Екатеринбург
(343) 271 76 55
ул. Маневровая, 43

0 товар(ов)
0 руб.
Оформить заказ
 

Главная / Расчет трансформатора ч.6

Расчет трансформатора ч.6

9.2. КРАТКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Как было показано, теплоотдача излучением и конвекцией с единицы внешней поверхности бака находится в зависимости от превышения температуры поверхности

стенки бака Qб,внад окружающим воздухом. Поскольку предельные превышения температуры обмоток и масла над воздухом даны в ГОСТ независимо от мощности трансформатора, разность температур Qб,в, а следовательно, и теплоотдача с единицы поверхности бака для трансформаторов разной мощности будут примерно равными. Для того чтобы с ростом мощности трансформатора сохранить удельную тепловую нагрузку поверхности q и разность Qб,внеизменными (см. § 3.4), приходится прибегать к искусственному увеличению внешней поверхности бака применением стенок, выгнутых в виде волн, установки охлаждающих труб или подвески к баку радиаторов. При очень больших мощностях и в некоторых особых случаях применяется форсированное охлаждение обдуванием охладителей бака вентиляторами, перекачкой масла трансформатора через специальные охладители и т. д.

В ГОСТ 11677-85 предусмотрены следующие виды охлаждения трансформаторов и условные обозначения.

Сухие трансформаторы

Естественное воздушное при открытом исполнении — С

Естественное воздушное при защищенном исполнении — СЗ

Естественное воздушное при герметичном исполнении — СГ

Воздушное с дутьем — СД

Масляные трансформаторы

Естественное масляное — М

Масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла — Д

Масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла — ДЦ

Масляно-водяное с естественной циркуляцией масла — MB

Масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла — Ц

Трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком

Естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком — Н Охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем — НД

Трансформаторы с естественным масляным охлаждением только при очень малой мощности, не превышающей 25 кВ·А, могут выпускаться в гладких баках без волн или труб.

Вместе с ростом мощности трансформатора возникает необходимость в развитии его системы охлаждения (см. § 3.4), основные элементы которой размещаются на баке трансформатора. Увеличение поверхности охлаждения может производиться различными путями. В трансформаторах мощностью до 630 кВ·А включительно возможно использование бака со стенками из тонколистовой стали толщиной 1,0—1,5 мм, имеющими форму волновой поверхности (см. рис. 9.14). У этих же трансформаторов увеличенная охлаждаемая поверхность может быть образована установкой стальных гнутых труб с толщиной стенки 1,0—1,5 мм. Стальные круглые трубы диаметром 30—60 мм или овальные располагаются вертикально параллельно стенке бака. Концы труб изгибаются и ввариваются в верхнюю и нижнюю части стенки. В случае необходимости вокруг бака располагаются два-три и, как правило, не более четырех рядов труб. Бак этого типа обеспечивает хорошую теплоотдачу, обладает высокой механической прочностью, прост в производстве. Трубчатый бак находит применение также и в трансформаторах мощностью 1000—1600 кВ·А.

В современных сериях трансформаторов мощностью от 63 до 630 и от 1000 до 6300 кВ·А находят широкое применение прямотрубные радиаторы различных размеров с различным числом труб (см. рис. 9.16). Эти радиаторы вследствие сопротивления, которое создают для вертикального движения воздуха верхний и нижний коллекторы, имеют несколько пониженную удельную теплоотдачу при заданном превышении температуры, однако имеют некоторое преимущество в организации технологии изготовления баков по сравнению с баками трубчатыми.

В трансформаторах мощностью 2500 кВ·А и выше применяются также и радиаторы с гнутыми трубами, не создающие препятствий вертикальному движению воздуха с высокой удельной теплоотдачей, обладающие высокой прочностью и позволяющие устанавливать на них вентиляторы для форсирования движения охлаждающего воздуха.

Бак с радиаторами при естественном охлаждении может обеспечить нормальную теплоотдачу для трансформатора мощностью до 10 000—16 000 кВ·А. При больших мощностях периметр гладкого бака оказывается недостаточным для размещения необходимого числа радиаторов. В этом случае выходом из положения является переход от естественного к форсированному охлаждению, которое может осуществляться путем ускорения движения масла или воздуха. На рис. 9.6 показано форсированное охлаждение бака с радиаторами при помощи обдувания небольшими вентиляторами, установленными на каждом радиаторе. При этом способе можно увеличить теплоотдачу бака на 50—60 % по сравнению с теплоотдачей при естественном охлаждении.

Рис. 9.6. Установка вентиляторов для обдувания радиатора

Другим способом форсирования охлаждения является усиленная циркуляция масла. Масло из бака трансформатора откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное вновь возвращается в бак трансформатора. Циркуляция охлаждающей среды в теплообменнике — воды или воздуха — также усиливается при помощи насосов или вентиляторов.

В последние годы для трансформаторов большой мощности все более широкое применение находит система циркуляционного воздушного охлаждения при помощи малогабаритных охладителей, собираемых из тонкостенных трубок, внутри которых протекает масло, и поперечных металлических пластин. В некоторых конструкциях поперечные пластины заменяются тонкими ребрами, напаянными или накатанными на поверхности трубок по винтовой линии.

Циркуляция масла усиливается насосами, встроенными вместе со своими двигателями в маслопровод, соединяющий бак трансформатора с охладителем. Для усиления циркуляции воздуха применяются специальные вентиляторы. Отдельные охладители подобного типа могут отводить до 100—150 кВт потерь при относительно малых массе я габаритах.

Форсированное охлаждение во всех случаях требует постоянной дополнительной затраты энергии на перекачку масла и подачу воздуха или воды, чем снижается общий КПД трансформатора. Водяное охлаждение, кроме того, требует расхода воды.

Теплопередача в масле внутри трансформатора происходит только конвекцией, т. е. движущимся маслом. Теплоотдача с наружных поверхностей системы охлаждения в окружающий воздух конвекцией, т. е. посредством движущегося воздуха, с ростом мощности трансформатора приобретает главное значение. Поэтому для достижения наиболее эффективного охлаждения внутри и вне трансформатора должны быть обеспечены наиболее благоприятные условия для движения масла и воздуха.

Наилучшие условия для движения масла внутри обмоток и теплоотдачи от обмоток к маслу представляют вертикальные каналы (рис. 9.7, а). Сочетание вертикальных и горизонтальных каналов (рис. 9.7, б)

Рис. 9.7. Организация движения масла, охлаждающего обмотки:

а —осевые каналы; б — сочетание осевых и радиальных каналов; в —сочетание осевых каналов с тупиковыми радиальными каналами

несколько ухудшает теплоотдачу, однако широко используется в винтовых и катушечных обмотках. Конструкция чередующейся обмотки, разделенной на отдельные группы шайбами, плотно прилегающими к поверхности изоляционного цилиндра (рис. 9.7, в), является неудачной потому, что в ней затруднен доступ охлаждающего масла к проводам, находящимся вблизи цилиндра.

Не менее важное значение имеет свободный доступ и выход воздуха в частях системы охлаждения — трубах, радиаторах, охладителях. При естественном охлаждении в этих конструкциях необходимо соблюдать достаточные расстояния (шаг) между

Рис. 9.8. Размещение охладителей на баке:

а — рациональное с свободным входом и выходом воздуха; б — нерациональное—выход воздуха затруднен

трубами или волнами, не допускать закрытия входа и выхода воздуха внизу и вверху радиаторов. При охлаждении с принудительным движением масла внутри охладителей следует размещать охладители так, чтобы на входе и выходе охлаждающего воздуха не было препятствий. В этом смысле более удачным является размещение охладителей по рис. 9.8, а по сравнению с рис. 9.8, б. При циркуляционном охлаждении предпочтительным является направленное движение масла внутри бака, когда масло из охладителей при помощи специальных перегородок направляется непосредственно в охлаждающие каналы обмоток и магнитной системы.

9.3. НОРМЫ ПРЕДЕЛЬНЫХ ПРЕВЫШЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

В тепловом отношении трансформатор должен быть рассчитан так, чтобы превышения температуры его обмоток, магнитной системы и масла над окружающим воздухом или охлаждающей водой (для форсированного водяного охлаждения) при номинальной нагрузке не превосходили значений, допускаемых ГОСТ 11677-85. Нормы этого ГОСТ установлены с таким расчетом, чтобы предельная средняя температура обмоток в наиболее жаркое время года не превосходила 105—110 0С при среднегодовой температуре около 75 0С. При соблюдении этих условий изоляция трансформатора не подвергается ускоренному старению и может надежно работать в течение 25 лет и более. Нагрев масляных силовых трансформаторов ограничивается согласно ГОСТ 11677-85 следующими превышениями температуры частей трансформатора сверх температуры охлаждающей среды при сколь угодно длительно поддерживаемых во время испытания нормированных потерях холостого хода и потерях короткого замыкания, приведенных к 75 0С.

Масляные трансформаторы

Обмотки — 65 0С.

Поверхности магнитопровода и конструктивных элементов — 75 0С.

Масло в верхних слоях:

исполнение трансформатора герметичное или с расширителем — 60 0С;

исполнение негерметичное и без расширителя — 55 0С.

