Проектирование трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

электрические машины

Методические указания

к расчету курсового проекта

(курсовой работы) по трансформаторам

Новосибирск

2009

Составители:О.Н. Савилов, В. А. Тюков,

Д. И. Багазей, Т. В. Честюнина.

Рецензент Г. А. Шаншуров

Работа подготовлена на кафедре электромеханики

Новосибирский государственный технический университет, 2009

Предисловие

Настоящее учебно-методическое руководство может быть использовано при выполнении курсового проекта по дисциплинам «Электрические машины» и «Электромеханика». В руководстве приведены необходимые сведения об устройстве и методах расчета трансформаторов на уровне достаточном для успешного освоения дисциплины.

На протяжении более чем полвека кафедра «Электромеханика» выпускает специалистов электромехаников и неизменно ведет занятия на факультетах электромеханического, электротехнического, энергетического и радиотехнического профилей. Базовая учебная литература в основном издавалась центральными издательствами СССР. Классическим учебным пособием считается: Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. Изд. 5-е, перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1986.

Естественно во многих вузах соответствующего профиля издавались методические указания, руководства и пособия. Достаточное количество работ по освоению трансформаторов создано в различные годы преподавателями кафедры «Электромеханика»: Таскиной Г. Г., Мацановой А. Л., Сагайдаком В. А., Савиловой Э. Е.

Каждое учебно-методическое издание с широким и длительным использованием студентами имеет сохранность примерно 6 лет. Поэтому необходимость настоящего руководства предопределена, в нем учтен весь предыдущий опыт и характерное отношение современных студентов к приобретению знаний и умений.

Руководство соответствует программам дисциплин, читаемых преподавателями кафедры «Электромеханики» и графику учебного процесса НГТУ.

Основная цель выполнения проекта по трансформаторам - закрепить знания, полученные студентом при изучении курса электрических машин, и применить их к решению реальных инженерных задач.

В процессе работы над проектом студент должен углубить свои знания по теории трансформаторов, ознакомиться с современной практикой проектирования трансформаторов, научиться пользоваться рекомендуемой литературой, справочниками, каталогами, стандартами, заводскими чертежами.

При работе над проектом студент должен стремится к творческому решению конкретных задач, должен научиться анализировать достоинства и недостатки возможных проектных решений и использовать в проекте достижения трансформаторостроения. В проекте выполняется расчет силового трехфазного трансформатора воздушного (сухого) или масляного охлаждения. Магнитопровод трансформатора трехстержневой, плоский. Рассчитанный трансформатор должен отвечать действующим ГОСТам.

В задании на проектирование трансформатора указываются следующие данные:

1. тип трансформатора, (способ охлаждения) схема и группа соединения обмоток;

2. частота питающей сети Гц;

3. номинальная мощность трансформатора , кВА;

4. номинальное линейное напряжение обмотки высокого напряжения (ВН) , кВ;

5. номинальное линейное напряжение обмотки низкого напряжения (НН) , кВ;

6. потери короткого замыкания , Вт;

7. потери холостого хода , Вт;

8. напряжение короткого замыкания , %;

9. ток холостого хода , %;

10. режим работы S1 (длительный);

11. изоляция класса А;

12. материал проводников обмоток - алюминий.

Проект состоит из двух частей расчетной и графической.

Расчетная часть включает в себя следующие разделы:

1. Расчет основных электрических величин.

2. Определение основных размеров трансформатора.

3. Расчет обмоток.

4. Расчет потерь короткого замыкания.

5. Расчет напряжения короткого замыкания.

6. Расчет магнитной цепи.

7. Расчет характеристик трансформатора.

По результатам расчета оформляется расчетно-пояснительная записка (формат А-4).

Графическая часть выполняется на листе ватмана (или миллиметровой бумаги) формата А2 и содержит две проекции «Остова с закрепленными обмотками», с разрезами и основными размерами (прил. 2).

1. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Номинальный (линейный) ток обмотки ВН, А

Номинальный (линейный) ток обмотки НН, А

Фазный ток обмотки ВН (действующее значение),

- при соединении в звезду,

- при соединении в треугольник.

Фазный ток обмотки НН (действующее значение), А

- при соединении в звезду,

- при соединении в треугольник.

Фазное напряжение обмотки ВН (действующее значение), В

- при соединении в треугольник,

- при соединении в звезду.

Фазное напряжение обмотки НН (действующее значение), В

- при соединении в треугольник,

- при соединении в звезду.

Нормированные испытательные напряжения обмоток трансформатора и определяются по величине заданных линейных напряжений и по табл.1.1. При <1кВ равно: - 5кВ для масляных трансформаторов, - 3кВ для сухих трансформаторов.

