VI Определение характеристик короткого замыкания

В настоящем разделе рассчитываются: потери к.з., напряжение к.з., механические силы в обмотках при к.з. Расчет ведется на основании теоретических положений и формул главы VII [Л.1].

VIа,б. Величина потерь и напряжения к.з. регламентирована заданием на курсовой проект, а допуск – ГОСТ 11677-65. Согласно этому стандарту допускается отклонение от регламентированных величин потерь и напряжения к.з. у готового трансформатора при работе его на основном ответвлении не должно превышать ±10%. Однако, при изготовлении трансформатора вследствие возможных допустимых отклонений в размерах обмоток (радиальные размеры α₁ и α₂, ширина канала между обмотками ВН и НН, средний диаметр между обмотками d₁₂ и др.) напряжение короткого замыкания готового трансформатора может отличаться от расчетных величин на ±5%. Чтобы отклонение U_к у готового трансформатора не выходило за допустимый предел ±10% от заданной величины, следует при расчете не допускать отклонений более чем ±5% от значения U_к, указанного в задании.

В тех случаях, когда отклонение расчетных значений потерь и напряжения короткого замыкания превышают допуски, в расчет необходимо внести соответствующие коррективы. При этом можно руководствоваться следующим.

1.Чрезмерное отклонение потерь короткого замыкания.

Причиной этого может быть значительное отклонение действительных плотностей тока обмоток ВН и НН от расчетного среднего значения в результате несоблюдения рекомендаций, приведенных в

разд. V, п.1 настоящих методических указаний.

Следует иметь в виду, что обмотка ВН, как наружная, всегда по объему и весу больше обмотки НН. Поэтому, если плотность тока обмотки ВН больше плотности тока обмотки НН, то потери короткого замыкания будут отклоняться от заданных в большую сторону и наоборот.

После окончательного определения потерь короткого замыкания, удовлетворяющих заданию на проект с учетом допуска, следует найти величину плотности теплового потока на охлаждаемой поверхности обмоток по одной из формул (6-16), (6-35), (7-17), (7-17¹), (7-19), (7-10¹), (7-19¹¹), (7-19¹¹¹) [Л.1]. Плотность теплового потока при естественном масляном охлаждении не должна превышать 1200-1400 Вт/м² (в редких случаях – до 1600 Вт/м²). Вместе с тем низкие значения тепловых потоков также не следует считать приемлемыми, т.к. это свидетельствует о неполном использовании возможностей теплоотдачи обмоток трансформатора.

2. Чрезмерное отклонение напряжения короткого замыкания.

Изменение величины напряжения короткого замыкания следует вести, как правило, за счет изменения его реактивной составляющей, поскольку она для нормальных силовых трансформаторов составляет большую часть полного значения U_к. Кроме того, изменяя реактивную составляющую, можно сохранить величину потерь короткого замыкания, что имеет значение в тех случаях, когда отклонение потерь Р_к лежит в пределах допуска, и требуется откорректировать только величину U_к.

Небольшие изменения реактивной составляющей U_к могут быть получены путем изменения ширины приведенного канала рассеяния α_р за счет изменения размера α₁₂ для высоты обмотки.

Высота обмотки, выполненной из провода прямоугольного сечения может быть изменена путем изменения соотношения размеров сторон провода таким образом, чтобы размеры α₁ и α₂ изменились в требуемом направлении.

При изменении расстояния между обмотками ВН и НН следует иметь ввиду, что минимальные величины α₁₂ ограничены значениями, приведенными в таблице 4-5 [Л.1]. Поскольку обычно расстояние α₁₂ в начале расчета выбирается минимальным, то этот способ практически применяется в тех случаях, когда U_р требуется увеличить на небольшую величину.

Если полученное U_к значительно отличается от заданного, то соответствующее изменение результата может быть получено изменением э.д.с., одного витка и числа витков путем увеличения или уменьшения диаметра стержня или индукции в нем. Однако эти изменения влекут за собою существенные изменения в уже выполненном расчете. Поэтому в тех случаях, когда полученное U_к значительно отличается от заданного, следует признать первоначальный выбор β и диаметра стержня неудачным, вернуться к началу расчета и откорректировать эти величины с учетом результата определения U_к.

VIв. Весьма большую опасность для трансформатора представляют механические силы, возникающие при коротком замыкании в результате взаимодействия токов обмоток с магнитным полем рассеяния.

Основы теории и расчетные формулы для определения механических сил в обмотках и их нагрева при коротком замыкании приведены в §7-3 [Л.1].

Для оценки механической прочности обмоток обычно определяют напряжение на разрыв в проводе обмотки и напряжение сжатия в прокладках межкатушечной, а также опорной изоляции обмоток.

При определении сжимающих осевых сил F_сж следует руководствоваться рис. 7-11, §7-3 [Л.1], где приведено распределение осевых сил для различных случаев взаимного расположения обмоток НН и ВН. Подобрав один из случаев, соответствующий принятому расположению обмоток, определяют по приведенной для этого случая формуле величину сжимающей силы, выраженной через составляющие F'ос и F''_ос. По найденному таким образом значению сжимающей силы F_сж определяют напряжение сжатия σ_сж на опорных поверхностях по формуле (7-50)

Если сила F_я, действующая на ярмо (определяемая по формулам, приведенным для каждого случая на рис. 7-11), оказывается больше силы F_сж, то для определения напряжения сжатия σ_сж нужно подставлять силу F_я.

