ОБЩ�Е ВОПРОСЫ ПРОЕКТ�РОВАН�Я ТРАНСФОРМАТОРОВ

Глава первая

ОБЩ�Е ВОПРОСЫ ПРОЕКТ�РОВАН�Я ТРАНСФОРМАТОРОВ

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦ�� В ПРО�ЗВОДСТВЕ 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.

Р’ народном хозяйстве используются трансформаторы различного, назначения РІ диапазоне мощностей РѕС‚ долей вольт-ампера РґРѕ 1 млн. РєР’•Рђ Рё более. Принято различать трансформаторы малой мощности СЃ выходной мощностью 4 РєР’•Рђ Рё ниже для однофазных Рё 5 РєР’•Рђ Рё ниже для трехфазных сетей Рё трансформаторы силовые мощностью РѕС‚ 6,3 РєР’•Рђ Рё более для трехфазных Рё РѕС‚ 5 РєР’•Рђ Рё более для однофазных сетей.

 РўСЂР°РЅСЃС„орматоры малой мощности различного назначения используются РІ устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, СЃРІСЏР·Рё Рё С‚. Рї., Р° также для питания бытовых электроприборов. Назначение силовых трансформаторов - преобразование электрической энергии РІ электрических сетях Рё установках, предназначенных для приема Рё использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются РЅР° РґРІР° РІРёРґР°. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения РІ сеть, РЅРµ отличающуюся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, РЅРµ 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. Рљ числу таких сетей или приемников электрической энергии относятся подземные рудничные сети Рё установки, выпрямительные установки, электрические печи Рё С‚. Рї.

 Р¦РµРЅС‚рализованное производство электрической энергии РЅР° крупных электростанциях СЃ генераторами большой единичной мощности, размещаемых вблизи расположения топливных Рё гидравлических энергоресурсов, позволяет получать РІ этих районах большие количества электрической энергии РїСЂРё относительно невысокой ее стоимости. Реальное использование дешевой электрической энергии, непосредственно Сѓ потребителей, находящихся РЅР° значительном удалении, РёРЅРѕРіРґР° измеряемом сотнями Рё тысячами километров, Рё рассредоточенных РЅР° территории страны, требует РїСЂРё 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 �. 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.

Р РёСЃ. 1.1. Схема расположения трансформаторов РІ современной электрической сети (напряжения РІ киловольтах): Р° - линии передачи переменного тока; Р± — 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 Р·Р° счет увеличения массы металла РІ обмотках. Р’ значительной мере это стало возможным после замены медного РїСЂРѕРІРѕРґР° алюминиевым РІ силовых трансформаторах общего назначения мощностью РґРѕ 16 000 РєР’•Рђ.

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

Р РёСЃ. 1.2. Однофазный автотрансформатор мощностью 417 РњР’•Рђ класса напряжения 750 РєР’ РЅР° подстанции

РќР° СЂРёСЃ. 1.2 приведена фотография РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· современных мощных трансформаторов —однофазного автотрансформатора мощностью 417 MB*A (1250 MB*Рђ РІ трёхфазной РіСЂСѓРїРїРµ) класса напряжения 750 РєР’, установленного РЅР° подстанции. Линейные напряжения обмоток (РІ РіСЂСѓРїРїРµ) Р’Рќ 750 РєР’, РЎРќ 500 РєР’, РќРќ 10,6 РєР’, мощности обмоток Р’Рќ Рё РЎРќ 417 РњР’•Рђ, РќРќ 30 MB*Рђ*. Система охлаждения трансформатора состоит РёР·. РґРІСѓС… РіСЂСѓРїРї охладителей, установленных РЅР° отдельных фундаментах. Циркуляция масла внутри бака трансформатора Рё охладителей форсируется насосами, движение РІРѕР·РґСѓС…Р°, обдувающего охладители, - вентиляторами. РћС‚ воздействия атмосферных разрядов трансформатор защищен разрядниками, установленными вблизи трансформатора. Р’ СЃРІСЏР·Рё СЃ повышением общих требований, предъявляемых энергетикой Рє силовым трансформаторам, расширением шкалы мощностей Рё напряжений РІ последние РіРѕРґС‹ продолжалась работа РїРѕ стандартизации силовых трансформаторов. Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей Рё напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей,нарастающих РїРѕ стандартизованной шкале СЃ основным коэффициентом нарастания 1,6 (РІ отдельных местах шкалы 1,25). Увеличивается выпуск трансформаторов специального назначения - для питания электрических печей, преобразовательных устройств, рудничных установок Рё РґСЂ., Р° также трансформаторов для комплектных трансформаторных подстанций. Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства Рё становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов РїРѕ мощностям, назначению Рё классам напряжения между отдельными заводами, Р° также сосредоточения РЅР° отдельных заводах производства однотипных трансформаторов. Наряду СЃ масляными используются также Рё СЃСѓС…РёРµ трансформаторы СЃ естественным воздушным охлаждением. РћРЅРё находят РІСЃРµ более широкое применение РІ установках внутри производственных помещений, жилых Рё служебных зданий, С‚. Рµ. там, РіРґРµ установка масляных трансформаторов вследствие РёС… взрыво- Рё пожароопасности недопустима. Мощность РІ единице этих трансформаторов достигает РІ нормальных сериях 1600 РєР’•Рђ РїСЂРё напряжении 10 РєР’. Р’ дальнейшем возможно увеличение единичной мощности РґРѕ 2500 РєР’ Рђ Рё * Р’Рќ, РЎРќ, РќРќ — обозначение обмоток высшего, среднего Рё низшего напряжений, напряжения РґРѕ 15 РєР’. РљСЂРѕРјРµ серий СЃСѓС…РёС… трансформаторов для работы РІ Р·РѕРЅРµ умеренного климата выпускаются СЃСѓС…РёРµ  С‚рансформаторы для работы РІ условиях СЃСѓС…РёС… Рё влажных тропиков. Для обеспечения экономичной работы электрических сетей Рё надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, С‚. Рµ. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость РІ расширении выпуска трансформаторов СЃ регулированием напряжения РїРѕРґ нагрузкой (Р РџРќ). Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов Рё автотрансформаторов классов напряжения 110, 150, 220, 330 Рё 500 РєР’ СЃ Р РџРќ. РџСЂРё этом Сѓ РґРІСѓС…- Рё трехобмоточных трансформаторов, как правило, напряжение регулируется РїСЂРё помощи устройства для переключения ответвлений РІ нейтрали обмотки высшего напряжения. РЈ автотрансформаторов напряжение регулируется Сѓ линейного конца обмотки среднего напряжения Рё РІ отдельных случаях вблизи нейтрали обмоток. Повышающие трансформаторы этих классовнапряжения выпускаются без Р РџРќ.Трансформаторы классов напряжения 10 Рё 35 РєР’ мощностью РґРѕ 250 РєР’•Рђ выпускаются СЃ переключением без возбуждения (ПБВ), Р° мощностью 400-630 РєР’•Рђ СЃ ПБВ РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ массе Рё СЃ Р РџРќ - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 Рё 35 РєР’ мощностью 1000-6300 РєР’•Рђ выпускаются как СЃ ПБВ, так Рё СЃ Р РџРќ, Р° мощностью 10000-80000 РєР’•Рђ класса напряжения 35 РєР’ - только СЃ ПБВ.

РџСЂРё разработке трансформаторов Рё особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63 000 РєР’•Рђ) возникает проблема ограничения добавочных потерь, возникающих РѕС‚ вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния РІ обмотках, Рё вихревых токов Рё гистерезиса, возникающих РІ элементах конструкции трансформатора. Эти потери РІ СЃСѓРјРјРµ РјРѕРіСѓС‚ 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.

Р’ качестве материала обмоток РІ значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей РґРѕ 16000 - 25000 РєР’•Рђ применяется алюминиевый обмоточный РїСЂРѕРІРѕРґ. Р’ трансформаторах больших мощностей Рё трансформаторах специального назначения обмотки выполняются РёР· медного обмоточного РїСЂРѕРІРѕРґР°.

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 РІ эксплуатации полной, взаимозаменяемости трансформаторов СЃ медными Рё алюминиевыми обмотками целесообразно проектировать те Рё РґСЂСѓРіРёРµ СЃ одинаковыми параметрами - потерями Рё напряжением короткого замыкания, потерями Рё током холостого С…РѕРґР°. Практика расчета серий «Р°Р»СЋРјРёРЅРёРµРІС‹С…» трансформаторов показывает, что взаимозаменяемость, РёС… СЃ «РјРµРґРЅС‹РјРё» трансформаторами может быть получена РїСЂРё одинаковых исходных данных расчета, С‚. Рµ. одинаковых марке стали, магнитной индукции РІ стержне, коэффициенте заполнения сталью сечения стержня Рё С‚. Рґ. РџСЂРё этом «Р°Р»СЋРјРёРЅРёРµРІС‹Рµ» трансформаторы имеют одинаковую СЃ «РјРµРґРЅС‹РјРё» трансформаторами массу стали, меньшую массу, РЅРѕ больший объем металла обмоток, большее сечение обмоток, большую высоту магнитной системы.

Увеличение сечения витка алюминиевых обмоток РІ достаточной мере увеличивает РёС… механическую прочность РїСЂРё коротком замыкании, компенсируя РІ трансформаторах мощностью РґРѕ 16000-25000 РєР’•Рђ пониженную механическую прочность самого металла.

Большой опыт выпуска трансформаторов СЃ алюминиевыми обмотками, РІ частности РІ пределах номинальных мощностей РѕС‚ 10 РґРѕ 16 000 РєР’•Рђ, показал, что эти трансформаторы обеспечивают полноценную замену трансформаторов СЃ медными обмотками, так как РјРѕРіСѓС‚ иметь те же параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания РїСЂРё одинаковой стоимости всего трансформатора, С‚. Рµ. являются равноценными СЃ «РјРµРґРЅС‹РјРё» трансформаторами РІ технологическом Рё 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.

�сследования поля рассеяния трансформаторов больших мощностей необходимы для создания точных методов

расчета распределения поля рассеяния Рё вызываемых РёРј механических СЃРёР», воздействующих РЅР° обмотки РїСЂРё коротком замыкании. Точное знание СЃРёР», действующих РЅР° обмотки Рё РёС… отдельные части, позволит обеспечить электродинамическую стойкость Рё надежность трансформаторов мощностью 250-1000 MB*Рђ Рё более. Р�сследования поля рассеяния трансформаторов этих Рё меньших мощностей имеют целью также определенную организацию Рё локализацию этого поля Р·Р° счет рационального размещения обмоток Рё применения магнитных экранов, позволяющих существенно уменьшить добавочные потери РІ обмотках Рё конструктивных деталях трансформатора - стенках бака, прессующих деталях обмоток Рё 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.

�спользование 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 СЃ 220 РґРѕ 330, 500, 750 Рё 1150 РєР’ требует развития исследований новых изоляционных конструкций Рё применения изоляционных материалов повышенного качества. Р’ области производства трансформаторов массовых выпусков мощностью РѕС‚ 25 РґРѕ 1000-6300 РєР’•Рђ главной задачей остается совершенствование РёС… конструкций для уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии РІ РЅРёС…, удешевления производства.

Примером современного РїРѕРґС…РѕРґР° Рє проектированию новых серий трансформаторов может служить серия РґРІСѓС…- Рё трехобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 РєР’ СЃ Р РџРќ РІ диапазоне мощностей РѕС‚ 2500 РґРѕ 125000 РєР’•Рђ, разработанная отечественными проектно-исследовательскими организациями Рё предприятиями РІ начале 80-С… РіРѕРґРѕРІ Рё ныне выпускаемая заводами. РџСЂРё разработке этой серии были приняты новые расчетные Рё конструктивные решения, позволившие улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого С…РѕРґР°, повысить электродинамическую стойкость обмоток Рё 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.

 РћСЃРѕР±РѕРµ развитие должны получить работы РїРѕ исследованию шума трансформаторов - нормированию его СѓСЂРѕРІРЅСЏ, разработке методов измерения Рё понижения СѓСЂРѕРІРЅСЏ 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, С‚. Рµ. трансформаторы, мощность которых измеряется РІ пределах РѕС‚ долей вольт-ампера РґРѕ3000 - 5000, используемые РІ радиотехнике, телевидении, радиоэлектронике, автоматике, устройствах СЃРІСЏР·Рё Рё С‚. Рґ. Массовый выпуск этих трансформаторов, измеряемый РІ РЎРЎРЎР  несколькими десятками миллионов штук РІ РіРѕРґ, РїСЂРё общем расходе активных материалов, доходящем РґРѕ 40—50 % расхода материалов РЅР° РІСЃРµ силовые трансформаторы, организуется РЅР° специализированных заводах. Методика проектирования этих трансформаторов существенно отличается РѕС‚ методики проектирования силовых трансформаторов. Выбор оптимального варианта РІ зависимости РѕС‚ назначения трансформатора может определяться РЅРµ только соображениями экономической эффективности, РЅРѕ также Рё ограничением таких показателей, как падение напряжения РІ 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 �меется 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.

РћРґРЅРѕР№ РёР· существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных свойств, С‚. Рµ. различие этих свойств РІ различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери Рё наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет РІ направлении прокатки. Магнитные свойства существенно ухудшаются, если вектор индукции магнитного поля направлен РїРѕРґ углом, отличающимся РѕС‚ 0°, Рє направлению прокатки, Рё становится наихудшим РїСЂРё 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.

 Р—амена листовой стали РЅР° рулонную позволила коренным образом изменить технологию заготовки пластин магнитной системы СЃ значительным уменьшением затраты ручного труда РЅР° эти операции. Отдельные части магнитной системы РјРѕРіСѓС‚ изготовляться РёР· рулонной стали путем навивки РёР· ленты. Применение рулонной стали позволило также уменьшить отходы стали РїСЂРё резке пластин РґРѕ 4 - 5 % РїРѕ сравнению СЃ отходами листовой стали, составляющими 15—20 %.

Магнитные свойства холоднокатаной стали существенно ухудшаются РїСЂРё различных механических воздействиях: РїСЂРё резке стали РЅР° пластины, снятии СЃ РЅРёС… заусенцев, изгибах пластин, случайных ударах РїСЂРё транспортировке, легких ударах РїСЂРё СЃР±РѕСЂРєРµ магнитной системы Рё С‚. Рґ. Особенно сильное ухудшение магнитных свойств РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РїСЂРё навивке частей магнитной системы РёР· ленты. Ухудшение магнитных свойств РїСЂРё этих воздействиях может быть снято восстановительным отжигом РїСЂРё температуре 800 °РЎ, проводимым РґРѕ начала СЃР±РѕСЂРєРё магнитной системы, Р° для навитых частей - после навивки. Механические воздействия, возникающие после начала СЃР±РѕСЂРєРё, должны быть ограничены путем соответствующей организации транспортировки пластин, осторожного обращения СЃ РЅРёРјРё РїСЂРё СЃР±РѕСЂРєРµ магнитной системы Рё С‚. Рґ.

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 Рё алюминия приведены РІ табл. 1.2. Цена 1 РєРі прямоугольного обмоточного алюминиевого РїСЂРѕРІРѕРґР° марки РђРџР‘ РЅР° 10—15 % ниже цены медного РїСЂРѕРІРѕРґР° марки РџР‘.

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

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.

�з 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 Рё сечений витков алюминиевых обмоток РїРѕ сравнению СЃ эквивалентными медными обмотками РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє увеличению стоимости работы РїРѕ намотке обмоток Рё значительному увеличению расхода некоторых изоляционных материалов - бумажно-бакелитовых цилиндров (примерно РЅР° 30—25%), электроизоляционного картона Рё пропиточного лака (примерно 50—60%). РџСЂРё большей высоте магнитной системы увеличиваются также высота бака Рё масса масла. Увеличение стоимости работы Рё материалов компенсируется уменьшением массы Рё стоимости РїСЂРѕРІРѕРґР° обмоток так, что общая стоимость рационально спроектированного трансформатора СЃ алюминиевыми обмотками практически РЅРµ отличается РѕС‚ стоимости эквивалентного трансформатора СЃ медными обмотками.