Сухие трансформаторы

Обмотки — при классах нагревостойкости по ГОСТ 8865-70:

класс А — 60 0С; класс Е — 75 0С; класс В — 80 0С; класс F —100 0С;

класс Н— 125 0С.

Нагрев поверхности магнитопровода и конструктивных деталей ограничивается допустимыми превышениями температуры соприкасающихся с ними изоляционных материалов.

Для измерения температуры частей трансформатора установлены следующие методы: измерение температуры обмоток — по изменению сопротивления; измерение температуры других частей и масла—по термометру. Установлены также следующие предельные температуры охлаждающей среды: для воды — не более +25 0С у входа в охладитель; для воздуха — естественно изменяющаяся температура не выше +40 0С и не ниже —45 0С; среднесуточная температура не выше + 300С и среднегодовая температура не выше +20 0С.

Технические условия ГОСТ 11677-85 базируются на принятых в практике реальных методах измерения температуры обмоток и масла трансформатора. Поэтому в нормах не регламентирована максимальная температура обмоток или средняя температура масла, измерение которых возможно далеко не при любых напряжениях обмоток трансформатора и только в лабораторных условиях. В современных трансформаторах при правильном выборе плотности тока в обмотках и рациональном распределении охлаждающих каналов проверка нагрева обмоток по средней их температуре обеспечивает также не слишком высокую максимальную температуру отдельных точек обмотки.

9.4. ПОРЯДОК ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРА

Тепловой расчет трансформатора проводится после завершения электромагнитного и механического расчетов его обмоток и магнитной системы. При правильном выборе электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих масляных каналов внутренние температуры в обмотках и магнитной системе оказываются не выше обычно допустимых значений. Вследствие этого тепловой расчет обмоток сводится к поверочному определению перепадов температуры внутри обмоток и на их поверхности для принятой конструкции и размеров обмотки. Определение этих перепадов проводится по (9.3) и (9.5) с учетом конструктивных особенностей обмоток различных типов (см. § 9.5).

Тепловой расчет бака отличается тем, что сама конструкция бака зависит в первую очередь от того теплового потока, который должен быть отведен с поверхности бака в окружающий воздух, и лишь во вторую очередь определяется требованиями механической прочности. Поэтому при тепловом расчете бака сначала рассчитывается допустимое среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом, затем по требуемой теплоотдаче приближенно определяется его охлаждаемая поверхность, затем подбираются размеры и число конструктивных элементов, образующих эти поверхности, — гладких стенок, труб, волн, охладителей, и, наконец, производится поверочный расчет превышения температуры стенок бака и масла над окружающим воздухом. При получении превышений температуры, отличающихся от допустимых, производится корректировка охлаждающей поверхности путем увеличения или уменьшения числа или размеров конструктивных элементов — труб, охладителей и т.д. После завершения теплового расчета бака производится проверка его конструкции на механическую прочность.

9.5. ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОБМОТОК

Подсчет внутреннего перепада температуры в большинстве обмоток из прямоугольного провода упрощается тем обстоятельством, что каждый провод, как правило, одной или двумя сторонами своего сечения соприкасается с маслом (рис. 9.9). Внутренний перепад температуры в этом случае является перепадом в изоляции одного провода и определяется по (9.9) как элементарный перепад для теплового потока постоянного значения

Рис. 9.9. К расчету внутреннего перепада температуры в обмотках из прямоугольного провода

 (9.9)

где q—плотность теплового потока на поверхности обмотки, определяемая согласно указаниям § 6.1, 6.3 и 7.1 Вт/м2; — толщина изоляции провода на одну сторону по рис. 9.9, м; — теплопроводность изоляции провода, определяемая для различных материалов по табл. 9.1, Вт/(м·0С).

При подсчете внутреннего перепада в катушках с общей изоляцией всей катушки (входные катушки обмотки) по (9.9) значение следует определять как суммарную толщину изоляции провода и общей изоляции катушки на одну сторону.

Полный внутренний перепад температуры в обмотках из круглого провода, не имеющих горизонтальных охлаждающих каналов (рис. 9.10, а, б),

(9.10)

где а — радиальный размер катушки по рис. 9.10, м; при наличии в обмотке осевого охлаждающего канала по рис. 5.22, в, г или д размер а следует определять как ширину — радиальный размер наиболее широкий для двух катушек, на которые разделена обмотка (на рис. 5.22, гид правой катушки); р— потери, выделяющиеся в 1 м3общего объема обмотки.

Для медного провода рм, Вт/м3, определяется по формуле в соответствии с рис. 9.11

 (9.11)

для алюминиевого провода

 (9.11а)

где выражены в метрах, J в А/м2.

Средняя теплопроводность обмотки, Вт/(м·0С), приведенная к условному случаю равномерного распределения витковой и междуслойной изоляции по всему объему обмотки, определяется по формуле

Рис. 9.10. К расчету внутреннего перепада температуры в многослойных обмотках из круглого и прямоугольного провода

Рис. 9.11. Элемент объема обмотки — провод и междуслойная изоляция

 (9.12)

Теплопроводность междуслойной изоляции находится по табл. 9.1. Средняя условная теплопроводность обмотки без учета междуслойной изоляции

 (9.13)

где -теплопроводность материала изоляции витков, определяемая по табл. 9.1.

Если обмотка намотана непосредственно на изоляционном цилиндре (рис. 9.10, в) и имеет только одну открытую поверхность охлаждения, наиболее нагретая зона сдвигается от центра сечения обмотки в сторону цилиндра примерно до 0,75а от наружной поверхности.

Полный внутренний перепад, 0С,

 (9.14)

где определяется по (9.12); а — радиальный размер катушки, м.

В катушечной обмотке из круглого провода с каналами

Таблица 9.1. Удельные теплопроводности  изоляционных и других материалов

Материал
Бумага кабельная сухая 0,12
Бумага кабельная в масле 0,17
Бумага кабельная, пропитанная лаком 0,17
Электроизоляционный картон 0,17
Лакоткани электроизоляционные 0,25

 

Гетинакс 0,17—0,175
Текстолит 0,146—0,162
Стеклотекстолит 0,178—0,182
Лак бакелитовый и другие лаки 0,3
Масло при отсутствии конвекции: 0,1
Электротехническая сталь в пакетах:
вдоль пластин 22,3
поперек пластин 4,75—4,85
Нагревостойкое покрытие стали 0,8
Медь 390
Алюминий 226

Примечание. Теплопроводность электроизоляционных материалов зависит от технологии их обработки. При пропитке и увлажнении , а также при уплотнении внешним давлением теплопроводность увеличивается

между катушками (см. рис. 5.24) теплоотдача происходит в направлениях осевом (ось У) и радиальном (ось X), Определение внутреннего перепада температуры для этой обмотки, 0С, если осевой размер катушки hК, а радиальный а, может быть произведено по формуле

(9.15)

Для определения теплопроводности в направлениях осей X и Y можно воспользоваться формулами: для — (9.12), для — (9.13). Формулы (9.10), (9.14) и (9.15); определяют перепад температур от наиболее нагретой точки обмотки из круглого провода до ее поверхности. В то же время нормами регламентируется среднее превышение температуры обмотки, а следовательно, и внутренний перепад температуры. Средний перепад температуры по (9.4) составляет полного перепада

Внутренний перепад в многослойных обмотках из провода прямоугольного сечения подсчитывается по такой же методике по формулам (9.4), (9.10), (9.14), (9.15) с заменой формул (9.11), (9.11а), (9.12) и (9.13) на следующие:

 (9.16)

(9.16а)

(9.17)

(9.18)

где a и a' — размеры провода без изоляции и с изоляцией, ориентированные в направлении движения тепла, м; b и b' — то же в направлении, перпендикулярном движению тепла, м; — толщина изоляции провода (на две стороны), м.

В (9.15) для определения следует пользоваться (9.17) и (9.18), а для определения(9.32)

В (9.32) следует взять большее из двух значений, подсчитанных для обмоток ВН и НН по (9.21).

Среднее превышение температуры стенки бака над воздухом будет меньшена перепад температуры между маслом и стенкой бака

(9.33)

Обычноне превышает 5—60С.

Полученное значение должно удовлетворять неравенству

(9.34)

вытекающему из требования ГОСТ, чтобы превышение температуры верхних слоев масла над воздухом не превосходило 60 0С для трансформаторов с расширителем и герметичных.

Коэффициент, определяющий отношение максимального и среднего превышении температуры масла, в предварительном расчете можно принять равным 1,2. Если значение, полученное из (9.32) и (9.33), не удовлетворяет

неравенству (9.34), следует принятьи значение определить по выражению

Поверхность излучения бака, м2, в предварительном расчете может быть приближенно определена:

для бака прямоугольного сечения в плане

(9.35)

для бака овального сечения в плане

(9.35а)

Рис. 9.14. Форма и основные размеры стенки бака с волнами

где А, В, Н — размеры бака по рис. 9.13, м; — коэффициент, учитывающий отношение периметра поверхности излучения к поверхности гладкой части бака и приближенно равный: 1,0—для гладкого бака; 1,2—1,5—для бака с трубами и 1,5—2,0—для бака с навесными радиаторами.

