Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

transform.ru :: Дымков А.М. Расчет и конструирование трансформаторов. – М.: 1971. – 264 с.

А. М. Дымков

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Допущено

Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для электротехнических техникумов

Издательство «ВЫСШАЯ ШКОЛА» Москва — 1971

Дымков А. М

Д88 Расчет и конструирование трансформаторов. Учебник для техникумов М «Высш. школа», 1971

264 с. с илл.

В книге излагается курс расчета и конструирования трансформаторов, составленный на основе программы предмета «Расчет и конструирование трансформаторов» для электротехнических техникумов, утвержденной научно-методическим кабинетом по высшему и среднему специальному образованию для средних специальных учебных заведений по специальности «Электромашиностроение», а также методика расчета и основные данные по проектированию масляных силовых трансформаторов и даны примеры расчета. Добавлены главы, касающиеся некоторых типов специальных трансформаторов с той целью, чтобы окончивший техникум молодой специалист мог бы почерпнуть сведения об этих трансформаторах, необходимые ему для практической работы.

Книга предназначена в качестве учебника по расчету и конструированию трансформаторов, может служить пособием для курсового, а также и дипломного проектирования и быть полезной для квалифицированных рабочих и мастеров и инженерно-технических работников трансформаторных заводов

3—3—10 188—71

6П2.1.081

Рецензенты: Доцент Китаев В. Е Инж. Гончарук А. И

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И РОЛЬ РУССКИХ УЧЕНЫХ В ИЗОБРЕТЕНИИ ТРАНСФОРМАТОРА

Развитие электротехники первоначально происходило по линии применения постоянного тока. Между тем бурно развивающаяся в XIX в. промышленность требовала все более мощные источники электрической энергии и передачи ее от мест получения до потребителя. Однако постоянный ток, несмотря на многие его положительные качества, не удовлетворяет этим требованиям, так как не может получаться в генераторах большой мощности и передаваться на большие расстояния. Передаче энергии по линиям большой протяженности препятствовала невозможность повышения напряжения генератора сверх определенного предела. Такое повышение является необходимым во избежание больших потерь энергии в линии. Кроме того, непосредственное использование электрического тока при высоком напряжении в ряде случаев, например для освещения, оказалось бы невозможным по условиям безопасности.

В связи с этим применение переменного тока стало все больше привлекать внимание ученых-электротехников, в чем большую роль сыграли русские электротехники того времени, впервые открывшие метод трансформирования переменного тока и показавшие возможность его практического использования.

Первый шаг в получении трансформации сделал в 1877 г. русский ученый П. Н. Яблочков, который построил установку с последовательно соединенными индукционными катушками, вторичные обмотки которых питали им же изобретенные «свечи Яблочкова». Таким образом, индукционные катушки представляли по существу трансформаторы.

Вслед за этим трансформатор был усовершенствован русским изобретателем Н. Ф. Усагиным (1882 г.) и немецким инженером Дери (1885 г.).

Следующим этапом развития применения переменного тока было изобретение русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским трехфазной системы переменного тока (1889 г.) и трехфазного трансформатора., (1891 г.).

С этого времени благодаря найденным практическим решениям проблем — трехфазного электродвигателя и трансформирования переменного тока — начинается бурный рост использования электрической энергии в промышленности. Одновременно с этим стало увеличиваться значение мощности изготовляемых трансформаторов и росло напряжение, получаемое с их помощью.

Уже в 1891 г. был построен первый трансформатор на 30 кв, для которого было применено, также впервые, масляное охлаждение. В дальнейшем рост напряжений характеризовался следующими цифрами: в 1907 г. построен трансформатор на 110 кв, в 1912 г.— на 150 кв, в 1921 г.— на 220 кв, в 1937 г.— на 287,5 кв, в 1952 г.— на 400 кв и, наконец, в 1958 г.— на 500 кв. Что касается мощности трансформаторов, то могут быть названы следующие цифры: в 1901 г.— 2250 ква, 1921 г.— 8300 ква, 1922 г.— 16 700 ква, 1955 г.— 90 000 ква, 1959 г.— 240 000 ква. В настоящее время проектируются трансформаторы мощностью до 1 000 000 ква (1000 Мва) и напряжением до 750—1200 кв.

§ 2. СОСТОЯНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИЯ ДО ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ЕГО РАЗВИТИЕ В ГОДЫ СОВЕТСКОЙ ВЛАСТИ

До Октябрьской революции трансформаторостроение в России было развито очень слабо. Существовавшие в Харькове (ХЭМЗ), Петрограде («Электросила») и Москве («Динамо») заводы занимались лишь сборкой трансформаторов по чертежам зарубежных фирм. Мощность в одной единице не превышала 2000 ква.

При Советской власти наравне с общим подъемом промышленности стало развиваться и отечественное трансформаторостроение. Так, например, в 1924 г. на ХЭМЗе строятся трансформаторы уже мощностью 12 500 ква на напряжение 40 кв.

В 1927 г. по решению правительства в Москве был создан «Электрозавод», на котором было сконцентрировано и развернулось советское трансформаторостроение.

Рост выпуска трансформаторов, выраженный суммарной мощностью в ква, характеризуется следующими цифровыми данными: 1916 г. — 117 000 1925 г. — 200 000 1927 г. - 316 000

г. - 1 030 000

г. - 1 520 000

1938 г. - 3 500 000

1939 г. - 5 000 000 1953 г. — 9 000 000 1955 г. — 10 000 000.

С 1953 г. стали вступать в строй новые трансформаторные заводы, из которых самый крупный — Запорожский трансформаторный завод (ЗТЗ) в 1965 г. выпустил трансформаторов на 45 Гва•.

В 1931 г. на Московском электрозаводе был построен первый советский трансформатор на ПО кв, а в 1933 г.— на 220 кв. В 1955 г. на ЗТЗ был построен однофазный трансформатор мощностью 90 Мва и в 1956 г.— мощностью 123,5 Мва на напряжение 400 кв, предназначенные для линии электропередачи Куйбышевская ГЭС им. Ленина — Москва, в 1959 г.— мощностью 135 Мва на 500 кв и трехфазный трансформатор мощностью 240 Мва на 220 кв, в 1967 г. — трехфазный трансформатор мощностью 630 Мва на 220 кв и однофазный автотрансформатор мощностью 417 Мва на 750 кв для опытной линии электропередачи Конаково — Москва, в 1968 г.— однофазный трансформатор мощностью 417 Мва на 500 кв и в 1969 г.— трехфазный трансформатор мощностью 400 Мва на 500 кв. Кроме того, в 1967 г. для Асуанской ГЭС поставлены однофазные трансформаторы мощностью 167 Мва на 500 кв и трехфазные трансформаторы мощностью 206 Мва на 500 кв в экспортном тропическом исполнении.

Силовые трансформаторы большой мощности, а в ряде случаев и средних мощностей должны иметь возможность регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Это является необходимым, чтобы не прерывать подачу электроэнергии при переключении ступеней напряжения. Трансформаторы для этой цели имеют встроенную специальную аппаратуру.

Развитие высоковольтных сетей вызвало необходимость защиты трансформаторов от атмосферных и коммутационных перенапряжений. В связи с этим была разработана конструкция емкостной защиты, которой снабжаются все выпускаемые трансформаторы от ПО кв и выше, называемые благодаря такой защите грозоупорными.

Кроме силовых трансформаторов, изготовляется целый ряд трансформаторов специального назначения: электропечные, тяговые, для питания ртутных выпрямителей, измерительные, испытательные и др.

В связи с увеличивающимся с каждым годом выпуском трансформаторов входят в строй новые трансформаторные заводы.

Одновременно с постройкой трансформаторных заводов построены новые или расширено производство существующих заводов, поставляющих полуфабрикаты, как-то: легированную электротехническую сталь, обмоточные провода, электроизоляционный картон, фарфоровые вводы, трансформаторное масло и др.

§ 3. ОСНОВНАЯ РОЛЬ ТРАНСФОРМАТОРА В РАСПРЕДЕЛЕНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В настоящее время электрическая энергия для промышленных целей и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного тока частотой 50 гц (в США — 60 гц).

Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721—62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до ПО, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности.

__________________

• Г — дольная единица, равная 10°.

Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины — 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют силовые трансформаторы.

Примерная схема передачи и распределения электрической энергии изображена на рис. В. 1.

Рис. В.1. Схема передачи и распределения электрической энергии

Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом.

Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.

Как видно из схемы распределения электроэнергии (рис. В. 1), последняя от места ее получения до места ее потребления претерпевает несколько ступеней трансформации. В связи с этим установленная мощность трансформаторов, т. е. суммарная мощность всех установленных в линии трансформаторов, должна в несколько раз превышать мощность генераторов, питающих линию.

Кроме того, понижающие трансформаторы, установленные в распределительной сети, имеют среднюю загрузку, составляющую примерно 50% их номинальной мощности. Примерный суточный график

нагрузки силового трансформатора, питающего промышленное предприятие, показан на рис.В.2.

Исходя из этих двух причин — многократности трансформации и неполной или неодновременной нагрузки силовых трансформаторов — общая их установленная мощность на практике в 7—8 раз превышает мощность генераторов электростанции.

Из сказанного выясняется чрезвычайно важная роль трансформаторов в передаче и распределении электрической энергии. Без приме нения трансформаторов практически была бы немыслима в современных масштабах передача электроэнергии на большие расстояния. Кроме того, определяется большая потребность в силовых трансформаторах для этой цели.

Рис. В.2. Суточный график нагрузки силового трансформатора

Контрольные вопросы

  • Назовите русских ученых XIX в., благодаря которым трансформаторы получили практическое применение.
  • Назовите наибольшие, освоенные в настоящее время значения номинальных мощностей и напряжения трансформаторов.
  • В чем заключается роль трансформаторов при передаче электроэнергии?
  • Что такое установленная мощность и какова ее величина?

ГЛАВА I

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА И ОСНОВНЫЕ ЕГО ЧАСТИ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеемв 1831 г.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток.

Мгновенное значение наводимой в контуре э. д. с. определяется формулой

е = -(dФ/dt)•10-4 в(1.1)

где е —мгновенное значение э. д. с; Ф — магнитный поток, вб; 10-4 — коэффициент пропорциональности.

Знак «минус» в формуле (1.1) поставлен согласно правилу русского физика Ленца, которое указывает на то, что наведенный в контуре ток вызывает внутри контура вторичный магнитный поток, направленный таким образом, что он противодействует изменению первоначального магнитного потока.

Формула (1.1) указывает на то, что величина наведенной э. д. с. не зависит от абсолютного значения магнитного потока Ф, а только от скорости изменения этого потока. Кроме того, наводимая в контуре э. д. с. не зависит ни от тока в контуре, ни от его сопротивления.

Если в контуре будет несколько последовательно соединенных витков ω, то наведенная в полученной катушке э. д. с будет в ω раз больше, т. е.

е = - ω•(dФ/dt)•10-4 в (1.2)

Если взять две катушки I и II с числами витков ω1 и ω2 и расположить их соосно, т. е. так, чтобы их оси совпадали, то мы получим простейший трансформатор, изображенный на рис. 1.1, действие которого заключается в следующем.

Рис.1.1 Простейший трансформатор (без стального сердечника)

К катушке I, называемой первичной, от сети переменного тока подводится напряжение с действующим значением U1. Благодаря этому в катушке возникает электрический ток, который в свою очередь создает переменный магнитный поток Ф. Силовые линии этого потока пронизывают не только первичную катушку I, но также и вторичную катушку II, поэтому в обеих катушках наводятся э. д. с. самоиндукции E1 (в первичной катушке) и э. д. с. взаимоиндукции E2 (во вторичной) (E1 и E2 — действующие значения э. д. с).

Э. Д. с. E1 компенсируется приложенным первичным напряжением U1 , а э. д. с. E2 будет являться вторичным напряжением U2 (пренебрегая падениями напряжения, см. далее).

Однако изображенный на рис. 1.1 трансформатор является несовершенным для практического применения. Магнитный поток ввиду большого сопротивления воздуха невелик, поэтому магнитная связь между обеими катушками оказывается слабой. Кроме того, некоторая часть магнитных линий не пронизывает вторичную катушку, образуя так называемый поток рассеяния, который не участвует в трансформировании напряжения, поэтому вторичное напряжение соответственно понижается.

Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном (стальном) сердечнике (магнитопроводе), как это показано на рис. 1.2. Применение замкнутого стального магнитопровода значительно снижает относительную величину потока рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800—1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Таким образом, две (или более) обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод, представляют собой трансформатор.

Из этого определения следует, что основными принципиальными частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки и магнитопровод.

Предполагая, что обе обмотки, первичная и вторичная, пронизываются одним и тем же магнитным потоком (пренебрегая потоком рассеяния), можем на основании формулы (1.2) написать для каждой из обмоток:

е1 = - ω1•(dФ/dt)•10-4 в,

е2 = - ω2•(dФ/dt)•10-4 в.

Рис. 1.2. Принцип устройства трансформатора две обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод)

Разделив одно равенство на другое, легко получить соотношение

е12 = ω1/ ω2

На основе равенства

(Е действующее значение э. д. с ) можно написать, что

е12 = Е12= ω1/ ω2=К. (1.3)

где К — коэффициент трансформации.

Коэффициентом трансформации называется отношение индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с, равное отношению чисел витков этих обмоток.

§ 1.2. ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИЛОВЫХ

В последнее время в связи с внедрением теплостойкой изоляции расширился и предел применения воздушного (безмасляного) охлаждения силовых трансформаторов. Стало возможным выполнение «сухих» трансформаторов до мощности 1000 ква при напряжении до 15 кв.

Общий вид трансформатора с воздушным охлаждением без защитного кожуха изображен на рис. 1.9.

Как было уже сказано, собственно трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть.

Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы — для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели — для регулирования напряжения трансформатора, баки — для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы — для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками.

Для силовых трансформаторов преимущественно применяются магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, а трехфазные три стержня. Стержни соединены верхним и нижним ярмами. Одно- и трехфазный трансформаторы со стержневыми магнитопрово-дами показаны на рис. 1.3 и 1.4

На рис. 1.3 и 1.4 буквами С—С обозначены стержни. Я—Я — ярма о—О — обмотки, ИЦ — изоляционный цилиндр.

Магнитопровод трансформатора собирается из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга нанесением лаковой или химической изоляционной пленки.

Так как магнитопроводы собираются из пластин прямоугольной формы, то их сборка производится впереплет (такая сборка называется шихтовкой).

Рис. 1.3. Однофазный стержневой магнитопровод

Рис. 1.4. Трехфазный стержневой магнитопровод

При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя, как это показано на рис. 1.5, б. Сборка встык применяется редко.

Сборка магнитопроводов способом шихтовки преследует две цели: во-первых, уменьшение намагничивающего тока трансформатора и, во-вторых, увеличение механической прочности собранного магнитопровода.

Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают форму, близкую к кругу (вписанную в окружность), показанную на рис. 1.6. Число ступеней выбирается в зависимости от мощности трансформатора: чем больше мощность (а следовательно, и диаметр круга), тем больше берется число ступеней.

Внутри магнитопроводов трансформаторов большой мощности для лучшего отведения тепла, возникающего от потерь в стали, устраиваются охлаждающие каналы, по которым циркулирует масло или воздух (у «сухих» трансформаторов).

Ярмо магнитопровода имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности с целью некоторого упрощения конструкции число ступеней сечения ярма часто берут меньшим, чем у сечения стержня, или иногда ярмо делают прямоугольного сечения. В последних случаях для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали сечение ярма выбирают на 5—10% больше сечения стержня.

Устройство и конструкция магнитопроводов более подробно описаны в гл. XI.

Обмотки силовых трансформаторов обычно подразделяют на обмотки высшего и низшего напряжения (ВН и НН), а не на первичную и вторичную, так как любая из обмоток может быть первичной или вторичной в зависимости от того, которая из них включается в питающую сеть.

Рис. 1.5. Способы сборки магнитопроводов:

а — встык; б — шихтовкой

Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из проводникового материала (обмоточная медь или алюминий) и изоляционных деталей. В комплект обмотки входят также выводные концы, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжении.

Расположение обмоток ВН и НН на стержне у силовых трансформаторов применяется преимущественно концентрическое, т. е. когда одна обмотка одета (или намотана) на другую, как показано на рис. 1.7, а. Ближе к стержню обычно расположена обмотка НН, так

Рис. 1.6. Формы сечения стержней:

а — прямоугольная; б — ступенчатая

как ввиду более низкого напряжения ее легче изолировать от стержня, чем обмотку ВН. Между обмотками помещают изоляционные цилиндры (ИЦ, см. рис. 1.3).

При концентрическом расположении обмотки выполняются цилиндрическими двух- или многослойными, катушечными, винтовыми или непрерывными. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов.

Об устройстве и конструкции обмоток более подробно сказано в гл. XII.

У некоторых трансформаторов специального назначения, как, например, у электропечных, применяется чередующееся расположение обмоток. При таком расположении обмотки выполняются дисковыми, состоящими из отдельных одинарных или двойных дисковых катушек. Катушки ВН и НН насаживаются на стержень поочередно причем крайними со стороны ярм располагают катушки НН, как требующие меньших изоляционных расстояний. Схематически чередующаяся обмотка изображена на рис. 1.7,6.

Рис. 1.7. Расположение обмоток ВН и НН на стержне магнитопровода:

а - концентрическое; б - чередующееся.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.

Для увеличения теплоотдающей поверхности бака, что необходимо с увеличением мощности трансформатора, в стенки вваривают трубы, а у самых крупных трансформаторов к бакам пристраивают охладители в виде радиаторов или отдельных охлаждающих устройств.

Общий вид силового трансформатора с трубчатым баком изображен на рис. 1.8.

Подробнее об охлаждении и охлаждающих устройствах сказано в гл. X.

Рис. 1.8. Общий вид силового масляного трехфазного трансформатора мощностью 320 ква, 6кв, с трубчатым баком:

1 — термометр; 2 — ввод обмотки ВН; 3 — ввод об мотки НН; 4 — пробка для заливки масла; 5 указатель уровня масла; 6 — пробка для доливки масла; 7 — маслорасширитель; 8 — магнитопровод; 9 —обмотка НН; 10 — обмотка ВН; 11 — пробка для взятия пробы и спуска масла; 12 — бак для масла.

Рис. 1.9. Общий вид трехфазного трансформатора с воздушным охлаждением мощностью 560 ква, 10 кв, без защитного кожуха.

В последнее время в связи с внедрением теплостойкой изоляции расширился и предел применения воздушного (безмасляного) охлаждения силовых трансформаторов. Стало возможным выполнение «сухих» трансформаторов до мощности 1000 ква при напряжении до 15 кв.

Общий вид трансформатора с воздушным охлаждением без защитного кожуха изображен на рис. 1.9.

§ 1.3. ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИИ

Материалы, применяемые для изготовления трансформаторов, могут быть разделены на активные, к которым относятся электротехническая сталь магнитопровода и обмоточные провода; электроизоляционные, которые необходимы для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей трансформатора, например, электроизоляционный картон, кабельная и телефонная бумага, лакоткань, гетинакс, фарфор, трансформаторное масло и др.; конструкционные, требующиеся для изготовления деталей остова, бака, охладительных устройств, различных крепежных деталей и т. д. и другие материалы, полуфабрикаты и аппараты.

Для изготовления магнитопроводов применяется тонколистовая легированная электротехническая сталь. Эта сталь бывает горячее- и холоднокатаная.

Первоначально применялась горячекатаная сталь, допускавшая индукцию В до 1,4—1,45 тл. Хотя качество этой стали в части уменьшения удельных потерь (вт/кг) постепенно улучшалось, однако в последние годы горячекатаная сталь стала вытесняться появившейся в 40-х годах холоднокатаной текстурованной сталью. Холоднокатаная сталь имеет удельные потери, в 1,5—2 раза меньшие, чем у горячекатаной стали, и значительно большую магнитную проницаемость. Она позволила повысить индукцию до 1,6—1,7 тл. По мере обеспечения трансформаторостроения холоднокатаной сталью будет осуществлен полный переход на эту сталь взамен горячекатаной.

Снижение удельных потерь в стали имеет весьма большое значение для уменьшения расхода активных и конструкционных материалов (а следовательно, и стоимости трансформатора) и повышения коэффициента полезного действия трансформатора.

Основным материалом для изготовления обмоток трансформаторов является обмоточная медь (или алюминий), представляющая собой изолированный медный (или алюминиевый) провод круглого или прямоугольного сечения. Размеры и марки проводов см. в § 12.2.

Электроизоляционные материалы, применяемые в трансформаторостроении, должны обладать определенными свойствами, из которых наиболее важными являются электрическая и механическая прочность, гигроскопичность и нагревостойкость.

Одним из основных изоляционных материалов является электрокартон толщиной от 0,5 до 3 мм. Он обладает хорошими электрическими характеристиками, повышенной масловпитываемостью и механической прочностью. Электрокартон применяется для изготовления различных изоляционных деталей (см. гл. XIIXIV).

Кабельная бумага толщиной 0,12 мм применяется как изоляция между слоями обмоток и для изолирования концов обмоток и отводов.

Лакоткань шелковая и хлопчатобумажная применяется для изолирования концов обмоток и отводов, а также для усиления изоляции отдельных мест обмоток, например в местах паек проводов.

Хлопчатобумажные ленты, киперная и тафтяная, применяются для механической защиты изоляции и вообще как вспомогательный крепежный материал.

Бумажно-бакелитовые цилиндры и трубки применяются в качестве каркасов для намотки обмоток (цилиндры) и для изолирования стяжных шпилек магнитопроводов и отводов (трубки).

Гетинакс листовой толщиной до 50 мм используется для изготовления изолирующих досок и панелей, а также деталей конструкции переключающих устройств.

Фарфор применяется для изготовления проходных изоляторов (вводов) и некоторых изоляционных деталей сухих трансформаторов.

К электроизоляционным материалам относятся также различные лаки и эмали. Лаки № 202 и 302 печной сушки служат для лакировки пластин магнитопровода. Лаки ГФ-95 и 447 печной сушки служат для пропитки обмоток масляных (ГФ-95) и сухих (447) трансформаторов. Лак БТ-99 воздушной сушки и эмаль ГФ-92 печной сушки создают прочную влагостойкую наружную пленку и применяются для покрытия обмоток и других частей сухих трансформаторов, работающих в среде повышенной влажности.

Следует отметить, что в современных конструкциях обмоток масляных трансформаторов, обеспечивающих их механическую прочность, на ряде заводов полностью отказались от их пропитки.

Трансформаторное масло служит одновременно двум целям: для повышения электрической прочности изоляции трансформатора и для улучшения условий его охлаждения. Применение трансформаторного масла дало возможность, с одной стороны, повысить электромагнитные нагрузки (индукцию и плотность тока) на активные материалы и тем самым уменьшить их расход и, с другой стороны, строить трансформаторы большой мощности и на высокие напряжения.

§ 1.4. ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА НА ЕГО РАЗМЕРЫ, ВЕС, ПОТЕРИ И ДРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Правильно спроектированный трансформатор, кроме того что он должен удовлетворять определенным техническим требованиям, должен быть и возможно более дешевым. Стоимость трансформатора зависит от его размеров и веса, и в первую очередь от веса активных материалов как более дорогих.

Основными размерами, определяющими в конечном итоге вес активных материалов, являются размеры магнитопровода.

Чтобы правильно выбрать основные размеры магнитопровода, надо в первую очередь выяснить зависимость этих размеров от номинальной мощности S трансформатора. Как будет видно далее, вместе с ростом мощности трансформатора должны возрастать и его линейные геометрические размеры.

При определении зависимости размеров от мощности необходимо предположить, что трансформаторы разных мощностей должны быть геометрически подобны, т. е. отношения всех трех линейных размеров должны сохраняться одинаковыми, и что электромагнитные нагрузки на активные материалы, т. е. индукция и плотность тока в обмотках, должны также оставаться одинаковыми. Мощность трансформатора

S = mUI,

где т— число фаз;

U и I — фазные напряжения и ток (одной из обмоток).

Вспомним основную формулу напряжения трансформатора

U = 4,44 fωBFCT•10-4в

Так как согласно условию значение В должно быть постоянным, то легко видеть, что напряжение U будет пропорционально сечению FCT стержня магнитопровода, т. е. линейным размерам во второй степени,

U ≡ FCT≡l2

Плотность тока в обмотке

откуда I = δSП, т. е. ток в обмотке пропорционален сечению провода SП, или также линейным размерам во второй степени

I≡SП≡l2

Следовательно, мощность трансформатора будет пропорциональна четвертой степени его линейных размеров

S ≡ UI ≡ l2 l2 ≡ l4

Вес G активных материалов (стали и меди) трансформатора пропорционален их объемам V или линейным размерам в третьей степени. Отсюда следует, что вес активных материалов будет пропорционален мощности в степени 3/4, т. е.

G ≡ V ≡ l3 ≡S3/4 .

Практически это означает, что с ростом мощности уменьшается удельный расход активных материалов, выраженный в кГ/ква, Поэтому более мощные трансформаторы имеют относительно меньшую стоимость.

Мощные трансформаторы также экономичнее и в эксплуатации, так как они имеют относительно меньшие потери, и, следовательно, более высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.). Это следует из того, что потери трансформатора, состоящие из потерь холостого хода Рх и потерь короткого замыкания Рк (при неизменных значениях В и δ электромагнитных нагрузок на активные материалы), пропорциональны весу активных материалов, т. е.

РХ ≡ В2GС и РК≡δ GM,

где Gc — вес активной стали;

GM— вес обмоточного провода.

Поскольку с ростом мощности вес материалов растет медленнее, также медленнее увеличиваются потери, и, следовательно, значение к. п. д. повышается.

§ 1.5. КЛАССИФИКАЦИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПО ГОСТам. РАЗДЕЛЕНИЕ ПО ГАБАРИТАМ. ОБОЗНАЧЕНИЕ ТИПОВ

Силовые трансформаторы общего назначения в зависимости от напряжения и мощности условно подразделяются на группы или габариты. Трансформаторы мощностью от 25 до 100 ква включительно относятся к габариту I, мощностью от 160 до 630 ква — к габариту II, мощностью от 1000 до 6300 ква— к габариту III, мощностью 10 000 ква и более с напряжением 35 кв и все трансформаторы с напряжением ПО кв обмотки ВН— к габариту IV, мощностью 40 000 ква и более с напряжением 220 кв обмоток ВН и выше — к габариту V и мощностью 10 0000 ква и выше — к габариту VI. Трансформаторы указанных выше мощностей чаще изготовляются масляными, т. е. с активной частью, опущенной с целью лучшего охлаждения и повышения прочности изоляции в бак с маслом. Однако трансформаторы мощностью до 1000—1600 ква и напряжением до 10—15 кв могут изготовляться также и сухими, т. е. с воздушным охлаждением. Система охлаждения трансформатора входит в условное обозначение его типа.

Обозначение типа трансформатора состоит из двух частей — буквенной и цифровой.

Первая буква Т или О означает число фаз (трехфазный или однофазный). Иногда у специальных трансформаторов перед этой буквой стоит буква, соответствующая назначению трансформатора, например буква Э означает «Электропечной», А — автотрансформатор.

На втором месте, после буквы Т или О, стоит буква (или две буквы), означающая систему охлаждения: М — естественное масляное, Д — масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла, ДЦ — масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Ц —масляно-водя-ное с принудительной циркуляцией масла, Н — естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком, С — естественное воздушное при открытом исполнении, СЗ — естественное воздушное при защищенном исполнении.

На третьем месте стоит буква, означающая характерную особенность данного типа трансформатора, например: Т — трехобмоточный, Н — регулирование под нагрузкой, Р — для питания ртутных выпрямителей.

Буква Г, стоящая последней, означает «грозоупорный», т. е. трансформатор имеет емкостную защиту от перенапряжений.

В связи с тем что вновь разрабатываемые серии трансформаторов и мх специальные назначения требуют новых буквенных обозначений, дать полный их перечень не представляется возможным.

Цифровая часть обозначения состоит из двух чисел. Первое число (числитель) означает номинальную мощность трансформатора в ква, второе число (знаменатель) означает класс напряжения обмотки ВН в кв.

В качестве примера предлагается расшифровка обозначения типа трансформатора ТДТН-6300/35: трехфазный, с дутьевым охлаждением, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, мощностью 6300 ква, с обмоткой ВН на напряжение 35 кв.

Выводные концы обмоток присоединяются к проходным фарфоровым изоляторам, называемым вводами и устанавливаемым на крышке бака (или на его стенке, у трансформаторов малой мощности и у сухих трансформаторов).

Согласно основному ГОСТ 11677—65 «Трансформаторы силовые. Общие технические требования» вводы имеют обозначения, приведенные в табл. 1.1

Таблица 1.1

Трансформатор

Обмотка

трехфазный

однофазный

ВН

НН

СН

О — А —В — С

о — а — b —с

Оm — Аm —Вm — Ст

А-Х

а — х

Аm –Хm

Вводы должны располагаться таким образом, чтобы их последовательность (слева направо), если смотреть со стороны вводов высшего напряжения, была в соответствии с указанной ранее.

Основные параметры и технические требования трехфазных силовых трансформаторов должны соответствовать: для трансформаторов мощностью от 25 до 630 ква — ГОСТ 12022—66, для трансформаторов мощностью от 1000 до 80 000 ква— ГОСТ 11920—66.

Значения номинальных мощностей соответствуют шкале мощностей, содержащейся в указанных ГОСТах, а именно: 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300 ква.

Значения номинальных напряжений соответствуют шкале напряжений, содержащейся в ГОСТ 721—62.

Обмотки ВН имеют следующие значения номинальных линейных напряжений: 6000, 10 000, 20 000, 35 000 в.

Обмотки НН имеют значения линейных напряжений, равные 230, 400, 690, 3150, 6300, 10 500, 11000 в.

Схемы соединений обмоток могут быть следующими: для обмоток ВН — ,, и для обмоток НН —, ,

Для трансформаторов с другими значениями мощности и напряжений и для специальных трансформаторов существуют другие стандарты или ведомственные технические условия, которым эти трансформаторы должны удовлетворять.

В данной книге рассматриваются в основном только трехфазные масляные двухобмоточные силовые трансформаторы габаритов I, II и III мощностью от 25 до 6300 ква и с высшим напряжением до 35 кв. Менее подробно рассмотрены лишь некоторые типы специальных трансформаторов: трехобмоточные, для питания ртутных выпрямителей и автотрансформаторы. Специальные трансформаторы также могут быть отнесены к тому или другому габариту в зависимости от их типовой мощности.

Силовые трансформаторы на более высокие напряжения и мощности и другие типы специальных трансформаторов, в том числе и сухие, требуют значительного расширения объема книги и поэтому здесь не рассматриваются, а лишь по некоторым из них попутно приводятся отдельные сведения.

Контрольные вопросы

  • На чем основан принцип действия трансформатора?
  • Для чего нужен стальной сердечник?
  • Что называется коэффициентом трансформации?
  • Из каких основных частей состоит трансформатор?
  • Для чего сечению стержня магнитопровода придается ступенчатая форма?
  • Как располагаются обмотки на магнитопроводе трансформатора?
  • Какие вы знаете материалы, применяемые для изготовления трансформа торов?
  • Какие размеры магнитопровода являются основными?
  • От какого основного параметра трансформатора зависят его размеры?
  • Как распределяются мощности трансформаторов по их габаритам?
  • Как составляется обозначение типа трансформатора?
  • Как обозначаются выводные концы обмоток?

ГЛАВА II

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К РАСЧЕТУ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 2.1. ОБЪЕМ ЗАДАНИЯ ПО РАСЧЕТУ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Для расчета силового двухобмоточного трансформатора должны быть заданы следующие его основные параметры:

S — номинальная мощность трансформатора, ква;

U1 и U2— номинальные линейные напряжения обмоток высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений, в;

m — число фаз;

I — частота, гц;

схема и группа соединения обмоток;

способ охлаждения трансформатора;

режим нагрузки — длительная или кратковременная (для силовых трансформаторов обычно задается длительная нагрузка);

род установки — внутренняя или наружная.

Проектируемому трансформатору должны быть также заданы определенные эксплуатационные параметры (характеристики): Рх — потери холостого хода, вт; Рк — потери короткого замыкания, вт; i0—ток холостого хода, %; uк— напряжение короткого замыкания, %.

§ 2.2. НОРМАТИВЫ ГОСТов НА СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. ДОПУСКИ НА ЗАДАВАЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Основные и эксплуатационные параметры силовых трансформаторов обусловлены в соответствующих стандартах, и серийным производством выпускаются лишь трансформаторы, удовлетворяющие требованиям этих стандартов.

Для учебных проектов, по усмотрению преподавателя, могут быть заданы параметры, отличающиеся от стандартных, чтобы избежать повторения уже выполненных проектов и предоставить больше самостоятельности учащимся.

Стандартизованные сочетания номинальных линейных напряжений обмоток ВН и НН, схем и групп соединения для каждого значения номинальной мощности приведены в ГОСТ 12022—66 и ГОСТ 11920—66 (табл. 2.1 и 2.2 соответственно).

Таблица 2.1

Номинальная мощность, ква

Верхний предел номинального нап жения обмотки ВН, ке

Схема и группа соединения

Потери, вт

Напряжение коро кого замыкания, %

Ток холостого хода, %

холостого хода

короткого замыкания

уровень

А

Б

1

2

3

4

5

6

7

8

25

10

- 0

- 11

105

105

125

125

600

690

4,5

4,7

3,2

3,2

40

10

- 0

- 11

150

150

180

180

880

1000

4,5

4,7

3,0

3,0

63

10

- 0

- 11

220

220

265

265

1280

1470

4,5

4,7

2,8

2,8

20

- 0

- 11

245

245

290

290

1280

1470

5,0

5,3

00

00

100

10

- 0

- 11

310

310

365

365

1970

2270

4,5

4,7

2,6

2,6

35

- 0

- 11

390

390

465

465

1970

2270

6,5

6,8

2,6

2,6

160

10

- 0; - 11

- 11

460

460

540

540

2650

3100

4,5

4,7

2,4

2,4

35

- 0; - 11

- 11

560

560

660

660

2650

3100

6,5

6,8

2,4

2,4

250

10

- 0; - 11

- 11

660

660

780

780

3700

4200

4,5

4,7

2,3

2,3

35

- 0; - 11

- 11

820

820

960

960

3700

4200

6,5

6,8

2,3

2,3

400

10

- 0; - 11

- 11

920

920

1080

1080

5500

5900

4,5

4,5

2,1

2,1

35

- 0; - 11

1150

1350

5500

6,5

2,1

630

10

- 0; - 11

- 11; - 0

1420

1420

1680

1680

7600

8500

5,5

5,5

2,0

2,0

35

- 0; - 11

1700

2000

7600

6,5

2,0

Таблица 2.2

Номинальная

мощность, ква

Верхний предел номинальных напряжний, кв

Потери, вт

Напряжение короткого замыкания, %

Ток холостого

хода, %

холостого хода

короткого замыкания

ВН

НИ

уровень

тип ГМ

тип ТМН

А

Б

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1000

10

10

35

35

0,69

10,5

0,69

10,5

0,69

-

0,69

11

2100

2100

2350

2350

2450

2450

2750

2750

12200

11600

12200

11600

5,5

5,5

6,5

6,5

1,4

1,4

1,5

1,5

1600

10

10

35

35

0,69

6,3

0,69

10,5

0,69

6,3

0,69

11

2800

2800

3100

3100

3300

3300

3650

3650

18000

16500

18000

16500

5,5

5,5

6,5

6,5

1,3

1,3

1,4

1,4

2500

10

10

35

35

0,69

10,5

0,69

10,5

0,69

6,3

0,69

11

3900

3900

4350

4350

4600

4600

5100

5100

25000

23500

25000

23500

5,5

5,5

6,5

6,5

1,0

1,0

1,1

1,1

4000

10

35

6,3

10,5

6,3

11

5450

5700

6400

6700

33500

33500

6,5

7,5

0,9

1,0

6300

1035

10,5

10,5

6,3

11

7650

8000

9000

9400

46500

46500

6,5

7,5

0,8

0,9

Примечания к табл. 2.1 и 2.2: 1. Значения потерь холостого хода должны приниматься по уровню Л. Временно для трансформаторов, в которых использована электротехническая сталь толщиной 0,35 мм марки ЭЗЗОА по ГОСТ 802-58 с жаростойким покрытием и отжигом пластин, допускается пользоваться значениями потерь холостого хода по уровню Б.

Трансформаторы с РПН по табл. 2.1 допускается выпускать с потерями короткого замыкания на 10% большими, чем указано в таблице.

По табл. 2.2 трансформаторы типа ТМ имеют регулирование напряжения по способу ПБВ, а типа ТМН — по способу РПН.

На стороне ВН силового трансформатора должна быть предусмотрена возможность изменения коэффициента трансформации относительно номинального путем переключения ответвлений от обмотки.

У силовых трансформаторов применяются два вида переключения ответвлений: ПБВ (переключение без возбуждения), т. е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети, и РПН (регулирование под нагрузкой).

Значения эксплуатационных параметров, или характеристик трансформаторов,— потерь холостого хода и короткого замыкания, напряжения короткого замыкания и тока холостого хода также указаны в ГОСТ 12022—66 (табл. 2.1) и ГОСТ 11920—66 (табл. 2.2).

Как видно из табл. 2.1 и 2.2, для одной и той же мощности трансформатора потери холостого хода и короткого замыкания могут иметь разные значения.

Потери холостого хода увеличиваются с повышением класса напряжения. Это происходит из-за необходимости увеличить изоляционные расстояния от обмоток до магнитопровода, благодаря чему возрастают размеры последнего, что и приводит к увеличению потерь.

Потери короткого замыкания увеличиваются в случае применения схемы «зигзаг». Это происходит от увеличения веса обмоточного провода вследствие того, что ветви зигзага сдвинуты между собой по фазе на 30°. Для получения заданного фазного напряжения в обмотке требуется добавлять примерно 15% витков.

На указанные в табл. 2.1 и 2.2 значения эксплуатационных параметров и на номинальный коэффициент трансформации основным стандартом на силовые трансформаторы (ГОСТ 11677—65) установлены допуски по табл. 2.3.

Таблица 2.3

Измеряемая величина

Допуск, %

Применение допусков

Коэффициент трансформации

Потери холостого хода...................

Потери короткого замыкания……..

Суммарные потери.........................

Напряжение короткого замыкания

Ток холостого хода.........................

±0,5

±1

+15

+10

+10

±10

+30

Для всех трансформаторов, кроме особо оговоренных случаев.

Для трансформаторов с фазным коэффициентом трансформации 3 и менее.

Для всех трансформаторов

То же

»

»

»

Указанные в табл. 2.3 допуски относятся к изготовленным трансформаторам.

При расчете трансформаторов необходимо принимать меньшие значения допусков, на случай производственных отклонений при изготовлении трансформаторов. Обычно при расчете принимают половину указанных значений допусков.

§ 2.3. СХЕМЫ И ГРУППЫ СОЕДИНЕНИЙ

Для силовых трансформаторов согласно ГОСТ 11677—65 приняты две стандартные группы соединения обмоток — 0 (прежнее обозначение — 12) и П.

Группой соединения называется угловое смещение векторов линейных э д с. обмоток СН и НН по отношению к векторам соответствующих линейных э. д. с. обмотки ВН. Это угловое смещение обозначается

Рис. 2.1. Определение группы соединения однофазного и трехфазного трансформаторов в числовом обозначении по схеме соединения обмоток и при известном направлении намотки: а — однофазный трансформатор, направление обмоток одинаковое (левое и левое), фазные э. д. с. ВН и НН совпадают по направлению — группа 0) б — то же,направление намоток разное (левое и правое), фазные э. д. с. направлены противоположно —группа 6; в — то же, направление намоток одинаковое, но перекрещены выводные концы обмотки НН и поэтому фазные э. д. с. Противоположны — группа 6; г — то же, направление намоток разное и перекрещены выводные концы обмотки НН, фазные э. д. с. совпадают — группа 0; д — трехфазный трансформатор; направление намоток одинаковое, построение схемы звезда —звезда с нулем и векторных диаграмм — группа 0; е — то же, направление намоток одинаковое, построение схемы звезда — треугольник и векторных диаграмм — группа 1.

числом, которое, будучи умноженным на 30° (условная угловая единица), дает угол отставания в градусах. В схемах звезды и треугольника эти углы кратны 30°, поэтому угол 30° для краткости обозначения принят за угловую единицу. Таким образом, число 11 указывает угловое отставание 11-30 = 330°, а число 0 — угловое смещение 0°.

Фазные э. д. с, наводимые в обмотках ВН, СН и НН, расположенных на одном и том же стержне магнитопровода, будут либо совпадать между собой по фазе, либо сдвинуты на угол 180° (т. е. на 6 угловых единиц) в зависимости от направления намотки катушек (§ 12.3) и от обозначения выводных концов обмоток.

Из различных возможных способов, по которым могут определяться сдвиги фаз э. д. с. обмоток относительно друг друга, т. е. группы соединения, может быть предложен следующий.

Возьмем для простоты рассуждений однофазный трансформатор, имеющий две обмотки, насаженные на магнитопровод, как это схематично показано на рис. 2.1, а. Представим себе, что по обеим обмоткам от их начальных вводов А и а одновременно проходят токи, показанные стрелками. Предположим, что эти токи будут иметь одинаковое направление в обеих обмотках, например против часовой стрелки, если смотреть сверху. В таком трансформаторе фазные э. д. с, наводимые в обмотках ВН и НН при возникновении магнитного потока в магнитопро-воде, будут совпадать по фазе. При этом получится группа соединения 1/1—0.

Если изменить направление намотки одной из обмоток или пересоединить выводные концы одной из них, как показано на рис. 2.1, б и в, то фазные э. д. с. будут сдвинуты на угол 180o (6 угловых единиц), т. е. на половину периода относительно друг друга. В этих случаях будем иметь группу соединения 1/1—6.

Если же у одной из обмоток одновременно изменить направление ее намотки и пересоединить выводные концы, то фазные э. д. с. будут совпадать по направлению, группа 1/1—0 (рис. 2.1, г).

Трехфазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные обычно по схеме звезды или треугольника. В зависимости от схемы соединения, применяемой для каждой из обмоток, линейные э. д. с. ВН и НН могут иметь сдвиг по фазе на различные углы.

При определении сдвига фаз вектор э. д. с. ВН должен устанавливаться на 0 в круге, подобно часовому циферблату; тогда вектор э. д. с. НН, установленный в соответствии со схемой соединения, укажет сдвиг фаз в угловых единицах или группу соединения.

На рис. 2.1 даны схемы обмоток с обозначениями их концов, направлениями токов в обмотках и векторные диаграммы, помещенные в круг (циферблат).

В случае трехфазного трансформатора сначала совмещаются концы Л и а векторных диаграмм обмоток ВН и НН. Затем, как указывалось ранее, вектор А В линейной э. д. с. ВН помещают в круг таким образом, чтобы конец вектора В указывал на 0. Тогда вектор аb линейной э. д. с. НН своим концом b укажет на цифру круга, соответствующую группе соединения. Определение группы соединения трехфазного трансформатора показано на рис. 2.1, д и е, где даны примеры для схем и групп соединения - 0 (звезда — звезда с выведенным нулем — нуль) и - 11 (звезда — треугольник — одиннадцать).

У трансформаторов, имеющих стандартные группы соединения 0 и 11, должны совпадать по фазе фазные э. д. с. Последние, как было уже сказано, будут совпадать по фазе тогда, когда направление намотки витков в обеих обмотках (если начинать обход этих витков от линейных вводов) будет одинаковым. Для этой цели необходимо, чтобы направление намотки обмоток (левое или правое) и обозначения их выводных концов, т. е. порядок присоединения концов к линейным вводам, были соответствующим образом согласованы между собой.

Для ясности условимся называть все концы обмотки вообще выводными концами. Тогда из двух выводных концов один будет называться началом обмотки, а другой — ее концом.

За начала обмоток обычно принимаются их выводные концы, присоединяемые к вводам А, В, С (ВН) и а,b,с (НН). Следует заметить, что называемые нами начало и конец обмотки не обязательно должны совпадать с началом и концом намотки обмотки при ее изготовлении. Часто по конструктивным соображениям у готовой обмотки ее технологическое начало, т. е. выводной конец от ее первого витка, приходится называть и соответственно обозначать концом, а ее технологический конец — началом.

§ 2.4. ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ (МОДЕЛИ) МАГНИТОПРОВОДА

Расчет трансформатора обычно начинается с определения основных размеров магнитопровода. Такими размерами, определяющими так называемую «модель» трансформатора, являются: D —диаметр стержня (т. е. окружности, описанной около сечения стержня), Н — высота окна магнитопровода и МО — расстояние между осями стержней (рис. 2.2).

Как было сказано выше, магнитопровод представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками (ВН и НН). Размеры магнитопровода и форма сечения стержня зависят от размеров и выбранных формы и конструкции обмоток.

Обмотки силовых трансформаторов обычно изготовляются круглой формы (наматываются на круглые цилиндрические шаблоны или цилиндры), поэтому поперечное сечение стержня магнитопровода имеет симметричную ступенчатую форму, вписанную в некоторую окружность диаметра D.

В § 1.4 было сказано, что размеры трансформатора, в том числе и диаметр D, в основном зависят от его мощности. Однако кроме мощности, на размеры трансформатора влияют еще многие факторы, например, значения потерь, напряжения короткого замыкания, класс напряжения, качество электротехнической стали и др., и поэтому вывести точную формулу для определения D для всех возможных случаев и сочетаний задаваемых параметров было бы весьма затруднительно.

Ввиду этого при расчете трансформаторов прибегают к разного рода приближенным методам расчета, используя накопленный опыт, выраженный в разного рода эмпирических формулах, таблицах, кривых и т. п. Полученные в результате приближенного расчета основные размеры магнитопровода затем проверяются на нескольких вариантах расчета, и при необходимости вносятся нужные коррективы.

Рис. 2.2 Трехфазный магнитопровод, основные размеры

Кажущаяся сложность такой методики на самом деле не представляет затруднений, так как такая работа требуется только при расчете новой серии силовых трансформаторов. А когда такая серия уже создана, т. е. уже имеется определенный ряд магнитопроводов на соответствующие мощности, то выбранные основные размеры магнитопровода для каждого типа остаются неизменными. Расчет трансформатора той или иной мощности практически сводится только к расчету обмоточных данных на заданные иные сочетания напряжения.

§ 2.5. ТЕОРИЯ СОРАЗМЕРНОСТИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗАВОДСКОГО ОПЫТА РАСЧЕТА ДЛЯ ВЫБОРА МОДЕЛИ

Совокупность различных, предложенных разными авторами, методов расчета трансформаторов носит общее название «теория соразмерности».

Полученные по одному из методов расчета основные размеры магнитопровода затем корректируются исходя из условий размещения обмоток в окне магнитопровода, получения требующихся эксплуатационных параметров (характеристик) и по конструктивным соображениям.

В учебных расчетах может быть использован обобщенный метод, предложенный П. М. Тихомировым [Л.2], как наиболее современный.

Используя данные табл. 2.1 и 2.2 и принимая уровень Б для потерь холостого хода, предварительный выбор значения диаметра D можно сделать по кривым (рис. 2.3): при классе напряжения 6 — 10 кв — между кривыми 1, 2, при 20 кв — между кривыми 2, 3 и при 35 кв — между кривыми 3, 4.

Высота окна Н магнитопровода складывается из высоты (длины) обмоток Н0 и изоляционных расстояний «до ярма» по концам обмоток. Предварительный выбор значения Н можно сделать по кривым (рис. 2.4): при классе напряжения 6—10 кв — между кривыми 1, 2, при 20 кв— между кривыми 2, 3, при 35 кв— между кривыми 3, 4.

Рис. 2.3. Кривые для выбора диаметра стержня магнитопровода трехфазных трансформаторов в зависимости от мощности и класса напряжения

Рис. 2.4. Кривые для предварительного выбора высоты окна магнитопровода в зависимости от мощности и класса напряжения

После выполнения первых вариантов расчета размер Н может быть увеличен или уменьшен в зависимости от полученных результатов расчета: условий размещения витков обмоток, значения полученного напряжения рассеяния и т. п.

Изоляционные расстояния выбираются по данным, приведенным в гл. XIII.

Контрольные вопросы

  • Какие параметры трансформатора должны быть заданы для его расчета?
  • Какие размеры должны определяться в начале расчета трансформатора?

ГЛАВА III

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

§ 3.1. РАСЧЕТ МАГНИТОПРОВОДА - ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА, СЕЧЕНИЯ ЧИСЛА СТУПЕНЕЙ СТЕРЖНЯ И ЯРМА, КОЭФФИЦИЕНТА ЗАПОЛНЕНИЯ

Предварительный выбор диаметра D согласно предыдущей главе делается либо по общей формуле, предложенной П. М. Тихомировым [Л.2], либо по кривым (см. рис. 2.3).

Активное сечение FCT стержня, т. е. сечение активной стали, будет зависеть от выбранной формы сечения, числа ступеней и коэффициента заполнения.

Число ступеней в принципе должно быть возможно большим потому что чем больше ступеней, тем большим будет коэффициент Кз.кр заполнения площади круга геометрической фигурой сечения стержня. Но по технологическим соображениям число ступеней часто предпочитают ограничивать с тем, чтобы не усложнять производство чрезмерно большим количеством размеров пластин. Поэтому число ступеней выбирается в зависимости от выбранного диаметра D согласно табл. 14.1 или следующим образом:

Диаметр стержня D, мм

до 80

80—100

90—120

100—200

205—300

Число ступеней

3

4

5

6

7

Выбранное число ступеней определяет число пакетов пластин, из которых складывается сечение стержня.

Наибольшее сечение стержня (ступенчатой фигуры) получается лишь при определенных соотношениях ширины сП пакетов к диаметру D Зги соотношения различны для разных чисел ступеней (см. рис. 14.1).

Ширина каждого пакета сП получается путем умножения соответствующего коэффициента на диаметр D.

Однако на практике приходится отступать от теоретических значений ширины пакетов (а следовательно, и пластин) по следующим причинам:

1. Необходимость применения таких размеров ширины пластин, которые давали бы наименьший процент отходов стали при ее раскрое из листов стандартных размеров.

Так как стандартный лист наиболее часто имеет ширину 750 мм а после обрезки кромок около 735 мм, то в заводских нормалях приняты следующие размеры для ширины пластин: 49, 52, 56, 61, 66, 73, 81, 91, 105, 114, 122, 135, 147, 164, 175, 184, 195, 205, 215, 235, 245, 260, 280, 295, 310, 340, 350, 368 и 420 мм. Некоторые из этих размеров, не укладывающиеся целое число раз в ширину 735 мм, назначены как промежуточные.

2. Для диаметров свыше 250 мм, при которых стержни по высоте прессуются сквозными шпильками, необходимо иметь место для размещения прессующих гаек и шайб в пределах описанной окружности (см. рис. 14.2).

Кроме того, часто при определении размеров пакетов необходимо учитывать волнистость пластин, рациональное расположение охлаждающих каналов, размещение прессующих клиньев и другие конструктивные соображения. Так как это относится главным образом к большим диаметрам (свыше 350—400 мм), то вышеуказанные причины изменения размеров пакетов здесь не рассматриваются.

Сечение ярма, поскольку магнитный поток в ярме такой же величины, как и в стержне, теоретически (по крайней мере в геометрическом смысле) должно было бы повторять сечение стержня. Однако ярмо не несет обмоток и поэтому его форма не обусловлена в этом отношении особыми требованиями. С другой стороны, желание упростить в какой-то мере конструкцию магнитопровода приводит к уменьшению числа ступеней сечения ярма по сравнению со стержнем. У трансформаторов малой мощности (габарита I) ярмо вообще делают прямоугольного сечения. Для трансформаторов габарита II наиболее распространенным является двухступенчатое (Т-образное) ярмо. И лишь у более крупных трансформаторов габарита III и выше ярмо делают многоступенчатым с числом ступеней, близким или равным числу ступеней стержня.

В случае применения прямоугольного или двухступенчатого ярма необходимо увеличивать его сечение, т. е. делать так называемое усиление ярма. Усиление ярма делается из следующих соображений. Так как пакеты ярма в этих случаях не равны соответствующим пакетам стержня, то при равных общих сечениях магнитные индукции в пакетах будут разными. Например, в прямоугольном ярме сечение среднего пакета, очевидно, будет меньше сечения среднего (большего) пакета стержня, следовательно, индукция в среднем пакете ярма будет больше средней индукции. Кроме того, индукция будет стремиться выравниваться по общему сечению, а это значит, что часть магнитного потока будет переходить из одного пакета в другой, вызывая добавочные потери от вихревых токов в пластинах стали. Это явление главным образом будет происходить в углах магнитопровода.

Чтобы уменьшить добавочные потери и отчасти несколько уменьшить перераспределение магнитного потока по пакетам, делают усиление ярма. Величина усиления обычно составляет 10—15% при прямоугольном ярме и около 5% при двухступенчатом ярме. При этом только в среднем (большем) пакете ярма индукция будет примерно на 10% больше средней индукции стержня.

Усиление ярма особенно требуется делать при применении холоднокатаной стали, у которой процент потерь от вихревых токов значительно больший, чем у горячекатаной стали.

Так как пакеты стержня и ярма собираются из тонких изолированных пластин электротехнической стали, то из-за наличия изоляционных прослоек и неплотностей между пластинами активное сечение стержня и ярма на несколько процентов меньше площади ступенчатой фигуры.

Активное сечение определяется умножением площади сечения ступенчатой фигуры на коэффициент заполнения сталью этой площади.

Для обычно применяемого двустороннего изоляционного покрытия пластин лаковой пленкой коэффициенты заполнения имеют значения, приведенные в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Толщина пластин, мм

Коэффициент заполнения, КЗ

Покрытие

однократное

двукраткое

0,35

0,5

0,93

0,95

0,91

0,93

Двукратное покрытие применяется для крупных трансформаторов при диаметрах свыше 300—350 мм.

Применяемое за рубежом жаростойкое химическое покрытие позволяет увеличить коэффициент заполнения до 0,96.

Основные размеры магнитопровода Н и МО определяются после расчета обмоток, при котором производится раскладка витков в окне магнитопровода и тем самым определяются размеры окна магнитопровода (см. § 4.3).

§ 3.2. РАСЧЕТ ОБМОТОК. РАСЧЕТ ТОКОВ, ЧИСЛА ВИТКОВ И ВЫБОР РАЗМЕРА ПРОВОДОВ

Расчет обмоток ведется исходя из фазных значений токов и напряжений.