Нормированные испытательные напряжения силовых трансформаторов

Таблица 1.1

Значение заданного напряжения, кВ	3	6	10	15	20	35
Испытательное напряжение для масляного трансформатора, кВ	18	25	35	45	55	85
Испытательное напряжение для сухого трансформатора, кВ	10	16	24	37	-	-

П р и м е ч а н и е: при отличии заданного напряжения от табличного брать ближайшее по значению.

Изоляционные расстояния главной изоляции в трансформаторе выбираются в зависимости от испытательных напряжений по табл. 1.2, 1.3

Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН

Таблица 1.2

Масляные трансформаторы

Мощность ,кВА	, кВ	, мм	Вид изоляции	, мм	Вид изоляции
25-250	5	4	Масляный промежуток и картон, 2х0,5 мм	15	Опорная изоляция из дерева или электрокартона
400-630	5 (прим.1)	5		Принимается равным найденному по табл.1.3
1000-2500 630-1600 630 и выше 630 и выше Все мощности	5 18;25;35 45 55 85	15 15 20 23 30	Масляный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 4-6 мм

Сухие трансформаторы

Определяется только испытательным напряжением	3 (прим.2)	10	Воздушный промежуток и картон, 2х0,5 мм	15	Опорная изоляция из дерева или электрокартона
	10 (прим.2) 16 24	14 27 40	Воздушный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 2,5-6 мм	30 55 90

П р и м е ч а н и я:

1. Для винтовой обмотки при =5кВ размеры взять из следущей строки для мощностей 1000-2500 кВА.

2. Для винтовой обмотки при =3-10 кВ принимать не менее 20 мм.

3. Размеры каналов и являются минимальными с точки зрения изоляции обмоток. Эти размеры не могут быть меньше ширины каналов охлаждения и должны быть проверены по условиям отвода тепла по табл. 4.1, 4.2, 4.3 После расчета плотностей теплового потока обмоток.

Таблица 1.3

Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН

Мощность ,кВА	, кВ	, мм	Вид изоляции	,мм	Вид изоляции	,мм	Вид изоляции

Масляные трансформаторы

25-100 160-630	18;25;35 18;25;35	9 9	Масляный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 2,5-5 мм	20 30	Опорная изоляция из электрокартона или дерева	8 10	Масляный промежуток
1000-6300 630 и выше 630 и выше 160-630 1000-6300	18;25;35 45 55 85 85	20 20 20 27 27	Масляный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 4-5 мм	50 50 50 75 75		18 18 20 20 30	Масляный промежуток с перегородкой из электрокартона толщиной 2-3 мм

Сухие трансформаторы

Определяется только испытательным напряжением	3	10	Картон 2х0,5 мм	15 20 45 80	Опорная изоляция из электрокартона	10 10 25 45	Воздушный промежуток из картона с перегородкой из электрокартона толщиной 2-3 мм
	10 16 24	15 22 40	Воздушный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 2,5х5 мм

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

Наиболее распространенной конструкцией силового трансформатора является плоская магнитная система стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня и ярма, вписанного в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. (Все конструктивные размеры см. в прил. 2).

В данной работе предлагается провести проверочный расчет такого трансформатора.

Диаметр стержня трансформатора и марка стали магнитопровода влияют на главный экономический показатель - соотношение затрат обмоточного провод и стали магнитопровода. Так как подробный экономический расчет не входит в задачу настоящего проекта при выборе диаметра стержня и индукции в стержне рекомендуется пользоваться данными таблицы 2.1, выполнив пересчет и Bс пропорционально заданной мощности, если она является промежуточной между значениями, указанными в таблицах. После определения диаметра стержня его величина уточняется по нормализованному ряду: = 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.

Ориентировочная высота обмоток, выполненных из алюминиевого провода, м

Где - коэффициент геометрии трансформатора;

- средний диаметр канала a12 между обмотками НН и ВН (в начале расчета неизвестен).

В силовых трансформаторах диапазон изменения в от 1,1 до 3,5.

Окончательное значение в и, следовательно, l можно установить только после расчета uк. С ростом в увеличивается реактивная составляющая напряжения короткого замыкания.

Активное сечение стержня, м2

Где: Пфс - сечение стержня, определяется по таблице П1 приложения;

- коэффициент заполнение ступенчатой фигуры сталью определяется по таблице 2.2.

