Расчет многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода

Этот тип обмотки (рис. 6.11) может применяться в качестве обмотки ВН (в некоторых случаях НН) в масляных трансформаторах классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью от 1000 кВ·А и более. После определения l₂, П'₂ и J₂ необходимо выбрать один или два-три параллельных провода с общим сечением П'₂ так, чтобы плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности обмотки q не превысила предельно допустимое значение q= 1200 - 1400 Вт/м² и добавочные потери не вышли за принятый уровень (от 5 до 20%).

Рис. 6.11. Разрез торцовой части многослойной цилиндрической обмотки из провода прямоугольного сечения:1 — провод обмотки; 2 — электростатический экран; 3 — бумажно-бакелитовое опорное кольцо слоя; 4 — междуслойная изоляция из кабельной бумаги; 5 — рейка из электроизоляционного картона

Общий суммарный радиальный размер проводов, м, необходимый для получения полного сечения всех витков обмотки, для обмотки ВН

b = ω₂П₂/(l₂k_oc), (6.49)

где k_oc —средний коэффициент, учитывающий изоляцию проводов в осевом направлении обмотки, который может быть принят 0,92 для медного и 0,93 для алюминиевого провода; П₂= П'₂·10^-6. Для обмотки НН в (6.49) подставляется число витков ω₁.

Если найденный суммарный размер b окажется больше размера, допустимого по плотности теплового потока по (5.6) или (5.7), то обмотку следует разделить на две или три концентрические катушки так, чтобы у каждой из них суммарный размер был не больше допустимого. Ширина каждого осевого канала между катушками должна быть равна 0,01l₂, но не менее 5 мм. При расчете по (5.6) или для обмотки ВН следует принимать k₃=0,8 и для обмотки НН k₃ = 0,75.

Радиальный размер провода а и число слоев обмотки n_сл2 должны быть выбраны при помощи табл. 5.9 так, чтобы добавочные потери в обмотке не вышли за принятый уровень. Например, при алюминиевом проводе, добавочных потерях до 5 % и суммарном радиальном размере проводов b=0,03 м или 30 мм при числе слоев от одного до шести радиальный размер провода а = b/п_сл2 будет изменяться от 30/1=30 до 30/6 = 5 мм. При таком числе слоев и размерах проводов согласно табл. 5.9 получить добавочные потери в пределах до 5% невозможно. При семи — десяти слоях радиальный размер провода будет изменяться от 30/7=4,3 до 30/10 = 3 мм и добавочные потери в пределах до 5 % возможны. Изменение числа слоев при расчете легко достигается путем варьирования соотношения размеров поперечного сечения провода при заданной его площади.

Реальные сечения проводов подбираются по табл. 5.2 и записываются так:

Марка провода × Число проводов ×

или

Марка провода×n_в2·

Полное сечение витка, м²,

П₂ = n_в2 П''₂10^-6. (6.50)

Полученная плотность тока, А/м²,

J₂ = I₂/ П₂. (6.51)

Число витков в слое

ω_сл2 = 10³ – 1. (6.52)

Число слоев в обмотке

n_сл2 = ω₂/ω_сл2 (6.53)

(n_сл2 округляется до ближайшего большего числа).

Рабочее напряжение двух слоев, В,

U_мсл = 2ω_сл2 u_в. (6.54)

По рабочему напряжению двух слоев по табл. 4.7 в соответствии с указаниями §4.5 выбираются число слоев и общая толщина δ_мсл кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки.

В обмотках классов напряжения 20 и 35 кВ под внутренним слоем обмотки устанавливается металлический экран — незамкнутый цилиндр из листа немагнитного металла толщиной 0,5 мм. Экран соединяется электрически с линейным концом обмотки (начало внутреннего слоя) и изолируется от внутреннего слоя обмотки обычной междуслойной изоляцией. Такая же изоляция экрана устанавливается со стороны масляного канала.

Радиальный размер обмотки без экрана, м,

а₂ = [a' n_сл2 + δ_мсл (n_сл2 - 1) + а'₂₂ n_к]·10^-3, (6.55)

где а'₂₂—радиальный размер канала, мм; n_к — число осевых каналов.

Радиальный размер обмотки с экраном, м,

а_2экр = а₂ + 0,003, (6.56)

где для классов напряжения 20 и 35 кВ принято увеличение радиального размера обмотки за счет экрана и двух слоев междуслойной изоляции на 0,003 м (3 мм).

Минимальный радиальный размер a₁₂ осевого канала между обмотками НН и ВН и толщина изоляционного цилиндра выбираются по испытательному напряжению обмотки ВН и мощности трансформатора согласно § 4.5 для масляных трансформаторов.

В обмотках с экраном радиальный размер а_2экр, определенный по (6.56), принимается в расчет только при определении размеров обмотки. При расчете ЭДС рассеяния для этих обмоток следует в расчет вводить размер а₂ определенный по (6.56), и соответственно увеличивать ширину масляного канала между обмотками, т.е.

а_12экр = (а'₁₂+ 3)·10^-3. (6.57)

Внутренний диаметр обмотки (при наличии экрана — до его внутренней изоляции), м,

D'₂ = D''₁ + 2 а₁₂ (6.58)

Наружный диаметр обмотки, м:

без экрана

D''₂ = D'₂ + 2а₂; (6.59)

с экраном

D''₂ = D'₂+ 2а_2экр.(6.60)

Расстояние между обмотками соседних стержней выбирается согласно указаниям § 4.5.

Схема расположения регулировочных ответвлений принимается по рис. 6.6, б.

