Расчет масляного трансформатора

Назначение и роль трансформаторов

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или больше индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

В народном хозяйстве используются трансформаторы различного назначения в диапазоне мощностей от долей вольт-ампера до 1 млн. кВА и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВА и ниже для однофазных и 5 кВА и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВА и более для трехфазных и от 5 кВА и более для однофазных сетей.

Трансформаторы малой мощности различного назначения используются в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т.п., а также для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи.

Централизованное производство электрической энергии на крупных электростанциях с генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных и гидравлических энергоресурсов, позволяет получать в этих районах большие количества электрической энергии при относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование дешевой электрической энергии непосредственно у потребителей, находящихся на значительном удалении, иногда измеряемом сотнями и тысячами километров, и рассредоточенных на территории страны, требует при этом создания сложных разветвленных электрических сетей.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти - шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции 15, 75 кВ в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть, около 1000 км часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.

Современные тенденции в производстве трансформаторов

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т.е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее дорогой цене.

Потери холостого хода трансформатора являются постоянными, не зависят от тока нагрузки и возникают в его магнитной системе в течение всего времени, когда он включен в сеть. Потери короткого замыкания (нагрузочные) изменяются с изменением тока нагрузки и зависят от графика нагрузки трансформатора. Характер суточного или годового графика нагрузки трансформатора зависит от его места в сети и характера нагрузки -- промышленная, бытовая, сельскохозяйственная и т.д. Для экономических расчетов трансформаторы сети принято разделять на трансформаторы электрических станций, основной сети при напряжениях 110 кВ и выше и распределительной сети, непосредственно питающие потребителей при напряжениях 10 и 35 кВ. Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а следовательно, энергетики страны. Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка. Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляет 98-99% и более, однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии во всем парке трансформаторов достигают существенных значений. Так в середине 50-х годов на потери в трансформаторах расходовалось до 6% всей энергии, выработанной электростанциями. В сериях трансформаторов, выпускавшихся в последующие годы, потери холостого хода снижены до 50% и потери короткого замыкания на 20-25%, однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка, общие потери в парке трансформаторов уменьшились в меньшей степени. Поэтому одной из важнейших задач в настоящее время является задача существенного уменьшения потерь энергии в трансформаторах, т.е. потерь холостого хода и потерь короткого замыкания.

Уменьшение потерь холостого хода достигается главным образом путем все более широкого применения холоднокатаной рулонной электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами - низкими и особо низкими удельными потерями и низкой удельной намагничивающей мощностью. Применение этой стали, обладающей анизотропией магнитных свойств и очень чувствительной к механическим воздействиям при обработке - продольной и поперечной резке рулона на пластины, к толчкам и ударам при транспортировке пластин, к ударам, изгибам и сжатию пластин при сборке магнитной системы и остова, сочетается с существенным изменением конструкций магнитных систем, а также с новой прогрессивной технологией заготовки и обработки пластин и сборки магнитной системы и остова.

Новые конструкции магнитных систем характеризуются применением косых стыков пластин в углах системы, стяжкой стержней и ярм кольцевыми бандажами вместо сквозных шпилек в старых конструкциях и многоступенчатой формой сечения ярма в плоских магнитных системах. Находят применение стыковые пространственные магнитные системы со стержнями, собранными из плоских пластин, и с ярмами, навитыми из ленты холоднокатаной стали, а также магнитные системы, собранные только из навитых элементов. Эти конструкции позволяют уменьшить расход активной стали и потери холостого хода.

Уменьшение расхода электротехнической стали при стабильности допустимой индукции достигается в настоящее время за счет изменения конструкции магнитной системы, например путем перехода от плоских к пространственным магнитным системам.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы металла в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВА.

Дальнейшее расширение применения алюминия в трансформаторах больших мощностей ограничивается требованиями механической прочности обмоток при коротком замыкании. Возможность замены меди алюминием в обмотках некоторых типов трансформаторов общего и специального назначения еще не исчерпана.

Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто путем снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает также применение новых систем форсированного охлаждения трансформаторов с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

В связи с повышением общих требований, предъявляемых энергетикой к силовым трансформаторам, расширением шкалы мощностей и напряжений в последние годы продолжалась работа по стандартизации силовых трансформаторов.

Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей и напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей, нарастающих по стандартизованной шкале с основным коэффициентом нарастания 1,6 (в отдельных местах шкалы 1,25). Увеличивается выпуск трансформаторов специального назначения - для питания электрических печей, преобразовательных устройств, рудничных установок и др., а также трансформаторов для комплектных трансформаторных подстанций. Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства и становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов по мощностям, назначению и классам напряжения между отдельными заводами, а также сосредоточения на отдельных заводах производства однотипных трансформаторов.

Наряду с масляными используются также и сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением. Они находят все более широкое применение в установках внутри производственных помещений, жилых и служебных зданий, т.е. там, где установка масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустима. Мощность в единице этих трансформаторов достигает в нормальных сериях 1600 кВА при напряжении 10 кВ. В дальнейшем возможно увеличение единичной мощности до 2500 кВА и напряжения до 15 кВ. Кроме серий сухих трансформаторов для работы в зоне умеренного климата выпускаются сухие трансформаторы для работы в условиях сухих и влажных тропиков.

Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью до 250 кВА выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ), а мощностью 400-630 кВА с ПБВ в основной массе и с РПН - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000-6300 кВА выпускаются как с ПБВ, так и с РПН, а мощностью 10000- 80 000 кВА класса напряжения 35 кВ - только с ПБВ.

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63 000 кВА) возникает проблема ограничения добавочных потерь, возникающих от вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния в обмотках, и вихревых токов и гистерезиса, возникающих в элементах конструкции трансформатора. Эти потери в сумме могут достигать 25-30% полных потерь короткого замыкания.

В качестве наиболее эффективных средств для уменьшения добавочных потерь применяют: рациональное размещение витков обмоток для уменьшения поперечной (радиальной) составляющей поля рассеяния, искусственную локализацию поля рассеяния при помощи установки магнитных экранов из электротехнической стали и замену некоторых стальных деталей деталями из немагнитных материалов. В дальнейшем наиболее радикальное решение этой проблемы может быть найдено путем замены стальных деталей, в которых возникают потери от гистерезиса и вихревых токов, неметаллическими (прессующие кольца обмоток, ярмовые прессующие балки и т.д.) или деталями из немагнитных металлов.

Разработка новых серий трансформаторов с пониженными потерями холостого хода производится на базе применения электротехнической холоднокатаной анизотропной тонколистовой рулонной стали марок 3404, 3405, 3406 по ГОСТ 21427-83, допускающей магнитную индукцию до 1,6 -1,65 Тл при использовании современной конструкции и технологии изготовления магнитных систем.

В качестве материала обмоток в значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей до 16 000-25 000 кВА применяется алюминиевый обмоточный провод. В трансформаторах больших мощностей и трансформаторах специального назначения обмотки выполняются из медного обмоточного провода.

Перевод ряда серий трансформаторов на алюминиевые обмотки позволил получить большую экономию меди, необходимой для общего увеличения выпуска трансформаторов и увеличения массы меди в обмотках трансформаторов большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания.

Возможность этих исследований обеспечивается широким внедрением вычислительной техники и современных методов экспериментального исследования магнитного ноля.

Важной задачей является совершенствование методов расчета трансформаторов. В условиях проектных организаций и трансформаторных заводов расчет силовых трансформаторов выполняется с использованием ЭВМ. Разработаны математические модели и комплекты стандартных программ, при помощи которых ведется расчет отдельных параметров - потерь и напряжения короткого замыкания, потерь и тока холостого хода, оптимальных размеров сечения стержня, тепловой расчет отдельных частей системы охлаждения трансформатора, его тепловой постоянной времени и др.

