Расчет обмоток высокого напряжения

4.4.1. Выбор способа регулирования напряжения обмоток ВН

 

При выборе типа обмотки высокого напряжения (ВН) следует учитывать необходимость выполнения в обмотке ответвлений для регулирования напряжения. Согласно ГОСТ 16110-82 предусмотрено два вида переключения ответвлений обмотки трансформатора:

– без перерыва нагрузки РПН;

– переключение ответвлений обмотки трансформатора без возбуждения (ПБВ), т. е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети.

В масляных трансформаторах мощностью от 25 до 200000 кВА с ПБВ предусмотрено выполнение 4 ответвлений в обмотках ВН соответственно на +5 %, +2,5 %, –2,5 %, –5 % относительно номинального напряжения. Переключение ответвлений должно производиться специальными переключателями.

Переключение ответвлений обмоток допускается только при отключении всех обмоток трансформатора от сети и должно производиться специальными переключателями, встроенными в трансформатор с выведенными из бака рукоятками управления.

Наиболее употребляемые схемы регулирования приведены на рис. 4.12. Схема по рис. 4.12, а применяется для регулирования при многослойной цилиндрической обмотке. По схеме рис. 4.12, б, в может выполняться регулирование напряжения при многослойной цилиндрической катушечной и непрерывной катушечной обмотке при номинальном напряжении до 38,5 кВ. Схемы рис. 4.12, в и 4.12, г применяются для тех же обмоток, что и схема рис. 4.12, б, но при номинальном напряжении от 3 до 220 кВ.

 

Рис. 4.12. Принципиальные схемы регулирования напряжения обмоток ВН

 

В сухих трансформаторах применяется регулирование напряжения обмотки ВН на ±2´2,5 % по схеме 4.12, б. Регулирование ответвлений выводится на доску зажимов, и переключение с одной ступени на другую осуществляется при отключении всех обмоток от сети.

В трансформаторах с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН) устанавливаются следующие пределы регулирования:

1000–6300 кВА 20 и 35 кВ ±6´1,5 % = ±9 %

2500 кВА 110 кВ, РПН на НН +10´1,5 % = 15 %, -8´1,5 % = -12 %

6300 – 125000 кВА 110 кВ ±9´1,67 % = ±16 %

Аппаратура РПН в обмотках класса напряжения 110 кВ имеет класс напряжения 35 кВ и встраивается в нейтраль этих обмоток. Нейтраль должна быть заземлена наглухо. Применяются различные схемы регулирования РПН с применением различных способов ограничения токов при переключении витков, которые подробно описаны в [5].

 

4.4.2. Расчет основных параметров обмоток ВН

Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле

или .

Обычно ступени регулирования напряжения делаются равными между собой, что обусловливает также и равенство числа витков на стержнях. В этом случае число витков на ответвлениях:

– при четырех ступенях регулирования напряжения.

1-я верхняя ступень ;

2-я верхняя ступень ; ;

при номинальном напряжении ;

2-я нижняя ступень ;

1-я нижняя ступень .

 

Плотность тока , А/мм², в обмотке ВН предварительно определяется по формуле

.

Сечение витка, мм², предварительно определяется по формуле

.

Предварительное определение числа катушек для многослойной цилиндрической катушечной и непрерывной катушечной обмоток производится с таким расчетом:

– чтобы число катушек было четным;

– рабочее напряжение одной катушки при классе напряжения до 35 кВ не превосходило 800¸1000 В; при классе 110 кВ – 1500¸1600 В; при классе 220 кВ – 2500¸3000 в;

– при номинальном напряжении обмотки ВН 35 кВ и выше все витки, служащие для регулирования напряжения, и витки с усиленной изоляцией были размещены в отдельных катушках.

 

4.4.3. Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода

 

После определения ориентировочного значения сечения витка П₂ из
табл. 4.6. подбирается провод подходящего сечения или два параллельных провода с диаметром провода без изоляции и провода в изоляции .

Подобранные размеры записываются так:

– марка провода ,

где – число параллельных проводов.

Полное сечение, мм², витка определяется по выражению

,

где – сечение одного провода; – число проводов в витке.

Полученная плотность тока,А/мм²,

.

Число витков в слое

.

Число слоев в обмотке

,

– округляется до большего целого числа.

Рабочее напряжение двух слоев, В,

.