Данные для расчета трехфазных масляных трансформаторов

Таблица 2.1

Мощность , кВА	До 16	16	25	40-100	160-630	1000-1600
Ориентировоч-ный диаметр стержня , м	До 0,08	0,08	0,09	0,1-0,14	0,16-0,18	0,20	0,22	0,24-0,26	0,28-0,30
Рекомендуемая индукция в стержнях, ,Тл, для марок стали 3404, 3405	1,5ч1,55	1,55ч1,6	1,6ч1,65

Данные для расчета трехфазных сухих трансформаторов

Мощность , кВА	До 10	10	16-100	160-400	630-1000	1600
Ориентировоч-ный диаметр стержня , м	До 0,08	0,08	0,09ч0,14	0,16ч0,22	0,24ч0,26	0,28ч0,32
Рекомендуемая индукция в стержнях, ,Тл, для марок стали 3404, 3405	1,35ч1,4	1,45ч1,55	1,55ч1,6

Коэффициент заполнения для рулонной холоднокатаной стали

Таблица 2.2

Марка стали	Толщина, мм	Вид изоляционного покрытия
3404, 3405, 3406, 3407, 3408	0,35	Нагревостойкое	0,97
	0,30		0,96
3404, 3406, 3407, 3408	0,27		0,95
3404, 3405, 3406, 3407, 3408	0,35	Нагревостойкое плюс однократная лакировка	0,965
	0,3		0,955
3404, 3406, 3407, 3408	0,27		0,945

П р и м е ч а н и я: 1. При прессовке стержней путем расклинивания с внутренней обмоткой (до 630 кВА), а также в навитых элементах пространственных магнитных систем уменьшить на 0,01.

2. По этой таблице можно определить также значение для стали тех же толщин, выпускаемой иностранными фирмами.

3. При использовании листовой холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм уменьшить , полученное из таблицы, на 0,01 дополнительно к прим. 1.

4. Для стали толщиной 0,35 мм без электроизоляционного покрытия при двукратной лакировке .

3. РАСЧЕТ ОБМОТОК НН И ВН

Как правило, ближе к стержню располагают обмотку НН, которую называют внутренней. Обмотку ВН называют наружной.

Электродвижущая сила одного витка, В

где - частота питающей сети, Гц; - индукция в стержне, Тл, выбирается по табл.2.1; - активное сечение стержня, м2.

Число витков обмотки НН

- округлить до ближайшего целого числа

Заданный коэффициент трансформации

Число витков обмотки ВН

- округлить до ближайшего целого числа

Число витков для регулирования напряжения со стороны обмотки ВН

- ближайшее целое четное число.

Это число витков учитывается при определении размеров обмотки ВН, но не учитывается при определении потерь короткого замыкания.

Предварительное значение плотности тока для трансформаторов, с естественным масляным охлаждением обычно принимают

1,2…1,8 А/мм2,

для трансформаторов с естественным воздушным охлаждением (сухих)

0,8…1,3 А/мм2.

При выборе плотности тока можно увеличить плотность тока в наружной обмотке jВН по сравнению с плотностью тока во внутренней обмотке jНН по отношению к среднему значению , не более чем на 10% в масляных трансформаторах и не более чем на 30% в сухих.

Окончательное значение средней плотности тока в обмотках устанавливается после определения потерь короткого замыкания и может отличаться от указанного диапазона.

Ориентировочное сечение витка обмотки ВН, мм2

Ориентировочное сечение витка обмотки НН, мм2

Тип обмотки можно выбрать по табл.5.8[I]. Основным критерием при выборе типа обмотки предлагается считать сечение витка. Типы обмоток ВН и НН могут быть разными, если и значительно отличаются друг от друга.

В проекте рекомендуется использовать следующие типы обмоток:

- при сечении витка менее 21 мм2 - цилиндрическая многослойная из круглого провода;

- при сечении витка от 21 мм2 до 300 мм2 - цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода;

- при сечении витка свыше 300 мм2 - винтовая обмотка.

Независимо от типов обмоток ВН и НН минимальное число элементарных проводников (параллельных проводников) в одном эффективном определяется технологическими причинами

При

При - округлить до большего целого числа.

Увеличение по сравнению с минимально возможным приводит к увеличению продольной изоляции обмоток и может быть оправдано:

- в винтовых обмотках, для которых ?4, число должно быть кратно числу ходов обмотки (определяется в п. 3.10.2.1), и случаях, когда увеличение приводит к снижению радиального размера проводника и существенному снижению добавочных потерь от скин-эффекта;

- в цилиндрических обмотках из прямоугольного провода в случаях, когда увеличение приводит к уменьшению поперечного сечения обмотки из-за лучшего заполнения последнего слоя.

Расчет обмотки НН выполняется в первую очередь. Ниже излагается порядок расчета обмотки НН для двух типов: цилиндрической из прямоугольного провода (п.3.10.1) и винтовой (п.3.10.2). Расчет обмотки НН цилиндрического типа из круглого провода выполняется аналогично расчету обмотки ВН (п.3.11), при этом необходимо внести следующие изменения:

1. Индексы “ВН” и “2” заменить на “НН” и “1”.

2. В п.3.11.1.4 при вычислении числа слоев число регулировачных витков не учитывать.

3.П.3.11.1.7, 3.11.1.8 заменить на п.3.10.1.10, 3.10.1.11.

Цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода может быть выполнена в один-два слоя, соединенных последовательно, и многослойной (при числе слоев больше двух). В первом случае - число элементарных проводов (параллельных) до восьми, намотка плашмя или на ребро. При намотке на ребро отношение сторон поперечного сечения провода должно быть не менее 1,3 и не более 3. В многослойной обмотке - намотка только плашмя, число параллельных проводов до 4-8, слои соединяются последовательно, охлаждение осуществляется вертикальными каналами (рис.3.1)

В цилиндрических обмотках разбиение витка на параллельные проводники проводится только по оси обмотки.



Рис. 3.1. Цилиндрическая обмотка: а - 2-слойная обмотка из 14 витков, намотанных двумя параллельными проводами на ребро WНН=14, nсл=2, nэл=2; б - 5-слойная обмотка из 20 витков, намотанных двумя параллельными проводами плашмя WНН=20, nсл=5, nэл=2

Ориентировочная высота витка, мм

,

где - число витков в слое округлять до большего целого числа; - число слоев обмотки, =1,2,3,…,16; определяется путем рассмотрения рада вариантов по , (п. 3.10.1.2). Критерием окончательного выбора и является минимум произведения (п.п. 3.10.1.8 и 3.10.1.9) при условии .

Ориентировочные осевые размеры изолированного элементарного проводника, мм

 - намотка плашмя (рис.3.1,б);

- намотка на ребро (рис.3.1,а),

Размеры элементарного проводника в миллиметрах выбираются по табл. 3.3 , исходя из ориентировочного осевого размера проводника без изоляции () и ориентировочного сечения элементарного проводника . Радиальный размер выбранного провода не должен превышать предельного размера из табл.3.1 по условию получения добавочных потерь не выше 5 % потерь .

Предельный радиальный размер провода

Таблица 3.1

Число слоев обмотки	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Радиальный размер провода, мм	11,8	8,0	6,7	5,6	5,0	4,75	4,5	4,0	3,75	3,75

В качестве витковой изоляции используется собственная изоляция обмоточного провода. Для учебного проекта рекомендуется провод марки АПБ, изолированный лентама кабельной бумаги, как для сухих, так и для масляных трансформаторов, класс изоляции А (табл.3.2). Двусторонняя толщина изоляции для прямоугольного провода 0,5 мм, для круглого 0,4 мм.

Нормальная междуслойная изоляция в многослойных цилиндрических обмотках

Таблица 3.2

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки, , В	Число слоев кабельной бумаги на толщину листов, , мм
До 1000 От 1001-2000 2001-3000 3001-3500 3501-4000 4001-4500 4501-5000 5001-5500 До 6000	2х0,12=0,24 3х0,12=0,36 4х0,12=0,48 5х0,12=0,6 6х0,12=0,72 7х0,12=0,84 8х0,12=0,96 9х0,12=1,08 10х0,12=1,2

Номинальные размеры и сечения алюминиевого обмоточного провода марки АПБ (размеры a и b - в мм, сечения - в мм2)

Таблица 3.3

b\a	1,80	1,90	2,00	2,12	2,24	2,36	2,50	2,65	2,80	3,00	3,15	3,35	3,55	3,75	4,00	4,25	4,50	4,75	5,00	5,30	5,60	a/b
3,75	6,39	-	7,14	-	8,04	-	8,83	-		-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	3,75
4,00	6,84	7,24	7,64	8,12	8,60	8,89	9,45	10,1	10,7	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,00
4,25	7,29	-	8,14	-	9,16	-	10,1	-	11,4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,25
4,50	7,74	8,19	8,64	9,18	9,72	10,1	10,7	11,4	12,1	13,0	13,6	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,50
4,75	8,19	-	9,14	-	10,3	-	11,3	-	12,8	-	14,4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	4,75
5,00	8,64	9,14	9,64	10,2	10,8	11,3	12,0	12,7	13,5	11,5	15,2	16,2	17,2	-	-	-	-	-	-	-	-	5,00
5,30	9,18	-	10,2	-	1,5	-	12,7	-	14,3	-	16,2	-	18,3	-	-	-	-	-	-	-	-	5,30
5,60	9,72	10,3	10,8	11,5	12,2	12,7	13,5	14,3	15,1	16,3	17,1	18,2	19,3	20,1	21,5	-	-	-	-	-	-	5,60
6,00	10,4	-	11,6	-	13,1	-	14,5	-	16,3	-	18,4	-	20,8	-	23,1	-	-	-	-	-	-	6,00
6,30	11,0	11,6	12,2	13,0	13,8	14,3	15,2	16,2	17,1	18,4	19,3	20,6	21,8	22,8	24,3	25,9	27,5	-	-	-	-	6,30
6,70	11,7	-	13,0	-	14,7	-	16,2	-	18,2	-	20,6	-	23,2	-	25,9	-	29,3	-	-	-	-	6,70
7,10	12,4	13,1	13,8	14,7	15,5	16,2	17,2	18,3	19,3	20,8	21,8	23,2	24,7	25,8	27,5	29,3	31,1	32,9	34,6	-	-	7,10
7,50	13,1	-	14,6	-	16,4	-	18,2	-	20,5	-	23,1	-	26,1	-	29,1	-	32,9	-	36,6	-	-	7,50