После предварительного приближенного расчета поверхности излучения бака можно по (9.30) также приближенно рассчитать поверхность

конвекции бака, требующуюся для получения найденного выше значения 

Найденное таким образом значение поверхности конвекции является ориентировочным, позволяющим найти число и размеры конструктивных элементов бака. Число и размеры труб, волн, радиаторов и гладких стенок бака должны быть подобраны так, чтобы с учетом коэффициентов Ф1,Ф2,… они в сумме давали полученное выше ориентировочное значение поверхности конвекции ПК (9.28). Методика подсчета поверхности конвекции для баков разных типов дана далее.

Значения коэффициентов kФ1,kФ2,… для поверхностей различной формы приведены в табл. 9.6.

При определении действительных значений поверхностей излучения и конвекции для спроектированного бака может оказаться, что эти поверхности малы и не обеспечивают должной теплоотдачи. В этом случае поверхность охлаждения может быть увеличена путем увеличения числа и (или) размеров ее элементов (волн, труб и т.д.) или высоты бака, но не его размеров в плане.

Гладкий бак. Для гладкого бака поверхность излучения ПИ, равная его внешней поверхности, равна также поверхности конвекции ПК.

Поверхность теплоотдачи, м2:

прямоугольного бака

Пик=2(А+В)Н+ПКР0,5 (9.36)

овального бака

 (9.36а)

где А, В, Н — размеры бака по рис. 9,13, м; ПКР— поверхность крышки бака; 0,5 — коэффициент для поверхности крышки, учитывающий закрытие части поверхности изоляторами вводов ВН и НН и различной арматурой.

Бак со стенками в виде волн. Этот тип бака изготовляется с боковой стенкой, выполненной из тонколистовой стали толщиной 0,8—1,0 мм, выгнутой в виде волн. Он находил широкое применение для трансформаторов мощностью в пределах до 630 кВ·А, но в свое время, около 50 лет тому назад, был заменен баком с охлаждающими трубами, имеющим существенно меньшее количество сварных швов. Прогресс в развитии автоматических методов сварки позволяет вновь обратиться к этой конструкции.

В баках такого типа некоторые иностранные фирмы выпускают трансформаторы мощностью 100—630 кВ·А с расширителем или в герметичном исполнении без расширителя, полностью залитые маслом. При нагреве и охлаждении масла, связанных с изменением нагрузки трансформатора и колебаниями температуры охлаждающего воздуха, все изменения его объема компенсируются упругими деформациями волн стенки.

На рис. 9.14 показана стенка овального бака трансформатора в виде волн и форма и размеры одной волны. Обычно при выборе основных размеров стенки придерживаются следующих соотношений, дающих достаточно полное использование воздушного и масляного каналов волны:

отношение ширины воздушного канала волны а к ширине масляного канала с, а/с = 2,5; минимальная ширина масляного канала с= 10 мм; наибольшая глубина волны b = 300 мм; высота волнистой стенки Нв на 0,1 м меньше предварительно рассчитанной глубины бака; толщина стенки

Поверхность излучения стенки, м2,

(9.37)

Развернутая длина волны, м,

(9.38)

Шаг волны стенки, м,

(9.39)

Число волн

(9.40)

Поверхность конвекции стенки, м2,

(9.41)

где kB - коэффициент, учитывающий затруднение конвекции воздуха в воздушных каналах волн,

здесь 

Полная поверхность излучения бака, м2,

(9.42)

Полная поверхность конвекции бака, м2,

(9.43)

где ПКР -поверхность крышки бака, м2; ПР - поверхность верхней рамы бака, м2

Бак с охлаждающими трубами. Этот тип бака в течение десятилетий широко применялся в трансформаторах мощностью до 1600 кВ·А, но в последние годы был заменен более технологичным типом бака с навесными радиаторами и прямыми трубами. Следует, однако, иметь ввиду, что коэффициент теплоотдачи стенки с трубами выше, а удельный расход материалов ниже, чем у радиатора с прямыми трубами, и поэтому возврат к типу бака с трубами при возможном совершенствовании технологии его изготовления принципиально не исключен.

Число рядов труб выбирается обычно от одного до четырех в зависимости от необходимой по расчету поверхности конвекции. Увеличение числа рядов труб свыше четырех значительно ухудшает теплоотдачу внутреннего ряда труб. Соседние трубы разных рядов располагаются одна над другой. Расположение труб в шахматном порядке менее выгодно, так как при этом затрудняется движение воздуха и уменьшается теплоотдача. На рис. 9.15 показана одна из конструкций стенки трубчатого бака. Все трубы имеют радиус изгиба R. Трубы могут быть круглого сечения или овального. Шаги труб в рядах tт и между рядами tp могут быть различными. Применение овальных труб позволяет разместить в ряду большее число труб и обеспечить нормальную теплоотдачу бака при одном-двух рядах труб там, где трубы круглого сечения приходится располагать в два-три ряда.

Рис. 9.15. Элементы трубчатого бака

Обычно применяются трубы круглого сечения диаметром 51/48 мм с толщиной стенки 1,5 мм и овальные трубы с размерами поперечного сечения 72X20 мм при толщине стенки 1,5 мм. Сравнительные данные тех и других труб приведены в табл. 9.7. Эта же таблица позволяет выбрать число рядов труб для трансформаторов различных мощностей.

В последнее время трубы диаметром 51 мм иногда заменяются трубами диаметром 30 мм с толщиной стенки 1,2 мм. Такая замена позволяет уменьшить массу труб и масла в них и одновременно примерно на 15 % увеличить теплоотдачу с единицы поверхности трубы.

По (9.25) можно приближенно определить глубину бака трансформатора от дна до крышки Н. Расстояние между центрами отверстий наружного ряда труб b (b2 на рис. 9.15) должно быть меньше Н на сумму расстояний с и е. Эти расстояния зависят от конструкции верхней рамы бака, длины прямого участка наружного ряда труб а(а2 на рис. 9.15), формы сечения трубы и метода приварки дна и верхней рамы к стенке бака.

После определения основных размеров бака и выбора формы сечения трубы и числа рядов труб определяются размеры труб во всех рядах и подсчитываются поверхности излучения и конвекции бака трансформатора в следующем порядке.

Размеры поперечного сечения трубы, радиус закругления, шаг труб в ряду tт и шаг между рядами tp определяются по табл. 9.7. Прямой участок a1 для внутреннего ряда труб принимается равным 50 мм. Далее определяются: и т.д.

Таблица 9.7. Данные круглых и овальных труб, применяемых в масляных силовых трансформаторах

Форма трубы Размеры сечения, мм Толщина стенки, мм Поперечное сечение в свету, мм2 Поверхность 1 м, м2 Масса в1 м, кг
металла масла в трубе
Круглая Ø 51 1,5 1810 0,16 1,82 1,63
Овальная 72X20 1,5 890 0,16 1,82 0,79
Круглая Ø 30 1,2 600 0,0942 0,845 0,54
Форма трубы Шаг, мм Радиус изгиба, мм Число рядов труб при мощности кВ А.
между рядами в ряду 63-160 250-630 1000-1600
Круглая 75 70 150 1 2 2-3
Овальная 100 50 188 1 1 1-2
Круглая 55 50 150 1 1 2-3

По табл. 9.8 при принятой форме сечения трубы по размеру наружного ряда труб выбираются минимальные значения с и е. Затем находятся расстояния между осями труб на стенке бака, начиная с наружного ряда труб (с номером n).

Наружный ряд 

второй ряд снаружи 

третий ряд 

Таблица 9.8. Минимальные расстояния оси трубы от дна и крышки бака для масляных силовых трансформаторов. Трубы круглого сечения 0 51 мм (рис. 9.15)

а , мм 50—80 100—150 170—200 250—280
cmin 60 75 90 120
emin 70 85 100 130

Примечание. Для труб овального сечения 72X20 мм при тех же размерах а значения cmin и emin, найденные из таблицы, увеличивать на 10 мм.

Развернутая длина трубы в каждом ряду:

первый (внутренний) ряд

второй ряд

третий ряд

и т.д.

При выводе этих формул принято  

Число труб в одном ряду на поверхности бака овальной формы

(9.44)

Поверхность излучения бака с трубами

(9.45)

где d—диаметр круглой трубы или больший размер поперечного сечения овальной трубы, мм.

Поверхность конвекции бака

(9.46)

где —коэффициенты, определяемые по табл. 9.6;— поверхность конвекции гладкого бака и крышки по (9.36), м2;—поверхность конвекции труб, м2,

(9.47)

здесь -поверхность 1 м трубы по табл. 9.7, м2.

Если , найденная по (9.46), равна или немного больше необходимой поверхности конвекции, найденной по (9.30), то следует переходить к расчету превышения температуры обмоток и масла трансформатора над воздухом по § 9.7. Если полученная поверхность конвекции меньше необходимой или существенно больше ее, следует произвести соответствующую корректировку размеров бака или труб и. затем переходить к расчету превышения температуры. Увеличение поверхности может быть получено за счет увеличения прямого участка всех рядов труб на 50—70 мм, высоты бака, числа труб в ряду или числа рядов труб. Уменьшение поверхности может быть достигнуто путем уменьшения высоты бака, числа рядов труб или числа труб в ряду.