Мощность трехфазной системы переменного тока

S =UЛIЛ√3•10-3 ква,

где UЛ — линейное напряжение, в;

IЛ — линейный ток, а, откуда

IЛ=S•103/UЛ√3 а,

При схеме соединения «звезда» фазное значение тока

IФ=IЛ

и при схеме «треугольник»

IФ=IЛ/√3

В задании на проектирование трансформатора задаются линейные напряжения U, U. Обмотки же каждого стержня должны рассчитываться на фазные напряжения. Поэтому при расчете числа витков обмоток трехфазного трансформатора должны учитываться соотношения между фазными и линейными напряжениями в зависимости от заданной схемы соединения обмоток: при схеме «звезда»

UЛ=√3 UФ

и при схеме «треугольник» Uл= UФ.

Число витков ω определяется исходя из основной формулы напряжения трансформатора

UФ = 4,44 fωBСТFCT•10-4в

Так как f = 50 гц, то

ω= UФ•104/222•BСТFCT

где UФ — фазное напряжение, в;

BСТ— индукция в стержне, тл;

FCT— активное сечение стержня, см2.

Значением BСТ задаются в зависимости от марки применяемой электротехнической стали. Для холоднокатаной стали марок Э320 и Э330 обычно принимают BСТ ≈1,7 тл.

Сначала удобнее определить число витков ωНН обмотки низшего напряжения, как имеющей меньшее число витков:

ωНН= UФНН•104/222•1,78•FCT

Найденное по этой формуле число витков ωНН округляют до ближайшего целого числа.

Число витков ωВН обмотки ВН на номинальной ступени определяют не по основной формуле напряжения, так как при этом не было бы учтено округление числа витков обмотки НН, а исходя из фазного коэффициента трансформации

ωВН= ωНН• UВНН/ UФНН

Исходя из заданного диапазона регулирования напряжения ВН, определяют число регулировочных витков. Например, при регулировании в пределах ±5% число регулировочных витков

ωрВН = ±0,05 ωВН

После этого окончательно записываются числа витков ВН и НН

ВН + ωрВН) - ωВН – (ωВН - ωрВН)/ωНН

+5% НОМ -5%

Размеры (сечения) обмоточных проводов выбираются исходя из допустимых значений плотности δ тока в проводах.

Допустимая плотность тока зависит от выбранного типа обмотки, условий ее охлаждения и значения нагрузочных потерь (потерь в обмотках). Для цилиндрической слоевой обмотки предварительно может быть принято δ = 4 ÷ 5 а/мм2, а для непрерывной и винтовой обмоток δ = 3,8 ÷ 4,2 а/мм2.

Для масляных трансформаторов применяются медные или алюминиевые обмоточные провода прямоугольного сечения марок ПББО, ПБ (медные) и АПББО, АПБ (алюминиевые).

Сортамент проводов, т. е. размеры сторон а и b сечения голого провода, стандартизован (ГОСТ 6324—52). В целях сокращения общего числа размеров проводов и облегчения тем самым снабжения завода-изготовителя для производства обмоток применяется сокращенный против таблицы, приведенной в ГОСТе, сортамент проводов (табл. 3.2— размеры, приведенные в таблице, берутся большей частью через один из указанных в ГОСТе).

Таблица 3.2

b, мм

Сечение прямоугольных обмотных проводов марки ПБ и ПББО (мм2) при а (мм)

1,35

1,56

1,81

2,1

2,44

2,83

3,28

3,8

4,4

5,1

5,5

4,4

5,1

5,9

6,4

6,9

8,0

9,3

10,8

12,5

14,5

5,73

6,68

7,76

6,65

7,75

8,99

9,77

10,6

12,3

14,3

7,75

9,02

10,5

11,4

12,3

14,4

16,6

19,3

8,76

10,2

11,9

12,9

14,0

16,3

19,0

22,2

25,8

10,2

11,9

13,9

15,1

16,3

19,0

22,3

25,9

30,0

34,9

12,0

13,9

16,2

17,6

19,0

22,1

25,8

30,1

34,9

40,5

13,9

16,2

18,9

20,5

22,1

25,7

30,0

34,9

40,5

47,1

16,2

18,9

21,9

23,8

25,7

29,9

34,8

40,5

47,0

54,6

21,5

25,1

27,3

29,5

34,3

40,0

46,6

54,1

62,9

29,2

31,7

34,3

39,9

46,5

54,2

62,9

74,1

34,3

37,1

43,1

50,3

58,5

67,9

78,9

Толщина изоляции

0,5 (на обе стороны) для ПББО

0,6 то же ПБ

0,55 для ПББО

0,65 для ПБ

а и b — размеры сечения провода, мм

§ 3.3. ВЫБОР ТИПА ОБМОТОК ВН И НН, ВЫБОР ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПРОМЕЖУТКОВ, РАЗМЕЩЕНИЕ (РАСКЛАДКА) ВИТКОВ В ОКНЕ МАГНИТОПРОВОДА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСЕВОГО И РАДИАЛЬНОГО СТРОЕНИЙ ОБМОТОК

Для обмоток НН при напряжениях до 690 в и токах до 2000 а могут применяться цилиндрические двухслойные обмотки. При больших токах целесообразно применять винтовые одно- или двухходовые обмотки.

Непрерывные обмотки применяются для обмоток НН при напряжениях свыше 3000 в и для ВН.

Выполнение раскладки обмоток в заводской практике требует наличия известных навыков, и поэтому при выполнении учебных расчетов, как правило, приходится делать несколько прикидочных вариантов раскладки, пока не будет найден наиболее приемлемый.

Сначала необходимо, хотя бы приблизительно, знать (или определить) осевой размер Но (высоту или длину) обмотки.

Длина обмотки может быть предварительно определена либо исходя из коэффициента β, равного отношению средней длины витка к длине обмотки, либо по кривым (см. рис. 2.4).

Раскладка витков для разных типов обмоток производится различными способами.

Цилиндрическая двухслойная обмотка НН рассчитывается следующим образом.

Сначала по выбранному сечению обмоточного провода определяется ширина витка. Если требующееся, исходя из величины плотности тока, сечение провода превышает указанные в табл. 3.3 сечения, то берут два или несколько параллельных проводов.

Тогда длина обмотки

НО = пbИЗ(ω/2 +1 )1,03 мм.

где n — число параллельных проводов;

bИЗ — ширина обмоточного провода с изоляцией;

ω — число витков обмотки;

2 — число слоев;

1 — дополнительное место в слое для одного витка, учитывающее намотку витков по винтовой линии;

1,03 — коэффициент, учитывающий неплотность укладки витков.

Обмоточный провод выбирается такой ширины bИЗ чтобы длина обмотки Но получилась бы близкой к предварительно заданной.

Полученный размер Но округляется до ближайшего большего числа, кратного 5.

Радиальный размер двухслойной обмотки

а1 = (аИЗ + 1) 2 + ак мм,

где аиз— радиальный размер (толщина) провода с изоляцией;

1 — прибавляется на каждый слой на толщину бандажа из хлопчатобумажной ленты;

2 — число слоев;

ак — радиальный размер масляного канала охлаждения, который обычно берется равным 5 - 6 мм.

Расчет винтовой одноходовой обмотки ведется следующим образом.

Сначала определяется некоторый осевой размер, необходимый для размещения провода и масляного канала,

bИЗ + bК = 1,02НО / (ω+4) ,

где bИЗ— ширина провода с изоляцией;

bк— ширина масляного канала (обычно берется равной 5—6 мм);

4 = 1+3 — учитывает дополнительное место для одного витка, наматываемого по винтовой линии, и место для трех транспозиций.

Затем по таблице обмоточных проводов в графе, соответствующей найденному значению bИЗ, выбирают размеры и число параллелей обмоточного провода.

Длина одноходовой винтовой обмотки НО будет равна сумме осевых размеров проводов bm (ω +4) и масляных каналов bK(ω+3). Так как масляные каналы создаются при помощи прокладок из электрокартона, которые при окончательной отделке обмотки подпрессовывают на 4 ÷ 6%, то длина обмотки

НО=bИЗ (ω + 4) + bK (ω + 3) (0,94 /0,96).

Полученный размер Но округляется в большую сторону. Радиальный размер винтовой обмотки

а1 = 1,03 паИЗ мм,

где 1,03 — коэффициент неплотности;

n — число параллельных проводов; аИЗ — радиальный размер провода с изоляцией.

Расчет винтовой двухходовой обмотки ведется аналогичным образом.

Так как для выполнения транспозиций в этой обмотке дополнительного места не требуется, то длина обмотки

НО=bИЗ2 (ω + 4) + bK 2(ω + 3) (0,94 /0,96).

В этой формуле предполагается, что каналы имеются между всеми группами проводов (ходами).

Расчет непрерывной (дисковой) обмотки ВН производится следующим образом.

Так как в обмотке ВН имеются регулировочные ответвления, которые по конструктивным и технологическим соображениям желательно выводить от переходов между катушками, то это накладывает некоторые ограничения на выбор общего числа катушек.

При обычном диапазоне регулирования ±5% (или ±22,5%) общее число витков обмотки ВН составляет 1,05 ωВН (ωВН — число витков номинальной ступени). Поэтому общее число катушек обмотки ВН должно быть кратным 20÷22 и притом четным, чтобы начало и конец обмотки выходили бы сверху. При этих условиях регулировочные катушки будут иметь примерно такое же число витков, что и основные.

При выборе числа катушек приходится пользоваться методом подбора, поэтому сразу выбрать нужное число не всегда удается. Для этой цели может быть предложена следующая методика расчета.

Выбрав по величине тока нужное сечение провода, исходя из плотности тока около 4 а/мм2, так, чтобы соотношение сторон сечения b = 2÷5, и приняв предварительно ширину масляного канала от 5 до 8 мм, приблизительно оценивают, какое общее число катушек размещается по высоте Но и которое при этом должно быть кратно 20÷22. После такой предварительной прикидки уже можно остановиться на вполне определенных размерах провода и канала и числе катушек. При нескольких таких прикидках уже приобретается некоторый навык, и окончательный подбор нужных значений уже не представляет особого труда.

Если по значению тока сечение провода получается слишком большим (если оно выбирается в правой части таблицы проводов), то целесообразно взять 2 или даже 3 параллельных провода. Это несколько облегчит намотку обмотки в производстве.

Правильно произведенная раскладка витков по катушкам считается такой, при которой катушки отличаются между собой по числу витков не больше, чем на один. Обычно делают целое число витков в катушках, хотя можно их выполнять и с дробным числом витков. В последнем случае желательно иметь дробную часть больше половины витка.

Техника раскладки витков в непрерывной обмотке лучше всего может быть пояснена на примере.

Пример 3.1. Задано: ток обмотки ВН — 78 а, осевой размер обмотки Но = 775 мм, общее число витков по ступеням напряжения составляет 416—396— 376 витков.

Требуется выбрать обмоточный провод и определить число катушек и число витков по катушкам.

Заданный расчет может быть выполнен в двух вариантах.

Решение. Вариант I. Задавшись плотностью тока 4 а/мм2, находим необходимое сечение провода

SВН = 78/4=19,5 мм2

Приняв число катушек равным 42, получим, что на одну катушку с каналом в осевом направлении потребуется

775 /42= 18,5 мм.

при канале 7,5 мм ширина провода должна быть 18,5 — 7,5= 11 мм.

По таблице выбирается провод с размерами 10,8х 1,81 мм, сечением 19,3 мм2 и уточняется значение плотности тока

δ=78/19,3 = 4,04 а/мм2

Распределение витков по катушкам производится следующим образом.

Из общего числа катушек 42 4 катушки (10%) будут регулировочными, остальные 38 — основными. На 38 основных катушек приходится 376 витков. Если взять по 10 витков в катушке, то получится 10x38 = 380 витков, т. е. на 4 витка больше, чем нужно. Поэтому 4 катушки из 38 надо взять по 9 витков.

Таким образом получается:

34

основных

катушки

по 10 витков

= 340

4

»

»

по 9 витков

= 36

4

регулировочных

»

по 10 витков

= 40

Всего = 416

Каждая регулировочная ступень содержит по 2x10 = 20 витков. Расчет осевого строения обмотки ВН.

Провод 10,8x1,81 марки ПББО имеет расчетный размер с изоляцией 11,Зх х2,31 мм (плюс по 0,5 мм на обе стороны):

42 катушки

по 11,3

= 475 мм

40 каналов

по 7,5

= 300 мм

1 увеличенный канал

15

= 15 мм

= 790 мм

Прессовка прокладок

15 мм

Н0=775 мм

Прессовка прокладок в каналах 15/(300+15)=4,7%, что в пределах нормы.

Увеличенный канал делается в середине обмотки там, где она имеет разрыв, согласно схеме регулирования. На ступени напряжения ВН — 5% в месте разрыва напряжение между катушками равно около 10,5% (40100/276) от фазного напряжения.

Вариант I1.

Если принять число катушек 64, то на одну катушку с каналом потребуется 775/64=12,1 мм.

Принимая канал 5 мм, выбираем провод с размерами 6,9x2,83 мм, сечением 19 мм2

Плотность тока δ =78/19=4,1 а/мм2.

Из 64 катушек 6 будут регулировочными, остальные 58 — основными.

Рассуждая так же, как в варианте I, получим следующую раскладку витков:

28

основных катушек

по 7 витков

= 196

30

»

по 6 витков

= 180

4

регулировочных

по 7 витков

= 28

2

»

по 6 витков

= 12

Всего

= 416

Каждая регулировочная ступень содержит по 2.7 + 1-6 = 20 витков.

Расчет осевого строения:

65

катушки

по 7,4

= 474 мм

62

канал

по 5

= 310 мм

1

увеличенный канал

по 10

= 10 мм

= 797 мм

Прессовка прокладок

-19 мм

Н0=775 мм

Прессовка составляет 19100/320 = 5,9%.

Прокладки, которые ставятся в масляные каналы, штампуются из электроизоляционного картона толщиной 1,5; 2 и 2,5 мм. Поэтому размеры каналов должны быть кратны этим числам, т. е. они могут быть равными 4,5; 5; 6; 7,5; 8; 9; 10 мм и т. д.

Радиальный размер непрерывной обмотки определяется так же, как и у винтовой обмотки, только число параллельных проводов п заменяется числом витков wB катушки

а2 = 1,03 ωкаиз мм,

где ωк — большее число витков катушки.

Контрольные вопросы

  • Как определяются число и размеры ступеней сечения стержня и ярма магнитопровода?
  • Что такое коэффициент заполнения стали?
  • Напишите основную формулу напряжения трансформатора.
  • В каких случаях применяются двухслойная цилиндрическая, непрерывная и винтовая обмотки?

ГЛАВА IV

РАСЧЕТ РЕЖИМА ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

§ 4.1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ (ХАРАКТЕРИСТИКИ) ХОЛОСТОГО ХОДА ПО ГОСТу: ПОТЕРИ И ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА

Режим работы трансформатора, когда его первичная обмотка включена в сеть с переменным напряжением, а вторичная обмотка разом кнута, называется режимом холостого хода трансформатора. При холостом ходе трансформатор только возбужден, т. е. на вторичной обмотке имеется напряжение, но полезную нагрузку трансформатор не несет.

Режим холостого хода используется, в частности, при испытании готового трансформатора. При так называемом опыте холостого хода определяются некоторые из его эксплуатационных параметров (характеристик), а именно:

а) потери холостого хода Рх;

б) ток холостого хода t0;

в) коэффициент трансформации К.

Потери и ток холостого хода силовых трансформаторов нормированы соответствующими ГОСТами. Их значения были приведены в табл. 2.1 и 2.2.

Правильно рассчитанный и изготовленный силовой трансформатор должен иметь характеристики в пределах допустимых значений, предусмотренных ГОСТами. Однако значения характеристик, которые в ГОСТах не ограничены нижними пределами, например потери и ток холостого хода, не должны на много отличаться в меньшую сторону от их нормированных значений, так как это указывало бы на недоиспользование активных материалов и. следовательно, на излишнюю стоимость трансформатора.

В связи с этим в задачу учащегося, а на заводе-изготовителе трансформаторов — расчетного инженера входит умение правильно рассчитать трансформатор с тем, чтобы, кроме получения его основных пара метров — мощности и напряжений — он также имел бы значения характеристик, близкие к нормированным ГОСТами.

§ 4.2. КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ

Согласно определению коэффициентом трансформации К называется отношение первичной и вторичной э. д. с. равное отношению

чисел витков обмоток,

К=Е1212

Так как падения напряжения в сопротивлениях обмоток силовых трансформаторов при холостом ходе очень малы, то обычно считают, что э. д. с. и напряжения соответствующих обмоток равны, т. е.

Е1≈U1 и Е2 = U2

и, следовательно,

К=U1/U2 (4.1)

§ 4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕСА МАГНИТОПРОВОДА

Для определения веса стали магнитопровода должны быть известны его основные геометрические размеры: сечения стержня FCT и ярма FЯ , высота окна Н и расстояние между осями стержней МО. Расчет сечений стержня и ярма был дан в § 3.1.

Размеры Н и МО определяются исходя из размещения обмоток в окне магнитопровода.

Высота Н окна равна длине Но обмотки плюс изоляционные расстояния до ярма по концам обмотки (рис. 4.1), DВН — наружный диаметр обмотки ВН,

Рис. 4.1. Изоляционные рас стояния до ярма и между об мотками соседних фаз

Расстояния l0 до верхнего и нижнего ярм выбираются по таблицам 13.1 и 13.4. В случае необходимости установки нажимных колец в трансформаторах мощностью 1000 ква

и более расстояние до верхнего ярма увеличивается на 65 мм. В некоторых случаях, например, при необходимости вывода концов обмотки НН большого сечения, расстояние до ярма по конструктивным соображениям увеличивается.

Расстояние между осями стержней МО, как это видно из рис. 4.1, равно наружному диаметру обмотки ВН плюс изоляционное, расстояние а22 между обмотками ВН соседних стержней, определяемое по табл. 13.4.

Вес стали в стержнях

GCT = cγСFCTН•103 кГ,

где с — число стержней (для трехфазного трансформатора с = 3); γС— удельный вес электротехнической стали (горячекатаная имеет γС— 7,55 кГ/дм3 и холоднокатаная — γС= 7,65 кГ1дм3); FCT — активное сечение стержня, см2; Н — высота стержня, см.

Данная формула справедлива для случаев применения ярма прямоугольной или ступенчатой формы со ступенями с внешней стороны магнитопровода.

Вес G3 стали в ярмах ввиду несколько более сложной их геометрической формы определяется как сумма весов основных частей ярм Я и их частей G΄΄Я, находящихся в углах магнитопровода.

Вес основных частей (для трехфазного магнитопровода)

G'Я = 4γС FСТ МО•10-3 кГ. (4.2)

Вес частей в углах при прямоугольных ярмах

G'Я = 2γС FСТ hЯ •10-3 кГ. (4.3)

где hЯ— высота ярма (ширина пластин), см.

Если ярма имеют ступенчатую форму, то вес углов магнитопровода приходится считать по отдельным пакетам, предварительно определяя их объемы.

Например, при часто применяемых двухступенчатых ярмах и при числе ступеней 5 или 6 толщина большего пакета ярма принимается

bЯ1 = b1 + 2b2.

Тогда вес углов

G'Я = 2γС 10-3 [FСТ hЯ2 + F'СТ (hЯ1 - hЯ2 )] кГ, (4.4)

где hЯ1 и hЯ2 — высоты большего и меньшего пакетов ярма, см;

F'СТ — активное сечение двух средних (наибольших) пакетов

стержня, см2.

В других случаях при более сложных формах сечений ярм определяются объемы частей отдельных пакетов стержней и ярм и затем результаты складываются.

§ 4.4. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА.

Потери холостого хода Рх трансформатора состоят главным образом из потерь в активной стали магнитопровода. Электрические потери в первичной обмотке, вызванные током холостого хода, относительно весьма малы и ими обычно пренебрегают.

Потери в конструкционных стальных деталях остова трансформатора и диэлектрические потери в изоляции, имеющие место при холостом ходе, не поддаются точному расчету, и они обычно учитываются коэффициентом добавочных потерь, определяемым опытным путем.

Потери в стали состоят из потерь от перемагничивания (гистерезиса) и потерь от вихревых токов. Процентное соотношение этих потерь бывает различно и зависит от марки применяемой электротехнической стали. В горячекатаной высоколегированной стали марок Э42 и Э43 потери от вихревых токов составляют примерно 20—30% от полных потерь в стали, в холоднокатаной повышеннолегированной стали марок Э320 и ЭЗЗО — 65—75% от полных потерь в стали.

При расчете потерь в стали, а также при их измерении во время испытания трансформатора определяют общие потери в стали, не разделяя их по отдельным составляющим, так как в этом нет необходимости.

Потери в стали зависят от ее марки, толщины, частоты тока, индукции и веса. Значения удельных потерь, т. е. потерь на единицу веса, выражаемых в вт/кГ, нормированы ГОСТ 802—58. Однако в готовом трансформаторе на величину потерь в стали влияет еще целый ряд факторов, как-то: род изоляции пластин, применение отжига пластин после их обработки, качество сборки, конструкция магнитопровода и др. Точный учет влияния этих факторов не всегда возможен, поэтому при расчете пользуются кривыми или таблицами, составленными на основании испытания реальных конструкций магнитопроводов. К данным таблиц, взятым за основные, вносятся корректирующие поправки в виде коэффициентов, учитывающих конкретные особенности конструкций магнитопровода, а также и технологию его изготовления.

Значения удельных потерь и намагничивающей мощности холоднокатаной электротехнической стали марки ЭЗЗО, толщиной 0,35 мм для учебных расчетов могут быть взяты из табл. 4.1.

Таблица 4.1

Индукция

В, тл

Удельные потери

Индукция

В, тл

Удельные потери

р, вт/кГ

q, ва/кГ

q3, ва/см2

р, вт/кГ

q, ва/кГ

q3, ва/см2

1,5

1,51

1,52

1,53

1,54

1,55

1,56

1,57

1,58

1,59

1,6

1,61

1,62

1,41

1,43

1,45

1,47

1,49

1,51

1,53

1,55

1,58

1,60

1,62

1,64

1,67

7,75

8,25

8,75

9,3

9,85

10,4

11,05

11,7

12,4

13,1

13,8

14,6

15,5

1,98

2,05

2,13

2,19

2,26

2,34

2,42

2,50

2,58

2,65

2,74

2,83

2,92

1,63

1,64

1,65

1,66

1,67

1,68

1,69

1,7

1,71

1,72

1,73

1,74

1,75

1,7

1,73

1,76

1,79

1,82

1,85

1,88

1,91

1,95

1,99

2,03

2,08

2,14

16,5

17,4

18,4

19,5

20,7

22,0

23,4

25,0

26,8

28,8

31,0

33,5

36,2

3,01

3,10

3,19

3,28

3,39

3,49

3,60

3,72

3,83

3,97

4,09

4,23

4,37

Примечания: 1. Значения удельных потерь для стали марок Э320 и ЭЗЗОА могут быть получены умножением данных таблицы на 1,15 и 0,85 соответственно.

2. Удельные потери стали толщиной 0,5 мм на 25% выше.

3. Значения удельной намагничивающей мощности для стали марки Э320 толщиной 0,36 и 0,5 мм на 20% выше данных таблицы; то же, для стали ЭЗЗОА примерно соответствуют данными таблицы.

Так как значение индукции в стержнях и ярмах обычно различаются между собой, то потери в стали определяются отдельно для стержней и ярм, и затем результаты складываются, т. е. потери в стали Рх определяются по формуле

PХ = pСТ GСТ + рЯ GЯ , (4.5)

где рСТ и рЯ - значения удельных потерь, взятые по таблице для определенных значений индукции, вт/кГ; GCT и GЯ — вес стержней и ярм, кГ.

К полученному по формуле (4.5) значению потерь в стали вносятся следующие поправочные коэффициенты:

а) коэффициент добавочных потерь КД, учитывающий неравномерное распределение индукции по сечению стержня и ярма, который может быть взят из табл. 4.2.

Таблица 4.2

Вид сечения ярма

Коэффициент добавочных потерь КД при диаметре D стержня (мм)

до 200

200 — 300

300 — 500

свыше 500

Прямоугольное.....

Ступенчатое……..

1,0 — 1,01

1,0

1,02—1,05

1,0 — 1,02

1,05—1,1

1,03— 1,05

1,1 — 1,15

1.05—1,07

б) для неотожженных пластин холоднокатаной стали значения удельных потерь рСТ и ря увеличиваются на 10%;

в) при расчете потерь в магнитопроводе, собранном из пластин холоднокатаной стали обычной конструкции — с прямыми стыками, потери в углах магнитопровода увеличиваются. Это увеличение потерь происходит вследствие несовпадения направления магнитных линий и направления прокатки стали, и для индукции в пределах 1,5—1,7 тл может быть учтено коэффициентом 1,5 для стали толщиной 0,35 мм и 1,3 — для 0,5 мм. На этот коэффициент умножается вес стали углов магнитопровода. Расчет веса углов дан в примере расчета трансформатора.

§ 4.5 РАСЧЕТ ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА

При холостом ходе трансформатора по его первичной обмотке течет ток холостого хода I0. У идеального трансформатора (не имеющего потерь) это будет чисто намагничивающий ток, т. е. ток, создающий намагничивающую силу (ампер-витки), необходимую для образования в магнитопроводе главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками трансформатора.

У реального трансформатора ток холостого хода состоит из реактивной (намагничивающий ток) и активной (компенсирующей потери холостого хода) составляющих.

Ток холостого хода и его составляющие обычно выражают в % от номинального тока.

Активная составляющая

i0a=(Px/S)·100 %,

или, выражая номинальную мощность S в ква,

i0a=(Px/10S) %,

Что касается намагничивающего тока iop, то его величина при определенном значении индукции, так же как и потери холостого хода, зависит в первую очередь от сорта применяемой стали и конструкции магнитопровода.

Расчет намагничивающей мощности, потребляемой сталью магнитопровода, производится аналогично расчету потерь. Значения удельной намагничивающей мощности q берутся по таблице, составленной для каждого сорта стали на основе опытных данных.

Но так как главный магнитный поток Ф на своем пути должен проходить также через места стыков (зазоров) между пластинами, то на преодоление сопротивления стыков требуется дополнительная намагничивающая мощность, которая будет зависеть от конструкции магнитопровода — стыковой или шихтованный, величины зазора, схемы шихтовки и, разумеется, индукции.

В отечественном трансформаторостроении применяются исключительно шихтованные магнитопроводы, поэтому в таблицах помещены значения удельной намагничивающей мощности на стык (зазор) (вар/см2) именно для таких магнитопроводов.

Таким образом, намагничивающий ток

i0P=(qCTGCT+qЯGЯ+nCTqCT.3FCT+ nЯqЯFЯ )/10S %

где qCT и qЯ — удельные намагничивающие мощности соответственно для стержней и ярм, вар/кГ; GCT и GЯ — вес стержней и ярм, кГ;nCT и nЯ — число стыков по сечениям стержня и ярма; qCT.3 и qЯ.3 — удельные намагничивающие мощности на один стык, вар /см2;

Fст.з и FЯ— сечения стержня и ярм (без учета коэффициента заполнения), см2.

Число стыков для трехфазного магнитопровода будет nСТ = 3, nЯ = 4 (рис. 4.2). У крупных трансформаторов, у которых пластины магнитопровода вследствие большой длины делаются составными, число стыков соответственно увеличивается.

Значения удельной намагничивающей мощности q для холоднокатаной стали могут быть взяты из табл. 4.1.

К полученному по формуле (4.7) значению намагничивающего тока в магнитопроводе, собранного из пластин холоднокатаной стали с прямыми стыками, вносится поправочный коэффициент на увеличение намагничивающей мощности в углах магнитопровода аналогично тому, как это делается при расчете потерь в стали. Увеличение намагничивающей мощности вызывается снижением магнитной проницаемости холоднокатаной стали в тех частях магнитопровода, где направление магнитного потока не совпадает с направлением проката листов. Для индукции в пределах 1,5—1,7 тл коэффициент увеличения намагничивающей мощности в углах магнитопровода равен примерно 3 ÷ 3,5.

Рис 4.2. Положение стыков пластин в трехфазном магнитопроводе.

Кривая зависимости намагничивающего тока гор от величины индукции (кривая первоначального намагничивания, изображенная на рис. 4.3, а) имеет так называемую точку перегиба, в близи которой наступает насыщение стали. Увеличение индукции заточкой перегиба кривой вызывает резкое увеличение намагничивающего тока, что является основной причиной ограничения максимального значения индукции 1,4—1,45 тл для горячекатаной стали и 1,6—1,7 тл для холоднокатаной стали. Кроме того, увеличение индукции сильно искажает

Рис. 4.3. Кривая намагничивающего тока: а — построение кривой по заданной точке насыщения (3); б — разложение несинусоидальной кривой на синусоидальные составляющие первой гармоники (iop1) и третьей гармоники (iор3)

форму кривой намагничивающего тока, которая становится несинусоидальной (рис. 4.3, б).

В результате создаются условия для появления магнитных потоков высших гармоник, из которых особенно неприятным является магнитный поток третьей гармоники. При схеме соединения обмоток звезда — звезда (без выведенной нулевой точки) этот поток как совпадающий по фазе во всех трех стержнях вынужден замыкаться в стальных деталях конструкции трансформатора (ярмовые балки, бак и др.), вызывая в них дополнительные, трудно учитываемые потери.

§ 4.6. АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА

Ток холостого хода i0 определяется как геометрическая сумма намагничивающего тока (реактивной составляющей) iop и активной составляющей ioa. Так как на векторной диаграмме векторы iop и ioa сдвинуты по фазе на четверть периода (на 90°), то

i0=√ i20P+ i20a

Для трехфазного трансформатора полученное значение тока холостого хода будет средним для трех фаз. Фактическое значение тока холостого хода у готового трансформатора для среднего стержня будет меньше, чем для крайних. Это происходит вследствие несимметричности магнитной системы для разных фаз. Средняя длина магнитной линии средней фазы В будет меньше, чем у крайних фаз А и С.

Так как активная составляющая гоа относительно мала, то без особой погрешности можно принимать, что i0=i0P.

§ 4.7. ЗАВИСИМОСТЬ ТОКА И ПОТЕРЬ ХОЛОСТОГО ХОДА ОТ ВЕЛИЧИНЫ ПЕРВИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изменение подаваемого к трансформатору первичного напряжения, которое согласно нормам может колебаться в пределах ±5% (а иногда и в больших пределах), вызывает изменение в тех же пределах индукции главного магнитного потока трансформатора.

Потери холостого хода теоретически пропорциональны второй степени величины индукции.

Рис. 4.4. Кривые удельных потерь и намагничивающей мощности в стали марки ЭЗЗО

Но в реальных трансформаторах эта зависимость в диапазоне применяемых значений индукции выражается более резко, приблизительно пропорционально третьей степени индукции, т. е. потери холостого хода сильно зависят от величины подаваемого к трансформатору первичного напряжения. Кривая изменения удельных потерь в стали, по данным табл. 4.1, показана на

рис. 4.4.

Величина намагничивающего тока от индукции зависит в еще сильной степени. Так как с целью экономии активных материалов силовые трансформаторы проектируются с возможно большими значениями индукции, близкими к насыщению стали, то дальнейшее повышение индукции при повышении напряжения вызывает резкий рост намагничивающего тока. Это можно видеть на рис. 4.4, где показана зависимость удельной намагничивающей мощности q и q3 от индукции В.

§ 4.8. УРАВНЕНИЕ БАЛАНСА Э. Д. С. ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ

Ток I0 холостого хода, возникающий в первичной обмотке трансформатора при включении его в сеть с напряжением U1, имеет относительно небольшую величину по сравнению с номинальным первичным током трансформатора.

Создаваемая током холостого хода намагничивающая сила (н с.) первичной обмотки Fo= Iоω1 возбуждает переменный магнитный поток, главная часть которого с амплитудным значением Ф замыкается через магнитопровод. Главный магнитный поток пронизы вает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует в них э. д. с. Е1 и Е2.

Кроме главного магнитного потока, имеется еще поток рассеяния Фр1, магнитные линии которого замыкаются через воздух и пронизывают витки только первичной обмотки, индуцируя в ней э. д. с. рассеяния Ep1.

Поток рассеяния относительно весьма мал по сравнению с главным магнитным потоком, так как он встречает на своем пути большое магнитное сопротивление (немагнитная среда). Поэтому э д. с, рассеяния также очень мала по сравнению с э. д. с, индуцированной главным магнитным потоком (Ep1 << Ep).

Активное падение напряжения Ual в первичной обмотке, имеющей активное сопротивление r1 будет Ual=I0 r1.

Рис. 4 5 Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Согласно второму закону Кирхгофа геометрическая сумма э. д. с. равна сумме падении напряжении в сопротивлении цепи, т.е.

Ú11 + É p1 = Ú a1

Так как приложенное первичное напряжение Ú1 должно уравновешиваться имеющимися в цепи э. д. с и падениями напряжения, то уравнение равновесия (баланса) э. д. с. обычно записывается в следующем виде:

Ú 1 = - É 1 - É p1 + Ú a1

Э. д. с. Рассеяния - É р1 можно рассматривать, как реактивное падение напряжения Úp1, взятое с обратным знаком.

Уравнение равновесия наглядно может быть представлено в виде векторной диаграммы холостого хода трансформатора, изображенной на рис. 4.5.

На этой диаграмме по вертикальной оси откладываются векторы э. д. с, а по горизонтальной — вектор амплитуды главного магнитного потока Ф. Так как э. д. с. Е1 и Е2 отстают от потока Ф на четверть периода, то их векторы с положительным значением направлены вниз.

На этой же диаграмме изображены векторы тока холостого хода İо и его активной İоа и реактивной İор составляющих. Вектор активного падения напряжения Ůа1 совпадает по направлению с вектором İо, а вектор Ůр1 реактивного падения опережает вектор İо на четверть периода (90°).

Вектор Ů1 определится как замыкающий сумму векторов — Ė1, Ůр1 и Ůа1.

Контрольные вопросы

  • Что такое линейный и фазный коэффициенты трансформации и в каких случаях они имеют разные значения?
  • От чего зависит величина потерь холостого хода?
  • Почему потери холостого хода определяются раздельно для стержней и ярм
  • магнитопровода?
  • Почему намагничивающий ток у силовых трансформаторов имеет несинусоидальную форму?
  • Напишите уравнение равновесия э. д. с. при холостом ходе трансформатора.

ГЛАВА V

РАСЧЕТ РЕЖИМА НАГРУЗКИ ТРАНСФОРМАТОРА

§ 5.1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ (ХАРАКТЕРИСТИКИ) ТРАНСФОРМАТОРА ПО ГОСТу ПРИ ЕГО НАГРУЗКЕ: ПОТЕРИ И НАПРЯЖЕНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ, ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И К. П. Д.

Рассмотрим кратко физические процессы, возникающие в трансформаторе при его нагрузке.

Токовая нагрузка трансформатора определяется сопротивлением любого вида: активным, индуктивным, емкостным или смешанным, включаемым на зажимы его вторичной обмотки. Вследствие включения сопротивления в образовавшейся замкнутой цепи появится вторичный нагрузочный ток

I2=U2/ Z2

где Z2 — полное сопротивление цепи.

Вторичный ток I2 создает намагничивающую силу (ампер-витки) I2ω2, которая должна возбудить в магнитопроводе некоторый магнитный поток Фн. Согласно правилу Ленца этот поток в охватывающей его первичной обмотке вызовет первичную намагничивающую силу I1ω1 равную по величине I2ω2. Намагничивающая сила согласно тому же правилу создает магнитный поток — Фн, т.е. поток, равный и направленный противоположно потоку Фн. Магнитные потоки взаимно уничтожаются, но в первичной обмотке появляется нагрузочный ток

I1= I2ω21

Таким образом, при включении со вторичной стороны трансформатора нагрузки появляются нагрузочные токи в обеих его обмотках, направленные противоположно друг другу.

В силовых трансформаторах без большой погрешности полагают, что первичное и вторичное напряжения пропорциональны числам витков обмоток, поэтому

I’1 = I2ω2/ω1 = I2U2/U1 или U1 I’1 = U2 I2

Отсюда следует, что первичная и вторичная мощности равны, и это согласуется с законом сохранения энергии.

Трансформатор, потребляя с первичной стороны электрическую энергию одного напряжения U1 отдает эту же энергию (за вычетом потерь) со вторичной стороны, но только при другом напряжении U2.

Так как в первичной обмотке имеется также и ток холостого хода I0, то общий первичный ток I1 при нагрузке трансформатора должен быть равен сумме (в общем случае геометрической) нагрузочного тока I1 и тока холостого хода I0, т. е.

İ1 =İ'1+ İ0

Но так как ток холостого хода составляет всего несколько процентов от номинального нагрузочного тока и, кроме того, оба тока складываются под некоторым углом друг к другу, то обычно током холостого хода пренебрегают и полагают, что I1 I1.

Нагрузочные токи I1 и I2, проходя по обмоткам трансформатора, вызывают в них активные падения напряжения Ua1= I1r1 и Ua2= I2r2 и индуктивные падения напряжения Pk1 и Pk2.

Активные падения напряжения возникают вследствие электрических (джоулевых) потерь в обмотках, равных PK1= I21r1 и Рк2 = I22r2. Потери в обмотках Рк1 и Рк2 в сумме составляют основную часть потерь коротксго замыкания Рк трансформатора.

Индуктивные падения напряжения возникают вследствие наличия магнитных потоков рассеяния, охватывающих каждую из обмоток в отдельности. Индуктивные падения напряжения компенсируют э. д. с. рассеяния Eр1 и Eр2, т. е. Uр1= — Ер1 и Up2= — Ер2.

В приведенном трансформаторе полное активное падение напряжения равно сумме активных падений напряжения в обеих обмотках, т. е.

Ua=Ua1+ Ua2

Аналогичным образом полное индуктивное падение напряжения равно сумме индуктивных падений напряжения, т. е.

Up=Up1+ Up2

На векторной диаграмме приведенного трансформатора геометрическая сумма активного и индуктивного падений напряжения, векторы которых находятся под углом 90° друг к другу, составляет полное падение напряжения, называемое напряжением короткого замыкания UK трансформатора, следовательно,

_______

Uk=√U2a+ U2p (5.1)

Потери и напряжение короткого замыкания являются важными эксплуатационными параметрами (характеристиками) трансформаторов, поэтому они нормируются ГОСТами. Их значения приведены выше, в табл. 2.1 и 2.2.

От величины потерь и напряжения короткого замыкания зависит величина к. п. д. и изменения напряжения трансформатора, расчет которых приводится далее.

§ 5.2. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Потерями короткого замыкания Рк называется мощность, определяемая по ваттметру при проведении опыта короткого замыкания (см. § 5.6).

Основную часть потерь короткого замыкания, как было сказано выше, составляют электрические потери в обмотках или, точнее, в обмоточных проводах. Кроме электрических потерь в обмотках, в состав потерь короткого замыкания входят также добавочные потери в проводах, стенках бака и деталях конструкции и потери в отводах.

Электрические потери в обмотках, вызванные нагрузочными токами в них, рассчитываются по основной формуле мощности электрического тока, затрачиваемой в цепи

P=I2r.

В заводской практике часто пользуются преобразованной формулой, в которую входят плотность тока δ и вес обмоточного провода Go,

PK=I2r= δ2s2Пρ•(1/sП)= ρδsПl.

Так как G0=γsПl•10-3 и sПl = G0•10-3/γ , то

PK=(ρ/γ2G0•103П δ2G0, вт (5.2)

где sП— сечение провода, мм2; l — длина провода, м;

ρ — удельное сопротивление меди (или алюминия), Ом•мм2;

γ— удельный вес, кГ/дм3; Go— вес обмоточного провода, кГ.

Значение коэффициента КП берется из табл. 5.1.

Таблица 5.1

Материал провода

Значение КП

при температуре

20° С

75°С

Медь………………….

Алюминий…………...

1,97

11,2

2,4

13,6

Так как плотности тока и вес провода у первичной и вторичной обмоток отличаются между собой, то потери в обмотках рассчитываются для каждой из обмоток отдельно и затем суммируются.

§ 5.3. РАСЧЕТ ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ И ПОТЕРЬ В ОТВОДАХ

Добавочные потери при нагрузке трансформатора возникают как в самой обмотке, так и в отдельных деталях конструкций, главным образом в стенках бака. Эти потери возникают от вихревых токов, наводимых в проводах обмотки и в стенках бака потоками рассеяния.

При расчете добавочных потерь предполагается, что магнитные линии поля рассеяния Фр проходят параллельно главному каналу, одновременно пронизывая и обе обмотки, как это показано на рис. 5.2.

Так как обмоточные провода имеют некоторую толщину в радиальном направлении, то они пронизываются магнитным потоком рассеяния и вследствие этого в них возникают добавочные потери от вихревых токов. Эти дополнительные потери учитываются коэффициентом КФ, на который множатся основные (джоулевы) потери в обмоточных проводах.

Теоретический расчет коэффициента Кф представляет собой относительно сложную проблему и поэтому для его определения применяют различные полуэмпирические формулы.

Для силовых трансформаторов с обмотками из прямоугольного провода

КФ=1+[(m2-0,2)/9](a')4, (5.3)

где m — число слоев катушки;

а' — приведенный радиальный размер провода, равный

a'=(a/1,03)√(b/bИЗ)•(f/50)•KP

а — радиальный размер провода, см;

b — осевой размер голого провода, см;

bИЗ— то же, изолированного провода, см;

Кр— коэффициент Роговского (см. § 5.4);

f— частота, Гц.

Для обмоток из круглого провода диаметра d

КФ=1+[(m2-0,2)/15,25](d')4, (5.4)

где d' — приведенный диаметр провода, равный

d'=(d/1,03)√(d/dИЗ)•(f/50)•KP

dИЗ—диаметр изолированного провода, см.

При диаметре провода до 3,5 мм (большие диаметры применяются редко, обычно в таких случаях переходят на прямоугольный провод) процент добавочных потерь относительно мал, поэтому при круглых проводах добавочными потерями пренебрегают.

При расчете добавочных потерь следует учитывать, что их величина в слое проводов, прилежащем к главному каналу рассеяния, получается примерно в 3 раза большей, чем средняя величина, определяемая по вышеприведенным формулам, что может привести к повышенному нагреву этого слоя.

Кроме того, за счет искривления магнитного потока рассеяния на выходе из обмотки могут возникнуть местные перегревы при большом осевом размере провода, что необходимо учитывать при расчете потерь трансформаторов большой мощности.

Из рассмотрения вышеприведенных формул видно, что величина добавочных потерь очень сильно (в четвертой степени) зависит от радиального размера провода. Поэтому следует избегать применения слишком толстых, массивных проводов, а если это требуется из необходимости иметь большое общее сечение обмоточного провода, то следует применять несколько параллельных проводов с их транспозицией (перемещением) (см. далее винтовые обмотки).

Кроме добавочных потерь в обмоточных проводах, потоки рассеяния вызывают также добавочные потери в стенках бака, прессующих ярмовых балках и других массивных частях конструкции трансформатора. Эти потери возникают как от вихревых токов, так и от перемагничивания.

Теоретический расчет этих потерь также очень затруднителен, так как обычно неизвестно точное направление магнитного поля рассеяния и его конфигурация.

Для силовых трансформаторов габарита 1 добавочные потери в стенках бака Рб ввиду их относительно небольшой величины обычно не учитываются. Для трансформаторов большей мощности существует несколько предложенных эмпирических формул для их расчета. Для трансформаторов габаритов II и III наиболее простой является формула

Р6 = 0,007 S1.5 вт (5.5)

Потери в отводах между обмотками и вводами (проходными изоляторами) являются частью потерь короткого замыкания и должны быть учтены при расчете последних.

Потери в отводах могут быть точно определены после конструктивной разработки трансформатора, т. е. когда известны длина и сечение отводов. Однако величину этих потерь хотя бы приблизительно желательно знать заранее, чтобы не вносить коррективы в расчет обмоток после разработки конструкции.

Данные отводов уже выполненных серийных конструкций однотипных по мощности силовых трансформаторов в части потерь существенно не отличаются между собой. Поэтому предварительная величина потерь в отводах Ротв трехфазного трансформатора с достаточным приближением может быть определена по эмпирической формуле

Ротв = 0,05I4S вт, (5.6)

где I — линейный ток обмотки, а.

Как можно видеть из приведенной формулы, величина Ротв при токе, не превышающем 100—200 а, относительно мала, поэтому потери в отводах силовых трансформаторов габаритов II и III практически достаточно определять только для обмоток НН.

§ 5.4. ПОТОКИ РАССЕЯНИЯ ПРИ НАГРУЗКЕ ТРАНСФОРМАТОРА

При нагрузке трансформатора в его обмотках возникают нагрузочные токи, создающие соответствующие намагничивающие силы I1ω1 и I2ω2.

Рис. 5.1. Магнитные потоки рассеяния при нагрузке трансформатора:

1 — общалось стержня и обмоток трансформатора; 2 — вторичная обмотка; 3 — магнитопровод; 4 — первичная обмотка; 5 - канал между обмотками.

Вследствие этого вокруг каждой из обмоток образуются потоки рассеяния, как это показано на рис. 5.1. Так как токи в первичной и вторичной обмотках согласно правилу Ленца направлены в противоположные стороны, то оба потока рассеяния, создаваемые намагничивающими силами обеих обмоток, складываются в общий поток рассеяния Фр, проходящий через промежуток между обмотками, называемый главным каналом рассеяния. Ввиду наличия потоков должно существовать некоторое реактивное падение напряжения, обозначаемое Up1 и Up2. На векторной диаграмме треугольника короткого замыкания векторы Up1 и Up2 падений напряжения повернуты на угол 90º в сторону опережения по отношению к векторам Ua1 и Ua2 активного падения напряжения, совпадающим с направлением векторов нагрузочных токов.

Для расчета реактивного падения напряжения, или иначе напряжения рассеяния, необходимо знать магнитное сопротивление потоку рассеяния данного трансформатора.

Так как расчет действительного потока рассеяния ввиду сложности его формы крайне затруднителен, то вместо него производится расчет более простого, фиктивного, потока рассеяния Фф, эквивалентного действительному. Направление магнитных линий фиктивного потока принято прямолинейным.

Форма фиктивного потока принята как наиболее простая цилиндрическая, с направлением магнитных линий, параллельным оси обмоток. Длина фиктивного потока согласно теоретическим исследованиям проф. Роговского при этом получается лишь на немного большей длины обмоток, так как основное магнитное сопротивление потоку рассеяния заключается в наиболее насыщенной его части, т. е. в главном канале. Вне обмоток поток рассеяния имеет относительно малую плотность и частично проходит по стальным частям трансформатора и поэтому встречает малое сопротивление.

Рис. 5.2. Фиктивный поток рассеяния, эквивалентный действительному, но имеющий более простую форму.

На рис. 5.2 изображен фиктивный поток рассеяния для концентрического расположения обмоток, когда последние имеют цилиндрическую форму и одинаковую длину.

Разность между длиной Но обмотки и длиной 1р фиктивного потока учитывается особым коэффициентом Кр Роговского,

Но = Кр Iр,

Кр=(а+а12)/π Но (5.7)

а — радиальный размер главного канала, см;

а1 и а2— радиальные размеры обмоток, см;

Н0— осевой размер обмотки, см.

§ 5.5. ВЫВОД РАСЧЕТНОЙ ФОРМУЛЫ НАПРЯЖЕНИЯ РАССЕЯНИЯ

Напряжение рассеяния определяется по основной формуле напряжения трансформатора

Uр = 4,44Фр•10-4 в,

где Фр — общий поток рассеяния, проходящий вдоль обмоток и сцепленный с одним витком обмотки.

Индукция Вр в любой точке магнитного поля пропорциональна намагничивающей силе (ампер-виткам), охватывающей эту точку или, для трансформатора, цилиндрическую поверхность, проведенную через какую-либо магнитную линию потока рассеяния.

На рис. 5.3 изображены в разрезе обе обмотки и диаграмма распределения магнитной индукции, поясняющие вывод формулы напряжения рассеяния.

Как было сказано выше, первичная и вторичная намагничивающие силы равны между собой и направлены противоположно, т. е.

I1ω1+ I2ω2 = 0.

По краям зоны обмоток (точки О1 и О2) индукция равна нулю, так как нет ампер-витков, охватывающих силовые линии, находящиеся на крайних поверхностях обмоток. В толще катушек индукция будет увеличиваться по направлению от края катушки к главному каналу,

потому что поток создается теми ампер-витками, которые охватывают данную магнитную линию или с которыми сцеплена магнитная линия.

Наибольшая индукция потока рассеяния будет в главном канале и она будет одинаковой по всей ширине канала. Обычно предполагается, чтобы не усложнять хода рассуждений, что ампер-витки по сечению обмотки распределены с равномерной плотностью. Тогда распределение ампер-витков, а следовательно, и индукции Вр в радиальном направлении зоны обмоток может быть изображено диаграммой в виде трапеции, называемой трапецией Каппа, как это показано на рис. 5.2 и 5.3.

Произведение ωФр= ωBРF называется потокосцеплением. Так как значения ω и ВР являются величинами переменными, то общее потокосцепление определяется как сумма элементарных потокосцеплений

ωФр ωХBХdFX

Рис. 5.3. Эскиз, поясняющий вывод формулы напряжения рассеяния

Для облегчения расчет производится раздельно по каждому из трех отдельных участков зоны обмоток с радиальными размерами а1, а и а2, для которых находится значение потокосцепления.

На среднем участке а (главного канала) ампер-витки и поток постоянны по величине, так как ω и Вр не меняют своих значений, поэтому потокосцепление на этом участке будет

(ωФр)a = ωBРFa = ωBРπ Dcpa,

где Fa= πDcpa — площадь сечения участка а, см2;

Dcp — средний диаметр главного канала рассеяния, см.

Любая магнитная линия участка а будет сцеплена со всеми витками либо первичной обмотки I, либо вторичной обмотки II.

Расчет потокосцепления на участке a1 производится путем интегрирования элементарных потокосцеплений на этом участке.

Выделим в обмотке I элементарную зону в виде силовой трубки (цилиндра) с толщиной стенки dx, на расстоянии х от точки O1, находящейся на крайней поверхности обмотки I, которая будет являться началом координат.

Магнитный поток этой трубки

dФx = BxdFx = Вp (х/а1)π (D1a1 + 2x) dx.

где D1 — средний диаметр обмотки I, см.

Этот магнитный поток сцеплен с витками ωx= ω1(х/а1) , расположенными на рис. 5.3 влево от зоны dx.

Следовательно, общее потокосцепление на участке a1

Для удобства интегрирования полученный интеграл разбивается на два интеграла. В первый интеграл из членов, заключенных в скобки, войдут члены D1a1, а во второй — .

После вынесения постоянных величин за знак интеграла получим:

1)

2)

Отсюда потокосцепление на участке ах будет равно сумме полученных результатов, т. е.

Аналогичным образом определяется общее потокосцепление на участке а2 (приводится без вывода)

где D2— средний диаметр обмотки II, см.

Число витков ω2 обмотки II приведено к числу витков да, обмотки I через обычную формулу приведения

ω'2 = ω2 E1/E2 = ω1.

Таким образом, общее потокосцепление всей зоны обмоток будет равно сумме потокосцеплений трех участков, т. е.

ωФр = (ωФр)а + (ωФр)а1 + (ωФр)а2 = ω1Вpπ[(DСРа +(D1+a1/2)(a1/3) +(D2 - a2/2)(a2/3)]

У силовых трансформаторов, класс напряжения которых не превышает 35 кв, радиальные размеры обмоток ВН и НН мало отличаются друг от друга, поэтому с достаточной для практических расчетов точностью можно положить, что a1a2. Это сильно упростит полученное выражение для потокосцепления.

Раскрыв круглые скобки и заменив D1 и D2 соответственно через Dcp—а—а1 и Dcp+a+a2, будем иметь:

ωФр = ω1Вpπ[(DСРа +(DСР –a - a1/2)(a1/3) +(DСР +a + a2/2)(a2/3)]=

ω1ВpπDСР [(a+ (a1+a2)/3)) + (a/3)(a2 – a1)+ (a22 - a21) /6]

Легко видеть, что при a1a2, т. е. а2 - a1≈0, два последних члена малы, и поэтому ими можно пренебречь. Благодаря этому выражение в квадратных скобках значительно упрощается:

ωФр = ω1ВpπDСР (a+ (a1+a2)/3)= ω1ВpπDСРΔ

где Δ= a+ (a1+a2)/3 называется приведенным, или редуцированным каналом рассеяния.

В тех же случаях, когда размеры a1 и a2значительно отличаются друг от друга, как, например, в высоковольтных трансформаторах, необходимо выражение в квадратных скобках вычислять точно, без указанного упрощения.

Для воздушной (т. е. немагнитной) среды справедлива следующая формула зависимости индукции от намагничивающей силы (ампер-витков) и длины магнитного пути:

Вp=(0,4π√2)/lP

После подстановки этого выражения формула потокосцепления примет вид

_

ωФр =(0,4π2√2I1ω21DСРΔ)/ lP

Это выражение следует подставить в формулу напряжения

UP=4,44fωФр10-4 =(4,44f0,4 π2√2 I1ω21DСРΔ•10-4)/ lP , в

Сделав замену lp=H0/K0 и 4,44 = π2√2 и выразив напряжение

рассеяния в % от номинального напряжения (умножив на 100), получим

UP=100/U1= (0,8π3f I1ω21DСРΔKp•10-4)/H0=(2480f I1ω21DСРΔKp•10-4)/H0•U1, %

И, наконец, сделав последнюю подстановку f = 50 гц и U1/ω1 =eω в/виток, окончательно получим практическую формулу для расчета напряжения рассеяни

UP= IωDСРΔKp/806eωH0, %

При расчете трансформатора обычно бывает необходимо получить заданное значение напряжения рассеяния.

Рассмотрение полученной формулы показывает, что при необходимости изменения расчетного значения Uр наиболее целесообразно в первую очередь изменять размер а — ширину главного канала рассеяния. Если это почему-либо сделать нельзя (например, по изоляционным соображениям или если размер а надо слишком намного увеличивать), то следует либо изменять высоту обмотки Но, либо изменять число витков w, хотя это требует уже полного перерасчета трансформатора.

§ 5.6. РАСЧЕТ НАПРЯЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Напряжение короткого замыкания трансформатора, представляющее полное падение напряжения в нем, измеряется у готового трансформатора при опыте короткого замыкания.

Опыт короткого замыкания заключается в том, что вторичную обмотку (обычно НН) замыкают накоротко, а к первичной обмотке через регулятор напряжения РН подводят напряжение. Схема опыта короткого замыкания изображена на рис. 15.5.

Напряжение поднимают от нуля до тех пор, пока амперметр не покажет номинальное значение тока I1.Так как вторичная обмотка,ставляет собой замкнутый контур, то в ней также возникнет локальный ток I2(I1ω1= I2ω2).