Особо важное значение имеют комплекты программ для расчета поля рассеяния обмоток. Эти программы позволяют выполнять расчет индукции поля рассеяния в области внутри и вне обмоток с последующим определением радиальных и осевых электродинамических сил, действующих при коротком замыкании на отдельные части обмоток, и суммарных сил для каждой обмотки, а также добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Повышение класса напряжения трансформаторов с 220 до 330, 500, 750 и 1150 кВ требует развития исследований новых изоляционных конструкций и применения изоляционных материалов повышенного качества. В области производства трансформаторов массовых выпусков мощностью от 25 до 1000-6300 кВА главной задачей остается совершенствование их конструкций для уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии в них, удешевления производства.

Примером современного подхода к проектированию новых серий трансформаторов может служить серия двух- и трехобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 кВ с РПН в диапазоне мощностей от 2500 до 125 000 кВА, разработанная отечественными проектно-исследовательскими организациями и предприятиями в начале 80-х годов и ныне выпускаемая заводами. При разработке этой серии были приняты новые расчетные и конструктивные решения, позволившие улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого хода, повысить электродинамическую стойкость обмоток и модернизировать системы охлаждения трансформаторов.

Классификация трансформаторов

Силовые трансформаторы отличаются номинальной мощностью, классом напряжения, условиями и режимами работы, конструктивным исполнением. В зависимости от номинальной мощности и класса напряжения разделяют на несколько групп (с 1-й по 8-ю).

В зависимости от условий работы, характера нагрузки или режима работы силовые трансформаторы разделяются на трансформаторы общего назначения, регулировочные и трансформаторы специального назначения (шахтные, тяговые, пусковые и др.).

Промышленностью выпускаются силовые трансформаторы, предназначенные для работы в районах с умеренным, холодным и тропическим климатом, для установки на открытом воздухе или в помещении.

В зависимости от вида охлаждения различают: сухие, масляные трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком.

Условные обозначения трансформаторов

Условное обозначение различных типов трансформаторов включает в себя:

- буквенное обозначение, характеризующее число фаз, вид охлаждения, число обмоток и вид переключателя ответвлений. Кроме вышеуказанных обозначений стандартами и техническими условиями на отдельные виды исполнений трансформаторов, могут предусматриваться дополнительные буквенные обозначения, характеризующие особенности данного типа трансформатора;

- обозначение номинальной мощности и класса трансформатора;

- обозначение климатического исполнения и категории размещения.

Буквенное обозначение трансформаторов состоит из следующих по порядку букв. Первая указывает число фаз: 0 - для однофазных трансформаторов; Т - для трехфазных. Следующая одна, две или три буквы указывают условное обозначение вида охлаждения.

Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т.е. сталь магнитной системы и металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформатора», например электроизоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т.д., и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах. Применение того или иного материала может отразиться на технологии изготовления трансформатора и его конструкции. Замена одних активных или изоляционных материалов другими иногда приводит к существенному изменению конструкции и технологии изготовления трансформатора.

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течение многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Появление в конце 40-х годов холоднокатаной текстурованной стали, т.е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе до 1,6-1,65 Тл против 1,4-1,45 Тл для горячекатаной стали и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов - изоляционных, конструкционных, масла и т.д.

Замена медного обмоточного провода в обмотках силовых трансформаторов алюминиевым проводом затрудняется, прежде всего, тем, что удельное электрические сопротивление алюминия существенно (примерно в 1,6 раза) больше удельного сопротивления меди.

Выбор марки стали и вида изоляции пластин

Материалом для магнитной системы силового трансформатора служит электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь, главным образом марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 по ГОСТ 21427.1-83, поставляемая в рулонах. Применение холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 по ГОСТ 21427.1-83 для основных серий трансформаторов не практикуется, но не исключено использование этой и горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513 для электрических реакторов, выпускаемых трансформаторными заводами.