РџСЂРё переходе РЅР° алюминиевые обмотки был решен также СЂСЏРґ задач технологического характера, связанных СЃ технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой Рё сваркой алюминия. Р’ настоящее время РІСЃРµ новые серии трансформаторов общего назначения мощностью РґРѕ 16000 РєР’•Рђ включительно проектируются СЃ алюминиевыми обмотками. Р’ большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный РїСЂРѕРІРѕРґ марки РџР‘ (РђРџР‘ для алюминия) СЃ изоляцией РёР· кабельной бумаги класса нагревостойкости Рђ (предельно допустимая температура 105 °РЎ) общей толщиной 0,45—0,50 РјРј РЅР° РґРІРµ стороны. Применение РїСЂРѕРІРѕРґР° более высоких классов нагревостойкости (Р•, Р’, F Рё С‚.Рґ.), допускающих более высокие предельные температуры, РІ масляных трансформаторах смысла РЅРµ имеет, потому что допустимая температура обмоток определяется РЅРµ только классом изоляции обмоток, РЅРѕ также Рё допустимой температурой масла, РІ 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 РїСЂРѕРІРѕРґРѕРІ СЃ изоляцией, имеющей повышенную нагревостойкость, имеет смысл РІ СЃСѓС…РёС… трансформаторах, РІ которых Р·Р° счет повышения температуры обмоток возможно допустить более высокие плотности тока Рё получить компактную конструкцию трансформатора. Если РїСЂРё этом допускается существенное повышение эксплуатационной температуры обмоток, то потери 'короткого замыкания трансформатора неизбежно возрастают вследствие как увеличения плотности тока, так Рё повышения удельного сопротивления РїСЂРѕРІРѕРґР° обмотки. Так РїСЂРё температуре 225 °РЎ удельное сопротивление медного РїСЂРѕРІРѕРґР° увеличивается настолько, что становится равным удельному сопротивлению алюминия РїСЂРё температуре 75 °РЎ.

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.

РџСЂРё эксплуатации трансформатора вследствие окисления РїСЂРё повышенной температуре (РґРѕ 95 °РЎ) Рё РїСЂРё каталитическом воздействии присутствующих РІ масле металлов Рё твердых изоляционных материалов масло стареет, С‚.Рµ. ухудшает СЃРІРѕРё качества Рё требует систематического СѓС…РѕРґР° - сушки, фильтрации, очистки Рё 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. ЭКОНОМ�ЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАССЧ�ТАННОГО 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. �з 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.

 РџСЂРё проектировании отдельного трансформатора, отвечающего РІ отношении номинальной мощности Рё напряжений обмоток, Р° также параметров холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания требованиям ГОСТ или технических условий РЅР° существующую серию, С‚.Рµ. имеющего определенные потери холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания, Р° также требующего определенной реактивной мощности, экономическая оценка может быть произведена путем простого сравнения себестоимости или цен рассчитанного Рё существующего трансформаторов. Более экономичным будет трансформатор СЃ 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.

РћРґРЅРёРј РёР· методов выбора варианта решения, оптимального РІ экономическом отношении, является метод СЃСЂРѕРєР° окупаемости дополнительных капитальных вложений, который заключается РІ сопоставлении разности капитальных вложений РґРІСѓС… вариантов K2 Рё Рљ1 СЃ экономией РЅР° ежегодных издержках Р�1 — Р�2. РЎСЂРѕРєРѕРј окупаемости Рў называется следующее выражение (если Рљ2 > Рљ1 Рё Р�2< Р�1):

 Рў = (Рљ2 – Рљ1 ) / (Р�1 – Р�2 ). (1.1.)

Вариант 2 СЃ большими капитальными вложениями считается экономически выгодным, если дополнительные капитальные вложения K2 - K1 окупаются экономией РЅР° ежегодных издержках Р�₁ — Р�₂ РІ течение СЃСЂРѕРєР° меньшего, чем нормативный СЃСЂРѕРє окупаемости, принимаемый РІ настоящее время для силовых трансформаторов общего назначения РўH=6,7 РіРѕРґР°, С‚.Рµ. если T £ TH.

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

Приведенными затратами 3, отнесенными Рє РѕРґРЅРѕРјСѓ РіРѕРґСѓ, называются выражения типа Рљ1 Р•РЅ + Р�1 ; Рљ2Ен+Р�2 Рё С‚.Рґ., рассчитанные для каждого варианта. РџСЂРё этом Р•Рќ=1/РўРќ, С‚.Рµ. Р•РЅ = 1/6,7 = 0,15, называется нормативным коэффициентом эффективности дополнительных капитальных вложений. Наиболее экономически выгодным будет вариант СЃ 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, СЂСѓР±.; Р—Р° - затраты РЅР° амортизационные годовые отчисления, СЂСѓР±/РіРѕРґ; Р—С… Рё Р—Рє - годовые затраты, СЂСѓР±/(РєР’С‚-РіРѕРґ), связанные СЃ покрытием РЅРµ зависящих РѕС‚ нагрузки потерь холостого С…РѕРґР° (Р С…, РєР’С‚) Рё изменяющихся СЃ нагрузкой потерь короткого замыкания (Р Рє, РєР’С‚); Р—СЂ - годовые затраты, СЂСѓР±/(квар-РіРѕРґ), РЅР° компенсацию реактивной мощности (Qp) трансформатора; Р—СЂ - может быть принято РїРѕ табл. 1.3; QСЂ - реактивная мощность, определяется как СЃСѓРјРјР° реактивных мощностей холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания, квар:

 (1.3)

РіРґРµ S - номинальная мощность трансформатора, РєР’•Рђ,

Р’ (1.2) выражение Р•РЅ Ктр + Р—Р° РјРѕР¶РµС‚ быть заменено формулой

Ен Ктр + Р—Р° = Ктр (Ен +UР° );        (1.4)

здесь Ктр - себестоимость или оптовая цена трансформатора, СЂСѓР±.; Р•_РЅ =0,15 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; UР° = 0,064 - нормативные амортизационные годовые отчисления.

Таким образом,

Ен Ктр + Р—Р° = 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.

РџСЂРё сравнении различных вариантов РјРѕРіСѓС‚ РЅРµ подсчитываться Рё РЅРµ включаться РІ расчет капитальные затраты или годовые издержки, заведомо одинаковые или мало раз- личающиеся для всех сравниваемых вариантов. Поэтому РІ формуле для расчета затрат РЅРµ учтены затраты РЅР° транспортировку трансформатора Рє месту установки, установку, монтаж Рё некоторые РґСЂСѓРіРёРµ. Для СЃСѓС…РёС… трансформаторов можно ограничиться расчетом стоимости активной части — остова СЃ обмотками, РЅРµ включая стоимости защитного кожуха Рё РґСЂСѓРіРёС… деталей, Р° для всех трансформаторов масляных Рё СЃСѓС…РёС… следует включать РІ годовые издержки только стоимость потерь активной Рё реактивной мощности, РЅРµ учитывая РґСЂСѓРіРёС… эксплуатационных расходов, остающихся одинаковыми для всех рассматриваемых вариантов.

Определение удельных годовых затрат РЅР° покрытие 1 РєР’С‚ годовых потерь холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания Р—_С… Рё Р—_Рє РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёС‚СЃСЏ РїРѕ себестоимости электрической энергии РІ энергосистеме СЃ учетом необходимых капиталовложений РІ электростанции Рё сети, добычу Рё транспорт топлива. РџСЂРё определении Р—_С… Рё Р—_Рє РґРѕР»Р¶РЅС‹ также учитываться: место трансформатора РІ сети - число ступеней трансформации напряжения РѕС‚ станции РґРѕ трансформатора Рё потери РЅР° этих ступенях; число часов включения трансформатора РІ сеть РІ течение РіРѕРґР° Рў_РІ; приведенное число часов потерь РІ РіРѕРґ Рў_Рї, зависящее РѕС‚ места установки трансформатора, его назначения Рё характера графика нагрузки, Рё коэффициент, учитывающий попадание переменных потерь РІ максимум нагрузки системы, Р° также степень нарастания нагрузки РїРѕ годам.

РџСЂРё определении годовых затрат 3 РїРѕ (1.2) можно пользоваться табл. 1.3, РІ которой для трансформаторов разных мощностей, классов напряжения Рё назначения приведены нормативные значения Р—_С… Рё Р—_Рє СЃ учетом числа часов включения те для постоянных потерь СЂС… Рё часов потерь Рў_Рї РґР»СЏ переменных потерь Р _Рє.

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

Потери холостого хода Р_х, 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.

Р’ учебном проекте РїСЂРё мощности трансформатора РґРѕ 2500 - 6300 РєР’•Рђ может РЅРµ подсчитываться: стоимость прочих материалов, РЅРµ отнесенных Рє основным, Р° именно крепежных деталей - мелких болтов Рё шпилек, гаек, шайб; различных мелких деталей - РїСЂРѕР±РѕРє, подъемных РєСЂСЋРєРѕРІ Рё колец, катков Рё С‚.Рґ.; некоторых изоляционных материалов - кабельной Рё РґСЂСѓРіРѕР№ бумаги, лакоткани, киперной Рё РґСЂСѓРіРѕР№ ленты, изоляционных трубок; уплотнений; эмали для окраски бака Рё С‚.Рґ. 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 РЅР° оптовую цену этого материала, которая может быть найдена РїРѕ официальным прейскурантам. Поскольку оптовые цены РЅР° большинство материалов установлены РІ прейскурантах «С„ранко-вагон - станция отправления» (местонахождение завода-изготовителя) Рё РЅРµ включают стоимость перевозки РѕС‚ железнодорожной станции завода-изготовителя РґРѕ завода-получателя, Р° РІ СЂСЏРґРµ случаев Рё стоимость тары, то Рє общей стоимости материалов прибавляются заготовительные расходы, которые РјРѕРіСѓС‚ быть оценены примерно РІ 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)

Примечания: 1. Коэффициенты РљРЎ1, СЂР°СЃСЃС‡РёС‚аны СЃ учетом цен РЅР° сталь указанных марок Рё различных чисел пластин РІ магнитной системе.

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

Можно рекомендовать следующий РїРѕСЂСЏРґРѕРє приближенного определения расчетной цены трансформатора: РїРѕ расчетной записке Рё чертежам проекта подсчитывается стоимость основных материалов РЎ_РѕСЃРЅ Рё учитывается стоимость прочих материалов РЎ_РїСЂ » 0,05 РЎ_РѕСЃР°; учитываются заготовительные расходы (упаковка, транспорт Рё РґСЂ.) РЎ_заг » 0,04 РЎ_РѕСЃРЅ; подсчитывается стоимость всех комплектующих изделий Рё готовых узлов РЎ_{РєРѕРјРїР»} ; приближенно определяется СЃСѓРјРјР° заработной платы, цеховых Рё общезаводских расходов Рё расходов РЅР° содержание оборудования

РЎ_тр + РЎ_СЂ = Рљ РЎ_РѕСЃРЅ ;

приближенно определяется заводская себестоимость трансформатора

РЎ = (1 + 0,09 + Рљ) РЎ_РѕСЃРЅ + РЎ_{РєРѕРјРїР»} ;

определяется условная оптовая цена трансформатора

 Р¦ = 1,01 · 1,11 РЎ, (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. �менно 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

РЎ_{Р°, С‡} » Рљ₀ СЃ₀ G_РїСЂ + Рљ_СЃС‚ Рљ_{отх} СЃ_СЃС‚ G_СЃС‚ , (1.7)

РіРґРµ Рљ0 - коэффициент, учитывающий стоимость изоляционных материалов (электроизоляционный картон, бумажно-бакелитовые цилиндры, пропиточный лак Рё С‚.Рґ.), стоимость изготовления обмотки, цеховые Рё общезаводские расходы, расходы РЅР° содержание Рё эксплуатацию оборудования, внепроизводственные расходы Рё плановые накопления. Значения этого коэффициента для трансформаторов различных типов РјРѕРіСѓС‚ быть ориентировочно приняты РїРѕ табл. 1.4. Средняя цена обмоточного РїСЂРѕРІРѕРґР° для обмоток Р’Рќ, РЎРќ Рё РќРќ СЃ0 может быть принята: для трансформаторов мощностью 25 - 630 РєР’•Рђ классов напряжения 10 Рё 35 РєР’ - для меди СЃРј = 1,35 СЂСѓР±/РєРі, для алюминия СЃ_Р° = 1,23 СЂСѓР±/РєРі; для трансформаторов мощностью 1000 - 63000 РєР’•Рђ - для меди СЃРј=1,34 СЂСѓР±/РєРі, для алюминия СЃРђ =1,1 СЂСѓР±/РєРі (РїСЂРѕРІРѕРґ марок РџР‘ Рё РђРџР‘). Для СЃСѓС…РёС… трансформаторов мощностью 160 - 1600 РєР’- Рђ класса напряжения 10 РєР’ СЃ обмотками РёР· РїСЂРѕРІРѕРґР° марок РџР‘ Рё РђРџР‘ можно принять цену РїСЂРѕРІРѕРґР° такую же, как Рё для масляных трансформаторов соответствующих мощностей, Р° РїСЂРё обмотках РёР· РїСЂРѕРІРѕРґР° марок РџРЎР” Рё РђРџРЎР” - для меди СЃ_Рњ = 1,59 ¸ 1,48 СЂСѓР±/РєРі Рё алюминия СЃ_Рђ =1,95 ¸ 1,60 СЂСѓР±/РєРі.

Р’ тех случаях, РєРѕРіРґР° известно РЅРµ только количество, РЅРѕ Рё размеры сечения РїСЂРѕРІРѕРґР°, следует принимать СЃ₀ РїРѕ прейскуранту для данных марки Рё сечения РїСЂРѕРІРѕРґР°; G_РїСЂ - масса РїСЂРѕРІРѕРґР° обмотки; Рљ_СЃС‚ - коэффициент, учитывающий стоимость изготовления остова трансформатора, включая стоимость крепежных Рё РґСЂСѓРіРёС… материалов, заработную плату, начисления Рё нормативные накопления. Значения этого коэффициента для трансформаторов различных типов РјРѕРіСѓС‚ быть ориентировочно приняты РїРѕ табл. 1.4 РІ зависимости РѕС‚ марки стали Рё ее цены.

Коэффициенты Рљ_СЃС‚ Рё Рљ₀ , приведенные РІ табл. 1.4, определены для плоских магнитных систем Рё обмоток РёР· медного Рё алюминиевого РїСЂРѕРІРѕРґР° круглого (обмотки Р’Рќ трансформаторов 25-630 РєР’•Рђ) Рё прямоугольного (РІСЃРµ остальные обмотки) сечения. Для пространственных магнитных систем Рё обмоток РёР· алюминиевой ленты эти коэффициенты требуют дополнительного уточнения: Рљ_{отх} - коэффициент, учитывающий отходы стали РїСЂРё раскрое, может быть РїСЂРёРЅСЏС‚ равным 1,05 - 1,06 для рулонной стали; СЃ_СЃС‚ - цена стали, СЂСѓР±/РєРі, РїРѕ прейскуранту или РїРѕ табл. 1.4; G_СЃС‚ - масса стали РїРѕ расчету.

Стоимость (цена) системы охлаждения — бака СЃ трубами для трансформаторов мощностью РґРѕ 1600 РєР’•Рђ или бака СЃ навесными трубчатыми радиаторами для трансформаторов мощностью 2500 - 80000 РєР’•Рђ (РѕС‚ 10000 РєР’•Рђ Рё выше - СЃ дутьем) изменяется вместе СЃ изменением СЃСѓРјРјС‹ потерь Р _С… + Р _Рє . Удельная стоимость системы охлаждения, отнесенная Рє 1 РєР’С‚ потерь, Рљ_{РѕС…Р»} , СЂСѓР±/РєР’С‚, может быть найдена РёР· табл. 1.5. РўРѕРіРґР° стоимость системы охлаждения трансформатора, СЂСѓР±.,

РЎ_{РѕС…Р»} = Рљ_{РѕС…Р»} (Р _С… + Р _Рє )        (1. 8)

Стоимость .(цена) трансформатора Рљ_тр РІ (1.5) для экономического сравнения вариантов расчета может быть найдена РёР· выражения

 Рљ_тр = РЎ_{Р°, С‡} + РЎ_{РѕС…Р»}  (1.9)

или

Рљ_тр = Рљ₀ СЃ₀ G_РїСЂ + Рљ_СЃС‚ Рљ_{отх} СЃ_СЃС‚ G_СЃС‚ + Рљ_{РѕС…Р»} (Р _С… + Р _Рє ), (1.10)

Найденное значение Рљ_тр РјРѕР¶РµС‚ быть подставлено РІ (1.4) или (1.5) для экономического сравнения вариантов, РЅРѕ РѕРЅРѕ РЅРµ равнозначно условной оптовой цене трансформатора, определяемой РїРѕ (1.6), поскольку РЅРµ включает стоимость СЂСЏРґР° узлов Рё некоторых материалов, стоимость которых РЅРµ изменяется, РїСЂРё переходе РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ варианта Рє РґСЂСѓРіРѕРјСѓ (проходные изоляторы, переключающие устройства, арматура бака, крепежные материалы Рё РґСЂ.). Условная оптовая цена трансформатора Р¦ РёР· (1.6) также может быть использована РїСЂРё расчете РїРѕ (1.5) Рё (1.4), однако РїСЂРё экономическом сравнении нескольких вариантов для всех вариантов стоимости Рљ_тр РґРѕР»Р¶РЅС‹ быть рассчитаны РїРѕ РѕРґРЅРѕРјСѓ методу.

Таблица 1.5.

