Перший курсовий проект. Трансформатор струму

• Название: Трансформатор струму
• Дата: 05.12.2021
• Размер: 0.61 Mb.
• Имя файла: Перший курсовий проект.doc
• Тип: Документы; #292647
• страница: 1 из 3

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИЙ КОЛЕДЖ

НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ «ЗАПОРІЗЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

Предметно-циклова комісія спеціальності

„Електроенергетика, електротехніка, електромеханіка”

Спеціалізація «Електричні машини, електричні та електронні апарати»

ТРАНСФОРМАТОР СТРУМУ

на U_ном = 35 кВ, І_1ном = 1500 А, І_2ном = 1 А.

Пояснювальна записка до курсового проекту

141.59.06.01 ПЗ

Викладач В.С. Сергієнко

Члени комісії О.М. Новікова

А.В. Карпук

Студента гр. ЕМА 17 2/9 О.Д. Буднік

2020

Зміст




Вступ 3

1 Загальний розділ 4

1.1 Огляд існуючих конструкцій трансформаторів струму 4

1.2 Призначення та конструктивна будова трансформатора, що

проектується 11

1.3 Вихідні дані для проектування

2 Спеціальний розділ 13

2.1 Розрахунок первинної обмотки 14

2.2 Розрахунок електротермічної стійкості 16

2.3 Розрахунок ізоляції між обмотками 16

2.4 Вибір магнітопроводу та розрахунок вторинної обмотки 19

2.5 Розрахунок похибок трансформатору 24

2.6 Розрахунок граничної кратності 28

2.7 Розрахунок напруги на розімкнених кінцях вторинної обмотки 30

Висновки 32

Список літератури 33
Вступ
У наш час науково-технічний прогрес не стоїть на місці. Останні роки характеризуються швидким розвитком енергетики - винаходяться нові прилади, електроустаткування, електричні апарати та конструкції, за допомогою яких відбувається передача електроенергії від електростанцій по лініям електропередач (ЛЕП) на великі відстані до споживачів, а також поліпшується праця людини. Підвищуються номінальні напруга та струми енергоустаткування, яке встановлюється в енергосистемах. У зв'язку з об'єднанням енергосистем значно збільшуються струми короткого замикання, усе це призводить до необхідності створення нового високовольтного обладнання, одним з видів якого є трансформатори струму, які забезпечують розподіл, приведення електроенергії до стандартних значень, тоді коли безпосереднє включення приладів на повний струм електричного кола є неможливим. При цьому до вторинного кола трансформатора струму включаються амперметри, струмові обмотки ватметрів, лічильників та інше.

Трансформатори використовуються у різних галузях господарства, чорної та кольорової металургії, на атомних електростанціях, в хімічній промисловості, верстатобудуванні, сільському господарстві та транспорті.

Існують як вимірювальні трансформатори струму, так і трансформатори струму для захисту.

У даному курсовому проекті розглянуті питання проектування, розрахунків основних елементів конструкції трансформатора струму на U_ном = 35 кВ.


1 Загальний розділ

1.1 Огляд існуючих конструкцій трансформаторів струму
Трансформатором струму (ТС) називається такий трансформатор, в якому при нормальних умовах роботи вихідний сигнал є струмом, що практично пропорційний первинному струму та при правильному ввімкнені зсунутий відносно нього за фазою на кут, близький до нуля.

Первинна обмотка трансформатора струму вмикається в коло послідовно (у розсічку провода), а вторинна замикається на деяке навантаження (вимірювальні прилади або реле), забезпечуючи в ньому струм, пропорційний струму у первинній обмотці.

У трансформаторах струму високої напруги первинна обмотка ізольована від вторинної (земля) на повну робочу напругу. Один кінець вторинної обмотки звичайно заземлюється, тому вона має потенціал, близький до потенціалу землі.

Трансформатори струму за призначенням поділяються на ТС для вимірювання та для захисту. У деяких випадках ці функції поєднуються в одному трансформаторі.

Трансформатори струму для вимірювання призначені для передачі інформації вимірювальним приладам, вони встановлюються у колах високої напруги або в колах з великим струмом, у яких неможливе безпосереднє підключення вимірювальних приладів.

Трансформатори струму для захисту призначені для передачі вимірювальної інформації до пристроїв захисту й управління.

В залежності від роду струму трансформатори струму поділяються на трансформатори змінного та постійного струму.

За призначенням трансформатори струму поділяються на трансформатори для вимірювання та захисту. Останні можуть призначатися для роботи у щойно встановлених (статичних) режимах або у встановлених та перехідних (динамічних) режимах.