Современная холоднокатаная электротехническая сталь, используемая в силовых трансформаторах, поставляется в рулонах с шириной 650, 750, 800, 860 и 1000 мм и толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм при массе рулона не более 5000 кг или в листах тех же толщин с размерами 650-750-800-860Ч Ч1500 и 1000Ч2000 мм. Применение листовой стали не рекомендуется, поскольку существенно усложняет технологию заготовки пластин и увеличивает количество отходов стали. Сталь обычно поставляется с нагревостойким электроизоляционным покрытием с толщиной на одной стороне не более 5 мкм, нейтральным по отношению к трансформаторному маслу при 105°С и маслостойким при 150°С, сохраняющим электроизоляционные свойства после нагрева до 800°С в течение 3 ч в нейтральной атмосфере или после имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы. 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

Холоднокатаная электротехническая текстурованная сталь для трансформаторного производства выпускается также в ряде зарубежных стран - Англии, США, Франции, ФРГ, Швеции, Японии. Марки этой стали можно отнести к трем основным типам: марка М5 - сталь толщиной 0,35 мм с удельными потерями при 6-1,5 Тл и f = 50 Гц около 1,10 - 1,12 Вт/кг; марка М5 -- сталь толщиной 0,35-0,30 мм и удельными потерями 1,07-0,97 Вт/кг и марка М4 - сталь толщиной 0,30-0,28 мм с удельными потерями 0,95-0,89 Вт/кг.

Конструкции основных частей трансформатора

Общая конструктивная схема трансформатора

В конструктивном отношении современный силовой масляный трансформатор можно схематически представить состоящим из трех основных систем - магнитной, системы обмоток с их изоляцией и системы охлаждения и вспомогательных систем - устройства регулирования напряжения, измерительных и защитных устройств, арматуры и др. В трансформаторах с воздушным охлаждением, как правило, отсутствуют измерительные и защитные устройства и арматура, а система охлаждения не выделяется в виде отдельных конструктивных единиц.

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), которая служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система представляет собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенной геометрической форме.

Большинство типов магнитных систем можно четко подразделить на отдельные части. В соответствии с этим делением в магнитной системе различают стержни - те ее части, на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие непосредственно для преобразования электрической энергии, и ярма - части, не несущие основных обмоток и служащие для замыкания магнитной цепи, а в некоторых типах трансформаторов также для расположения обмоток, имеющих вспомогательное назначение.

В магнитных системах, разделяющихся на стержни и ярма, при расчете параметров холостого хода трансформатора особо выделяются части, находящиеся в зоне сопряжения стержня и ярма и называемые углами магнитной системы. Понятие «угол» определяется как часть ярма магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или их продолжений одного из ярм и одного из стержней.

Практикой трансформаторостроения в течение десятилетий были выработаны различные схемы взаимного расположения отдельных частей магнитной системы. По этому признаку все магнитные системы разделяются на плоские - такие, в которых продольные оси всех стержней и ярм располагаются в одной плоскости, и пространственные, в которых оси стержней и ярм располагаются не в одной плоскости.

По взаимному расположению стержней и ярм плоские и пространственные магнитные системы могут также подразделяться на: стержневые, броневые и бронестержневые.

Рисунок 1- Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержень; 3 - сечение стержня; 4 - угол магнитной системы

Конструкции магнитных систем силовых трансформаторов

Первой задачей, решаемой при проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор ее конструктивной схемы. Плоская магнитная система (см. рисунок 1) может быть принята для производства на любом современном трансформаторном заводе. Пространственные магнитные системы, позволяющие получить экономию электротехнической стали и уменьшение потерь холостого хода до 9-10%, применяются в трансформаторах мощностью до 630 кВА. Не исключено их применение и при мощностях 1000-6300 кВА. Для изготовления пространственных магнитных систем необходимо иметь специальное оборудование для навивки и длительного отжига навитых частей.

При расчете плоской магнитной системы из рулонной холоднокатаной стали должен быть выбран план шихтовки пластин. Наименьшие потери и ток холостого хода могут быть получены при шихтовке с косыми стыками пластин в шести углах (рисунок 2, а). Существенно проще технология заготовки пластин и сборки магнитной системы рисунок 2, б - с косыми стыками в четырех и прямыми в двух углах при несколько более высоких потерях и токе холостого хода. Средней по технологической сложности и параметрам холостого хода является схема с косыми стыками в четырех и комбинированными «полукосыми» в двух углах.

