Электрические трансформаторы

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ
В задании на проект двухобмоточного трансформатора должны быть указаны следующие данные:
полная мощность трансформатора - S, кВА;
число фаз - m;
частота – f, Гц,;
номинальные линейные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений U2 и U1, В; способ регулирования напряжения - переключение без возбуждения (ПБВ) или регулирование под нагрузкой (РПН), число ступеней, напряжение ступени и пределы регулирования напря-жения;
схема и группа соединения обмоток;
способ охлаждения трансформатора;
режим нагрузки – продолжительный, кратковременный или другой. При кратковременном или другом режиме должны быть указаны его параметры – продолжительность работы и интервалов и отдаваемая трансформатором мощность (или ток);
характер установки - внутренняя или наружная, т.е. внутри помещения или на открытом РУ.

Исходные данные для проектирования
Кроме этих данных в задании обычно указываются некоторые параметры трансформатора:
напряжение короткого замыкания - Uк, %;
потери короткого замыкания - Рк, кВт;
потери холостого хода - Рх, кВт;
ток холостого хода - iх, %.
В задании могут быть указаны некоторые дополнительные условия:
марка стали;
выполнение обмоток из медного или алюминиевого провода и др.
Если в двухобмоточном трансформаторе предусматривается расщепление обмоток на две части, то должны быть указаны напряжения двух частей обмотки НН.
Номинальная мощность каждой из этих частей обычно принимается равной половине номинальной мощности трансформатора.

Исходные данные для трехобмоточного трансформатора
Для трехобмоточного трансформатора указывают:
мощности каждой из трех обмоток, если они различны (номинальной считается наибольшая из мощностей трех обмоток);
номинальные напряжения трех обмоток;
соответственно схемы и группы соединения обмоток;
три значения напряжения короткого замыкания, отнесенного к номинальной мощности трансформатора;
три значения потерь короткого замыкания для трех пар обмоток ВН и СН, ВН и НН, СН и НН.

Другие показатели трансформаторов
При проектировании трансформатора в соответствии с заданием должно быть также обеспечено:
его соответствие современным требованиям к электрической и механической прочности и нагревостойкости обмоток и других частей;
к экономичности его работы в эксплуатации.
Экономичность трансформатора в эксплуатации определяется сопоставлением стоимости трансформатора, отнесенной к определенному промежутку времени, с эксплуатационными затратами за этот промежуток и зависит в значительной мере от таких параметров, как потери холостого хода и короткого замыкания.
Для силового трансформатора уровни потерь холостого хода и короткого замыкания обычно устанавливаются при проектировании новых серий и разработке новых стандартов.
При индивидуальном проектировании силового трансформатора общего или специального назначения параметры холостого хода и короткого замыкания, как правило, задаются соответствующим ГОСТ.
Получение определенных параметров достигается рациональным выбором основных размеров трансформатора, а также подбором соответствующих удельных нагрузок активных материалов:
индукции в магнитной системе;
плотности тока в обмотках.

Последовательность расчета трансформатора
1. Определение основных электрических величин:
линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН;
испытательных напряжений обмоток;
активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания.
2. Расчет основных размеров трансформатора:
выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы;
выбор марки и толщины листов стали и типа изоляции пласти, индукции в магнитной системе;
выбор материала обмоток;
предварительный выбор конструкции обмоток;
выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток;
предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений Uк, Рк и Рх;
определение диаметра стержня и высоты обмотки, предварительный расчет магнитной системы.

Последовательность расчета трансформатора
3. Расчет обмоток НН и ВН:
выбор типа обмоток НН и ВН;
расчет обмотки НН;
расчет обмотки ВН.
4. Определение параметров короткого замыкания:
потерь короткого замыкания - основных и добавочных в обмотках, добавочных в элементах конструкции;
напряжения короткого замыкания;
механических сил в обмотках.
5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода:
размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма;
массы стержней и ярм и массы стали;
потерь холостого хода;
тока холостого хода.