b\a	1,80	1,90	2,00	2,12	2,24	2,36	2,50	2,65	2,80	3,00	3,15	3,35	3,55	3,75	4,00	4,25	4,50	4,75	5,00	5,30	5,60	a/b
8,00	14,0	14,8	15,6	16,6	17,6	18,3	19,5	20,7	21,7	23,5	24,7	26,3	27,9	29,1	31,1	33,1	35,1	37,1	39,2	41,5	43,9	8,00
8,50	14,9	-	16,6	-	18,7	-	20,7	-	23,3	-	26,2	-	29,6	-	33,1	-	37,4	-	41,6	-	46,7	8,50
9,00	15,8	16,7	17,6	18,7	19,8	20,7	22,0	23,3	24,7	26,5	27,8	29,6	31,4	32,9	35,1	37,4	39,6	41,9	44,1	46,8	49,5	9,00
9,50	16,7	-	18,6	-	20,9	-	23,2	-	26,1	-	29,4	-	33,2	-	37,1	-	41,9	-	46,6	-	52,1	9,50
10,00	17,6	18,6	19,6	20,8	22,0	23,1	24,5	26,0	27,5	29,5	31,0	33,0	35,0	36,6	39,1	41,6	44,1	46,6	49,1	52,1	55,1	10,00
10,60	18,7	-	20,8	-	23,4	-	26,0	-	29,1	-	32,8	-	37,1	-	41,5	-	46,8	-	52,1	-	58,5	10,60
11,20	-	-	-	23,4	24,7	25,9	27,5	29,1	30,8	33,1	34,7	37,0	39,2	41,4	43,9	46,7	49,5	52,3	55,1	58,5	61,9	11,20
11,80	-	-	-	-	26,1	-	29,0	-	32,5	-	36,6	-	41,3	-	46,3	-	52,2	-	58,1	-	65,2	11,80
12,50	-	-	-	26,1	27,6	29,0	30,7	32,6	34,5	37,0	38,8	41,3	43,8	46,0	49,1	52,3	55,4	58,5	61,6	65,4	69,1	12,50
13,20	-	-	-	-	-	-	32,5	-	36,4	-	41,0	-	46,3	-	51,9	-	58,5	-	65,1	-	73,1	13,20
14,00	-	-	-	-	-	32,5	34,5	36,6	38,7	41,5	43,6	46,4	49,2	52,0	55,1	58,6	62,1	65,6	69,1	73,3	77,5	14,00
15,00	-	-	-	-	-	-	37,0	-	41,5	-	46,7	-	52,7	-	59,1	-	66,6	-	74,1	-	83,1	15,00
16,00	-	-	-	-	-	-	-	41,9	44,3	47,5	49,9	53,1	56,3	59,1	63,1	67,1	71,1	75,1	79,1	83,9	88,7	16,00
17,00	-	-	-	-	-	-	-	-	47,2	-	53,2	-	59,4	-	67,1	-	75,6	-	84,1	-	94,3	17,00
18,00	-	-	-	-	-	-	-	-	-	53,1	55,8	59,4	63,0	66,6	71,1	75,6	80,1	84,6	89,1	94,5	99,9	18,00

Рис. 3.2. Сечения витка: а - при nэл=4, намотанных на ребро; б - при nэл=3, намотанных плашмя

Запись выбранного проводника рекомендуется проводить в виде:

провод ,

где - число параллельных проводов;

- размеры провода без изоляции/размеры провода с изоляцией;

; ; - по табл.3.3;

- Нормализованное сечение элементарного проводника.

После выбора размеров проводника необходимо выполнить в масштабе эскиз витка по аналогии с рис.3.2

Высота витка, мм

- намотка на ребро;

- намотка плашмя.

Сечение витка, мм2

Уточненная плотность тока

,

Осевой размер обмотки, мм

Радиальный размер обмотки, мм

- обмотка без вертикальных каналов (здесь и ниже индекс “1” в размерах обмотки соответствует обмотке НН)

- намотка плашмя;

- намотка на ребро;

- обмотка с вертикальными каналами

- намотка плашмя,

- намотка на ребро,

где - междуслойная изоляция, выбирается по табл.3.2 по величине рабочего напряжения между слоями ; - число вертикальных каналов; предварительное число вертикальных каналов можно определить по заданным потерям короткого замыкания

- округлить до большего целого числа; при принять .

где a1 - для обмоток без каналов;

- для масляных трансформаторов;

- для сухих трансформаторов.

Ширина канала bк (целые числа) определяется по табл. 4.1 и 4.2.