Також розділяють трансформатори струму в залежності від рівня напруги, яка визначає його конструкцію, а іноді і принцип дії. З урахуванням використовуємих у нашій країні номінальних напруг розрізняють ТС низької (напруга до 1000 В) та високої напруги (1-1150 кВ і вище).

Усі трансформатори струму – для вимірювання і захисту - можливо класифікувати за наступними основними ознаками:

- за призначенням:

1. 
   вимірювальні;
   
2. 
   захисні;
   
3. 
   комбіновані (вимірювально-захисні);
   
4. 
   лабораторні;
   
5. 
   проміжні та інші;
   

- за умовами встановлення:

1. 
   внутрішні (за ГОСТ 15150-69);
   
2. 
   зовнішні (категорія розміщення 1 за ГОСТ 15150-69);
   
3. 
   для встановлення в особових умовах експлуатації;
   

- за виконанням первинної обмотки:

1. 
   стрижневі, або одновиткові (без власної первинної обмотки, з власною первинною обмоткою);
   
2. 
   багатовиткові (котушечні, петлеві, ланкові, римовидні);
   

- за видом ізоляції між первинною та вторинною обмотками з:

1. 
   фарфоровою ізоляцією;
   
2. 
   бакелітовою ізоляцією;
   
3. 
   елегазовою ізоляцією;
   
4. 
   заливкою компаундом;
   

- за конструктивним виконанням:

1. 
   котушечні;
   
2. 
   бакові;
   
3. 
   вісімкоподібні (ланкові);
   
4. 
   петлеві;
   

- за числом коефіцієнтів трансформування з:

1. 
   одним коефіцієнтом трансформації;
   
2. 
   декількома (отримують зміною кількості витків первинної або вторинної, або обох обмоток, або за допомогою застосування декількох вторинних обмоток з різною кількістю витків, що відповідають різному номінальному вторинному струму);
   

- за кількістю ступенів трансформування:

1. 
   одноступеневі;
   
2. 
   каскадні;
   

- за робочою частотою:

1. 
   промислової частоти 50 Гц;
   
2. 
   підвищеної частоти від 400 до 8000 Гц;
   

- за кліматичними умовами:

1. 
   для районів з помірним кліматом;
   
2. 
   з тропічним кліматом;
   
3. 
   з холодним кліматом;
   

- за автономністю:

1. 
   вбудовані;
   
2. 
   самостійного виконання;
   

• 
  за принципом перетворення струму:
  
  1. 
     електромагнітні;
     
  2. 
     оптико-електронні.
     

До основних параметрів трансформаторів струму у відповідності з ДСТУ 7746-03 «Трансформатори струму. Загальні технічні вимоги» відносяться нижче вказані.

Номінальна напруга – діюче значення лінійної напруги системи, в якій ТС призначений працювати (вказується у паспортній таблиці ТС). Шкала номінальних напруг має діапазон від 0,66 до 1150 кВ.

Номінальний первинний струм – струм, який довго проходить по первинній обмотці, не викликаючи її перегріву (вказується у паспортній таблиці ТС). Шкала номінальних первинних струмів має діапазон від 1 до 40000 А.

Номінальний вторинний струм – струм, що проходить по вторинній обмотці, призначений для живлення вторинного навантаження (вказується у паспортній таблиці ТС). Номінальний вторинний струм стандартизований і може бути 1 або 5 А, причому струм 1 А допускається тільки для ТС з номінальним первинним струмом до 4000 А. За угодою із замовником допускається виготовлення ТС з номінальним вторинним струмом 2 або 2,5 А.

Номінальний коефіцієнт трансформації – відношення номінального первинного струму до номінального вторинного струму. У реальному ТС внаслідок втрат дійсний коефіцієнт трансформації не дорівнює номінальному.

Номінальне вторинне навантаження з коефіцієнтом потужності cos φ_2­ = 0,8 – опір навантаження в Ом, при якому ТС працює у встановленому класі точності. ДСТУ 7746-03 встановлює значення номінального вторинного навантаження у вигляді номінальної потужності, вираженої у вольт-амперах при коефіцієнті потужності cos φ_2­ = 0,8. Ці значення знаходяться в діапазоні від 2,5 до 100 ВА;

Відповідні значення номінального вторинного навантаження у омах визначаються з виразу Z_2ном = S_2ном/І²_2ном.

Номінальний клас точності вторинної обмотки. Клас точності характеризує граничні похибки ТС (за струмом і за кутом) при зміні струму у первинній обмотці та різних значеннях вторинного навантаження. Розрізняють класи точності для вимірювальних та для захисних обмоток. ДСТУ 7746-03 встановлює номінальні класи точності для вторинних вимірювальних (0,2; 0,2s; 05; 0,5s; 1; 3; 5; 10) та захисних (5Р та 10Р)обмоток.