Последовательность расчета трансформатора
6. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения:
поверочный тепловой расчет обмоток;
расчет системы охлаждения (бака, радиаторов, охладителей).
определение габаритных размеров трансформатора;
определение превышений температуры обмоток и масла над воздухом;
определение массы масла и основных размеров расширителя.
7. Экономический расчет:
расчет расхода активных и конструктивных материалов;
ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора;
определение приведенных годовых затрат и оценка экономичности рассчитанного трансформатора.

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТРАНСФОРМАТОРОВ
Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических величин:
мощности на одну фазу и стержень;
номинальных токов на стороне ВН и НН;
фазных токов и напряжений.

Определение испытательных напряжений
Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора.
Эти испытательные напряжения определяются для каждой обмотки трансформатора по ее классу напряжения.

ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора.

ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Три основных размера трансформатора:
1. Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня;
2. Осевой размер l (высота) его обмоток.
Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту.
3. Средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками d12, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток a1 и а2 и осевого канала между ними a12.
Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток:
высота стержня lс;
расстояние между осями соседних стержней С и т.д.
могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток (а12, а22, lо).

Основные изоляционные промежутки главной изоляции в концентрических обмотках

Главная изоляция обмоток ВН и НН в масляных трансформаторах

Главная изоляция в сухих трансформаторах

Коэффициент β
Два основных размера, относящихся к обмоткам d12 и 1с, могут быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками πd12 к высоте обмотки l:
β = πd12/l
Приближенно произведение πd12 можно приравнять к средней длине витка двух обмоток πd12≈lв или lв/ l =β.
Величина β определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки.
Значение β может варьироваться в широких пределах и практически изменяется в масляных и сухих трансформаторах существующих серий в пределах от 1 до 3,5.
При этом меньшим значениям β соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим— широкие и низкие.

Соотношение размеров двух трансформаторов с разными значениями β
Трансформаторы одинаковой мощности, одного класса напряжения, рассчитанных при одинаковых исходных данных (Вс, kс), с одинаковыми параметрами короткого замыкания (Рк и Uк).

Влияние β на параметры трансформатора
Различным значениям β соответствуют и разные соотношения между массами активных материалов - стали магнитной системы и металла обмоток.
Меньшим значениям β соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток.
С увеличением β масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается.
Таким образом, выбор β существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, а следовательно, и на стоимость трансформатора.
Вместе с этим изменение β сказывается и на технических параметрах трансформатора:
потерях и токе холостого хода;
механической прочности и нагревостойкости обмоток;
габаритных размерах.
Оптимальным значением β при его варьировании в достаточно широких пределах будет то, при котором стоимость трансформатора окажется минимальной.

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение массы стали стержней Gс, ярм Gя, магнитной системы Gст и металла обмоток Gо с изменением β для трансформатора типа ТМ-1600/35 с медными (IM) и алюминиевыми обмотками (IА)

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение относительной стоимости активной части с изменением β для трансформатора типа ТМ-1600/35 с медными (IM) и алюминиевыми обмотками (IА)

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение потерь и тока холостого хода с изменением β для трансформатора типа ТМ-1600/35 с медными (Iм) и алюминиевыми обмотками (IА)

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение механических напряжений и плотности тока с изменением β для трансформатора типа ТМ-1600/35 с медными (Iм) и алюминиевыми обмотками (IА)

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение основных размеров - диаметра стержня d, высоты обмотки l и расстояния между осями стержней С с изменением β для трансформаторов типа ТМ-1600/35 с медными (IМ ) и алюминиевыми (IIА) обмотками

Влияние β на параметры трансформатора
Изменение β влияет на массу не только активных, но и остальных материалов трансформаторов.
Вместе с увеличением β растут потери холостого хода и стоимость системы охлаждения, возрастают масса и стоимость конструктивных деталей остова, металла бака, трансформаторного масла, общая масса трансформатора.
Общая стоимость материалов трансформатора имеет свою точку минимального значения, обычно близкую по шкале значений β к точке минимальной стоимости активных материалов.
С увеличением β от этой точки общая стоимость материалов резко возрастает.
Поэтому в целях экономии всех материалов трансформатора рекомендуется при прочих равных условиях выбирать меньшие из рекомендуемых значений β.

