Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок - Конструкция обмоток с РПН и их расположение

В § 4.1 указывалось, что одними из основных задач проектирования трансформатора являются выбор конструкции и расположение частей обмоток в окне магнитопровода. Поскольку индуктивные сопротивления частей и ветвей обмоток взаимосвязаны, то в трансформаторе с РПН для 12-фазного преобразователя со схемами соединения Д(У)/ДУ задача конструирования усложняется, так как добавляется концентр с регулировочными витками, от расположения и конструкции которого зависит токораспределение по всем параллельным ветвям обмоток, импульсная прочность и электродинамическая стойкость трансформатора. В то же время регулировочная обмотка и части ВО с разными схемами соединения должны располагаться так, чтобы выполнялись требования к индуктивным сопротивлениям при минимальных затратах. В трансформаторах для 12-фазного преобразователя различают две группы конструкции обмоток: первая для преобразователей «низкого» напряжения (до 3 кВ включительно) и вторая для условно «высокого» напряжения (выше 3 кВ). Характерной особенностью первой группы конструкции ВО трансформаторов является переплетение частей обмотки с разными схемами соединения по всей высоте, например как показано на рис. 5.4. Такая конструкция ВО с учетом требований к изоляции между частями ВО обеспечивает минимальные значения индуктивного сопротивления коммутации при высоком коэффициенте заполнения сечения обмотки медью. Размер канала между катушками в трансформаторах с разными схемами соединения при использовании провода ПБ с изоляцией толщиной 0,55 мм при напряжении до 1000 В принимают 3—4 мм, а при напряжении свыше 1000 В 5—6 мм.

Рис. 5.4. Конструкция вентильной обмотки с переплетением частей, имеющих разные схемы соединения: а — дисковая; б- винтовая
Характерной особенностью конструкции обмоток трансформаторов второй группы является поэтажное по высоте расположение частей обмотки с разными схемами соединения, которое обеспечивает минимальное число горизонтальных каналов, рассчитанных на повышенное напряжение (см. рис. 4.12,б). Несмотря на увеличение индуктивного сопротивления коммутации, в этом случае получают трансформатор с минимальными материальными и эксплуатационными затратами. Размер канала между частями с разными схемами соединения в таких конструкциях принимают не менее 6 мм при напряжении преобразователя 6 кВ, 7,5 мм при 10 кВ, 12,5 мм при 15 кВ, 15 мм при 20 кВ, 25 мм при 35 кВ.
Следует иметь в виду, что при выпрямленном напряжении преобразователя 6—10 кВ экономичной может оказаться конструкция ВО с частичным переплетением частей обмоток с разными схемами соединения, как показано на рис. 5.5 [5.3]. Во всех рассмотренных случаях ВО конструктивно выполняется либо из двойных дисковых катушек, включенных параллельно (см. рис. 5.4, а), либо в виде многоходовой винтовой (см. рис. 5.4,б). Последняя более предпочтительна в обмотках напряжением до 1000 В и токе выше 25 кА в единице, так как обеспечивает лучшее токораспределение по параллельным ветвям. или напряжением выше 3000 В и токе ниже 10 кА.
Для уменьшения добавочных потерь от вихревых токов в трансформаторах с индукцией в главном канале рассеяния свыше 0,2 Тл обмотку целесообразно выполнять из транспонированного провода.

Рис. 5.5. Вентильная обмотка с частичным переплетением частей, имеющих разные схемы соединения

Рис. 5.6. Вариант ВО с чередованием дисковых катушек, принадлежащих частям с разными схемами соединения, с пайкой наружных переходов

В переплетенной конструкции ВО в дисковом варианте (см. рис. 5.4, а) из-за большего расстояния между дисковыми катушками одноименной части реактивное сопротивление коммутации больше, чем в винтовом варианте. В то же время дисковый вариант имеет ряд преимуществ: меньшую трудоемкость изготовления (так как не требует транспозиции проводов) и отсутствие сбега проводов, снижающего электродинамическую стойкость трансформатора. В целях устранения недостатков дискового варианта и реализации его преимуществ разработана новая конструкция этого варианта, изображенная на рис. 5.6 и обеспечивающая уменьшение значения индуктивного сопротивления коммутации. При изготовлении обмотки используют новый способ, заключающийся в том, что две пары катушек с равным числом параллельных проводов наматывают одновременно и половину наружных проводов одной пары соединяют между собой так, чтобы в этой паре по сравнению с другой число витков было в 2 раза больше, а число параллельных проводов в 2 раза меньше. Таким образом удается в одной паре разместить витки обмотки, соединенной в звезду, а в другой паре — витки обмотки, соединенной в треугольник.

