Пример 3

Рассчитать обмотки трансформатора ТМН-2500/110/6.6. Схема соединения обмоток Ун/Д – 11;

напряжение КЗ U_к = 10,5 %,

потери КЗ P_к = 22 кВт,

потери х.х. Р₀ = 5,5 кВт,

ток х.х. I₀ = 1,5 %.

Из расчета основных размеров трансформатора на ЭВМ найдено:

диаметр стержня d = 0,3 м,

высота обмотки l = 1,075 м,

сечение стержня П_с = 0,0637 м².

Предварительный расчёт обмоток (по п.3.1)

ЭДС одного витка

U_b = = 21,21 В.

Число витков обмотки НН

,

принимаем W_HH = 311 витков.

В соответствии с этим значением ЭДС витка, В.

.

Число витков обмотки ВН

,

принимаем W_HH = 2 994 витка.

Коэффициент трансформации

.

Коэффициент трансформации по напряжению

.

Отклонение

,

.

Плотность тока в обмотках, обеспечивающая получение заданных потерь КЗ (табл. 3.1), из расчёта на ЭВМ, А/мм²,

J = 1,838.

Ориентировочное сечение витка обмотки ВН, мм²,

.

Ориентировочное сечение витка обмотки НН, мм²,

.

Расчёт обмотки низкого напряжения (по п. 3.2.2)

По табл. 3.2 в соответствии с мощностью трансформатора S = 2 500 кВ^.А, током на один стержень I_НН = 126,26 А, номинальным напряжением обмотки 6 600 В и ориентировочным сечением витка П_НН = 68,694 мм² выбираем конструкцию винтовой одноходовой обмотки из прямоугольного алюминиевого провода без радиальных каналов, с плотным прилеганием витка к витку (рис. 3.3, а).

Ориентировочный осевой размер витка, мм,

,

где h_к – размер радиального канала. Так как. выбранный тип обмотки приняли без радиальных каналов, то h_к = 0.

В соответствии с полученными ориентировочными значениями П_в1 и h_в1 по табл. 3.5 подбираем сечение витка из восьми параллельных проводов марки АПБ (рис. 3.12):

.

Полное сечение витка, мм²,

П_НН = П_ГОСТ n_эл = 8,83 8 = 70,64,

П_ГОСТ – нормированное сечение одного проводника, равное 8,83 мм.

Рис. 3.12. Винтовая обмотка: одноходовая из 311 витков без радиальных каналов между витками, n_эл = 8

Уточнённое значение плотности тока, А/мм²,

.

Проверим отклонение плотности тока:

.

Отклонение J_{НН р} от J_HH находится в пределах допустимого, т.е. сечение и размеры проводника выбраны верно.

Высота обмотки, мм,

l_НН = (W_HH + 4) (b  + h_к) , при h_к = 0,

l_НН = (311 + 4) 4,2 = 1081,25.

Радиальный размер обмотки, мм,

а₁ = а  n_эл = 2,95 · 8 = 23,6.

Внутренний диаметр обмотки, м,

D ₁ = d_н + 2 a₀₁ = 0,3 + 2 · 0,043 = 0,386,

где d_н – нормированный диаметр стержня, равный 0,3 м; a₀₁ – изоляционное расстояние от обмотки НН до стержня.

Наружный диаметр обмотки, м,

D  ₁ = D ₁ + 2 a₁ = 0,386 + 2 · 0,0236 = 0,4332.

Поверхность охлаждения, м²,

П_охл.НН = 3 k  (D  ₁ + D ₁)  (b  + a₁)  W_HH =

= 3 · 0,75 · 3,14 (0,386 + 0,4332) · (0,0042 + 0,0236) · 311 = 48,599,

где k – коэффициент, учитывающий уменьшение поверхности за счёт реек и изоляционных деталей, равный 0,75.

Масса металла обмотки, кг,

,

,

где – удельная плотность металла обмотки для алюминиевого провода, _Al = 2 700 кг/м³.

Расчёт обмотки высокого напряжения

От обмотки НН обмотка ВН (U_исп.ВН = 200 кВ) изолирована масляным каналом 50 мм с двумя цилиндрами из электроизоляционного картона толщиной 6 мм каждый в сочетании с двумя угловыми шайбами. Радиальное строение осевого канала между обмотками ВН и НН: канал – 10 мм; цилиндр – 6 мм; канал – 14 мм; всего 50 мм.

В верхней и нижней частях обмотки канал увеличивается до 60 мм. Для защиты от импульсных перенапряжений у начала и конца каждой фазной обмотки ВН устанавливаются ёмкостные кольца и экранирующие витки (рис. 3.13).

Согласно табл. 3.2 выбираем непрерывную катушечную обмотку из прямоугольного алюминиевого провода (S = 2 500 кВ^.А, I_ф.ВН = 13,122 А, U_ф.ВН = 63 509 В).

Ориентировочное сечение витка П_ВН = 7,139 мм². В соответствии с сортаментом алюминиевого обмоточного провода по табл. 3.1 выбираем провод марки

,

где П_ГОСТ = 7,14 мм²; n_эл = 1.

Для входных катушек с усиленной изоляцией плотность тока увеличиваем на 15 %: J  = 2,1 А/мм² [1].

Ориентировочное сечение витка усиленных катушек, мм²,

.

В соответствии с полученным сечением по сортаменту табл. 3.5 выбираем провод для усиленных катушек:

,

где П_{ГОСТ (у)} = 7,14 мм².

