Добавочные потери в обмотках

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 9Следующая ⇒

Однако I₁ и I₂ — не единственные токи, протекающие в обмотках трансформатора. Кроме токов нагрузки в обмотках трансформаторов обнаруживаются еще и другие токи, которые замыкаются внутри отдельных проводов и между параллельными ветвями обмоток; эти токи в отличие от токов нагрузки не выходят за пределы обмоток. Токи, замыкающиеся внутри отдельных проводов, называют вихревыми (аналогично токам внутри пластин магнитной системы). Токи, замыкающиеся между параллельно соединенными обмотками или частями обмоток, называют циркулирующими. Эти токи вызываются полем рассеяния, т. е. той частью магнитного поля трансформатора, силовые линии которой сцепляются не со всеми, а только с частью витков обмоток и проходят главным образом в немагнитной среде (в воздухе, масле и т. п.). При расчете потерь в обмотках реальный ток, неравномерно распределяющийся по сечению проводов и между параллельными ветвями обмоток, обычно рассматривают как сумму трех токов: - тока нагрузки, равномерно распределяющегося по поперечному сечению и между параллельными ветвями; - циркулирующего тока, замыкающегося внутри контура, образованного параллельными ветвями; - вихревого тока, замыкающегося только в пределах каждого провода. При этом сумма потерь от трех указанных токов равна реальным потерям в обмотках трансформатора. Кроме потерь в обмотках поля рассеяния вызывают потери в стенках бака, прессующих кольцах, ярмовых балках и других элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери снижают эффективность трансформатора; с ними ведется постоянная борьба с целью добиться их минимальной величины. Итак, в трансформаторе различают потери активной мощности, не зависящие от нагрузки (Р₀); нагрузочные (Р_нагр) и добавочные (Р_доб) потери, определяемые режимом работы (величиной нагрузки) трансформатора: Σ Р = Р₀ + Р_нагр + Р_доб.

Механические силы возникают в результате взаимодействия тока в обмотке с магнитным полем обмоток. Расчет сил, так же как и расчет поля обмоток, представляет очень сложную задачу. Эта задача еще осложняется тем, что обмотки трансформатора не являются монолитными в механическом отношении. Конструктивно каждая обмотка трансформатора состоит из проводников, разделенных витковой изоляцией в виде обмотки из кабельной бумаги или пряжи и в некоторых видах обмоток междуслойной изоляцией - прослойками из кабельной бумаги или картона. Между катушками, а в некоторых обмотках и между витками размещаются прокладки, набранные из электроизоляционного картона. Механические силы, возникающие при коротком замыкании и действующие на проводники обмотки, неравномерно распределяются между ее витками. Суммируясь, они создают силы, действующие на междукатушечную и опорную изоляцию обмоток, рейки, образующие вертикальные каналы, и изоляционные цилиндры.

Одним из условий, позволяющих получить обмотку, хорошо противостоящую воздействию механических сил, возникающих при коротком замыкании трансформатора, является максимальная монолитность ее механической структуры. Это достигается путем предварительной прессовки электроизоляционного картона, используемого для изготовления изоляционных деталей обмотки, механического поджима витков обмотки в осевом и радиальном направлениях при ее намотке и осевой опрессовки обмотки после ее намотки и сушки силами, близкими к осевым силам при коротком замыкании. Механическая монолитизация может быть также усилена пропиткой обмотки после ее изготовления, сушки и опрессовки глифталевым или другим лаком. Для упрощения задачи при расчетах трансформаторов обычно производится проверочное определение суммарных механических сил, действующих на всю обмотку по полному потоку рассеяния или по полному току обмотки. Обмотка при этом считается монолитной в механическом отношении. Механические силы, которые определяются при таком расчете, являются в известной мере условными, однако расчет этих сил позволяет практически правильно оценить общую механическую прочность трансформатора при коротком замыкании.

