Конструкция основных частей трансформатора

Предисловие.

В основе книги лежит исправленное и переработанное учебно-методическое пособие [3]. В соответствии с рекомендациями и данными, приведенными в [1, 2] и [4 – 6], оно дополнено конкретными указаниями по вопросам и особенностям проектирования трансформаторов и их отдельных частей. Приведены сведения об изоляторах и других комплектующих узлах. Даны рекомендации по их выбору. Также книга насыщена многочисленными примерами расчета силовых трансформаторов и их отельных узлов.

Современные подходы к проектированию силовых трансформаторов

В соответствии с ГОСТ 16110-82 трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивносвязанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформатор, предназначен для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем и потребителей электроэнергии, называется силовым. Если силовой трансформатор предназначен для включения в сеть, не отличающийся особыми условиями работы, или для питания приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, то он называется силовым трансформатором общего назначения.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти-шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах. Так, при напряжении на шинах электростанции 15,75 кВ, в современной сети при удалении потребителей от электростанции, питающей сеть, около 1000 км, часто применяется такая последовательность шести трансформаций напряжения с учетом падения напряжения на линиях передачи: 15,75 на 525 кВ; 500 на 242 кВ; 230 на 121 кВ; 115 на 38,5 кВ; 35 на 11 кВ; 10 кВ на 0,4 или 0,69 кВ.

На рис. 1.1 а, показана несколько упрощенная схема такой сети, содержащая только радиальные связи. При использовании линии электропередачи постоянного тока изменение схемы произойдет только на первом ее участке (рис. 1.1, б); в начале линии появится блок выпрямителей В и в конце – блок инверторов И. Вся остальная сеть останется без изменений.

Рис. 1.1 Схема расположения трансформаторов в современной электрической сети (напряжения в киловольтах):

а – линии передачи переменного тока; б – линии передачи постоянного тока

Необходимость распределения энергии по разным радиальным направлениям между многими мелкими потребителями приводит к значительному увеличению числа отдельных трансформаторов по сравнению с числом генераторов. При этом суммарная мощность трансформаторов в сети на каждой следующей ступени с более низким напряжением в целях более свободного маневрирования энергией выбирается обычно большей, чем мощность предыдущей ступени более высокого напряжения. Вследствие этих причин общая мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в настоящее время превышает общую генераторную мощность в 7 – 8 раз. В связи с увеличением удаления потребителей (распределительной сети) от крупных электростанций, размещаемых в районах сосредоточения энергетических ресурсов, и повышением напряжения линий электропередачи до 750, 1150 и далее до 1500 кВ указанное соотношение имеет тенденцию к увеличению.

Определяя место силового трансформатора в электрической сети, следует отметить, что по мере удаления от электростанции единичные мощности трансформаторов уменьшаются, а удельный расход материалов на изготовление трансформатора и потери, отнесенные к единице мощности, а также цена 1 кВт потерь возрастают. Поэтому значительная часть материалов, расходуемых на все силовые трансформаторы, вкладывается в наиболее отдаленные части сети, т.е. в трансформаторы с высшим напряжением 35 и 10 кВ. В этих же трансформаторах возникает основная масса потерь энергии, оплачиваемых по наиболее высокой цене. Потери холостого хода трансформатора являются постоянными, не зависят от тока нагрузки и возникают в его магнитной системе в течение всего времени, когда он включен в сеть. Потери короткого замыкания (нагрузочные) изменяются с изменением тока нагрузки и зависят от графика нагрузки трансформатора. Характер суточного или годового графика нагрузки трансформатора зависит от его места в сети и характера нагрузки – промышленная, бытовая, сельскохозяйственная и т. д. Для экономических расчетов трансформаторы сети принято разделять на трансформаторы электрических станций, основной сети при напряжениях 110 кВ и выше и распределительной сети, непосредственно питающие потребителей при напряжениях 10 и 35 кВ.

Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов современной электрической сети, и дальнейшее развитие трансформаторостроения определяется в первую очередь развитием электрических сетей, а следовательно, энергетики страны.

Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии их производства, экономия материалов при их изготовлении, и возможно низкие потери энергии при их работе в сети. Экономия материалов и снижение потерь особенно важны в распределительных трансформаторах, в которых расходуется значительная часть материалов и возникает существенная часть потерь энергии всего трансформаторного парка.

Коэффициент полезного действия трансформаторов очень велик и для большинства их составляет 98 – 99% и более, однако необходимость многократной трансформации энергии и установки в сетях трансформаторов с общей мощностью, в несколько раз превышающей мощность генераторов, приводит к тому, что общие потери энергии ни во всем парке трансформаторов достигают существенных значений. Так в середине 50-х годов на потери в трансформаторах расходовалось до 6% всей энергии, выработанной электростанциями. В сериях трансформаторов, выпускавшихся в последующие годы, потери холостого хода снижены до 50% и потери короткого замыкания на 20 – 25%, однако вследствие увеличения числа ступеней трансформации в сетях, роста общей мощности трансформаторного парка, общие потери в парке трансформаторов уменьшились в меньшей степени. Поэтому одной из важнейших задач в настоящее время является задача существенного уменьшения потерь энергии в трансформаторах, т. е. потерь холостого хода и потерь короткого замыкания

Уменьшение потерь холостого хода достигается главным образом путем все более широкого применения холоднокатаной текстурованной стали, т.е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньше удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе до 1,6-1,65 Тл против 1,4-1,45 Тл для горячекатаной стали и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов – изоляционных, конструкционных, масла и т.д.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощность, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

В настоящее время для изготовления магнитной системы силового трансформатора применяется электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая сталь, главным образом марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 по ГОСТ 21427.1-83, поставляемая в рулонах. Применение холоднокатаной стали марок 3411, 3412 и 3413 по ГОСТ 21427.1-83 для основных серий трансформаторов не практикуется, но не исключено использование этой и горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513 для электрических реакторов, выпускаемых трансформаторными заводами.

Современная холоднокатаная электротехническая сталь, используемая в силовых трансформаторах, поставляется в рулонах с шириной 650, 750, 800, 860 и 1000 мм и толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм при массе рулона не более 5000 кг или в листах тех же толщин с размерами 650—750—800—860×1500 и 1000×2000 мм. Применение листовой стали не рекомендуется, поскольку существенно усложняет технологию заготовки пластин и увеличивает количество отходов стали. Сталь обычно поставляется с нагревостойким электроизоляционным покрытием с толщиной на одной стороне не более 5 мкм, нейтральным по отношению к трансформаторному маслу при 105°С и маслостойким при 150°С, сохраняющим электроизоляционные свойства после нагрева до 800°С в течение 3 ч в нейтральной атмосфере или после выдержки при температуре 820±10°С в течение 3 мин на воздухе. Плотность холоднокатаной стали 7650 кг/м³, удельное электрическое сопротивление 0,50 мкОм·м. (Плотность горячекатаной стали марок 1511, 1512, 1513, 1514 – 7550 кг/м³, удельное электрическое сопротивление 0,60 мкОм·м).

Обозначения марок холоднокатаной стали расшифровываются следующим образом: первая цифра 3 – класс по структурному состоянию и виду прокатки – холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой; вторая цифра 4 – класс по содержанию кремния – свыше 2,8 до 3,8% включительно; третья цифра – 1 пли 0 – группа по основной нормируемой характеристике согласно примечанию к табл. 1.1; четвертая цифра от 1 до 8 – порядковый номер марки стали с улучшением магнитных свойств по мере возрастания этого номера.

Сталь различают также по точности прокатки по толщине – Н – нормальной точности и П – повышенной точности, по ширине – нормальной и повышенной точности – Ш, а также и по виду покрытия – с электроизоляционным нагревостойким покрытием – ЭТ, с покрытием, не ухудшающим штампуемость, –М (мягкое) и без электроизоляционного покрытия – БП.

В качестве примера обозначения можно привести следующее: Рулон 0.35×1000-П-ЭТ-3404, ГОСТ 21427.1-83, что обозначает: рулонная сталь толщиной 0,35, шириной, 1000 мм, повышенной точности прокатки, с электроизоляционным нагревостойким покрытием, марки 3404 по ГОСТ 21427.1-83.

Магнитные свойства современной холоднокатаной электротехнической стали по ГОСТ 21427.1-83 приведены в табл. 1.1.

