Расчёт трансформаторов (стр. 6 )

2. Для винтовой обмотки при Uисп для НН 3кВ ставить цилиндр δ01=2,5-5мм и принимать a01 не менее 20мм.

Сухие трансформаторы устанавливаются внутри помещений, подводка линии высшего напряжения к ним осуществляется кабелем. Поэтому изоляция сухих трансформаторов испытывает коммутационные перенапряжения, но практически свободна от воздействия атмосферных перенапряжений.

Минимальные расстояния между токоведущими и заземленными частями в сухом трансформаторе (отвод ВН — отвод НН; отвод ВН — заземленная шпилька; отвод ВН— обмотка ВН; отвод ВН — стенка кожуха и т. д.) можно принять следующими: при чисто воздушном промежутке при рабочем напряжении 6 кВ 50 мм, при 10 кВ 80 мм; при наличии барьера 2 мм или покрытия той же толщины на одном из электродов — соответственно 40 и 60 мм. Допустимое расстояние по поверхности твердого диэлектрика (электроизоляционный картон, гетинакс и др., но не дерево) при рабочем напряжении 6 и 10 кВ — около 100 мм.

Глава пятая

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ

5.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОБМОТКАМ ТРАНСФОРМАТОРА

Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.

Основными эксплуатационными требованиями являются надежность, электрическая и механическая прочность и нагревостойкость как обмоток, так и других частей и всего трансформатора в целом. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать. Механическая прочность обмоток должна допускать упругие деформации, но гарантировать их от остаточных деформаций и повреждений при токах короткого замыкания, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора.

Нагрев обмоток и других частей от потерь, возникающих в трансформаторе при номинальном режиме работы, допустимых перегрузках и коротких замыканиях ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей, а также масло трансформатора к тепловому износу или разрушению в сроки более короткие, чем обычный срок службы трансформатора — 25 лет.

Общие эксплуатационные требования, предъявляемые к трансформаторам и их обмоткам, регламентированы соответствующими общесоюзными стандартами на силовые трансформаторы общего назначения, различные трансформаторы специального назначения, электрические испытания изоляции трансформаторов и т. д. Практически электрическая прочность изоляции обмоток достигается рациональной ее конструкцией, правильным выбором изоляционных промежутков и изоляционных материалов и прогрессивной технологией обработки изоляции при высокой общей культуре производства. Требование механической прочности обмотки удовлетворяется путем рациональной организации поля рассеяния, а также правильного выбора типа конструкции обмотки и расположения ее витков и катушек с таким расчетом, чтобы возникающие в этой обмотке механические силы были по возможности меньшими, а механическая стойкость возможно большей.

Для достижения необходимой нагревостойкости следует обеспечить свободную теплоотдачу в окружающую среду всего тепла, выделяющегося в обмотках при допустимых для данного класса нагревостойкости изоляции превышениях температуры обмоток над температурой окружающей среды, т. е. обеспечить достаточно большую поверхность соприкосновения обмотки с охлаждающей средой — маслом или воздухом.

Основные производственные требования к трансформатору заключаются прежде всего в технологичности его конструкции, позволяющей изготовить трансформатор с минимальными затратами труда и материалов.

Требования, предъявляемые к трансформатору в целом, в полной мере относятся к обмоткам. Задачей проектировщика является разумное сочетание интересов эксплуатации и производства. Эта задача решается в значительной мере при выборе того или иного типа обмотки. Поэтому на выбор типа обмотки, наиболее полно отвечающей требованиям эксплуатации и в то же время простой и дешевой в производстве, следует обращать особое внимание. Практические указания по этому вопросу даются в характеристиках различных типов обмоток.

В процессе расчета обмотки после выбора ее типа следует добиваться наибольшей компактности в ее размещении, распределении витков и катушек, для того чтобы получить наилучшее заполнение окна трансформатора.

Одновременно следует стремиться к получению достаточно развитой поверхности охлаждения обмотки и достаточного числа и размеров масляных (воздушных у сухого трансформатора) охлаждающих каналов в обмотках при обеспечении наименьшего гидро - и аэродинамического сопротивления для движения в них охлаждающей среды, что дает возможность уменьшить внутренний перепад температуры в обмотках и как следствие этого несколько уменьшить охлаждаемую поверхность бака трансформатора.

