Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей (стр. 2 )

Рис. 2.1. Конструкция стержня трансформатора

Вследствие неплотного прилегания листов стали и наличия изо­ляции между листами активное сечение стали оказывается меньше се­чения ступенчатой фигуры стержня, что учитывается коэффициентом за­полнения пакета = 0,94 – 0,97.

Таким образом общий коэффициент заполнения активной сталью фактической площади круга, описанного вокруг ступенчатой фигуры стержня,

(2.1)

В современном трансформаторостроении используется холоднокатаная текстурованная сталь марок 3404, 3408, обладающая доста­точно сильно выра-женными анизотропными свойствами, что дает возможность использовать при

конструировании магнитопровода косые стыки [1]. Характерно, что чем выше марка стали, тем более резко ухудшаются ее свойства при отклонении направления магнитного потока от направления проката. В связи с этим высоколегированная сталь марок 3407, 3408 используется лишь для витых магнитопроводов и сердечников сверхмощных и наиболее ответственных трансформаторов. Для изготовления сердечников серийных трансформаторов обычно применяют сталь марок 3404 – 3406 толщиной 0,35 – 0,27 мм.

В последнее время наметилась тенденция к использованию в обычных силовых распределительных трансформаторах изотропной холоднокатаной стали марок 2411 – 2413 [3]. (В данной работе технические данные таких сталей отсутствуют и выбирать их при выполнении курсовой работы не рекомендуется.)

Существенно влияет на технико-экономические показатели трансформатора расчетная индукция в стержне . Уменьшение ин­дукции способствует снижению потерь х. х. и, следовательно, эксплутационных затрат, но приводит к увеличению массы стали и обмоток, габаритов трансформатора и, в конечном счете, к увеличению его стои­мости, т. е. капитальных затрат. Увеличение индукции напротив позво­ляет уменьшить затраты активных материалов, но вызывает увеличение потерь и тока х. х. Практика современного трансформаторостроения рекомендует для стали марок 3404 – 3406 принимать индукцию в стержне = 1,5 – 1,65 Тл.

Для расчета предлагаются два варианта конструкции плоской магнитной системы: с четырьмя косыми стыками по углам, двумя прямыми в ярме и одним прямым в стержне (рис. 2.2, а); с шестью косыми стыками и двумя прямыми в ярме (рис. 2.2, б).

Расчет трансформатора начинается с определения номинальных напря-жений и токов. В силовых трансформаторах нормального исполнения с целью уменьшения массы активных материалов принято располагать первой от стер-жня обмотку низшего напряжения, в связи с этим всем величинам, относящим-ся к обмотке НН, будет присваиваться индекс "1", а для обмотки ВН – индекс "2".

Расчет обмоток производится по фазным напряжениям и токам, которые определяются по схеме соединения соответствующей обмотки. Напоминаем, что в обозначении группы соединения на первом месте всегда указывается схема обмотки ВН независимо от ее расположения на стержне.

Номинальные линейные токи при любой схеме соединения, А,

, (2.2)

где – номинальная мощность по заданию, кВ×А;

– номинальное линейное напряжение по заданию, кВ;

– номер обмотки.

Фазные токи при соединении Y равны линейным:

при соединении Д –

(2.3)

Фазные напряжения при соединении Y

при соединении Д

. (2.4)

Активная составляющая напряжения к. з., %,

, (2.5)

где – потери к. з. по заданию, Вт.

(Различие размерности в числителе и знаменателе не является опечаткой.)

Реактивная составляющая, %,

, (2.6)

где – напряжение к. з. по заданию, %.

Для обеспечения достаточной электрической прочности трансформатора необходимо найти минимальные допустимые изоляционные расстояния (промежутки) между элементами обмоток и заземленными деталями конструкции. К таким промежуткам относятся (рис. 2.3) расстояния: от стержня до обмотки HH (a01); между обмотками НН и ВН одной фазы (а12); между обмотками ВН соседних фаз (а22); от обмотки ВН до ярма магнитопро-

вода (l02).