Холоднокатаная электротехническая сталь прокатывается в горячем состоянии до толщины 3,0 – 2,5 мм и затем в холодном состоянии до нормированной толщины 0,50 – 0,27 мм. Благодаря прокатке в холодном состоянии сталь получает определенное упорядоченное взаимное расположение и ориентировку микрокристаллов – текстуру, вследствие чего создается анизотропия магнитных свойств стали, т. е. различие магнитных свойств в разных направлениях в листе.

Таблица 1.1

Магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали по ГОСТ 21427.1-83, применяемой в силовых трансформаторах

Толщина, мм	Марка	Удельные потери ρ, Вт/кг, при f=50 Гц и В, Тл, не более		Магнитная индукция В, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м, не менее
Толщина, мм	Марка	1,5/50	1,7/50	100	2500
0,35	3411 3412 3413 3404 3405 3406 3407 3408	1,75 1,50 1,30 (1,10) (1,03) – – –	(2,50) (2,20) (1,90) 1,60 1,50 1,43 1,36 1,30	– – – 1,60 1,61 1,62 1,72* 1,74*	1,75 1,80 1,85 – – – – –
0,30	3404 3405 3406 3407 3408	(1,03) (0,97) – – –	1,50 1,40 1,33 1,26 1,20	1,60 1,61 1,62 1,72* 1,74*	– – – – –
0,27	3405 3406 3407 3408	(0,95) (0,89) – –	1,38 1,27 1,20 1,14	1,61 1,62 1,72* 1,74*	– – – –

Примечания: 1. Для стали марок 3411, 3412 и 3413 (группа I) – основными нормируемыми показателями являются удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц и магнитная индукция, при напряжении магнитного поля 2500 А/м, для стали марок 3404, 3405, 3406, 3407 и 3408 (группа 0) – удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц и магнитная индукция при напряженности магнитного поля 100 А/м.

2. В скобках приведены справочные данные, ненормируемые ГОСТ 21427.1-83.

3. Знаком * помечены показатели, подлежащие уточнению.

В несколько идеализированном виде микроструктура холоднокатаной стали может быть представлена в виде совокупности элементарных кристаллов кубической формы, расположенных так, что их диагональные сечения располагаются в плоскости листа, а ребра куба в этих сечениях параллельны направлению прокатки стали, как это показано прямоугольником АВСD на рис. 1.2. Наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость при заданной магнитной индукции холоднокатаная сталь имеет в направлении, параллельном ребрам куба АВ или CD, т.е. в направлении прокатки. Это направление называется осью легкого намагничивания – ось 1 на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Микроструктура холоднокатаной электротехнической стали:

а – расположение элементарного кристалла в плоскости листа; б – направления основных осей намагничивания; в – угол между направлением прокатки стали и вектором магнитной индукции

Существенно худшие магнитные свойства сталь имеет в направлении диагонали грани куба AD, т.е. в направлении, перпендикулярном направлении прокатки. Это на правление называется осью среднего намагничивания — ось 2. Наихудшие магнитные свойства холоднокатаная сталь имеет в направлении диагонали диагонального сечения куба АС — оси трудного намагничивания — 3, направленной под углом 55° к направлению прокатки. При разработке конструкции магнитной системы и ее расчете следует иметь в виду, что отклонение вектора магнитной индукции от направления прокатки стали даже на относительно небольшой угол а (рис. 1.2, в) приводит к существенному увеличению удельных потерь и уменьшению магнитной проницаемости стали.

На рис. 1.3, а показан характер изменения удельных потерь для одной из марок холоднокатаной стали при изменении индукции от 0,5 до 1,5 Тл и угла α от 0 до 90°, а на рис. 1.3, б—влияние угла α на магнитную индукцию при изменении Н от 80 до 8000 А/м. Наибольшее влияние анизотропии магнитных свойств на удельные потери сказывается в диапазоне индукций от 1 до 1,7 Тл, а на магнитную проницаемость от 1,5 до 1,6 Тл. Это влияние, сохраняя характер по рис. 1.3, будет различным для различных марок стали, в большей мере будет сказываться на стали с лучшими магнитными свойствами и в большей мере на удельной намагничивающей мощности, чем на удельных потерях.

Для того чтобы исключить влияние анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали в основной массе стержней и ярм, пластины для шихтованной магнитной системы следует вырезать так, чтобы α=0, т. е. чтобы направление длинных сторон пластин совпадало с направлением прокатки. Это требование легко выполняется при использовании рулонной стали и нарезании пластин из рулона на современных линиях продольной и поперечной резки. Хотя горячекатаная сталь не имеет резко выраженной анизотропии магнитных свойств, пластины из листов этой стали также вырезаются только вдоль длинной стороны листа. В навитых частях магнитных систем практически всегда α=0.

Рис. 1.3. Влияние угла α на магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали:

а – удельные потери в стали при f = 50 Гц и различных индукциях (1 – 0,5 Тл; 2 – 1,0 Тл; 3 – 1,3 Тл; 4- 1,5 Тл); б – индукция в стали при различных Н (1 – 80 А/м; 2 – 400 А/м; 3 – 2000 А/м; 4 – 4000 А/м; 5 – 8000 А/м)

В углах плоских шихтованных магнитных систем происходит неизбежное изменение направления линий магнитной индукции. При прямом стыке пластин по рис. 1.4, а во всем объеме угля (область, заштрихованная на этом рисунке) α≠0 и происходит увеличение удельных потерь и удельной намагничивающей мощности, что может существенно отразиться на потерях и намагничивающей мощности всей магнитной системы. Замена прямого стыка в углах косым стыком по рис. 1.4, б позволяет уменьшись объем, в котором α≠0, и, следовательно, уменьшить потери и намагничивающую мощность для углов и всей магнитной системы.

При использовании листовой стали с длиной листа 1500 или 2000 мм длина пластин огранивается этими размерами и при мощностях трансформаторов, превышающих 6300 кВ·А, в которых требуется пластины большей длины, возникает необходимость их стыкования внутри стержней и ярм и стяжки магнитной системы шпильками, проходящими сквозь стержни и ярма (рис. 1.5). При этом в сечении пластины на уровне отверстия увеличивается индукция, линии магнитной индукции в пластинах должны огибать отверстия и угол α становится не равным нулю. В основной массе стали стержней и ярм возникают добавочные потери и для создания основного магнитного поля требуется существенно повышенная намагничивающая мощность.

В целях лучшего использования материала магнитные системы современных силовых трансформаторов проектируются и изготовляются из рулонной холоднокатаной электротехнической стали без дополнительных стыков в стержнях и ярмах и без каких-либо отверстий в пластинах. При этом стержни после сборки магнитной системы прессуются и стягиваются бандажами из стеклоленты, а ярма прессуются ярмовыми балками.

Поперечное сечение стержня шихтованной магнитной системы, рассчитанного на размещение обмоток, имеющих форму круговых цилиндров, обычно имеет форму ступенчатой симметричной фигуры, вписанной в окружность. Поперечное сечение ярма, на котором обмотки не располагаются, может иметь такую же или более простую, например прямоугольную, форму. Если магнитные потоки отдельных пакетов стержня в этом случае будут равны магнитным потокам стыкующихся с ними пакетов ярма, то магнитная индукция вследствие неравенства активных сечений будет в них существенно различаться. Это будет вызывать перераспределение магнитного поля между отдельными пакетами стержня и ярма, что в холоднокатаной стали вследствие анизотропии ее магнитных свойств поведет к увеличению удельных и общих магнитных потерь и понижению магнитной проницаемости.

При использовании холоднокатаной стали рекомендуется форму и размеры поперечного сечения ярма принимать равными или близкими к форме и размерам поперечного сечения стержня. При горячекатаной стали была возможна и прямоугольная форма сечения ярма с прямыми стыками пластин в углах, несколько упрощающая технологию изготовления пластин и сборки магнитной системы.

Холоднокатаная сталь в значительно большей степени, чем горячекатаная, чувствительна к механическим воздействиям. В результате механической обработки при заготовке пластин магнитной системы – продольной и поперечной резки, закатки или срезания заусенцев, штамповки отверстий (в конструкциях реакторов) – увеличиваются удельные потери и удельная намагничивающая мощность стали. Это ухудшение магнитных свойств стали может быть полностью или в значительной мере снято путем восстановительного отжига заготовленных пластин при 800-820°С. На современных заводах такой отжиг обязательно включается в технологический процесс изготовления пластин после их механической обработки. При отсутствии отжига следует считаться с возможным повышением потерь холостого хода на 8 – 10% и тока холостого хода на 25 – 30%. Особенно сильно магнитные свойства стали ухудшаются при изготовлении частей магнитной системы путем навивки из холоднокатаной ленты. Такие части должны отжигаться после навивки.