 РЎС‚оимость системы охлаждения, отнесенная Рє 1 РєР’С‚ потерь, РљРѕС…Р», СЂСѓР±/РєР’С‚, для превышения температуры верхних слоев масла 55 Рё 50 °РЎ

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. СТАНДАРТ�ЗАЦ�Я В ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕН��

РћРґРЅРѕР№ РёР· задач стандартизации РІ трансформаторостроении является установление единых требований Рє трансформаторам, отражающих потребности эксплуатации Рё условия работы силовых трансформаторов РІ сетях, СЃ РѕРґРЅРѕР№ стороны, Рё современное состояние Рё возможности трансформаторостроения - СЃ РґСЂСѓРіРѕР№. Фиксируя определенное состояние трансформаторостроеиия, стандарт РІ то же время ставит новые требования, стимулирующие дальнейший прогресс РІ производстве трансформаторов. Периодический пересмотр стандартов Рё повышение заложенных РІ РЅРёС… требований позволяют систематически совершенствовать существующие серии трансформаторов — улучшать РёС… энергетические показатели, повышать надежность, уменьшать массу Рё габариты Рё создавать новые типы трансформаторов.

Р’ настоящее время РІ области трансформаторостроения действует СЂСЏРґ государственных стандартов, определяющих основные требования, предъявляемые Рє силовым трансформаторам классов напряжения РѕС‚ 6 РґРѕ 750 РєР’ для мощностей РѕС‚ 25 РґРѕ 1 250000 РєР’•Рђ.

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

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 Рє силовым трансформаторам Рё автотрансформаторам общего назначения, масляным Рё СЃСѓС…РёРј, трехфазным мощностью 6,3 РєР’•Рђ Рё более Рё однофазным более

Таблица 1.7. Ряды номинальных мощностей силовых трансформаторов

 (ГОСТ 9680-77), РєР’•Рђ

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: У_н/У_н/Д-0 - 11 и У_в/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 Рє масляным трехфазным силовым трансформаторам общего назначения РЅР° напряжения РґРѕ 35 РєР’ включительно РїСЂРё мощностях РѕС‚ 25 РґРѕ 630 РєР’•Рђ регламентируются ГОСТ 12022-76 Рё РїСЂРё мощностях РѕС‚ 1000 РґРѕ 80 000 РєР’ • Рђ - ГОСТ 11920-85.

Эти стандарты охватывают двухобмоточные трансформаторы РІРѕ всем указанном диапазоне мощностей Рё трехобмоточные мощностью 6300 - 16000 РєР’•Рђ.

*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 Рё технические требования Рє масляным РґРІСѓС…- Рё трехобмоточным трансформаторам общего назначения классов напряжения 110 Рё 150 РєР’. Предусматривается выпуск трехфазных двухобмоточных трансформаторов СЃ Р РџРќ мощностью 2,5 – 125 РњР’•Рђ класса 110 РєР’ Рё 16,0 – 63 РњР’•Рђ класса 150 РєР’; трехобмоточных трансформаторов мощностью 6,3 – 80 РњР’•Рђ класса 110 РєР’ Рё 16,0 – 63 РњР’•Рђ класса 150 РєР’ СЃ Р РџРќ РЅР° обмотке Р’Рќ Рё ПБВ РЅР° обмотке РЎРќ; двухобмоточных трансформаторов класса 110 РєР’ мощностью 80 РњР’•Рђ СЃ ПБВ, Р° также двухобмоточных трансформаторов мощностью 125, 200 Рё 400 РњР’•Рђ класса 110 РєР’, РЅРµ имеющих ответвлений для регулирования.

 РћР±РјРѕС‚РєРё Р’Рќ, РЎРќ Рё РќРќ трехобмоточных трансформаторов рассчитываются РЅР° полную номинальную мощность. Предусматривается РїРѕСЂСЏРґРѕРє расположения обмоток РѕС‚ стержня наружу (РќРќ – РЎРќ – Р’Рќ).

Таблица 1.9. Параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания трехфазных масляных силовых трансформаторов общего назначения классов напряжения 10 Рё 35 РєР’ мощностью 25 – 630 РєР’·Рђ

(ГОСТ 12022-76)

Примечание: 1. Знаком «*» отмечены потери Рё напряжение короткого замыкания для трансформаторов мощностью 25 – 250 РєР’·Рђ РїСЂРё схемах соединения РЈ/РЈ_РЅ – 0, Р”/РЈ_РЅ - 11 Рё для трансформаторов 400 Рё 630 РєР’·Рђ РїСЂРё схемах соединения РЈ/РЈ_РЅ – 0 Рё РЈ/Р” - 11.

 2. Знаком «**» отмечены параметры короткого замыкания для трансформаторов 25 – 250 РєР’·Рђ РїСЂРё схеме соединения РЈ/Z_Рќ - 11 Рё для трансформаторов 400 – 630 РєР’·Рђ РїСЂРё схеме Р”/РЈ_Рќ –11.

 3. Трансформаторы СЃ Р РџРќ мощностью 400 Рё 630 РєР’·Рђ Рё напряжением РќРќ 0,4 Рё 0,69 РєР’ изготовляются СЃ потерями короткого замыкания РЅР° 10 % больщими, чем указано РІ таблице.

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

Таблица 1.10. Параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания трехфазных масляных силовых трансформаторов общего назначения классов напряжения 10 Рё 35 РєР’ мощностью 1000 – 80000 РєР’·Рђ, переключаемых без возбуждения (ГОСТ 11920 – 85)

Примечание: 1. Для трансформаторов мощностью 1000 – 6300 РєР’·Рђ параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания принимаются равными для исполнений ПБВ Рё Р РџРќ, Р·Р° исключением потерь холостого С…РѕРґР°, которые РІ трансформаторах Р РџРќ РјРѕРіСѓС‚ быть РЅР° 5 – 5,5 % выше, чем РІ трансформаторах исполнения ПБВ.

 2. для трансформаторов, отмеченных знаком «*», параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания РїРѕ ГОСТ 11920-85 устанавливаются РїСЂРё приемочных испытаниях. Р’ таблице эти параметры приведены РїРѕ ГОСТ 11920-73 (потери холостого С…РѕРґР° РїРѕ СѓСЂРѕРІРЅСЋ Рђ).

 3. значения потерь Рё напряжения короткого замыкания указаны РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј ответвлении.

Для двухобмоточных трансформаторов установлено Рё_Рє = 10,5 % (125 РњР’·Рђ – 11,0 %). Для трехобмоточных Р’Рќ – РЎРќ 10,5 % (80 РњР’·Рђ – 11,0 %); Р’Рќ – РќРќ: для 6,3 РњР’·Рђ – 17, для 10 – 40 РњР’·Рђ – 17,5, для 63 РњР’·Рђ – 18,0 Рё для 80 РњР’·Рђ – 18,5 %; РЎРќ – РќРќ: для 6,3 РњР’·Рђ – 6,0, для 10 – 40 РњР’·Рђ – 5,5 Рё для 63 – 80 РњР’·Рђ – 7 %.

 Р“осударственные стандарты систематически пересматриваются Рё совершенствуются. Нормальным СЃСЂРѕРєРѕРј 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

Понижающие трансформаторы

Повышающие трансформаторы

Примечания:

1.     Р’СЃРµ понижающие трансформаторы СЃ Р РџРќ.

2.     РџРѕРІС‹С€Р°СЋС‰РёРµ трансформаторы 80 РњР’•Рђ - СЃ ПБВ±2РҐ2,5 %; 125 - 400 РњР’•Рђ без регулировочных ответвлений.

3.     Р—начения потерь короткого замыкания указаны для средней ступени напряжения.

Глава вторая

КОНСТРУКЦ�� ОСНОВНЫХ ЧАСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРА

2.1. ОБЩАЯ КОНСТРУКТ�ВНАЯ 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.

Р’ магнитных системах, разделяющихся РЅР° стержни Рё СЏСЂРјР°, РїСЂРё расчете параметров холостого С…РѕРґР° трансформатора РѕСЃРѕР±Рѕ выделяются части, находящиеся РІ Р·РѕРЅРµ сопряжения стержня Рё СЏСЂРјР° Рё называемые углами магнитной системы. Понятие «СѓРіРѕР»» определяется как часть СЏСЂРјР° магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или РёС… продолжений РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· СЏСЂРј Рё РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· стержней. Магнитная система, изображенная РЅР° СЂРёСЃ. 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 РІ практике трансформаторостроения получили плоские магнитные системы стержневого типа СЃРѕ ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной РІ окружность, Рё СЃ обмотками РІ РІРёРґРµ круговых цилиндров. Плоские бронестержневые системы Рё броневые системы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.2, Р±, аналогичные РїРѕ форме обмоток Рё сечения стержня системам стержневым, требуют несколько большего расхода электротехнической стали Рё применяются РІ некоторых типах трансформаторов большой мощности (более 100000 РєР’•Рђ) СЃ целью уменьшения высоты трансформатора, Р° также РІ трансформаторах малой мощности (1-3 РєР’•Рђ).

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

/ — стержень, 2 — СЏСЂРјРѕ, 3 — обмотка

Р’ последние РіРѕРґС‹ РІ силовых трансформаторах мощностью РґРѕ 6300 РєР’•Рђ находят РІСЃРµ более широкое применение пространственные магнитные системы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р° Рё Р± Рё РґСЂСѓРіРёС… типов. Броневые магнитные системы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.2, Р° РїСЂРё горизонтальном расположении стержней Рё СЏСЂРј СЃ 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:

Р° — шихтованной РёР· пластин прямоугольной формы; Р± — разрезной стыковой, навитой РёР· лент, РІ — стыковой, собираемой РёР· пластин прямоугольной формы

Р РёСЃ. 2.4. РЎР±РѕСЂРєР° магнитной системы трехфазного трансформатора мощностью 10000 РєР’•Рђ класса

напряжения 110 кВ на специальном стенде

Если концы пластин срезать РїРѕРґ углом 45°, то РѕРЅРё Р±СѓРґСѓС‚ образовывать РІ углах РєРѕСЃРѕР№ стык. РќР° СЂРёСЃ. 2.4 изображена магнитная система трансформатора мощностью 10000 РєР’•Рђ класса напряжения 110 РєР’ РІ процессе СЃР±РѕСЂРєРё РЅР° специальном стенде. Для насадки обмоток РЅР° стержни верхнее СЏСЂРјРѕ шихтованной магнитной системы разбирается РїРѕ отдельным пластинам, Р° после насадки обмоток СЃРЅРѕРІР° собирается. Магнитные системы трансформаторов мощностью РґРѕ 630 РєР’•Рђ включительно, РЅРµ требующие стяжки стержней бандажами, РјРѕРіСѓС‚ собираться СЃ укладкой пластин стержней внутрь обмоток, уложенных РЅР° специальном стенде. После завершения шихтовки Рё стяжки СЏСЂРј балками обмотки оказываются размещенными РЅР° остове трансформатора.

РќР° СЂРёСЃ. 2.3, Р± показана навитая РёР· ленты холоднокатаной стали разрезная стыковая магнитная система, Р° РЅР° СЂРёСЃ. 2.3, РІ — стыковая система, состоящая РёР· стержней Рё СЏСЂРј, раздельно собираемых РёР· 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.

РќР° СЂРёСЃ. 2.5 показаны различные схемы взаимного расположения стержней Рё СЏСЂРј плоских шихтованных Рё плоской навитой магнитных систем. Трехфазная магнитная система РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Рґ получила наибольшее распространение для силовых трансформаторов мощностью РѕС‚ 6,3 РґРѕ 100000 РєР’•Рђ. РџСЂРё этой схеме магнитный поток СЏСЂРјР° равен потоку стержня Р¤_СЏ=Р¤_СЃ Рё площадь поперечного сечения СЏСЂРјР° должна быть равна или больше площади поперечного сечения стержня.

РЎ дальнейшим ростом мощности Рё размеров трансформатора обычно переходят РЅР° бронестержневые магнитные системы СЃ разветвленными ярмами: однофазные РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Р± Рё трехфазные РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Рµ. Магнитный поток СЏСЂРјР° РІ однофазной магнитной системе РїСЂРё этом равен половине потока стержня Фя =Фс/2, РІ трехфазной Фя=Фс Ö3. Это обстоятельство позволяет уменьшить сечение, Р° следовательно, Рё высоту СЏСЂРјР° Рё общую высоту трансформатора, что важно для трансформаторов большой мощности, размеры которых РїРѕ высоте жестко ограничиваются условиями транспортировки РїРѕ железной РґРѕСЂРѕРіРµ.

РџСЂРё мощности однофазного трансформатора 133000 РєР’•Рђ Рё более, РєРѕРіРґР° РѕРґРЅРѕ только разветвление СЏСЂРј недостаточно снижает высоту трансформатора, прибегают Рє «СЂР°СЃС‰РµРїР»РµРЅРёСЋ» мощности между РґРІСѓРјСЏ или тремя отдельными стержнями, например РїРѕ схеме СЂРёСЃ. 2.5, Рі. Для этих схем сечение СЏСЂРјР° также может быть взято равным половине сечения стержня, так как магнитный поток СЏСЂРјР° РІ однофазной магнитной системе равен Фс/2. Применяя бронестержневые магнитные системы СЃ разветвленными ярмами Рё «СЂР°СЃС‰РµРїР»РµРЅРёРµРј» мощности между отдельными стержнями, добиваются существенного снижения высоты трансформатора Р·Р° счет увеличения длины Рё некоторого увеличения массы активных материалов — меди Рё стали.

Рис. 2.5. Различные схемы плоской магнитной системы трансформатора;

однофазные: Р° — стержневой; Р± — броневой; РІ Рё Рі — бронестержневые СЃ расщеплением мощности между стержнями; трехфазные; Рґ — стержневой; Рµ — бронестержневой; Р¶ — броневой; Р· — 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:

 .

 РџРѕСЃРєРѕР»СЊРєСѓ три кольца этой магнитной системы навиваются раздельно, Р° для удобства СЃР±РѕСЂРєРё между РЅРёРјРё должен соблюдаться небольшой технологический зазор, переход магнитного потока РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ кольца РІ РґСЂСѓРіРѕРµ затруднен Рё фактическая индукция РІ каждом кольце должна быть РІ 2/ Ö3 = 1,155 раза больше общей расчетной индукции РІ стержне. РџРѕРґРѕР±РЅРѕРµ сложение потоков стержней Рё СЏСЂРј РІ схеме РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Рµ РЅРµ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє увеличению индукции потому, что РІ каждом стержне РѕР±Р° частичных потока складываются РІ РѕРґРЅРёС… Рё тех же пластинах.

Р’ последние РіРѕРґС‹ РІ трансформаторах мощностью РґРѕ 6300 РєР’•Рђ РІСЃРµ более широкое применение находят пространственные магнитные системы различных конструкций. РќР° СЂРёСЃ. 2.6 показаны методы образования таких систем. Комбинированная стыковая магнитная система РїРѕ СЂРёСЃ. 2,6, Р° составляется РёР· стержней, собранных РёР· плоских пластин.

Магнитный поток РІ СЏСЂРјРµ такой системы Р¤СЏ =Фс/3, Рё площадь поперечного сечения СЏСЂРјР° может быть РІ 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. РЎ учетом уменьшения площади сечения, Р° также увеличения общей длины СЏСЂРјР° эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали Рё потери холостого С…РѕРґР° примерно РЅР° 9 -10 % РїСЂРё увеличении тока холостого С…РѕРґР° РЅР° 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 РєР’•Рђ Рё РЅР° 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 РєР’•Рђ РїРѕ сравнению СЃ плоской шихтованной системой.

Р РёСЃ. 2.6. Пространственные магнитные системы: Р° — стыковая СЃРѕ стержнями, собранными РёР· плоских

пластин, Рё навитыми ярмами; Р± — навитая неразрезная, состоящая РёР· 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 РІ СЏСЂРјРµ такой системы Р¤_СЏ =Р¤_СЃ/3, Рё площадь поперечного сечения СЏСЂРјР° может быть РІ 3 раз меньше площади поперечного сечения стержня. РЎ учетом уменьшения площади сечения, Р° также увеличения общей длины СЏСЂРјР° эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали Рё потери холостого С…РѕРґР° примерно РЅР° 9 -10 % РїСЂРё увеличении тока холостого С…РѕРґР° РЅР° 50 - 90 % для трансформаторов мощностью 630 - 160 РєР’•Рђ Рё РЅР° 90 - 140% для трансформаторов мощностью 100 - 25 РєР’•Рђ РїРѕ сравнению СЃ плоской шихтованной системой.

