Екатеринбург
(343) 271-58-08
ул. Маневровая, 43

0 товар(ов)
0 руб.
Оформить заказ
 

Главная / ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

 

Глава первая

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ В СССР

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более 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. кВ•А и более. Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВ•А и ниже для однофазных и 5 кВ•А и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВ•А и более для трехфазных и от 5 кВ•А 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 и т. п.

 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.

На рис. 1.1, а показана несколько упрощенная схема такой сети, содержащая только радиальные связи. При использовании линии электропередачи постоянного тока изменение схемы произойдет только на первом ее участке (рис. 1 1, б); в начале линии появится блок выпрямителей В и в конце - блок инверторов И. Вся остальная сеть останется без изменений.

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этих причин общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 7-8 раз. В связи с увеличением удаления потребителей (распределительной сети) от крупных электростанций, размещаемых в районах сосредоточения энергетических ресурсов, и повышением напряжения линий электропередачи до 750, 1150 и далее до 1500 кВ указанное соотношение имеет тенденцию к увеличению.

Рис. 1.1. Схема расположения трансформаторов в современной электрической сети (напряжения в киловольтах): а - линии передачи переменного тока; б — линии передачи постоянного тока

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 16 000 кВ•А.

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.

Рост единичных мощностей и номинальных напряжений трансформаторов, изготовляемых в СССР, по годам показан в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Рост единичных мощностей и номинальных напряжений трансформаторов, изготовляемых в СССР, по годам

год выпуска

число фаз

Мощность, кВ•А

напряжение ВН, кВ

год выпуска

число фаз

Мощность, кВ•А

напряжение ВН, кВ

1931

1

3 333

110

1963

3

400000

330

1933

1

20000

220

1967

3

630000

220

1939

1

40000

220

1967

1

417000

750

1955

3

70000

110

1969

3

400000

500

1956

1

135000

400

1971

3

1000000

330

1959

1

135000

500

1972

1

210000

1150

1959

3

240000

220

1978

1

667000

1150

 

 

 

 

1980

3

1250000

330

 

 

Рис. 1.2. Однофазный автотрансформатор мощностью 417 МВ•А класса напряжения 750 кВ на подстанции

На рис. 1.2 приведена фотография одного из современных мощных трансформаторов —однофазного автотрансформатора мощностью 417 MB*A (1250 MB*А в трёхфазной группе) класса напряжения 750 кВ, установленного на подстанции. Линейные напряжения обмоток (в группе) ВН 750 кВ, СН 500 кВ, НН 10,6 кВ, мощности обмоток ВН и СН 417 МВ•А, НН 30 MB*А*. Система охлаждения трансформатора состоит из. двух групп охладителей, установленных на отдельных фундаментах. Циркуляция масла внутри бака трансформатора и охладителей форсируется насосами, движение воздуха, обдувающего охладители, - вентиляторами. От воздействия атмосферных разрядов трансформатор защищен разрядниками, установленными вблизи трансформатора. 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 кВ•А при напряжении 10 кВ. В дальнейшем возможно увеличение единичной мощности до 2500 кВ А и * ВН, СН, НН — обозначение обмоток высшего, среднего и низшего напряжений, 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. Для обеспечения экономичной работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, т. е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов напряжения 110, 150, 220, 330 и 500 кВ с РПН. При этом у двух- и трехобмоточных трансформаторов, как правило, напряжение регулируется при помощи устройства для переключения ответвлений в нейтрали обмотки высшего напряжения. У автотрансформаторов напряжение регулируется у линейного конца обмотки среднего напряжения и в отдельных случаях вблизи нейтрали обмоток. Повышающие трансформаторы этих классовнапряжения выпускаются без РПН.Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью до 250 кВ•А выпускаются с переключением без возбуждения (ПБВ), а мощностью 400-630 кВ•А с ПБВ в основной массе и с РПН - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000-6300 кВ•А выпускаются как с ПБВ, так и с РПН, а мощностью 10000-80000 кВ•А класса напряжения 35 кВ - только с ПБВ.

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63 000 кВ•А) 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.

Широкое развитие электрификации железных дорог должно быть обеспечено выпуском достаточного количества трансформаторов для питания выпрямителей, а также специальных трансформаторов для установки на электровозах, работающих на участках, питаемых переменным током. Значительно должны быть расширены выпуск и диапазон мощностей трансформаторов для питания электрических печей, трансформаторов, заполненных негорючей жидкостью, и различных реакторов.

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 16000 - 25000 кВ•А 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.

Задача проектирования рациональной серии трансформаторов с алюминиевыми обмотками заключается в выборе такого соотношения основных размеров, отличающихся от размеров трансформаторов с медными обмотками, при котором наиболее полно использовалось бы положительное, свойство алюминия - малая плотность и уменьшалось бы значение отрицательных свойств - относительно большого удельного электрического сопротивления, увеличенного объема обмоток и пониженной механической прочности провода.

Для получения в эксплуатации полной, взаимозаменяемости трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками целесообразно проектировать те и другие с одинаковыми параметрами - потерями и напряжением короткого замыкания, потерями и током холостого хода. Практика расчета серий «алюминиевых» трансформаторов показывает, что взаимозаменяемость, их с «медными» трансформаторами может быть получена при одинаковых исходных данных расчета, т. е. одинаковых марке стали, магнитной индукции в стержне, коэффициенте заполнения сталью сечения стержня и т. д. При этом «алюминиевые» трансформаторы имеют одинаковую с «медными» трансформаторами массу стали, меньшую массу, но больший объем металла обмоток, большее сечение обмоток, большую высоту магнитной системы.

Увеличение сечения витка алюминиевых обмоток в достаточной мере увеличивает их механическую прочность при коротком замыкании, компенсируя в трансформаторах мощностью до 16000-25000 кВ•А пониженную механическую прочность самого металла.

Большой опыт выпуска трансформаторов с алюминиевыми обмотками, в частности в пределах номинальных мощностей от 10 до 16 000 кВ•А, показал, что эти трансформаторы обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же параметры холостого хода и короткого замыкания при одинаковой стоимости всего трансформатора, т. е. являются равноценными с «медными» трансформаторами в технологическом и экономическом отношении.

В последние годы усиливается интерес к применению электрооборудования, в том числе и трансформаторов, работающего в автономных электрических системах с повышенной частотой 100-400 Гц. С ростом частоты уменьшается масса электрооборудования (двигателей, трансформаторов и др.) и появляется возможность применения высокоскоростного электропривода. Повышенная частота используется там, где применяется ручной высокоскоростной электроинструмент с электроприводом: на лесоразработках и горных разработках, на морских и речных судах, в прядильных цехах для электропривода веретен, для электроплавки и электросварки металлов и т. д. Рост мощностей автономных электрических систем повышенной частоты уже сейчас ставит задачу создания силовых энергетических трансформаторов, рассчитанных на частоты 100-400 Гц.

Исследования поля рассеяния трансформаторов больших мощностей необходимы для создания точных методов

расчета распределения поля рассеяния и вызываемых им механических сил, воздействующих на обмотки при коротком замыкании. Точное знание сил, действующих на обмотки и их отдельные части, позволит обеспечить электродинамическую стойкость и надежность трансформаторов мощностью 250-1000 MB*А и более. Исследования поля рассеяния трансформаторов этих и меньших мощностей имеют целью также определенную организацию и локализацию этого поля за счет рационального размещения обмоток и применения магнитных экранов, позволяющих существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора - стенках бака, прессующих деталях обмоток и остова трансформатора.

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

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.

Использование этих программ позволяет с приемлемой точностью выполнить подробный расчет поля рассеяния обмоток, электродинамических сил и добавочных потерь для каждого рассчитываемого трансформатора, что было практически недоступно при ручном методе расчета. Выявляемое при этом распределение электродинамических сил, действующих на отдельные части обмоток и мест сосредоточения добавочных потерь в отдельных деталях конструкции, позволяет должным образом организовать поле рассеяния путем рационального взаимного расположения частей обмоток и обеспечить необходимую механическую прочность обмоток при коротком замыкании трансформатора, а также добиться существенного уменьшения добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Программы для расчета электрического поля обмоток позволяют рассчитать продольную изоляцию обмоток классов напряжения 35-1150 кВ с учетом воздействия импульсных перенапряжений и заменой большой экспериментальной работы по исследованию натуральных моделей изоляции чисто расчетной работой.

Важнейшим направлением научно-исследовательских работ является разработка новых прогрессивных технологических процессов и операций, обеспечивающих повышение качества трансформаторов, уменьшение трудовых затрат и экономию материалов. Особое значение имеет совершенствование сушки активных частей трансформаторов классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ и разработка метода сушки для трансформаторов класса напряжения 1150 кВ. Правильно организованная и проведенная сушка является залогом длительной и надежной работы изоляции трансформатора в эксплуатации.

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 кВ•А 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 125000 кВ•А, 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.

В процессе подготовки производства новой серии были

разработаны и внедрены новые комплексы технологических процессов изготовления и установки обмоток, заготовки пластин электротехнической стали и сборки магнитных систем, сборки и установки активной части. Новая серия по сравнению с предыдущей позволила получить существенное уменьшение расхода электротехнической стали, изоляционных материалов, трансформаторного масла и конструкционных материалов, а также потерь в эксплуатации трансформаторов.

 Особое развитие должны получить работы по исследованию шума трансформаторов - нормированию его уровня, разработке методов измерения и понижения уровня шума.

Все более широко будет использоваться современная вычислительная техника как при выполнении различных исследований, так и для расчета новых типов и серий трансформаторов в условиях заводов.

Совершенно обособленную часть области трансформаторостроения представляют трансформаторы малой мощности, т. е. трансформаторы, мощность которых измеряется в пределах от долей вольт-ампера до3000 - 5000, используемые в радиотехнике, телевидении, радиоэлектронике, автоматике, устройствах связи и т. д. Массовый выпуск этих трансформаторов, измеряемый в СССР несколькими десятками миллионов штук в год, при общем расходе активных материалов, доходящем до 40—50 % расхода материалов на все силовые трансформаторы, организуется на специализированных заводах. Методика проектирования этих трансформаторов существенно отличается от методики проектирования силовых трансформаторов. Выбор оптимального варианта в зависимости от назначения трансформатора может определяться не только соображениями экономической эффективности, но также и ограничением таких показателей, как падение напряжения в трансформаторе, общая масса трансформатора, его габариты.

1.2. основные материалы, применяемые в трансформаторостроении

Развитие производства трансформаторов, так же как и любых других электрических машин и аппаратов, тесно связано с прогрессом в производстве магнитных, проводниковых и изоляционных материалов. В свою очередь задачи, стоящие перед трансформаторостроением, требуют от со ответствующих отраслей промышленности разработки и выпуска новых видов и марок различных материалов.

Поиски новых материалов чаще всего имеют целью улучшение параметров трансформатора - уменьшение потерь энергии в трансформаторе, уменьшение его массы и размеров, повышение надежности работы. Возникает также вопрос о замене дорогих материалов более дешевыми и о сокращении расхода некоторых материалов, в частности цветных металлов. Так в последние десятилетия в ряде стран в обмотках трансформаторов средней мощности медный провод заменяется более дешевым алюминиевым Имеется тенденция к уменьшению расхода некоторых материалов растительного происхождения - ценных пород дерева таких, как красный бук, материалов на основе хлопчатобумажных тканей.

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 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.

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.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных свойств, т. е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки. Магнитные свойства существенно ухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен под углом, отличающимся от 0°, к направлению прокатки, и становится наихудшим при угле, равном 55°.

Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во всех ее частях - стержнях и ярмах вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали. Эта задача не может быть решена полностью при использовании стали с ограниченными размерами листов. Только поставка основной массы холоднокатаной стали в рулонах с развернутой длиной полосы от 1000 до 2000 м позволяет вырезать пластины необходимой длины и создавать магнитные системы, отвечающие этому требованию.

 Замена листовой стали на рулонную позволила коренным образом изменить технологию заготовки пластин магнитной системы с значительным уменьшением затраты ручного труда на эти операции. Отдельные части магнитной системы могут изготовляться из рулонной стали путем навивки из ленты. Применение рулонной стали позволило также уменьшить отходы стали при резке пластин до 4 - 5 % по сравнению с отходами листовой стали, составляющими 15—20 %.

Магнитные свойства холоднокатаной стали существенно ухудшаются при различных механических воздействиях: при резке стали на пластины, снятии с них заусенцев, изгибах пластин, случайных ударах при транспортировке, легких ударах при сборке магнитной системы и т. д. Особенно сильное ухудшение магнитных свойств происходит при навивке частей магнитной системы из ленты. Ухудшение магнитных свойств при этих воздействиях может быть снято восстановительным отжигом при температуре 800 °С, проводимым до начала сборки магнитной системы, а для навитых частей - после навивки. Механические воздействия, возникающие после начала сборки, должны быть ограничены путем соответствующей организации транспортировки пластин, осторожного обращения с ними при сборке магнитной системы и т. д.

Несмотря на указанные недостатки холоднокатаной стали и ее относительно высокую цену, трансформаторы с рационально спроектированной магнитной системой из этой стали при надлежащей технологии ее изготовления имеют относительно малые потери и ток холостого хода, дают экономию в расходе активных и других материалов и являются экономичными в эксплуатации. Поэтому уже более 30 лет все вновь проектируемые в СССР серии трансформаторов разрабатываются на основе применения холоднокатаной стали лучших марок с толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм.

Другой активный материал трансформатора - металл обмоток - в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течение ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь алюминием, более широко распространенным в природе.

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

Основные физические свойства меди и алюминия приведены в табл. 1.2. Цена 1 кг прямоугольного обмоточного алюминиевого провода марки АПБ на 10—15 % ниже цены медного провода марки ПБ.

Рассмотрим случай наиболее простой замены медного провода обмоток трансформатора алюминиевым, когда заменяется только металл провода, но сохраняются: все размеры самого провода и обеих обмоток, число витков обмоток, материал и размеры изоляционных промежутков, а также все данные и размеры магнитной системы и системы охлаждения трансформатора.

Таблица 1.2. Основные физические свойства обмоточных проводов из меди и алюминия

Металл

Удельное электрическое сопротивление, мкОм*м

Плотность, кг/м3

Предел прочности на разрыв, Мпа

Удельная теплоемкость, Дж/(кг 0 С)

при 200 С

при 750 С

Медь электролитиче-ская

0,01724

0,02135

8900

240

390

алюминий

0,0280

0,0344

2700

80 - 90

816

 

 

 

 

 

 

 

При такой замене трансформатор может быть включен в ту же сеть и будет иметь то же номинальное напряжение и те же параметры холостого хода, что и до замены металла обмоток. Электрическое активное сопротивление алюминиевых обмоток окажется выше сопротивления медных в отношении удельных электрических сопротивлений этих металлов, т.е. примерно в 1,6 раза, и во столько же раз возрастут потери короткого замыкания при прежнем номинальном токе. Для того чтобы сохранить прежние потери короткого замыкания и неизменные превышения температуры частей трансформатора над температурой охлаждающей среды, номинальный ток алюминиевого варианта обмоток Iном А должен быть уменьшен по сравнению с током медного варианта Iном М .

При прямой замене медного провода алюминиевым номинальные токи обмоток, а следовательно, и номинальная мощность трансформатора должны быть снижены на 21,5 %. Прежняя сумма потерь холостого хода и короткого замыкания будет отнесена к пониженной номинальной мощности, что приведет к снижению КПД. Реактивная составляющая сопротивления короткого замыкания не зависит от металла обмоток и останется неизменной. Его активная составляющая возрастет примерно в 1,6 раза, но полное сопротивление короткого замыкания, определяемое в основном реактивной составляющей, возрастет незначительно, и ток короткого замыкания и механические силы при коротком замыкании останутся практически неизменными, что вследствие малой механической прочности алюминия поведет к снижению динамической стойкости трансформатора.

Объем металла алюминиевых обмоток будет равен объему меди, а масса алюминия составит от массы меди

Поскольку цена алюминиевого провода несколько ниже цены медного, стоимость алюминиевого провода составит менее 1/3 стоимости медного провода, что, однако, не компенсирует уменьшения номинальной мощности и снижения КПД.

Для выяснения условий рациональной замены меди в обмотках силовых трансформаторов алюминием поставим задачу получения полностью эквивалентных трансформаторов с одинаковыми номинальными мощностями, напряжениями и токами, одинаковыми параметрами холостого хода (потери в ток) и короткого замыкания (потери и напряжение), с одинаковой конструкцией, материалами и размерами изоляции, с магнитными системами одинаковой конструкции, изготовленными из электротехнической стали одной марки и толщины, рассчитанными при одном значении индукции.

Из рассмотрения приведенного примера ясно, что равенство потерь короткого замыкания при равенстве номинальных токов потребует увеличения сечения каждого витка и всей обмотки в целом и, следовательно, увеличения площади окна магнитной системы, в котором расположены обмотки. Равенство потерь и тока холостого хода при заданных условиях может быть достигнуто только при равенстве масс активной стали, что при увеличении площади окна магнитной системы может быть достигнуто за счет уменьшения сечений стержней и ярм и увеличения их длины. Магнитная система алюминиевого варианта должна быть уже и выше, чем система медного варианта.

Сохранение неизменности реактивной составляющей напряжения короткого замыкания потребует .относительного увеличения радиального и осевого размеров алюминиевых обмоток, т. е. также увеличения ширины и высоты окна магнитной системы.

Рационально спроектированные трансформаторы с алюминиевыми обмотками существенно отличаются по соотношению основных размеров от эквивалентных им по мощности и параметрам короткого замыкания и холостого хода трансформаторов с медными обмотками. Отличительными особенностями магнитной системы трансформатора с алюминиевыми обмотками являются при этом меньший диаметр, большие высоты стержня и площадь окна магнитной системы. Алюминиевые обмотки имеют несколько большее число витков.

Увеличение чисел витков и сечений витков алюминиевых обмоток по сравнению с эквивалентными медными обмотками приводит к увеличению стоимости работы по намотке обмоток и значительному увеличению расхода некоторых изоляционных материалов - бумажно-бакелитовых цилиндров (примерно на 30—25%), электроизоляционного картона и пропиточного лака (примерно 50—60%). При большей высоте магнитной системы увеличиваются также высота бака и масса масла. Увеличение стоимости работы и материалов компенсируется уменьшением массы и стоимости провода обмоток так, что общая стоимость рационально спроектированного трансформатора с алюминиевыми обмотками практически не отличается от стоимости эквивалентного трансформатора с медными обмотками.

При переходе на алюминиевые обмотки был решен также ряд задач технологического характера, связанных с технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время все новые серии трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 кВ•А включительно проектируются с алюминиевыми обмотками. В большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный провод марки ПБ (АПБ для алюминия) с изоляцией из кабельной бумаги класса нагревостойкости А (предельно допустимая температура 105 °С) общей толщиной 0,45—0,50 мм на две стороны. Применение провода более высоких классов нагревостойкости (Е, В, F и т.д.), допускающих более высокие предельные температуры, в масляных трансформаторах смысла не имеет, потому что допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой температурой масла, в котором находится обмотка.

Замена бумажной изоляции провода маслостойкой и достаточно прочной в механическом и электрическом отношении эмалевой изоляцией с меньшей толщиной слоя позволила бы сделать обмотку более компактной и уменьшить массу металла обмотки и стали магнитной системы. Расчеты показывают, что для трансформатора средней мощности с напряжением до 35 кВ при проводе, изолированном бумагой толщиной 0,5 мм на две стороны, такая замена позволила бы уменьшить массу металла обмотки примерно на 0,5 % и массу стали магнитной системы примерно на 0,75 % на каждый 0,1 мм уменьшения толщины изоляции провода (на две стороны). При изменении толщины изоляции с 0,5 до 0,1 мм и сохранении сечения провода экономия металла составила бы для обмоток около 2, для магнитной системы 3 % при соответствующем снижении потерь короткого замыкания и холостого хода. Для трансформаторов с напряжением 110 кВ, имеющих бумажную изоляцию провода толщиной около 1,4 мм на две стороны, снижение масс металла обмоток и магнитной системы при переходе на изоляцию 0,1 мм составило бы соответственно 3,5 - 4 и 4,5 - 5 %. Вследствие того, что эмалевая изоляция провода значительно дороже бумажной, переход с бумажной на эмалевую изоляцию хотя и дал бы некоторое уменьшение массы активных материалов, но привел бы к увеличению стоимости трансформатора.

Основным направлением прогресса в производстве изоляционных материалов в настоящее время является получение новых материалов с повышенными нагревостойкостью и механической прочностью. Существенных достижений в повышении электрической прочности изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, не наблюдается.

Применение проводов с изоляцией, имеющей повышенную нагревостойкость, имеет смысл в сухих трансформаторах, в которых за счет повышения температуры обмоток возможно допустить более высокие плотности тока и получить компактную конструкцию трансформатора. Если при этом допускается существенное повышение эксплуатационной температуры обмоток, то потери 'короткого замыкания трансформатора неизбежно возрастают вследствие как увеличения плотности тока, так и повышения удельного сопротивления провода обмотки. Так при температуре 225 °С удельное сопротивление медного провода увеличивается настолько, что становится равным удельному сопротивлению алюминия при температуре 75 °С.

