 |
Определение основных размеров трансформатора
|
|
|
|
Методические указания к расчету трансформатора
Расчет основных электрических величин
Расчет производят для трехфазного трансформатора.
Мощность одной фазы S ф и одного стержня S ¢, кВА:
; 
,
где m ф - число фаз трансформатора (m ф = 3);
с - число стержней (с = 3).
Фазные напряжения U ф и токи I ф (определяют для обмоток ВН и НН в зависимости от схем их соединения):
; 
- для соединения 
;
; 
- для соединения r;
где U л - номинальное линейное напряжение обмоток ВН и НН, приведенное в задании.
Активная u к. а и реактивная u к. р составляющие напряжения короткого замыкания, %:
; 
,
где Р к, S н, u к - приведены в задании.
Выбор главной изоляции
Главная изоляция обмоток определяется, в основном, электрической прочностью при частоте 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями, которые зависят от напряжения обмоток и должны быть определены по табл. 1:
для обмотки НН – U испНН, для обмотки ВН - U испВН.
Таблица 1
Испытательные напряжения промышленной частоты
для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)
| Класс напряжения обмоток, кВ | До 1кВ | 3 | 6 | 10 | 15 | 20 | 35 | 110 | 150 | 220 | 330 | 500 |
| Наибольшее рабочее напряжение, кВ | 1,2 | 3,6 | 7,2 | 12 | 17,5 | 24 | 40,5 | 126 | 172 | 252 | 363 | 525 |
| Испытательное напряжение U исп, кВ | 5 | 18 | 25 | 35 | 45 | 55 | 85 | 200 | 230 | 325 | 460 | 630 |
Конструкция главной изоляции обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ представлена на рис. 1, а для испытательного напряжения 200 кВ (класс напряжения 110 кВ) - на рис. 2.
Рис. 1. Главная изоляция обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ
Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляют жесткими бумажно-бакели-товыми цилиндрами (d12) или мягкими цилиндрами из электроизоляционного картона, намотанными при сборке трансформатора. Размер выступа цилиндра за высоту обмотки (l ц1 и l ц2) обеспечивает отсутствие разряда по поверхности цилиндра между обмотками или с обмотки на стержень. Изоляцию обмоток от ярма (d ш) при испытательном напряжении 85 кВ усиливают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанав-ливают междуфазную перегородку (d 22) из электроизоляционного картона.
|
|
|
Минимальные изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма (l 01, l 02, а 01, l ц1, l ц2, d ш, а ц1), между обмотками (а 12, а 22), а также главные размеры изоляционных деталей (d 01, d 12, d 22) с учетом конструктивных требований и производственных допусков в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5¸85 кВ определяют для обмотки НН по табл. 4.4 [1, с. 183], а для обмотки ВН – по табл. 4.5 [1, с. 184]. Для обмотки ВН при классе напряжения 110 кВ и при U исп = 200 кВ изоляционные расстояния указаны на рис. 2.
Здесь Н к представляет собой размер прессующего кольца, склеенного из древесно-слоистого материала (Н к = 60 и 80 мм при мощностях до 25000 и 40000-80000 кВА соответственно). В расчетах следует принять
. (1)
Рис. 2. Главная изоляция обмотки ВН класса напряжения 110 кВ:
1 - прессующее кольцо (склеенное древесно-слоистое);
2 - цилиндр бумажно-бакелитовый; 3 - цилиндр из электроизоляционного картона
Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность (рис. 4). Диаметр этой окружности d называют диаметром стержня трансформатора; он является одним из основных размеров трансформатора. Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечением пакетов пластин. При этом пакетом называют стопу пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называют активным сечением стержня П с или ярма П я. На данном этапе расчета, когда размеры пакетов стержня еще не установлены, используют коэффициент заполнения сталью K с, равный отношению активного сечения стержня П с к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов:
|
|
|
K с = K кр K з, (2)
где K кр - коэффициент заполнения площади круга площадью П ф. c ступенчатой фигуры сечения стержня;
K з - коэффициента заполнения площади ступенчатой фигуры П ф. c чистой сталью.
