Подход к проектированию трансформаторов

Глубокое знание теории электромагнитного преобразования энергии в трансформаторах необходимо для их проектирования и эксплуатации.

В техническом задании на проектирование трансформатора указываются: номинальная мощность; число фаз; частота; номинальные линейные напряжения первичной и вторичной обмоток; схема и группа соединений; способ охлаждения; характер нагрузки (продолжительный или повторнократковременный); потери холостого хода, ток холостого хода (%); напряжение короткого замыкания и_к% и потери короткого замыкания.

Расчет трансформатора производят в следующей последовательности.

После принципиального выбора конструкции магнитной системы, обмоток и системы охлаждения определяют линейные и фазные токи, а затем главные размеры трансформатора.

Главные размеры d и / трансформатора (рис. 2.123) определяют электромагнитную мощность трансформатора:

Рис. 2.123. Расчетная схема трансформатора.

При проектировании широко используются опытные коэффициенты, полученные из практики электромашиностроения.

Чтобы определить внешний диаметр обмотки низшего напряжения, пользуются соотношением D = ad, где, а ~ 1,33-М, 45 для трансформаторов с медной и, а ~ 1,41−5-1,54.

с алюминиевой обмотками.

Важное значение для распределения массы трансформатора между медью и сталью имеет соотношение.

которое для силовых трансформаторов изменяется в пределах от 1,1 до 3,5. Большим значениям р соответствуют трансформаторы с большей массой стали и меньшей массой меди, а меньшим значениям р — трансформаторы с большим объемом меди и меньшей массой стали. Из выражения.

(2.161) находят / ~ (4,2−1-4,6) ^ для медных и / ~ (4,4−1-4,8) ^ ;

для алюминиевых обмоток.

Далее выбирают электромагнитные нагрузки: В — индукцию в стержне и J — плотность тока. Обычно принимают В = 1,4−1-1,65 Тл, a J ~ 1,8-i-2,8−10^е А/м² (для трансформаторов с медными обмотками и масляным охлаждением). Для алюминиевых обмоток в трансформаторах с масляным охлаждением J ~ 1,2−1-1,8−10^е А/м². Для сухих трансформаторов с медными обмоткамиJ ~ 1,2-г2,610⁶ А/м², а с алюминиевыми J-0,8-И, 310⁶ А/м².

Выбор заниженных электромагнитных нагрузок приводит к увеличению габаритов трансформатора и его стоимости. Завышенные электромагнитные нагрузки снижают энергетические показатели, увеличивают Ди_к%. При проектировании стремятся в известной мере удовлетворить противоречивые требования и создать оптимальную конструкцию.

Правильный расчет изоляционных промежутков между обмотками и магнитопроводом имеет важное значение для надежной работы трансформатора. Промежуток между обмоткой низшего напряжения и ярмом принимается от 0,4 до 3 см в зависимости от мощности и напряжения трансформатора. Большие значения относятся к трансформаторам большей мощности, а также к трансформаторам с напряжением 35 кВ. Обмотки высшего напряжения 220 кВ должны иметь расстояние 16 см до стержня и 25 см до стенки бака.

При конструировании изоляции необходимо учитывать особенности процессов перенапряжения в трансформаторе.

Важное значение при проектировании трансформаторов, как и других электрических машин, имеет тепловой расчет. При тепловом расчете определяю т темпера туры частей трансформатора и масла. Температура изоляции обмоток не должна превышать допустимой для класса изоляции, к которому относятся материалы изоляции обмоток.

Потери в трансформаторе выделяются в виде тепла в обмотках и магнитопроводе. ГОСТ 11 677–85 допускает следующие наивысшие значения температуры для масляных трансформаторов: для обмоток 105 °C; для магнитной системы (па поверхности) 115 °C и для масла 95 °C. При этом температура окружающего воздуха принимается равной 40 °C. При превышении допустимой температуры на 8 °C срок службы трансформатора снижается в 2 раза.

В масляных трансформаторах тепло, которое выделяется в активных частях трансформатора, отводится трансформаторным маслом к стенкам бака, а от стенок бака — к окружающему воздуху (рис. 2.124). В масляных трансформаторах.

Рис. 2.124. Распределение температуры по высоте трансформатора:

1 — стенки бака; 2 — масло; 3 — магнитопровод; 4 — обмотка.