Бак с навесными радиаторами. Охлаждаемая поверхность бака с радиаторами образуется главным образом развернутой поверхностью радиатора. Эта конструкция позволяет получить значительно большие поверхности охлаждения, чем конструкция трубчатого бака при одинаковых внутренних его размерах. Число радиаторов и их расположение определяются необходимой поверхностью охлаждения и необходимостью получить наименьший общий габарит бака.

Конструкция радиатора обычно состоит из двух коллекторов прямоугольных или другой формы, т. е. стальных коробок, в которые ввариваются своими верхними и нижними концами трубы или волны. Радиатор фланцами своих коллекторов присоединяется к баку трансформатора. Возможно применение труб или волн различной формы и размеров и различные способы сочетания их с коллекторами. Навесной радиатор с прямыми трубами при естественном движении охлаждающего воздуха находит применение в широком диапазоне мощностей трансформаторов от 100 до 6300 кВ·A. Прямые трубы круглого или овального сечения ввариваются своими концами в нижний и верхний коллекторы радиатора (рис. 9.16). Оси коллекторов располагаются тангенциально по отношению к поверхности стенки бака.

Рис. 9.16. Трубчатый радиатор с прямыми трубами

Эти радиаторы выпускаются с одним рядом труб — 7 труб в ряду и с двумя рядами — 20 труб в ряду. Основные данные радиаторов приведены в табл. 9.9. Для радиатора с одним рядом труб размеры В и С равны 354 и 158 мм (см. рис. 9.16), для радиатора с двумя рядами труб — 505 и 253 мм соответственно.

Таблица 9.9. Основные данные трубчатых радиаторов с прямыми трубами по рис. 9.16

Размер А, мм Поверхность

ПК,ТР, м2

Масса, кг Размер А, мм Поверхность

ПК,ТР, м2

Масса, кг
стали масла стали масла
С одним рядом труб 1400 4,033 53,94 46
710 0,746 12,9 8,5 1615 4,961 67,14 53
900 0,958 15,35 10,9 1800 5,613 73,94 57
С двумя рядами труб 2000 6,253 81,98 64
710 2,135 34,14 24
2200 6,893 89,18 72
900 2,733 41,14 30
1150 3,533 50,14 38 2400 7,533 95,68 1 78

Примечания: 1. - поверхность конвекции труб; поверхность конвекции двух коллекторов, равная 0,15 м2 при одном ряде труб и 0,34 м2 при двух рядах.

2. Минимальные расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака с1 и с2— соответственно 0,085 и 0,10 м.

В изготовлении бак с радиаторами этого типа имеет преимущество перед баком с трубами, поскольку отпадает необходимость в гибке труб и сверлении или штамповке отверстий под трубы в заготовке стенки бака, возникает возможность замены ручной сварки труб со стенкой бака, автоматической сваркой труб с коллекторами и, главное, возможность выделить изготовление радиаторов в отдельное самостоятельное производство.

Радиаторы этого типа могут крепиться к баку приваркой патрубков коллектора к стенке бака (100—250 кВ·А) или с помощью разъемного соединения на фланцах (100— 6300 кВ·А).

Главным недостатком радиаторов с прямыми трубами является затруднение движения охлаждающего воздуха у горизонтальных коллекторов (рис. 9.16) и вытекающее отвода уменьшение удельной теплоотдачи с единицы поверхности при заданной разности температур поверхности радиатора и охлаждающего воздуха. Это уменьшение теплоотдачи учитывается в коэффициенте определяемом по табл. 9.6 для поверхностей различной формы.

Конструкция радиатора с прямыми трубами показана на рис. 9.16, справочные данные по ряду радиаторов приведены в табл. 9.9.

Навесные радиаторы с охлаждающими трубами, изогнутыми в той же форме, что и трубы, ввариваемые в стенку бака, используются как при естественном движении охлаждающего воздуха (вид охлаждения М), так и при его принудительном движении (вид охлаждения Д). Для дуться, т. е. для ускорения движения воздуха в каждом радиаторе, устанавливаются вентиляторы (см. рис. 9.6).

На рис. 9.17, а показаны принципиальная конструкция и основные размеры двойного трубчатого радиатора, нашедшего в СССР широкое применение на трансформаторах мощностью от 2500 до 63 000 кВ·А.

Рис. 9.17. Трубчатый радиатор с гнутыми трубами:

а —двойной радиатор с числом труб 2Х2X16-64; б —одинарный радиатор с

числом труб 1X2X16-32

Радиатор состоит из четырех рядов круглых труб, по 16 труб в ряду, изогнутых по концам подобно трубам трубчатого бака и вваренных в два прямоугольных коллектора. Коллекторы на торцах снабжены двумя круглыми патрубками с фланцами, служащими для присоединения радиатора к баку трансформатора. При этом коллекторы располагаются радиально по отношению к поверхности бака. В радиаторах этой конструкции применяются те же трубы круглого сечения, что и в трубчатых баках, с теми же диаметром, толщиной стенки, поверхностью и массой 1 м, радиусом закругления, шагом труб в ряду и между рядами (см. табл. 9.7).

Радиаторы применяются как двойные описанной конструкции с четырьмя рядами труб, так и одинарные с двумя рядами труб, только с одной стороны коллекторов (рис. 9.17, б). Коллекторы одинарных радиаторов располагаются тангенциально к поверхности бака. Выпускаются радиаторы нескольких размеров, отличающиеся только общей длиной, характеризуемой расстоянием А между осями патрубков, служащих для присоединения радиатора к баку трансформатора. Основные данные нормальной серии одинарных и двойных радиаторов приведены в табл. 9.10. Выпускаются также двойные радиаторы с числом труб в ряду 18, 20 и 22.

Радиаторы описанной конструкции хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации, удельная теплоотдача с их поверхности выше, чем у радиатора с прямыми трубами, но конструкция прямотрубного радиатора, по мнению технологов, более технологична.

Таблица 9.10. Основные данные трубчатых радиаторов по рис. 9.17

Размер А, мм Одинарный радиатор Двойной радиатор
Пк.тр2 Gст, кг Gм, кг Пк.тр2 Gст, кг Gм, кг
1880 11,45 205 161 22,9 380 276
2000 12,1 215 169 24,15 401 291
2285 13,55 236 184 27,05 442 321
2485 14,55 249 94 29,1 468 341
2685 15,6 264 204 31,15 499 362
3000 17,2 285 219 34,35 540 93
3250 18,45 302 232 36,9 575 418
3750 21,0 337 258 42,0 644 469
4000 22,3 352 269 44,6 675 492
4250 24,6 373 284 47,2 716 521

Примечание. Поверхность коллектора Пк. одинарного радиатора 0,72, двойного 0,66 м2; Gст — масса радиатора без масла; Gм — масса масла в радиаторе.

При тепловом расчете бака с навесными радиаторами предварительно по (9.35а) приближенно определяется поверхность излучения бака применительно к основным размерам бака. Затем по (9.30) рассчитывается необходимая поверхность конвекции и по данным табл. 9.9 или 9.10 подбираются соответствующее число и размеры одинарных или двойных трубчатых радиаторов. При этом поверхности конвекции гладкого бака и крышки подсчитываются для реальных размеров бака, а поверхности конвекции труб и коллекторов радиаторов находятся по табл. 9.9 и 9.10. Для бака овальной формы

При подборе размеров радиаторов следует учитывать, что минимальное расстояние от дна или крышки бака до горизонтальной оси ближайшего патрубка радиаторов по рис. 9.17 должно быть не меньше 170 мм и, следовательно, размер А радиатора (см. рис. 9.13) должен удовлетворять неравенству м. Для радиатора с прямыми трубами эти размеры принимаются по рис. 9.16. При размещении радиатора на баке следует оставлять минимальные промежутки между трубами соседних радиаторов; при параллельном расположении коллекторов—160 мм для двойных и 100 мм для одинарных радиаторов; при размещении коллекторов под углом —100 мм для двойных и 70 мм для одинарных радиаторов. Полная поверхность конвекции бака с радиаторами определяется по (9.48) и должна быть равна поверхности, найденной по (9.30), или несколько превышать ее. Если при полном использовании боковой поверхности бака для размещения двойных радиаторов поверхность конвекции оказывается недостаточной, следует переходить от естественного охлаждения к дутьевому

(9.48)

Коэффициенты , учитывающие форму поверхности и условия теплоотдачи, могут быть приняты по табл. 9.6. После окончательного размещения радиаторов на баке поверхность излучения уточняется по реальным размерам бака и радиаторов.

9.7.ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ПРЕВЫШЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

ОБМОТОК И МАСЛА

После окончательного установления размеров бака и определения поверхностей излучения и конвекции необходимо подсчитать действительные превышения температур обмоток и масла над температурой воздуха. Подсчет производится для потерь, повышенных на 5 % против расчетного значения при индивидуальном расчете и на 10 % против гарантийного значения при расчете серии.