В большинстве случаев по условиям охлаждения обмотка каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки при этом должно составлять не более 1/3¸2/5 от общего числа слоев обмотки. В случае применения этого типа обмотки на стороне НН числа слоев внутренней и наружной катушек делаются равными.

Минимальная ширина масляного канала между катушками выбирается по справочным данным. В трансформаторах мощностью на один стержень не более 3–4 кВА возможно применение обмотки, состоящей из одной катушки без осевого канала.

Возможны варианты, когда обмотка делится на 3–4 и более катушек.

Напряжение двух слоёв определяется для того, чтобы выбрать толщину межслоевой изоляции .

Радиальный размер, обмотки, см,

– одна катушка без экрана

;

– две катушки без экрана

,

где – диаметр провода с изоляцией; – межслоевая изоляция в зависи­мости от напряжения двух слоёв ; – масляный охлаждающий канал.

Для защиты обмоток трансформатора от импульсных перенапряжений
в обмотках класса напряжения 35 кВ под внутренним слоем их устанавливается металлический экран – незамкнутый цилиндр из латунного листа толщиной
0,5 мм. Экран соединяется электрически с линейным концом обмотки (начало внутреннего слоя) и изолируется от внутреннего слоя обмотки обычной межслойной изоляцией или листом картона толщиной 0,1см. Такая же изоляция экрана устанавливается со стороны масляного канала.

При наличии экрана радиальный размер обмотки определяется по формуле

,

где = 0,05 см.

Внутренний диаметр обмотки, см:

,

где – наружный диаметр обмотки НН.

Наружный диаметр обмотки, см,

– без экрана

;

– с экраном

.

Для обмотки, состоящей из одной катушки, намотанной непосредственно на изоляционный цилиндр без осевого канала, – одна поверхность охлаждения, м²:

; ().

Для одной катушки, намотанной на цилиндре на рейках, – две поверхности охлаждения:

; ().

Для обмотки, состоящей из двух катушек с осевым каналом между ними, внутренняя катушка намотана непосредственно на цилиндр, – три поверхности охлаждения

; ().

Для того же случая, когда внутренняя катушка на цилиндре на рейках

 

; ().

4.4.4. Расчет непрерывной катушечной обмотки

Определяется ориентировочное сечение витка П₂. По этому сечению по сортаменту обмоточного провода подбираются подходящие сечения прямоугольного провода. Число проводов – один или два–четыре одинакового сечения.

Выбранные размеры провода записываются так:

марка провода .

Принятое сечение одного провода – , мм².

Полное сечение витка , мм².

Действительная плотность тока в обмотке, А/мм²,

.

Высота катушки в этой обмотке равна большему размеру провода в изоляции .

Число катушек на одном стержне определяется по формулам:

– для случая, когда каналы сделаны между всеми катушками

,

здесь – канал между катушками, принимается в см;

– для сдвоенных катушек с шайбами в двойных и с каналами между двойными катушками

.

Число витков в катушке ориентировочно

_,

где – число витков с учётом регулировочных .

Осевой размер (высота) канала в трансформаторах мощностью S от 160 до 6300 кВА и рабочим напряжением не более 35 кВ колеблется от 0,4 до 0,8 см; в сухих трансформаторах – от 1,0 до 2,0 см. В двойных катушках, если в них не делается канал, прокладываются шайбы толщиной 0,05 см. В трансформаторах бóльшей мощности и при напряжениях 110 и 220 кВ высота канала может быть выбрана до 1,2–1,5 см.

При проектировании обмотки должны соблюдаться следующие требования:

– общая высота (осевой размер) обмотки должна совпадать с высотой обмотки НН ;

– регулировочные витки и витки с усиленной изоляцией должны быть уложены в отдельные катушки;

– общее количество катушек должно быть четным, число различных видов катушек не более четырех.

Высота обмотки с каналами между всеми катушками, см,

;

а для обмотки с шайбами в двойных и с каналами между двойными катушками

.

Высота канала в месте разрыва обмотки и размещениях регулировочных витков выбирается по справочным данным. Коэффициент , учитывающий усадку изоляции после сушки и опрессовки обмотки, принимается равным 0,96.

Радиальный размер обмотки, см,

,

где – число витков катушки, дополненное до большего целого числа; – толщина провода в изоляции; – число параллельных проводов в витке.