Рис. 2.125. Распределение температуры в горизонтальном сечении масляного трансформатора:

1 — стержень; 2 — обмотка НН; 3 — обмотка В11; 4 — стенка бака тепло от обмоток и магнитопровода передается маслу. Горячие слои масла поднимаются вверх, а холодные вдоль стенок бака опускаются вниз. Тепло конвекцией переносится к стенкам бака. Сквозь стенки бака тепло переносится теплопроводностью. Разница температур между стенками бака и воздуха составляет десятки градусов, поэтому от бака к воздуху тепло передается конвекцией и излучением.

На рис. 2.125 представлено распределение температуры в сечении трансформатора.

В сухих трансформаторах тепло отводится от активных частей путем конвекции.

При расчете тепловых процессов в трансформаторах принимают целый ряд упрощений и используют опытные данные по теплопередаче.

В установившемся режиме тепло, выделяемое в активных частях трансформатора, отводится от трансформатора, а превышение температуры нс превосходит допустимого для класса изоляции, которая применена в трансформаторе.

Трансформаторостроение за последние десятилетия сделало большие успехи, и сегодня трансформаторы, выпускаемые в нашей стране, находятся па уровне мировых стандартов, а в области высоковольтных силовых трансформаторов мы занимаем лидирующие позиции.

Запорожский трансформаторный завод выпустил для линии передачи переменного тока самый мощный однофазный автотрансформатор АОДЦТ-667 000/1150, в котором применена новая схема соединения обмоток, усовершенствована конструкция изоляции. Автотрансформатор транспортируется вместе с маслом железнодорожным транспортером грузоподъемностью 600 т.

Автотрансформатор имеет следующие данные.

Номинальная мощность, кВ А:

обмотки высокого и среднего напряжений 667 000.

обмотки низшего напряжения 180 000.

Поминальное напряжение обмоток, кВ:

высшего напряжения 1150/V3.

среднего напряжения 500/V3.

низшего напряжения 20.

Напряжение короткого замыкания, % 11,5.

Ток холостого хода, % 0,35.

Габариты, мм 15 640×7250×17 000.

Масса, кг 580 000.

В названиях трансформаторов и автотрансформаторов буквы и цифры имеют следующие обозначения:

А — автотрансформатор (для трансформаторов обозначение отсутствует);

Т — трехфазный, О — однофазный;

Р — расщепленная обмотка низшего напряжения;

С — вид охлаждения (табл. 2.2);

Т — трехобмоточный;

Н — выполнение одной из обмоток с переключением ответвлений под нагрузкой.

Таблица 2.2

В числителе дроби после буквенных обозначений указывается номинальная мощность, а в знаменателе — класс напряжения обмотки высшего напряжения.

Трансформатор типа ТП,-1 250 000/330 предназначен для работы в качестве главного повышающего трансформатора в блоке с турбогенератором 1000 МВт. Трансформатор ТЦ-1 000 000/500 предназначен для работы в блоке с турбогенератором 800 МВт. Эти трансформаторы имеют усовершенствованную конструкцию изоляции, направленную циркуляцию масла через обмотки низшего напряжения, высокоэффективную схему распределения потоков рассеяния. Контрольно-измерительная аппаратура допускает включение трансформатора в автоматизированную систему управления блоком.

Трансформаторы ОРЦ-417 000/750 и ОРЦ-135 000/500 предназначены для работы в блоке с генераторами в качестве повышающих трансформаторов на атомных и тепловых электростанциях. В конструкции трансформаторов применена усовершенствованная система шунтирования магнитного потока рассеяния; благодаря новым конструктивным решениям уменьшены главная и продольная изоляции. Применены фильтры тонкой очистки масла.

В табл. 2.3 приведены технические данные трансформаторов.

Масляный трехфазный трансформатор типа ТМ-250/10 имеет витой пространственный магнитопровод. При изготовлении трансформатора применяется технологический процесс вмотки обмоток на замкнутый магнитопровод. Серия трансформаторов обеспечивает снижение массы и габаритов на 5%. Расход электротехнической стали уменьшен на 8%, улучшены также энергетические характеристики трансформатора.

Масляные трансформаторы серий ТМ, ТДЦ, ТМТН, ТРДЦН, ТЦ общего назначения выпускаются па напряжения 10, 35, 110 и 220 кВ и мощности от 25 до 630 000 кВ А.

Трансформаторы трехфазные сухие защищенные общего назначения серии ТСЗ предназначены для установки в помещениях. Они пожаробезопасны. Трансформаторы снабжены защитным кожухом, предохраняющим активные части от попадания внутрь посторонних предметов и не препятствующим поступлению охлаждающего воздуха.

