Глава 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ

ТРАНСФОРМАТОРА

Основой конструкции трансформатора является его магнитная система, размеры которой вместе с размерами обмоток определяют его габариты. В проектируемых трансформаторах рассматривается плоская трехстержневая магнитная система, поперечное сечение стержней име­ет вид симметричной многоступенчатой фигуры, вписанной в окруж­ность. Поперечное сечение стержня в виде ступенчатой фигуры выпол­няется для наибольшего заполнения сталью площади круга, а также для изготовления технологичных цилиндрических обмоток. Обмотки на стержнях расположены концентрично по отношению друг к другу, при­чем для уменьшения расхода материалов внутренней всегда является обмотка НН. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками схематически изображена на рис 1.

Материалом для магнитной системы силового трансформатора служит электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколисто­вая сталь, главным образом марок 3404, 3405 по ГОСТ 21427.1-83, по­ставляемая в рулонах толщиной 0,35 и 0,3 мм. Сталь обычно изготавли­вается с нагревостойким изоляционным покрытием.

Рис.1 Основные размеры трансформатора

Диаметр d окружности, в которую вписана ступенчатая фигура стержня, является первым основным размером трансформатора и рассчитывается по формуле

d' = 16·, см

Расчет и выбор величин, входящих в формулу, рекомендуется производить в следующем порядке.

1. Мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВ·A, S' — определена выше.

2. Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, см

а_Р = а₁₂ ·10^-1 + (а₁ + а₂)/3.

Размер а 12 канала между обмотками ВН и НН определяется как изоля­ционный промежуток и может быть выбран из табл. 8.

Суммарный приведенный размер обмоток ВН и НН (a₁+a₂)/3 (см) может быть приближенно определен по формуле:

(а₁ + а₂)/ 3 k ,

где величина к в зависимости от мощности трансформатора, металла обмо­ток, напряжения обмотки ВН может быть найдена в табл.1

Значения коэффициента k в формуле

для расчета приведенного размера обмоток

Мощность трансформато­ра, кВА	Класс напряжения, кВ
	10	35
До 250	0,63	0,65 - 0,58
400 - 630	0,53	0,65-0,58
1000-6300	0,51-0,43	0,52-0,48
10 000-80 000	—	0,48-0,46

Таблица 1

Примечание. Для обмоток из алюминиевого провода значение к, найденное из таблицы, умножить на 1,25.

3. Значение β приближенно равно отношению средней длины витка обмоток трансформатора к их высотеи определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора. Значениеβможет варьироваться в ши­роких пределах и изменяться в существующих трансформаторах в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значениям β соответствуют трансформаторы относительно узкие и длинные, большим — широкие и низкие.

Различным значениям βсоответствуют и различные 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 /3 масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор β существенно влияет на соотношения масс активных и других материалов, а следователь­но, и на стоимость трансформатора.

Вместе с этим изменение β влияет и на технические характеристики: напряжение короткого замыкания U_K%, потери и ток холостого хода, меха­ническая прочность и нагревостойкость обмоток.

При заданном уровне потерь для наиболее часто употребляемых мате­риалов магнитной системы и обмоток оптимальное значение β определяется по табл. 2.

Таблица 2

Рекомендуемые значения β

Габарит	Мощность, кВ·А	Алюминий			Медь
		6 и 10 кВ	35 кВ	6 и 10 кВ		35 кВ
I	25 -100	1,2-1,6	-	1,8-2,4		-
П	160-630	1,2-1,6	1,2-1,5	1,8-2,4		1,8-2,4
III	1000-6300	1,3 - 1,7	1,2-1,6	2,0-2,6		1,8-2,4
IV	6300-16000	- -	1,1-1,3	— -		1,7-2,0
V	25000 - 80000	-	-	-		1,3-1,6

4. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять

k_Р 0,95

5. Частота f подставляется из задания на курсовой проект.

6.Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, U_Р %, определена выше.

7. Весьма важное значение при расчете трансформатора имеет пра­вильный выбор индукции в стержне магнитной системы. В целях уменьше­ния количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимо­сти активных частей следует выбирать возможно большее значение расчет­ной индукции. При этом, однако, увеличиваются потери и существенно уве­личивается ток холостого хода трансформатора. Уменьшение расчетной ин­дукции приводит к получению лучших параметров холостого хода за счет увеличения массы материалов и стоимости активной части. Верхний предел индукции обычно определяется допустимым значением тока холостого хода.

Рекомендуемые значения расчётной индукции в стержне трансформаторов при использовании современных марок холоднокатаной стали приведены в табл.3.