При дальнейшей транспортировке после отжига на сборку, в процессе сборки остова и стяжки стержней и ярм пластины могут подвергаться различным механическим воздействиям. При этом также возникает ухудшение магнитных свойств стали, которое в готовом остове снято отжигом быть не может. Во избежание ухудшения магнитных свойств стали и параметров холостого хода трансформатора при выполнении этих операций пластины не должны подвергаться толчкам, изгибам, уларам и давлениям.

Пластины электротехнической стали, заготовленные для сборки магнитной системы, во избежание возникновения между ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Современное нагревостойкое электроизоляционное покрытие обеспечивает достаточно прочную и надежную изоляцию пластин при высоком коэффициенте заполнения сечения пакета пластин сечением чистой стали. При мощностях трансформаторов, превышающих 100000 кВ·А, иногда усиливают изоляцию пластин путем нанесения поверх нагревостойкого покрытия одного слоя лаковой пленки.

Лаковая изоляция наносится в виде пленки на обе стороны пластины (лак КФ-965, ГОСТ 15030-78, быстрой горячей огневой сушки) с последующим испарением и выгоранием растворителя и запеканием пленки в огне газовых горелок при 450-550 °С. Толщина пленки около 0,01 мм. Она дает хорошую изоляцию пластин, высокий коэффициент заполнения сечения стержня, имеет высокую теплопроводность, достаточно прочна в механическом отношении и не повреждается при сборке. При отсутствии па стали нагревостойкого покрытия наносятся два или три слоя пленки.

Коэффициент заполнения сечения стержня (или ярма) сталью k₃, равный отношению чистой площади стали в сечении - активного сечения П_с (или П_я) к площади ступенчатой фигуры П_ф,с т. е. k₃=П_с/П_ф,с, желательно иметь наиболее высоким, потому что понижение этого коэффициента ведет к увеличению массы стали магнитной системы и металла обмоток.

Коэффициент заполнения k₃, зависит от толщины пластин стали - 0,35, 0,30 или 0,27 мм, вида изоляции пластин, силы сжатии пластин и наличия у них такого дефекта, как неплоскостность, т. е. отклонение от плоской формы. ГОСТ 21427.1-83 для холоднокатаной рулонной стали толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм допускает высоту отклонения пластины от плоскости не более 2 мм и не более 1 % длины пластины.

При выборе марки и толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь с более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, а сталь меньшей толщины при более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения k₃. Эта сталь для получения пакета заданных размеров требует изготовления, отжига и укладки при сборке магнитной системы большего числа пластин по сравнению со сталью большей толщины. В табл. 1.2 показано сравнение современных марок стали по этим показателям.

В основной массе силовых трансформаторов с учетом трудоемкости отдельных технологических операций, магнитных свойств и цены стали используются стали марок 3404 и 3405 толщиной 0,35 и 0,30 мм. В тех случаях, когда низкие потери являются решающим фактором, может использоваться сталь толщиной 0,27 мм.

Таблица 1.2

Сравнение стали толщиной 0,35, 0,30 и 0,27 мм по ГОСТ 21427.1-83

Весьма важное значение при расчете трансформатора имеет правильный выбор индукции в стержне магнитной системы. В целях уменьшения количества стали магнитной системы, массы металла обмоток и стоимости активной части следует выбирать возможно большее значение расчетной индукция, что, однако, связано с относительно малым увеличением потерь и существенным увеличением тока холостого хода трансформатора. Уменьшение расчетной индукции приводит к получению лучших параметров холостого хода (главным образом тока) за счет увеличения массы материалов и стоимости активной части. Верхний предел индукции обычно определяется допустимым значением тока холостого тока.

Уменьшение потерь короткого замыкания достигается главным образом понижением плотности тока за счет увеличения массы метала в обмотках. В значительной мере это стало возможным после замены медного провода алюминиевым в силовых трансформаторах общего назначения мощностью до 16000 кВ∙А.

Дальнейшее расширение применения алюминия в трансформаторах больших мощностей ограничивается требованиями механической прочности обмоток при коротком замыкании. Возможность замены меди алюминием в обмотках некоторых типов трансформаторов общего и специального назначения еще не исчерпана.

Сокращения расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла и металла, употребляемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнута путем снижения испытательных напряжений и уменьшения изоляционных расстояний при улучшении изоляционных конструкций на основе совершенствования технологии обработки изоляции и применения новых средств защиты трансформаторов от перенапряжений. Большой эффект в деле экономии конструктивных материалов дает так же применения новых систем форсированного охлаждения трансформатор с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.

В связи с повышением общих требований, предъявляемых энергетикой к силовым трансформаторам, расширением шкалы мощностей и напряжений в последние годы продолжалась работа по стандартизации силовых трансформаторов.

Постоянное повышение верхнего предела номинальных мощностей и напряжений силовых трансформаторов сопровождается увеличением типовых мощностей, нарастающих по стандартизованной шкале с основным коэффициентом нарастания 1,6 (в отдельных местах шкалы 1,25). Увеличивается выпуск трансформаторов специального назначения — для питания электрических печей, преобразовательных устройств, рудничных установок и др., а также трансформаторов для комплектных трансформаторных подстанций. Вследствие этого постоянно увеличивается номенклатура изделий трансформаторного производства и становится необходимым более четкое разделение выпуска трансформаторов по мощностям, назначению и классам напряжения между отдельными заводами, а также сосредоточения на отдельных заводах производства однотипных трансформаторов.

Наряду с масляными используются также и сухие трансформаторы с естественным воздушным охлаждением. Они находят все более широкое применение в установках внутри производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где установка масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустима. Мощность в единице этих трансформаторов достигает в нормальных сериях 1600 кВ∙А при напряжении 10 кВ. В дальнейшем возможно увеличение единичкой мощности до 2500 кВ∙А и напряжения до 15 кВ. Кроме серий сухих трансформаторов для работы в зоне умеренного климата выпускаются сухие трансформаторы для работы в условиях сухих и влажных тропиков.

Для обеспечения экономичной работы электрических сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, т.е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). Современными стандартами предусмотрен выпуск всех понижающих трансформаторов и автотрансформаторов классов напряжения 110, 150, 220, 330 и 500 кВ с РПН. При этом у двух- и трехобмоточных трансформаторов, как правило, напряжение регулируется при помощи устройства для переключения ответвлений в нейтрали обмотки высшего напряжения. У автотрансформаторов напряжение регулируется у линейного конца обмотки среднего напряжения и в отдельных случаях вблизи нейтрали обмоток. Повышающие трансформаторы этих классов напряжения выпускаются без РПН.

Трансформаторы классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью до 250 кВ∙А выпускаются с переключенном без возбуждения (ПБВ), а мощностью 400 – 630 кВ∙А с ПБВ и основной массе и с РПН - некоторая часть. Двухобмоточные трансформаторы общего назначения классов напряжения 10 и 35 кВ мощностью 1000 – 6300 кВ∙А выпускаются как с ПБВ, так и с РПН, а мощностью 10000 – 80 000 кВ∙А класса напряжения 35 кВ – только с ПБВ.

При разработке трансформаторов и особенно автотрансформаторов большой мощности (более 63000 кВ∙А) возникает проблема ограничения добавочных потерь, возникающих от вихревых токов, наводимых магнитным полем рассеяния в обмотках, и вихревых токов и гистерезиса, возникающих в элементах конструкции трансформатора. Эти потери в сумме могут достигать 25 – 30% полных потерь короткого замыкания.

В качестве наиболее эффективных средств для уменьшения добавочных потерь применяют: рациональное размещение витков обмоток для уменьшения поперечной (радиальной) составляющей поля рассеяния, искусственную локализацию поля рассеяния при помощи установки магнитных экранов из электротехнической стали и замену некоторых стальных деталей деталями из немагнитных материалов. В дальнейшем наиболее радикальное решение этой проблемы может быть найдено путем замены стальных деталей, в которых возникают потери от гистерезиса и вихревых токов, неметаллическими (прессующие кольца обмоток, ярмовые прессующие балки н т. д.) или деталями из немагнитных металлов.