Сила, действующая на каждый провод витка, зависит от тока этого провода, который в большинстве обмоток можно считать одинаковым для всех проводов данной обмотки, и индукции поля рассеяния в месте нахождения провода, которая будет различной для различных проводов, расположенных в разных частях обмотки. Рассматривая в совокупности всю обмотку как монолитное тело и все поле рассеяния, можно найти суммарные силы, действующие на обмотку в осевом и радиальном направлениях, и получить общее приближенное представление о механической прочности обмоток.

При рассмотрении суммарных сил, действующих на обмотки, обычно раздельно оценивают силы осевые, т.е. сжимающие обмотку в осевом направлении, и силы радиальные, растягивающие внешнюю обмотку и изгибающие и сжимающие провода внутренней обмотки. Осевые силы оказывают давление на междукатушечную, междувитковую и опорную изоляцию обмотки, для которой должна быть обеспечена прочность на сжатие. Прочность металла проводов при сжатии в этом случае считается достаточной. Оценка осевых сил по полному току обмотки дает приближенную картину механических воздействий осевых сил. Более точное представление об осевых силах, действующих на отдельные части обмотки, может быть получено только при учете распределения индукции поля рассеяния в данной обмотке.

Радиальные силы оказывают различное воздействие на наружную и внутреннюю обмотки. Они наиболее опасны для проводов внутренней обмотки, испытывающих сжатие и изгибающихся под действием радиальных сил в пролетах между рейками, на которых намотана обмотка. Нарушение равновесия обмотки и разрушение ее возможны как вследствие, изгиба провода в пролетах между рейками (см. рис. 7.9, б), так и вследствие потери устойчивости (см. рис. 7.9, в). Следует иметь в виду, что расчет и оценка механических сил производятся для средних их значений. В отдельных проводах механические силы будут значительно больше.

Задача расчета механических сил, возникающих в обмотках трансформатора при коротком замыкании, является чрезвычайно сложной, и ее решение простыми средствами с определением суммарных сил, действующих на обмотку, позволяет произвести лишь общую приближенную оценку механической прочности и устойчивости обмоток. Достаточно точное решение требует определения продольной и поперечной составляющих индукции поля рассеяния, по крайней мере, для осевых линий сечения каждой обмотки, и находится путем расчета по сравнительно сложным методикам для осевых и радиальных сил во внутренних и наружных обмотках.

Задачей расчетчика является не только расчет и оценка сил, действующих на витки обмоток и целые обмотки, но также и обеспечение конструктивных мер, направленных на уменьшение возможных механических сил, возникающих в отдельных частях обмоток. К числу этих мер относятся - равномерное распределение витков по высоте каждой из обмоток, выполнение всех обмоток стержня с одной высотой, симметричное расположение всех отключаемых витков обмоток ВН по отношению к середине, высоты обмотки. Следует иметь в виду, что винтовые обмотки, особенно имеющие два и большее число ходов, при равной высоте с катушечными вследствие винтового хода крайних витков фактически имеют меньшую высоту, чем катушечные. Для этих обмоток рекомендуется крайние витки укладывать в плоскости, перпендикулярной оси обмотки, а в двухходовых обмотках сдвигать начала (и концы) по окружности на 180°. Регулировочные витки обмоток ВН рекомендуется располагать по рис. 6.6, б - г или 6.9.

Для определения суммарных радиальных сил рассмотрим изображенный на рис. 7.8 простейший случай взаимного расположения обмоток трансформатора. Обе обмотки имеют равные высоты и равномерное распределение витков по высоте. Показано также распределение магнитных линий поля рассеяния. Это поле рассеяния может быть представлено в виде суммы двух полей: продольного, линии которого направлены, параллельно оси обмотки, и поперечного, линии которого расходятся радиально. Распределение индукции того и другого полей показано на рис.7.8. Наличие поперечного поля объясняется конечным соотношением высоты обмотки и ее суммарной ширины (a₁+a₁₂+a₂).

