- •Расчёт трансформаторов предисловие
- •Глава первая общие вопросы проектирования трансформаторов
- •1.1. Современные тенденции в производстве трансформаторов в ссср
- •1.2. Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении
- •1.3. Экономическая оценка рассчитанного трансформатора
- •2. Цены на сталь марок 3404, 3405 и 3406 составляют соответственно 833, 902 и 939 руб. За 1 т.
- •1.4. Стандартизация в трансформаторостроении
- •2. Знаком «**» отмечены параметры короткого замыкания для трансформаторов 25 – 250 кВа при схеме соединения у/zн - 11 и для трансформаторов 400 – 630 кВа при схеме д/ун –11.
- •3. Трансформаторы с рпн мощностью 400 и 630 кВа и напряжением нн 0,4 и 0,69 кВ изготовляются с потерями короткого замыкания на 10 % больщими, чем указано в таблице.
- •3. Значения потерь и напряжения короткого замыкания указаны на основном ответвлении.
- •1. Все понижающие трансформаторы с рпн.
- •Напряжения 110 кВ на специальном стенде
- •Однофазные: а — стержневой; б — броневой; в и г — бронестержневые с расщеплением мощности между стержнями; трехфазные; д — стержневой; е — бронестержневой; ж — броневой; з — навитой стержневой
- •С открытыми дверцами кожуха
- •2.2. Выбор марки стали и вида изоляции пластин
- •2. В скобках приведены справочные данные, ненормируемые гост 21427.1-83
- •Углу магнитной системы: а — прямой стык; 6 — косой стык
- •1. При прессовке стержней путем расклинивания с внут.Ренней обмоткой (до 630 кВ•а), а также в навитых элементах пространственных магнитных систем k3 , полученное из таблицы, уменьшить на 0,01.
- •2. По этой таблице можно определить также значения k3 для стали тех же толщин, выпускаемой иностранными фирмами.
- •3. При использовании листовой холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм уменьшить k3, полученное из таблицы, на 0,01 дополнительно к прим. 1.
- •1. 1. В магнитных системах трансформаторов мощностью от 100 000 кВ-а и более допускается индукция до 1,7 Тл.
- •2. 1, При горячекатаной стали в магнитных системах масляных трансформато. Ров индукция до 1,4—1,45, сухих — до 1,2—1,3 Тл.
- •2.3. Конструкции магнитных систем силовых трансформаторов
- •1. В коэффициентеkкр учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.
- •2. При использовании таблицы для однофазного или трехобмоточного трансформатора его мощность умножить на 1,5.
- •3. Для пространственной магнитной системы по рис. 2.6, а значениеkкр полученное из таблицы, уменьшить на 0,02.
- •1. В коэффициенте kкручтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.
- •3. При использовании таблицы для однофазного трансформатора его мощность умножить на 1,5.
- •Охлаждающих каналов. Трехфазные трансформаторы
- •1. В масляных трансформаторах ширина продольного камола 6, поперечного - 10 мм.
- •2. В сухих трансформаторах ширина продольного канала 20 мм.
- •Глава третья расчет основных размеров трансформатора
- •3.1. Задание на проект и схема расчета трансформатора
- •Глава третья расчет основных размеров трансформатора
- •3.1. Задание на проект и схема расчета трансформатора
- •3.2. Расчет основных электрических величин трансформаторов и автотрансформаторов
- •3.3. Основные размеры трансформатора
- •3.4. Методы расчета трансформаторов. Основы обобщенного метода
- •3.5. Проектирование отдельного трансформатора по обобщенному методу
- •2. Для однофазных трансформаторов определять kд по мощности 1,5 s.
