ВЫБОР ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СЕРИИ

В практике трансформаторостроения типом трансформатора принято называть образец конструкции трансформатора, характеризуемой совокупностью определенных признаков назначением, числом фаз, частотой, мощностью, классом напряжения, числом обмоток, металлом провода обмоток, видом регулирования напряжения и видом охлаждения. При этом определении типа серией трансформаторов называется ряд типов трансформаторов определенного назначения и конструкции, с одинаковым числом фаз, одной частоты, одного класса напряжения, с одним числом обмоток и одним металлом провода обмоток, с одним видом регулирования напряжения и одним видом охлаждения, различных мощностей, нарастающих по определенной шкале в ограниченном диапазоне.

Серия обычно характеризуется определенными уровнем и соотношением потерь холостого хода и короткого замыкания, определенными напряжением короткого замыкания, сочетаниями номинальных напряжений и схем и групп соединения обмоток ВН и НН (СН). Все трансформаторы каждой серии обычно имеют одинаковые конструкции магнитных систем, обмоток и изоляции, изготовляются из одинаковых активных и изоляционных материалов, с одинаковыми электромагнитными нагрузками этих материалов, по единой технологии.

Исходя из определения серии можно, например, так охарактеризовать одну из современных серий силовых трансформаторов серия трехфазных двухобмоточных силовых трансформаторов общего назначения, т.е. предназначенных для питания общих и местных электрических сетей, частоты 50 Гц, класса напряжения 35 кВ, с переключением ответвлений без возбуждения, с естественным масляным охлаждением, с мощностями по стандартной шкале ГОСТ 9680-77 от 1000 до 6300 кВ·А включительно. Уровень и соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания трансформаторов этой серии, напряжения короткого замыкания, сочетания номинальных напряжений, схем и групп соединения обмоток ВН и НН определяются соответствующим ГОСТ. Трансформаторы серии спроектированы с плоскими несимметричными шихтованными стержневыми магнитными системами из холоднокатаной рулонной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм, с косыми стыками в магнитной системе и прессовкой стержней и ярм бандажами, с многослойными цилиндрическими обмотками из алюминиевого провода и изоляцией обмоток маслобарьерного типа.

При проектировании отдельного трансформатора, входящего в известную серию, общие данные которой, т. е. шкалы мощностей и напряжений, а также параметры холостого хода и короткого замыкания известны проектировщику, задача расчетчика ограничивается получением наиболее простого и дешевого в производстве, требующего наименьшей затраты материалов и надежного во всех отношениях трансформатора. Решение этой задачи обычно требует более или менее подробной разработки нескольких (3—5) вариантов трансформатора, имеющих заданные параметры, но отличающихся различными соотношениями основных размеров. Выбор наилучшего варианта в этом случае может быть сделан по минимальной стоимости активных материалов трансформатора с учетом других требований производства и эксплуатации.

При разработке новой серии трансформаторов задача существенно усложняется. В этом случае параметры холостого хода и короткого замыкания должны также выбираться проектировщиком так, чтобы в результате разработки была получена серия наиболее экономичных трансформаторов. При этом добиваются получения не наиболее дешевого трансформатора, а наиболее дешевой трансформации энергии, т.е. серии трансформаторов, требующих минимальной суммы первоначальных капитальных вложений в трансформаторные установки и текущих затрат на этих установках за определенный промежуток времени.

Решение этой задачи для каждого типа трансформаторов серии требует рассмотрения большого числа вариантов расчета (20—25), отличающихся не только соотношением основных размеров, но и различными значениями уровня полных потерь и отношения потерь короткого замыкания к потерям холостого хода. Для каждого варианта помимо основных размеров, масс активных материалов и параметров должна быть определена стоимость трансформатора. При проектировании новой серии обычно сохраняется стандартная шкала мощностей и редко варьируются напряжения короткого замыкания трансформаторов.

Сравнительная экономическая оценка полученных вариантов расчета производится по стоимости трансформации энергии по методу приведенных затрат (см. § 1.3) с учетом возможности работы трансформатора при мощности, лежащей в пределах между его номинальной мощностью и ближайшей меньшей номинальной мощностью по шкале серии. На основании отбора наиболее экономичных вариантов определяются оптимальные значения уровня полных потерь и отношения потерь короткого замыкания к потерям холостого хода для каждого типа трансформаторов серии. После такого предварительного выяснения основных параметров трансформаторов серии производится детальная разработка оптимальных вариантов для каждого типа трансформатора. При этом учитываются такие требования производства, как необходимость унификации ряда деталей и узлов для разных типов трансформаторов, рациональный раскрой рулонной стали для магнитных систем, применение прогрессивной технологии обработки холоднокатаной стали и сборки остовов, возможность автоматизации изготовления и сборки отдельных узлов и т. д.

