Выбор конструкции и определение параметров магнитной системы (стр. 4 )

При проектном расчете трансформатора у проектировщика возникает большое количество конструктивных альтернатив, обусловленных типами обмотки, вариантами раскладки в пределах конкретного типа, материалом и маркой провода и т, д. Сказанное относится как к обмотке низкого напряжения, так и высокого Напряжения (для рассматриваемого здесь двухобмоточного трансформатора). Под раскладкой обмотки понимается такое конструктивное расположение витков, выбор и расчет ее параметров, при которых обмотка оказывается надежной в эксплуатации, технологичной при изготовлении и обеспечивается разумный компромисс между стоимостью обмотки и потерями в ней при эксплуатации. Следует подчеркнуть, что удачная конструкция обмоток во многом определяет совершенство всего трансформатора и оптимальность его основных параметров.

Основными элементами обмотки являются витки, которые изолируются от остальных частей трансформатора и друг от друга. В первом случае изоляция называется главной, во втором - продольной (рис. 2.13). В состав продольной изоляции включается также изоляция между элементами одного витка.

При рассмотрении обмотки трансформатора удобно использовать понятие катушки, под которой понимают группу конструктивно объединенных и соединенных витков. Каждый виток может состоять из двух или нескольких параллельных проводов, располагаемых по радиальному, осевому направлениям или обоим направлениям одновременно (рис. 2.14). Параллельные провода в радиальном направлении принято называть параллелями, а в осевом - ходами. Наиболее распространенные соотношения между основными параметрами обмоток различных типов приведены в табл. 2.8.

Рис. 2.13. Классификация изоляции трансформатора

Применение нескольких параллельных проводов вместо одного провода суммарного сечения позволяет уменьшить добавочные потери от вихревых токов, вызываемых продольной и поперечной составляющими поля рассеяния, а также облегчает намотку обмотки. Более того, при больших токах в обмотке обеспечить ее изготовление одним проводом стандартного сечения практически I невозможно.

Таблица 2.8

Тип обмотки	Число катушек	Число витков в катушке	Число ходов в витке	Число параллелей в витке	Наличие горизонтальных каналов между катушками	Наличие вертикальных каналов
Винтовая	W	1	1-4	2-30	Есть	Нет
Непрерывная	40-120	2-20	1	1-8	»	»
Цилиндрическая	1-2	W/2-W	1-4	1-4	Нет	0-1

Примечание. W - полное число витков в обмотке; при наличии в цилиндрической обмотке вертикального канала считается, что она состоит из двух концентрических катушек (концентров).

При раскладке обмотки необходимо учитывать следующие рекомендации: количество параллельных проводов следует выбирать таким образом, чтобы сечение одного провода находилось в диапазоне 20-50 мм2; более целесообразен выбор четного числа ходов и параллелей; при большом числе параллельных проводов появляются трудности, связанные с технологией намотки обмотки; для уменьшения добавочных потерь в обмотке от циркулирующих токов параллельные провода необходимо транспонировать (перекладывать) .

Появление циркулирующих токов в многопараллельной обмотке объясняется неодинаковыми активными и индуктивными сопротивлениями параллелей витка: параллель с большим средним диаметром имеет и большее активное сопротивление; индуктивное сопротивление ее также будет больше из-за того, что она располагается в области большего поля рассеяния. Учитывая эти соображения, можно сделать вывод, что более технологичным является виток с п числом ходов, чем эквивалентный виток с тем же числом параллелей, поскольку в этом случае транспозиции не требуются. Последнее обстоятельство практически используется при изготовлении цилиндрических обмоток.

Рис. 2.14. Строение витка обмотки: а - из одной параллели; б - из двух параллелей; в - из двух ходов и трех параллелей

В качестве материала обмоточного провода в трансформаторах класса 10-35 кВ до некоторого времени использовалась медь. Затем с целью экономии меди обмотки этих трансформаторов стали наматываться из алюминиевого провода. После успешного решения ряда технологических вопросов, связанных с изготовлением алюминиевых обмоток, оказалось, что эти трансформаторы практически не уступают «медным».

Возможности, заложенные в подсистему учебного проектирования, обеспечивают расчеты трансформаторов, как с алюминиевыми, так и медными обмотками, а также с сочетаниями этих материалов. При этом особенно перспективным представляется сочетание (НН) медь - (ВН) алюминий, что подтверждается теоретическими соображениями. Анализ этих и подобных вариантов может быть темой исследовательской части учебного проектирования.