- •3.7, Ориентировочные значения со, ссти kо,с в формулах (3.53) и (3.54)
- •3.6. Анализ изменения некоторых параметров трансформатора с изменением β (пример расчета)
- •3.7. Определение основных размеров трансформатора
- •Глава четвертая изоляция в трансформаторах
- •4.1. Классификация изоляции в трансформаторах
- •4.2. Общие требования. Предъявляемые к изоляции трансформатора
- •4.3. Электроизоляционные материалы, применяемые в трансформаторостроении
- •4.4. Основные типы изоляционных конструкции
- •4.5, Определение минимально допустимых изоляционных расстоянии для некоторых частных случаев (масляные трансформаторы)
- •4. Толщина угловой шайбы 0,5—1 мм.
- •4.6. Определение минимально допустимых изоляционных расстояний в сухих трансформаторах
- •Глава пятая выбор конструкции обмоток трансформаторов
- •5.1. Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора
- •5.2 Конструктивные детали обмоток и их изоляция
- •2. Без скобок указана номинальная толщина изоляции. Размеры катушек считать по толщине изоляции, указанной в скобках.
- •2. Для промежуточных значений диаметра провода и толщины изоляции можно пользоваться линейной интерполяцией.
- •5.3. Цилиндрические обмотки из прямоугольного провода
- •5.4. Многослойные цилиндрические обмотки из круглого провода
- •5.5. Винтовые обмотки
- •5.6. Катушечные обмотки
- •5.7. Выбор конструкции обмоток
- •3. Плотность тока в обмотках из транспонированного провода выбирается так же, как и для медного или алюминиевого провода.
- •2. Плотность тока в обмотках из алюминиевой ленты выбирается, как для алюминиевого провода.
- •Глава шестая расчет обмоток
- •6.1. Расчет обмоток нн
- •6.2. Регулирование напряжения обмоток вц
- •6.3. Расчет обмоток вн
- •Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода (рис. 6.10)
- •Расчет многослойной цилиндрической обмотки из прямоугольного провода
- •Расчет непрерывкой катушечной обмотки (рис. 6,12)
- •6.4. Примеры расчета. Расчет обмоток Трансформатор тм-1600/35. Вариант im— медные обмотки (продолжение примера расчета § 3.6.)
- •Трансформатор тм-1600/35. Вариант iIа — алюминиевые обмотки (продолжение примера расчета § 3.6)
- •Глава седьмая расчет параметров короткого замыкания
- •7.1. Определение потерь короткого замыкания
- •Основные потери в обмотках
- •Добавочные потери в обмотках.
- •(Стрелкой показано направление индукционных линий поля рассеяния обмотки Фр)
- •Потери в стенках бака и других стальных деталях трансформатора.
- •Напряжения короткого замыкания в
- •Трехобмоточном трансформаторе.
- •Распределение поля рассеяния при
- •Нагрузке двух крайних обмоток і и іі.
- •7.2. Расчет напряжения короткого замыкания
- •Трансформатора.
- •Середине высоты на две фиктивные обмотки.
- •7.3. Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании.
- •Изгибе; в – потеря устойчивости внутренней обмоткой.
- •Из электрокартонных шайб, 3-ярмовая
- •Изоляция, 4-стальное разрезное кольцо
- •Или неразрезное неметаллическое
- •Кольцо, 5- прессующий винт.
- •7.4. Примеры расчета. Расчет параметров короткого замыкания Трансформатор типа тм-1600/35. Вариант 1м - медные обмотки
- •Типа тм-1600/35. Вариант Iм, медные обмотки:
- •Up (меньшее значение lx) и осевых механических сил (большее значение lx); б – распределение осевых механических сил.
- •Трансформатор типа тм-1600/35. Вариант ііа- алюминиевые обмотки
- •Глава восьмая. Расчет магнитной системы трансформатора
- •8.1. Определение размеров магнитной системы
- •Плоской магнитной системы.
- •Пространственной магнитной системы по (8.16)
- •Пространственной магнитной системы по рис. 2.6, а.
- •Магнитной системы по рис. 2.6,б
- •8.2. Определение потерь холостого хода трансформатора
- •Потери в холоднокатаной стали при прямых и косых стыках.
- •Системе; б – в шихтовой магнитной системе.