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло - жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя. Только благодаря трансформаторному маслу удалось создать трансформаторы с рабочим напряжением 500, 750 и 1150 кВ, а в перспективе и 1500 кВ. Ни один жидкий или газообразный диэлектрик не может служить ему заменой [16].

В отличие от других изоляционных материалов один и тот же объем масла не может использоваться в течение всего срока службы трансформатора, т. е, не менее 25 лет.

При эксплуатации трансформатора вследствие окисления при повышенной температуре (до 95 °С) и при каталитическом воздействии присутствующих в масле металлов и твердых изоляционных материалов масло стареет, т.е. ухудшает свои качества и требует систематического ухода - сушки, фильтрации, очистки и смены.

Существенное удлинение срока службы масла между сменами достигается тем, что основная масса товарного масла содержит антиокислительную присадку, повышающую стабильность масла против окисления - один из основных показателей качества масла. Дальнейшее повышение стабильности масла может быть достигнуто путем герметизации бака трансформатора.

1.3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАССЧИТАННОГО ТРАНСФОРМАТОРА

При проектировании отдельного трансформатора, входящего в уже известную серию, или при проектировании новой серии трансформаторов весьма существенной является правильная оценка всех рассматриваемых вариантов рассчитанного трансформатора и выбор оптимального варианта. Важнейшим критерием для определения оптимального варианта в настоящее время считается экономическая эффективность вновь спроектированного трансформатора по сравнению с существующим или одного из вариантов по сравнению с другими вариантами. При определении экономической эффективности трансформатора должны быть учтены как затраты, связанные с его изготовлением, - заводская себестоимость или оптовая цена, так и затраты на эксплуатацию этого трансформатора в течение определенного промежутка времени его работы в сети. Из затрат на эксплуатацию наибольшее значение имеет стоимость потерь активной и реактивной мощности в трансформаторе, потому что эти затраты обычно достаточно велики и различны для разных вариантов трансформатора, в то время как затраты на уход за маслом, содержание персонала подстанции и ряд других являются одинаковыми для всех вариантов каждого трансформатора.

 При проектировании отдельного трансформатора, отвечающего в отношении номинальной мощности и напряжений обмоток, а также параметров холостого хода и короткого замыкания требованиям ГОСТ или технических условий на существующую серию, т.е. имеющего определенные потери холостого хода и короткого замыкания, а также требующего определенной реактивной мощности, экономическая оценка может быть произведена путем простого сравнения себестоимости или цен рассчитанного и существующего трансформаторов. Более экономичным будет трансформатор с меньшей себестоимостью или ценой.

Если рассчитанный трансформатор отличается по параметрам холостого хода и короткого замыкания от серийного или ведется проектирование нескольких вариантов с различными параметрами, например при проектировании серии,. то приходится сравнивать трансформаторы, неравноценные в эксплуатационном отношении. В этом случае добиваются получения не наиболее дешевого трансформатора, а наиболее дешевой трансформации энергии, т.е. трансформатора, у которого первоначальные капитальные вложения в трансформаторную установку в сумме с текущими затратами на эксплуатацию этой установки за определенный промежуток времени будут минимальными.

Немаловажное значение при выборе оптимального варианта имеет также обеспечение возможно большей надежности и ремонтоспособности трансформатора. Оценка этих качеств может быть произведена после разработки конструкции и технологии изготовления трансформатора.

Экономическая оценка вновь спроектированных трансформаторов может производиться на разных стадиях проектирования - на предварительном проектировании новой серии, когда рассматривается большое число различных вариантов и выбирается один из них для детального расчета, на стадии детального расчета одного трансформатора до разработки конструкции, после предварительной и после окончательной разработки конструкции. На каждой из этих стадий проектирования может быть использована та или иная наиболее подходящая для данного случая методика определения экономической эффективности.

Одним из элементов экономической оценки является определение себестоимости или цены трансформатора. Наиболее точным можно считать определение себестоимости или цены, проводимое после окончательной разработки конструкции и технологии изготовления трансформатора на основе использования полной калькуляции с учетом всех реальных затрат на освоение и развитие его производства. На более ранних стадиях проектирования приходится использовать приближенные методики, позволяющие произвести оценку себестоимости или цены трансформатора на

основании учета расхода основных (или только активных) материалов с ориентировочным определением других расходов. Рассмотрим некоторые приближенные методики, применяемые на разных стадиях проектирования.

При проектировании отдельного трансформатора или новой серии трансформаторов обычно возникает необходимость в экономическом сравнении различных вариантов этого проекта или сравнении одного или нескольких вариантов этого проекта с существующим или ранее спроектированным трансформатором. При таком сравнении следует себестоимость или цену для всех сравниваемых вариантов рассчитывать по одной и той же методике. Недопустимо, например, для одного варианта или трансформатора определять цену приближенным методом, а для другого находить ее по прейскуранту.

Одним из методов выбора варианта решения, оптимального в экономическом отношении, является метод срока окупаемости дополнительных капитальных вложений, который заключается в сопоставлении разности капитальных вложений двух вариантов K2 и К1 с экономией на ежегодных издержках И1 — И2. Сроком окупаемости Т называется следующее выражение (если К2 > К1 и И2< И1):

 Т = (К2 – К1 ) / (И1 – И2 ). (1.1.)

Вариант 2 с большими капитальными вложениями считается экономически выгодным, если дополнительные капитальные вложения K2 - K1 окупаются экономией на ежегодных издержках И1 — И2 в течение срока меньшего, чем нормативный срок окупаемости, принимаемый в настоящее время для силовых трансформаторов общего назначения ТH=6,7 года, т.е. если T £ TH.

Более удобным для расчетов является определение и сравнение не сроков окупаемости, а приведенных годовых затрат 3.

Приведенными затратами 3, отнесенными к одному году, называются выражения типа К1 Ен + И1 ; К2Ен+И2 и т.д., рассчитанные для каждого варианта. При этом ЕН=1/ТН, т.е. Ен = 1/6,7 = 0,15, называется нормативным коэффициентом эффективности дополнительных капитальных вложений. Наиболее экономически выгодным будет вариант с наименьшим значением 3.

Приведенные годовые затраты на трансформаторную установку могут быть подсчитаны по формуле

3 = Ен Ктр + За + 3ХРХ + 3КРК + 3PQP; (1.2)

здесь Ктр — себестоимость или оптовая цена трансформатора, руб.; За - затраты на амортизационные годовые отчисления, руб/год; Зх и Зк - годовые затраты, руб/(кВт-год), связанные с покрытием не зависящих от нагрузки потерь холостого хода (Рх, кВт) и изменяющихся с нагрузкой потерь короткого замыкания (Рк, кВт); Зр - годовые затраты, руб/(квар-год), на компенсацию реактивной мощности (Qp) трансформатора; Зр - может быть принято по табл. 1.3; Qр - реактивная мощность, определяется как сумма реактивных мощностей холостого хода и короткого замыкания, квар:

 (1.3)

где S - номинальная мощность трансформатора, кВ•А,

В (1.2) выражение Ен Ктр + За может быть заменено формулой

Ен Ктр + За = Ктр (Ен +Uа );        (1.4)

здесь Ктр - себестоимость или оптовая цена трансформатора, руб.; Ен =0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Uа = 0,064 - нормативные амортизационные годовые отчисления.

Таким образом,

Ен Ктр + За = 0,214Ктр.      (1.5)

Себестоимость или оптовая цена трансформатора Ктр может быть определена одним из методов, описанных далее. Во избежание существенных ошибок необходимо при сравнении двух и более различных вариантов пользоваться для определения Ктр одним и тем же методом для всех вариантов.

Метод приведенных годовых затрат является наиболее удобным и приемлемо точным для оценки экономической эффективности при предварительном расчете новых серий трансформаторов, когда еще до детального расчета проектируемых трансформаторов необходимо выбрать наиболее экономичный вариант на основе сравнения стоимостей активных материалов и потерь энергии в трансформаторе, отнесенных к определенному промежутку времени, для различных вариантов расчета.

При сравнении различных вариантов могут не подсчитываться и не включаться в расчет капитальные затраты или годовые издержки, заведомо одинаковые или мало раз- личающиеся для всех сравниваемых вариантов. Поэтому в формуле для расчета затрат не учтены затраты на транспортировку трансформатора к месту установки, установку, монтаж и некоторые другие. Для сухих трансформаторов можно ограничиться расчетом стоимости активной части — остова с обмотками, не включая стоимости защитного кожуха и других деталей, а для всех трансформаторов масляных и сухих следует включать в годовые издержки только стоимость потерь активной и реактивной мощности, не учитывая других эксплуатационных расходов, остающихся одинаковыми для всех рассматриваемых вариантов.

Определение удельных годовых затрат на покрытие 1 кВт годовых потерь холостого хода и короткого замыкания Зх и Зк производится по себестоимости электрической энергии в энергосистеме с учетом необходимых капиталовложений в электростанции и сети, добычу и транспорт топлива. При определении Зх и Зк должны также учитываться: место трансформатора в сети - число ступеней трансформации напряжения от станции до трансформатора и потери на этих ступенях; число часов включения трансформатора в сеть в течение года Тв; приведенное число часов потерь в год Тп, зависящее от места установки трансформатора, его назначения и характера графика нагрузки, и коэффициент, учитывающий попадание переменных потерь в максимум нагрузки системы, а также степень нарастания нагрузки по годам.

При определении годовых затрат 3 по (1.2) можно пользоваться табл. 1.3, в которой для трансформаторов разных мощностей, классов напряжения и назначения приведены нормативные значения Зх и Зк с учетом числа часов включения те для постоянных потерь рх и часов потерь Тп для переменных потерь Рк.

Таблица 1.3. Удельные годовые затраты Зх, Зк и Зр, руб/(кВт-год), для расчета по (1.2)

Группы трансформаторов

Мощность, кВ•А

Класс напряжения, кВ

Годовое время, ч

Зх , руб.

Зк , руб.

Зр , руб.

Включения

Максимальных потерь

Номинальных потерь

(кВт год)

(кВт год)

(квар год)

Понижающие распределительных сетей

До 630

6 – 35

8000

1200

590

102

25

2,9

Понижающие распределительных сетей

1000 и более

6 – 35

8200

5500

2700

96

33,0

2,9

Понижающие

Всех мощно-стей

110 – 220

8500

4100

2000

96

26,7

1,6

Понижающие и автотрансформаторы связи на электростанциях

То же

220 и выше

8700

4100

1800

91

23,0

1,0

Повышающие и автотрансформаторы электростанций

“ “

35 и выше

8000

5000

4500

85

55,6

-

Собственных нужд электростанций

“ “

Всех напряжений

8000

5000

4000

85

49,5

-

 

Потери холостого хода Рх, кВт, короткого замыкания Рк, кВт, подставляются в формулу затрат из проекта трансформатора.

После определения затрат для всех сравниваемых вариантов полученные значения затрат сравниваются. Наиболее экономичным считается вариант с наименьшими годовыми затратами. При расчете отдельного трансформатора и проектировании новой серии для каждого варианта расчета необходимо определять себестоимость или оптовую цену трансформатора. При этом в различных случаях приходится пользоваться разными более точными или в той или иной степени приближенными методиками расчета себестоимости или цены.

В условиях завода себестоимость трансформатора определяется после выполнения рабочих чертежей и разработки технологии его изготовления путем точной калькуляции всех прямых и косвенных затрат (на материалы, заработную плату производственных рабочих, цеховые, общезаводские и другие расходы). Такая калькуляция служит обычно основанием для расчета и утверждения цены трансформатора.

Заводская калькуляция себестоимости трансформатора выполняется на основании рабочих чертежей, спецификации на материалы и полуфабрикаты, технологической документации и существующих нормативов на затраты материалов, топлива, энергии и труда на изготовление данного вида продукции.

При определении стоимости материалов трансформатора учитываются все материалы и полуфабрикаты, затрачиваемые на изготовление всех его узлов и деталей, а также готовые узлы или устройства (например, переключатели, вводы, защитные реле и т. д.), если эти узлы и устройства получаются в комплектном виде с других предприятий. Фактический расход какого-либо материала определяется как сумма чистых масс всех деталей, изготовленных из этого материала, и массы отходов, нормированной для каждого материала применительно к действующей на заводе технологии. Если какая-либо часть отходов материала реализуется затем на стороне, например сдается в виде лома, то из общей стоимости материалов исключается сумма, полученная при такой реализации.

Стоимость всех материалов рассчитывается на основе оптовых цен, которые определяются по официально утвержденным прейскурантам с учетом расходов на тару, упаковку и транспортировку материалов на завод.

Расходы на заработную плату производственным рабочим определяются для изготовления каждой детали и для каждой операции технологического процесса сборки, сушки, пропитки, окраски и т. д. по действующим на заводе нормам и расценкам и затем суммируются по цехам и всему заводу.

Косвенные затраты можно подразделить на расходы по содержанию и эксплуатации оборудования, на цеховые и общезаводские расходы. К цеховым относятся расходы на содержание аппарата управления цеха, оплату освещения и отопления цеха, амортизацию зданий и некоторые другие.

Общезаводские расходы включают оплату общезаводского аппарата управления, подготовки производства, содержания и отопления зданий, связи, охраны и т. д. В заводской калькуляции цеховые и общезаводские расходы, а также расходы по содержанию и эксплуатации оборудования обычно учитываются определенным процентом по отношению к заработной плате производственных рабочих. Для получения полной себестоимости трансформатора к перечисленным выше расходам добавляются некоторые внепроизводственные расходы (обычно до 1 % их общей суммы) и для перехода к оптовой цене - накопления для силовых трансформаторов общего назначения 11 %.

При учебном проектировании рабочие чертежи узлов и деталей трансформатора обычно не разрабатываются, количество и стоимость затрачиваемых материалов могут быть рассчитаны с некоторым приближением, а затраты на заработную плату производственных рабочих и другие расходы могут быть определены лишь по аналогии с соответствующими расходами одного из трансформаторных заводов. В этом случае себестоимость или оптовая цена трансформатора может быть определена на основании упрощенной калькуляции с учетом действительного расхода основной массы материалов и приближенного расчета производственной заработной платы и других расходов.

При учебном проектировании расчет ориентировочной цены трансформатора производится по сумме стоимостей основных материалов с приближенным определением расхода прочих материалов, производственной заработной платы, цеховых и общезаводских расходов и других начислений. Расчет количества всех материалов ведется по расчетной записке и чертежам проекта: чертежам остова и установки обмоток, сборочному чертежу трансформатора.

К основным материалам масляного трансформатора, стоимость которых определяется при учебном проектировании, относятся следующие. материалы: остов - сталь электротехническая с учетом стоимости лакировки и отжига, металл ярмовых балок, прессующих колец, стяжных шпилек ярма и остова и подъемных шпилек; дерево или электроизоляционный картон .уравнительной изоляции; обмотки - обмоточный провод; бакелитовые или картонные цилиндры; весь электрокартон - рейки, междувитковые и междукатушечные прокладки, шайбы, ярмовая изоляция, опорные кольца и др,; пропиточный лак; отводы - металл или провод отводов; дерево крепления отводов; бак и расширитель - металл стенок, дна и крышки бака; металл стенки и дна расширителя; охлаждающие трубы (без труб радиаторов); тележка (без катков); верхняя рама бака; ребра жесткости; трансформаторное масло.

Кроме стоимости основных материалов при учебном проектировании следует также подсчитать стоимость комплектующих изделий и готовых узлов - радиаторов, кранов радиаторных, кранов для заливки и слива масла, комплектных вводов, переключателей ответвлений обмоток, приводов к переключателям, термометров, термосигнализаторов, газовых реле, предохранителей от перенапряжения. Для комплектующих изделий и готовых узлов следует принимать цены, по которым их отпускают потребителям трансформаторные заводы в качестве запасных частей.

При расчете трансформаторов с естественным воздушным охлаждением номенклатура основных материалов остается принципиально той же, но металл бака и его частей заменяется металлом кожуха, а также отпадает ряд комплектующих изделий, предназначенных для ухода за маслом и защиты масляных трансформаторов (расширитель, краны, газовые реле, термометры и др.).

При расчете стоимости основных материалов трансформаторов, имеющих токоограничивающие или другие реакторы, учитывается также и стоимость основных материалов остова и обмоток реактора.

В учебном проекте при мощности трансформатора до 2500 - 6300 кВ•А может не подсчитываться: стоимость прочих материалов, не отнесенных к основным, а именно крепежных деталей - мелких болтов и шпилек, гаек, шайб; различных мелких деталей - пробок, подъемных крюков и колец, катков и т.д.; некоторых изоляционных материалов - кабельной и другой бумаги, лакоткани, киперной и другой ленты, изоляционных трубок; уплотнений; эмали для окраски бака и т.д. Стоимость этих материалов оценивается примерно как 5 % стоимости основных.

Фактический расход или заготовительная масса основных материалов рассчитывается как чистая масса соответствующих деталей с последующим умножением на коэффициент, учитывающий нормативные отходы данного материала Котх (Котх >1).

Стоимость каждого материала определяется, как произведение заготовительной массы на оптовую цену этого материала, которая может быть найдена по официальным прейскурантам. Поскольку оптовые цены на большинство материалов установлены в прейскурантах «франко-вагон - станция отправления» (местонахождение завода-изготовителя) и не включают стоимость перевозки от железнодорожной станции завода-изготовителя до завода-получателя, а в ряде случаев и стоимость тары, то к общей стоимости материалов прибавляются заготовительные расходы, которые могут быть оценены примерно в 4 % полной стоимости материалов.

Расход производственной заработной платы на изготовление трансформатора зависит от степени сложности конструкции, от того, выпускается ли данный тип трансформатора большими партиями или отдельными единицами, является ли он новым типом или освоенным, и от других причин. Анализ калькуляций показывает, что все силовые трансформаторы могут быть подразделены на небольшое число групп, для которых расход производственной заработной платы может быть приближенно найден как определенная часть стоимости материалов.

Цеховые и общезаводские расходы и расходы на содержание и эксплуатацию оборудования начисляются обычно определенным процентом по отношению к заработной плате производственных рабочих и являются различными для разных заводов. Для трансформаторного производства эти расходы в среднем для нескольких заводов могут быть приняты в сумме 250 % общей суммы заработной платы производственных рабочих Стр. Обозначив отношение суммы заработной платы производственных рабочих Стр и суммы цеховых и общезаводских расходов, а также расходов на содержание оборудования Ср к общей стоимости основных материалов Сосн через коэффициент К=(Стр+Ср)/Сосн, можно при расчете стоимости трансформатора принимать этот коэффициент для трансформаторов различных мощностей и классов напряжения по табл. 1.4.

Таблица 1.4.

Коэффициенты для приближенного расчета стоимости трансформатора

и активной части по формулам (1.6) и (1.7)

Мощность,

кВ • А

Класс напряжени я,кВ

Металл обмоток

ВИД регули-рования

К

К0

Кст для стали марок

 
 

34040,35 мм

3405,0,30 мм

3406 мм0,27 мм

 
 
 
 

25—630

10

Алюминий

ПБВ

0,13

1,46

1,23

1,20

1,22

 

100—630

35

То же

ПБВ

0,18

1,55

1,23

1,20

1,22

 

1000—16000

10 и 35

»

ПБВ

0,24

2,00

1,27

1,26

1,26

 

1000—6300

35

»

РПН

0,24

2,00

1,27

1,26

1,26

 

6300—16000

110

»

РПН

0,24

2,20

1,30

1,30

1,29

 

25 000—63 000

110

Медь

РПН

0,20

1,81

1,40

1,405

1,42

 
 

Примечания: 1. Коэффициенты КС1, рассчитаны с учетом цен на сталь указанных марок и различных чисел пластин в магнитной системе.

2. Цены на сталь марок 3404, 3405 и 3406 составляют соответственно 833, 902 и 939 руб. за 1 т.

Можно рекомендовать следующий порядок приближенного определения расчетной цены трансформатора: по расчетной записке и чертежам проекта подсчитывается стоимость основных материалов Сосн и учитывается стоимость прочих материалов Спр » 0,05 Соса; учитываются заготовительные расходы (упаковка, транспорт и др.) Сзаг » 0,04 Сосн; подсчитывается стоимость всех комплектующих изделий и готовых узлов Скомпл ; приближенно определяется сумма заработной платы, цеховых и общезаводских расходов и расходов на содержание оборудования

Стр + Ср = К Сосн ;

приближенно определяется заводская себестоимость трансформатора

С = (1 + 0,09 + К) Сосн + Скомпл ;

определяется условная оптовая цена трансформатора

 Ц = 1,01 · 1,11 С, (1.6)

где 1,01; 1,11 - коэффициенты, учитывающие внепроизводственные расходы и нормативные накопления для силовых трансформаторов общего назначения.

Стоимость реализуемых отходов при производстве силовых трансформаторов (стальной лом) обычно составляет не более 0,25 - 0,3 % стоимости всех материалов и в приближенном расчете может не учитываться.

При проектировании новой серии трансформаторов приходится сравнивать большое число вариантов расчета каждого типа трансформатора. Для ускорения этой работы предварительный расчет всех вариантов обычно проводится по одному из существующих методов приближенного расчета, дающему возможность определить параметры холостого хода и короткого замыкания, а также массы активных материалов трансформаторов. Именно на этом этапе проектирования необходимо произвести экономическое сравнение различных вариантов и выбрать для дальнейшей более полной разработки те из них, которые являются наиболее экономичными. Таким же образом может производиться выбор оптимального варианта при расчете отдельного трансформатора, если для него не заданы потери холостого хода и короткого замыкания.