Эти расстояния определяются рабо-чими и испытательными напряжениями соответствующей обмотки. В данной курсовой работе следует принять [1,

с. 183, 184]:

а01 = 15 мм (при £ 1600 кВ×А); а01 = 17,5 мм (при ³ 2500 кВ×А);

а12 = 27 мм; а22 = 30 мм; l02 = 75 мм.

(Здесь указаны минимальные допустимые изоляционные промежутки, при необходимости они могут быть увеличены в разумных пределах.)

Одним из основных критериев, определяющих технико-экономические показатели трансформатора, является соотношение между средней длиной витка и высотой обмоток:

, (2.7)

где – средний диаметр канала между обмотками ВН и НН;

– высота обмотки.

Опыт проектирования и производства трансформаторов показывает, что существует определенный диапазон оптимальных значений при которых трансформатор будет иметь наименьшую стоимость при достаточно удовлетво­рительных эксплуатационных показателях.

Для заданного ряда мощностей и класса напряжения 35 кВ эти диапа­зоны составляют:

для медных обмоток – 1,8 – 2,4;

алюминиевых – 1,2 – 1,6.

Условимся в дальнейшем все величины, носящие предварительный ори-ентировочный характер и подлежащие уточнению в ходе дальнейшего расчета, обозначать верхним штрихом. Так, например, ширина приведенного канала магнитного рассеяния может быть найдена только после конструктивного расчета обмоток, ориентировочное ее значение определяется по формуле, мм:

, (2.8)

где – коэффициент, определяемый мощностью трансформатора и классом напряжения; в настоящем расчете его можно принять для медных обмоток в интервале 5,4 – 4,8, для алюминиевых – 6,5 – 6,0.

Ориентировочный диаметр стержня (диаметр окружности, описанной около ступенчатой фигуры стержня) находится по формуле, мм

(2.9)

где – предварительное значение, принятое ранее;

– ширина канала рассеяния, рассчитывается по формуле (2.8), мм;

– коэффициент приведения поля рассеяния к прямоугольной форме (ко-эффициент Роговского), в предварительном расчете можно принять = 0,95;

– частота питающей сети, Гц;

– принятая индукция в стержне, Тл.

Для дальнейшего расчета следует принять ближайший нормализо­ванный диаметр стержня по следующей шкале, мм: 220; 225; 230; 240; 245; 250; 260; 270; 280; 290; 300; 310; 320; 330; 340; 350; 360; 370; 380; 390; 400; 420 .

По принятому нормализованному диаметру пересчитывается параметр:

, (2.10)

находится предварительный средний диаметр витка, мм:

(2.11)

и ориентировочная высота обмотки, мм:

. (2.12)

По принятому нормализованному диаметру можно найти также активное сечение стали стержня, мм2:

(2.13)

и напряжение на один виток (ЭДС витка), B/ виток:

. (2.14)

По заданным потерям к. з. , Вт, находится ориентировочное значение средней плотности тока в обмотках, А/мм2:

,

где – коэффициент материала, для медных обмоток = 6,75; для алюминиевых – 4,18;

– напряжение на виток, рассчитывается по формуле (2.14), В;

– средний диаметр витка, рассчитывается по формуле (2.11), мм.

Плотность тока обычно лежит в пределах 2,5 – 3,5 А/мм2 для медных обмоток и 1,2 – 1,8 А/мм2 – для алюминиевых.

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

Расчет обмоток ведется раздельно для сторон НН и ВН и начинается с обмотки НН, которая располагается ближе к стерж­ню, поэтому всем ее размерам присваивается индекс "1", а размерам обмотки ВН – индекс "2". Поскольку некоторые типы обмотки могут быть исполь­зованы на сторонах ВН и НН трансформатора, в разделах конструктивного расчета настоящих указа-ний индексация не приводится, однако в пояснительной записке она обязательна.

