CC BY
17
ИЗБЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТА имен* Í
ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
М. КИРОВА
Том 152
1Ш6
К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОБМОТОК В ТРЕХФАЗНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ НА 110 кв
И. Д. КУТЯВИН, Г. В. ДЕЛЬ
Вопрос применения алюминия в трансформаторостроении дискуссировался на страницах отечественной и зарубежной печати многократно. Тем не менее, до сих пор нет единого мнения об этом, несмотря на опыт, накопленный при производстве и эксплуатации трансформаторов с алюминиевыми обмотками. Особенно это относит-ся к трансформаторам с напряжением высокой стороны 110 кв.
В данной статье приводятся некоторые результаты исследования геометрии «алюминиевых» трехфазных двухобмоточных силовых трансформаторов мощностью 2,5-1-40 Шва. Исследование проведено при переменном коэффициенте заполнения площади обмоток проводниковым материалом, анологично [1]. Основные расчетные формулы также взяты из [1]. Как нами показано ранее, число независимых nei-ременных для силовых трансформаторов малой мощности равно трем. За независимые переменные приняты: радиальная ширина катушки обмотки ВН—хи осевая ее высота (без изоляции) — у\ и число витков в катушке обмотки НН— wK2-
В случае применения на низкой стороне обмотки винтового типа (трансформаторы средней мощности) с определенным числом заходов можно принять wK2 = const. Тогда число независимых переменных сократится до двух (х\> i/i).
Все расчеты были проведены на быстродействующей ЭЦВМ с применением метода слепого поиска.
Сопоставление расчетных данных алюминиевых и медных трансформаторов показало подобие характера поведения расчетных затрат и некоторых других параметров по принятым независимым переменным. Наблюдается только количественная разница в значении минимальных затрат и оптимальных величин. Например, согласно [1] оптимальное значение удельной тепловой нагрузки о для трансформаторов 5,6-rl5 Mea колеблется в пределах ОД—0.15 ет/см2 (принимая -- При одних и тех же постоянных (исключая разные физические постоянные меди и алюминия) для алюминиевых трансформаторов значение аопт находится в пределах 0,07—0,1 вт/см2щ то есть ниже, чем для медных.
Оптимальное значение индукции в стержне «алюминиевого» трансформатора остается таким же, как и для «медного».
Несколько иначе обстоит дело в отношении оптимального значения реактивной составляющей напряжения короткого замыкания.
Расчеты дают меньшую величину и
р опт.
для трансформаторов с
медными обмотками (с учетом затрат на компенсацию реактивных потерь короткого замыкания). Так, при стоимости компенсации
1 квара в 1,5 руб. имеем для «медного»
Р 01 г
= 0,065, а для
«алюминиевого» соответственно — 0,08 (при мощности трансформаторов S = 10 Шва).
Подробнее остановимся на зависимости расчетных затрат от числа витков катушки вторичной обмотки, так как эта зависимость не была исследована в [1]. В табл. 1 приводится процентное изменение расчетных затрат от wK2 для трансформаторов разных мощностей.
Т а м л и ц а 1
S.K'ea
2Г> 00 -
<шо
кюоо
IG000
7
103
11Г) 2 110 1
10
100,4
132
100,0 3
101.0 2
102,2
\VK:
з;з
m \ п
13
100 7 100
100
3
Ido
1(5
19
100,2 9
КМ),
100,8
100,Г> 1 I
101,4
9
102,1
100,8
102.7
Характерной особенностью является пологая зависимость 3( ) в области минимума расчетных затрат и в сторону значений и)к12 опт • При приближении же числа витков катушки обмот-
ки НН к единице (что означает переход от обмотки непрерывного типа к винтовой) происходит резкое возрастание расчетных затрат. Это является свидетельством экономической невыгодности применения обычной винтовой обмотки для трансформаторов мощностью до 25 Шва, даже в случае использования алюминия.