Поскольку на стадии предварительного расчета определяются массы только активных материалов и основные размеры трансформатора, а массы других материалов (изоляции, металла бака и крепления остова, масла, дерева и т.д.) остаются еще неизвестными, в этом случае не может быть применена даже упрощенная калькуляция себестоимости или цены трансформатора на основании учета реальных затрат материалов и заработной платы и должен быть применен другой метод приближенного расчета этих величин.

При расчете стоимости трансформатора с целью экономического сравнения ряда рассчитанных вариантов по методу приведенных затрат достаточно учесть стоимость лишь тех его частей и узлов, размеры, количество и стоимость которых могут изменяться от одного варианта к другому. В масляном и сухом трансформаторах, как правило, при расчете различных вариантов изменяются размеры и масса магнитной системы и обмоток вместе с массой изоляции обмоток. Если в масляном трансформаторе при этом изменяются потери, то должна также изменяться и стоимость системы охлаждения. Ряд деталей и узлов масляного трансформатора - отводы, вводы, переключатели, расширитель, арматура, крепежные детали, кожух в сухом трансформаторе и т.д. остаются неизменными при переходе от одного варианта к другому и могут не учитываться при расчете стоимости.

Стоимость (цена) активной части трансформатора, т.е. остова с обмотками для масляного и сухого трансформаторов, может быть рассчитана по формуле

Са, ч » КсGпр + Кст Котх сст Gст , (1.7)

где К0 - коэффициент, учитывающий стоимость изоляционных материалов (электроизоляционный картон, бумажно-бакелитовые цилиндры, пропиточный лак и т.д.), стоимость изготовления обмотки, цеховые и общезаводские расходы, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, внепроизводственные расходы и плановые накопления. Значения этого коэффициента для трансформаторов различных типов могут быть ориентировочно приняты по табл. 1.4. Средняя цена обмоточного провода для обмоток ВН, СН и НН с0 может быть принята: для трансформаторов мощностью 25 - 630 кВ•А классов напряжения 10 и 35 кВ - для меди см = 1,35 руб/кг, для алюминия са = 1,23 руб/кг; для трансформаторов мощностью 1000 - 63000 кВ•А - для меди см=1,34 руб/кг, для алюминия сА =1,1 руб/кг (провод марок ПБ и АПБ). Для сухих трансформаторов мощностью 160 - 1600 кВ- А класса напряжения 10 кВ с обмотками из провода марок ПБ и АПБ можно принять цену провода такую же, как и для масляных трансформаторов соответствующих мощностей, а при обмотках из провода марок ПСД и АПСД - для меди сМ = 1,59 ¸ 1,48 руб/кг и алюминия сА =1,95 ¸ 1,60 руб/кг.

В тех случаях, когда известно не только количество, но и размеры сечения провода, следует принимать с0 по прейскуранту для данных марки и сечения провода; Gпр - масса провода обмотки; Кст - коэффициент, учитывающий стоимость изготовления остова трансформатора, включая стоимость крепежных и других материалов, заработную плату, начисления и нормативные накопления. Значения этого коэффициента для трансформаторов различных типов могут быть ориентировочно приняты по табл. 1.4 в зависимости от марки стали и ее цены.

Коэффициенты Кст и К, приведенные в табл. 1.4, определены для плоских магнитных систем и обмоток из медного и алюминиевого провода круглого (обмотки ВН трансформаторов 25-630 кВ•А) и прямоугольного (все остальные обмотки) сечения. Для пространственных магнитных систем и обмоток из алюминиевой ленты эти коэффициенты требуют дополнительного уточнения: Котх - коэффициент, учитывающий отходы стали при раскрое, может быть принят равным 1,05 - 1,06 для рулонной стали; сст - цена стали, руб/кг, по прейскуранту или по табл. 1.4; Gст - масса стали по расчету.

Стоимость (цена) системы охлаждения — бака с трубами для трансформаторов мощностью до 1600 кВ•А или бака с навесными трубчатыми радиаторами для трансформаторов мощностью 2500 - 80000 кВ•А (от 10000 кВ•А и выше - с дутьем) изменяется вместе с изменением суммы потерь Рх + Рк . Удельная стоимость системы охлаждения, отнесенная к 1 кВт потерь, Кохл , руб/кВт, может быть найдена из табл. 1.5. Тогда стоимость системы охлаждения трансформатора, руб.,

Сохл = Кохл х + Рк )        (1. 8)

Стоимость .(цена) трансформатора Ктр в (1.5) для экономического сравнения вариантов расчета может быть найдена из выражения

 Ктр = Са, ч + Сохл  (1.9)

или

Ктр = КсGпр + Кст Котх сст Gст + Кохл х + Рк ), (1.10)

Найденное значение Ктр может быть подставлено в (1.4) или (1.5) для экономического сравнения вариантов, но оно не равнозначно условной оптовой цене трансформатора, определяемой по (1.6), поскольку не включает стоимость ряда узлов и некоторых материалов, стоимость которых не изменяется, при переходе от одного варианта к другому (проходные изоляторы, переключающие устройства, арматура бака, крепежные материалы и др.). Условная оптовая цена трансформатора Ц из (1.6) также может быть использована при расчете по (1.5) и (1.4), однако при экономическом сравнении нескольких вариантов для всех вариантов стоимости Ктр должны быть рассчитаны по одному методу.

Таблица 1.5.

 Стоимость системы охлаждения, отнесенная к 1 кВт потерь, Кохл, руб/кВт, для превышения температуры верхних слоев масла 55 и 50 °С

Мощность, кВ'А

Тип бака

55 °с

50 °С

100—1600

С трубами

16,2

18,7

100—400

С радиаторами, имеющими прямые трубы

28,7

38,6

630—6300 2500 - 6300

То же С радиаторами, имеющими гнутые трубы

25,0

29,4

10000—80000

С радиаторами и дутьем

21,8-17,5

25,0-20,6

 

После окончательной разработки конструкции и технологии изготовления спроектированного трансформатора может быть определен народнохозяйственный экономический эффект от внедрения этой разработки. При этом новый трансформатор сравнивается с таким же по классу напряжения и равным или близким по мощности существующим базисным трансформатором. При экономическом сравнении учитывается себестоимость вновь спроектированного трансформатора в соответствии с нормативами для второго года освоения его производства. Должны быть также учтены дополнительные затраты, связанные с разработкой нового трансформатора и организацией его производства (исследовательские работы, разработка технологического процесса, дополнительные затраты на оборудование и т.д.). Окончательный экономический эффект оценивается путем сопоставления дополнительных расходов на производство нового трансформатора и экономии при его эксплуатации с соответствующими данными базисного трансформатора.

1.4. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИИ

Одной из задач стандартизации в трансформаторостроении является установление единых требований к трансформаторам, отражающих потребности эксплуатации и условия работы силовых трансформаторов в сетях, с одной стороны, и современное состояние и возможности трансформаторостроения - с другой. Фиксируя определенное состояние трансформаторостроеиия, стандарт в то же время ставит новые требования, стимулирующие дальнейший прогресс в производстве трансформаторов. Периодический пересмотр стандартов и повышение заложенных в них требований позволяют систематически совершенствовать существующие серии трансформаторов — улучшать их энергетические показатели, повышать надежность, уменьшать массу и габариты и создавать новые типы трансформаторов.

В настоящее время в области трансформаторостроения действует ряд государственных стандартов, определяющих основные требования, предъявляемые к силовым трансформаторам классов напряжения от 6 до 750 кВ для мощностей от 25 до 1 250000 кВ•А.

Эти стандарты можно подразделить на три группы.

Стандарты, содержащие требования, общие для всех силовых трансформаторов:

ГОСТ 9680-77. Ряды номинальных мощностей.

ГОСТ 11677-85. Общие технические условия.

ГОСТ 3484-77. Методы испытаний.

ГОСТ 1516-76. Нормы и методы испытаний электрической прочности.

ГОСТ 20690-75. Нормы и методы испытаний электрической прочности для трансформаторов класса напряжения 750 кВ.

ГОСТ 14209-84. Нагрузочная способность трансформаторов.

ГОСТ 16110-82. Силовые трансформаторы. Термины и определения.

Стандарты, содержащие основные параметры и технические требования для отдельных серий трансформаторов общего назначения (см. табл. 1.6).

Стандарты, содержащие основные параметры и технические требования для трансформаторов специального назначения - рудничных, электропечных, преобразовательных и др.

Таблица 1.6. Государственные стандарты, содержащие основные параметры и технические требования для трансформаторов

(и автотрансформаторов) общего назначения

гост

Вид охлаждения

Число фаз

Класс напряжения, кВ

Диапазон мощностей, кВ•А

ГОСТ 12022-76

Масляное

3

До 35 вкл.

25 - 630

ГОСТ 11920-85

»

3

До 35 вкл.

1000 - 80 000

ГОСТ 12965-85

»

3

110 и 150

2500 - 400 000

 

 

 

 

 

ГОСТ 17544-85

»

1 и 3

220 - 750

40 000 - 1 250 000

 

 

 

 

 

ГОСТ 18619-80 ГОСТ 14074-76

Воздушное »

3 3

0,66 До 15 вкл.

10 - 160 160 -1600

 

Номинальные мощности силовых трехфазных трансформаторов и автотрансформаторов определяются ГОСТ 9680-77 и представлены в табл. 1.7. Номинальные мощности однофазных трансформаторов и автотрансформаторов, предназначенных для работы в трехфазной группе, должны составлять 1/3 номинальных мощностей, приведенных в табл. 1.7.

Общие технические требования, предъявляемые к силовым трансформаторам и автотрансформаторам общего назначения, масляным и сухим, трехфазным мощностью 6,3 кВ•А и более и однофазным более

Таблица 1.7. Ряды номинальных мощностей силовых трансформаторов

 (ГОСТ 9680-77), кВ•А

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

-

16

-

25

-

40

-

63

-

100

-

160

-

250

-

400

-

630

-

1000

-

1600

-

25000

-

40000

-

6300

-

10000

-

16000

-

25000

32000

40000

-

63000

80000

100000

125000

160000

200000

250000

320000

400000

500000

630000

800000

 

4 кВ/А классов напряжения до 750 кВ включительно, установлены ГОСТ 11677-85. Этот стандарт устанавливает область применения и определяет: условия работы, классификацию видов охлаждения, нормы нагрева, номинальные параметры и нагрузочную способность, допустимые превышения напряжения, электрическую прочность изоляции, схемы и группы соединения обмоток, виды переключения ответвлений обмоток, допустимые уровни шума, стойкость при коротких замыканиях и толчках нагрузки, допуски для величин, предусмотренных в стандартах, общие конструктивные требования, требования к документации, требования к надежности, правила приемки, методы испытаний, правила маркировки, упаковки, транспортировки и хранения трансформаторов, гарантии изготовителя.

Общие конструктивные требования в ГОСТ 11677-85 относятся к вводам, зажимам и трансформаторам тока; определяют необходимые условия для защиты масла трансформатора от окисления и поверхностей его частей и деталей от коррозии; устанавливают емкость расширителя и комплектацию его необходимой арматурой, а также конструктивную форму и прочность баков масляных трансформаторов, приспособления для подъема и перемещения трансформаторов, арматуру, приборы контроля уровня и температуры масла, защитные устройства, заземление и устройства контроля систем охлаждения.

Основные требования ГОСТ 11677-85, относящиеся к расчету транс, форматора или используемые в расчете, отражены в гл. 6 - 9. Схемы и группы соединения обмоток, предусмотренные стандартом для трехфазных двухобмоточных трансформаторов, приведены в табл. 1.8. Для трехфазных трехобмоточных трансформаторов предусмотрены два сочетания схем и групп соединения. Пользуясь условными обозначениями табл. 1.8, эти схемы и группы обозначают так: Унн/Д-0 - 11 и Ув/Д/Д-11 -11, принимая порядок следования обмоток ВН(СН)НН и порядок обозначения групп ВН - СН и ВН - НН.

Кроме ГОСТ 11677-85, содержащего общие технические требования к силовым трансформаторам, разрабатываются стандарты на отдельные серии трансформаторов, в которых для каждого типа трансформатора устанавливаются требования к сочетанию напряжений ВН и НН, к сочетанию схем соединения обмоток ВН и НН, параметрам холостого хода и короткого замыкания, размещению арматуры, габаритам, переключению ответвлений, арматуре и т. д.

Требования к масляным трехфазным силовым трансформаторам общего назначения на напряжения до 35 кВ включительно при мощностях от 25 до 630 кВ•А регламентируются ГОСТ 12022-76 и при мощностях от 1000 до 80 000 кВ • А - ГОСТ 11920-85.

Эти стандарты охватывают двухобмоточные трансформаторы во всем указанном диапазоне мощностей и трехобмоточные мощностью 6300 - 16000 кВ•А.

*ГОСТ 11677-85 предусмотрена также схема Д/Д-0.

стандартных напряжений ВН и НН (СН), соответствующие сочетания схем и группы соединения обмоток, параметры холостого хода и короткого замыкания, вид регулирования напряжения, габаритные размеры, арматура, комплектность поставки и некоторые другие данные. Основные требования этих стандартов, относящиеся к двухобмоточным трансформаторам, переключаемым без возбуждения (ПБВ) с нормальным (не повышенным) напряжением короткого замыкания, сгруппированы в табл. 1.9 и 1.10.

В последние годы были также переработаны и утверждены стандарты на методы испытаний силовых трансформаторов ГОСТ 3484-77, а также на испытание электрической прочности изоляции трансформаторов (ГОСТ 1516-76) и др.

ГОСТ 12965-85 устанавливает основные параметры и технические требования к масляным двух- и трехобмоточным трансформаторам общего назначения классов напряжения 110 и 150 кВ. Предусматривается выпуск трехфазных двухобмоточных трансформаторов с РПН мощностью 2,5 – 125 МВ•А класса 110 кВ и 16,0 – 63 МВ•А класса 150 кВ; трехобмоточных трансформаторов мощностью 6,3 – 80 МВ•А класса 110 кВ и 16,0 – 63 МВ•А класса 150 кВ с РПН на обмотке ВН и ПБВ на обмотке СН; двухобмоточных трансформаторов класса 110 кВ мощностью 80 МВ•А с ПБВ, а также двухобмоточных трансформаторов мощностью 125, 200 и 400 МВ•А класса 110 кВ, не имеющих ответвлений для регулирования.

 Обмотки ВН, СН и НН трехобмоточных трансформаторов рассчитываются на полную номинальную мощность. Предусматривается порядок расположения обмоток от стержня наружу (НН – СН – ВН).

Таблица 1.9. Параметры холостого хода и короткого замыкания трехфазных масляных силовых трансформаторов общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 25 – 630 кВ·А

(ГОСТ 12022-76)

Номинальная мощность, кВ·А

Класс напряжения

Потери, Вт

Напряжение короткого замыкания, %

Ток холостого хода, %

Холостого хода

Короткого замыкания

*

**

*

**

25

10

130

600

690

4,5

4,7

3,2

40

10

175

880

1000

4,5

4,7

3,0

63

10

240

1280

1470

4,5

4,7

2,8

100

10

330

1970

2270

4,5

4,7

2,6

100

35

420

1970

2270

6,5

6,8

2,6

160

10

510

2650

3100

4,5

4,7

2,4

160

35

620

2650

3100

6,5

6,8

2,4

250

10

740

3700

4200

4,5

4,7

2,3

250

35

900

3700

4200

6,5

6,8

2,3

400

10

950

5500

5900

4,5

4,7

2,1

400

35

1200

5500

5900

6,5

6,5

2,1

630

10

1310

7600

8500

5,5

5,5

2,0

630

35

1600

7600

8500

6,5

6,5

2,0

 

Примечание: 1. Знаком «*» отмечены потери и напряжение короткого замыкания для трансформаторов мощностью 25 – 250 кВ·А при схемах соединения У/Ун – 0, Д/Ун - 11 и для трансформаторов 400 и 630 кВ·А при схемах соединения У/Ун – 0 и У/Д - 11.

 2. Знаком «**» отмечены параметры короткого замыкания для трансформаторов 25 – 250 кВ·А при схеме соединения У/ZН - 11 и для трансформаторов 400 – 630 кВ·А при схеме Д/УН –11.

 3. Трансформаторы с РПН мощностью 400 и 630 кВ·А и напряжением НН 0,4 и 0,69 кВ изготовляются с потерями короткого замыкания на 10 % больщими, чем указано в таблице.

Основные параметры трехфазных трансформаторов класса напряжения 110 кВ приведены в табл. 1.11. Напряжение короткого замыкания

Таблица 1.10. Параметры холостого хода и короткого замыкания трехфазных масляных силовых трансформаторов общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000 – 80000 кВ·А, переключаемых без возбуждения (ГОСТ 11920 – 85)

Номинальная мощность, кВ·А

Класс напряжения, кВ

Потери, Вт

Напряжение короткого замыкания, %

 Ток холостого хода, %

Холостого хода

Короткого замыкания

НН 0,69 кВ

НН 10,5 и 11 кВ

1000

10* 35

2100 2000

12200 12200

11600 11600

5,5 6,5

1,4 1,4

1600

10* 35

2800 2750

18000 18000

16500 16500

5,5 6,5

1,3 1,3

2500

10* 35

3900 3900

25000 26000

23500 23500

5,5 6,5

1,0 1,0

4000

10 35

5200 5300

-

33500 33500

7,5 7,5

0,9 0,9

6300

10 35

7400 7600

-

46500 46500

7,5 7,5

0,9 0,8

10000

35*

12300

-

65000

7,5

0,8

16000

35*

17800

-

90000

8,0

0,6

80000

15,75

58000

-

280000

10,0

0,45

 

Примечание: 1. Для трансформаторов мощностью 1000 – 6300 кВ·А параметры холостого хода и короткого замыкания принимаются равными для исполнений ПБВ и РПН, за исключением потерь холостого хода, которые в трансформаторах РПН могут быть на 5 – 5,5 % выше, чем в трансформаторах исполнения ПБВ.

 2. для трансформаторов, отмеченных знаком «*», параметры холостого хода и короткого замыкания по ГОСТ 11920-85 устанавливаются при приемочных испытаниях. В таблице эти параметры приведены по ГОСТ 11920-73 (потери холостого хода по уровню А).

 3. значения потерь и напряжения короткого замыкания указаны на основном ответвлении.

Для двухобмоточных трансформаторов установлено ик = 10,5 % (125 МВ·А – 11,0 %). Для трехобмоточных ВН – СН 10,5 % (80 МВ·А – 11,0 %); ВН – НН: для 6,3 МВ·А – 17, для 10 – 40 МВ·А – 17,5, для 63 МВ·А – 18,0 и для 80 МВ·А – 18,5 %; СН – НН: для 6,3 МВ·А – 6,0, для 10 – 40 МВ·А – 5,5 и для 63 – 80 МВ·А – 7 %.

 Государственные стандарты систематически пересматриваются и совершенствуются. Нормальным сроком для очередного пересмотра стандарта считается 5 лет.

Таблица 1.11. Параметры холостого хода и короткого замыкания трехфазных масляных силовых трансформаторов с напряжением ВН 110 кВ, отвечающих требованиям ГОСТ 12965-85

 

 

 

 

 

Номинальная мощность,МБ -А

Дву хобмоточные

Трехобмоточные

Ток холостого хода, %

Потери, кВт

Ток холостого хода, %

Потери, кВт

холостого хода

короткого замыкания

холостого хода

короткого замыкания

             

Понижающие трансформаторы

2,5

5,5

22

1,50

-

-

-

6,3

10,0

44

1,00

12,5

52

1,10

10,0

14,0

58

0,90

17,0

76

1,00

16,0

18,0

85

0,70

21,0

100

0,80

25,0

25,0

120

0,65

28,5

140

0,70

40,0

34,0

170

0,55

39,0

200

0,60

63,0

50,0

245

0,50

53,0

290

0,55

80,0

58,0

310

0,45

64,0

365

0,50

125,0

105,0

400

0,55

 

 

 

 

Повышающие трансформаторы

80,0

85,0

310

0,60

125,0

120,0

400

0,55

200,0

170,0

550

0,50

250,0

200,0

640

0,50

400,0

320,0

900

0,45

 

Примечания:

1.     Все понижающие трансформаторы с РПН.

2.     Повышающие трансформаторы 80 МВ•А - с ПБВ±2Х2,5 %; 125 - 400 МВ•А без регулировочных ответвлений.

3.     Значения потерь короткого замыкания указаны для средней ступени напряжения.

Глава вторая

КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ЧАСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРА

2.1. ОБЩАЯ КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ТРАНСФОРМАТОРА

В соответствии с ГОСТ 16110-82 трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, называется силовым. Если силовой трансформатор предназначен 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, то он называется силовым трансформатором общего назначения. Силовые трансформаторы, предназначенные для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, называются трансформаторами специального назначения. К числу таких сетей я приемников относятся подземные шахтные сети и установки, выпрямительные установки, электрические дуговые печи и т. п.

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.

