РАСЧЁТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА
3.1. Выбор типа обмоток ВН и НН
Выбор типа обмоток трансформатора производится с учетом эксплуатационных и производственных требований, предъявляемых к трансформаторам [13]. Предварительно следует определить ЭДС одного виткаUв, среднюю плотность тока в обмотках Δср А/м и площадь сечения витка П, м . ЭДС витка, В, , (3.1) где Пс - площадь активного сечения стержня, т.е. чистое сечение стали, м . Площадь сечения Пс можно определить через коэффициенты кз и ккр, воспользовавшись рекомендациями п.2.4 (кз = 0.95…0.96) и данным таблицы 2.2 или 2.3:
(3.2) Однако в случае масляных трансформаторов предпочтительней определить Пс через коэффициент заполнения кз и площадь сечения фигуры стержня Пф.с, взятую из табл. 3.1, где Пф.я – площадь сечения фигуры ярма:
(3.3) Таблица 3.1 Площади сечения стержня и ярма
Средняя плотность тока в обмотках определяется из условия получения заданных потерь короткого замыкания, : для алюминия ,
для меди (7.6)
,
где - коэффициент, определяющий долю электрических потерь в обмотке от потерь короткого замыкания, < 1 (табл. 3.2); - номинальная мощность, В·А - из выражения (2.5), м.
Таблица 3.2 Значения для трёхфазных масляных трансформаторов
Во избежание грубых ошибок расчётные значения следует сверить с табл. 3.3, где приведены ориентировочные значения плотностей тока в обмотках современных трансформаторов. Таблица 3.3 Средняя плотность тока в обмотках
а. Масляные трансформаторы
б. Сухие трансформаторы
Площади сечения витков обмоток НН и ВН, : ; .
Затем с помощью табл. 3.4 можно установить типы обмоток НН и ВН масляных трансформаторов, стремясь к применение одно-, двух- и многослойных цилиндрических обмоток как наиболее простых и дешевых в изготовлении. Если по табл. 3.4 проходит цилиндрическая обмотка, то сразу же следует определить число цилиндрических поверхностей соприкосновения такой обмотки с маслом исходя из допустимой плотности теплового потока, , , (3.5) откуда, полагая = [ ], можно определить округлив его до ближайшего целого числа; с = m в случае трехстержневого трансформатора; - площадь поверхности цилиадра, м2; 0,75 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности рейками; . Число поверхностей соприкосновения цилиндрической обмотки с маслом определяет конструктивную схему такой обмотки. Так, при обмотку следует наматывать непосредственно на изоляционный цилиндр; при = 2 на данный цилиндр перед намоткой следует наложить рейки, при = 3 обмотку следует наматывать непосредственно на цилиндр, но внутри предусмотреть осевой охлаждающий канал, образованный рейками и разделяющий обмотку на две концентрические катушки - внутреннюю и наружную. При = 4 должны быть рейки на цилиндре и внутри обмотки. При > 4 изготовление цилиндрической обмотки существенно усложняется, т.к. требуется два и более осевых канала внутри обмотки, и целесообразно применять другие типы обмоток (винтовые, катушечные), обладающие развитыми поверхностями охлаждения. При выборе типа обмоток для сухого трансформатора можно пользоваться табл. 3.4 с уменьшением наибольшего предела применения по току на один стержень на 30...35 %, а напряжение обмоток не должно быть более 15 кВ.
3.2. Расчет обмоток
После выбора типа обмоток необходимо ознакомиться с особенностями их конструкция и выполнить расчет обмоток.
Таблица 3.4 Пределы применения различных типов обмоток масляных трансформаторов
3.2.1. Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода
Эту обмотку чаще всего применяют как обмотку НН в трансформаторах мощностью до 630 кВ·А и выполняют в один, два и иногда три слоя. Витки наматываются по винтовой линии впритык друг к другу. Вертикальные (осевые) каналы между слоями или между обмоткой и изоляционным цилиндром, если они предусмотрены, в обмотках с напряжением меньше 35 кВ образуют с помощью деревянных реек шириной до 0.015 м, к которым с обеих сторон приклеены полоски из электрокартона толщиной 0.0005 м. Число реек в трансформаторах мощностью до 100 кВ·А - 6, в трансформаторах мощностью от 100 до 630 кВ·А - 8. Минимальные размеры вертикальных охлаждающих каналов зависят от высоты обмотки и для масляных трансформаторов приведены в табл. 3.5, а для сухих - в табл. 3.6.