Окончательные величины и bк определяются после расчета и (п. 4.6).

Внутренний диаметр обмотки, м

,

где - изоляционное расстояние от стержня до обмотки НН, выбирается по по табл.1.2. и корректируется после выбора bк (см. примечание к табл. 1.2 и 1.3).

Наружный диаметр обмотки, м

Поверхность охлаждения обмоток НН, м2:

- обмотка без вертикальных каналов

,

- обмотка с вертикальными каналами

Где = 0,75 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки рейками и другими изоляционными деталями.

Масса металла обмотки, кг

,

Где =2700 кг/м3.

Примечание. , , - в м, м2.

Винтовая обмотка применяется только как обмотка НН.

Минимальное число параллельных проводов - 4, намотка только плашмя. Подобно резьбе винта обмотка может быть одноходовой (рис.3.3,а), двухходовой (рис.3.3,б), в отдельных случаях - четырехходовой.

В большинстве случаев в двухходовых и четырехходовых обмотках горизонтальные каналы делаются как между витками (рис.3.3,б), так и внутри витка.

Ориентировочная высота витка,мм, определяет количество ходов обмотки. Одноходовая винтовая обмотка выполняется при условии

;

двухходовая винтовая обмотка - при условии

;

четырехходовая винтовая обмотка - при условии

,

короткий замыкание трансформатор ток

где - величина горизонтального канала между витками выбирается по табл. 4.1 и 4.3.

Рис. 3.3 Винтовая обмотка: а - одноходовая из 6 витков. ; б - двухходовая из 4 витков без радиальных (горизонтальных) каналов внутри витка,

Ориентировочный осевой размер изолированного проводника, мм

- для одноходовой обмотки,

- для двухходовой обмотки,

- для четырехходовой обмотки,

- для двухходовой обмотки,

- для четырехходовой обмотки.

Размеры элементарного неизолированного проводника в миллиметрах выбираются по табл. 3.3 по ориентировочному осевому размеру подбором числа таким образом, чтобы число элементарных проводников было кратным числу ходов обмотки.

Запись выбранного проводника рекомендуется проводить в виде:

провод ,

где - число параллельных проводов;

- ;

- нормализованное сечение элементарного проводника.

После выбора размеров проводника необходимо выполнить в масштабе эскиз витка по аналогии с рис. 3.3.

Сечение витка, мм2

Уточненное значение плотности тока

Высота обмотки, мм

одноходовая

,

двухходовая без канала внутри витка

,

четырехходовая с одним каналом внутри витка

.

Радиальный размер обмотки, мм

одноходовая

,

двухходовая

,

четырехходовая

.

Внутренний диаметр обмотки, м

,

где - изоляционное расстояние от стержня до обмотки НН, выбирается по по табл.1.2 и уточняется после выбора bк.

Наружный диаметр обмотки, мм

Масса металла обмотки, кг

,

где =2700 кг/м3.

Примечание. , , - в м, м2

Поверхность охлаждения, м2:

одноходовая

;

двухходовая без канала внутри витка

;

четырехходовая с одним каналом внутри витка

;

где =0,75 - коэффициент, учитывающий уменьшение поверхности за счет реек и изоляционных деталей.

Расчет обмотки ВН показан на примере многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода. Расчет обмотки ВН цилиндрического типа из прямоугольного провода выполняется аналогично расчету обмотки НН (п.3.10.1), при этом необходимо внести следующие изменения:

1. Индексы “НН” и “1“ заменить на ”ВН“ и ”2”.

2. В п.3.10.1.1 при вычислении учесть .

3. П.3.10.1.10, 3.10.1.11 заменить на п.3.11.1.7, 3.11.1.8.

4. В п.3.10.1.1 l заменить lнн.

Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода наиболее часто применяется для обмотки ВН, при этом число параллельных проводов выбирается не более 2.

Размеры проводника, мм. По рассчитанному сечению подбирается нормализованное сечение и диаметр по табл.3.4. Запись выбранного проводника рекомендуется проводить в виде:

провод ,

где - ;

,

- двухсторонняя толщина изоляции по п.3.10.1.4.

Номинальные размеры сечения круглого алюминиевого неизолированного провода марки АПБ

Таблица 3.4

Сечение , мм2	Диаметр , мм	Сечение , мм2	Диаметр , мм	Сечение , мм2	Диаметр , мм
1,37 1,51 1,77 2,015 2,27 2,545 2,805 3,14 3,53 3,94	1,32 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,12 2,24	4,375 4,91 5,515 6,16 7,07 7,795 8,81 9,895 11,05 12,55	2,36 2,50 2,65 2,80 3,00 3,15 3,35 3,55 3,75 4,00	13,2 14,2 15,9 17,7 19,63 21,22 22,06 28,26 50,24	4,10 4,25 4,5 4,75 5,00 5,20 5,30 6,00 8,00

Уточненная плотность тока, А/мм2

где

Число витков в слое

округляем до ближайшего целого числа.