Основные размеры двух трансформаторов типа ТМ-1600/35 с медными (а) и алюминиевыми (б) обмотками

Влияние β на параметры трансформатора
Подобное исследование, проведенное для ряда трансформаторов современных серий, показало, что общий характер изменения экономических и технических параметров с изменением β отличается теми же закономерностями, что и в примере с трансформатором типа ТМ-1600/35.
Однако для трансформатора каждого типа получаются свои пределы оптимального значения β.
Так для трансформаторов с воздушным охлаждением с изоляцией обмоток повышенных классов нагревостойкости от В до Н вследствие относительно высоких цен изоляционных материалов минимум стоимости активной части сдвигается в зону более высоких значений β, где уменьшается масса металла обмоток и изоляции при относительном увеличении массы стали.

Последовательность определения основных размеров трансформатора
Определяется диаметр стержня, который зависит от:
заданных параметров – S, f, Up;
выбранных параметров – Вс, β, Кр;
рассчитанных предварительно параметров - коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня - Кс ; ширина приведенного канала рассеяния трансформатора - ар .
Если полученный диаметр d не соответствует нормализованной шкале диаметров, то следует принять ближайший диаметр по нормализованной шкале dH и определить значение βн, соответствующее нормализованному диаметру.
Определяется второй основной размер трансформатора — средний диаметр канала между обмотками d12 , зависящий от диаметра стержня и радиальных размеров осевых каналов между стержнем и обмоткой НН и между обмотками НН и ВН, которые определяются из условий электрической прочности главной изоляции трансформатора по испытательным напряжениям обмоток НН и ВН.
Определяется третий основной размер трансформаторов — высота обмотки - l по коэффициенту β и d12 .

Выбор типа обмотки
Выбор типа конструкции обмоток при расчете трансформатора должен производиться с учетом эксплуатационных и производственных требований, предъявляемых к трансформаторам.
На выбор конструкции обмотки влияют:
ток нагрузки одного стержня - Iс;
мощность трансформатора - S;
номинальное напряжение - Uн;
поперечное сечение витка обмотки - П.
Ориентировочное сечение витка каждой обмотки, м2, может быть определено по формуле
П = Iс /Jср,
где Iс — ток соответствующей обмотки одного стержня, А; Jср — средняя плотность тока в обмотках ВН и НН, А/м2.

Определение средней плотности тока в обмотках
Выбор средней плотности тока в обмотках не является произвольным.
Когда выбирается тип обмотки, уже известны основные размеры магнитной системы, ЭДС одного витка и числа витков в каждой из обмоток, а также ориентировочные основные размеры обмотки (внутренний диаметр и высота).
В зависимости от выбора значения Jср будут изменяться объем и масса обмоток, а следовательно, и основные потери в них Росн
Обычно при расчете трансформатора потери короткого замыкания Рк бывают заданы и выбор средней плотности тока должен быть связан с заданной величиной Рк.
Для определения средней плотности тока в обмотках, А/м2, обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания, можно воспользоваться формулой:
где коэффициент к зависит от материала обмотки: для меди – 0,746; для алюминия – 0,463.

Определение средней плотности тока в обмотках
Найденное по формуле значение плотности тока является ориентировочным средним значением для обмоток ВН и НН.
Действительная средняя плотность тока в обмотках должна быть близка к этому значению.
Плотности тока в каждой из обмоток масляного трансформатора с медными или алюминиевыми обмотками могут отличаться от среднего значения не более чем на 10 %.
Отклонение действительной средней плотности тока от найденной по формуле в сторону возрастания увеличивает потери короткого замыкания Рк и в сторону уменьшения—снижает.
В сухих трансформаторах вследствие существенного различия условий охлаждения для внутренних и наружных обмоток плотность тока во внутренней обмотке НН обычно снижают на 20-30 % по сравнению с плотностью в наружной обмотке ВН.
Поэтому в таких трансформаторах отклонение действительной плотности тока в обмотках от найденного среднего значения может достигать ±(15—20) %.

