3.9 Расчет обмоток вн
В масляных трансформаторах мощностью 25–200000 кВ∙А с переключением без возбуждения (ПБВ) ГОСТ 12022-76, ГОСТ 11920-73 и ГОСТ 12965-74 предусмотрено выполнение в обмотках ВН (и СН) четырех ответвлений на +5; +2,5; –2,5 и –5 % номинального напряжения помимо основного ответвления с номинальным напряжением. Также выполняются ответвления в сухих трансформаторах. Переключение ответвлений производится переключателями с выведенными из бака рукоятками управления при отключении всех обмоток трансформатора от сети. Схемы ответвлений – по рис.16.
Число катушек (за исключением многослойной цилиндрической обмотки) выбирается так, чтобы: 1) число катушек было четным; 2) рабочее напряжение катушки не превосходило 800–1000 В; 3) при номинальном напряжении 20 кВ и выше все витки, служащие для регулирования напряжения, и витки с усиленной изоляцией располагались в отдельных катушках.
1. Многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода (рис.18). Основное применение – на стороне ВН, в отдельных случаях НН, трансформаторов с мощностью на один стержень не более 250 кВ∙А (по соображениям механической прочности), при классе изоляции не выше 35 кВ. В изготовлении дешевле непрерывной обмотки. Число параллельных проводов (равного сечения) – не более двух, транспозиция проводов не применяется. Междуслойная изоляция – кабельная бумага –по табл. 13. При S>25÷35 кВ∙А обмотка разделяется на две концентрические катушки с каналом между ними; число слоев наружной катушки на стороне ВН – от 3/5 до 2/3 общего числа слоев; на стороне НН – 1/2. При напряжении 35 кВ обмотка снабжается частичной емкостной защитой – экраном.
Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода.
Сечение витка:
.
Подбирается провод нужного сечения из таблицы 19, если необходимо – берут два параллельных одинаковых провода. Обозначим: - диаметр провода без изоляции, - с изоляцией.
Полное сечение витка:
,
где - сечение одного провода, - число параллельных проводов.
Число витков в слое:
.
Число
слоев
.
По
таблице 13 в зависимости от рабочего
напряжения двух слоев
,
где
- напряжение одного витка, определяется
межслойная изоляция.
Если
необходим осевой масляный канал для
улучшения охлаждения (рис. 17,в), то его
величину
выбирают по таблице 14.
Радиальный размер обмотки без канала:
,
при
наличии канала, величиной
:
,
где
- толщина межслойной изоляции. При
наличии металлического экрана (напряжение
20-35 кВ), радиальный размер увеличивается
на 3 мм.
Внутренний диаметр обмотки:
,
где
- наружный диаметр обмотки НН,
-
изоляционный промежуток между обмотками
ВН и НН (табл. 10).
Наружный диаметр обмотки:
.
При наличии экрана добавляется 6 мм.
Поверхность
охлаждения:
,
где
-
коэффициент закрытия части поверхности
охлаждения (
=0,75),
коэффициент n
зависит от выполнения обмотки (рис. 17)
и принимается:
при
намотке на изоляционный цилиндр (рис
17,а)
,
;
при
наличии канала между цилиндрами и
внутренней поверхностью (рис. 17,б)
,
;
при
двух катушках и наличии каналов (рис.
17,в)
,
.
Предварительно
без расчета поверхности обмотки удельный
тепловой поток можно определить по
формуле:
,
а)
б)
в)
Рис.17. Варианты выполнения многослойной цилиндрической обмотки
где
Ом·м,
Ом·м,
,
-
число слоев обмотки без канала или число
слоев наиболее широкой катушки при
наличии канала;
-
коэффициент, зависящий от числа
поверхностей охлаждения:
при намотке на изоляционный цилиндр
(рис. 17, а),
при наличии канала между цилиндром и
обмоткой (рис. 17,б)
при наличии канала между частями обмотки
и катушка-цилиндр (рис. 17,в).
2. Непрерывная катушечная обмотка (рис. 19) обладает высокой механической и электрической прочностью, применяется в основном на стороне ВН при SСТ>100 кВ∙А при напряжении от 3 до 110–220 кВ и выше, при токе от 15–18 А и выше для медных обмоток и 10–13 А и выше для алюминиевых обмоток. Верхний предел применения по мощности практически не ограничен. Число параллельных проводов (равного сечения) – до 3–5, транспозиция проводов производится при переходе между катушками и дополнительного места не требует. Междукатушечная изоляция – масляные каналы.
При плотностях тока менее 3 МА/м2 в медных обмотках и менее 2 МА/м2 в алюминиевых обмотках горизонтальные каналы достаточно сделать только между двойными катушками (через две катушки), заменив в двойных катушках масляный канал двумя электрокартонными шайбами 2×0,5 мм.
