Основой конструкции трансформатора является магнитная система. Ее размеры вместе с основными размерами обмоток составляют главные размеры активной части и всего трансформатора. Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в виде симметричной ступенчатой фигуры (рис. 2.1), вписанной в окружность, с концентрическим расположением обмоток.
Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров.
Вторым основным размером трансформатора является осевой размер 
(высота) его обмоток [1]. Обычно обе обмотки имеют одинаковую высоту [1].
Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток, или диаметр осевого канала между обмотками 
, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток 
и 
и осевой канал между ними 
(рис. 2.2).
Рис. 2.1. Схема активной части трансформатора:
d – диаметр стержня (диаметр окружности, описанной около ступенчатой фигуры стержня); l – высота обмоток (средняя); d 12 – средний диаметр витка обмоток,
размещённых на стержне; a 1 – радиальный размер обмоток НН; a 2 – радиальный размер обмоток ВН; a 01 – изоляционное расстояние от обмотки НН до стержня;
a 22 – изоляционное расстояние между обмотками ВН на соседних стержнях;
a 12 – изоляционное расстояние от обмотки ВН до обмотки НН;
l 02 – изоляционное расстояние от обмоток до ярма
Рис. 2.2. Устройство главной изоляции обмоток ВН и НН:
a 01 – изоляционное расстояние от обмотки НН до стержня; a 12 – изоляционное расстояние между обмотками НН и ВН; a 22 – изоляционное расстояние между обмотками ВН на соседних стержнях; a 1 – радиальный размер обмотки НН;
a 2 – радиальный размер обмотки ВН
|
|
Если эти размеры выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток а 12, а 22, l 01 , l 02 (см. рис. 2.2).
Два основных размера, относящихся к обмоткам d 12 и l (см. рис. 2.1), могут быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками 
к высоте обмотки l:
(2.1)
Приближенно произведение можно приравнять к средней длине витка двух обмоток: 
1 В, или l В / l = 
.
Диаметр стержня определяем по формуле [1, формула (3.17)]
, (2.2)
где а р – канал рассеяния, м.
Расчет и выбор величин, входящих в (2.2), проводим в следующем порядке:
1. Вычисляем мощность обмоток одного стержня трансформатора, кВА, по формуле
, (2.3)
где S – мощность трансформатора по заданию; С – число его активных стержней.
2. Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора, м, 
при определении диаметра еще не известна. Размер а 12 канала между обмотками ВН и НН находим как изоляционный промежуток по испытательному напряжению обмоток ВН (см. табл. 2.4).
Размер 
предварительно вычисляем по формуле
, (2.4)
где К к.р – коэффициент канала рассеяния (см. табл. 2.7).
3. Значение β, выражающее соотношение между шириной и высотой трансформатора, приближенно равно отношению средней длины витка двух обмоток l в трансформатора к их высоте l (см. табл. 2.6).
4. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно приближенно принять 
.
|
|
5. Частоту f берем из задания на проект – 50 Гц.
6. Реактивную составляющую напряжения КЗ, %, определяем по формуле
, (2.5)
где 
, 
– потери КЗ, Вт; 
– номинальная мощность трансформатора, кВ·А.
7. Индукцию 
в стержне трансформатора берем из табл. 2.2; 2.3.
8. Коэффициент заполнения сталью К с, выражающий отношение активного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня трансформатора, предварительно можно принять К с = 0,9.
Полученный диаметр 
округляем до ближайшего нормализованного 
.
9. Средний диаметр осевого канала между обмотками, м,
, (2.6)
где коэффициент 
берем из [1, с. 123].
Средний диаметр можно определить приближенно (см. рис. 2.1) при предварительном расчете, где а ср = 1,3…1,5 для медных обмоток и а ср= 1,5…1,7 – для алюминиевых.
10. Высота обмоток, м,
, (2.7)
причем для алюминиевого провода
, (2.8)
для медного
, (2.9)
где 
.
