Выбор конструкции и определение параметров магнитной системы (стр. 2 )

Ответственным этапом в проектировании трансформатора является выбор материала обмоток, в качестве которого может применяться медный или алюминиевый обмоточный провод. Основные физические свойства и цена обмоточных проводов (марок ПБ и АПБ) приведены в табл. 2.6.

Материал провода влияет на выбор плотности тока в обмотках, предварительное значение которой необходимо задать для определения начальной геометрии обмоточной системы. Для алюминиевых проводов плотность тока задается 1-2 А/мм2, для медных – 2-3,5 А/мм2. Причем в подсистеме предусмотрена возможность проектирования трансформаторов с обмотками из разных проводов, хотя традиционно в двухобмоточных трансформаторах этого класса для обеих обмоток применяется одноименный провод.

Таблица 2.5

Мощность трансформатора, кВ-А	Испытательное напряжение, кВ	Изоляционное расстояние, мм
	Обмотка НН
100—250	5		4
400—630	5		5
1000—2500	5		15
2500—6300	18, 25		17,5
6300 и выше	35		20
	Обмотка ВН
100—630	18, 25, 35	9	8	30 '
1000—6300	18, 25, 35, 45	20	18	50
630 и выше	55	20	20	50
160—630	85	27	20	75
1000—10000	85	27	30	75

Примечание. Изоляционные расстояния Лв. к и hH.K определяются по испытательному напряжению обмотки ВН и принимаются одинаковыми для обеих обмоток. Толщина изоляционных цилиндров между стержнем и обмоткой НН, а также между обмотками обычно равна 3-4 мм.

Таблица 2.6

Металл	Удельное сопротивление, , при =75°С	Плотность, кг/м3	Предел прочности на разрыв, МПа	Цена (средняя), руб/кг
Медь	0,0214	8900	240	1,32
Алюминий	0,0342	2720	80-90	1,15

Заданных параметров достаточно для определения внешней геометрии обмоточной системы, что обеспечивается в итерационном цикле, состоящем из ряда рассматриваемых ниже этапов. Назначение этого процесса состоит в определении основных геометрических размеров обмоток и их предварительного внутреннего строения, при которых должны обеспечиваться следующие условия: равновысокость обмоток; заданное напряжение короткого замыкания с точностью ±5%; допускаемые тепловые состояния обмоток.

1. Устанавливаются начальные значения для ряда переменных величин. Считается, что обмотки НН и ВН имеют конструктивное исполнение в виде многослойного (однослойного) концентра без вертикальных каналов. Для запуска итерационного процесса принимается начальное значение ширины обмотки НН, например =40 мм. Затем это значение уточняется.

2. Рассчитывается сечение витков обмоток НН и ВН (мм2):

где- принятые плотности токов.

3. Определяется высота обмоток (мм):

где - число витков обмотки НН; и - суммарные величины вертикальных и горизонтальных охлаждающих каналов в обмотке НН (для начального этапа принимаются равными нулю) соответственно;- толщина межслоевой изоляции; коэффициенты в числителе учитывают толщину изоляции, неплотность намотки, усадку изоляции и т. д.

4. Определяется ширина обмотки ВН (мм):

где и - суммарные величины вертикальных и горизонтальных охлаждающих каналов в обмотке ВН (для начального этапа принимаются равными нулю) соответственно;- толщина межслоевой изоляции.

Значения и рассчитываются по эмпирическим формулам

, .

В том случае, если одно из значений или получается отрицательным, принимается .

5. Рассчитывается напряжение короткого замыкания (%):

Рис. 2.8. Схема вычислительного итерационного процесса определения геометрии обмоточной системы

где - частота сети; - средний диаметр канала рассеяния, мм; - ширина приведенного канала рассеяния, мм;- коэффициент Роговского; Ев - ЭДС витка; коэффициент 1,02 учитывает дополнительное рассеяние.

После определения напряжения короткого замыкания осуществляются его двусторонняя проверка (рис. 2.8) и регулирование за счет изменения . Количество итераций при этом не превышает 2-5.

6. Производится выбор типа обмотки НН.