Радиальные размеры катушек различного назначения (основные регулировочные, с усиленной изоляцией) должны выдерживаться примерно равными. При определении высоты обмотки учитывается усадка междукатушечных прокладок и шайб после сушки на 4–6 %.
Рассмотрим расчет катушечной обмотки с охлаждающими каналами между всеми катушками.
По фазному току обмотки и найденной плотности тока, учитывающей заданные потери короткого замыкания, находится сечение витка:
,
где
плотность тока J
в
.
По табл. 20 подбирается подходящий провод
прямоугольного сечения. Если один провод
не подходит, то нужное сечение
составляем из нескольких параллельных
проводов, но не
более 4-5.
Запись провода:
Марка
× число параллельных проводов ×
или марка провода ×
,
где размеры
- по рис. 15.
По
принятому сечению витка
,
где
- число параллельных проводов сечения
,
уточняем плотность тока
.
При
выборе провода рекомендуется
ориентироваться на более крупные
сечения, чтобы уменьшить число параллельных
проводов
.
Что касается размеров провода, то лучше
выбирать провод с большим размером b.
Определяем число катушек на одном стержне
,
где
l
– высота обмотки (осевой размер),
- высота радиального канала между
катушками (рис. 15), которая должна быть
не меньше указанной в табл.
14.
Число витков к катушке
,
где - полное число витков данной обмотки.
По форме сечения одна катушка катушечной обмотки с каналами похожа на винтовую обмотку (рис. 15,б), только в винтовой все провода сечения принадлежат одному витку, а в катушечной нескольким виткам.
Дополнительные требования к конструкции катушек:
- параллельные провода располагаются в радиальном направлении, поэтому осевой размер (высота) катушки равна большему размеру провода с изоляцией (рис. 15);
- число витков катушки может быть целым или дробным, однако по условиям технологии предпочтительней иметь катушки с целым числом витков;
- общее число катушек делается четным, число различных видов катушек не более четырех;
- для выравнивания различных размеров катушек с различным числом витков допускается вматывание между витками катушек полосок электроизоляционного картона;
-
рабочее напряжение одной катушки
при
не должно превосходить 1000 В;
- витки, служащие для регулирования напряжения, размещаются в отдельных катушках;
- входные катушки выполняются с усиленной изоляцией (табл. 15).
Размеры обмотки:
осевой размер (высота), м
,
где
- осевой размер основных катушек, равный
наибольшему размеру провода с учетом
изоляции;
- осевой размер каждой из четырех входных
катушек с усиленной изоляцией (с учетом
табл. 15);
- канал между катушками вместе расположения
регулировочных выводов и равный 8 мм
при
кВ, 10 мм при
кВ и 12 мм при
кВ;
мм канал между входными катушками с
усиленной изоляцией,
коэффициент, учитывающий усадку изоляции;
радиальный размер, м
,
где - радиальный размер провода с изоляцией.
Внутренний диаметр обмотки, м:
,
где
- наружный диаметр обмотки НН,
- канал между обмотками НН и ВН (рис. 5,
табл. 10).
Наружный диаметр обмотки, м:
.
Поверхность охлаждения обмотки с каналами между всеми катушками:
,
где
- средний диаметр катушки, с=3
– число стержней,
- коэффициент закрытия поверхности.
Плотность теплового потока на поверхности обмотки (предварительно):
,
где
для меди и
для алюминия.
3. Многослойная цилиндрическая обмотка из прямоугольного провода. Этот тип обмотки находит применение в качестве обмоток ВН и иногда НН в трансформаторах мощностью от 1000 до 63000–80000 кВ∙А для медных и до 16 000–25000 кВ∙А для алюминиевых обмоток. Число параллельных проводов – до 4–8, все провода имеют одинаковые размеры поперечного сечения, намотка только плашмя, слои соединяются последовательно, охлаждение осуществляется одним – четырьмя осевыми масляными каналами. От импульсных перенапряжений обмотка защищается электростатическими экранами. Для обеспечения механической прочности при коротком замыкании обмотка должна наматываться с механическим поджимом витков в радиальном и осевом направлениях и после изготовления опрессовываться осевыми силами, близкими к силам при установившемся токе короткого замыкания.
Рассмотрим определение геометрических размеров многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода. Обозначения геометрических параметров теже, что и на рис. 9, только роль диаметра стержня d играет наружный диаметр обмотки НН.
Площадь
поперечного сечения одного витка:
.
По
таблице 20 выбираем сечение провода и
число параллельных проводов
.
При этом необходимо руководствоваться
данными таблицы 21, чтобы добавочные
потери не превосходили 5% от основных
потерь.
Запись
провода
Полное сечение витка:
,
где - сечение одного провода.
Число витков в слое:
.
Число слоев в обмотке:
,
где W – число витков обмотки.
Таблица21. Ориентировочные предельные радиальные размеры провода а, мм цилиндрических