Навитая неразрезная трехфазная магнитная система РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6,Р± состоит РёР· трех навитых колец. Сечение каждого кольца вписано РІ полуокружность. Современное специальное оборудование позволяет наматывать кольца такой формы РёР· ленты холоднокатаной стали переменной ширины РїСЂРё безотходном раскрое стали Рё высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. После намотки кольца отжигаются РІ течение 20 - 24 С‡ РїСЂРё температуре 800 °РЎ, Р° затем скрепляются РІ единую систему РїСЂРё помощи бандажей РёР· стеклоленты. Эта система дает возможность некоторой СЌРєРѕРЅРѕРјРёРё стали (5 - 7 %) Рё уменьшения потерь холостого С…РѕРґР° РїСЂРё существенном (РІ 2 - 3 раза) уменьшении тока холостого С…РѕРґР°. Обмотки наматываются после СЃР±РѕСЂРєРё системы непосредственно РЅР° ее стержни РЅР° специальном станке. Р’ последнее время применение этой системы ограничивалось трансформаторами мощностью РґРѕ 630 РєР’•Рђ. Р’ магнитной системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р± СЃ раздельно намотанными кольцами индукция РІ каждом кольце, как Рё РІ системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5,Р·, РІ 2 /3 раза больше общей расчетной индукции РІ стержне. Геометрическое сложение магнитных потоков стержней Рё СЏСЂРј РІ системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р° СЃ пластинами, расположенными, как показано РЅР° этом СЂРёСЃСѓРЅРєРµ, РЅРµ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє увеличению индукции, так же как Рё РІ системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Рµ.

После завершения СЃР±РѕСЂРєРё магнитной системы ее стержни, как правило, спрессовываются Рё стягиваются бандажами РёР· стеклоленты. Р’ трансформаторах мощностью РЅРµ более 630 РєР’•Рђ РїСЂРё диаметре стержня РЅРµ более 0,22 Рј РІ плоских шихтованных системах возможна опрессовка стержня после насадки обмоток путем расклинивания СЃ внутренней обмоткой. РЇСЂРјР° плоских систем обычно спрессовываются ярмовыми балками, Р° СЏСЂРјР° 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 Рё механическую жесткость магнитной системы, собранной РёР· тонких пластин стали толщиной 0,35 - 0,27 РјРј, масса которой достигает десятков тонн. РџСЂРё этом РІ процессе эксплуатации остов трансформатора должен выдерживать механические силы, возникающие между обмотками РїСЂРё коротком замыкании, достигающие, даже РІ трансформаторах мощностью 1000 - 6300 РєР’•Рђ, миллионов ньютонов Рё существенно возрастающие СЃ возрастанием номинальной мощности трансформатора.

Р РёСЃ. 2.7. Остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 РєР’•Рђ класса напряжения 110 РєР’

РќР° СЂРёСЃ. 2.7 изображен остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 РєР’•Рђ класса напряжения 110 РєР’. Стержни плоской шихтованной магнитной системы стянуты бандажами РёР· стеклоленты. Многоступенчатые СЏСЂРјР° запрессованы между стальными ярмовыми балками, стянутыми стальными полубандажами. Концы шпилек полубандажей СЃ гайками выведены РЅР° наружные стороны СЏСЂРјРѕ-вых балок Рё изолированы РѕС‚ РЅРёС…, чтобы избежать образования короткозамкнутых витков РІРѕРєСЂСѓРі СЏСЂРјР°. Верхние Рё нижние ярмовые балки соединены вертикальными шпильками.

Основным элементом обмотки трансформатора является виток — электрический РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРє или несколько параллельно соединяемых РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРѕРІ, однократно охватывающих часть магнитной системы. РўРѕРє витка совместно СЃ токами РґСЂСѓРіРёС… витков Рё РґСЂСѓРіРёС… частей трансформатора, РІ которых возникает электрический ток, создает магнитное поле трансформатора. РџРѕРґ воздействием этого поля РІ 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.

Р’ течение нескольких десятилетий обмотки трансформаторов изготовлялись РёР· медного РїСЂРѕРІРѕРґР°. Р’ последние 25 лет РІ обмотках трансформаторов общего назначения мощностью РґРѕ 16000 - 25000 РєР’•Рђ РІСЃРµ большее применение находит алюминиевый РїСЂРѕРІРѕРґ. Обмотки трансформаторов мощностью РґРѕ 630 - 1000 РєР’•Рђ Рё более РјРѕРіСѓС‚ изготовляться также РёР· 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).

Р’ трехфазном Рё многофазном трансформаторе РїРѕРґ обмоткой подразумевают совокупность соединяемых между СЃРѕР±РѕР№ обмоток РѕРґРЅРѕРіРѕ напряжения всех фаз, Р° РІ однофазном — обмоток всех его стержней. Р�РЅРѕРіРґР°, если это РЅРµ вызывает неправильного понимания, РїРѕРґ словом «РѕР±РјРѕС‚РєР°» подразумевают обмотку РѕРґРЅРѕР№ фазы или РѕРґРЅРѕРіРѕ стержня трансформатора.

РџРѕ СЃРїРѕСЃРѕР±Сѓ расположения РёС… РЅР° стержне обмотки трансформаторов подразделяются РЅР° концентрические Рё чередующиеся. Концентрическими обмотки называются РІ том случае, РєРѕРіРґР° обмотки РќРќ Рё Р’Рќ (Р° РІ трехобмоточных трансформаторах Рё обмотки РЎРќ)  выполняются каждая РІ РІРёРґРµ цилиндра Рё располагаются РЅР° стержне концентрически РѕРґРЅР° относительно РґСЂСѓРіРѕР№ (СЂРёСЃ. 2.8, Р°). Высоты (осевые размеры) обеих обмоток, как правило, делаются одинаковыми. РџСЂРё выполнении обмоток Р’Рќ Рё РќРќ СЃ различными высотами приходится считаться СЃРѕ значительным возрастанием осевых механических СЃРёР», возникающих РІ обмотках РїСЂРё коротком замыкании трансформатора, тем больших, чем больше разность высот обмоток. РџСЂРё концентрическом расположении обмотка РќРќ обычно располагается внутри, Р° обмотка Р’Рќ — снаружи. РџСЂРё расположении обмотки Р’Рќ снаружи упрощается вывод РѕС‚ нее ответвлений для регулирования    напряжения,     Р°    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 Р’Рќ Рё РќРќ выполняются РІ РІРёРґРµ невысоких цилиндров СЃ одинаковыми или почти одинаковыми средними диаметрами Рё располагаются РЅР° стержне РѕРґРЅР° над РґСЂСѓРіРѕР№ РІ осевом направлении стержня (СЂРёСЃ. 2.8,6). РџСЂРё этом стараются для уменьшения возникающих РїСЂРё коротком замыкании осевых механических СЃРёР» разделить РѕР±Рµ обмотки РЅРµ РІ ущерб конструктивным соображениям РЅР° возможно большее число чередующихся РіСЂСѓРїРї. Р�зменение числа РіСЂСѓРїРї позволяет также РІ широких пределах изменять реактивную составляющую напряжения короткого замыкания — увеличивающуюся СЃ уменьшением числа РіСЂСѓРїРї Рё уменьшающуюся СЃ его увеличением. Для уменьшения радиальных механических СЃРёР» стараются выдержать для обеих обмоток одинаковые внутренние диаметры Рё радиальные размеры.

Р’ чередующейся обмотке приходится рассчитывать РїРѕ испытательному напряжению обмотки Р’Рќ несколько промежутков — горизонтальных каналов между обмотками Р’Рќ Рё РќРќ. Число этих промежутков растет СЃ ростом числа РіСЂСѓРїРї, РЅР° которые разбита обмотка. Поэтому чередующиеся обмотки обладают меньшей компактностью, чем концентрические. Рљ недостаткам чередующихся обмоток следует отнести также значительное число паек соединений каждой РёР· обмоток РІ процессе СЃР±РѕСЂРєРё трансформатора, тогда как большинство конструкций концентрических обмоток допускает изготовление всей обмотки Р’Рќ или РќРќ РЅР° РѕРґРёРЅ стержень непосредственно РЅР° обмоточном станке, РѕРґРЅРёРј РїСЂРѕРІРѕРґРѕРј или РіСЂСѓРїРїРѕР№ РїСЂРѕРІРѕРґРѕРІ 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.

Р РёСЃ. 2.9. Расположение обмоток РЅР° стержне: a — трехобмоточиый трансформатор; Р± — трехобмоточный автотрансформатор; РІ— двойная концентрическая обмотка Р’Рќ; Рі — трансформатор СЃ расщепленными обмотками

Р’ трехобмоточных трансформаторах обмотка РЎРќ обычно располагается  между обмотками РќРќ Рё Р’Рќ   (СЂРёСЃ. 2.9, РІ). Для  некоторых типов трансформаторов предусмотрена также возможность размещения обмотки РЎРќ непосредственно РЅР° стержне СЃРѕ следующим расположением обмоток, считая изнутри наружу: РЎРќ—РќРќ—Р’Рќ. Как правило, РІСЃРµ три обмотки  трехобмоточного  трансформатора  рассчитываются  РЅР°  одинаковую номинальную мощность. РџСЂРё различии номинальных мощностей трех обмоток номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается большая РёР· РЅРёС….

Силовые автотрансформаторы, как правило, выпускаются трехобмоточными. Обмотки Р’Рќ Рё РЎРќ соединены РїРѕ автотрансформаторной схеме РІ звезду, имеют общую часть РҐРђ_С‚ (СЂРёСЃ. 2.9, Р±) Рё последовательно соединенную СЃ ней часть Рђ_тА. Обмотка РЎРќ стержня образуется частью РҐРђ_С‚, обмотка Р’Рќ - соединением частей РҐРђ_С‚ Рё Рђ_тА. Напряжение Р’Рќ может быть получено РЅР° выводах РђРҐ, напряжение РЎРќ - РЅР° выводах Рђ_тХ. РЎ обмоткой РќРќ, соединяемой обычно РІ треугольник, эти РґРІРµ 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).

Р’ двухобмоточных трансформаторах мощностью 25000 РєР’•Рђ Рё выше широкое применение находят расщепленные обмотки. РџСЂРё этом обмотка РќРќ разделяется РЅР° РґРІРµ гальванически РЅРµ связанные части равной мощности СЃ одинаковыми или различными напряжениями. Обмотка Р’Рќ также разделяется РЅР° РґРІРµ параллельно соединенные части так, чтобы напряжения короткого замыкания РґРІСѓС… частей обмотки РќРќ РїРѕ отношению Рє обмотке Р’Рќ были практически равны (СЂРёСЃ. 2.9,Рі). 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.

Р РёСЃ 2.10. Активная часть трехфазного масляного трансформатора мощностью 1000 РєР’× Рђ класса напряжения 35 РєР’ СЃ регулированием напряжения РїРѕРґ нагрузкой

Р–РёРґРєРёР№ или газообразный теплоноситель, чаще всего трансформаторное масло, омывающее обмотки Рё магнитную систему трансформатора, нагреваясь Сѓ РёС… поверхностей, интенсивно отводит путем конвекции РІСЃРµ выделяющиеся РІ РЅРёС… тепло Рё передает его стенкам бака Внешняя поверхность стенок бака, омываемая РІРѕР·РґСѓС…РѕРј, отдает тепло путем конвекции Рё излучения. Такая система отвода тепла позволяет допустить высокие электромагнитные нагрузки активных материалов — металла обмоток Рё стали магнитной системы Рё получить трансформатор СЃ малой массой этих материалов

Масляный бак СЃ гладкими стенками имеет относительно малую омываемую РІРѕР·РґСѓС…РѕРј внешнюю поверхность, которой оказывается достаточно для отвода тепла потерь РїСЂРё допустимых превышениях температуры обмоток, магнитной системы Рё масла РІ верхней части бака над температурой охлаждающей среды лишь РІ трансформаторах мощностью РґРѕ 25—40 РєР’×Рђ. РЎ ростом мощности Рё потерь трансформатора для обеспечения его нормального охлаждения приходится искусственно развивать внешнюю поверхность бака путем установки ребер, труб, навесных радиаторов (СЂРёСЃ. 2.11) Рё РґСЂСѓРіРёС… элементов, отдающих тепло РїСЂРё естественной конвекции РІРѕР·РґСѓС…Р°. РЈ трансформаторов мощностью 10000— 16000 РєР’•Рђ Рё более поверхность бака оказывается недостаточной для размещения навесных радиаторов, работающих РїСЂРё естественной циркуляции масла Рё РІРѕР·РґСѓС…Р° Поэтому начиная СЃ этих мощностей обычно усиливают охлаждение, применяя искусственное форсирование движения РІРѕР·РґСѓС…Р° Сѓ внешних поверхностей радиаторов РїСЂРё помощи вентиляторов или масла Сѓ внутренних РёС… поверхностей РїСЂРё помощи насосов либо же совмещают эти РґРІР° метода.

Форсированное движение масла особенно эффективно увеличивает теплоотдачу, если поступающее РёР· охладителя масло специальными устройствами направляется непосредственно Рє обмоткам Рё магнитной системе. РџСЂРё мощностях 80000—100000 РєР’ Рђ Рё более используются компактные охладители, собираемые РёР· оребренных труб, рассчитанные РЅР° теплоотдачу РѕС‚ 50 РґРѕ 200 РєР’С‚ СЃ каждого охладителя Рё продуваемые РІ горизонтальном направлении мощными вентиляторами (СЃРј СЂРёСЃ 1.2) Применяется также охлаждение масла РІ водяных охладителях.

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

Р РёСЃ. 2.12. Трехфазный СЃСѓС…РѕР№ трансформатор мощностью 1000 РєР’•Рђ класса напряжения 10 РєР’

с открытыми дверцами кожуха

Для заполнения бака трансформатора маслом РґРѕ самой крышки РїСЂРё всех возможных РІ эксплуатации колебаниях температуры Рё объема масла над крышкой устанавливается расширитель — стальной бачок, сообщающийся СЃ основным баком трубопроводом. Объем расширителя (обычно 8—10 % объема масла РІ баке) выбирается таким, чтобы РїСЂРё любых колебаниях температуры Рё объема масла его верхний уровень оставался РІ пределах расширителя. Установка расширителя, ранее называвшегося консерватором, способствует также сохранению (консервации) масла, так как позволяет свести Рє РјРёРЅРёРјСѓРјСѓ поверхность соприкосновения (зеркало) масла СЃ РІРѕР·РґСѓС…РѕРј. Если внутренний объем расширителя сообщается СЃ окружающим РІРѕР·РґСѓС…РѕРј, то РЅР° пути движения РІРѕР·РґСѓС…Р° устанавливается фильтр, заполненный сорбентом — веществом, поглощающим влагу РёР· РІРѕР·РґСѓС…Р°, поступающего РІ расширитель. Для более надежного предохранения масла РѕС‚ окисления его поверхность РІ расширителе часто изолируют РѕС‚ окружающего трансформатор РІРѕР·РґСѓС…Р° подушкой РёР· инертного газа (азота) Рё расширитель герметизируют наглухо или РїСЂРё помощи РіРёР±РєРѕР№ 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).

 Р­С‚Рѕ свойство СЃСѓС…РёС… трансформаторов позволяет применять Рёx СЃ большим успехом для установки внутри СЃСѓС…РёС… помещений РІ тех случаях, РєРѕРіРґР° обеспечение пожарной безопасности установки является решающим обстоятельством, как, например, РІ установках высотных зданий, некоторых производственных цехов, лабораторий Рё С‚.Рґ.

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 РІ обмотках воздушных СЃСѓС…РёС… трансформаторов позволяет уменьшить потери короткого замыкания РІ трансформаторах класса напряжения 10 РєР’ мощностью 400 - 1600 РєР’•Рђ РЅР° 3-4 РґРѕ 6-8 % РїРѕ сравнению СЃ масляными. Потери Рё ток холостого С…РѕРґР° РІ этих трансформаторах выше, чем РІ масляных. Воздушные СЃСѓС…РёРµ трансформаторы СЃ изоляцией классов нагревостойкости Р’, Рќ вследствие высокой стоимости изоляционных материалов (стекловолокно, стеклотекстолит, кремнийорганические лаки Рё С‚.Рґ.) существенно дороже масляных. Благодаря отсутствию масла Рё замене тяжелого бака легким кожухом общая масса СЃСѓС…РѕРіРѕ трансформатора РїСЂРё мощностях РґРѕ 400 РєР’•Рђ составляет РЅРµ более 125 -130%, Р° РїСЂРё мощностях 630 - 1600 РєР’•Рђ - РѕС‚ 110 РґРѕ 90% массы идентичного масляного трансформатора. Практически напряжения обмоток Р’Рќ воздушных СЃСѓС…РёС… трансформаторов ограничиваются верхним пределом 10-15 РєР’, Р° мощность — значениями 1600—2500 РєР’•Рђ. Такие трансформаторы большей мощности СЃ 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 Рё последовательность расчета СЃСѓС…РёС… Рё масляных трансформаторов принципиально одинаковы. Некоторые особенности расчета СЃСѓС…РёС… трансформаторов — допустимые нагрузки активных материалов, допустимые изоляционные расстояния, нагрев обмоток Рё С‚.Рґ. — отражены РІ следующих главах.

Р�РЅРѕРіРґР° РІ целях обеспечения пожарной безопасности трансформаторы заполняют негорючей Рё РЅРµ окисляющейся жидкостью - совтолом, представляющим смесь совола (полихлордифенил) СЃ трихлорбензолом. Добавка трихлорбензола позволяет получить понижение вязкости Рё температуры застывания смеси Для стран СЃ умеренным климатом наилучшим соотношением считается 65 % совола Рё 35 % трихлорбензола; для условий тропического климата — соответственно 90 Рё 10%.

