4. Методические указания к расчету трансформатора

4.1. Расчет основных электрических величин

Расчет производят для трехфазного трансформатора.

Мощность одной фазы S_ф и одного стержня S, кВА:

; ,

где m_ф - число фаз трансформатора (m_ф = 3);

с - число стержней (с = 3).

Фазные напряжения U_ф и токи I_ф (определяют для обмоток ВН и НН в зависимости от схем их соединения):

; - для соединения ;

; - для соединения ;

где U_л - номинальное линейное напряжение обмоток ВН и НН, приведенное в задании.

Активная u_{к. а} и реактивная u_{к. р} составляющие напряжения короткого замыкания, %:

; ,

где Р_к, S_н, u_к - приведены в задании.

4.2. Выбор главной изоляции

Главная изоляция обмоток определяется, в основном, электрической прочностью при частоте 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями, которые зависят от напряжения обмоток и должны быть определены по табл. 1:

для обмотки НН – U_испНН, для обмотки ВН - U_испВН.

Таблица 1

Испытательные напряжения промышленной частоты

для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Класс напряжения обмоток, кВ	До 1кВ	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	500
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	1,2	3,6	7,2	12	17,5	24	40,5	126	172	252	363	525
Испытательное напряжение Uисп, кВ	5	18	25	35	45	55	85	200	230	325	460	630

Конструкция главной изоляции обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ представлена на рис. 1, а для испытательного напряжения 200 кВ (класс напряжения 110 кВ) - на рис. 2.

Error: Reference source not found

Рис. 1. Главная изоляция обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ

Изоляцию между обмотками ВН и НН осуществляют жесткими бумажно-бакели-товыми цилиндрами (₁₂) или мягкими цилиндрами из электроизоляционного картона, намотанными при сборке трансформатора. Размер выступа цилиндра за высоту обмотки (l_ц1 и l_ц2) обеспечивает отсутствие разряда по поверхности цилиндра между обмотками или с обмотки на стержень. Изоляцию обмоток от ярма (_ш) при испытательном напряжении 85 кВ усиливают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанав-ливают междуфазную перегородку (₂₂) из электроизоляционного картона.

Минимальные изоляционные расстояния от обмоток до стержня и ярма (l₀₁, l₀₂, а₀₁, l_ц1, l_ц2, d_ш, а_ц1), между обмотками (а₁₂, а₂₂), а также главные размеры изоляционных деталей (d₀₁, d₁₂, d₂₂) с учетом конструктивных требований и производственных допусков в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5¸85 кВ определяют для обмотки НН по табл. 4.4 [1, с. 183], а для обмотки ВН – по табл. 4.5 [1, с. 184]. Для обмотки ВН при классе напряжения 110 кВ и при U_исп = 200 кВ изоляционные расстояния указаны на рис. 2.

Здесь Н_к представляет собой размер прессующего кольца, склеенного из древесно-слоистого материала (Н_к = 60 и 80 мм при мощностях до 25000 и 40000-80000 кВА соответственно). В расчетах следует принять

. (1)

Рис. 2. Главная изоляция обмотки ВН класса напряжения 110 кВ:

1 - прессующее кольцо ( склеенное древесно-слоистое);

2 - цилиндр бумажно-бакелитовый; 3 - цилиндр из электроизоляционного картона

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность (рис. 4). Диаметр этой окружности d называют диаметром стержня трансформатора; он является одним из основных размеров трансформатора. Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечением пакетов пластин. При этом пакетом называют стопу пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называют активным сечением стержня П_с или ярма П_я. На данном этапе расчета, когда размеры пакетов стержня еще не установлены, используют коэффициент заполнения сталью K_с, равный отношению активного сечения стержня П_с к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов:

K_с = K_крK_з, (2)

где K_кр - коэффициент заполнения площади круга площадью П_{ф. c} ступенчатой фигуры сечения стержня;

K_з - коэффициента заполнения площади ступенчатой фигуры П_{ф. c} чистой сталью.

Коэффициент заполнения K_з зависит, в основном, от толщины пластин стали, вида изоляции пластин. Согласно рекомендациям, приведенным в 1, п. 2.2 для современных трансформаторов обычно применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405 с толщиной листов 0,35 и 0,3 мм. Для заданной стали с жаростойким покрытием и однократной лакировкой при толщине листов 0,35 мм рекомендуется принять K_з = 0,965; а при толщине листов 0,3 мм - K_з = 0,955.

Коэффициент заполнения площади круга K_кр и число ступеней в сечении стержня, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга n_с, зависят от мощности трансформатора S_н, диаметра стержня d, способа крепления пластин, способа охлаждения трансформатора, и на данном этапе расчета могут быть определены по заданной расчетной мощности для масляного трансформатора по табл. 2.