Внутренний диаметр обмотки, см,

,

внешний диаметр обмотки

,

Поверхность, м², охлаждения обмотки: при наличии радиальных каналов между всеми катушками

, (),

при наличии радиальных каналов только между двойными катушками

.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие материалы применяются в качестве обмоточного провода для силовых трансформаторов?

2. Назовите марки проводов для изготовления обмоток силовых масляных и сухих трансформаторов.

3. Поясните геометрические размеры обмоточных проводов круглого и прямоугольного сечения с учетом изоляции.

4. Из каких материалов выполняется межслоевая изоляция обмоток, изоляционные цилиндры, прессующие кольца и прокладки, другие изолирующие конструкции?

5. Какие виды обмоток применяются для трансформаторов?

6. Когда выполняются винтовые и непрерывные обмотки и чем они отличаются друг от друга?

7. Что такое транспозиция проводов в винтовых и непрерывных катушечных обмотках и ее значение?

8. Методика расчета винтовых обмоток.

9. Методика расчета непрерывных катушечных обмоток.

10. Устройство цилиндрических двухслойных и многослойных обмоток из прямоугольного провода.

11. Устройство многослойных цилиндрических обмоток из круглого провода.

12. Поясните методику расчета цилиндрических обмоток различных типов.

13. На какие значения напряжения и тока (линейные или фазные) производится расчет трансформатора?

14. Какие соотношения между линейными и фазными напряжениями и соответственно между линейными и фазными токами при соединении обмоток по схемам «звезда» и «треугольник»?

15. Какие основные изоляционные промежутки используются в конструкции обмоток трансформатора и как они определяются?

16. Назовите основные критерии, по которым выбираются типы обмоток трансформатора.

17. Поясните методику расчета цилиндрических многослойных обмоток.

18. В чем состоит методика расчета винтовых и непрерывных катушечных обмоток?

19. Как подбирается марка провода и число параллельных проводов для обмоток трансформатора?

20. Почему обмотки ВН и НН не должны значительно отличаться по высоте?

21. Какие типы обмоток трансформатора являются наиболее прочными механически?

22. По какому критерию выбирается толщина и вид межслоевой изоляции в цилиндрических многослойных обмотках?

23. Почему в сухих трансформаторах применяется изоляция проводов типа ПСД и ПСДК? Дайте характеристику этим маркам.

24. Как конструктивно выполняются радиальные охлаждающие каналы в винтовых и непрерывных катушечных обмотках?

 

Рекомендуемая литература: [11, 12, 14, 15, 19].

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Обмотка является наиболее важной и ответственной частью электрических машин постоянного и переменного тока, а также силовых трансформаторов, которая в основном определяется их надежностью, сроком службы и стоимостью.

Данное учебное пособие «Обмотки электрических машин и трансформаторов» поможет студентам в изучении разделов курсов «Электромеханика» или «Электрические машины и привод». В нем приводятся материалы по конструкции обмоток различных типов, методики их расчета, правила выполнения развернутых схем с соответствующими примерами конкретных обмоток якоря машин постоянного тока, обмоток статора машин переменного тока и трансформаторов.

Пособие позволяет повысить качество курсового и дипломного проектирования по расчету и конструированию двигателей и генераторов постоянного тока, синхронных генераторов и асинхронных двигателей электрических машин и силовых масляных и сухих трансформаторов, а также скоростных электрических машин.

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Вольдек, А.И. Электрические машины: учеб. /А.И. Вольдек. – Л.: Энергия, 1974. – 839 с.

2. Копылов, И.П. Электрические машины: учеб. / И.П. Копылов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 360 с.

3. Копылов, И.П. Электрические машины: учеб. / И.П. Копылов. – М.:, 2000. – 607с.

4. Винокуров, В.А. Электрические машины железнодорожного транспорта / В.А. Винокуров, Д.А. Попов. – М.: Транспорт, 1986. – 430 с.

5. Брускин, Д.Э. Электрические машины и микромашины: учеб. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зарохович, В.С. Хвостов. – М.: Высш. шк. 1971. – 430 с.

6. Кулик, Ю.А. Электрические машины: учеб. / Ю.А. Кулик. – М.: Высш. шк. 1971. – 454 с.

7. Винников, И.М. Технология и расчеты при перемотке двигателя переменного тока: учеб. / И.М. Винников. – М.: Энергия, 1970. – 224 с.

8. Маршак, Е.Л. Ремонт и модернизация асинхронных двигателей / Е.А. Мар­шак. – М.: Энергия, 1970. – 279 с.