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

Электрическая прочность совтола близка Рє прочности трансформаторного масла. Условия теплоотдачи РІ трансформаторах, залитых совтолом, практически РЅРµ отличаются РѕС‚ условий теплопередачи РІ масляных трансформаторах. Применение совтола ограничивается более высокой РїРѕ сравнению СЃ маслом стоимостью, большим расходом этой жидкости вследствие высокой плотности (около 1500 РєРі/Рј³), токсичностью паров совтола, действующих раздражающим образом РЅР° слизистые оболочки Рё кожу человека, Рё способностью совтола выделять токсичные газообразные вещества РїСЂРё воздействии электрической РґСѓРіРё. Р’ некоторых странах применение подобных жидких диэлектриков запрещено

2.2. ВЫБОР МАРК� СТАЛ� � В�ДА �ЗОЛЯЦ�� ПЛАСТ�Н

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 РІ силовых трансформаторах, поставляется РІ рулонах СЃ шириной 650, 750, 800, 860 Рё 1000 РјРј Рё толщиной 0,35, 0,30 Рё 0,27 РјРј РїСЂРё массе рулона РЅРµ более 5000 РєРі или РІ листах тех же толщин СЃ размерами 650-750—800—860РҐ1500 Рё 1000X2000 РјРј. Применение листовой стали РЅРµ рекомендуется, поскольку существенно усложняет технологию заготовки пластин Рё увеличивает количество отходов стали. Сталь обычно поставляется СЃ нагревостойким электроизоляционным покрытием СЃ толщиной РЅР° РѕРґРЅРѕР№ стороне РЅРµ более 5 РјРєРј, нейтральным РїРѕ отношению Рє трансформаторному маслу РїСЂРё 105 °РЎ Рё маслостойким РїСЂРё 150 °РЎ, сохраняющим электроизоляционные свойства после нагрева РґРѕ 800° РЎ РІ течение 3 С‡ РІ нейтральной атмосфере или после

выдержки РїСЂРё температуре 820 ± 10°РЎ РІ течение 3 РјРёРЅ РЅР° РІРѕР·РґСѓС…Рµ. Плотность холоднокатаной стали 7650 РєРі/Рј3, удельное электрическое сопротивление 0,50 РјРєРћРј-Рј. (Плотность горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513, 1514 - 7550 РєРі/Рј3, удельное электрическое сопротивление 0,60 РјРєРћРј-Рј).

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 РїРѕ точности прокатки РїРѕ толщине-Рќ-нормальной точности Рё Рџ — повышенной точности, РїРѕ ширине — нормальной Рё повышенной точности — РЁ, Р° также Рё РїРѕ РІРёРґСѓ покрытия — СЃ электроизоляционным нагревостойким покрытием — Р­Рў, СЃ покрытием, РЅРµ ухудшающим штампуемость, — Рњ (РјСЏРіРєРѕРµ) Рё 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.

Р’ несколько идеализированном РІРёРґРµ микроструктура холоднокатаной стали может быть представлена РІ РІРёРґРµ совокупности элементарных кристаллов кубической формы, расположенных так, что РёС… диагональные сечения располагаются РІ плоскости листа, Р° ребра РєСѓР±Р° РІ этих сечениях параллельны направлению прокатки стали, как это показано прямоугольником ABCD РЅР° СЂРёСЃ. 2.13. Наименьшие удельные потери Рё наибольшую магнитную проницаемость РїСЂРё заданной магнитной индукции холоднокатаная сталь имеет РІ направлении, параллельном ребрам РєСѓР±Р° РђР’ или CD, С‚. Рµ. РІ направлении прокатки. Это направление называется РѕСЃСЊСЋ легкого намагничивания – РѕСЃСЊ 1 РЅР° СЂРёСЃ. 2.13 [7].

Существенно худшие магнитные свойства сталь имеет РІ направлении диагонали грани РєСѓР±Р° РђD, С‚.Рµ. РІ направлении, перпендикулярном направлению прокатки. Это направление называется РѕСЃСЊСЋ среднего намагничивания - РѕСЃСЊ 2. Наихудшие магнитные свойства холоднокатаная сталь имеет РІ направлении диагонали диагонального сечения РєСѓР±Р° РђРЎ - РѕСЃРё трудного намагничивания - 3, направленной РїРѕРґ углом 55° Рє направлению прокатки.

Таблица 21 Магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали

 РїРѕ ГОСТ 21427.1-83, применяемой РІ силовых трансформаторах

Примечания:

1.     Р”ля стали марок 3411, 3412 Рё 3413 (РіСЂСѓРїРїР° I)—основными нормируемыми показателями являются удельные потери РїСЂРё магнитной индукции 1,5 РўР» Рё частоте 50 Гц Рё магнитная индукция РїСЂРё напряженности магнитного поля 2500 Рђ/Рј, для стали марок 3404, 3405, 3406, 3407 Рё 3408 (РіСЂСѓРїРїР° 0) — удельные потери РїСЂРё магнитной индукции 1,7 РўР» Рё частоте 50 Гц Рё магнитная индукция РїСЂРё напряженности магнитного поля 100 Рђ/Рј.

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

Знаком * помечены показатели, подлежащие уточнению.

Рис. 2 13. Микроструктура холоднокатаной электротехнической стали:

Р° — расположение элементарного кристалла РІ плоскости листа, Р±—направления основных осей намагничивания; РІ — СѓРіРѕР» между направлением прокатки стали Рё 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:

Р° - удельные потери РІ стали РїСЂРё f = 50 Гц Рё различных индукциях (1 - 0,5 РўР»; Рі- 1,0 РўР», 3 - 1,3 РўР», 4 -1,5 РўР»), Р± - индукция РІ стали РїСЂРё различных Рќ (1 - 80 Рђ/Рј, 2 - 400 Рђ/Рј, 3 - 2000 Рђ/Рј; 4 - 4000 Рђ/Рј; S - 8000 Рђ/Рј)

РќР° СЂРёСЃ. 2.14, Р° показан характер изменения удельных потерь для РѕРґРЅРѕР№ РёР· марок холоднокатаной стали РїСЂРё изменении индукции РѕС‚ 0,5 РґРѕ 1,5 РўР» Рё угла Р° РѕС‚ 0 РґРѕ 90°, Р° РЅР° СЂРёСЃ. 2.14,6 — влияние угла Р°. РЅР° магнитную индукцию РїСЂРё изменении РЇ РѕС‚ 80 РґРѕ 8000 Рђ/Рј. Наибольшее влияние анизотропии магнитных свойств РЅР° удельные потери сказывается РІ диапазоне индукций РѕС‚ 1 РґРѕ 1,7 РўР», Р° РЅР° магнитную следует вырезать так, чтобы Р°=0, С‚. Рµ. чтобы направление длинных сторон пластин совпадало СЃ направлением прокатки. Это требование легко выполняется РїСЂРё использовании рулонной стали Рё нарезании пластин РёР· рулона РЅР° современных линиях продольной Рё поперечной резки. Хотя горячекатаная сталь РЅРµ имеет резко выраженной анизотропии магнитных свойств, пластины РёР· листов этой стали также вырезаются только вдоль длинной стороны листа. Р’ навитых частях магнитных систем практически всегда a = 0. Р’ углах плоских шихтованных магнитных систем РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ неизбежное изменение направления линий магнитной индукции. РџСЂРё РїСЂСЏРјРѕРј стыке пластин РїРѕ СЂРёСЃ. 2.15, Р° РІРѕ всем объеме угла (область, заштрихованная РЅР° этом СЂРёСЃСѓРЅРєРµ) a ¹ 0 Рё РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ увеличение удельных потерь Рё удельной намагничивающей мощности, что может существенно отразиться РЅР° потерях Рё намагничивающей мощности всей магнитной системы. Замена РїСЂСЏРјРѕРіРѕ стыка РІ углах косым стыком РїРѕ СЂРёСЃ. 2.15,6 позволяет уменьшить объем, РІ котором a ¹ 0, Рё, следовательно, уменьшить потери Рё намагничивающую мощность для углов Рё всей магнитной системы. Р’ пространственной магнитной системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р° углы РІ навитых ярмах рассматриваются как углы СЃ прямым стыком, Р° навитую магнитную систему РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6,6 можно рассматривать как вообще РЅРµ имеющую углов.

Р РёСЃ. 2.16. Линии магнитной индукции РІ пластинах СЃС‚ержня РїСЂРё наличии отверстий

Рис. 2.15. Шихтовка пластин в

углу магнитной системы: Р° — РїСЂСЏРјРѕР№ стык; 6 — РєРѕСЃРѕР№ стык

РџСЂРё использовании листовой стали СЃ длиной листа 1500 или 2000 РјРј длина пластин ограничивается этими размерами Рё РїСЂРё мощностях трансформаторов, превышающих 6300 РєР’•Рђ, РІ которых требуются пластины большей длины, возникает необходимость РёС… стыкования внутри стержней Рё СЏСЂРј Рё стяжки магнитной системы шпильками, проходящими СЃРєРІРѕР·СЊ стержни Рё СЏСЂРјР° (СЂРёСЃ. 2.16). РџСЂРё этом РІ сечении пластины РЅР° СѓСЂРѕРІРЅРµ отверстия увеличивается индукция, линии магнитной индукции РІ пластинах должны огибать отверстия Рё СѓРіРѕР» ее становится РЅРµ равным нулю. Р’ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ массе стали стержней Рё СЏСЂРј возникают добавочные потери Рё для создания РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРіРѕ 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 РІ значительно большей степени, чем горячекатаная, чувствительна Рє механическим воздействиям. Р’ результате механической обработки РїСЂРё заготовке пластин магнитной системы - продольной Рё поперечной резки, закатки или срезания заусенцев, штамповки отверстий (РІ конструкциях реакторов) - увеличиваются удельные потери Рё удельная намагничивающая мощность стали. Это ухудшение магнитных свойств стали может быть полностью или РІ значительной мере снято путем восстановительного отжига заготовленных пластин РїСЂРё 800 - 820 °РЎ. РќР° современных заводах такой отжиг обязательно включается РІ технологический процесс изготовления пластин после РёС… механической обработки. РџСЂРё отсутствии отжига следует считаться СЃ возможным повышением потерь холостого С…РѕРґР° РЅР° 8 -10 % Рё тока холостого С…РѕРґР° РЅР° 25 - 30 %. Особенно сильно магнитные свойства стали ухудшаются РїСЂРё изготовлении частей магнитной системы путем навивки РёР· 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 СЃР±РѕСЂРєРё магнитной системы, РІРѕ избежание возникновения между РЅРёРјРё вихревых токов должны быть надежно изолированы РѕРґРЅР° РѕС‚ РґСЂСѓРіРѕР№. Современное нагревостойкое электроизоляционное покрытие обеспечивает достаточно прочную Рё надежную изоляцию пластин РїСЂРё высоком коэффициенте заполнения сечения пакета пластин сечением чистой стали. РџСЂРё мощностях трансформаторов, превышающих 100000 РєР’•Рђ, РёРЅРѕРіРґР° усиливают изоляцию пластин путем нанесения поверх нагревостойкого покрытия РѕРґРЅРѕРіРѕ слоя лаковой пленки.

Лаковая изоляция наносится РІ РІРёРґРµ пленки РЅР° РѕР±Рµ стороны пластины (лак РљР¤-965, ГОСТ 15030-78, быстрой горячей огневой сушки) СЃ последующим испарением Рё выгоранием растворителя Рё запеканием пленки РІ РѕРіРЅРµ газовых горелок РїСЂРё 450 - 550 °РЎ. Толщина пленки около 0,01 РјРј. РћРЅР° дает хорошую изоляцию пластин, высокий коэффициент заполнения сечения стержня, имеет высокую теплопроводность, достаточно прочна РІ механическом отношении Рё РЅРµ повреждается РїСЂРё СЃР±РѕСЂРєРµ. РџСЂРё отсутствии РЅР° стали нагревостойкого покрытия наносятся РґРІР° или три слоя пленки.

Коэффициент заполнения сечения стержня (или СЏСЂРјР°) сталью k3, равный отношению чистой площади стали РІ сечении— активного сечения /7РЎ (или /7РЇ) Рє площади ступенчатой фигуры РџС„,СЃ С‚. Рµ. k3= РџСЃ / РџС„,СЃ , желательно иметь наиболее высоким, потому что понижение этого коэффициента ведет Рє увеличению массы стали магнитной системы Рё металла обмоток.

Коэффициент заполнения k₃ Р·Р°РІРёСЃРёС‚ РѕС‚ толщины пластин стали - 0,35, 0,30 или 0,27 РјРј, РІРёРґР° изоляции пластин, силы сжатия пластин Рё наличия Сѓ РЅРёС… такого дефекта, как неплоскостность, С‚. Рµ. отклонение РѕС‚ плоской формы. ГОСТ 21427.1-83 для холоднокатаной рулонной стали толщиной 0,35, 0,30 Рё 0,27 РјРј допускает высоту отклонения пластины РѕС‚ плоскости РЅРµ более 2 Рё РЅРµ более 1 % длины пластины. Коэффициенты заполнения k3 для стали, удовлетворяющей требованиям ГОСТ 21427.1-83, РїСЂРё современной технологии СЃР±РѕСЂРєРё остова приведены РІ табл. 2.2.

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

Примечания:

1.     РџСЂРё прессовке стержней путем расклинивания СЃ РІРЅСѓС‚.ренней обмоткой (РґРѕ 630 РєР’•Рђ), Р° также РІ навитых элементах пространственных магнитных систем k3 , полученное РёР· таблицы, уменьшить РЅР° 0,01.

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

3.     РџСЂРё использовании листовой холоднокатаной стали толщиной 0,35 РјРј уменьшить k3, полученное РёР· таблицы, РЅР° 0,01 дополнительно Рє РїСЂРёРј. 1.

4.     Р”ля стали толщиной 0,35 РјРј без электроизоляционного покрытия РїСЂРё двукратной лакировке k3 =0,92 ¸ 0,93.

РџСЂРё выборе марки Рё толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь СЃ более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, Р° сталь меньшей толщины РїСЂРё более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения k₃. Эта сталь для получения пакета заданных размеров требует изготовления, отжига Рё укладки РїСЂРё СЃР±РѕСЂРєРµ магнитной системы большего числа пластин РїРѕ сравнению СЃРѕ сталью большей толщины. Р’ табл. 2.3 показано сравнение современных марок стали РїРѕ 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

Р’ целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток Рё стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукции, что, однако, связано СЃ относительно малым увеличением потерь Рё существенным увеличением тока холостого С…РѕРґР° трансформатора. Уменьшение расчетной индукции РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє получению лучших параметров холостого С…РѕРґР° (главным образом тока) Р·Р° счет увеличения массы материалов Рё стоимости активной части. ерхний предел индукции обычно определяется допустимым значением ток холостого С…РѕРґР° (СЃРј. § 11.1).

Рекомендуемые значения расчетной индукции РІ стер» РЅСЏС… современных масляных Рё СЃСѓС…РёС… трансформаторов РїСЂ использовании современных марок холоднокатаной стал приведены РІ табл. 2.4.

Таблица 2.4. Рекомендуемая индукция в стержнях трансформаторов В, Тл

Примечания:

1.     1. Р’ магнитных системах трансформаторов мощностью РѕС‚ 100 000 РєР’-Рђ Рё более допускается индукция РґРѕ 1,7 РўР».

2.     1, РџСЂРё горячекатаной стали РІ магнитных системах масляных трансформато. СЂРѕРІ индукция РґРѕ 1,4—1,45, СЃСѓС…РёС… — РґРѕ 1,2—1,3 РўР».

Холоднокатаная электротехническая текстурованная сталь aj трансформаторного производства выпускается также РІ СЂСЏРґРµ зарубе> ных стран — Англии, РЎРЁРђ, Франции, ФРГ, Швеции, РЇРїРѕРЅРёРё. Mapi этой стали можно отнести Рє трем основным типам: марка РњР± — ста. толщиной 0,35 РјРј СЃ удельными потерями РїСЂРё £=1,5 РўР» Рё / = 50 1 около 1,10—1,12 Р’С‚/РєРі; марка Рњ5 — сталь толщиной 0,35—0,30 РјРј удельными потерями 1,07—0,97 Р’С‚/РєРі Рё марка Рњ4 —сталь толщи» 0,30—0,28 РјРј СЃ удельными потерями 0,95—0,89 Р’С‚/РєРі. Коэффициен' заполнения для этих марок стали РјРѕРіСѓС‚ быть приняты РїРѕ табл. 2.2.