- •Пространственной магнитной системе:1 - по пакетам стержня;2 - по кольцевым пакетам (слоям) ярма.
- •Пространственной магнитной системы (1-я и 3-я гармонические, результирующая кривая)
- •8.3. Определение тока холостого хода трансформатора
- •Магнитной системе:1 - верхнее ярмо; 2 – верхний немагнитный зазор; 3 - немагнитная прокладка;
- •Магнитным клеем; 6 - крестообразная немагнитная прокладка; 7 - нижнее ярмо.
- •8.4. Примеры расчета. Расчет магнитной системы трансформатора
- •Расчет потерь холостого хода по § 8.2.
- •Расчет тока холостого хода по § 8.3.
- •Трансформатор типа тм-1600/35. Вариант ііа - алюминиевые обмотки Определение размеров магнитной системы и массы стали по § 8.1.
- •Алюминиевые обмотки:а - сечения стержня и ярма;
- •Расчет потерь холостого хода по § 8.2.
- •Расчет тока холостого хода по § 8.3
- •Глава девятая тепловой расчет трансформатора
- •9.1. Процесс теплопередачи в трансформаторе
- •Внутреннего перепада температуры;б – распределение перепада температуры по сечению обмотки
- •И направление конвекционных токов масла в трансформаторе с трубчатым баком:1 - обмотка; 2 - масло в баке; 3 - стенка трубы
- •Для гладкого и трубчатого баков и бака с радиаторами.
- •Трансформаторного масла с изменением его температуры
- •Масла трансформатора и ее превышения над температурой воздуха при изменении температуры охлаждающего воздуха.
- •9.2. Краткий обзор систем охлаждения трансформаторов
- •9.3. Нормы предельных превышений температуры
- •9.4. Порядок теплового расчета трансформатора
- •9.5. Поверочный тепловой расчет обмоток
- •9.6. Тепловой расчет бака
- •2. Минимальные расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака с1ис2— соответственно 0,085 и 0,10 м.
- •Числом труб 1x2x16-32
- •9.7.Окончательный расчет превышений температуры обмоток и масла
- •9.8. Приближенное определение массы конструктивных материалов и масла трансформатора
- •9.9. Примеры расчета тепловой расчет трансформатора типа тм-1600/35
- •Глава десятая
- •Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний
- •Расчет обмотки нн (по § 6.3)
- •Расчет обмотки вн (по § 6.3)
- •Расчет параметров короткого замыкания
- •Расчет напряжения короткого замыкания (по § 7.2)
- •Расчет магнитной системы {по § 8.1—8.3)
- •Тепловой расчет трансформатора
- •10.2. Пример расчета обмоток трансформатора типа
- •10.3. Пример расчета трехфазного двухобмоточного трансформатора типа трдн-63000/110, 63 000 кВ·а, с рпн и пониженной массой стали магнитной системы
- •Глава одиннадцатая анализ влияния исходных данных расчета на параметры трансформатора
- •11.1. Влияние индукции на массы активных материалов и некоторые параметры трансформатора
- •11.2. Влияние потерь короткого замыкания, коэффициента заполнения kС и изоляционных расстояний на массу и стоимость активных материалов трансформатора
- •Глава двенадцатая проектирование серий трансформаторов
- •12.1. Выбор исходных данных при проектировании серии
- •12.2. Применение обобщенного метода к расчету серии трансформаторов
- •12.3. Выбор оптимального варианта при расчете серии трансформаторов
11.2. Влияние потерь короткого замыкания, коэффициента заполнения kС и изоляционных расстояний на массу и стоимость активных материалов трансформатора
Расчет отдельного трансформатора обычно проводится на базе существующей серии трансформаторов с определенными конструкциями магнитных систем и обмоток, общей для всей серии конструкцией изоляции, установленными изоляционными расстояниями, известными марками активных и изоляционных материалов и общей технологией производства. В этом случае параметры короткого замыкания Р K и uK l , входящие в ряд параметров всей серии, коэффициент заполнения площади круга активным сечением стержня k C, определяемый выбранной маркой стали и принятой технологией изготовления магнитной системы, и изоляционные расстояния главной изоляции обмоток, зависящие от конструкции главной изоляции и применяемых изоляционных материалов, по существу являются заданными для расчетчика.