Коэффициент заполнения K з зависит, в основном, от толщины пластин стали, вида изоляции пластин. Согласно рекомендациям, приведенным в [1, п. 2.2] для современных трансформаторов обычно применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405 с толщиной листов 0,35 и 0,3 мм. Для заданной стали с жаростойким покрытием и однократной лакировкой при толщине листов 0,35 мм рекомендуется принять K з = 0,965; а при толщине листов 0,3 мм - K з = 0,955.
Коэффициент заполнения площади круга K кр и число ступеней в сечении стержня, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга n с, зависят от мощности трансформатора S н, диаметра стержня d, способа крепления пластин, способа охлаждения трансформатора, и на данном этапе расчета могут быть определены по заданной расчетной мощности для масляного трансформатора по табл. 2.
Таблица 2
Число ступеней в сечении стержня и коэффициент круга современных трехфазных масляных трансформаторов
| Показатель | Прессовка стержня расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов | |||||||||
| Мощность Трансформатора Sн, кВА | До 16 | 16 | 25 | 40-100 | 160-630 | |||||
| Ориентировочный диаметр стержня d, м | До 0,08 | 0,08 | 0,09 | 0,10-0,14 | 0,16-0,18 | 0,20 | 0,22 | |||
| Без прес- сую- щей плас- тины | Число ступе-ней nс | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 6 | 7 | 8 |
| Коэфф. Kкр | 0,636 | 0,786 | 0,851 | 0,861 | 0,89 | 0,91-0,92 | 0,913 | 0,918 | 0,928 | |
| С прес- сую- щей плас- тиной | Число ступеней nс | - | - | - | - | - | - | - | 6 | 7 |
| Коэфф. Kкр | - | - | - | - | - | - | - | 0,884 | 0,901 | |
| Показатель | Прессовка стержня бандажами, сечение стержня диаметром от 0,36 м и выше имеет продольные каналы | |||||||||||
| Мощность
трансформатора Sн, кВА | 1000-1600 | 2500-6300 | 10000 | 16000 | 25000 | 32000 | 80000 | |||||
| Ориентировочный диаметр стержня d, м | 0,24-0,26 | 0,28-0,3 | 0,32-0,34 | 0,36-0,38 | 0,40-0,42 | 0,45-0,50 | 0,53-0,56 | 0,60-0,67 | 0,71-0,75 | |||
| Без прессую- щей пластины | Число ступеней nс | 8 | 8 | 9 | 9 | 11 | 14 | 15 | 16 | 16 | ||
| Коэфф. Kкр | 0,925 | 0,928 | 0,929 | 0,913 | 0,922 | 0,927 | 0,927 | 0,929 | 0,931 | |||
| С прессую- щей пластиной | Число ступеней nс | 7 | 7 | 8 | 8 | 10 | 13 | 14 | 15 | 15 | ||
| Коэфф. Kкр | 0,900 | 0,9-0,91 | 0,912 | 0,89-0,90 | 0,907 | 0,912 | 0,914 | 0,918 | 0,92 | |||
Магнитная система (остов) служит также и механической основой трансформатора. На остове располагают и укрепляют обмотки и отводы от обмоток, и в некоторых конструкциях на остове в процессе сборки трансформатора укрепляют крышку бака с вводами и различной арматурой. Стержни и ярма шихтованной магнитной системы должны быть стянуты и скреплены так, чтобы остов представлял собой достаточно жесткую конструкцию как механическая основа трансформатора. Стяжка и крепление остова должны обеспечивать его достаточную прочность после расшихтовки верхнего ярма при насадке обмоток на стержни, подъеме активной части трансформатора и коротком замыкании на его обмотках, а также отсутствие свободной вибрации пластин и минимальный уровень шума при работе трансформатора в сети. Эти требования достаточно хорошо удовлетворяются при равномерно распределенном напряжении сжатия между пластинами стержня и ярма при сборке 0,4¸0,6 МПа, считая по среднему, т. е. по наиболее широкому пакету.
