Расчет высоковольтного конденсатора 6 кВ

Расчет высоковольтного конденсатора 6 кВ

1. Электрический расчет

Исходные данные:

Uном= 35кВ; Iном=200 А;

Реактивная мощность Q_р=65 кВАр, среднеквадратическое отклонение δ=7 кВ. Число перенапряжений в год 10⁴. Длительность одного перенапряжения 10^-2 с.

Определение емкости

10.1 Трехфазный конденсатор состоит из трех сборок секций, которые могут быть соединены либо в звезду , либо в треугольник. Примем соединение сборок секций в треугольник. Тогда на каждую сборку будет действовать линейное напряжение, а её емкость найдем из формулы реактивной мощности:

=1.917 мкФ

Определение числа последовательно отключенных секций

10.2 Принимаем толщину бумаги δ₁=12 мкм. Число слоев между обкладками n₁=6

и рабочую напряженность поля Е_раб=14 МВ/м. Находим:

n_посл=U_раб/ Е_раб∙ n₁∙ δ₁=5.952                           (1.22)

Примем n_посл=6 и n₁=7; тогда рабочая напряженность поля:

Е_раб= U_н / n_посл∙  n₁∙  δ₁=11.9 МВ/м

10.3 Рабочее напряжение секции:

U_с= Е_раб∙  n₁∙ δ₁=1 кВ

Определение размеров и числа параллельных секций

10.4 Предварительно зададимся размерами секции: толщина ∆_с=20, длина b=280 и ширина h=160 мм. Определим  длину закраины:

∆l=k₃∙ U_исп+l₁=8.3 мм

, где k₃=1.5 мм/кВ-коэффициент закраины; l₁=5 мм-допуск на технологическое смещение фольги при намотке секций.

10.5  Испытательное напряжение секции составит:

U_исп=2.2U_раб / n_посл=2.2 кВ

10.6 Находим относительную диэлектрическую проницаемость пропитанной трихлордифенилом бумаги: (при u₂δ₂=0)

ε_r=  ε_r.пр/1+( γ_б/ γ_к) ∙ k_з∙ [(ε_r.пр/ ε_rк)-1]=5.819

Для силового конденсатора принята бумага КОН-1 плотностью γ_б=1000 кг/м³.Коэффициент запрессовки k_з=0.9. Относительная диэлектрическая проницаемость трихлордифенила ε_r.пр=5.

10.7 Найдем емкость секции:

=4.3∙Ф

при ∆_ф=8мкм.

10.8 Число параллельных секций:

n_пар=(С_сб∙ n_посл)/ С_с=2.675

10.9 Округлим число параллельных секций до n_пар=3. Тогда  требуемая емкость секции равна:

С_с=(С_сб∙n_посл)/ n_пар=3.834*10^-6 Ф

Выбор материала корпуса конденсатора

10.10 Выбираем металлический корпус с толщиной стенки 0.5 мм. Изоляцию от корпуса и между пакетами конденсатора изготавливают из кабельной бумаги, толщина которой определяется исходя из:

U_мр=2.2∙U_н∙к_зап=39.6 кВ ; ∆_к=0.96 мм

Секции в корпусе располагают к стенкам корпуса широкой стороной, чтобы уменьшить перепад температур в секции. Секции собираются в пакеты. Каждая сборка содержит 1 пакет, состоящий из 18 последовательно и параллельно включенных секций. Между секциями прокладывается прокладка из одного листа кабельной бумаги толщиной ∆_пр=12 мм. Пакеты секции обматываются кабельной бумагой толщиной 0.96 мм (изоляция от корпуса) и скрепляются стальными бандажными лентами.

 10.11 Размеры пакета:

высота h_п= n_посл∙ n_пар∙∆_с+ n_посл∙ n_пар∙∆_пр+2∆_к=364.08 мм;

ширина b_п=h+2∆_к=161.92 мм;

длина l_п=b+2∆_к=281.92 мм;

10.12 Размеры корпуса конденсатора :

высота h_к= h_п+2∆_к+∆_з=381 мм;

ширина b_к= b_п+2∆_м=162.92 мм;

длина l_к=3l_п+2∆_м=846.76 мм.

При определении высоты корпуса учтен зазор ∆_з=15 мм, необходимый для размещения проходного изолятора.

2.2. Тепловой расчет

Секции конденсатора делают со скрытой фольгой.