Некоторые магнитные системы, например системы тороидальной формы, намотанные в виде кольца из ленты

Рис. 2.1. Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками: 1 - ярмо; 2 - стержень; 3 - сечение стержня; 4 - угол магнитной системы

или собранные из плоских круговых колец, отштампованных из тонколистовой стали, не подразделяются на стержни и ярма.

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. Магнитная система, изображенная на рис. 2.1, имеет шесть углов.

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 (рис. 2.1), и пространственные, в которых оси стержней и ярм располагаются не в одной плоскости (см. рис. 2.6).

По взаимному расположению стержней и ярм плоские и пространственные магнитные системы могут также подразделяться на стержневые, броневые и бронестержневые. В течение ряда лет магнитные системы силовых трансформаторов выполнялись и в значительной части выполняются в настоящее время в виде плоских магнитных систем по типу рис. 2.1 путем сборки из плоских пластин электротехнической стали. В изображенной на рис. 2.1 магнитной системе трехфазного силового трансформатора ярма соединяют разные стержни, и каждое ярмо располагается со стороны торцов стержней. Такая магнитная система с торцовыми ярмами называется стержневой.

На рис. 2.2, а и б изображены магнитные системы, у которых каждый стержень имеет боковые ярма, соединяющие два разных конца этого стержня. У трансформаторов с такими магнитными системами боковые поверхности обмоток как бы закрыты броней, отчего магнитные системы этого типа при наличии не менее двух боковых ярм на каждом стержне получили название броневых.

На рис. 2.2, в показан промежуточный бронестержневой тип магнитной системы, у которой не все стержни имеют боковые ярма или каждый стержень имеет не более чем одно боковое ярмо.

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроения получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров. Плоские бронестержневые системы и броневые системы по рис. 2.2, б, аналогичные по форме обмоток и сечения стержня системам стержневым, требуют несколько большего расхода электротехнической стали и применяются в некоторых типах трансформаторов большой мощности (более 100000 кВ•А) с целью уменьшения высоты трансформатора, а также в трансформаторах малой мощности (1-3 кВ•А).

Рис. 2.2. Броневые (а, 6) и бронестержневая (в) магнитные системы трехфазного (а) и однофазных трансформаторов (б, в):

/ — стержень, 2 — ярмо, 3 — обмотка

В последние годы в силовых трансформаторах мощностью до 6300 кВ•А находят все более широкое применение пространственные магнитные системы по рис. 2.6, а и б и других типов. Броневые магнитные системы по рис. 2.2, а при горизонтальном расположении стержней и ярм с обмотками прямоугольной формы применяются некоторыми иностранными фирмами для трансформаторов, предназначенных для питания электрических печей.

Магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковые форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней, называется симметричной (рис. 2.2,6, в и 2.6). При отсутствии одного из этих признаков магнитная система называется несимметричной. Так трехфазная магнитная система, изображенная на рис. 2.1, несимметрична потому, что взаимное расположение ее среднего и крайних стержней по отношению к ярмам различно.

По способу сборки различают: шихтованные магнитные системы, ярма и стержни которых собираются впереплет из плоских пластин как единая цельная конструкция, навитые магнитные системы, все части которых изготовляются путем навивки из ленточной электротехнической стали, а затем скрепляются в единую конструкцию, и стыковые магнитные системы, ярма и стержни или отдельные части которых, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык и скрепляются специальными стяжными конструкциями или другими способами. В стыковых магнитных системах могут сочетаться части, собранные только из плоских пластин или из плоских пластин с навитыми частями.

Часто применяемый порядок сборки шихтованной стержневой магнитной системы показан на рис. 2.3, а. Сборка ведется на горизонтальном стенде путем чередования слоя пластин (обычно толщиной в две пластины, редко в три-четыре), разложенных по положению 1, со слоем пластин, разложенных по положению 2. В результате сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

На рис. 2.3, а показана сборка магнитной системы из пластин прямоугольной формы, образующих в углах системы так называемый прямой стык.

Рис. 2 3. Сборка трехфазных магнитных систем:

а — шихтованной из пластин прямоугольной формы; б — разрезной стыковой, навитой из лент, в — стыковой, собираемой из пластин прямоугольной формы

Рис. 2.4. Сборка магнитной системы трехфазного трансформатора мощностью 10000 кВ•А класса

напряжения 110 кВ на специальном стенде

Если концы пластин срезать под углом 45°, то они будут образовывать в углах косой стык. На рис. 2.4 изображена магнитная система трансформатора мощностью 10000 кВ•А класса напряжения 110 кВ в процессе сборки на специальном стенде. Для насадки обмоток на стержни верхнее ярмо шихтованной магнитной системы разбирается по отдельным пластинам, а после насадки обмоток снова собирается. Магнитные системы трансформаторов мощностью до 630 кВ•А включительно, не требующие стяжки стержней бандажами, могут собираться с укладкой пластин стержней внутрь обмоток, уложенных на специальном стенде. После завершения шихтовки и стяжки ярм балками обмотки оказываются размещенными на остове трансформатора.

На рис. 2.3, б показана навитая из ленты холоднокатаной стали разрезная стыковая магнитная система, а на рис. 2.3, в — стыковая система, состоящая из стержней и ярм, раздельно собираемых из плоских пластин.

Развитие производства холоднокатаной рулонной стали позволило найти новый способ изготовления магнитной системы, когда отдельные части системы навиваются из стальной ленты и затем скрепляются в единую конструкцию. Навитые системы могут быть неразрезными (см. рис. 2.6,6), когда обмотки из обмоточного провода или медной или алюминиевой ленты (фольги) наматываются непосредственно на стержни магнитной системы, или стыковыми, когда для насадки обмоток стержни магнитной системы разрезаются резом, перпендикулярным к продольной оси стержня, и навитая магнитная система становится стыковой (рис. 2.3,6).

Плоские стыковые магнитные системы с раздельно собираемыми стержнями и ярмами (рис, 2.3, в) требуют по сравнению с шихтованными более массивного и прочного крепления стержней и ярм и специальных конструкций для стяжки стержней с ярмами в виде металлических башмаков, стяжных шпилек и т.д. Кроме того, в стыковых магнитных системах в целях уменьшения немагнитных зазоров приходится собирать стержни и ярма на специальных магнитных плитах, применять магнитные клеи, обрабатывать стыковые поверхности стержней и ярм и при этом считаться с существенным повышением тока холостого хода по сравнению с током холостого хода для шихтованных и особенно навитых неразрезных магнитных систем. В отечественном трансформаторостроении плоские стыковые магнитные системы применяются в реакторах.

Стыковые магнитные системы могут собираться также из разрезанных навитых частей (рис. 2.3, б) или из навитых частей и частей, собранных из плоских пластин. Примером последнего варианта служит магнитная система по рис. 2.6, а, у которой стержни собраны из плоских пластин, а ярма навиты из холоднокатаной стальной ленты.

Выбор того или иного типа магнитной системы связан с выбором схемы магнитной цепи трансформатора, наиболее подходящей для заданных условий. Собранные впереплет плоские шихтованные магнитные системы благодаря простой и дешевой конструкции крепления и стяжки, а также относительной простоте сборки получили наиболее широкое распространение. В отечественном трансформаторостроении эти системы применяются для большинства силовых трансформаторов до самых мощных включительно.

На рис. 2.5 показаны различные схемы взаимного расположения стержней и ярм плоских шихтованных и плоской навитой магнитных систем. Трехфазная магнитная система по рис. 2.5, д получила наибольшее распространение для силовых трансформаторов мощностью от 6,3 до 100000 кВ•А. При этой схеме магнитный поток ярма равен потоку стержня Фяс и площадь поперечного сечения ярма должна быть равна или больше площади поперечного сечения стержня.

С дальнейшим ростом мощности и размеров трансформатора обычно переходят на бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами: однофазные по рис. 2.5, б и трехфазные по рис. 2.5, е. Магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе при этом равен половине потока стержня Фя =Фс/2, в трехфазной Фя=Фс Ö3. Это обстоятельство позволяет уменьшить сечение, а следовательно, и высоту ярма и общую высоту трансформатора, что важно для трансформаторов большой мощности, размеры которых по высоте жестко ограничиваются условиями транспортировки по железной дороге.

При мощности однофазного трансформатора 133000 кВ•А и более, когда одно только разветвление ярм недостаточно снижает высоту трансформатора, прибегают к «расщеплению» мощности между двумя или тремя отдельными стержнями, например по схеме рис. 2.5, г. Для этих схем сечение ярма также может быть взято равным половине сечения стержня, так как магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе равен Фс/2. Применяя бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами и «расщеплением» мощности между отдельными стержнями, добиваются существенного снижения высоты трансформатора за счет увеличения длины и некоторого увеличения массы активных материалов — меди и стали.

Рис. 2.5. Различные схемы плоской магнитной системы трансформатора;

однофазные: а — стержневой; б — броневой; в и г — бронестержневые с расщеплением мощности между стержнями; трехфазные; д — стержневой; е — бронестержневой; ж — броневой; з — навитой стержневой

В схеме плоской навитой магнитной системы по рис. 2.5,з магнитный поток каждого стержня является геометрической суммой потоков двух навитых колец. Например, поток фазы А можно представить в виде суммы:

 .

 Поскольку три кольца этой магнитной системы навиваются раздельно, а для удобства сборки между ними должен соблюдаться небольшой технологический зазор, переход магнитного потока из одного кольца в другое затруднен и фактическая индукция в каждом кольце должна быть в 2/ Ö3 = 1,155 раза больше общей расчетной индукции в стержне. Подобное сложение потоков стержней и ярм в схеме по рис. 2.5, е не приводит к увеличению индукции потому, что в каждом стержне оба частичных потока складываются в одних и тех же пластинах.

В последние годы в трансформаторах мощностью до 6300 кВ•А все более широкое применение находят пространственные магнитные системы различных конструкций. На рис. 2.6 показаны методы образования таких систем. Комбинированная стыковая магнитная система по рис. 2,6, а составляется из стержней, собранных из плоских пластин.

Магнитный поток в ярме такой системы Фя =Фс/3, и площадь поперечного сечения ярма может быть в 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. С учетом уменьшения площади сечения, а также увеличения общей длины ярма эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали и потери холостого хода примерно на 9 -10 % при увеличении тока холостого хода на 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 кВ•А и на 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 кВ•А по сравнению с плоской шихтованной системой.

Рис. 2.6. Пространственные магнитные системы: а — стыковая со стержнями, собранными из плоских

пластин, и навитыми ярмами; б — навитая неразрезная, состоящая из трех навитых колец

стин различной ширины, но одинаковой длины, и из ярм, навитых из ленточной стали. Обмотки на эту систему устанавливаются при ее сборке из отдельных частей.

Магнитный поток в ярме такой системы Фя с/3, и площадь поперечного сечения ярма может быть в 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. С учетом уменьшения площади сечения, а также увеличения общей длины ярма эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали и потери холостого хода примерно на 9 -10 % при увеличении тока холостого хода на 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 кВ•А и на 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 кВ•А по сравнению с плоской шихтованной системой.

Навитая неразрезная трехфазная магнитная система по рис. 2.6,б состоит из трех навитых колец. Сечение каждого кольца вписано в полуокружность. Современное специальное оборудование позволяет наматывать кольца такой формы из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. После намотки кольца отжигаются в течение 20 - 24 ч при температуре 800 °С, а затем скрепляются в единую систему при помощи бандажей из стеклоленты. Эта система дает возможность некоторой экономии стали (5 - 7 %) и уменьшения потерь холостого хода при существенном (в 2 - 3 раза) уменьшении тока холостого хода. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на ее стержни на специальном станке. В последнее время применение этой системы ограничивалось трансформаторами мощностью до 630 кВ•А. В магнитной системе по рис. 2.6, б с раздельно намотанными кольцами индукция в каждом кольце, как и в системе по рис. 2.5,з, в 2 /3 раза больше общей расчетной индукции в стержне. Геометрическое сложение магнитных потоков стержней и ярм в системе по рис. 2.6, а с пластинами, расположенными, как показано на этом рисунке, не приводит к увеличению индукции, так же как и в системе по рис. 2.5, е.

После завершения сборки магнитной системы ее стержни, как правило, спрессовываются и стягиваются бандажами из стеклоленты. В трансформаторах мощностью не более 630 кВ•А при диаметре стержня не более 0,22 м в плоских шихтованных системах возможна опрессовка стержня после насадки обмоток путем расклинивания с внутренней обмоткой. Ярма плоских систем обычно спрессовываются ярмовыми балками, а ярма пространственных систем — специальными стяжными конструкциями.

Магнитная система со всеми узлами и деталями, которые служат для соединения ее отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора. На остове в, процессе дальнейшей сборки устанавливаются обмотки и крепятся отводы, т. е. проводники, предназначенные для соединения обмоток трансформатора с переключателями, вводами и другими токоведущими частями.

Конструкция остова должна обеспечивать надежное скрепление и механическую жесткость магнитной системы, собранной из тонких пластин стали толщиной 0,35 - 0,27 мм, масса которой достигает десятков тонн. При этом в процессе эксплуатации остов трансформатора должен выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, достигающие, даже в трансформаторах мощностью 1000 - 6300 кВ•А, миллионов ньютонов и существенно возрастающие с возрастанием номинальной мощности трансформатора.

Рис. 2.7. Остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ•А класса напряжения 110 кВ

На рис. 2.7 изображен остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ•А класса напряжения 110 кВ. Стержни плоской шихтованной магнитной системы стянуты бандажами из стеклоленты. Многоступенчатые ярма запрессованы между стальными ярмовыми балками, стянутыми стальными полубандажами. Концы шпилек полубандажей с гайками выведены на наружные стороны ярмо-вых балок и изолированы от них, чтобы избежать образования короткозамкнутых витков вокруг ярма. Верхние и нижние ярмовые балки соединены вертикальными шпильками.

Основным элементом обмотки трансформатора является виток — электрический проводник или несколько параллельно соединяемых проводников, однократно охватывающих часть магнитной системы. Ток витка совместно с токами других витков и других частей трансформатора, в которых возникает электрический ток, создает магнитное поле трансформатора. Под воздействием этого поля в каждом витке наводится ЭДС.

Обмоткой называется совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в витках, с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения трансформатора или с другой целью.

Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения предназначаются для преобразования электрической энергии и являются основными обмотками. Кроме них, в силовом трансформаторе могут быть и вспомогательные обмотки, предназначенные для компенсации отдельных частей магнитного поля, дополнительного подмагничивания отдельных частей магнитной .системы и других целей.

В течение нескольких десятилетий обмотки трансформаторов изготовлялись из медного провода. В последние 25 лет в обмотках трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 - 25000 кВ•А все большее применение находит алюминиевый провод. Обмотки трансформаторов мощностью до 630 - 1000 кВ•А и более могут изготовляться также из медной или алюминиевой ленты или фольги.

Обмотки трансформаторов различают по назначению, способу взаимного расположения и форме.

В двухобмоточном трансформаторе, имеющем две электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединяемую к сети более низкого напряжения. В трехобмоточном трансформаторе, имеющем три электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), обмотку среднего напряжения (СН) и обмотку низшего напряжения (НН).

В трехфазном и многофазном трансформаторе под обмоткой подразумевают совокупность соединяемых между собой обмоток одного напряжения всех фаз, а в однофазном — обмоток всех его стержней. Иногда, если это не вызывает неправильного понимания, под словом «обмотка» подразумевают обмотку одной фазы или одного стержня трансформатора.

По способу расположения их на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрическими обмотки называются в том случае, когда обмотки НН и ВН (а в трехобмоточных трансформаторах и обмотки СН)  выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 2.8, а). Высоты (осевые размеры) обеих обмоток, как правило, делаются одинаковыми. При выполнении обмоток ВН и НН с различными высотами приходится считаться со значительным возрастанием осевых механических сил, возникающих в обмотках при коротком замыкании трансформатора, тем больших, чем больше разность высот обмоток. При концентрическом расположении обмотка НН обычно располагается внутри, а обмотка ВН — снаружи. При расположении обмотки ВН снаружи упрощается вывод от нее ответвлений для регулирования    напряжения,     а    также

уменьшаются размеры внутренних изоляционных каналов между внутренней обмоткой и стержнем.

Рис. 2.8. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки двухобмоточного трансформатора

Обмотки называются чередующимися, если обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми или почти одинаковыми средними диаметрами и располагаются на стержне одна над другой в осевом направлении стержня (рис. 2.8,6). При этом стараются для уменьшения возникающих при коротком замыкании осевых механических сил разделить обе обмотки не в ущерб конструктивным соображениям на возможно большее число чередующихся групп. Изменение числа групп позволяет также в широких пределах изменять реактивную составляющую напряжения короткого замыкания — увеличивающуюся с уменьшением числа групп и уменьшающуюся с его увеличением. Для уменьшения радиальных механических сил стараются выдержать для обеих обмоток одинаковые внутренние диаметры и радиальные размеры.

В чередующейся обмотке приходится рассчитывать по испытательному напряжению обмотки ВН несколько промежутков — горизонтальных каналов между обмотками ВН и НН. Число этих промежутков растет с ростом числа групп, на которые разбита обмотка. Поэтому чередующиеся обмотки обладают меньшей компактностью, чем концентрические. К недостаткам чередующихся обмоток следует отнести также значительное число паек соединений каждой из обмоток в процессе сборки трансформатора, тогда как большинство конструкций концентрических обмоток допускает изготовление всей обмотки ВН или НН на один стержень непосредственно на обмоточном станке, одним проводом или группой проводов без применения пайки.

В настоящее время подавляющее большинство всех силовых трансформаторов общего назначения и специальных выполняется с концентрическими обмотками. Чередующиеся обмотки иногда находят применение в специальных типах трансформаторов, предназначенных для питания электропечей. В таких трансформаторах с весьма значительными токами на стороне НН решающим обстоятельством является удобство параллельного соединения ряда групп обмотки НН снаружи обмотки, а изоляционные промежутки при относительно малом напряжении ВН обычно невелики. Чередующиеся обмотки иногда применяются также для сухих трансформаторов как обеспечивающие лучший доступ охлаждающего воздуха к обмоткам как высшего, так и низшего напряжения.

Рис. 2.9. Расположение обмоток на стержне: a — трехобмоточиый трансформатор; б — трехобмоточный автотрансформатор; в— двойная концентрическая обмотка ВН; г — трансформатор с расщепленными обмотками

 

В трехобмоточных трансформаторах обмотка СН обычно располагается  между обмотками НН и ВН   (рис. 2.9, в). Для  некоторых типов трансформаторов предусмотрена также возможность размещения обмотки СН непосредственно на стержне со следующим расположением обмоток, считая изнутри наружу: СН—НН—ВН. Как правило, все три обмотки  трехобмоточного  трансформатора  рассчитываются  на  одинаковую номинальную мощность. При различии номинальных мощностей трех обмоток номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается большая из них.

Силовые автотрансформаторы, как правило, выпускаются трехобмоточными. Обмотки ВН и СН соединены по автотрансформаторной схеме в звезду, имеют общую часть ХАт (рис. 2.9, б) и последовательно соединенную с ней часть АтА. Обмотка СН стержня образуется частью ХАт, обмотка ВН - соединением частей ХАт и АтА. Напряжение ВН может быть получено на выводах АХ, напряжение СН - на выводах АтХ. С обмоткой НН, соединяемой обычно в треугольник, эти две обмотки связаны индуктивно.

В двухобмоточных трансформаторах большой мощности иногда находит применение двойная концентрическая обмотка ВН, при которой уменьшаются индукция поля рассеяния и добавочные потери в обмотках Обмотка ВН при этом разделяется на две цилиндрические части, располагаемые внутри и снаружи обмотки НН (рис. 2 9, в).

В двухобмоточных трансформаторах мощностью 25000 кВ•А и выше широкое применение находят расщепленные обмотки. При этом обмотка НН разделяется на две гальванически не связанные части равной мощности с одинаковыми или различными напряжениями. Обмотка ВН также разделяется на две параллельно соединенные части так, чтобы напряжения короткого замыкания двух частей обмотки НН по отношению к обмотке ВН были практически равны (рис. 2.9,г). Расщепление обмоток имеет целью уменьшение токов короткого замыкания.

По форме выполнения обмотки трансформаторов разделяются на круглые и прямоугольные. Обмотки круглой формы выполняются в виде круговых цилиндров, сплошных или собранных из отдельных катушек, и в поперечном сечении имеют форму кольца. Обмотки прямоугольной формы в поперечном сечении имеют форму прямоугольной рамки с закругленными углами. Преимуществом такого типа обмотки является возможность наилучшего заполнения пространства внутри обмотки активной сталью стержня. Основными недостатками являются: пониженная электрическая прочность изоляции провода в углах катушки, легко повреждающейся при перегибе провода на окружности малого радиуса; усложнение прессовки стержня магнитной системы; малая механическая прочность обмотки такого типа при коротком замыкании. При коротком замыкании прямоугольная обмотка под воздействием возникающих в ней механических сил стремится принять круглую форму, что ведет к повреждению изоляции и разрушению обмотки.

В настоящее время большинство трансформаторов выпускается с обмотками круглой формы, более простыми в конструктивном и более прочными в механическом и электрическом отношениях. Прямоугольные обмотки применяются в редких случаях для специальных трансформаторов, выполняемых с магнитными системами броневого типа.