Слабое изменение расчетных затрат от иок2 объясняется рис. 1, показывающим почти прямую пропорциональность между Ы)к<2 и осевым размером катушки ЫН-у>. А согласно [1]. изменение расчет»-ных затрат от у> (так же, как и от у\) носит очень слабый характер. Если учесть выражение для намагничивающей силы катушки вторичной обмотки [1]
и принять (см. рис. 1)
Уз-Ю к2. (2)
то получим постоянство выражения
-г*"*2 А-=const. (3)
для любых значений wK2.
Выражение (3) свидетельствует примерно о гиперболической зависимости ширины катушки обмотки НН от плотности тока в ней, так как [(! + /2 У2 А2) —const]. Но этот вывод относится только к обмоткам непрерывного типа.
Следует также отметить почти полную независимость плотности тока обмотки ВН от wK2>
*1
3
2
i
и Ч 8 12 16 20
р»с. г.
Наконец о технико-экономической оценке трансформаторов с алюминиевыми обмотками. В табл. 2 приведены удельные показатели «медных» и «алюминиевых» трансформаторов на 1 ква мощности, рассчитанных нами: с . , <?'п , вес стали, обмотки и приведенный вес, отнесенные к 1 ква мощности трансформатора; Р'с , Р'м и —потери в стали, обмотке и суммарные, отне^-
сенные к 1 ква; З'с , 3\{ и 3' — затраты на сталь, обмотку и суммарные, отнесенные к 1 ква.
Из этой таблицы вытекают следующие выводы. Вес, потери и затраты на сталь больше у «алюминиевых» трансформаторов (примерно на 10%). Вес обмоток и приведенный вес наоборот больше у «медных». Затраты на обмотки всегда меньше у «алюминиевых» трансформаторов. Суммарные расчетные затраты для трансформаторов с обмотками из алюминия меньше, чем с обмотками из меди в случаях малых мощностей. С ростом мощности наблюдается обратное: становятся дешевле в производстве и эксплуатации «медные трансформа-
Таблица 2
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ОБМОТКАМИ ИЗ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ
№ Материал обмоток Алюминии >=•4.8 Медь Медь ^ — 2,9
п. п. 5 Мва 6,3 1 10 1 16 ( = 3 ) ( 40 6,3 10 16 16 ( и'к2—2 | 40 1
1 кг/ква и,905 0,705 0,71 0,534 0,81 0,(596 0,01 0,64 0,499
• 0,1 Г) У 0,105 0,1 0,077 0,24 0,199 0.159 0,209 0,164
3 0' п, • 1,51 1,1 64 1.09 0,827 1,58 1.331 1,12 1,246 0,975
4 Р' с. в/и/кед 1,42 1,2 1,05 0,844 1,26 1,08 0,94 1.0 0,78
5 Р' м. - 7.82 8,23 (5,77 5.4 9,3 7,85 0,96 0,05 4,5
7 о' с. руб.;'нва 9,24 0,293 9,43 0.247 7,82 0,203 Г», 244 0/(54 Ю.56 0,26 8.93 0,223 7,9 <ш 7,05 0.177 5,28 0,138
8 О/ м. я 0,262 0,231 0,185 0,146 0,32 0,26 0,21 0,197 0,15
9 п 0,555 0,478 0,388 0,3 0,58 0,483 ' 0,4 0,374 0,288
торы». Правда, эта разница в расчетных затратах (для обоих случаев) колеблется в пределах ± 5%.
На рис. 2 показано изменение расчетных затрат в зависимости от ширины катушки первичной обмотки Х\ для разных значений отношения $ (стоимости 1 кг готовой обмотки к стоимости 1 кг магни-топровода) для трансформатора S = 10 Mea. На основании этого рисунка можно сделать важный вывод о почти полной независимости оптимальных размеров трансформатора от величины р (для ¡3 = 2— 5 расхождение в значениях х\ опт составляет—2,5%). С другой стороны, и сама величина расчетных затрат сравнительно слабо зависит
6,0
5,6
5,г
Vt
4,0
> 5
Ь [т. руд] Г'5 \ !!
