Раскладка, детальное конструирование и расчет обмоток

Раскладка выполняется с целью уточнения типа обмоток, определения внутреннего строения обмоток и их элементов, выбора такого стандартного обмоточного провода, который обеспечивает высокий коэффициент заполнения обмоток активным проводниковым материалом и минимальные добавочные потери. При раскладке должна быть обеспечена заданная величина плотности тока ( с точностью до 2,5 % ), заданное число витков W, допустимый уровень удельной теплой нагрузки и электрической прочности, а также технологичность и экономичность.

Последовательность раскладки цилиндрических слоевых обмоток.

5.2.1. Определение фазных напряжений и токов обмоток:

Фазные напряжения:

- При соединении обмоток в звезду .

- При соединении обмоток в треугольник .

Фазные токи:

- При соединении обмоток в звезду .

- При соединении обмоток в треугольник .

5.2.2. Определение чисел витков обмоток ( на одну фазу ):

Число витков обмотки НН:

. (5.1)

Полученное значение w₁ округляется к ближайшему целому числу w_1ц. При этом уточняется величина В_с .

Число витков обмотки ВН на одну фазу для средней ступени напряжения:

, (5.2)

где W₂ округляется до ближайшего целого числа.

Величину W₂ необходимо определить возможно точнее.

Проверка коэффициента трансформации:

. (5.3)

Допускается отклонение полученного значения от заданного не более чем на 0,5%.

ГОСТ 12022-76 на трансформаторы мощностью до 630 кВА устанавливает два способа регулирования напряжения:

а) Переключение ответвлений обмотки трансформатора без возбуждения (ПВБ), т.е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети;

б) Переключение ответвлений обмоток трансформатора без перерыва нагрузки ( РПН ). При регулировании с ПБВ предусмотрено выполнение в обмотках ВН четырёх ответвлений на +5 %, +2,5 %, -2,5 % и -5 % от номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. В этом случае число витков для регулирования напряжения:

. (5.4)

На рис. 3.1 показана наиболее часто применяемая в цилиндрических слоевых обмотках схема регулирования с ПБВ. В данной схеме регулировочные витки располагаются в наружном слое. Во избежание не симметрии магнитодвижущих сил (МДС) по высоте обмоток и больших усилий при коротких замыканиях витки каждой ступени регулирования разделяются на две последовательно соединённые группы. Намотка регулировочных витков производится тем же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки.

В трансформаторах с РПН мощностью до 630 кВА со стороны ВН напряжение изменяется ступенями по 1,67 % относительно номинального на 10 %.

Поэтому трансформаторы с РПН требуют большего размера окна, чем с ПБВ.

Более подробно о регулировании напряжения трансформаторов изложено в [1, 5, 10].

При применении ПБВ для регулирования напряжения отводы выполняются со стороны ВН вблизи нулевой точки обмотки после витков ; ; ; ; . Число витков соответствует номинальному напряжению обмотки ВН. При определении чисел регулировочных витков отдельных ступеней регулирования их округляют до ближайших целых чисел.

Рис.5.1. Схема выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании с ПБВ.

5.2.3. Расчёт плотностей токов в обмотках НН и ВН

Средняя расчетная плотность тока в обмотках ( ) в ( ) определяется по формуле:

. (5.5)

Раскладка обмотки НН

Предварительное значение площади сечения витка в мм² :

. (5.6)

Число витков в слое обмотки:

. (5.7)

В (5.7) - число витков обмотки.

Обычно выполняется однослойная или двухслойная обмотка НН. При нечётном числе количество витков в слое двухслойной обмотки получается дробным, кратным половине витка. В этом случае переход из одного слоя в другой располагается со сдвигом в 180⁰ по окружности обмотки по отношению к расположению начала и конца обмотки.

Вследствие намотки витков по винтовой линии по высоте слоя требуется уложить витков. Следует учитывать также, что возможна неплотная намотка и стремление катушки спружинить после снятия её с оправки после намотки, что требует введения поправочного коэффициента, принимаемого равным 1,03.

Обмотки трансформатора выполняются из провода с круглой или прямоугольной формой поперечного сечения. Если площадь сечения витка s₁ 16 мм², то применяется провод круглого сечения. Порядок укладки обмоток из провода с круглым поперечным сечением рассмотрен на примере обмотки ВН (п.5.2.5). Если же площадь сечения витка s₁ 16 мм², то применяется провод с прямоугольным поперечным сечением.

В том случае, если площадь сечения витка >40 – 50мм², то целесообразно для уменьшения потерь от вихревых токов и удобства намотки обмотки выполнить сечение витка из нескольких параллельных проводов, суммарная площадь поперечного сечения которых примерно равна площади поперечного сечения витка. При этом площадь сечения каждого из параллельных проводов целесообразно выбирать в пределах 25 - 40 мм² .

Осевой размер витка из провода прямоугольного сечения с изоляцией определяется следующим образом:

. (5.8)

В (5.8) - действительная высота катушки НН в мм, которая после выбора провода должна быть близка к расчётной высоте обмотки , но не более её; - осевой размер прямоугольного провода без изоляции, мм; - расчётный размер изоляции проводника на одну сторону, мм.

Расчётный размер изоляции принимается на 0,1 мм больше истинного размера для обеспечения запаса для нормального размещения обмоток в окне

(5.9)

где - стандартный размер изоляции (находится по таблице Б3 сортамента обмоточного провода).