Обмотки трансформатора должны быть надежно изолированы одна от другой и от всех заземленных частей конструкции трансформатора - магнитной системы и деталей крепления остова, стенок бака, в котором установлен трансформатор, или защитного кожуха и др. Эта изоляция создается путем сочетания изоляционных деталей, изготовленных из твердых диэлектриков - электроизоляционного картона, бумажно-бакелитовых изделий, дерева и т. д. с промежутками, заполненными основной изолирующей средой - жидким или газообразным диэлектриком или твердым диэлектрическим компаундом.

После установки или намотки непосредственно на стержни остова трансформатора его обмоток на остове устанавливается конструкция для размещения и укрепления отводов, т.е. проводников, соединяющих обмотки трансформатора с вводами, переключателями и другими токоведущими частями, монтируются отводы и устройство регулирования напряжения. Полученная в результате этого монтажа единая конструкция, включающая в собранном виде остов трансформатора, обмотки с их изоляцией, отводы, части устройства регулирования, а также все детали, служащие для их механического соединения, называется активной частью трансформатора (рис. 2.10).

Во время работы трансформатора в его обмотках, магнитной системе и некоторых других частях происходят потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. При продолжительном режиме работы все выделяющееся тепло должно полностью отводиться в окружающую среду. В большинстве современных силовых трансформаторов отвод тепла от обмоток и магнитной системы осуществляется через теплоноситель - жидкий или газообразный диэлектрик, заполняющий бак, в котором установлен трансформатор (при газообразном диэлектрике бак должен быть герметичным). Воздушные сухие трансформаторы могут иметь защитный кожух, но не имеют бака. Основной изолирующей и охлаждающей средой в них служит свободно проникающий к активной части атмосферный воздух.

Рис 2.10. Активная часть трехфазного масляного трансформатора мощностью 1000 кВ× А класса напряжения 35 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой

Жидкий или газообразный теплоноситель, чаще всего трансформаторное масло, омывающее обмотки и магнитную систему трансформатора, нагреваясь у их поверхностей, интенсивно отводит путем конвекции все выделяющиеся в них тепло и передает его стенкам бака Внешняя поверхность стенок бака, омываемая воздухом, отдает тепло путем конвекции и излучения. Такая система отвода тепла позволяет допустить высокие электромагнитные нагрузки активных материалов — металла обмоток и стали магнитной системы и получить трансформатор с малой массой этих материалов

Масляный бак с гладкими стенками имеет относительно малую омываемую воздухом внешнюю поверхность, которой оказывается достаточно для отвода тепла потерь при допустимых превышениях температуры обмоток, магнитной системы и масла в верхней части бака над температурой охлаждающей среды лишь в трансформаторах мощностью до 25—40 кВ×А. С ростом мощности и потерь трансформатора для обеспечения его нормального охлаждения приходится искусственно развивать внешнюю поверхность бака путем установки ребер, труб, навесных радиаторов (рис. 2.11) и других элементов, отдающих тепло при естественной конвекции воздуха. У трансформаторов мощностью 10000— 16000 кВ•А и более поверхность бака оказывается недостаточной для размещения навесных радиаторов, работающих при естественной циркуляции масла и воздуха Поэтому начиная с этих мощностей обычно усиливают охлаждение, применяя искусственное форсирование движения воздуха у внешних поверхностей радиаторов при помощи вентиляторов или масла у внутренних их поверхностей при помощи насосов либо же совмещают эти два метода.

Форсированное движение масла особенно эффективно увеличивает теплоотдачу, если поступающее из охладителя масло специальными устройствами направляется непосредственно к обмоткам и магнитной системе. При мощностях 80000—100000 кВ А и более используются компактные охладители, собираемые из оребренных труб, рассчитанные на теплоотдачу от 50 до 200 кВт с каждого охладителя и продуваемые в горизонтальном направлении мощными вентиляторами (см рис 1.2) Применяется также охлаждение масла в водяных охладителях.

Рис. 2.11 Трехфазный масляный трансформатор мощностью 1600 кВ А класса напряжения 35 кВ, переключаемый без возбуждения

 

 

Рис. 2.12. Трехфазный сухой трансформатор мощностью 1000 кВ•А класса напряжения 10 кВ

с открытыми дверцами кожуха

Для заполнения бака трансформатора маслом до самой крышки при всех возможных в эксплуатации колебаниях температуры и объема масла над крышкой устанавливается расширитель — стальной бачок, сообщающийся с основным баком трубопроводом. Объем расширителя (обычно 8—10 % объема масла в баке) выбирается таким, чтобы при любых колебаниях температуры и объема масла его верхний уровень оставался в пределах расширителя. Установка расширителя, ранее называвшегося консерватором, способствует также сохранению (консервации) масла, так как позволяет свести к минимуму поверхность соприкосновения (зеркало) масла с воздухом. Если внутренний объем расширителя сообщается с окружающим воздухом, то на пути движения воздуха устанавливается фильтр, заполненный сорбентом — веществом, поглощающим влагу из воздуха, поступающего в расширитель. Для более надежного предохранения масла от окисления его поверхность в расширителе часто изолируют от окружающего трансформатор воздуха подушкой из инертного газа (азота) и расширитель герметизируют наглухо или при помощи гибкой растягивающейся мембраны (пленки).

На крышке бака устанавливаются вводы, служащие для присоединения внешней сети к обмоткам трансформатора; на крышке и частично на стенках бака устанавливаются также различные устройства и приспособления, служащие для защиты трансформатора и измерения температуры масла, для наблюдения и ухода за маслом и подъема трансформатора.

Трансформаторное масло одновременно является хорошим изоляционным материалом, позволяющим получить высокую электрическую прочность трансформатора при малых изоляционных промежутках, компактной конструкции обмоток и магнитной системы.

Основной недостаток масляных трансформаторов заключается в том, что масло является горючим материалом, и установка таких трансформаторов во многих случаях требует специальных мер пожарной безопасности. Помимо масляных находят также применение воздушные сухие силовые трансформаторы, т.е. трансформаторы с естествен-ным воздушным охлаждением. У этих трансформаторов масляный бак заменяется легким защитным кожухом. Отсутствие масла в значительной мере повышает пожарную безопасность, а применение в качестве твердой изоляции обмоток стекловолокна или асбеста и кремнийорганических материалов позволяет получить практически пожаробезопасную установку (рис. 2.12).

 Это свойство сухих трансформаторов позволяет применять иx с большим успехом для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим обстоятельством, как, например, в установках высотных зданий, некоторых производственных цехов, лабораторий и т.д.

Воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах приходится все изоляционные промежутки и охлаждающие каналы делать большими, а электромагнитные нагрузки активных материалов допускать меньшими, чем в масляных трансформаторах. Вследствие этого масса и стоимость активных материалов в сухих трансформаторах оказываются существенно выше, чем в масляных.

Понижение плотности тока в обмотках воздушных сухих трансформаторов позволяет уменьшить потери короткого замыкания в трансформаторах класса напряжения 10 кВ мощностью 400 - 1600 кВ•А на 3-4 до 6-8 % по сравнению с масляными. Потери и ток холостого хода в этих трансформаторах выше, чем в масляных. Воздушные сухие трансформаторы с изоляцией классов нагревостойкости В, Н вследствие высокой стоимости изоляционных материалов (стекловолокно, стеклотекстолит, кремнийорганические лаки и т.д.) существенно дороже масляных. Благодаря отсутствию масла и замене тяжелого бака легким кожухом общая масса сухого трансформатора при мощностях до 400 кВ•А составляет не более 125 -130%, а при мощностях 630 - 1600 кВ•А - от 110 до 90% массы идентичного масляного трансформатора. Практически напряжения обмоток ВН воздушных сухих трансформаторов ограничиваются верхним пределом 10-15 кВ, а мощность — значениями 1600—2500 кВ•А. Такие трансформаторы большей мощности с более высокими напряжениями выпускаются сравнительно редко.

К сухим относятся также и герметичные трансформаторы, баки которых заполнены газом, являющимся изолирующей средой и теплоносителем. Такие трансформаторы, например, заполненные газообразной шестифтористой серой (элегазом), при форсированном движении теплоносителя в баке, могут иметь по сравнению с масляными меньшую общую массу и, будучи пожаробезопасными, могут быть использованы для установки на электрическом или теплоэлектрическом подвижном составе.

Сухие трансформаторы выпускаются также с литой изоляцией. У этих трансформаторов, предназначенных главным образом для работы на наружных установках в сельских сетях, магнитная система и обмотки заливаются электроизоляционным компаундом, который после отвердения служит изолирующей средой и теплоносителем.

Методика и последовательность расчета сухих и масляных трансформаторов принципиально одинаковы. Некоторые особенности расчета сухих трансформаторов — допустимые нагрузки активных материалов, допустимые изоляционные расстояния, нагрев обмоток и т.д. — отражены в следующих главах.

Иногда в целях обеспечения пожарной безопасности трансформаторы заполняют негорючей и не окисляющейся жидкостью - совтолом, представляющим смесь совола (полихлордифенил) с трихлорбензолом. Добавка трихлорбензола позволяет получить понижение вязкости и температуры застывания смеси Для стран с умеренным климатом наилучшим соотношением считается 65 % совола и 35 % трихлорбензола; для условий тропического климата — соответственно 90 и 10%.

В практике зарубежных фирм аналогичные жидкости называются клофен, пиранол, пирохлор и т. п.

Электрическая прочность совтола близка к прочности трансформаторного масла. Условия теплоотдачи в трансформаторах, залитых совтолом, практически не отличаются от условий теплопередачи в масляных трансформаторах. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью, большим расходом этой жидкости вследствие высокой плотности (около 1500 кг/м3), токсичностью паров совтола, действующих раздражающим образом на слизистые оболочки и кожу человека, и способностью совтола выделять токсичные газообразные вещества при воздействии электрической дуги. В некоторых странах применение подобных жидких диэлектриков запрещено

2.2. 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—860Х1500 и 1000X2000 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

выдержки при температуре 820 ± 10°С в течение 3 мин на воздухе. Плотность холоднокатаной стали 7650 кг/м3, удельное электрическое сопротивление 0,50 мкОм-м. (Плотность горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513, 1514 - 7550 кг/м3, удельное электрическое сопротивление 0,60 мкОм-м).

Обозначения марок холоднокатаной стали расшифровываются следующим образом: первая цифра 3 - класс по структурному состоянию и виду прокатки - холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой, вторая цифра 4-класс по содержанию кремния - свыше 2,8 до 3,8% включительно; третья цифра - 1 или 0 - группа по основной нормируемой характеристике согласно примечанию к табл. 2.1; четвертая цифра от 1 до 8 - порядковый номер марки стали с улучшением магнитных свойств по мере возрастания этого номера.

Сталь различают также по точности прокатки по толщине-Н-нормальной точности и П — повышенной точности, по ширине — нормальной и повышенной точности — Ш, а также и по виду покрытия — с электроизоляционным нагревостойким покрытием — ЭТ, с покрытием, не ухудшающим штампуемость, — М (мягкое) и без электроизоляционного покрытия — БП.

В качестве примера обозначения можно привести следующее: Рулон 0,35ХЮОО-П-ЭТ-3404, ГОСТ 21427.1-83, что обозначает: рулонная сталь толщиной 0,35, шириной 1000 мм, повышенной точности прокатки, с электроизоляционным нагревостойким покрытием, марки 3404 по ГОСТ 21427.1-83.

Магнитные свойства современной холоднокатаной электротехнической стали по ГОСТ 21427.1-83 приведены в табл. 2.1.

Холоднокатаная электротехническая сталь прокатывается в горячем состоянии до толщины 3,0 - 2,5 мм и затем в холодном состоянии до нормированной толщины 0,50 - 0,27 мм. Благодаря прокатке в холодном состоянии сталь получает определенное упорядоченное взаимное расположение и ориентировку микрокристаллов - текстуру, вследствие чего создается анизотропия магнитных свойств стали, т. е. различие магнитных свойств в разных направлениях в листе.

В несколько идеализированном виде микроструктура холоднокатаной стали может быть представлена в виде совокупности элементарных кристаллов кубической формы, расположенных так, что их диагональные сечения располагаются в плоскости листа, а ребра куба в этих сечениях параллельны направлению прокатки стали, как это показано прямоугольником ABCD на рис. 2.13. Наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость при заданной магнитной индукции холоднокатаная сталь имеет в направлении, параллельном ребрам куба АВ или CD, т. е. в направлении прокатки. Это направление называется осью легкого намагничивания – ось 1 на рис. 2.13 [7].

Существенно худшие магнитные свойства сталь имеет в направлении диагонали грани куба АD, т.е. в направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Это направление называется осью среднего намагничивания - ось 2. Наихудшие магнитные свойства холоднокатаная сталь имеет в направлении диагонали диагонального сечения куба АС - оси трудного намагничивания - 3, направленной под углом 55° к направлению прокатки.

Таблица 21 Магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали

 по ГОСТ 21427.1-83, применяемой в силовых трансформаторах

Толщина, мм

марка

Удельные потери р, Вт/кг, при f = 50 Гц и В, Тл, не более

Магнитная индукция В, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м, не менее

1, 5/50

1,7/30

100

2500

0,35

3411

1,75

(2,50)

-

1,75

3412

1,50

(2,20)

-

1,80

3413

1,30

(1,90)

-

1,85

3404

(1,10)

1,60

1,60

-

3405

(1,03)

1,50

1,61

-

3406

 

1,43

1,62

-

3407

-

1,36

1,72*

 

3408

 

1,30

1,74*

 

0,30

3404

(1,03)

1,50

1,60

-

3405

(0,97)

1,40

1,61

-

3406

 

1,33

1,62

-

3407

-

1,26

1,72*

-

3408

-

1,20

1,74*

-

0,27

3405

(0,95)

1,38

1,61

-

3406 3407

(0,89)

1,27 1,20

1,62 1,72*

-

3408

-

1,14

1,74*

-

 

Примечания:

1.     Для стали марок 3411, 3412 и 3413 (группа I)—основными нормируемыми показателями являются удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц и магнитная индукция при напряженности магнитного поля 2500 А/м, для стали марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 (группа 0) — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц и магнитная индукция при напряженности магнитного поля 100 А/м.

2.     В скобках приведены справочные данные, ненормируемые ГОСТ 21427.1-83

Знаком * помечены показатели, подлежащие уточнению.

 

 

 

Рис. 2 13. Микроструктура холоднокатаной электротехнической стали:

а — расположение элементарного кристалла в плоскости листа, б—направления основных осей намагничивания; в — угол между направлением прокатки стали и вектором магнитной индукции

При разработке конструкции магнитной системы и ее расчете следует иметь в виду, что отклонение вектора магнитной индукции от направления прокатки стали даже на относительно небольшой угол а (рис. 2.13, в) приводит к существенному увеличению удельных потерь и уменьшению магнитной проницаемости стали.

Рис. 2.14. Влияние угла а на магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали:

а - удельные потери в стали при f = 50 Гц и различных индукциях (1 - 0,5 Тл; г- 1,0 Тл, 3 - 1,3 Тл, 4 -1,5 Тл), б - индукция в стали при различных Н (1 - 80 А/м, 2 - 400 А/м, 3 - 2000 А/м; 4 - 4000 А/м; S - 8000 А/м)

На рис. 2.14, а показан характер изменения удельных потерь для одной из марок холоднокатаной стали при изменении индукции от 0,5 до 1,5 Тл и угла а от 0 до 90°, а на рис. 2.14,6 — влияние угла а. на магнитную индукцию при изменении Я от 80 до 8000 А/м. Наибольшее влияние анизотропии магнитных свойств на удельные потери сказывается в диапазоне индукций от 1 до 1,7 Тл, а на магнитную следует вырезать так, чтобы а=0, т. е. чтобы направление длинных сторон пластин совпадало с направлением прокатки. Это требование легко выполняется при использовании рулонной стали и нарезании пластин из рулона на современных линиях продольной и поперечной резки. Хотя горячекатаная сталь не имеет резко выраженной анизотропии магнитных свойств, пластины из листов этой стали также вырезаются только вдоль длинной стороны листа. В навитых частях магнитных систем практически всегда a = 0. В углах плоских шихтованных магнитных систем происходит неизбежное изменение направления линий магнитной индукции. При прямом стыке пластин по рис. 2.15, а во всем объеме угла (область, заштрихованная на этом рисунке) a ¹ 0 и происходит увеличение удельных потерь и удельной намагничивающей мощности, что может существенно отразиться на потерях и намагничивающей мощности всей магнитной системы. Замена прямого стыка в углах косым стыком по рис. 2.15,6 позволяет уменьшить объем, в котором a ¹ 0, и, следовательно, уменьшить потери и намагничивающую мощность для углов и всей магнитной системы. В пространственной магнитной системе по рис. 2.6, а углы в навитых ярмах рассматриваются как углы с прямым стыком, а навитую магнитную систему по рис. 2.6,6 можно рассматривать как вообще не имеющую углов.

Рис. 2.16. Линии магнитной индукции в пластинах стержня при наличии отверстий

 

Рис. 2.15. Шихтовка пластин в

углу магнитной системы: а — прямой стык; 6 — косой стык

При использовании листовой стали с длиной листа 1500 или 2000 мм длина пластин ограничивается этими размерами и при мощностях трансформаторов, превышающих 6300 кВ•А, в которых требуются пластины большей длины, возникает необходимость их стыкования внутри стержней и ярм и стяжки магнитной системы шпильками, проходящими сквозь стержни и ярма (рис. 2.16). При этом в сечении пластины на уровне отверстия увеличивается индукция, линии магнитной индукции в пластинах должны огибать отверстия и угол ее становится не равным нулю. В основной массе стали стержней и ярм возникают добавочные потери и для создания основного магнитного поля требуется существенно повышенная намагничивающая мощность.

В целях лучшего использования материала магнитные системы современных силовых трансформаторов проектируются и изготовляются из рулонной холоднокатаной электротехнической стали без дополнительных стыков в стержнях и ярмах и без каких-либо отверстий в пластинах. При этом стержни после сборки магнитной системы прессуются и стягиваются бандажами из стеклоленты, а ярма прессуются ярмовыми балками.

Поперечное сечение стержня шихтованной магнитной системы, рассчитанного на размещение обмоток, имеющих форму круговых цилиндров, обычно имеет форму ступенчатой симметричной фигуры, вписанной в окружность. Поперечное сечение ярма, на котором обмотки не располагаются, может иметь такую же или более простую, например прямоугольную, форму. Если магнитные потоки отдельных пакетов стержня в этом случае будут равны магнитным потокам стыкующихся с ними пакетов ярма, то магнитная индукция вследствие неравенства активных сечений будет в них существенно различаться. Это будет вызывать перераспределение магнитного поля между отдельными пакетами стержня и ярма, что в холоднокатаной стали вследствие анизотропии ее магнитных свойств поведет к увеличению удельных и общих магнитных потерь и понижению магнитной проницаемости.

При использовании холоднокатаной стали рекомендуется форму и размеры поперечного сечения ярма принимать равными или близкими к форме и размерам поперечного сечения стержня. При горячекатаной стали была возможна и прямоугольная форма сечения ярма с прямыми стыками пластин в углах, несколько упрощающая технологию изготовления пластин и сборки магнитной системы.

Холоднокатаная сталь в значительно большей степени, чем горячекатаная, чувствительна к механическим воздействиям. В результате механической обработки при заготовке пластин магнитной системы - продольной и поперечной резки, закатки или срезания заусенцев, штамповки отверстий (в конструкциях реакторов) - увеличиваются удельные потери и удельная намагничивающая мощность стали. Это ухудшение магнитных свойств стали может быть полностью или в значительной мере снято путем восстановительного отжига заготовленных пластин при 800 - 820 °С. На современных заводах такой отжиг обязательно включается в технологический процесс изготовления пластин после их механической обработки. При отсутствии отжига следует считаться с возможным повышением потерь холостого хода на 8 -10 % и тока холостого хода на 25 - 30 %. Особенно сильно магнитные свойства стали ухудшаются при изготовлении частей магнитной системы путем навивки из холоднокатаной ленты. Такие части должны отжигаться после навивки,

При дальнейшей транспортировке после отжига на сборку, в процессе сборки остова и стяжки стержней и ярм пластины могут подвергаться различным механическим воздействиям. При этом также возникает ухудшение магнитных свойств стали, которое в готовом остове снято отжигом быть не может. Во избежание ухудшения магнитных свойств стали и параметров холостого хода трансформатора при выполнении этих операций пластины не должны подвергаться толчкам, изгибам, ударам и давлениям.

Пластины электротехнической стали, заготовленные для сборки магнитной системы, во избежание возникновения между ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Современное нагревостойкое электроизоляционное покрытие обеспечивает достаточно прочную и надежную изоляцию пластин при высоком коэффициенте заполнения сечения пакета пластин сечением чистой стали. При мощностях трансформаторов, превышающих 100000 кВ•А, иногда усиливают изоляцию пластин путем нанесения поверх нагревостойкого покрытия одного слоя лаковой пленки.

Лаковая изоляция наносится в виде пленки на обе стороны пластины (лак КФ-965, ГОСТ 15030-78, быстрой горячей огневой сушки) с последующим испарением и выгоранием растворителя и запеканием пленки в огне газовых горелок при 450 - 550 °С. Толщина пленки около 0,01 мм. Она дает хорошую изоляцию пластин, высокий коэффициент заполнения сечения стержня, имеет высокую теплопроводность, достаточно прочна в механическом отношении и не повреждается при сборке. При отсутствии на стали нагревостойкого покрытия наносятся два или три слоя пленки.

