Розрахунок параметрів короткого замикання визначення втрат короткого замикання
Втратами короткого замикання двохобмотувальні трансформатора згідно ГОСТ 16110 - 82 називаються втрати, що виникають в трансформаторі при номінальній частоті і встановленні в одній з обмоток струму, відповідного його номінальної потужності, при замкнутої накоротко другий обмотці. Передбачається рівність номінальних потужностей обох обмоток.
Повні втрати короткого замикання готового трансформатора не повинні відхилятися від гарантійного значення ГОСТ або технічними умовами на проект трансформатора, більш ніж на 10%.
При нормальній роботі трансформатора, тобто при навантаженні його номінальним струмом при номінальних первинній напрузі і частоті, в його обмотках, відводах і елементах конструкції під впливом струмів обмоток і створеного ними поля розсіювання виникають втрати, практично рівні втрат короткого замикання і однаково з ними змінюються при зміні струму навантаження. Тому при всіх розрахунках втрат, викликаних в нормально працюючому трансформаторі змінюються струмами навантаження обмоток, і при розрахунку ККД трансформатора зазвичай в якості вихідної величини користуються расcчітанимі або виміряними втратами короткого замикання.
Втрати короткого замикання можуть бути розраховані або визначені експериментально в досвіді короткого замикання трансформатора.
При дослідженні короткого замикання номінальні струми в обмотках виникають при відносно малому напрузі (5 -10% номінального значення), а втрати в магнітній системі, приблизно пропорційні другого ступеня напруги, зазвичай зневажливо малі.
Нехтуючи втратами в магнітній системі, додатковими втратами в обмотках НН і ВН, тобто втратами від вихрових струмів, наведених полем розсіювання в обмотках, основними втратами в відводах між обмотками і уведеннями (прохідними ізоляторами) трансформатора, додатковими втратами в відводах, викликаних полем розсіювання відводів, втратами в стінках бака, і інших металевих, головним чином феромагнітних елементах конструкції трансформатора , викликаних полем розсіювання обмоток і відводів, вважаємо. що втрати короткого замикання Рк в трансформаторі - це основні втрати в обмотках НН і ВН, викликані робочим струмом обмоток Роб1 і Роб2.
Втрати в обмотках для мідного дроту, Вт
де j1 і j2 - щільність струму в обмотках ВН і НН відповідно, А / м 2,
Gм1 і Gм2 - маса металу обмоток ВН і НН, кг.
Втрати в обмотках для алюмінієвого проводу, ВТ
При визначенні втрат в обмотках ВН в (14) і (15) підставляють число витків на середньому ступені напруги Wн. При визначенні загальної маси металу обмоток ВН підставляють повне число витків обмотки на верхньому щаблі W1.
Визначення напруги короткого замикання
Напругою короткого замикання двохобмотувальні трансформатора називається приведене до розрахункової температурі напруга, яке слід підвести при номінальній частоті до затискачів однієї з обмоток при замкнутої накоротко інший обмотці, щоб в обох обмотках встановилися номінальні струми. При цьому перемикач повинен знаходитися в положенні, відповідному номінальній напрузі.
Напруга короткого замикання визначає падіння напруги в трансформаторі, його зовнішню характеристику і струм короткого замикання. Він враховується також при підборі трансформатора для паралельної роботи. Для всіх трансформаторів напругу короткого замикання і його складові прийнято виражати у відсотках номінальної напруги, а активну складову визначати для середньої експлуатаційної температури обмоток 75 0 С для всіх масляних і сухих трансформаторів з ізоляцією класів нагрівостійкості А, Е, В. Для трансформаторів з ізоляцією класів нагрівостійкості F, Н, С розрахункова температура 115 0 С.
Активна складова напруги короткого замикання може бути визначена за формулою,%
де Роб - сумарні втрати в обмотках трансформатора, Вт; S н - номінальна потужність трансформатора, кВ · А.
Реактивна складова напруги короткого замикання може бути визначена за формулою [3],%
Всі величини, що входять у вираз Uр визначені раніше.
Ширина наведеного каналу розсіювання ар. м, у формулі (16) в тих випадках, коли раціональні розміри обмоток а1 і А2 рівні або мало відрізняються один від одного (в трансформаторах потужністю S
При розрахунку Uр по (16), а також при всіх подальших розрахунках слід користуватися реальними розмірами розрахованих обмоток трансформатора (а1. А2. А12, d12. L), а не наближеними значеннями β і ар. знайденими при визначенні основних розмірів трансформатора.
Коефіцієнт Кр. враховує відхилення реального поля розсіювання від ідеального паралельного поля, може бути підрахований за наближеною формулою
Зазвичай Кр при концентричному розташуванні обмоток і рівномірному розташуванні витків по їх висоті коливається в межах від 0,93 до 0,98. Рівномірний розподіл витків по висоті кожної обмотки при рівності висот обох обмоток є найбільш раціональним. При цьому осьові сили в обмотках при аварійному короткому замиканні трансформатора будуть незмінними.
