Расчет многослойной цилиндрической обмотки ВН из прямоугольного 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. 2.12 показана обмотка, состоящая из семи 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 (2.88)), (см. формулу (2.89)) и заданное ориентировочное сечение витка (см. формулу (2.91)).

 

Очевидно, что этот тип обмотки отличается от простой (однослойной) и двухслойной цилиндрической обмотки в первую очередь большим числом слоев. В этой обмотке также не применяется намотка на ребро, поскольку добавочные потери возрастают многократно и будут превышать допустимые.

При выполнении многослойной обмотки слои соединяются последовательно.

Для данного типа обмотки число параллельных проводов не должно быть более восьми, 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. Они находятся в одинаковых зонах поля рассеяния и, следовательно, имеют одинаковое реактивное сопротивление. Поэтому по параллельным проводам протекают одинаковые токи и потери распределены равномерно, а значит, транспозиция параллельных проводов также не нужна.

Для защиты от импульсных перенапряжений в многослойных цилиндрических обмотках классом напряжения 35 кВ применяют электрические экраны (для данного курсового проекта существуют варианты обмотки ВН с таким 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. 8) подберите подходящие провода прямоугольного сечения. Подобранные размеры проводов записывают в следующем виде:

,

где – число параллельных проводов; и – размеры провода без изоляции; и – размеры провода в изоляции, которые находятся с использованием прил. 10:

 

; . (2.92)

 

Полное сечение витка обмотки из параллельных проводов

 

, (2.93)

 

где – сечение одного провода.

Таким образом, уточнено сечение витка предварительно рассчитанное по формуле (2.91).

Реальная плотность тока в обмотке

 

, (2.94)

 

где – по формуле (1.3) или (1.5); – по формуле (2.93).

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

 

, (2.95)

 

где – число параллельных проводов; – больший размер провода в изоляции (по формуле (2.92)).

Полученное значение округляется до целого числа.

Реальный осевой размер обмотки

 

, (2.96)

где – см. формулу (2.95) с учетом округления; − число параллельных проводов; − по формуле (2.92). 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 сделана ошибка.

Итак, уточнена высота обмотки ВН .

Число слоев в обмотке

 

, (2.97)

 

где – см. формулу (2.88) с учетом округления; − см. формулу (2.89) с учетом округления; – см. формулу (2.95) 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. Для получения более благоприятного вида обмотки можно, варьируя параметр провода в пределах требуемого ориентировочного сечения витка , выбрать другой провод по сортаменту так, чтобы получить целое (или почти целое) число слоев. При этом радиальный размер провода без изоляции а, в зависимости от числа параллельных проводов в радиальном направлении, не должен превышать значения указанного в прил. 10. Тогда добавочные потери не превысят допустимые 5 % от основных электрических потерь (см. гл. 3).

Рабочее напряжение двух слоев

 

, (2.98)

 

где – см. формулу (2.95) с учетом округления; – по формуле (2.4).

Реальный радиальный размер обмотки

 

. (2.99)

Здесь – меньший размер провода в изоляции (по формуле (2.92)); – по формуле (2.97); − общая толщина кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки (см. прил. 11 и формулу (2.98)); – 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.); − толщина экрана в изоляции, если трансформатор (см. свой вариант) такой мощный, что требуется дополнительно применить экран, то принять см.

Таким образом, уточнен параметр (см. формулу (1.11)).

В обмотке ВН внешняя поверхность свободно обтекается маслом и охлаждается лучше, чем внутренняя поверхность. Поэтому охлаждающий канал (как правило, канал всего один) делит обмотку на две катушки, при этом число слоев внутренней катушки составляет от 1/3 до 2/5 общего числа слоев. Например, если обмотка состоит из шести слоев, то ее можно разделить одним каналом на две катушки с двумя и четырьмя слоями в каждой (т. е. внутренняя катушка 1/3). Или если обмотка состоит, например, из пяти слоев, то ее можно одним каналом разделить на две катушки с двумя и тремя слоями в каждой (т. е. внутренняя катушка 2/5).