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающего воздуха

(9.49)

где 

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой стенки бака может быть приближенно подсчитано по опытной формуле, аналогичной (9.19):

(9.50)

где—сумма поверхностей конвекции гладкой части труб, волн, крышки без учета коэффициентов улучшения или ухудшения конвекции;— коэффициент, равный 1.0 при естественном масляном охлаждении и 0,9 при охлаждении с дутьем.

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающего воздуха

(9.51)

Коэффициент для трубчатых баков и баков с радиаторами может быть принят равным 1,2.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха подсчитывается для обмоток ВН и НН отдельно

(9.52)

Превышения температуры масла в верхних слоях и обмоток над температурой окружающего воздуха, подсчитанные по (9.51) и (9.52), не должны быть больше допустимых для масляных трансформаторов по ГОСТ или ТУ (заданию на расчет). При получении более высоких значенийили следует увеличить поверхность охлаждения бака. При получении и пониженных против нормы более чем на 50С, поверхность охлаждения бака должна быть соответственно уменьшена.

9.8. ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ

КОНСТРУКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МАСЛА

ТРАНСФОРМАТОРА

Масса активных материалов трансформатора с достаточной точностью определяется при его расчете. Точные массы конструктивных и других материалов и масла трансформатора могут быть найдены только после подробной разработки его конструкции. Однако в процессе расчета может возникнуть необходимость в приближенном определении этих масс для оценки экономичности различных вариантов расчета.

Масса конструктивной стали остова может быть приближенно принята 0,1 суммарной массы провода обмоток и стали магнитной системы. Масса картона в изоляции обмоток зависит от мощности и класса напряжения трансформатора. С ростом мощности относительная масса картона уменьшается. Для трансформаторов с медными обмотками можно принять массу картона 0,12—0,15 массы провода при классах напряжения 6, 10, 35 кВ и 0,35—0,3 при классе напряжения 110 кВ. Для алюминиевых обмоток относительная масса картона увеличивается в 2,4 раза.

Масса активной части, т. е. остова с обмотками и отводами (но без крышки), может быть приближенно определена по формуле

Массу бака нетрудно определить по известной из теплового расчета поверхности бака и поверхности крышки с учетом толщины стенок, крышки и дна бака и плотности сталиМасса охлаждающих труб находится по их общей длине и массе 1м (см. табл. 9.7); масса радиаторов — по табл. 9.9 и 9.10.

Для определения массы масла необходимо знать внутренний объем Vб гладкого бака и объем, занимаемый активной частью, Vа,ч. Для определения Vа,ч можно воспользоваться приближенной формулойгде средняя плотность активной части =5500-6000 кг/м3 для трансформаторов с медными обмотками и=5000-5500 кг/м3 для трансформаторов с алюминиевыми обмотками.

Общую массу масла можно определить по формуле

где 1,05 — коэффициент, учитывающий массу масла в расширителе; Gм.эл— масса масла в элементах системы охлаждения: трубах или радиаторах.

Масса масла в трубах определяется по их общей длине и массе масла в 1 м (см. табл. 9.7), масса масла в радиаторах— по табл. 9.9 и 9.10. Объем расширителя обычно составляет около 0,1 общего объема масла.

9.9. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

ТРАНСФОРМАТОРА ТИПА ТМ-1600/35

В виду того, что суммарные потери короткого замыкания и холостого хода для двух вариантов расчета трансформатора с медными и алюминиевыми обмотками отличаются мало, полный тепловой расчет проводим только для варианта IМ—с медными обмотками.

Тепловой расчет обмоток (по § 9.5). Внутренний перепад температуры:

обмотка НН по (9.9) и по рис. 9.9

где- толщина изоляции провода на одну сторону, q — плотность теплового потока на поверхности обмотки; - теплопроводность бумажной, пропитанной маслом изоляции провода по табл. 9.1

обмотка ВН по (9.9) и рис. 9.9

Перепад температуры на поверхности обмоток:

обмотка НН

где k1=1,0 для естественного масляного охлаждения; k2=1,1 внутренней обмотки НН; 3=0,85 по табл. 9.3 для hK/a=5/30;

обмотка ВН

где k1=1,0 для естественного масляного охлаждения; k2=1,0 для наружной обмотки; 3=0,95 по табл. 9.3 для hK/a=4,5/42.

Полный средний перепад температуры от обмотки к маслу:

обмотка НН

обмотка ВН

Тепловой расчет бака (по § 9.6). По табл. 9.4 в соответствии о мощностью трансформатора выбираем конструкцию гладкого бака с радиаторами и прямыми трубами по рис. 9.16. Минимальные внутренние размеры бака — по рис. 9.18, а и б.

Рис. 9.18. Трансформатор типа ТМ-1600/35. Вариант 1М— медные обмотки:

а и б — определение основных расстояний от обмотки ВЦ до пенки бака; s — размещение активной части трансформатора в баке

Изоляционные расстояния отводов определяем до прессующей балки верхнего ярма и стенки бака. До окончательной разработки конструкции внешние габариты прессующих балок принимаем равными внешнему габариту обмотки ВН.

Минимальная ширина бака по рис. 9.18, а, б

Изоляционные расстояния:

s1=40 мм (для отвода UИСП=85кВ покрытие 4 мм, расстояние до стенки бака по табл. 4.11);

s2=42 мм (для отвода UИСП=85кВ покрытие 4 мм, расстояние до прессующей балки ярма по табл. 4.11);

s3=25 мм (для отвода UИСП=5кВ без покрытия, расстояние до стенки бака по табл. 4.11);

s4=90 мм (для отвода UИСП=до 30кВ для обмотки UИСП=85кВ отвод без покрытия по табл. 4.12).

Ширина бака

Принимаем В = 0,76 м при центральном положении активной части трансформатора в баке.

Длина бака

Высота активной части

где высота стержня 0,81 м; высота ярма 0,25 м и толщина бруска между дном бака и нижним ярмом 0,05 м.

Принимаем расстояние от верхнего ярма до крышки бака при горизонтальном расположении над ярмом переключателя ответвлений обмотки ВН по табл. 9.5

НЯ,К=400мм=0,4м.

Глубина бака

Для развития должной поверхности охлаждения целесообразно использовать радиаторы с прямыми трубами по рис. 9.16 с расстоянием между осями фланцев Ар=1615 мм (табл. 9.9), с поверхностью труб ПТР=4,961 м2и двух коллекторов ПК,К=0,34 м2. Для установки этих радиаторов глубина бака должна быть принята

где с1 и с2 — расстояния осей фланцев радиатора от нижнего и верхнего срезов стенки бака по табл. 9.9.

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха для наиболее нагретой обмотки НН

Найденное среднее превышение может быть допущено, так как превышение температуры масла в верхних слоях в этом случае будет

Принимая предварительно перепад температуры на внутренней оверхности стенки бака и запас 20С, находим среднее превышение температуры наружной стенки бака над температурой воздуха

Для выбранного размера бака рассчитываем поверхность конвекции гладкой стенки бака

Ориентировочная поверхность излучения бака с радиаторами по 19.35)

Ориентировочная необходимая поверхность конвекции для заданного значенияпо (9.30)

Поверхность конвекции составляется из:

поверхности гладкого бака ПК,ГЛ=8,045 м2;

поверхности крышки бака

где 0,16 — удвоенная ширина верхней рамы бака; коэффициент 0,5 учитывает закрытие поверхности крышки вводами и арматурой.

Поверхность конвекции радиаторов

Поверхность конвекции радиатора, приведенная к поверхности гладкой стенки (табл. 9.6).

x

Необходимое число радиаторов

Принимаем 10 радиаторов с расположением по рис. 9.19.

Рис. 9.19. Трансформатор типа ТМ-1600/35. Вариант I М — медные обмотки. Расположение радиаторов на стенке бака

Поверхность конвекции бака

Поверхность излучения по рис. 9.19

ПИ=12,2 м2.

Определение превышений температуры масла и обмоток над температурой охлаждающего воздуха по § 9.7.

Среднее превышение температуры наружной поверхности трубы над температурой воздуха по (9.49)

Среднее превышение температуры масла вблизи стенки над температурой внутренней поверхности стенки трубы по (9.50)

Превышение средней температуры масла над температурой воздуха

Превышение температуры масла в верхних слоях над температурой воздуха

Превышение средней температуры обмоток над температурой воздуха:

Превышения температуры масла в верхних слоях и обмотоклежат в пределах допустимого нагрева по ГОСТ11677-85.

Вариант II а. Трансформатор ТМ-1600/35 с алюминиевыми обмотками. Для этого варианта проводим только расчет превышений температуры обмоток над температурой масла.

В обмотке НН многослойной цилиндрической из алюминиевой ленты с прослойками между витками из кабельной бумаги возникает внутренний перепад температуры, определяемый по (9.10).

Потери в единице объема обмотки по (9.16а)

где для обмотки из алюминиевой ленты, не имеющей изоляции непосредственно на витках

  

Средняя теплопроводность обмотки НН по (9.17)

Поскольку по табл. 9.1 для междуслойной изоляции (кабельная бумага в масле) а теплопроводность неизолированной алюминиевой ленты вторым слагаемым в знаменателе выраженияможно пренебречь. Тогда

Полный внутренний перепад температуры в обмотке НН

Средний внутренний перепад

Для обмотки ВН

где a=2,8мм; а'=3,3мм; b=5,0мм; b'=5,5мм; 

Полный внутренний перепад температуры в обмотке ВН

где 0,0208 — радиальный размер внешней катушки Г обмотки ВН.

