Расчет основных электрических величин и главной изоляции обмоток трансформатора

Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических величин: мощности на одну фазу и стержень; номинальных токов на стороне ВН и НН; фазных токов и напряжений.

¨ Мощность одной фазы трансформатора, кВ*А,

Sф =  ,
где S – мощность трансформатора; m – число фаз.

¨ Мощность на одном стержне, кВ*А,

S` =  ,
где C– число активных (несущих обмотки) стержней.
Обычно для 3-фазных трансформаторов число фаз равно числу стержней.

¨ Номинальный (линейный) ток, А,

на стороне НН I1 = ;
на стороне ВН I2 = ,
где S – мощность трансформатора, кВ*А; U1и U2 – соответствующие значения напряжений обмоток, кВ.
Для однофазного трансформатора номинальный ток, А, определяется по формуле
I = .
При определении токов мощность подставляется в киловатт-амперах (кВ*А), а напряжение в киловольтах (кВ).

¨ Фазные токи, А, трехфазных трансформаторов

при соединении в звезду или зигзаг:
Iф = Iл;
при соединении обмотки в треугольник
Iф = ,
где IЛ – номинальный линейный ток трансформатора.
Схема соединения и группа обмоток обычно задается.

¨ Фазные напряжения, В, трансформатора

при соединении обмотки в звезду или зигзаг:
Uф =,
при соединении обмотки в треугольник:
Uф = Uл,
где Uл – номинальное линейное напряжение соответствующих обмоток.

¨ Испытательное напряжение трансформатора

Необходимо для определения основных изоляционных промежутков, между обмотками и другими токоведущими деталями.
Это напряжение, при котором проводится испытание трансформатора, а именно электрическая прочность изоляции.
Испытательное напряжение для каждой обмотки трансформатора определяется по табл. 1 или 2 в зависимости от класса напряжения соответствующей обмотки.

Таблица 1

Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц) для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)
          

Класс напряжения, кВ	3	6	10	15	20	35	110	150	220	330	500
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	3,6	7,2	12,0	17,5	24	40,5	126	172	252	363	525
Испытательное напряжение Uисп, кВ	18	25	35	45	55	85	200	230	325	460	630

Примечание. Обмотки масляных и сухих трансформаторов с рабочим напряжением до 1 кВ имеет Uисп = 5 кВ.

Таблица  2

Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц) для сухих силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Класс напряжения, кВ	До 1,0	3	6	10	15
Испытательное напряжение, кВ	3	10	16	24	37

Таким образом, испытательные напряжения обмоток являются критерием определения всех изоляционных промежутков в силовом трансформаторе.
Ниже приводятся основные таблицы, по которым определяются изоляционные промежутки главной изоляции, геометрические размеры охлаждающих каналов (табл. 3, 4). В табл. 5 – нормальная витковая изоляция проводов различных марок.

Таблица 3

Главная изоляция. Минимальные изолированные
расстояния обмоток НН с учетом конструктивных требований
(для масляных трансформаторов)
   

Мощность трансформатора S, кВ*А	Uисп для НН, кВ	НН от ярма L01, кВ	НН от стержня, мм
			d01	aц1	a01	Lц1
25–250 400–630* 1000–2500 630–1600 2500–6300 630 и выше 630 и выше Все мощности	5 5* 5 18; 25 и 35 18; 25 и 35 45 55 85	15   Принимается равным найденному по испытательному напряжению обмотки ВН	Картон 2×0,5 То же 4 4 4 5 5 6	– – 6 6 8 10 13 19	4 5 15 15 17,5 20 23 30	– – 18 25 25 30 45 70

* Для винтовой обмотки с испытательным напряжением Uисп = 5кВ размеры взять из следующей строки для мощностей 1000–2500 кВ*А.

Таблица  4

Главная изоляция. Минимальные изолированные расстояния
обмоток ВН (НН) с учетом конструктивных требований

Мощность трансформатора S, кВ*А	Uисп для ВН (НН), кВ	ВН от ярма, мм		Между ВН (СН) и НН, мм		Выступ цилиндра Lц2, мм	Между ВН (СН) и НН, мм
		L02	dш	a12	d12		a22	d22
25–100 160–630 1000–6300 630 и выше 630 и выше 160–630 1000–6300 10000 и выше	18; 25 и 35 18; 25 и 35 18; 25 и 35 45 55 85 (прим. 1) 85 (прим. 1) 85	20 30 50 50 50 75 75 80	– – – 2 2 2 2 3	9 9 20 20 20 27 27 30	2,5 3 4 4 5 5 5 6	10 15 20 20 30 50 50 50	8 10 18 18 20 20 30 30	– – – 2 3 3 3 3

Примечания: 1. Для цилиндрических обмоток минимальное изоляционное расстояние a12 = 27 мм, электростатический экран с изоляцией – 3 мм. 2. При наличии прессующих колец расстояние от верхнего ярма  L”o  принимать увеличенным против данных табл. 4. для трансформаторов 1000–6300 кВ*А на 45 мм; для двухобмоточных трансформаторов 10000–63000 кВ*А на 60 мм и для трехобмоточных трансформаторов этих мощностей на 100 мм. Расстояние от нижнего ярма L’o  и в этих случаях принимать по табл. 4.

