КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ kС И ИЗОЛЯЦИОННЫХ РАССТОЯНИЙ НА МАССУ И СТОИМОСТЬ АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Расчет отдельного трансформатора обычно проводится на базе существующей серии трансформаторов с определенными конструкциями магнитных систем и обмоток, общей для всей серии конструкцией изоляции, установленными изоляционными расстояниями, известными марками активных и изоляционных материалов и общей технологией производства. В этом случае параметры короткого замыкания Р _K и u_{K l} , входящие в ряд параметров всей серии, коэффициент заполнения площади круга активным сечением стержня k _C, определяемый выбранной маркой стали и принятой технологией изготовления магнитной системы, и изоляционные расстояния главной изоляции обмоток, зависящие от конструкции главной изоляции и применяемых изоляционных материалов, по существу являются заданными для расчетчика.

При разработке новых серий обычно производится изменение, как конструкции, так и технологии производства трансформаторов, применяются новые, более эффективные или экономичные магнитные, проводниковые и изоляционные материалы, улучшаются параметры трансформаторов серии. При этом обычно стремятся уменьшить потери холостого хода Р _X и короткого замыкания Р _K, увеличить коэффициент заполнения k _C и уменьшить не в ущерб электрической прочности трансформатора изоляционные расстояния главной изоляции обмоток. Для оценки эффективности подобных изменений необходимо исследовать, как эти изменения отражаются на параметрах трансформатора, массах и стоимости его активных материалов.

Изменение потерь короткого замыкания трансформатора может быть произведено изменением плотности тока в обмотках и соответствующим изменением массы металла обмоток.

Массу металла обмоток, как было показано ранее (см. § 11.1), можно определить по формуле

Из величин, входящих в это выражение, от потерь короткого замыкания Р _K зависит только u_a = P _K(10S). Косвенно от Р _K> зависит параметр а, принимаемый постоянным для заданных потерь Р _K> , но изменяющийся при изменении Р _K> (см. § 3.5 и табл. 3.4). Таким образом,

G₀~C₁~a²/P_K (11.7)

При относительно небольших изменениях Р _K — в пределах ±20 % можно считать a = const и пользоваться упрощенной формулой

G₀~1/P_K (11.8)

Изменение плотности тока с изменением Р_К можно получить из (3.60)

(11.9)

или, если пренебречь изменением а,

J~P_К (11.10)

Зависимости между G₀, J и Р_К графически изображены на рис. 11.5 сплошными линиями для упрощенных формул (11.8) и (11.10) и штриховыми линиями для точных формул (11.7) и (11.9). При этом за 100% приняты значения G₀, J и Р_К для любого исходного известного варианта. В связи с некоторым изменением сечения обмоток и необходимостью изменения площади окна магнитной системы при изменении Р_К несколько изменится масса стали G_CT—

Рис. 11.5. Зависимость между потерями короткого замыкания Р_К, массой металла обмоток G₀ и плотностью J

1 и 2-по (П.8) и (11.10); 3 и 4- по style='mso-bidi-font-size7.0pt'>(11.7) и (11.9)

Рис. 11.6. Изменение массы стали G_CT, стоимости активной части С_а,ч и с изменением изоляционных расстояний а₁₂, l₀, а₂₂ (Р _K== const; u_K = const; G₀= const)

увеличивается с уменьшением Р _K и уменьшается с его увеличением. Графики на рис. 11.5 показывают, что при изменениях Р _K в пределах ±20 % можно с успехом пользоваться упрощенными формулами. Из кривой 1 следует также, что уменьшение потерь короткого замыкания путем уменьшения плотности тока сопряжено с существенным увеличением массы металла обмоток.

Коэффициент заполнения сталью k _C, равный произведению двух коэффициентов k_KP — коэффициента заполнения круга и k₃ — коэффициента заполнения сечения стержня, входит в число исходных данных, выбираемых до начала расчета трансформатора. От значения коэффициента k _C зависят коэффициенты А (3.30), А₁ (3.35), В₁ (3.43) и С₁ (3.52), а именно

A ~ ; A₁ ~ A³k_C ~ ~

B₁ ~ A³k_C ~ и С₁ ~ ~ ~

Коэффициенты A₂ и B₂ от k_С не зависят

А ₂ ~ A²k_С ~ ~ 1; B₂ ~ A²k_С ~ 1.