Широкое развитие электрификации железных дорог должно быть обеспечено выпуском достаточного количества трансформаторов для питания выпрямителей, а также специальных трансформаторов для установки на электровозах, работающих на участках, питаемых переменным током. Значительно должны быть расширены выпуск и диапазон мощностей трансформаторов для питания электрических печей, трансформаторов, заполненных негорючей жидкостью, и различных реакторов.

Разработка новых серий трансформаторов с пониженными потерями холостого хода производится на базе применения электротехнической холоднокатаной анизотропной тонколистовой, рулонной стали марок 3404, 3405, 3406 по ГОСТ 21427-83, допускающей магнитную индукцию до 1,6 – 1,65 Тл при использовании современной конструкции и технологии изготовления магнитных систем.

В качестве материала обмоток в значительной части силовых трансформаторов общего назначения для мощностей до 16000 – 25000 кВ∙А применяется алюминиевый обмоточный провод. В трансформаторах больших мощностей и трансформаторах специального назначения обмотки выполняются из медного обмоточного провода.

Перевод ряда серий трансформаторов на алюминиевые обмотки позволил получить большую экономию меди, необходимой для общего увеличения выпуска трансформаторов и увеличения массы меди в обмотках трансформаторов большой мощности с целью уменьшения потерь короткого замыкания.

Задача проектирования рациональной серии трансформаторов с алюминиевыми обмотками заключается в выборе такого соотношения основных размеров, отличающихся от размеров трансформаторов с медными обмотками, при котором наиболее полно использовалось бы положительное свойство алюминия – малая плотность и уменьшалось бы значение отрицательных свойств – относительно большого удельного электрического сопротивления, увеличенного объема обмоток и пониженной механической прочности провода.

Для получения в эксплуатации полной взаимозаменяемости трансформаторов с медными и алюминиевыми обмотками целесообразно проектировать те и другие с одинаковыми параметрами – потерями и напряжением короткого замыкания, потерями и током холостого хода. Практика расчета серий «алюминиевых» трансформаторов показывает, что взаимозаменяемость их с «медными» трансформаторами может быть получена при одинаковых исходных данных расчета, т. е. одинаковых марке стали, магнитной индукции в стержне, коэффициенте заполнения сталью сечения стержня и т. д. При этом «алюминиевые» трансформаторы имеют одинаковую с «медными» трансформаторами массу стали, меньшую массу, но больший объем металла обмоток, большее сечение обмоток, большую высоту магнитной системы.

Увеличение сечения витка алюминиевых обмоток в достаточной мере увеличивает их механическую прочность при коротком замыкании, компенсируя в трансформаторах мощностью до 16000 – 25000 кВ∙А пониженную механическую прочность самого металла.

Большой опыт выпуска трансформаторов с алюминиевыми обмотками, в частности в пределах номинальных мощностей от 10 до 16000 кВ∙А, показал, что эти трансформаторы обеспечивают полноценную замену трансформаторов с медными обмотками, так как могут иметь те же параметры холостого хода и короткого замыкания при одинаковой стоимости всего трансформатора, т. е. являются равноценными с «медными» трансформаторами в технологическом и экономическом отношении.

В последние годы усиливается интерес к применению электрооборудования, в том числе и трансформаторов, работающего в автономных электрических системах с повышенной частотой 100 – 400 Гц. С ростом частоты уменьшается масса электрооборудования (двигателей, трансформаторов и др.) и появляется возможность применения высокоскоростного электропривода. Повышенная частота используется там, где применяется ручной высокоскоростной электроинструмент с электроприводом: на лесоразработках и горных разработках, на морских и речных судах, в прядильных цехах для электропривода веретен, для электроплавкн и электросварки металлов и т. д. Рост мощностей автономных электрических систем повышенной частоты уже сейчас ставит задачу создания силовых энергетических трансформаторов, рассчитанных па частоты 100 – 400 Гц.

Исследования поля рассеяния трансформаторов больших мощностей необходимы для создания точных методов расчета распределения поля рассеяния и вызываемых им механических сил, воздействующих на обмотки при коротком замыкании. Точное знание сил, действующих на обмотки и их отдельные части, позволит обеспечить электродинамическую стойкость и надежность трансформатором мощностью 250 – 1000 МВ∙А и более. Исследования поля рассеяния трансформаторов этих и меньших мощностей имеют целью также определенную организацию и локализацию этого поля за счет рационального размещения обмоток и применения магнитных экранов, позволяющих существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора – стенках бака, прессующих деталях обмоток и остова трансформатора.

Возможность этих исследований обеспечивается широким внедрением вычислительной техники и современных методов экспериментального исследования магнитного поля.

Важной задачей является совершенствование методов расчета трансформаторов. В условиях проектных организаций и трансформаторных заводов расчет силовых трансформаторов выполняется с использованием ЭВМ. Разработаны математические модели и комплекты стандартных программ, при помощи которых ведется расчет отдельных параметров – потерь и напряжения короткого замыкания, потерь и тока холостого хода, оптимальных размеров сечения стержня, тепловой расчет отдельных частей системы охлаждения трансформатора, его тепловой постоянной времени и др.

Особо важное значение имеют комплекты программ для расчета поля рассеяния обмоток. Эти программы позволяют выполнять расчет индукции поля рассеяния в области внутри и вне обмоток с последующим определением радиальных и осевых электродинамических сил, действующих при коротком замыкании па отдельные части обмоток, и суммарных сил для каждой обмотки, а также добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Использование этих программ позволяет с приемлемой точностью выполнить подробный расчет поля рассеяния обмоток, электродинамических сил и добавочных потерь для каждого рассчитываемого трансформатора, что было практически недоступно при ручном методе расчета. Выявляемое при этом распределение электродинамических сил, действующих на отдельные части обмоток и мест сосредоточения добавочных потерь в отдельных деталях конструкции, позволяет должным образом организовать поле рассеяния путем рационального взаимного расположения частей обмоток и обеспечить необходимую механическую прочность обмоток при коротком замыкании трансформатора, а также добиться существенного уменьшения добавочных потерь в обмотках и деталях конструкции трансформатора.

Программы для расчета электрического поля обмоток позволяют рассчитать продольную изоляцию обмоток классов напряжения 35 – 1150 кВ с учетом воздействия импульсных перенапряжений и заменой большой экспериментальной работы по исследованию натуральных моделей изоляции чисто расчетной работой.

Важнейшим направлением научно-исследовательских работ является разработка новых прогрессивных технологических процессов и операций, обеспечивающих повышение качества трансформаторов, уменьшение трудовых затрат и экономию материалов. Особое значение имеет совершенствование сушки активных частей трансформаторов классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ и разработка метода сушки для трансформаторов класса напряжения 1150 кВ. Правильно организованная и проведенная сушка является залогом длительной и надежной работы изоляции трансформатора в эксплуатации.

Повышение класса напряжения трансформаторов с 220 до 330, 500, 750 и 1150 кВ требует развития исследований новых изоляционных конструкции и применения изоляционных материалов повышенного качества. В области производства трансформаторов массовых выпусков мощностью от 25 до 1000 – 6300 кВ∙А главной задачей остается совершенствование их конструкций для уменьшения расхода материалов, снижения потерь энергии в них, удешевления производства.

Примером современного подхода к проектированию новых серий трансформаторов может служить серия двух- и трехобмоточных трансформаторов общего назначения класса напряжения 110 кВ с РПН в диапазоне мощностей от 2500 до 125000 кВ∙А, разработанная отечественными проектно-исследовательскими организациями и предприятиями в начале 80-х годов и ныне выпускаемая заводами. При разработке этой серии были приняты новые расчетные и конструктивные решения, позволившие улучшить изоляцию трансформатора, существенно уменьшить потери холостого хода, повысить электродинамическую стойкость обмоток и модернизировать системы охлаждения трансформаторов.

В процессе подготовки производства новой серии были разработаны и внедрены новые комплексы технологических процессов изготовления и установки обмоток, заготовки пластин электротехнической стали и сборки магнитных систем, сборки и установки активной части. Новая серия по сравнению с предыдущей позволила получить существенное уменьшение расхода электротехнической стали, изоляционных материалов, трансформаторного масла и конструкционных материалов, а также потерь в эксплуатации трансформаторов.