Потери энергии, выделяющейся в обмотках в виде тепла, должны быть полностью отведены в среду, охлаждающую трансформатор. На пути движения тепла в масляном трансформаторе существенное значение имеют два перепада температуры — между поверхностью обмотки и охлаждающим ее маслом вп. м и между поверхностью стенки бака и охлаждающим ее воздухом вб. в. Перепад во. м прямо зависит от плотности теплового потока на поверхности, т. е. от потерь в обмотке Р, отнесенных к единице ее поверхности

ПОХЛ <= Р/ПОХЛ, Вт/м2.

Перепад температуры δо. м обычно ограничивают значением 23—25 °С путем ограничения плотности теплового потока φ, что при верхнем пределе превышения средней температуры обмотки над воздухом, ограниченном по ГОСТ значением ±65°С, позволяет получить среднее превышение температуры стенки бака над воздухом не менее вб, в~35-38°С. Увеличение перепада δО, М сверх 25 °С приведет к необходимости рассчитывать охлаждаемую поверхность бака на меньший перепад температуры δб, в, т. е. к существенному увеличению размеров и массы материалов системы охлаждения трансформатора.

В сухих трансформаторах с естественным воздушным охлаждением имеются два перепада температуры — внутри обмотки В0 и на ее поверхности, охлаждаемой воздухом Вов. В сумме эти два перепада не должны быть больше значения, установленного ГОСТ для каждого класса нагревостойкости изоляции обмоток от 60 °С при классе А до 125 °С при классе Н.

5.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ДЕТАЛИ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯ

Основным элементом всех обмоток трансформаторов является виток (см. § 2.1). В зависимости от тока нагрузки виток может быть выполнен одним проводом круглого сечения, или проводом прямоугольного сечения, или, при достаточно больших токах, группой параллельных проводов круглого или, чаще, прямоугольного сечения. На рис. 5.1, а—е представлены различные варианты поперечных сечений одного витка обмотки при различных токах нагрузки. Эти варианты не являются исчерпывающими.

Рис. 5.1. Формы сечения витка обмотки при различном числе параллельных проводов

Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности, называется слоем. В некоторых типах обмоток слой может состоять из нескольких десятков или сотен витков, в других — из нескольких витков или даже из одного витка.

Отдельные витки обмотки группируются в катушки. Катушкой называется группа последовательно соединенных витков обмотки, конструктивно объединенная и отделенная от других таких же групп или от других обмоток трансформатора. Обмотка стержня может состоять из одной, двух или многих катушек. Катушка может состоять из ряда слоев или только из одного слоя витков. Число витков в катушке может быть различным — как целым, так и дробным, однако должно быть больше единицы. На рис. 5.2 представлены поперечные сечения нескольких различных типов катушек.

Для обеспечения надлежащей электрической прочности обмотки между ее витками, катушками, а также между обмоткой и другими частями трансформатора должны быть выдержаны определенные изоляционные расстояния, зависящие от рабочего напряжения и гарантирующие обмотку от пробоя изоляции, как при рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях. В этих промежутках могут быть установлены изоляционные конструкции или детали из твердого диэлектрика либо промежутки могут быть заполнены только твердым диэлектриком — кабельной бумагой, электроизоляционным картоном и т. д. или только изолирующей средой — маслом, воздухом и т. д.

Рис 5.2. Различные типы катушек:

а - катушка из шестнадцати витков; б – катушка из шести витков; в – катушка из семи витков; г – катушка из шести витков (четыре параллельных провода)

Для нормального охлаждения между обмоткой и другими частями трансформатора, между катушками, в некоторых конструкциях и между витками делают масляные или воздушные охлаждающие каналы. В одних случаях охлаждающие каналы обеспечивают одновременно и надежную изоляцию обмотки, в других — для усиления изоляции применяются специальные изоляционные детали — простые и угловые шайбы, изоляционные цилиндры, перегородки и т. д.

Во всех типах обмоток принято различать осевое и радиальное направления. Осевым считается направление, параллельное оси стержня трансформатора, на котором устанавливается данная обмотка. Радиальным считается направление любого радиуса окружности обмотки. В силовых трансформаторах с вертикальным расположением стержней осевое направление совпадает с вертикальным, а радиальное — с горизонтальным. В этом смысле принято говорить также об осевых и радиальных — вертикальных и горизонтальных — каналах обмоток.