Коэффициент заполнения сечения стержня (или ярма) сталью k3, равный отношению чистой площади стали в сечении— активного сечения /7С (или /7Я) к площади ступенчатой фигуры Пф,с т. е. k3= Пс / Пф,с , желательно иметь наиболее высоким, потому что понижение этого коэффициента ведет к увеличению массы стали магнитной системы и металла обмоток.

Коэффициент заполнения k3 зависит от толщины пластин стали - 0,35, 0,30 или 0,27 мм, вида изоляции пластин, силы сжатия пластин и наличия у них такого дефекта, как неплоскостность, т. е. отклонение от плоской формы. ГОСТ 21427.1-83 для холоднокатаной рулонной стали толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм допускает высоту отклонения пластины от плоскости не более 2 и не более 1 % длины пластины. Коэффициенты заполнения k3 для стали, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 21427.1-83, при современной технологии сборки остова приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Коэффициент заполнения ka для рулонной холоднокатаной стали, отвечающей требованиям ГОСТ 21427.1- 83, при давлении 0,5 МПа

Марка стали

Толщина, мм

Вид изоляционного покрытия

k3

3404, 3405, 3406, 3407, 3408

0,35

Нагревостойкое

0,97

0,30

 

0,96

3405, 3406, 3407, 3408

0,27

 

0,95

3404, 3405, 3406, 3407, 3408

0,35

Нагревостойкое плюс однократная лакировка

0,965

0,30

 

0,955

3405, 3406, 3407, 3408

0,27

 

0,945

 

Примечания:

1.     При прессовке стержней путем расклинивания с внут.ренней обмоткой (до 630 кВ•А), а также в навитых элементах пространственных магнитных систем k3 , полученное из таблицы, уменьшить на 0,01.

2.     По этой таблице можно определить также значения k3 для стали тех же толщин, выпускаемой иностранными фирмами.

3.     При использовании листовой холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм уменьшить k3, полученное из таблицы, на 0,01 дополнительно к прим. 1.

4.     Для стали толщиной 0,35 мм без электроизоляционного покрытия при двукратной лакировке k3 =0,92 ¸ 0,93.

При выборе марки и толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь с более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, а сталь меньшей толщины при более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения k3. Эта сталь для получения пакета заданных размеров требует изготовления, отжига и укладки при сборке магнитной системы большего числа пластин по сравнению со сталью большей толщины. В табл. 2.3 показано сравнение современных марок стали по этим показателям.

В основной массе силовых трансформаторов с учетом трудоемкости отдельных технологических операций, магнитных свойств и цены стали используются стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм. В тех случаях, когда низкие потери являются решающим фактором, может использоваться сталь толщиной 0,27 мм. Весьма важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы.

Таблица 2,3. Сравнение стали толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм по ГОСТ 21427.1-83

Толщина,мм

Марка стали

Относительные удельные потери,  %

Относительная цена, %

Относительное число пластин в пакетах равной толщины, %

Кз

0,35

3404 3405

100 94

100 104,1

100

0,97

0,30

3404 3405

94 87,5

104,1 108,2

115

0,96

0,27

3405 3406

86,5 81,3

109,6 112,7

127

0,95

 

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. ерхний предел индукции обычно определяется допустимым значением ток холостого хода (см. § 11.1).

Рекомендуемые значения расчетной индукции в стер» нях современных масляных и сухих трансформаторов пр использовании современных марок холоднокатаной стал приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Рекомендуемая индукция в стержнях трансформаторов В, Тл

Марка

стали

Мощность трансформатора S,кВ∙А

ДО   16

25—100

160 и более

 

Масляные трансформаторы

3411,

3412,

3413

1,45—1,50

1,50—1,55

1,55—1,60

3404, 3407,

3405, 3408,

3406,

1,50—1,55

1,55—1,60

1,55—1,65

Сухие трансформаторы

3411,

3412,

3413

1,35-1,40

1,40—1,45

1,45—1,55

3404, 3407,

3405 3408

3406,

1,40—1,45

1,50—1,55

1,50—1,60

 

Примечания:

1.     1. В магнитных системах трансформаторов мощностью от 100 000 кВ-А и более допускается индукция до 1,7 Тл.

2.     1, При горячекатаной стали в магнитных системах масляных трансформато. ров индукция до 1,4—1,45, сухих — до 1,2—1,3 Тл.

Холоднокатаная электротехническая текстурованная сталь aj трансформаторного производства выпускается также в ряде зарубе> ных стран — Англии, США, Франции, ФРГ, Швеции, Японии. Mapi этой стали можно отнести к трем основным типам: марка Мб — ста. толщиной 0,35 мм с удельными потерями при £=1,5 Тл и / = 50 1 около 1,10—1,12 Вт/кг; марка М5 — сталь толщиной 0,35—0,30 мм удельными потерями 1,07—0,97 Вт/кг и марка М4 —сталь толщи» 0,30—0,28 мм с удельными потерями 0,95—0,89 Вт/кг. Коэффициен' заполнения для этих марок стали могут быть приняты по табл. 2.2.

2.3. КОНСТРУКЦИИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Первой задачей, решаемой при проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор конструктивной схемы. Плоская магнитная система (см. pис. 2.1)  может быть принята для производства на любом с временном   трансформаторном заводе.   Пространственные магнитные системы по рис. 2.6, позволяющие получить экономию электротехнической стали и уменьшение потерь холостого хода до    9—10%, применяются в трансформатоpax мощностью до 630 кВ-А. Не исключено их применение при мощностях 1000—6300 кВ-А. Для изготовления пространственных   магнитных   систем по рис. 2.6 необходимо иметь специальное оборудование для навивки и длительного   отжига   навитых   частей,   а для конструкции   по рис 2.6, б — также и для нарезки ленты переменной ширины намотки обмоток  непосредственно на магнитную  систему.

При расчете плоской магнитной системы из рулона 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 (рис. 2.17,а). Существенно проще технологя заготовки пластин и сборки магнитной системы по рис 2.17, 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 по рис. 2.17, в с косыми стыками в четырех и комбинированными «полукосыми» в двух углах. Наибольшее распостранение получила схема по рис. 2.17, б и меньшее —схемы по рис. 2.17, а и в.

Рис. 2.17. Варианты плана шихтовки магнитной системы:

а - косые стыки в шести углах; б - косые стыки в четырех и прямые - в двух углах;

в - сочетание косых стыков с комбинированными

 При расчете и конструировании  магнитной системы трансформатора в первую очередь должны быть предусмотрены: получение возможно меньших потерь тока холостого хода, минимальный расход электротехнической стали и возможно больший коэффициент заполнения сталью пространства внутри обмоток. Магнитная система (остов) служит также и механической новой трансформатора. На остове располагаются и укрепляются обмотки и отводы от обмоток, и в некоторых конструкциях на остове в процессе сборки трансформатора укрепляется крышка бака с вводами и различной арматурой.

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.

Таким соединением верхних и нижних ярмовых балок в остове с плоской магнитной системой могут служить вертикальные шпильки, расположенные вне обмоток ВН (см. рис. 2.7) и достаточно от них удаленные или надежно изолированные. В масляных трансформаторах такие шпильки применяют при напряжениях обмоток ВН— 10, 35 и 110 кВ, а в сухих до 10 кВ. Вертикальные шпильки также могут быть использованы для осевой прессовки обмоток за счет небольшого сдвига вниз верхних ярмовых балок.

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. Чтобы избежать возникновения замкнутого магнитного контура, образованного верхними и нижними ярмовыми балками и связывающими их пластинами, эти полосы изготовляют из немагнитной стали и тщательно изолируют от ярмовых балок прокладками из электроизоляционного картона.

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 кВ•А. При наличии прессующих колец изоляционное расстояние от обмотки ВН до верхнего ярма увеличивается согласно примечанию 2 к табл. 4.5.

В остове с пространственной магнитной системой по рис. 2.6, а шпильки, соединяющие верхнее и нижнее ярма, пропускаются внутри стержня сквозь отверстия в его центральном пакете. В навитой конструкции по рис. 2.6, 6 механическое соединение ярм не требуется.

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность (рис. 2.18). 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 стопа пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называется активным сечением стержня или ярма.

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

Для ориентировки в этом вопросе могут служить табл. 2.5 и 2.6, в которых приведены значения чисел ступеней в стержнях современных трехфазных масляных и сухих трансформаторов различной мощности.

 

 

 

Таблица 2.5. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных масляных трансформаторов

Показатель

Прессовка стержня расклиниванием с обмоткой, сечение стержня без каналов

Мощность трансформатораS, кВ А

До 16

16

25

40 – 100

160 - 630

1000-1600

2500 - 6300

10000

16000

25000

32000

80000

Ориенировочный диаметр стержня d, м

До 0,08

0,08

0,09

0,10-0,14

0,16-0,18

0,20

0,22

0,24-0,26

0,28-0,30

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 прес-сую-щей плас-тины

Число ступеней

1

2

3

4

5

6

6

7

8

8

8

9

9

11

14

15

16

16

Коэффици-ент kкр

0,636

0,786

0,851

0,861

0,890

0,91-0,92

0,913

0,918

0,928

0,925

0,928

 

0,929

 

0,913

 

0,922

 

0,927

 

0,927

 

0,929

 

0,931

С прес-сую-щей плас-ти-ной

Число ступеней

-

-

-

-

-

-

-

6

7

7

7

8

8

10

13

14

15

15

Коэффици-ент kкр

-

-

-

-

-

-

-

0,884

0,901

0,900

0,9-0,91

 

 

0,912

 

 

0,89-0,90

 

 

0,907

 

 

0,912

 

 

0,914

 

 

0,918

 

 

0,920

 

Примечания:

1.     В коэффициенте kкр учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.

2.     При использовании таблицы для однофазного или трехобмоточного трансформатора его мощность умножить на 1,5.

3.     для пространственной магнитной системы по рис. 2.6, а значение kкр полученное из таблицы, уменьшить на 0,02.

4.     Для пространственной навитой магнитной системы по рис. 2.6, б принимать kкр = 0,905.

 

Таблица 2.6. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных сухих трансформаторов

Мощность трансформатора S, кВ•А

До 10

10

16-100

160-400

630-1000

1600

Ориентировочный диаметр стержня d, м

До 0,08

0,08

0,09-0,14

0,16-0,22

0,24- 0,26

0,28-0,32

Число ступеней

3

4

5

6

7

8

7

8

Коэффициент kкр

0,851

0,877

0,915

0,920

0,930

0,935

0,800

0,820

Наличие продольных каналов

Без каналов

Один канал

Два канала

 

Примечания:

1.     В коэффициенте kкр учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.

2.     До диаметра стержня d = 0,22 м стержень прессуется расклиниванием с обмоткой, при d >0,22 м прессовка осуществляется бандажами.

3.     При использовании таблицы для однофазного трансформатора его мощность умножить на 1,5.

Рис. 2.18. Различные способы сборки и прессовки стержня

в —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

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 (см. § 8.1).

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 кВ•А 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 (рис. 2.18, а). Стержни трансформаторов большей мощности — от 1000 кВ•А 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 (рис. 2.18,6).

Перед наложением бандажей при сборке на специальном стенде стержни поочередно спрессовывают 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 спрессованные 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 издиэлектрика во избежание появления короткозамкнутого витка и должны заземляться во избежание накопления на них электрических зарядов.

Конструкция прессовки стержня шпильками, проходящими сквозь пластины всех его пакетов (рис. 2.18, в), вынужденно применявшаяся в течение ряда лет в магнитных системах из листовой стали, не обеспечивает равномерного распределения силы прессовки между пакетами, способствует появлению «веера», т. е. расхождения пластин на краях пакетов и требует наличия на заводе большого прессового и инструментального хозяйства. При такой конструкции прессовки стержней и ярм увеличиваются удельные потери встали и уменьшается ее магнитная проницаемость. Поэтому в магнитных системах трансформаторов, изготовляемых из рулонной холоднокатаной стали, она не применяется, но используется в конструкциях реакторов.

В навитой магнитной системе по рис. 2.5, з при навивке из лент различной ширины сечение стержня (и ярма) будет ступенчатым, а в системе по рис. 2.6, б 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 по рис. 2.6, а 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 (рис. 2.18, а—в), но также и радиальной шихтовкой плоских пластин (рис. 2.18, г) или набором пластин, изогнутых по форме цилиндрической эвольвентной поверхности (рис. 2.18, ). 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 dи внешнего d.

Надлежащая прессовка стержня для этих двух конструкций может быть достигнута путем стяжки бандажами из стальной ленты или стеклоленты.

Коэффициент заполнения площадки круга kкр при радиальном расположении пластин может быть найден по рис. 2.18, г. Площадь круга может быть представлена в виде ряда элементарных секторов с углом a. Площадь сектора Псект = dnd /(2 · 2) ; площадь, не заполненная пластинами (п треугольников),

 П0=ndd /(2n · 2) =dd /4, тогда kкр = (Псект — П0) /Псект = (п — 1) / n.

Коэффициент заполнения не зависит от диаметра стержня и толщины пластин. Для п = 4, 5, 6, 7 и 8 kкр = 0,75; 0,8; 0,833; 0,857 и 0,875.

При эвольвентной форме пластин (рис. 2.18, д) и общей площади круга Пкр = pd2 / 4 незаполненными оказываются площадь в центре круга П01 = pd21 / 4 и площади элементарных треугольников по внешней окружности стержня. Приближенно эти площади для п пластин можно найти так:

П02 =npdd /(2n) =pdd /2, коэффициент заполнения

Ширина пластины (развертка эвольвенты)

, где k=d/d1.

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 делаются охлаждающие каналы. Эти каналы могут быть продольными по отношению к пластинам стержня или поперечными. Продольные каналы стержня продолжаются и в ярмах. Вертикальный поперечный канал стержня обычно переходит в горизонтальный поперечный канал ярма, разделяя магнитную систему на отдельные «рамы» так, как это показано, например, для однофазного трансформатора на рис. 2.19. В стержнях обычно делают не более одного поперечного канала.

Размеры и число каналов в современных трансформаторах при различных диаметрах стержня приведены в табл. 2.7.

Для диаметров стержней силовых трансформаторов принят 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;

Рис. 2.1.9. Схема двухрамной магнитной системы однофазного трансформатора:

а — расположение каналов в системе; 6 — сечение стержня; / и 2—продольные каналы стержня и ярма; 3 и 4 —поперечные каналы

Таблица 2.7. Ориентировочное число продольных по отношению к листам и поперечных

охлаждающих каналов. Трехфазные трансформаторы

а) Масляные трансформаторы

Мощность трансформатора S, кВ•А

До 4000

6300-16000

25 000- 32000

40 000 —80000

Ориентировочный диаметр стержняd, м

До 0,34

0,36-0,48

0,50-0,60

0,63-0,75

Число продольных каналов

-

1

2

3

 

б) Сухие трансформаторы

Мощность трансформатора S, кВ•А

До 400

30 - 1000

1600

Ориентировочный диаметр стержняd, м

До 0,22

0,24 - 0,25

0,28 - 0,32

Число продольных каналов

-

1

2

 

Примечания:

1.     В масляных трансформаторах ширина продольного камола 6, поперечного - 10 мм.

2.     В сухих трансформаторах ширина продольного канала 20 мм.

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 0,80; 0,85; 0,875; 0,90; 0,925; 0,95; 0,975; 1,00; 1,03; 1,06; 1,12; 1,15; 1,18; 1,22; 1,25; 1,28; 1,32; 1,36; 1,40; 1,45; 1,50 - для магнитных систем, имеющих поперечные охлаждающие каналы.

При определении активного сечения стержня, т. е. чистого сечения стали в площади круга с диаметром стержня d, в предварительном расчете, когда размеры пакетов пластин стержня еще не установлены, обычно пользуются коэффициентом заполнения сталью kc , равным отношению активного сечения Пс к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов - коэффициента заполнения площади круга площадью Пф , с ступенчатой фигуры сечения стержня kкр и коэффициента заполнения площади ступенчатой фигуры Пф, с чистой сталью k3

kкр = 4Пф,с / (p d2 ); Пф,с = kкр p d2 / 4;

k3 = 4Пс / (kкр p d2 ); Пс = kкр k3 p d2 / 4;

Пc = kc p d2 / 4; kc = kкр k3 .

Ориентировочные практические значения коэффициента kкр для различных диаметров стержня при оптимальных размерах пластин и пакетов за вычетом сечений охлаждающих каналов и с учетом места, занимаемого прессующими пластинами стержня, приведены в табл. 2.5 и 2.6, данными которых можно пользоваться в предварительном расчете. При окончательном расчете магнитной системы сечение стержня определяется по табл. 8.1 - 8.5 или по реальным размерам пакетов стержня.

Для магнитной системы по рис. 2.6 a kкр принимается по табл. 2.5 с прим. 3, для магнитной системы по рис. 2.6, б - по этой таблице с прим. 4.

Коэффициент k3 выбирается по табл. 2.2 в соответствии с видом стали — рулонная или листовая, с типом изоляционного покрытия и принятой технологией сборки магнитной системы.

Выбор правильной формы и размеров поперечного сечения ярма, особенно в магнитных системах, собираемых из холоднокатаной текстурованной стали, играет существенную роль. Наиболее рациональной является многоступенчатая форума сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным или несколько большим активного сечения стержня. Для обеспечения более равномерного сжатия ярма между ярмовыми балками обычно два-три крайних пакета объединяют, несколько увеличивая их общее сечение (рис. 2.20, а).

При такой форме ярма магнитный поток (индукция) практически равномерно распределяется по сечению стержня и ярма, а активное сечение ярма оказывается несколько больше активного сечения стержня, что учитывается коэффициентом усиления ярма, равным отношению ПЯ/ПС, ka = ПЯ!ПС.

Для нормализованных размеров пакетов пластин по табл. 8.2—8.5 можно принять &я= 1,02-=-1,03. Возможна также форма яома по оис. 2.20. б. лающая некоторую экономию стали в местах прилегания стержней и ярм — до 1,5—2 % массы стали магнитной системы.

Рис. 2.20. Формы поперечного сечения ярма

В целях упрощения сборки остова и уменьшения числа пластин с различными размерами, а также упрощения опорных конструкций обмоток в магнитных системах трансформаторов в течение ряда лет применялась упрощенная форма сечения ярма — с одной-двумя ступенями или прямоугольная (рис. 2.20, в). При такой форме сечения ярма возникает неравномерное распределение магнитных потоков и индукции в стыкующихся пакетах стержня и ярма, что ведет к повышению потерь и тока холостого хода, особенно в магнитных системах, собираемых из анизотропной стали.

Рис. 2.20. Рис. 2.21. Различные способы прессовки ярма ярмовыми балками:

а — внешними шпильками; б — стальными полубандажами и внешними шпильками; в — сквозными шпильками

В современных конструкциях плоских магнитных систем трансформаторов мощностью до 6300 кВ•А, собираемых из холоднокатаной стали, прессовка ярм осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма (рис. 2.21, а). Стальная шпилька над средним стержнем иногда заменяется стальной скобой с нажимным болтом. В трансформаторах большей мощности — от 10000 кВ•А и выше — ярмо прессуется при помощи стальных полубандажей, стягивающих две ярмовые балки и изолированных от балок (рис. 2.21, б). Прессовка ярма шпильками, проходящими сквозь ярмо и изолированными от ярма и балок, применяется только в конструкциях реакторов (рис. 2.21, в).

В соответствии с высказанными соображениями при выборе способов прессовки стержней и ярм, формы сечения и коэффициента усиления ярма для современных трансформаторов с магнитными системами, собираемыми из холоднокатаной стали, можно воспользоваться рекомендациями табл. 2.8. При отступлении от этих рекомендаций следует считаться с возможным увеличением потерь и тока холостого хода соответственно на 9—25 и 50—200 % при стяжке стержней и ярм сквозными шпильками при шаге отверстий от 0,24 до 0,12 м и на 5—8 % при упрощении формы сечения ярма.

Таблица 2.8. Выбор способа прессовки стержней и ярм, формы сечения и коэффициента усиления ярма для современных масляных и сухих трансформаторов

Мощность трансформатора S, кВ•А

Прессовка стержней

Прессовка ярм

Форма сечения ярма

Коэффициент усиления ярма

25-100

Расклиниванием с обмоткой (рис. 2.18, а)

Балками, стянутыми шпильками, расположенными вне ярма (рис. 2.21, а)

3-5 ступеней

1,025

160-630

С числом ступеней на одну-две меньше числа ступеней стержня

1,015- 1,025

1000 - 6300

Бандажами из стеклоленты (рис. 2.18, б)

Балками, стянутыми стальными полубандажами (рис. 2.21, б)

 

Глава третья

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

3.1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ И СХЕМА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

В задании на проект двухобмоточного трансформатора должны быть указаны следующие данные:

  • полная мощность трансформатора S, кВ•А;

  • число фаз т;

  • частота f, Гц;

номинальные линейные напряжения обмоток высшего и низшего напряжений U2 и U, В; способ регулирования напряжения — переключение без возбуждения (ПБВ) или регулирование под нагрузкой (РПН), число ступеней, напряжение ступени и пределы регулирования напряжения;

схема и группа соединения обмоток;

способ охлаждения трансформатора;

7) 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);

 8) характер установки — внутренняя или наружная, т. е. внутри помещения или на открытом пространстве.