11. Активное сечение стержня, м2,
. (2.10)
12. Высота окна под обмотку, м,
(2.11)
Таблица 2.2
Данные для расчета трехфазных масляных трансформаторов
| Мощность S н, кВ.А | До 16 | 40… 100 | 160…630 | 1 000…1 600 | 2 500…6 300 | 10 000 | 16 000 | 25 000 | 32 000 | ||||||
| Ориентировочный диаметр стержня d, м | До 0,08 | 0,08 | 0,09 | 0,10… 0,14 | 0,016… 0,18 | 0,20 | 0,22 | 0,24… 0,26 | 0,28… 0,30 | 0,32… 0,34 | 0,36… 0,38 | 0,40… 0,42 | 0,45… 0,50 | 0,53… 0,56 | 0,60… 0,67 |
| Число ступеней n | 1…3 | ||||||||||||||
| Коэффициент К к.р | 0,64 0,79 0,85 | 0,86 | 0,89 | 0,91… 0,92 | 0,93 | 0,92 | 0,93 | 0,93 | 0,93 | 0,93 | 0,91 | 0,922 | 0,927 | 0,927 | 0,929 |
| Рекомендуемая индукция в стержнях В с, Тл | 1,2…1,5 | 1,5…1,6 | 1,5…1,65 | – | – | – | – |
Примечание. В таблице приведена рекомендуемая индукция в стержнях для сталей марок 3404, 3405.
|
|
Таблица 2.3
Данные для расчета трехфазных сухих трансформаторов
| Мощность S н, кВ.А | До 10 | 16…100 | 160…400 | 630…1 000 | 1 600 | |
| Ориентировочный диаметр стержня d, м | До 0,08 | 0,08 | 0,09…0,14 | 0,16…0,22 | 0,24…0,26 | 0,28…0,32 |
| Число ступеней n | 5,6 | 7,8 | ||||
| Коэффициент К к.р | 0,851 | 0,877 | 0,915…0,920 | 0,930…0,935 | 0,930…0,935 без учета каналов 0,800…0,820 с учетом каналов | |
| Рекомендуемая индукция в стержнях В с, Тл | 1,2…1,4 | 1,40…1,45 | 1,40…1,45 |
Примечание. В таблице приведена рекомендуемая индукция в стержнях для сталей марок 3404, 3405.
Таблица 2.4
Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН
Мощность  , кВ.А
| 
ВН, кВ
|  ,  м
| Вид изоляции |  , м
| Вид изоляции |  ,
м
| Вид изоляции | Расстояние от стенки бака (кожуха) до обмотки ВН, м
|
| Масляные трансформаторы | ||||||||
| 25…100 | 18, 25, 35 | 0,9 | Масляный промежуток с бумажнобакелитовым цилиндром толщиной 0,2…0,4 см | 2,0 | Опорная изоляция из электрокар-тона или дерева | 0,8 | Масляный промежуток | 0,25 |
| 160…630 | 18, 25, 35 | 3,0 | 0,1 | 3,0 | ||||
| 1 000…6 300 | 18, 25, 35 | 2,0 | Масляный промежуток с бумажнобакелитовым цилиндром толщиной 0,5…0,6 см | 5,0 | 1,8 | Масляный промежуток с перегородкой из электрокартона толщиной 0,3…0,6 см | 5,0 | |
| 630 и выше | 2,0 | 5,0 | 2,0 | 6,0 | ||||
| 2,0 | 5,0 | 2,0 | 6,0 | |||||
| 160…630 | 2,7 | 7,5 | 2,0 | 9,0 | ||||
| 1 000…6 300 | 2,7 | 7,5 | 3,0 | 9,0 | ||||
| 10 000 и выше | 3,0 | 8,0 | 3,0 | 9,0 | ||||
| Сухие трансформаторы | ||||||||
| Определяется только испытательным напряжением | 1,0 | Воздушный промежуток с бумажнобакелитовым цилиндром толщиной 0,2…0,4 см | 11,5 | Опорная изоляция из электрокар-тона | 1,0 | Воздушный промежуток из электрокартона толщиной 0,2…0,3 см | 2,5 | |
| 1,5 | 2,0 | 1,0 | 3,0 | |||||
| 2,2 | 4,5 | 2,5 | 5,0 | |||||
| 4,0 | 8,0 | 4,5 | 8,0 |
Таблица 2.5
Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН
| Мощность , кВ.А
| НН, кВ
|  , м
| Вид изоляции |  , м
| Вид изоляции |
| Масляные трансформаторы | |||||
| 25…250 | 0,4 | Масляный промежуток и картон 2 × 0,05см | 1,5 | Опорная изоляция из электрокартона или дерева | |