Уточняем плотность тока основных катушек и катушек с усиленной изоляцией, А/мм²,

.

Отклонение составит

.

Экранирующие витки – это незамкнутые витки из медного или алюминиевого провода (в данном случае алюминиевого), имеющие дополнительную изоляцию, располагаемые у начальных или конечных витков обмотки и соединённые гальванически с её ближайшим концом (рис. 3.13, б).

Число витков в регулировочной ступени

,

где  – полный диапазон регулирования, %; n – полное число ступеней регулирования; U_в – напряжение витка, В,

,

U_ф = 1 131 В.

Итак, число витков в регулировочной ступени 53.

а б

Рис. 3.13. Непрерывная катушечная обмотка ВН: 1 – цилиндр между обмотками ВН и НН – бумажно-бакелитовый (2 шт. по 6 мм); 2 – кольца из электрокартона – для разгона витков обмотки; 3 – ёмкостное кольцо; 4 – экранирующие витки; 5 – межкатушечные прокладки; 6 – схема присоединения экранирующих витков

Принимаем конструкцию обмотки с радиальными каналами (рис. 3.14):

6 каналов по 8 мм;

4 канала по 10 мм;

остальные каналы по 6 мм.

Ёмкостное кольцо ЕК1 – 12 мм.

С учётом этого найдём число катушек из уравнения

l = n b  + n_у b_у + (n – 1 – n_у) h_к,

где l – высота обмотки (из расчёта на ЭВМ); n – число катушек; b  – осевой размер провода с изоляцией; n_у и b_у – число и высота усиленных каналов; h_к – ширина нормального масляного канала,

1 075 = n  5,1 + 6  8 + 4  10 + 12 + (n – 11)  6.

Отсюда найдём число катушек: n = 93,78.

С учётом прессовки возьмём n = 96.

Распределим витки по катушкам.

Берем катушки трёх типов: усиленные, нормальные, регулировочные.

Таблица 3.18

Проверка напряжений на основной и крайних ступенях регулирования

Ступени напряжения	Высшая	Основная	Низшая
Число витков	3 471	2 994	2 517
Действительное напряжение ступени	73 619,9	63 502,74	53 385,67
Напряжение ступени по ГОСТу	73 688	63 509	53 330
Разность, В	–68,1	6,26	55,67
Разность, %	0,092	0,0098	0,1

Так как в каждой регулировочной ступени 53 витка, а среднее число витков в катушке

,

каждую регулировочную ступень сделаем из двух катушек по 27 витков.

Тогда регулировочных катушек будет n_p = 2  9  2 = 36, а усиленных и нормальных 96 – 36 = 60.

Диапазон регулирования 9 × 1,78 %.

Радиальный размер нормальной катушки, мм,

а_KN = 1,03 W_N n_эл a  + 1 = 1,03  34  1  3,35 + 1 = 118,317,

где W_N – число витков в нормальной катушке;n_эл – число элементарных проводов; a  – размер провода с изоляцией.

Осевой размер нормальной катушки b _N = 5,1 мм.

Подберём во входных катушках целые числа витков, при которых радиальные размеры катушек будут минимально отличаться от радиальных размеров нормальных катушек.

Радиальный размер катушек типа А

а_А = 1,03 · 31 · 3,5 + 4 + 1 = 116,755 мм.

Осевой размер b _A = 5,25 + 4 = 9,25 мм,

а_В = 1,03 · 31 · 3,5 + 7 + 1 = 119,755 мм.

Осевой размер b _В = 5,25 + 7 = 12,25 мм,

а_С = 1,03 · 31 · 3,5 + 5 + 1 = 117,755 мм.

Осевой размер b _С = 5,25 + 5 = 10,25 мм.

Радиальный размер регулировочной катушки

а_кр = 1,03 · 27 · 3,35 + 4 + 1 + 18 = 116,164 мм,

где 18 – увеличение ширины регулировочных катушек с помощью электрокартона.

Распределение витков по катушкам сведём в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Проверка числа витков в непрерывной обмотке

Тип катушки	Количество	Число витков в катушке	Общее число витков
Усиленные	4	30 15/20	153
Нормальные	56	33 15/20	1 990
Регулировочные	36	27 5/20	1 328
Всего	96		3 471

Примечание. Дробное число витков в катушке с учётом 20 прокладок из электрокартона между катушками.

Проверку высоты обмотки ВН занесём в табл. 3.20.

Таблица 3.20

Проверка высоты обмотки ВН

Наименование	Количество	Размер, мм	Высота, мм
Катушки
Тип А	2	9,25	18,5
Тип В	1	12,25	12,25
Тип С	1	10,25	10,25
Тип N и Р	92	5,1	469,2
Всего	96		510,2
Масляные каналы
Усиленные	6	8	48
Усиленные	4	10	40
Остальные	86	6	516
Все каналы	96		604
Ёмкостное кольцо ЕК2	1	12	12
Высота обмотки до прессовки	–	–	1 126,2
Прессовка 7,47 % высоты каналов	–	–	–45,1188
Высота обмотки после прессовки	–	–	1 081,08
Масляный канал	1	6	6
Ёмкостное кольцо ЕК1	1	25	25
Расстояние до верхнего ярма	1	200	200
Расстояние до нижнего ярма	1	80	80
Высота окна			1 392,08

Рис. 3.14. Продольная изоляция входной зоны обмотки ВН