Средний внутренний перепад 

Перепад температуры на поверхности обмоток по (9.19):

обмотка НН

обмотка ВН

Плотность теплового потока на поверхности обмотки ВН

Превышения средней температуры обмоток над температурой масла:

обмотка НН

обмотка ВН

Глава десятая

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

10.1. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТРЕХФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА ТИПА ТРД-16 000/35, 16 000 кВ∙А, ПБВ,

С МАСЛЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И ДУТЬЕМ

Задание на расчет трансформатора

Рис. 10.1. Трансформатор ТРД-16000/35. Схема расположения обмоток на стержне трансформатора

Рассчитать трехфазный понижающий трансформатор со следующими данными: номинальная мощность S= 16 000 кВ·А; обмотка НН расщеплена по мощности на две группы, мощность каждой группы 8000 кВ·А; число фаз m = 3; частота f=50 Гц; напряжение обмотки ВН: 

напряжение обмотки НН: U1=10500 B (каждой группы); схема и группа соединения обмоток У/Д —Д—11 —11. Способ охлаждения — естественное масляное с дутьем; характер нагрузки — длительная. Установка наружная.

Переключение ответвлений без возбуждения (ПБВ). Схема расположения обмоток на стержне — на рис. 10.1. Трансформатор должен соответствовать требованиям ГОСТ 11677-85.

Параметры трансформатора: напряжение короткого замыкания ик = 8,0%, потери короткого замыкания Рк = 90 000 Вт; потери холостого хода Рх=21 000 Вт; ток холостого хода 0=0,6 %.

Расчет основных электрических величин и определение изоляционных расстояний

Расчет проводится для трехфазного трансформатора с плоской шихтованной магнитной системой, с концентрическими обмотками из алюминиевого провода.

Определение основных электрических величин по § 3.2. Мощность одной фазы и одного стержня

Sф=S'=16000/3=5333кВА

Номинальные токи:

на стороне ВН

на стороне НН

При параллельном соединении двух групп расщепленной обмотки НН мощность трансформатора составляет 16 000 кВ·А.. Каждая группа может работать на изолированную систему мощностью 8000 кВ·А.

Фазные токи:

НН (группы) 

Фазные напряжения:

Испытательные напряжения (см. табл. 4.1): обмотки НН UИСП2=85 кВ; обмотки НН

UИСП1=35 кВ.

По табл. 5.8 выбираем тип обмоток: обмотка ВН при напряжении 38,5 кВ и токе 240 А — катушечная непрерывная; обмотка НН при напряжении 10,5 кВ и токе 254 А — также катушечная непрерывная.

Для испытательного напряжения обмотки ВН UИСП2=85 кВ по табл. 4.5 находим изоляционные расстояния (см. рис. 4.5) a12=30 мм; l'02—80 мм; I"02 принимаем увеличенным на 60 мм для размещения прессующих колец (см. прим. 2 к табл. 4.5); таким образом, l"02=140 мм; а22=30мм.

Для испытательного напряжения обмотки НН U’ИСП1= 35 кВ по табл. 4.4 найдем а'О1 = 17,5 мм. С учетом размещения в этом канале внутренних отводов расщепленной обмотки НН (примерно 25 мм) примем а01=4О мм.

Определение исходных данных расчета. Мощность обмоток одного стержня S'=5333 кВ·А.

Ширина приведенного канала рассеяния

(см. табл. 3.3, прим. 1); ар=0,03+0,0512=0,0812 м.

Активная составляющая напряжения короткого замыкания

Реактивная составляющая

Согласно указаниям § 2.3 выбираем трехфазную стержневую шихтованную магнитную систему с косыми стыками на крайних стержнях и комбинированными «полукосыми» на среднем стержне по рис. 2.17,3. Прессовка стержней бандажами из стеклоленты — по рис. 2.18,6 и ярм — стальными балками по рис. 2.21, а. Материал магнитной системы— холоднокатаная текстурованная рулонная сталь марки 3404 толщиной 0,35 мм. Цена 1 кг 0,833 руб. Индукция в стержне Вс = 1,60 Тл (по табл. 2.4). В сечении стержня 14 ступеней, коэффициент заполнения круга kKP=0,927 (см. табл. 2.5), изоляция пластин — нагревостойкое изоляционное покрытие, З=0,97 (табл. 2.3). Коэффициент заполнения сталью kC=kKPkЗ=0,097·0,97=0,899 Ярмо многоступенчатое, число ступеней 11, коэффициент усиления ярма Я=1,015 (см. табл. 8.7). Индукция в ярме Вя= 1,6/1,015= 1,576 Тл. Число зазоров в магнитной системе на косом стыке 6, на прямом 2. Индукция в зазоре на прямом стыке В"3=1,60 Тл, на косом стыке 

Удельные потери в стали рс= 1,295 Вт/кг; рн= 1,242 Вт/кг. Удельная намагничивающая мощность qс = 1,795 В·А/кг; —1,655 В·А/кг; для зазоров на прямых стыках q"з=23 500 В·А/м2, для зазора на косых стыках q'з=3000 В·А/м2 (табл. 8.10, 8.17).

Расстояние обмотки ВН от нижнего ярма l'0=80 мм, от верхнего ярма при наличии прессующего кольца l"0= 140 мм.

По табл. 3.6 находим коэффициент, учитывающий отношение потерь в обмотках к потерям короткого замыкания k Д=0,82 и по табл.3.4 и 3.5 — постоянные коэффициенты для алюминиевых обмоток а = 1,06-1,40 = 1,484 и b= 1,25-0,31 =0,388. Принимаем kр=0,95.

Расчет основных коэффициентов. По (3.30), (3.36), (3.43), (3.44), (3.52) и (3.65) находим коэффициенты

 

Минимальная стоимость активной части трансформатора имеет место при условиях, определяемых уравнением (3.55). Для рассчитываемого трансформатора

C=A1/(3B1)=5809,8/(3·3863,5)=0,501; kИ,Р =1,13;

Решение этого уравнения дает значение=1,435, соответствующее минимальной стоимости активной части.

По (3.61) и (3.66) находим предельные значения по допустимой плотности тока J

по [3.61)].

Значение лежит за пределами обычно принимаемых значений.

Масса одного угла магнитной системы по (3.45)

/p>

Активное сечение стержня по (3.59)

Площадь зазора на прямом стыке П"з = Пс = 0,1280·х2; площадь зазора на косом стыке

Для магнитной системы по рис. 2.17, а по формуле (8.33) потери холостого хода с учетом табл. 8.10, 8.13 и 8.14

Таблица 10.1. Предварительный расчет трансформатора ТРД-16000/35 с плоской шихтованной магнитной системой и алюминиевыми обмотками

1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0

1,0 1,088 1,158 1,218 1,27 1,316

1,0 1,183 1,342 1,484 1,612 1,732

1,0 1,287 1,554 1,806 2,048 2,28

A1/x=5809/x

5809,8 5350,5 5020,8 4770,5 4580,6 4420,4

A2x2=646,96x2

646,96 765,2 870,3 960,4 1042,5 1122,6

6456,76 6115,7 5891,1 5730,9 5623,1 5543,0

B1x3=3863,5x3

3863,5 4955,6 5998,5 6950,9 I7900 8780,5

B2x2=234,93x2

234,93 278,2 315,5 348,5 379,0 406,5

GЯ1х32х2

4090,43 5233,8 6314,0 7298,6 8279,0 9187,0

GCT=GC+GЯ

10 547,19 11349,5 12 205,1 13 029,5 13 902,1 14 730

GУ=347,07х3

347,07 445,4 539,5 627,6 710,0 793,5

1,554GC

10 060 9485 9150 8920 8730 8600

1,491GЯ

6100 7780 9420 10 880 12 350 13 700

5,336GУ

1852 2380 2875 3350 3785 4248

РХ

18 012 19 645 21 445 23 150 24 865 26 548

ПС=0,128х2

0,128 0,1512 0,172 0,190 0,206 0,222

2,45GC

15 850 15 000 14 420 14 050 13 780 13 600

2,284GЯ

9350 11970 14 410 16 620 18 920 21000

86,26GУ

29 900 38 450 46 500 54 250 61200 68 400

10667,2х2

10 667,2 12 650,5 14 350,0 15 842,2 17220,0 18 500,0

QX

65 767,2 78 070,5 89 680,0 100 762,0 111 120,0 121 500,0

i0,%

0,41 0,49 0,56 0,63 0,695 0,76

2441,48 2064,5 1825,1 1652,0 1510,8 1413,5

1,03G0

2518,0 2130,6 1881,6 1702,0 1568,5 1455,7

GПР =1,1·1,03 G0

2770 2342,0 2065,5 1871,8 1725,0 1600,5

kO,CGПР =2,566GПР

7100,5 6005,5 5284,6 4800,5 4430,0 4100,5

С'а,ч=kО ,С GПР +GСТ

17 647,69 17355,0 17 489,7 17 830,0 18 332,1 18 830,5

1,545 1,672 1,785 1,875 1,95 2,03

17,44 22,45 27,20 31,56 35,5 39,82

d=Ax=0,426x

0,426 0,464 0,493 0,528 0,540 0,561

d12=ad=1·484d

0,633 0,687 0,732 0,784 0,800 0,833

1,99 1,545 1,28 1,12 0,965 0,870

C=d12+a12+bd+a22

0,858 0,927 0,983 0,997 1,069 1,111

Намагничивающая мощность по (8.44) с учетом табл. 8.17 и 8.20

Далее определяем основные размеры трансформатора

Весь дальнейший расчет, начиная с определения массы стали магнитной системы, для шести различных значений (от 1 до 3) проводится в форме табл. 10.1.