2.3. КОНСТРУКЦ�� МАГН�ТНЫХ С�СТЕМ С�ЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Первой задачей, решаемой РїСЂРё проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор конструктивной схемы. Плоская магнитная система (СЃРј. pРёСЃ. 2.1)  может быть принята для производства РЅР° любом СЃ временном   трансформаторном заводе.   Пространственные магнитные системы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, позволяющие получить СЌРєРѕРЅРѕРјРёСЋ электротехнической стали Рё уменьшение потерь холостого С…РѕРґР° РґРѕ    9—10%, применяются РІ трансформатоpax мощностью РґРѕ 630 РєР’-Рђ. РќРµ исключено РёС… применение РїСЂРё мощностях 1000—6300 РєР’-Рђ. Для изготовления пространственных   магнитных   систем РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6 необходимо иметь специальное оборудование для навивки Рё длительного   отжига   навитых   частей,   Р° для конструкции   РїРѕ СЂРёСЃ 2.6, Р± — также Рё для нарезки ленты переменной ширины намотки обмоток  непосредственно РЅР° магнитную  систему.

РџСЂРё расчете плоской магнитной системы РёР· рулона холоднокатаной стали должен быть выбран план шихтовки пластин. Наименьшие потери Рё ток холостого С…РѕРґР° РјРѕРіСѓС‚ быть получены РїСЂРё шихтовке СЃ косыми стыками пластин РІ шести углах (СЂРёСЃ. 2.17,Р°). Существенно проще технологя заготовки пластин Рё СЃР±РѕСЂРєРё магнитной системы РїРѕ СЂРёСЃ 2.17, Р± СЃ косыми стыками РІ четырех Рё прямыми РІ РґРІСѓС… углах РїСЂРё несколько более высоких потерях Рё токе холостого С…РѕРґР°. Средней РїРѕ технологической сложности Рё параметрам холостого С…РѕРґР° является схема РїРѕ СЂРёСЃ. 2.17, РІ СЃ косыми стыками РІ четырех Рё комбинированными «РїРѕР»СѓРєРѕСЃС‹РјРё» РІ РґРІСѓС… углах. Наибольшее распостранение получила схема РїРѕ СЂРёСЃ. 2.17, Р± Рё меньшее —схемы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.17, Р° Рё РІ.

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

 РџСЂРё расчете Рё конструировании  магнитной системы трансформатора РІ первую очередь должны быть предусмотрены: получение возможно меньших потерь тока холостого С…РѕРґР°, минимальный расход электротехнической стали Рё возможно больший коэффициент заполнения сталью пространства внутри обмоток. Магнитная система (остов) служит также Рё механической РЅРѕРІРѕР№ трансформатора. РќР° остове располагаются Рё укрепляются обмотки Рё отводы РѕС‚ обмоток, Рё РІ некоторых конструкциях РЅР° остове РІ процессе СЃР±РѕСЂРєРё трансформатора укрепляется крышка бака СЃ вводами Рё 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 Рё нижних ярмовых балок РІ остове СЃ плоской магнитной системой РјРѕРіСѓС‚ служить вертикальные шпильки, расположенные РІРЅРµ обмоток Р’Рќ (СЃРј. СЂРёСЃ. 2.7) Рё достаточно РѕС‚ РЅРёС… удаленные или надежно изолированные. Р’ масляных трансформаторах такие шпильки применяют РїСЂРё напряжениях обмоток Р’Рќ— 10, 35 Рё 110 РєР’, Р° РІ СЃСѓС…РёС… РґРѕ 10 РєР’. Вертикальные шпильки также РјРѕРіСѓС‚ быть использованы для осевой прессовки обмоток Р·Р° счет небольшого СЃРґРІРёРіР° РІРЅРёР· 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.

РџСЂРё наличии прессующих пластин верхние ярмовые балки РЅРµ РјРѕРіСѓС‚ сдвигаться РІРЅРёР· Рё РІ остове СЃ плоской магнитной системой осевая прессовка обмоток должна осуществляться прессующими кольцами - разрезными Рё заземленными металлическими или неразрезными РёР· твердого диэлектрика, расположенными между обмоткой Рё верхним СЏСЂРјРѕРј. РџСЂРё соединении ярмовых балок шпильками прессующие кольца обычно устанавливаются РїСЂРё мощностях, превышающих 1600 РєР’•Рђ. РџСЂРё наличии прессующих колец изоляционное расстояние РѕС‚ обмотки Р’Рќ РґРѕ верхнего СЏСЂРјР° увеличивается согласно примечанию 2 Рє 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 РІ стержневых магнитных системах обычно имеет РІРёРґ симметричной ступенчатой фигуры, вписанной РІ окружность (СЂРёСЃ. 2.18). Диаметр этой окружности d РЅР°Р·С‹РІР°РµС‚СЃСЏ диаметром стержня трансформатора Рё является РѕРґРЅРёРј РёР· основных его размеров. Ступенчатое сечение стержня (Рё СЏСЂРјР°) образуется сечениями пакетов пластин. РџСЂРё этом пакетом называется стопа пластин РѕРґРЅРѕРіРѕ размера. Чистое сечение стали РІ поперечном сечении стержня или СЏСЂРјР° называется активным сечением стержня или СЏСЂРјР°.

Число ступеней, определяемое РїРѕ числу пакетов стержня РІ РѕРґРЅРѕР№ половине РєСЂСѓРіР°, может быть различным. Увеличение числа ступеней увеличивает коэффициент заполнения площади РєСЂСѓРіР° k_Kp РїР»РѕС‰Р°РґСЊСЋ ступенчатой фигуры, РЅРѕ одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, чем усложняет заготовку пластин Рё СЃР±РѕСЂРєСѓ 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 2.6. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных сухих трансформаторов

Примечания:

1.     Р’ коэффициенте k_РєСЂ СѓС‡С‚ено наличие охлаждающих каналов РІ сечении стержня.

2.     Р”Рѕ диаметра стержня d = 0,22 Рј стержень прессуется расклиниванием СЃ обмоткой, РїСЂРё d >0,22 Рј прессовка осуществляется бандажами.

3.     РџСЂРё использовании таблицы для однофазного трансформатора его мощность умножить РЅР° 1,5.

Рис. 2.18. Различные способы сборки и прессовки стержня

РІ —путем расклинивания СЃ жестким цилиндром обмотки РќРќ; Р± — бандажи РёР· стеклоленты; РІ — сквозными стяжными шпильками; СЃР±РѕСЂРєР° стержня: Рі — РёР· радиально расположенных пластин; Рґ — РёР· пластин эвольвентной формы

РЁРёСЂРёРЅР° пластин, определяющая ширину Рё толщину пакетов, образующих сечение стержня, выбирается так, чтобы РїСЂРё заданном диаметре было обеспечено получение наибольшего сечения стержня РїСЂРё максимальном использовании Рё минимальных отходах листовой или рулонной стали. Для ширины пластин существует нормализованная шкала (СЃРј. § 8.1).

Стержни Рё СЏСЂРјР° шихтованной магнитной системы должны быть стянуты Рё скреплены так, чтобы остов представлял СЃРѕР±РѕР№ достаточно жесткую конструкцию как механическая РѕСЃРЅРѕРІР° трансформатора. Стяжка Рё крепление остова должны обеспечивать его достаточную прочность после расшихтовки верхнего СЏСЂРјР° РїСЂРё насадке обмоток, подъеме активной части трансформатора Рё коротком замыкании РЅР° его обмотках, Р° также отсутствие СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ вибрации пластин Рё минимальный уровень шума РїСЂРё работе трансформатора РІ сети. Эти требования достаточно хорошо удовлетворяются РїСЂРё равномерно распределенном напряжении сжатия между пластинами стержня Рё СЏСЂРјР° РїСЂРё СЃР±РѕСЂРєРµ 0,4-0,6 РњРџР° (40—60 Рќ/СЃРј²), считая РїРѕ среднему, С‚. Рµ. наиболее широкому пакету.

Прессовка стержней может осуществляться различными способами. РџСЂРё мощности трехфазного трансформатора РґРѕ 630 РєР’•Рђ Рё диаметре стержня РґРѕ 0,22 Рј включительно хорошие результаты дает прессовка его без применения специальных конструкций путем забивания деревянных стержней Рё планок между стержнем Рё обмоткой РќРќ или ее жестким изоляционным бумажно-бакелитовым цилиндром (СЂРёСЃ. 2.18, Р°). Стержни трансформаторов большей мощности — РѕС‚ 1000 РєР’•Рђ Рё выше - РїСЂРё диаметре d >0,22 Рј нуждаются РІ более надежной прессовке. Р’ этом случае хороший результат может быть достигнут РїСЂРё стяжке стержня бандажами РёР· стеклоленты, расположенными РїРѕ высоте стержня РЅР° расстояниях 0,12—0,15 Рј РѕРґРёРЅ РѕС‚ РґСЂСѓРіРѕРіРѕ (СЂРёСЃ. 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 СЃРєРІРѕР·СЊ пластины всех его пакетов (СЂРёСЃ. 2.18, РІ), вынужденно применявшаяся РІ течение СЂСЏРґР° лет РІ магнитных системах РёР· листовой стали, РЅРµ обеспечивает равномерного распределения силы прессовки между пакетами, способствует появлению «РІРµРµСЂР°», С‚. Рµ. расхождения пластин РЅР° краях пакетов Рё требует наличия РЅР° заводе большого прессового Рё инструментального хозяйства. РџСЂРё такой конструкции прессовки стержней Рё СЏСЂРј увеличиваются удельные потери встали Рё уменьшается ее магнитная проницаемость. Поэтому РІ магнитных системах трансформаторов, изготовляемых РёР· рулонной холоднокатаной стали, РѕРЅР° РЅРµ применяется, РЅРѕ используется РІ конструкциях реакторов.

Р’ навитой магнитной системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.5, Р· РїСЂРё навивке РёР· лент различной ширины сечение стержня (Рё СЏСЂРјР°) будет ступенчатым, Р° РІ системе РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р± РїСЂРё навивке РёР· ленты переменной ширины — составленным РёР· РґРІСѓС… полукруглых сечений. Эти магнитные системы после навивки Рё отжига РёС… частей скрепляются бандажами РёР· стеклоленты. Стержни стыковой пространственной магнитной системы РїРѕ СЂРёСЃ. 2.6, Р° собираются РёР· пластин разной ширины Рё одинаковой длины Рё после опрессовки стягиваются бандажами. Р’ центральном пакете стержня такой магнитной системы РІРѕ время его СЃР±РѕСЂРєРё оставляется квадратное отверстие для РїСЂРѕС…РѕРґР° осевой шпильки, соединяющей верхнее Рё нижнее СЏСЂРјР°.

Сечение стержня может быть образовано РЅРµ только набором пакетов плоских пластин (СЂРёСЃ. 2.18, Р°—РІ), РЅРѕ также Рё радиальной шихтовкой плоских пластин (СЂРёСЃ. 2.18, Рі) или набором пластин, изогнутых РїРѕ форме цилиндрической эвольвентной поверхности (СЂРёСЃ. 2.18, ). РћР±Р° эти СЃРїРѕСЃРѕР±Р° СЃР±РѕСЂРєРё магнитной системы предусматривают стыковую конструкцию остова СЃ отдельно собираемыми стержнями Рё ярмами. РЇСЂРјР° наматываются РёР· рулонной стали или выполняются РІ РІРёРґРµ набора плоских пакетов. Конструкция СЃ пластинами эвольвентной формы СѓРґРѕР±РЅР° тем, что каждый стержень собирается РёР· пластин РѕРґРЅРѕРіРѕ размера. РЁРёСЂРёРЅР° пластины (длина эвольвентной линии) зависит только РѕС‚ диаметров стержня — внутреннего d₁ Рё внешнего d.

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

Коэффициент заполнения площадки РєСЂСѓРіР° kРєСЂ РїСЂРё радиальном расположении пластин может быть найден РїРѕ СЂРёСЃ. 2.18, Рі. Площадь РєСЂСѓРіР° может быть представлена РІ РІРёРґРµ СЂСЏРґР° элементарных секторов СЃ углом a. Площадь сектора РџСЃРµРєС‚ = dnd /(2 · 2) ; площадь, РЅРµ заполненная пластинами (Рї треугольников),

 Рџ0=ndd /(2n · 2) =dd /4, тогда kРєСЂ = (Псект — Рџ0) /Псект = (Рї — 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.

РџСЂРё эвольвентной форме пластин (СЂРёСЃ. 2.18, Рґ) Рё общей площади РєСЂСѓРіР° РџРєСЂ = pd2 / 4 РЅРµР·Р°РїРѕР»РЅРµРЅРЅС‹РјРё оказываются площадь РІ центре РєСЂСѓРіР° Рџ01 = pd21 / 4 Рё площади элементарных треугольников РїРѕ внешней окружности стержня. Приближенно эти площади для Рї пластин можно найти так:

Рџ02 =npdd /(2n) =pdd /2, коэффициент заполнения

Ширина пластины (развертка эвольвенты)

, РіРґРµ k=d/d₁.

Стержни диаметром РґРѕ 0,36 Рј обычно достаточно хорошо охлаждаются маслом, омывающим РёС… наружную поверхность. РџСЂРё диаметре РѕС‚ 0,36 Рј Рё выше для обеспечения надежного охлаждения внутренних частей стержня между его пакетами делаются охлаждающие каналы. Эти каналы РјРѕРіСѓС‚ быть продольными РїРѕ отношению Рє пластинам стержня или поперечными. Продольные каналы стержня продолжаются Рё РІ ярмах. Вертикальный поперечный канал стержня обычно переходит РІ горизонтальный поперечный канал СЏСЂРјР°, разделяя магнитную систему РЅР° отдельные «СЂР°РјС‹» так, как это показано, например, для однофазного трансформатора РЅР° СЂРёСЃ. 2.19. Р’ стержнях обычно делают РЅРµ более РѕРґРЅРѕРіРѕ 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:

Р° — расположение каналов РІ системе; 6 — сечение стержня; / Рё 2—продольные каналы стержня Рё СЏСЂРјР°; 3 Рё 4 —поперечные каналы

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

охлаждающих каналов. Трехфазные трансформаторы

а) Масляные трансформаторы

б) Сухие трансформаторы

Примечания:

1.     Р’ масляных трансформаторах ширина продольного камола 6, поперечного - 10 РјРј.

2.     Р’ СЃСѓС…РёС… трансформаторах ширина продольного канала 20 РјРј.

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

kРєСЂ = 4РџС„,СЃ / (p d2 ); РџС„,СЃ = kРєСЂ p d2 / 4;

k3 = 4РџСЃ / (kРєСЂ p d2 ); РџСЃ = kРєСЂ k3 p d2 / 4;

Рџc = kc p d2 / 4; kc = kРєСЂ 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 РїРѕ табл. 2.2 РІ соответствии СЃ РІРёРґРѕРј стали — рулонная или листовая, СЃ типом изоляционного покрытия Рё принятой технологией СЃР±РѕСЂРєРё 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 РїРѕ табл. 8.2—8.5 можно принять &СЏ= 1,02-=-1,03. Возможна также форма СЏРѕРјР° РїРѕ РѕРёСЃ. 2.20. Р±. лающая некоторую СЌРєРѕРЅРѕРјРёСЋ стали РІ местах прилегания стержней Рё СЏСЂРј — РґРѕ 1,5—2 % массы стали магнитной системы.

Рис. 2.20. Формы поперечного сечения ярма

Р’ целях упрощения СЃР±РѕСЂРєРё остова Рё уменьшения числа пластин СЃ различными размерами, Р° также упрощения опорных конструкций обмоток РІ магнитных системах трансформаторов РІ течение СЂСЏРґР° лет применялась упрощенная форма сечения СЏСЂРјР° — СЃ РѕРґРЅРѕР№-РґРІСѓРјСЏ ступенями или прямоугольная (СЂРёСЃ. 2.20, РІ). РџСЂРё такой форме сечения СЏСЂРјР° возникает неравномерное распределение магнитных потоков Рё индукции РІ стыкующихся пакетах стержня Рё СЏСЂРјР°, что ведет Рє повышению потерь Рё тока холостого С…РѕРґР°, особенно РІ магнитных системах, собираемых РёР· анизотропной стали.

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

Р° — внешними шпильками; Р± — стальными полубандажами Рё внешними шпильками; РІ — сквозными шпильками

Р’ современных конструкциях плоских магнитных систем трансформаторов мощностью РґРѕ 6300 РєР’•Рђ, собираемых РёР· холоднокатаной стали, прессовка СЏСЂРј осуществляется РїСЂРё помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными Р·Р° пределы СЏСЂРјР° (СЂРёСЃ. 2.21, Р°). Стальная шпилька над средним стержнем РёРЅРѕРіРґР° заменяется стальной СЃРєРѕР±РѕР№ СЃ нажимным болтом. Р’ трансформаторах большей мощности — РѕС‚ 10000 РєР’•Рђ Рё выше — СЏСЂРјРѕ прессуется РїСЂРё помощи стальных полубандажей, стягивающих РґРІРµ ярмовые балки Рё изолированных РѕС‚ балок (СЂРёСЃ. 2.21, Р±). Прессовка СЏСЂРјР° шпильками, проходящими СЃРєРІРѕР·СЊ СЏСЂРјРѕ Рё изолированными РѕС‚ СЏСЂРјР° Рё балок, применяется только РІ конструкциях реакторов (СЂРёСЃ. 2.21, РІ).