11.1 Зададим значения температур в точке: +70, +40, +10 ⁰С. При заданных температурах tgδ₇₀=0.0023, tgδ₄₀=0.0019 и tgδ₁₀=0.0021. Диэлектрические потери равны:

Р_д70=U_c²∙ ω∙C_c∙ tgδ₇₀=2.769 Вт

Р_д40=U_c²∙ ω*C_c∙ tgδ₄₀=2.287 Вт

Р_д10=U_c²∙ ω*C_c∙ tgδ₁₀=2.528 Вт

11.2 Активная длина обкладки:

=

11.3 Потери в обкладках при n=1:

)²Вт       

Соответственно Р_ф40=0.059 Вт, Р_ф10=0.052 Вт.

11.4 Тепловыделения в секции составят:

Р_с70= Р_д70+ Р_ф70=2.83 Вт

Р_с40= Р_д40+ Р_ф40=2.346 Вт

Р_с10= Р_д10+ Р_ф10=2.58 Вт

11.5 Удельное тепловыделение в секции:

q₇₀= Р_с70/[(b-2∆l)∙ h∙∆_c]=3357 Вт/м³

q₄₀= Р_с40/[(b-2∆l) ∙h∙∆_c]=2784 Вт/м³

q₁₀= Р_с10/[(b-2∆l) ∙h∙∆_c]=3061 Вт/м³

11.6 Перепад температур на участке 1-2:

∆t₁= q₇₀∙ [(h-∆_c)²/8 λ_экв1]=3.15 ⁰С

λ_экв1=(λ₁∙n₁∙ δ₁+ λ_ф∙∆_ф)/ (n₁∙ δ₁+∆_ф)=18.652 (Вт/м∙⁰С)

11.7 Теплопроводность пропитанной бумаги λ₁=1 (Вт/м*⁰С). Теплопроводность фольги λ_ф=204 (Вт/м*⁰С). Перепад температур на участке 2-3:

∆t₂= q₇₀∙∆_c²/8 λ_экв2∙ [1+(h-∆_c)/ ∆_c)]=1.227  ⁰С

λ_экв=(n₁∙ δ₁+∆_ф)/ (n₁∙ δ₁/λ₁)+(∆_ф/λ_ф)=1.095 (Вт/м∙⁰С)

11.8 Тепловыделение в изоляции от корпуса:

² Вт/м²

Толщину зазора между изоляцией и корпусом примем ∆_м=1 мм, tgδ_з=0.0023 –значение пропитанной бумаги при t=66.7 ⁰C.

11.9 Перепад температур на участке 3-4:

∆t₃= (q₇₀∙h/2+q₃/2)∙( ∆_к/λ)=0.258  ⁰С

при λ=1.

11.10 Тепловыделение в зазоре между изоляцией и корпусом:

² Вт/м²

tgδ_м=0.002 для трихлордифенила при t=66.4 ⁰C.

При толщине жидкостной прослойки 1мм можно пренебречь конвективным теплообменом.

11.11 Перепад температур:

∆t₄= (q₇₀∙h/2+ q₃+q₅/2) ∙ ( ∆_м/λ_экв)=0.26  ⁰С

Теплопроводность трихлордифенила λ=0.1 (Вт/м∙⁰С).

11.12 Находим тепловыделение в конденсаторе, пренебрегая потерями в соединительных проводах:

Q= Р_с70∙ n_посл∙ n_пар+q₃∙S_к+ q₅∙ S_к=51.309 Вт

11.13 Поверхность корпуса конденсатора:

S_к=2h_к∙ (b_к+l_к)+2 b_к∙ l_к=1.042 м²

11.14 Перепад температур в стенке корпуса:

  ⁰С                                            (1.55)

Теплопроводность стали   Вт/(м∙⁰С).

11.15 Температура на поверхности корпуса:

⁰С

11.16 Перепад температур от стенки в окружающую среду определим по методике [1] описанной в Ş 5.6

Зададимся перепадом температур =6.1 ⁰С, тогда температура окружающей среды ⁰С.

                                   (1.56)

Определяющий размер l=h_и=0.381 м, ,

                     (1.55)

11.17 Находим коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене.

11.18 Поверхность охлаждения корпуса:

 м²

Перепад температур от стенки конструкции в окружающую среду

                            (1.80)

Так как ∆t_п1 не равно  , то зададимся =44.6  и ⁰С и проведем повторный расчет:

при ,

11.19 Находим коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене.

11.20 Перепад температур от стенки конструкции в окружающую среду