По направлению намотки подобно резьбе винта различают обмотки правые и левые (рис. 5.3). Однослойные обмотки, имеющие в одном слое более одного витка (рис. 5.3, а), остаются левыми или правыми в зависимости от того, как они намотаны, но независимо от того, какой конец — верхний или нижний -считается входным. В обмотках, состоящих из нескольких таких слоев, с перехода ми из слоя в слой (рис. 5.3, б) направление намотки слоев будет чередоваться. Если первый (внутренний) слой левый, то все другие нечетные слои также будут левыми, а все четные — правыми. Для таких обмоток за начало при определении направления намотки обычно принимается начало первого (внутреннего) слоя и направление намотки всей обмотки считается по направлению намотки этого слоя.

Рис 5.3. обмотки левой и правой намоток:

а – цилиндрическая однослойная; б – цилиндрическая многослойная; в – одинарные катушки катушечной обмотки; г – двойные катушки катушечной обмотки.

Отдельные катушки, имеющие форму плоской спирали, будут условно считаться правыми или левыми в зависимости от того, какой конец — внутренний или наружный — считать входным, а также от того, с какой стороны на них смотреть. Нетрудно убедиться, что такая катушка «левой» намотки, изображенная на рис. 5.3, в, станет «правой», если ее повернуть к наблюдателю другой стороной. Если по технологическим соображениям обмотка составляется из таких отдельно наматываемых одинаковых катушек, то одного указания «правая» или «левая» обмотка недостаточно. В этом случае во избежание ошибок указания по направлению обмотки лучше всего давать в виде эскиза. Обычно такие катушки применяются парами (двойная катушка). При этом входными и выходными являются наружные концы, а переход из катушки в катушку производится внутри катушек (рис. 5.3, г) и направление намотки является определенным и независимым от точки наблюдения. Обмотка, составленная из любого числа последовательно соединенных двойных катушек одинаковой намотки, будет иметь то же направление намотки, что и отдельные двойные катушки. Это положение остается справедливым для непрерывных катушечных обмоток, где каждые две соседние катушки могут рассматриваться как одна двойная катушка, а также для многослойных цилиндрических катушечных обмоток, где входным обычно считают наружный слой катушки.

Правильный выбор направления намотки имеет существенное значение для получения заданной группы соединения обмоток, а в однофазных трансформаторах — также для правильного соединения частей обмоток, расположенных на разных стержнях. Большинство обмоток трансформаторов обычно выполняется левой намоткой, более удобной для обмотчика, работающего в основном правой рукой.

Обмотки масляных и сухих трансформаторов изготовляются из медных и алюминиевых обмоточных проводов, а также из медной и алюминиевой ленты или фольги. Медные и алюминиевые провода могут иметь эмалевую, хлопчатобумажную или бумажную изоляцию класса нагревостойкости А, а провода, предназначенные для обмоток сухих трансформаторов, могут также иметь изоляцию более высоких классов нагревостойкости из стекловолокна, кремнийорганического лака и т. д. Собственная изоляция провода обычно обеспечивает достаточную электрическую прочность изоляции между соседними витками.

Таблица 5.1 Номинальные значения сечения и изоляция круглого медного алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ с толщиной изоляции на две стороны 2 δ=0,30 (0,40 мм)

Диаметр, мм	Сечение, мм2	Увеличение массы, %	Диаметр, мм	Сечение, мм2	Увеличение массы, %	Диаметр, мм	Сечение, мм2	Увеличение массы, %
Марка ПБ - медь	2,00	3,14	3,0	4,00	12,55	1,5
2,12	3,53	3,0	4,10	13,2	1,5
1,18	1,094	6,0	2,24	3,94	3,0	4,25	14,2	1,5
1,25	1,23	5,5	2,36	4,375	2,5	4,50 4,75	15,9 17,7	1.5 1,5
Марка ПБ – медь Марка АПБ – алюминий	2,50	4,91	2,5	5,00	19,63	1,5
2,65	5,515	2,5	5,20	21,22	1,5
2,80	6,16	2,5
1,32	1,37	5,0	3,00	7,07	2,5	Марка АПБ - алюминий
1,40	1,51	5,0
1,50	1,77	4,5	3,15	7,795	2,0
1,60	2,015	4,0	3,35	8,81	2,0	5,30	22,06	1,5
1,70	2,27	4,0				6,00	28,26	1,5
1,80	2,545	3,5	3,55	9,895	2,0	8,00	50,24	1,0
1,90	2,805	3,5	3,75	11,05	1,5

Примечания: 1. провод марок ПБ и АПБ всех диаметров выпускается с изоляцией на две стороны толщиной 2δ=0,3 (0,40); 0,72 (0,82); 0,96 (1,06) и 1,20 (1,35) мм; провод диаметром от 2, 24мм и выше - также с изоляцией 1,68 (1,83) и 1,92 (2,07), а провод диаметром от 3,75мм и выше – также с изоляцией 2,88 (3,08); 4,08 (4,33) и 5,76 (6,11)мм.