Число слоев в обмотке

- округлить до целого большего числа.

Радиальный размер обмотки ВН, мм:

(здесь и ниже индекс “2” в размерах обмотки соответствует обмотке ВН). Обмотка без вертикальных каналов

;

Обмотка с вертикальными каналами

,

где - толщина междуслойной изоляции, выбирается по табл.3.2 по величине рабочего напряжения между слоями ; - число вертикальных каналов и их ширина принимается такими же как и в обмотке НН (см. п. 3.10.1.9).

Высота обмотки ВН, мм

Внутренний диаметр обмотки ВН, м

,

где - изоляционное расстояние от обмотки НН до обмотки ВН, выбирается по по табл.1.3.

Наружный диаметр обмотки ВН, м

Поверхность охлаждения, м2

- обмотка без вертикальных каналов

,

- обмотка с вертикальными каналами

,

где =0,8 - коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности обмотки крепящими и изолирующими деталями.

Масса металла обмоток, кГ

,

где =2700 кГ/м2.

Масса металла обмоток НН и ВН, кг

.

4. Потери короткого замыкания

Основные потери в обмотках при расчетной температуре 75°С, Вт

,

,

где омическое сопротивление, Ом

,

,

Ом·мм2/м - удельное сопротивление алюминиевого провода, приведенное к нормированной расчетной температуре обмоток +75°С (для классов нагревостойкости А и В).

Средний коэффициент добавочных потерь , учитывающий увеличение основных электрических потерь в обмотках при протекании по ним переменного тока, рассчитывается для обмоток ВН () и НН (). При расчете все размеры подставлять в метрах.

Для обмоток из прямоугольного провода (рис.4.1,а)

,

где , - число элементарных проводников по оси обмотки; - размер неизолированного проводника по оси обмотки; - размер неизолированного проводника по радиусу обмотки, - высота обмотки (соответственно или ), - число элементарных проводников по радиусу обмотки.

Примечание. При намотке на ребро: - размер неизолированного проводника по оси обмотки; - размер неизолированного проводника по радиусу обмотки.

Для цилиндрической обмотки из круглого провода (рис.4.1,б)

,

где ; - число элементарных проводников по оси обмотки; - диаметр неизолированного провода; - высота обмотки (соответственно или ), - число элементарных проводников по радиусу обмотки.

Обычно для правильно выбранных размеров цилиндрических обмоток.

Рис. 4.1. К определению добавочных потерь в обмотках

Для винтовой обмотки при коэффициент добавочных потерь от вихревых токов необходимо умножить на коэффициент добавочных потерь от циркуляционных токов в параллельных проводниках - .

,

где ; - частота питающей сети, Гц; =0,0344 мкОмм - Удельное электрическое сопротивление алюминиевого провода; - число элементарных проводников по оси обмотки; - число элементарных проводников по радиусу обмотки; - размер неизолированного проводника по оси обмотки; - размер неизолированного проводника по радиусу обмотки, - высота обмотки НН.

Потери в отводах, Вт

,

,

где - вес отводов, кг; общая длина отводов, м:

- при соединении обмоток в звезду;

- при соединении обмоток в треугольник;

=2700 кГ/м3; - А/мм2; - м2

В силовых трансформаторах общего назначения потери в отводах составляют, как правило, не более 5-8% потерь короткого замыкания. Добавочными потерями в отводах пренебрегаем.

Потери в баке и металлических конструкциях, Вт:

,

Где =0,015…0,025; - подставляется в кВА.

В сухих трансформаторах потерями в металлических конструкциях пренебрегаем.

Потери короткого замыкания трансформатора, Вт

Значение для масляных и сухих трансформаторов общего назначения регламентированы соответствующими стандартами и не должны отклоняться от заданных более чем на 5%.

При получении выше заданного предела необходимо уменьшить плотность тока в обмотках.

Плотность теплового потока на охлаждаемой поверхности, Вт/м2:

- Обмотки НН

;

- Обмотки ВН

.

Для масляных трансформаторов удельный тепловой поток как правило не должен ниже и не превышает величину и регулируется количеством каналов .

В сухих трансформаторах удельный тепловой поток должен соответствовать табл. 4.2. и 4.3. и регулируется как количеством каналов так и их шириной.

Минимальная ширина охлаждающих каналов в обмотках. Масляные трансформаторы.

Таблица 4.1

Вертикальные каналы	Горизонтальные каналы
Длина канала, мм	Обмотка-обмотка, мм	Обмотка-цилиндр, мм	Обмотка-стержень, мм	Длина канала, мм	Обмотка-обмотка, мм
До 300	4-5	4	4-5	До 40	4
300-500	5-6	5	5-6	40-60	5
500-1000	6-8	5-6	6-8	60-70	6
1000-1500	8-10	6-8	8-10	70-80	7

Сухие трансформаторы, вертикальные каналы. Выбор ширины канала по допустимому превышению температуры и плотности теплового потока на поверхности обмотки q.