Поверхность охлаждения, м², определяется по формуле

П_о2 = cnkπ (D'₂ + D''₂) l₂. (6.61)

Для обмотки ВН из двух катушек n = 2; k = 0,8. Для такой же обмотки НН n = 2; k = 0,75.

Расчет непрерывкой катушечной обмотки (рис. 6,12)

Ориентировочное сечение витка находится по (6.34). К этому сечению витка по сортаменту обмоточного провода (табл. 5.2) подбираются подходящие сечения прямоугольного провода — одно или два — четыре одинаковых сечения. Больший размер провода b при этом не должен превосходить предельный размер, найденный по допустимому значению по (5.6) или (5.7).

Выбранные размеры записываются так:

Марка провода × Число параллельных проводов ×

т.е.

Марка провода×n_в2· .

Принятое сечение провода П''₂, мм².

Полное сечение витка, м²,

П₂ = n_в2 П''₂10^-6.

Плотность тока, А/м²,

J₂ = I₂/ П₂. (6.62)

Рис. 6.12. Непрерывная катушечная обмотка

Обычно нужному сечению витка П'₂ в сортаменте обмоточного провода соответствует несколько сечений провода с различным соотношением сторон b/а, что дает возможность широкого варьирования при размещении витков в катушке. Для получения более компактной конструкции обмотки рекомендуется выбирать из сортамента более крупные сечения при меньшем числе параллельных проводов и сечения с большим возможным размером b. При этом должны соблюдаться следующие требования:

• общее число катушек должно быть четным, число различных видов катушек не более четырех;
• рабочее напряжение одной катушки при классе напряжения до 35 кВ не должно превосходить 800—1000 В; при классе напряжения ПО кВ напряжение одной катушки может достигать 1500 - 1800 В, а при классе 220 кВ — 2500—3000 В;
• при номинальном напряжении ВН 20, 35 кВ и выше все витки, служащие для регулирования напряжения, и витки с усиленной изоляцией должны быть размещены в отдельных катушках; катушки, содержащие различные числа витков или отличающиеся размерами или изоляцией, при расчете обычно для удобства обозначаются различными буквами;
• число витков в катушке может быть целым или дробным; в последнем случае знаменателем дроби должно быть число реек по окружности обмотки;
• общая высота обмотки (осевой размер) l₂ после сушки и опрессовки должна совпадать с высотой обмотки НН l₁.

Высота катушки h_кат в этой обмотке равна большему размеру провода в изоляции b'.

Входные витки (катушки) обмотки ВН при ее номинальном напряжении от 20 кВ и выше обычно выполняются с усиленной изоляцией, предотвращающей разряд между витками при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений.

Усиленная изоляция выполняется на входных катушках обмотки каждой фазы с двух ее концов. Расчет усиленной изоляции входных витков и катушек производится согласно указаниям § 4.5.

При выборе большего размера поперечного сечения провода без изоляции b его следует проверить по условиям теплоотдачи обмотки. Этот размер не должен быть больше размера, полученного по (5.6) или (5.7) при допустимом значении плотности теплового потока на поверхности обмотки (обычно не более 1200—1400 Вт/м²). Если выбранный размер b составляет не более половины полученного по (5.6) или (5.7), можно радиальные каналы в двойных катушках заменить шайбами (см. § 5.6), сохранив каналы между двойными катушками.

Осевой размер (высота) радиального канала h_к в масляных трансформаторах мощностью от 160 до 6300 кВ·А и рабочих напряжениях не более 35 кВ колеблется от 4 до 6 мм; в сухих трансформаторах — от 10 до 20 мм. В двойных катушках, если в них не делается канал, вместо канала прокладываются шайбы — по две шайбы толщиной 0,5 мм каждая на одну двойную катушку. В трансформаторах большей мощности и при напряжении обмотки 110 и 220 кВ осевой размер канала может быть выбран от 4 до 10—15 мм. Размер канала h_к во всех случаях выбирается по условиям обеспечения электрической прочности изоляции согласно указаниям § 4.5 и проверяется по условиям охлаждения (см. табл. 9.2).

Число катушек на одном стержне ориентировочно определяется по формуле

n_кат ≈ , (6.63)

где h'_к — в мм.

Для сдвоенных катушек с шайбами в двойных катушках и с каналами между двойными катушками число катушек

n_кат2 ≈ , (6.64)

Число витков в катушке ориентировочно

ω_кат2 = ω₂/n_кат2. (6.65)

Для обмотки с каналами между всеми катушками, м,

l₂ = { b'n_кат2 + k [h'_к n_кат2 - 2) + h'_кр]}·10^-3. (6.66)

Для обмотки с шайбами в двойных и с каналами между двойными катушками

l₂ = { b'n_кат2 + k [h'_к - 2) + h'_к + δ_ш]}·10^-3. (6.66)

Высота канала в месте разрыва обмотки и размещения регулировочных витков h_кр выбирается по условиям обеспечения электрической прочности изоляции согласно указаниям § 4.5. Коэффициент k, учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки обмотки, k = 0,94 - 0,96.

Радиальный размер обмотки, м,

a₂ = a'n_в2 ω_кат2·10^-3, (6.68)

где ω_кат2 — число витков катушки, дополненное до ближайшего большего целого числа; а' — радиальный размер провода, мм.

Внутренний и наружный диаметры, а также плотность теплового потока на поверхности обмотки q определяются соответственно по (6.58), (6.59), (7.19) —(7.19в).

Расстояние между обмотками ВН соседних стержней а₂2 выбирается согласно указаниям § 4.5 или 4.6.