Таблица  5
Выбор нормальной витковой изоляции

Испытательное напряжение обмотки, кВ	Марка провода	Толщина изоляции на две стороны, мм	Название
5–24	ПСД, АПСД,               ПСДК и АПСДК	Круглый провод 0,29–0,38 (0,30 и 0,40), прямоугольный провод 0,27–0,48 (0,30 и 0,50)	Для сухих пожаробезопасных трансформаторов
5–85	ПЭЛБО, ПБ                          и АПБ	Круглый провод 0,17–0,21 (0,27–0,31) 0,30 (0,40)	Для масляных и сухих  трансформаторов
	ПБ и АПБ	Прямоугольный провод 0,45(0,50)
200	ПБ и АПБ	1,20(1,35)	Для масляных   трансформаторов
325	ПБ	1,35(1,50)	Для обычных обмоток
325	ПБУ	2,00(2,20)	Для переплетенных обмоток

Примечание. В скобках указаны расчетные размеры с учетом допусков.

Межвитковая изоляция цилиндрических многослойных обмоток и многослойных катушечных обмотках приведены соответственно в табл. 6. и 7.

 

Таблица 6
Нормальная междуслойная изоляция
в многослойных цилиндрических обмотках

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм	Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм
До 1000 От 1001 до 2000 От 2001 до 3000 От 3001 до 3500 От 3501 до 4000 От 4001 до 4500 От 4501 до 5000 От 5001 до 5500	2 × 0,12 3 × 0,12 4 × 0,12 5 × 0,12 6 × 0,12 7 × 0,12 8 × 0,12 9 × 0,12	10 16 16 16 22 22 22 22

 
Примечание. Данные таблицы приведены для трансформаторов мощностью до 630 кВ*А включительно.
При мощности от 1000 кВ*А  и выше междуслойную изоляцию следует принимать по таблице, но не менее 4×0,12 мм, выступ изоляции – не менее 20 мм.
Таблица 7
Нормальная междуслойная изоляция
в многослойных цилиндрических катушках обмотки

Рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Толщина изоляции, мм	Материал изоляции
До 150 От 151 до 200 От 201 до 300	2×0,05 1×0,2 2×0,2 или 1×0,5	Телефонная бумага Кабельная бумага или электроизоляционный картон

Геометрические размеры каналов в обмотках для различных отводов от регулировочных витков  приведены в табл. 8.

Таблица  8
Минимальные размеры канала  hкр в месте расположения
регулировочных  витков обмотки ВН

Класс напряжения ВН, кВ	Схема регулирования	Изоляция в месте разрыва		Размер канала, мм
		Способ изоляции	По рис. 1
6 10   35   110	а б а б а б в и г а а а г	Масляный канал То же » » » » Угловые и простые шайбы То же Масляный канал То же Угловые и простые шайбы То же Масляный канал с барьером из шайб	а а а а б в а а б в г	8 12 10 18 6 18 12 25 20 25 30 (в том числе шайба 5 мм)

Примечания: 1. В многослойной цилиндрической обмотке с регулированием в
последнем слое разрыв не выполняется. 2. Минимальный выступ шайбы за габарит обмотки а = 6 мм.  Ширина обмотки шайбы b = 6–8 мм. 4. Толщина угловой шайбы 0,5–1 мм.

 

Конструкция изоляции в листе разрыва обмотки ВН показана на рис. 1.
Главная изоляция обмоток сухих силовых трансформаторов должна выбираться в соответствии с табл. 9. и 10.

 

Рис. 1. Конструкция изоляции в месте разрыва обмотки ВН

Таблица 9

 Изоляция обмоток ВН сухих трансформаторов, мм

Uисп для ВН, кВ	ВН от ярма L01	Между ВН и НН			Между ВН и ВН
		a01	d12	Lц2	a22	d22
3 10 16 24	15 20 45 80	10 15 22 40	Картон 2×0,5 мм		10 10 25 45	– 2 3 3
			2,5 4 5	10 25 40

Примечание. Размер каналов a01 и a12 является минимальными с точки зрения изоляции обмоток. Эти размеры должны быть также проверены по условиям отвода тепла по табл. 13.

Таблица 10

Изоляция обмоток НН сухих трансформаторов, мм

Uисп для НН, кВ	НН от ярма L01	НН от стержня
		a01	d01	Lц1
3 10 16 24	15 30 55 90	10 14 27 40	Картон 2×0,5
			2,5 5 6	15 30 40

Примечания. 1. См. примечание к табл. 9. 2. Для винтовой обмотки при Uисп для НН 3 Кв ставить цилиндр d01 = 2,5–5 мм и принимать a01 не менее 20 мм.

Для иллюстрации основных изоляционных промежутков представлены рис. 2, 3, и 4.