Ввиду отсутствия внешней вторичной цепи мощность, которую по-.ажет ваттметр, называется мощностью, или потерями, короткого замыкания Рк, которые состоят, как было сказано в § 5.2, из потерь в обмоточных проводах, добавочных потерь и потерь в отводах.

Рис. 5.4. Треугольник короткого замыкания (векторная диаграмма)

Напряжение, которое необходимо подвести к одной из обмоток трансформатора, чтобы в ней установился ток, соответствующий номинальной мощности, при замкнутой накоротко второй обмотке называется напряжением короткого замыкания.
Это напряжение UK компенсирует активные и реактивные падения напряжения в обеих обмотках, вызванные токами I1 и I2, и поэтому является полным падением напряжения в трансформаторе. Напряжение короткого замыкания составляет несколько процентов

от номинального напряжения (от 5,5 до 7,5% для трансформаторов габаритов IIIIII напряжением до 35 кв). Так как насыщение магнито-провода, а следовательно, потери и ток холостого хода будут при этом весьма малы, то последними при расчете UK можно пренебречь.

Векторная диаграмма короткого замыкания трансформатора может быть получена из упрощенной векторной диаграммы приведенного трансформатора, в которой вектор вторичного напряжения Ич равен нулю. Треугольник ЛВО, построенный на катетах, равных суммам активных и реактивиых падений напряжения обеих обмоток, называется треугольником короткого замыкания (см. рис. 5.4).

Напряжение короткого замыкания UK, а также и его составляющие Uа и Up удобнее выражать в % от номинального напряжения. Расчет напряжения рассеяния Up уже был рассмотрен в § 5.5.

Активная составляющая Uа зависит от величины потерь короткого замыкания и ее формула выводится следующим образом. Для каждой из обмоток на основании закона Ома

Ua1=I1r1 и Ua1=I1r1,

или, выразив падения напряжения в % от номинального,

ua1=Ua1/U1•100= (I1r1/U1)•100= (I21r1/ U1I21)•100=(Pk1/S)•100%;

ua2=Ua2/U2•100= (I2r2/U2)•100= (I22r2/ U2I22)•100=(Pk2/S)•100%;

ua= ua1+ ua2= [(Pk1+ Pk2) /S]•100%

Потери Рк обычно выражаются в вт, а мощность — в ква, поэтому окончательно

ua= (Pk /1000S)•100=Pk /10S, % (5.9)

Так как в треугольнике короткого замыкания напряжение короткого замыкания Pк является гипотенузой, то через свои составляющие это напряжение, очевидно, будет выражено формулой

UK=√U2a+U2p

Соотношения между Ua и Up различны и зависят от мощности трансформатора. У самых малых трансформаторов (мощностью до 1 ква) реактивная составляющая мала, и напряжение UK можно считать равным Ua. С ростом мощности значение Up относительно увеличивается, и у самых крупных трансформаторов, наоборот, напряжение UK становится уже почти равным реактивной составляющей Up.

Контрольные вопросы

  • Что является нагрузкой трансформатора?
  • Почему при нагрузке вторичной обмотки трансформатора в первичной обмотке также появляется нагрузочный ток?
  • Почему потери, возникающие при нагрузке трансформатора, называются потерями короткого замыкания?
  • Где и отчего возникают добавочные потери?
  • Что такое реактивное падение напряжения и отчего оно возникает?
  • Что такое приведенный канал рассеяния и коэффициент Роговского?

Напишите их формулы.

  • Напишите расчетную формулу напряжения рассеяния.

Что такое напряжение короткого замыкания?

Что такое треугольник короткого замыкания?

ГЛАВА VI

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

§ 6.1. ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА. ВЫВОД РАСЧЕТНОЙ ФОРМУЛЫ

Изменением напряжения ΔU трансформатора называется арифметическая разность между номинальным вторичным напряжением (U2ном и вторичным напряжением U2, которое получается (устанавливается) на зажимах вторичной обмотки при нагрузке трансформатора и заданном коэффициенте мощности нагрузки cosφ2.

Номинальным вторичным напряжением U2ном силового трансформатора называется вторичное напряжение, определенное по коэффициенту трансформации К без учета падений напряжения от тока холостого хода. Практически это будет вторичное напряжение при холостом ходе

U2ном=U1(ω2/ω1)=U1/K

Изменение вторичного напряжения обычно выражается в процентах по отношению к номинальному вторичному напряжению U2ном

Δu=[( U2ном- U2)/ U2ном ]100%. (6.1)

Изменение напряжения происходит вследствие наличия активных и реактивных падений напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Для вывода формулы изменения напряжения используется векторная диаграмма приведенного трансформатора (рис. 6.1) для случая индуктивной нагрузки. При построении этой диаграммы предполагается, что вторичная обмотка приведена к первичной и ток холостого хода равен нулю.

Треугольник короткого замыкания ABC необходимо перестроить таким образом, чтобы один из катетов нового треугольника являлся бы продолжением вектора U2. Для этого на гипотенузе АС, как на диаметре, описывается полуокружность и строится треугольник ACD (рис. 6.2).

Отрезки CD и AD выразим в % от вектора первичного напряжения U1 и полученные значения обозначим через m и n (соответственно)

m=(CD/U1)•100%; n=(AD/U1)•100%. (6.2)

Из прямоугольного треугольника ADО (см рис. 6.1)

AО2 = OD2 + AD2 = (ОС + CD)2 + AD2

Рис. 6.1. Векторная диаграмма приведенного трансформатора, поясняющая вывод формулы изменения напряжения

Рис. 6.2.Треугольник короткого замыкания, перестроенный для вывода формулы изменения напряжения

или, выразив отрезки через соответствующие векторы,

U21=(U2+mU1/100)2+(nU1/100)2,

Откуда

U'2=√U21-(n U1/100) 2-mU1/100.

Формулу изменения напряжения подвергнем некоторому преобразованию, зная, что U1= KU2ном и U'2 = KU2 (из условия приведения):

Δu=[( U2ном- U2)/ U2ном ]100=[(KU2ном- KU2)/ KU2ном ]100==[( U1- U'2)/ U1]100

=(1- U'2/ U1 )100%.

Подставив вместо U'2 его значение, получим

С целью упрощения формулы выражение может быть разложено в ряд по формуле бинома Ньютона

Члены этого ряда, начиная с третьего, весьма малы и ими можно пренебречь. Взяв лишь два первых члена, будем иметь

Определим значения m и n. Для этого выразим их через значения uа и uр — активное и реактивное падения напряжения.

Обратимся к рис. 6.2 и рассмотрим треугольники ABC и ADC. Проведем линии BE || CD (до продолжения катета AD) и BF || AD. Из треугольников BFC и БЛ£ легко видеть, что

CD = CF + FD = CF + BE = ВС cosφ2 + AB sinφ 2 и

AD = AE — DE = AE — BF = AB cosφ2ВС sinφ2.

Катеты ВС и AВ треугольника короткого замыкания, отнесенные к вектору U1 первичного напряжения, являются активной и реактивной составляющими этого треугольника, т. е.

ua=(BC/U1)100% и uP=(AB/U1)100%

Таким образом, учитывая выражения (6.2), получаем формулу изменения напряжения в ее окончательном виде

Δu=m+n2/200= ua cosφ2+ uP sinφ2+(uP sinφ2 - ua cosφ2)2/200.

Угол φ2 сдвига по фазе нагрузочного тока I2 относительно напряжения U2 при индуктивной и емкостной нагрузках имеет противоположные знаки. Соответственно этому и члены, содержащие sinφ2 , также должны иметь обратные знаки.

В связи с этим формулу изменения напряжения можно записать в более общем виде

Δu=ua cosφ2± uP sinφ2+(uP sinφ2± ua cosφ2)2/200. (6.4)

где верхние знаки при sinφ2 относятся к индуктивной нагрузке, а нижние — к емкостной.

Рассмотрим некоторые частные случаи, когда формула для изменения напряжения приобретает упрощенный вид.

При активной нагрузке, т. е. когда cos φ2= 1 и, следовательно, sin φ2= 0, формула значительно упрощается и имеет вид

Δu=ua +u2P/200.

При значении uP <5% последним членом в формуле (6.4) можно пренебречь, и тогда

Δu=ua cosφ2± uP sinφ2 (6.5)

а при активной нагрузке (в частном случае) Δu=ua.

Пример 6.1. Вычислить значение изменения напряжения трансформатора при cos φ2 = 0,8, если ua = 2,4% и uP = 5% (нагрузка индуктивная).

Решение.

Пример 6.2. Вычислить значение Δu при емкостной нагрузке, если cos φ2, = = 0,7, ua = 4% и uP = 4,5%.

Решение:

Полученное в примере 6.2 отрицательное значение изменения напряжения показывает, что при емкостной нагрузке и при достаточно большом угле φ2 возможны случаи некоторого повышения вторичного напряжения.

При изменении нагрузки можно считать, что значение изменения напряжения будет меняться пропорционально нагрузочному току I2. Чтобы в этом убедиться, достаточно установить, что входящие в формулу активное и реактивное падения напряжения также изменяются пропорционально нагрузочному току.

В формуле реактивного падения напряжения

uP=(I2ω2DCPΔKP)/806eωH0

при изменении нагрузки все величины, кроме I2, имеют постоянное значение, поэтому uP = I2.

Активное падение напряжения равно сумме активных падений напряжения в первичной и вторичной обмотках

ua=ua1+ua2=(I1r1100)/U1+(I2r2100)/U2

Заменив I1 через I2ω2/ω1 и пренебрегая изменением сопротивлений r1 и r2, возникающим от изменения температуры обмоток, и незначительным изменением напряжения U2, можно записать

т. е. получаем, что активное падение напряжения также пропорционально нагрузочному току.

Если в формуле (6.4) изменения напряжения пренебречь третьим членом ввиду его относительно малой величины,т. е. если пользоваться формулой (6.5), то легко видеть, что поскольку величины ua и uP пропорциональны нагрузочному току I2, то и изменение напряжения Δu также ему пропорционально

Δu = I2.

§ 6.2. ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА

Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость между вторичными током и напряжением при изменении нагрузки, неизменном значении первичного напряжения U1 и заданном коэффициенте мощности cos φ2 во вторичной цепи.

Рис. 6.3. Внешняя характеристика трансформатора

Вторичное напряжение U2 при нагрузке отличается от напряжения холостого хода на величину изменения напряжения, которое зависит от величины нагрузки.

Внешняя характеристика может быть построена как по расчетным данным активного и индуктивного падений напряжения (расчетная внешняя характеристика), так и по опытным данным (внешняя характеристика конкретного трансформатора). Построение внешней характеристики показано на рис. 6.3. По оси ординат откладывается вторичное напряжение U2, а по оси абсцисс — величина нагрузки α (в % или долях от номинальной мощности). Начальная точка внешней характеристики начинается от ординаты, равной U2НОМ, а другой ее конец, против абсциссы α = 1 (т. е. при номинальной нагрузке), будет опущен против начала на величину ΔU — изменения напряжения.

Так как изменение напряжения пропорционально нагрузочному току I2 (см. § 6.1), то внешняя характеристика практически представляет прямую линию. На рис. 6.3 построены две внешние характеристики — для cos φ2=1 и cos φ2= 0,8.

Положения характеристик зависят от мощности и характера нагрузки трансформатора и при малой мощности они могут поменяться местами (при активной и активно-индуктивной нагрузках).

§ 6.3. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Коэффициентом полезного действия (к. п. д.) трансформатора η, как и всякого другого преобразователя энергии, называется отношение отдаваемой (полезной) мощности к затраченной (подведенной), или отношение вторичной мощности Р2 трансформатора к его первичной мощности P1, выраженное в %, т. е.

η =( P2/P1) 100%.

Ввиду высоких значений к. п. д. трансформатора (от 95 до 99,5% в зависимости от мощности) значения P1 и Р2 мало отличаются друг от друга. Поэтому для более точного расчета к. п. д. целесообразно первичную мощность представить равной вторичной плюс потери трансформатора, т. е.

P1 = Р2 + РX + РK.

Сделав соответствующую подстановку в первоначальную формулу для к. п. д., получим

η =( P2/P1) 100= P2100/ Р2 + РX + РK=[1- (РX + РK)/ (Р2 + РX + РK )]100 %. (6.6)

Полученная формула для к. п. д., во-первых, уменьшает погрешности при расчете, и, во-вторых, позволяет определить к. п. д. готового трансформатора по его известным, измеренным при опытах холостого хода и короткого замыкания, потерям, не измеряя его первичной и вторичной мощностей, что в большинстве случаев было бы совершенно невозможно.

Выбор правильного расчетного значения к. п. д. трансформатора при его проектировании представляет собой более сложный вопрос, чем это может первоначально показаться. При разработке конструкции трансформатора (или серии трансформаторов) неизбежно приходится идти на компромисс между двумя противоречиями: с одной стороны, уменьшение стоимости трансформатора требует минимального расхода активных материалов — обмоточного провода и электротехнической стали, с другой стороны, стремление получить более высокий к. п. д., чтобы сделать трансформатор более экономичным в эксплуатации, вызывает увеличение расхода этих материалов.

Поэтому значения к. п. д. устанавливаются стандартами на трансформаторы, нормирующими потери последних. Значения к. п. д. устанавливаются с учетом общегосударственной экономики в зависимости от многих факторов, как-то: стоимости материалов, электроэнергии, линий электропередач и т. п., одновременно учитывая предшествующий опыт производства трансформаторов и их эксплуатации.

Кроме того, следует иметь в виду, что выбор того или иного значения к. п. д. еще не определяет полностью расхода активных материалов. Чтобы построить наиболее экономичный трансформатор при заданном к. п. д., необходимо еще учесть характер загрузки трансформатора, от которого зависит наиболее рациональное соотношение потерь холостого хода и короткого замыкания трансформатора.

Более подробно этот вопрос освещен в [Л.2].

Нагрузка трансформатора не является постоянной по величине, она меняется в течение суток, сезона и года, в зависимости от нужд потребителя электроэнергии. Так, например, существуют характерные суточные, сезонные и другие графики нагрузки трансформаторов.

На рис. В.2 показан один из таких графиков.

К. п. д. трансформатора меняется в зависимости от величины его нагрузки, поэтому трансформатор должен быть построен таким образом, чтобы наибольшее значение его к. п. д. получалось при наиболее часто повторяющейся величине нагрузки.

Нагрузку трансформатора, т. е. активную мощность Р2, отдаваемую с его вторичной стороны, можно представить в виде следующего выражения:

Р2 = αScosφ2,

где α — коэффициент загрузки трансформатора, выраженный в долях от номинальной мощности S;

cos φ2 — коэффициент мощности, зависящий от характера нагрузки (индуктивной или емкостной).

Потери холостого хода Рх пропорциональны квадрату индукции В, но так как индукция пропорциональна э. д. с. Е1 т. е. величине, относительно мало изменяющейся при изменении нагрузки (при расчете силового трансформатора обычно принимают E1U1 ), то потери холостого хода Рх при любой нагрузке практически можно считать по величине постоянными, т. е. Рх— const.

Потери короткого замыкания Рк, как основные (электрические), так и добавочные, пропорциональны квадрату нагрузочного тока I2. Их иногда называют переменными потерями. Следовательно, для любого значения нагрузки а потери короткого замыкания могут быть выражены следующей формулой:

РК = α2PК.НОМ,

где PК.НОМ — потери короткого замыкания при номинальной нагрузке.

В данном выражении, однако, пренебрегают током холостого хода в первичной обмотке и изменением сопротивления обмоточного провода в зависимости от температуры. Но эти факторы очень мало влияют на величину к. п. д., и поэтому они не учитываются.

Подставив полученные выражения для Р2 и РК в основную формулу (6.6) к. п. д., получим формулу к. п. д. в общем виде для любого значения α

η =[1- (РX + α2РK)/ (αScosφ2 + РX + α2РK )]100 %. (6.6)

В этой формуле имеют место указанные выше допущения, которые принимаются с целью упрощения расчета, существенно не влияя на их точность. Эти допущения также учтены в стандартах на трансформаторы.

§ 6.4. УСЛОВИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАИБОЛЬШЕГО ЗНАЧЕНИЯ К. П. Д.

Пользуясь общей формулой для к. п. д., можно определить условия, при которых к. п. д. будет иметь наибольшее значение.

Приняв величину нагрузки а за аргумент, будем искать максимальное значение функции η. Для этого, как обычно, следует найти первую производную и приравнять ее нулю

η =[1- (РX + α2РK)/ (αScosφ2 + РX + α2РK )]100= [ (αScosφ2)/ (αScosφ2 + РX + α2РK )]100 %;

Так как знаменатель производной не равен бесконечности, следовательно, числитель равен нулю. Раскрыв скобки, получим

α2S2cos2φ2+ РXS cosφ2+ α2PKScosφ2 - α S2cos2φ2 - 2 α2PKScosφ2=

= РXS cosφ2 - α2PKScosφ2=0,

откуда РX= α2PK (для любого значения cos φ2).

Таким образом устанавливаем, что к. п. д. достигает своего наибольшего значения тогда, когда потери короткого замыкания α2PK становятся равными потерям холостого хода РX.

Поэтому при расчете серии силовых трансформаторов, а также и при расчете отдельных трансформаторов с целью получения наибольшего среднего значения к. п. д. соотношение между РK и РX должно выбираться таким, чтобы при наиболее часто встречающейся величине нагрузки αS потери α2РK и РX были бы примерно равны между собой.

Значения потерь холостого хода и потерь короткого замыкания, указанные в стандартах на силовые трансформаторы, выбраны с учетом реальных графиков их нагрузки. Среднее значение а для силового трансформатора при его эксплуатации составляет примерно 0,45 ÷ 0,55. Отсюда следует, что, исходя из найденного оптимального равенства РX=α2РK, потери короткого замыкания силового трансформатора должны превышать потери холостого хода в 3,3 ÷ 5 раз, т. е.

PK/PX=1/(0,45 ÷ 0,55)2≈3,3 ÷ 5.

Силовые трансформаторы с таким соотношением потерь целесообразно применять и при более интенсивном графике нагрузки, т. е. с большим использованием его номинальной мощности, так как значение к, п. д. при мощности от 0,5 до номинальной изменяется в сторону уменьшения относительно незначительно, как это видно на графике к. п. д. (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Кривые к. п. д. в зависимости от величины нагрузки и коэффициента мощности.

Индукция в стержнях и ярмах магнитопровода обычно отличается между собой (см. § 4.4). Однако можно показать (доказательства

опускаются), что при одном и том же общем весе стали магнитопровода и рационально выбранной его конструкции потери холостого хода будут наименьшими при равных значениях индукции в стержнях и ярмах.

Аналогичным образом потери в обмоточных проводах, составляющие основную часть потерь короткого замыкания, будут наименьшими, если при заданном общем весе провода плотность тока в первичной и вторичной обмотках будет примерно одинакова.

Эти обстоятельства необходимо учитывать при расчете трансформатора, чтобы получить возможно более высокий к. п. д. трансформатора при одном и том же расходе активных материалов.

Контрольные вопросы

  • Что такое изменение напряжения? Напишите его формулу.
  • Какие при нагрузке трансформатора потери считаются постоянными и какие переменными и почему?
  • При какой величине нагрузки желательно иметь наибольшее значение к. п. д.?

ГЛАВА VII

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ РАССЕЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ

§ 7.1. НЕРАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАМАГНИЧИВАЮЩИХ СИЛ ПО ВЫСОТЕ ОБМОТОК

При выводе формулы напряжения рассеяния (см. § 5.5) предполагалось, что обмотки имеют равномерную плотность распределения намагничивающей силы (ампер-витков) по продольному сечению и следовательно, по высоте обмоток.

Однако по крайней мере одна из обмоток (ВН) силового трансформатора, а иногда и обе имеют неравномерное распределение ампер-витков по высоте по следующим причинам:

Рис. 7.1. Схемы регулирования напряжения обмотки ВН

1. Отключение части витков обмотки ВН при регулировании напряжения.

Для регулирования напряжения обмотки ВН (в пределах ±5% или ± 2 × 2,5% согласно стандартам) силовых трансформаторов наиболее часто применяются две основные схемы: прямая (с разрывом) (рис. 7.1, а) и оборотная (рис. 7.1, б). В обеих схемах отключаемые при регулировании витки расположены по середине высоты обмотки.

При прямой схеме с помощью переключателя (см. гл. IX), например на номинальной ступени напряжения, соединяются ответвления А3 и А4 (показано штрихом на рис. 7.1, а). Таким образом витки между ответвлениями А2, и А4 отключены и, следовательно, намагничивающая сила в этом месте отсутствует.

Аналогичным образом в оборотной схеме, применяемой при схеме звезда, к нейтральной точке присоединяется ответвление Х2 и поэтому отключены витки между ответвлениями X1 и Х2.

Следовательно, в обеих указанных схемах регулирования, при ступенях напряжения номинальной и—5% имеет место неравномерное распределение ампер-витков по высоте обмотки вследствие выключения части витков в ее середине.

2. Укорочение слоевой (или винтовой) обмотки вследствие большой ширины витка.

Рис. 7.2. Разрежение ампер-витков обмотки ВН из-за увеличенных концевых каналов

Рис. 7.3. Разрежение ампер-витков обмотки ВН из-за увеличенных концевых каналов

При расчете осевого размера слоевой (или винтовой) обмоток (см.§ 3.3) к числу витков в слое прибавлялся один виток на сдвиг витков по винтовой линии. Однако при большой ширине витка hв по концам слоевой (или винтовой) обмотки образуется пустое пространство (показано на рисунке 7.2. штриховкой), не заполненное обмоточным проводом.

Благодаря этому у каждого конца обмотки получается укорочение размещения ампер-витков в среднем на hв/2.

3. Разгон витков в отдельных местах обмотки по конструктивным соображениям.

У непрерывных обмоток напряжением 35 кв и выше концевые катушки имеют усиленную изоляцию витков и увеличенные каналы hк.усил между катушками, как это, к примеру, изображено на рис. 7.3. Это приводит к разрежению (уменьшению плотности) ампер-витков в этих местах обмотки, т. е. к неравномерному их распределению.

К этому же приводят и увеличенные каналы в местах групповой и общей транспозициях в одноходовой винтовой обмотке.

Вследствие указанных выше причин получается несоответствие (несимметрия) первичных и вторичных ампер-витков по высоте обмоток, что вызывает образование дополнительного поперечного потока рассеяния.

§ 7.2. РАСЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО РЕАКТИВНОГО ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ОТ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО ПОТОКА РАССЕЯНИЯ

Рассмотрим один из наиболее часто встречающихся случаев несимметрии — выключение регулировочных витков в середине обмотки ВН. На рис. 7.4, а показано продольное сечение обмоток и расположение н. с. (намагничивающих сил) с их разрывом Н1 в середине обмотки ВН.

Действительное расположение н. с. в обмотке ВН может быть представлено в виде двух составляющих, из которых одна будет иметь такую же н. с, как и основная обмотка, но равномерно распределенную по высоте, а другая — некоторую дополнительную н. с, как это показано на рис. 7.5. Причем обе н. с. в сумме должны составлять фактическую н. с. обмотки ВН.

Построим диаграмму Каппа для обеих составляющих н. с. Первая составляющая будет представлена обычным образом, как для продольного поля рассеяния, при концентрических обмотках. Напряжение рассеяния для этой пары определяется по обычной формуле. Диаграмма другой составляющей, изображенная на рис. 7.6, повернута на 90, что соответствует дополнительному поперечному потоку рассеяния. Для создания поперечного потока требуется некоторое добавочное напряжение рассеяния т, выражаемое в процентах от основного.

Таким образом, полное реактивное падение напряжения

Рис. 7.4. Основные случаи неравномерного расположения намагничивающих сил по высоте обмотки

Рис. 7.5. Расположение намагничивающей силы обмотки ВН на основную и дополнительную составляющие

Рис. 7.6. Диаграмма Каппа для основного (продольного) и поперечного потоков рассеяния

где кр' — напряжение рассеяния, подсчитанное по формуле (5.8).

Добавочное напряжение рассеяния т может быть подсчитано по одной из приближенных формул в зависимости от местонахождения выключенных витков или разрежения н. с:

а) для выключенных витков в середине обмотки ВН

(7.2)

б) для укорочения слоевой или винтовой обмотки НН (с одной стороны) вследствие большой ширины H1 витка (рис. 7.4. б)

(7.3)

Входящие в эти формулы величины Н0,Н1 и с показаны на рис. 7.4, а и б.

§ 7.3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

В результате взаимодействия магнитного поля рассеяния с током в обмотке в последней возникают механические усилия. При нормальном режиме работы, при нагрузке трансформатора, не превышающей его номинальной нагрузки, эти механические усилия не представляют сколько-нибудь серьезной опасности для целости обмоток. Однако при внезапных коротких замыканиях, когда бросок установившегося тока короткого замыкания достигает значения, в 20—25 раз превышающего номинальный ток, электромагнитная сила, пропорциональная квадрату силы тока, возрастает в 400—600 раз. Мгновенное значение тока короткого замыкания ввиду наличия свободной составляющей тока (см. далее) может быть еще в 2 раза больше, что может вызвать значительные механические разрушения в трансформаторе. В связи с этим конструкция обмоток и опорных деталей должна быть рассчитана таким образом, чтобы она могла противостоять возникающим механическим усилиям.

Рис. 7.7. Возникновение механического взаимодействия между проводниками с током

Известно, что проводник с током, находящийся в магнитном поле и пересекающий магнитные линии, испытывает усилие, приложенное к проводнику. Это усилие направлено перпендикулярно к направлению тока и магнитных линий (правило левой руки).

Рис. 7.8. Направление механических усилий, возникающих в обмотках трансформатора

Как следствие этого явления можно рассматривать взаимодействие двух проводников с током. Два параллельных проводника с одинаково направленными токами стремятся сблизиться между собой (рис. 7.7,а), а проводники с противоположно направленными токами взаимно отталкиваются друг от друга (рис. 7.7, б).

Эти явления имеют место в обмотках трансформатора. Витки одной и той же обмотки стремятся сблизиться между собой, а вся обмотка в целом — как бы уплотниться. Первичная и вторичная обмотки, имеющие при нагрузке трансформатора противоположно направленные токи, наоборот, стремятся оттолкнуться друг от друга, как это изображено на рис. 7.8, а для концентрических (симметричных) обмоток и на рис. 7.8, б — для чередующихся (дисковых) обмоток.

§ 7.4. РАСЧЕТ РАДИАЛЬНЫХ И ОСЕВЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ УСИЛИЙ

В концентрических обмотках от взаимодействия токов первичной и вторичной обмоток наружная обмотка стремится разорваться, а внутренняя — сжаться. Таким образом в этих обмотках возникают радиальные механические усилия, которые воспринимает на себя обмоточный провод, препятствуя их внешнему проявлению.

Максимальное значение радиального усилия Fp, возникающего от взаимодействия первичного и вторичного токов (см. рис. 7.8),

(7.4)

где — н. с. одной из обмоток, а;

— средний диаметр главного канала рассеяния, см;

— высота обмотки, см.

При коротком замыкании усилие Fp возрастает пропорционально квадрату кратности тока короткого замыкания. Кроме того, в начальный момент короткого замыкания ввиду наличия постоянной составляющей тока, учитываемой коэффициентом Км, усилие увеличивается еще больше.

Таким образом, в момент короткого замыкания максимальное радиальное усилие

где— напряжение короткого замыкания, %;

,

иа и ирактивная и реактивная составляющие ик, %.

Как было уже сказано, в каждой из обмоток витки, обтекаемые током одного направления, стремятся сблизиться между собой. Очевидно, что наибольшее давление при этом будут испытывать витки, находящиеся в середине высоты обмотки, так как именно в этом месте будут суммироваться давления от каждого витка. Приближенно возникающее вследствие этого осевое усилие

(7.6)

где — ширина приведенного канала рассеяния, см.

При несимметричном расположении витков с током по высоте одной обмотки по отношению к виткам другой обмотки, о чем было сказано выше, появляется поперечное поле рассеяния. Вследствие этого возникает дополнительное осевое усилие F"OC, направление которого таково, что оно стремится еще больше увеличить имеющуюся несимметрию.

Величина дополнительного осевого усилия будет зависеть от значения поперечного поля рассеяния, точный расчет которого весьма затруднителен, так как неизвестна конфигурация поперечного поля.

Расчетная длина поперечного поля рассеяния Нр приближенно может быть принята равной расстоянию от стержня магнитопровода до стенки бака в предположении, что остальная часть потока рассеяния замыкается через стальные детали конструкции и поэтому встречает в этих местах относительно малое сопротивление.

Тогда дополнительное осевое усилие

(7.7)

где m — множитель, зависящий от характера несимметрий, т = 1 при одностороннем отключении витков (укорочение обмотки НН на H1); m = 4 при отключении регулировочных витков в середине обмотки ВН или при двустороннем укорочении обмотки НН по Н1 /2 с каждой стороны.

Рис. 7.9 Возникновение осевых усилий в следствии несимметричного расположения намагничивающих сил в концентрических обмотках

Общее осевое усилие Foc (рис 7.9) для каждой из обмоток будет равно сумме или разности обеих составляющих в зависимости от местонахождения несимметрии в каждой из обмоток.

Для наиболее часто встречающегося случая – двустороннего укорочения обмотки НН (слоевая, или винтовая, обмотка) и выключения регулировочных витков в середине обмотки ВН общее осевое усилие Fос будет равно: для обмотки НН — сумме, а для обмотки ВН — разности основного и дополнительного осевых усилий, т. е.

(7.8)

Причем для обмотки НН это усилие будет сжимающим с наибольшим его значением в середине обмотки, а для обмотки ВН — усилие, с каким эта обмотка будет давить через ярмовую изоляцию на ярмовые балки. В связи с этим прочность ярмовых балок должна быть рассчитана на это усилие.

В самих обмотках должно быть определено механическое напряжение в витках и прокладках, сравнивая их с допустимыми величинами.

Контрольные вопросы

  • Что такое поперечный поток рассеяния и отчего он возникает?
  • Отчего возникают механические усилия в обмотках трансформатора?
  • Какие усилия и в каких случаях они становятся опасными для обмоток и других частей трансформатора?

ГЛАВА VIII

РАСЧЕТ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 8.1. РАСЧЕТ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКОВ ПО ВЕТВЯМ ОБМОТКИ. ТИПОВАЯ МОЩНОСТЬ

Автотрансформатором называется такой трансформатор, в котором первичная и вторичная обмотки имеют общую часть (ГОСТ 11677—65), т. е. у которого имеется лишь одна обмотка, причем часть ее витков является общей для первичной и вторичной цепей.

Рис. 8.1 Принципиальная схема однофазного понижающего автотрансформатора с включенной нагрузкой

Принцип действия и режим холостого хода автотрансформатора не отличаются от таковых у обычного двухобмоточного трансформатора.

Некоторые особенности расчета автотрансформатора имеют место в режиме нагрузки, при котором нагрузочные токи распределяются по обмотке таким образом, что в общей части обмотки течет ток, равный разности первичного и вторичного нагрузочных токов. Благодаря этому типовая (расчетная) мощность автотрансформатора становится меньше проходной и поэтому автотрансформатор в принципе по расходу

активных материалов экономичнее трансформатора. Однако степень экономичности автотрансформатора зависит от коэффициента трансформации, о чем будет сказано ниже.

Автотрансформаторы, так же как и трансформаторы, могут быть повышающими и понижающими.

В качестве примера может быть рассмотрена схема однофазного понижающего автотрансформатора (рис. 8.1).

Пусть на обычном замкнутом магнитопроводе, применяющемся для трансформаторов, будет насажена обмотка с числом витков, и от этой обмотки выведено ответвление таким образом, что между этим ответвлением и началом обмотки число витков будет ω2.

Если ко всей обмотке с числом витков ω1 подвести первичное напряжение U1, то на части обмотки с числом витков появится некоторое ω2 вторичное напряжение U2 . Значение вторичного напряжения может быть определено, так же как и для трансформатора, по общей формуле для коэффициента трансформации К (пренебрегая падением напряжения)

,

откуда

.

Для выяснения распределения нагрузочных токов по обмотке следует более подробно рассмотреть режим нагрузки автотрансформатора.

При включении со вторичной стороны некоторого приемника электроэнергии ZH, как это показано на рис. 8.1, во вторичной цепи потечет нагрузочный ток I2. При этом будет расходоваться некоторая мощность S2=U2 I2. Эта мощность называется проходной мощностью (она соответствует номинальной мощности S трансформатора). Если пренебречь потерями энергии в автотрансформаторе, то согласно закону сохранения энергии из питающей сети должна поступать первичная мощность S1, равная мощности S2. Следовательно, в первичной цепи должен возникнуть нагрузочный ток I1.

Таким образом,

S1=U1 I1=U2 I2=S2

Ответвление обмотки в точке а делит обмотку на два участка: а—X — общий для первичной и вторичной сторон и А—а — сериесный (последовательный). Определим нагрузочные токи в каждом из участков.

Как видно из рис. 8.1, в сериесном участке А—а течет ток I1. Ток Iа-х общей части равен геометрической сумме токов I1 и I2, которые противоположны друг другу (см. § 5.1). Следовательно, если пренебречь током холостого хода, то ток Iа—х будет численно равен арифметической разности вторичного и первичного нагрузочных токов, т. е. Iа-х = I2 - I1 (ток I2>I1, так как трансформатор понижающий). Как видно из рисунка, направления токов в общем и сериесном участках будут противоположны друг другу.

Можно показать, что мощности обоих участков обмотки SA-a и Sa-x равны между собой.

Для сериесного участка обмотки

SA-a = (U1U2 )I1 =U1 I1U2 I1

для общего участка

Sa-X = U2(I2I1 )=U2 I2U2 I1

Так как U2 I1= U2 I2, то нетрудно видеть, что SA-a= Sa-X.

Аналогичный результат получился бы и для повышающего автотрансформатора.

В связи с тем что сериесный и общий участок обмотки равны по мощности и их н. с. направлены в противоположные стороны, эти участки можно рассматривать как первичную и вторичную обмотки трансформатора, имеющего некоторую мощность ST, равную мощности каждого из участков. Эта мощность является расчетной или типовой мощностью автотрансформатора.

Типовой мощностью автотрансформатора называется такая его мощность, которая передается из первичной цепи во вторичную электромагнитным путем. Таким путем в автотрансформаторе преобразовывается лишь часть энергии, подводимой к его первичной стороне, а остальная часть передается вторичной стороне непосредственно через гальваническую связь между обеими сторонами (цепями).

Очень важным в отношении применения автотрансформатора является то обстоятельство, что его типовая мощность ST всегда меньше его номинальной (проходной) мощности SHOM, благодаря чему автотрансформатор является более дешевым аппаратом, чем трансформатор на ту же номинальную мощность SHOM.

Отношение типовой мощности к номинальной называется коэффициентом выгодности автотрансформатора Kат.

Для понижающего (U1 >U2) автотрансформатора

(8.1)

Для повышающего (U2 >U1) автотрансформатора

где К =UBH/UHH — коэффициент трансформации (отношение большего-напряжения к меньшему).

Коэффициенту выгодности автотрансформатора можно также дать следующее определение: коэффициент выгодности равен разности первичного и вторичного напряжений, отнесенной к наибольшему из этих напряжений. Это означает, что типовая мощность автотрансформатора, определяющая его размеры и вес активных материалов, может быть выбрана в 1/Kат раз меньше его проходной мощности.

Однако ощутимый в смысле экономии материалов эффект от применения автотрансформатора вместо трансформатора получается, как это видно из формулы для Кат, только при значениях коэффициента трансформации К, близких к 1.

Если взять для примера понижающий автотрансформатор с коэффициентом трансформации 220/127 в, т. е. у которого К = 220/127 = = 1,73, то коэффициент выгодности в этом случае будет

.

Это значит, что типовая мощность такого автотрансформатора будет составлять всего 0,42 от его проходной мощности.

Рис. 8.2 Регулировочный автотрансформатор типа РНО:

1 — ручка регулятора; 2 — щеткодержа тель; 3 — обмотка

В случае большего коэффициента трансформации, например К =20000/400=50 - коэффициент выгодности будет уже

и выгоды от применения автотрансформатора уже почти никакой не будет.

С другой стороны, при больших значениях К применение автотрансформаторов становится недопустимым. Это происходит потому, что первичная и вторичная цепи электрически соединены между собой, вследствие чего уровень изоляции сети низшего напряжения (не имеющей заземленной нулевой точки) и всех присоединенных к ней электрических приборов, машин и аппаратов должен быть таким же, как и для сети высшего напряжения, что совершенно нецелесообразно. Кроме того, по условиям безопасности электрических установок недопустима связь низковольтных сетей, доступных для прикосновения человека, с сетями, находящимися под высоким напряжением.

Исходя из приведенных соображений, автотрансформаторы применяются главным образом в тех случаях, когда требуется изменить напряжение в небольших пределах и когда можно ограничиться одним и тем же классом напряжения в первичной и вторичной цепях.

Для крупных силовых автотрансформаторов согласно ОСТ 11677—65 предусмотрено их трехобмоточное исполнение, при котором обмотки ВН и СН выполнены по автотрансформаторной схеме, а обмотка НН — отдельной, т. е. не связанной с обмотками ВН и СН. Причем в трехфазном автотрансформаторе обмотка НН соединена в схему треугольник для гашения третьей гармоники магнитного потока.

Трехобмоточные автотрансформаторы применяются на распределительных подстанциях с подключением к трем линиям электропередачи с разными напряжениями.

Автотрансформаторы с несколькими ответвлениями особенно удобно применять для регулирования напряжения. На рис. 8.2 изображен регулировочный автотрансформатор типа РНО.

§ 8.2. РАСПОЛОЖЕНИЕ ОБМОТОК АВТОТРАНСФОРМАТОРА НА СТЕРЖНЯХ МАГНИТОПРОВОДА

Как было уже отмечено, сериесный и общий участки обмотки автотрансформатора следует рассматривать как первичную и вторичную обмотки трансформатора. Это следует учитывать при расположении обмотки на стержнях магнитопровода во избежание возникновения большого магнитного потока рассеяния.

Рис. 8.3 Расположение обмоток трансформатора: а – при броневом магнитопроводе; б и в – при стержневом магнитопроводе

При одном стержне, несущем обмотки (при броневом типе магнитопровода), витки каждого участка обмотки должны располагаться по всей высоте стержня (рис. 8.3, а). При расположении обмотки на двух стержнях магнитопровода витки каждого участка должны быть распределены поровну на обоих стержнях (рис. 8.3, б, в).

§ 8.3. ТРЕХФАЗНЫЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Обмотки трехфазного автотрансформатора насаживаются на обычный трехфазный магнитопровод. Каждый участок обмотки каждой фазы (при концентрическом расположении обмоток) распределяется по всей высоте окна магнитопровода (рис. 8.4).

Трехфазные автотрансформаторы преимущественно соединяются в схему звезда (условное обозначение У-авто). На рис. 8.5 показана векторная диаграмма трехфазного автотрансформатора.

Рис. 8.4 Расположение обмотки трёхфазного автотрансформатора

Рис. 8.5 Векторная диаграмма трёхфазного автотрансформатора

Расчет токов для каждого участка обмотки производится аналогично однофазному автотрансформатору.

Соотношения фазных и линейных напряжений будут точно такими же, как и у трехфазных трансформаторов при схеме звезда—звезда. Фазные напряжения ВН и НН в у 3 раз меньше линейных напряжений ВН и НН.

Вследствие этого линейный коэффициент трансформации Кл равен разному Кф, т. е.

где и .

Первичная и вторичная э. д. с. совпадают по фазе. Как видно из векторной диаграммы, автотрансформатор при схеме звезда имеет группу соединения 0.

Типовая мощность трехфазного автотрансформатора по отношению к его проходной мощности определяется тем же коэффициентом выгодности, что и для однофазного автотрансформатора,

.

§ 8.4. РАСЧЕТ ТРЕХОБМОТОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА

При распределении электрической энергии часто встречается необходимость питать при помощи трансформаторов одновременно две сети с различными напряжениями. Для этой цели вместо требующихся для этого отдельных двухобмоточных трансформаторов с различными коэффициентами трансформации удобнее и экономичнее применять трехобмоточные трансформаторы. Это позволяет упростить и удешевить трансформаторную подстанцию.

Примерная схема распределения электрической энергии при помощи трехобмоточного трансформатора приведена на рис. 8.6.

Трехобмоточные трансформаторы имеют три обмотки: ВН, СН и НН, т. е. высшего, среднего и низшего напряжения.

В трехобмоточном трансформаторе первичная мощность в соответствии с законом сохранения энергии должна быть равна сумме мощностей обеих вторичных обмоток. Но между вторичными обмотками мощность нагрузки может распределяться различным образом

Рис. 8.6 Сема распределения электрической энергии при помощи трёхобмоточного трансформатора

Стандартами на силовые трансформаторы предусмотрены следующие четыре исполнения трехобмоточных трансформаторов по соотношению их обмоток.

Обмотка ВН всегда выполняется на полную мощность. Эта мощность принимается за номинальную для трехобмоточного трансформатора. Первое по таблице исполнение трехобмоточного трансформатора называется исполнением на его полную мощность. Такой трансформатор допускает работу любой пары обмоток или сочетания всех трех обмоток на полную номинальную мощность. Остальные исполнения допускают работу трансформатора при нагрузке обмотки НН или СН (или обеих вместе) на неполную (до 67%) номинальную мощность. Это несколько удешевляет стоимость трансформатора, так как при этом уменьшается его типовая мощность.

Таблица 8.1.

Исполнение

Мощность

ВН

СН

НН

1

100

100

100

2

100

100

67

3

100

67

100

4

100

67

67

Исходя из конструктивных соображений, по условиям выполнения изоляции обмотка ВН всегда расположена снаружи. Остальные обмотки СН и НН могут меняться местами. Таким образом возможны два порядка расположения обмоток по их напряжениям (считая от стержня): НН, СН, ВН (рис. 8.7, а) и СН, НН, ВН (рис. 8.7, б).

Обозначения выводных концов обмоток трехобмоточных трансформаторов согласно стандарту на силовые трансформаторы приняты следующие:

Обмотка ВН

Обмотка СН

Обмотка НН

Нулевая точка в схеме звезда трехфазных трансформаторов обозначается О, От или о.

Рис. 8.7. Расположение обмоток трехобмоточного трансформатора на магнитопроводе: а —обмотка НИ первая от стерж ня; б— обмотка НН между об мотками СН и ВН; в и г—неприменяемые расположения обмоток

Режим холостого хода трехобмоточного трансформатора в принципе не отличается от такового у обычного двухобмоточного трансформатора.

Обозначим для краткости обмотки ВН, СН и НН цифрами 1, 2 и 3 (считая от наружной обмотки к внутренней — см. рис. 8.7, а).

Если включить одну из обмоток, например 1, в сеть с первичным напряжением U1, то в остальных обмотках 2 и 3 будут индуцироваться напряжения U2 и U3.

Так как для каждой из обмоток трехобмоточного трансформатора должна быть справедлива основная формула напряжения

,

то напряжения (U2 и U3 будут пропорциональны числам витков ω2 и ω3 в обмотках 2 и 3. Иными словами, для каждой из обмоток будут справедливы отношения

.

Отношение напряжений, или коэффициент трансформации, какой-либо пары обмоток обозначается буквой К с двойным индексом, например

, , .

Процессы, происходящие в двухобмоточном трансформаторе, могут быть обобщены и распространены на трехобмоточные (и вообще на многообмоточные) трансформаторы.

В частности для трехобмоточного трансформатора будут справедливы уравнения равновесия э. д. с.

Е1=Е2'=Е3', или, пренебрегая падениями напряжения, U1 = -U2’=-U3’; и уравнение равновесия э. д. с.

Индексы указанных величин даны в предположении, что первичной является обмотка 1.

Расчет потерь и тока холостого хода трехобмоточного трансформатора аналогичен расчету этих параметров (характеристик) для двухобмоточного трансформатора.

§ 8.5. РЕЖИМ НАГРУЗКИ ТРЕХОБМОТОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ И НАПРЯЖЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

В отличие от двухобмоточного трансформатора у трехобмоточного трансформатора напряжение и потери короткого замыкания нормируются и определяются для каждой пары его обмоток. Таким образом, для каждого трансформатора определяются по три значения uk и Рk. Причем в целях единообразия метода расчета все значения uk и Рk условно приводят к номинальной (100%) мощности, если даже одна или две обмотки были бы рассчитаны на неполную (67%) мощность.

Для определения фактических падений напряжения и потерь короткого замыкания при заданных вторичных мощностях производится необходимый пересчет. При пересчете можно принять, что падение напряжения практически изменяется пропорционально мощности, а потери короткого замыкания — пропорционально квадрату мощности .

Ввиду различия во взаимном расположении обмоток, а также ввиду разных расстояний между обмотками, определяемых в основном шириной главного канала рассеяния, напряжения рассеяния (у трансформаторов большой мощности они почти равны напряжениям короткого замыкания) любой пары обмоток будут сильно отличаться друг от друга.

Стандартами на трехобмоточные силовые трансформаторы (класса напряжения ПО кв) нормированы следующие значения напряжения короткого замыкания (определяемые в основном значениями напряжения рассеяния).

Между обмотками

1—2

10,5%

То же

2—3

6%

» »

1—3

17%

Напряжение рассеяния между обмотками 1 и 3 получается большим потому, что в ширину главного канала рассеяния входят два канала между обмотками 1-2 и 2—3 и радиальный размер обмотки 2.

Таким образом, в зависимости от порядка расположения обмоток изменяются значения напряжения короткого замыкания для разных пар обмоток (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Напряжение короткого замыкания (%) при расположении обмоток по

Между обмотками

рис. 8.7, а

рис. 8.7, б

ВН и НН

17

10,5

ВН и СН

10,5

17

СН и НН

6

6

Для повышающего трехобмоточного трансформатора обычно применяют 2-й порядок расположения обмоток. При этом первичная (НН) обмотка помещается в середине, т. е. на месте обмотки 2. В этом случае падения напряжения в ней относительно двух других (вторичных) обмоток будут наименьшими.

При одновременной нагрузке обеих вторичных обмоток диаграмма распределения потока рассеяния в зоне обмоток (диаграмма Каппа) получает более сложную форму, |чем у двухобмоточного трансформатора, и может быть построена как сумма диаграмм двух потоков рассеяния, создаваемых двумя вторичными потоками в отдельности.

Рис. 8.8. Диаграммы потоков рассеяния трехобмоточиого трансформатора:

а — первичная обмотка1; б — первичная обмотка 2 (1 — поток рассеяния φр12 — между обмотками 1 и 2; 2 — поток рассеяния φp13. 3 — поток рассеяния φр23; 4 — суммарный поток рассеяния)

Форма диаграммы изменяется в зависимости от того, будет ли первичной обмоткой одна из крайних или средняя из трех обмоток.

Приведем диаграммы потоков рассеяния для случая, когда первичной обмоткой является обмотка 1 — рис. 8.8, а, и для случая, когда первичной обмоткой является обмотка 2 — рис. 8.8, б). Стрелками показаны направления потоков рассеяния в каналах между обмотками. Заштрихованные площади представляют собой геометрические суммы площадей двух диаграмм (трапеций).

§ 8.6. РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПАДЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Ранее было сказано, что у трехобмоточного трансформатора определяются три значения напряжения короткого замыкания, для трех пар обмоток соответственно. Однако при одновременной загрузке обеих вторичных обмоток и любом распределении нагрузки между ними определить фактические значения напряжения короткого замыкания и изменения напряжения для каждой из них по значениям напряжения короткого замыкания только для пар обмоток затруднительно.

В этом случае прибегают к определению значений эквивалентных индивидуальных напряжений рассеяния и короткого замыкания, условно отнесенных к каждой из обмоток в отдельности.

Аналогично тому, что каждая из обмоток 1, 2 и 3 трехобмоточного трансформатора имеет свое активное сопротивление r1, r2 или r3 и, следовательно, в каждой из них имеется активное падение напряжения ua1; ua2 или ua3, можно предположить, что в каждой из них имеется индуктивное сопротивление x1; x2 или х3, и также имеют место индуктивные индивидуальные падения напряжения uр1; uр2 или uр3 (напряжения рассеяния).

Значения индивидуальных индуктивных падений напряжения не могут быть непосредственно измерены на готовом трансформаторе. Однако они могут быть определены расчетным путем по известным значениям парных падений напряжения, полученным измерениями или рассчитанных по известной формуле для напряжения рассеяния, приведенной в гл. V.

Индивидуальные напряжения рассеяния каждой из обмоток какой-либо их пары в сумме составляют напряжение рассеяния данной пары, т. е.

up1+up2=up12

up2+up3=up23

up1+up3=up13

Откуда, решая эту систему уравнений, нетрудно получить, что индуктивные

напряжения рассеяния для каждой обмотки будут

Например, для указанных ранее (§ 8.4) значений парных напряжений рассеяния и для 1-го порядка расположения обмоток значения индивидуальных напряжений рассеяния для каждой из обмоток будут следующими:

Как видно из данного примера, значение индивидуального напряжения рассеяния может быть также и отрицательного знака.

§ 8.7. РАСЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И К. П. Д. ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯХ НАГРУЗКИ ПО ВТОРИЧНЫМ ОБМОТКАМ ТРЕХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Расчетная формула изменения напряжения для трехобмоточного трансформатора, так же как и для двухобмоточного, может быть получена при помощи упрощенной векторной диаграммы. Далее приводятся (без вывода) формулы для определения изменения напряжения для каждой обмотки в отдельности, т. е. для определения индивидуальных изменений напряжения, поскольку такой метод расчета для трехобмоточного трансформатора гораздо удобнее. Эти формулы по внешнему виду сходны с подобной формулой для двухобмоточных трансформаторов.

Для обмотки 1

где — коэффициент загрузки данной обмотки в долях от номинальной мощности;

и — значения индивидуальных активного и реактивного

падений напряжения.

Для обмоток 2 и 3 формулы имеют аналогичный вид с соответствующими изменениями индексов.

Изменение напряжения для любой пары обмоток равно алгебраической сумме их индивидуальных изменений напряжения.

Исходя из известных значений для обеих вторичных обмоток (в случае когда обмотка 1 является первичной), значения этих же параметров и для первичной обмотки определяются из формул:

Следует иметь в виду, что величина изменения напряжения в любой паре обмоток трехобмоточного трансформатора зависит также и от величины и рода нагрузки третьей обмотки, и, следовательно, она будет меняться при изменении нагрузки в третьей обмотке.

Пример 8.1. Рассчитать падение напряжения трехобмоточного трансформатора мощностью 10 000 ква.

Параметры трансформатора:

Обмотка 1

ua1=0,2%

uP1=6%

Обмотка 2

ua2=0,2%

uP2=0,3%

Обмотка 3

ua3=0,25%

uP3=10,8%

Расчет произведем для двух вариантов:

Вариант I.

Трансформатор нагружен на полную мощность

Определяем значение

Вариант II.

Трансформатор нагружен на неполную мощность (мощность обмотки 2 по сравнению с вариантом I снижена вдвое).

Определяем значение

Из приведенного примера расчета для двух вариантов нагрузки трехобмоточного трансформатора видно, что при уменьшении нагрузки только в одной вторичной обмотке 2 падение напряжения уменьшается также и в другой вторичной обмотке 3. Этим примером показана зависимость режима работы одной обмотки от величины нагрузки другой.

Коэффициент полезного действия (к. п. д.) трехобмоточного трансформатора определяется исходя из суммы нагрузок его обеих вторичных обмоток по формуле, аналогичной формуле к.п.д. для двухобмоточного трансформатора,

где Px- потери холостого хода, кВт;

Рк1к2к3 —потери короткого замыкания (индивидуальные значения для обмоток 1, 2 и 3), кВт; остальные обозначения те же, что и в формуле изменения напряжения. Приближенно можно принять, что

Пример 8.2. Определить к. п. д. трехобмоточного трансформатора с данными, указанными в примере 8.1, для двух вариантов нагрузки.

Дополнительные данные: Рх = 14,5 кВт, Рл1= Рк2= 20 кВт, Рк3 — 25 кВт.

Вариант I.

Вариант II.

§ 8.8. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ПИТАНИЯ РТУТНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

В отдельных отраслях техники и народного хозяйства электроснабжение должно осуществляться постоянным током, так как переменный ток по некоторым причинам оказывается непригодным. Постоянный ток необходим на транспорте — для питания тяговых электродвигателей, требующих регулирования числа оборотов, для разного рода электрохимических процессов — электролизные ванны, зарядка аккумуляторов и т. д.

Постоянный ток для промышленных целей получают при помощи выпрямления переменного тока, применяя ртутные выпрямители, в которых используется вентильное свойство электрической дуги, горящей в вакууме. Для получения вентильного свойства дуги создают особые условия для ее горения. В последнее время получили распространение также твердые кремниевые полупроводниковые выпрямители.

Таким образом, для получения постоянного тока прибегают к преобразованию трехфазного переменного тока в так называемый выпрямленный, т. е. постоянный пульсирующий ток, который в дальнейшем при помощи фильтров может быть превращен в почти идеальный постоянный ток.

Благодаря вентильному действию ртутного выпрямителя ток в какой-либо фазе вторичной обмотки течет лишь в течение части периода (через тот анод выпрямителя, напряжение на котором в данный момент выше), поэтому условия работы первичной и вторичной обмоток выпрямительного трансформатора и их расчетные мощности неодинаковы. Типовая мощность Рт выпрямительного трансформатора определяется как полусумма мощностей Р1 и Р2 первичной и вторичной обмоток, т. е.

Рт=(Р12)/2.

Между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора существуют определенные соотношения, которые зависят от числа фаз и схемы включения выпрямителя.

§ 8.9. ОДНО- И МНОГОФАЗНЫЕ СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ПОМОЩИ РТУТНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ И ПИТАЮЩЕГО ЕГО ТРАНСФОРМАТОРА

Однофазная двухполупериодная схема. Вторичная обмотка трансформатора имеет выведенную среднюю точку, являющуюся минусом выпрямленного напряжения Цв. Концы вторичной обмотки подведены

к анодам выпрямителя, катод которого является плюсом выпрямленного напряжения (рис. 8.9, а).

Рис. 8.9. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления переменного тока:

а — принципиальная схема; 6 — графики напряжений

В этой схеме обе половины вторичной обмотки работают по очереди, по одному полупериоду каждая. Это легко проверить по схеме, учитывая, что в выпрямителе ток может идти только от анода к катоду. Если, например, в какой-то момент напряжение вторичной обмотки направлено вверх, то ток пойдет лишь через правый анод выпрямителя и далее через цепь нагрузки вернется в обмотку. Тока в нижней половине обмотки не будет, так как цепь будет заперта левым анодом. В следующий полупериод картина изменится на обратную. Ток будет идти только по нижней половине обмотки.

В результате во внешней нагрузочной цепи будет течь ток только одного направления, т. е. будет иметь место выпрямленный или постоянный пульсирующий ток (рис. 8.9, б).