Після визначення активної і реактивної складових напруга короткого замикання трансформатора може бути знайдено за формулою
Напруга короткого замикання має збігатися з Uк. заданим на проект трансформатора. У разі, якщо Uк виявиться відмінним від заданого більш, ніж на ± 10%, його зміна в потрібному напрямку може бути досягнуто за рахунок зміни реактивної складової Uр. Невеликі зміни можуть бути отримані шляхом збільшення або зменшення осьового розміру обмотки l при відповідному зменшенні або збільшенні радіальних розмірів обмоток а1 і А2. Більш різка зміна Uр досягається зміною напруги одного витка Uв за рахунок збільшення або зменшення діаметра стрижня магнітної системи d або індукції Нд в ньому. Змінювати в цих цілях ізоляційне відстань а12 не рекомендується.
Визначення механічних сил в обмотках і нагрівання обмоток при короткому замиканні.
Процес короткого замикання трансформатора, який є аварійним режимом, супроводжується багаторазовим збільшенням струмів в обмотках трансформатора в порівнянні з номінальними струмами, підвищеним нагріванням обмоток і ударними механічними силами, що діють на обмотки і їх частини. Перевірка обмоток на механічну міцність при короткому замиканні включає:
визначення найбільшого усталеного і найбільшого ударного струму короткого замикання;
визначення механічних сил між обмотками та їх частинами;
визначення температури обмоток при короткому замиканні.
Чинне значення усталеного струму короткого замикання визначається згідно з ГОСТ 11677 - 85 з урахуванням опору електромережі для основного відгалуження обмотки.
,
де Iном - номінальний струм відповідної обмотки, А;
Sном - номінальна потужність трансформатора, МВ · А;
Sк - потужність короткого замикання електричної мережі по табл. 21, МВ · А;
Uк - напруга короткого замикання трансформатора,%.
Таблиця 21.Определеніе потужності короткого замикання електричної сетіSк
Найбільшу небезпеку при короткому замиканні представляють для обмоток трансформатора механічні сили, що виникають між обмотками та їх частинами. Їх необхідно враховувати при розрахунку і конструюванні трансформатора. В іншому випадку вони можуть привести до руйнування обмотки, до деформації або розриву витків або руйнування опорних конструкцій.
Механічні сили виникають в результаті взаємодії струму в обмотці з магнітним полем обмоток. Радіальну силу можна визначити за формулою, Н,
тут коефіцієнт Кр при розрахунку радіальних сил може бути визначений за формулою (17);
W - повне число витків. однією з обмоток (для обмотки ВН на середньому ступені); Iкmax - миттєве максимальне значення струму цієї обмотки при короткому замиканні, знайдене по (18);
Для оцінки механічної міцності обмоток зазвичай визначають напругу стиснення у внутрішній обмотці (НН), що виникає під впливом радіальної сили Fсж.р. При визначенні напруги стиснення від радіальної сили знаходиться сила, що стискає внутрішню обмотку, умовно розглянута як статична,
Напруга стиснення, МПа, в проводі внутрішньої обмотки визначається за формулою
де W - число витків обмотки (котушки), для якого визначена сила; П - площа поперечного перерізу одного витка, м 2.
Стійкість внутрішньої обмотки при впливі радіальних сил залежить від багатьох факторів, однак у навчальних розрахунках вона може бути оцінена приблизно за значенням Gсж.р. Для забезпечення стійкості цієї обмотки можна рекомендувати не допускати Gсж.р в мідних обмотках більше 30 і в алюмінієвих більше 15 Мпа [8].
Суттєве значення для забезпечення механічної міцності обмоток при короткому замиканні має технологія їх виготовлення і обробки. Щільність обмотки в радіальному і осьовому напрямках повинна забезпечуватися достатнім натягом дроти під час намотування і осьовим, бажано механічним підтисканням намотуваного витка до раніше намотаним. Подальше ущільнення обмотки в осьовому напрямку проводиться під час її сушіння в спресованому стані за допомогою сталевих пружин чи після сушки шляхом спрессовки силами, близькими до осьовим силам при короткому замиканні.
З метою збільшення механічної монолітності і міцності обмоток під впливом сил, що виникають при короткому замиканні, може бути використана просочення обмоток гліфталевим або іншим лаком. Належний ефект таке просочення може дати при належній розробленої технології вакуумного просочення з подальшою полімеризацією лаку.
Розрахунок температури обмоток при короткому замиканні проводиться для сталого струму короткого замикання при припущенні, що внаслідок короткочасності процесу віддачі тепла, обумовленого виникненням струму короткого замикання, від обмотки до маслу (повітрю) не встигає встановитися і все це тепло накопичується в обмотці, підвищуючи її температуру.