9. Сечин, В.И. Безредукторные электроприводы с линейными и дуговыми двигателями: монография / В.И. Сечин. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. – 140 с.

10. Геращенко, Г.В. Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов / Г.В. Геращенко, П.В. Тембель. – Киев: Изд-во техника, 1972. – 535 с.

11. Тихомиров, п.м. Расчет трансформаторов: учеб. / П.М. Тихомиров. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 528 с.

12. Гончарук, А.И. Расчет и конструирование трансформаторов / А.И. Гончарук. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.

13. Токарев, Б.Ф. Электрические машины / Б.Ф. Токарев. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 672 с.

14. Сечин, В.И. Расчет силовых трансформаторов: учеб. пособие / В.И. Сечин. – Хабаровск: редакционно-издательский отдел ДВГАПС, 1993. – 106 с.

15. Сечин, В.И. Проектирование силовых трансформаторов: учеб. пособие / В.И. Сечин. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – 140 с.

16. ГОСТ 2. 319. – 68. ЕСКД. Правила выполнения диаграмм; введ. 01.01.83. М. 1988.

17. Важнов, А.И. Электрические машины / А.И. Важнов. – Л.: Энергия, 1969. – 768 с.

18. Сечин, В.И. Параллельная работа тяговых электродвигателей на локомотивах с электрической передачей: монография / В.И. Сечин. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007, – 148 с.

19. Атабеков, В.Б. Ремонт трансформаторов, электрических машин и аппаратов / В.Б. Атабеков. – М.: Высш. шк., 1988. – 416 с.

20. Брускин, Д.Э. Электрические машины. Ч.1, 2 / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. – М.: Высш. шк. 1987. – 430 с.

21. Кацман, М.М. Электрические машины и трансформаторы. В 2 ч. Ч. 1. Машины постоянного тока и трансформаторы/ М.М. Кацман. – М.: Высш. шк. 1976. – 216 с.

22. Кацман, М.М. Электрические машины и трансформаторы. В 2 ч. Ч. 2. Машины переменного тока / М.М. Кацман. – М.: Высш. шк. 1976. – 181 с.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 3

1. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОкА......................................................................... 4

1.1. Общие сведения об якорных обмотках. Устройство обмоток........................ 4

1.2. Условия симметрии обмоток............................................................................... 12

1.3. Шаги обмоток якоря............................................................................................ 13

1.4. Простые петлевые обмотки.................................................................................. 16

1.4.1. Пример простой четырехполюсной петлевой обмотки
якоря с числом элементарных пазов в реальном,
равным единице........................................................................... 18

1.4.2. Пример простой четырехполюсной петлевой обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальном, равным двум......... 23

1.4.3. Пример простой петлевой обмотки с числом элементарных
пазов в реальном равным трем................................................... 28

1.5. Сложные петлевые обмотки.................................................................................. 33

1.5.1. Общие сведения о сложных петлевых обмотках........................ 33

1.5.2. Пример сложной петлевой обмотки с числом элементарных
пазов в реальном равным трем.................................................. 35

1.6. Простые волновые обмотки............................................................... 39

1.6.1. Пример простой волновой четырехполюсной обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальном равным единице...... 39

1.6.2. Пример простой волновой четырехполюсной обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальной равным трем........... 45

1.7. Сложные волновые обмотки............................................................. 50

1.7.1. Пример сложной волновой четырехполюсной обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальном равным двум......... 50

1.7.2. Пример сложной волновой четырехполюсной обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальной равным трем.......... 55

1.7.3. Пример сложной волновой восьмиполюсной обмотки якоря
с числом элементарных пазов в реальной равным трем.......... 60

1.8. Комбинированная обмотка якоря...................................................................... 65

2. ОБМОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА....................................................................... 67

2.1. Общие сведения об обмотках переменного тока............................. 67

2.2. Простейшая трехфазная двухполюсная двухслойная
сосредоточенная петлевая обмотка.................................................. 70

2.3. Простейшая трехфазная двухполюсная однослойная
сосредоточенная обмотка.................................................................. 74

2.4. Трехфазные петлевые двухслойные обмотки с целым
числом пазов на полюс и фазу.......................................................... 75 ........................................................................................................................................................................................................................................