Рис. 5.7. Вариант ВО с чередованием дисковых катушек, принадлежащих частям с разными схемами соединения, без пайки наружных переходов

Для этой же цели может быть применен и другой способ переплетения частей, соединенных в звезду и треугольник (рис. 5.7, а). В дисковой обмотке число параллельных ветвей (двойных катушек), принадлежащих части, соединенной в звезду, в 2 раза больше, чем параллельных ветвей в части, соединенной в треугольник. Каждые две параллельные ветви звезды переплетены с одной параллельной ветвью треугольника, которая наматывается числом параллельных проводов, равным 1/4 общего числа проводов ветви минус один виток по сравнению с остальными проводами. При этом получается, что половиной проводов в паре катушек намотано 3n витков, а другой половиной проводов — 4n витков, где n=1, 2, 3 и т. д. Следующая пара катушек этой ветви выполняется таким же образом. Параллельные провода двух пар катушек соединяют последовательно таким образом, чтобы 4n витка первой пары и 3n витка второй пары, а также 3n витка первой пары и 4л витка второй пары образовали в четырех последовательно соединенных катушках параллельные ветви, состоящие из семи витков [5.4]. Такая конструкция используется ограниченно и приемлема только для четырех параллельных проводов в катушках треугольника. При большем числе проводов, например 8 и 12, которое должно быть кратным четырем, транспозиция несовершенна и приводит к увеличению добавочных потерь в катушках. Очевидно, что при четырех параллельных проводах в катушках треугольника катушки звезды следует наматывать тремя параллельными проводами.
В трансформаторах с относительно небольшой мощностью на токи до 12 500 А вентильная обмотка состоит обычно из двух частей, переплетенных по всей высоте (см. рис. 4.4, а). В трансформаторах большой мощности на токи свыше 12 500 А вентильная обмотка состоит, как правило, из четырех частей, две из которых соединены в звезду, а две — в треугольник.

В этом случае одну звезду и один треугольник переплетают попарно, и каждая часть ВО занимает, как правило, половину высоты обмотки (см. рис. 4.11,б). Такая конструкция обеспечивает минимальное индуктивное сопротивление коммутации и одновременно достаточно большое значение индуктивного сопротивления частичного КЗ, что обеспечивает хорошее ограничение аварийного тока.
В трансформаторах второй группы (для высоковольтных преобразователей «высокого напряжения») части ВО занимают, как указывалось, поэтажное расположение (см. рис. 4.4,б). В случае, если число ветвей равно четырем, предпочтительным расположением их по высоте обмотки является такое, при котором осуществляется чередование частей с разноименным соединением (см. рис. 4.12, а), так как при этом обеспечивается меньшее индуктивное сопротивление.
Сетевая обмотка в трансформаторах со встроенным РПН во многих случаях имеет две ветви, включаемые в процессе регулирования либо параллельно, либо последовательно, что позволяет изменить вторичное напряжение в 2 раза. Расположение этих ветвей также влияет на значения индуктивных сопротивлений и размеры окна магнитопровода. Наиболее распространенные варианты расположения параллельных ветвей СО представлены на рис. 5.8.
Выполнение СО с двумя ветвями несколько ухудшает коэффициент заполнения окна магнитопровода. Так, в варианте по рис. 5.8 увеличиваются горизонтальные каналы между соседними катушками, размер которых при последовательном соединении ветвей определяется половиной междуфазного напряжения. В вариантах по рис. 5.8, б, в только к двум-трем каналам приложено относительно высокое напряжение, однако в этом случае отводы параллельных ветвей, проходящие вдоль обмотки, требуют увеличения вертикального канала между СО и соседним концентром. Обмотка по варианту рис. 5.8, г имеет один горизонтальный канал с повышенным воздействием напряжения, но также требует, как и в вариантах рис. 5.8,б, в увеличения вертикального канала между СО и соседней обмоткой. Таким образом, варианты рис. 5.8,б — г практически равноценны. С точки зрения заполнения окна магнитопровода предпочтителен вариант 5.8, а только для трансформаторов класса напряжения 6—10 кВ, так как минимальные горизонтальные каналы, определенные по тепловому режиму, удовлетворяют нормам изоляции. Для трансформаторов на более высокие классы напряжения предпочтительнее варианты по рис. 5.8,б— г.
В зависимости от требующихся соотношений хк.ч/хк и хк.к/хк, руководствуясь табл. 4.1—4.3, выбирают вариант взаимного расположения частей ВО и параллельных ветвей СО.