Расчет серии трансформаторов, так же как и расчет отдельных трансформаторов, может производиться выполнением ряда вариантов подробных расчетов, сочетанием приближенных предварительных расчетов с последующей окончательной отработкой подробных расчетов выбранных оптимальных вариантов для каждого типа трансформатора, а в промышленности, как правило, выполнением всех предварительных и окончательных расчетов на ЭВМ.

При проектировании новой серии в современных условиях следует считать заданными шкалу номинальных мощностей трансформаторов; шкалы номинальных напряжений ВН и НН (СН); схемы и группы соединений обмоток; сочетания напряжений ВН и НН (СН); частоту сети и число фаз трансформаторов.

Должны быть установлены также до начала проектирования серии конструкции и материал изоляции основных изоляционных промежутков главной изоляции и соответствующие изоляционные расстояния (a₀₁, а₁₂, а₂₂, l ₀ и т.д.). Эти данные могут быть приняты такими же, как в существующих сериях, или отработаны и экспериментально проверены специально для новой серии.

Должны быть выбраны и известны марка и толщина электротехнической стали, магнитные свойства стали; принципиальная конструкция магнитной системы трансформаторов серии (плоская или пространственная магнитная система, форма стыков, форма сечения и метод прессовки стержней и ярм) и материал изоляции пластин, а следовательно, и коэффициент заполнения k _C; конструкции и металл обмоток ВН и НН (СН). Должны быть также учтены нормализованная шкала диаметров стержня (см. § 2.3) и нормализованная ширина пластин магнитной системы (см. § 8.1).

Индукция в стержне В _C должна быть выбрана применительно к выбранной марке стали, и ее предельное значение определяется в первую очередь током холостого хода i₀ (см.§ 2.2 и 11.1). Этот выбор обычно производится до начала проектирования. В случае необходимости варианты, рассчитанные для выбранной индукции, можно затем пересчитать на другие значения В _C по методике, изложенной в гл. 11.

Напряжение короткого замыкания u_K определяет ток короткого замыкания трансформатора. Необходимость ограничения этого тока для сохранения электродинамической и термической стойкости при коротком замыкании заставляет для трансформаторов различных типов устанавливать значения u_K не менее некоторых минимально допустимых значений. Для нормальной параллельной работы вновь выпускаемых трансформаторов с трансформаторами прежних серий желательно сохранять прежние значения u_K, что обычно и практикуется при проектировании новых серий.

Могут варьироваться в широких пределах для каждого трансформатора серии отношение основных размеров р; потери и ток холостого хода Р_Х и i₀; потери короткого замыкания Р_К.

Поскольку , Р_Х и i₀ жестко связаны между собой (см. гл. 3), достаточно в широких пределах варьировать , чтобы при этом также широко варьировать Р_Х и i₀.

Таким образом, при проектировании новой серии необходимо достаточно широко варьировать и Р_К, чтобы Охватить практически все реальные варианты каждого трансформатора серии.

Выбор варьируемых величин и Р_К для Каждого реального трансформатора следует производить с таким расчетом, чтобы они охватывали зону несколько более широкую, чем зона реальных решений (по высоте стержня, плотности тока, механическим напряжениям при коротком замыкании и т.д.). Рекомендации по выбору предельных даны в табл. 12.1. Число вариантов в этих пределах можно выбрать по числу стандартных значений диаметра стержня, получаемых в выбранных пределах

Таблица 12.1. Рекомендуемые пределы варьирования

Вид охлаждения	Металл обмоток	Мощность, кВ·А
25—30	1000—6300	10 000—80 000
Масляное	Медь	1,2—3,6	1,5—3,6	1,2—3,0
»	Алюминий	0,9—3,0	1,2—3,0	1,2—3,0
Воздушное	Медь	1,2-2,7	1,2—2,7	—
»	Алюминий	0,8-2,1	0,8—2,1	—

Пределы варьирования Р_К могут быть выбраны по уровню потерь, установленному ГОСТ. Можно рекомендовать пределы Р_К = 0,7-1,1 до Р_К по ГОСТ технических требований к силовым трансформаторам разных мощностей. В этих пределах желательно исследование 4—5 вариантов Р_К. Таким образом, общее число вариантов расчета каждого трансформатора составит 20—25.

Остальные исходные данные при расчете коэффициентов А, А₁, А₂, В₁, B₂, С₁, М, т. е. k, а и b, для каждого трансформатора серии выбираются, как обычно, с учетом уровня Р _K.

При предварительном расчете новой серии возможно также сравнение отдельных конструктивных решений, например плоской и пространственной магнитной системы, оценка применения той или иной марки электротехнической стали или выбора того или иного значения индукции и т. п.