Трехфазная схема выпрямления при соединении обмоток трансформатора треугольник — звезда с выведенной нулевой точкой.

Рис. 8.10. Трёхфазная схема выпрямления переменного тока:

а — принципиальная схема; 6 — графики напряжений

В трёх фазной схеме выпрямления линейные вводы вторичной обмотки подведены к трем анодам выпрямителя, а нулевая точка является минусом выпрямленного напряжения (рис. 8.10, а).

В этой схеме, как и в прочих многофазных схемах, дуга в выпрямителе горит только у анода, имеющего наибольший положительный потенциал, и таким образом каждые 1/3 периода дуга, а следовательно, и ток переходят с одного анода на другой. Благодаря этому аноды, а также и фазы вторичной обмотки трансформатора работают по очереди.

Отсюда вытекает требование, чтобы схема трансформатора допускала однофазную нагрузку. Этому требованию удовлетворяют схемы ; ; .

Кривая выпрямленного напряжения при трехфазной схеме имеет меньшую пульсацию, чем при двухполупериодной схеме. Если при двухполупериодной схеме напряжение периодически падает до нуля, то в трехфазной схеме минимальное значение выпрямленного напряжения составляет 0,5 от его амплитуды (см. рис. 8.10, б). Следовательно, трехфазная схема выпрямления дает более ровную кривую выпрямленного напряжения.

Таким образом можно уже прийти к выводу, что дальнейшее увеличение числа фаз на вторичной стороне трансформатора даст еще более благоприятную кривую выпрямленного напряжения. Поэтому большое распространение получили шестифазные схемы выпрямления.

Рис. 8.11. Шестифазная схема выпрямления переменного тока «звезда—двойной зигзаг с выведенной нулевой точкой»:

а — принципиальная схема; б — кривая выпрямленного напряжения

Шестифазная схема выпрямления звезда — двойной зигзаг с выведенной нулевой точкой. В трехфазном трансформаторе можно получить на вторичной стороне шестифазную обмотку. Одной из таких схем для вторичной обмотки является схема двойной зигзаг, изображенная на рис. 8.11, а.

На каждом стержне магнитопровода трехфазного трансформатора, на стороне вторичного напряжения, расположены три катушки. Все катушки имеют одинаковое число витков (равноплечий зигзаг). Катушки, составляющие по схеме внутреннюю звезду, имеют относительно катушек внешних ветвей в раз большее сечение провода. Это объясняется разной длительностью прохождения вторичного тока по катушкам: по ветвям внутренней звезды ток идет в течение 1/3 периода, а по внешним ветвям — только 1/6 периода.

Буквенная часть обозначения концов обмоток соответствует фазе трансформатора, т. е. стержню магнитопровода, на котором располо жена обмотка, а цифровой индекс соответствует порядковому номеру анода согласно чередности их работы.

На рис. 8.11, б изображена кривая выпрямленного напряжения при шестифазной схеме.

С первичной стороны допустимы схемы как звезда, так и треугольник, так как в любой момент со вторичной стороны нагружены две какие-либо фазы, и поэтому перекос фаз не возникает.

Шестифазная схема выпрямления треугольник — две обратные звезды с выведенными нулевыми точками.

Рис. 8.12. Шестифазная схема выпрямления переменного тока треугольник – две обратные звезды с выведенными нулевыми точками:

а-принципиальная схема, б-векторная диаграмма

Другой шестифазной схемой вторичной обмотки является схема две обратные звезды (рис. 8.12, а). На каждом стержне (фазе) магнитопровода расположены две одинаковые вторичные обмотки, причем одна из них входит в схему прямой звезды, а другая — в схему обратной, т. е. повернутой относительно прямой звезды на 180°, или на 6 условных угловых единиц. Это достигается или разным направлением намотки вторичных обмоток или изменением маркировки концов одной из них.

Таким образом, как это можно видеть на векторной диаграмме (рис. 8.12, б), совмещением двух вторичных обмоток, соединенных по схеме двух обратных звезд, можно получить шестифазную схему

Так как в любой момент при работе выпрямителя нагружена лишь одна какая-либо фаза, то первичная обмотка должна быть соединена в треугольник во избежание перекоса фаз и повышения вследствие этого реактивного падения напряжения.

Шестифазная схема с двумя обратными звездами обычно имеет еще уравнительный реактор, включенный между нулевыми точками

Рис. 8.13. Включение уравнительного реактора между нулевыми точками двух вторичных обмоток

обеих звезд (рис. 8.13). Назначение уравнительного реактора — получить некоторое перекрытие анодов, что дает более благоприятную кривую выпрямленного тока и увеличение мощности установки. Наличие индуктивности в цепи анода задерживает затухание дуги в момент ее перехода на следующий анод, а ток падает до нуля постепенно. Таким образом, в течение некоторого времени горят два анода.

Шестифазная схема с двумя обратными звездами и уравнительным реактором является наиболее употребительной для мощных выпрямителей.

§ 8.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО ЗНАЧЕНИЯ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для расчета трансформатора, предназначенного для питания ртутного выпрямителя, в числе прочих основных параметров задается среднее значение выпрямленного напряжения Uв. Исходя из этого значения, для расчета обмоточных данных трансформатора требуется определить его вторичное (фазное) напряжение U Соотношение между значениями U2a и Ud будет различным в зависимости от числа фаз и выбранной схемы.

Рис. 8.14. График выпрямленного напряжения при трехфазной схеме для расчета вторичного фазного напряжения

Возьмем для примера трехфазный трансформатор и определим для него соотношение между переменным и выпрямленным напряжениями.

График выпрямленного напряжения при трехфазной схеме изображен на рис. 8.14.

Момент амплитуды фазы А выберем за начало координат. Тогда в любой момент t периода (2 ) мгновенное значение вторичного напряжения фазы А

.

Как видно из графика (см. рис. 8.14), напряжение в фазе А поддерживается в промежутке времени от до , т. е. длительностью , или периода. Очевидно, что среднее значение выпрямленного напряжения 0в будет равно средней ординате кривой на данном участке

Полученное соотношение справедливо для трехфазной схемы (число фаз т = 3).

Нетрудно видеть, что для другого числа фаз формула может быть представлена в следующем общем виде

,

отсюда

при m=2 UB=0.9 U

при m=6 UB=1.35 U.

§ 8.11. ТИПОВАЯ МОЩНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ПИТАНИЯ РТУТНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Благодаря поочередной работе фаз вторичной обмотки трансформатора, питающего ртутный выпрямитель (см. § 8.9), его типовая мощность увеличивается по сравнению с силовым трансформатором на ту же номинальную мощность.

Рассмотрим, как наиболее простую, схему двухполупериодного выпрямления (см. рис. 8.9).

Вторичный ток I2 течет поочередно в каждой половине обмотки в течение полупериода.

Сечение провода вторичной обмотки следует определять по действующему значению некоторого непрерывного тока I, который по выделяемым в обмотке потерям был бы эквивалентен прерывистому току I2. Таким образом, можно написать равенство

где r2— сопротивление вторичной обмотки;

½ - коэффициент, учитывающий прохождение тока I2 в течениеполупериода.

Отсюда , т. е. эквивалентный ток, который является расчетным током для вторичной обмотки, будет в раз меньше тока I2. Но так как обмотка состоит из двух половин, то на вторичную обмотку при той же плотности тока должно быть израсходовано в 2/ = раз больше провода, чем для силового трансформатора той же мощности и, следовательно, сам трансформатор должен иметь большую типовую мощность.

Причина увеличения типовой мощности, таким образом, заключается в неодновременности загрузки обеих частей обмотки током.

Аналогичным образом можно показать, что в общем случае при любом числе фаз т расчетный ток для каждого участка обмотки будет составлять .

По этой же причине для числа фаз, равном двум и более, и первичная обмотка будет иметь несколько увеличенный расход меди.

Для наиболее употребительных схем выпрямления коэффициенты увеличения типовой мощности приведены в табл. 8.3

Таблица 8.3

Число фаз

Схема соедтнения обмоток

Мощность

Р2

Р1

РТ

3

1,71 РВ

1,21 РВ

1,46 РВ

6

1,79 РВ

1,05 РВ

1,42 РВ

6

1,48 РВ

1,05 РВ

1,26 РВ

Здесь Р2 Р1 и Рт — мощности вторичной и первичной обмоток и типовая соответственно; Рв — мощность выпрямленного тока.

Кроме указанного в таблице увеличения типовой мощности, происходящего вследствие неодновременной нагрузки фаз, типовая мощность должна быть еще более увеличена по следующим соображениям;

Для вторичной обмотки применяют провода с усиленной витковой изоляцией ввиду возможных возникновений внутренних перенапряжений от обрывов дуги и от обратных зажиганий. Одновременно из условий нагрева, связанного с перегрузочными режимами, берется большее сечение провода.

Большее сечение провода берется также исходя из соображений механической прочности ввиду того, что обратные зажигания вызывают большие токи в обмотках, а следовательно, и большие механические усилия.

По этой же причине применяется большее число прокладок по окружности обмоток и большая их ширина (50 мм).

Дополнительное увеличение типовой мощности по этим причинам составляет 10—15%.

§ 8.12. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

В ряде случаев, например в радиотехнике, необходимо иметь по возможности полностью выпрямленный ток, т. е. с минимальной пульсацией. В этих случаях применяют так называемые фильтры, сглаживающие пульсацию выпрямленного напряжения.

Фильтр состоит из одной или нескольких ячеек, заключающих в себе емкости и индуктивности (фильтровые реакторы) (рис. 8.15).

Рис. 8.15. Схема сглаживающего фильтра с двумя ячейками

Количество ячеек и значения емкостей С и индуктивностей L, выбираются исходя из заданного коэффициента qC сглаживания пульсации выпрямленного напряжения, определяемых по формуле

где L — индуктивность реактора, гн

С — емкость конденсатора фильтра, мкф;

m — число фаз выпрямителя;

qc=Uвх/Uвых— коэффициент сглаживания;

Uвх и Uвых — амплитуды переменной составляющей на входе и выходе фильтра, в.

В фильтрах теряется часть напряжения и расходуется некоторая мощность, вследствие чего наличие фильтров снижает общий к. п. д. выпрямительной установки.

Контрольные вопросы

ГЛАВА IX

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

§ 9.1. ТРЕБОВАНИЯ ГОСТа К РЕГУЛИРОВАНИЮ НАПРЯЖЕНИЯ

Необходимость регулирования напряжения трансформатора, или изменения коэффициента трансформации, может возникнуть во многих случаях применения трансформатора в зависимости от условий его работы. В большинстве случаев (для силовых трансформаторов) это вытекает из требования обеспечить постоянство напряжения у абонентов — потребителей электроэнергии, находящихся на различных расстояниях от электростанций или распределительных подстанций. Напряжение сети у таких абонентов может сильно отличаться между собой. Кроме того, напряжение у абонентов может меняться от изменения величины нагрузки сети. По указанным причинам величина напряжения сети может выходить за пределы допустимых колебаний напряжения (—2,5% +5% для освещения и —5% +10% для электродвигателей), предусмотренных ГОСТ 13109—67 «Нормы качества электрической энергии у ее приемников».

Из известных методов регулирования напряжения при больших мощностях исключительное применение вследствие своей надежности и сравнительной простоты конструкции получил метод изменения числа действующих витков одной из обмоток трансформатора. Изменение числа витков осуществляется при помощи вывода регулировочных ответвлений от обмотки, благодаря чему регулирование получается ступенчатым. При наибольшем напряжении включены все витки обмотки. При понижении напряжения часть витков отключается.

Согласно стандартам на силовые трансформаторы ГОСТ 11920—66 и ГОСТ 12022—66 пределы и ступени регулирования обмотки ВН установлены следующие:

Для схем с переключением без возбуждения (ПБВ) для всех трансформаторов мощностью от 25 до 40 000 ква пределы регулирования установлены ±2X2,5%.

Для трансформаторов мощностью до 630 ква в некоторых случаях допускаются пределы регулирования ±5%.

Для схем с регулированием под нагрузкой (РПН) пределы регулирования установлены согласно табл. 9.1.

Таблица 9.1

Мощность трансформатора, ква

Напряжение ВН, кв

Пределы и ступени регулирования

63÷630

100÷630

1000÷6300

1000÷6300

10000÷63000

6 и 10

20 и 35

6 и 10

20 и 35

35

±6×1,67%

±6×1,67%

±8×1,25%

±6×1,5%

±8×1,5%

§ 9.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ БЕЗ ВОЗБУЖДЕНИЯ. ПРЯМАЯ И ОБОРОТНАЯ СХЕМЫ ОБМОТОК

Как было сказано в гл. VII, отключаемые витки должны находиться в середине высоты обмотки. Поэтому могут быть применены две основные схемы ПБВ. В этих схемах переключение с одного регулировочного ответвления на другое осуществляется при помощи переключателей.

Рис. 9.1. Схема регулирования напряжения ПБВ прямые:

а— четыре ответвления на фазу (регулировка + 5%); 6 — шесть ответвлений на фазу (регулировка ±2X2,5%)

Первая схема (рис. 9.1, а, б) называется прямой (с разрывом в середине обмотки). В этой схеме на каждую фазу ставится один однофазный переключатель барабанного типа, показанный на рис. 14.21. Каждый из трех переключателей (у трехфазного трансформатора) имеет отдельный привод, выведенный на крышку бака трансформатора. Порядок соединения ответвлений по ступеням напряжения (для фазы С на рис. 9.1, б) указан в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Положение переключателя

Ступень напряжения

Соединение ответвлений фазы С

I

II

III

IV

V

+5%

+2.5%

Номинальная

-2.5%

-5%

C2 – C3

C3 – C4

C4 – C5

C5 – C6

C6 – C7

Аналогичным образом соединяются ответвления у остальных фаз A и B.

Рис. 9.2. Схема регулирования напряжения ПБВ оборотная с регулировочными ответвлениями близ нулевой точки (регулировка + 5%)

Вторая схема (рис. 9.2) называется оборотной. В этой схеме применяется один трехфазный переключатель с девятью контактами, показанными на рис. 14.24. Переключатель включен в нулевую точку схемы звезда, в которую соединены обмотки, поэтому такой переключатель называют нулевым. Порядок соединения ответвлений по ступеням напряжений указан в табл. 9.3.

Переключатели устанавливаются под крышкой бака или на активной части трансформатора и соединяются с указателями на крышке посредством привода. Требуемая ступень напряжения устанавливается в соответствии с положением указателя на верхнем диске поворотом рукоятки или головки привода переключателя.

При установке переключателя совершенно необходимо обеспечить точное совпадение его положения на всех ступенях напряжения с положением указателя на крышке. При неточном совпадении возможен плохой контакт в переключателе, что вызовет перегрев и подгорание контактов и выход трансформатора из строя.

Токоведущие детали переключателя, поскольку они непосредственно соединены с обмоткой, должны быть изолированы на соответствующее напряжение.

Таблица 9.3

Положение переключателя

Ступень напряжения

Соединение ответвлений фазы С

I

II

III

+5%

Номинальная

-5%

X1 –Y1 – Z1

X2 –Y2 – Z2

X3 –Y3 – Z3

О конструкции переключателей подробнее сказано в гл. XIV.

На время переключения трансформатор со схемой регулирования ПБВ должен быть полностью отключен от сети. Это необходимо потому, что если бы начать регулировать напряжение, не снимая нагрузки, то либо возникала бы дуга в месте разрыва цепи в переключателе, либо происходило бы короткое замыкание части витков обмотки. Оба эти состояния являлись бы причиной аварии трансформатора.

Таким образом, при применении схем ПБВ приходится время от времени прерывать подачу электроэнергии, что является большим недостатком этих схем.

§ 9.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОД НАГРУЗКОЙ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ СХЕМЫ

В связи с развитием крупных энергетических систем и для удобства управления ими непрерывно повышается потребность в регулировании напряжения трансформаторов без перерыва нагрузки, т. е. со схемами РПН (регулирования под нагрузкой).

Такие схемы известны уже давно. Отечественная электропромышленность начала выпускать трансформаторы с РПН с 1935 г. Но только в последние годы они получили большое распространение и в дальнейшем почти все мощные трансформаторы на 110 Кб и выше будут выполняться с регулированием напряжения под нагрузкой.

Рис. 9.3. Схемы регулирования напряжения РПН:

а — встроенная; б — с реверсированием; 1— первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — регулировочная обмотка с ответвлениями; 4 — переключающее устройство; 5 —реверсор

Как видно из табл. 9.1, силовые трансформаторы с РПН имеют более широкие пределы регулирования, чем трансформаторы с ПБВ. В связи с этим конструктивные схемы регулируемых обмоток получаются более сложными.

Наиболее распространенной является схема со встроенным регулированием. Эта схема (рис. 9.3, а) в урощенном виде включает в себя силовой трансформатор с регулировочной переключаются под нагрузкой обмоткой, ответвления которой переключаются под нагрузкой при помощи специальной аппаратуры, именуемой устройством РПН, или переключающим устройством. С целью снижения (в 2 раза) расхода материалов на изготовление регулировочной обмотки иногда применяют схемы с ее реверсированием, т. е. переключением ее направления при помощи специального - переключателя (реверсора). Пример такой схемы изображен на рис. 9.3, б. Однако такие схемы несколько усложняют и удорожают переключающие устройства.

Трансформаторы с РПН вообще имеют значительно большие габаритные размеры, вес и, следовательно, стоимость по сравнению с силовыми трансформаторами с ПБВ той же мощности и на тот же класс напряжения. Увеличение стоимости особенно значительно для трансформаторов меньшей мощности. Так, например, стоимость трансформатора с РПН на 1000 ква и 35 кв примерно в 2,5 раза превышает стоимость такого же трансформатора с ПБВ. При увеличении мощности трансформаторов коэффициент удорожания снижается, так как уменьшается удельная стоимость переключающего устройства по отношению к стоимости активных материалов.

Увеличение стоимости трансформатора с РПН происходит, кроме того, за счет более широкого диапазона регулирования, требующего большей типовой мощности.

Стоимость трансформатора с широкими пределами регулирования напряжения зависит также от того, меняется ли при работе трансформатора напряжение со стороны регулируемой или нерегулируемой обмотки, иными словами, работает ли трансформатор при неизменном значении индукции (когда регулируется обмотка в соответствии с поданным на нее напряжением) или при переменной индукции, когда напряжение меняется на другой, регулируемой обмотке. В последнем случае расход материалов на трансформатор будет больше, так как он должен рассчитываться на наименьшую величину индукции.

Увеличение расхода активных материалов при широких пределах регулирования напряжения и при неизменном значении индукции может быть приблизительно определено следующими величинами: 0,5 п% для обмоточной меди и 0,25 п% для электротехнической стали, где п — предел регулирования в %.

Если регулирование напряжения производится на стороне нерегулируемой обмотки, т. е. с изменением индукции, то дополнительный расход активных материалов по сравнению с предыдущим случаем увеличивается примерно в 3 раза: 1,5 п% для меди и 0,75 п% для стали. В соответствии с этим увеличится и типовая мощность трансформатора.

В большинстве случаев переключающие устройства включаются в нейтральную точку регулируемой обмотки, благодаря чему устройства имеют наименьший уровень изоляции по напряжению.

Кроме трансформаторов со встроенным регулированием напряжения применяются также регулировочные автотрансформаторы и так называемые вольтодобавочные агрегаты. Последние обычно состоят из двух трансформаторов — регулировочного и последовательного. Рассмотрение схем таких трансформаторов выходит за пределы данной книги и интересующихся ими мы отсылаем к [Л.7].

§ 9.4. УСТРОЙСТВО И СХЕМА РАБОТЫ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА

В настоящее время существует много разработанных схем переключающих устройств. Рассмотрим только две основные, наиболее распространенные схемы с токоограничивающими реакторами или активными сопротивлениями (резисторами).

На рис. 9.4 приведена наиболее распространенная симметричная схема переключающего устройства с реактором и показана последовательность работы его отдельных частей с указанием их промежуточных положений. На этом рисунке буквами П1 и П2 обозначены переключатели, К1 и К2— контакторы, Р — реактор. Эта схема, основанная на принципе сдвоенного переключателя, обеспечивает основное требование, предъявляемое к аппаратуре РПН, т. е. отсутствие разрыва тока в главной цепи во время переключения. Назначение применяемых в реакторной схеме контакторов следующее. Переход с одной ступени напряжения на другое в каждом переключателе неизбежно должен сопровождаться разрывом тока в данной ветви и связанным с этим возникновением дуги. Так как у крупных силовых трансформаторов разрывная мощность, приходящаяся на контакт переключателя, достигает 1000 ква и более, то это вызвало бы сильное обгорание контактов. В связи с этим необходимо разделять функции разрыва цепи и переключения, хотя это приводит к удорожанию аппаратуры в

Рис 9. 4. Схема переключающего устройства с симметрично включенным реактором. Последовательные положения аппаратуры при переключении

целом. Разрыв дуги поэтому осуществляется специальными, вынесенными в отдельный масляный бак контакторами. Переключение, т. е. переход с одной ступени на другую, производится, таким образом, уже обесточенным переключателем, контакты которого в этих условиях не подвергаются обгоранию. Помещение же контакторов в отдельный бак позволяет осматривать или заменять их, не вскрывая основного бака трансформатора, и при необходимости заменять масло в случае его порчи от воздействия дуги.

При относительно небольших мощностях (до 6300 ква) иногда обходятся без контакторов, но тогда конструкция переключателей должна допускать переключение под током, и они помещаются в от-дель'юм масляном баке.

Переключение в реакторной схеме производится путем поочередного перевода подвижных контактов обоих переключателей П1, и П2, с одного ответвления обмотки на другое.

В начальном положении оба контактора К1 и К2 замкнуты и оба переключателя П1 и П2 установлены на одно и то же ответвление обмотки. Рабочий ток, разветвляясь, протекает по обоим переключателям, через оба контактора, обе половины обмотки реактора и выходит через среднюю точку последнего (рис. 9.4, а).

Переключение с одного ответвления (например, рис. 9.4, а) на другое (рис. 9.4, ж) происходит в следующем порядке. Сначала размыкается контактор К1 (рис. 9.4, б) и обесточенный переключатель П1 переводится в нижнее ответвление (рис. 9.4, в). Рабочий ток при этом течет по верхней половине цепи через переключатель П2 и контактор К2-После этого замыкается контактор К1 и получается положение моста, при котором регулировочная часть обмотки (между двумя ответвлениями) замкнута на реактор (рис. 9.4, г). Рабочий ток разветвляется по обеим параллельным цепям. Кроме того, в образовавшемся замкнутом контуре возникает циркулирующий ток, величина которого

Iц=Uрег/X

где Uрег—напряжение регулировочной ступени обмотки;

X — индуктивное сопротивление реактора.

После положения моста размыкается контактор К2, затем обесточенный переключатель П2 переводится на нижнее ответвление и процесс переключения заканчивается замыканием контактора К2 (рис. 9.4, д, е, ж).

Последовательность работы переключающей аппаратуры приведена в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Наименование

Положения контакторов и переключателей

В

М

Н

Контактор К1 Контактор К2 Переключатель П1 Переключатель П2

.

.

В

В

.

В

В

.

Н

В

.

.

Н

В

.

Н

В

.

Н

Н

.

.

Н

Н

Примечание. Буквы В и Н означают верхнее и нижнее положение переключателей П1, и П2, М - положение моста. Точки означают, что контактор замкнут.

Рис. 9.5. Мальтийская передача: 1 — мальтийское колесо; 2 — цевка; 3 — кривошип; 4 — замок

Рис. 9.6. Кулачковый механизм:

1 — кулачок; 2 — ролик; 3 — кривошип; 4 — ведущая канавка

Рис 9.7. Схема расположения элементов переключающего устройства типа РНТ-13:

1 — переключатель; 2 — горизонтальный вал; 3 — кожух контакторов;

4 —нониусные муфты; В — вертикальный вал; 6 — бак трансформатора;

7 — коробка привода

Для переключения на следующее ответвление весь процесс повторяется в том же порядке.

В трехфазном трансформаторе переключающая аппаратура сгруппирована таким образом, что переключатели и контакторы под одним и

тем же номером, например П1 и К1, на всех трех фазах действуют одновременно.

Движение переключателей и контакторов производится механической передачей от моторного привода. Поочередное действие каждой группы одноименных переключателей достигается применением так называемой мальтийской передачи, а группы контакторов — при помощи кулачкового механизма. Один оборот приводного вала производит один полный цикл переключения, т. е. переход с одной ступени напряжения на другую.

Ведущим звеном мальтийской передачи является поводок, а ведомым — мальтийское колесо (рис.9.5). При непрерывном равномерном

вращении приводного вала, на котором укреплен поводок, мальтийское колесо, установленное на валу контактной системы переключающего устройства, совершает неравномерное (прерывистое) вращение в соответствии с очередностью работы переключателей.

Рис. 9.8. Внешний вид переключателя и контактора переключающего устройства типа РНТ-13:

а — переключатель; б —- контактор: 1 — шарнирная муфта; 2 — неподвижные контакты переключателя; 3 — сдвоенные переключатели; 4 — рама; 5—вал; 6 — кулачковый механизм; 7 — левая группа контактов контактора; 8 — неподвижные контакты контактора; 9 — правая группа контактов контактора (разомкнута); 10 — плита

Рис. 9.9. Схема пе­реключающего уст­ройства с симметрич­но включенными ре­зисторами. Последо­вательные положе­ния аппаратуры при переключении

Действие контакторов осуществляется при помощи кулачкового механизма (рис. 9.6), преобразующего равномерное вращение приводного вала в возвратно-вращательное (или возвратно-поступательное) движение. Необходимая последовательность движения контактов контакторов и переключателей достигается путем установки надлежащего положения ведущих кулачков и поводков, соединенных между собой системой валов, шестерен и муфт.

Примерная схема расположения элементов переключающего устройства (типа РНТ-13), типичная для отечественных трансформаторов с РПН, показана на рис. 9.7, а внешний вид основных элементов устройства РНТ-13 — переключателя и контактора — рис. 9.8.

Токоограничивающие реакторы обычно рассчитаны на длительное прохождение нагрузочного тока и поэтому переключающие устройства с реакторами могут длительно работать в промежуточных положениях. Приводы реакторных переключающих устройств не требуют быстродействующих механизмов и поэтому эти устройства вполне надежны в работе.

На рис. 9.9 приведена наиболее распространенная схема переключающего устройства с симметрично включенными активными токоограничивающими сопротивлениями (резисторами) и показаны промежуточные положения контактов переключателей и контакторов при переключении с одной ступени напряжения на другую.

Эта схема также обеспечивает отсутствие разрыва тока во время переключения.

Предположим, что требуется перевести рабочий ток с ответвления I обмотки (рис. 9.9, а) на ответвление III (рис. 9.9, е).

Как видно из рис. 9.9, а, в первоначальном положении рабочий ток течет через контакт переключателя П1 и контакт контактора К1. При переключении в отличие от реакторной схемы в первую очередь движется обесточенный контакт переключателя П2 на нужное ответвление обмотки (рис. 9.9, б). Затем вступает в действие контакторная система, при которой осуществляется следующая очередность работы контактов: размыкается контакт K1 (рис. 9.9, в), замыкается контакт K3, образуя положение мост (рис. 9.9, г), размыкается контакт К2 (рис. 9.9, д) и, наконец, замыкается контакт К4 (рис. 9.9, е). Как видно из рис. 9.9, г, ограничение тока короткого замыкания регулировочной ступени в положении моста производится двумя последовательно соединенными резисторами r1 и r2, определяющими величину циркулирующего тока Iц.

Разрыв дуги при полном или половинном нагрузочных токах производится контактами К1 и К2 (соответственно) контактора.

Переключающие устройства с токоограничивающими резисторами находят все большее применение, так как имеют следующие преимущества перед переключающими устройствами с реакторами.

Токоограничивающие резисторы имеют значительно меньшие габаритные размеры по сравнению с реакторами и могут быть конструктивно объединены с контактором, т. е. могут составлять конструктивную часть контактора, тогда как реакторы требуют специального места в баке и их обмотки должны быть изолированы на полное рабочее напряжение регулируемой обмотки.

Устройства с резисторами не требуют для контакторов отдельного бака, так как гашение дуги происходит очень быстро (сотые доли секунды).

Вместе с тем конструкция переключающих устройстве резисторами получается, как правило, значительно сложнее, чем для переключающих устройств с реакторами. Резисторы рассчитаны лишь на кратковременную работу, а наличие мощных пружин, большие скорости подвижных частей и связанные с этим механические удары предъявляют весьма жесткие требования к надежности конструкции, качеству материалов и точности изготовления устройств.

Однако указанные выше преимущества резисторных переключающих устройств, главным образом меньшие габаритные размеры по сравнению с реакторными устройствами, явились причинами того, что они изготовляются большинством европейских фирм, а в последнее время находят все большее применение у американских фирм, а также и в отечественной промышленности. Это находится в прямой связи с развитием производства сверхмощных автотрансформаторов высокого напряжения.

§ 9.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИХ РЕАКТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ

Как было сказано ранее, токоограничивающий реактор необходим в промежуточном положении моста, т. е. когда переключатели П1 и П2 стоят на разных ответвлениях обмотки (см. рис. 9.4, б). Участок обмотки между этими ответвлениями не должен перегреваться; для этого необходимо, чтобы ток на этом участке, представляющий собой сумму циркулирующего тока Iц и половину номинального тока Iном/2, не превышал бы номинального тока Iном , т. е.

или

Величина циркулирующего тока Iц определяется напряжением Uреr регулировочной ступени обмотки и индуктивным сопротивлением X реактора

откуда

или

Таким образом получаем, что индуктивное сопротивление X реактора должно быть не меньше удвоенного напряжения регулировочной ступени, деленного на номинальный ток. Сопротивлениями контактов переключателей и контакторов при этом пренебрегают. Обмотка реактора обычно рассчитывается на длительную работу при номинальном токе.

Аналогичным образом могут быть определены значения сопротивлений токоограничивающих резисторов. Величина сопротивления резистора

где Iц— циркулирующий ток, выбирается равным нагрузочному току .

Так как переключение ступеней в резисторном переключающем устройстве производится быстродействующей аппаратурой и по схеме устройства не допускается остановка в положении моста, плотности тока в резисторах допускаются относительно большими, а их габаритные размеры вследствие этого получаются небольшими.

§ 9.6. СХЕМЫ РПН С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

При мощности трансформатора, не превышающей нескольких десятков ква, возможно применение плавного регулирования напряжения. Из многочисленных предложенных схем рассмотрим две, которые находят применение в отечественном трансформаторостроении.

Трансформаторы с подвижными контактами. У этих трансформаторов подвижный контакт (графитовая щетка или ролик) скользит непосредственно по оголенным виткам регулируемой обмотки, расположенной снаружи.

Схема трансформатора с подвижными контактами показана на рис. 9.10, а.

Регулирование в этом случае получается мелкоступенчатым. Чтобы при передвижении контакта (щетки) не происходило разрыва тока в цепи, щетка перекрывает одновременно два-три витка. Токоограничивающим сопротивлением в данном случае является сама щетка, изготовленная из графита специально подобранной для этой цели марки. Во избежание дугообразования и перегрева контакта величину вольт на виток ограничивают до 1, а мощность на контакте — до 40 ва. При больших токах применяют две и более щеток, соединенных параллельно.

Трансформаторы с подвижными контактами часто применяются для регулирования напряжения, и они выполняются по автотрансформаторной схеме. Для лабораторных целей, а также для бытовых регуляторов напряжения выпускаются трансформаторы с обмотками, намотанными на ленточные тороидальные магнитопроводы и с роликовыми токосъемниками.

К недостаткам таких трансформаторов следует отнести износ щеток и сложность конструкции, содержащей механические движущиеся узлы и детали.

Рис. 9.10 Схемы трансформаторов с плавным регулированием напряжения:

а — с подвижными контактами, перемещаемыми по оголенным виткам обмотки; б — с подвижной коротко-замкнутой обмоткой; 1 — первичная обмотка; 2 — подвижный токосъемный контакт; 3 — регулировочная обмотка; 4 — вторичная обмотка (нерегулируемая часть); 5 — подвижная короткозамкнутая обмотка

Трансформаторы с подвижными обмотками. Трансформатор имеет броневой магнитопровод с удлиненными стержнями и боковыми ярмами. В наиболее простом исполнении трансформатора на его стержне помещены две обмотки, витки которых намотаны в противоположном направлении, как это показано на рис. 9.10, б. Вдоль стержня поверх основных обмоток может перемещаться третья короткозамкнутая обмотка, высота которой равна высоте каждой из основных обмоток, т. е. несколько меньшей половины высоты окна магнитопровода.

Принцип действия трансформатора основан на законе Ленца: сумма потоков внутри короткозамкнутого контура (в данном случае — третьей обмотки) равна нулю. Поэтому при крайнем верхнем положении третьей обмотки все первичное напряжение оказывается приложенным как бы только к нижней обмотке, и поэтому вторичное напряжение будет равно первичному. При перемещении третьей обмотки вниз вторичное напряжение будет плавно уменьшаться, так как поток из нижней обмотки будет постепенно вытесняться. И, наконец, в крайнем нижнем положении вторичное напряжение станет равным почти нулю.

Таким образом, путем перемещения третьей короткозамкнутой катушки можно плавно регулировать напряжение в пределах примерно от 0 до U1.

По данному принципу возможно применение более сложных схем в зависимости от назначения трансформатора. В частности трехфазный трансформатор выполняется в виде агрегата, состоящего из трех однофазных трансформаторов, подвижные обмотки которых, соединенные вместе, перемещаются при помощи моторного привода. Такие трансформаторы часто используют в качестве стабилизаторов напряжения сети, для чего их снабжают соответствующей аппаратурой автоматики.

Недостатками трансформаторов с подвижными катушками являются повышенные значения тока холостого хода и напряжения рассеяния, сложность конструкции, имеющей подвижные узлы, большие габаритные размеры вследствие половинного значения индукции по сравнению с обычными трансформаторами.

Контрольные вопросы

ГЛАВА X

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

§ 10.1. НАГРЕВАНИЕ ЧАСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ЕГО ПОТЕРЬ

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора в его магнитопроводе и обмотках, а также в деталях конструкции, превращаются в тепловую энергию и вызывают нагревание соответствующих частей трансформатора.

Материалы, из которых изготовляется трансформатор, главным образом его изоляционные детали, допускают нагревание лишь до известного предела. Пределы допустимого нагрева для каждого вида материала устанавливаются опытным путем, исходя из надежной длительной работы трансформатора. Вместе с тем в большинстве случаев более полное использование активных материалов получается при повышении их температуры. В связи с этим трансформатор должен быть рассчитан и сконструирован таким образом, чтобы во время работы было бы обеспечено его достаточное охлаждение.

Выделяющееся в трансформаторе тепло рассеивается в окружающую среду. Это тепло передается через внешнюю поверхность трансформатора — обмоток и магнитопровода у сухих трансформаторов и наружных стенок бака и охлаждающих устройств у масляных трансформаторов. Если бы это тепло не рассеивалось, то температура трансформатора непрерывно бы повышалась за счет его теплоемкости, что привело бы к разрушению в первую очередь его изоляции, и трансформатор вскоре вышел бы из строя.

Находившийся длительное время в отключенном состоянии трансформатор имеет температуру, равную температуре окружающего воздуха. С момента включения трансформатор начинает нагреваться. Как только температура его частей станет выше температуры окружающего воздуха, тепло от трансформатора начнет передаваться окружающему воздуху. С этого момента начинается процесс охлаждения трансформатора.

Но как только трансформатор начнет отдавать тепло окружающему воздуху, повышение температуры его частей будет замедляться, так как одновременно будет усиливаться охлаждение, и, наконец, наступит установившееся тепловое состояние. При этом состоянии количество выделяющегося в трансформаторе тепла станет равным отведенному •от него теплу, благодаря чему превышение температуры трансформатора сверх температуры окружающего воздуха станет неизменным. Значение превышения температуры для краткости часто называют перегревом. Так, например, перегрев обмотки над воздухом означает превышение температуры обмотки сверх температуры окружающего-воздуха.

Охлаждение какого-либо нагретого тела в воздухе происходит путем рассеивания тепла с поверхности тела. Это рассеивание тепла происходит двумя путями: 1) тепловым излучением; 2) конвекцией (переносом тепла нагретыми частицами воздуха или жидкости).

Так охлаждается трансформатор с естественным воздушным охлаждением, или так называемый сухой трансформатор.

Однако воздушное охлаждение мало интенсивно и для трансформаторов даже средней мощности является недостаточным. В связи с этим стало применяться (с 1889 г.) масляное охлаждение, позволившее строить крупные трансформаторы и притом на высокое напряжение.

Температура трансформатора, следовательно, складывается из его перегрева над воздухом и температуры окружающего воздуха. Но величина перегрева частей трансформатора над воздухом зависит от величины потерь трансформатора, в свою очередь зависящих от его нагрузки, т. е. от конструкции, режима работы и практически не зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому тепловой расчет трансформатора сводится к определению именно перегрева его частей, а не их температуры, так как температура трансформатора будет меняться с изменением температуры воздуха.

Поскольку нагрев трансформатора ограничивается определенным значением его температуры, то значение наибольшего допустимого перегрева определяется с учетом наибольшей возможной температуры окружающего воздуха. Для Советского Союза в условиях естественного сезонного и суточного изменения принята температура +40° С.

§ 10.2. НОРМЫ НАГРЕВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Согласно требованиям ГОСТ 11677—65 установлены следующие нормы допустимых перегревов для отдельных частей силовых масляных трансформаторов, которые приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Части трансформатора

Превышение температуры, °С

Метод измерения

Обмотки……………………………………..

Поверхности магнитопроводов и конструктивных элементов………………

Масло в верхних слоях:

исполнение герметизированное или с устройством, полностью защищающим масло от соприкосновения с окружающим воздухом …………………..

в остальных случаях ……………………..

65

75

60

55

По изменению сопротивления

По термометру

По термометру

Тоже

Указанная в табл. 10.1 для обмоток норма перегрева установлена •исходя из наибольшей допустимой температуры 105—110° С, определенной классом изоляции материала и подтвержденной многолетними условиями эксплуатации и исследованиями (65+40= 105° С).

Рис. 10.1 Распределение температуры перегрева по высоте трансформатора и его частей:

1 — магнитопровод; 2 — обмотка.

Средняя же температура обмотки в течение общего срока службы трансформатора, учитывая колебания температуры окружающего воздуха и изменение нагрузки, будет значительно ниже 105° С. Согласно ГОСТ 11677—65 за расчетную (условную) температуру обмоток, к которой должны быть приведены ( по методике ГОСТ 3484—65) потери и напряжение короткого замыкания масляных трансформаторов, принимают +75° С. При этих условиях срок службы изоляции трансформаторов определяется в течение примерно 15—20 лет.

Ввиду того что непосредственное измерение температуры обмотки невозможно, так как она недоступна и находится под напряжением, для определения ее температуры пользуются известным физическим свойством металлических проводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Зависимость между сопротивлением обмотки и ее температурой выражается следующей эмпирической формулой (в диапазоне температур до 150° С)

где R1 и R2 — сопротивления обмотки (из медного или алюминиевого провода), измеренные при температурах θ1и θ2 соответственно, ом.

По методу изменения сопротивления обмотки может быть измерено только среднее значение ее температуры, которая по высоте обмотки распределяется неравномерно (рис. 10.1). Наиболее нагретая часть обмотки находится на уровне от 2/3 до 3/4 ее высоты и ее температура превышает среднюю температуру обмотки на 10 — 15° С.

Измерение температуры масла производится непосредственно в его верхних слоях: у трансформаторов малой и средней мощности при помощи термометра, а у крупных трансформаторов — термометрического сигнализатора (рис. 14.12).

Измерение температуры магнитопровода производится термометром или термопарой и притом обычно только при типовых испытаниях трансформаторов или на их опытных образцах.

Для определения перегрева обмотки или масла над воздухом нужно из их температуры, измеренной указанным выше способом, вычесть

температуру окружающего воздуха. Температура воздуха измеряется термометром на расстоянии 1,5—2 м от трансформатора. Термометр помещают в сосуд с маслом, чтобы избежать ошибок в показаниях термометра из-за движения воздуха вблизи трансформатора.

§ 10.3. СПОСОБЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ОТ ОБМОТКИ И МАСЛА ЧЕРЕЗ СТЕНКИ БАКА И ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Путь, по которому проходит тепловая энергия, выделяющаяся в обмотках и магнитопроводе трансформатора, может быть разделен на несколько участков. На каждом из этих участков возникает перепад, температур, т. е. их разность на границах участков. Рассмотрим участки прохождения теплового потока.

Рис. 10.2. Распределение превышения температуры по сечению обмотки

1-й участок — от внутренних точек обмотки или магнитопровода до их наружных поверхностей, омываемых маслом. На этом участке теплопередача осуществляется путем теплопроводности. Если бы обмотка представляла собой однородное тело, равномерно охлаждаемое со всех сторон маслом, т. е. была в отношении ее охлаждения идеальной обмоткой, то распределение температуры по ее толщине (в радиальном направлении) происходило бы по закону квадратичной параболы (рис. 10.2). Однако в реальной обмотке условия распределения температуры отличаются от условий распределения температуры в идеальной обмотке.

Поэтому при расчете внутренних перепадов температуры в многослойной обмотке пользуются или эмпирическими формулами, или поправками к расчетной температуре, определенными по опытным данным.

Тепловой расчет силовых трансформаторов несколько упрощается тем, что поскольку каждый провод слоевой или непрерывной обмотки непосредственно омывается маслом, то перепад температуры внутри обмотки практически отсутствует. Температурная поправка дается только в случае применения усиленной (по толщине) витковой изоляции и дополнительной изоляции катушек.

2-й участок — это переход тепла от обмотки к маслу. На поверхности обмоток возникает разность температур между обмоткой и омывающим ее маслом, которая зависит от количества тепла, выделившегося с поверхности обмотки, расположения охлаждаемых маслом поверхностей обмотки, размером масляных каналов и вязкости масла. Разность температур (перегрев) τ0 поверхности обмотки и масла определяется формулами, составленными на основе экспериментальных данных для каждого типа обмотки. Величина перегрева обмотки над маслом зависит от удельной тепловой нагрузки поверхности обмотки может быть выражена в общем виде как:

где КТ— постоянный коэффициент;

q0 — удельная тепловая нагрузка (плотность теплового потока) поверхности обмотки, впг/м2;

n = 0,6÷0,7 — показатель степени, определяемый так же, как и коэффициент KТ экспериментально.

Расчетные формулы для каждого типа обмоток приведены в § 10.4. 3-й участок — это перенос тепла нагретым маслом от обмотки cтенкам бака и охлаждающим устройствам. Масло, омывая обмотки трансформатора, уносит с поверхности обмотки выделяющееся в ней тепло. В этом случае передача тепла происходит путем конвекции, т. е. перемещением масла, которое возникает вследствие разности плотностей нагретого и холодного масла. Движение масла вокруг самой обмотки бывает различным в зависимости от типа обмотки, формы, размеров и расположения масляных каналов.

.

Рис. 10.3. Определение эквивалентной излучающей поверхности для гладкого и трубчатого баков и бака с охладителями

Нагретое у поверхности обмотки масло поднимается в верхнюю часть бака трансформатора, соприкасается со стенками бака и отдает им полученное от обмотки тепло, опускается в нижнюю часть бака, а затем вновь возвращается к обмоткам. Если на стенках бака имеются охлаждающие трубы или охладители (радиаторы), то нагретое масло входит в трубы или в верхний патрубок радиатора и, охладившись в трубах, омываемых наружным воздухом, опускается по ним вниз, входит в нижнюю часть бака трансформатора и направляется опять к обмоткам. Затем масло снова нагревается, поглощая тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, и поднимается вверх. Таким образом, в работающем трансформаторе возникает замкнутый конвекционный ток масла в его баке и происходит непрерывный процесс циркуляции масла (рис. 10.3).

4-й участок — это переход тепла от масла к стенке бака трансформатора при наличии разности температур между маслом и стенкой.

Эта разность температур определяется теми же законами, что и разность температур между обмоткой и маслом, т. е. она зависит от величины удельной тепловой нагрузки на стенку бака и охлаждающего устройства.

5-й участок — это переход тепла через толщину стенки бака. Разность температур на этом участке не превышает ГС и поэтому ею обычно пренебрегают.

6-й участок (последний) — это отвод тепла от стенок бака и охлаждающего устройства в окружающий воздух. С наружной поверхности стенки бака тепло отводится в окружающий воздух двумя путями: часть тепла отводится конвекционным потоком воздуха, вторая часть — излучением.

Рис. 10.4. Определение эквивалентной излучающей поверхности для гладкого и трубчатого баков и бака с охладителями

Теплоотдача путем излучения зависит от температуры излучающего тела и температуры воздуха, а также от конфигурации стенки бака и охлаждающего устройства и состояния их поверхности.

Теплоотдача путем излучения с поверхности гладких баков, окрашенных красками с неметаллическими наполнителями, достигает 50 — 55% общей теплоотдачи. У трубчатых баков или у баков с радиаторами она снижается до 15% общей теплоотдачи. Это происходит вследствие прямолинейного распространения лучистой энергии. Теплоотдача излучением в этом случае происходит не со всей поверхности, а только с внешней огибающей поверхности охлаждающего устройства (рис. 10.4).

Теплоотдача путем конвекции воздуха происходит в отличие от теплоотдачи излучением со всей поверхности бака, труб и охладителей. Она зависит от разности температур стенок бака и воздуха, высоты бака, формы его поверхности и от барометрического давления воздуха. Теплоотдача возрастает с увеличением поверхности бака и охлаждающих устройств, температуры стенок и при увеличении свободного доступа окружающего воздуха к стенкам бака.

При практическом тепловом расчете определяются два основных перепада превышения температуры: превышение температуры обмотки сверх температуры масла и превышение температуры масла сверх температуры воздуха (или, коротко, перегрев обмотки над маслом и перегрев масла над воздухом). Сумма этих перегревов дает перегрев обмотки над воздухом. При необходимости к перегреву обмотки над маслом прибавляются поправки, зависящие от теплопроводности усиленной витковой и междуслойной изоляции и от размеров масляных каналов, и к перегреву масла над воздухом — поправка, зависящая от отношения высот центров потерь (активной части) и охлаждающего устройства.

§ 10.4. РАСЧЕТ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ПРЕВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТКИ ОТНОСИТЕЛЬНО ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА

Расчет перегрева обмотки ведется исходя из определения его среднего значения. Этот способ расчета удобен тем, что его результаты могут быть проверены экспериментальным путем: средняя температура (а следовательно, и перегрев) может быть измерена по изменению ее активного сопротивления. По этой же причине, базируясь на реальных методах измерения температуры обмоток, нормы нагрева обмоток регламентируют именно среднюю ее температуру, хотя нагрев изоляции •обмоток ограничивается ее максимально допустимой температурой.

Установившееся значение перегрева обмотки над маслом наступает примерно через 20—30 мин после включения (или изменения) нагрузки. После этого времени все выделяющееся в обмотке тепло передается в окружающее ее масло.

Цилиндрические слоевые обмотки. Перегрев (средний) цилиндрических слоевых обмоток над маслом

τ=0,159q00.1C

где q0 = PК0— удельная тепловая нагрузка, вт/м2;

РК — потери в обмотке, вт;

П0 — охлаждаемая (теплоотдающая) поверхность обмотки (м2), определяемая согласно обозначениям на рис. 10.5 по формулам: для двухслойных обмоток НН из прямоугольного провода

П0=3•3,5πDcpH0 – 3•3cnH0

где Dcp — средний диаметр обмотки, м; Н0— высота обмотки, м; с — ширина рейки между слоями, м; n — число реек по окружности; для многослойных обмоток ВН из круглого провода

nо=3πDнарH0+3•2πDкHo-3•2cnH0 м2 (10.3)

где DНАР наружный диаметр обмотки, м

DК — диаметр канала.

Последние члены в формулах для П0 учитывают закрытие охлаждаемой поверхности рейками.

При мощности трансформаторов 40 ква и выше внутри обмотки ВН устраивается канал на расстоянии V3 толщины обмотки от цилиндра (в наиболее нагретой ее зоне). При отсутствии канала охлаждаемой является только наружная поверхность, определяемая только первым членом формулы (10.3).

К перегреву многослойной обмотки, определенной по формуле (10.3), прибавляется поправка на общую толщину внутренней изоляции обмотки (при г>2,5 мм)

ΔТО = l,15(I — 2,5)q0 .10-3 °С,

где i — суммарная толщина витковой и междуслойной изоляции в радиальном направлении, мм.

Рис. 10.5. Разрез слоевых обмоток с обозначениями размеров

Дисковые, непрерывные и винтовые обмотки. Перегрев дисковых обмоток над маслом:

для внутренних обмоток

τо=0,41q0.60°С; (10.4)

для наружных обмоток

τo=0.358q0.60°С (10.5)

Внутренняя (по расположению на стержне) обмотка имеет худшие условия охлаждения ввиду более затрудненной циркуляции масла в каналах.

Удельная тепловая нагрузка одной катушки (для дисковой и непрерывной обмоток) или одного витка (для винтовой обмотки)

(10.6)

где 21,4 — коэффициент удельного сопротивления меди, приведенный к температуре 75° С;

I — ток в сечении витка, а;

w — число витков в катушке;

δ — плотность тока, а/мм2;

KД — коэффициент добавочных потерь;

КЗ — коэффициент закрытия поверхности катушки;

р — периметр сечения катушки, мм.

Коэффициент закрытия (обозначения показаны на рис. 10.6).

(10.7)

Коэффициент закрытия КЗ учитывает закрытие поверхности катушки изоляционными деталями (рейки, прокладки), препятствующими доступу масла.

где Dcp — средний диаметр катушек, мм; с — ширина прокладки, мм; п — число реек (прокладок) по окружности. Обычно применяются прокладки шириной с = 40 мм.

Рис. 10.6. Определение коэффициента закрытия

Число реек выбирается таким, чтобы К3 было бы равным 1,2-5-1.4.

К перегреву дисковой обмотки, определенной по формуле (10.4) или (10.5), прибавляются поправки: Ато1 — на увеличенную толщину витковой изоляции (при наличии таковой) и ΔτO2, учитывающая влияние на конвекцию масла соотношения ширины (высоты) и глубины масляного канала между катушками (витками):

(10.8)

где I — толщина витковой изоляции на обе стороны, мм

(10.9)

где KКАН — коэффициент, который берется по табл. 10.2, в зависимости от размеров масляного канала.

Таблица 10.2

Радиальный

размер

катушки, мм

Коэффициент ККАН при ширине (высоте) масляного канала, мм

4

6

6

7,5

8

10

20

—2,6

—3,7

—4,5

—5,2

—5,2

—5,2

22

—2,4

—3,3

—4,2

—4,9

—5,2

—5,2

24

—2,1

—3,0

—3,9

—4,8

—4,9

—5,2

26

— 1,9

—2,7

—3,6

—4,6

—4,8

—5,2

28

— 1,6

—2,4

—3,3

—4,4

—4,6

—5,2

30

— 1,4

—2,2

—3,1

—4,2

—4,4

—5,2

32

— 1,2

—2,0

—2,8

—4,0

—4,2

—5,0

34

—1,0

— 1,8

—2,6

—3,7

—4,1

—4,9

36

—0,7

— 1,6

—2,3

—3,5

—3,9

—4,а

38

—0,4

— 1,4

—2,2

—3,3

—3,7

—4,6

40

—0,1

— 1,2

—2,1

—3,1

—3,5

—4,5

45

—0,7

— 1,6

—2,7

—3,0

—4,2

50

—0,2

— 1,2

—2,3

—2,6

—3,9

55

+ 0,1

—0,8

—2,0

—2,3

—3,5

60

+0,4

—0,3

—1,7

—2,0

—3,2

65

0

—1,3

— 1,7

—2,9

70

— 1,0

— 1,4

—2,6

• Неприменяемые соотношения размеров масляного канала.

Примечание. При промежуточных значениях радиального размера катушки брать ближайшее большее (в положительную сторону) значение коэффициента Ккан.

§ 10.5. РАСЧЕТ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ПРЕВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ МАСЛА ОТНОСИТЕЛЬНО ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА

Расчет перегрева масла ведется также исходя из определения его среднего перегрева.

Рис. 10.7. Кривая зависимости среднего превышения температуры масла над температурой воздуха от удельной тепловой нагрузки бака при естественном охлаждении

Средний перегрев τмас масла, т. е. среднее значение его перегрева по высоте бака (рис. 10.1), определяется для естественного охлаждения по кривой (рис. 10.7). Уравнение этой кривой имеет вид %

(10.10)

Где удельная тепловая нагрузка поверхности бака (или охлаждающего устройства), вт/м2;

Пб— охлаждаемая (теплоотдающая) поверхность бака и охлаждающего устройства, приведенная к гладкой стенке бака, м2. Максимальное значение перегрева масло имеет в верхних слоях.

Именно там измеряется его температура. Расчетное значение перегрева τв.с.мас верхних слоев масла, которое не должно превосходить значений, указанных в табл. 10.1, определяется по эмпирической формуле

(10.11)

где — поправка на отношение высот центров потерь и охлаждения (берется по табл. 10.3).

Рис. 10.8. Высота центров потерьНр и охлаждения Нохл масляноготрансформатора

На рис. 10.8 дано пояснение к табл. 10.3.

Как видно из таблицы, поправка к перегреву масла тем меньше, чем меньше отношение высот центров потерь и охлаждения, что вызывается более интенсивной циркуляцией масла.

Таблица 10.3

Отношение высот центров потерь и охлаждения Hp/Hохл

Поправка в зависимости от перегрева

верхних слоёв масла

40

45

50

66

60

0,5

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

0,55

2,6

2,7

2,8

3,0

3,2

0,6

2,8

2,9

3,1

3,4

3,6

0,65

3,1

3,3

3,5

3,8

4,0

0,7

3,5

3,7

4,0

4,5

4,9

0,75

4,0

4,5

4,9

5,4

6,0

0,8

5,0

5,4

5,8

6,5

7,5

0,85

5,8

6,3

7,4

8,4

9,5

0,9

7,1

8,1

9,0

10,0

11,0

0,95

9,0

9,9

10,8

12,0

13,0

1,0

10,5

11,5

12,7

14,0

15,0

§ 10.6. ОХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. РАСЧЕТ ОХЛАЖДАЕМОЙ (ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ) ПОВЕРХНОСТИ

Для масляных трансформаторов мощностью до 40 ква достаточно иметь стенки баков гладкими без дополнительных охлаждающих устройств.

Чтобы перегрев верхних слоев масла не превышал допустимых 55 °С, удельная тепловая нагрузка q6 согласно формулам (10.10) и (10.11) не должна превышать 570—580 вт/м2. Именно такое значение q6 по соотношению суммарных потерь трансформатора и поверхности его бака получается у трансформаторов мощностью до 40 ква.