Рис. 2. Главная изоляция обмотки ВН для испытательных напряжений от 5 до 85 кВ. Штриховыми линиями показаны возможные пути разряда, определяющие размеры lц

Причем главная изоляция для трансформаторов с обмоткой ВН на 110 кВ (испытательное напряжение 200 кВ) выбирается по рис. 3.
Главная изоляция сухих трансформаторов поясняется рис. 4.
Для определения минимальных допустимых изоляционных промежутков между отводами от обмоток к проходящим изоляторам соответственно от заземленных частей трансформаторов и обмотками представлены в табл. 11 и 12.
Для пояснения величин, приведенных в табл. 11, 12, представлен рис. 5.
Для цилиндрических обмоток из круглого или прямоугольного провода очень часто требуется выбирать продольные (осевые) охлаждающие каналы. Размеры таких каналов выбираются согласно табл. 13. и 14 соответственно для масляных и сухих  трансформаторов.

 

Рис. 3. Главная изоляция обмотки класса напряжения 110 кВ с вводом на верхнем конце обмотки (испытательное напряжение 200 кВ)

Рис. 4. Главная изоляция обмоток сухих трансформаторов

Таблица 11

Минимальные допустимые изоляционные расстояния
от отводов до заземленных частей

Испытательное напряжение отвода, кВ	Толщина изоляции на одну сторону, мм	Диаметр стержня, мм	Расстояние от гладкой стенки бака или собственной обмотки, мм			Расстояние от заземленной части острой формы, мм
			sи	sк	s	sи	sк	s
До 25	0 0 2	<6 >6 –	15 12 10	10 10 10	25 22 20	15 12 10	5 5 5	20 17 15
35	0 0 2	<6 >6 –	23 18 10	10 10 10	33 28 20	20 17 12	5 5 5	25 22 17
45	0 0 2	<6 >6 –	32 27 15	10 10 10	42 37 25	28 25 18	5 5 5	33 30 23
55	0 0 2	<6 >6 –	40 35 22	10 10 10	50 45 32	33 32 25	5 5 5	38 37 30
85	2 4 6	– – –	40 30 25	10 10 10	50 40 32	45 37 35	5 5 5	50 42 40
100	5	–	40	10	50	45	10	55
200	20 20	12 12	75 75	20 20	95 95	160 105	10 10	170* 115**

*  Заземленная часть не изолирована.
** Заземленная часть изолирована щитом из электроизоляцонного картона толщиной 3 мм.
Таблица 12

Минимальные допустимые изоляционные расстояния
от отводов до обмотки

 

Испытательное напряжение, кВ		Толщина  изо-ляции на одну сторону, мм	Изоляционное расстояние отвода sи, мм		Суммарный допуск sк, мм	Минимальное расчетное расстояние s, мм
			до вход- ных катушек	до основных катушек
						до входных катушек	до основных катушек
обмотки	отвода
До 25 35 55 85 200   200	До 25 До 35 До 35 До 35 До 100   200	Нет 2 Нет 2 Нет 2 Нет 2 3 6 8 20	– – – – – – – – 205 150 125 80	15 10 23 10 40 20 80 40 230 170 140 90	10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 15	– – – – – – – – 225 170 145 95	25 20 33 20 50 30 90 50 250 190 160 105

Рис. 5. Отвод между обмоткой и стенкой бака

 

Таблица 13

Минимальная ширина охлаждающих каналов в обмотках, см.
Масляные трансформаторы

Вертикальные каналы				Горизонтальные каналы
Длина канала, см	Обмотка-обмотка	Обмотка-цилиндр	Обмотка-стержень	Длина канала, см	Обмотка-обмотка
До 30	0,4–0,5	0,4	0,4–0,5	до 4,0	0,4
30–50	0,5–0,6	0,5	0,5–0,6	4–6,0	0,5
50–100	0,6–0,8	0,5–0,6	0,6–0,8	6–7,0	0,6
100–150	0,8–1,0	0,6–0,8	0,8–1,0	7–8,0	0,7

Таблица 14

 

Сухие трансформаторы, вертикальные каналы. Выбор ширины
канала по допустимому превышению температуры и плотности
теплового потока на поверхности обмотки q, Вт/м2

Класс изоляции	Допустимое превышение температуры, С°	Плотность теплового потока, Вт/м2, при ширине канала
		0,7 см	1,0 см	1,5 см
А	60	160	300	380
Е-В	75–80	230	450	550
F	100	300	600	720
H	125	380	800	950

Горизонтальные охлаждающие каналы для сухих трансформаторов в зависимости от класса изоляции и плотности теплового потока принимаются по табл. 15.
Горизонтальные охлаждающие каналы в масляных трансформаторах  в пределах от 4 до 15 мм.

Таблица 15

Сухие трансформаторы, горизонтальные каналы. Выбор ширины
канала по допустимому превышению температуры и плотности
теплового потока на поверхности обмотки q, Вт/м2

Класс изоляции	Допустимое превышение температуры, С°	Плотность теплового потока, Вт/м2, при ширине канала
		0,8 см	1,2 см	1,6 см
А	60	280	380	450
Е–В	75–80	320	420	540
F	100	420	540	720
H	125	580	720	1000