Особое развитие должны получить работы по исследованию шума трансформаторов – нормированию его уровня, разработке методов измерения и понижения уровня шума.

Все более широко будет использоваться современная вычислительная техника как при выполнении различных исследований, так и для расчета новых типов и серий трансформаторов в условиях заводов.

Совершенно обособленную часть области трансформаторостроения представляют трансформаторы малой мощности, т. е. трансформаторы, мощность которых измеряется в пределах от долей вольт-ампера до 3000 – 5000 В∙А, используемые в радиотехнике, телевидении, радиоэлектронике, автоматике, устройствах связи и т. д. Массовый выпуск этих трансформаторов, измеряемый в СССР несколькими десятками миллионов штук в год, при общем расходе активных материалов, доходящем до 40 – 50% расхода материалов на все силовые трансформаторы, организуется на специализированных заводах. Методика проектирования этих трансформаторов существенно отличается от методики проектирования силовых трансформаторов. Выбор оптимального варианта в зависимости от назначения трансформатора может определяться не только соображениями экономической эффективности, но также и ограничением таких показателей, как падение напряжения в трансформаторе, общая масса трансформатора, его габариты.

Конструкция основных частей трансформатора

Общая конструктивная схема

В конструктивном отношении современный силовой масляный трансформатор можно схематически представить состоящим из трех основных систем — магнитной, системы обмоток с их изоляцией и системы охлаждения и вспомогательных систем — устройства регулирования напряжения, измерительных и защитных устройств, арматуры и др. В трансформаторах с воздушным охлаждением, как правило, отсутствуют измерительные и защитные устройства и арматура, а система охлаждения не выделяется в виде отдельных конструктивных единиц.

Конструктивной и механической основой трансформатора является его магнитная система (магнитопровод), которая служит для локализации в ней основного магнитного поля трансформатора. Магнитная система представляет собой комплект пластин или других элементов из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенной геометрической форме.

Большинство типов магнитных систем можно четко подразделить на отдельные части. В соответствии с этим делением в магнитной системе различают стержни — те ее части, на которых располагаются основные обмотки трансформатора, служащие непосредственно для преобразования электрической энергии, и ярма — части, не несущие основных обмоток и служащие для замыкания магнитной цепи, а в некоторых типах трансформаторов также для расположения обмоток, имеющих вспомогательное назначение.

Некоторые магнитные системы, например системы тороидальной формы, намотанные в виде кольца из ленты или собранные из плоских круговых колец, отштампованных из тонколистовой стали, не подразделяются на стержни и ярма.

В магнитных системах, разделяющихся на стержни и ярма, при расчете параметров холостого хода трансформатора особо выделяются части, находящиеся в зоне сопряжения стержня и ярма и называемые углами магнитной системы. Понятие «угол» определяется как часть ярма магнитной системы, ограниченная объемом, образованным пересечением боковых поверхностей или их продолжений одного из ярм и одного из стержней. Магнитная система изображенная на рис. 2.1, имеет шесть углов.

Практикой трансформаторостроеиия в течение десятилетий были выработаны различные схемы взаимного расположения отдельных частей магнитной системы. По этому признаку все магнитные системы разделяются на плоские — такие, в которых продольные осп всех стержней и ярм располагаются в одной плоскости (рис. 2.1), и пространственные, в которых оси стержней и ярм располагаются не в одной плоскости (см. рис. 2.5).

По взаимному расположению стержней и ярм плоские и пространственные магнитные системы могут также подразделяться па стержневые, броневые и бронестержневые. В течение ряда лет магнитные системы силовых трансформаторов выполнялись и в значительной части выполняются в настоящее время в виде плоских магнитных систем по типу рис. 2.1 путем сборки из плоских пластин электротехнической стали. В изображенной на рис. 2.1 магнитной системе трехфазного силового трансформатора ярма соединяют разные стержни и каждое ярмо располагается со стороны торцов стержней. Такая магнитная система с торцовыми ярмами называется стержневой.

Рис. 2.1. Плоская шихтованная магнитная система трехфазного трансформатора с обмотками:

1 – ярмо; 2 - стержень; 3 – сечение стержня; 4 – угол магнитной системы

На рис. 2.2, а и б изображены магнитные системы, у которых каждый стержень имеет боковые ярма, соединяющие два разных конца этого стержня. У трансформаторов с такими магнитными системами боковые поверхности обмоток как бы закрыты броней, отчего магнитные системы этого типа при наличии не менее двух боковых ярм на каждом стержне получили название броневых.

На рис. 2.2, б показан промежуточный бронестержневой тин магнитной системы, у которой не все стержни имеют боковые ярма или каждый стержень имеет не более чем одно боковое ярмо.

Наибольшее распространение в практике трансформаторостроеиия получили плоские магнитные системы стержневого типа со ступенчатой формой поперечного сечения стержня, вписанной в окружность, и с обмотками в виде круговых цилиндров. Плоские бронестержневые системы и броневые системы по рис. 2.2, б, аналогичные по форме обмоток и сечения стержня системам стержневым, требуют несколько большего расхода электротехнической стали и применяются в некоторых типах трансформаторов большой мощности (более 100000 кВ∙А) с целью уменьшения высоты трансформатора, а также в трансформаторах малой мощности (1-3 кВ∙А).

В последние годы в силовых трансформаторах мощностью до 6300 кВ∙А находят все более широкое применение пространственные магнитные системы по рис. 2.5, а и б и других типов. Броневые магнитные системы по рис. 2.2, а при горизонтальном расположении стержней и ярм с обмотками прямоугольной формы применяются некоторыми иностранными фирмами для трансформаторов, предназначенных для питания электрических печей.

Магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковые форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней, называется симметричной (рис. 2.2, б, в и 2.5). При отсутствии одного из этих признаков магнитная система называется несимметричной. Так трехфазная магнитная система, изображенная на рис. 2.1, несимметрична потому, что взаимное расположение ее среднего и крайних стержней по отношению к ярмам различно.

Рис. 2.2 Броневые (а, б) и бронестержневая (в) магнитные системы трехфазного (а) и однофазного трансформатора (б, в):

1 – стержень; 2 – ярмо; 3 – обмотка

По способу сборки различают: шихтованные магнитные системы, ярма и стержни которых собираются впереплет из плоских пластин как единая цельная конструкция, навитые магнитные системы, все части которых изготовляются путем навивки из ленточной электротехнической стали, а затем скрепляются в единую конструкцию, и стыковые магнитные системы, ярма и стержни или отдельные части которых, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык и скрепляются специальными стяжными конструкциями или другими способами. В стыковых магнитных системах могут сочетаться части, собранные только из плоских пластин или из плоских пластин с навитыми частями.

Часто применяемый порядок сборки шихтованной стержневой магнитной системы показан на рис. 2.3, а.

Рис. 2.3. Сборка трехфазных магнитных систем:

а – шихтованной из пластин прямоугольной формы; б – разрезной стыковой, навитой из лент; в – стыковой, собираемой из пластин прямоугольной формы.

Сборка ведется на горизонтальном стенде путем чередования слоя пластин (обычно толщиной в две пластины, редко, в три-четыре), разложенных по положению 1, со слоем пластин, разложенных по положению 2. В результате сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений.

Для насадки обмоток на стержни верхнее ярмо шихтованной магнитной системы разбирается по отдельным пластинам, а после насадки обмоток снова собирается. Магнитные системы трансформаторов мощностью до 630 кВ∙А включительно, не требующие стяжки стержней бандажами, могут собираться с укладкой пластин стержней внутрь обмоток, уложенных на специальном стенде. После завершения шихтовки и стяжки ярм балками обмотки оказываются размещенными на остове трансформатора.

На рис. 2.3, б показана навитая из ленты холоднокатаной стали разрезная стыковая магнитная система, а на рис. 2.3, в — стыковая система, состоящая из стержней и ярм, раздельно собираемых из плоских пластин.

Развитие производства холоднокатаной рулонной стали позволило найти новым способ изготовления магнитной системы, когда отдельные части системы навиваются из стальной ленты и затем скрепляются в единую конструкцию. Навитые системы могут быть неразрезными (см. рис. 2.5, б), когда обмотки из обмоточного провода или медной или алюминиевой ленты (фольги) наматываются непосредственно на стержни магнитной системы, или стыковыми, когда для насадки обмоток стержни магнитной системы разрезаются резом, перпендикулярным к продольной оси стержня, и навитая магнитная система становится стыковой (рис. 2.3, б).