Эта проектная операция может выполняться пользователем самостоятельно или автоматически. В подсистеме предусмотрены расчет и раскладка следующих типов обмоток: НН - винтовая, непрерывная и цилиндрическая; ВН - непрерывная и цилиндриче екая.

Винтовой тип обмотки применяется при больших значениях тока в обмотке и небольшом числе витков, что имеет место при напряжении от 0,23 до 6,3 кВ. Наличие масляных каналов между соседними витками обеспечивает необходимый тепловой режим обмотки этого типа.

Непрерывная обмотка может применяться в широком диапазоне мощностей и напряжений. Однако при малом числе витком в обмотке НН (меньше 100-120) применение непрерывного типа обмотки становится или неоправданным, или невозможным. Достоинством непрерывной обмотки является высокая механическая прочность и удобство выполнения регулировочных ответвлений; недостатком - повышенная сложность изготовления.

Цилиндрическая обмотка находит применение в качестве обмоток НН и ВН трансформаторов мощностью до, классов напряжениякВ. В производстве при намотке на обмоточном станке цилиндрическая обмотка является самой простой и дешевой, но имеет меньшую поверхность охлаждения по сравнению с другими типами обмоток.

Подробные рекомендации по выбору типов обмоток при проектировании трансформаторов приводятся в учебном пособии [7].

На практике обычно обе обмотки трансформатора (НН и ВН) изготовляют или катушечными, к которым относятся винтовой и непрерывный типы обмоток, или цилиндрическими. Такой подход применяется и в рассматриваемой подсистеме. После выбора типа обмотки НН рассчитывается превышение ее температуры над воздухом. Если выбор типа обмотки производится автоматически, то расчет, как отмечалось выше, начинается с наиболее технологичной цилиндрической обмотки без вертикального охлаждающего канала. Для этого случая превышение температуры обмотки НН (°С)

(2.3)

где - тепловой поток обмотки НН; - превышение температуры верхних слоев масла (принимается = 60°С); и - внутренний и наружный вертикальные охлаждающие каналы (5 и 10 мм соответственно); коэффициент 1,3 учитывает добавочные потери в обмотке и закрытие обмотки рейками; коэффициент 6 приближенно учитывает перепад температур в изоляции обмотки и обеспечивает дополнительный запас тепловой прочности; - основные потери короткого замыкания, Вт.

Значения удельной плотности материала у и коэффициента k\ зависят от материала обмоточного провода (табл. 2.6 и 2.7).

Таблица 2.7

Материал
Медь	2,4	21	84	1,39	9,04
Алюминий	12,75	34,3	25,41	1,45	3,492

Затем рассчитывается превышение средней температуры обмотки над воздухом, где - превышение температуры масла над воздухом, которое на этом этапе задается. Если >65° (значение 65°С устанавливается по ГОСТ 11677—75), то необходимо изменить конструкцию обмотки, введя Вертикальный или горизонтальные каналы. В первом случае тип обмотки не изменяется, однако ее охлаждающая поверхность увеличивается вдвое. Расчетная формула в этом случае имеет вид (2.3), но в ней основные потери короткого замыкания и ширина обмотки уменьшаются в два раза.

Выбор горизонтальных охлаждающих каналов эквивалентен переходу к катушечному типу обмотки. Суммарная высота горизонтальных каналов в этой обмотке принимается равной , число катушек (знаменатель представляет собой сумму средней высоты провода и средней высоты прилегающего горизонтального канала), а число витков в катушке . Если , то считается, что обмотка непрерывная, в противном случае - винтовая. Превышение температуры над маслом для катушечной обмотки (°С) будет

Где - тепловой поток обмотки; = 3 мм - минимальная высота горизонтального охлаждающего канала; и принимаются соответственно 5 и 10 мм; коэффициент 1,5 учитывает закрытие обмотки прокладками и добавочные потери в обмотке; k2 — коэффициент, зависящий от материала обмотки (см. табл. 2.7); для винтовой обмотки, для непрерывной обмотки (знаком INT обозначена целая часть).[1]

