Расчет катушечной обмотки НН

Определяется число реек, выбираются провода нужного размера. Уточняется сечение витка и находится реальная плотность тока в обмотке. Находятся высота катушки, ориентировочное число катушек и число витков в катушке. Уточняется радиальный размер обмотки. Находится плотность теплового потока обмотки, уточняется осевой размер обмотки и находятся ее внутренний и наружный диаметры.

Предполагаемый тип обмотки был выбран выше. Для точного расчета обмотки необходимо знать два важнейших ее параметра: рассчитанное ранее число витков (см. формулу (2.3)) и заданное ориентировочное сечение витка (см. формулу (2.6)).

Непрерывную катушечную обмотку обычно наматывают на жесткий бумажно-бакелитовый цилиндр, по образующим которого расположены деревянные рейки. Примите ориентировочное число реек по прил. 11.

Катушечную обмотку выполняют только из прямоугольного провода (рис. 2.7). Обмотка состоит из последовательно соединенных катушек, намотанных в виде плоских спиралей из одного и более проводов прямоугольного сечения и расположенных в осевом направлении обмотки. Катушки отделяют друг от друга радиальными каналами, которые обеспечивают одновременно изоляцию и охлаждение обмотки. В обмотках трансформаторов от 1000 до 6300 кВ∙А можно применять сдвоенные катушки с радиальными каналами через две катушки. В этом случае половину радиальных каналов заменяют разрезными шайбами по две шайбы общей толщиной 0,1 см. Этот прием наиболее часто используют в алюминиевых обмотках. В трансформаторах мощностью на один стержень до 110 кВ∙А допустимо вообще не делать межкатушечные каналы.

Катушечная обмотка называется непрерывной, если она намотана непрерывным проводом (или несколькими непрерывными параллельными проводами), не содержит обрывов и паек провода (в отличие от дисковой катушечной обмотки). В данном проекте рассматриваются только непрерывные катушечные обмотки.

Расположение катушек, реек и межкатушечных прокладок показано на рис. 2.8.

Переход провода из одной катушки в другую в непрерывной катушечной обмотке делают в промежутках между прокладками. Прокладки закрепляют на рейках.

Для данного типа обмотки число параллельных проводов в каждой катушке не должно быть более 5, все провода должны иметь одинаковые размеры и укладываться один за другим в радиальном направлении, намотка ведется только плашмя.

В катушечной обмотке параллельные провода наматываются на окружностях разных диаметров, т. е. имеют неодинаковую длину и, следовательно, неодинаковое активное сопротивление. Они находятся в различных зонах поля рассеяния и имеют неодинаковое реактивное сопротивление. Поэтому по параллельным проводам протекают неодинаковые токи и потери распределены неравномерно, а значит, необходимо делать транспозицию параллельных проводов. Для этого число катушек должно быть четным.

Вследствие значительного угла изгиба провода на ребро в местах перехода из одной катушки в другую изоляция проводов может быть повреждена. Поэтому для обеспечения надлежащей электрической прочности применяют или добавочную изоляцию в местах перехода, или (как в нашем случае) так называемую перекладку проводов.

Входные витки (катушки) обмотки НН при ее номинальном напряжении 20 кВ и выше выполняют с усиленной изоляцией, предотвращающей пробой между витками при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений. Усиленную изоляцию делают и на выходных катушках каждой фазы непрерывной обмотки с двух ее концов. Витки с усиленной изоляцией в обмотке НН располагают в отдельных катушках (для данного курсового проекта не существует вариантов обмоток НН с таким классом напряжения).

Зная величину , по сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (прил. 8) подберите подходящие провода прямоугольного сечения. Сечению витка в сортаменте обмоточного провода обычно соответствует несколько близких сечений провода с различным соотношением сторон , что дает возможность широкого варьирования при размещении витков в катушке. Для получения более компактной конструкции обмотки рекомендуется выбрать из сортамента более крупные сечения при меньшем числе параллельных проводов и сечения с большим возможным размером .

Выбранные размеры провода записываются так:

где – число параллельных проводов; и – размеры провода без изоляции; и – размеры провода в изоляции, которые находятся с использованием прил. 10:

; . (2.43)

Реальное сечение витка из параллельных проводов определяется по формуле:

, (2.44)

где – сечение одного провода.

Таким образом, было уточнено сечение витка , предварительно рассчитанное по формуле (2.6).

Реальная плотность тока

, (2.45)

где – по формуле (1.3) или (1.5); – по формуле (2.44).

Высота катушки в этой обмотке равна большему размеру провода в изоляции, т. е.

, (2.46)

где – больший размер провода в изоляции (по формуле (2.43)).