В табл. 2.4 приведены данные для наименьшего и наибольшего по мощности трансформаторов серии.

Таблица 2.4

Трансформаторы малой мощности применяются для питания бытовых приборов, в радиотехнике, электроприводах и т. д. Их номенклатура весьма разнообразна. В табл. 2.5 содержатся данные однофазных сухих трансформаторов многоцелевого назначения серии ОСМ. Трансформаторы выпускаются для умеренного климата, в тропическом исполнении и холодостойкие. Мощность трансформаторов 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63 и 1 кВ А; напряжение — 0,38 и 0,22 кВ.

Таблица 2.5

Электропромышленность выпускает в большом разнообразии трансформаторы специального назначения для различных применений. Трансформаторный агрегат ЭОДЦНК-83 300/220 предназначен для питания мощных ферросплавных электропечей. Подключается к сети 220 кВ. Обмотка высшего напряжения переплетенная, обмотка низшего напряжения выполнена из листовой меди. Переключающее устройство сделано в изолированном отсеке. Число ступеней регулирования 27. При мощности 26 700 кВ, А и вторичном напряжении 0,325 кВ ток в обмотке низшего напряжения 82 156 А. При мощности 18 690 кВА и напряжении на обмотке низшего напряжения 0,175 кВ ток во вторичной обмотке 106 800 А. Масса трансформатора 152 000 кг.

Для питания тиристорных приводов постоянного тока используется трансформатор ТСЗП-4000/10. После выпрямителя напряжение 825 В и ток 4000 А. Для питания тиристорных преобразователей электропривода экскаваторов выпускаются трансформаторы, способные выдерживать ударные и вибрационные нагрузки. Они рассчитаны на работу при повышенной запыленности и температуре -50°С.

Питание электробуровых установок осуществляется трансформатором ТМТБ-630/10. Особенностями его работы являются одновременное питание электробура и лебедки подъема колонны бурильных труб, а также широкий диапазон регулирования напряжения питания электробура.

Трансформатор ТМИН-160/2,05 применяется для питания асинхронных двигателей напряжением 380 В погружных электронасосов для добычи нефти. При поддержании напряжения на асинхронном двигателе при увеличении глубины скважин предусматривается ступенчатое регулирование нанапряжсния: 2200—2125—2050—1975—1900 В. Масса трансформатора 1100 кг.

Для питания пониженным напряжением машин контактной сварки предназначен трансформатор ОСВК-25/75. Номинальный длительный ток обмотки низшего напряжения 9000 А. Номинальный ток в повторно-кратковременном режиме 25 000 А. Число ступеней регулирования восемь. Масса 110 кг.

В целях электроснабжения промышленных предприятий, электрификации сельского хозяйства выпускаются комплектные трансформаторные подстанции, которые состоят из силового трансформатора и распределительного устройства со стороны низшего и высшего напряжений. Для питания двигателей в угольных шахтах выпускаются взрывозащищенные трансформаторные подстанции.

Обеспечение надежной работы энергосистем осуществляется различными реакторами. Шунтирующие реакторы предназначены для компенсации зарядной мощности линии и ограничения перенапряжений после сброса нагрузки или короткого замыкания, обеспечения непосредственного присоединения линии к источнику питания. Применение в электроприводах тиристорных преобразователей приводит к появлению в сетях высших гармонических. Для фильтров высших гармоник на стороне переменного тока в системах электроснабжения выпускаются реакторы фильтровые и сглаживающие. В повой серии сглаживающих реакторов используется одностержневая конструкция без ярма. Стержень выполнен из листов стали одной ширины, которые собираются в отдельные пакеты.

Сглаживающий реактор ФРОС-65/05 имеет номинальный ток 250 А, индуктивность 1,5 мГи, массу 82 кг.

Работу преобразовательных подстанций постоянного тока 1500 кВ обеспечивает реактор РОЛДЦ-1200/4/800. Условная мощность при частоте 50 Гц 1800 кВ-А. Номинальный постоянный ток 1200 А, индуктивность 4 Гн, класс напряжения 800 кВ, транспортная масса 396 т. Для этих подстанций выпускаются также фильтровые реакторы и высокочастотные анодные реакторы. Реакторы в трансформаторном производстве время занимают значительное место.

Рассмотренные изделия трансформаторных заводов хотя и не исчерпывают всей номенклатуры, свидетельствуют о разнообразии выпускаемой электротехнической промышленностью продукции.