Последовательность расчета обмоток НН
Определяют число витков обмотки НН.
Полученное значение w2 округляется до ближайшего целого числа и может быть как четным, так и нечетным/
После округления числа витков определяют напряжение одного витка, В,
uв = Uф2/w2
Определяют действительную индукцию в стержне, Тл,
Вс= uв/(4,44fПс)
Дальнейший расчет для каждого типа обмоток НН производится различными методами.
Цель расчета обмоток:
уточнение осевого размера обмоток - l ;
определение радиальных размеров обмоток – внутреннего и внешнего диаметров.

Расчет двухслойных и однослойных цилиндрических обмоток из прямоугольного провода
1. Выбор числа слоев обмотки:
Число слоев выбирается обычно равное двум.
Для трансформаторов мощностью на один стержень до 6—10 кВ·А обмотка может быть намотана в один слой;
Для более мощных трансформаторов — в три слоя (редко).
2. Определяется число витков в одном слое.
3. Определяется ориентировочный осевой размер витка - hв1 .
4. Определяется ориентировочное сечение витка – П2'.
5. По полученным значениям П1' и hв1 по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов подбираются подходящие провода.

Правила, которые нужно соблюдать при выборе провода
число параллельных проводов nв1 не более 4—6 при намотке плашмя и не более 6—8 при намотке на ребро;
все провода имеют одинаковые размеры поперечного сечения;
радиальные размеры всех параллельных проводов витка равны между собой;
радиальные размеры проводов не выходят за предельные размеры, найденные по по предельному q (обычно для масляных трансформаторов q≤1200 Вт/м2 и в редких случаях q≤1400 Вт/м2) или по допустимым добавочным потерям (обычно не более 5 %).
В сухих трансформаторах следует принимать q≤280 Вт/м2 при классе нагревостойкости изоляции А и 320 Вт/м2 при классе В;
при намотке на ребро отношение радиального размера провода к осевому его размеру не менее 1,3 и не более 3;
расчетная высота обмотки (ωсл1+l)/ hв1 на 5—15 мм меньше l.

Расчет двухслойных и однослойных цилиндрических обмоток из прямоугольного провода
Выбранный провод:
Определяется полное сечение витка из nв1 параллельных проводов – П2.
Определяется плотность тока - J2 = I2/П2.
Определяется осевой размер витка – hв2= nв2b'·10-3
Определяется осевой размер обмотки - l2= hв2 (wсл2+1)+ (0,005 - 0,015).
Определяется радиальный размер обмотки:
однослойной – а2= а'·10-3;
двухслойной - а2= (2 а‘+а11) ·10-3
Определяются внутренний и наружный диаметры обмотки.

Определение высоты витка

Определение радиальных размеров обмотки

Расчет винтовой обмотки
Выбор одноходовой или двухходовой (многоходовой) обмотки зависит от осевого размера (высоты) одного витка, м, ориентировочно определяемого по формулам:
для одноходовой обмотки:
hв1≈ l1/( ω1 + 4) – hк1;
для двухходовой обмотки с равномерно распределенной транспозицией:
hв1≈ l1/( ω1 + 1) – hк1;
где hк1 — осевой размер масляного охлаждающего канала между витками. Ориентировочно значение hк1 может быть принято равным hк1 ≈0,1a1, но не менее 4 мм.