Для больших мощностей гладкой поверхности баков становится недостаточно и ее приходится искусственно увеличивать. Это происходит потому, что потери трансформатора растут пропорционально весу его активных материалов меди и стали, а следовательно, их объему, т. е. кубу линейных размеров трансформатора, а поверхность бака — только квадрату его размеров. Иными словами, рост охлаждаемой поверхности трансформатора отстает от роста его потерь при увеличении мощности. Значит, чтобы с ростом мощности трансформатора перегрев масла не увеличивался, необходимо применять дополнительные охлаждающие устройства.

Увеличение поверхности баков для трансформаторов мощностью до 1600 ква достигается путем применения трубчатых баков, т. е. баков, в стенки которых вварены трубы в один, два, три, реже в четыре ряда в зависимости от мощности. Применение большего числа рядов труб становится малоэффективным, поэтому для мощностей свыше 1000—1600 ква и до 10 000 ква применяются гладкие баки с навешенными на них трубчатыми охладителями (радиаторами). Такие охладители бывают одинарными и двойными. Они присоединяются к баку при помощи вваренных в него патрубков с фланцами.

При мощности свыше 10 000 ква естественное масляное охлаждение, даже при помощи отдельных охладителей, становится недостаточным и поэтому применяют форсированное охлаждение — дутьевое (при котором охладители обдуваются струей воздуха), циркуляционное (с принудительной циркуляцией масла) и др.

Рис. 10.9. Трубчатый бак трансформатора мощностью 250 ква

Рис. 10.10. Определение основных размеров бака

Для расчета охлаждаемой поверхности бака необходимо определить его минимальные размеры.

Баки трехфазных силовых трансформаторов обычно имеют (в плане) овальную форму. Такая форма наиболее близко подходит к форме активной части трансформатора и вместе с тем является относительно простой для изготовления бака.

Гладкий бак состоит из стенки, дна и рамы. Стенка изготовляется из стальных листов, соединенных между собой электродуговой сваркой, и приваривается к дну бака. К верхней части стенки приваривается рама. Рама изготовляется из стальной полосы и имеет отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. К раме болтами крепится крышка, также изготавливаемая из листовой стали. Между рамой и крышкой помещается прокладка — полоса из маслостойкой резины, служащая герметичным уплотнением этого соединения. Бак с установленной в него активной частью трансформатора заполняется трансформаторным маслом.

Трубчатые баки имеют круглые или овальные трубы, вваренные своими концами в стенки. Внешний вид трубчатого бака с круглыми, трубами трансформатора габарита II изображен на рис. 10.9.

Минимальные внутренние размеры бака определяются согласно рис. 10.10.

Размеры бака в плане определяются внешними габаритными размерами активной части и минимально необходимыми изоляционными расстояниями от обмоток и отводов до стенок бака.

Для проектируемых промышленных серий силовых трансформаторов указанные изоляционные расстояния берутся по заводским инструкциям или для этого можно пользоваться данными, приведенными в [Л.2]. Для учебных расчетов трансформаторов до 35 кв достаточно принять расстояние от обмотки ВН до стенки бака ориентировочно равным 150 мм против широкой стенки (со стороны отводов) и 75 мм против закругленной части стенки.

Следовательно, длина

А = 2М0+ DВН + 2•75; (10.12)

ширина

B = DBH + 2•150. (10.13)

Высота (глубина) бака определяется высотой HВ активной части и минимальным расстоянием от верхнего ярма магнитопровода до крышки бака, обеспечивающим размещение нижних частей проходных изоляторов, отводов и переключателей (если последние крепятся под крышкой), а также классом напряжения обмотки ВН.

Таким образом, высота бака

Hб=H+2h0+Hя.к.+50 мм (10.14)

где H — высота окна магнитопровода, мм;

hя— высота (наибольшая) ярма, мм; Hя.к — расстояние от верхнего ярма до крышки (мм) берется

по табл. 10.4;

50 мм — примерное расстояние от дна бака до нижнего ярма.

Таблица 10.4

Класс напряжения обмотки ВН, кв

Минимальное расстояние от ярма до крышки, мм

6

10

20

35

270

300

350

470

Таблица 10.5

Число рядов труб

Коэффициент кратности Kp

Гладкая стенка

1 ряд труб

2 ряда труб

3 ряда труб

4 ряда труб

1

2.8

4.0

5.2

5.7

Расстояние от ярма до крышки, выбранное по табл. 10.4, может быть увеличено, если по ходу расчета охлаждения необходимо увеличить высоту бака (например, для более рационального размещения труб или охладителей).

Исходя из найденных основных размеров бака А,B ,Hб (см. рис. 10.10), может быть определена поверхность боковой стенки овального бака

(10.15)

где рб — периметр стенки бака, мм.

Поверхность крышки овального бака

(10.16)

Установка труб увеличивает охлаждаемую поверхность бака. Так как теплоотдача путем конвекции происходит со всей поверхности труб, а путем излучения — только с внешней их стороны, то эффективная охлаждаемая поверхность трубчатого бака всегда меньше его геометрической поверхности. Кроме того, коэффициент эффективности теплоотдачи уменьшается с увеличением числа рядов труб. По этой причине применять число рядов труб более четырех нецелесообразно.

Рис. 10.11. Размещение круглых труб на стенке бака

Трубы применяются разных размеров и формы: круглые с наружным диаметром 51 и 30 мм и овальные — 75 х 20 мм.

Расчет эффективной охлаждаемой поверхности трубчатого бака производится путем определения поверхности стенки бака и всех труб с умножением их значений на определенные коэффициенты эффективности, зависящие от числа рядов труб.

Для круглых труб 0 51 мм эффективная поверхность трубчатого бака может быть приближенно определена умножением поверхности стенки бака на некоторый коэффициент кратности /Скр увеличения охлаждаемой поверхности согласно табл. 10.5.

Значения Ккр соответствуют такому размещению труб на стенке бака, при котором расстояние между осями труб в ряду равно 70 мм и между рядами — 75 мм (рис. 10.11).

Если на баке трубы размещены, к примеру, частично в 2 ряда и частично в 3 ряда, то коэффициент кратности будет иметь некоторое промежуточное значение.

Например, предположим, что в 2 ряда покрыто трубами 40% поверхности стенки, а остальная часть — в 3 ряда. Тогда коэффициент кратности

.

Таким образом, общая охлаждаемая поверхность трубчатого бака

(10.17)

где 0,75 — коэффициент, учитывающий закрытие поверхности крышки

бака вводами и другой арматурой.

Радиаторные баки, как было сказано ранее, для установки на них охладителей (радиаторов) имеют в верхней и нижней частях патрубки с фланцами, вваренные в стенки бака.

Рис. 10.12. Трубчатый охладитель(радиатор) для естественного масляного охлаждения:

А – двойной охладитель с числом труб 2•2•16=64;

Б - одинарный охладитель с числом труб 2•16=32

Наиболее широкое применение имеет трубчатый охладитель, двойной или одинарный (рис. 10.12). Для этих охладителей применяются трубы наружным диаметром 51 мм. Как видно из рис. 10.12, охладитель состоит из четырех ( двойных) или двух (одинарных) рядов круглых труб по 16 труб в ряду, изогнутых по концам, подобно тому, как это выполняется у трубчатого бака, и вваренных в два прямоугольных коллектора. Коллекторы снабжены двумя круглыми патрубками с фланцами, при помощи которых охладитель присоединяется к баку трансформатора. Двойные охладители располагаются радиально, а одинарные — тангенциально по отношению к стенке бака. В соответствии с этим патрубки находятся либо на торце коллектора, либо на его середине.

Рис. 10.13. Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними:

a — радиальное расположение двойных охладителей; б — тангенциальное расположение одинарных охладителей; 1 — трубы; 2—угольники крепления; 3—коллектор

Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними показаны на рис. 10.13.

Размеры охладителей нормализованы по расстоянию между осями патрубков. Тип охладителя выбирается в зависимости от высоты и периметра бака, а их количество — от требующейся охлаждаемой поверхности. В обозначении типа охладителя числитель означает расстояние А между осями в см, а знаменатель — поверхность в м2 (см. рис. 10.12).

Основные данные трубчатых охладителей приведены в табл. 10.6.

Общая охлаждаемая поверхность радиаторного бака

Прад.б= nПохлб+0,75Пкр (10.18)

где n — число охладителей;

Похл — эффективная поверхность охладителя, м2;

Пб — поверхность гладкой стенки бака, м2.

Таблица 10.12

Тип охладителя

Эффективная поверхность охладителя, м2

Размер А, мм

Минимальная высота бака

А+345 мм

одинарного

двойного

одинарного

двойного

188/9,4

188/17,8

9,45

17,8

1880

2225

200/10

220/18,9

10

18,9

2000

2345

228,5/11,1

228,5/21,2

11,15

21,2

2285

2630

248,5/11,9

248,5/22,7

11,9

22,7

2485

2830

268,5/12,7

268,5/24,4

12,75

24,4

2685

3030

300/13,9

300/26,7

13,9

26,7

3000

3345

325/14,8

325/28,6

14,85

28,6

3250

3595

375/16,7

375/32,4

16,75

32,4

3750

4095

§ 10.7. НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Рис. 10.14.Экспоненциальная кривая нагрева

Превышения температуры (перегревы) обмотки и масла, определяемые согласно § Ю.4 и 10.5, достигают своего установившегося значения не сразу, а по истечении некоторого определенного времени. Период времени, в течение которого происходит изменение перегрева при неизменной нагрузке (и температуре окружающего воздуха), называется периодом неустановившегося теплового состояния.

В первый момент времени включения нагрузки повышение температуры обмотки или масла происходит исключительно за счет их теплоемкости, так как теплоотдача отсутствует. Если бы теплоотдача отсутствовала и далее, то нагрев происходил бы равномерно, и перегрев обмотки или масла достиг бы своего значения, соответствующего заданной нагрузке, по истечении некоторого времени То (для обмотки) и Т (для трансформатора), называемого постоянной времени.

На графике (рис. 10.14) такой нагрев происходил бы по некоторой прямой ОА. Фактически нагрев происходит по некоторой экспоненциальной кривой. Кривая нагрева в начале касательная к прямой ОА, а далее асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс и имеющей ординату, равную τуст. Это происходит вследствие постепенного увеличения теплоотдачи с течением времени.

Таким образом, своего установившегося значения перегрев практически достигает спустя время, равное (3÷4) Т. При этом наступает тепловой баланс: количество выделенного в обмотке или трансформаторе тепла становится равным теплу, отведенному через поверхность обмотки или бака.

Уравнение экспоненциальной кривой (при отсутствии начального перегрева)

где τt - перегрев в момент времени t

τуст - установившееся значение перегрева для заданной нагрузки; Т — постоянная времени.

В общем виде при наличии некоторого начального перегрева τн формула кривой нагрева имеет вид

Постоянная времени обмотки

где — удельная теплоемкость меди;

GM — вес меди, кГ

КИЗ— 1,2 ÷1,25 — коэффициент, учитывающий теплоемкость

витковой изоляции.

Постоянная времени трансформатора

где GM — вес меди, кГ;

Gc — вес стали, кГ;

G6 — вес бака, кГ;

Gmax - вес масла, кГ.

Значение постоянной времени силовых масляных трансформаторов обычно бывает 2÷4 ч.

По формулам нагрева и постоянных времени обмотки и масла можно определить их перегрев в любой момент неустановившегося состояния. Можно решить и обратную задачу, например определить время, через которое температура обмотки достигнет допустимого значения при перегрузке трансформатора, т. е. при его нагрузке, превышающей номинальную. Последнее часто требуется в условиях эксплуатации трансформатора.

Контрольные вопросы

ГЛАВА X

ТИПЫ И УСТРОЙСТВО МАГНИТОПРОВОДОВ

§ 11.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

Магнитопровод (сердечник) трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками. Одним из основных требований, предъявляемых к правильно сконструированному магнитопроводу, является получение возможно меньших потерь и тока холостого хода. Для выполнения этого условия сталь, применяемая для изготовления магнитопровода, должна обладать высокой магнитной проницаемостью, большим удельным сопротивлением и

Рис. 11.1. Различные формы косых стыков пластин стержней и ярм:

а — сочетание косых и прямых стыков; б — косые стыки

малой задерживающей (коэрци- тивной) силой. Таким образом, свойство стали имеет весьма существенное значение для качества трансформатора в целом.

Материалом для магнитопроводов современных силовых трансформаторов служит специальная электротехническая кремнистая тонколистовая сталь толщиной 0,35 и 0,5 мм. Электротехническая сталь изготовляется по ГОСТ 802—58. Для трансформаторов пиний применяется сталь марок Э42, Э43 и Э43А (горячекатаная) и Э320, ЭЗЗО и ЭЗЗОА (холоднокатаная).

Обозначения марок электротехнической стали состоят из буквенной и цифровой частей и расшифровываются следующим образом. Буква Э означает, что сталь электротехническая. Первая цифра (3; 4) означает степень легирования стали кремнием: 3 — повышеннолегированная сталь с содержанием 2,8÷3,5% кремния, со средней плотностью 7,65 кГ/дм3; 4 — высоколегированная горячекатаная сталь с содержанием 3,8÷4,8% кремния, со средней плотностью 7,55 кГ/дм3. Вторая цифра (2; 3) означает гарантированные электромагнитные свой ства стали; 2 — с пониженными, 3 — с низкими и буква А после цифры — с особо низкими удельными потерями. Третья цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурованная. В течение долгого времени для силовых трансформаторов применялась горячекатаная сталь толщиной 0,5 мм, допускающая индукцию В в сердечнике до 1,4— 1,45 тл. В последнее время трансформаторостроение полностью переходит на применение холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм, допускающей индукцию В до 1,6—1,7тл. Повышение индукции, естественно, дает возможность получить экономию в активных материалах, хотя холоднокатаная сталь стоит несколько (на 25—35%) дороже горячекатаной. Кроме того, холоднокатаная сталь требует более усложненную конструкцию магнитопровода и новые методы обработки пластин.

В холоднокатаной стали благодаря применяемой для нее специальной технологии проката создается анизотропия магнитных свойств. Она заключается в том, что при совпадении направлений линий магнитной индукции с направлением проката удельные потери получаются наименьшими, а магнитная проницаемость наибольшей. В связи с этим с целью наилучшего использования свойств холоднокатаной стали соответствующим образом должен выполняться раскрой пластин (позиций) магнитопровода, в пластинах должны отсутствовать отверстия для прессовки шпильками и план шихтовки пластин должен быть с применением косых стыков (рис. 11.1, б).

Электротехническая сталь обычно поставляется в листах размером 750х1500 мм и 1000x2000 мм. С целью максимально автоматизировать процесс раскроя и изготовления магнитопровода холоднокатаная текстурованная сталь может поставляться в рулонах шириной 240, 750 и 1000 мм.

Пластины электротехнической стали, предназначенные для сборки магнитопровода, должны быть изолированы друг от друга.

Наибольшее применение получило покрытие пластин с двух сторон тонкой лаковой пленкой. В зависимости от мощности трансформатора (диаметра стержня) применяется одно-, двух- и трехкратная лакировка. В последние годы все более широко стало применяться двустороннее жаростойкое покрытие листов стали, наносимое на металлургическом заводе после проката. Такое покрытие особенно целесообразно при необходимости применять отжиг пластин после их окончательной механической обработки для снятия образующегося наклепа. Кроме того, жаростойкое покрытие дает наиболее высокий коэффициент заполнения.

Наличие изоляции между листами уменьшает коэффициент заполнения активной сталью геометрического сечения стержня и ярма. Коэффициент заполнения К3 сечения сталью равен отношению чистой суммарной площади стали пластин в сечении—активного сечения FCT или Fя—к площади ступенчатой фигуры Fф.ст или Fф.я, т.е.

К3=Fcт/Fф.ст.

Коэффициент заполнения К3 зависит от толщины листов стали, вида междулистовой изоляции, степени сжатия пластин и наличия в них искривлений в поперечном (волнистость) и продольном (коробоватость) направлениях и других дефектов. Коэффициент заполнения К3, даже при отсутствии покрытия, всегда меньше 1, его усредненные значения при нормальном сжатии приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Вид стали

Вид изоляции

Коэффициент К3 при толщине листов {мм)

0,5

0,35

Листовая

Без изоляции

Лакировка однократная

Лакировка двукратная

Лакировка трехкратная

0,97 — 0,98 0,95 — 0,96 0,93 — 0,94 0,91 — 0,92

0,95 — 0,96 0,93—0,94 0,91 —0,92 0,89 — 0,90

Рулонная

Жаростойкое покрытие Жаростойкое покрытие и однократная лакировка

0,95 — 0,96 0,93 — 0,94

§ 11.2. ТИПЫ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Однофазный магнитопровод может быть двух основных видов: стержневой (рис. 11.2) и броневой (рис. 11.3). Стержневым называется магнитопровод, имеющий два стержня, на которые насажены обмотки, и два ярма, замыкающие стержни. Обмотки размещаются на обоих

Рис. 11.2 Однофазный стержневой магнитопровод

Рис. 11.3 Однофазный броневой магнитопровод

стержнях, причем на каждом стержне помещаются обе обмотки ВН и НН, разделенные для этого на две части каждая. Такое размещение обмоток, при котором на одном стержне была бы обмотка ВН, а на другом НН, недопустимо вследствие резкого повышения реактивного падения напряжения Up от возникновения больших потоков рассеяния. Броневым называется магнитопровод с разветвленной магнитной цепью, имеющий один стержень, несущий обмотки и ярма, замыкающие стержень с двух сторон. Так как магнитный поток, выходящий из стержня, разветвляется на две части, то сечения ярм броневого магни-топровода имеют сечение, равное 50% сечения стержня.

Для однофазных трансформаторов малых мощностей преимуществом пользуются броневые магнитопроводы. Для силовых трансформаторов, где требуется иметь большую поверхность охлаждения обмоток

Рис. 11.4. Образование трехфазного магнитопровода путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов

и уменьшить (примерно вдвое) рассеяние, предпочтение отдается стержневым магнитопроводам.

Устройство трехфазного магнитопровода требует предварительного

принципиального обоснования.

Электрическая энергия в промышленных целях получается и используется в виде главным образом трехфазной системы переменного тока. Трехфазная система представляет собой систему трех однофазных переменных э. д. с, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120°, т. е. на V8 периода.

Очевидно, что трансформация трехфазного тока возможна тремя отдельными однофазными трансформаторами, каждая из обмоток которых соединена в одну из трехфазных схем (в звезду или в треугольник).

Но, как это показал в 1891 г. русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, трансформация при трехфазной системе возможна также одним трехфазным трансформатором, имеющим общую магнитную цепь для трех фаз.

Трехфазный магнитопровод может быть получен путем совмещения трех однофазных стержневых магнитопроводов в один общий магнитопровод с некоторым дальнейшим преобразованием его формы. Для этого нужно взять три однофазных стержневых магнитопровода с одним стержнем, несущим обмотки, и сложить их вместе необмотанными (свободными) стержнями (рис. 11.4, а). Для простоты рисунка каждый магнитопровод показан одной жирной линией. Так как магнитные потоки во всех магнитопроводах синусоидальны по форме, равны между собой и сдвинуты на 120°, то на основании формулы суммы синусов

sin a + sin (а + 120°) + sin (а + 240°) = 0

сумма потоков в примыкающих друг к другу стержнях равна нулю и поэтому эти стержни можно отнять за ненадобностью. Превратив далее полученную пространственную симметричную форму магнитопровода (рис. 11.4, б, в) в плоскую, получим ныне применяемую форму трехфазного стержневого магнитопровода (рис. 11.4, г).

Трехфазный стержневой магнитопровод является несимметричным в отношении магнитных сопротивлений для потоков средней и крайних фаз. Это может быть пояснено на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Потоки разных фаз в трехфазном несимметричном магнитопроводе:

а — поток фазы Л; б — поток фазы В

Поток фазы В проходит по более короткому пути, чем потоки фаз А и С. В связи с этим магнитное сопротивление для потока средней фазы В примерно в 2 — 2,5 раза меньше, чем для крайних фаз А и С, поэтому ток холостого хода у фазы В тоже меньше, чем у остальных фаз.

Так как фазные токи холостого хода у трехфазного трансформатора не равны между собой, то при проведении опыта холостого хода за величину тока холостого хода условно принимают его среднее значение по трем фазам

I0= (I1 +I2 +I3)/3.

При расчете тока холостого хода трехфазного трансформатора также определяется его среднее значение, так как берется общий вес стали магнитопровода и общее число стыков пластин.

§ 11.3. СТЫКОВЫЕ И ШИХТОВАННЫЕ МАГНИТОПРОВОДЫ

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из отдельных пластин. Наиболее простым конструктивным решением для магнитопровода и последующей первой сборки трансформатора, т. е. насадки обмоток на стержни, были бы отдельная сборка стержней и ярм, из которых составляется магнитопровод. Схема устройства стыкового магнитопровода показана на рис. 11.6, а.

Однако стыковая конструкция страдает рядом серьезных недостатков. Во избежание замыкания пластин стержня и ярма в месте стыка (рис. 11.7, а) необходимо закладывать прокладку из изолирующего ма

териала (рис. 11.7, б). Но эта прокладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, что ведет к увеличению намагничивающего тока. В случае повреждения изоляционной прокладки замыкание пластин стержня и ярма может привести к так называемому пожару в стали, т. е. к аварии трансформатора.

Рис. 11.6. Конструкция магнитопроводов:

а — стыковая; б — шихтованная

Рис. 11.7. Стыковое соединение ярма и стержня:

я — без изолирующей прокладки; б — с изолирующей прокладкой: 1 — пластина ярма; 2—изоляция пластин; 3—изолирующая прокладка в стыке между ярмом и стержнем; 4 — путь замыкания вихревых токов; 5— пластины стержня

Из-за указанных недостатков стыковая конструкция не нашла широкого применения. В отечественном трансформаторостроении принята шихтованная конструкция магнитопроводов для силовых трансформаторов всех мощностей. Она обеспечивает большую жесткость магнитопровода, требует меньшего количества крепежных деталей и более надежна в эксплуатации.

Все четные слои имеют положение пластин, а все — обратное (зеркальное) расчетом, чтобы пластины одного слоя перекрывали стыки в соседних слоях.

Таким образом, пластины соседних слоев как бы переплетены друг с другом (рис. 11.6, б).

Магнитопровод шихтованной конструкции собирают из отдельных слоев, каждый из которых состоит из нескольких пластин, расположенных определенным образом.

§ 11.4. СХЕМЫ ШИХТОВКИ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Схема шихтовки одно- и трехфазного стержневых магнитопроводов показана на рис. 11.8 и 11.9.

При шихтовке магнитопровода ярма и стержни образуют как быодно целое. Но для насадки обмоток на стержни, т. е. для операции первой сборки трансформатора, после изготовления магнитопровода необходимо расшихтовать верхнее ярмо, т. е. вынуть все листы ярма, а после насадки обмоток — вновь его зашихтовать.

Для сокращения излишних операций по двукратной шихтовке верхнего ярма для трансформаторов габарита I на некоторых заводах

Рис. 11.8. Схема шихтовки однофазного стержневого магнитопровода:

а — первое положение пластин (нечетных слоев); б — второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев); в — перекрытие стыков

Рис. 11.9. Схема шихтовки трехфазного магнитопровода: а — первое положение пластин (нечетных слоев); б—второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев)

стали совмещать операции по сборке шихтованного магнитопровода и первой сборке в одну операцию, при которой шихтовка магнитопровода производится непосредственно в обмотках, положенных горизонтально (рис. 11.10).

Рис. 11.10 Сборка (шихтовка) магнитопровода непосредственно в обмотках

Кроме того, на некоторых заводах шихтовку верхнего ярма в малых трансформаторах также не делают при сборке магнитопровода, а для его подъема ярмовые балки ставят на стержни ниже будущей зашихтовки.

§ 11.5. ВЛИЯНИЕ СХЕМ ШИХТОВКИ И ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНЫХ (НЕМАГНИТНЫХ) ЗАЗОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА

Для ускорения сборки магнитопровода шихтовку часто производят слоями не в один, а в два или три (и более) изолированных листа одновременно. При этом схемы шихтовки остаются без изменения, но

Рис. 11.11. Формы немагнитных (воздушных) зазоров:а — в стыковом магнитопроводе; б — в шихтованном (одновременно в два листа) магнитопроводе. Стрелки показывают направление линий магнитной индукции

толщина каждого слоя возрастает соответственно вдвое или втрое. Однако при этом необходимо иметь в виду, что увеличение толщины слоя приводит к возрастанию потерь и тока холостого хода трансформатора, так как увеличивается магнитное сопротивление магнитным линиям, обходящим места стыков пластин. Это видно из сравнения рис. 11.11, а, б. Чем больше пластин в слое, тем большее число магнитных линий замыкается через воздушные (немагнитные) зазоры между пластинами стержня и ярма

.

Рис. 11.12. Части магнитопровода из холоднокатаной стали, в которых возникают увеличенные потери при прямых (а и б) и косых (в) стыках.

Так как магнитный поток должен преодолевать воздушные зазоры в стыках пластин (как в стыковой, гак и в шихтованной конструкциях магнитопровода), то величина этих зазоров существенно влияет на величину намагничивающего тока трансформатора.

С целью его уменьшения при сборке магнитопровода внимательно следят за тщательным выполнением шихтовки в местах стыка пластин. Зазоры между пластинами в среднем не должны превышать 1—2 мм. В противном случае производят подбивку зазоров, а иногда требуется перешихтовка магнитопровода.

Ранее было сказано, что холоднокатаная электротехническая сталь имеет наибольшую магнитную проницаемость в направлении вдоль ее проката. Поэтому если магнитопроводы шихтовать из прямоугольных пластин холоднокатаной стали, то в углах магнитопровода магнитные линии будут поворачиваться под углом к оси пластины и будет иметь место увеличение потерь и намагничивающей мощности (рис. 11.12, а, б). Если сделать стыки между пластинами косыми (рис. 11.12, в), то эффект углов может быть сведен к минимуму.

Вместе с тем косые стыки сильно усложняют конструкцию и технологию изготовления пластин и сборку всего магнитопровода, делая эти операции более трудоемкими в производстве. Поэтому в отечественном трансформаторостроении магнитопроводы с косыми стыками пока широкого распространения не получили. Некоторое упрощение может дать применение комбинированной конструкции с прямыми и косыми стыками (см. рис. 11.1, а).

Контрольные вопросы

ГЛАВА XII

ТИПЫ И УСТРОЙСТВО ОБМОТОК

§ 12.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из:

а)проводникового материала (обмоточный провод, медный илиалюминиевый);

б)изоляционных деталей.

В комплект обмотки входят также выводные концы, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений.

Конструкция обмотки определяется в основном уже в ходе расчета трансформатора, когда выбираются тип обмотки и все обмоточные данные — число витков, размеры проводов, охлаждающих каналов, изоляционных цилиндров, барьеров и других деталей. Обмоточные данные должны быть увязаны с электромагнитными, изоляционными и тепловыми характеристиками трансформатора.

Расчет обмотки сводится к наиболее рациональному размещению требуемого числа витков в окне магнитопровода. что в значительной степени зависит от правильно выбранного типа обмотки. При выборе типа обмотки руководствуются предъявляемыми к ней требованиями, а также и технологической возможностью ее выполнения.

Правильно сконструированная обмотка трансформатора должна удовлетворять следующим основным требованиям:

а)иметь минимальные нагрузочные потери при наилучшем использовании обмоточной меди;

б)иметь достаточную механическую прочность;

в)иметь достаточную нагревостойкость;

г)изоляция обмотки должна иметь достаточную электрическую прочность.

Кроме того, к обмотке предъявляются еще и производственные требования, заключающиеся в наименьших производственных затратах на ее изготовление и связанной с этим простотой конструкции.

§ 12.2. ОБМОТОЧНЫЕ ПРОВОДА И ТИПЫ ОБМОТОК

Основным материалом для изготовления обмотки трансформатора является обмоточный провод, представляющий собой изолированный медный или алюминиевый провод круглого или прямоугольного сечения Применяющийся для обмоток трансформаторов круглый провод имеет размеры (диаметры) согласно таблице диаметров, предусмотренной ГОСТ 6324—52 на обмоточную медь. Практически применяются провода диаметром 0,2÷4,l мм.

Изоляция провода применяется различная в зависимости от диаметра провода и от требований, предъявляемых к обмотке.

Провода различаются по марке, характеризующей их изоляцию.

Эмалированный провод марки ПЭЛ по ГОСТ 2773—69 применяется диаметром 0,2÷1,3 мм и для катушек малых размеров. При необходимости иметь более нагревостойкую и прочную изоляцию применяется эмалированный провод марки ПЭВ (покрытый высокопрочной винифлексовой эмалью по ГОСТ 7262—54).

Для силовых трансформаторов (мощностью 10 ква и выше) и для малых трансформаторов повышенной надежности (например, работающих в условиях тряски и вибрации), предпочтительно применение эмалированных проводов, обмотанных поверх эмали шелковой (капроновой) или хлопчатобумажной пряжей. Соответственно этому провода имеют марки ПЭЛШКО — для диаметров до 0,35 мм включительно и марку ПЭЛБО — для диаметров 0,38÷l,3 мм.

Для более толстых круглых проводов диаметром 1,3 ÷4,1 мм применяется марка ПБ — провод, изолированный несколькими слоями кабельной бумаги.

Для обмоток с повышенной нагревостойкостью применяются провода с нагревостойкой изоляцией марок ПСД — провод, обмотанный стеклянной пряжей в два слоя — по ГОСТ 7019—60 и ПСДК — то же, но пропитанный лаком на кремнийорганической основе.

Прямоугольный обмоточный провод применяется следующих марок: ПБ и ПББО, последний изолирован кабельной бумагой и поверх нее бумажной пряжей в разгон, ПСД и ПСДК (см. ранее марки круглого провода).

Марки алюминиевых проводов имеют в начале или конце обозначения дополнительную букву А, например: АПБ, АПББО, ПЭВА и т. д.

Размеры сечения прямоугольного провода (толщина а и ширина Ь) так же, как и диаметры круглого провода, стандартизованы. Для трансформаторов обычно применяются провода следующих размеров:

а— 1,35÷5,9 мм,

б—3,8÷14,5 мм.

Соотношения сторон сечения а и b могут быть взяты любые (предусмотренные таблицей сечений в ГОСТ 6324—52). Однако по производственным соображениям не рекомендуется выбирать провода, сечение которых было бы близко к квадратному (а≈b При намотке катушек такой провод ребрит, т. е. стремится повернуться на ребро, отчего легко может повредиться витковая изоляция. Кроме того, у такого провода затруднительно на глаз различить большую и меньшую стороны его сечения.

Активное сечение провода, приведенное в таблице ГОСТа, немного менее (на 0,3÷0,9 мм2), чем произведение ab. Это уменьшение сечения ызвано небольшими закруглениями углов сечения, необходимых во избежание порчи витковой изоляции на углах.

Элементом обмотки является виток обмоточного провода, охватывающий стержень магнитопровода. Сечение витка выбирается в зависимости от номинального нагрузочного тока. При малом токе применяется провод круглого сечения, при больших токах — прямоугольного сечения, в одну или несколько параллелей.

Число витков обмотки определяется по расчету исходя из величины напряжения. Отдельные витки обмотки группируются в катушки. Катушкой принято называть определенное количество витков, наматываемых на обмоточном станке в одну технологическую операцию (прием). Каждая обмотка может состоять из одной или нескольких соединенных между собой катушек.

При намотке катушки на станке каждый следующий виток может быть уложен либо рядом с предыдущим, либо поверх его (последнее, очевидно, практически возможно лишь при прямоугольном проводе). В зависимости от способа намотки будут получаться разные типы обмоток. В первом случае будет получаться обмотка цилиндрической формы, т. е. так называемая цилиндрическая слоевая обмотка; во втором — плоская катушка в виде диска. Обмотка, составленная из таких катушек, будет называться дисковой.

Все остальные типы обмоток являются лишь разновидностью или сочетанием рассмотренных двух основных типов обмоток.

§ 12.3. НАПРАВЛЕНИЕ НАМОТКИ КАТУШЕК

В § 2.3 указывалось, что группа соединения зависит от направления намотки катушек. Возможны два направления намотки — левое и правое.

Рис. 12.1 Схемы намотки слоевых катушек:

а — левая по направлению намотки; б — правая по направлению намотки; 1-барабан с проводом; 2 — плашки для натяжения провода; 3 — шаблон; 4 — место рабочего-обмотчика

Направление намотки однослойной катушки принято считать левой, если уклон ее витков совпадает с левой нарезкой болта, и соответственно правой, если совпадает с правой нарезкой. При левой намотке слоевой катушки, если смотреть с ее торца, провод от начала намотки проходит по катушке против часовой стрелки. Аналогичным образом в правой катушке провод от ее начала проходит по часовой стрелке. Это правило будет справедливо и для многослойной катушки, т. е. она будет называться левой или правой по направлению намотки ее первого слоя. Кстати, можно отметить, что у многослойных катушек направление намотки нечетных и четных слоев чередуется.

При намотке слоевых катушек на обмоточном станке, если рабочее место обмотчика находится со стороны, противоположной барабану с обмоточным проводом, намотка слоя будет получаться левой, если начинать наматывание этого слоя елевой стороны шаблона, и наоборот, направление слоя будет правым, если начинать его наматывание с правой стороны. Намотка левых и правых катушек схематически показана на рис. 12.1.

Обычно при отсутствии особых требований слоевые катушки изготовляются левыми, так как это несколько удобнее по технологическим соображениям.

§ 12.4. ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СЛОЕВАЯ ОБМОТКА

Слоевая обмотка наматывается как из круглого, так и из прямоугольного провода в один, два или несколько слоев, в соответствии с чем она будет называться одно-, двух- или многослойной обмоткой.

Рис. 12.2. Двухслойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода

Обмотка из прямоугольного провода может наматываться в один или несколько параллельных проводов с укладкой их плашмя или на ребро. При низком напряжении (до 690 в) обмотка обычно наматывается непосредственно на шаблон (оправку).

Слоевые обмотки из прямоугольного провода чаще изготовляются двухслойными, что конструктивно является более удобным, так как это позволяет более просто закреплять ее выводные концы. В зависимости от условий охлаждения между слоями прокладывается изоляция из электрокартона или устраивается канал для циркуляции масла (для трансформаторов с масляным охлаждением) (рис. 12.2).

Для масляных трансформаторов ширина канала выбирается по табл. 12.1.

Таблица 12.1

Конструктивная высота обмотки Hk, мм

Ширина канала aк, мм

До 300

300÷ 350

450 ÷ 400

400 ÷450

450 ÷500

500 ÷600

5

5,5

6

6,5

7

8

Рис. 12.3. Различные формы поперечного сечения реек:

а я б — для образования осевых ка­налов; виг — для крепления про­кладок, образующих радиальные ка­налы в непрерывных и винтовых об­мотках

Канал образуется при помощи реек. Рейки изготовляются либо клееными из электрокартона, либо деревянными с наклеенными со стороны прилегания к обмоточной меди коробками из электрокартона толщиной 0,5 мм (рис. 12.3, a и б).

По концам обмотки винтовая поверхность крайнего витка в каждом слое выравнивается либо полосами из электрокартона, либо кольцами, отрезанными от бакелитового цилиндра. Для заполнения пустого пространства, образующегося вследствие большой ширины витка, особенно при нескольких параллельных проводах, полосы и кольца имеют в развертке клиновидную форму. Ширина клина (рис. 12.4 и 12.5) должна быть на одном конце равной

(Hk-Ho)/2

а на другом

(Hk-Ho)/2+hB

где Нк и Ho— соответственно конструктивный и расчетный размеры

обмотки; hB— ширина витка.

При очень большой ширине hB витка (при токе 1500—2000 а) получается значительная осевая асимметрия между обмотками ВН и НН вследствие образующегося большого укорочения обмотки НН. В этом случае часто прибегают к сдвигу половины параллельных проводов, образующих сечение витка на 180° по окружности (рис. 12.6). В этом случае выравнивающие клинья представляют собой полукольца.

При монтаже отводов сдвинутые на противоположную сторону обмотки провода перебрасываются через верхнее ярмо магнитопровода для соединения с остальными проводами на стороне НН.

Слоевая обмотка из круглого провода (обычно многослойная) (рис. 12.7) наматывается на бакелитовый цилиндр. Крепление крайних витков производится обычно двумя способами: а) обертыванием крайних витков телефонной бумагой (рис. 12.8, а) и б) при помощи бортиков (рис. 12.8, б).

Бортик 6 представляет собой полоску из электрокартона, наклеенную на более широкую полосу телефонной бумаги. Выступающая часть

Рис. 12.4. Цилиндрическая слоевая обмотка в разрезе. Положение выравнивающего кольца

Рис. 12.5. Опорное (выравнивающее) кольцо цилиндрической обмотки:

а — разрезное из бумажно бакелитового цилиндра; б— в виде клина из электрокартона (в развертке)

Рис. 12.6.Сдвиг половины параллельных проводов на 180° для уменьшения укорочения цилиндрической обмотки:

а — в натуре: б — в развертке

Рис. 12.7. Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода

Рис. 12.8. Междуслойная изоляция и крепление крайних витков многослойной обмотки из круглого провода:

а - обертывание крайних витков слоев телефонной бумагой; б — крепление бортиками: 1 — бумажно-бакелитовый цилиндр; 2— междуслойная изоляция из кабельной бумаги толщиной 0,12 мм; 3 — провод; 4 — телефонная бумага толщиной 0,05 мм; 5 — полоса из телефонной бумаги шириной 40—60 ям; 6 — бортик из электрокартона

бумаги прижимается крайними витками, удерживая бортик от сползания. Для напряжения до 12 кв ширина бортика b = 12 мм.

Рис. 12.9. Схема многослойной цилиндрической обмотки ВН классов напряжения 6 и 10 кв: 1 — 4 — места перехода провода из одного слоя в другой

Рис. 12.10. Расположение регулировочных ответвлений в многослойной цилиндрической обмотке: а — под верхним слоем витков; б —под бандажом из киперной ленты; в—в виде петли

В качестве междуслойной изоляции применяется кабельная бумага, имеющая толщину 0,12 мм. Для обмоток ВН трансформаторов габаритов I и II (мощностью до 400 ква), для которых главным образом применяется этот тип обмоток, толщина междуслойной изоляции берется: при напряжении 6 кв— 2х0,12 мм и при напряжении 10 кв — 3х0,12 мм.

Для увеличения поверхности охлаждения внутри обмотки устраивается продольный канал после намотки примерно 1/3 от общего числа слоев. Канал осуществляется, как и в случае обмоток из прямоугольного провода, при помощи реек.

Обмотка ВН из круглого провода у трансформаторов габаритов I и II выполняется обычно по схеме, приведенной на рис. 12.9. Вывод линейного конца А от внутреннего слоя обмотки дает более благоприятное емкостное распределение напряжения при импульсном воздействии (см. § 13.8).

Одновременно с этим расположение в наружных слоях регулировочных ответвлений X1, X2 и Х3 для осуществления регулирования напряжения в пределах ±5% более удобно в конструктивном отношении, так как упрощает присоединение к переключателю. Ответвления обмотки при круглом проводе обычно выводятся в виде петель из обмоточного провода. Ответвления и особенно начальный вывод должны быть тщательно изолированы (рис. 12.10).

§ 12.5. КАТУШЕЧНАЯ СЛОЕВАЯ (СЕКЦИОННАЯ) ОБМОТКА

При высоких напряжениях в случае применения цилиндрической многослойной обмотки напряжение между слоями может стать также очень большим, что затруднит выбор толщины междуслойной изоляции. Для уменьшения напряжения между слоями обмотку можно разделить в осевом направлении на несколько катушек. Таким образом получается катушечная обмотка, состоящая из нескольких многослойных катушек (или секций).

Рис. 12.11. Катушечная слоевая (секционная) обмотка в разрезе:

а — без каналов между катушками; б — с каналами между Двойными катушка ми; в—с каналами после каждой катушки; 1 — внутренние соединения катушек (переходы); 2 — бумажно-бакелитовый цилиндр; 3 — опорное кольцо из электро-картона; 4 — начало обмотки ВИ\ 5 — шайба; 6 — наружное соединение (переход); 7 — прокладки, образующие канал между катушками; 8 — рейка, образующая вертикальный канал; 9 — угловая шайба (с внутренним отворотом)

Катушки могут быть намотаны либо вплотную, на общем бакелитовом цилиндре с установкой простых и угловых изоляционных шайб между ними, либо порознь на бакелитовых кольцах.

При намотке катушек по отдельности имеется возможность улучшить их охлаждение, устраивая при помощи изоляционных прокладок каналы между катушками.

Обычно катушечные обмотки изготовляют в виде парных (двойных) -катушек, последовательно соединенных между собой начальными выводными концами. Такой способ соединения избавляет от необходимости выводить внутренние концы катушек наружу, что ухудшило бы условия их изоляции и усложнило бы конструкцию обмотки.

На рис. 12.11, а изображены в разрезе катушечные обмотки, намотанные на общем цилиндре и по отдельности (рис. 12.11, б, в).

Назначение угловых шайб 9 увеличить изоляционное расстояние перекрытия между двумя катушками. Как можно видеть на рис. 12.11, а, напряжение между двумя катушками, в местах отворотов угловых шайб, равно сумме напряжений 2UKАТ, приходящихся на обе катушки, и поэтому в этих местах требуется иметь наибольшее расстояние.

§ 12.6. ДИСКОВАЯ И НЕПРЕРЫВНАЯ ОБМОТКИ

Дисковая обмотка состоит из дисковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Дисковые катушки наматываются прямоугольным проводом и большей частью группируются в двойные катушки исходя из удобства соединения внутренних концов. Обычно двойные дисковые катушки наматываются из одного целого отрезка провода. Для этого намотку каждой катушки начинают от

Рис. 12.12. Двойная дисковая катушка:

1 — место внутреннего перехода (соединения); 2 — бандаж; 3 — временные подставки для наложения бандажа из киперной ленты; 4 — одинарные катушки

Рис. 12.13. Непрерывная дисковая обмотка ВН. В середине обмотки видны регулировочные ответвления (прямая схема) и увеличенный канал

середины (т. е. от места соединения катушек) и таким образом получается двойная катушка (рис. 12.12).

Дисковая обмотка применяется главным образом для крупных трансформаторов. Между катушками обычно устраиваются охлаждающие каналы.

Дисковые обмотки (как и сходные с ними по конструкции непрерывные и винтовые обмотки, см. далее) выгодно отличаются от слоевых и катушечных обмоток большей механической прочностью в осевом направлении. Однако вместе с тем стоимость и трудоемкость дисковых обмоток выше, чем у слоевых обмоток.

Если обмотка состоит из ряда последовательно соединенных дисковых катушек, то она может быть намотана непрерывно, т.е. без обрыва провода между отдельными катушками. Таким образом, получается так называемая непрерывная дисковая обмотка, или короче, непрерывная обмотка (рис. 12.13).

Характерной особенностью непрерывной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек. Роль перекладных катушек можно уяснить из рис. 12.14. Здесь перекладными являются

Рис. 12.14. Процесс намотки перекладной катушки непрерывной обмотки:

а — первоначальный порядок намотки витков; б — перекладка; в —по­рядок витков катушки после перекладки

Рис. 12.15. Форма и размеры поперечного сечения реек и междукатушечных прокладок

Рис. 12.16. Расположение реек и междукатушечных прокладок:

1 — цилиндр; 2 — рейка; 3 — катушка; 4 — прокладка

все нечетные катушки. Перекладные катушки сначала наматываются как обычно, начиная от цилиндра, а затем витки этих катушек перекладываются в обратном порядке. Для облегчения перекладки натяжку провода несколько ослабляют, а затем, после перекладки, провод, идущий с барабана, опять натягивают. Благодаря такому способу намотки соединение катушек между собой получается без обрыва провода, т. е. без применения паек. Вся обмотка при этом получается более компактной и благодаря хорошей натяжке проводов механически более прочной.

Непрерывная обмотка наматывается на рейки (см. рис. 12.3, в и г) на бакелитовые или временные железные цилиндры. Между катушками ставятся прокладки шириной с (40 или 50 мм) из электрокартона, создающие каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на рейках посредством выреза в виде «ласточкина хвоста» (рис. 12.15 и 12.16).

§ 12.7. ВИНТОВАЯ ОДКС И ДВУХХОДОВАЯ ОБМОТКИ

Винтовая (или иногда называемая неправильно спиральная) обмотка по принципу намотки сходна со слоевой многопараллельной обмоткой. Разница заключается в том, что в слоевой обмотке параллельные провода (составляющие сечение витка) кладутся рядом, а в винтовой обмотке — друг на друга, и, кроме того, между отдельными витками в винтовой обмотке обычно устраиваются каналы охлаждения. На рис. 12.17, а, б показана часть винтовой обмотки в разрезе.

Рис. 12. 17. Винтовая обмотка в разрезе: а — одноходовая; б — двухходовая

Рис. 12. 18. Одноходовая винтовая обмотка с тремя транспозициями

Так как винтовая обмотка обычно наматывается на рейки на бакелитовый цилиндр с прокладками между витками, то по общей конструкции она сходна с непрерывной обмоткой (рис. 12.18).

Винтовая обмотка применяется при относительно малом числе витков и больших токах. Эта обмотка, так же как дисковая непрерывная обмотка, отличается большой механической прочностью в осевом направлении и находит частое применение в крупных силовых трансформаторах.

Характерной особенностью винтовой обмотки является выполнение в ней так называемых транспозиций, т. е. перемещения или перекладывания проводов по отдельности или группами. Транспозиции необходимы для выравнивания активного и реактивного сопротивлений каждого из параллельных проводов между собой. При отсутствии транспозиций эти провода, имея разную длину и находясь в поле рассеяния разной величины индукции, имели бы разные активные и реактивные сопротивления, что в свою очередь привело бык неравномерному распределению тока по параллельным проводам и, следовательно, к перегрузке части их.

§ 12.8. ВЫПОЛНЕНИЕ И РАСЧЕТ ТРАНСПОЗИЦИИ В ВИНТОВОЙ ОБМОТКЕ

Одноходовая винтовая обмотка. Транспозиция в этой обмотке выполняется следующим образом. Вся обмотка по длине (по числу витков) подразделяется на четыре одинаковых участка. Между этими участками, в трех местах обмотки, выполняются транспозиции. Первой на расстоянии четверти витков от начала выполняется так называемая групповая транспозиция. Сечение витка подразделяется на две (одинаковые) группы проводов, которые затем меняются местами, т. е. верхняя группа кладется вниз на рейки, а нижняя поднимается вверх и кладется сверху.

Рис. 12.19. Схема выполнения транспозиций параллельных проводов в одноходовой винтовой обмотке:

а — при четном (6) числе проводов; б — при нечетном (5) числе проводов

Рис. 12.20. Увеличение высоты одноходовой винтовой обмотки при выполнении транспозиции:

а — групповая транспозиция; б — общая транспозиция (при четырех проводах)

В середине обмотки выполняется так называемая общая (срединная) транспозиция, в которой порядок расположения всех проводов меняется на обратный, т. е. производится полное перемещение (перевертывание) всех проводов. Последней на расстоянии четверти витков от конца обмотки опять выполняется групповая транспозиция. Схема выполнения трехместной транспозиции в одноходовой винтовой обмотке для шести и пяти параллельных проводов приведена на рис. 12.19, а, б.

Проверкой правильности выполнения трехместной транспозиции (при четном числе проводов) может являться равенство сумм номеров проводов для каждого положения. Так, например, для шести проводов (см. рис. 12.39,(2) эта сумма будет 1+4+3+ + 6 = 14.

Для практического выполнения общей и групповой транспозиций требуется дополнительное место в осевом направлении по одному проводу с каналом hB + hK на каждую транспозицию (рис. 12.20). Поэтому при расчете осевого размера обмотки необходимо учитывать увеличение осевого размера в общей сложности на три провода и три канала.

Отрицательным свойством одноходовой винтовой обмотки является то обстоятельство, что в местах транспозиций происходит как бы разрежение ампер-витков, вызывающее неравномерность распределения намагничивающих сил по высоте обмотки (§ 7.1).

Двухходовая винтовая обмотка. В двухходовой винтовой обмотке благодаря тому, что сечение витка в ней состоит из двух групп проводов, имеется возможность выполнения совершенной транспозиции без потери места в осевом направлении при перекладывании проводов. При каждой перекладке верхний провод одной группы перекладывается на верх второй группы и одновременно с этим, в этом же месте обмотки, нижний провод второй группы подкладывается под низ первой группы.

Принцип выполнения транспозиции в двухходовой винтовой обмотке показан на рис. 12.21.

Рис. 12.21. Принцип выполнения равномерно - распределенной транспозиции в двухходовой винтовой обмотке при восьми параллельных проводах (Число транспозиций (8) равно числу проводов. Порядок расположения проводов в начале и конце обмотки одинаков. Вверху приведена диаграмма индукции В потока рассеяния)

Рис. 12.22. Выполнение перекладок проводов в равномерно-распределенной транспозиции

Перекладка проводов производится в промежутке между прокладками (рис. 12.22).

Правильность выполнения транспозиции в готовой обмотке обычно проверяется прозвонкой проводов. Для удобства выполнения такой прозвонки желательно, чтобы порядок расположения проводов в начале и в конце обмотки был бы один и тот же. Для этого в свою очередь необходимо, чтобы число перекладок было бы равно числу параллельных проводов.

Рис. 12. 23. Полная развернутая схема равномерно-распределенной транспозиции в двухходовой винтовой обмотке: а — расположение проводов на отдельных участках обмотки; б — развернутая схема транспозиции; штрихом показаны провода в первой группе (ветви), сплошной линией — во второй

Чтобы выполнить это условие, половину первого от начала обмотки участка переносят на ее конец.

На рис. 12.23 изображена полная развернутая схема равномерно-распределенной транспозиции в двухходовой винтовой обмотке для случая восьми параллельных проводов.

Таким образом, окончательно получаем, что первая перекладка проводов должна производиться на расстоянии половины участка от начала обмотки. Все последующие перекладки производятся на расстоянии целого участка друг от друга. И, наконец, последняя перекладка получается на расстоянии половины участка от конца обмотки.

§ 12.9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА РАВНОМЕРНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ТРАНСПОЗИЦИИ

Длина между перекладками

где ω—число витков обмотки;

р — число параллельных проводов.

Первая перекладка должна быть выполнена на расстоянии

Рассмотрим числовой пример на определение положений перекладок проводов в равномерно-распределенной транспозиции.

Пример 12.1.

Дано; ω = 42; р = 14.

Требуется определить положение перекладок проводов.

Решение.

Длина участка

Первая перекладка должна быть на расстоянии половины участка, т. е. после 1/2= 1 1/2г витка от начала обмотки. Все остальные перекладки будут на расстоянии l = 3 витка друг от друга, т. е. на 4 1/2; 7 1/2 и т. д. витков. Последняя перекладка будет на

Но в большинстве случаев значение l в практических расчетах получается дробным. Учитывая, что перекладки выполняются между рейками, на которые намотана винтовая обмотка, дробную часть витка для величины / следует выражать числом реек.

Пример 12.2. Дано: ω = 42; р = 12; n= 10, где n — число реек по окружности.

Решение.

Длина участка

Первая перекладка должна быть на расстоянии

(округляется до 1/10 витка, т. е. до расстояния между рейками). Положения остальных перекладок находятся последовательным прибавлением длины участка —3 5/10 витка. Следовательно, перекладки получатся в следующих местах: 1 7/10, 5 2/10; 8 7/10 12 2/10, …; 40 2/10 витков от начала обмотки — всего 12 перекладок по числу параллельных проводов.

Следует заметить, что у найденных только что цифр сокращение простых дробей нецелесообразно, так как числители дробей показывают число реек, по которым рабочему-обмотчику удобно отсчитывать дробную часть витка для выполнения перекладок.

Контрольные вопросы

ГЛАВА XIII

ИЗОЛЯЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 13.1. УРОВЕНЬ РАБОЧИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Силовой трансформатор рассчитан на длительное включение его в электрическую сеть, т. е. на постоянное нахождение его под напряжением. Изоляция обмоток и токоведущих частей (отводы, переключатели и т. п.) трансформатора вовремя его работы испытывает воздействие как длительно приложенного напряжения нормальной промышленной частоты (т. е. частоты, при которой подается энергия, 50 гц), так и импульсных, т. е. кратковременных, перенапряжений.

Перенапряжениями вообще называются напряжения, значительно превышающие номинальное напряжение трансформатора и поэтому опасные для его изоляции. Обычно под этим словом подразумевают импульсные перенапряжения, возникающие от атмосферных явлений, наиболее сильно воздействующие на изоляцию трансформатора, а также коммутационные перенапряжения.

Коммутационные перенапряжения могут возникать при нормальных коммутационных процессах, происходящих в линии электропередачи: включение и отключение трансформатора при холостом ходе и нагрузке, при резких изменениях режимов работы линий и т. п. Эти перенапряжения могут достигать трех-четырехкратных значений фазных напряжений при длительности, измеряемой сотыми долями секунды, не превышая, как правило, 0,1 сек. Кроме того, в линии при обрывах и коротких замыканиях в ней могут возникать аварийные перенапряжения, превышающие коммутационные.

Атмосферные перенапряжения, вызываемые грозовыми разрядами, в отдельных неблагоприятных случаях, достигая трансформатора, могут иметь величину 10-кратного фазного напряжения и более при длительности, измеряемой микросекундами.

Изоляция трансформатора разделяется на главную и продольную. Главной изоляцией называется изоляция каждой из обмоток относительно заземленных частей и от других обмоток. Продольной изоляцией называется внутренняя изоляция каждой обмотки, т. е. ее междувитковая, междуслойная и между катушечная изоляции.

Нормальное рабочее напряжение и коммутационное перенапряжение воздействуют в основном на главную изоляцию обмоток. Атмосферное перенапряжение воздействует главным образом на продольную изоляцию обмоток.

Для надежной работы трансформатора должна быть обеспечена достаточная электрическая прочность его изоляции. Различают электрическую прочность изоляции при нормальной промышленной (50 гц) частоте и импульсную прочность. Уровень электрической прочности изоляции трансформатора находится в определенной, установленной на основе опыта эксплуатации и узаконенной стандартами зависимости от принадлежности к тому или иному классу напряжения и от условий работы трансформатора.

Каждая из обмоток трансформатора в зависимости от длительно допустимого рабочего напряжения относится к определенному классу напряжения, характеризуемому значением номинального напряжения. Согласно ГОСТ 721— 62 в Советском Союзе приняты следующие номинальные линейные напряжения переменного тока, приведенные в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Номинальные напряжения сетей и

приемников электрической энергии, кв

Наибольшее

рабочее напряжение, кв

3

3,6

6

7,2

10

12

15

17,5

20

24

35

40,5

ПО

126

150

172

220

252

330

363

500

525

Классом напряжения трансформатора принято считать класс напряжения его обмотки ВН.