Р’ соответствии СЃ высказанными соображениями РїСЂРё выборе СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРІ прессовки стержней Рё СЏСЂРј, формы сечения Рё коэффициента усиления СЏСЂРјР° для современных трансформаторов СЃ магнитными системами, собираемыми РёР· холоднокатаной стали, можно воспользоваться рекомендациями табл. 2.8. РџСЂРё отступлении РѕС‚ этих рекомендаций следует считаться СЃ возможным увеличением потерь Рё тока холостого С…РѕРґР° соответственно РЅР° 9—25 Рё 50—200 % РїСЂРё стяжке стержней Рё СЏСЂРј сквозными шпильками РїСЂРё шаге отверстий РѕС‚ 0,24 РґРѕ 0,12 Рј Рё РЅР° 5—8 % РїСЂРё упрощении формы сечения СЏСЂРјР°.

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

Глава третья

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

3.1. ЗАДАН�Е НА ПРОЕКТ � СХЕМА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

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

• полная мощность трансформатора S, РєР’•Рђ;

• число фаз С‚;

• частота f, Гц;

номинальные линейные напряжения обмоток высшего Рё низшего напряжений U2 Рё U, Р’; СЃРїРѕСЃРѕР± регулирования напряжения — переключение без возбуждения (ПБВ) или регулирование РїРѕРґ нагрузкой (Р РџРќ), число ступеней, напряжение ступени Рё пределы регулирования напряжения;

схема и группа соединения обмоток;

способ охлаждения трансформатора;

7) режим нагрузки — продолжительный, кратковременный или РґСЂСѓРіРѕР№. РџСЂРё кратковременном или РґСЂСѓРіРѕРј режиме должны быть указаны его параметры — продолжительность работы Рё интервалов Рё отдаваемая трансформатором мощность (или ток);

 8) характер установки — внутренняя или наружная, С‚. Рµ. внутри помещения или РЅР° открытом пространстве.

Кроме этих данных в задании обычно указываются некоторые параметры трансформатора:

• напряжение короткого замыкания РёРє, %;

• потери короткого замыкания Р Рє, Р’С‚;

• потери холостого С…РѕРґР° Р С…, Р’С‚;

• ток холостого С…РѕРґР° 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.

Р’ задании РЅР° расчет силового автотрансформатора обычно указывается его «РїСЂРѕС…одная» мощность Snpox, равная произведению линейного напряжения U РЅР° линейный ток, Snpox = UI ×10-3 Сѓ однофазного Рё Snpox = 3UI ×10-3 Сѓ трехфазного автотрансформатора. Р’ задании указываются также первичное U Рё вторичное U/ номинальные линейные напряжения Рё сетевое напряжение короткого замыкания РёРє СЃ С‚. Рµ. отнесенное Рє большему РёР· РґРІСѓС… 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 Рє определенному промежутку времени, СЃ эксплуатационными затратами Р·Р° этот промежуток Рё зависит РІ значительной мере РѕС‚ правильного выбора таких его параметров, как потери холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания. Для силового трансформатора СѓСЂРѕРІРЅРё потерь холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания обычно устанавливаются таким путем РїСЂРё проектировании новых серий Рё разработке новых стандартов. РџСЂРё индивидуальном проектировании силового трансформатора общего или специального назначения параметры холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания, как правило, задаются соответствующим ГОСТ. Получение определенных параметров достигается рациональным выбором основных размеров трансформатора, Р° также РїРѕРґР±РѕСЂРѕРј соответствующих удельных нагрузок активных материалов — индукции РІ магнитной системе Рё плотности тока РІ 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 СЃРѕ вторым этапом проектирования — конструированием. РќР° самых первых стадиях расчета необходимо произвести выбор РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕР№ конструктивной схемы трансформатора, Р° также РІ С…РѕРґРµ расчета выбирать конструкции его отдельных частей — магнитной системы, обмоток, изоляционных деталей, отводов Рё С‚. Рґ. Поэтому, приступая Рє работе, расчетчик должен иметь СЏСЃРЅРѕРµ представление Рѕ современных конструкциях частей трансформатора, практически возможных пределах РёС… применения, достоинствах Рё недостатках.

Для облегчения работы расчетчика РІ тексте некоторых глав приводятся краткие сведения РїРѕ конструкции частей трансформатора — остова, обмоток, бака Рё С‚. Рґ. — РІ объеме, минимально необходимом для расчета, Рё даются рекомендации РїРѕ 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 �к 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):

Р°)         линейных Рё фазных токов Рё напряжений обмоток Р’Рќ Рё РќРќ;

Р±)        испытательных напряжений обмоток;

РІ)         активной Рё 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

Глава третья

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРАНСФОРМАТОРА

3.1. ЗАДАН�Е НА ПРОЕКТ � СХЕМА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

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

• полная мощность трансформатора S, РєР’·Рђ;
• число фаз С‚;
• частота f, Гц;
• номинальные линейные напряжения обмоток высшего Рё низшего напряжений U2 Рё U1, Р’; СЃРїРѕСЃРѕР± регулирования напряжения - переключение без возбуждения (ПБВ) или регулирование РїРѕРґ нагрузкой (Р РџРќ), число ступеней, напряжение ступени Рё пределы регулирования напряжения;
• схема Рё РіСЂСѓРїРїР° соединения обмоток;
• СЃРїРѕСЃРѕР± охлаждения трансформатора;
• режим нагрузки – продолжительный, кратковременный или РґСЂСѓРіРѕР№. РџСЂРё кратковременном или РґСЂСѓРіРѕРј режиме должны быть указаны его параметры – продолжительность работы Рё интервалов Рё отдаваемая трансформатором мощность (или ток);
• характер установки- внутренняя или наружная, С‚.Рµ. внутри помещения или РЅР° открытом пространстве.

Кроме этих данных в задании обычно указываются некоторые параметры трансформатора:

• напряжение короткого замыкания Рё_Рє, %;
• потери короткого замыкания Р _Рє, Р’С‚;
• потери холостого С…РѕРґР° Р _С…, Р’С‚;
• ток холостого С…РѕРґР° i_Рѕ, %.

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.

Р’ задании РЅР° расчет силового автотрансформатора обычно указывается его «РїСЂРѕС…одная» мощность S_{РїСЂРѕС…}, равная произведению линейного напряжения U РЅР° линейный ток, S_{РїСЂРѕС…} = UI·10^-3 Сѓ однофазного Рё S_{РїСЂРѕС…} = UI·10^-3 Сѓ трехфазного автотрансформатора. Р’ задании указываются также первичное U Рё вторичное U' номинальные линейные напряжения Рё сетевое напряжение короткого замыкания Рё_Рє,СЃ, С‚. Рµ. отнесенное Рє большему РёР· РґРІСѓС… 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 Рё фазных токов Рё напряжений обмоток Р’Рќ Рё РќРќ;
• испытательных напряжений обмоток;
• активной Рё реактивной составляющих напряжения короткого замыкания.

2. Расчет основных размеров трансформатора (гл. 2, 3 и 4):

• выбор схемы, конструкции Рё технологии изготовления магнитной системы;
• выбор материала обмоток;
• предварительный выбор конструкции обмоток (РіР». 5);
• выбор конструкции Рё определение размеров основных изоляционных промежутков главной изоляции обмоток;
• предварительный расчет трансформатора Рё выбор соотношения основных размеров β СЃ учетом заданных значений Рё_Рє, Р _Рє Рё Р С… РїРѕ § 3.4-3.7 или только РїРѕ § 3.7;
• определение диаметра стержня Рё высоты обмотки, предварительный, расчет магнитной системы.

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

• выбор типа обмоток РќРќ Рё Р’Рќ;
• расчет обмотки РќРќ;
• расчет обмотки Р’Рќ.

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

• потерь короткого замыкания - основных Рё добавочных РІ обмотках, добавочных РІ элементах конструкции;
• напряжения короткого замыкания;
• механических СЃРёР» РІ обмотках.

5. Окончательный расчет магнитной системы. Определение параметров холостого хода (гл. 8):

• размеров пакетов Рё активных сечений стержня Рё СЏСЂРјР°;
• массы стержней Рё СЏСЂРј Рё массы стали;
• потерь холостого С…РѕРґР°;
• тока холостого С…РѕРґР°.

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 Рё масла над РІРѕР·РґСѓС…РѕРј;
• массы масла Рё основных размеров расширителя.

7. Экономический расчет (гл. 1 и 3):

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

3.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТР�ЧЕСК�Х ВЕЛ�Ч�Н ТРАНСФОРМАТОРОВ � 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 РѕРґРЅРѕР№ фазы трансформатора, РєР’·Рђ,

S_С„ = S/m (3.1)

мощность на одном стержне

S' = S/c (3.2)

РіРґРµ СЃ - число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора; S - номинальная мощность трансформатора, РєР’·Рђ.

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)

РіРґРµ S - мощность трансформатора, РєР’·Рђ; для трехобмоточного трансформатора S - мощность соответствующей обмотки Р’Рќ, РЎРќ или РќРќ; U - номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, Р’.

Для расщепленных обмоток S — мощность соответствующей части обмотки. Р’ трансформаторах классов напряжения 35—500 РєР’, отвечающих требованиям современных стандартов, расщепление обмотки производится РЅР° РґРІРµ части, равные РїРѕ мощности.

Номинальный ток однофазного трансформатора, А,

I = S·10³/U (3.4)

Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора, А:

 РїСЂРё соединении обмоток РІ звезду или зигзаг

I_С„ = I (3.5)

при соединении обмоток в треугольник

I_С„ = I / (3.6)

где номинальный ток I определяется по (3.3).

Фазное напряжение трехфазного трансформатора, В:

 РїСЂРё соединении РІ звезду или зигзаг

U_С„ = U/ (3.7)

здесь U — номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, Р’.

 РїСЂРё соединении РІ треугольник

U_С„ = U (3.8)

РџСЂРё соединении РІ зигзаг результирующее фазное напряжение образуется геометрическим сложением напряжений РґРІСѓС… частей обмотки, находящихся РЅР° разных стержнях (СЂРёСЃ. 3.1). Р’ силовых трансформаторах общего назначения РѕР±Рµ части обмотки РЅР° каждом стержне имеют равное число витков. Р’ этом случае фазное напряжение образуется СЃСѓРјРјРѕР№ равных напряжений РґРІСѓС… частей обмотки, сдвинутых РЅР° 60°. Напряжение РѕРґРЅРѕР№ части обмотки фазы РїСЂРё этом может быть получено РёР· формулы

U' = U_С„ / (2 cos30^o) = U_С„ /

Общее число витков такой обмотки РЅР° РѕРґРЅРѕРј стержне будет определяться РЅРµ U_С„, как РїСЂРё соединении РІ звезду, Р° 2U_С„ /, С‚, Рµ. увеличится РІ 1,155 раза.

Рис. 3.1. Схема соединения в зигзаг:

Р° — общая схема; Р± — диаграмма фазных Рё линейных напряжений РїСЂРё разделении фазных обмоток РЅР° РґРІРµ равные части; РІ — то же, РєРѕРіРґР° обмотки делятся РЅР° неравные части

РџСЂРё соединении РІ зигзаг обмотка фазы может разделяться РЅР° РґРІРµ неравные части. Р’ этом случае может быть получен РїРѕРІРѕСЂРѕС‚ системы фазных Рё линейных напряжений схемы РЅР° любой СѓРіРѕР» РІ зависимости РѕС‚ того, РІ каком отношении находятся числа витков РґРІСѓС… частей обмотки фазы (СЂРёСЃ. 3.1,РІ ). РџСЂРё заданном угле β обмотка каждой фазы должна быть разделена РІ отношении

ω₁/( ω₁+ ω₂) = 2tgβ/(tgβ +).

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

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, %:

u_Р° = 100=  (3.9)

 РіРґРµ Р _Рє—РІ Р’С‚; S—РІ РєР’·Рђ.

Реактивная составляющая РїСЂРё заданном Рё_Рє РѕРїСЂРµРґРµР»СЏРµС‚СЃСЏ РїРѕ формуле

u_СЂ =  (3.10)

 Р Р°СЃС‡РµС‚ основных электрических величин для автотрансформатора имеет некоторые особенности. Типовая или расчетная мощность однофазного автотрансформатора

S_{тип} = U₁I₁·10^-3 = U₂I₂·10^-3 (3.11)

может быть определена РїРѕ заданным РїСЂРѕС…РѕРґРЅРѕР№ мощности S_{РїСЂРѕС…} Рё номинальным напряжениям U Рё 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)

S_{тип} = S_{РїСЂРѕС…}= k_РІ S_{РїСЂРѕС…} (3.12)

для понижающего автотрансформатора (рис. 3.3)

S_{тип} = S_{РїСЂРѕС…}= k_РІ S_{РїСЂРѕС…}

Коэффициент k_РІ=(U'-U)/U' для повышающего или k_РІ=(U-U')/U для понижающего автотрансформатора, показывающий, какую долю составляют типовая (расчетная) мощность S_{тип} РѕС‚ РїСЂРѕС…РѕРґРЅРѕР№ мощности S_{РїСЂРѕС…}, РёРЅРѕРіРґР° называют коэффициентом выгодности автотрансформатора (_kРІ<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 k_РІ РІСЃРµРіРґР° меньше единицы Рё S_{тип}<S_{РїСЂРѕС…}, С‚.Рµ. автотрансформаторная схема требует меньшей расчетной мощности Рё, следовательно, меньшего расхода материалов, Р° также обладает более высоким РљРџР”, чем трансформаторная. Применение автотрансформаторов РІ этом отношении тем выгоднее, чем ближе отношение U'/U Рє единице, С‚.Рµ. чем меньше изменяется напряжение сети РїСЂРё 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.

 Р”ля трехфазного автотрансформатора СЃ соединением обмоток РІ звезду токи обмоток находятся также РїРѕ этим формулам. Р’ том Рё РґСЂСѓРіРѕРј случае I Рё I' - номинальные линейные токи автотрансформаторов, найденные РїРѕ (3.3) Рё (3.4).

Напряжения отдельных обмоток U₁ Рё U₂, Р’, для однофазного автотрансформатора:

 РїРѕРІС‹С€Р°СЋС‰РµРіРѕ (СЂРёСЃ. 3.2)

U₁=U; U₂=U' - U,

 РїРѕРЅРёР¶Р°СЋС‰РµРіРѕ (СЂРёСЃ. 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= U_Р»/ Рё U'= U'_Р»/,

РіРґРµ U_Р» Рё U'_Р» - номинальные линейные напряжения автотрансформатора РїРѕ заданию.

Напряжение короткого замыкания Рё_Рє РґР»СЏ автотрансформатора обычно задается как сетевое Рё_Рє,СЃ С‚. Рµ. относительно большего РёР· РґРІСѓС… сетевых напряжений U Рё U'. РџСЂРё расчете основных размеров автотрансформатора необходимо знать расчетное напряжение Рё_Рє,p С‚. Рµ. отнесенное Рє напряжению РѕРґРЅРѕР№ РёР· обмоток U₁ РёР»Рё U₂. Для понижающего Рё повышающего автотрансформатора Рё_Рє,СЂ РјРѕР¶РµС‚ быть найдено РїРѕ формуле

Рё_Рє,СЂ = Рё_Рє,СЃ/ k_РІ.

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 S_{РїСЂРѕС…} = 100000 РєР’·Рђ, мощности обмоток Р’Рќ Рё РЎРќ РїСЂРё автотрансформаторной СЃРІСЏР·Рё S_{РїСЂРѕС…}; мощность обмотки РќРќ 0,5S_{РїСЂРѕС…}. Номинальное напряжение: Р’Рќ 231 РєР’; РЎРќ 121 РєР’±8·1,5%; РќРќ 38,5 РєР’. Схемы соединения обмоток: Р’Рќ Рё РЎРќ — РЈ, РќРќ — Р”. Напряжения короткого замыкания Рё_Рє,СЃ, приведенные Рє РїСЂРѕС…РѕРґРЅРѕР№ мощности Рё отнесенные Рє сетевым напряжениям: Р’Рќ—РЎРќ 11 %; Р’Рќ—РќРќ 31 %; РЎРќ—РќРќ 19%.

Коэффициент выгодности

k_РІ = (U_Р» - U'_Р»)/ U_Р» = (231-121)/231 = 0,476.

Типовая мощность S_{тип} = k_РІS_{РїСЂРѕС…}=0,476.100000=47 600 РєР’·Рђ; мощность обмотки РќРќ S_РќРќ=50000 РєР’·Рђ. Расчетная мощность обмотки РѕРґРЅРѕРіРѕ стержня для обмотки Р’Рќ Рё РЎРќ

S' = S_{тип}/c = 47600/3 = 15867 РєР’·Рђ;

для обмотки НН

S =S_{РїСЂРѕС…}/c = 0,5·100000 /3 = 16667 РєР’·Рђ.

Линейные токи

I = S_{РїСЂРѕС…}·10³/(U) = 100000·10³/(·231000) = 250 Рђ;

I' = S_{РїСЂРѕС…}·10³/(U') = 100000·10³/(·121000) = 480 Рђ;

I_Р»3= S_{РїСЂРѕС…}·10³/(U_РќРќ) = 50000·10³/(·38500) = 750 Рђ;

Токи обмоток

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

I₃= I_Р»3/ = 750/ = 432 Рђ.

