Выбор материала и конструкции обмоток

Рассматриваются типы применяемых проводов, типы обмоток и различия между ними. Определяются напряжение витка и средняя плотность тока в обмотках.

 

Основным элементом обмоток трансформатора является виток. В зависимости от тока нагрузки витки выполняют одним проводом или группой параллельных проводов круглого или прямоугольного сечения (рис. 2.1). Действительно, чем больше ток нагрузки обмотки (т. е. в данном случае ее фазный ток), тем больше будет нагреваться провод и, следовательно, тем толще должен быть этот провод по условиям нагрева. При малых токах достаточно и одного провода, но при больших токах требуемая толщина провода (его сечение или сечение витка) может быть такой большой, что намотать его будет технически сложно или невозможно. А при параллельном соединении проводов известно, что суммарный большой ток нагрузки будет равен сумме меньших токов параллельных проводов. То есть вместо одного провода большого сечения можно взять несколько проводов меньшего сечения и соединить их параллельно, что обычно и делается при изготовлении трансформаторов.

Для обмоток масляных трансформаторов применяют медный или алюминиевый обмоточный провод марок ПБ и АПБ, изолированный лентами кабельной бумаги класса нагревостойкости А (105 °С). Сортамент обмоточных проводов круглого сечения приведен в прил. 7, прямоугольного сечения – в прил. 8. Заметим, что размеры предлагаемых проводов ограничены не только в большую, но и в меньшую сторону. Действительно, очевидно, что по технологическим причинам невозможно изготавливать провода как слишком большого, так и слишком маленького сечения. Кроме того, прямоугольные провода малого размера изготавливать труднее, чем круглые. Поэтому круглый провод представлен более широко в области малых размеров.

 

 

Итак, количество проводов выбирают, исходя из сечения витка, сортамента провода и технологии намотки катушек: провод большого сечения трудно укладывать, а излишнее количество параллельных проводов увеличивает объем изоляции проводников и размеры обмотки (вследствие этого увеличивается расход провода, стали магнитопровода и стоимость трансформатора).

Ряд витков, намотанных на цилиндрическую поверхность, называют слоем. Группу последовательно соединенных витков, конструктивно объединенных и отделенных от других таких же групп, называют катушкой. Обмотка может состоять из одной, двух или нескольких катушек.

В трансформаторах с классом напряжения до 35 кВ включительно (то есть в нашем случае) применяют концентрические обмотки, то есть обмотки ВН и НН выполняют в виде цилиндров, концентрически (с общим центром) расположенных на стержне. Обычно (как и в нашем случае) обмотка НН расположена внутри, а обмотка ВН – снаружи.

Во всех типах обмоток различают: осевое направление – параллельное оси стержня и радиальное – вдоль любого радиуса (рис. 2.2).

Провод прямоугольного сечения наматывают плашмя или на ребро. В первом случае больший размер провода располагают в осевом направлении, во втором – в радиальном. Намотка на ребро менее технологична и увеличивает добавочные потери в обмотке. Поэтому рекомендуется избегать намотки на ребро, а в случае ее применения использовать провод с соотношением поперечного сечения .

Между обмотками, катушками, слоями или витками делают каналы для охлаждения и изоляции (рис. 2.2). Установка шайб, цилиндров, перегородок из электрокартона улучшает изоляцию обмоток.

Размеры охлаждающих каналов, провода и катушек обмотки зависят от нагрева, характеризуемого плотностью теплового потока , равной отношению потерь в обмотке к площади поверхности охлаждения. Подробнее это будет рассмотрено далее.

Всего существуют три вида обмоток: цилиндрические (одно-, двух- и многослойные), винтовые (одно-, двух- и четырехходовые) и катушечные.

Для успешного расчета подходящего типа обмотки необходимо знать существующие различия между ними.

1. По числу слоев. Цилиндрическая обмотка может состоять из нескольких слоев, винтовая обмотка может состоять только из одного слоя, катушечная обмотка (каждая катушка) может состоять также только из одного слоя.

2. По числу катушек. Цилиндрическая обмотка может состоять из одной или нескольких катушек (обычно один охлаждающий канал делит обмотку на две катушки), винтовая обмотка может состоять только из одной катушки, катушечная обмотка состоит обычно из большого (несколько десятков) числа катушек.