Рисунок 2 - Варианты плана шихтовки магнитной системы: а - косые стыки в шести углах; б - косые стыки в четырех и прямые в двух углах

Для того чтобы магнитная система, собранная из массы пластин тонколистовой стали, обладала достаточной устойчивостью, могла выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, и не разваливалась при подъеме остова или активной части, ее верхнее и нижнее ярма должны быть надежно соединены механически.

В масляных трансформаторах при напряжениях обмоток ВН от 150 кВ и выше и в сухих при напряжениях 10 кВ и выше предпочтительнее соединять верхние и нижние ярмовые балки прессующими пластинами стержня, положенными под бандаж по оси крайнего пакета стержня и сцепленными механически с ярмовыми балками. При наличии прессующих пластин верхние ярмовые балки не могут сдвигаться вниз и в остове с плоской магнитной системой осевая прессовка обмоток должна осуществляться прессующими кольцами - разрезными и заземленными металлическими или неразрезными из твердого диэлектрика, расположенными между обмоткой и верхним ярмом.

При соединении ярмовых балок шпильками прессующие кольца обычно устанавливаются при мощностях, превышающих 1600 кВА. При наличии прессующих колец изоляционное расстояние от обмотки ВН до верхнего ярма увеличивается. Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность. Диаметр этой окружности d называется диаметром стержня трансформатора и является одним из основных его размеров. Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечениями пакетов пластин. При этом пакетом называется стопка пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называется активным сечением стержня или ярма.

Рисунок 3 - Различные способы сборки и прессовки стержня:

а - путем расклинивания с жестким цилиндром обмотки НН: б - бандажи из стеклоленты; в - сквозными стяжными шпильками; сборка стержня: г - из радиально расположенных пластин; д - из пластин эвольвентной формы.

Число ступеней, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней увеличивает коэффициент заполнения площади круга k_KР площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, чем усложняет заготовку пластин и сборку магнитной системы.

Ширина пластин, определяющая ширину и толщину пакетов, образующих сечение стержня, выбирается так, чтобы при заданном диаметре было обеспечено получение наибольшего сечения стержня при максимальном использовании и минимальных отходах листовой или рулонной стали. Для ширины пластин существует нормализованная шкала 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, 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 (40-60 Н/см²), считая по среднему, т.е. наиболее широкому пакету.

Прессовка стержней может осуществляться различными способами. При мощности трехфазного трансформатора до 630 кВА и диаметре стержня до 0,22 м включительно хорошие результаты дает прессовка его без применения специальных конструкций путем забивания деревянных стержней и планок между стержнем и обмоткой НН или ее жестким изоляционным бумажно-бакелитовым цилиндром (рисунок 3,а). Стержни трансформаторов большей мощности - от 1000 кВА и выше - при диаметре d>0,22 м нуждаются в более надежной прессовке. В этом случае хороший результат может быть достигнут при стяжке стержня бандажами из стеклоленты, расположенными по высоте стержня на расстояниях 0,12-0,15 м один от другого (рисунок 3,б).

Перед наложением бандажей при сборке на специальном стенде стержни поочередно опрессовывают прессующей балкой с общим усилием от 0,4 до 1-2 МН, создающей необходимое напряжение сжатия между пластинами, или при помощи временных технологических бандажей, затягиваемых вручную. Намотка бандажей из стеклоленты производится на опрессованные стержни. Этот способ стяжки обеспечивает равномерное сжатие всего стержня и достаточную механическую прочность остова трансформатора. Возможна также стяжка стержней бандажами из стальной ленты, размещаемыми на расстоянии 0,12-0,24 м один от другого. Эти бандажи должны замыкаться на пряжках из диэлектрика во избежание появления короткозамкнутого витка и должны заземляться во избежание накопления на них электрических зарядов.