Таблица 3.5 Минимальные размеры охлаждающих каналов в обмотках масляных трансформаторов
Таблица 3.6 Размеры каналов в сухих трансформаторах
Намотка провода может производиться на ребро или плашмя. При намотке на ребро увеличиваются добавочные потери в обмотках. Поэтому рекомендуется избегать данного способа, а в случае применения употреблять провод с соотношением сторон поперечного сечения 1.3< <3. Обмотка может наматываться пучком параллельных проводов с одинаковыми радиальными размерами и расположенных один за другим в осевом направлении. Допускается применение параллельных проводов различных сечений, но не более двух сечений. Число параллельных проводов не более 4...6 при намотке плашмя и 6...8 при намотке на ребро. Для выравнивания винтовой поверхности крайних витков к ним каперной лентой прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые клинообразные кольца, которые придают обмотке форму цилиндра и создают торцовую опорную поверхность обмотки. Расчет обмотки начинают с определения числа витков , которое округляют до ближайшего целого числа. Здесь - фазное напряжение, - ЭДС одного витка по (3.1). После округления уточняют ЭДС одного витка и индукцию в стержне: , . После нахождения числа поверхностей (3.5) однозначно определяют число слоев , число витков в сдое , и ориентировочный осевой размер витка . При = I...2 =1, при = 3...4 = 2. Число витков в слое .
Ориентировочный осевой размер витка, , м,
,
где - высота обмотки, равная из выражения (2.6). Ориентировочная площадь сечения витка, м2,
Зная высоту витка и площадь его сечения, по приложению 1 подбираем размеры провода. Вначале просматривается возможность выполнения витка одним проводом. Если нет провода требуемой площади сечения , или не удовлетворяется размер , то принимают виток из нескольких параллельных проводов ПЛ|Н при уклад- ке их плашмя (рис. 3.1, а). Принимают =2…3 и определяют площадь сечения параллельного провода:
и высоту провода
По значению и согласно приложению 1 выбирают провод. Если не удается подобрать провод, то увеличивает число параллельных проводов до 4…6или располагают их на ребро (рис. 3.1,6); в последнем случае может быть 6...8; при намотке на ребро необходимо выполнять условие 1.3< <3.
Подобранные размеры проводов записывают так:
полная площадь сечения витка . Далее уточняем плотность тока (3.6) и осевой размер обмотки .
Радиальный размер обмотки
(3.7)
где - радиальный канал между слоями (обмотка-обмотка) – см. табл. 3.5 и 3.6 Далее определяют массу металла обмотки, кг: где - число активных стержней обмотки, ; - внутренний диаметр обмотки,
- наружный диаметр обмотки, ;
- площадь сечения витка, ; - плотность материала обмоточного провода, , для алюминиевого провода , для медного провода .
Расчёт основных электрических потерь в обмотке и коэффициента добавочных потерь представлен в выражениях (4.1), (4.3)… (4.6). Действительная плотность теплового потока на поверхности обмотки, , (3.8) Здесь - поверхность охлаждения, : - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками, .
3.2.2. Многослойные цилиндрические обмотки из круглого провода
Эту обмотку широко применяют для НН и ВН в трансформаторах мощностью до 630 кВ·А. Для предохранения обмотки от разряда между соседними слоями по ее торцевой поверхности высота межслойной изоляции 2 (рис. 3.2) делается обычно большей, чем высота обмотки, на 0.02...0.05 м, в зависимости от испытательного напряжения. Выравнивание высоты слоя обмотки с высотой междуслойной изоляции и создание твердой опорной поверхности обмотки осуществляется путем прикрепления к каждому слою так называемых бортиков 5 (свернутых в кольцо полосок из электрокартона) толщиной, равной толщине слоя. В обмотках с напряжением 35· В для сглаживания неравномерного распределения напряжений при импульсахрезультаты даёт металлический экран (рис. 3.2) из латунного или медного листа толщиной (0.4...0.5)· м, свёрнутый в виде разрезанного цилиндра. Экран от первого (внутреннего) слоя обмотки изолируется; толщина изоляции равняется толщине междуслойной изоляции. При наличии экрана ввод линейного конца делается к внутреннему слою обмотки, экран электрически соединяется с началом обмотки, и в этом случае отпадает необходимость усиления изоляции входных катушек. Расчет обмотки ВН начинают с определения числа витков, необходимого для получения номинального напряжения, , которое округляется до ближайшего целого числа. Полное число витков обмотки , здесь - число регулировочных витков на одну ступень регулирования, , округляется до ближайшего целого числа. Распределение витков по ступеням: верхняя ступень с пределом регулирования + 5 % - ; верхняя ступень с пределом регулирования + 2,5 % - ; ступень при номинальном напряжении - нижняя ступень с пределом регулирования - 2,5 % - ; нижняя ступень с пределом регулирования - 5 % - ; Далее определяют ориентировочную площадь сечения витка, , , где - предварительная плотность тока, , ; - действительная плотность тока в обмотке НН (3.6). По сортаменту обмоточного провода (приложение 2) подбираем провод с диаметром неизолированного провода а диаметром изолированного провода . Если не удается подобрать провод нужного сечения, то принимают 2-3 параллельных провода =2...3, находят площадь сечения параллельного провода; и для него по приложению 2 подбирают провод, который записывают следующим образом: Марка провода . Полная площадь сечения витка . Действительная плотность тока . Число витков в одном слое , где - высота обмотки ВН, , , Полное число слоев в обмотке , округляется до ближайшего большего числа.