Рис. 2.15. Однослойная двухходовая цилиндрическая обмотка

Суть расчета и раскладки обмоток в ПДП-Т состоит в том, что в определенные на предыдущем этапе оптимальные размеры обмотки должна быть вписана реальная конструкция с вполне определенными конструктивными параметрами (размерами проводов, числом параллелей и т. д.). При этом поиске конечного варианта раскладки среди многообразия альтернатив необходимо решить две задачи: обеспечение минимального отклонения конечного варианта от оптимальных значений параметров, определенных раньше (плотность тока, размеры и т. д.); выбор при удовлетворении первого условия такого варианта раскладки, который являлся бы оптимальным по некоторому частному критерию, используемому на этом этапе; в качестве такого критерия наиболее целесообразно здесь использовать добавочные потери в обмотке. I;

Расчет цилиндрических обмоток. Цилиндрическая обмотка представляет собой катушку, наматываемую послойно из обморочного провода прямоугольного (круглого) сечения (рис. 2.15). При намотке каждый виток слоя укладывают вдоль оси обмотки вплотную к предыдущему витку [25]. Параллельные провода цилиндрической обмотки целесообразнее располагать в осевом направлении, так как в этом случае отпадает необходимость в транспонировании проводов.

Различают однослойную и многослойную цилиндрические обмотки. В последнем случае между слоями прокладывается изоляция из листов кабельной бумаги (табл. 2.9) или равномерно по окружности обмоток кладутся рейки, образующие вертикальный охлаждающий канал.

Цилиндрические обмотки находят широкое применение в трансформаторах мощностью докВ-А, и это объясняется их простотой и технологичностью изготовления; высоким коэффициентом заполнения активным материалом окна магнитопровода, что обеспечивается компактностью обмотки; малой вероятностью замыканий между слоями и витками; невысокими напряжениями между элементами обмотки при импульсных воздействиях.

Одним из достоинств этого типа обмоток является универсальность - они могут применяться в качестве обмоток НН и ВН, а также отдельных регулировочных концентров в широких диапазонах мощностей и напряжений.

Рис. 2.16. Схема алгоритма раскладки цилиндрической обмотки

Таблица 2.9

Суммарное напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги при толщине 0,12 мм	Суммарное напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги при толщине 11,12 мм
До 1000	2	3501—4000	6
1001—2000	3	4001—4500	7
2001—3000	4	Свыше 4500	8
3001—3500	5

Распространение этого типа обмоток на большие мощности сдерживается их недостаточной механической прочностью.

Расчет цилиндрических обмоток начинается с ввода в ЭВМ следующей дополнительной информации[2]: толщина изоляции про-/ вода на две стороны; число реек; толщина междуслойной изоляции (табл. 2.9).

Толщина изоляции провода во всех типах обмоток (НН и ВН) и всех катушках одной обмотки в трансформаторах данного класса обычно одинакова и равна 0,55 мм (иногда 0,45 мм). Марки провода - АПБ (алюминиевый) или ПБ (медный).

Число реек по окружности обмоток для трансформаторов мощностью до 630 выбирают из условий удобства намотки, для более мощных трансформаторов - из условий механической прочности обмотки. Ориентировочно можно задавать в трансформаторах мощностью до 630 кВ-А 6-8 реек; мощностью до 1600 реек и мощностью свыше 1600 -12-16 реек [7].

Принцип раскладки обмотки состоит в том, что сначала автоматически определяется удовлетворительный по конструктивным и технологическим соображениям вариант раскладки (рис. 2.16). При этом используются следующие математические соотношения[3].

1. Начальное число параллелей и ходов п=1, х=1.

2. Высота провода (мм)

где Н’ - высота обмотки, рассчитанная на предыдущем этапе; W - полное число витков в обмотке; - двусторонняя толщина изоляции провода; N - число слоев, предварительно равное 1 или 2.

3. Ширина провода (мм)

где - ширина обмотки, рассчитанная на предыдущем этапе; - ширина вертикального охлаждающего канала; - число вертикальных охлаждающих каналов (0 или 1); - толщина междуслойной изоляции.

Полученные размеры и должны быть округлены до стандартных значений и [7]. При этом следует стремиться к минимальным отклонениям от рассчитанных значений и .

4. Сечение провода (мм2)

(2.4)

5. Сечение витка (мм2)

(2.5)

6. Плотность тока (А/мм2)

(2.6)

где - фазный ток по (2.3), (2.4).

Здесь проверяется отклонение полученной плотности от оптимального значения, найденного на предыдущем этапе.

7. Уточненные значения высоты и ширины обмотки (мм)

8. Средний диаметр обмоток НН и ВН соответственно (мм)

(2.7)

(2.8)

9. Длина провода обмотки (м)

(2.9)

где W - для обмотки ВН максимальное число витков.

10. Активное сопротивление обмотки (Ом)

(2.10)

где - удельное сопротивление материала обмотки (см. табл. 2.6).

11. Масса неизолированного (голого) провода (кг)

(2.11)

где - плотность материала (см. табл. 2.6).