Плоские стыковые магнитные системы с раздельно собираемыми стержнями и ярмами (рис. 2.3, в) требуют по сравнению с шихтованными более массивного и прочного крепления стержней и ярм и специальных конструкций для стяжки стержней с ярмами в виде металлических башмаков, стяжных шпилек и т.д. Кроме того, в стыковых магнитных системах в целях уменьшения немагнитных зазоров приходится собирать стержни и ярма на специальных магнитных плитах, применять магнитные клеи, обрабатывать стыковые поверхности стержней и ярм и при этом считаться с существенным повышением тока холостого хода по сравнению с током холостого хода для шихтованных и особенно навитых неразрезанных магнитных систем. В отечественном трансформаторостроении плоские стыковые магнитные системы применяются в реакторах.

Стыковые магнитные системы могут собираться также из разрезанных навитых частей (рис. 2.3, б) или из навитых частей и частей, собранных из плоских пластин. Примером последнего варианта служит магнитная система по рис. 2.5, а, у которой стержни собраны из плоских пластин, а ярма навиты из холоднокатаной стальной ленты.

Выбор того или иного типа магнитной системы связан с выбором схемы магнитной цепи трансформатора, наиболее подходящей для заданных условий. Собранные впереплет плоские шихтованные магнитные системы благодаря простой и дешевой конструкции крепления и стяжки, а также относительной простоте сборки получили наиболее широкое распространение. В отечественном траснсформаторостроении эти системы применяются для большинства силовых трансформаторов до самых мощных включительно.

На рис. 2.4 показаны различные схемы взаимного расположения стержней и ярм плоских шихтованных и плоской навитой магнитных систем. Трехфазная магнитная система по рис, 2.4, д получила наибольшее распространение для силовых трансформаторов мощностью от 6,3 до 100000 кВ∙А. При этой схеме магнитный поток ярма равен потоку стержня Ф_я=Ф_с и площадь поперечного сечения ярма должна быть равна или больше площади поперечного сечения стержня.

С дальнейшим ростом мощности и размеров трансформатора обычно переходят на бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами: однофазные по рис. 2.4, б и трехфазные по рис, 2.4, е. Магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе при этом равен половине потока стержня Ф_я=Ф_с/2, а трехфазной Ф_я=Ф_с/ . Это обстоятельство позволяет уменьшить сечение, а следовательно, и высоту ярма и общую высоту трансформатора, что важно для трансформаторов большой мощности, размеры которых по высоте жестко ограничиваются условиями транспортировки по железной дороге.

Рис. 2.4. Различные схемы плоской магнитной системы трансформатора:

однофазные: а – стержневой; б – броневой; в и г – бронестержневые с расщеплением мощности между стержнями; трехфазные: д – стержневой; е – бронестержневой; ж – броневой; з – навитой стержневой.

При мощности однофазного трансформатора 133000 кВ∙А и более, когда одно только разветвление ярм недостаточно снижает высоту трансформатора, прибегают к «расщеплению» мощности между двумя или тремя отдельными стержнями, например по схеме рис, 2.4, г. Для этих схем сечение ярма также может быть взято равным половине сечения стержня, так как магнитный поток ярма в однофазной магнитной системе равен Ф_с/2. Применяя бронестержневые магнитные системы с разветвленными ярмами и «расщеплением» мощности между отдельными стержнями, добиваются существенного снижения высоты трансформатора за счет увеличения длины и некоторого увеличения массы активных материалов— меди и стали.

В схеме плоской навитой магнитной системы по рис, 2.4, з магнитный поток каждого стержня является геометрической суммой потоков двух навитых колец. Например, поток фазы А можно представить в виде суммы . Поскольку три кольца этой магнитной системы навиваются раздельно, а для удобства сборки между ними должен соблюдаться небольшой технологический зазор, переход магнитного потока из одного кольца в другое затруднен и фактическая индукция в каждом кольце должна быть в 2/ = 1,155 раза больше общей расчетной индукции в стержне. Подобное сложение потоков стержней и ярм в схеме по рис. 2.4, е не приводит к увеличению индукции потому, что в каждом стержне оба частичных потока складываются в одних и тех же пластинах.

В последние годы в трансформаторах мощностью до 6300 кВ∙А все более широкое применение находят пространственные магнитные системы различных конструкций. На рис. 2.5 показаны методы образования таких систем.

Комбинированная стыковая магнитная система по рис. 2.5, а составляется из стержней, собранных из плоских пластин различной ширины, но одинаковой длины, и из ярм, навитых из ленточной стали. Обмотки на эту систему устанавливаются при ее сборке из отдельных частей.

Магнитный поток в ярме такой системы Ф_я=Ф_с/ и площадь поперечного сечения ярма может быть в раз меньше площади поперечного сечения стержня. С учетом уменьшения площади сечения, а также увеличения общей длины ярма эта система, как показали исследования, дает возможность уменьшить массу активной стали и потери холостого хода примерно на 9-10 % при увеличении тока холостого хода на 50-90 % для трансформатора мощностью 630-160 кВ∙А и на 90-140 % для трансформатора мощностью 100-25 кВ∙А по сравнению с плоской шихтованной системой.

Рис. 2.5. Пространственная магнитная система:

а – стыковая со стержнями, собранными из плоских пластин, и навитая ярмами; б = навитая нарезанная, состоящая из трех навитых колец

Навитая неразрезанная трехфазная магнитная система по рис. 2.5, б состоит из трех навитых колец. Сечение каждого кольца вписано в полуокружность. Современное специальное оборудование позволяет наматывать кольца такой формы из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. После намотки кольца отжигаются в течение 20 – 24 ч при температуре 800 °С, а затем скрепляются в единую систему при помощи бандажей из стеклоленты. Эта система даст возможность некоторой экономии стали (5 – 7%) и уменьшения потерь холостого хода при существенном (в 2 – 3 раза) уменьшении тока холостого хода. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на ее стержни на специальном станке. В последнее время применение этой системы ограничивалось трансформаторами мощностью до 630 кВ∙А.

В магнитной системе по рис. 2.5, б с раздельно намотанными кольцами индукция в каждом кольце, как и в системе по рис. 2.4, з, в 2/ раза больше общей расчетной индукции в стержне. Геометрическое сложение магнитных потоков стержней и ярм в системе по рис. 2.5, а с пластинами, расположенными, как показано на этом рисунке, не приводит к увеличению индукции, так же как и в системе по рис. 2.4, е.

После завершения сборки магнитной системы ее стержни, как правило, спрессовываются и стягиваются бандажами из стеклоленты. В трансформаторах мощностью не более 630 кВ∙А при диаметре стержня не более 0,22 м в плоских шихтованных системах возможна опрессовка стержня после насадки обмоток путем расклинивания с внутренней обмоткой. Ярма плоских систем обычно спрессовываются ярмовыми балками, а ярма пространственных систем — специальными стяжными конструкциями.

Магнитная система со всеми узлами и деталями, которые служат для соединения ее отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора. На остове в процессе дальнейшей сборки устанавливаются обмотки и крепятся отводы, т.е. проводники, предназначенные для соединения обмоток трансформатора с переключателями, вводами и другими токоведущими частями.

Конструкция остова должна обеспечивать надежное скрепление и механическую жесткость магнитной системы, собранной из тонких пластин стали толщиной 0,35 – 0,27 мм, масса которой достигает десятков тонн. При этом в процессе эксплуатации остов трансформатора должен выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, достигающие, даже в трансформаторах мощностью 1000 – 6300 кВ∙А, миллионов ньютонов и существенно возрастающие с возрастанием номинальной мощности трансформатора.

Рис.2.6. Остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ·А класса напряжения 110 кВ.

На рис. 2.6. изображен остов трехфазного трансформатора мощностью 25000 кВ∙А класса напряжения 110кВ. Стержни плоской шихтованной магнитной системы стянуты бандажами из стеклоленты. Многоступенчатые ярма запрессованы между стальными ярмовыми балкам, стянутыми стальными полубандажами. Концы шпилек полубандажей с гайками выведены на наружные стороны ярмовых балок и изолированы от них, чтобы избежать образования короткозамкнутых витков вокруг ярма. Верхние и нижние ярмовые балки соединены вертикальными шпильками.