Рабочее напряжение двух слоев .
По величине этого напряжения из табл. 3.7 находим число слоев кабельной бумаги и общую толщину междуслойнои изоляции , , × число слоёв кабельной бумаги. В многослойной обмотке при прохождении теплового потока через ее толщу возникает значительный внутренний перепад температуры, для снижения которого уменьшает радиальный размер обмотки. Для этой цели обмотку подразделяют на две катушки с осевым каналом между ними. Число слоев внешней катушки обычно находится в пределах от 2/3 до 3/5 общего числа сдоев. Планки, образующие канал между катушками в обмотках с рабочим напряжением (6…10)·103 В - могут быть деревянными, при напряжении 35·103 В - целиком из электрокартона. Размеры канала (рис. 3.2) выбирает по табл. 3.5, а размеры и количество планок - так же, как в цилиндрической обмотке из прямоугольного провода. Радиальный размер обмотки с каналом между слоями
. (3.9)
Внутренний диаметр обмотки .
Наружный диаметр обмотки . В обмотках класса напряжения 35·103 В под внутреннем слоем обмотки устанавливает металлический экран - не замкнутый цилиндр латунного листа толщиной который изолируется с обеих сторон. При наличии экрана радиальный размер обмотки .
Внутренний диаметр обмотки . Наружный диаметр обмотки .
Таблица 3.7 Нормальная междуслойная изоляция в многослойных цилиндрических обмотках
При определении индуктивного сопротивления обмоток или реактивной составляющей напряжения короткого замыкания приведенный канал рассеяния для обмотки с экраном , (3.10) где , принимают из табл. 2.7 для - из выражения (3.9), т.е. без учета экрана, который учтен в размере .
Расчет основных электрических потерь в обмотке и коэффициента добавочных потерь представлен в выражениях (4.2)... (4.6). Действительная плотность теплового потока на поверхности обмотки , где - поверхность охлаждения, , , - число поверхностей соприкосновения обмотки с маслом; = 3, если внутренняя часть обмотки наматывается на изоляционный цилиндр; = 4 при намотке внутренней части на рейки; в обоих случаях внутри обмотки предусмотрен канал (обмотка-обмотка) – рис. 3.2 и табл. 3.6; - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками, 0.75; - средний диаметр обмотки,
3.2.3. Винтовая обмотка
Эту обмотку применяет как обмотку НН в трансформаторах мощность 100 кВ·А и выше при больших токах (600...800 А и выше). Сечение каждого витка (рис. 3.3) состоит из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения в количестве от 6 до 100 штук. Провода располагается плашмя в радиальном направлении. При выборе числа параллельных проводов следует исходить из того, чтобы радиальный размер одного провода для алюминиевой обмотки не превышал 3,8· м, а для медной - 3· м, (в противном случае резко возрастают добавочные потери в проводе). Винтовая обмотка может выполняться одним пупсом одинаковых параллельных проводов (одноходовая) либо несколькими пучками проводов (многоходовая обмотка). Винтовую обмотку наматывают на жесткий бумажно-бакелитовый изоляционный цилиндр. Предварительно на цилиндр накладывают рейки 6 (рис. 3.3) из древесины или склеенных полосок элекарокартона. Число реек, образующих вертикальные каналы, выбирают в зависимости от мощности трансформатора: от 100 до 630 кВ·А - 8 реек, от 1000 до. 2500 кВ·А - 8...10 реек и от 4000 до 6300 кВ·А - 10...12 реек, при больших мощностях - 12...24 рейки. Горизонтальные каналы между витками (катушками) образуют прокладками 3 из нескольких листов спрессованного электрокартона толщиной (0,5...3)· м. Ширину прокладки проверяют в дальнейшем по механической прочности, а затем по этой ширине согласно рис. 3.3 устанавливают ширину реек. Длину прокладки внутренней обмотки (обмотки НН) выбирают до расположенного снаружи изоляционного цилиндра 2, служащего основанием для обмотки ВН, причем углы прокладок, упирающихся в данный цилиндр, необходимо скруглять. В трансформаторах большой мощности (1000 кВ·А и выше) применяется дополнительное крепление прокладок при помощи наружных реек 4. Эта "прошивка" наружных концов прокладок препятствует их смещению в горизонтальной плоскости и повышает стойкость обмоток по отношению к механическим усилиям при коротком замыкании. Кроме того, в этих трансформаторах для уменьшения осевых сдвигающих усилий при отключении регулировочных витков (катушек) обмотки ВН необходимо выполнить разгон витков (катушек) обмотки НН в зоне регулирования (в середине обмотки) увеличением, двух-трех горизонтальных каналов до0.015…0.02 м. Разгон необходимо учитывать при определении высоты обмотки.