Из приведенных зависимостей следует, что с ростом k_С уменьшается масса стали G_CT (А₁ и B₁) и масса металла обмоток (С₁), а вместе с ними стоимость активных материалов, потери и ток холостого хода при сохранении неизменных значений Р_К и u_K, положенных в основу рассматриваемых выражений.

Коэффициент k₃ зависит от толщины выбранной марки стали (0,35; 0,30 или 0,27 мм) и вида изоляции пластин. Современная холоднокатаная сталь с нагревостойким электроизоляционным покрытием ЭТ (ГОСТ 21427-83) имеет коэффициент заполнения для этих толщин соответственно k₃=0,97-0,94 и без покрытия не более 0,97. Следовательно, коэффициент заполнения сечения стержня k₃ не дает реальной возможности для увеличения k _C.

Коэффициент заполнения круга k_KP зависит от числа и размеров.ступеней (пакетов) в сечении стержня. Увеличение числа ступеней с уменьшением толщины пакетов позволит увеличить k_{K P}, однако усложнит технологию изготовления магнитной системы. Ограниченные возможности увеличения коэффициента k_KP для диапазона диаметров стержня от 0,08 до 0,75 м рассмотрены в § 8.1.

Основные изоляционные расстояния главной изоляции обмоток — ширина канала между обмотками ВН и НН а₁₂, расстояние от обмотки ВН до ярма l₀ и расстояние между обмотками ВН соседних фаз а₂₂ — в явном виде входят в формулы (3.36) и (3.44), определяющие массу стали магнитной системы, а расстояние а₁₂ в скрытом виде входит также в выражение (3.30), служащее основой системы обобщенного расчета магнитной системы и обмоток. Влияние размеров изоляционных расстояний на массу активной части сказывается в большей степени в трансформаторах с более высоким номинальным напряжением обмоток ВН, а в трансформаторах с одинаковыми номинальными напряжениями— при относительно меньших мощностях.

При проектировании новых серий всегда стремятся уменьшить изоляционные расстояния применением новых материалов, обладающих повышенной электрической прочностью, и новых улучшенных изоляционных конструкций или снижением испытательных напряжений. Во всех этих случаях представляется интересным оценить, в какой степени является эффективным то или иное мероприятие по уменьшению изоляционных расстояний.

Исследование этого вопроса проведено путем расчета по обобщенному методу нескольких вариантов трехфазного двухобмоточного трансформатора типа ТДН-25000/110 мощностью 25 000 кВ·А с напряжением обмотки ВН ПОкВ. Расчет производился по методике, описанной в § 3.5 и 3.6 для пяти вариантов изоляционных расстояний a₁₂, l₀ и а₂₂, составляющих 70, 80, 90, 100 и 110 % соответствующих расстояний в серии трансформаторов с напряжением ВН 110 кВ. При расчете была принята сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм по ГОСТ 21427-83 при неизменных потерях короткого замыкания Р _K и u_K= 10,5 %.

Изменение а₁₂ отражается при расчете на коэффициентах А, А₁, А₂, В₁, В2 и С₁. Кроме того, коэффициенты А₂ и В₂ зависят также от l₀ и от а₁₂ и а₂₂- Поэтому в результате расчетов были получены варианты трансформаторов с различными массами стали G_CT и металла обмоток G₀. При этом уменьшение изоляционных расстояний при сохранении одного значения при неизменных Р _K и u_K приводило к уменьшению диаметра d, снижению массы стали и некоторому увеличению массы металла обмоток. Масса металла обмоток при этом увеличивается потому, что уменьшение изоляционного расстояния а₁₂ приводит к уменьшению приведенной ширины канала между обмотками ВН и НН а_Р, и для сохранения значения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания u_P в (7,32) приходится уменьшать напряжение одного витка u_B и увеличивать число витков обмоток.

Поскольку увеличение массы металла обмоток является нежелательным, были подобраны такие значения , при которых масса металла обмоток остается неизменной при всех вариантах изоляционных расстояний.

Результаты расчетов представлены в виде кривых на рис. 11.6. Снижение изоляционных расстояний на 20—30 % по сравнению с расстояниями в реальном трансформаторе типа ТДН-25 000/110 может привести к снижению массы стали, а следовательно, и потерь холостого хода на 7—10 % и стоимости активной части на 3—4 %. С увеличением мощности трансформатора при сохранении напряжения обмотки ВН 110 кВ эффект от уменьшения изоляционных расстояний будет соответственно уменьшаться.