12. Основные потери в обмотках НН и ВН соответственно (В)

(2.12)

(2.13)

13. Добавочные потери в обмотке (%)

Рис. 2.17. Расположение цилиндрических обмоток в окне магнитопровода: 1 — магнитопровод; 2 — бумажно-бакелитовый цилиндр обмотки НН; 3 — прессующее кольцо; 4 — шайбы из электрокартона; 5 — обмотка. НН (трехслойная); 6 — внутренний концентр обмотки ВН (четырехслойный); 7 — наружный концентр обмотки ВН (шестислойный

(2.14)

где - коэффициент, зависящий от материала провода (см. табл. 2.7); - продольная составляющая поля рассеяния; - коэффициент Роговского (здесь принято =0,96); f - частота сети; W1 - число витков первичной обмотки.

14. Добавочные потери в обмотке (Вт)

(2.15)

Основные параметры рассчитанного варианта обмотки выводятся на экран дисплея в виде таблицы для анализа, а затем ЭВМ предлагает рассчитать новый вариант с измененными параметрами обмотки: слоями, ходами или параллелями. Обычно число слоев: 1-6 для обмотки НН, 4-16 для обмотки ВН; число ходов и параллелей в цилиндрической обмотке НН приведено в табл. 2.8, а для цилиндрической обмотки ВН равно единице.

Получая таким образом несколько вариантов раскладки и сопоставляя их между собой, пользователь имеет возможность последовательно выйти на лучший вариант с точки зрения уровня добавочных потерь, общего числа параллельных проводов и т. д.

По аналогичной схеме выполняется расчет обмотки ВН. На рис. 2.17 показано расположение цилиндрических обмоток в окне магнитопровода. Фрагмент диалога при раскладке цилиндрической обмотки НН приведен ниже.

ЭТАП 2

РАСЧЕТ И РАСКЛАДКА ОБМОТОК

ВВЕДИТЕ ТОЛЩИНУ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДА ОБМОТКИ НН (НА ДВЕ СТОРОНЫ)

? 55

ВВЕДИТЕ ТОЛЩИНУ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДА ОБМОТКИ ВН

(НА ДВЕ СТОРОНЫ)

? 55

ВВЕДИТЕ КОЛИЧЕСТВО РЕЕК

? 12

2 1.1. РАСЧЕТ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБМОТКИ НН

ВВЕДИТЕ ТОЛЩИНУ МЕЖДУСЛОЙНОЙ

ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ НН

? .5

ОКРУГЛИТЕ ВЫСОТУ И ШИРИНУ ПРОВОДА

ДО ТАБЛИЧНЫХ ЗНАЧЕНИЙ

ПРИ РАСЧЕТЕ ШИРИНА ПРОВОДА = 3.6375

ВВЕДИТЕ ОКРУГЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ

? 3. 75

ПРИ РАСЧЕТЕ ВЫСОТА ПРОВОДА = 7.51282

ВВЕДИТЕ ОКРУГЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ

? 7.1

ПЛОТНОСТЬ ТОКА ОБМОТКИ НН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАССЧИТАННОЙ В ПРЕДЫДУЩЕМ ЭТАПЕ НА 6 07629% БУДЕТЕ ИЗМЕНЯТЬ РАЗМЕРЫ? ДА

ОКРУГЛИТЕ ВЫСОТУ И ШИРИНУ ПРОВОДА ДО ТАБЛИЧНЫХ ЗНАЧЕНИИ

ПРИ РАСЧЕТЕ ШИРИНА ПРОВОДА - 3.6375

ВВЕДИТЕ ОКРУГЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ? 3.75

ПРИ РАСЧЕТЕ ВЫСОТА ПРОВОДА - 7.51282

ВВЕДИТЕ ОКРУГЛЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ? 7.5

ПЛОТНОСТЬ ТОКА ОБМОТКИ НН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РАССЧИТАННОЙ В ПРЕДЫДУЩЕМ ЭТАПЕ НА 1.87944%. БУДЕТЕ ИЗМЕНЯТЬ РАЗМЕРЫ? НЕТ

Таблица сравнения вариантов обмотки НН

Параметр	1	2	3	4	5
Слои	2	0	0	0	о
Ходы	I	0	0	0	0
Параллели	4	0	0	0	0
ВхА	7.53 75	00	00	00	00
Плотность тока	1.77598	0	0	0	0
Высота	1085 85	0	0	0	0
Ширина	44 8	0	0	0	0 ,
Масса	325.786	0	0	0	0
Потери основ.	12920 1	0	0	0	0
Потери добав.	492.738	0	0	0	0

БУДЕТЕ РАССЧИТЫВАТЬ СЛЕДУЮЩИЙ ВАРИАНТ? НЕТ