Расчет многослойной цилиндрической обмотки НН из круглого провода

Выбирается провод (или несколько проводов) нужного размера. Уточняется сечение витка, находится реальная плотность тока в обмотке и определяется число витков в слое. Уточняется осевой размер обмотки, определяется число слоев и рабочее напряжение двух слоев обмотки. Уточняется радиальный размер обмотки и определяется радиальный размер одной катушки. Находятся ее внутренний и наружный диаметры и полная охлаждающая поверхность обмотки.

 

На рис. 2.6 показана обмотка, состоящая из шести слоев. Наиболее широкая катушка состоит из четырех слоев.

 

Предполагаемый тип обмотки был выбран выше. Для точного расчета обмотки необходимо знать два важнейших ее параметра: рассчитанное ранее число витков (см. формулу (2.3)) и заданное ориентировочное сечение витка (см. формулу (2.6)).

Очевидно, что этот тип обмотки отличается от простой (однослойной) и двухслойной цилиндрической обмотки в первую очередь большим числом слоев.

При выполнении многослойной обмотки слои соединяются последовательно.

Для данного типа обмотки число параллельных проводов не должно быть более двух, все витки в каждом слое и их параллельные провода должны иметь одинаковые размеры и укладываться один за другим в один ряд без интервалов в осевом направлении. Направление намотки слоев многослойной обмотки различно. Все нечетные слои, считая изнутри, имеют одно направление намотки, обычно левое, все четные – другое, обычно правое.

Для выравнивания торцевых поверхностей обмотки, витки которой намотаны по винтовой линии, к верхнему и нижнему виткам каждого слоя прикрепляют вырезанное из бумажно-бакелитового цилиндра опорное разрезное кольцо.

Напряжение между первым витком какого-либо слоя и лежащим рядом последним витком следующего слоя равно сумме рабочих напряжений двух слоев, что составляет значительную величину. Поэтому собственной изоляции витков может оказаться недостаточно. Для обеспечения электрической прочности обмотки применяют дополнительную междуслойную изоляцию при помощи кабельной бумаги, намотанной в несколько слоев. Для предотвращения разряда между соседними слоями высоту междуслойной изоляции делают на 10–25 мм больше высоты слоя обмотки.

Проводники внутренних слоев обмотки, не соприкасающиеся с маслом, нагреваются сильнее, чем проводники наружных слоев. Для получения достаточной поверхности охлаждения в обмотке делают один или два осевых (вертикальных) канала, по которым циркулирует масло. Канал образован рейками из электрокартона или из дерева.

В многослойной цилиндрической обмотке (с последовательным соединением слоев), как и в одно- и двухслойной, параллельные провода наматываются с одинаковыми диаметрами на цилиндрической поверхности, т. е. имеют одинаковую длину и, следовательно, одинаковое активное сопротивление. Также они находятся в одинаковых зонах поля рассеяния и имеют, следовательно, одинаковое реактивное сопротивление. Поэтому по параллельным проводам протекают одинаковые токи и потери распределены равномерно, а значит, транспозиция параллельных проводов не нужна.

Для защиты от импульсных перенапряжений в многослойных цилиндрических обмотках классом напряжения 35 кВ применяют электрические экраны (для данного курсового проекта не существует вариантов обмотки НН с данным классом напряжения). Экран представляет собой незамкнутый цилиндр из латунного листа толщиной мм, устанавливаемый под внутренним слоем обмотки. Экран изолируется такой же междуслойной изоляцией, как и все слои обмотки.

Зная величину по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (прил. 7) подберите подходящие провода круглого сечения.

Подобранные размеры проводов записывают в следующем виде:

 

,

 

где – число параллельных проводов; − диаметр провода без изоляции; − диаметр провода в изоляции.

Полное сечение витка обмотки из параллельных проводов

 

, (2.32)

 

где – сечение одного провода.

Таким образом, уточнено сечение витка предварительно рассчитанное по формуле (2.6).

Реальная плотность тока в обмотке

 

, (2.33)

 

где – по формуле (1.3) или (1.5); – по формуле (2.32).

Далее необходимо определить число витков в слое Для этого примем заданную высоту обмотки НН равной заданной высоте обмотки рассчитанной по формуле (1.16). После этого уменьшим на 1 см и подставим полученное значение в формулу:

 

, (2.34)

 

где – число параллельных проводов; − диаметр провода в изоляции.

Полученное значение округляется до целого числа.