Осевой размер провода без изоляции:

. (5.10)

Радиальный размер прямоугольного провода без изоляции в мм:

, (5.11)

где 1,02 – учитывает округление кромок проводов прямоугольного сечения, в мм².

По таблице Б3 выбирается наиболее близкий к расчётному сечению и размерам " " и " " провод. Если в сортаменте нет провода с требуемым размером " ", сечение витка можно составить из нескольких ( не более 8 ) параллельных проводов . При выборе нескольких параллельных проводов, необходимо, чтобы радиальные размеры " " этих проводов были бы одинаковыми.

Суммарное сечение всех проводников, составляющих виток, должно быть по возможности близким к заданному сечению , определяемому по (5.6).

Проводники могут наматываться “плашмя” или “на ребро”. При намотке “плашмя” больший размер провода располагается в осевом направлении. При намотке “на ребро” больший размер провода располагается в радиальном направлении. Намотка “на ребро” трудоёмка и приводит к увеличению добавочных потерь в обмотке. Поэтому, по возможности, следует её избегать либо применять только в тех случаях, когда 1,3 < < 3,0.

Рассчитанная высота обмотки должна быть на 5 – 15 мм меньше заданной высоты (Н_о).

Высота обмотки проверяется по формуле:

, (5.12)

где - число параллельных проводников по высоте витка.

По высоте витка может быть расположено либо проводников, либо проводников (как выполнено в примерном расчёте настоящих указаний).

Размеры выбранного провода (в мм) записываются в виде условной дроби.

Марка провода . (5.13)

По полученному в результате выбора из сортамента сечению витка уточняется действительная плотность тока в обмотке в А/мм² :

. (5.14)

В (5.14) , - сечение одного проводника, мм² .

Полный радиальный размер обмотки равен толщине всех слоёв с радиальным размером каждого слоя плюс ширина вертикального охлаждающего канала (если он имеется). В случае отсутствия вертикального канала между слоями устанавливают прокладку из электрокартона толщиной 0,5 мм. Толщина прокладки учитывается при расчёте введением размера .

Таким образом, если намотка состоит из двух слоёв с каналом между ними

шириной , мм, то полная ширина обмотки в окне (мм):

. (5.15)

Радиальный размер обмотки без канала, мм :

(5.16)

Для схемы 1 .

Раскладка обмотки ВН

Предварительное значение площади сечения витка в А/мм² :

(5.17)

По полученному сечению из нормального сортамента круглого провода (Таблица Б1) выбирается провод ближайшего по величине сечения. Виток может быть составлен из 2-3 параллельных проводников одинакового диаметра . Размеры выбранного провода (в мм) записываются в виде условной дроби .

Марка провода , (5.18)

где - число параллельных проводников в витке ;

d - диаметр неизолированного провода, мм .

По указанным в 5.2.4 причинам принимается см .

По выбранному полному сечению витка уточняется действительная плотность тока в обмотке в А/мм² :

, (5.19)

где , - сечение одного проводника, мм² .

Затем проводники размещаются по слоям обмотки .

Число витков в слое :

(5.20)

Число слоёв обмотки :

(5.21)

Полученное значение округляется до ближайшего большого целого числа.

В случае выбора схемы 2 в обмотке ВН, как и в обмотке НН, устраивается вертикальный охлаждающий канал. Количество слоёв в частях обмотки, отделённых каналом, следует выбирать пропорционально количеству охлаждающих поверхностей этих катушек. Так, для схемы 2 при намотке внутренней катушки на жёстком цилиндре в ней помещается около 1/3 , а во внешней катушке – около 2/3 от общего количества слоёв. Ширина каналов выбирается из таблицы 2.8, толщина междуслойной изоляции выбирается по таблице 5.1 в зависимости от напряжения между слоями - .

Таблица 5.1. Межслойная изоляция в многослойных цилиндрических обмотках

Суммарное рабочее напряжение 2-х слоёв обмотки,Ucл2 в В	Число слоёв кабельной бумаги К12 на толщину слоя, мм	Выступ междуслойной изоляции на торцах, мм
До 1000	2 х 0,12
От 1001 до 2000	3 х 0,12
От 2001 до 3000	4 х 0,12
От 3001 до 3500	5 х 0,12

Радиальный размер (ширина) обмотки (с каналом между слоями), мм :

, (5.22)

где - ширина канала, мм ;

- толщина межслойной изоляции, мм.

Радиальный размер обмотки без канала, мм:

. (5.23)

В случае применения схемы 1 в (5.22) , тогда .

Для обмотки напряжением 35 кВ радиальный размер увеличивается на толщину экрана с его изоляцией. Увеличение радиального размера обмотки за счёт экрана составляет в среднем 2,5 мм .

Радиальные размеры обмоток НН и ВН, выраженные в мм , округляются до ближайшего большего числа.

Полученные радиальные размеры обмоток позволяют определить ширину окна магнитопровода:

, (5.24)

где суммарный радиальный размер обмоток в окне трансформатора

. (5.25)

После расчёта обмоток определяется необходимое расстояние между осями стержней – МО (см. примерный расчёт) по (2.55).

Величина МО должна быть не более заданной или полученной в предварительном расчёте (Таблица 2.17). Допускается её отклонение в меньшую сторону от заданного значения МО на 3…5% . Если размер МО получится более заданного, то следует увеличить на 3…5% и выполнить расчёт заново.