Рис. 5.8. Расположение параллельных ветвей СО:
а — полное переплетение ветвей; б— четырехэтажное расположение; в — трехэтажное; г — двухэтажное

Кроме того, возникает задача выбора взаимного расположения обмоток на стержне магнитопровода, возможные варианты расположения которых показаны на рис. 5.9. При расположении РО между СО и ВО (рис. 5.8, в, г) достигается наиболее благоприятная зависимость напряжений КЗ от положения переключающего устройства. Как видно из рис. 5.10, напряжение КЗ в этом случае возрастает примерно в 1,25 раза при глубине регулирования 40% (кривая 1) и примерно в 2 раза при глубине 66% (кривая 2). Это значительно меньше, чем при размещении РО у стержня или снаружи при той же глубине регулирования (соответственно кривые 3 и 4).
При выборе варианта расположения РО следует также руководствоваться соображениями экономичности конструкции. Так, вариант по рис. 5.9, а предпочтителен в трансформаторах на токи 25 кА и выше, когда ВО содержит не менее четырех частей с относительно малым числом витков. В этом случае каждая часть занимает часть высоты обмотки, что приводит к большому числу отводов, требующих достаточно большого пространства, и ее расположение у стержня или между обмотками приводит к значительному росту расхода материалов и габаритов.
Вариант по рис. 5.9, в предпочтителен при тех же условиях, что и предыдущий, но при жестком требовании небольшого изменения напряжения КЗ в процессе регулирования напряжения.

Рис. 5.9. Расположение концентров на стержне магнитопровода

Варианты по рис. 5.9, б, г имеют меньшие затраты по сравнению с другими при выполнении ВО винтовой, содержащей две части, переплетенные по высоте, так как отсутствуют отводы в канале рассеяния, что позволяет сократить между осевое расстояние магнитопровода. При требовании малого изменения напряжения КЗ в процессе регулирования предпочтительней вариант на рис. 5.9,б.
Достаточно сложной задачей является выбор конструкции самой РО, которая определяется электрической прочностью ее продольной изоляции, а также ее влиянием на токораспределение по параллельным ветвям всех обмоток и их электродинамическую стойкость.
На рис. 5.11 представлены возможные варианты конструкции РО с точки зрения взаимного расположения ступеней РО. Проанализируем их, используя критерий электрической прочности продольной изоляции РО, при воздействии напряжения промышленной частоты и грозовых импульсов. Воздействия на продольную изоляцию РО напряжения промышленной частоты в процессе регулирования напряжения при условии, что глубина регулирования напряжения равна 50% номинального, определяются кривыми рис. 5.12, представляющими потенциалы ответвлений РО в разных положениях переключающего устройства при wро=wсо. Наиболее нагруженным является канал между грубой и тонкой ступенями, а напряжения минимальны в обмотках РО по рис. 5.11,б, в, е, где они не превышают 25% номинального фазового напряжения СО.

Рис. 5.10. Изменение относительного значения напряжения короткого замыкания в процессе регулирования напряжения трансформатора (значению 1 соответствует полный диапазон регулирования):
РО в середине: 1 — диапазон 40%, рис. 5.8, в, г; 2 — диапазон 66%, рис. 5.8, в, г; СО в середине: 3— диапазон 40%, рис. 5.8, а, б; 4— диапазон 66%, рис. 5.8, а, б

Рис. 5.11. Схемы регулировочной обмотки:
10—10'— грубая ступень; III—1 — тонкие ступени