Прессовка (сжатие) стержней может осуществляться различными способами. При мощности трехфазного трансформатора до 630 кВА и диаметре стержней до 0,22 м включительно применяют прессовку без использования специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН или ее жестким изоляционным бумажно-бакелитовым цилиндром (рис. 4). Стержни трансформаторов большей мощности - от 1000 кВА и выше - при диаметре d > 0,22 м нуждаются в более надежной прессовке. В этом случае стержни стягивают бандажами из стеклоленты, расположенными по высоте стержня на расстояниях 0,12¸0,15 м один от другого, причем перед наложением бандажей при сборке стержни поочередно опрессовывают на специальном станке прессующей балкой, создающей необходимое натяжение сжатия между пластинами.
|
|
|
Стержни диаметром до 0,36 м обычно достаточно хорошо охлаждаются маслом, омывающим их наружную поверхность. При диаметре от 0,36 м и выше для обеспечения надежного охлаждения внутренних частей стержня между его пакетами делают охлаждающие каналы, которые могут быть продольными или поперечными по отношению к пластинам стержня.
Для диаметров стержней силовых трансформаторов применяют стандарт, который содержит следующие нормализованные диаметры, м: 0,08; 0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,10; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,20; 0,21; 0,22; 0,225; 0,23; 0,24; 0,245; 0,25; 0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,40; 0,42; 0,45; 0,48; 0,50; 0,53; 0,56; 0,60; 0,63; 0,67; 0,71; 0,75 – для магнитных систем без поперечных каналов (в данных расчетах поперечные каналы не предусмотрены).
Выбор правильной формы и размеров поперечного сечения ярма, особенно в магнитных системах, собираемых из холоднокатаной текстурованной стали, играет существенную роль. Наиболее рациональной и применяемой в данном расчете является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным сечению стержня. Поэтому коэффициент усиления ярма K я, равный отношению 
(
), в данном случае может быть принят равным 1.
Важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы B с. В целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукции, что, однако, связано с относительно малым увеличением потерь и существенным увеличением тока холостого хода трансформатора. Уменьшение расчетной индукции приводит к получению лучших параметров холостого хода (главным образом тока) за счет увеличения массы материалов и стоимости активной части. Верхний предел индукции обычно определяется допустимым значением тока холостого хода.
Рекомендуемые значения расчетной индукции в стержнях современных масляных трансформаторов мощностью 160 кВА и более при использовании холоднокатаной стали современных марок 3404, 3405, 3406, 3407, 3408 находятся в пределах 1,55¸1,65 Тл.
Определение основных размеров трансформатора
Основные размеры магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяют главные размеры активной части и всего трансформатора.
В данном проекте двухобмоточный трехфазный трансформатор выполним с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток из медного или алюминиевого провода в виде круговых цилиндров. Магнитная система такого трансформатора с обмотками схематически изображена на рис. 5.
|
|
|
Основными размерами трансформатора являются: диаметр окружности d, в которую вписано ступенчатое сечение стержня 3; осевой размер l (высота) обмоток; средний диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками d 12, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток a р1 и a р2 и осевого канала между ними a 12.
Если эти три размера выбраны или определены, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например, высота стержня l с, расстояние между осями соседних стержней С и т. д. могут быть найдены при известных допустимых изоляционных расстояниях (например, a 12, a 22, l 0), определенных в п. 4.2.
Рис. 5. Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора
с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержни; 3 - сечение стержня; 4 - обмотки ВН и НН
Два основных размера d 12 и l связаны соотношением
. (3)
Величина b определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Значение b может варьировать для масляных трансформаторов в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значениям b соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим - широкие и низкие. Различным значениям b соответствуют и разные соотношения между массами активных материалов – стали магнитной системы и металла обмоток. Меньшим значениям b соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток. С увеличением b масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор b существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, а следовательно, и на стоимость трансформатора.