Номінальна гранична кратність вторинної захисної обмотки – кратність первинного струму по відношенню до його номінального значення, при якому повна струмова похибка не перевищує 5-10% при номінальному вторинному навантаженні та коефіцієнті потужності cos φ_2­ = 0,8.

Електродинамічна стійкість трансформатора струму визначається струмом електродинамічної стійкості, який рівний найбільшій амплітуді струму КЗ за весь час його протікання за умовою, що цей струм не викликає пошкодження ТС, що перешкоджає його подальшій роботі. Струм електродинамічної стійкості характеризує можливість ТС протистояти механічним (електродинамічним) впливам струму КЗ. Електродинамічна стійкість також може характеризуватись кратністю, що являє собою відношення струму електродинамічної стійкості до амплітуди номінального первинного струму.

Електротермічна стійкість трансформатора струму визначається струмом термічної стійкості, який рівний найбільшому діючому значенню струму КЗ за проміжок часу за умовою, що ТС витримує в цей проміжок часу встановлене значення цього струму без нагріву струмопровідних частин до температур, що перевищують допустимі при струмах КЗ, а також без пошкоджень, перешкоджаючих його подальшій роботі. Електротермічна стійкість характеризує можливість ТС протистояти тепловим діям струму КЗ. Електротермічна стійкість може характеризуватись кратністю струму електротермічної стійкості, що являє собою відношення струму електротермічної стійкості до діючого значення номінального первинного струму.

У відповідності з ДСТУ 7746-03 для трансформаторів струму встановлений наступний час протікання струму термічної стійкості: 1 або 2 с. – для ТС на номінальну напругу 330 кВ і вище; 1 або 3 с. – для ТС на номінальну напругу до 220 кВ включно.

Температура струмопровідних частин ТС при струмі термічної стійкості не повинна перевищувати: 200 °С для струмопровідних частин з алюмінію; 250 °С для струмопровідних частин з міді та її сплавів, що контактують з органічною ізоляцією або маслом, та 300 °С для струмопровідних частин з міді та її сплавів, які не контактують з органічною ізоляцією або маслом.

Значення струмів електродинамічної і електротермічної стійкості ТС державним стандартом не нормуються, але вони повинні відповідати електродинамічній і термічній стійкості інших апаратів високої напруги, що встановлюються в одному колі з трансформатором струму.

Згідно приведеного огляду існуючих конструкцій на заданий клас напруги доцільно обрати за базову конструкцію трансформатора серії ТФЗМ на напругу 35 кВ.

Трансформатори струму серії ТФЗМ (рисунок 1) виготовляються однокаскадні на напругу 35 – 220кВ і двокаскадні на напругу 500 кВ. 

Зовнішня ізоляція трансформаторів – фарфорова покришка. 

Головна внутрішня ізоляція трансформаторів - паперово-масляна розташована на первинній і вторинній обмотках. Обмотки ланкового типу. Кількість вторинних обмоток від двох до п'яти. Трансформатори відрізняються високою надійністю в експлуатації.

Перевагою трансформаторів є:

– широкий асортимент продукції за номінальним первинним струмом та класом точності (0,2; 0,5; 0,2 S І 0,5 S; 5Р; 10Р);

– можливість виготовлення виробів з будь-яким поєднанням класу точності й номінального вторинного навантаження;

– висока надійність і точність вимірювання.

Завдяки оптимальності конструкції й технологічності у виконанні вони отримали найбільше застосування.



Рисунок 1 – Трансформатор струму серії ТФЗМ

1.2 Призначення та конструктивна будова трансформатора, що проектується
Трансформатор струму на напругу 35 кВ зовнішнього встановлення застосовується у відкритих розподільчих пристроях і призначений для передачі сигналу вимірювальної інформації вимірювальним приладам і пристроям захисту і керування в мережах змінного струму частотою 50 чи 60 Гц з ефективно заземленою нейтраллю.

Проектуємий трансформатор (рисунок 2) має первинну (4) та три вторинні обмотки (5), зібрані до єдиного комплекту, на який накладена паперова ізоляція з трансформаторного паперу. Під ізоляцією закріплена металева підставка, за допомогою якої вторинні обмотки встановлені на цоколі (7). До верхньої плити цоколя (7) за допомогою натискаючого хомута, шпильок та ексцентричних сухарів кріпиться фарфорова покришка (11), яка є ізоляційним корпусом трансформатора. Сухарі забезпечують рівномірний тиск при механічному ущільненні фарфорової покришки (11) з цоколем (7) через гумове кільце, а ексцентрисистет необхідний, щоб уникнути зазорів, виникаючих із-за неточності розмірів фарфору.



