Проектирование силового трехфазного трансформатора

Классом напряжения обмотки трансформатора называют ее длительно допустимое рабочее напряжение. Класс совпадает с номинальным напряжением электрической сети, в которую обмотка включается. Каждому классу напряжения соответствуют определенные испытательные переменные напряжения при промышленной частоте и импульсные. Классом напряжения трансформатора считают класс напряжения обмотки ВН.

По расположению на стержне  обмотки подразделяют на концентрические (рис. 5.1, а) и чередующиеся (рис. 5.1, б). При использовании концентрических обмоток в силовых трансформаторах обмотка НН располагается внутри, а ВН - снаружи.

Основным элементом  каждой обмотки является виток, который  состоит из одного или нескольких параллельных проводников. Совокупность витков, соединенных последовательно, образует катушку. Обмотка может состоять из одной или нескольких катушек. Витки, вплотную намотанные на цилиндрической поверхности, образуют слой.

Катушки называют «правыми», если обход вдоль витков совершается  по часовой стрелке, и «левыми», если обход идет против часовой стрелки (по аналогии с обозначением резьбы винта) (рис. 4.2). От направления намотки  витков зависит направление ЭДС, индуцированной в катушке, и направление магнитных силовых линий. По соображениям удобства изготовления большинство обмоток трансформаторов выполняют с левой намоткой.

 

Рис.5.1. Концентрические  и чередующиеся обмотки	Рис. 5.2. Направления  намотки катушек

 

Силовые трансформаторы должны позволять регулировать напряжение на нагрузке в небольших пределах. Такое регулирование напряжения осуществляется изменением коэффициента трансформации. С этой целью одна из обмоток (обмотка ВН) должна иметь несколько отпаек. В силовых трансформаторах предусматривается два вида регулирования напряжений силового трансформатора:

- регулирование напряжения путем переключения ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети;

- регулирование напряжения  под нагрузкой (РПН), без отключения  обмоток трансформатора от сети.

В масляных трансформаторах мощностью от 25 до 200000 кВА с ПБВ стандартами ГОСТ 12022-66; 11920-73 и 12965-74 предусмотрено выполнение на обмотках ВН четырех ответвлений на +5; +2,5; -2,5 и -5% от номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением.

5.2. Выбор типа обмоток

 

Проектирование обмоток трансформатора осуществляется с учетом производственных и эксплуатационных требований, предъявляемых к ним.

Производственные требования сводятся к оптимизации затрат материалов и труда на производство трансформатора. Это обеспечивается выбором рационального типа обмотки, материала обмоточного провода, компактным размещением и распределением витков и катушек чтобы ограничить расход обмоточного провода и обеспечить наилучшее заполнение окна магнитопровода.

К эксплуатационным требованиям относятся механическая прочность при воздействии сил короткого замыкания и ограниченный нагрев обмоток в номинальном режиме работы.

Механическая прочность обеспечивается рациональным расположением витков и катушек так, чтобы ограничить возникающие электромагнитные усилия.

Для достижения необходимой нагревостойкости следует обеспечить эффективную  теплоотдачу от обмотки в охлаждающую  среду путем создания развитой охлаждающей  поверхности и выбором рациональной плотности тока. Требование эффективной теплоотдачи ограничивает радиальный размер обмотки между двумя охлаждающими поверхностями.

Основные параметры для выбора типа обмоток следующие:

1. Мощность трансформатора (S, кВА).

2. Ток фазы обмотки (I_ф, А).

3. Номинальное напряжение (U_ном , кВ) .

4. Сечение витка обмотки  (П, мм² ).

5. Схема регулирования  напряжения (для обмоток ВН).

На выбор схемы регулировочных ответвлений влияет ряд факторов:

- схема соединения  обмоток;

- тип обмотки;

- механическая прочность  при коротких замыканиях;

- напряжение между частями обмотки.

На рис. 5.3 показаны наиболее употребительные схемы выполнения регулировочных ответвлений в обмотках ВН трансформаторов и стандартные обозначения начал, концов и ответвлений обмоток ВН.