При разработке новых серий обычно производится изменение, как конструкции, так и технологии производства трансформаторов, применяются новые, более эффективные или экономичные магнитные, проводниковые и изоляционные материалы, улучшаются параметры трансформаторов серии. При этом обычно стремятся уменьшить потери холостого хода Р X и короткого замыкания Р K, увеличить коэффициент заполнения k C и уменьшить не в ущерб электрической прочности трансформатора изоляционные расстояния главной изоляции обмоток. Для оценки эффективности подобных изменений необходимо исследовать, как эти изменения отражаются на параметрах трансформатора, массах и стоимости его активных материалов.
Изменение потерь короткого замыкания трансформатора может быть произведено изменением плотности тока в обмотках и соответствующим изменением массы металла обмоток.
Массу металла обмоток, как было показано ранее (см. § 11.1), можно определить по формуле
Из величин, входящих в это выражение, от потерь короткого замыкания Р K зависит только ua = P K(10S). Косвенно от Р K> зависит параметр а, принимаемый постоянным для заданных потерь Р K> , но изменяющийся при изменении Р K> (см. § 3.5 и табл. 3.4). Таким образом,
G0~C1~a2/PK(11.7)
При относительно небольших изменениях Р K — в пределах ±20 % можно считать a = const и пользоваться упрощенной формулой
G0~1/PK(11.8)
Изменение плотности тока с изменением РК можно получить из (3.60)
(11.9)
или, если пренебречь изменением а,
J~PК(11.10)
Зависимости между G0, J и РК графически изображены на рис. 11.5 сплошными линиями для упрощенных формул (11.8) и (11.10) и штриховыми линиями для точных формул (11.7) и (11.9). При этом за 100% приняты значения G0, J и РК для любого исходного известного варианта. В связи с некоторым изменением сечения обмоток и необходимостью изменения площади окна магнитной системы при изменении РК несколько изменится масса стали GCT—
Рис. 11.5. Зависимость между потерями короткого замыкания РК, массой металла обмоток G0и плотностью J
1 и 2-по (П.8) и (11.10); 3 и 4- по style='mso-bidi-font-size7.0pt'>(11.7) и (11.9)
Рис. 11.6. Изменение массы стали GCT, стоимости активной части Са,чи с изменением изоляционных расстояний а12,l0, а22 (Р K== const; uK= const; G0= const)
увеличивается с уменьшением Р K и уменьшается с его увеличением. Графики на рис. 11.5 показывают, что при изменениях Р K в пределах ±20 % можно с успехом пользоваться упрощенными формулами. Из кривой 1 следует также, что уменьшение потерь короткого замыкания путем уменьшения плотности тока сопряжено с существенным увеличением массы металла обмоток.
Коэффициент заполнения сталью k C, равный произведению двух коэффициентов kKP — коэффициента заполнения круга и k3 — коэффициента заполнения сечения стержня, входит в число исходных данных, выбираемых до начала расчета трансформатора. От значения коэффициента k C зависят коэффициенты А (3.30), А1 (3.35), В1 (3.43) и С1 (3.52), а именно
A ~ ; A1~ A3kC ~~
B1 ~ A3kC ~и С1 ~ ~ ~
Коэффициенты A2 и B2 от kС не зависят
А 2 ~ A2kС~ ~ 1; B2 ~ A2kС~ 1.
Из приведенных зависимостей следует, что с ростом kС уменьшается масса стали GCT (А1 и B1) и масса металла обмоток (С1), а вместе с ними стоимость активных материалов, потери и ток холостого хода при сохранении неизменных значений РК и uK, положенных в основу рассматриваемых выражений.