Вместе с этим значение b сказывается и на технических параметрах трансформа-тора: потерях и токе холостого хода, механической прочности и нагревостойкости обмоток, габаритных размерах.
В [1] приведена формула, связывающая диаметр стержня трансформатора с его мощностью и коэффициентом b:
, м, (4)
где S ¢ - мощность трансформатора на один стержень, кВА;
K р - коэффициент Роговского (коэффициент приведения поля рассеяния) (K р=0,93¸0,97);
- ширина приведенного канала рассеяния, м;
K с - коэффициент заполнения сердечника сталью;
B с - индукция в стержне, Тл;
f - частота тока сети, Гц;
u к. р - реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %.
Диаметр стержня d, как видно из выражения (4), при прочих равных условиях зависит от коэффициента b, который, как было отмечено выше, может варьировать в достаточно широких пределах. Одной из задач проектирования является выбор оптимальных по стоимости трансформатора значений соотношения основных размеров b и диаметра стержня d. Эту часть расчетов следует выполнить с использованием ПК по руководству [2].
В пояснительной записке следует привести распечатку исходных данных и результатов расчета. По расчетным данным надо выполнить графические построения аналогично рис. 4.2-4.4 [2, с. 17-19] и выбрать нормализованный диаметр стержня и коэффициент b с учетом рекомендаций, приведенных в табл. 2 и на с. данных методических указаний, а также в табл. 3.12 [1].
После выбора оптимального значения коэффициента b и диаметра стержня d в этом разделе следует определить следующие величины.
Средний диаметр витка обмоток НН и ВН, м:
d12 = ad, (5)
где a - коэффициент, принимаемый по табл. 3.4 [1, с. 123] (был принят в п. 8 исходных данных расчета на ПК, [2]).
Ориентировочная высота обмоток, м:
. (6)
Активная по стали площадь сечения стержня, см2:
Пс = K зПф. с, (7)
где Пф. с - площадь сечения стержня (выбирается в зависимости от диаметра стержня d по табл. 8.7 [1, с. 365]),
K з - коэффициент заполнения сталью (выбран по рекомендациям, приведенным в Т2
Напряжение одного витка обмотки (предварительно), В:
, (8)
где 
- максимальное значение индукции в стержне, Тл (принято предварительно по приведенным рекомендациям в пределах 1,55¸1,65 Тл.);
П с - активное сечение стержня, м2;
f - частота тока в сети, Гц.
Число витков в обмотке НН (предварительно):
, (9)
где U ф1 - фазное напряжение обмотки НН (см. п. 4.1).
Значение 
необходимо округлить до целого числа W 1.
Уточненное напряжение одного витка, В:
. (10)
Уточненное значение индукции, Тл:
. (11)
Средняя плотность тока, 
(
):
для медных обмоток
; (12)
для алюминиевых обмоток
; (13)
где K д - коэффициент, учитывающий добавочные потери, принимается по табл. 3.6 [1, с. 131] (выбран в п. 15 [2]);
P к - потери мощности при коротком замыкании, кВт (заданы в исходных данных расчета);
S н - номинальная мощность трансформатора, кВА (задана в исходных данных расчета);
u в - напряжение одного витка, В;
d 12 - средний диаметр витка обмоток НН и ВН, м.
Полученное значение плотности тока J ср необходимо сверить с данными табл. 3, где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей тока для масляных трансформаторов. Сверка рассчитанного значения J ср с данными таблицы имеет целью избежать грубых ошибок в расчете.
Таблица 3
Средняя плотность тока в обмотках, 
, для современных
масляных трансформаторов с потерями короткого замыкания по ГОСТ
| Мощность трансформатора, кВА | 25-40 | 63-630 | 1000-6300 | 10000- 16000 | 25000- 80000 |
| Медь | 1,8 – 2,2 | 2,2 – 3,5 | 2,2 – 3,5 | 2,0 – 3,5 | 2,0 – 3,5 |
| Алюминий | 1,1 – 1,8 | 1,2 – 2,5 | 1,5 – 2,6 | 1,5 – 2,7 | - |
|
|
|