Соответственно классам напряжения установлены нормы для испытания изоляции обмоток трансформатора как при промышленной частоте (50 гц), так и при импульсном испытании (см. § 13.3).

§ 13.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРА

Правильный выбор изоляционных расстояний, качество изоляционных материалов и общей конструкции изоляционных узлов имеет существенное значение для надежности и долговечности работы трансформатора. С другой стороны, чрезмерно большие запасы электрической прочности приводят к неоправданно большим расходам изоляционных и других материалов и увеличению габаритных размеров и стоимости всего трансформатора.

Изоляционные материалы не должны иметь химического взаимодействия с горячим трансформаторным маслом и, с другой стороны, не способствовать его разложению и загрязнению.

Кроме чисто электрических воздействий, изоляция трансформаторов подвергается нагреванию от потерь, возникающих в обмотке и магнитопроводе, и механическим усилиям, достигающим значительных Беличий в аварийном случае короткого замыкания. Это должно учитываться при разработке рациональной конструкции. Обычно принято считать, что правильно рассчитанный при условии нормальной эксплуатации трансформатор должен служить не менее 15—20 лет.

Причем указанный срок службы трансформатора в значительной степени определяется сохранением основных качеств его изоляции.

Значительную роль в обеспечении электрической прочности изоляции имеет правильная технология ее обработки. Одной из важнейших технологических операций обработки изоляции является вакуумная сушка активной части трансформатора перед заливкой маслом по окончании сборки.

В трансформаторах желательно иметь возможно меньшую поверхность масла, соприкасающуюся с воздухом, поэтому целесообразно применять герметизацию расширителей, химических воздухоосушителей и др.

§ 13.3. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И НОРМЫ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХНАПРЯЖЕНИЙ

Электрическая прочность изоляции трансформаторов проверяется на воздействие как промышленного (50-периодного), так и импульсного напряжений.

Каждый выпускаемый с завода трансформатор подвергается так называемым контрольным испытаниям, в программу которых, как обязательное, входит испытание на 50-периодную прочность изоляции.

Рис. 13.1. Принципиальная схема испытания главной изоляции обмотки трехфазного трансформатора приложенным напряжением промышленной (50 гц) частоты при помощи испытательного трансформатора: 1 — испытательный трансформатор; 2 — испытуемый трансформатор

Это испытание производится в большинстве случаев двумя способами: приложенным от постороннего источника напряжением (при отсутствии возбуждения магнитопровода) и возбуждением трансформатора индуктированным напряжением.

Схема испытания изоляции приложенным напряжением показана на рис. 13.1.

При испытании приложенным напряжением испытательное напряжение Uисп прикладывается к испытуемой обмотке и заземленным частям. Другие обмотки также заземляются. Испытание обычно начинают с обмотки НН. При этом испытывается главная изоляция трансформатора, т. е. изоляция каждой из обмоток и их отводов от заземленных частей и других обмоток.

Нормы приложенных 50-периодных испытательных напряжений в зависимости от классов напряжения (т. е. номинальных значений рабочего напряжения) приведены в табл. 13.2.

Таблица 13.2

Класс напряжения. кв

Испытательные напряжения

приложенное

действующее, кв

импульвное амплитудное (кв) при волне

полной

срезанной

3

6

10

15

20

35

ПО

150

220

330

500

18

25

35

45

55

85

200

275

400

460

680

44

60

80

108

130

200

480

660

950

1050

1550

50

70

90

120

150

225

550

760

1090

1150

1650

При испытании индуктированным напряжением трансформатор возбуждается повышенным (обычно двойным против номинального) напряжением. Так как при этом будет увеличиваться (пропорционально напряжению) индукция главного магнитного потока, то во избежание опасного для питающей обмотки резкого повышения намагничивающего тока индукцию снижают повышением (до 1004-250 гц) частоты. При испытании индуктированным напряжением испытывается так называемая продольная изоляция обмоток, т. е. их междувитковая, междуслойная и междукатушечная изоляции.

Рис. 13.2. Принципиальная схема испытания продольной изоляции трехфазного трансформатора двойным напряжением, индуктируемом в испытуемом трансформаторе при повышенной (100—250 гц) частоте:

Uл и U’’л - номинальные напряжения обмоток

В некоторых случаях один из концов обмотки ВН однофазного трансформатора или нулевая точка обмотки ВН трехфазного трансформатора, предназначаемые для присоединения к земле (в системах с заземленной нейтралью), имеют неполную (пониженную) изоляцию относительно земли. Такие обмотки нельзя испытывать приложенным напряжением. В этих случаях изоляция обмоток испытывается только индуктированным напряжением, при котором линейному ее концу задается потенциал, равный приложенному испытательному напряжению, соответствующему согласно табл. 13.2 данному классу напряжения.

Схема испытания индуктированным напряжением показана на рис. 13.2.

Испытание новых конструкций трансформаторов и их изоляционных узлов производят при постепенном повышении испытательного напряжения до нормированного. Часто испытание производят до полного пробоя изоляции. При этом может быть определен запас К3 электрической прочности трансформатора:

КЗ= Пробивное напряжение/Испытательное напряжение

Чтобы обеспечить надежность изоляции, получение известного запаса ее электрической прочности при испытании необходимо ввиду неизбежного разброса данных результатов испытаний.

Испытания на импульсную прочность изоляции ввиду их сложности и большой стоимости производятся лишь как типовые, имеющие целью проверку новой конструкции изоляции. Они обычно проводятся на отдельных образцах или же опытных моделях, представляющих собой их типовую конструкцию, и повторяются по мере надобности.

Нормы импульсных испытательных напряжений приведены в табл. 13.2. Как видно из этой таблицы, амплитуда импульсных напряжений намного превышает значения 50-периодных испытательных напряжений. Это объясняется характером импульсных перенапряжений. Для сравнения значения 50-периодных напряжений следует умножить на .

§ 13.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НА ИЗОЛЯЦИЮ

Воздействиям атмосферных перенапряжений особенно сильно подвергаются трансформаторы, связанные с воздушными сетями. Таковыми большей частью являются крупные высоковольтные трансформаторы и трансформаторы меньших мощностей напряжением 10 и 35 кв.

Воздействие импульсных перенапряжений на изоляцию определяется как величиной их амплитуды, так и формой волны, т. е. изменением ее во времени и общей длительностью.

Действие волны импульса, кроме ее амплитуды, сильно зависит так же от крутизны ее фронта (т. е. участка подъема напряжения: чем круче фронт, тем действие волны сильнее). Поэтому при импульсных испытаниях заданная длительность фронта волны должна быть выдержана.

Формы волн импульсов атмосферных перенапряжений чрезвычайно разнообразны.

Для испытаний на импульсную прочность приняты (стандартизованы) две формы волны — полная и срезанная, как наиболее характерные из встречающихся в практике эксплуатации трансформаторов.

Форма полной волны приведена на рис. 13.3: τф = 1,5±0,2 мксек — длина фронта волны; τв = 40±4 мксек — общая длина волны; UB — амплитуда импульса напряжения.

Срез волны происходит, например, на подвесных гирляндах, на выводах и т. п. Форма срезанной волны приведена на рис. 13.4. Срезанная волна опасна для продольной изоляции обмотки из-за большой общей амплитуды U.

Рис. 13.3. Стандартная полная волна импульса 1,5/40 мксек

Рис. 13. 4. Стандартная срезанная волна импульса τр=2—3 мксек (предразрядное время)

Получение электрически прочной изоляции, противостоящей импульсным воздействиям путем простого увеличения изоляционных расстояний, вызвало бы значительное увеличение типовой мощности трансформатора и, следовательно, обошлось бы слишком дорого. В связи с этим возникает задача разработки наиболее рациональной конструкции изоляции, обеспечивающей достаточную электрическую

прочность последней, не слишком увеличивая размеры трансформатора. Для этого необходимо выяснить те явления, которые происходят в обмотке при падении на нее волны перенапряжения. Как показывают исследования, эти явления очень сложны. В упрощенном виде они могут быть представлены следующим образом.

Предположим, что к линейному вводу обмотки ВН трансформатора вследствие каких-либо причин пришла волна импульса с крутым фронтом. Практика показывает, что целость трансформатора в сильной степени зависит от того, насколько равномерно амплитуда импульса распределится по продольной изоляции обмотки. Прочность изоляции будет тем выше, чем равномерней распределится напряжение на обмотке, так как изоляция ее при этом становится равнопрочной.

Однако в дисковых непрерывных обмотках, обычно применяемых в крупных трансформаторах, в первый момент падения волны импульса напряжение распределяется неравномерно, и это создает большие трудности в осуществлении изоляции, стойкой против импульсных воздействий.

Ввиду большой крутизны фронта волны его можно представить на графике как часть синусоиды напряжения высокой частоты (рис. 13.5).

При высокой частоте ввиду быстрых изменений величины напряжения решающую роль в первоначальном распределении напряжении

Рис. 13.5. Крутой фронт волны как часть синусоида высокой частоты

я играют емкости, имеющиеся в обмотке. Индуктивности катушек обмотки для первоначального распределения значения иметь не могут ввиду сильного возрастания индуктивного сопротивления при высокой частоте (X = ωL). При этих условиях в схеме замещения непрерывной обмотки ВН современного крупного трансформатора каждую дисковую катушку упрощенно можно представить как обкладку конденсатора с емкостью С3 на землю и емкостью Ск на соседнюю катушку (фактически сама катушка имеет собственные внутренние емкости, и поэтому

представление ее в виде обкладки конденсатора может быть принято как

некоторое допущение).

Обмотку НН ввиду ее близости к стержню и сравнительно большой емкости на землю практически можно считать заземленной (рис. 13.6, а).

Таким образом, в первый момент падения волны импульса эквивалентная схема или схема замещения обмотки ВН будет иметь вид емкостной цепочки (рис. 13.6, б).

В данной схеме рассматривается случай заземленной нейтрали, как это обычно применяется в СССР, для сетей 110 кв и выше.

Для простоты рассуждения будем считать все катушки одинаковыми.

При этом емкости Ск между катушками будут также одинаковы и емкости С3 катушек на землю будут равны между собой. Начнем рассмотрение от последней катушки у заземленного конца X. Предположим, что через последний (нижний по схеме) конденсатор Ск течет какой-то ток I. Тогда в предпоследнем конденсаторе ток будет i+i1

Рис. 13.6. Схема замещения непрерывной обмоткн ВН

где i1— ток, ответвившийся в последний конденсатор С3. В следующем, третьем снизу, конденсаторе Ск ток будет уже равен i+i1+i2, где i2 — ток в предпоследнем конденсаторе С3. Причем надо заметить, что поскольку напряжение на верхних конденсаторах выше, то i1<i2<i3 и т. д. Таким образом, рассуждая далее аналогичным образом, найдем, что по мере продвижения вверх токи между катушками будут увеличиваться. Следовательно, через верхний конденсатор Ск потечет наибольший ток.

Так как емкостные сопротивления между катушками одинаковы, то на основании закона Ома получим, что падение напряжения на той или иной катушке будет тем больше, чем выше она расположена. В результате получается неравномерное распределение напряжения по высоте обмотки. По этой причине катушки, расположенные ближе к линейному вводу (так называемые входные катушки), должны быть лучше изолированы, так как на них приходится относительно большее напряжение.

Построим график первоначального распределения (слово напряжение обычно опускается) по обмотке для идеальной волны импульса, т. е. при tф=0. По оси ординат отложим амплитуду волны UИ , а по оси абсцисс — общую высоту обмотки (рис. 13.7)

Рис. 13.7. График первоначального распределения

Если бы напряжение распределилось равномерно (идеальный случай), то график был бы изображен прямой ВХ. Но благодаря рассмотренному выше распределению токов по цепочке емкостей напряжение распределится по некоторой кривой, называемой кривой первоначального распределения. Эта кривая наглядно показывает, что верхние катушки испытывают значительно большие воздействия импульсов, чем это было бы при равномерном распределении. Причем степень неравномерности распределения зависит от величины некоторого коэффициента распределения

Чем меньше а, тем ближе кривая приближается к прямой конечного распределения (а = 0). В обычных конструкциях α=5÷15.

Ввиду большой опасности, которую представляют перенапряжения для обмоток трансформаторов, приводящие к разрушениям последних, возникла необходимость специальной защиты трансформатора, т. е. создания так называемых грозоупорных конструкций.

При разработке конструкций грозоупорных трансформаторов в значительной степени пользуются данными опытов, полученных при испытании моделей или аналогичных конструкций путем обмеров, импульсных испытаний и т. д. Расчет емкостной цепочки представляет большие трудности из-за неточного определения емкостей С3 и Ск и индуктивности L. Расчет усложняется еще тем, что витки и катушки обмоток распределены неравномерно. Поэтому все расчеты следует считать приближенными, нуждающимися в проверке опытом.

Для защиты трансформаторов от перенапряжений применяются внешние и внутренние способы защиты.

К внешним способам защиты относятся:

а)установка разного рода разрядников на линии, ограничивающих амплитуду волн перенапряжений;

б)установка заземленного защитного троса над проводами линии. Этот трос воспринимает прямые удары молнии и способствует ослаблению фронта волны импульса вблизи трансформатора.

Однако одних внешних способов защиты недостаточно, так как амплитуда волн, не задержанных внешней защитой, все же достаточно велика, и поэтому при определенных условиях необходимо применение также и внутренней защиты.

Внутренняя защита может быть основана на двух принципах: усиление изоляции входных катушек и искусственное уменьшение неравномерности первоначального распределения.

Наиболее простой из этих принципов заключается в усилении изоляции входных витков и катушек, особенно сильно подвергающихся воздействию волн импульсов. Однако в существующих сериях трансформаторов отечественного производства применение одного этого способа достаточно лишь для напряжений классов до 35 кв. При более высоких напряжениях — 110 га и выше получается весьма значительное увеличение размеров трансформатора, еще более увеличивающееся от получающегося неравномерного распределения ампер-витков обмотки по ее высоте (в зоне входных катушек), что делает этот способ неэффективным.

Более правильным, хотя и более сложным, является второй принцип внутренней защиты, называемый емкостной защитой, или емкостной компенсацией. При этой защите тем или иным способом компенсируют (нейтрализуют) вредные емкости С3 катушек на землю и тем самым уменьшают неравномерность первоначального распределения напряжения.

У трансформатора с емкостной компенсацией градиенты (напряжения, приходящиеся на каждую катушку) по высоте обмотки распределены более или менее равномерно, что существенно улучшает условия работы изоляции. Такие трансформаторы называются нерезонирующими, у которых переходный колебательный процесс от первоначального к конечному распределению почти или полностью отсутствует.

В последнее время для обмоток ВН 110 кв и выше большое распространение получила так называемая петлевая обмотка. У этой обмотки витки переплетены в каждой двойной катушке, благодаря чему значительно увеличивается продольная емкость обмотки и выравнивается первоначальное распределение.

§ 13.5. ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАЩИТЫ ДЛЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 35 кв

Для классов напряжений, не превышающих 10 кв, ввиду наличия достаточного запаса электрической прочности никакого дополнительного усиления изоляции не требуется. Лишь при слоевых обмотках ставится экран, присоединенный к линейному вводу (см. далее). Для класса напряжения 35 кв достаточным усилением изоляции является утолщение витковой изоляции двух входных катушек (применение провода с толщиной изоляции 1,35 мм на обе стороны). Два крайних масляных канала между катушками должны быть не менее 6 мм.

§ 13.6. ЕМКОСТНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЕМ 110 кв И ВЫШЕ

Основная идея защиты трансформаторов напряжением 110 кв и выше заключается в том, что с наружной стороны обмотки располагают дополнительную цепочку емкостей, присоединяемую к линейному вводу. Если эту цепочку продлить до конца обмотки, то получится симметричная схема, в которой добавочные емкости Сд компенсируют (нейтрализуют) вредные емкости С3 (рис. 13.8). Распределение токов по емкостям получается таким, что первоначальное распределение будет (в идеальном случае) равномерным. Однако эта схема практически неприменима, так как нижний конденсатор Сд оказывается под полным импульсным напряжением и это потребовало бы больших его размеров. Тем не менее этот принцип положен в основу большинства схем емкостной защиты.

Ввиду трудности применения полной компенсации применяют частичную компенсацию, при которой кривая первоначального распределения может быть достаточно приближена к кривой конечного распределения (рис. 13.9).

Получение совершенно равномерного первоначального распределения практически даже и не требуется. Важно, чтобы градиент наиболее напряженных точек обмотки не превышал бы намного средних значений градиентов, которыеимели бы место при равномерном распределении.

Принцип конструкции частичной защиты экранирующими витками заключается в следующем: поверх шести (для ПОч-220 кв) концевых катушек обмотки накладывают экранирующие витки с переменным расстоянием от катушек. Эти витки изготовляют из хорошо изолированного провода, соединяют между собой и присоединяют к линейному вводу (рис. 13.10).

Рис. 13.8. Принцип емкостной компенсации

Сверху обмотки ставится емкостное кольцо 1, служащее для выравнивания напряжения по виткам входной катушки (рис. 13.11).

Емкостное кольцо представляет собой кольцо (шайбу) из злектрокартона, обмотанное медной или алюминиевой фольгой и затем хорошо изолированное. Емкостное кольцо присоединено к линейному вводу обмотки.

Экранирующие витки не заходят в промежуток между фазами А, В, С, т.е. они не полностью охватывают катушки обмотки (рис. 13.12).

Преимущества частичной защиты экранирующими витками;

Рис. 13.9. Кривая первоначального распределения при частичной компенсации

Рис. 13.10. Частичная защита экранирующими витками:

1 — емкостное кольцо; 2 — экранирующие (емкостные) витки; 3 — катушки с усиленной изоляцией

простота конструкции и технологии изготовления;

возможность углубления (до некоторого предела) защиты путем добавления экранирующих витков без изменения конструкции обмотки; возможность предварительного емкостного расчета.

Рис. 13.11. Емкостное кольцо:

а — конструктивная схема; б — емкостная схема замещения: 1 — емкостное кольцо;

2 — крайняя (входная) катушка обмотки

Рис. 13.12. Схема расположения экранирующих витков на обмотках ВН трехфазного трансформатора. Неполный охват витками входных катушек

Недостатки этого вида защиты:

§ 13.7. ПРОДОЛЬНАЯ ЕМКОСТНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ВНУТРЕННИХ ОБМОТОК

Принцип этой защиты заключается в том, что путем установки между катушками по два емкостных экрана искусственно увеличивают междукатушечную емкость Ск и тем самым уменьшают коэффициент распределения а. Схема продольной защиты изображена на рис. 13.13.

Если обозначить через α1 коэффициент распределения с применением компенсации, то

где Ск1— добавочная междукатушечная емкость, полученная при помощи емкостных экранов.

Рис. 13.13. Схема частичной емкостной компенсации внутренней непрерывной обмотки при помощи встроенных конденсаторов:

а—конструктивная схема; б — упрощенная схема замещения

Рис. 13.14. Кривая первоначального распределения при продольной защите

Этот вид защиты дает более пологую кривую первоначального распределения (рис. 13.14).

Преимущество продольной защиты заключается в том, что она может быть распространена на всю длину обмотки; недостаток ее — в большой потере места в осевом направлении обмотки.

В настоящее время разработан целый ряд других систем частичной защиты, обладающих теми или иными преимуществами и недостатками.

§ 13.8. СЛОЕВЫЕ ОБМОТКИ

Для трансформаторов относительно небольших мощностей с напряжением до 35 кв применяются слоевые обмотки.

Несмотря на некоторые недостатки, слоевая обмотка, кроме простоты изготовления, имеет еще то преимущество, что первоначальное

Рис. 13.15. Схема замещения слоевой обмотки

распределение у этой обмотки получается практически равномерным без дополнительной емкостной компенсации (если не считать емкостного экрана). Иными словами, слоевая обмотка является в принципе грозоупорной, т. е. обладающей самозащитой, так как коэффициент

распределения а у нее близок к нулю. Схема замещения и

график первоначального распределения слоевой обмотки изображены соответственно на рис. 13.15 и 13.16.

Как видно из схемы слоевой обмотки, обкладкой конденсатора в момент падения волны импульса будет служить слой обмотки. Тогда емкость между слоями будет соответствовать емкости Ск в схеме замещения. Так как емкость каждого слоя на землю Сз относительно емкости между слоями Сз будет весьма мала, то коэффициент первоначального распределения а близок к нулю, т.е.

.

Кривая первоначального распределения будет почти совпадать с прямой конечного распределения и на графике представится в виде ломаной линии с числом изгибов, соответствующим числу слоев.

Для выравнивания напряжений по виткам первого (входного) слоя ставят металлический (разрезной) экран, присоединяемый к линейному вводу. Максимальное использование преимуществ слоевой обмотки получается тогда, когда экран ставится внутри (к первому слою). При этом уменьшается общая емкость обмотки на землю.

Ограниченность применения слоевой обмотки зависит в основном от ее недостаточной механической прочности, малой поверхности охлаждения и большого напряжения между слоями. Чтобы избежать последнего недостатка, обмотку разбивают на две и более частей в осевом направлении, т. е. применяют катушечную обмотку.

Рис. 13.16. Распределение напряжения в слоевой обмотке ВН с двумя экранами:

I— емкостное распределение; II—начальное распределение при полной волне; III— наибольшие потенциалы при полной волне

§ 13.9. МЕТОДИКА ВЫБОРА РАЗМЕРОВ ГЛАВНОЙ И ПРОДОЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ РАСЧЕТЕ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Электрическая прочность изоляции трансформатора должна обеспечиваться правильным выбором изоляционных конструкций, материалов и минимально допустимых расстояний (промежутков) между соответствующими токоведущими частями или между токоведущими и заземленными частями в зависимости от класса напряжений той или иной обмотки трансформатора. Выбранная изоляция трансформатора должна предохранить его токоведущие части — обмотки, отводы, переключатели, вводы — от пробоя на землю и между ними как при нормальном рабочем напряжении, так и при возможных перенапряжениях.

Рис. 13.18. Основные изоляционные промежутки главной изоляции в чередующихся обмотках

Рис. 13.17. Основные изоляционные промежутки главной изоляции в концентрических обмотках

Изоляция трансформатора по его изготовлению должна выдерживать нормированные испытательные напряжения при контрольных и типовых испытаниях трансформатора. Нормы испытательных напряжений были приведены в табл. 13.2. В соответствии с этими нормами и производится расчет изоляции для каждой токоведущей части, который сводится к определению основных изоляционных промежутков между этой токоведущей и заземленными частями или другой токоведущей частью в зависимости от испытательного напряжения в данном изоляционном промежутке.

Расположение изоляционных промежутков зависит от конструкции трансформатора, т. е. от взаимного расположения обмоток, магнитопровода, бака и других частей.

Рис. 13.19. Варианты заполнения изоляционных промежутков:

а — изоляция из твердого диэлектрика; б — масляный промежуток-

в — барьер) г — покрытие одного из электродов; д — изолирование одного

из электродов

В процессе развития трансформаторостроения определились основные варианты изоляционных конструкций для концентрических и чередующихся обмоток, ставшие в некоторой степени классическими.

В трансформаторе стержневого типа с концентрическими обмотками (рис. 13.17) основными промежутками главной изоляции являются следующие: канал между обмоткой НН и магнитопроводом, канал между обмотками ВН и НН, промежуток между обмоткой ВН и стенкой бака, между обмотками ВН разных фаз (междуфазное расстояние) и между торцами обмоток НН и ВН и ярмом.

При дисковых чередующихся обмотках (рис. 13.18) основными промежутками главной изоляции являются следующие: промежуток между катушками ВН и НН, между катушками этих обмоток и стержнем, стенкой бака, катушками соседней фазы, между крайними катушками обмотки НН и ярмом.

В существующих конструкциях изоляционный промежуток может быть заполнен либо маслом, либо твердой изоляцией (электрокартон, кабельная бумага), либо, наконец, комбинацией из этих материалов (рис. 13.19). В зависимости от заполнения промежутка определяется его минимально допустимая величина для заданного значения испытательного напряжения.

Расположение основных изоляционных промежутков для трансформаторов с испытательными напряжениями до 85 кв показано на рис. 13.20.

Минимальные изоляционные расстояния главной изоляции для силовых масляных трансформаторов приведены: для обмотки НН в табл. 13.3, а для обмотки ВН в табл. 13.4.

Рис. 13.20. Изоляционные промежутки главной изоляции обмоток НН и ВН для испытательных напряжений от 5 до 85 кв. Штриховыми линиями показаны пути разряда, определяющие размеры Iн.

Таблица 13.3

Мощность

трансформатора

S кеа

Испытательное напря-

жение

НН, кв

Обмотка ЯН

от ярма

l01 , ММ

Обмотки НН от стержня, мм

δ01

ан1

ao1

lн1

25 — 250

5

15

2X0,5

-

4

-

400 — 630

5

••

2 ХО,5

5

--

400 - 630•

5

••

4

6

15

18

1000 — 2500

5

••

4

6

15

18

630 — 1600

18,25 и 35

••

4

6

15

25

2500 — 6300

18,25 и 35

••

4

8

17,5

25

630 и выше

45

••

5

10

20

30

630 и выше

55

••

5

13

23

45

Все мощности

85

••

6

19

30

70

Для винтовой обмотки с испытательным напряжением 5 кв.

Расстояние НН от ярма принимается равным lО2- т. е. расстоянию ВН от ярма, взятому по табл. 13.4.

Расположение и минимальные расстояния главной изоляции основных изоляционных промежутков для силовых масляных трансформаторов с испытательным напряжением 200 кв показаны на рис. 13.21 (размеры в мм).

Электрическая прочность продольной изоляции должна быть обеспечена выбором соответствующей витковой, междуслойной и междукатушечной изоляцией.

Таблица 13.4

Мощность трансформатора S, ква

Испытательное напряжение ВН, кв

ВН от ярма, мм

Между ВН и НН, мм

Выступ цилиндра мм

Между ВН и ВН

l02

δШ

а12

δ12

а22

δ22

25—100

160—630

1000— 6300

630 и выше

630 и выше

160—630

1000—6300

10000 и выше

18,25 и 35

18,25 и 35

18,25 и 35

45

55

85

85

85

20

30

50

50

50

75

75

80

-

-

-

2

2

2

2

3

9

9

20

20

20

27*

27

30

2,5

3

4

4

5

5

5

6

10

15

20

20

30

50

50

50

8

10

18

18

20

20

30

30

-

-

-

2

3

3

3

3

Минимальное изоляционное расстояние от обмотки НН до электростатического экрана цилиндрической слоевой обмотки ВН 27 мм, толщина экрана с изоляцией 3 мм. а, и а2 — радиальные размеры обмоток НН и ВН, мм.

Таблица 13.5

Испытательное напряжение обмотки, кв

Марка провода

Толщина изоляции на две стороны, мм

Назначение

5 — 85

ПЭЛБО

ПБ (круглый)

ПБ (круглый)

ПБ и ПББО (прямоугольный)

0,125 — 0,21

(0,14 — 0,30)

0,3(0,4) — нормальная

0,95(1,0) — усиленная

0,45(0,5 — 0,55) — нормальная

Для всех трансформаторов

5 — 85

ПБ и ПББО

ПБ и ПББО

0,95(1,0) —усиленная

1,35(1,4) —усиленная

Для трансформаторов, имеющих емкостную защиту (грозоупорных)

200

ПБ и ПББО

1,95 (2,0) —то же

2,95 (3,0) —то же

4,4 (4,5) —то же

5,8 (6,0) —то же

Для трансформаторов без защиты

Примечание. В скобках указаны расчетные размеры с учетом допусков.

Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для входных катушек при испытательном напряжении 55 кв и выше применяется усиленная витковая изоляция. Толщина витковой изоляции приведена в табл. 13.5.

Рис. 13.21.Изоляционные промежутки главной изоляции обмотки ВН класса напряжения 110 кв с вводом на верхнем конце обмотки(испытательное напряжения 200 кв):1 – изоляционные цилиндры; 2 — прессующее шайбы; 3 – угловые шайбы; 4 — междуфазная перегородка; 5 – ёмкостное кольцо

Междуслойная изоляция в цилиндрических многослойных обмотках из круглого провода выполняется из кабельной бумаги марки К-12 толщиной 0,12 мм. Число слоев кабельной бумаги между двумя слоями витков определяется по суммарному рабочему напряжению двух слоев обмотки (табл. 13.6). Высота (длина) междуслойной изоляции для увеличения пути разряда по поверхности между слоями делается большей, чем высота (длина) слоя витков. Тем самым обеспечивается некоторый выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки.

Толщина междуслойной изоляции из электрокартона для многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода может быть также выбрана по табл. 13.6 исходя из суммарной ее толщины.

В масляных трансформаторах в двухслойной цилиндрической обмотке из прямоугольного провода при суммарном рабочем напряжении двух слоев не более 1 кв междуслойной изоляцией служит осевой масляный канал шириной не менее 5мм или прокладка из 1—2 слоев электрокартона толщиной 0,5 мм.

картона толщ.

Междукатушечная изоляция в непрерывной дисковой обмотке осуществляется радиальными масляными каналами или, для мощности до 1000 ква, 35 кв, чередованием масляных каналов и шайб из электрокартона. Шайба должна выступать за внешнюю окружность катушек не менее чем на 6 мм. Толщина шайб 2 х 0,5 мм.

Осевой размер масляного канала (с округлением до 0,5 мм)

мм,

где Uкат — рабочее напряжение одной катушки, в.

Таблица 13.6.

Суммарное рабочее напряжение двух слоёв обмотки, в

Число слоёв кабельной бумаги ( толщиной 0,12 мм) мм

Высота междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм

До 1000

1000 – 2000

2000 – 3000

3000 – 3500

3500 – 4000

4000 – 4500

4500 – 5000

5000 - 5500

2Х0,12

3Х0,12

4Х0,12

5Х0,12

6Х0,12

7Х0,12

8Х0,12

9Х0,12

10

16

16

16

22

22

22

22

Размер канала должен быть не менее 4 мм и, кроме того, проверен по условиям отвода тепла от обмотки по табл. 10.2.

В местах разрыва по середине обмотки ВН, где расположены регулировочные ответвления, каналы имеют увеличенные размеры против остальных каналов. Увеличенные размеры каналов определяются исходя из наибольшего возможного напряжения в месте разрыва (при положении переключателя на минимальной ступени напряжения).

В обмотках класса напряжения 20 и 35 кв два крайних канала между катушками вверху и внизу должны быть не менее 6 мм каждый, при классе напряжения ПО кв — пять крайних каналов у линейного конца по 10 мм каждый.

Входные катушки обмоток класса напряжения 110 кв должны иметь общую катушечную изоляцию из кабельной бумаги толщиной: первая катушка — 3 мм и вторая катушка — 1,5 мм на обе стороны.

Контрольные вопросы

ГЛАВА XIV

КОНСТРУИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 14.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА. УВЯЗКА КОНСТРУКТИВНОЙ РАЗРАБОТКИ С РАСЧЕТОМ И ТЕХНОЛОГИЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Проектирование силовых трансформаторов включает в себя широкий круг технических вопросов. Разработка конструкции трансформатора должна производиться на основе выполненного его электромагнитного, теплового и механического расчетов, обеспечивающих заданные основные электрические и эксплуатационные' параметры. При конструировании должна быть обеспечена необходимая электрическая прочность изоляции, механическая прочность узлов, динамическая и тепловая стойкость обмоток при коротком замыкании. Конструкция трансформатора в целом должна обеспечивать его эксплуатационную надежность. При разработке конструкции частей и узлов трансформаторов следует стремиться к возможно меньшему расходу материалов и меньшей трудоемкости их изготовления, с тем чтобы снизить стоимость трансформатора до минимума.

Для этого конструктор должен быть хорошо осведомлен о данных трудоемкости изготовления деталей и узлов, с ценами на основные, применяемые в трансформаторах, материалы.

Конструкция трансформатора тесно связана с технологическим процессом производства трансформаторов. При создании новых конструкций необходимо тщательно прорабатывать вопрос о необходимом технологическом оснащении, при этом часто требуется совместная работа конструкторов и технологов. Приемлемость тех или иных конструктивных и технологических решений в отдельных случаях приходится проверять на опытных образцах.

Во многих случаях для наиболее правильного в технологическом отношении решения задачи конструктору необходимо изучать опыт передовиков производства, советоваться с цеховыми рационализаторами.

Совершенствование существующих и создание новых конструкций тесно связано с вопросами теории расчета трансформаторов, техникой высоких напряжений, электроматериаловедением, с изучением и внедрением в конструкции результатов выполненных научно-исследовательских работ и с выяснением новых тем теоретических и экспериментальных разработок, необходимых для дальнейшего развития конструкций. Особо должно быть обращено внимание на знакомство и повседневное изучение зарубежной техники — проспектов, патентов и т. п., чтобы использовать все лучшее, что имеется в этой области, и не изобретать уже изобретенное.

Немаловажную роль для создания совершенной конструкции играет изучение опыта эксплуатации трансформатора, тщательное рассмотрение поступающих на завод актов и рекламаций. Наилучшее заключение о пригодности какого-либо узла или конструкции в целом — производственная проверка и отзыв от эксплуатирующих организаций.

Все указанное ранее относится главным образом к заводскому проектированию, при котором разрабатывается как отдельный тип трансформатора, так и серия трансформаторов, включающая в себя ряд типов разной номинальной мощности. Рассмотрение всех этих вопросов не входит в задачу данной книги.

Учебное проектирование трансформатора преследует более узкую цель. Оно включает конструктивную разработку наиболее важных его частей, определенных объемом курсового проекта, согласно учебной программе. Объем курсового проекта уточняется ведущим преподавателем, который руководит проектом и определяет последовательность работы.

При дипломном проектировании содержание конструктивной разработки зависит от темы проекта. Порядок работы, объем и последовательность конструирования устанавливает консультант-руководитель дипломанта.

§ 14.2. КОНСТРУКЦИЯ МАГНИТОПРОВОДА. РАЗРАБОТКА ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ЯРМ. РАСКРОЙ СТАЛИ. СТЯЖКА ПЛАСТИН МАГНИТОПРОВОДА. МАГНИТОПРОВОДЫ ИЗ ХОЛОДНОКАТАНОЙ СТАЛИ. БЕСШПИЛЕЧНАЯ ПРЕССОВКА.

Основные сведения о типах и принципиальном устройстве магнитопроводов изложены в гл. XI.

В конструктивном отношении под магнитопроводом правильнее подразумевать остов трансформатора, представляющий собой собственно магнитопровод с прессущими балками и прочими деталями крепления. Остов трансформатора должен обладать механической прочностью и устойчивостью. Эти свойства важны потому, что остов трансформатора, кроме своего основного назначения — служить магнитной цепью для прохождения главного магнитного потока, одновременно является механической основой трансформатора. На остове укрепляются обмотки, отводы, а также (у большинства конструкций трансформаторов габаритов I, II, III) крышка бака с вводами, переключателями и прочей арматурой.

Разработка конструкции магнитопровода обычно начинается с разработки сечения стержня по заданному его диаметру.

В заводской практике значения диаметров нормализованы и могут быть выбраны по шкале, приведенной в табл. 14.1. Для учебных расчетов, разумеется, могут быть выбраны любые промежуточные значения диаметров (кратные 5).

Ступенчатая, близкая к круглой, форма сечения стержня вызвана круглой цилиндрической формой обмоток, насаживаемых на стержень. При круглой форме обмоток получается наименьшая средняя длина витка (на 12% короче, чем при квадратной), что дает минимальный расход обмоточного провода. Кроме того, круглые катушки более прочны механически и менее трудоемки в изготовлении.

Для наибольшего заполнения сталью площади круга число ступеней желательно брать возможно большим. Однако увеличение числа ступеней усложняет конструкцию и изготовление магнитопровода, так как увеличивается количество позиций пластин. Поэтому на практике число ступеней ограничивается некоторой оптимальной величиной в зависимости от значения диаметра согласно табл. 14.1.

Таблица 14.1

Диаметр стержня D, мм

Число

ступеней

Число

каналов

Диаметр

стержня D, мм

Число

ступеней

Число

каналов

80

4

340

8

_

90

5

360

8

1

100

6

380

8

1

ПО

6

400

10

1

125

6

420

10

1

140

6

450

13

1

160

6

480

13

1

180

6

500

13

2

200

6

530

14

2

220

7

560

14

2

240

7

600

15

2

260

7

630

15

3

280

7

670

15

3

300

7

710

15

3

320

8

750

15

3

Но при одном и том же числе ступеней наибольшая теоретическая площадь сечения ступенчатой фигуры получается лишь при определенных соотношениях между шириной пластин (пакетов) и диаметром. Эти соотношения для числа ступеней от 1 до 6 приведены на рис. 14.1.

Однако практически приходится отступать от найденных теоретических значений размеров пластин по следующим причинам:

1. Во избежание чрезмерно большого ассортимента размеров пластин по их ширине в производстве и с целью иметь наименьшие отходы электротехнической стали при ее раскрое из стандартных листов или полос размеры пластин по их ширине нормализованы, и сечение стержня может быть составлено только из пластин нормализованной ширины.

При раскрое пластин из листа шириной 750 мм ширина пластин может быть взята по следующей шкале: 43, 48, 52, 56, 61, 66, 73, 81, 91, 105, 114, 122, 135, 147, 164, 175, 184, 195, 205, 215,235,245,260, 280, 295, 310, 340, 350, 368, 420 мм.

При раскрое пластин из рулонной стали шкала для выбора ширин пластин имеет следующие размеры: 40, 55, 65, 75, 85, 95, 105, 120, 135, 155, 175, 195, 215, 230, 250, 270, 295, 310, 325, 350, 368, 385, 410, 425, 440, 465, 485, 520, 540, 580, 600, 615, 630, 650, 670, 695, 715, 735 мм.

2. Для диаметров свыше 250 мм должна осуществляться прессовка стержней. В тех случаях, когда прессовка осуществляется шпильками

Рис. 14.1. Сечения стержней многоступенчатой формы. Размеры ступеней стержня для получения максимального заполнения площади круга D =1,0

(см. далее), пропущенными через отверстия, проштампованные в пластинах, для размещения в пределах описанной окружности прессующих гаек и шайб, необходимо иметь место, определяемое высотой е сегмента (рис. 14.2). Минимальная высота сегмента выбирается в зависимости от диаметра стержня:

Диаметр стержня D, мм

250—350

350—450

450—500

500—550

550—650

650—750

Высота сегмента е, мм

12

16

22

25

30

35

3. Для диаметров свыше 400 мм необходимо учитывать волнистость и коробоватость пластин. Для этого несколько уменьшают толщину средних пакетов, чтобы их углы немного не доходили до окружности. Сечение стержня вписывают в окружность большего радиуса с соответствующим смещением ее центра.

Форма сечения ярма теоретически должна соответствовать форме сечения стержня. Но этого придерживаются только для магнитопроводов трансформаторов больших мощностей, где правильное (вдоль пластин стержней и ярм) направление главного магнитного потока имеет большое значение. Несоблюдение этого условия вызовет увеличение потерь и намагничивающей мощности в углах магнитопровода.

Рис. 4.2. Определение минимальной высоты е сегмента при прессовке стержня стяжными шпильками:

1 — трубка бумажно-бакелитовая; 2 — шайба стальная; 3 — шайба изоляционная

Для трансформаторов малой и средней мощности с целью упрощения конструкции ярма (поскольку его вписывать в окружность не требуется) сечения ярм делают либо прямоугольными, либо двухступенчатыми (Г-образными). При этом в углах магнитопровода происходит перераспределение магнитных потоков по пакетам, так как нарушается соотношение сечений соответствующих пакетов стержня и ярма и повышается индукция в среднем (большом) пакете ярма. В углах магнитный поток частично проходит поперек пластин, вызывая дополнительные потери от вихревых токов.

Во избежание увеличения потерь холостого хода по этой причине активное сечение ярма берут на 5—10% больше активного сечения стержня, т. е. делают так называемое усиление ярма. При этом индукция в среднем пакете ярма не превышает индукцию в стержне.

Применение Т-образного сечения ярма бывает также необходимо по конструктивным соображениям для облегчения вывода концов внутренней обмотки, особенно при их больших сечениях.

Как было сказано ранее, пластины магнитопровода должны быть плотно сжаты (стянуты) между собой. Стяжка магнитопровода должна обеспечить:

а)необходимую механическую прочность остова для придания общей жесткости конструкции всего трансформатора в целом;

б)уплотнение и выравнивание волнистости и коробоватости пластин и пакетов;

в.) соблюдение размеров пакетов стержня и ярма по чертежу;

г) устранение (или максимальное уменьшение) вибрации и гудения магнитопровода при работе трансформатора.

В разработанных до настоящего времени конструкциях силовых трансформаторов стяжка магнитопроводов осуществляется при помощи шпилек, пропущенных через отверстия, проштампованные в пластинах. Эти шпильки во избежание замыкания ими пластин должны быть надлежащим образом изолированы. Изоляция шпилек осуществляется при помощи бакелитовых трубок, а по концам шпилек — одетыми на них изоляционными шайбами. Сверху последних одеваются

Рис.14.3. Трехфазный магнитопровод со стержнями, стянутыми стальными бандажами

стальные шайбы или накладки, прижимаемые гайками. Изоляция шпилек магнитопровода проверяется приложенным напряжением 1000-2000 в.

Рис. 14.4. Различные способы прессовки ярма ярмовыми балками: а— внешними балками; б—стальными полубандажами; в—сквозными шпильками

Стяжка стержней диаметром до 250 мм производится деревянными клиньями (горбылями), забиваемыми между обмоткой и стержнем.

Для стержней большего диаметра и для прессовки ярм применяются шпильки. Сечение шпилек рассчитывается таким образом, чтобы при нормальной затяжке гаек было обеспечено давление 3—4 кГ/см2 на площадь наиболее широкой пластины. Прессующие гайки и шайбы, надеваемые на шпильки, стягивающие стержень, не должны выступать за окружность, описанную вокруг сечения стержня (см. пояснение к рис. 14.2).

Стяжка магнитопроводов шпильками имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что, во-первых, отверстия в пластинах уменьшают активное сечение стержня и ярма, из-за чего происходит местное увеличение индукции, что в свою очередь увеличивает потери и ток холостого хода, и, во-вторых, операции по штамповке отверстий увеличивают трудоемкость изготовления пластин.

В связи с этим зарубежные фирмы и отечественные заводы переходят на так называемую бесшпилечную прессовку. Стержни магнито-провода стягиваются металлическими бандажами или бандажами из стекловолокна или стеклоленты, а ярма — стальными хомутами. На рис. 14.3 показан магнитопровод, стянутый стальными бандажами, а на рис. 14.4 — различные способы прессовки ярма.

§ 14.3. КОНСТРУКЦИЯ ОБМОТОК. ГЛАВНАЯ И ОПОРНАЯ ИЗОЛЯЦИИ. РАДИАЛЬНОЕ И ОСЕВОЕ СТРОЕНИЕ ОБМОТОК. УРАВНИТЕЛЬНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Описание применяемых типов обмоток и их устройство было приведено в гл. XII. В настоящем параграфе дается описание конструктивных узлов, относящихся к установке обмоток, т. е. их креплению на стержне маг-нитопровода. Детали крепления обмоток являются одновременно изоляционными деталями, обеспечивающими требуемые изоляционные промежутки.

Радиальное крепление обмотки НН на стержне осуществляется большей частью деревянными клиньями (горбылями), забиваемыми по осям стержня, и круглыми деревянными стержнями, вставляемыми в углы между пакетами стержня (рис. 14.5).

Многослойные обмотки ВН из круглого провода наматываются на бакелитовые цилиндры. Крепление обмотки ВН осуществляется рейками, устанавливаемыми между обмоткой НН и цилиндром ВН.

Рис. 14.5. Конструкция и установка обмоток НН и ВН трехфазного трансформатора мощностью 1800 ква напряжением 35/6,3 кв;

1 и 2 — деревянные стержни; 3— магнитопровод; 4 — деревянный клин (горбыль); 5 и 7—бумажно-бакелитовые цилиндры (НИ и ВН); 6 и 8 — непре. рывные обмотки (НН и ВН); 9— междуфазная перегородка; 10 — щиток, закрывающий ярмо; 11 и 14 — опорные кольца ВН и НН; 12 — ярмовая изоляция; 13 и 15 — рейки обмоток ВН и НН; 16 — прокладки обмотки ВН; 17 — шайба из электрокартона; 18 а 21 — изоляция выводного конца НН; 19 — Уравнительная изоляция (деревянная планка); 20—ярмовая балка; 22 — вертикальная стальная шпилька

Рис. 14.6. Уравнительная изоляция трехфазного трансформатора в виде пластин из электрокартона с приклепанными подкладками

Непрерывная обмотка ВН устанавливается на ярмовую (опорную) изоляцию. При двух- или многоступенчатом ярме на ярмовые балки накладывают уравнительную изоляцию в виде деревянных планок 19 (см. рис. 14.5) или в виде пластин из электрокартона с прикрепленными на них подкладками (рис. 14.6).

Общая конструкция непрерывных обмоток НН и ВН и их установка на магнитопроводе трансформатора мощностью 1800 та, напряжением 35 не показана на рис. 14.5.

§ 14.4. КОНСТРУКЦИЯ БАКОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. ФОРМА

И ВНУТРЕННИЕ РАЗМЕРЫ БАКОВ. ТРУБЧАТЫЙ БАК. БАК С ПРИСТРОЕННЫМИ ОХЛАДИТЕЛЯМИ (РАДИАТОРАМИ). РАСЧЕТ БАКОВ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ. РАСЧЕТ И КОНСТРУКЦИЯ РАСШИРИТЕЛЕЙ

Бак трансформатора с масляным охлаждением представляет собой резервуар с маслом, в котором находится активная часть трансформатора. Нагретое при работе трансформатора масло охлаждается через стенки бака и охлаждающие устройства.

В целях экономии масла баки имеют минимально допустимые размеры, которые определяются согласно рис. 10.10 и по формулам (10.12)—(10.14). Форма баков чаще всего выбирается овальной, при которой она ближе соответствует форме активной части трансформатора и при этом является наиболее простой и механически более прочной.

Но наиболее простой конструкции — с гладкими стенками— баки могут применяться только до мощности 40 ква. Для больших мощностей, как было сказано в § 10.6, необходимо увеличивать охлаждаемую поверхность путем приварки труб (до мощности 1600 ква) или при помощи навешенных охладителей (радиаторов при мощности свыше 1600 ква). Внешний вид трубчатого бака показан на рис. 10.9.

Основными частями овального бака являются стенки, дно, верхняя рама и крышка, изготовляемые из листовой стали.

Рис. 14.7. Размещение труб на стенке трубчатого бака:

1— дно; 2 — трубы; 3 — стенка бака; 4— верхняя рама; б—уплотнение; 6—крышка

Стенка обычно состоит из двух частей, сваренных вертикальными швами, образуя так называемую обечайку. Нижняя часть обечайки приваривается встык к дну электросваркой (рис. 14.7). Сверху обечайки приварена рама из полосовой стали. В раме имеются отверстия для болтов крепления крышки.

Закругленную часть обечайки получают путем закатки листовой стали (заготовки) на вальцах. У обечаек, предназначенных для трубчатых или радиаторных баков, перед их вальцовкой и сваркой предварительно сверлят или штампуют отверстия для труб или патрубков и спускного крана. Для возможности установки последнего трубы над ним делаются немного короче.

В верхней части бака, под рамой, приваривают четыре крюка, служащие для подъема бака и всего трансформатора. Против крюков, чтобы не мешать закреплению за них тросов, трубы также делаются несколько короче.

При проектировании радиаторного бака количество и тип охладителей определяется тепловым расчетом. Конструкция радиаторного бака должна быть выполнена так, чтобы бак имел возможно меньшие габаритные размеры в плане (см. рис. 10.13).

Присоединение охладителей к баку осуществляется при помощи патрубков (коротких труб), вваренных в стенку бака. При размещении патрубков необходимо точно выдерживать расстояния между их осями по высоте, а также минимальные расстояния от дна (175 мм) и от верхней рамы (170 мм).

Общая конструкция бака должна быть согласована с выполненным тепловым расчетом трансформатора. Вместе с тем иногда при выполнении теплового расчета требуется производить некоторую конструктивную подготовку, как, например, необходимо проверить размещение охладителей, определить укорочение труб против крюков и кранов.

Во время испытания и эксплуатации трансформатора его бак испытывает различные механические нагрузки, поэтому последний должен быть рассчитан на прочность.

Бак должен быть рассчитан на избыточное внутреннее давление 0,5 кПсм1. Бак трансформаторов до ПО кв включительно должен быть рассчитан на избыточное внешнее давление 0,5 кГ/см2. Баки трансформаторов на 220 кв и выше должны выдержать (при вакуумной сушке трансформатора в собственном баке) избыточное внешнее давление до 1 кГ/см2.

Бак должен быть рассчитан и на воздействия механических нагрузок при подъеме трансформатора в процессе производства и монтажа на месте установки. Трансформатор поднимают полностью собранным и залитым маслом (но без охладителей). При перевозке трансформатора по железной дороге возникают силы инерции, стремящиеся сместить активную часть относительно бака. Эти воздействия необходимо учитывать при разработке конструкции бака.

Расчет баков на механическую прочность, особенно при больших размерах, представляет собой сложную техническую задачу. В заводских расчетах при этом принимают ряд допущений, которые несколько упрощают расчет. Объем книги не позволяет привести сколько-нибудь полный механический расчет бака, т. е. его основных частей — стенки, дна и крышки. Поэтому этот расчет приводится в самом сжатом виде.

При расчете механической прочности овального бака принимается допущение, что расчет прочности закругленной и плоской частей производится раздельно, т. е. плоская часть представляет собой пластину, защемленную по контуру.

Более жестким является расчет на внешнее давление, так как при этом может быть превзойден предел устойчивости закругленной части бака.

Принимая запас устойчивости равным 4 и внешнее давление 0,5 т/см9 (для трансформаторов до 110 кв), должны быть соблюдены следующие условия при выборе толщины стенки:

При 100t/R=

=0.4

H/R д.б. не более

0,5

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

0,5

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,4 и более

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

То же

0,85

1,4

1,7

2,05

2,4

2,8

3,2

3,6

4

4,5

5

5,5

6

6,6

10

Где t – толщина стенки бака, мм;

R – Радиус закругления бака, мм;

H – высота бака, мм.

Если это условие не соблюдается, то требуется усиление закругленной части стенки горизонтальными балками жесткости или увеличение толщины стенки.

Толщина плоской части стенки в зависимости от меньшего ее размера I (безразлично в длину или высоту) может быть выбрана по табл. 14.2.

Таблица 14.2

Давление

Наибольшая длина l (MAt) в зависимости от толщины стенки t (мм)

3

4

6

8

10

Для внутреннего давления 0,5 кГ/см2 (все трансформаторы)..

Для внешнего давления 0,5 ксГ/см2 (трансформаторы до ПО кв)……………………………..

Для внешнего давленияоколо 1 кГ/см2 (трансформаторы 150 кв и выше)………………………......

500

420

260

650

560

350

900

840

520

1200

1120

700

1500

1400

870

Пример. 14.1. Определить необходимую толщину стенки трубчатого бака трансформатора мощностью 1000 ква, имеющего следующие размеры: АхВ = = 1440x720 мм; Н = 1500 мм. Для закругленной части бака достаточной будет толщина стенки t = 4 мм.

Решение. Проверяем

Условие устойчивости выполняется, так как при 100t/R= 1,11 отношение H/R должно быть не более 5,5. Меньший размер плоской части

А — 2R = 1440 — 720 = 720 мм.

Для толщины стенки 4 мм по табл. 14.2 максимальный ее размер должен быть 560 мм.

Следовательно, стенка бака должна быть взята толщиной 6 мм. Ставить на такой бак балку жесткости нецелесообразно.

Согласно ГОСТ 11677—65 масляные трансформаторы класса напряжения 6 кв и более, мощностью 25 ква и более должны снабжаться расширителем. Емкость расширителя должна обеспечивать постоянное наличие в нем масла при всех режимах работы трансформатора от отключенного состояния до номинальной нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха от —45 до +40" С.

Средний перегрев масла при номинальной нагрузке можно считать равным 40° С. Таким образом, общий диапазон изменения температуры масла будет равен 45 + 40 - 40 = 125° С. Коэффициент объемного расширения масла принимают равным 0,0007 град-1. Таким образом наибольшее возможное изменение объема масла составляет 0,0007 х X126 = 8,7%. Следовательно, полная емкость расширителя должна быть больше, чем 8,7% от объема масла в баке. Обычно принимают в зависимости от конструкции маслоуказателя, что емкость расширителя должна быть не менее 11—12% объема масла в баке.

Конструктивно расширитель представляет собой стальной цилиндрический бак, расположенный горизонтально над баком и соединенный с ним трубой.

Рис. 14.8. Установка расширителя и выхлопной трубы: 1 — маслопровод; 2 — газовое реле; 3 — кран для отвоединеният расширителя; 4— маслоуказатель;5 — расширитель; 6—выхлопная труба; 7— пробка для заливки масла; 8 — отстойник

Расширитель должен иметь съемное дно или люк для возможности его окраски внутри и очистки от осадков, выделяющихся из масла.

Расширитель имеет указатель уровня масла в нем с отметками уровня, соответствующими температуре масла—45, +15 и +400С при неработающем трансформаторе.

Расширители снабжаются воздухоосушителями с масляным затвором. Назначение воздухоосушителя заключается в извлечении влаги из воздуха, поступающего в расширитель при понижении в нем уровня масла. Воздух при этом проходит через адсорбент (силикагель) и уже осушенный поступает в расширитель. Масляный затвор служит для очистки воздуха от пыли и предохранения адсорбента от увлажнения окружающим воздухом.

Общий вид расширителя показан на рис. 14.8.

§ 14.5. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА: ГАЗОВОЕ РЕЛЕ, ВЫХЛОПНАЯТРУБА, ПРОБИВНОЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ. УСТАНОВКА ТЕРМОМЕТРОВ. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЗАЩИТЫ МАСЛА ОТ ОКИСЛЕНИЯ И ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Современный силовой трансформатор должен быть снабжен рядом вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную эксплуатацию, предупреждающих аварии и облегчающих его обслуживание.

Между баком и расширителем на соединяющей их трубе устанавливается газовое реле, которое срабатывает при всех видах внутренних повреждений в трансформаторе, сопровождающихся выделением газов, при утечке масла и при попадании воздуха в бак. Наиболее часто применяемое газовое реле типа ПГ-22 имеет два контакта, из которых один является сигнальным, срабатывающим при постепенном накоплении газов в корпусе реле в объеме 250—300 см3, т. е. при медленно развивающейся аварии, второй аварийный контакт замыкает цепь отключения трансформатора, когда при резком повышении давления в баке масло устремляется из бака в расширитель. Трансформаторы мощностью 1000 ква и более, а также мощностью 400 и 630 ква, устанавливаемые внутри помещений, должны иметь газовые реле.