Чем выше и уже обмотка, тем меньше поперечное поле.

Определение механических сил в обмотке будем вести, рассчитывая отдельно силы, вызванные тем и другим полями. Рассмотрим наружную обмотку 2. При показанном на рис. 7.8 направлении тока в ней механическая сила F_p будет направлена в радиальном направлении вправо, стремясь оттолкнуть обмотку 2 от левой обмотки 1.

Рис. 7.8. Продольное и поперечное поля в концентрической обмотке.

Эта сила, Н,

(7.41)

где B_ср – средняя индукция продольного поля, Тл; ω – число витков обмотки; l_в – средняя длина витка, м.

В свою очередь индукция, Тл,

(7.42)

Подставляя это значение в (7.41) и принимая, что l_в/l=β, получаем

(7.43)

здесь коэффициент k_р при расчете суммарных радиальных и осевых сил может быть приближенно определен по (7.33); ω - полное число витков одной из обмоток (для обмотки ВН на средней ступени); i_kmax - мгновенное максимальное значение тока этой обмотки при коротком замыкании, найденное по (7.39).

Формула (7.43) дает суммарную радиальную силу, действующую на наружную обмотку и стремящуюся растянуть ее. Такая же, но направленная прямо противоположно сила действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать ее. Обе эти силы равномерно распределены по окружности обеих обмоток, как это показано на рис. 7.9, а.

Суммарная осевая сила при расположении обмоток по рис. 7.8 может быть рассчитана на основании следующих соображений.

Поперечное поле рассеяния, направления которого для рассмотренного случая в верхней и нижней половинах обмотки 2 прямо противоположны, вызывает в верхней половине обмотки 2 силу, направленную вниз, а в нижней половине – направленную вверх.

Рис. 7.9. Действие радиальных сил на концентрические обмотки:

а – распределение сил; б – деформация внутренней обмотки при

изгибе; в – потеря устойчивости внутренней обмоткой.

Таким образом, эти силы F'_ос сжимают обмотку 2 в осевом направлении. Нетрудно показать, что силы, вызванные поперечным полем в обмотке 1, также сжимают эту обмотку в осевом направлении. Поперечное поле рассеяния имеет сложный характер. Расчет этого поля и сил, им вызванных, производится с меньшей точностью, чем для продольного поля. При этом более точно рассчитываются суммарные силы и значительно менее точно - силы, действующие на отдельные витки катушки.

Осевая сила F'_ос может быть определена по (7.43), если в нее подставить B'_ср - среднюю индукцию поперечного поля; ω /2 - половину числа витков одной из обмоток вместо ω. Подробный анализ поперечного поля рассеяния для этого случая показывает, что средняя индукция B_ср может быть приближенно выражена через среднюю индукцию продольного поля при помощи простого соотношения

(7.44)

где a_p=a₁₂+(a₁+a₂)/3 (a_p выражается в метрах).

Тогда осевая сила, H,

(7.45)

Сравнивая (7.45) с (7.43), получаем

Осевая сила F'_ос является суммой элементарных осевых сил, приложенных к отдельным проводникам обмотки и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине каждой из обмоток. Максимального значения F'ос достигает на середине высоты обмотки. Осевые силы действуют на междукатушеччную и междувитковую изоляцию, которая должна быть проверена на сжатие.

В многослойных цилиндрических обмотках осевые силы могут сдвигать витки слоя обмотки, если они недостаточно плотно уложены при ее намотке. Стойкость такой обмотки при коротком замыкании существенно зависит от ее механической монолитности. Особенное внимание следует обращать на надежное крепление витков наружного слоя обмотки.

Кроме осевых сил, возникающих при коротком замыкании, в обмотке трансформатора при его сборке путем затяжки прессующих приспособлений создаются осевые силы прессовки с напряжением на изоляции от 2 до 10 МПа. Эти силы необходимы для того, чтобы в процессе механических воздействий в полной мере сохранялась механическая монолитность обмотки.