Результаты расчетов, приведенные в табл. 10.1, показаны в виде графиков на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Трансформатор ТРД-16000/35. Зависимость Р , i0 и Са,ч от

Предельные значениядля заданных потерь холостого хода Р = 21000 Вт, Предельное значениедля заданного тока холостого хода i0=0,6%составляетРанее были установлены предельные значения, ограниченные плотностью тока, 

С учетом заданных критериев выбираем значение=1,6; соответствующее ему значение d по шкале нормализованных диаметров составляет 0,480 м. В этом случае стоимость активной части отличается от минимального значения не более чем на 1 %, а потери и ток холостого хода оказываются ниже заданного значения.

Определение основных размеров (по § 3.6). Диаметр стержня

Средний диаметр обмоток НН и ВН

d12=1,484·0,48=0,713м.

Ориентировочная высота обмоток

Активное сечение стержня по табл. 8.7

ПС=0,97·1688,9·10-4=0,1635м2

Напряжение одного витка предварительно

uВ=4,44·50·1,6·0,1635=58,15В.

Число витков в обмотке НН

принимаем 181 виток.

Уточнение напряжения одного витка

uB=10500/181=58,05B.

Средняя плотность тока в обмотках

Расчет обмотки НН (по § 6.3)

Ориентировочное сечение витка, м2,

П'B=254·10-6/1,74=146·10-6м2.

По табл. 5.8 по мощности одной группы расщепленной обмотки S'/2=2666,5 кВ·А, номинальному току группы I1=254 A и напряжению 10,5 кВ выбираем непрерывную катушечную обмотку из прямоугольного алюминиевого провода.

По сечению витка по табл. 5.2 выбираем четыре параллельных провода АПБ сечением 37,14 мм2

изоляцияна две стороны.

Сечение витка П1=4·37,14·10-6=148,56·10-6 м2;

J2=254,0·106/148,56=1,7·10A/м 2

Канал между катушками принимаем предварительно 5 мм; между группами расщепленной обмотки НН hKP=20мм.

Предварительно определяем число катушек обмотки по (6.63) для одной группы

nКАТ1=(1400/2-20)/(10+5)=680/15=45.

Число витков в катушке ориентировочно по (6.65)

1=0,56+2·0,072=0,704м.

Масса металла обмотки (группы) по (7.7)

G01=8,47·103·3·0,632·181·148,56·10-6=432,0 кг.

Масса провода (табл. 5.5)

GПР1=1,050·432=453 кг.

Масса провода обмотки НН

GПРНН=2·453=906 кг.

Расчет обмотки ВН (по § 6.3)

Выбираем схему регулирования, аналогичную рис. 6.6, г, с выводом концов всех трех фаз обмотки к одному трехфазному переключателю. Контакты переключателя рассчитываются на рабочий ток 120 A. Наибольшее напряжение между контактами переключателя в одной фазе

рабочее , т.е. 2220 В;

испытательное , т.е. 4440 В.

Для получения на стороне ВН различных напряжений необходимо соединить

Напряжение, В Ответвления обмотки
40425 А2А3 В2В3 С2С3
39462,5 А3А4 В3В4 С3С4
38500 А4А5 В4В6 С4С6
37537,5 А5А6 В5В6 С5С6
36575 А6А7 В6В7 С6С7

Число витков в обмотке ВН при номинальном напряжении

Число витков на одной ступени регулирования

При J= 1,825-106 А/м2 и b = 9 мм по графикам рис. 5.34,6 находим q = 700Вт/м2. Это значение q получено для катушек, имеющих четыре охлаждаемые маслом поверхности. Для сдвоенных катушек q увеличивается примерно в 1,5 раза. Принимаем конструкцию обмотки со сдвоенными катушками. В сдвоенных катушках две шайбы по 0,5 мм. Между двойными катушками каналы по 5 мм. Две крайние катушки вверху и внизу отделены каналами по 7,5 мм (см. табл. 4.10), Схема регулирования по рис. 6.6, г; канал в месте разрыва обмотки hKP=12,5 мм (табл. 4.9), канал между группами обмотки ВН — 30 мм.

Размер провода в катушках с усиленной изоляцией 5,25X10,5 мм.

Осевой размер основных катушек b'=9,5 мм.

Число катушек обмотки ВН в одной группе ориентировочно по (6.63)

Поскольку необходимо сделать несколько увеличенных каналов, принимаем 52 катушки в каждой группе.

Число витков в катушке (ориентировочно)

Общее распределение витков между катушками

4 катушки с усиленной изоляцией Г поxвитков …….27

 8 регулировочных катушек Н по 5 витков 40

 -------------------------------------------------------------------

 Всего 52 катушки 404

Расположение катушек на стержне и размеры радиальных каналов приняты по рис. 10.4.

Рис. 10.4. Трансформатор ТРД-16000/35. Расположение катушек и радиальных каналов в обмотке ВН (одна группа)

Осевой размер обмотки

По испытательному напряжению UИСП=85 кВ и мощности S=16000 кВ·А по табл. 4.5 находим

Канал между обмотками ВН и НН а12,м…………………………………………….……….30

Толщина цилиндра ,мм………………………………………………….………….….……6

Выступ цилиндра за высоту обмотки lЦ2=50

Расстояние между обмотками ВН двух соседних стержней а22, мм………….……………30

Толщина междуфазовой перегородки , мм………………………………….………….…3

Расстояние обмотки ВН до прессующего кольца l'0,2 , мм………………………………….30

Высота прессующего устройства lП………………………………………………….……….30

Расстояние от прессующего устройства до ярма l'П, мм…………………………….………30

Согласно § 4.3 принимаем размеры бумажно-бакелитового цилиндра Ø728/740х1500мм.

Таблица 10.2. Данные катушек обмотки ВН трансформатора ТРД-16000/35

Показатели Условные oбозиачения катушек Всего на стержень  
Основные Регулировочная Н С усиленной изоляцией Г  
Д Е К  
 
Число катушек в одной параллельной ветви 8 12 20 8 4 52Х-2  
Число витков в катушке 8 5 404 X2  
Размеры провода без изоляции, мм 9X3,75 9X3,75 9X3,75 9X3,75 9X3,75  
Размеры провода в изоляции, мм 9.5Х 4,25 9,5Х 4,25 9,5Х 4,25 9,5Х 4,25 10,5Х5.25  
Радиальный размер, м 0,077 0,077 0,068 0,077* 0,074  
Сечение витка, мм2 65,78 65,78 65,78 65,78 65,78  
Плотность, тока106 А/м2 1,825 1,825 1,825 1,825 1,825 _  
Масса провода (на три фазы), кг без изоляции 99,0 149,5 222.0 56,5 38,0 565 X2  
с изоляцией 104,0 158,0 233,5 59,5 45,0 600 X2  
Диаметры, м внутренний 0,764 0,764 0,764 0,764 0.7П4  
наружный 0,918 0,918 0,900 0,918 0,912  

* В катушку Н вмотать ленты из картона до размера 0,077 м.

Основные размеры обмоток показаны на рис. 10.5. Масса металла обмотки (группы) (по табл. 10.2) G02=565,0 кг.

Масса провода (табл. 5.5) GПР1=600 кг.

Масса провода обмотки ВН =2·600=1200 кг.

Расчет параметров короткого замыкания

Потери короткого замыкания по (§ 7.1). Основные потери по (17.4)

обмотка НН

РОСН2=12,75·10-12J2GA=12,75·10-12·1,712·1012·432·2=32230 Вт.

Добавочные потери в обмотке НН по (7.15)

(предварительно принимаем kP=0,95);

обмотка ВН (при номинальном числе витков)

заданного значения.

Добавочные потери в обмотке ВН

Рис. 10.5. Трансформатор ТРД-16000/35. Основные размеры обмоток

Катушки Д и Е

kД2=1+0,037·108·0,405·3,754x10-12·182=1,097

Катушки К

kД2=1+0,037·108·0,405·3,754x10-12·162=1,077

Катушки Н

kД2=1+0,037·108·0,405·3,754x10-12·102=1,03

Катушки Г

kД2=1+0,037·108·0,405·3,754x10-12·142=1,059

Основные потери в отводах

отводы НН

lОТВ1=14·1,4=19,6м;

GОТВ1=19,6·148,56·10-6·2700=7,85кг

РОТВ1=12,75·10-12·1,712·1012·7,85·2=585Вт;

отводы ВН

lОТВ2=7,5·1,4=10,5м;

GОТВ1=10,5·65,78·10-6·2700=1,9кг

РОТВ2=12,75·10-12·1,8252·1012·1,9·2=160Вт

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно по (7.25) и табл. 7.1

310 мм. Максимальные сжимающие силы в обмотках

FСЖ1 =F'ОС+F"ОС=60600+201000+27100Н;

FСЖ2=F"ОС- F'ОС=201000-60600=140400Н.