2. Без скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.

3. Увеличение массы провода за счет изоляции дано для медного провода. Для алюминиевого провода марки АПБ данные таблицы по увеличению массы умножить на 3,3

4. Увеличение массы провода марок ПБ и АПБ с усиленной изоляцией принимать по табл. 5.4 с учетом прим.3 к табл. 5.1

5. Провод марок ПСД и ПСДК выпускается в пределах диаметров от 1,18 до 5,0 мм и провод марок АПСД и АПСДК – от 1,32 до 5,0 мм.

6. Толщина изоляции провода марок ПСД, ПСДК, АПСД и АПСДК при диаметрах до 2,12мм 2δ=0,29мм (в расчете принимать 0,3мм) при диаметрах от 2,24 до 5,0мм. 2δ=0,35-0,38мм (в расчете принимать 0,40мм)

7. Для провода марок ПСД и ПСДК данные таблицы по увеличению массы умножить на 1,75 для диаметров от 1,18 до 2,12 мм и на 2,1 для диаметров от 2,24 мм и выше. Для алюминиевого провода марок АПСД и АПСДК учитывать прим.3.

Таблица 5.2 Номинальные размеры и сечения медного и алюминиевого обмоточного провода марок ПБ и АПБ (размеры а и б - в мм, сечение – в мм2)

Медный провод марки ПБ – все размеры таблицы, за исключением проводов с размером b 17 и 18мм

Алюминиевый провод марки АПБ – все размеры таблицы вправо вверх от жирной черты.