Поперечное поле рассеяния обмоток может возникнуть в трансформаторе также и вследствие неравномерного распределения витков по высоте одной из обмоток, в частности при размещении в обмотке витков и катушек, отключаемых при регулировании напряжения. Возникновение этого поля может привести к существенному увеличению осевых сил при коротком замыкании. В катушечных обмотках эти витки располагаются в катушках, размещаемых обычно в середине высоты обмотки (рис. 6.6, б и г). При отключении части регулировочных витков образуется зона, в которой отсутствуют витки, обтекаемые электрическим током. В многослойных цилиндрических обмотках трансформаторов с ПБВ неравномерность в распределении витков

ограничивается тем, что витки, служащие для регулирования напряжения, должны быть расположены равномерно по высоте обмотки (рис. 6.6, б) и включаться и отключаться ступенями, симметрично расположенными по отношению к середине ее высоты. В трансформаторах с РПН равномерное распределение отключаемых витков достигается применением схем по рис. 6.9, а и б.

При наличии разрыва по высоте обмотки поле рассеяния обмоток трансформатора (рис. 7.10) может быть представлено в виде суммы трех полей, известного уже продольного поля

Рис.7.10. разложение поля рассеяния обмоток на три составляющие.

с индукцией В, поперечного поля, вызванного конечным соотношением высоты и ширины обмоток, с индукцией В' и второго поперечного поля, вызванного фиктивной обмоткой ІІ с индукцией В" и числом витков xω /100, где x - выраженный в процентах высоты l

не заполненный витками разрыв в обмотке ВН. Следует заметить, что, строго говоря, треугольная форма кривой В относится не к индукции, а к МДС поперечного поля.

Находим в этом случае, что силы, вызванные вторым поперечным полем, F'_ос направлены параллельно вертикальной оси обмоток. Они стремятся увеличить имеющуюся несимметрию в расположении витков обмоток, сжимают внутреннюю и растягивают наружную обмотку, прижимая последнюю к верхнему и нижнему ярмам. Сила F'_ос может быть определена по (7.41), если положить

5. Конструктивная схема и основные размеры силового трансформатора. Выбор и оценка исходных данных. Основные положения обобщённого метода расчёта трансформаторов. Поиск оптимального варианта на основе экономического анализа.

+ смотри вопрос 1

Конструктивная схема

Рис. 1. Конструктивная схема масляного трансформатора:
1 — выхлопная труба; 2 — газовое реле; 3 — ввод НН; 4— ввод ВН; 5— обмотки высшего и низшего напряжений; 6 — радиаторы системы охлаждения; 7 — магнитопровод; 8— кран для слива масла; 9 — тележка с катками; 10 — бак; 11 — устройство регулирования под нагрузкой (РПН); 12 — термосифонный фильтр; 13 — воздухоосушитель; 14 — указатель уровня масла; 15— расширитель; 16 — соединительная трубка

6. Задачи теплового расчёта при проектировании трансформаторов. Основные методы теплового расчёта.

Задача теплового расчета трансформатора заключается:
1) в определении перепадов температуры между обмотками и сердечником с одной стороны и маслом с другой;
2) подборе конструкции и размеров бака, обеспечивающих нормальную теплоотдачу всех потерь при температурах обмоток, сердечника и масла, не превышающих допустимых значений;
3) поверочном расчете превышающей температуры обмоток, сердечника и масла над температурой окружающего воздуха.
Тепловой расчет трансформатора проводится после электромагнитного и механического расчета обмоток и сердечника. При правильном выборе электромагнитных нагрузок и правильном распределении и выборе размеров охлаждающих масляных каналов внутренние перепады температуры в обмотках и сердечнике оказываются не выше обычно допускаемых величин. Вследствие этого тепловой расчет обмоток сводится к поверочному определению перепадов температуры внутри них и на поверхности для принятой конструкции и размеров обмотки