Далее необходимо определить ориентировочное число катушек на одном стержне . Число катушек, которое может поместиться на стержне, зависит от количества охлаждающих каналов между катушками. Чем больше сделано каналов, тем меньше можно будет разместить катушек и, значит, тем больше нужно намотать витков на каждую катушку для обеспечения требуемого числа витков . Число охлаждающих каналов, в свою очередь, зависит от необходимости охлаждения, т. е. от величины плотности теплового потока обмотки, которая не должна превышать 1200 Вт/м² для алюминиевого и 1600 Вт/м² для медного провода. Поэтому рекомендуется поступить следующим образом:

– сначала предполагаем отсутствие каналов. Затем, найдя число катушек, уточнив число витков в катушке и ее радиальный размер, определяем плотность теплового потока;

– если данная величина будет больше допустимой, то делаем каналы через две катушки и повторяем расчет;

– если вновь полученная плотность теплового потока будет снова больше допустимой, то делаем каналы между всеми катушками и повторяем расчет. Полученная при этом плотность теплового потока не должна быть больше допустимой, в противном случае в расчетах допущена ошибка.

Кроме того, примем заданную высоту обмотки НН равной заданной высоте обмотки рассчитанной по формуле (1.16). После этого уменьшим на 1 см и в соответствии с вышеизложенной методикой подставим полученное значение в соответствующие формулы:

– для катушек с шайбами без межкатушечных каналов:

; (2.47)

– для сдвоенных катушек с шайбами с каналами через две катушки:

; (2.48)

– для случая, когда каналы сделаны между всеми катушками:

. (2.49)

Здесь – по формуле (2.46); – высота радиального канала, принять см; – толщина шайб, см.

Для применения специального способа перекладки провода, исключающего его большие изгибы, общее число катушек должно быть четным. Поэтому полученное значение нужно округлить до ближайшего меньшего четного числа.

Далее число витков в катушке определяется ориентировочно:

, (2.50)

где – по формуле (2.3); – по формулам (2.47)–(2.49) с учетом округления.

Число витков в катушке может быть целым или дробным, в последнем случае в знаменателе дроби должно быть полное число реек по окружности обмотки, в числителе – число реек, охваченных неполным витком. Поэтому, если найденное по формуле (2.50) получилось дробным (что, разумеется, наиболее вероятно), то необходимо записать значение в виде правильной дроби, кратной числу реек, например: , где 14 – число реек. Также стоит обратить внимание на то, что это дробное число витков не должно быть меньше единицы, т. е. хотя бы один виток должен быть намотан полностью. В противном случае такая обмотка просто физически не будет держаться, и потребуется выбрать другой тип обмотки.

При этом радиальный размер провода без изоляции в зависимости от числа параллельных проводов в радиальном направлении, не должен превышать значения указанного в прил. 10. Тогда добавочные потери не превысят допустимые 5 % от основных электрических потерь (см. гл. 3).

Далее необходимо определить радиальный размер обмотки. Для этого найденное по формуле (2.50) число витков катушки округляем до ближайшего целого числа в большую сторону и подставляем полученное значение в формулу:

, (2.51)

где – меньший размер прямоугольного провода в изоляции (по формуле (2.43)).

Таким образом, уточнен параметр предварительно вычисленный по формуле (1.15).

Плотность теплового потока определяется по формулам:

– обмотка с шайбами без межкатушечных каналов:

(2.52)

– обмотка со сдвоенными катушками с шайбами с каналами через две катушки:

(2.53)

– обмотка с каналами между всеми катушками:

. (2.54)

Здесь Ом∙м² для медных обмоток, Ом∙м² для алюминиевых; − заданный коэффициент добавочных потерь, ; – коэффициент, учитывающий закрытие изоляционными деталями части охлаждаемой поверхности обмотки, ; – по формуле (2.45); − см. формулу (2.50) с учетом округления; – см. формулы (2.47)–(2.49) с учетом округления; и − размеры провода без изоляции; – по формуле (2.43); – по формуле (2.51).

Отметим, что здесь заданные добавочные потери принимаются равными максимально допустимым значениям в 5 %, далее коэффициент будет рассчитан точно.

Заметим также, что данные формулы неочевидны, поэтому рекомендуется детально разобрать в литературе их вывод.

Осевой размер (высота) обмотки, опрессованной после сушки трансформатора , определяется по следующим формулам:

– для обмотки с шайбами без межкатушечных каналов:

; (2.55)

– для обмотки со сдвоенными катушками с шайбами с каналами через две катушки:

; (2.56)

– для обмотки с каналами между всеми катушками:

. (2.57)

В формулах (2.55)–(2.57) – по формуле (2.43); – по формулам (2.47)–(2.49) с учетом округления; учитывает усадку шайб после сушки и опрессовки обмотки; и – см. формулы (2.47)–(2.49).

Величину необходимо увеличить на 1 см, полученное при этом значение должно быть как можно ближе к значению рассчитанному по формуле (1.16), но не должно превышать его. В противном случае сделана ошибка в расчетах. Если (что, как правило, и имеет место) и есть охлаждающие каналы, то нужно немного увеличить , чтобы , но не превышало его.