Задачей расчета механических сил является не только определение величины их, но и принятие, в случае необходимости, мер, исключающих появление опасных механических напряжений.

Для уменьшения осевых сил следует:

1. выдерживать одинаковые осевые размеры всех обмоток трансформатора;

2. располагать регулировочные катушки катушечных обмоток в середине высоты обмотки, регулировочные витки многослойных цилиндрических обмоток следует располагать по высоте всего наружного слоя так, чтобы витки каждой ступени располагались симметрично относительно середины высоты обмотки, см. рис.6÷6а, [Л.1];

3. стремиться к уменьшению зоны разрыва в обмотке ВН;

4. делать несколько увеличенных радиальных масляных каналов в середине обмотки НН против зоны регулирования обмотки ВН.

VII Окончательный расчет магнитной системы

После того, как установлены размеры обмоток трансформатора и главные изоляционные промежутки, при которых отклонение потерь и напряжения короткого замыкания от заданных значений не превышает допустимых, производится окончательный расчет магнитной системы.

При окончательном расчете определяются: размеры пакетов стержня и ярма и их активные сечения; расположение охлаждающих каналов, высота стержня, расстояние между осями стержней, число листов стали в пакетах, массу стержней, ярм и полную массу активной стали в трансформаторе. При расчете следует руководствоваться материалом. изложенным в §8-1 [Л.1].

Учитывая возможную нестабильность качества стали, недостаточно точный учет увеличения потерь вследствие наклепа при механической обработке, отклонение величин зазоров в местах стыка листов стали и др., расчетные потери и ток холостого хода следует выдерживать в пределах заданных плюс половина допуска, разрешенного ГОСТ 11677-55.

Насколько реальной является полученная масса активной стали можно убедить путем сравнения с данными таблицы 14-24 [Л.2, стр.366].

VIII Определение рабочих характеристик трансформатора

Для характеристики режима нагрузки трансформатора важное значение имеют зависимости к.п.д. и вторичного напряжения от нагрузки трансформатора при постоянных коэффициенте мощности, частоте и первичном напряжении.

Зависимость к.п.д. от нагрузки может быть получена с помощью формулы:

,

где - коэффициент нагрузки,

Р_х, Р_к - потери х.х. и потери к.з. соответственно при номинальном первичном напряжении и при номинальном токе, полученные расчетом;

Cosφ₂ - коэффициент мощности нагрузки трансформатора;

S_н - номинальная мощность трансформатора по заданию.

Для получения искомой зависимости поступают следующим образом:

а) задаются значения коэффициента мощности, например, Cosφ₂=0,8

(отстающий);

б) давая ряд значений коэффициенту нагрузки, например,0; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 определяют величины к.п.д., соответствующие этим значениям К_нг и по полученным данным строят зависимость η=ƒ(К_нг) при выбранном Cosφ₂=Const.

Зависимость η=ƒ(К_нг) может быть построена также и для другого коэффициента мощности, например, Cosφ₂=1. Обе характеристики будут давать представление о влиянии Cosφ₂ на величину к.п.д. трансформатора.

Силовым трансформаторам общепромышленного назначения приходится работать при номинальной нагрузке в часы пиков нагрузки и с нагрузкой меньше номинальной – во время провалов графика нагрузки (например. в ночное время). Поэтому экономически целесообразно иметь максимальный к.п.д. трансформаторов не при номинальной нагрузке (К_нг=I), а при меньших нагрузках (К_нг ‹ 1).

Как известно, условием максимума к.п.д. является равенство

Р_х = К²_нгР_к,

откуда значение К_нг, соответствующее номинальному к.п.д.

из последнего выражения следует, что для того, чтобы получить максимальный к.п.д. при нагрузке, меньше номинальной (К_нг ‹ 1), трансформаторы следует проектировать так, чтобы их потери удовлетворяли соотношению Р_х<Р_к. Обычно для серийных трансформаторов общепромышленного применения Р_х/Р_к ≈ 0,21÷0,35 и максимум к.п.д. получается при К_нг ≈ 0,46÷0,6.

Зависимость вторичного напряжения трансформатора от К_нг строится по формуле:

U₂ = U₂₀(1 – ΔU)

ΔU ≈ К_нг (U_кα Cosφ₂ + U_кpSinφ₂)

Если U_кα и U_кр выражать в процентах, то ΔU получается также в процентах и U_2н следует брать равным 100%. При этом вторичное напряжение U₂ получается также в процентах.

Величина U_кα, U_кр берутся из расчета, величиной Cosφ₂ задаются (например, Cosφ₂ = 0,8 = Const) и задавая ряд значений К_нг от 0 до 1,25, получают внешнюю характеристику трансформатора U₂ = f (К_нг).

При номинальном токе , Cosφ₂ = 0,8 и значениях U_к = (5,5÷10,5)% падение напряжения для нормальных силовых трансформаторов составляет ΔU =(5÷8)%.