Наибольшая сжимающая сила наблюдается в средине высоты обмотки НН (1), где

FСЖ1 =271600 Н.

Напряжение сжатия на междувитковых прокладках

что ниже допустимого 18—20 МПа.

Температура обмотки через tk=5 с после возникновения короткого замыкания по (7.54а)

Время достижения температуры 200 0С для обмоток

Расчет магнитной системы {по § 8.1—8.3)

Выбираем конструкцию плоской трехфазной магнитной системы, собираемой в переплет (шихтованной) по схеме рис. 10.7, с четырьмя косыми стыками и комбинированными «полукосыми» на среднем стержне. Стержень прессуется бандажами из стеклоленты, ярма — балками и стальными полубандажами. Обмотки прессуются прессующими кольцами.

Сечение стержня с 14 ступенями без прессующей пластины, размеры пакетов по табл. 8.5. Сечение ярма повторяет сечение стержня, три последних пакета ярма объединены в один с шириной пластины 270 и толщиной 34 мм; в ярме 11 ступеней. В стержне и ярме два продольных канала по 3 мм.

1+a11=0,918+0,032=0,95 м.

Объем угла по табл. 8.7 VУ=68274 см3.

Масса стали угла по (8.6)

Масса стали стержней в пределах окна магнитной системы по (8.12)

G'C=3·1638·10-4·1,62·7650=6120 кг.

Масса стали в местах стыка пакетов стержня и ярма по (8.13)

G"C=3(1638·10-4·0,465·7650-506)=231 кг.

Масса стали стержней

GC= G'C+ G"C=6120+231=6351 кг.

Масса стали в ярмах по (8.8) — (8.10)

G'Я=2(3-1)·0,95·1665·10-4·7650=4840 кг;

G"Я=2·506=1012 кг;

GЯ= G'Я+ G"Я=4840+1012=5852 кг.

Полная масса стали трансформатора

GСТ= GC +GЯ=6351+5852=12203 кг.

Раcчет потерь и тока холостого хода (по § 8.2). Магнитная система шихтуется из электротехнической тонколистовом рулонной холоднокатаной текстурованной стали марки 3404 толщиной 0,35 мм.

Индукция в стержне

Индукция в ярме

По табл. 8.10 находим удельные потери

при ВС=1,605 Тл qC=1,82 В·А/кг; qЗ,С=23900 B·А/м2; (шихтовка водну пластину);

при ВЯ=1,58 Тл рЯ=1,251 Вт/кг;

при Ва=1,605/=1,13 Тл р3=337 Вт/м2.

Потери холостого хода по (8.32)

Потери холостого хода Рх=22 050 Вт, или 22 050 · 100/21 000 = 105 %

По тексту гл. 8 и табл. 8.13 находим коэффициенты для стали 3404 толщиной 0,35 мм при наличии отжига kП,Я=1,0; kП,Р=1,05; kП,З=1,0;

KПЛ=1,0; kП,Ш=1,09; kП,П=1,04; kП,У=9,38.

Число косых зазоров 5, прямых— 1.

По табл. 8.17 находим удельные намагничивающие мощности

при ВС=1,605 Тл qC=1,31 В·А/кг; qА,С=649 Bт/м2;

при ВЯ=1,58 Тл qЯ=1,675 В· A/кг;

при ВЗ=1,13 Тл р3=2950 Вт/м2.

Полная намагничивающая мощность по (8.43)

По тексту гл. 8 и табл. 8.12, 8.20 и 8.21 находим коэффициенты kТ,Р=1,18; kТ,А=1,0; kТ,Я=1,0 (при наличии отжига пластин); kТ,У=35,2; kТ,ПЛ=1,2; kТ,Я=1,0;

KТ,П=1,06; kТ,Ш=1,09.

Относительное значение тока холостого хода

i0=98000/(10·16000)=0,613%

или 0,613·100/0,6=102,2% заданного значения.

Активная составляющая тока холостого хода

i0a=22050/(10·16000)=0,138%.

Реактивная составляющая

Ток холостого хода (для обмотки НН)

I0=98000/(3·10500)=3,12А;

I=22050/(3·10500)=0,7 А;

I=3,04А.

Коэффициент полезного действия трансформатора

Тепловой расчет трансформатора

Перепады температуры на обмотках определяются по § 9.5; плотность теплового потока на поверхности обмоток — по § 7.1

обмотка НН

где  число реек nP=16,

ширина прокладок bпр = 0,05 м;

обмотка ВН (основные катушки)

Внутренний перепад по (9.9)

обмотка ВН (основные катушки)

обмотка НН

Перепады на поверхности обмоток по (9.20)

обмотка НН

по тексту § 9.5 — для обеих обмоток k1=0,9; k2=1,1; для hK/a=0,005/0,072=0,0695, по табл. 9.3 k3=1,1;

обмотка ВН

k2=1,0;для hK/ a=0,005/0,077=0,065, по табл. 9.3 ka=1,1.

Полные перепады температуры на обмотках

ВН 

НН 

Выбор основных размеров бака (по § 9.6). Выбираем конструкцию — гладкий бак с навесными трубчатыми радиаторами, обдуваемыми индивидуальными вентиляторами.

Ширина бака определяется из условия изоляции отводов от наружной обмотки ВН и стенок бака. Отвод ВН — шина из алюминия4,0X35,0 мм (на ток 240 А); толщина изоляции на сторону по табл. 4,1—2,0 мм; общая толщина отвода d3=4+2·2=8 мм; расстояние от отвода до гладкой стенки бака расстояние до прессующей балки ярмаОтводы Н H — шины из алюминия такого же сечения, как и ВН, толщина изоляции на сторону 2,0 мм; общая толщина отвода d4 = 8 мм. Расстояние отвода НН до обмотки ВН по табл. 4.12 3=50 мм;

Ширина бака

Вmin=0,918+(108+78)·10-3=1,104 м.

Принимаем B=1,14 м при центральном положении трансформатора в баке.

Длина бака

А=2·0,95+0,918+90·10-3=2,998 м

(s5 по табл. 4.12); s5=90 мм, принимаем A=3,0 м.

Высота активной части

На,ч=1,62+2·0,465+0,05=2,6 м.

Глубина бака

Нб=2,6+0,47=3,07 м;

Hя,к=0,47 м по табл. 9.9, принимаем Hб=3,1 м.

Периметр бака

Поверхность гладкого бака

ПГЛ=7,3·3,1=22,6 м2.

Поверхность излучения приближенно по (9.35)

ПИ≈22,6·1,75=39,6 м2.

Допустимое превышение средней температуры масла над температурой окружающего воздуха

Превышение температуры масла в верхних слоях

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха

По (9.30) находим ориентировочное значение поверхности конвекции бака

Поверхность конвекции радиаторов вместе с поверхностью конвекции гладкого бака (ПК,ГЛ=22,6 м2) должна составлять 568,5 м2, в том числе радиаторов 545,9 м2. Расстояние между осями патрубков радиаторов

Выбираем восемь радиаторов с расстоянием между осями патрубков 2,685 м (по табл. 9.9), с поверхностью коллекторов 2·0,66=1,32 м2. Поверхность конвекции одного радиатора при дутье (см. табл. 9.9)

ПК,ОХЛ=31,15·2,24+1,32·1,6=71,9 м2.

Рис. 10.8. Трансформатор ТРД-16000/35. Эскиз расположения радиаторов по периметру бака

Поверхность конвекции бака с восемью радиаторами

ПК=22,6·1,0+3,55·0,5+8·71,9=599,58 м2;

ПК,КР=[(1,14+0,2)(3,0-1,14)+ 1,142/4]=3,55 м2.

Поверхность излучения (по рис. 10.8)

Периметр

РИ=2(3,80+3,85)=15,3 м;

Поверхность

ПИ=15,3·3,1=47,5 м2.

Окончательный расчет превышения температуры обмоток и масла трансформатора (по § 9.7). Среднее превышение температуры стенки бака над температурой воздуха (по 9.42)

Превышение температуры масла над температурой стенки по (943)

Превышение температуры масла в верхних слоях над воздухом

Превышение температуры обмоток над воздухом

ВН 25,04+31,4+5,6=62,04<650С;

НН 20,18+31,4+5,6=57,18<650С.

Определение массы масла (по § 9.8). Объем бака

Объем активной части

Объем масла в баке

VМ,б=9,75-3,44=6,31 м3.

Масса масла в баке

GМ,б=900·6,31=5780 кг.

Масса масла в радиаторах

GМ,Р=8·362=2896 кг.

Общая масса масла

GМ=5780+2896=8676 кг.