конструкция (тип) обмотки определяется рядом параметров: током, напря­жением, сечением витка, числом витков и т. п. Для заданного ряда мощностей и напряжений ориентировочно тип обмотки можно выбрать по данным табл. 3.1.

Обмотки одно - или двухслойные и винтовые используются только на стороне НН, многослойные из круглого провода, как правило, – на стороне ВН, катушечные из прямоугольного провода могут быть использованы на любой стороне трансформатора.

Многослойная обмотка из круглого провода наиболее проста в изготовлении, однако имеет наихудшие условия охлаждения. Обмотка из прямоугольного провода имеет более лучшие условия охлаждения, проста в изготовлении и в связи с этим широко используется в практике трансформаторостроения. Катушечная обмотка является наиболее универсальной, достаточно простой и хорошо охлаждаемой.

. Т а б л и ц а 3.1

Область использования различных типов обмоток

Тип обмотки	Предельные параметры	Схема регу­лирования
кВ	, А	мм
Цилиндрическая одно - или двухслойная из прямоуголь­ного провода	до 10	до 800	до 300
Винтовая одно - или двуххо-довая из прямоугольного про­вода	до 35	от 300	от 75
Цилиндрическая многослойная из круглого провода	до 35	до 100	до 50
Непрерывная катушечная из прямоугольного провода		от 10

при расчете обмотки из прямоугольного провода желательно использовать наиболее крупные сечения проводов, однако нельзя забывать, что с увеличением размеров провода возрастают дополнитель­ные потери от вихревых токов в сечении проводника, вызванных полями рассеяния, поэтому обязательна проверка по максимально допустимому размеру проводника, который находится по формуле, мм:

(3.1)

где – плотность теплового потока, = 1200 – 1400 Вт/м2;

– плотность тока в данной обмотке, А/мм2;

– коэффициент закрытия, для катушечных и винтовых обмоток = 1, для одно - или двухслойных обмоток = 0,75;

– коэффициент, для медных обмоток – 10,7; для алюминиевых – 17,2.

Для одно - или двухслойных цилиндрических обмоток максимальный допустимый размер определяется лишь при намотке "на ребро".

Полное сечение витка любой обмотки может быть набрано из нескольких проводников с суммарным сечением, близким к ориентировоч­ному. Условия подбора проводников изложены в разделах конструктивного расчета каждого типа обмотки.

В практике проектирования принята следующая форма записи типо­размера выбранного провода:

для прямоугольного провода марка провода –

, (3.2)

для круглого провода –

, (3.3)

где – число параллельных проводников в витке;

– размер неизолированного провода по таблице сортамента;

– размеры провода с учетом толщины изоляции.

Для проводов с изоляцией из хлопчатобумажной пряжи принимают, мм:

; ; . (3.4)

Медные провода имеют марку ПБ, алюминиевые – АПБ.

Обмотка НН изолируется от стержня бакелитовым цилиндром, толщина которого входит в изоляционный размер а01, и для улучшения условий охлаждения обычно наматывается на рейки из клееного электро­картона. Число реек зависит от мощности трансформатора: от 1000 до 1600 кВ×А – 12 шт.; от 2500 до 6300 кВ×А – 16 шт.

Обмотка ВН также наматывается на рейки, расположенные в промежутке а12, число их совпадает с числом реек обмотки НН.

Отдельные слои двухслойных и катушки многослойных обмоток также разделяются рейками.

Число витков обмотки НН опреде­ляется по ее фазному напряжению и напряжению на один виток (2.13):

, (3.5)

Рис. 3. 1

где – фазное напряжение, В.

Найденное число витков округляется до ближайшего целого чис­ла w1, после чего уточняются напря­жение на один виток, В/виток,:

(3.6)

и индукция в стержне, Тл,:

, (3.7)

которые используются во всех дальнейших расчетах.

Ориентировочное сечение витка определяется по фазному току об­мотки и средней плотности тока:

(3.8)

После выбора проводников необходимо рассчитать реальную (уточнен-ную) плотность тока первичной обмотки, которая и должна использоваться в ходе дальнейших расчетов.