Максимальные воздействия на продольную изоляцию имеют место в РО, представленных на рис. 5.11, а, г, д и ж. В схеме рис. 5.11, г напряжения на всех каналах достигают значений 33—39%, в схемах рис. 5.11, а, д, ж, и в каналах между соседними катушками грубой и тонкой ступеней они достигают 53% номинального. Выбор конструкции РО с точки зрения воздействия импульсных напряжений представляет более сложную задачу. Он осуществляется расчетом напряжений на участках изоляции РО при воздействии стандартных грозовых импульсов в схемах рис. 5.13. Наибольшие воздействия имеют место при падении импульсной волны, показанной на рис. 5.13,б и определяющей выбор конструкции изоляции. Максимальные воздействия на продольную изоляцию обмотки имеют место при воздействии срезанного грозового импульса, значения которых зависят от коэффициента перехода напряжения через нулевое значение к0, который по ГОСТ 1516-76 определяют как отношение максимального значения первого полупериода колебаний после среза напряжения к максимальному значению срезанного импульса. В расчетах его принимают равным 0,6, так как при этом значении имеют место наибольшие градиенты (рис. 5.14).

Значения напряжений на участках продольной изоляции определяются геометрическими и обмоточными данными трансформаторов, так как колебания напряжения в обмотках, их частота и импульс зависят от индуктивных и емкостных связей в обмотке и между обмотками. Поэтому характер распределения напряжений оказывается специфическим для различных конструкций. Это хорошо видно из табл. 5.3, где приведены максимальные градиенты на продольной изоляции РО при воздействии срезанного грозового импульса, рассчитанные на ЭВМ по методике Всесоюзного института трансформаторостроения для минимально включенного числа регулировочных витков. Максимальные воздействия на канал имеют место в схеме рис. 5.11, и. Наиболее нагруженными являются каналы между соседними катушками «грубой» и «тонких» ступеней, а также между первой и второй, третьей и четвертой ступенями. Максимальные воздействия на эти же каналы возникают в схеме по рис. 5.11, е.

Следует отметить, что в процессе регулирования напряжения по мере включения очередных регулировочных витков воздействия на продольную изоляцию меняются и наиболее нагруженными каналами становятся другие по сравнению с начальным положением. Это видно из рис. 5.15, где приведены значения градиентов на каналах РО в нескольких положениях переключающего устройства, при которых значения градиентов могут быть наибольшими. Как видно из рис. 5.15, максимальные воздействия на продольную изоляцию РО имеют место при выключенных регулировочных витках (19-е положение переключающего устройства). Когда включены все «тонкие» ступени и включена «грубая» (11-е положение переключающего устройства), на отдельных каналах могут иметь место значительные величины градиентов, поэтому при проектировании РО необходимо выполнять поверочные расчеты импульсной прочности трансформатора также в положении переключающего устройства, соответствующем указанному случаю. Как видно из табл. 5.3, градиенты продольной изоляции РО могут быть достаточно большими.

Рис. 5.12. Изменение напряжения регулировочных ответвлений в диапазоне РПН

Конструкция РО по рис. 5.11,е является наилучшей в отношении воздействия напряжения как промышленной частоты, так и грозовых импульсов. Этот вывод справедлив для разных типовых мощностей трансформатора. При анализе импульсной прочности продольной изоляции РО представляет также интерес зависимость коэффициента запаса импульсной прочности от толщины бумажной изоляции обмоточного провода. Расчетные воздействия в процентах амплитуды импульсной волны и коэффициенты запаса кзап, приведенные для одной из конструкций РО с разными размерами каналов и толщиной изоляции, представлены в табл. 5.4. Из таблицы видно, что в отношении воздействия импульсной прочности целесообразно РО трансформаторов класса напряжения до 35 кВ включительно выполнять проводами марки ПБ с изоляцией толщиной 0,55 мм. Прочность продольной изоляции при воздействии напряжения промышленной частоты проверяется в зависимости от толщины изоляции по табл. 5.5. На рис. 5.16 приведены градиенты каналов в зависимости от их размеров. Из их анализа следует, что во «входной» зоне каналы должны быть минимальными и увеличиваться по мере удаления от этой зоны; наиболее нагруженными являются каналы на стыке «грубой» и «тонких» ступеней, а также на стыке «тонких» ступеней.