В навитой магнитной системе при навивке из лент различной ширины сечение стержня (и ярма) будет ступенчатым, а в системе при навивке из ленты переменной ширины - составленным из двух полукруглых сечений. Эти магнитные системы после навивки и отжига их частей скрепляются бандажами из стеклоленты. Стержни стыковой пространственной магнитной системы собираются из пластин разной ширины и одинаковой длины, и после опрессовки стягиваются бандажами. В центральном пакете стержня такой магнитной системы во время его сборки оставляется квадратное отверстие для прохода осевой шпильки, соединяющей верхнее и нижнее ярма.

Сечение стержня может быть образовано не только набором пакетов плоских пластин (рисунок 3,а - в), но также и радиальной шихтовкой плоских пластин (рисунок 3, г) или набором пластин, изогнутых по форме цилиндрической эвольвентной поверхности (рисунок 3, д). Оба эти способа сборки магнитной системы предусматривают стыковую конструкцию остова с отдельно собираемыми стержнями и ярмами. Ярма наматываются из рулонной стали или выполняются в виде набора плоских пакетов. Конструкция с пластинами эвольвентной формы удобна тем, что каждый стержень собирается из пластин одного размера. Ширина пластины (длина эвольвентной линии) зависит только от диаметров стержня - внутреннего d₁ и внешнего d.

Регулирование напряжения

Для экономичной и безаварийной работы любого потребителя необходимо, чтобы напряжение, подводимое к нему, было с минимальными отклонениями. Допустимые отклонения нормированы и не должны нарушатся. Так, для электродвигателей напряжение на зажимах не должно отличаться от номинального более чем на -5% до +10%.

Для осветительных установок нормы ±5% - для жилых помещений и от -2,5% до -5% - для общественных зданий и производственных помещений.

Однако колебания сети неизбежны вследствие переменных режимов работы потребителей, включения и отключения групп потребителей и других причин. Поэтому для поддержания неизменного уровня напряжения требуется постоянное его регулирование.

Напряжение можно регулировать без отключения нагрузки и с отключением трансформатора от сети. Первый способ называется регулирование под нагрузкой (РПН), а трансформатор, в котором оно предусмотрено, трансформатором с РПН. Однако РПН требует сложных и дорогих переключающих устройств, поэтому трансформаторы РПН установлены только там, где это дает заметный экономический эффект. В других случаях применяют регулирование без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток от сети. Трансформатор, в котором предусмотрено такое регулирование, называют трансформатором ПБВ.

При ПБВ потребителя на время вообще отключают от сети, что неудобно и особенно там, где нагрузка меняется часто, но вместе с тем конструкция ПБВ проста и относительно дешева.

Наиболее распространено регулирование напряжения ступенчатым изменением числа витков одной из обмоток. Большинство трансформаторов выполняют с регулированием на обмотке ВН, поскольку в обмотке НН большой ток и переключающее устройство получится очень громоздким. Поскольку в обмотке ВН токи гораздо меньше, то переключающее устройство получится относительно небольшим, хотя его приходится изолировать от заземленных частей трансформатора.

Напряжение регулируют чаще изменением основного магнитного поля в магнитопроводе. Так, при постоянном ВН и уменьшении вторичного напряжения следует увеличить магнитной поле, чтобы восстановить номинальное НН. Это достигается уменьшением числа витков в обмотке ВН.

При постоянном напряжении U₁ для увеличения индукции надо уменьшить число витков в первичной обмотке, и наоборот, если нагрузка падает, а напряжение U₂ растет, следует уменьшить интенсивность поля, т.е. увеличить число витков в первичной обмотке.

Если изменяется первичное напряжение, следует поддержать для сохранения НН магнитное поле неизменным, что достигается соответственным изменением числа витков w₁: при повышении напряжения (например, на 10%) надо увеличить на столько же число витков w₁, при снижении U₁ - уменьшить их.

При одновременном изменении U₁ и U₂ следует отключить такую часть витков, когда скомпенсировалось снижение этих напряжений. Когда регулирование возможно в обмотке НН, основное магнитное поле (U₁ неизменно) остается постоянным, а увеличение (или уменьшение) напряжения НН осуществляется включением (или отключением) части последовательно соединенных витков обмотки НН.