Таблица 3

Рекомендуемая индукция в стержнях трансформаторов

Марки Холоднокатаной стали	Мощность трансформатора, S, кВ·А
	До 16	25-100	160 и более
3404, 3405	1,50-1,55	1,55-1,60	1,55 -1,65

8. k_c — коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описывающего сечение стержня, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня, размеров охлаждающих каналов, толщины листов стали, вида междулистовой изоляции и рассчитывается по формуле:

k_c = k_кр· k_{з ,}

где k_кр - коэффициент заполнения площади круга площадью ступенчатой фигуры; k_з - коэффициент заполнения площади ступенчатой фигуры сталью, учитывающий толщину изоляционного слоя и неплотность запрессовки листов.

Ступенчатое сечение стержня (и ярма) образуется сечениями пакетов. Пакет — стопа пластин одного размера. Число ступеней, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней увеличивает коэффициент заполнения площади круга k_кр площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, чем усложняет заготовку пластин и сборку магнитной системы. Для ориентировки в выборе числа ступеней и коэффициента k_кр служит табл. 4, в которой приведены данные современных трехфазных трансформаторов различной мощности.

Коэффициент заполнения k_з зависит от толщины пластин стали - 0,35 или 0,3 мм, вида изоляции пластин и силы сжатия пластин. Коэффициенты заполнения k_з для стали, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 21427.1-83, при современной технологии сборки остова приведены в табл. 5.

Полученное значение диаметра стержня d' необходимо сравнить с ориентировочным диаметром стержня (табл. 4). Если значение диаметра удовлетворяет требованиям табл. 4, то его следует округлить до ближайшего нормализованного диаметра, см: 8; 8.5; 9; 9.2; 9.5; 10; 10.5; 11; 11.5; 12; 12.5; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 22.5; 23; 24; 24.5; 25; 26; 27; 28; 29; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; 38; 39; 40; 42; 45; 48; 50; 53; 56; 60; 63; 67; 71; 75.

Если же полученное значение диаметра стержня d' не соответствует данным табл. 4, то следует значение диаметра стержня d выбрать по табл.4 и продолжить расчет.

Таблица 4

Число ступеней в сечении стержня

трехфазных масляных трансформаторов

Мощность трансформатора 5, кВ· А	Ориентировоч­ный диаметр стержня d,см	Число ступеней	Коэффициент КР
16	8	4	0,861
25	9	5	0,890
40-100	10-14	6	0,91-0,92
160-630	16-18	6	0,913
	20	7	0,918
	22	8	0,928
1000-1600	24-26	8	0,925
	28-30	8	0,928
2500-6300	32-34	9	0,929
	36-38	9	0,913
10 000	40-42	11	0,922
16 000	45-50	14	0,927
25 000	53-56	15	0,927
32 000	60-67	16	0,929
80 000	71-75	16	0,931

Примечания:

1. При диаметре стержня d до 22 см — прессовка стержня расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов.

2. При диаметре стержня свыше 22 см - прессовка стержня бандажами. Сечение стержня диаметром от 36 см имеет продольные охлаждающие каналы. В коэффициенте к_кр учтено наличие охлаждающих каналов.

3. В таблице приведены данные для случая без прессующей пластины

Таблица 5

Значения коэффициента заполнения сталью k₃

при различных способах изоляции

Толщина пластин, мм	Вид изоляционного покрытия
	Нагревостойкое	Нагревостойкое плюс однократная лакировка
0,35	0,97	0,965
0,3	0,96	0,955

Второй основной размер трансформатора - средний диаметр канала между обмотками d₁₂ может быть предварительно приближенно определен по формуле

d₁₂ = d +0,2 a₀₁ + 2a₁ + 0,1 a_12.

Радиальные размеры осевых каналов a₀₁ между стержнем и обмоткой НН и а₁₂ между обмотками НН и ВН определяются из условий электрической прочности, главной изоляции трансформатора по испытательным напряжениям обмоток НН и ВН соответственно по табл. 7 и табл.8.

Радиальный размер обмотки НН а₁ можно приблизительно вычислить по формуле:

а₁ k₁ ·(a₁ + a₂)/3, см

Где k₁ - коэффициент может быть принят равным:

1,1 для трансформаторов мощностью 25 - 630 кВ·А;

1,4 для трансформаторов мощностью 1000- 80 000 кВ·А;

Величина приведенного размера обмоток (a₁ + a₂)/3 определена выше

Третий основной размер трансформатора — высота обмоток определяется по формуле

,

где β - коэффициент, зависящий от материала обмоток и габарита трансформатора (табл. 2).

После расчета основных размеров трансформатора определяется активное сечение стержня, т.е. чистое сечение стали, см²

П_с = k_c ·

Электродвижущая сила одного витка, В

U_В = 4,44ƒ · В_С· П_С ·10^-4