Реальный осевой размер обмотки

 

(2.35)

 

где – см. формулу (2.34) с учетом округления; − число параллельных проводов; − диаметр провода в изоляции. Величину необходимо увеличить на 1 см, полученное при этом значение должно быть как можно ближе к значению рассчитанному по формуле (1.16), но не должно превышать его. В противном случае в расчетах допущена ошибка.

Таким образом, уточнена высота обмотки НН

Число слоев в обмотке

 

(2.36)

 

где – см. формулу (2.3) с учетом округления; – см. форму­лу (2.34) также с учетом округления.

Заметим, что число слоев в обмотке в принципе может быть и дробным. Это означает, что все слои, кроме последнего, будут намотаны полностью, а последний слой будет намотан частично.

Заметим также, что для круглого провода нет ограничений на радиальный размер провода без изоляции в зависимости от числа параллельных проводов в радиальном направлении. То есть в такой обмотке добавочные потери гарантированно не превысят допустимые 5 % от основных электрических потерь (см. гл. 3).

Кроме того, если возникла ситуация, что , то такая многослойная обмотка автоматически стала одно- или двухслойной. Поэтому следует выбрать другой тип обмотки (одно- или двухслойную цилиндрическую не из круглого, а из прямоугольного провода) и продолжить расчеты. Хотя теоретически возможен вариант, когда можно выбрать одно- или двухслойную цилиндрическую обмотку из круглого провода, но такой вариант на практике встречается очень редко, поэтому в данном пособии он не рассматривается.

Рабочее напряжение двух слоев

 

, (2.37)

 

где – см. формулу (2.34) с учетом округления; – по формуле (2.4).

Реальный радиальный размер обмотки

 

(2.38)

 

Здесь − диаметр провода в изоляции; – по формуле (2.36); − общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки (см. прил. 11 и формулу (2.37)); – минимальный размер охлаждающего канала, выбирается из столбца «обмотка – обмотка» прил. 11; − число охлаждающих каналов, можно не делать каналы или выбрать один канал, а если охлаждения будет недостаточно, сделать дополнительный канал (см. гл. 5), и т. д.

Таким образом, уточнен параметр предварительно вычисленный по формуле (1.15).

В обмотке НН охлаждающий канал (как правило, один) делит обмотку на катушки с одинаковым по возможности числом слоев. Например, если обмотка состоит из шести слоев, то ее можно разделить одним каналом на две катушки с одинаковым числом слоев (по три слоя) в каждой. Но если обмотка состоит, например, из семи слоев, то одна из катушек будет состоять из трех слоев, другая из четырех. Если по условиям охлаждения необходимо будет сделать дополнительные каналы (как правило, достаточно одного дополнительного канала, т. е. всего будет два охлаждающих канала), то число слоев в каждой катушке также по возможности должно быть одинаковым. Сложность этого этапа расчета заключается в том, что необходимое количество охлаждающих каналов выяснится только при окончательном расчете (гл. 5). Поэтому пока целесообразно или не делать канал вообще, или (этот вариант чаще оказывается востребованным) сделать один канал. Зная общее число слоев определите число слоев одной такой катушки или наиболее широкой (большей) катушки

Далее необходимо определить радиальный размер одной такой катушки (или радиальный размер наиболее широкой катушки, если нельзя точно разделить обмотку на одинаковые катушки) по формуле:

 

, (2.39)

 

где − диаметр провода в изоляции; – число слоев одной (или наиболее широкой) катушки; – см. прил. 11.

Если охлаждения при дальнейших расчетах окажется недостаточно, то потребуется сделать дополнительные каналы и пересчитать размеры в формулах (2.38) и (2.39), а также пересчитать все дальнейшие формулы, в которых содержатся величины и , и число каналов.

Внутренний диаметр обмотки

 

(2.40)

 

где – по табл. 1.2.

Наружный диаметр обмотки

 

(2.41)

 

где – по формуле (2.40); – по формуле (2.38).

Полная охлаждающая поверхность данной обмотки НН

 

, (2.42)

 

где − число стержней или число фаз, ; − коэффициент, учитывающий увеличение числа охлаждающих поверхностей обмотки с введением канала (, если канал отсутствует (обычно на практике обмотка всегда имеет хотя бы один канал); , если один канал; , если два канала и т. д.); − коэффициент закрытия охлаждающей поверхности рейками и другими изоляционными деталями, для обмотки НН ; ; , – по формулам (2.29) и (2.30); – см. формулу (2.35).