Таблица 2

Число ступеней в сечении стержня и коэффициент круга современных трехфазных масляных трансформаторов

Показатель		Прессовка стержня расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов
Мощность Трансформатора Sн, кВА		До 16			16	25	40-100	160-630
Ориентировочный диаметр стержня d, м		До 0,08			0,08	0,09	0,10-0,14	0,16-0,18	0,20	0,22
Без прес- сую- щей плас- тины	Число ступе-ней nс	1	2	3	4	5	6	6	7	8
	Коэфф. Kкр	0,636	0,786	0,851	0,861	0,89	0,91-0,92	0,913	0,918	0,928
С прес- сую- щей плас- тиной	Число ступеней nс	-	-	-	-	-	-	-	6	7
	Коэфф. Kкр	-	-	-	-	-	-	-	0,884	0,901

Показатель		Прессовка стержня бандажами, сечение стержня диаметром от 0,36 м и выше имеет продольные каналы
Мощность трансформатора Sн, кВА		1000-1600		2500-6300		10000	16000	25000	32000	80000
Ориентировочный диаметр стержня d, м		0,24-0,26	0,28-0,3	0,32-0,34	0,36-0,38	0,40-0,42	0,45-0,50	0,53-0,56	0,60-0,67	0,71-0,75
Без прессую- щей пластины	Число ступеней nс	8	8	9	9	11	14	15	16	16
	Коэфф. Kкр	0,925	0,928	0,929	0,913	0,922	0,927	0,927	0,929	0,931
С прессую- щей пластиной	Число ступеней nс	7	7	8	8	10	13	14	15	15
	Коэфф. Kкр	0,900	0,9-0,91	0,912	0,89-0,90	0,907	0,912	0,914	0,918	0,92

Магнитная система (остов) служит также и механической основой трансформатора. На остове располагают и укрепляют обмотки и отводы от обмоток, и в некоторых конструкциях на остове в процессе сборки трансформатора укрепляют крышку бака с вводами и различной арматурой. Стержни и ярма шихтованной магнитной системы должны быть стянуты и скреплены так, чтобы остов представлял собой достаточно жесткую конструкцию как механическая основа трансформатора. Стяжка и крепление остова должны обеспечивать его достаточную прочность после расшихтовки верхнего ярма при насадке обмоток на стержни, подъеме активной части трансформатора и коротком замыкании на его обмотках, а также отсутствие свободной вибрации пластин и минимальный уровень шума при работе трансформатора в сети. Эти требования достаточно хорошо удовлетворяются при равномерно распределенном напряжении сжатия между пластинами стержня и ярма при сборке 0,40,6 МПа, считая по среднему, т. е. по наиболее широкому пакету.

Прессовка (сжатие) стержней может осуществляться различными способами. При мощности трехфазного трансформатора до 630 кВА и диаметре стержней до 0,22 м включительно применяют прессовку без использования специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН или ее жестким изоляционным бумажно-бакелитовым цилиндром (рис. 4). Стержни трансформаторов большей мощности - от 1000 кВА и выше - при диаметре d  0,22 м нуждаются в более надежной прессовке. В этом случае стержни стягивают бандажами из стеклоленты, расположенными по высоте стержня на расстояниях 0,120,15 м один от другого, причем перед наложением бандажей при сборке стержни поочередно опрессовывают на специальном станке прессующей балкой, создающей необходимое натяжение сжатия между пластинами.

Стержни диаметром до 0,36 м обычно достаточно хорошо охлаждаются маслом, омывающим их наружную поверхность. При диаметре от 0,36 м и выше для обеспечения надежного охлаждения внутренних частей стержня между его пакетами делают охлаждающие каналы, которые могут быть продольными или поперечными по отношению к пластинам стержня.

Для диаметров стержней силовых трансформаторов применяют стандарт, который содержит следующие нормализованные диаметры, м: 0,08; 0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,10; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,20; 0,21; 0,22; 0,225; 0,23; 0,24; 0,245; 0,25; 0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,40; 0,42; 0,45; 0,48; 0,50; 0,53; 0,56; 0,60; 0,63; 0,67; 0,71; 0,75 – для магнитных систем без поперечных каналов (в данных расчетах поперечные каналы не предусмотрены).

Выбор правильной формы и размеров поперечного сечения ярма, особенно в магнитных системах, собираемых из холоднокатаной текстурованной стали, играет существенную роль. Наиболее рациональной и применяемой в данном расчете является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным сечению стержня. Поэтому коэффициент усиления ярма K_я, равный отношению ( ), в данном случае может быть принят равным 1.

Важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы B_с. В целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукции, что, однако, связано с относительно малым увеличением потерь и существенным увеличением тока холостого хода трансформатора. Уменьшение расчетной индукции приводит к получению лучших параметров холостого хода (главным образом тока) за счет увеличения массы материалов и стоимости активной части. Верхний предел индукции обычно определяется допустимым значением тока холостого хода.

Рекомендуемые значения расчетной индукции в стержнях современных масляных трансформаторов мощностью 160 кВА и более при использовании холоднокатаной стали современных марок 3404, 3405, 3406, 3407, 3408 находятся в пределах 1,551,65 Тл.