\ да . \ / !
5\\ 2 \\ \ 1 Ч 1 j
к \ \|/ Ч i у \ 1 /
1 \ i / X , [СМ]
1 И
Рис. 2. 61
от В (при уменьшении £ с 3,8 до 3 расчетные затраты упали всего на 3,8%).
Трансформаторы с алюминиевыми обмотками по сравнению с медными имеют более вытянутую в высоту и несколько уширенную геометрию. Увеличенная радиальная ширина катушек «алюминиевых» трансформаторов свидетельствует об их большей устойчивости против осевых сил при коротком замыкании.
Механические напряжения в обмотках от радиальных усилий при коротком замыкании за трансформатором 5 = 40 Шва — — = 247 кг см2, а ^ — 275 кг:см2, то есть меньше допустимой величины (считая [ з ] — 300 кг см2),
В заключение в табл. 3 приведены удельные показатели алюминиевых Трансформаторов, рассчитанных по методу, изложенному в |1], и заводских.
Í л Г> л и ц ,i Я
Расчетные 13] 141
2,5 25 2,5 ->5 1
1 ,273 0,634 ! ,78 0,72
72 88 loo 100
0,1655 0,1065 0.37 0,22
45 87,5 100 100
1,9)2 Í ,039 3,18 1,184
60 88 ~ loó" 100
2,0 i ,0 3,6 1,56
55,5 64 100 100
13,5 5,83 8,8 5,8
153 100,5 mu 100
15,5 6,83 12.4 7,36
125 93 100 100
ые
S, Ale а
Q'c
«'п
р\
кг к в а
вт к в а %
Из таблицы видно, что по весовым показателям заводские трансформаторы уступают расчетным. Потери в стали у расчетных также меньше. Потери в обмотке и суммарные для расчетного трансформатора 2,5 Mea больше, чем у заводского, а для 25 Шва. примерно, находятся на одном уровне (учитывая, что величина добавочных потерь нами не подсчитана).
Несмотря на большие потери у расчетного трансформатора 2,5 Шва, суммарные затраты для него на 19% меньше, чем у соответствующего заводского.
ВЫВОДЫ
1. Метод технико-экономических исследований, изложенный в [1] и [2], пригоден для исследования трансформаторов не только с мед ными, но и с алюминиевыми обмотками. Использованный как метод проектирования для расчета «алюминиевых» трансформаторов, он также дает удовлетворительные результаты.
в 2
2. В качестве обмоточного материала для трансформаторов на 110 кв, алюминий равноценен меди, даже без учета дефицита последней.
3. Удельная тепловая нагрузка «алюминиевых» трансформатб-ров меньше, чем у медных. Величина оптимальной индукции одинакова.
4. Положение минимума расчетных затрат почти не зависит от соотношения стоимости 1 кг обмотки и стали — р.
5. Характер поведения зависимостей различных параметров от одних и тех же независимых переменных для «алюминиевых» и «медных» трансформаторов идентичен.
ЛИТЕРАТУРА
1. Д е л ь Г. Н., Краснов В. II. Технико-экономические исследования оптималь-
ных размеров силовых трансформаторов, «Известия ТПРЬ, том 132, 1965.
2. К у т я в и н И. Д., Д е л т» Г. В.. Краснов R П. К технико-экономическому оп-
ределению оптимальных размеров подстапционных трехфазных двухобмо-точных трансформаторов большой мощности, «Известия ТПИ», том 130, 1904. •3. Сагалов М. И. Трансформаторы класса 110 к в малой мощности и их применение для электрификации сельского хозяйства, Вестник электропромышленности, № 12, 1901.
4. Изготовление первого трансформатора серии 110 кв новой конструкции.
Rádulescu Costin, Toma Cheorghe, Nazdravan Hie, Realizaren primului transformalor din Serile la 110 kv dupa principil constructive noi, Comun tehn, electroput, 1903 (рум).
