ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ ОБМОТОК

Выбор типа конструкции обмоток при расчете трансформатора должен производиться с учетом эксплуатационных и производственных требований, предъявляемых к трансформаторам в целом (см. § 5.1).

В настоящем параграфе даются общие указания по выбору конструкции обмотки по ее электрическим величинам: току нагрузки одного стержня I_с, мощности трансформатора S и номинальному напряжению U_ном, а также по поперечному сечению витка обмотки П. Именно эти данные трансформатора служат основными критериями при выборе типа обмотки.

Ориентировочное сечение витка каждой обмотки, м², может быть определено по формуле

П = I_с /J_ср, (5.3)

где I_с — ток соответствующей обмотки одного стержня, А; J_ср — средняя плотность тока в обмотках ВН и НН, А/м².

Выбор средней плотности тока в обмотках не является произвольным. На том этапе расчета, когда выбирается тип обмотки, уже известны основные размеры магнитной системы, ЭДС одного витка и числа витков в каждой из обмоток, а также ориентировочные основные размеры обмотки (внутренний диаметр и высота). В зависимости от выбора значения J_ср будут изменяться объем и масса обмоток, а следовательно, и основные потери в них Р_осн- Обычно при расчете трансформатора потери короткого замыкания Р_к бывают заданы и выбор средней плотности тока должен быть связан с заданной величиной Р_к.

Для определения средней плотности тока в обмотках, А/м², обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания, можно воспользоваться формулами, выведенными в § 7.1:

для медных обмоток

J_ср = 0,746k_д 10⁴; (5.4)

для алюминиевых обмоток

J_cp = 0,463 k_д 10⁴. (5.5)

Плотность тока в обмотках из транспонированного провода определяется по (5,4), в обмотках из алюминиевой ленты — по (5.5),

При расчете трехобмоточного трансформатора в (5.4) и ,(5.5) следует подставлять потери короткого замыкания Р_к для двух внутренних обмоток при 100 %-ной мощности, полную (100 %) мощность трансформатора S и диаметр d₁₂ для двух внутренних обмоток, определяемый по методике, принятой для двухобмоточных трансформаторов. Для обмоток, рассчитываемых на 67 % полной мощности трансформатора, значение плотности тока, найденное по (5.4) и (5.5), следует умножить на 0,67.

Для автотрансформаторов под S следует понимать типовую (расчетную) мощность автотрансформатора.

Формулы (5.4) и (5.5) связывают искомую среднюю плотность тока в обмотках ВН и НН с заданными величинами: полной мощностью трансформатора S, кВ·А, потерями короткого замыкания Р_к, Вт, и величинами, определяемыми до расчета обмоток: ЭДС одного витка u_в, В, и средним диаметром канала между обмотками d₁₂, м. Коэффициент k_д учитывает наличие добавочных потерь в обмотках, потери в отводах, стенках бака и т. д. Значения k_д могут быть взяты из табл. 3.6. Значение плотности тока, полученное из (5.4) или (5.5), следует сверить с данными табл. 5.7, где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей токов. Сверка рассчитанного значения J_ср с таблицей имеет целью избежать грубых ошибок в расчете J_ср. Точного совпадения J_ср с цифрами таблицы не требуется. По этой же таблице можно выбрать среднюю плотность тока в обмотках в том случае, когда потери короткого замыкания не заданы.

Найденное по (5.4) или (5.5) значение плотности тока является ориентировочным средним значением для обмоток ВН и НН. Действительная средняя плотность тока в обмотках должна быть выдержана близкой к этой. Плотности тока в каждой из обмоток масляного трансформатора с медными или алюминиевыми обмотками могут отличаться от среднего значения, желательно, однако, чтобы не более чем на 10 %. Следует помнить, что отклонение действительной средней плотности тока от найденной по (5.4) и (5.5) в сторону возрастания увеличивает потери короткого замыкания Р_к и в сторону уменьшения—снижает.

В сухих трансформаторах вследствие существенного различия условий охлаждения для внутренних и наружных обмоток плотность тока во внутренней обмотке НН обычно снижают на 20-30 % по сравнению с плотностью в наружной обмотке ВН. Поэтому в таких трансформаторах отклонение действительной плотности тока в обмотках от найденного среднего значения может достигать ±(15—20) %.

Таблица 5.7. Средняя плотность тока в обмотках J, МА/м², для современных трансформаторов с потерями короткого замыкания по ГОСТ

Примечания: 1. Для трансформаторов с потерями короткого замыкания выше указанных ГОСТ возможен выбор плотности тока в масляных трансформаторах до 4,5 МА/м² в медных и до 2,7 МА/м² в алюминиевых обмотках; в сухих трансформаторах — соответственно до 3 и 2 МА/м².

3. Плотность тока в обмотках из транспонированного провода выбирается так же, как и для медного или алюминиевого провода.

2. Плотность тока в обмотках из алюминиевой ленты выбирается, как для алюминиевого провода.