Основным элементом обмотки трансформатора является виток — электрический проводник или несколько параллельно соединяемых проводников, однократно охватывающих часть магнитной системы. Ток витка совместно с токами других витков и других частей трансформатора, в которых возникает электрический ток, создает магнитное поле трансформатора. Под воздействием этого поля в каждом витке наводится ЭДС.

Обмоткой называется совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в витках, с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения трансформатора пли с другой целью.

Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения предназначаются для преобразования электрической энергии и являются основными обмотками. Кроме них, в силовом трансформаторе могут быть и вспомогательные обмотки, предназначенные для компенсации отдельных частей магнитного поля, дополнительного подмагничивания отдельных частей магнитной системы и других целей.

В течение нескольких десятилетий обмотки трансформаторов изготовлялись из медного провода. В последние 25 лет в обмотках трансформаторов общего назначения мощностью до 16000 – 25000 кВ∙А все большее применение находит алюминиевый провод. Обмотки трансформаторов мощностью до 630 – 1000 кВ∙А и более могут изготовляться также из медной пли алюминиевой ленты или фольги.

Обмотки трансформаторов различают по назначению, способу взаимного расположения и форме.

В двухобмоточном трансформаторе, имеющем две электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения (НН), присоединяемую к сети более низкого напряжения. В трехобмоточном трансформаторе, имеющем три электрически не связанные между собой обмотки, различают обмотку высшего напряжения (ВН), обмотку среднего напряжения (СН) и обмотку низшего напряжения (НН).

В трехфазном и многофазном трансформаторе под обмоткой подразумевают совокупность соединяемых между собой обмоток одного напряжения всех фаз, а в однофазном — обмоток всех его стержней. Иногда, если это не вызывает неправильного понимания, под словом «обмотка» подразумевают обмотку одной фазы или одного стержня трансформатора.

По способу расположения их на стержне обмотки трансформаторов подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрическими обмотки называются в том случае, когда обмотки НН и ВН (а в трехобмоточных трансформаторах и обмотки СН) выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 2.7, а).

Рис. 2.7. Концентрические (а) и чередующиеся (б) обмотки двухобмоточного трансформатора.

Высоты (осевые размеры) обеих обмоток, как правило, делаются одинаковыми. При выполнении обмоток ВН и НН с различными высотами приходится считаться со значительным возрастанием осевых механических сил, возникающих в обмотках при коротком замыкании трансформатора, тем больших, чем больше разность высот обмоток. При концентрическом расположении обмотка НН обычно располагается внутри, а обмотка ВН — снаружи. При расположении обмотки ВН снаружи упрощается вывод от нее ответвлений для регулирования напряжения, а также уменьшаются размеры внутренних изоляционных каналов между внутренней обмоткой и стержнем.

Обмотки называются чередующимися, если обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми или почти одинаковыми средними диаметрами и располагаются на стержне одна над другой в осевом направлении стержня (рис. 2.7, б). При этом стараются для уменьшения возникающих при коротком замыкании осевых механических сил разделить обе обмотки не в ущерб конструктивным соображениям на возможно большее число чередующихся групп. Изменение числа групп позволяет также в широких пределах изменять реактивную составляющую напряжения короткого замыкания — увеличивающуюся с уменьшением числа групп и уменьшающуюся с его увеличением. Для уменьшения радиальных механических сил стараются выдержать для обеих обмоток одинаковые внутренние диаметры и радиальные размеры.

В чередующейся обмотке приходится рассчитывать по испытательному напряжению обмотки BН несколько промежутков — горизонтальных каналов между обмотками ВН и НН. Число этих промежутка растет с ростом числа групп, на которые разбита обмотка. Поэтому чередующиеся обмотки обладают меньшей компактностью, чем концентрические. К недостаткам чередующихся обмоток следует отнести также значительное число паек соединений каждой из обмоток в процессе сборки трансформатора, тогда как большинство конструкций концентрических обмоток допускает изготовление всей обмотки ВН или НН на один стержень непосредственно на обмоточном станке, одним проводом или группой проводов без применения пайки.

В настоящее время подавляющее большинство всех силовых трансформаторов общего назначения и специальных выполняется с концентрическими обмотками. Чередующиеся обмотки иногда находят применение в специальных типах трансформаторов, предназначенных для питания электропечей. В таких трансформаторах с весьма значительными токами на стороне НН решающим обстоятельством является удобство параллельного соединения ряда групп обмотки HН снаружи обмотки, а изоляционные промежутки при относительно малом напряжении ВН обычно невелики. Чередующиеся обмотки иногда применяются также для сухих трансформаторов как обеспечивающие лучший доступ охлаждающего воздуха к обмоткам как высшего, так и низшего напряжения.

В трехобмоточных трансформаторах обмотка СН обычно располагается между обмотками НН и ВН (рис. 2.8, в). Для некоторых типов трансформаторов предусмотрена также возможность размещения обмотки СН непосредственно на стержне со следующим расположением обмоток, считая изнутри наружу: СН — НН — ВН. Как правило, обмотки трехобмоточного трансформатора рассчитываются на одинаковую номинальную мощность. При различии номинальных мощностей трех обмоток номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается большая из них.

Силовые автотрансформаторы, как правило, выпускаются трехобмоточными. Обмотки ВН и СН соединены по автотрансформаторной схеме в звезду, имеют общую часть ХА_m (рис. 2.8, б) и последовательно соединенную с ней часть А_mА. Обмотка СН стержня образуется частью ХА_m, обмотка ВН — соединением частей ХА_m и А_mА. Напряжение ВН может быть получено на выводах АХ, напряжение СН — на выводах А_mХ. С обмоткой НН, соединяемой обычно в треугольник, эти две обмотки связаны индуктивно.

Рис. 2.8. Расположение обмоток на стержне:

а – трехобмоточный трансформатор; б – трехобмоточный автотрансформатор; в – двойная концентрическая обмотка ВН; г – трансформатор с расщепленными обмотками.

В двухобмоточных трансформаторах большой мощности иногда находит применение двойная концентрическая обмотка ВН, при которой уменьшаются индукция поля рассеяния и добавочные потери в обмотках. Обмотка ВН при этом разделяется на две цилиндрические части, располагаемые внутри и снаружи обмотки НН (рис, 2.8, в).

В двухобмоточных трансформаторах мощностью 25000 кВ∙А и выше широкое применение находят расщепленные обмотки. При этом обмотка НН разделяется на две гальванически не связанные части равной мощности с одинаковыми или различными напряжениями. Обмотка ВН также разделяется на две параллельно соединенные части так, чтобы напряжения короткого замыкания двух частей обмотки НН по отношению к обмотке ВН были практически равны (рис. 2.8, г). Расщепление обмоток имеет целью уменьшение токов короткого замыкания.

По форме выполнения обмотки трансформаторов разделяются на круглые и прямоугольные. Обмотки круглой формы выполняются в виде круговых цилиндров, сплошных или собранных из отдельных катушек, и в поперечном сечении имеют форму кольца. Обмотки прямоугольной формы в поперечном сечении имеют форму прямоугольной рамки с закругленными углами. Преимуществом такого типа обмотки является возможность наилучшего заполнения пространства внутри обмотки активной сталью стержня, Основными недостатками являются: пониженная электрическая прочность изоляции провода в углах катушки, легко повреждающейся при перегибе провода на окружности малого радиуса; усложнение прессовки стержня магнитной системы; малая механическая прочность обмотки такого типа при коротком замыкании. При коротком замыкании прямоугольная обмотка под воздействием возникающих в ней механических сил стремится принять круглую форму, что ведет к повреждению изоляции и разрушению обмотки.

В настоящее время большинство трансформаторов выпускается с обмотками круглой формы, более простыми в конструктивном и более прочными в механическом и электрическом отношениях. Прямоугольные обмотки применяются в редких случаях для специальных трансформаторов, выполняемых с магнитными системами броневого типа.

Обмотки трансформатора должны быть надежно изолированы одна от другой и от всех заземленных частей конструкции трансформатора – магнитной системы и деталей крепления остова, стенок бака, в котором установлен трансформатор, или защитного кожуха и др. Эта изоляция создастся путем сочетания изоляционных деталей, изготовленных из твердых диэлектриков – электроизоляционного картона, бумажно-бакелитовых изделий, дерева и т.д. с промежутками, заполненными основной изолирующей средой – жидким или газообразным диэлектриком или твердым диэлектрическим компаундом.