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 должно быть распределено таким образом, чтобы внешняя была наибольшей. Сложность этого этапа расчета заключается в том, что необходимое количество охлаждающих каналов выяснится только при окончательном расчете (гл. 5). Поэтому целесообразно пока или не делать канал вообще, или сделать один канал (последний вариант более востребован).

Зная общее число слоев определите число слоев наиболее широкой (большей) катушки Далее необходимо определить радиальный размер такой наиболее широкой катушки по формуле:

 

, (2.100)

 

где – по формуле (2.92); – число слоев наиболее широкой катушки; − см. прил. 11.

Если охлаждения при дальнейших расчетах окажется недостаточно, то потребуется сделать дополнительные каналы и пересчитать размеры в (2.99) и (2.100), а также пересчитать все дальнейшие формулы, в которых содержатся величины и , а также число каналов.

Внутренний диаметр обмотки

 

, (2.101)

 

где − по формуле (2.18), или (2.30), или (2.41), или (2.59), или (2.79), или (2.87) для соответствующего типа обмотки НН; – по табл. 1.3.

Наружный диаметр обмотки

 

, (2.102)

 

где − по формуле (2.101); − по формуле (2.99).

Полная охлаждающая поверхность данной обмотки ВН

 

, (2.103)

 

где − число стержней или число фаз, ; − коэффициент, учитывающий увеличение числа охлаждающих поверхностей обмотки с введением канала; − коэффициент закрытия охлаждающей поверхности рейками и другими изоляционными деталями; , – по формулам (2.101) и (2.102); – см. формулу (2.96).

Определение коэффициентов и входящих в формулу (2.103), для обмотки ВН несколько сложнее, чем для обмотки НН. Это связано с несколькими особенностями. Во-первых, обмотка ВН может наматываться как непосредственно на цилиндр без образования канала, так и на рейки с образованием канала. Во-вторых, крайняя поверхность всегда свободно обтекается маслом. В-третьих, охлаждающая поверхность, образованная каналом между катушками обмотки, и охлаждающая поверхность, расположенная между цилиндром и внутренней поверхностью обмотки, в любом случае имеют различные коэффициенты закрытия.

Рассмотрим несколько возможных вариантов.

I. Обмотка намотана непосредственно на цилиндр.

1. Обмотка состоит из одной катушки без каналов. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности отсутствует и не учитывается, коэффициент закрытия внешней поверхности Также отсутствует одна (внутренняя) поверхность охлаждения, поэтому можно принять (собственно, можно рассчитать еще точнее, приняв , тогда ). В результате общий

2. Обмотка состоит из двух катушек, образованных каналом. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности отсутствует и не учитывается, коэффициент закрытия внешней поверхности коэффициент закрытия поверхностей между катушками . Также отсутствует одна поверхность охлаждения (внутренняя), поэтому можно принять В результате общий .

3. Обмотка состоит из трех катушек, образованных двумя каналами. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности отсутствует и не учитывается, коэффициент закрытия внешней поверхности , коэффициенты закрытия поверхностей между катушками . Отсутствует также одна поверхность охлаждения (внутренняя), поэтому можно принять В результате общий .

II. Обмотка намотана на цилиндр через рейки.

1. Обмотка состоит из одной катушки без каналов. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности коэффициент закрытия внешней поверхности В результате общий

2. Обмотка состоит из двух катушек, образованных каналом. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности коэффициент закрытия внешней поверхности коэффициент закрытия поверхностей между катушками В результате общий ,

3. Обмотка состоит из трех катушек, образованных двумя каналами. В этом случае коэффициент закрытия внутренней поверхности коэффициент закрытия внешней поверхности коэффициенты закрытия поверхностей между катушками . В итоге общий ,

Итак, поверхность охлаждения может значительно варьироваться. Выберите какой-либо вариант, при окончательном расчете (см. гл. 5) поверхность охлаждения можно, например, увеличить.