По этой же причине среднюю плотность тока в обмотках этих трансформаторов рекомендуется принимать 0,93—0,97 значения, найденного по (5.4) или (5.5). После определения средней плотности тока J_ср и сечения витка П для каждой из обмоток можно произвести выбор типа конструкции обмотки, пользуясь указаниями, сделанными в предыдущих параграфах и сведенными вкратце в табл. 5.8. При выборе конструкции обмоток ВН следует учитывать также и возможность получения наиболее удобной схемы регулирования напряжения обмотки ВН в соответствии с указаниями, данными в § 6.2.

Таблица 5.8. Основные свойства и нормальные пределы применения различных типов обмоток масляных трансформаторов

В тех случаях, когда возможно применить два различных типа обмотки, если нет других указаний, следует, как правило, отдавать предпочтение типу, более простому и дешевому в производстве. Если к трансформатору предъявляются какие-либо специальные требования, например повышенной механической или электрической прочности или другие, следует выбирать тип обмотки, наиболее отвечающий этим требованиям.

В сухих трансформаторах могут быть применены те же основные типы обмоток, которые применяются в масляных трансформаторах при условии уменьшения плотности тока согласно табл. 5.7 и увеличения размеров охлаждающих каналов согласно табл. 9.2. При выборе типа обмоток для сухого трансформатора можно пользоваться табл. 5.8 с сохранением всех пределов применения обмоток, кроме предела применения по току на один стержень и напряжению. Цифры таблицы для тока должны быть снижены на 30—35 %, а номинальное напряжение обмоток не должно быть более 15 кВ.

При расчете обмоток существенное значение имеет правильный выбор размеров провода. В обмотках из провода круглого сечения обычно выбирается провод, ближайший по площади поперечного сечения к сечению П, определяемому по выбранной плотности тока J_ср, или в редких случаях подбираются два провода с соответствующим общим суммарным сечением.

При расчете винтовых, катушечных и в большинстве случаев двух- и многослойных цилиндрических обмоток из провода прямоугольного сечения желательно применять наиболее крупные сечения провода, что упрощает намотку обмотки на станке и позволяет получить наиболее компактное ее размещение на магнитной системе. Однако применение наиболее крупных размеров провода ограничивается условиями охлаждения обмотки и допустимыми добавочными потерями от вихревых токов, вызываемых полем рассеяния.

Выбор размеров поперечного сечения провода связан с плотностью теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки q. Значение q в целях недопущения чрезмерного нагрева обмоток в трансформаторах с естественным масляным охлаждением ограничивается q≤ 1200-1400 Вт/м² и во всяком случае не более 1500 Вт/м². В трансформаторах с искусственной циркуляцией масла допускают q≤2000-2200 Вт/м². Превышение указанных значений q приводит к существенному увеличению массы системы охлаждения трансформатора. Высокие значения q определяют также значительный нагрев масла в каналах обмоток, что ускоряет старение масла. Снижение допустимых значений q для медных обмоток примерно до 1000 Вт/м² позволит существенно замедлить старение масла и удлинить сроки его замены. Для алюминиевых обмоток значения q обычно естественно получаются на 20—25 % ниже, чем для медных.

В обмотках сухих трансформаторов могут быть допущены различные значения q в зависимости от класса нагревостойкости изоляции и размеров охлаждающих каналов. Выбор размеров вертикальных и горизонтальных каналов и соответствующих значений q, обеспечивающих получение допустимых превышений температуры, может быть сделан по табл. 9.26 и 9.2в.

При изоляции класса нагревостойкости А для внутренних обмоток при вертикальных каналах шириной 1 и горизонтальных 0,8 см можно допустить q≤280 Вт/м². Для наружных обмоток, имеющих только одну внешнюю поверхность (обмотка, намотанная на цилиндре без канала), можно допустить q≤600 Вт/м².

В обмотках масляного трансформатора из прямоугольного провода, каждый провод которых с двух сторон омывается маслом (в одно- и двухслойных цилиндрических с намоткой на ребро, в винтовых и непрерывных катушечных с намоткой плашмя) значение большого из двух размеров поперечного сечения провода b, м (см. рис. 7.3, в) может быть выбрано по формулам:

для медного провода

b ≤ qk_з/(1,07J²·10^-8); (5.6)

для алюминиевого провода

b ≤ qk_з/(1,72J²·10^-8). (5.7)

Для винтовых и катушечных обмоток следует принять k_з=1; Для цилиндрических k_з = 0,8. Найденный размер провода следует рассматривать как предельно допустимый для заданного значения q. При выборе провода по сортаменту он может быть принят и меньшим. Выбор предельного значения b можно сделать также и по графикам рис. 5.34.

Если размер b получается близким к предельному размеру по сортаменту табл. 5.2 или выходит за эти пределы, то в катушечной обмотке можно выбрать действительный размер провода, равный половине или меньше половины найденного по формуле или графикам рис. 5.34, сдвоить катушки и сделать радиальные масляные каналы через две катушки.