Гранична умовна температура обмотки, 0 С, що розраховується при припущенні лінійного її наростання, згідно [3] при обліку теплоємності металу обмотки та ізоляції проводу через tкс після виникнення короткого замикання може бути визначена за формулами:
для мідних обмоток
;
для алюмінієвих обмоток
,
де tк - найбільша тривалість короткого замикання на виводах масляного трансформатора; приймається при короткому замиканні на сторонах з номінальною напругою 35 кВ і нижче - 4С; для сухих трансформаторів з номінальною напругою 10 і 15 кВ - 3С; j - щільність струму при номінальному навантаженні, А / м 2. За початкову температуру обмотки зазвичай приймається
Гранично допустимі температури обмоток при короткому замиканні, встановлені ГОСТ 11677 - 85, наведені в табл. 23.
Таблиця 23. Допустимі температури обмоток при короткому замиканні
Час, протягом якого мідна обмотка досягає температури 250 0 С,
Час досягнення температури 200 0 С для алюмінієвих обмоток
Виникнення електродинамічних сил при короткому замиканні трансформатора є складним процесом, перебіг якого залежить від багатьох факторів. Теоретичні дослідження цього процесу дозволили створити методики розрахунку цих сил - спрощені для ручного методу розрахунку і уточнені для розрахунку з використанням комп'ютера. Перші з них дозволяють з прийнятною точністю отримати уявлення про значення сумарних сил, що діють на обмотки, другі дозволяють з достатньою точністю розрахувати значення сил, що діють на окремі частини обмоток.
Ці методики, однак, розроблені при деяких істотних допущених - поза обліком сили інерції, тертя, резонансні явища в обмотках, обмотки вважаються монолітними, що не повною мірою відповідає істинної картині явищ і вимагає уточнення шляхом проведення експериментальних досліджень.
Випробування силових трансформаторів при аварійних режимах короткого замикання дозволили встановити ряд супутніх явищ, які не можуть бути кількісно визначені заздалегідь, але істотно впливають на проходження процесу короткого замикання, і встановити причини і характер можливих пошкоджень обмоток і інших конструктивних елементів. Якщо розрахунково - конструктивні чинники - електричні параметри, розміри обмоток і взаємне розташування витків і частин обмоток - в достатній мірі і з прийнятною точністю враховуються в сучасних методиках розрахунку, то ряд технологічних чинників, головним чином пов'язаних з відхиленнями від належної технології та роблять істотний вплив на електродинамічні сили, не може бути врахований.
При випробуваннях було встановлено, що радіальні сили, що створюють напруження розтягування у зовнішній обмотці (ВН), не призводять до її руйнування або появи в ній залишкових деформацій. Сили, що діють при цьому на внутрішню обмотку (НН) і стискають її, можуть призвести до втрати цієї обмоткою механічної міцності і подальшого руйнування, якщо при її розрахунку і конструюванні не були передбачені відповідні заходи.
Цими заходами можуть бути: збільшення поперечного перерізу витка за рахунок зменшення щільності струму в цій обмотці і збільшення її в зовнішній; застосування більш жорсткого в механічному відношенні металу обмотки - більш жорсткого алюмінію або зміцненого сплаву міді; намотування внутрішньої обмотки на паперово-бакелітові циліндрі товщиною 6 - 10 мм замість циліндра з картону [8]; збільшення числа рейок на яких намотана обмотка, при наявності належної опори рейок на жорсткий циліндр або безпосередньо на стрижень магнітної системи.
Осьові сили в обмотках трансформатора при рівності висот обмоток і рівномірному розподілі витків по їх висоті стискають обидві обмотки. Якщо в одній з обмоток є зона, не зайнята витками, або розташування витків не рівномірно, то виникає осьова сила, яка прагне збільшити несиметрію і притискає частини обох обох обмоток до протилежних ярмам.
Випробування показали, що такі сили можуть виникати і в обмотці з рівномірним (за розрахунком) розподілом витків при недостатньо щільної намотуванні, недостатньою або нерівномірною запрессовке обмоток. При цьому можуть виникати пошкодження опорних конструкцій обмоток, елементів їх осьової пресування - прессующих кілець, а також порушення осьової стійкості (вилягання) проводів обмоток, особливо поблизу торців обмоток.
Щоб уникнути істотного розбіжності між розрахунковою схемою взаємного розташування частин обмоток і реальним небезпечним непередбачуваним їх розташуванням необхідно забезпечити жорстку регламентацію технології виготовлення обмоток. Повинна бути забезпечена щільна намотування обмотки як в радіальному (натяг проводу, механічний радіальний обтиск намотуваних витків і котушок), так і в осьовому напрямку (осьової механічний підтиск намотаних витків і котушок). Обмотка після намотування і сушки повинна бути опресована на пресі. Після установки на остові трансформатора обмотка також повинна бути опресована роздільними кільцями і пресуючими деталями остова. Механічна монолітність обмотки може бути посилена також просоченням Полімеризується лаком.