Во всех случаях принцип регулирования заключается в изменении числа витков в обмотке трансформатора определенными ступенями. Обычно в обмотке ВН определяют регулировочную часть и разделяют на ряд ступеней с необходимым числом витков, концы которых выводят с помощью ответвлений.

1. Предварительный расчет трансформатора

1.1 Расчет основных электрических величин трансформатора

Мощность обмоток одного стержня трансформатора определяется по формуле (3.2) [л.1, стр. 97]:

где S - мощность трансформатора по заданию;

c - число активных стержней трансформатора.

Номинальный (линейный) ток обмотки ВН и НН трехфазного трансформатора определяется по формуле (3.3) [Л. 1, стр. 97]

ВН:

НН:

где U - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки; I - ток обмотки одного стержня трёхфазного трансформатора.

Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора при соединении обмоток в треугольник и звезду определяется по формулам (3.5) и (3.6) [Л. 1 стр. 97], а фазные напряжения по формулам (3.7) и (3,8) [Л. 1 стр. 98]:

ВН:

НН:

ВН: ,

НН:

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземлёнными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяются электрическая прочность изоляции трансформатора. Испытательное напряжение определяется по таблице 4.1 [Л. 1, стр. 169] для каждой обмотки трансформатора по её классу напряжения.

ВН: U_исп = 85 кВ,

НН: U_исп = 5 кВ.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность определить активную составляющую напряжения короткого замыкания, % по формуле (3.9) [Л. 1, стр. 99]:

где P_к - потери короткого замыкания в кВт;

S - номинальная мощность в кВА.

Реактивная составляющая при заданном напряжении короткого замыкания определяется по формуле (3.10) [Л. 1, стр. 99]:

1.2 Основные размеры

Основные параметры трансформатора показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Основные размеры трансформатора

Расчет основных параметров трансформатора начинается с определения диаметра стержня по формуле (3.17) [Л. 1, стр. 106]:

где - ширина приведенного канала рассеяния трансформатора определяется как

Размер - размер канала между обмотками ВН и НН, определяется по таблице 4.5 [Л. 1, стр. 184] и равен 0,03 м.

При определении основных размеров трансформатора определяется по формуле [Л. 1, стр. 120]:

где - коэффициент канала рассеяния, зависит от мощности трансформатора, напряжения обмотки ВН и уровня потерь к.з. Р_к, находится по таблице 3.3 [Л. 1, стр. 121] и выбирается равен 0,62*1,25.

- приближенно равен отношению средней длинны витка двух обмоток трансформатора к их высоте и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. В расчете данного трансформатора с таблицы 3-12 [Л. 1, стр. 159] принимается равным 1,3;

- коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять 0,95;

- частота сети, в которой будет установлен трансформатор, равная 50 Гц;

- реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, ;

- индукция в стержне, выбирается с таблицы 2.4 [Л. 1, стр. 78], равна 1,6 Тл;

- коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения круга. Этот коэффициент равен произведению

,

в свою очередь коэффициенты и находятся по таблицам 2.2 [Л. 1, стр. 77] и 2.5 [Л. 1, стр. 83] соответственно, и они имеют значения = 0,96, = 0,913.

Выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и прямыми стыками на среднем стержне. Сталь выбираем марки 3404 с толщиной одного листа 0,35 мм.

Рисунок 5 - Эскиз магнитной системы

Поскольку полученный диаметр не соответствует ни одному значению из стандартного ряда диаметров, то выбираем нормализованный диаметр, который равен 0,14 м [Л. 1, стр. 87].

После этого рассчитаем коэффициент , соответствующий нормализированному диаметру, по формуле (3.69) [Л. 1, стр. 163]:

Средний диаметр канала между обмотками определяется по формуле (3.70) [Л. 1, стр. 163]:

где - радиальный размер осевого канала между стержнем и обмоткой НН, м - таблица 4.4 [Л. 1, стр. 183],

- радиальный размер обмотки НН, может быть приближенно рассчитан по формуле (3.71) [Л. 1, стр. 164]: