântul , precipitatiile atmosferice si razele solare , influenteaza temperatura de lucru a transformatoarelor cu racire naturala . Singurul factor care are o influenta permanenta este altitudinea locului de montare. Un transformator cu racire naturala destinat sa functioneze la o altitudine h , pentru a-si pastra aceeasi temperatura de lucru , va trebui ca pierderile evacuate (Pk +Po) sa fie luate , mai mari , cu valoarea în procente. Vântul , ca si precipitatiile atmosferice de orice natura , au o influenta favorabila asupra racirii transformatoarelor montate în aer liber . În schimb , razele solare pot conduce la o crestere suplimentara a temperaturii transformatoarelor cu circa 5 – 10 ° C si chiar mai mult , la transformatoarele mici .


BIBLIOGRAFIE

1. Cioc Ion , Vlad Ion si Calota Gabriel – „ Transformatorul electric „ Editura „ Scrisul Romanesc „ Craiova 19892. Micu Emil – „ Masini Electrice „ Editura Universitatii de Nord Baia Mare 2001

3. Micu Emil – „ Electrotehnica de la A la Z „ Editura Stintifica si Enciclopedica , Bucuresti 1985

Documents

Proiect gata2