Кроме этих данных в задании обычно указываются некоторые параметры трансформатора:

  • напряжение короткого замыкания ик, %;

  • потери короткого замыкания Рк, Вт;

  • потери холостого хода Рх, Вт;

  • ток холостого хода i0, % .

В задании, как правило, должно быть обусловлено соответствие трансформатора требованиям определенного ГОСТ. Могут быть поставлены также некоторые дополнительные условия, например определенная 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.

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, и три значения потерь короткого замыкания для трех пар обмоток ВН и СН, ВН и НН, СН и НН.

В задании на расчет силового автотрансформатора обычно указывается его «проходная» мощность Snpox, равная произведению линейного напряжения U на линейный ток, Snpox = UI ×10-3 у однофазного и Snpox = 3UI ×10-3 у трехфазного автотрансформатора. В задании указываются также первичное U и вторичное U/ номинальные линейные напряжения и сетевое напряжение короткого замыкания ик с т. е. отнесенное к большему из двух номинальных напряжении — U или U,.

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 и к экономичности его работы в эксплуатации. Экономичность трансформатора в эксплуатации определяется путем сопо-

ставления стоимости трансформатора, отнесенной к определенному промежутку времени, с эксплуатационными затратами за этот промежуток и зависит в значительной мере от правильного выбора таких его параметров, как потери холостого хода и короткого замыкания. Для силового трансформатора уровни потерь холостого хода и короткого замыкания обычно устанавливаются таким путем 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 и плотности тока в обмотках.

Соблюдение упомянутых выше основных требований должно сочетаться с возможностью удешевления производства и уменьшения себестоимости трансформатора. Следует, однако, заметить, что увеличение себестоимости трансформатора при использовании материалов лучшего качества, хотя и более дорогих, при усложнении некоторых технологических операций или введении в технологический процесс новых операций, существенно улучшающих параметры трансформатора или повышающих его надежность, в большинстве случаев оправдывается при экономической оценке трансформатора.

Задача построения трансформатора, отвечающего современным требованиям эксплуатации, а также наиболее простого и дешевого в производстве, решается определением тех воздействий, которым он подвергается в эксплуатации, рациональным выбором его конструкции, правильным выбором размеров и материала отдельных его частей и конструктивных деталей и правильно организованным технологическим процессом его изготовления, учитывающим свойства применяемых материалов и назначение трансформатора. Ряд рекомендаций по этим вопросам дается в главах, посвященных расчету магнитных систем, обмоток и других частей трансформатора.

Расчет трансформатора тесно связан со вторым этапом проектирования — конструированием. На самых первых стадиях расчета необходимо произвести выбор основной конструктивной схемы трансформатора, а также в ходе расчета выбирать конструкции его отдельных частей — магнитной системы, обмоток, изоляционных деталей, отводов и т. д. Поэтому, приступая к работе, расчетчик должен иметь ясное представление о современных конструкциях частей трансформатора, практически возможных пределах их применения, достоинствах и недостатках.

Для облегчения работы расчетчика в тексте некоторых глав приводятся краткие сведения по конструкции частей трансформатора — остова, обмоток, бака и т. д. — в объеме, минимально необходимом для расчета, и даются рекомендации по выбору этих конструкций.

До начала проектирования следует также установить некоторые технологические операции, как, например, способ изготовления и обработки (удаление заусенцев, отжиг) пластин или других элементов магнитной системы, способ заливки трансформатора маслом и т. д., оказывающие существенное влияние на некоторые параметры трансформатора. Рекомендации по технологическим вопросам даются в тексте соответствующих глав.

Отдельные стадии расчета могут чередоваться в той или иной последовательности в зависимости от удобства выполнения этой работы, однако всегда желательно придерживаться такого порядка, который обеспечивает наименьшую затрату времени и требует наименьшего количества повторных пересчетов. Необходимость получения трансформатора с определенными параметрами заставляет производить некоторые исправления на проделанном этапе расчета, если заданные параметры не получаются сразу. Во избежание больших переделок выполненной части расчета рекомендуется всю схему расчета строить так, чтобы заданные параметры Рк, Рц и Ик учитывались уже при выборе исходных данных и определении основных размеров трансформатора и подгонялись к норме на возможно более ранних стадиях расчета. Этим условиям отвечает схема расчета трансформатора, приведенная ниже. Применительно к этой схеме построены все изложение материала и примеры расчетов трансформаторов.

Схема расчета трансформатора

1. Определение основных электрических величин (гл. 3 и 4):

а)         линейных и фазных токов и напряжений обмоток ВН и НН;

б)        испытательных напряжений обмоток;

в)         активной и реактивной составляющих напряжения короткого замыкания

Таблица 2.8. Выбор способа прессовки стержней и ярм, формы сечения и коэффициента усиления ярма для современных масляных и сухих трансформаторов

Мощность трансформатора S, кВ·А

Прессовка стрежней

Прессовка ярм

Форма сечения ярма

Коэффициент усиления ярма

25-100

Расклеиванием с обмоткой (рис.2.18,а)

Балками, стянутыми шпильками, расположенными вне ярма (рис.2.21,а)

3-5 ступеней

1,025

160-630

С числом ступеней на одну - две меньше числа ступеней стержня

1,015-1,025

1000-6300

Бандажами из стеклоленты

(рис.2.18,б)

Балками, стянутыми стальными полубандажами (рис.2.21,б)

 

Глава третья

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

3.1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ И СХЕМА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

В задании на проект двухобмоточного трансформатора должны быть указаны следующие данные:

  • полная мощность трансформатора S, кВ·А;
  • число фаз т;
  • 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 напряжения;
  • 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 пространстве.

Кроме этих данных в задании обычно указываются некоторые параметры трансформатора:

  • напряжение короткого замыкания ик, %;
  • потери короткого замыкания Рк, Вт;
  • потери холостого хода Рх, Вт;
  • ток холостого хода iо, %.

В задании, как правило, должно быть обусловлено соответствие трансформатора требованиям определенного ГОСТ. Могут быть поставлены также некоторые дополнительные условия, например определенная 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.

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, и три значения потерь короткого замыкания для трех пар обмоток ВН и СН, ВН и НН, СН и НН.

В задании на расчет силового автотрансформатора обычно указывается его «проходная» мощность Sпрох, равная произведению линейного напряжения U на линейный ток, Sпрох = UI·10-3 у однофазного и Sпрох = UI·10-3 у трехфазного автотрансформатора. В задании указываются также первичное U и вторичное U' номинальные линейные напряжения и сетевое напряжение короткого замыкания ик,с, т. е. отнесенное к большему из двух номинальных напряжений - U или U'.

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 и к экономичности его работы в эксплуатации. Экономичность трансформатора в эксплуатации определяется путем сопоставления стоимости трансформатора, отнесенной к определенному промежутку времени, с эксплуатационными затратами за этот промежуток и зависит в значительной мере от правильного выбора таких его параметров, как потери холостого хода и короткого замыкания. Для силового трансформатора уровни потерь холостого хода и короткого замыкания обычно устанавливаются таким путем 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 и плотности тока в обмотках.

Соблюдение упомянутых выше основных требований должно сочетаться с возможностью удешевления производства и уменьшения себестоимости трансформатора. Следует, однако, заметить, что увеличение себестоимости трансформатора при использовании материалов лучшего качества, хотя и более дорогих, при усложнении некоторых технологических операций или введении в технологический процесс новых операций, существенно улучшающих параметры трансформатора или повышающих его надежность, в большинстве случаев оправдывается при экономической оценке трансформатора.

Задача построения трансформатора, отвечающего современным требованиям эксплуатации, а также наиболее простого и дешевого в производстве, решается определением тех воздействий, которым он подвергается в эксплуатации, рациональным выбором его конструкции, правильным выбором размеров и материала отдельных его частей и конструктивных деталей и правильно организованным технологическим процессом его изготовления, учитывающим свойства применяемых материалов и назначение трансформатора. Ряд рекомендаций по этим вопросам дается в главах, посвященных расчету магнитных систем, обмоток и других частей трансформатора.

Расчет трансформатора тесно связан со вторым этапом проектирования - конструированием. На самых первых стадиях расчета необходимо произвести выбор основной конструктивной схемы трансформатора, а также в ходе расчета выбирать конструкции его отдельных частей - магнитной системы, обмоток, изоляционных деталей, отводов и т. д. Поэтому, приступая к работе, расчетчик должен иметь ясное представление о современных конструкциях частей трансформатора, практически возможных пределах их применения, достоинствах и недостатках.

Для облегчения работы расчетчика в тексте некоторых глав приводятся краткие сведения по конструкции частей трансформатора - остова, обмоток, бака и т. д. - в объеме, минимально необходимом для расчета, и даются рекомендации по выбору этих конструкций.

До начала проектирования следует также установить некоторые технологические операции, как, например, способ изготовления и обработки (удаление заусенцев, отжиг) пластин или других элементов магнитной системы, способ заливки трансформатора маслом и т. д., оказывающие существенное влияние на некоторые параметры трансформатора. Рекомендации по технологическим вопросам даются в тексте соответствующих глав.

Отдельные стадии расчета могут чередоваться в той или иной последовательности в зависимости от удобства выполнения этой работы, однако всегда желательно придерживаться такого порядка, который обеспечивает наименьшую затрату времени и требует наименьшего количества повторных пересчетов. Необходимость получения трансформатора с определенными параметрами заставляет производить некоторые исправления на проделанном этапе расчета, если заданные параметры не получаются сразу. Во избежание больших переделок выполненной части расчета рекомендуется всю схему расчета строить так, чтобы заданные параметры Рк, Рх и ик учитывались уже при выборе исходных данных и определении основных размеров трансформатора и подгонялись к норме на возможно более ранних стадиях расчета. Этим условиям отвечает схема расчета трансформатора, приведенная ниже. Применительно к этой схеме построены все изложение материала и примеры расчетов трансформаторов.

Схема расчета трансформатора

1. Определение основных электрических величин (гл. 3 и 4):

  • 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 (гл. 2, 3 и 4):

  • выбор схемы, конструкции и технологии изготовления магнитной системы;
  • выбор материала обмоток;
  • предварительный выбор конструкции обмоток (гл. 5);
  • выбор конструкции и определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток;
  • предварительный расчет трансформатора и выбор соотношения основных размеров β с учетом заданных значений ик, Рк и Рх по § 3.4-3.7 или только по § 3.7;
  • определение диаметра стержня и высоты обмотки, предварительный, расчет магнитной системы.

3. Расчет обмоток НН и ВН (гл. 5 и 6):

  • выбор типа обмоток НН и ВН;
  • расчет обмотки НН;
  • расчет обмотки ВН.

4. Определение параметров короткого замыкания (гл. 7):

  • 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 (гл. 8):

  • размеров пакетов и активных сечений стержня и ярма;
  • массы стержней и ярм и массы стали;
  • потерь холостого хода;
  • тока холостого хода.

6. Тепловой расчет и расчет системы охлаждения (гл. 9):

  • поверочный тепловой расчет обмоток;
  • расчет системы охлаждения (бака, радиаторов, охладителей). Определение габаритных размеров трансформатора;
  • превышений температуры обмоток и масла над воздухом;
  • массы масла и основных размеров расширителя.

7. Экономический расчет (гл. 1 и 3):

  • расчет расхода активных и конструктивных материалов;
  • ориентировочный расчет себестоимости и цены трансформатора;
  • определение приведенных годовых затрат и оценка экономичности рассчитанного трансформатора.

3.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ

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.

Мощность одной фазы трансформатора, кВ·А,

Sф = S/m (3.1)

мощность на одном стержне

S' = S/c (3.2)

где с - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора; S - номинальная мощность трансформатора, кВ·А.

Для трехобмоточного трансформатора под мощностью S следует понимать наибольшее из трех значений номинальной мощности для обмоток ВН, СН и НН.

Номинальный (линейный) ток обмотки ВН, СН и НН трехфазного трансформатора, А,

I = S·103/(U) (3.3)

где S - мощность трансформатора, кВ·А; для трехобмоточного трансформатора S - мощность соответствующей обмотки ВН, СН или НН; U - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

Для расщепленных обмоток S — мощность соответствующей части обмотки. В трансформаторах классов напряжения 35—500 кВ, отвечающих требованиям современных стандартов, расщепление обмотки производится на две части, равные по мощности.

Номинальный ток однофазного трансформатора, А,

I = S·103/U (3.4)

Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора, А:

 при соединении обмоток в звезду или зигзаг

Iф = I (3.5)

при соединении обмоток в треугольник

Iф = I / (3.6)

где номинальный ток I определяется по (3.3).

Фазное напряжение трехфазного трансформатора, В:

 при соединении в звезду или зигзаг

Uф = U/ (3.7)

здесь U — номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

 при соединении в треугольник

Uф = U (3.8)

При соединении в зигзаг результирующее фазное напряжение образуется геометрическим сложением напряжений двух частей обмотки, находящихся на разных стержнях (рис. 3.1). В силовых трансформаторах общего назначения обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков. В этом случае фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмотки, сдвинутых на 60°. Напряжение одной части обмотки фазы при этом может быть получено из формулы

U' = Uф / (2 cos30o) = Uф /

Общее число витков такой обмотки на одном стержне будет определяться не Uф, как при соединении в звезду, а 2Uф /, т, е. увеличится в 1,155 раза.

Рис. 3.1. Схема соединения в зигзаг:

а — общая схема; б — диаграмма фазных и линейных напряжений при разделении фазных обмоток на две равные части; в — то же, когда обмотки делятся на неравные части

При соединении в зигзаг обмотка фазы может разделяться на две неравные части. В этом случае может быть получен поворот системы фазных и линейных напряжений схемы на любой угол в зависимости от того, в каком отношении находятся числа витков двух частей обмотки фазы (рис. 3.1,в ). При заданном угле β обмотка каждой фазы должна быть разделена в отношении

ω1/( ω1+ ω2) = 2tgβ/(tgβ +).

Если ω1= ω2 и ω1/( ω1+ ω2) =1/2, то β=30o.

Фазный ток и напряжение однофазного трансформатора равны его номинальным току и напряжению. Ток и напряжение обмотки одного стержня в однофазном трансформаторе зависят от соединения обмоток стержней - последовательного или параллельного. При последовательном соединении обмоток двух стержней ток обмотки одного стержня равен номинальному току, а напряжение - половине номинального напряжения. При параллельном соединении обмоток двух стержней ток обмотки одного стержня равен половине номинального тока, а напряжение - номинальному напряжению. В обоих случаях предполагается, что числа витков обмоток обоих стержней равны.

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 по табл. 4.1 для каждой обмотки трансформатора по ее классу напряжения.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность определить активную составляющую напряжения короткого замыкания, %:

uа = 100 (3.9)

 где Рк—в Вт; S—в кВ·А.

Реактивная составляющая при заданном ик определяется по формуле

uр =  (3.10)

 Расчет основных электрических величин для автотрансформатора имеет некоторые особенности. Типовая или расчетная мощность однофазного автотрансформатора

Sтип = U1I1·10-3 = U2I2·10-3 (3.11)

может быть определена по заданным проходной мощности Sпрох и номинальным напряжениям U и U':

Рис. 3.2. Схема соединения обмоток однофазного двухобмоточного повышающего автотрансформатора

Рис. 3.2. Схема соединения обмоток однофазного двухобмоточного понижающего автотрансформатора

для повышающего автотрансформатора (рис. 3.2)

Sтип = Sпрох= kв Sпрох (3.12)

для понижающего автотрансформатора (рис. 3.3)

Sтип = Sпрох= kв Sпрох

Коэффициент kв=(U'-U)/U' для повышающего или kв=(U-U')/U для понижающего автотрансформатора, показывающий, какую долю составляют типовая (расчетная) мощность Sтип от проходной мощности Sпрох, иногда называют коэффициентом выгодности автотрансформатора (<1).

—————

* Здесь и далее электрическая прочность понимается как способность изоляции трансформатора и его частей выдерживать без повреждений те воздействия электрического напряжения, которые возникают при проведении испытаний, установленных нормативными документами (ГОСТ, технические условия), и в эксплуатации.

Для трехфазного автотрансформатора (рис. 3.4) с обмотками, соединенными в звезду, под U и U' в (3.12) следует понимать линейные напряжения. Соединение обмоток в треугольник для силовых автотрансформаторов обычно не применяется.

Рис. 3.4. Схема соединения обмоток трехфазного двухобмоточного повышающего трансформатора

Коэффициент kв всегда меньше единицы и Sтип<Sпрох, т.е. автотрансформаторная схема требует меньшей расчетной мощности и, следовательно, меньшего расхода материалов, а также обладает более высоким КПД, чем трансформаторная. Применение автотрансформаторов в этом отношении тем выгоднее, чем ближе отношение U'/U к единице, т.е. чем меньше изменяется напряжение сети при помощи автотрансформатора.

Номинальные линейные токи для трехфазных и однофазных автотрансформаторов рассчитываются, так же как и для трансформаторов, по (3.3) и (3.4). Расчет токов отдельных обмоток со схемами по рис. 3.2 и 3.3 производится по формулам:

для повышающего однофазного автотрансформатора (рис. 3.2)

I2 = I'; I1= I - I2 = I - I',

для понижающего однофазного автотрансформатора (рис. 3.3)

I2 = I; I1= I - I2 = I' - I.

 Для трехфазного автотрансформатора с соединением обмоток в звезду токи обмоток находятся также по этим формулам. В том и другом случае I и I' - номинальные линейные токи автотрансформаторов, найденные по (3.3) и (3.4).

Напряжения отдельных обмоток U1 и U2, В, для однофазного автотрансформатора:

 повышающего (рис. 3.2)

U1=U; U2=U' - U,

 понижающего (рис. 3.3)

U1= U'; U2=U - U',

Для трехфазного автотрансформатора с соединением обмоток в звезду под U и U' в этих формулах следует понимать фазные напряжения автотрансформатора:

U= Uл/ и U'= U'л/,

где Uл и U'л - номинальные линейные напряжения автотрансформатора по заданию.

Напряжение короткого замыкания ик для автотрансформатора обычно задается как сетевое ик,с т. е. относительно большего из двух сетевых напряжений U и U'. При расчете основных размеров автотрансформатора необходимо знать расчетное напряжение ик,p т. е. отнесенное к напряжению одной из обмоток U1 или U2. Для понижающего и повышающего автотрансформатора ик,р может быть найдено по формуле

ик,р = ик,с/ kв.

После определения расчетной мощности, токов и напряжений обмоток и расчетного напряжения короткого замыкания между обмотками ВН и СН расчет автотрансформатора производится по этим данным так же, как и обычного трансформатора.

Пример. Рассчитать основные электрические величины для понижающего трехфазного трехобмоточного автотрансформатора с автотрансформаторной связью обмоток ВН и СН и трансформаторной связью обмоток ВН и НН, СН и НН по рис. 2.9, б.

Проходная мощность Sпрох = 100000 кВ·А, мощности обмоток ВН и СН при автотрансформаторной связи Sпрох; мощность обмотки НН 0,5Sпрох. Номинальное напряжение: ВН 231 кВ; СН 121 кВ±8·1,5%; НН 38,5 кВ. Схемы соединения обмоток: ВН и СН — У, НН — Д. Напряжения короткого замыкания ик,с, приведенные к проходной мощности и отнесенные к сетевым напряжениям: ВН—СН 11 %; ВН—НН 31 %; СН—НН 19%.

Коэффициент выгодности

kв = (Uл - U'л)/ Uл = (231-121)/231 = 0,476.

Типовая мощность Sтип = kвSпрох=0,476.100000=47 600 кВ·А; мощность обмотки НН SНН=50000 кВ·А. Расчетная мощность обмотки одного стержня для обмотки ВН и СН

S' = Sтип/c = 47600/3 = 15867 кВ·А;

для обмотки НН

S =Sпрох/c = 0,5·100000 /3 = 16667 кВ·А.

Линейные токи

I = Sпрох·103/(U) = 100000·103/(·231000) = 250 А;

I' = Sпрох·103/(U') = 100000·103/(·121000) = 480 А;

Iл3= Sпрох·103/(UНН) = 50000·103/(·38500) = 750 А;

Токи обмоток

I2 = I = 250А; I1 = I'- I=480-250 = 230 А;

I3= Iл3/ = 750/ = 432 А.

Фазовые напряжения

U= Uл/=231000/= 133000 В;

U'= U'л/= 121000/=69700 В.

Напряжения обмоток

U1= U'=69700 В; U2=U-U'=133000-69700 = 63300 В;

U3 = UНН = 385000 В.

Расчетное напряжение короткого замыкания между обмотками ВН и СН

ик,р = ик,с/ kв = 11/0,476 = 23,1 %.

Напряжения короткого замыкания между обмотками ВН и НН, СН и НН, имеющими трансформаторную связь, не пересчитываются, но при реально возможной нагрузке на обмотках ВН—НН или СН—НН, равной 0,5, Sпрох будут равны: для ВН — НН 0,5·31 = 15,5% и для СН— НН 0,5·19 = 9,5%.