Рис. 5.34. Графики для ориентировочного определения размера провода b по заданным значениям q и J в катушечных, винтовых и цилиндрических обмотках из прямоугольного провода:

a—медный провод; б — алюминиевый провод. Для цилиндрических обмоток размер b, полученный по графику, умножить на 0,8

В одноходовой винтовой обмотке в этом случае можно сделать радиальные масляные каналы не через один виток, а через два; в двухходовой винтовой обмотке можно отказаться от радиальных каналов между ходами. В алюминиевых обмотках трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А возможность сдвоить витки в винтовой обмотке или катушки в непрерывной катушечной обмотке представляется достаточно часто.

Для обмоток сухих трансформаторов предельный размер b может быть найден также по (5.6) и (5.7) с учетом допустимого значения q и размеров осевых каналов по табл. 9.2б и 9.2в.

В многослойных цилиндрических обмотках из прямоугольного провода, наматываемого плашмя, маслом омываются поверхности, прилегающие к масляным охлаждающим каналам, и внешняя поверхность наружной обмотки стержня. В этом случае на охлаждаемые поверхности выходит тепло, возникающее в нескольких слоях проводов, находящихся между двумя каналами, и под искомым значением b, определяемым по (5.6) и (5.7) при k_з = 0,8, следует понимать сумму размеров металла проводов в радиальном направлении обмотки между двумя осевыми каналами. Если данная часть (катушка) обмотки намотана непосредственно на изоляционном цилиндре без масляного канала и имеет только одну цилиндрическую поверхность, омываемую маслом, значения b, полученные из (5.6) или (5.7) или по графикам рис. 5.34, следует умножить на 0,5.

Если, например, в многослойной обмотке из прямоугольного алюминиевого провода при J = 1,6·10⁶ А/м², при допустимом значении q=1400 Вт/м² по (5.7)

b = =0,0254 м (25,4 мм)

то это значит, что в катушке между двумя осевыми каналами можно уложить из сортамента табл. 5.2 пять слоев провода с размером в радиальном направлении по 5 мм или шесть слоев с размером по 4,25 мм и т. д. при значении q≈1400 Вт/м². Так же можно определить предельный радиальный размер провода в винтовой обмотке, не имеющей радиальных каналов.

В сухих трансформаторах с естественным воздушным охлаждением многослойные цилиндрические обмотки из прямоугольного провода применяются редко. При необходимости в этом случае можно также воспользоваться формулами (5.6) и (5.7) при k_з = 0,8 или графиками рис. 5.34.

В многослойной цилиндрической обмотке из прямоугольного провода возникают добавочные потери, вызываемые вихревыми токами. При осевом направлении потока магнитного поля рассеяния обмоток эти потери пропорциональны четвертой степени радиального размера провода обмотки и квадрату числа слоев обмотки в радиальном направлении. В обмотках этого типа обычно стараются выбрать число слоев обмотки и радиальный размер провода так, чтобы добавочные потери не превысили 5 % основных потерь обмотки. Иногда, сравнительно редко, допускают добавочные потери до 10 %.

Для ориентировочного выбора максимально допустимого значения радиального размера прямоугольного провода

Таблица 5.9. Ориентировочные предельные радиальные размеры провода а, мм, цилиндрических обмоток из провода прямоугольного сечения при добавочных потерях не превышающих 5, 10, 15 и 20 %

в цилиндрических обмотках с числом слоев от 1 до 16 можно воспользоваться табл. 5.9, в которой приведены предельные значения радиального размера провода, дающие добавочные потери до 5, 10, 15 и 20 % основных потерь в медных и алюминиевых обмотках. С ростом числа слоев в обмотке существенно возрастают добавочные потери и уменьшается максимально допустимый радиальный размер провода. Возможность намотки провода на ребро данные этой таблицы ограничивают тремя-четырьмя слоями. По этой таблице можно также определить предельный радиальный размер провода в винтовой обмотке, не имеющей радиальных каналов.

Следует иметь в виду, что предельное значение добавочных потерь, указанное в табл. 5.9, является средним для всей обмотки. В крайних витках, прилегающих к каналу между обмотками, добавочные потери будут в 3 раза больше.

В винтовых и катушечных обмотках с радиальными каналами при прочих равных условиях (одинаковое число слоев, одинаковые размеры провода, одинаковое число витков или одинаковая высота обмотки) индукция поля рассеяния оказывается существенно ниже, чем в обмотках, не имеющих этих каналов, и добавочные потери составляют от 0,4 до 0,6 добавочных потерь в обмотках без каналов. При этом предельный радиальный размер провода в обмотках с радиальными каналами может быть принят на 25—15 % выше полученного из табл. 5.9.

Изменение добавочных потерь в обмотке любого типа с заданным радиальным размером при изменении радиального размера провода видно из следующего примера. В катушке (витке) из пяти проводов, расположенных в радиальном направлении, с радиальным размером каждого провода 10 мм заменили пять проводов десятью проводами с радиальным размером по 5 мм.

Отношение добавочных потерь стало

D₁₀/D₅ = 0,5⁴·10²/(1,0⁴-5²) = 6,25/25 = 1/4.