В случае серьезной аварии, когда отключение трансформатора почему-либо запоздало, в баке может развиваться значительное давление, способное разорвать его. Вытекшее масло может служить причиной пожара. Для предотвращения таких случаев на крышке трансформаторов вблизи расширителя устанавливается выхлопная труба, через которую выбрасываются избыточные массы газов и масла. Отверстие выхлопной трубы закрыто стеклянным диском (мембраной), который лопается при резком повышении давления. Верхняя полость трубы соединяется с верхней частью расширителя трубкой, предотвращающей разрыв мембраны от избыточного давления при температурном повышении уровня масла в трубе. Выхлопные трубы должны устанавливаться на трансформаторах мощностью 1000 ква и более.

Трансформаторы с напряжением обмотки НН 690 в, а по требованию заказчика также и с напряжением 230 и 400 в должны снабжаться пробивными предохранителями. Они служат для предотвращения повышения потенциала на стороне НН трансформатора в случае электрического пробоя между обмотками ВН и НН, при незаземленной сети на стороне НН. Пробивной предохранитель представляет собой искровой промежуток, включенный между обмоткой НН и землей.

Установка пробивного предохранителя показана на рис. 14.9.

Для контроля температуры верхних слоев масла на трансформаторах мощностью до 630 ква включительно устанавливаются ртутные термометры, а на трансформаторах мощностью 1000 ква и выше — термометрические сигнализаторы. Установка ртутного термометра на крышке бака показана на рис. 14.10, а термобаллона (датчика) термометрического сигнализатора — на рис. 14.11. Общий вид термометрического сигнализатора дан на рис. 14.12.

Важное значение для эксплуатации трансформатора имеет удлинение срока службы масла, т. е. предотвращение его старения. Масло-расширитель не полностью защищает масло от его окисления. Поэтому на трансформаторах мощностью 2500—4000 ква и выше устанавливаются термосифонные фильтры, предназначенные для непрерывной автоматической регенерации и очистки масла. Фильтр присоединяется к баку при помощи двух патрубков (аналогично присоединению охладителей) (рис. 14.13). Фильтр состоит из стального цилиндра, заполненного поглощающим веществом—адсорбентом (например, силикагелем).

Рис. 14.9. Установка пробивного предохранителя для внутренней установки. При наружной Установке предохранитель закрывается стальным колпаком:

1 — предохранитель; 2 — провод для соединения с вводом НН (230—690 б); 3— стальной угольник; 4 — крышка бака;5 — болт

Рис. 14.10. Установка ртутного термометра на трансформаторах мощностью 25 — 630 ква:

1 — колпак оправы;2 — оправа; 3 — термометр; 4 — стальной фланец; 5 — шпилька;6 — резиновая шайба;7 — гильза; 8 — винт.

Рис. 14.11. Установка термометрического сигнализатора на трансформаторах мощностью 1000 — 1600 ква:

1 — шланг; 2 — гайка; 3— штуцер; 4 — шпилька; 5 — стальной фланец; 6 — резиновая шайба; 7—гильза; 8 — термобаллон.

Масло, совершая естественную циркуляцию, проходит через фильтр сверху вниз. При этом силикагель поглощает из масла продукты старения.

Рис. 14.12. Термометрический сигнализатор типа ТС-100:

1 — штуцер; 2 — капилляр; 3 — термобаллон; 4 — зажимы контактной системы; 5 — стрелка указателя; 6 — скобка для крепления; 7 — корпус; 8 — пробки; 9— указатели установки

Рис. 14.13. Устройство и установка термосифонного фильтра:

1 — стенка бака; 2 — обмотка; 3— кран радиатора; 4 — пробка для выпуска воздуха; 5 — силикагель; 6 — сетка; 7—дно с отверстиями; 8 — контрольная пробка; 9 — корпус фильтра

§ 14.6. ВВОДЫ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ. КОНСТРУКЦИЯ ВВОДОВ КЛАССОВ НАПРЯЖЕНИЯ 0,5-НЮ кв. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ВНЕШНЕЙ ИЗОЛЯЦИИ. ШИННЫЕ ВВОДЫ

Вводы служат для присоединения выводных концов обмоток масляных трансформаторов к внешней электрической сети. В соответствии с этим вводы выполняются на различные классы напряжения. Кроме того, вводы бывают предназначенными для внутренней (до 35 кв) и наружной установки трансформатора.

Ввод состоит из токоведущей части в виде металлического стержня, шины или кабеля и фарфорового проходного изолятора цилиндрической формы, устанавливаемого в отверстии крышки и изолирующего токоведущую часть.

Фарфоровый изолятор для внутренней установки имеет гладкую или со слабо выраженными ребрами поверхность. Изолятор для наружной установки имеет верхнюю (наружную) часть ребристую, с тем чтобы нижние поверхности ребер при дожде оставались не смоченными водой. Внешняя изоляция фарфоровых изоляторов по общей длине пути утечки должна соответствовать ГОСТ 9920—61. Согласно требованиям этого ГОСТа для нормальных внешних условий длина пути

Рис. 14.14. Съемный ввод для наружной установки на напряжение 230—525 в 400 а:

1 — шпилька медная; 2 — гайка латунная; 3 и 12 — шайбы медные; 4 — колпак латунный; 5 — кольцо резиновое; 6 — втулка медная; 7 и 10— изоляторы фарфоровые; 8 — шайба резиновая; 9 и 11—шайбы из электрокартона

Рис. Рис. 14.15. Ввод на 6 кв для внутренней установки:

1 — цемент магнезиальный; 2—шайба стальная; 3 — шайба из электрокартона; 4 — шайба резиновая; 5 — фланец стальной; 6—гайка; 7 — шпилька стальная; 8 — изолятор фарфоровый; 9—колпак стальной; 10—шайба медная; 11 —

гайка латунная; 12—шпилька медная.

Номинальный

ток, a

d0

H1

H2

H3

275

M12

50

225

105

400

M16

55

230

110

утечки по наружной поверхности фарфора должна быть не менее 1,75 см/Uмакс. Для районов с загрязненной атмосферой эта норма повышается до 2,25 cm/Uмакс, где Uмакс — наибольшее рабочее напряжение для данного его класса.

Для силовых масляных трансформаторов долгое время применялись армированные фарфоровые вводы, у которых фарфоровый изолятор при помощи магнезиальной массы армировался в чугунный или стальной фланец, устанавливаемый на крышке бака. Однако ввиду сложности замены такого изолятора в случае его повреждения в последнее время стали применяться составные и съемные вводы. Конструкции этих вводов на разные классы напряжения показаны на рис. 14.14—14.18.

Рис. 14.16 Съемные вводы класса напряжения 6-10 кв для наружной установки на номинальный ток:

а – 800 а; б – 100 а; 1 – шпилька медная; 2 – башмак латунный; 3 и 9 – болты стальные; 4 – втулка латунная; 5 – кольцо резиновое; 6 – колпак латунный; 7 – изолятор фарфоровый; 8 – шпилька стальная; 10 – фланец стальной; 11 – кулачок алюминевый; 12 – плита с прорезью; 13 – шайба из электрокартона; 14 – шайба медная; 15 – провод марки ПБ.

Рис. 14.17. Съемный ввод на напряжение 35 кв:

1 — шпилька; 2 и 13—шайбы металличе­ские; ,J и/2—гайки; 4 — втулка; 5 — кольцо резиновое; 6 — колпак металлический; 7 — болт для выхода воздуха; 8 — шайба рези­новая; 9 — уплотнение; 10— изолятор фарфо­ровый; 11—шпилька стальная; 14 — фланец стальной; 15 — кулачок; 16 — крышка бака; 17 — отвод

В трансформаторах для питания электропечей, где ввиду низкого напряжения обмотки НИ ток достигает нескольких десятков тысяч ампер, применяют шинные вводы. Конструкция этих вводов состоит из медных шин, укрепленных в гетинаксовой доске, которая устанавливается в прямоугольном вырезе крышки (рис. 14.19). Шинные вводы намного компактнее, чем соответствующее число обычных вводов с фарфоровыми изоляторами, и, кроме того, они более удобны для присоединения к шинным отводам электропечных трансформаторов. Так как шинные вводы расположены плоской стороной друг к Другу, то токи в них наилучшим образом компенсируют друг Друга, не увеличивая намного реактивное падение напряжения в отводах.

Рис. 14.18. Маслонаполненный ввод типа МТ-110/600, класс напряжения 110 ква, номинальный ток 600 а:

1—зажим; 2— наконечник; 3— втулка; 4— маслоуказатель; 5 — расширитель; 6—поплавок; 7— пружина; 8 — поддон; 9 — верхняя фарфоровая покрышка; 10— сердечник ввода; //— зажим для измерения тангенса угла потерь; 12 — устройство для взятия пробы масла; 13—втулка; 14—шайба уплотняющая; 15 — нижняя фарфоровая покрышка; 16 — шайба гетинаксовая; 17 — цилиндр изоляционный; 18 — труба медная; 19 — стакан 20 — алюминиевый экран; 21 —рым для подъема

Рис. 14.19. Шинный ввод:

1— медная шина, впаянная в обойму, 2— обойма латунная; 3— крышка бака; 4, 8 а 10 — прокладки резиновые, 5 — пластина стальная; б — винт стальной; 7 — шпилька стальная; 9 — доска гетинаксовая; 11 — фланец стальной; 12 и 13 — болты стальные

§ 14.7. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ И ОТВОДЫ ОБМОТОК. ТИПЫ И КОНСТРУКЦИЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ ДЛЯ СХЕМ ПБВ. РЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУКЦИИ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ. КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ

В настоящем параграфе будут рассмотрены только основные типы переключателей Для схем ПБВ. Описание конструкций переключающих устройств схем РПН ввиду его большого объема здесь не приводится. Они достаточно полно описаны в [Л. 7].

Основные применяемые схемы регулирования напряжения ПБВ, как об этом было сказано в § 9.2, это прямая и оборотная схемы. В зависимости от применяемой схемы выбирают тип переключателя.

Рис. 14.20. Однофазный переключатель типаПб-300/35:

1 и 9втулка стальная; 2 — труба контактная латунная; 3 —ось колец; 4 — кольца контактные латунные; 5 — вал коленчатый; 6 — диск гетинаксовый; 7 —втулка бумажно -бакелитовая; 8 — наконечник латунный; 10 — штифт стальной

Для прямой схемы применяются однофазные переключатели барабанного типа, устанавливаемые по одному на каждую фазу- Конструкция одного из таких переключателей на номинальный ток 300 а и напряжение 35 кв показана на рис. 14.20.

Рис. 14.21. Переключатель барабанного типа:

1 — штифт стальной; 2 — втулка стальная; 3 —диск гетинаксовый; 4 — вырез в диске 3; 5 — вал коленчатый; 6 — стержень контактный; 7 — кольца контактные; 8 — втулка бумажно-бакелитовая; 9 — кабель

В переключателях барабанного типа осуществлен самоустанавливающийся линейный кольцевой контакт (рис. 14.21). Контактные кольца, выточенные из латунной трубы, установлены на коленчатом валу и прижимаются изнутри к контактным стержням спиральными пружинами, вставленными в каждое из колец. Число колец выбирается по силе тока, на которую рассчитан переключатель. Ось коленчатого вала укреплена в середине двух гетинаксовых дисков.

Рис. 14.22. Установка переключателя барабанного типа:

а — общий вид; б и в — расположение крышки сальника и неподвижных контактов относительно стенки бака; 1 и 11 — цилиндр бумажно-бакелитовый; 2— кабель; 3 — кольца контактные; 4—стержень контактный; 5 — втулка бумажно-бакелитовая; 6 — диск гетинаксовый; 7—втул­ка переходная; 8 — штифт; 9 — нижняя муфта; 10 — защитный цилиндр; 12 — стойка деревянная: 13 — шпилька изоляционная; 14— планка деревянная; 15 — балка ярмовая; 16 — штанга; 17 — верхняя муфта штанги; 18 — вал привода: 19 — крышка бака; 20—фланец; 21 — крышка сальника; 22— колпак привода; 23 — стенка бака; 24 — стопор; 25— указатель положения переключателя

Рис. 14.23. Верхняя часть привода переключателя барабанного типа:

1 — фланец; 2 — упор; 3 — болт; 4 — вал привода; 5 — выступы на крышке; 6 — крышка сальника; 7 — болты стопорные; 8— колпак; 9 — выступ упорный; 10— ука­затель положения переклю­чателя; 11 — винт; 12—кольцо нониусное

По окружности этих дисков расположены контактные стержни, в концы которых впаиваются отводы от обмотки. Для лучшей изоляции в диски вставлены бакелитовые втулки, в которых укреплены стержни, а в центре запрессована стальная втулка, в которой вращается коленчатый вал. Вращение переключателя производится при помощи изоляционной штанги, верхний конец которой оканчивается валом, выходящим на крышку трансформатора (рис. 14.22). Каждое из пяти положений переключателя фиксируется на крышке привода стопорными болтами 7 (рис. 14.23)

Рис. 14.24. Трехфазный нулевой переключатель типа ТПСУ-9-120/10:

а — общий вид; б — вид снизу: 1 — пластина гетннаксовая; 2 — контакт неподвижный; 3 — болт контактный; 4 и 10 — болты; 5 — сегмент контактный; 6 — вал коленчатый; 7 — нал изоляционный; 8 — фланец; 9—цилиндр; 11 — кольцо резиновое; 12 — крышка бака; 13—фланец; 14 — болт стопорный; 15— дощечка; 16 — колпак

Трехфазный переключатель состоит из трех однофазных переключателей барабанного типа, установленных соосно один над другим и приводимых в действие от одного привода. Переключатели укрепляются на активной части при помощи деревянных планок.

Для оборотной схемы ПБВ применяются трехфазные нулевые переключатели. Одна из конструкций такого переключателя на девять контактов (3 положения) на ток 120 а и напряжение 10 кв показана на рис. 14.24. В этом переключателе использованы самоустанавливающиеся сегментные контакты 5, замыкающие три соседние неподвижные контакта 2, к которым присоединены выводные концы обмотки ВН. Этот переключатель устанавливается непосредственно на крышке и также приводится в действие при помощи привода.

Переключатель— весьма ответственный узел конструкции трансформатора. Основной частью переключателя является контактная система, которая должна быть совершенно надежной при эксплуатации трансформатора. Кроме того, поскольку у переключателя имеются подвижные части, он является уже некоторым механизмом, нуждающимся в систематической проверке, наблюдении и уходе. Конструкция привода должна обеспечивать точную установку подвижных контактов относительно неподвижных. Смещение контактов может вызвать их повышенный нагрев и обгорание, что приведет в действие газовую защиту и отключит трансформатор от сети. Каждый тип переключателя предназначен для определенного класса напряжения и номинального тока. Рабочий ток обмотки не должен превосходить номинального тока переключателя.

Провода, соединяющие выводные концы и регулировочные ответвления обмоток с вводами и переключателями и составляющие электрическую схему трансформатора, называют отводами. Отводы состоят из голых или изолированных медных круглых или прямоугольных проводов и системы деталей для их крепления. Креплениями обычно служат деревянные планки, устанавливаемые на активной части трансформатора.

Рис. 14.25. Отводы ВН трансформатора мощностью 3200 ква на напряжение 35 кв:

1 — переключатель типа ПСС-4-120/35ХЗ; 2 — брусок; 3 — стойка деревянная; 4 — меж­дуфазное нулевое соединение; 5 — шпилька деревянная с гайками; 6 — электрокартон; 7 — планки прижимные буковые; 8 — болт стальной; 9 и // — компенсатор (демпфер); 10 — провод марки ПБ; 12 — линия стенки бака; 13 — линия крышки; 14 — ось ввода ВН

При проектировании отводов производится конструктивная разработка заданной расчетом электрической схемы ВН и НН.

Основная задача при конструировании отводов — это добиться рационального их размещения, с тем чтобы при самых коротких проводах обеспечить необходимые изоляционные расстояния между проводами и по отношению к заземленным частям в соответствии с классами напряжения. Конструкция отводов, их крепление не должны допускать перемещение последних и чрезмерный изгиб от тряски и толчков при транспортировке трансформатора, а также от возможной циркуляции масла. В шинных отводах при больших токах могут возникать значительные механические усилия между шинами, особенно в режимах, близких к коротким замыканиям.

Крепление отводов обычно производится на верхних ярмовых балках, к которым для этой цели привариваются пластины или угольники с отверстиями для привертывания деревянных планок. Пример конструктивного выполнения отводов ВН трансформатора мощностью 3200 ква на 35 кв показан на рис. 14.25.

Выбор сечения проводов для отводов производится по допустимому нагреву в двух режимах: короткого замыкания и длительной нагрузки номинальным током.

За время короткого замыкания, пока не сработала дифференциальная защита (2—3 еж), допускается температура отвода не более 250° С. При этом считается, что повышение температуры меди происходит только за счет ее теплоемкости, т. е. без теплоотдачи. Исходя из этих условий плотность тока в отводах ограничивается величиной 4,8— 5 а/мм2.

При длительном рабочем режиме перегрев отводов масляных трансформаторов допускается не более 20° С при их расположении над активной частью (в более нагретом масле) и не выше 25° С — на высоте обмоток.

Для круглых проводов, учитывая закрытие 15% их поверхности деталями крепления, допустимая плотность тока о находится по формулам:

при τот= 20°С

при τот = 25°С

где d — диаметр отвода, мм;

τот — температура перегрева отвода.

Для прямоугольных шинных отводов с вертикальным расположением широкой стороны шины, для тех же условий допустимая плотность тока находится по формулам:

при τот = 20°С

при τот = 25°С

где a и b – толщина и ширина шины, мм;

- коэффициент добавочных потерь.

Контрольные вопросы

ГЛАВА XV

ИСПЫТАНИЯ, МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 15.1. КОНТРОЛЬНЫЕ И ТИПОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ. ИСПЫТАНИЯ БАКОВ

Все выпускаемые заводом-изготовителем силовые трансформаторы проходят контрольные испытания. Под контрольными испытаниями подразумеваются в основном электрические испытания трансформаторов.

В заводских условиях контрольные испытания являются одним из элементов контроля качества выпускаемых изделий и проводятся они не только для окончательно собранных трансформаторов, но также и на отдельных стадиях их изготовления. В последнем случае испытаниям подвергаются основные узлы трансформатора (магнитопровод, обмотки, переключатели и т. д.) и некоторые магнитные, проводниковые и изоляционные материалы, применяющиеся при его изготовлении.

Контрольные испытания предназначены как для выявления дефектов, могущих произойти при изготовлении трансформатора, так и для проверки соответствия его основных характеристик требованиям ГОСТа, техническим условиям и расчетным данным.

В объем контрольных испытаний согласно требованиям ГОСТ 11677—65 входят следующие виды испытаний:

а)проверка коэффициента трансформации для всех ответвлений обмоток;

б)проверка группы соединения обмоток;

в)измерение сопротивления обмоток постоянному току;

г)испытание электрической прочности пробы масла, взятой из бака трансформаторов класса напряжения 35 кв и трансформаторов мощностью более 1000 ква независимо от напряжения;

д)измерение тангенса угла диэлектрических потерь пробы масла у трансформаторов класса напряжения ПО кв и выше;

е)измерение сопротивления изоляции обмоток по отношению к заземленным частям и между обмотками;

ж)измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции и емкости у трансформаторов класса напряжения 35 кв мощностью 10 000 ква и более и у трансформаторов класса напряжения ПО кв и выше;

з) испытание электрической прочности изоляции приложенным напряжением частоты 50 гц и индуктированным напряжением при повышенной частоте;

и) измерение потерь и тока холостого хода (опыт холостого хода);

к) измерение потерь и напряжения короткого замыкания (опыт короткого замыкания);

л) испытание переключающих устройств трансформаторов с ПБВ или РПН.

м) испытание баков трансформаторов на давление (испытание на плотность).

Каждый вновь разработанный тип трансформатора подвергается типовым испытаниям, которые, кроме перечисленных выше видов контрольных испытаний, включают в себя еще следующие испытания:

н) испытание на нагрев;

о) импульсное испытание изоляции;

п) испытание на устойчивость при коротком замыкании;

р) испытание баков трансформаторов мощностью 1000 та и более на механическую прочность при вакууме;

с) испытание баков на механическую прочность при повышенном внутреннем давлении.

Типовые испытания повторяются полностью или частично при изменении конструкции, материалов или технологии производства, если эти изменения могут оказать существенное влияние на работу трансформатора.

Испытания по пп. а, б, в, е, ж, и, к, м, н, п проводятся по методике ГОСТ 3484—65; испытания по пп. г, д - по методике ГОСТ 982 —68, ГОСТ 6581—66 и ГОСТ 10121—62; испытания по пп. з. о - по методике ГОСТ 1516—68; испытание по п. л — по методике ГОСТ 8008—70; испытания по пп. р, с — по методике предприятия-изготовителя.

При испытании трансформаторов важно соблюдать определенную последовательность проведения некоторых видов испытания. Такая последовательность предписана ГОСТ 3484—65. Нарушение последовательности отдельных видов испытания может вызвать повреждение вполне доброкачественных трансформаторов. Так, например, нельзя производить испытание электрической прочности изоляции трансформатора до того, как было проверено качество залитого масла и измерено сопротивление изоляции. При несоблюдении этого правила во время испытания электрической прочности изоляции может наступить ее пробой вследствие, например, неудовлетворительной сушки трансформатора, которая могла быть обнаружена при измерении сопротивления изоляции или испытании пробы масла.

При испытании электрической прочности изоляции приложенным напряжением возможно повреждение изоляции отдельных витков вследствие частичных разрядов, в результате чего может произойти замыкание между витками и пробой витковой изоляции. Чтобы эти повреждения были обнаружены, испытание изоляции индуктированным напряжением следует проводить после испытания приложенным напряжением.

После испытания изоляции индуктированным напряжением следует провести опыт холостого хода, чтобы при этом обнаружить пробой витковой изоляции, который мог произойти в последние секунды испытания или при снятии напряжения.

Измерение сопротивления обмоток постоянному току должно производиться после опыта короткого замыкания, чтобы тем самым могли быть проверены места паек и контакты после нагрузки их номинальным током.

Таким образом, необходимо соблюдение следующей последовательности видов испытаний:

а)испытание электрической прочности трансформаторного масла;

б)измерение сопротивления изоляции обмоток;

в)испытание электрической прочности изоляции приложенным напряжением;

г)испытание электрической прочности изоляции индуктированным напряжением;

д)опыт холостого хода.

После этого могут быть проведены опыт короткого замыкания и измерение сопротивления обмоток постоянному току. Последовательность проведения измерения коэффициента трансформации и определения группы соединения обмоток не обусловливается.

Контрольные испытания трансформаторов разделяются на предварительные и окончательные.

Предварительным испытаниям подвергаются отдельные узлы и части трансформатора в процессе изготовления и сборки, чтобы, во-первых, избежать установки на трансформатор дефектных узлов и деталей и, во-вторых, проверить те узлы и детали, которые не могут быть испытаны на готовом трансформаторе. К таким узлам относятся ь первую очередь обмотки, магнитопроводы и переключатели.

Объем предварительных испытаний определяется на каждом предприятии-изготовителе в зависимости от их целесообразности, определяемой уровнем производства, количеством и характером брака и др.

Предварительные испытания проходят все обмотки как наиболее ответственные узлы трансформаторов. На контрольном пункте обмоточного цеха проверяются число витков и отсутствие витковых замыканий.

Магнитопроводы (остовы) трансформатора испытываются на качество изоляции стяжных шпилек (при наличии таковых) и на сопротивление лаковой изоляции пластин. Изоляцию стяжных шпилек, ярмовых балок, накладок и других деталей от активной стали магнитопро-вода испытывают приложенным напряжением 1000—2000 в промышленной частоты в течение 1 мин. Качество изоляции пластин проверяется измерением сопротивления постоянному току между крайними пластинами и между отдельными пакетами магнитопровода.

Испытания переключателей подразделяются на механические и электрические. Сначала производятся механические испытания, которые заключаются в испытании на механическую прочность и измерении динамометром давления контактов.

При испытании на механическую прочность переключатель подвергается определенному числу переключений, после чего проверяется отсутствие повреждений контактов, пружин и покрытий.

Электрические испытания переключателя заключаются в проверке электрической прочности изоляции;

а)между контактами ответвлений каждой фазы;

б)между фазами;

в)между всеми контактами и осью переключателя;

г)изолированной части оси переключателя.

Рис. 15.1. Стандартный разрядник (сосуд с электродами) для испытания электрической прочности масла

Окончательным испытаниям подвергаются полностью собранные, высушенные, помещенные в баки и залитые трансформаторным маслом трансформаторы.

Для испытания электрической прочности масла берут его пробу из каждого трансформатора класса напряжения 35 кв и выше. У трансформаторов габаритов I и II класса напряжения ниже 35 кв отбор пробы масла может производиться у одного из партии трансформаторов или из маслопроводной системы (емкости), из которой непосредственно производится заливка трансформаторов маслом.

Испытание электрической прочности масла производится в стандартном разряднике, показанном на рис. 15.1, с расстоянием между электродами 2,5 мм. Электрическая прочность пробы масла должна быть не ниже 40 кв. Пробивное напряжение определяется как среднее арифметическое из результатов пяти пробоев из шести (первый пробой не учитывается).

Большая величина сопротивления изоляции обмоток трансформатора позволяет убедиться в том, что в трансформаторе нет грубых дефектов, он не загрязнен и хорошо просушен. Это дает гарантию того, что он не будет поврежден при испытании электрической прочности изоляции. Кроме того, сравнение значений сопротивлений изоляции, измеренных перед выпуском трансформатора с завода и перед включением его в эксплуатацию, в сочетании с другими показателями позволяет судить о степени увлажненности трансформатора и возможности включения его в работу без дополнительной сушки. Абсолютная величина сопротивления изоляции не нормируется, так как установить ее по ряду причин невозможно. Сопротивление изоляции обмоток зависит от степени их увлажнения и температуры. Сопротивление изоляции измеряют мегомметром у обмоток каждого напряжения относительно заземленных частей и между обмотками разных напряжений, как это показано на рис. 15.2.

Показание мегомметра не остается постоянным, а изменяется в зависимости от продолжительности измерений, так как для заряда.

Рис. 15.2. Измерение сопротивления изоляции:

1 — переносные соединительные провода; 2 — бакелитоваятрубка; 3 — медный пруток; 4 — зажим; 5 — сигнальная

лампа; 6 —кнопка сигнала на пульт

емкости обмотки требуется некоторое время. Поэтому для оценки степени увлажнения изоляции обмотки производят два отсчета измерения: через 15 и 60 сек. При сильно увлажненной изоляции показания мегомметра быстро устанавливаются и коэффициент абсорбции Каб=R60/R15 близок к единице. При малоувлажненной изоляции показания мегомметра нарастают медленно и коэффициент абсорбции может стать равным двум и более (но не ниже

1,3).

Сопротивление изоляции обмоток в большой степени зависит от температуры, поэтому сравнительные измерения сопротивлений производят при одинаковой температуре. Если измерения производят при температуре, отличной от той, при которой производили предыдущие измерения, то значения обоих измерений приводят к одной температуре. При этом исходят из того, что на каждые 10° понижения температуры сопротивление изоляции (одноминутное) увеличивается примерно в 1,5 раза, коэффициенты пересчета при этом следующие:

Разность температур

5

10

15

20

25

30

35

Коэффициент изменения

сопротивления изоляции

1,2

1,5

1,8

2,3

2,8

3,4

4,1

Испытание электрической прочности изоляции обмоток и токоведущих частей приложенным и индуктированным напряжениями и нормы испытательных напряжений описаны в § 13.3.

Общий вид испытательного трансформатора, схема которого приведена на рис. 13.1, показан на рис. 15.3.

При опыте холостого хода (рис. 15.4) определяются ток и потери холостого хода и проверяется коэффициент трансформации. Первичную обмотку трансформатора включают в сеть переменного напряжения при ненагруженной вторичной обмотке.

Рис. 15.3. Испытательный трансформатор типа ИОМ-100/100, 100 ква,100/0,38 кв для испытания приложенным напряжением обмоток трансформаторов классов напряжения 10—35 кв

Включенные в схему измерительные приборы — амперметр А и ваттметр W — показывают ток и потери холостого хода трансформатора. Измеренные этими приборами характеристики (эксплуатационные параметры) не должны быть больше значений, предусмотренных ГОСТом или техническими условиями (с учетом допусков). По показаниям вольтметров определяют коэффициент трансформации (на всех ступенях регулирования напряжения), который не должен отличаться от заданного более чем на ±0,5%.

Рис. 15.4. Схема опыта холостого хода однофазного трансформатора

При опыте короткого замыкания (рис. 15.5) определяются потери и Рис. 15.4. Схема опыта холостого хода однофазного трансформатора напряжение короткого замыкания. Вторичную обмотку закорачивают (иногда ее замыкают на амперметр), к первичной обмотке через регулятор напряжения подводят пониженное напряжение, которое повышают от нуля до тех пор, пока амперметр А не покажет номинальное значение тока. Напряжение UK, которое при этом покажет вольтметр V, называется напряжением короткого замыкания и представляет собой полное падение напряжения в трансформаторе. Напряжение UK на векторной диаграмме треугольника короткого замыкания (см. рис. 5.4) изображается гипотенузой треугольника.

При опыте короткого замыкания номинальные токи устанавливаются в обеих обмотках, так как их намагничивающие силы согласно правилу Ленца (§ 5.1) должны быть равны. Поэтому ваттметр W покажет суммарные потери в обеих обмотках, которые называются потерями короткого замыкания. Потерями холостого хода ввиду их незначительной величины (э. д. с. при опыте короткого замыкания равна примерно 1/2 UK, поэтому мал и Ф) пренебрегают.

Рис. 15.5. Схема опыта короткого замыкания однофазного трансформатора

Рис. 15.5. Схема опыта короткого замыкания однофазного трансформатора

Сопротивление обмоток трансформатора постоянному току не нормируется ГОСТом и техническими условиями. Тем не менее измерение сопротивления обмоток является обязательным при контрольных испытаниях, поскольку оно помогает выявлять дефекты в токоведущих частях трансформатора. По результатам измерения сопротивления обмоток можно судить о качестве соединений и паек в обмотках, качестве контактов переключателей и в местах присоединения отводов к вводам, установить отсутствие обрывов в обмотках и в ее отдельных параллельных ветвях и обнаружить отклонение сечения проводов от расчетных между отдельными фазами или катушками на одной фазе. Наконец, измерением сопротивления обмотки пользуются для определения средней температуры обмоток (метод измерения температуры, § Ю.2).

Сопротивление обмоток измеряется у всех обмоток на всех доступных ответвлениях. У трехфазных трансформаторов измеряют сопротивление каждой обмотки для всех трех фаз. При наличии вывода нейтральной точки измеряется фазное сопротивление, при его отсутствии — линейные сопротивления. В последнем случае фазное сопротивление будет:

при схеме соединения звезда rф = 1/2 rизм;

при схеме соединения треугольник rф -— 3/2 rизм.

Если при измерении линейных сопротивлений (при схеме «звезда») получились разные их значения, то фазные сопротивления можно определить по формулам:

ra=(rab+rac-rbc)/2

rb=(rab+rbc-rac)/2

rc=(rac+rbc-rab)/2

Если расхождение измеренных сопротивлений разных фаз превышает ±2% от среднего значения, то необходимо установить причину расхождения, и только после этого может быть решен вопрос о пригодности трансформатора.

Измерение сопротивления обмоток обычно производят по методу падения напряжения, основанном на законе Ома.

Измерение производят по одной из схем, показанных на рис 15 6 в зависимости от величины сопротивления. Установка для измерения

Рис. 15.6 Схемы изменения сопротивления обмотки трансформатора:

а – при малом сопротивление; б – при большом сопротивление

Рис. 15.7. Пульт для измерения сопротивлвния по методу падения напряжения:

1 — ящик с приборами; 2 — реостаты; 3 — переключатель

фаз; 4 — переключатель схемы; 5 — шунт амперметра;

6 — кнопка включения контактора

сопротивления на испытательной станции представляет собой пульт (рис. 15.7), в котором собрана схема и расположен источник питания (аккумулятор на 12 в).

Рис. 15.8. Схема определения группы соединения трехфазного

Группа соединения обмоток трансформатора имеет большое значение при включении его на параллельную работу с другими трансформаторами. Такая работа допустима только для трансформаторов, имеющих одинаковые группы соединения.

Согласно ГОСТ 11677 — 65 стандартными группами соединения являются группа 0 для однофазных трансформаторов и группа 0 и 11 для трехфазных.

Проверку группы соединения производят главным образом двумя методами: двух вольтметров и фазометром.

По первому методу к одной из обмоток (трехфазного трансформатора) подводят напряжение U (пониженной величины трансформатора). Предварительно должны быть соединены одноименные вводы (Л и а) обмоток ВН и НН. Затем поочередно измеряют напряжения между вводами b—В, b—С и с—В, как это показано на рис. 15.8. По соотношению полученных трех измерений, по специальной таблице, определяют группу соединения.

Так, например, для стандартных групп соединения 0 и 11 измеренные напряжения должны быть равны указанным в табл. 15.1.

Группа соединения

Угловое смещение э.д.с

Напряжение между вводами

b - B

b - C

C - B

0

0

U(K-1)

11

330

В объем контрольных испытаний входит также испытание масляных баков на механическую прочность и на маслоплотность сварных швов и уплотнений.

Во время эксплуатации бак заполнен трансформаторным маслом. Так как уровень масла находится выше крышки бака (на уровне расширителя), то бак должен быть испытан на некоторое повышенное внутреннее давление. Для этой цели на крышку бака устанавливается контрольная трубка с воронкой высотой 1,5 м, заполняемая маслом. Трансформатор тщательно обтирается и отстаивается в течение 8 ч. Если после указанного времени не обнаружатся течи масла в швах и уплотнениях, бак считается выдержавшим испытание.

При вакуумной сушке активной части трансформатора в собственном баке последний испытывает внешнее давление, равное около 1 кПсм2. Это испытание является более жестким, поэтому расчет бака на прочность ведется именно на это давление.

§ 15.2. СПОСОБЫ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ, ПОРЯДОК ХРАНЕНИЯ И МОНТАЖ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Силовые трансформаторы габаритов I, II и III доставляются с завода-изготовителя на место установки главным образом по железной дороге. Трансформаторы с трубчатыми баками (мощностью до 1600 ква) транспортируются полностью собранными и залитыми маслом. Трансформаторы с радиаторными баками (мощностью 2500 ква и выше) транспортируются без радиаторов и со снятыми расширителем и выхлопной трубой. Патрубки, cлужащие для присоединения радиаторов, на время транспортировки закрываются заглушками.

Правила железнодорожных перевозок определенным образом отра-

жаются и на конструкции силовых трансформаторов. В основном это относится к крупным трансформаторам, которые связаны с необходимостью вписываться в железнодорожный габарит и с грузоподъемностью платформ подвижного состава.

Так, например, для перевозки трансформаторов габаритов III, IV и выше необходимо на время перевозки частично их демонтировать, применять специальные формы баков, транспортные крышки и специальные железнодорожные транспортеры с пониженной грузовой площадкой. Для уменьшения транспортного веса трансформаторы большой мощности приходится отправлять без масла, с временным заполнением баков инертным газом (азот). Это требует дополнительных работ на месте монтажа трансформатора.

Для обеспечения сохранности трансформатора и безопасности движения он должен быть надежно закреплен на платформе.

С каждым отгружаемым силовым трансформатором завод-изготовитель высылает сопроводительную техническую документацию, в которую входит «Техническое описание и инструкция по транспортированию, выгрузке, монтажу и вводу в эксплуатацию трансформаторов». Заказчик обязан строго соблюдать указания, содержащиеся в инструкции.

В объем сопроводительной техдокументации частично демонтируемых трансформаторов входит также комплектовочная ведомость и инструкция по сборке и монтажу.

Подготовка к монтажу производится в следующем порядке:

а) изучение сопроводительной техдокументации:

б) подготовка монтажной площадки, оборудования и материалов;

в) подготовка трансформатора и его узлов.

Монтажная площадка должна быть оборудована временным навесом и подъемными устройствами: передвижной железнодорожный или автокран, домкраты.

объем масляных трансформаторов должен производиться только за крюки, расположенные под рамой на стенке бака.

По прибытии трансформаторов к месту установки у них осматриваются фарфоровые вводы, баки, охлаждающие устройства, пломбы и т. д. с целью выявления возможных повреждений и проверяется уровень и отсутствие течи масла. Доставленный на место установки трансформатор не всегда монтируется сразу после его прибытия. Поэтому до начала монтажа должны быть обеспечены надлежащие условия для его хранения.

Трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, должны храниться в закрытом помещении.

Трансформаторы должны быть защищены от механических повреждений и попадания грязи. Во время хранения у трансформаторов должен поддерживаться нормальный уровень масла в расширителе и при необходимости доливаться сухим (не содержащим воды) маслом, имеющим электрическую прочность не ниже 45 кв на 2,5 мм. Консервирующая смазка и силикагель должны восстанавливаться по мере необходимости, но не реже, чем через два года.

После установки трансформатора на монтажной площадке и его сборки производится подготовка его к вводу в эксплуатацию, которая заключается в проведении ряда профилактических мероприятий.

Прежде всего производится внешний осмотр трансформатора, при котором обращается особое внимание на отсутствие течи масла через сварочные швы и уплотнения. Проверяется уровень масла и при необходимости производится его доливка, заливается в корпус оправы термометра масло, протираются (бензином и сухой ветошью) фарфоровые изоляторы, удаляется консервирующая смазка. Трансформатор заземляется при помощи имеющегося у него болта заземления.

Далее производится испытание пробы масла на электрическую прочность и химический анализ. Электрическая прочность масла должна быть не ниже 40 кв на 2,5 мм. В масле не должно быть следов воды. Проба масла отбирается при температуре не ниже +5° С. Измеряется сопротивление изоляции обмоток ВН и НИ мегомметром с напряжением 1000 В. Сопротивление изоляции при температуре, приведенной к +20° С, должно быть не ниже 300 Мом. Измерение должно производиться при температуре не ниже +10° С. Измеряется активное сопротивление обмоток на всех положениях переключателя. Наконец, производится проверка силикагеля в воздухоосушителе и при необходимости его замена.

При удовлетворительных результатах проверок и испытаний трансформатор может быть установлен на фундамент и включен в сеть. Включение производится толчком на полное номинальное напряжение, после чего следует проследить за равномерностью нагрузки фаз, симметричностью напряжения на стороне НИ, сохранением уровня масла в маслорасширителе и за перегревом верхних слоев масла, который должен быть не более 55° С.

§ 15.3. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ. РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

Работа трансформаторов допускается только при условии защиты всех его линейных вводов постоянно подключенными разрядниками соответствующих классов напряжения и готовыми к действию релейной и газовой защитами.

Форма кривой напряжения, подводимого к трансформатору, должна быть практически синусоидальной, а система фазных напряжений — практически симметричной.

Не допускается работа трансформатора при снижении уровня масла за нижний предел маслоуказателя и при наличии течи масла.

Во время эксплуатации необходимо вести визуальное наблюдение с соблюдением правил безопасности за состоянием контактов, не допускать накопления пыли и грязи на крышке бака, шинах и вводах. Все нарушения антикоррозийного покрытия должны устраняться по их обнаружении.

Категорически запрещается производить переключение ступеней

напряжения на трансформаторе с ПБВ, включенном в сеть хотя бы с одной стороны.

Во время работы трансформатора допускается, чтобы трансформатор издавал умеренный, равномерно гудящий звук, без резкого шума и треска.

§ 15.4. НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатор рассчитан на длительную работу при номинальной нагрузке и допускает длительное превышение на 5% номинального тока, если напряжение не превышает номинальное.

Вслед за нагрузкой ниже номинальной допускаются следующие кратковременные перегрузки трансформатора в зависимости от начального перегрева верхних слоев масла над воздухом, указанные в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Коэффициент

перегрузки Кп' %

Допустимая длительность перегрузки (ч — мин) при перегреве (°С)

верхних слоев масла перед включением перегрузки

18

24

30

36

42

48

5

5—50

5—25

4—500

4—00

3—00

1—30

10

3—50

3—25

2—50

2—10

1—25

0—10

15

2—50

2—25

1—50

1—20

0—35

20

2—05

1—40

1 — 15

0—45

25

1—35

1—15

0—50

0—25

30

1—10

0—50

0—30

—-

35

0—55

0—35

0—15

40

0—40

0—25

45

0—25

0—10

50

0—15

Табл. 15.2 составлена для трансформатора, установленного на открытом воздухе, при среднегодовой температуре +5° С (средняя полоса СССР). В местах сдругой среднегодовой температурой воздуха величину перегрузки 1 +КП/100, определенную по табл. 15.2, следует умножить на коэффициент 1 +(5-ТВ)/100,

где ТВ - среднегодовая температура воздуха данной местности.

Пример 15.1. При перегреве масла 30° С в течение 30 мин допустима перегрузка 30%. Определить коэффициент перегрузки в местности со среднегодовой температурой Тв = 15° С

Решение. Допустимая перегрузка составляет 1,3(1+(5-15)/100)=1,17

от номинальной, т.е. коэффициент перегрузки Кп = 17%.

§ 15.5. ВОЗМОЖНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ

Таблица 15.3

П.П.

Неисправность

Вероятная причина

Методы устранения и определения причины

1

Автоматическое отключение от действия токовой защиты

1. Перегрузка сверх

допустимой

2. Внешнее короткое

замыкание

1. Снизить нагрузку" до установленной

нормы

2. Устранить замыкание

2

Автоматическое отключение от действия дифференциальной и газовойзащиты

Внутренняя неисправность

1. Вывести из работы

2. Определить состав газа

3. Отобрать пробу

масла на сокращенный анализ с определением температуры вспышки

4. Произвести измерения сопротивления изоляции, сопротивления обмоток

5. Осмотреть активную часть

3

Автоматическое отключение от действия газовой защиты

1. Выделение остатков воздуха после монтажа

2. Внутренняя неисправность

1. Определить состав газа

2. Произвести пробное включение в режиме холостого хода

и опыта короткого

замыкания при плавном подъеме напряжения для определения места повреждения: обмотка с контактными соединениями или магнитопровод (см. также п. 2)

4

Исчезло напряжение на вторичной стороне

Обрыв в одной из

обмоток

1. Установить наличие обрыва мегомметром или измерением сопротивления обмоток

2. Осмотреть активную часть

5

Появление повышенного неравномерного

шума внутри трансформатора

1. Нарушение в режиме питания и нагрузки

1. Восстановить

нормальный режим

работы

6

Течь масла в уплотнении

2. Внутреннее повреждение

3. Ослабление крепления отдельных деталей

2. Произвести проверку согласно п. 2 (кроме определения состава газа)

3. Закрепить соответствующие детали

7

Повреждение фарфора ввода

Механическое повреждение

Подтянуть болты в местах уплотнения или заменить уплотняющую прокладку

8

Повреждение стеклянной трубки в маслоуказателе

Механическое повреждение

1. Перекрыть маслоуказатель

2. Заменить стеклянную трубку

Контрольные вопросы

ГЛАВА XVI

РАСЧЕТ СТОИОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА.

§ 16.1. РАСЧЕТ СТОИМОСТИ ТРАНСФОРМАТОРА

Стоимость трансформатора (оптовая цена) определяется плановой калькуляцией.

Пример составления плановой калькуляции приведен в. табл. 16.1.

Таблица 16.1

Статьи затрат

Сумма, руб

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Сырье и материалы

Покупные и комплектующие изделия

Возвратные отходы (вычитаются)

Итого основных материалов

Основная заработная плата производственных рабочих

Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования (150—200% к основной зарплате)

Цеховые расходы (около 150% к основной зарплате)

Общезаводские расходы (около 100% к основной зарплате)

Заводская себестоимость

Внепроизводственные расходы (около 5% к заводской себестоимости)

Полная себестоимость

Накопления (10% к полной себестоимости)

Оптовая цена

Расход основных материалов определяется по табл. 16.2 и 16.3

Таблица 16.2.

Наименование сырья и материалов

Единицы измерения

Расход

Цена, руб

Сумма, тыс.руб

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

17

Литье:

чугунное

стальное

Итого литье

Рядовой прокат:

сталь листовая

сталь круглая

сталь профильная

Итого рядовой прокат

Качественный прокат:

сталь электротехническая

сталь сортовая горячекатаная

сталь сортовая холоднокатаная

Итого качественный прокат

Трубы электросварные

Цветные металлы:

литье

латунный прокат

медный прокат

Итого цветные металлы

Провод обмоточный:

провод

кабель

Бакелитовые трубки

Бакелитовые цилиндры

Лакоткань

Гетинакс

Текстолит

Электрокартон

Масло трансформаторное

Лак № 302

Лак ГФ-92

Бук

Резина

Прочие материалы

Итого затрат по материалам

Итого отходов

В том числе реализуемые:

черные металлы

цветные металлы

Стоимость материалов за вычетом реализуемых отходов

Транспортно-заготовительные расходы

Всего затрат по материалам

Примечание. Так как в чертежах указаны чистые веса деталей и узлов, то при подсчете расхода материалов необходимо их вес умножать на следующие коэффициенты, учитывающие отходы:

Сталь электротехническая

трансформаторы до 10 000 ква……..

1,15

трансформаторы свыше 10 000 ква..

1,2

Сталь угловая и швеллеры……………………

1,05

Сталь листовая……………………………………

1,1

Сталь круглая……………………………………..

1,05

Трубы стальные………………………………….

1,07

Электрокартон и бумага………………………..

1,1

Гетинакс и текстолит……………………………

1,1

Дерево……………………………………………....

3,0

Таблица 16.3.

п.п.

Покупные комплектующие изделия

Количество

Цена, руб. коп.

Затраты на изделие

1

2

3

.

.

.

10

11

Прочие комплектующие изделия

Транспортно-заготовительные расходы

Итого затрат на комплектующие изделия

Итого затрат на материалы (по табл. 16.2)

Всего затрат на основные материалы

Затраты на основную заработную плату определяются по табл. 16.4.

Таблица 16.4

№п.п

Виды работ

Нормо-часы

Расценка

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Сборочные

Обмоточно-изоляционные

- Изготовление обмоток

- Изготовление изоляции

Изготовление магнитопровода

Заготовительно-сварочные

Изготовление аппаратуры

Механообрабатывающие и крепеж

Деревообрабатывающие

Гальванопокрытия

Окраска

Литейные

Прочие

Итого по сдельным расценкам

Зарплата по рабочим местам

Всего основная заработная плата

§ 16.2. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Расчет ведется исходя из годовых затрат Зг. Для учебных целей расчетная формула несколько упрощена:

Зг= Зтр + ЗхРх + 3кPк + 3pQp,

где Зтр = 0,185 X оптовую цену — стоимость трансформатора в год;

Рх — потери холостого хода, квт;

Рк — потери короткого замыкания, квт;

Qp — реактивная мощность, квар.

Принимаются

Зх = 50 руб./квт — стоимость 1 квт потерь холостого хода в год; Зк = 25 руб./квт — стоимость 1 квт потерь короткого замыкания в год.

Затраты на компенсацию реактивной мощности Зр = 1,5 руб./квар — стоимость 1 квар реактивных потерь в год.

Реактивная мощность

где S — номинальная мощность, ква;

Io — ток холостого хода, %;

Up — реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %;

8760 — число часов в году;

8700 — число часов, в течение которых имеют место потери холостого хода в году;

4000 — то же, потери короткого замыкания.

Таким образом, расчетная формула годовых затрат имеет вид

При выборе наилучшего варианта проектируемого трансформатора наиболее экономичным будет тот, у которого значение Зг будет наименьшим.

ГЛАВА XVII

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТРДНСФОРМАТОРОСТРОЕНИЯ В СССР

Развитие линий электропередач связано с непрерывным ростом напряжения и мощности каждой электрической машины и трансформатора. В настоящее время освоены напряжения линий до 500 кв, ведутся опытные передачи при напряжении 750 кв и теоретические разработки на более высокие напряжения 1000—1200 кв, которые позволят передавать большие мощности на расстояния до 3000—4000 км (от мощных сибирских гидроэлектростанций в европейскую часть СССР). В Советском Союзе уже строятся трансформаторы мощностью 417 и 630 Мва и запроектированы трансформаторы мощностью 800 и 1000 Мва.

Совершенствование трансформаторостроения началось с момента его возникновения. В основном характеристики трансформаторов и их весогабаритные данные улучшались с применением более качественных и специальных материалов. Так, например, с применением (в 1904 г.) легированной стали вес трансформаторов сразу уменьшился почти вдвое. Улучшение качества электротехнической стали продолжается и по настоящее время и от этого улучшения в основном зависит уменьшение расхода активных материалов и повышение к. п. д. трансформаторов.

Силовые трансформаторы имеют весьма высокий к. п. д., для большинства составляющий 98—99% и более. Однако ввиду установки в распределительных сетях общей мощности трансформаторов, в 7— 8 раз превышающей мощность генераторов, общие потери во всем парке трансформаторов достигают 6% от всей электроэнергии, вырабатываемой электростанциями.

ГОСТ 11677—65 (общий стандарт на силовые трансформаторы) предусматривает ряд улучшений в конструкции силовых трансформаторов по сравнению с ранее действовавшим ГОСТ 401—41. В первую очередь это относится к улучшению их характеристик холостого хода и короткого замыкания, т. е. в целом значения к. п. д. Повышение к. п. д. в основном стало возможным вследствие внедрения холоднокатаной электротехнической стали, имеющей меньшие значения удельных потерь и намагничивающей мощности по сравнению с горячекатаной сталью. Одновременно с этим для лучшего использования холоднокатаной стали потребовались отмена отверстий в пластинах магнитопровода и применение его бесшпилечной прессовки, косых и

комбинированных стыков пластин, отжига пластин, продольных каналов из неметаллических материалов, бандажей из стеклоленты или стекловолокна, изготовление магнитопровода без предварительной зашихтовки верхнего ярма, применение магнитных мостов и другие виды прогрессивной технологии.

Большого внимания требует совершенствование технологических процессов производства обмоток и изоляции трансформаторов. Обмотки и изоляция—ответственные и вместе с тем трудно контролируемые узлы конструкции. Весьма важным является вопрос о качестве электротехнического картона как одного из основных изоляционных материалов. Применяемый в настоящее время изоляционный картон имеет усадки, достигающие 8—9% по толщине, что требует введения дополнительных операций по стабилизации размеров изоляции.

Наилучшим решением данного вопроса являлось бы получение малоусадочного картона, но из-за его отсутствия на трансформаторных, заводах вводятся процессы предварительной стабилизации картона; вылеживанием и опрессовки изоляционных деталей и обмоток в целом, на разных стадиях изготовления.

Для крупных трансформаторов в перспективе применение многоходовых обмоток НН с числом параллельных проводов до 200, петлевых обмоток ВН с применением транспонированного провода и отдельных регулировочных многоходовых слоевых обмоток ВН по числу ступеней регулирования.

Для повышения электрической прочности целесообразно более широко практиковать отмену пропитки обмоток.

Из отдельных конструктивных решений и направлений конструирования можно отметить применение разъемных баков и баков колокольного типа, прямотрубных навесных охладителей вместо трубчатых баков, изготовление нажимных колец, намотанных из электротехнической стали и запекаемых на эпоксидных смолах.

Экономичность работы электрических сетей и поддержание постоянства величины напряжения у потребителей требует расширения выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Выпуск таких трансформаторов требуется довести до 50% суммарной мощности выпускаемых силовых трансформаторов, включая большинство трансформаторов с напряжением ПО кв и выше, а также распределительные трансформаторы мощностью от 25 до 6300 ква на напряжение 10 и 35 кв. При разработке этих трансформаторов должно быть отдано предпочтение переключающим устройствам с токоограничивающими резисторами, как имеющим меньшие габаритные размеры по сравнению с реакторными устройствами и не требующим отдельного бака для контакторов.

Разработка параллельных серий силовых трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками позволит получить большую экономию меди. Эта медь может быть использована в трансформаторах большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания при меньших габаритных размерах, что не может быть достигнуто при алюминиевых обмотках. Трансформаторы с медными и алюминиевыми обмотками могут иметь одинаковые характеристики при одинаковом весе электротехнической стали, меньшем общем весе, но с большей высотой сердечника, а следовательно, и трансформатора [Л. 2]. Силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками мощностью до 6300 ква обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же характеристики холостого хода и короткого замыкания. Стоимость этих трансформаторов примерно одинакова, и поэтому такая замена может считаться равноценной в техническом и экономическом отношениях.

Экономия активных, изоляционных и конструктивных материалов может быть получена в первую очередь за счет широкого применения автотрансформаторов на напряжения ПО—500 кв путем снижения испытательных напряжений, уменьшения изоляционных промежутков при разработке новых конструкций изоляции, применения новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной принудительной циркуляцией масла и новых типов охладителей.

С повышением напряжения размеры и надежность работы трансформатора в большой степени зависят от качества изоляционных материалов и от конструкции самой изоляции. Рациональная конструкция, применение новых, более совершенных материалов и внедрение прогрессивной технологии позволят уменьшить изоляционные промежутки и, следовательно, соответственно уменьшить размеры и вес трансформатора. В части повышения надежности трансформаторов при импульсных воздействиях большую роль сыграло введение емкостной защиты, принцип и конструкция которой продолжают непрерывно совершенствоваться.

Расширение производства трансформаторов, рост мощности в одной единице и напряжения обмоток ВН вызывают необходимость в более широком развитии научно-исследовательских работ, связанных с трансформаторостроением. Сюда следует отнести исследования полей рассеяния с целью уменьшения вызываемых ими добавочных потерь, механической прочности обмоток при коротком замыкании, электрической прочности изоляции при промышленной частоте и при импульсных воздействиях, разработки новых, более эффективных, охладительных систем, рациональной технологии производства, в частности, вакуумной сушки трансформаторов, рациональных методов проектирования трансформаторов и их экономической оценки.

Научно-исследовательские работы необходимы в целях оказания помощи трансформаторным заводам при разработке и изготовлении трансформаторов, отвечающих требованиям современной энергетики как в отношении высших уровня мощности и класса напряжения, так и в отношении качества. Основные показатели качества: получение экономической трансформации — снижения потерь энергии, экономии материалов, уменьшения веса и габаритных размеров, увеличение электрической и механической прочности и повышение надежности.

ГЛАВА XVII

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

§ 18.1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА С МАСЛЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НА НАПРЯЖЕНИЕ ОТ 3 ДО 35 кв

Минимальный объем задания по расчету силового трансформатора был приведен в § 2.1.