Коэффициент k3 зависит от толщины выбранной марки стали (0,35; 0,30 или 0,27 мм) и вида изоляции пластин. Современная холоднокатаная сталь с нагревостойким электроизоляционным покрытием ЭТ (ГОСТ 21427-83) имеет коэффициент заполнения для этих толщин соответственно k3=0,97-0,94 и без покрытия не более 0,97. Следовательно, коэффициент заполнения сечения стержня k3 не дает реальной возможности для увеличения k C.
Коэффициент заполнения круга kKP зависит от числа и размеров.ступеней (пакетов) в сечении стержня. Увеличение числа ступеней с уменьшением толщины пакетов позволит увеличить kK P, однако усложнит технологию изготовления магнитной системы. Ограниченные возможности увеличения коэффициента kKP для диапазона диаметров стержня от 0,08 до 0,75 м рассмотрены в § 8.1.
Основные изоляционные расстояния главной изоляции обмоток — ширина канала между обмотками ВН и НН а12, расстояние от обмотки ВН до ярма l0 и расстояние между обмотками ВН соседних фаз а22 — в явном виде входят в формулы (3.36) и (3.44), определяющие массу стали магнитной системы, а расстояние а12 в скрытом виде входит также в выражение (3.30), служащее основой системы обобщенного расчета магнитной системы и обмоток. Влияние размеров изоляционных расстояний на массу активной части сказывается в большей степени в трансформаторах с более высоким номинальным напряжением обмоток ВН, а в трансформаторах с одинаковыми номинальными напряжениями— при относительно меньших мощностях.
При проектировании новых серий всегда стремятся уменьшить изоляционные расстояния применением новых материалов, обладающих повышенной электрической прочностью, и новых улучшенных изоляционных конструкций или снижением испытательных напряжений. Во всех этих случаях представляется интересным оценить, в какой степени является эффективным то или иное мероприятие по уменьшению изоляционных расстояний.
Исследование этого вопроса проведено путем расчета по обобщенному методу нескольких вариантов трехфазного двухобмоточного трансформатора типа ТДН-25000/110 мощностью 25 000 кВ·А с напряжением обмотки ВН ПОкВ. Расчет производился по методике, описанной в § 3.5 и 3.6 для пяти вариантов изоляционных расстояний a12, l0 и а22, составляющих 70, 80, 90, 100 и 110 % соответствующих расстояний в серии трансформаторов с напряжением ВН 110 кВ. При расчете была принята сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм по ГОСТ 21427-83 при неизменных потерях короткого замыкания Р K и uK= 10,5 %.
Изменение а12 отражается при расчете на коэффициентах А, А1, А2, В1, В2 и С1. Кроме того, коэффициенты А2 и В2 зависят также от l0 и от а12 и а22- Поэтому в результате расчетов были получены варианты трансформаторов с различными массами стали GCT и металла обмоток G0. При этом уменьшение изоляционных расстояний при сохранении одного значения при неизменных Р K и uK приводило к уменьшению диаметра d, снижению массы стали и некоторому увеличению массы металла обмоток. Масса металла обмоток при этом увеличивается потому, что уменьшение изоляционного расстояния а12 приводит к уменьшению приведенной ширины канала между обмотками ВН и НН аР, и для сохранения значения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания uP в (7,32) приходится уменьшать напряжение одного витка uB и увеличивать число витков обмоток.
Поскольку увеличение массы металла обмоток является нежелательным, были подобраны такие значения, при которых масса металла обмоток остается неизменной при всех вариантах изоляционных расстояний.
Результаты расчетов представлены в виде кривых на рис. 11.6. Снижение изоляционных расстояний на 20—30 % по сравнению с расстояниями в реальном трансформаторе типа ТДН-25 000/110 может привести к снижению массы стали, а следовательно, и потерь холостого хода на 7—10 % и стоимости активной части на 3—4 %. С увеличением мощности трансформатора при сохранении напряжения обмотки ВН 110 кВ эффект от уменьшения изоляционных расстояний будет соответственно уменьшаться.