7. После проверки теплового состояния обмотки НН и обеспечения для нее допустимого превышения температуры аналогичный процесс начинается для обмотки ВН. При этом для цилиндрической обмотки без канала (°С), для катушечной обмотки (°С) . Итерационный процесс по геометрическим размерам обмоток и их конструктивным исполнениям заканчивается, когда превышения температур будут иметь допустимые значения. При этом автоматически удовлетворяются условия по напряжению короткого замыкания и равенству высот обмоток. В ряде случаев при большом значении заданной плотности тока, когда обеспечение нормального теплового состояния обмотки оказывается невозможным, выдается рекомендация об уменьшении плотности тока.

Определение геометрии обмоточной системы иллюстрирует фрагмент диалога.

1.3. определение геометрии обмоточной системы

Задайте напряжение к. з., на которое проектируете трансформатор в %

UK - ? 7.6

ЗАДАЙТЕ ГЛАВНЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ РАССТОЯНИЯ:

А01 - ? 17.5

А12 - ? 27.5

А22 - ? 30

Н ВЕРХ = ? 105

Н НИЗ - ? 60

ЗАДАЙТЕ МАТЕРИАЛ ОБМОТКИ НН (МЕДЬ - 1, АЛЮМИНИЙ —2) -? 2

ЗАДАЙТЕ ПЛОТНОСТЬ ТОКА В ОБМОТКЕ НН DEL1 - ?. 1.81

ЗАДАЙТЕ МАТЕРИАЛ ОБМОТКИ ВН (МЕДЬ—1, АЛЮМИНИЙ-2) -? 2

ЗАДАЙТЕ ПЛОТНОСТЬ ТОКА В ОБМОТКЕ ВН DEL2 = 9 1.75

ЗАДЕРЖКА СВЯЗАНА С ПОДКЛЮЧЕНИЕМ МОДУЛЯ РАСЧЕТА

БУДЕТЕ ЗАДАВАТЬ ТИП ОБМОТКИ (ДА, НЕТ)

? ДА

ЗАДАЙТЕ ТИП ОБМОТКИ НН

ОТВЕТ —1, 2, 3. 1— НЕПРЕРЫВНАЯ, 2 - ВИНТОВАЯ, 3 — СЛОЕВАЯ

? 3

ЗАДАЙТЕ ТИП ОБМОТКИ ВН

ОТВЕТ-1, 2, 3. 1—НЕПРЕРЫВНАЯ, 2 - ВИНТОВАЯ, 3 - СЛОЕВАЯ

? 3

В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСЧЕТА ПОЛУЧАЕМ

ПЕРЕГРЕВ ОБМОТКИ НН БОЛЬШЕ ДОПУСТИМОГО

ВВЕДИТЕ ШИРИНУ КАНАЛА - ? 10

ТАКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОБМОТКИ НН (СЛОЕВАЯ) ОБЕСПЕЧИВАЕТ НЕОБХОДИМЫЙ ОТВОД ТЕПЛА.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВН ТАКЖЕ НАЧНЕМ БЕЗ КАНАЛОВ

В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСЧЕТА ПОЛУЧАЕМ

ПЕРЕГРЕВ ОБМОТКИ ВН БОЛЬШЕ ДОПУСТИМОГО

ВВЕДИТЕ ШИРИНУ КАНАЛА? 10

ТАКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОБМОТКИ ВН (СЛОЕВАЯ)

ОБЕСПЕЧИВАЕТ НЕОБХОДИМЫЙ ОТВОД ТЕПЛА

ИТЕРАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ОБМОТОК, УДОВЛЕТВОРЯЮЩИЙ ЗАДАННОМУ UK, ДОПУСТИМЫМ ПЕРЕГРЕВ. И УСЛОВИЮ HI=Н2. ЗАКОНЧЕН

БУДЕТЕ ПЕЧАТАТЬ ФОРМУЛЯР (ДА, НЕТ)

? НЕТ

БУДЕТЕ ПРОВОДИТЬ ОПТИМИЗАЦИЮ ПЛОТНОСТИ ТОКА В ОБМОТКАХ? (ДА НЕТ)