Полный расчет силового трансформатора с целью нахождения его оптимальных размеров и характеристик требует выполнения ряда вариантов расчета на разных диаметрах стержня, что представляет собой довольно большой объем работы. Учащийся не всегда может с ней справиться в отведенное для этого время, поэтому эта работа обычно облегчается тем, что задание по расчету трансформатора содержит некоторые дополнительные данные, которые учащемуся уже не требуется выбирать или определять по ходу расчета.

Задание на расчет силового трансформатора удобно выдавать учащемуся на специальном листе задания, примерная форма которого приведена далее.

Задание №…

на курсовое проектирование

Расчет трехфазного силового трансформатора

Учащемуся (фамилия)…………………………

Задание выдано………………………………..

Расчет сдать……………………………………

Расчет принят.…………………………………

курса….

19….г.

19….г.

19....г.

группы……..

с оценкой….

Задание для расчета

Мощность трансформатора…………………...

Напряжение холостого хода…………………..

Схема и группа соединения….………………..

Частота………………………………………….

ква

±5%....в

50 гц

Характеристики

Потери холостого хода Рх =……………….…..

Потери короткого замыкания Рк=…………….

Ток холостого хода i0=……………………...….

Напряжение короткого замыкания uк =……...

Вт + 15%

Вт + 10%

% + 30%

% ± 10%

Дополнительные данные

Диаметр стержня D……………………………………....

Число ступеней.n…………………………………………

Форма сечения ярма………………………………..……

Высота окна (приблизительно) Н..................................

Сталь….холоднокатаная, марки ЭЗЗО толщиной 0,35

Охлаждение……………………естественное, масляное

мм

мм

мм

Преподаватель………………………………..

§ 18.2. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Пример 1

Задание для расчета

Мощность трансформатора………………….

Напряжение холостого хода………………...

Схема и группа соединения…………………

Частота………………………………………..

Характеристики по ГОСТ 11920—66............

1000 ква

10 000 + 5%/400 в

Y/ |<— 0

50 гц

Дополнительные данные

Диаметр стержня……………………………..

Число ступеней……………………………….

Форма сечения ярма………………………….

Высота окна (приблизительно)……………...

Сталь…………………………………………..

Обмотки……………………………………….

Охлаждение…………………………………..

D = 245 мм

n= 6

двухступенчатая

Н = 700 мм

холоднокатаная, марки Э330, толщиной 0,35 мм, лакированная

из медного провода

масляное, естественное

Пример 2

Задание для расчета

Мощность трансформатора………………….

Напряжение холостого хода………………...

Схема и группа соединения…………………

Частота………………………………………..

Характеристики………………………………

2500 ква

35000 + 2x2,5%/6300 в

Y/Δ — 11

50 гц

ГОСТ 11920—66

Дополнительные данные

Диаметр стержня……………………………..

Число ступеней……………………………….

Форма сечения ярма………………………….

Высота окна (приблизительно)……………...

Сталь…………………………………………..

Обмотки……………………………………….

Охлаждение…………………………………..

D = 300 мм

n= 7

многоступенчатая

Н = 1000 мм

холоднокатаная, марки Э330, толщиной 0,35 мм, лакированная

из медного провода

масляное, естественное

Расчет удобно вести по приведенной в § 18.3 последовательности.

§ 18.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 1000 ква, 10 кв

Расчет магнитопровода.

Выбор размеров пластин пакетов стержня. Сечение стержня по заданию имеет шестиступенчатую форму, ярма — двухступенчатую (рис. 18.1).

Определяем ширину пластин для каждого пакета согласно данным, приведенным на рис. 14.1. Полученные значения сп подбираем до ближайшего нормализованного размера, дающего наивыгоднейший раскрой стали:

с1 = 0,955•245 = 234

с2 = 0,87• 245 = 213

с3 = 0,77•245 = 188

с4 = 0,64•245 = 157

с5 = 0,495•245 = 121

с6 = 0,3•245 = 73

Принимаем 230 мм

Принимаем 215 мм

Принимаем 195 мм

Принимаем 155 мм

Принимаем 120 мм

Принимаем 75 мм

Рисунок 18.1 Сечение стержня и ярма

Затем определяем толщину b пакетов с тем, чтобы ступенчатая фигура вписывалась в окружность диаметра D = 245 мм. Эти действия удобно записать в следующем виде:

Далее определяем геометрическое и активное сечения стержня и его двух средних пакетов (для расчета веса углов магнитопровода, см. далее). Коэффициент заполнения К3 принимаем равным 0,93, как для стали толщиной 0,35 мм с однократной лакировкой (см. табл. 11.1).

Определяем сечение стержня:

Пакет 1

Пакет 2

Пакет 3

Пакет 4

Пакет 5

Пакет 6

23,0 • 8,4 = 193 см2

21,5 • 3,4 = 73 см2

19,5 • 3,0 = 58,5 см2

15,5 • 4,2 = 65 см2

12,0 • 2,4 = 28,8 см2

7,5 • 2,0 = 15 см2

Fф = 433,3 см2

Fст=Kз·Fф=0.93•433.3 = 403 см2

Fст’=0.93(193+73) = 247 см2.

Расчет сечения ярма. Сечение ярма двухступенчатой формы обычно делается усиленным, т. е. его сечение должно быть примерно на 5% больше сечения стержня.

Для определения ширины пластины среднего пакета ярма, т. е. его высоты h1, сначала предположим, что ярмо имеет прямоугольную форму с усилением 15%:

h1=1.15• Fф/b=1.15•433.3/234=21.3, принимаем 21,5 см.

Ширина пластин крайних пакетов ярма равна примерно 0,8 h1 т. е, h2 = 0,8-21,3 = 17,1, принимаем 17,5 см.

Определяем активное сечение ярма

Fя=Kз((b1+2b2)h1+2(b3+b4+b5+b6)h2)=0.93((8.4+3.4)21.5+(3.0+4.2+2.4+2.0)17.5)=

=0.93(254+203)=425 см2

Коэффициент усиления ярма

Kу = ( Fя - Fст ) / Fст = (425 – 403 ) / 403 = 0,055 или 5,5%.

Расчет обмоток

Числа витков НН и ВН. Для этого прежде найдем число вольт на виток ew. Задаемся значением индукции В = 1,7 тл, тогда

eω = 222 BFCT •10-4=222•1,7•403•10-4=15,2 в.

Сначала определяем число витков обмотки НН как меньшее. При этом принимаем во внимание, что при схеме звезда

Uф = Uл/√3

ωНН= Uфнн/eω= Uлнн/√3eω=

=400/(√3•15,2)=15,2 принимаем 16 витков.

Число витков обмотки ВН определяется исходя из фазного коэффициента трансформации

ωВНн= ωнн (UфВН/UфНН)= ωнн (UЛВН√3/ UЛНН √3)=16(10000/400)=400 витков.

Число витков регулировочной ступени обмотки ВН (5%)

ωрег = 0,05 ωВН = 0,05•400 = 20 витков.

Записываем числа витков на всех ступенях напряжения 420 — 400 — 380/16 витков.

Так как число витков НН округлялось до целого числа, то уточняем индукцию в стержне и ярме

ВСТ= UфВН•104/ ωнн•222FCT=400•104/(√3•16•222•403)=1,615 тл.

ВЯ=ВСТ(Fст/ Fя)=1,615(403/425)=1,53 тл.

Расчет фазных токов в обмотках. При схеме «звезда»

Iф = Iл

IфНН= IЛНН =S•103/ (UЛНН √3)=1000•103/(√3•400)=1445a;

IфВН= IЛВН =S•103/ (UЛВН √3)=1000•103/(√3•10000)=57,7a.

Расчет обмотки НН (осевое строение). Для мощности трансформаторов до 1600 ква и при напряжении до 690 в обмотка НН обычно выполняется двухслойной, цилиндрической. Возможен также вариант выполнения обмотки в виде винтовой, двухходовой.

Вариант I. Обмотка двухслойная, цилиндрическая. Плотность тока выбирается в пределах 4—4,5 а/мм2.

Необходимое сечение провода

SП= IфНН/ δНН=1445/4,5=3,21 мм2.

Так как по таблице размеров обмоточного провода такого сечения нет, то следует взять несколько параллельных проводов. Выбираем провод 12,5х5,5 мм сечением 67,8 мм2 и берем 5 параллельных проводов, общее сечение которых будет

SП = 5 х 67,8 = 339 мм2.

Уточняем плотность тока

δНН=1445/339=4,26 а/мм2.

Определяем осевой размер обмотки НН

НоНН=(b+0.55)n(ωНН/2+1)•1,03=(12,5+0,55)•5•(16/2+1)•1,03=605 мм,

где b=12,5 – осевой размер провода, мм;

n=5 – число параллельных проводов;

1,03 – коэффициент, учитывающий не плотность укладки проводов.

Радиальный размер обмотки НН

a1= (a+0,55+1)2+ak=(5,5+0,55+1)2+5=19,1 мм, где

а=5,5 – радиальный размер провода, мм;

l – толщина бандажа из киперной ленты, мм;

ak=5 – радиальный размер масляного канала, мм.

Принимаем а1=20 мм.

Вариант II. Обмотка винтовая, двухходовая. Плотность тока выбирается в пределах 3,5—4 а/мм2. Необходимое сечение провода

SП= IфНН/ δНН=1445/4=3,60 мм2.

Определяем ширину витка

605: (16+ 1) = 35,7 мм.

Ввиду большой ширины витка (с каналами) обмотка выбирается двухходовой.

Выбираем провод 12,5•3,28 мм сечением 40,5 мм2 и берем 10 параллельных проводов.

Уточняем плотность тока

δНН=1445/(10•40,5)=3,57 а/мм2.

Осевое строение обмотки:

2(16+1) проводов• (12,5 + 0,5)

32 канала• 5

1 (средний) канал 12,5

=442 мм

=160 мм

=12,5 мм

Всего

Прессовка

Высота обмотки

614,5 мм

9,5 мм

605 мм

Прессовка составляет (9,5/172,5)•100 = 5,5%.

Радиальный размер обмотки:

a1= ωК (a+0,5)1,03=5(3,28+0,5)1,03 = 19,5 мм.

Радиальное строение обмотки по обоим вариантам:

D=245 мм

5 канал

255

20 обмотка НН

295

D=245 мм

5 канал

255

5 цилиндр

265

6 канал

277

19,5 обмотка НН

316

Из сопоставления обоих вариантов обмотки НН видно, что винтовая обмотка по варианту II менее выгодна, так как требует большего сечения проводов и занимает больше места в радиальном направлении, поэтому для дальнейшего хода расчета принимается вариант I обмотки НН.

Расчет обмотки ВН (осевое строение). Обмотка ВН для данной мощности и напряжения выполняется непрерывной.

Плотность тока выбирается в пределах 3,5—4 а/мм2.

Необходимое сечение провода

SП= IфВН/ δВН=57,5/4=14,5 мм2

Согласно рассуждениям § 3.3 принимаем 42 катушки. При 42 катушках на 1 катушку с каналом приходится (в осевом направлении) 605 : 42 = 14,4 мм.

При канале 6 мм размер провода с изоляцией получается 14,4 — 6 = 8,4 мм.

Выбираем провод 8x1,81 мм сечением 14,4 мм2 .

Уточняем плотность тока

δНН=57,7/14,4=4,01 а/мм2.

Раскладываем витки по катушкам: из 42 катушек 4 катушки ( 10 %) являются регулировочными, остальные — основными:

38 основных катушек х 10 витков = 380 витков

4 регулировочные катушки х 10 витков=40 витков

Всего 42 катушки = 420 витков.

Расчёт осевого строения:

42 катушки х8,5 мм

36 каналов х 6 мм

1 увеличенный средний канал х 12 мм

4 концевых канала х 8 мм

=357 мм

=216 мм

=12 мм

=32 мм

Всего

Прессовка

=617 мм

—12 мм

Высота обмотки

=605 мм

Прессовка изоляционных прокладок составляет

12 / (216+12 + 32)•100 = 4,6%,

что находится в допустимых пределах (4—6%).

Радиальный размер обмотки ВН

а2 = ωк(а+ 0,5)1,03= 10(1,81 +0,5)1,03 = 23,8 мм,

где ωк = 10 — число витков в катушке;

1,03 — коэффициент неплотности.

Принимаем а2 = 24 мм.

Радиальное строение обмоток (предварительное):

D=245 мм

5 канал

255

20 обмотка НН

295

17 минимальное изоляционное расстояние

329

24 обмотка ВН

377

Размер главного канала рассеяния (17 мм) необходимо проверить на получение нужного значения напряжения рассеяния UP

Для получения заданного значения напряжения короткого замыкания (UK = 5,5%) напряжение рассеяния должно быть

где .

Приняв величину дополнительного рассеяния 5%, необходимо получить напряжение рассеяния от основного продольного поля

По предварительному расчету напряжение рассеяния (обозначил его через up'')

.

Где Dcp=29,5+1,7=31,2 – средний диаметр главного канала рассеяния, см.

= 1,7+(2+2,4)/3=3,17 – приведенный канал рассеяния, см.

Кр= 1-(1,7+2+2,4)/π60,5 = 0,968;

=400/(√3•16) = 14,4 в.

Так как значение up’’меньше, чем up’, то необходимо увеличить размер главного канала рассеяния.

Это увеличение может быть определено по формуле

т. е. ширина главного канала должна быть а = 17 + 18 = 35 мм.

Рисунок 18.2 Основные размеры магнитопровода и обмоток, полученные по расчёту.

Окончательно радиальное строение будет иметь вид:

D = 245 мм

5 канал

255

20 обмотка НН

295

15 канал

325

5 цилиндр

335

15 канал

365

24 обмотка ВН

413

22 расстояние между обмотками ВН соседних фаз Расстояние между осями стержней МО получилось равным 413+22=435 мм.

Высота Н окна магнитопровода равна высоте (длине) Но обмотки плюс изоляционные расстояния до ярма, которые для данной мощности и напряжения равны 50 мм:

Н = Но + 2-50 = 605 + 100 = 705 мм.

Таким образом, получены все основные размеры магнитопровода и обмоток ВН и НН, схематично показанные на рис. 18.2.

Определение весов активных материалов

Вес стержней магнитопровода

GCT = γmFCTH•10-3 = 7,65•3•403•70,5•10 -3 = 652 кГ.

Вес ярм

Gя = Gя.п + Gя.у= γ4FяМО•10-3 + γ2(FCТ h2+ F'CT(h1h2)) 10-3 = 7,65•4•425•43,5•10-3 + 7,65•2(403•17,5 + 247(21,5— 17,5)) 10-3 = 565 + 123 = 688 кГ, где Gя.п и Gя.у — веса прямой и угловой частей ярма.

Общий вес электротехнической стали

Gc = GCT + GЯ = 652 + 688 = 1340 кГ.

Расчет веса обмоточной меди. Обмотка НН

GHH = mπγsnDHHωHH•10-6 = 84•339•275•ll6•10-6 = 126 кГ.

Обмотка ВН

G'BH = 84•14,4•389•420•10-6 = 198 кГ,

G'BH = 84•14,4•389•400•10-6 = 189 кГ (для расчета потерь короткого замыкания).

Общий вес обмоточной меди

GМ = GHH + GBH = 126 + 198 = 324 кГ.

Расчет характеристик

Расчет потерь и тока холостого хода. Потери холостого хода

Рх= 1,1[pстGт + pя(Gя.п + КуGя.у)]== 1,1(1,67•652 + 1.47(565+ 1,5•123]=

= 1.1(1090+ 1100) = 2400 вm.

Намагничивающий ток

Активная составляющая тока холостого хода

ioa=Px/10S=2400/10•1000=0,24%

Ток холостого хода

Расчет потерь короткого замыкания. Обмотка НН

РкНН = 2,4δ2НН GНН = 2,4.4,262 •126•1,055 = 5800 вm.

Обмотка ВН

Рквн =2,4•4,012•189•1,02 = 7400 вm.

Потери в отводах НН

Ротв=(S/100)•(IфНН/100)=(1000/10)•(1445/100)≈150 вт

Потери в стенках бака

Рб = 0,007•S1.5 =0,007•10001.5 =250 вт.

Потери короткого замыкания

Рк = РкНН + РкВН + Pтв + Pб = 5800 + 7400 + 150 + 250= 13 600 вт.

Расчет напряжения короткого замыкания. Активная составляющая

ua=Pk/10S=13600/10•1000=1.36%

Напряжение рассеяния

Δ = 3,5+(2+2,4)/3=4,97 см

Кр= 1-(3,5+2+2,4)/π60,5 = 0,958;

u'p=(1445•16•33•4.97•0.958)/(806•60.5•14.4)=5.17%

up=1.05 u'p=1.05•5.17=5.43%

Напряжение короткого замыкания

Расчет изменения напряжения:

а) при cosφ2 = 0,8

б) при cosφ2 = 1

Δu=ua+up2/200=1.36+0.14=1.5%

Расчет коэффициента полезного действия:

а) при cosφ2 = 0,8

б) при cosφ2= 1

.

§ 18.4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 1000 ква

Расчет перегрева обмотки НН. Поверхность охлаждения цилиндрической двухслойной обмотки определяется по формуле

SHH=3.5mπDcpH0-3mncH0=3•3.5π•0.275•0.605-3•3•8•0.015•0.605=5.48-0.65=4.83 см2,

где 3,5 — число охлаждаемых поверхностей обмотки НН;

m — число фаз (стержней);

Dcp — средний диаметр обмотки НН, м;

3 — число поверхностей, закрытых рейками;

n — число реек;

с = 0,015 — ширина рейки, м.

Удельная тепловая нагрузка поверхности обмотки НН

qoHH=PkHH/sHH=5800/4.83=1200 вт/м2

Перегрев обмотки НН над маслом

τоНН = 0,159qoHH0.7=0.159•12000.7=0.159•143 = 22,7≈23oC

Дробные степени чисел находятся по табл. 18.1.

Таблица 18.1

Число A

A0.6

A0.7

A0.8

300

95,9

400

120,7

500

41,6

77,5

144,3

600

46,4

88,0

166,9

700

50,9

98,1

188,8

800

55,2

107,7

900

59,1

116,9

1000

63,1

125,9

1100

66,8

134,6

1200

70,4

143,0

1300

73,9

151,3

—.

1400

77,2

159,3

1500

80,5

167,2

1600

83,6

174,9

1700

86,75

182,5

1800

89,8

190,0

1900

92,75

197,3

2000

95,6

204,5

Расчет перегрева обмотки ВН. Коэффициент закрытия поверхности

катушек прокладками

Kз=(πDcp)/( πDcp-nc)= π•389/(π•389-8•40)=1.35,

где Dcp — средний диаметр обмотки ВН, мм;

n — число прокладок по окружности;

с — ширина прокладки, мм.

Периметр сечения катушки

р = 2 (bИЗ + а2) = 2 (8,5 + 24) = 65 мм.

Удельная тепловая нагрузка поверхности обмотки ВН

qoВH=21.4ωδKзKД/p=21.4•57.7•10•4.01•1.35•1.02/65=1050 вт/м2

Перегрев обмотки ВН над маслом

τoВH=0,358 qoВH0,6=0,358•10500,6=0,358•65=23,3≈23,5оС

Поправка на перегрев в зависимости от размеров масляного канала (6•24 мм) принимается по табл. 10.2.

τo2КАН qoВH•10-3=-3,9•1050•10-3=-4 оС

Окончательное значение перегрева обмотки ВН

23,5 — 4= 19,5°С.

Расчет перегрева масла. Определяем размеры бака (см. рис. 10.10).

Длина бака

А = 2М0 + Dвн + 2•75 =2•435 + 413+2•75 = 1433 ≈ 1440 мм;

ширина бака

В = DBH + 2• 150 = 413 + 2•150 = 713 ≈ 720 мм;

высота бака

Нб = Н + 2hя + Hя.к + 50 = 705 + 2•215+300 + 50=1485≈1500 мм;

периметр стенки бака

Рб = πB + 2(А— B)=π720 + 2(1440— 720) = 3700 мм;

поверхность боковой стенки бака

Sб.c =pбHб = 3,7•1,5 = 5,55 м2;

поверхность крышки

sKp=π/4 + (А — В)В = π 0,723 + (1,44 —0,72)0,72 = 0,92 м2;

Для определения необходимого числа рядов труб находим требуемый коэффициент кратности охлаждаемой поверхности (стенки бака) согласно табл. 10.4, приняв предварительно qб = 540 вт/м2,

Ккр=(Рх+Рз)/qбsб.с=(240+13600)/(540•5,55)=5,35.

Принимаем три ряда труб, для чего высота бака должна быть увеличена

ΔHб=((5,35-5,2)/5,2)•1,5≈0,05 м.

Принимаем окончательно

Hб= 1,5 + 0,05 = 1,55 м.

Полная эффективная поверхность бака

sб =Kкpsб.c + 0,75sKP = 5,2-3,7-1,55 + 0,75-0,92 = 30,5 м2;

Удельная тепловая нагрузка поверхности бака

qб +( Рк+ Рх)/sб=16000/30.5=525 вт/м2 .

Средний перегрев масла

τмас=0,262qб0,8 = 0,262•5250,8 = 0,262•150 = 39,3°С.

Перегрев верхних слоев масла (без поправки по табл. 10.3)

τв.с.мас=1,2 τмас = 1,2•39,3 = 47,2°С.

Высота центра потерь

Hp=1/2H+hя+50=705/2+215+50=617 мм;

Высота центра охлаждения

Нохл=1/2Нб=1550/2=775 мм;

Отношение Нрохл=617/775=0,8.

Поправка на перегрев верхних слоев масла по табл. 10.3 τмас = 5,6°С.

Окончательно перегрев верхних слоев масла будет

τв.с.мас = 47,2 + 5,6≈ 53°С < 55°С.

Перегрев обмотки НН над воздухом

τНН= τоНН+ τмас=23+39,3= 62,3°С < 65°С.

Перегрев обмотки ВН над воздухом

τВН= τоВН+ τмас = 19,5 + 39,3 = 59аС < 65°С.

Рассчитанные перегревы масла и обмоток не превышают допустимых норм.

§ 18.5. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 1000 ква

Расчет механических усилий ведется по формулам, приведенным в § 7.4.

Максимальное радиальное усилие [по (7.4)]

То же, при коротком замыкании [по (7.5)]

где.

Осевое усилие внутри обмоток [по (7.6)]

Осевое усилие от несимметричного расположения намагничивающих сил по высоте обмоток [по (7.7)]

где H1 = 4•8,5 + 3•6 +1•12= 64 мм = 6,4 см (на ступени —5%),

Нр=(B-b)/2=(72-23.4)/2=24.3 см;

В — ширина бака, см;

b — толщина магнитопровода, см;

Кр — коэффициент Роговского;

m = 4.

Общее осевое усилие Foc будет (для обмотки BH) суммой осевых усилий F'oc и Foc [по (7.8)]

Foc= F'oc + F”oc=4,8+8=12,8 кГ.

При коротком замыкании осевое усилие возрастает пропорционально квадрату кратности тока короткого замыкания с учетом свободной составляющей тока

F0CK= 12,8•700 = 8950 кГ.

Площадь опоры прокладок из электрокартона в обмотке

ВН sпp = nca2 = 8•4•2,4 = 77 см2,

где n— число прокладок по окружности;

с — ширина прокладки, с = 40 мм = 4 см,

а2 — радиальный размер обмотки ВН.

Наибольшее удельное давление на прокладки

δ= F0CK/ sпp=8950/77=116 кГ/см2,

что вполне допустимо.

§ 18.6. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 2500 ква 35 кв

Расчет магнитопровода

Выбор размеров пластин пакетов стержня. Для заданного диаметра D = 300 мм с числом ступеней п = 7 целесообразно выбрать нормализованные размеры ширины пластин, принятые для отечественных заводов. Для данного диаметра эти размеры следующие: c1 = 295; с2 = 270; с3 = 250; с4 = 230; с5 = 215; с6 = 175; с7 = 135 мм.

Определяем толщину пакетов:

Определяем сечения стержня:

Пакет 1

Пакет 2

Пакет 3

Пакет 4

Пакет 5

Пакет 6

Пакет 7

29,5 X 1,8= 53,1 см2

27,0 X 11,2=302,5 см2

25,0 X 3,6 = 90,0 см2

23,0 X 2,6= 59,8 см2

21,5 X 1,6= 34,4 см2

17,5 Х 3,6= 63,0 см2

13,5 Х 2,4 = 32,4 см2

=635,2 см2

Fcт=KзFф=0,93•635,2=590см2

Расчет сечения ярма. Сечение ярма принимается по форме и размерам, равным сечению стержня. Лишь крайний (7-й) пакет для лучшей прессовки ярма делается по ширине равным 6-му пакету.

Таким образом, активное сечение ярма будет

Fя= Kз[Fф+(c6-c7)2b7]=0.93[635.2+(17.5-13.5)2.4]=600 см2.

Расчет обмоток

Числа витков НН и ВН. Для этого прежде найдем число вольт на виток

eω=222BFc•10-4 = 222 • 1,7 • 590 •10-4 = 22,3 в.

На стороне НН при схеме треугольник Uф = Uл.

Определяем число витков обмотки НН

ωНН= UфНН/ eω= UлНН/ eω=6300/22,3=282 витка.

На стороне ВН при схеме «звезда» Uф = Uл/√3.

Определяем число витков обмотки ВН

ωВН= ωНН•UфВН/ UфНН= ωНН•UлВН/ √3UлНН=282•35000/(√3•6300)=904 витка

Число витков регулировочной ступени (2,5%)

ωрег=0,025 ωВН=0,025•904=22,6 витка.

Принимаем 23 и 22 витка.

Записываем числа витков на всех ступенях напряжения: 949-927-904-881-859/282 витков.

Уточняем индукцию в стержне и ярме

Вст= UФВН•104/( ωНН•222 Fcт)=6300•104/(282•222•590)=1,7тл

Вя=Вст• Fcт/ Fя=1,7•590/600=1,67 тл.

Расчет фазных токов в обмотках. В обмотке НН при схеме «треугольник» Iф=Iл/√3.

IФНН= IЛНН/√3=S•103/(3 • UЛНН)=2500•103/(3•6300)=132 a.

В обмотке ВН при схеме «звезда» Iф=Iл

IФНН= IЛНН=S•103/(√3• UЛНН)= 2500•103/(√3•3500)=41,2 а.

Расчет обмотки НН (осевое строение). Для данных мощности и напряжения применяется непрерывная обмотка.

Плотность тока выбирается в пределах 3,5—4 а/'мм2.

Необходимое сечение провода

Sп= IфНННН=132/4=33мм2.

Выбираем провод 10,8 х 3,28 мм, сечением 34,9 мм2.

Уточняем плотность тока

δНН=132/34,9=3,78 а/мм2

Высота обмотки ориентировочно должна быть

Но = Н — 2lп= 1000 — 2•75 = 850 мм.

На провод и канал (6 мм) требуется размер

10,8 + 0,5+6 = 17,3 мм.

Число катушек обмотки

850 : 17,3 ≈ 49, принимаем 48 катушек.

Осевое строение обмотки НН:

48 катушек Х 11,3 мм

44 канала Х 6 мм

3 канала X 12 мм

=542 мм

=264 мм

=36 мм

Всего

Прессовка

=842 мм

-17мм

Высота обмотки Но

=825 мм

Прессовка прокладок составляет

17•100/(264+36)=5,7%

Раскладка витков по катушкам;

42 катушки X 6 витков = 252

6 катушек х 5 витков = 30

Всего 48 катушек = 282 витка.

Расчет обмотки ВН (осевое строение). Применяется непрерывная обмотка. Необходимое сечение провода

Sп= IфВНВН=41,2/4=10,3 мм2.

Выбираем провод 5,9 Х 1,81 мм, сечением 10,5 мм2.

Уточняем плотность тока

δВН=41.2/10.5=3.92 а/мм2,

На один провод (катушку) и один канал приходится (в осевом направлении)

5,9 + 0,5+ 6= 12,4 мм.

Число катушек обмотки 825: 12,4 = 67, принимаем 68 катушек.

Для регулирования в пределах ±2x2,5% число регулировочных катушек должно быть кратным четырем. Следовательно, имеем 60 основных и 8 регулировочных катушек.

Раскладка витков по катушкам:

41 катушка X 14 витков

19 катушек х 15 витков

=574

=285

=859 витков

6 катушек х 11 витков

2 катушки X 12 витков

=66

=24

Всего 68 катушек

=949 витков.

Расчет осевого строения:

68 катушек х 6,4 мм

66 каналов х 6 мм

1 канал X 16 мм

=435 мм

=396 мм

=16 мм

Всего

Прессовка

=847 мм

— 22 мм

Высота обмотки Но

=825 мм

Прессовка прокладок составляет

22•100/(396+16)=5,3%

Радиальный размер обмотки НН

al = ωK (a +0,5) 1,03 = 6(3,28 + 0,5)1,03 = 23,4 мм, принимаем a1= = 24 мм.

Обмотка ВН:

а2= 15(1,81 + 0,5) 1,03 = 35,7 мм, принимаем а2 = 36 мм.

Радиальное строение обмоток (предварительное):

D = 300 мм

5 канал 310

5 цилиндр

320

8 канал

336

24 обмотка НН

384

27 минимальное изоляционное расстояние

438

36 обмотка ВН

510

Проверяем главный канал (27 мм) на получение нужного значения напряжения рассеяния uр. Для получения заданного значения uк = 6,5% напряжение рассеяния должно быть:

где

ua=PK/10S=23500/(10•2500)=0,94%

При дополнительном рассеянии 5% напряжение рассеяния от основного поля должно быть

up= up/1,05=6,44/1,05=6,13%

Предварительное значение напряжения рассеяния

,

где Dcp=38,4+2,7=41,1см,

Δ=2,7+(2,4+3,6)/3=4,7 см,

Кр=1-(2,7+2,4+3,6)/(π82,5)=0,966.

Так как uр" получилось меньше uр', то размер главного канала следует увеличить.

Увеличение канала определяется по формуле

т. е. ширина главного канала должна быть

а = 27 + 13 = 40 мм.

Окончательно радиальное строение будет иметь вид:

D = 300 мм

5 канал 310

5 цилиндр320

8 канал 336

24 обмотка НН

384

18 канал 420

6 цилиндр432

16 канал 464

36 обмотка ВН 536

34 расстояние между фазами

МО = 570 мм

Расстояние между осями стержней МО получилось равным 570 мм.

Высота Н окна магнитопровода равна высоте обмотки На плюс изоляционные расстояния до ярма, которые для данной мощности и напряжения равны 75 мм:

Н = Но + 2 • 75 = 825 + 150 = 975 мм.

Таким образом определены основные размеры магнитопровода и обмоток ВН и НН.

Определение весов активных материалов

Расчет веса стали при симметричном сечении ярма, повторяющем форму сечения стержня, целесообразно производить по средней (осевой) линии сечений стержня и ярма. Длину крайних стержней и ярм можно считать от середины угла магнитопровода (рис. 18.3).

Длина среднего стержня может быть принята равной Н с добавлением удлинения пакетов от 2-го до предпоследнего.

Вес стержней магнитопровода

Gст=γFст(3H+2c1)10-3+γ[2b2c2(c1-c2)+2b3c3(c1-c3)+2b4c4(c1-c4)+2b5c5(c1-c5)+

+2b6c6 (c1-c6)+2b7c7(c1-c7)]10-3.

Определяем вес почленно:

7,65 • 590 (3 • 97,5 + 2• 29,5) 10-3= 1590 кГ

7,65 • 11,2 •27(29,5 — 27) 10-3= 6 кГ

7,65 • 3,6 • 25(29,5 — 25) 10-3 =3 кГ

7,65 • 2,6 • 23(29,5—23) 10-3 =3 кГ

7,65•1,6•21,5(29,5—21,5) 10-3 =2 кГ

7,65•3,6•17,5(29,5— 17,5) 10-3 =6 кГ

7,65•2,4•13,5(29,5— 17,5) 10-3 =3 кГ

Gст=1613кГ

Вес ярм

Gст=γFЯ•4МО•10-3=7,65•600•4•57•10-3=1050 кГ

Рисунок 18.3 Определение длины стержней и ярма при многоступенчатых ярмах.

Вес углов стержня и ярма

Gу= Gст.у.+ GЯ.у.= γFСТ•2с1+ γFЯ•2с1=

=7,65•590•2•29,5•10-3+7,65•600•2•29,5•10-3=266+271=537 кГ

Общий вес электрической стали

Gс= GCТ.+ GЯ=1613+1050=2663 кГ.

Расчет веса обмоточной меди. Обмотка НН

GНН = mγπSп DHHωHH10-6= 84 • 34,9 • 360 • 282 • 10-6= 298 кГ.

Обмотка ВН

GBH = 84 • 10,5 •500 • 949• 10-6= 418 кГ,

GBH = 84 • 10,5 •500 • 904• 10-6= 398 кГ (для расчета потерь короткого замыкания).

Общий вес обмоточной меди

GM = GHH + GBH= 298+418 = 716 кГ.

Расчет характеристик

Расчет потерь и тока холостого хода. Потери холостого хода

Рх= l,lpCT[GCT + (Ky— l)GCT.У]+ 1,1pя[Gя + (Ку— 1)Gя у] =

=1,1• 1,91 (1613 + 0,5• 266) + 1.1• 1,82(1050 +0,5•271) = 3660 + 2370 = 6030 вт.

Намагничивающий ток

iop=(qстGст+ qяGя+nстqз.стFст+ nяqз.яFя)10S=

=(25•1613+20.7•1050+3•3.72•590+4•3.39•600)/(10•2500)=3.07%

Активная составляющая тока холостого хода

iop =Px/10S=6030/(10•2500)= 0,24%.

Ток холостого хода

Расчет потерь короткого замыкания. Обмотка НН

PkHH=2.4δ2HHGHHKф=2,4•3,782•298•1,03=10500 вт

Обмотка ВН

PkВH=2,4•3,922•298•1,03=14900 вт

Потери в отводах НН

Pотв=(S/100)•(IфНН/100)=(2500/100)•(132/100)=33 принимаем за 50 вт.

Потери в стенках бака

Рб = 0,007 •S1.5 = 0,007 • 25001.5 = 875 ≈900 вт.

Потери короткого замыкания

РккННкВНотв+Рб= 10 500 + 14 900 + + 50 + 900 = 26 350 вт.

Расчет напряжения короткого замыкания. Активная составляющая

ua=Pk/10S=26350/(10•2500)=1.05%

Напряжение рассеяния

Δ=4+(2.4+3.6)/3=6 см

Кр=1-(4+2.4+3.6)/(π82,5)=0,961,

u’p=(132•282•42.4•6•0.961)/(806•82.5•22.3)=6.13%,

up=1.05u’p=1.05•6.13=6.44%

Напряжение короткого замыкания

Расчет изменения напряжения:

а)при cosφ2 = 0,8

Δu= 1,05 • 0,8 + 6,44 • 0,6 + (6.44•0,8-1,06 •0,6)2/200=0.84+3.86+0.1=4.8% _

б)при при cosφ2 = 1

Δu=1.05+6.442/200=1.26%

Расчет коэффициента полезного действия:

а)при cosφ2 = 0,8

η=(1-(6030+26350)/(2500•0.8•103+6030+26350))•100=98.4%

б)при при cosφ2 = 1

η=(1-(6030+26350)/(2500•103+6030+26350))•100=98.72%

§18.7. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 2500 ква

Расчет перегрева обмотки НН. Коэффициент закрытия поверхности катушек прокладками

КзDcp/( πDcp-nc)= π•360/(π•360-8•40)=1,4.

Периметр сечения катушки

p=2(a1+bиз)= 2(24+ 11,3) = 70,6 мм.

Удельная тепловая нагрузка поверхности обмотки НН

qoHH=21,4IωδKзKД/p=21,4•132•6•3.78•1.4•1.03/70.6=1230 вт/м2.

Перегрев обмотки над маслом

τоНН=0,41 qoHH0,6 =0,41• 12300,6 = 0,41•70 = 28,6°С.

Поправка на перегрев в зависимости от размеров масляного канала (6 х 24 мм) принимается по табл. 10.2

Δτо2КАН•qоНН•10-3=-3,9•1230•10-3=-4,8° С

Окончательное значение перегрева обмотки НН

28,6 — 4,8 = 23,8 ≈ 24° С.

Расчет перегрева обмотки ВН. Коэффициент закрытия поверхности катушек прокладками

Кз= π•500/(π•500-8•40)=1,26

Периметр сечения катушки

p=2(6,4+36) = 84,8 мм.

Удельная тепловая нагрузка поверхности обмотки ВН

qoВH==21,4•41,2•15•3.92•1,26•1.02/84,8=790 вт/м2

Перегрев обмотки ВН над маслом

τоВН==0,41• 7900,6 = 0,41•55 = 19,7°С.

Поправка на перегрев принимается по табл. 10.2

Δτо2=-3,9•790•10-3=-1,8° С.

Окончательное значение перегрева обмотки ВН

19,7 — 1,8 = 17,9 ≈ 18° С.

Расчет перегрева масла. Определяем размеры бака:

длина бака

А = 2МО + DBH + 2• 75 = 2• 570 + 536 + 2 • 75 = 1826≈1850 мм;

ширина бака

S = DBH + 2• 150 = 570 + 2• 150 = 870 мм;

высота бака

Но = Н + 2с1 + Ня. к + 50 = 975 + 2• 295 + 470 4- 50 = 2085 мм.

Так как для данной мощности применяются радиаторные баки, то следует принять минимальную высоту бака по табл. 10.6, т. е. 2225 мм;

Рисунок 18.4 Размещение радиаторов на баке трансформатора мощностью 2500 вт

периметр стенки бака

рб = πВ + 2 (А — В) = π •870 + 2 (1850 — 870) = 4690 мм;

поверхность боковой стенки бака

s6.с = р6 Нб = 4,69 •2,225 = 10,4 м2;

поверхность крышки

sкp = π/4•B2 + (А — В) В = π/4•0.872 + (1,85 — 0,87) 0,87 = 1,44 м2.

Определяем необходимую поверхность охлаждения

sохл=(Рхк)/qб=(6030+26350)/540=60 м2.

Требуемая поверхность радиаторов

sрад= sохл-sб.с.-0.75sкр=60-10,4-0,75•1,44=48,5 м2.

Берем 5 одинарных радиаторов 188/9,4.

Пользуясь данными рис. 10.13, проверяем размещение радиаторов на стенке бака (рис. 18.4).

Полная эффективная поверхность охлаждающего устройства

sохл'= 10,4+ 5•9,45+ 1,08 = 59,7 м2.

Удельная тепловая нагрузка поверхности бака

qб=(Px+Pk)/sохл'= 32380/59.7=542 вт/м2.

Средний перегрев масла

τмас= 0,262qб0,8 = 0,262 •5420.8 =0,262• 155 = 40,6° С.

Перегрев верхних слоев масла (без поправки по табл. 10.3)

τв.смас=1,2τмас = 1,2•40,6 = 48,7оС.

Высота центра потерь

Hр= ½•Н + с1 + 50 = ½•975 + 295 + 50 = 832,5 мм.

Высота центра охлаждения

Нохл =1/2•Нб=112,5 мм.

Отношение Нбохл=832,5/1112,5=0,75.

Поправка на перегрев верхних слоев масла по табл. 10.3

Δτмас = 4,8°С.

Окончательно перегрев верхних слоев масла будет

τв.с.мас = 48,7+4,8 = 53,5° С.

Перегрев обмотки НН над воздухом

τННоННмас= 24 + 40,6 = 64,6° С < 65° С.

Перегрев обмотки ВН над воздухом

τВНоВНмас=18+40,6=58,6° С < 65° С.

Рассчитанные перегревы масла и обмоток не превышают допустимых норм.

§ 18.8. РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В ОБМОТКАХ ТРАНСФОРМАТОРА МОЩНОСТЬЮ 2500 ква

Максимальное радиальное усилие [по (7.4)]

Fp= 12,8 ()2 Dcp/Ho)•10-8= 12,8 (132•282)2 (π42,4/82,5)•10-8=285 кГ.

То же, при коротком замыкании [по (7.5)]

Fp.к.= FpKм2 (100/uk)2 =285•1.62(100/6.5)2 =173000 кГ,

где

Осевое усилие внутри обмоток [по (7.6)]

Foc’=FpΔ/(2Ho)=285•6/(2•82.5)=10.4 кГ

Осевое усилие от несимметричного расположения намагничивающих сил по высоте обмотки [по (7.7)]

Foc'' = FPH1/(HpKpm)=285•11.9/(30.1•0.961•4)=10.4 кГ

где Н1 = 8•6,4 + 7• 6+ 1 •16= 119 мм= 11,9 см (на ступени— 5 %);

Нр=(B-b)/2=(87-26,8)/2=30,1 см

Общее осевое усилие Foc будет (для обмотки ВН) суммой осевых усилий F'oc и Fос’’, [по (7.8)]

Foc = F'oc + Fос’’= 10,4 + 29,2 = 39,6 кГ

При коротком замыкании осевое усилие возрастает пропорционально квадрату кратности тока короткого замыкания с учетом постоянной слагающей тока

Fос. к = 39,6 • 606 = 24 000 кГ.

Площадь опоры прокладок из электрокартона в обмотке ВН

sпp = nc2а2 =8 •4• 3,6= 115 см2.

Наибольшее удельное давление на прокладки 24 000

σ= Fос. к/ sпp=24000/115=209 кГ/см2, что является допустимым.

§18.9. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

В объем курсового проекта, кроме расчета силового трансформа тора, входит также выполнение чертежей основных узлов трансформатора — магнитопровод (остов) и обмотка ВН и НН (установка).

Рисунок 18.5 Установка обмоток трансформатора мощностью 1000 ква, 10 кв.

Чертеж остова должен иметь не менее двух проекций остова и выполненные отдельно сечения стержня и ярма, на которых должны быть показаны элементы их прессовки (стяжки).

Чертеж установки обмоток должен иметь две проекции обмоток ВН и НН, насаженных друг на друга, с деталями крепления их на стержне и опорной изоляцией на ярмах. Кроме того, должен быть показан (в разрезе) вывод концов обмотки НН, общее расположение выводных концов и схема соединения обмоток. Желательно также показать отдельные детали, например место перехода и его изоляцию у непрерывной обмотки и т. п.

Рисунок 18.6 Остов трансформатора мощностью 1000 ква, 10кв

Оба чертежа должны быть выполнены по всем правилам машиностроительного черчения с соблюдением масштабов, заполнения спецификации и т. д.

В качестве примера на рис. 18.5 и 18.6 приводятся выполненные учащимся чертежи установки обмоток и остова силового трансформатора мощностью 1000 ква, 10 кв, по заданию для расчета § 18.2.

ЛИТЕРАТУРА

В. Е. Китаев. Трансформаторы. «Высшая школа».1967.

П. М.Тихомиров. Расчет трансформаторов. «Энергия», 1968.

А. В. Сапожников. Конструирование трансформаторов. Госэнергоиздат, 1956.

М. М. Кацман. Электрические машины и трансформаторы. «Высшая школа», 1971.

М. П. Костенко и Л. М. Пиотровский. Электрические машины. «Энергия», 1964.

А. М. Годунов. Охлаждающие устройства масляныхтрансформаторов. «Энергия», 1964.

В. В. Порудоминский. Трансформаторы с переключением под нагрузкой. «Энергия», 1965.

П. М. Тихомиров. Расчет трансформаторов для дуговых электрических печей. Госэнергоиздат, 1959.

Е. А. Каганович. Испытание трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кв включительно. «Энергия», 1969.

Содержание

Введение

§ 1. Развитие электротехники и роль русских ученых в изобретении

§ 2. Состояние отечественного трансформаторостроения до Октябрьской революции и его развитие в годы Советской власти

§ 3. Основная роль трансформатора в распределении электрической энергии

Глава I. Общие вопросы проектирования силовых трансформаторов

§ 1.1. Принцип действия трансформатора и основные его части

§ 1.2. Общее устройство силовых трансформаторов

§ 1.3. Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

§ 1.4. Влияние величины мощности трансформатора на его размеры, вес, потери и другие характеристики.

§ 1.5. Классификация силовых трансформаторов по ГОСТам. Разделение по габаритам. Обозначение типов

Глава II. Основные требования к расчету силовых трансформаторов

§ 2.1. Объем задания по расчету силового трансформатора.

§ 2.2. Нормативы ГОСТов на силовые трансформаторы. Допуски на задаваемые величины.

§ 2.3. Схемы и группы соединений.

§ 2.4. Выбор основных размеров (модели) магнитопровода.

§ 2.5. Теория соразмерности и использование заводского опыта расчета для выбора модели.

Глава III Электромагнитный расчет трансформатора.

§3.1. Расчет магнитопровода — определение диаметра, сечения, числа ступеней стержня и ярма, коэффициента заполнения.

§ 3.2. Расчет обмоток. Расчет токов, числа витков и выбор размера проводов

§ 3.3. Выбор типа обмоток ВН и НН, выбор изоляционных промежутков, размещение (раскладка) витков в окне магнитопровода, определение осевого и радиального строений обмоток.

Глава IV Расчет режима холостого хода трансформатора/

§4.1. Эксплуатационные параметры (характеристики) холостого хода по ГОСТу: потери и ток холостого хода.

§ 4.2. Коэффициент трансформации.

§ 4.3. Определение веса магнитопровода.

§ 4.4. Расчет потерь холостого хода Рх.

§ 4.5. Расчет тока холостого хода.

§ 4.6. Активная и реактивная составляющие тока холостого хода/

§ 4.7 Зависимость тока и потерь холостого хода от величины первичного напряжения.

§ 4.8. Уравнение баланса э. д. с. при холостом ходе.

Глава V. Расчет режима нагрузки трансформатора.

§5.1. Эксплуатационные параметры (характеристики) трансформатора по ГОСТу при его нагрузке: потери и напряжение короткого замыкания, изменение напряжения и к. п. д.

§ 5.2. Расчет потерь короткого замыканця.

§ 5.3. Расчет добавочных потерь и потерь в отводах.

§ 5.4. Потоки рассеяния при нагрузке трансформатора.

§ 5.5. Вывод расчетной формулы напряжения рассеяния.

§ 5.6. Расчет напряжения короткого замыкания.

Глава VI. Изменение напряжения и коэффициент полезного действия.

§ 6.1. Изменение напряжения трансформатора. Вывод расчетной формулы.

§ 6.2. Внешняя характеристика трансформатора.

§ 6.3. Расчет коэффициента полезного действия трансформатора.

§ 6.4. Условия для получения наибольшего значения к. п. д.

Глава VII. Дополнительное магнитное рассеяние и механи ческие усилия.

§ 7.1. Неравномерное распределение намагничивающих сил по высоте обмоток.

§ 7.2. Расчет дополнительного реактивного падения напряжения от возникновения поперечного потока рассеяния.

§ 7.3. Механические силы взаимодействия обмоток трансформатора.

§ 7.4. Расчет радиальных и осевых механических усилий.

Глава VIII. Расчет специальных трансформаторов.

§ 8.1. Расчет автотрансформаторов. Распределение токов по ветвям обмотки. Типовая мощность.

§ 8.2. Расположение обмоток автотрансформатора на стержнях магнитопровода.

§ 8.3. Трехфазные автотрансформаторы.

§ 8.4. Расчет трехобмоточных трансформаторов. Основные сведения. Режим холостого хода.

§ 8.5. Режим нагрузки трехобмоточных трансформаторов. Расчет потерь и напряжения короткого замыкания

§ 8.6. Расчет индивидуальных падений напряжения трех-обмоточного трансформатора.

§ 8.7. Расчет изменения напряжения и к. п. д. при различных распределениях нагрузки по вторичным обмоткам трех-обмоточного трансформатора.

§ 8.8- Расчет трансформаторов для питания ртутных выпрямителей.

§ 8.9. Одно- и многофазные схемы выпрямления переменного тока при помощи ртутного выпрямителя и питающего его трансформатора.

§ 8-10. Определение среднего значения выпрямленного напряжения.

§ 8.11. Типовая мощность трансформатора для питания ртутных выпрямителей.

§ 8.12. Сглаживающие фильтры.101

Глава IX. Регулирование напряжения трансформатора

§ 9.1. Требования ГОСТа к регулированию напряжения.

§ 9.2. Регулирование напряжения переключением без возбуждения. Прямая и оборотная схемы обмоток.

§ 9.3. Регулирование напряжения под нагрузкой. Применяемые схемы.

§ 9.4. Устройство и схема работы переключающего устройства.

§ 9.5. Определение значений сопротивлений токоограничивающих реакторов и резисторов.

§9.6. Схемы РПН с плавным регулированием напряжения.

Глава X. Тепловой расчет трансформатора

§ 10.1. Нагревание частей трансформатора от его потерь.

§ 10.2. Нормы нагрева и методы измерения температуры.

§ 10.3. Способы теплопередачи от обмотки и масла через стенки бака и охлаждающие устройства в окружающую среду.

§ 10.4. Расчет установившегося превышения температуры обмотки относительно температуры масла.

§ 10.5. Расчет установившегося превышения температуры масла относительно температуры окружающего воздуха.

§ 10.6. Охлаждающие устройства масляных трансформаторов. Расчет охлаждаемой (теплоотдающей) поверхности.

§ 10.7. Неустановившееся тепловое состояние трансформатора.

Глава XI. Типы и устройство магнитопроводов.

§ 11.1. Электротехническая сталь.

§ 11.2. Типы одно- и трехфазных магнитопроводов.

§ 11.3. Стыковые и шихтованные магнитопроводы.

§ 11.4. Схемы шихтовки одно-и трехфазных магнитопроводов.

§ 11.5. Влияние схем шихтовки и величины воздушных (немагнитных) зазоров на характеристики холостого хода.

Глава XII. Типы и устройство обмоток.

§ 12.1. Общие требования.

§ 12.2. Обмоточные провода и типы обмоток.

§ 12.3. Направление намотки катушек.

§ 12.4. Цилиндрическая слоевая обмотка.

§ 12.5. Катушечная слоевая (секционная) обмотка.

§ 12.6. Дисковая и непрерывная обмотки.

§ 12.7. Винтовая одно- и двухходовая обмотки.

§ 12.8. Выполнение и расчет транспозиций в винтовой обмотке.

§ 12.9. Примеры расчета равномерно-распределенной транспозиции.

Глава XIII. Изоляция трансформаторов.

§ 13.1. Уровень рабочих напряжений и перенапряжений в условиях эксплуатации трансформаторов.

§ 13.2. Требования, предъявляемые к электрической прочности изоляции трансформатора.

§ 13.3. Методы испытания изоляции и нормы испытательных напряжений.

§ 13.4. Воздействие перенапряжений на изоляцию.

§ 13.5. Выполнение защиты для силовых трансформаторов напряжением до 35 кв.

§ 13.6. Емкостная компенсация трансформаторов напряжением 110 кв и выше.

§ 13.7. Продольная емкостная компенсация внутренних обмоток.

§ 13.8. Слоевые обмотки.

§ 13.9. Методика выбора размеров главной и продольной изоляции при расчете силового трансформатора.

Глава XIV. Конструирование трансформаторов.

§ 14.1. Общие вопросы конструирования трансформатора. Увязка конструктивной разработки с расчетом и технологией изготовления.

§ 14.2. Конструкция магнитопровода. Разработка поперечного сечения стержней и ярм. Раскрой стали. Стяжка пластин магнитопровода Магнитопроводы из холоднокатаной стали Бесшпилечная прессовка .... 180 § 14.3. Конструкция обмоток. Главная и опорная изоляции. Радиальное и осевое строение обмоток. Уравнительная изоляция.

§ 14.4. Конструкция баков силовых трансформаторов. Форма и внутренние размеры баков. Трубчатый бак. Бак с пристроенными охладителями (радиаторами). Расчет баков на механическую прочность. Расчет и конструкция расширителей

§ 14.5. Вспомогательные устройства: газовое реле, выхлопная труба, пробивной предохранитель. Установка термометров. Устройства для защиты масла от окисления и загрязнения

§ 14.6. Вводы масляных трансформаторов Конструкция вводов классов напряжения 0,5-ь110 кв. Требования,предъявляемые к внешней изоляции. Шинные вводы.

§ 14.7. Переключатели и отводы обмоток. Типы и конструкция переключателей для схем ПБВ. Требования, предъявляемые к конструкции переключателей. Конструкция и расчет сечения отводов.

Глава XV. Испытания, монтаж и эксплуатация трансформаторов

§ 15.1. Контрольные и типовые испытания трансформаторов. Испытания баков.

§ 15.2. Способы транспортирования, порядок хранения и монтаж трансформаторов.

§ 15.3. Основные правила технической эксплуатации трансформаторов. Релейная защита от коротких замыканий.

§ 15.4. Нагрузочная способность трансформаторов.

§ 15.5. Возможные неисправности и методы их устранения

Глава XVI Расчет стоимости и экономической эффективности трансформатора.

§ 16.1. Расчет стоимости трансформатора.

§ 16.2. Расчет экономической эффективности.

Глава XVII. Перспективы развития трансформаторостроения в СССР.

Глава XVIII. Курсовое проектирование.

§ 18.1. Задание на проектирование силового трансформатора с масляным охлаждением на напряжение от 3 до 35 кв.

§ 18.2. Примеры расчета трансформаторов.

§ 18.3. Электромагнитный расчет трансформатора мощностью.

1000 ква, 10 кв. Расчет магнитопровода.

Расчет обмоток. Определение весов активных материалов.

Расчет характеристик.

§ 18.4. Тепловой расчет трансформатора мощностью 1000 ква.

§ 18.5. Расчет механических усилий в обмотках трансформатора мощностью 1000 ква.

§ 18.6. Электромагнитный расчет трансформатора мощностью 2500 ква, 35 кв.

Расчет магнитопровода.

Расчет обмоток.

Определение весов активных материалов.

Расчет характеристик.

§ 18.7. Тепловой расчет трансформатора мощностью 2500 ква.

§ 18-8. Расчет механических усилий в обмотках трансформатора мощностью 2500 ква.

§ 18.9. Графическая часть курсового проекта.

Литература.

Александр Михайлович ДЫМКОВ

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Редактор О. М. Смирницкая Худож. редактор Я. К. Гуторов

Художник В. Кулешов Техн. редактор Л. А. Муравьева

Корректор Г, Н. Буханова

T-I8233. Сдано в набор 21/VII—70 г. Подп. к печати 11/ХП—70 г. Формат 60х90>/1в Объем 16,5 печ. л. Уч.-изд. л. 15,28. Изд. № СТД-109. Тираж 50 000 экз. Цена 60 коп.

План выпуска литературы издательства «Высшая школа» (вузы и техникумы) на 1971 г. Позиция № 188.

Москва, К-51, Неглинная ул., д. 29/14. Издательство «Высшая школа»

Ярославский полиграфкомбинат Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министрох СССР. Ярославль, ул. Свободы, 97. Заказ № 1228.

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????