Выбор вида винтовой обмотки и расчет
Максимально возможный осевой размер витка одноходовой обмотки равен максимальному размеру обмоточного провода в изоляции, т.е. не может превышать 16,5 мм для медного и 18,5 мм для алюминиевого провода.
Поэтому, если рассчитанная высота витка hв2≤0,0165м (16,5мм) для медного провода и hв1 ≤O,0185м (18,5мм) для алюминиевого, то следует применять одноходовую обмотку.
При высоте витка 0,035- 0,045≥hв2≥0,0155-0,0185 м (т.е. 35-45≥hв2≥15,5-18,5мм) применяется двухходовая обмотка.
Определяется ориентировочное сечение витка П2.
После определения числа ходов обмотки следует проверить полученный осевой размер витка hв2 по допустимой плотности теплового потока на поверхности обмотки q по формулам или графикам.
Если найденный осевой размер витка hв2 составляет не более половины b, найденного по этим формулам или графикам, то в одноходовой обмотке можно сделать радиальные каналы через два витка.
В двухходовой обмотке масляный канал между двумя группами проводов витка можно заменить прокладкой с толщиной 2×0,5 мм, если hв2 - hк1≤b.
Если плотность тока в медном проводе обмотки не превышает 2,2·106 - 2,5·106 А/м2 и в алюминиевом 1,4·106 - 1,8·106 А/м2, возможно применение винтовой обмотки без радиальных каналов с плотным прилеганием витков.

Последовательность расчета винтовой обмотки
После окончательного выбора конструкции обмотки к полученным ориентировочным значениям П2' и hв2 по сортаменту обмоточного провода подбираются подходящие сечения провода с соблюдением следующих требований:
минимальное число параллельных проводов в одноходовой обмотке четыре, в двухходовой — восемь;
все параллельные провода имеют одинаковые размеры и площадь поперечного сечения;
в обмотке с радиальными каналами больший размер провода не выходит за предельный размер, найденный по формулам или по графикам по предельно допустимому значению плотности теплового потока - q;
в обмотке без радиальных каналов радиальный размер и число проводов в радиальном направлении выбраны с учетом допустимого значения q и допустимого уровня добавочных потерь;
расчетная высота обмотки при выбранных размерах проводов и радиальных каналов равна предварительно рассчитанному значению.
Выбранные размеры проводов, мм:

Определение осевого размера витка и радиального размера для винтовой обмотки

Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода
Определяется ориенторовочное сечение витка.
По этому сечению и сортаменту обмоточного провода для трансформаторов подбирается круглый провод подходящего сечения или в редких случаях два параллельных одинаковых провода с диаметрами провода без изоляции d2 и провода в изоляции d2', мм.
Выбранный провод
где nв1 — число параллельных проводов.
4. Определяется сечение витка.
5. Определяется плотность тока.
6. Определяется число витков в слое:
wсл1 = l210-3/( nв1d1') – 1
7. Определяется число слоев в обмотке:
nсл1 = w1/wсл1
nсл1 округляется до ближайшего большего числа
8. Определяются радиальные размеры обмотки с учетом толщины междуслойной изоляции.

Расчет обмотки ВН
Выбирается способ регулирования напряжения, если не задан, и схемы выполнения ответвлений для регулирования.
Предусмотрены два вида регулирования напряжения силового трансформатора:
регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети;
регулирование напряжения без перерыва нагрузки (РПН) и без отключения обмоток трансформатора от сети.
Для трансформаторов с ПБВ диапазон регулирования с числом ступеней регулирования – 5: +5%; +2,5%; 0; -2,5%; -5%.
Трансформаторы мощностью 400 и 630 кВ·А классов напряжения 10 и 35 кВ могут выпускаться с устройствами РПН по согласованию между потребителем и изготовителем.
Для других трансформаторов устанавливаются следующие пределы регулирования:
Двухобмоточные трансформаторы
1000—6300 кВ·А, 20 и 35 кВ - ±6×1,50 = ± 9 %
2500 кВ·А, 110 кВ, РПН на стороне НН - +10×1,50= 15%; -8×1,50= -12 %
6300—125000 кВ·А, 110 кВ - ±9×1,67= ±16%