Рис. 5.13. Воздействие грозовых импульсов на РО и СО

Таблица 5.3

Расчет продольной изоляции РО различной мощности позволил определить приведенные ниже размеры каналов, обеспечивающие импульсную прочность РО трансформатора мощностью до 80 МВ-А на класс напряжения 35 кВ и, таким образом, унифицировать конструкцию РО для этих трансформаторов (см.
рис. 5.11, е). Примерно половину каналов непрерывной зоны «грубой» ступени следует выполнять размером 3 —4 мм, остальные каналы в непрерывной зоне «грубой» ступени — 6 мм; на стыке «грубой» и «тонких» ступеней канал должен иметь большие размеры, но не превышать 1,5 высоты провода; каналы внутри зоны каждой «тонкой» ступени следует принимать размером 3—4 мм, между соседними «тонкими» ступенями— 8 мм; наиболее напряженные каналы между 1-й и 2-й, а также 3-й и 4-й ступенями выполняют шириной 11— 12 мм.

Рис. 5.14. Зависимость градиентов напряжений срезанного грозового импульса на каналах РО от номера канала при коэффициентах перехода через нуль, равных 0,6 и 0,3
Рис. 5.15. Зависимость градиентов на каналах РО от номера канала при разных положениях переключающего устройства

Таблица 5.4. Градиенты импульсного напряжения на канале РО (АСУ) и коэффициент запаса

При проектировании системы обмоток учитывается распределение тока по параллельным ветвям обмоток и их электродинамическая стойкость. Анализ распространенных конструкций систем обмоток, представленных на рис. 5.17, показал, что уязвимыми с точки зрения неравномерного токораспределения конструкциями являются так называемые «несимметричные системы» (рис. 5.17, д,е), характерной чертой которых является неравенство высот части ВО и параллельной ветви СО. В таких конструкциях параллельные ветви в РО недопустимы, так как в режиме частичного КЗ их наличие приводит к значительным уравнительным токам в параллельных ветвях обмоток и снижению электродинамической стойкости трансформатора. В конструкциях по рис. 5.17, д, е при РО с параллельными ветвями по рис. 5.11, а, б значение напряжения частичного КЗ трансформатора примерно в 1,8 раза меньше, чем в этих же конструкциях с РО без параллельных ветвей (см. рис. 5.11, в, д, е). Поэтому в конструкциях на рис. 5.17, с), е значительно увеличивается ток в аварийном режиме частичного КЗ и снижается электродинамическая стойкость средних по высоте катушек ВО, расположенных на стыке поэтажных частей.

Рис. 5.16. Зависимость градиентов на каналах РО от номера канала при различных размерах каналов, указанных в скобках на кривых

Рис. 5.17. Распространенные варианты систем обмоток

Это обстоятельство особенно существенно для ВО, выполненной из двойных дисковых катушек, соединенных параллельно, в которых коэффициент запаса электродинамической прочности ВО может быть значительно меньше единицы, например в трансформаторе мощностью 25 МВ-А он составляет 0,5—0,8. Наиболее стойкими являются конструкции с винтовыми ВО или дисковыми, выполненными по рис. 5.17, а и б, так как они всегда позволяют обеспечить достаточно равномерное распределение тока по параллельным ветвям. Это хорошо видно из табл. 5.6, в которой для режима частичного КЗ приводятся значения максимальных токов ветвей в процентах расчетного тока ветви при условном равномерном токораспределении.
При проектировании системы обмоток также анализируют распределение тока по ветвям обмоток в режиме сквозного КЗ в различных положениях переключающего устройства, что позволяет оценить токораспределение в нормальных нагрузочных режимах работы трансформатора [55].

Таблица 5.6. Распределение тока по параллельным ветвям обмоток в режиме частичного КЗ

Таблица 5.7. Распределение тока по параллельным ветвям ВО в режиме сквозною КЗ

В табл. 5.7 приведены для режима сквозного КЗ максимальные токи параллельных ветвей ВО в различных положениях переключающего устройства в системах обмоток по рис. 5.17, а — е. Из табл. 5.7 видно, что наиболее нагружаются ветви ВО, расположенные в торце обмотки и в зоне против включенных ступеней РО. Винтовая конструкция ВО предпочтительнее и для этого режима.