a b	1,40	1,50	1,60	1,70	1,80	1,90	2,00	2,12	2,24	2,36	2,50	2,65	2,80	3,00	3,15	3,35	3,55	3,75	4,00	4,25	4,50	4,75	5,00	5,30	5,60	a/b
3,75	5,04	-	5,79	-	6,39	-	7,14	-	8,04	-	8,83	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,75
4,00	5,39	5.79	6,19	6,44	6,84	7,24	7,64	8,12	8,60	8,89	9,45	10,1	10,7	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,00
4,23	5,74	-	6,59	-	7,29	-	8,14	-	9,16	-	10,1	-	11,4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,25
4,50	6,09	6,54	6,99	7,29	7,74	8,19	8,64	9,18	9,72	10,1	10,7	11,4	12,1	13,0	13,6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,50
4,75	6,44	-	7,39	-	8,19	-	9,14	-	10,3	-	11,3	-	12.8	-	14,4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,75
5,00	6,79	7,29	7,79	8,14	8,64	9,14	9,64	10,2	10,8	11,3	12,0	12,7	13,5	11,5	15,2	16,2	17,2	-	-	-	-	-	-	-	-	5,00
5,30	7,21	-	8,27	-	9,18	-	10,2	-	11,5	-	12,7	-	14,3	-	16,2	-	18,3	-	-	-	-	-	-	-	-	5,30
5,60	7,63	8,19	8,75	9,16	9,72	10,3	10,8	11,5	12,2	12,7	13,5	14,3	15,1	16,3	17,1	18,2	19,3	20,1	21,5	-	-	-	-	-	-	5,60
6,00	8,19	-	9,39	-	10,4	-	11,6	-	13,1	-	14,5	-	16,3	-	18,4	-	20,8	-	23,1	-	-	-	-	-	-	6,00
6,30	8,61	9,24	9,87	10,4	11,0	11,6	12,2	13,0	13,8	14,3	15,2	16,2	17,1	18,4	19,3	20,6	21,8	22,8	24,3	35,9	27,5	-	-	-	-	6,30
6,70	9,17	-	10,5	-	11,7	-	13,0	-	14,7	-	16,2	-	18,2	-	20,6	-	23,2	-	25,9	-	29,3	-	-	-	-	6,70
7,10	9,73	10,4	11,2	11,7	12,4	13,1	13,8	14,7	15,5	16,2	17,2	18,3	19,3	20,8	21,8	23,2	24,7	25,8	27,5	29,3	31,1	32,9	34,6	-	-	7,10
7,50	10,3	-	11,8	-	13,1	-	14,6	-	16,4	-	18,2	-	20,5	-	23,1	-	26,1	-	29,1	-	32,9	-	36,6	-	-	7,50
8,00	11,0	11,8	12,6	13,2	14,0	14,8	15,6	16,6	17,6	18,3	19,5	20,7	21,9	23,5	24,7	26,3	27,9	29,1	31,1	33,1	35,1	37,1	39,2	41,5	43,9	8,00
8,50	11,7	-	13,4	-	14,9	-	16,6	-	18,7	-	20,7	-	23,3	-	26,2	-	29,6	-	33,1	-	37,4	-	41,6	-	46,7	8,50
9,00	12,4	13,3	14,2	14,9	15,8	16,7	17,6	18,7	19,8	20,7	22,0	23,3	24,7	26,5	27,8	29,6	31,4	32,9	35,1	37,4	39,6	41,9	44,1	46,8	49,5	9,00
9,50	13,1	-	15,0	-	16,7	-	18,6	-	20,9	-	23,2	-	26,1	-	29,4	-	33,2	-	37,1	-	41,9	-	46,6	-	52,1	9,50
10,00	13,8	14,8	15,8	16,6	17,6	18,6	19,6	20,8	22,0	23,1	24,5	26,0	27,5	29,5	31,0	33,0	35,0	36,6	39,1	41,6	44,1	46,6	49,1	52,1	55,1	10,00
10,60	14,6	-	16,8	-	18,7	-	20,8	-	23,4	-	26,0	-	29,1	-	32,8		37,1	-	41,5	-	46,8	-	52,1	-	58,5	10,60
11,20	15,5	16,6	17,7	18,7	19,8	20,9	22,0	23,4	24,7	23,9	27,5	29,1	30,8	33,1	34,7	37,0	39,2	41,4	43,9	46,7	49,5	52,3	55,1	58,5	61,9	11,20
11,80	-	-	18,7	-	20,9	-	23,2	-	26,1	-	29,0	-	32,5	-	36,6	-	41,3	-	46,3	-	52,2	-	58,1	-	65,2	11,80
12,50	-	18,5	19,8	20,9	22,1	23,4	24,6	26,1	27,6	29,0	30,7	32,6	34,5	37,0	38,8	41,3	43,8	46,0	49,1	52,3	55,4	58,5	61,6	65,4	69,1	12,50
13,29	-	-	-	-	23,4	-	26,0	-	29,2	-	32,5	-	36,4	-	41,0	-	46,3	-	51,9	-	58,5	-	65,1	-	73,1	13,20
14,00	-	-	-	-	24,8	26,2	27,6	29,3	31,0	32,5	34,5	36,6	38,7	41,5	43,6	45,4	49,2	52,0	55,1	58,6	62,1	65,6	69,1	73,3	77,5	14,00
15,00	-	-	-	-	-	-	29,6	-	33,2	-	37,0	-	41,5	-	43,7	-	52,7	-	59,1	-	66,6	-	74,1	-	83,1	15,00
16,00	-	-	-	-	-	-	31,6	33,6	35,5	37,2	39,5	41,9	44,3	47,5	49,9	53,1	56,3	59,1	63,1	67,1	71,1	75,1	79,1	83,9	88,7	16,00
17,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	47,2	-	53,2	-	59,4	-	67,1	-	75,6	-	84,1	-	94,3	17,00
18,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	53,1	55,8	59,4	63,0	66,6	71,1	75,6	80,1	84,6	89,1	94,5	99,9	18,00

Медный и алюминиевый обмоточный провод марок ПБ и АПБ, изолированный лентами кабельной бумаги класса нагревостойкости А (105°С), выпускается в соответствии с ГОСТ . Медный провод круглого сечения марки ПБ имеет диаметры проволоки от 1,18 до 5,20 мм с номинальной толщиной изоляции на две стороны от 0,30 до 5,76 мм при площади поперечного сечения от 1,094 до 21,22 мм2. Сортамент медного круглого провода приведен в табл. 5.1,