| 400…630 | 0,5 | ||||
| 1 000…2 500 | 1,5 | Масляный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 0,4…0,6 см | |||
| 630…1 600 | 18, 25, 35 | 1,5 | |||
| 2 500…6 300 | 18, 25, 35 | 1,8 | |||
| 630 и выше | 2,0 | ||||
| 630 и выше | 2,3 | ||||
| Все мощности | 3,3 | ||||
| Сухие трансформаторы | |||||
| Определяется только испытательным напряжением | 1,0 | Воздушный промежуток 2 × 0,05 см | 1,5 | Опорная изоляция из электрокартона | |
| 1,4 | Воздушный промежуток с бумажно-бакелитовым цилиндром толщиной 0,25…0,6 см | 3,0 | |||
| 2,7 | 3,5 | ||||
| 4,0 | 9,0 |
Диаметр стержня и число ступеней 
(число углов в четверти круга) берем из табл. 2.2, 2.3 в зависимости от мощности
и способа охлаждения трансформатора. На рис. 2.1 показан трехступенчатый стержень. Все изоляционные расстояния выбираем из табл. 2.4, 2.5.
Выбранный диаметр стержня d проверяем по нормализованному ряду диаметров: 0,08; 0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,1; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,2; 0,22; 0,225; 0,23; 0,24; 0,245; 0,25; 0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,3; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,4; 0,42; 0,45; 0,48; 0,5; 0,53; 0,56; 0,6; 0,63; 0,67; 0,71; 0,75 – для магнитных систем без поперечных каналов; 0,8; 0,85; 0,875; 0,9; 0,925; 0,95; 0,975; 1,0; 1,03; 1,06; 1,12; 1,15; 1,18; 1,22; 1,25; 1,28; 1,32; 1,36; 1,4; 1,45; 1,5 – для магнитных систем, имеющих поперечные охлаждающие каналы.
Предварительное значение величины рекомендуется выбирать максимально возможным по условию минимума веса и стоимости обмоток (табл. 2.6).
Для рационального выбора геометрии обмоток рекомендуется рассчитывать несколько предельных значений размера. Выбор значений производим по табл. 2.6.
Таблица 2.6
Рекомендуемые пределы варьирования
| Вид охлаждения | Металл обмотки | Мощность, кВА | ||
| 25…30 | 1 000…6 300 | 10 000…80 000 | ||
| Масляное | Медь | 1,2…3,6 | 1,5…3,6 | 1,2…3,0 |
| Алюминий | 0,9…3,0 | 1,2…3,0 | 1,2…3,0 | |
| Воздушное | Медь | 1,2…2,7 | 1,2…2,7 | – |
| Алюминий | 0,8…2,1 | 0,8…2,1 | – |
Таблица 2.7
Коэффициент канала рассеяния 
| Габарит трансформатора | Мощность, кВА | Класс напряжения ВН | |
| до 10 кВ | до 35 кВ и выше | ||
| I | До 100 | 0,85…0,80 | 0,91…0,85 |
| II | 160…1 000 | 0,80…0,65 | 0,81…0,73 |
| III | 1 600…6 300 | 0,65…0,64 | 0,67…0,58 |
| IV | Свыше 6 300 | 0,54…0,42 | 0,58…0,54 |
2.3. Расчет основных размеров
трехфазных трансформаторов на ЭВМ
Расчет основных размеров трехфазных трансформаторов можно выполнить на ЭВМ. В методических указаниях [8] приведены бейсик-программа, разработанная для этой цели, и методика выбора и подготовки исходных данных, необходимых для проведения расчетов.
Реализация составленной программы на ЭВМ позволяет осуществить рациональный выбор основных размеров трансформатора на основе вариантного расчета с оптимизацией по минимуму стоимости активной части трансформатора, с учетом ряда ограничений по нормированным параметрам.
Расчёт обмоток