3. По типу провода:

– в цилиндрических обмотках витки и параллельные провода (если имеются) располагаются (в каждом слое) в осевом направлении, поэтому можно использовать провода как круглого, так и прямоугольного сечения (технологически реально намотать);

– в винтовых обмотках витки хоть и располагаются в осевом направлении, но параллельные провода (а их обязательно должно быть минимум четыре) располагаются в радиальном (для одноходовой обмотки) или как в радиальном, так и в осевом (для многоходовых обмоток) направлениях, поэтому можно использовать провод только прямоугольного сечения (параллельные круглые провода в радиальном направлении просто не будут держаться);

– в катушечных обмотках витки и параллельные провода (если имеются) располагаются в каждой катушке в радиальном направлении, поэтому можно использовать провод только прямоугольного сечения (круглый провод и параллельные провода в радиальном направлении просто не будут держаться).

4. По расположению охлаждающих каналов:

– в цилиндрических обмотках охлаждающие каналы (обычно между слоями всего один канал, а между витками и параллельными проводами каналов нет) располагаются в осевом направлении;

– в винтовых обмотках охлаждающие каналы (между витками и/или ходами) располагаются в радиальном направлении;

– в катушечных обмотках охлаждающие каналы (между катушками) располагаются также в радиальном направлении.

5. По дробности числа витков. В цилиндрических и винтовых обмотках число витков может быть только целым, а не дробным, а в катушечных обмотках число витков в катушке может быть как целым, так и дробным.

Тип обмоток НН и ВН выбирают по прил. 9 в соответствии с номинальной мощностью трансформатора, номинальными током одного стержня и напряжением, сечением витка и числом параллельных проводов.

Если к трансформатору предъявляются какие-либо специальные требования (простота изготовления, механическая и электрическая прочность, охлаждение, стоимость и т. п.), следует выбирать наиболее отвечающий этим требованиям тип обмотки. Если возможно применение нескольких различных типов обмотки, следует отдавать предпочтение более простому и дешевому в производстве типу обмотки. В тех случаях, когда это возможно, следует выполнять обмотки НН и ВН одного типа.

Отметим также, что обмотку можно намотать из ленты. Такой тип обмотки часто приводится в литературе как разновидность цилиндрической, однако такая обмотка больше напоминает катушечную, состоящую из одной катушки.

Заданная электродвижущая сила (напряжение) одного витка

 

(2.1)

 

где – см. задание; – см. формулу (1.10); – по формуле (1.17) или (1.18).

Отметим, что предварительно рассчитанный параметр после определения числа витков будет определен точно, что в свою очередь позволит уточнить и предварительно выбранную ранее индукцию

Средняя плотность тока в обмотках

 

. (2.2)

 

Здесь коэффициент (Ом×м)^–1 для обмоток из медного и (Ом×м)^–1 для обмоток из алюминиевого провода; – коэффициент, учитывающий добавочные потери (табл. 2.1); – см. задание; – по формуле (2.1); – см. задание; – по формуле (1.6). Данная формула неочевидна, поэтому рекомендуется детально разобрать ее вывод в литературе.

 

Таблица 2.1

 

Коэффициент

 

Мощность , кВ×А	Коэффициент
25–100	0,97
160–630	0,96–0,93
1000–6300	0,93–0,85

 

Значение должно быть в пределах, указанных в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2

 

Средняя плотность тока в обмотках

 

Мощность , кВ×А	Медный провод	Алюминиевый провод
Средняя плотность тока в обмотках , А/мм2
25–630	1,8–3,5	1,1–2,5
1000–6300	2,2–3,5	1,5–2,6
10000–16000	2,0–3,5	1,5–2,7

 

Все типы проводов изготавливают в изоляции, толщина которой может быть нормальной или усиленной.

Размер прямоугольного провода в радиальном направлении ограничен допустимой величиной добавочных потерь в обмотках от магнитных потоков рассеяния и зависит от числа проводов обмотки в радиальном направлении. Выбранный радиальный размер провода должен быть меньше предельного, при этом добавочные потери не превысят 5 % от основных электрических потерь в обмотке. На круглый провод данное ограничение не распространяется, так как добавочные потери в нем незначительны (подробнее рассмотрено в гл. 3).

Ниже приведены методики расчета различных типов обмоток НН и ВН. В пределах данного курсового проекта обмотка НН может быть:

– цилиндрическая однослойная или двухслойная из прямоугольного провода;

– винтовая;

– катушечная;

– цилиндрическая многослойная из круглого или прямоугольного провода;

– из ленты.

Обмотка ВН может быть:

– цилиндрическая многослойная из круглого или прямоугольного провода;

– катушечная.