Выбор типа обмотки трансформатора

Общие требования, предъявляемые к трансформатору, можно подразделить на эксплуатационные и производственные.
Основными эксплуатационными требованиями являются электрическая и механическая прочность и нагревостойкость как обмоток, так и других частей и трансформатора в целом.
Общие эксплуатационные требования, предъявляемые к трансформаторам и их обмоткам, регламентированы соответствующими государственными стандартами. Практически электрическая прочность изоляции обмоток достигается рациональной ее конструкцией, правильным выбором изоляционных промежутков и изоляционных материалов. Требования механической прочности обмотки удовлетворяется путем рационального выбора типа и конструкции обмотки и расположения ее витков и катушек с таким расчетом, чтобы возникающие в обмотке механические силы были по возможности меньшими, а механическая устойчивость возможно большей.
Общие производственные требования сводят к построению трансформатора с наименьшей затратой материалов и труда и наиболее простого по конструкции, т. е. наиболее дешевого.
Задачей проектировщика является разумное сочетание интересов эксплуатации и производства. Эта задача решается в значительной мере уже при выборе того или иного типа обмотки. Поэтому на выбор типа обмотки, наиболее отвечающей требованиям эксплуатации и в то же время наиболее простой и дешевой в производстве, следует обращать особое внимание.
Основными критериями при выборе типа обмотки служат следующие величины:
Iф = Iс – ток нагрузки одного стержня, мощность обмоток одного стержня S′ и номинальное напряжение Uл, а также поперечное сечение витка обмотки П.
Ориентировочное сечение, мм2, витка каждой обмотки может быть определено по формуле:
П = ,
где Iс – ток соответствующей обмотки одного стержня, ток фазный;
Dср – средняя плотность тока в обмотках ВН и НН.
В зависимости от выбора значения Dср будут изменяться объем и масса обмотки, а следовательно, и электрические потери в них Рэ. Обычно при расчете трансформатора потери короткого замыкания Рк бывают заданы, и выбор средней плотности тока должен быть связан с заданной величиной Рк.
Для определения средней плотности тока в обмотках, обеспечивающей получение заданных потерь короткого замыкания, можно воспользоваться формулами:
– для медных обмоток
Dср = 0,745Ка , ;
– для алюминиевых
Dср = 0,464 Кд , ;
где    S – полная мощность трансформатора, кВА; Рк – потери короткого замыкания, Вт; Ub – напряжение одного витка; d12 – средний диаметр канала между обмотками, см; Кд – коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь в обмотках, потери в отводах, в стенах бака и т. д., принимается по табл. 5.1.

Таблица 5.1
Значение Кд для трехфазных трансформаторов

Примечание. Для сухих трансформаторов мощностью 10–160 кВА принимать
Кд =0,99–0,96 и мощностью 250–1600 кВА  Кд =0,92–0,96.

Расчетные значения Dср следует сверить с данными табл. 2, где приведены ориентировочные значения практически применяемых плотностей токов. Сверка рассчитанного Dср имеет целью избежать грубых ошибок в расчете Dср.
Таблица 2

Средняя плотность тока в обмотках D, А/мм², для современных
трансформаторов с потерями короткого замыкания 

а) масляные трансформаторы

б) сухие трансформаторы

Примечания: 1. Для трансформатора с потерями короткого замыкания вышеуказанных государственных стандартов возможен выбор плотности тока в масляных трансформаторах до 4,5 А/мм² в медных и до 2,7 А/мм²  – алюминиевых обмотках; в сухих трансформаторах – соответственно до 3 и 2 МА/м². 2. Плотность тока в обмотках из транспонированного провода выбирается так же, как и для медного или алюминиевого провода. 3. Плотность тока в обмотках из алюминиевой ленты выбирается как для алюминиевого провода.

После определения средней плотности тока Dср и сечения витка Π для каждой из обмоток можно произвести выбор типа конструкции обмотки. Конструкция и тип обмотки применяется по табл. 3.
При расчете обмоток существенное значение имеет правильный выбор размеров провода. В обмотках из круглого провода выбирают провод, ближайший по площади поперечного сечения к сечению Π, определенному по выбранной плотности тока Dср, или в некоторых случаях подбираются два-три провода с соответствующим общим суммарных сечением.
При расчете винтовых, непрерывных катушечных и в большинстве случаев двухслойных и многослойных цилиндрических обмоток из их провода прямоугольного сечения желательно применять провода большего сечения, что упрощает намотки у них на станке и позволяет получить наиболее компактное ее размещение на сердечнике. Однако применение крупных размеров провода ограничивается условиями охлаждения обмотки и величиной допустимых добавочных потерь от вихревых токов, вызываемых потоком рассеяния.

Перегрев поверхности обмотки над температурой окружающего ее масла определяется по плотности теплового потока на поверхности обмотки, т. е. по потерям в обмотке отнесенных к единице поверхности q, Вт/м2. Величина q в целях недопущения чрезмерного нагрева
обмоток в масляных трансформаторах ограничивается пределами
q £ (1200–1400) Вт/м2 и во всяком случае не более 1600 Вт/м2.
В трансформаторах с искусственной циркуляцией масла допускается q £  (2000–2200) Вт/м2. Превышение указанных значений приводит к существенному увеличению веса охладительной системы трансформатора. В сухих трансформаторах для внутренних обмоток НН допускают
q £ 280 Вт/м2.
Расчет обмоток проводится в следующей последовательности:

• определяется число витков в фазе соответствующей обмотки, . После округления числа витков до целого числа уточняется напряжение одного витка  и значение магнитной индукции в стержне, Bc;
• определяется ориентировочное сечение, мм2, витка соответствующей обмотки по выражению: 

;

• по ориентировочному сечению обмотки сортаменту обмоточных проводов принимаются соответствующие провода. Проводов может быть один или несколько. Примеры витков для различных обмоток приведены ниже.

В масляных трансформаторах применяется провод марки ПБ (с бумажной изоляцией).
В сухих трансформаторах применяется обычно более качественная изоляция марок ПСД и ПСДК.

• По основным параметрам трансформатора  – номинальной мощности;  – номинальным напряжениям обмоток НН и ВН;   – номинальному фазному току обмоток выбирается тип обмоток.
• По выбираемому типу соответствующих обмоток производится расчет обмоток по методикам, приведенным ниже.

После расчета основных размеров обмотки НН –  и ,  и  следует рассчитать реактивную составляющую напряжения короткого замыкания Uкр  и сравнить его со значением.
Расчет  Uкр, %, проводится по формуле:
, 
где , здесь  и  – действительные расчетные значения радиальных размеров обмоток НН и ВН;
,
где d12 = d + 201 + 2a1 + a12, здесь  – действительный радиальный размер обмотки НН.
Для трансформаторов мощностью более 10000 кВА размер а, см, определяется выражением:
.
Расчетное напряжение  должно быть равно  определенному в разд. 4 по заданному значению  и . Отличие допускается всего на ± 5 %.

Если  расчетное выходит из допустимых пределов, следует изменить высоту обмоток  и пересчитать  и .
Иногда допускается увеличить канал  (в случае если  расчетное менее заданного), так как  принимается в расчете как минимально–допустимое поэтому увеличивать его можно.
Пересчитывая несколько раз обмотки НН и ВН достигают оптимальных значений размеров   ,  и  и
Только после этого приступают к расчету всех необходимых для дальнейших расчетов размеров обмотки:  и ,  и ; поверхностей  охлаждения обмоток НН и ВН.
Затем приступают к расчету потерь короткого замыкания, полного напряжения короткого замыкания и механических сил в обмотках.