3.3. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ТРАНСФОРМАТОРА

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора. Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками схематически изображена на рис. 3.5.

Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер l (высота) его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. Третьим основным размером трансформатора является 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, например высота стержня lс, расстояние

Рис. 3.5. Основные размеры трансформатора

между осями соседних стержней С т.д., могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток (а12, а22, lо)*.

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 (3.13)

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. Это наглядно показано на рис. 3.6, на котором представлены два трансформатора одинаковой мощности, одного класса напряжения, рассчитанных при одинаковых исходных данных (Вс, kс), с одинаковыми параметрами короткого замыкания (Рк и ик) для значений β = 1,2 и 3,5.

Рис. 3.6. Соотношение размеров двух трансформаторов с разными значениями β

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.

Для вывода формулы, связывающей диаметр стержня трансформатора с его мощностью, воспользуемся следующими соотношениями, известными из теории трансформаторов.

Мощность трансформатора на один стержень, кВ·А,

S' = UI·10-3 (3.14)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

uр=10-4

* Основными размерами можно считать также d, lс, С.

или

uр=10-4 (3.15)

где β= πd12/l; аP= а12+(а12)/3; kр - коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному (коэффициент Роговского); линейные размеры выражены в метрах. Одновременно заметим, что напряжение витка трансформатора, В, может быть записано в виде

ив = 4,44 fBсПс, (3.16)

где Вс—максимальная индукция в стержне, Тл; Пс = kсπd2/4 - активное сечение стержня, м2; kс - коэффициент заполнения площади круга сталью согласно § 2.3.

Заменив в (3.14) напряжение обмотки U произведением ивω и подставив значение тока обмотки I, определенное из (3.15), и значение ив по (3.16), получим

S' =  = .

Проведя сокращения и решив это уравнение относительно d, имеем окончательно

d=0,507, (3.17)

где

0,507 = .

Формула (3.17) позволяет определить главный размер трансформатора - диаметр стержня его магнитной системы.

Величины, входящие в подкоренное выражение формулы (3.17), впервые предложенной Г. Н. Петровым, можно подразделить на три категории: 1) величины, заданные при расчете, - мощность обмоток на одном стержне трансформатора S', кВ·А, частота сети f, Гц, и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания ир, %; 2) величины, выбираемые при расчете, — отношение длины окружности канала между обмотками (средней длины витка двух обмоток) к высоте обмотки β, максимальная индукция в стержне Вс, Тл, и коэффициент заполнения активной сталью площади круга, описанного около сечения стержня kс; 3) величины, определяемые в ходе последующего расчета, - приведенная ширина канала рассеяния ар, м, и коэффициент приведения идеализированного поля рассеяния к реальному kp (коэффициент Роговского).

Таким образом, определение диаметра стержня по (3.17) связано с выбором некоторых исходных данных (β, Вс, kc) и предварительным определением данных обмоток

трансформатора, получаемых обычно после завершения расчета обмоток ар и kp. Выбор исходных данных (β, Вс, kc) может быть сделан на основании исследования ряда вариантов (см. § 3.5—3.7) или путем использования заранее разработанных рекомендаций (см. § 3.7). Для определения ар и kp должны применяться приближенные методы.

3.4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРОВ. ОСНОВЫ ОБОБЩЕННОГО МЕТОДА

Теория и практика проектирования силовых трансформаторов позволили установить, что выбор исходных данных расчета оказывает существенное влияние на результаты расчета масс основных материалов трансформатора, параметров холостого хода и короткого замыкания и стоимости. Поэтому выбор исходных данных должен производиться с учетом тех параметров, которые необходимо получить или которые являются оптимальными для рассчитываемого трансформатора.

Помимо тех данных, которые обычно включаются в задание на расчет трансформатора (см. § 3.1), необходимо выбрать и ряд других, относящихся к магнитной системе, обмоткам и изоляции трансформатора.

Для расчета магнитной системы необходимо выбрать ее принципиальную конструкцию - плоскую или пространственную, шихтованную из пластин или навитую из ленты. Следует также установить форму сечения ярма, число ступеней в стержне и ярме, форму стыков в углах магнитной системы, способ прессовки стержней и ярм. Должны быть выбраны марка стали, способ изоляции пластин (ленты).

Для обмоток должны быть выбраны их принципиальные конструкции - непрерывные катушечные, многослойные цилиндрические, винтовые и т. п., а также металл провода - медь или алюминий и его изоляция.

Существенное значение имеет выбор главной изоляции обмоток, т. е. их изоляции от других обмоток и от заземленных частей. Необходимо выбрать форму конструктивных деталей изоляции, их материал и размеры, а также и размеры изоляционных промежутков, масляных или воздушных. Эти данные главной изоляции обмоток должны быть разработаны и надежно проверены экспериментально до начала расчета трансформатора.

При выборе исходных данных должна быть учтена технология изготовления и обработки магнитной системы обмоток, изоляции, существующая в данное время или та, которая должна быть вновь создана.

После выбора исходных данных может быть произведен полный расчет трансформатора с подробным расчетом магнитной системы и обмоток, с точным определением параметров холостого хода и короткого замыкания. Поскольку для выбора оптимального варианта надо рассмотреть их большое число, эта работа является чрезвычайно трудоемкой даже при условии использования ЭВМ. Поэтому возникает мысль, в целях экономии расчетной работы и ускорения проектирования, разделить расчет на два этапа - предварительного и окончательного расчета, что облегчило бы решение этой задачи.

Для этапа предварительного проектирования желательно иметь такой метод, который позволил бы вести предварительный расчет в обобщенном виде без углубления в мелкие детали, был достаточно простым и быстрым, обладал приемлемой точностью и позволял оценивать результаты с разных точек зрения, в том числе и с экономической. Такой метод должен давать не одно решение, а полную картину изменения масс активных материалов, эксплуатационных и экономических параметров трансформатора при изменении любых исходных данных и допускать выбор оптимального решения путем экономической оценки рассчитанных вариантов с учетом таких факторов, как принципиальная конструкция магнитной системы и обмоток, марка электротехнической стали, материал обмоток (медные или алюминиевые), требования стандартов и др.

Обобщенный метод расчета мыслится как метод определения основных данных трансформатора — основных размеров магнитной системы и обмоток, масс активных материалов, стоимости трансформатора, параметров холостого хода и короткого замыкания и некоторых других показателей на предварительной стадии расчета. В результате применения этого метода должна быть получена возможность выбора оптимального варианта, иногда нескольких вариантов, для дальнейшей детальной расчетной и конструктивной разработки. Для того чтобы обобщенный метод расчета силовых трансформаторов давал достаточно точные результаты, он должен быть основан на положениях общей теории трансформаторов и теории проектирования трансформаторов.

В качестве независимых переменных могут быть выбраны различные величины, например отношение основных размеров β, диаметр стержня магнитной системы d, плотность тока в обмотках J, радиальные размеры обмоток и др. Для лучшей сходимости результатов расчета желательно выбрать такие независимые переменные, изменение которых оказывает наибольшее влияние на другие данные трансформатора и которые дают возможность более ясного и наглядного представления о всем облике трансформатора. В наибольшей степени этим требованиям отвечают диаметр стержня магнитной системы d и отношение основных размеров обмоток β.

В любом таком методе неизбежно использование некоторых допущений и некоторых величин, определяемых или оцениваемых приближенно. Число таких величин должно быть минимальным, а сами эти величины должны быть такими, чтобы при существенных изменениях в исходных данных расчета они изменялись незначительно и чтобы реально возможная ошибка в их приближенном определении в минимальной степени влияла на результат расчета.

Обобщенный метод расчета трансформатора должен дать возможность найти достаточно простые и точные математические связи между заданными величинами (мощность трансформатора, частота, класс напряжения, изоляционные расстояния в главной изоляции), величинами, выбираемыми в начале расчета (индукция в магнитной системе, коэффициент заполнения сталью, соотношение основных размеров), основными размерами и стоимостью трансформатора, а также его эксплуатационными параметрами, т. е. параметрами холостого хода и короткого замыкания. Желательно, чтобы обобщенный метод, отвечая всем вышеизложенным требованиям, давал возможность наглядного графического представления изменения размеров, масс активных материалов и основных параметров трансформатора в зависимости от избранных независимых переменных.

Метод должен быть достаточно универсальным для обобщенного расчета силовых трансформаторов в широком диапазоне мощностей - масляных и сухих, трехфазных и однофазных, двухобмоточных и трехобмоточных, с плоскими и пространственными магнитными системами из холоднокатаной и горячекатаной электротехнической стали любой марки, с обмотками из медного или алюминиевого провода.

Следует иметь в виду, что любой обобщенный метод расчета является приближенным и что при полном расчете магнитной системы и обмоток неизбежны некоторые отклонения от первоначально намеченных данных, связанные с необходимостью выбирать диаметр стержня из нормализованного ряда, округлять число витков до ближайшего целого числа, считаться с существующим сортаментом обмоточных проводов, наличием стандартных деталей и т. д. Применение обобщенного метода всегда позволяет найти оптимальное решение задачи при минимальном числе рассматриваемых вариантов и времени, необходимом на их исследование.

При практическом использовании метод должен допускать возможность учета требуемых параметров трансформатора путем включения их в прямом или скрытом виде в исходные данные или в основные расчетные формулы так, чтобы в результате расчета был получен трансформатор с теми именно свойствами или параметрами, которые требуются по заданию. Метод должен давать возможность исследования влияния тех или иных исходных данных или параметров на массы активных материалов, параметры холостого хода и короткого замыкания, размеры трансформатора и другие его данные.

После выбора оптимального варианта по обобщенному методу для этого варианта, а иногда и двух-трех ближайших проводится полный расчет с установлением всех размеров магнитной системы, обмоток и основных данных системы охлаждения, полным расчетом параметров короткого замыкания и холостого хода и разработкой конструкции.

При расчете новых серий силовых трансформаторов параметры короткого замыкания и холостого хода обычно не задаются заранее и в процессе предварительного расчета решаются совместно две задачи - для каждого типа трансформаторов серии устанавливаются оптимальные размеры при оптимальных эксплуатационных параметрах, а именно потерях короткого замыкания и холостого хода, которые должны обеспечивать наименьшую стоимость трансформации энергии, т. е. наиболее экономичную работу трансформатора в эксплуатации с учетом стоимости трансформатора, его установки и всех эксплуатационных затрат, включая потери энергии за определенный промежуток времени.

В большинстве случаев при проектировании новых серий выбор активных материалов и конструктивных форм магнитной системы, обмоток и изоляции производится по соображениям, независимым от расчетных данных трансформаторов серии, чем существенно упрощается задача расчета. В некоторых случаях при расчете серии производится сравнение двух и более различных решений, например плоской и пространственной магнитных систем, медных и алюминиевых обмоток и т. д. Существенно упрощается задача при расчете отдельного трансформатора известной серии с заданными параметрами холостого хода и короткого замыкания (см. §3.5).

Основным законом, на котором базируется проектирование трансформаторов, является общеизвестный закон, связывающий мощность трансформатора с его линейными размерами*. Рассмотрим ряд типов трансформаторов определенного назначения и конструкции, с одинаковыми числом фаз, частотой, числом обмоток, одного класса напряжения, с одним видом регулирования напряжения и одним видом охлаждения, различных мощностей, нарастающих по определенной шкале в ограниченном диапазоне. Сделаем два допущения.

—————

* Некоторые положения этого закона установлены М. О. Доливо-Добровольским; полная формулировка закона принадлежит М. Видмару).

Предположим, что в пределах всего ряда соотношения между отдельными размерами трансформаторов сохраняются постоянными, т. е. что магнитные системы и обмотки всех трансформаторов данного ряда представляют собой геометрически подобные фигуры. Далее предположим, что электромагнитные нагрузки активных материалов — индукция в магнитной системе и плотность тока в обмотках трансформатора — в пределах всего ряда также остаются неизменными. Для ряда трансформаторов, целенаправленно спроектированных и отвечающих вышеупомянутым условиям, эти допущения являются вполне правомерными, хотя отдельные типы трансформаторов ряда могут несколько отклоняться от этих соотношений.

Обращаясь к общей теории трансформаторов, можно записать:

мощность обмоток одного стержня трансформатора

S' = UI

где U-напряжение обмотки стержня; I-ток обмотки стержня.

Заменяя U=uвω и I=JП, где ив - напряжение одного витка; ω - число витков обмотки стержня; J – плотность тока в обмотках и П - сечение одного витка обмотки, получаем

S'= uвωJП.

Далее, используя (3.16) и выражение для активного сечения стержня Пс= πd2kc/4, находим

S' = (1,11πfkс)(BсJ)(d2ωП). (3.18)

Первая и вторая скобки правой части этого выражения для данной серии могут быть заменены постоянным коэффициентом.

Тогда мощность трансформатора, имеющего с активных, т. е. несущих, обмотки стержней,

S = cS' = k(d2ωП). (3.19)

 Произведение ωП представляет собой площадь сечения витков обмотки, т. е. величину, пропорциональную квадрату линейного размера трансформатора. Таким образом, все выражение, стоящее в скобках, d2П, поскольку соотношение линейных размеров остается в пределах ряда неизменным, оказывается пропорциональным любому линейному размеру в четвертой степени, или

S ~l4 (3.20)

откуда следует, что линейные размеры трансформатора возрастают пропорционально корню четвертой степени из мощности,

l~ S1/4 (3.21)

Электродвижущая сила одного витка обмотки ив пропорциональна d2~l2, или

uв~ S1/2 (3.22)

т.е. возрастает с ростом мощности трансформатора.

Масса активных материалов трансформатора (стали Gст и металла обмоток Gо) возрастает пропорционально кубу его линейных размеров, или

G~l2~S3/4 (3.23)

Расход активных материалов на единицу мощности трансформатора изменяется пропорционально

g = G/S~ S3/4/S~1/S1/4 (3.24)

т. е. падает с ростом мощности. Потери в активных материалах стали магнитной системы и металле обмоток ΣР при сохранении неизменных электромагнитных нагрузок пропорциональны их массам или объемам, и, следовательно, полные потери

ΣP~ S3/4 (3.25)

потери на единицу мощности

p = ΣP/ S~ S3/4/S~1/ S1/4 (3.26)

т.е. потери на единицу мощности (1 кВ·А) падают вместе с ростом мощности трансформатора, а КПД трансформатора соответственно возрастает.

Внешняя, охлаждаемая воздухом поверхность трансформатора естественно растет пропорционально квадрату линейных размеров По~l2~S1/2, а потери q, отнесенные к единице поверхности, также возрастают

q = ΣP/По~ S3/4/ S1/2~ S1/4 (3.27)

Выведенные выше пропорциональные зависимости (3.24) и (3.26) показывают, что увеличение мощности трансформатора в одной единице является экономически выгодным потому, что приводит к уменьшению удельного расхода материала на 1 кВ·А мощности и повышению КПД. В то же время из (3.27) следует, что естественный рост охлаждаемой поверхности трансформатора отстает от роста его потерь, и, следовательно, с ростом мощности трансформатора усложняется решение проблемы его охлаждения. При этом с ростом номинальной мощности трансформатора необходимо искусственно увеличивать охлаждаемую поверхность бака путем установки охлаждающих труб или подвески радиаторов, а затем усиливать циркуляцию охлаждающего воздуха при помощи вентиляторов и масла при помощи насосов (см. § 9.2).

Поверхность охлаждения обмоток с ростом мощности трансформатора, естественно, возрастает медленнее, чем их потери. Для обеспечения надлежащего охлаждения обмоток искусственно развивается их поверхность охлаждения введением осевых и радиальных масляных каналов и охлаждение форсируется путем принудительного движения масла в контуре обмотки - бак охладителя.

С ростом мощности трансформатора возрастают его масса и внешние размеры (габариты), что при мощностях современных трансформаторов, достигающих сотен тысяч киловольт-ампер, приводит к затруднениям при перевозке трансформаторов по железным дорогам. Для упрощения решения этого вопроса часто прибегают к расщеплению мощной трехфазной трансформаторной установки на отдельные однофазные трансформаторы, а в некоторых случаях и к дальнейшему расщеплению обмотки однофазных трансформаторов между несколькими стержнями (см. § 2.1). Такое расщепление является невыгодным с точки зрения удельного расхода материалов и КПД.

Допустим, что трехфазный трансформатор мощностью S нужно заменить тремя однофазными той же общей мощностью. В трехфазном трансформаторе с магнитной системой по схеме рис. 2.5, д мощность на один стержень S'3 = S/3. В однофазном двухстержневом трансформаторе с магнитной системой по схеме рис. 2.5,a S'1=S/(2·3)=S/6. Отношение удельного расхода активных материалов для двух рассматриваемых случаев составит по (3.24)

g1/g3 = (S'3/ S'1)1/4 = (2)1/4 = 1,19

т.е. удельный расход активных материалов при замене трехфазного трансформатора тремя однофазными двухстержневыми возрастает на 19 %. В таком же отношении возрастают и полные потери. Расщепление мощности однофазного трансформатора между тремя стержнями, например по схеме рис. 2.5, г, приводит принципиально к тем же результатам. Замена трех стержней трехфазной магнитной системы девятью стержнями трех однофазных систем приводит к увеличению удельного расхода материалов в отношении (9/3)1/4= 1,32.

Относительная невыгодность расщепления мощности заставляет трансформаторостроителей в СССР' и за границей искать новые пути создания трехфазных трансформаторов большой мощности, допускающих по массе и габаритам перевозку по железным дорогам, взамен выпускавшихся ранее однофазных трансформаторов. В последнем десятилетии отечественными заводами выпущены трехфазные трансформаторы с мощностью в одной конструктивной единице 630000, 1000000 и 1250000 кВ·А класса напряжения 330 кВ.

Следует отметить, что соотношения (3.20) - (3.27) выведены независимо от реальных значений мощностей трансформаторов исследуемого ряда, и поэтому эти соотношения являются справедливыми для всех силовых трансформаторов.

В реальных современных сериях силовых трансформаторов предположение геометрического подобия фигур магнитных систем и обмоток практически подтверждается в пределах отдельных серий и несколько нарушается при рассмотрении различных серий, взятых в другом диапазоне шкалы мощностей и отличающихся классом напряжения или системой охлаждения. Выведенные выше соотношения тем не менее оказываются достаточно точными как для получения некоторых обобщенных выводов о законах изменения размеров, масс активных материалов, потерь и некоторых удельных соотношений в трансформаторах, так и для некоторых приближенных пересчетов. Это наглядно показано в табл. 3.1, в которой приведены некоторые данные отдельных типов трансформаторов различных мощностей.

Таблица 3.1. Изменение размеров стержня и обмоток, удельной массы стали и металла обмоток и удельных потерь, отнесенных к номинальной мощности, для современных трехфазных двухобмоточных масляных трансформаторов с алюминиевыми обмотками

Параметры

Мощность, кВ·А

63

1000

16000

Класс напряжения, кВ

10

35

35

Регулирование напряжения

ПБВ

РПН

ПБВ

Диаметр стержня, м

0,11

0,22

0,48

Высота обмотки, мм

0,395

0,765

1,53

Расход стали, кг (кВ·А)

2,64

1,28

0,795

Расход металла обмоток, кг/(кВ·А)

0,67

0,325

0,132

Потери короткого замыкания, Вт/(кВ·А)

21,3

11,67

5,61

Потери холостого хода, Вт/(кВ·А)

4,57

2,06

1,24

β

1,26

1,40

1,46

 

Выпуск силовых трансформаторов заводами и общее число трансформаторов, установленных в сетях, принято оценивать по их общей суммарной мощности. При необходимости оценить общий расход материалов на изготовление этих трансформаторов следует учесть не только их суммарную мощность, но также и удельный расход материалов. Представление о реальном расходе материалов на производство энергетических трансформаторов общего назначения дает табл. 3.2, где учтены как общий ориентировочный выпуск силовых трансформаторов общего назначения различных мощностей, так и удельный расход материалов, изменяющийся с изменением мощности.

Таблица 3.2. Распределение выпуска трансформаторов и расхода активных материалов в процентах от общего объема для силовых трансформаторов общего назначения

Мощность, кВ·А

ВН, кВ

Объем выпуска по суммарной мощности,%

Расход активных материалов

Сталь, %

Металл обмоток, %

До 100

10

23,0

40,0

43,0

100-630

1000-6300

35

5,6

8,0

7,0

6300-80000

110

22,0

20,0

20,0

40000-1000000

110-750

49,4

32,0

30,0

Всего….

-

100

100

100

 

Из данных табл. 3.2 следует, что около 50% активных материалов вкладывается в силовые трансформаторы общего назначения распределительной сети мощностью от 25 до 6300 кВ·А, суммарная мощность которых составляет 28,6 % общего выпуска. В тех же трансформаторах возникает около 50 % всех потерь в трансформаторах энергосистемы.

Если учесть также трансформаторы специального назначения - для электропечных, выпрямительных и других установок, то общий расход материалов и общая сумма потерь в трансформаторах мощностью до 6300 кВ·А возрастает до 50%. При этом общая стоимость этих потерь составит более 50 % стоимости потерь всех трансформаторов сети, потому что цена 1 кВт потерь возрастает по мере удаления трансформатора от электростанции, питающей сеть. Вследствие этого проектирование массовых серий трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А и экономное расходование в них активных и других материалов заслуживают особого внимания проектировщиков.