Рис. 5.3. Различные схемы  выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании  напряжения без возбуждения ПБВ.

При соединении обмоток  в звезду наиболее целесообразны  схемы рис. 5.3, а, б, в, поскольку допускают применение наиболее простого и дешевого переключателя - одного на три фазы трансформатора. В этих схемах рабочее напряжение между отдельными частями переключателя не превышает 10% линейного напряжения трансформатора. Схема по рис. 5.3, г требует или трех отдельных переключателей для каждой фазы или одного трехфазного переключателя.  В последнем рабочее напряжение между отдельными его частями может достигать 50% номинального напряжения обмотки, однако и такие переключатели находят широкое применение.

При соединении обмоток  треугольником наиболее целесообразна  схема по рис. 5.3, г. В схемах регулирования, по рис. 4.3, а, б регулировочные витки каждой фазной обмотки присоединяются к линейному зажиму соседней фазы и рабочее напряжение между контактами различных фаз на переключателе достигает 100% номинального напряжения обмотки. Схема по рис. 5.3, в при соединении обмотки в треугольник не применяется.

Схемы регулирования  по рис. 5.3, а, б могут быть реализованы в цилиндрических обмотках, а по рис. 5.3, в, г - в катушечных. Особенностью схемы по рис. 5.3, в является то, одна половина обмотки мотается правой, а другая левой намоткой.

Для снижения механических усилий, действующих на обмотку при  коротком замыкании, рекомендуется  размещать симметрично относительно середины высоты обмотки, например по схемам рис. 5.3, б, в, г. Схема по рис. 5.3 а для регулирования напряжения при многослойной цилиндрической обмотке применяется в трансформаторах мощностью до 160 кВА.

При регулировании напряжения  по схемам на рис. 5.3, в и г в месте разрыва обмотки в середине ее  высоты образуется изоляционный промежуток в виде горизонтального радиального масляного канала. Иногда этот канал заполняется набором шайб, изготовленных из электроизоляционного картона. Размер этого промежутка по схеме рис. 5.3, в определяется половиной фазного напряжения обмотки, а при схеме по рис. 5.3 г - примерно 0,1 фазного напряжения. Увеличение этого промежутка нежелательно, так как приводит к существенному увеличению осевых механических сил в обмотках при коротком замыкании, возрастающих также и с ростом мощности трансформатора. Именно это обстоятельство ограничивает применение схемы по рис. 5.3, в напряжением не свыше 38,5 кВ и мощностью не более 1000 кВА.

Указанные выше соображения  позволяют выбрать тип обмоток (первичной и вторичной) по табл. 5.1.

.  

Таблица 5.1.

Основные  свойства и пределы применимости обмоток разных типов

 

Тип обмотки	Применение	Основные достоинства	Основные недостатки		Диапазон значений критериев выбора (ориентировочно)				Число параллельных проводов в витке	Схема регулирования напряжения рис.4.3
					Мощность трансформатора, S, кВА	Сечение витка, П, мм2	Ток на стержень, I, А	Линейное напряжение, U, кВ
Цилиндрическая одно- и двухслойная  из прямоугольного провода	НН  (ВН)	Технологичность, Хорошее охлаждение	Малая механическая прочность	М	До 630	5-250	15-800	До 6	1-8
				А	До 630	7-300	10-650	До 6	1-8
Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода	ВН  (НН)	Технологичность, Хорошее заполнение окна магнитопровода	Меньшая поверхность охлаждения (по равнению с обмотками, имеющими радиальные каналы)	М	630 - 80000	5-400	15-1200	10, 35	1-8	а, б
				А	16000 -25000	7-500	10-1200	10, 35	1-8
Цилиндрическая многослойная из круглого провода	ВН  (НН)	Технологичность	Ухудшение теплоотдачии уменьшение механической прочности при большой мощности	М	До 630	0.11-42	0.3-100	До 35	1-2	а, б
				А	До 630	1 - 50	2-135	До 35	1
Винтовая одно- и  многоходовая	НН	Механическая прочность, надежная изоляция, хорошее охлаждение	Высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой	М	160 и выше	75 и более	300 и более	До 35	4-16
				А	100 и выше	75 и более	150 и более	До 35	4-16
Непрерывная катушечная (спиральная)	ВН (НН)	Электрическая и механическая прочность, хорошее охлаждение	Повышенная сложность технологии (необходимость перекладки катушек)	М	160 и выше	5 и более	15 и более	3-220	1-5	в, г
				А	100 и выше	7 и более	10 и более	3- 220	1-5