Рисунок 2 – Трансформатор струму на напругу 35 кВ
Коробка виводів вторинних обмоток (10) розташована на одній з стінок цоколя(7). У нижній частині коробки виводів знаходиться отвір для встановлення кабельної муфти (8) з отвором діаметром 25 мм для розділення та кріплення кабелів, що підходять до виводів вторинних обмоток. Коробка вторинних виводів закрита кришкою, на якій знаходиться табличка з паспортними даними трансформатора, електричними схемами і технічними даними вторинних обмоток.

Первинна обмотка (4) має U - подібну форму і проходить крізь «вікно» вторинної обмотки (5), вона також ізольована трансформаторним папером.

Виводи первинної обмотки (9) за допомогою двох болтів кріпляться до затискачів первинної обмотки, які через ущільнення проходять у отвори фарфорової покришки (11). До зовнішньої їх частини під’єднується первинне коло. Первинна обмотка (4) підтягується до комплекту вторинних обмоток із зусиллям близько 150 Н і фіксується у цьому положенні за допомогою обмоткотримача, закріпленого всередині обмотки на стрижні, що проходить крізь стінки фарфорової покришки (11).

Зверху фарфорова покришка (11) закривається з’ємною металевою кришкою (1), на якій розташований повітряосушувач (3) для очищення від пилу і вологи повітря, що поступає до трансформатора. Верхня частина скляного циліндра повітроосушувача (3) заповнена селікагелем-індикатором, що при насиченні вологою змінює своє забарвлення на рожевий колір. Також на фарфоровій покришці (11) є маслопокажчик (2), щоб можна було слідкувати за рівнем масла (12). Рівень масла (12) не навантаженого трансформатора при температурі 20^оС повинний знаходитися проти червоної риски маслопокажчика (2). На кожні 10^оС підвищення чи зниження температури рівень масла(12) відповідно підвищується чи знижується на 2,5 мм. Кришка (1) кріпиться до фарфору за допомогою якореподібних болтів, які прилягають своїми виступами до нижньої поверхні буртика покришки (11). Між кришкою (1) та фарфоровою покришкою (11) встановлена гумова прокладка.

Для підйому трансформатора існують чотири кільця, розташовані на цоколі.

1.3 Вихідні дані для проектування
Вихідними даними для проектування трансформатора є:

• 
  клас напруги, кВ – 35;
  
• 
  номінальний первинний струм, А – 1500;
  
• 
  номінальний вторинний струм, А – 1;
  
• 
  номінальне навантаження вимірювальної обмотки, В·А – 30;
  
• 
  струм електротермічної стійкості, кА – 34;
  
• 
  тривалість струму електротермічної стійкості t_т.с. – 3 с;
  
• 
  частота струму мережі, Гц – 50;
  
• 
  коефіцієнт потужності навантаження соs φ = 0,8.
  

2 Спеціальний розділ

1. 
   Розрахунок первинної обмотки
   

Визначається поперечний переріз струмопровідної частини первинної обмотки, виходячи з заданої величини струму та допустимого значення густини струму за формулою:
q₁ = I_1ном / j₁, (1)
де q₁ – площа поперечного перерізу первинної обмотки, мм²;

I_1ном – номінальний первинний струм, А;

j₁ – допустима густина струму в первинній обмотці, А/мм² , згідно 1 знаходиться для мідних провідників у межах 0,9  1,2 А/мм², приймається 1,2 А/мм².

q₁ = 1500/1,2=1250

За одержаним значенням поперечного перетину відповідно ГОСТ 434-78, вибирається шина мідна, яка має розміри 12,5 х 35 мм та поперечний перетин 435,6 мм².Для того, щоб отримати розрахунковий поперечний, перетин обираються три шини тому для подальших розрахунків поперечний перетин первинної обмотки становить 1306,8 мм², а провідники розташовані таким чином, як це показано на рисунку 1.

а = 12,5 мм; b = 35 мм
Рисунок 1 – Розташування та розміри шин первинної обмотки




Керуючись заданою величиною первинного струму обирається значення магніторушійної сили первинної обмотки (МРС), виходячи з умови, що F_1ном 750A.

Приймається F_1ном = 1500 А та визначається кількість витків первинної обмотки w_1ном:
w_1ном = F_1ном / I_1ном, (2)
w_1ном = 1500/1500=1