Тепловой расчет трансформатора выполняется для заданной мощности трансформатора и соответствующей ему конструкции бака

Расчет заключается в определении средней температуры масла верхних слоев трансформатора при различных режимах его работы по условиям нагрузки и по времени года. Технические условия (ГОСТ 11677-85) регламентируют нормы предельного повышения температуры обмоток над температурой воздуха в наиболее жаркое время года 105 — 110 °С при среднегодовой температуре около 75°С. При номинальной нагрузке трансформатора температура верхних слоев масла не должна превышать +95°С для масляных трансформаторов с естественной циркуляцией масла. При соблюдении этих условий изоляция трансформатора не подвергается ускоренному старению и может надежно работать длительное время.

В установившемся режиме работы трансформатора потери энергии переходят в теплоту и от нагретого масла через стенку бака передаются окружающему воздуху. При этом часть тепловой энергии от наружной поверхности бака рассеивается за счет лучистого теплообмена.

Суммарный поток тепловой энергии зависит от нагрузки трансформатора и в любом режиме его работы может быть ориентировочно определен по формуле

Q₀ = DP_ТР = DP_ХХ + DP_КЗ k_З², (1.1)

где Q₀ — тепловой поток, отдаваемый поверхностью бака воздуху за счет теплоотдачи и излучения, Вт;

DP_ТР— суммарные потери мощности в трансформаторе, Вт;

DP_ХХ и DP_КЗ — потери мощности холостого хода и короткого замыкания, Вт;

— коэффициент загрузки трансформатора;

I_Н, I_ТР — ток в обмотках трансформатора в номинальном режиме его работы и, соответственно, отличном от этого режима, А.

Очевидно, при номинальной загрузке трансформатора k_З=1.

Для этого режима среднее превышение температуры стенки бака над воздухом, °С, можно предварительно определить [2]

, (1.2)

где F_Ли F_К — поверхность бака, м², отдающая теплоту соответственно излучением и конвекцией.

Среднее превышение температуры масла над температурой стенки бака, °С, приближенно может быть подсчитано по выражению

, (1.3)

где к_I = 1 — при естественном охлаждении масла и

к_I= 0, 9 — при охлаждении с дутьем.

Тогда превышение температуры масла в верхних слоях бака над температурой окружающего воздуха, °С, определится по уравнению

, (1.4)

где q = 1 — для гладких баков,

q = 1.2 —для трубчатых баков и баков с радиаторами.

Для гладкого бака поверхности F_К и F_Л одинаковы и равны его внешней расчетной поверхности, которую определяют в зависит от формы бака, м²:

- для прямоугольного бака

, (1.5)

- для овального бака

, (1.6)

где А, В, Н, — размеры бака, м, принимаются из приложения 1;

F_КР — поверхность крышки бака, м²;

0.75— коэффициент, учитывающий закрытие части поверхности крышки изоляторами вводов ВН и НН и различной арматурой.

Рис. 1. К определению основных размеров бака.

Бак с охлаждающими трубами применяется в трансформаторах мощностью от 160 до 1600 кВА с целью увеличения поверхности теплообмена. Обычно применяют трубы овальные с размерами поперечного сечения 72 ´ 20 мм или круглые диаметром 51/48 мм при толщине стенок 1.5 мм. В последнее время находят применение круглые трубы диаметром 30 мм с толщиной стенок 1.2 мм, что увеличивает теплоотдачу с единицы по поверхности трубы. В зависимости от мощности трансформатора число рядов труб колеблется от 1 до 4, расположение труб — коридорное. Для определения расчетной поверхности охлаждения бака с трубками необходимо принять одну из рекомендованных форм трубки. Размеры труб, радиус закругления R, шаг труб в ряду t_Т, шаг между рядами t_Р и другие размеры выбираются из таблицы 1 по принятой форме трубки.

Фрагмент из курсача:
Поверочный тепловой расчет обмоток

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 Следующая ⇒