 

 

5.3. Расчет обмоток

 

5.3.1. Число витков в  фазе обмотки НН

(5.1)

Полученное по (5.1 ) значение w₁ округляется до ближайшего целого числа. При этом корректируется ЭДС одного витка

В

(5.2)

5.3.2. Число витков обмотки  ВН при номинальном напряжении

(5.3)

5.3.3. Напряжение одной  ступени регулирования

В.

(5.4)

5.3.4. Число витков одной  ступени регулирования при соединении  обмотки  ВН в звезду

(5.5)

Полученное по ( 5.5 ) значение w_2р округляется до ближайшего целого числа.

5.3.5. Полное число витков  обмотки  ВН (при четырех ступенях регулирования)

(5.6)

5.3.6. Число витков основной  части обмотки  ВН (при четырех  ступенях регулирования)

(5.7)

 Дальнейший расчет  определяется выбранным типом  обмоток  (первичной и вторичной). Ниже приведена методика расчета обмоток разных типов.

 

5.3.1. Цилиндрическая одно- и двухслойная обмотка из прямоугольного провода

Эти обмотки используются в качестве обмоток низкого напряжения (иногда высокого напряжения). Однослойная  обмотка применяется при мощности трансформатора до 18 кВА. При большей мощности используется двухслойная обмотка.

Рис.5.4.  Цилиндрическая двухслойная обмотка	Рис.5.5.Сечение  витка обмотки	Рис.54.6.Размеры  двухслойной цилиндрической обмотки с осевым каналом

 

5.3.1.1. Число витков в слое обмотки

(5.8)

где n_сл – число слоев обмотки (1 или 2).

5.3.1.2. Ориентировочный осевой размер витка

мм

(5.9)

где l – высота обмотки (мм), предварительно определенная на этапе выбора главных размеров.

5.3.1.3. По полученным значениям П (П₁ или П₂)и h_в выбирается провод из сортамента обмоточного провода по табл. 5.7, 5.8.

При невозможности выбора одного провода выбирается несколько  параллельных проводов. При этом число  параллельных проводов при намотке  плашмя не более 6, при намотке на ребро не более 8 (предпочтительна намотка провода плашмя). Суммарное сечение параллельных проводов равно сечению витка.

П₁=177/6=29,5 мм²

Для обеспечения эффективной  теплоотдачи радиальный размер провода (между двумя охлаждающими каналами) не должен превышать предельного значения, определяемого допустимой плотностью теплового потока (q, Вт/м²) по рис. 5.13 Для масляных трансформаторов  q = 1200 – 1500 Вт/м².

Размеры выбранного провода  записываются в следующем виде:

Изоляция нормальная на две стороны 0,5мм.

а=4,4 мм

в=6,9 мм

5.3.1.4. Полное сечение витка из n_в параллельных проводов

мм2

(5.10)

где П^/ = 4,9*7,4 = 36,26 мм² - сечение одного провода (мм²).

5.3.1.5. Осевой размер витка 

мм

(5.11)

где b^/ - осевой размер провода в изоляции (мм).

5.3.1.6. Осевой размер обмотки

мм

(5.12)

5.3.1.7. Радиальный размер обмотки (мм):

мм

(5.13)

где a^/ - радиальный размер провода в изоляции (мм),

a_к – радиальный размер канала между двумя слоями, который выбирается по  условиям  охлаждения в соответствии с рекомендациями табл. 5.5.

a_к=5мм; a^/=4,9мм

5.3.1.8. Уточненная плотность тока

А/мм2 .

(5.14)

5.3.1.9. Поверхность охлаждения обмотки трех фаз (ориентировочно)

(5.15)