Фазовые напряжения

U= U_Р»/=231000/= 133000 Р’;

U'= U'Р»/= 121000/=69700 Р’.

Напряжения обмоток

U₁= U'=69700 Р’; U₂=U-U'=133000-69700 = 63300 Р’;

U₃ = U_РќРќ = 385000 Р’.

Расчетное напряжение короткого замыкания между обмотками ВН и СН

Рё_Рє,СЂ = Рё_Рє,СЃ/ k_РІ = 11/0,476 = 23,1 %.

Напряжения короткого замыкания между обмотками Р’Рќ Рё РќРќ, РЎРќ Рё РќРќ, имеющими трансформаторную СЃРІСЏР·СЊ, РЅРµ пересчитываются, РЅРѕ РїСЂРё реально возможной нагрузке РЅР° обмотках Р’Рќ—РќРќ или РЎРќ—РќРќ, равной 0,5, S_{РїСЂРѕС…} Р±СѓРґСѓС‚ равны: для Р’Рќ — РќРќ 0,5·31 = 15,5% Рё для РЎРќ— РќРќ 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, РІ которую вписано ступенчатое сечение стержня, является РѕРґРЅРёРј РёР· его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер l (высота) его обмоток. Обычно РѕР±Рµ обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка РґРІСѓС… обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками d₁₂, связывающий диаметр стержня СЃ радиальными размерами обмоток a₁ Рё Р°₂ Рё осевого канала между РЅРёРјРё a₁₂.

Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например высота стержня l_с, расстояние

Рис. 3.5. Основные размеры трансформатора

между РѕСЃСЏРјРё соседних стержней РЎ С‚.Рґ., РјРѕРіСѓС‚ быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния РѕС‚ обмоток Р’Рќ РґРѕ заземленных частей Рё РґРѕ РґСЂСѓРіРёС… обмоток (Р°₁₂, Р°₂₂, l_Рѕ)*.

Два основных размера, относящихся Рє обмоткам d₁₂ Рё 1_СЃ, РјРѕРіСѓС‚ быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками πd₁₂ Рє высоте обмотки l:

β = πd₁₂/l (3.13)

Приближенно произведение πd₁₂ РјРѕР¶РЅРѕ приравнять Рє средней длине витка РґРІСѓС… обмоток πd12≈lРІ или lРІ/ l =β.

Величина β определяет соотношение между диаметром Рё высотой обмотки. Значение β может варьироваться РІ широких пределах Рё практически изменяется РІ масляных Рё СЃСѓС…РёС… трансформаторах существующих серий РІ пределах РѕС‚ 1 РґРѕ 3,5. РџСЂРё этом меньшим значениям β соответствуют трансформаторы относительно СѓР·РєРёРµ Рё высокие, большим— широкие Рё РЅРёР·РєРёРµ. Это наглядно показано РЅР° СЂРёСЃ. 3.6, РЅР° котором представлены РґРІР° трансформатора одинаковой мощности, РѕРґРЅРѕРіРѕ класса напряжения, рассчитанных РїСЂРё одинаковых исходных данных (Р’_СЃ, k_СЃ), СЃ одинаковыми параметрами короткого замыкания (Р _Рє Рё Рё_Рє) для значений β = 1,2 Рё 3,5.

Р РёСЃ. 3.6. Соотношение размеров РґРІСѓС… трансформаторов СЃ разными значениями β

Различным значениям β соответствуют Рё разные соотношения между массами активных материалов - стали магнитной системы Рё металла обмоток. Меньшим значениям β соответствует меньшая масса стали Рё большая масса металла обмоток. РЎ увеличением β масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор β существенно влияет РЅРµ только РЅР° соотношение размеров трансформатора, РЅРѕ Рё РЅР° соотношение масс активных Рё РґСЂСѓРіРёС… материалов, Р° следовательно, Рё РЅР° стоимость трансформатора.

Вместе СЃ этим изменение β сказывается Рё РЅР° технических параметрах трансформатора: потерях Рё токе холостого С…РѕРґР°, механической прочности Рё нагревостойкости обмоток, габаритных размерах.

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

Мощность трансформатора РЅР° РѕРґРёРЅ стержень, РєР’·Рђ,

S' = UI·10^-3 (3.14)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %,

u_СЂ=10^-4

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

или

u_СЂ=10^-4 (3.15)

РіРґРµ β= πd₁₂/l; Р°P= Р°₁₂+(Р°₁+Р°₂)/3; k_СЂ - коэффициент приведения идеального поля рассеяния Рє реальному (коэффициент Р РѕРіРѕРІСЃРєРѕРіРѕ); линейные размеры выражены РІ метрах. Одновременно заметим, что напряжение витка трансформатора, Р’, может быть записано РІ РІРёРґРµ

Рё_РІ = 4,44 fB_СЃРџ_СЃ, (3.16)

РіРґРµ Р’_СЃ—максимальная индукция РІ стержне, РўР»; Рџ_СЃ = kСЃπd₂/4 - активное сечение стержня, Рј²; k_СЃ - коэффициент заполнения площади РєСЂСѓРіР° сталью согласно § 2.3.

Заменив РІ (3.14) напряжение обмотки U произведением Рё_РІω Рё подставив значение тока обмотки I, определенное РёР· (3.15), Рё значение РёРІ РїРѕ (3.16), получим

S' =  = .

Проведя сокращения и решив это уравнение относительно d, имеем окончательно

d=0,507, (3.17)

РіРґРµ

0,507 = .

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

Величины, входящие РІ подкоренное выражение формулы (3.17), впервые предложенной Р“. Рќ. Петровым, можно подразделить РЅР° три категории: 1) величины, заданные РїСЂРё расчете, - мощность обмоток РЅР° РѕРґРЅРѕРј стержне трансформатора S', РєР’·Рђ, частота сети f, Гц, Рё реактивная составляющая напряжения короткого замыкания Рё_СЂ, %; 2) величины, выбираемые РїСЂРё расчете, — отношение длины окружности канала между обмотками (средней длины витка РґРІСѓС… обмоток) Рє высоте обмотки β, максимальная индукция РІ стержне Р’_СЃ, РўР», Рё коэффициент заполнения активной сталью площади РєСЂСѓРіР°, описанного около сечения стержня k_СЃ; 3) величины, определяемые РІ С…РѕРґРµ последующего расчета, - приведенная ширина канала рассеяния Р°_СЂ, Рј, Рё коэффициент приведения идеализированного поля рассеяния Рє реальному k_p (коэффициент Р РѕРіРѕРІСЃРєРѕРіРѕ).

Таким образом, определение диаметра стержня РїРѕ (3.17) связано СЃ выбором некоторых исходных данных (β, Р’_СЃ, k_c) Рё предварительным определением данных обмоток

трансформатора, получаемых обычно после завершения расчета обмоток Р°_СЂ Рё k_p. Выбор исходных данных (β, Р’_СЃ, k_c) может быть сделан РЅР° основании исследования СЂСЏРґР° вариантов (СЃРј. § 3.5—3.7) или путем использования заранее разработанных рекомендаций (СЃРј. § 3.7). Для определения Р°_СЂ Рё k_p РґРѕР»Р¶РЅС‹ 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.

РџРѕРјРёРјРѕ тех данных, которые обычно включаются РІ задание РЅР° расчет трансформатора (СЃРј. § 3.1), необходимо выбрать Рё СЂСЏРґ РґСЂСѓРіРёС…, относящихся Рє магнитной системе, обмоткам Рё 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 Рё обмоток, масс активных материалов, стоимости трансформатора, параметров холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания Рё некоторых РґСЂСѓРіРёС… показателей РЅР° предварительной стадии расчета. Р’ результате применения этого метода должна быть получена возможность выбора оптимального варианта, РёРЅРѕРіРґР° нескольких вариантов, для дальнейшей детальной расчетной Рё конструктивной разработки. Для того чтобы обобщенный метод расчета силовых трансформаторов давал достаточно точные результаты, РѕРЅ должен быть основан РЅР° положениях общей теории трансформаторов Рё теории проектирования трансформаторов.

Р’ качестве независимых переменных РјРѕРіСѓС‚ быть выбраны различные величины, например отношение основных размеров β, диаметр стержня магнитной системы d, плотность тока РІ обмотках J, радиальные размеры обмоток Рё РґСЂ. Для лучшей сходимости результатов расчета желательно выбрать такие независимые переменные, изменение которых оказывает наибольшее влияние РЅР° РґСЂСѓРіРёРµ данные трансформатора Рё которые дают возможность более СЏСЃРЅРѕРіРѕ Рё наглядного представления Рѕ всем облике трансформатора. Р’ наибольшей степени этим требованиям отвечают диаметр стержня магнитной системы d Рё 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.

Р’ большинстве случаев РїСЂРё проектировании новых серий выбор активных материалов Рё конструктивных форм магнитной системы, обмоток Рё изоляции производится РїРѕ соображениям, независимым РѕС‚ расчетных данных трансформаторов серии, чем существенно упрощается задача расчета. Р’ некоторых случаях РїСЂРё расчете серии производится сравнение РґРІСѓС… Рё более различных решений, например плоской Рё пространственной магнитных систем, медных Рё алюминиевых обмоток Рё С‚. Рґ. Существенно упрощается задача РїСЂРё расчете отдельного трансформатора известной серии СЃ заданными параметрами холостого С…РѕРґР° Рё короткого замыкания (СЃРј. §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 РІ пределах всего СЂСЏРґР° соотношения между отдельными размерами трансформаторов сохраняются постоянными, С‚. Рµ. что магнитные системы Рё обмотки всех трансформаторов данного СЂСЏРґР° представляют СЃРѕР±РѕР№ геометрически подобные фигуры. Далее предположим, что электромагнитные нагрузки активных материалов — индукция РІ магнитной системе Рё плотность тока РІ обмотках трансформатора — РІ пределах всего СЂСЏРґР° также остаются неизменными. Для СЂСЏРґР° трансформаторов, целенаправленно спроектированных Рё отвечающих вышеупомянутым условиям, эти допущения являются вполне правомерными, хотя отдельные типы трансформаторов СЂСЏРґР° РјРѕРіСѓС‚ несколько отклоняться РѕС‚ 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=u_РІω Рё I=JРџ, РіРґРµ Рё_РІ - напряжение РѕРґРЅРѕРіРѕ витка; ω - число витков обмотки стержня; J – плотность тока РІ обмотках Рё Рџ - сечение РѕРґРЅРѕРіРѕ витка обмотки, получаем

S'= u_РІωJРџ.

Далее, используя (3.16) Рё выражение для активного сечения стержня Рџ_СЃ= πd₂k_c/4, находим

S' = (1,11πfk_СЃ)(B_СЃJ)(d₂ωРџ). (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(d²ωРџ). (3.19)

 РџСЂРѕРёР·РІРµРґРµРЅРёРµ ωРџ представляет СЃРѕР±РѕР№ площадь сечения витков обмотки, С‚. Рµ. величину, пропорциональную квадрату линейного размера трансформатора. Таким образом, РІСЃРµ выражение, стоящее РІ скобках, d₂Рџ, поскольку соотношение линейных размеров остается РІ пределах СЂСЏРґР° неизменным, оказывается пропорциональным любому линейному размеру РІ четвертой степени, или

S ~l⁴ (3.20)

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

l~ S^1/4 (3.21)

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

u_РІ~ S^1/2 (3.22)

т.е. возрастает с ростом мощности трансформатора.

Масса активных материалов трансформатора (стали G_СЃС‚ Рё металла обмоток G_Рѕ) возрастает пропорционально РєСѓР±Сѓ его линейных размеров, или

G~l²~S^3/4 (3.23)

Расход активных материалов на единицу мощности трансформатора изменяется пропорционально

g = G/S~ S^3/4/S~1/S^1/4 (3.24)

С‚. Рµ. падает СЃ ростом мощности. Потери РІ активных материалах стали магнитной системы Рё металле обмоток ΣР  РїСЂРё сохранении неизменных электромагнитных нагрузок пропорциональны РёС… массам или объемам, Рё, следовательно, полные потери

ΣP~ S^3/4 (3.25)

потери на единицу мощности

p = ΣP/ S~ S^3/4/S~1/ S^1/4 (3.26)

С‚.Рµ. потери РЅР° единицу мощности (1 РєР’·Рђ) падают вместе СЃ ростом мощности трансформатора, Р° РљРџР” трансформатора соответственно возрастает.

Внешняя, охлаждаемая РІРѕР·РґСѓС…РѕРј поверхность трансформатора естественно растет пропорционально квадрату линейных размеров РџРѕ~l₂~S₁/2, Р° потери q, отнесенные Рє единице поверхности, также возрастают

q = ΣP/РџРѕ~ S^3/4/ S^1/2~ S^1/4 (3.27)

Выведенные выше пропорциональные зависимости (3.24) Рё (3.26) показывают, что увеличение мощности трансформатора РІ РѕРґРЅРѕР№ единице является экономически выгодным потому, что РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє уменьшению удельного расхода материала РЅР° 1 РєР’·Рђ мощности Рё повышению РљРџР”. Р’ то же время РёР· (3.27) следует, что естественный СЂРѕСЃС‚ охлаждаемой поверхности трансформатора отстает РѕС‚ роста его потерь, Рё, следовательно, СЃ ростом мощности трансформатора усложняется решение проблемы его охлаждения. РџСЂРё этом СЃ ростом номинальной мощности трансформатора необходимо искусственно увеличивать охлаждаемую поверхность бака путем установки охлаждающих труб или подвески радиаторов, Р° затем усиливать циркуляцию охлаждающего РІРѕР·РґСѓС…Р° РїСЂРё помощи вентиляторов Рё масла РїСЂРё помощи насосов (СЃРј. § 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.

РЎ ростом мощности трансформатора возрастают его масса Рё внешние размеры (габариты), что РїСЂРё мощностях современных трансформаторов, достигающих сотен тысяч киловольт-ампер, РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє затруднениям РїСЂРё перевозке трансформаторов РїРѕ железным дорогам. Для упрощения решения этого РІРѕРїСЂРѕСЃР° часто прибегают Рє расщеплению мощной трехфазной трансформаторной установки РЅР° отдельные однофазные трансформаторы, Р° РІ некоторых случаях Рё Рє дальнейшему расщеплению обмотки однофазных трансформаторов между несколькими стержнями (СЃРј. § 2.1). Такое расщепление является невыгодным СЃ точки зрения удельного расхода материалов Рё РљРџР”.

Допустим, что трехфазный трансформатор мощностью S нужно заменить тремя однофазными той же общей мощностью. Р’ трехфазном трансформаторе СЃ магнитной системой РїРѕ схеме СЂРёСЃ. 2.5, Рґ мощность РЅР° РѕРґРёРЅ стержень S'3 = S/3. Р’ однофазном двухстержневом трансформаторе СЃ магнитной системой РїРѕ схеме СЂРёСЃ. 2.5,a S'1=S/(2·3)=S/6. Отношение удельного расхода активных материалов для РґРІСѓС… рассматриваемых случаев составит РїРѕ (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 РІ РЎРЎРЎР ' Рё Р·Р° границей искать новые пути создания трехфазных трансформаторов большой мощности, допускающих РїРѕ массе Рё габаритам перевозку РїРѕ железным дорогам, взамен выпускавшихся ранее однофазных трансформаторов. Р’ последнем десятилетии отечественными заводами выпущены трехфазные трансформаторы СЃ мощностью РІ РѕРґРЅРѕР№ конструктивной единице 630000, 1000000 Рё 1250000 РєР’·Рђ класса напряжения 330 РєР’.

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. �зменение 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

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

Р�Р· данных табл. 3.2 следует, что около 50% активных материалов вкладывается РІ силовые трансформаторы общего назначения распределительной сети мощностью РѕС‚ 25 РґРѕ 6300 РєР’·Рђ, суммарная мощность которых составляет 28,6 % общего выпуска. Р’ тех же трансформаторах возникает около 50 % всех потерь РІ трансформаторах энергосистемы.

Если учесть также трансформаторы специального назначения - для электропечных, выпрямительных Рё РґСЂСѓРіРёС… установок, то общий расход материалов Рё общая СЃСѓРјРјР° потерь РІ трансформаторах мощностью РґРѕ 6300 РєР’·Рђ возрастает РґРѕ 50%. РџСЂРё этом общая стоимость этих потерь составит более 50 % стоимости потерь всех трансформаторов сети, потому что цена 1 РєР’С‚ потерь возрастает РїРѕ мере удаления трансформатора РѕС‚ электростанции, питающей сеть. Вследствие этого проектирование массовых серий трансформаторов мощностью РґРѕ 6300 РєР’·Рђ Рё СЌРєРѕРЅРѕРјРЅРѕРµ расходование РІ РЅРёС… активных Рё РґСЂСѓРіРёС… материалов заслуживают РѕСЃРѕР±РѕРіРѕ внимания проектировщиков.