2.4.1. Пример трехфазной четырехполюсной двухслойной
петлевой обмотки с целым числом пазов на полюс
и фазу с полным шагом.............................................................. 75

2.4.2. Пример трехфазной четырехполюсной двухслойной
петлевой обмотки с целым числом пазов на полюс
и фазу с укороченным шагом.................................................... 78

2.4.3. Пример трехфазной двухполюсной петлевой обмотки
с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом 80

2.4.4. Пример трехфазной шестиполюсной двухслойной петлевой
обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным
шагом.......................................................................................... 82

2.4.5. Пример трехфазной шестиполюсной двухслойной волновой
обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным
шагом.......................................................................................... 85

2.4.6. Пример трехфазной восьмиполюсной двухслойной петлевой
обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу
с полным шагом......................................................................... 86

2.4.7. Пример трехфазной восьмиполюсной двухслойной
петлевой обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу
с укороченным шагом................................................................ 88

2.5. Двухслойные обмотки машин переменного тока с дробным
числом пазов на полюс и фазу.......................................................... 88

2.5.1. Общие сведения об обмотках с дробным значением числа
пазов на полюс и фазу................................................................ 88

2.5.2. Пример трехфазной шестиполюсной петлевой обмотки
с дробным числом пазов на полюс и фазу................................ 90

2.5.3. Пример трехфазной двухслойной четырехполюсной петлевой
обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу................. 91

2.5.4. Пример трехфазной четырехполюсной двухслойной петлевой
обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу................. 94

2.5.5. Пример трехфазной восьмиполюсной двухслойной петлевой
обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу................. 97

2.5.6. Пример несимметричной трехфазной
двенадцатиполюсной двухслойной обмотки с дробным
числом пазов на полюс и фазу................................................... 99

2.5.7. Пример трехфазной четырёхполюсной двухслойной волновой
обмотки ротора с дробным числом пазов на полюс и фазу.. 102

2.6. Трехфазные однослойные............................................................... 103

2.6.1. Пример трехфазной концентрической однослойной
двухплоскостной обмотки........................................................ 103

2.6.2. Пример трёхфазной четырехполюсной трехплоскостной
однослойной концентрической обмотки................................. 106

2.6.3. Пример трехфазной двухполюсной трехплоскостной
однослойной концентрической обмотки................................. 108

2.6.4. Пример трехфазной четырехплоскостной простой
шаблонной однослойной обмотки........................................... 109

2.6.5. Пример трехфазной двухполюсной однослойной шаблонной
обмотки «в развалку».............................................................. 110

2.6.6. Пример трехфазной однослойной двухполюсной
цепной обмотки......................................................................... 112

2.6.7. Пример двухфазной петлевой двухполюсной
четырехполюсной обмотки с целым числом пазов на полюс
и фазу с укороченным шагом.................................................. 113

3. ОБМОТКИ СТАТОРА МНОГОСКОРОСТНЫХ
АСИНХРОННЫХ КОРОТКОЗАМКНУТЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ...................................................................................... 116

3.1. Общие сведения о регулировании частоты вращения
асинхронных двигателей изменением числа пар
полюсов............................................................................................... 116

3.2. Схемы обмоток статора двухскоростных
асинхронных двигателей................................................................. 116

3.3. Схемы обмоток статора трехскоростных
асинхронных двигателей.................................................................. 124

3.4. Схемы обмоток статора четырехскоростных
асинхронных двигателей................................................................. 129

4. ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ.................................................. 133

4.1. Типы обмоток трансформаторов.................................................... 133

4.2. Выбор типа обмотки......................................................................... 137

4.3. Методика расчета обмоток различных типов............................... 145

4.3.1. Расчет цилиндрических обмоток из прямоугольного провода 145

4.3.2. Расчет многослойной цилиндрической обмотки
из прямоугольного провода...................................................... 148

4.3.3. Расчет одноходовых, двухходовых и многоходовых
винтовых обмоток............................................................................................... 150

4.4. Расчет обмоток ВН............................................................................ 153

4.4.1. Выбор способа регулирования напряжения обмоток ВН....... 153

4.4.2. Расчет основных параметров обмоток ВН............................... 155

4.4.3. Расчет многослойной цилиндрической обмотки
из круглого провода................................................................ 156

4.4.4. Расчет непрерывной катушечной обмотки............................... 158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. 161

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................ 162

 

 

Учебное издание

Сечин Владимир Ильич

Моисеева Ольга Викторовна