Таблица 4.2

Класс изоляции	Допустимое превышение температуры, °С	Плотность теплового потока, Вт/м2, при ширине канала, мм
		7	10	15
А	60	160	300	380
Е, В	75-80	230	450	550
F	100	300	600	720
H	125	380	800	950

Сухие трансформатор, горизонтальные канала. Выбор ширины канала по допустимому превышению температуры и плотности теплового потока на поверхности обмотки q.

Таблица 4.3

Класс изоляции	Допустимое превышение температуры, °С	Плотность теплового потока, Вт/м2, при ширине канала, мм
		8	12	15
А	60	280	380	450
Е, В	75-80	320	420	540
F	100	420	540	720
H	125	580	720	1000

5. Напряжение короткого замыкания

Напряжение короткого замыкания определяет внешнюю характеристику и ток короткого замыкания трансформатора. Величина является паспортной величиной, и при расчете не допускается отклонение более чем на 5%.

Напряжение короткого замыкания двухобмоточного трансформатора называется приведенное к расчетной температуре напряжение, первичной обмотки в режиме короткого замыкания вторичной обмотки и номинальном токе в ней.

Параметры схемы замещения при коротком замыкании, Ом (рис.5.1)

- активное сопротивление обмоток;

- активное сопротивление первичной обмотки;

- активное сопротивление вторичной обмотки;

- индуктивное сопротивление обмоток (п. 5.3);

- индуктивное сопротивление первичной обмотки, эквивалентное потоку рассеяния;

- индуктивное сопротивление вторичной обмотки, эквивалентное потоку рассеяния.



Рис. 5.1. Схема замещения КЗ для одной фазы трансформатора.

Первичной считать ту сторону (обмотку), где величина напряжения равна сетевому гостированному напряжению согласно табл. 5.1.

Таблица 5.1.

Номинальные междуфазные линейные напряжения

Сетевое гостированное напряжение, кВ	0,22	0,38	0,66	3	6	10	20	35
Первичные обмотки, кВ	0,22	0,38	0,66	3 3,15	6 6,3	10 10,5	20	35
Вторичные обмотки, кВ	0,23	0,4	0,69	3,15 3,3	6,3 6,6	10,5 11	22	38,5

Активная составляющая напряжения короткого замыкания, В

Реактивная составляющая напряжения КЗ, В

где , Ом,

- средняя длина силовой линии потока рассеяния; - средний диаметр канала между обмотками (приложение 2); .

При расчете все размеры подставлять в метрах.

Расчетное значение напряжения КЗ, %

,

где ; ;

.

Если много больше (меньше) заданной величины, следует увеличить (уменьшить) l, т.е. изменить . Эту корректировку целесообразно выполнять начиная с обмотки НН: п.п. 3.10.1.1, 3.10.1.2, 3.10.11.3 - для цилиндрических обмоток; п.п. 3.10.2.1, 3.10.2.2, 3.10.2.3 - для винтовых обмоток.

Используя табл. 3.2 увеличиваем (уменьшаем) осевой размер проводника b (a - при намотке на ребро) переходя на другой нормализованный размер b. При этом будет уменьшаться радиальный размер проводника, т.к. сечение элементарного проводника должно остаться на прежнем уровне. При этом возможна корректировка .

Затем корректируется обмотка ВН на новую высоту и дальнейший расчет.

В соответствии с указанием ГОСТа 11677-85 токи короткого замыкания для силовых трансформаторов должны определяться следующим образом:

- установившийся ток короткого замыкания для двухобмоточного трансформатора (при 1000кВА), А

, но не более 25,

где - номинальный фазный ток соответствующей обмотки;

- наибольший ударный ток короткого замыкания

,

где - коэффициент, определяемый по табл.5.2.

Коэффициент для определения наибольшего ударного тока короткого замыкания

Таблица 5.2

	1	1,5	2	3	4	5	6	8	10	14 и более
	1,51	1,63	1,75	1,95	2,09	2,19	2,28	2,38	2,46	2,55

Обозначение: , - реактивная и активная составляющая напряжения короткого замыкания трансформатора.

Примечание. Для известного трансформатора, работающего в известной сети, реальный ток К.З. должен рассчитываться по методам, применяемым в расчетах электрических сетей.

Радиальная механическая сила на одну обмотку, Н

,

где - число витков соответствующей обмотки; ; .

Тангенсальная растягивающая обмотку сила

.

Напряжение на растяжение в алюминиевом проводе

мПа,

где - сечение витка соответствующей обмотки, м2.

6. Расчет магнитной цепи

Для ...