Рис. 3.3. Размеры вертикальных реек и горизонтальных прокладок; 1 - обмотка НН; 2 - изоляционный цилиндр обмотки ВН; 3 - горизонтальная прокладка; 4 - наружная вертикальная рейка для дополнительного крепления прокладок; 5 - изоляционный цилиндр обмотки НН; 6 -вертикальная рейка
Число витков в обмотке округляют до ближайшего числа и уточняют ЭДС одного большего витка: . Выбор числа ходов обмотки зависит от осевого размера (высоты) одного витка. Вначале принимают одноходовую обмотку с тремя транспозициями и находят высоту витка: , где - осевой размер масляного охлаждающего канала между витками, ориентировочно =0,004…0,006 м. Если не превышает 0,0185 мдля алюминиевого провода и 0.015 м для медного провода, то применяют одноходовую обмотку, где число ходов .В этом случае, когда 0.035…0.04 м ≥ >0.015 (или 0.0185) м, принимают двухходовую обмотку с равномерно-распределенной транспозицией (рис. 3.4,6). Высоту витка в этом случае находят из выражения . При высоте витка > 0.045 м применяет четырехходовую обмотку с числом ходов (рис. 3.4,г). Эта обмотка чаще всего встречается в трансформаторах мощностью до 1.600 кВ·А инапряжении обмотки НН до 400 В. Площадь сечения витка .
Рис. 3.4. Осевые размеры витка винтовой обмотки: а) одноходовой; б) двухходовой с каналом между двумя группами проводов; в) двухходовой без канала; г) четырехходовой с каналами между всеми группами проводов В одноходовой обмотке , высота провода с изоляцией ; в двухходовой обмотке , ; в четырехходовой обмотке , Принимают вначале произвольное число параллельных проводов например от 10 до 40, и находят площадь сечения одного провода: . Зная и высоту провода м (тип винтовой обмотки предварительно выбран), по приложению 1 выбирают размер прямоугольного провода так, чтобы радиальный размер провода лежал в пределах (1.81…3.8) · м. Если > 3.8· м, то необходимо увеличить число параллельных проводов, а если > 1.81· м, то уменьшить . Подобранные размеры провода записывают: Марка провода . Далее определяют осевой размер обмотки с каналами между всеми катушками (между всеми группами проводов): для одноходовой обмотки без разгона катушек ; (3.11) для двухходовой обмотки с разгоном катушек ; для четырехходовой обмотки с разгоном катушек . (3.12) - коэффициент, учитывающий усадку междукатушечных прокладок, - число разгонов катушек НН, - высота канала в местах разгона, Требуемую высоту можно подкорректировать высотой канала , которая может быть равна (4; 4,5; 5; 5,5; 6; 6,5;7) · м, или высотой канала в местах разгона . Минимально допустимые размеры высот горизонтальных каналов приведены в табл. 3.5 и 3.6 в зависимости от радиального размера обмотки . Радиальный размер обмотки , (3.13) где должно быть целым числом; в противном случае уточняют , площадь сечения витка
и плотность тока в обмотке . Плотность теплового потока:
для обмотки из алюминиевого провода , (3.14) для обмотки аз медного провода , где - коэффициент закрытия поверхности обмотки, ; - коэффициент добавочных потерь; расчет его приводится в выражениях (4.3)…(4.6). Плотность теплового потока для масляных трансформаторов должна находиться в пределах 500...800 Вт/м2. При ≤ 300...400 Вт/м2 можно применить сдвоенные витки или группы проводов. В этом случае горизонтальный канал между этими витками или группами проводов заменяют прокладкой (шайбой) толщиной . Чтобы сохранить высоту обмотки неизменной (
|