После установки или намотки непосредственно на стержни остова трансформатора его обмоток на остове устанавливается конструкция для размещения и укрепления отводов, т.е. проводников, соединяющих обмотки трансформатора с вводами, переключателями и другими токоведущими частями, монтируются отводы и устройство регулирования напряжения. Полученная в результате этого монтажа единая конструкция, включающая в собранном виде остов трансформатора, обмотки с их изоляцией, отводы, части устройства регулирования, а также все детали, служащие для их механического соединения, называется активной частью трансформатора (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Активная часть трехфазного масляного трансформатора мощностью 1000 кВ∙А класса напряжения 35 кВ с регулированием напряжения под нагрузкой.

Во время работы трансформатора в его обмотках, магнитной системе и некоторых других частях происходят потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. При продолжительном режиме работы все выделяющееся тепло должно полностью отводиться в окружающую среду. В большинстве современных силовых трансформаторов отвод тепла от обмоток и магнитной системы осуществляется через теплоноситель — жидкий или газообразный диэлектрик, заполняющий бак, в котором установлен трансформатор (при газообразном диэлектрике бак должен быть герметичным). Воздушные сухие трансформаторы могут иметь защитный кожух, но не имеют бака. Основной изолирующей и охлаждающей средой в них служит свободно проникающий к активной части атмосферный воздух.

Жидкий или газообразный теплоноситель, чаще всего трансформаторное масло, омывающее обмотки и магнитную систему трансформатора, нагреваясь у их поверхностей, интенсивно отводит путем конвекции все выделяющееся в них тепло и передает его стенкам бака. Внешняя поверхность стенок бака, омываемая воздухом, отдает тепло путем конвекции и излучения. Такая система отвода тепла позволяет допустить высокие электромагнитные нагрузки активных материалов — металла обмоток и стали магнитной системы и получить трансформатор с малой массой этих материалов.

Масляный бак с гладкими стенками имеет относительно малую омываемую воздухом внешнюю поверхность, которой оказывается достаточно для отвода тепла потерь при допустимых превышениях температуры обмоток, магнитной системы и масла в верхней части бака над температурой охлаждающей среды лишь в трансформаторах мощностью до 25—40 кВ∙А. С ростом мощности и потерь трансформатора для обеспечения его нормального охлаждения приходится искусственно развивать внешнюю поверхность бака путем установки ребер, труб, навесных радиаторов (рис. 2.10) и других элементов, отдающих тепло при естественной конвекции воздуха.

У трансформаторов мощностью 10000 – 16000 кВ∙А и более поверхность бака оказывается недостаточной для размещения навесных радиаторов, работающих при естественной циркуляции масла и воздуха. Поэтому начиная с этих мощностей обычно усиливают охлаждение, применяя искусственное форсирование движения воздуха у внешних поверхностей радиаторов при помощи вентиляторов или масла у внутренних их поверхностей при помощи насосов либо же совмещают эти два метода.

Рис. 2.10. Трехфазный масляный трансформатор мощностью 1600 кВ∙А класса напряжения 35 кВ, переключаемый без возбуждения

Форсированное движение масла особенно эффективно увеличивает теплоотдачу, если поступающее из охладителя масло специальными устройствами направляется непосредственно к обмоткам и магнитной системе. При мощностях 80000 – 100000 кВ∙А и более используются компактные охладители, собираемые из оребренных труб, рассчитанные на теплоотдачу от 50 до 200 кВт с каждого охладителя и продуваемые в горизонтальном направлении мощными вентиляторами. Применяется также охлаждение масла в водяных охладителях.

Для заполнения бака трансформатора маслом до самой крышки при всех возможных в эксплуатации колебаниях температуры и объема масла над крышкой устанавливается расширитель – стальной бачок, сообщающийся с основным баком трубопроводом. Объем расширителя (обычно 8 – 10% объема масла в баке) выбирается таким, чтобы при любых колебаниях температуры и объема масла его верхний уровень оставался в пределах расширителя. Установка расширителя, ранее называвшегося консерватором, способствует также сохранению (консервации) масла, так как позволяет свести к минимуму поверхность соприкосновения (зеркало) масла с воздухом.

Если внутренний объем расширителя сообщается с окружающим воздухом, то на пути движения воздуха устанавливается фильтр, заполненный сорбентом — веществом, поглощающим влагу из воздуха, поступающего в расширитель. Для более надежного предохранения масла от окисления его поверхность в расширителе часто изолируют от окружающего трансформатор воздуха подушкой из инертного газа (азота) и расширитель герметизируют наглухо или при помощи гибкой растягивающейся мембраны (пленки).

На крышке бака устанавливаются вводы, служащие для присоединения внешней сети к обмоткам трансформатора; на крышке и частично на стенках бака устанавливаются также различные устройства и приспособления, служащие для защиты трансформатора и измерения температуры масла, для наблюдения и ухода за маслом и подъема трансформатора.

Трансформаторное масло одновременно является хорошим изоляционным материалом, позволяющим получить высокую электрическую прочность трансформатора при малых изоляционных промежутках, компактной конструкции обмоток и магнитной системы.

Основной недостаток масляных трансформаторов заключается в том, что масло является горючим материалом и установка таких трансформаторов во многих случаях требует специальных мер пожарной безопасности. Помимо масляных находят также применение воздушные сухие силовые трансформаторы, т. е. трансформаторы с естественным воздушным охлаждением. У этих трансформаторов масляный бак заменяется легким защитным кожухом. Отсутствие масла в значительной мере повышает пожарную безопасность, а применение в качестве твердой изоляции обмоток стекловолокна или асбеста и кремнийорганических материалов позволяет получить практически пожаробезопасную установку (рис. 2.11).

Это свойство сухих трансформаторов позволяет применять их с большим успехом для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим обстоятельством, как, например, в установках высотных зданий, некоторых производственных цехов, лабораторий и т.д.

Рис. 2.11. Трехфазный сухой трансформатор мощностью 1000 кВ∙А класса напряжения 10 кВ с открытыми дверцами кожуха.

Воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах приходится все изоляционные промежутки и охлаждающие каналы делать большими, а электромагнитные нагрузки активных материалов допускать меньшими, чем в масляных трансформаторах. Вследствие этого масса и стоимость активных материалов в сухих трансформаторах оказываются существенно выше, чем в масляных.

Понижение плотности тока в обмотках воздушных сухих трансформаторов позволяет уменьшить потери короткого замыкания в трансформаторах класса напряжения 10 кВ мощностью 400 – 1600 кВ∙А на 3 – 4 до 6 – 8% по сравнению с масляными. Потери и ток холостого хода в этих трансформаторах выше, чем в масляных. Воздушные сухие трансформаторы с изоляцией классов нагревостойкости В, Н вследствие высокой стоимости изоляционных материалов (стекловолокно, стеклотекстолит, кремнийорганическне лаки и т.д.) существенно дороже масляных. Благодаря отсутствию масла и замене тяжелого бака легким кожухом общая масса сухого трансформатора при мощностях до 400 кВ∙А составляет не более 125 – 130%, а при мощностях 630 – 1600 кВ∙А – от 110 до 90% массы идентичного масляного трансформатора. Практически напряжения обмоток ВН воздушных сухих трансформаторов ограничиваются верхним пределом 10 – 15кВ, а мощность – значениями 1600 – 2500 кВ∙А. Такие трансформаторы большей мощности с более высокими напряжениями выпускаются сравнительно редко.

К сухим относятся также и герметичные трансформаторы, баки которых заполнены газом, являющимся изолирующей средой и теплоносителем. Такие трансформаторы, например заполненные газообразной шестифтористой серой (элегазом), при форсированном движении теплоносителя в баке могут иметь по сравнению с масляными меньшую общую массу и, будучи пожаробезопасными, могут быть использованы для установки на электрическом или тепло-электрическом подвижном составе.

Сухие трансформаторы выпускаются также с литой изоляцией. У этих трансформаторов, предназначенных главным образом для работы на наружных установках в сельских сетях, магнитная система и обмотки заливаются электроизоляционным компаундом, который после отвердения служит изолирующей средой и теплоносителем.

Методика и последовательность расчета сухих и масляных трансформаторов принципиально одинаковы.

Иногда в целях обеспечения пожарной безопасности трансформаторы заполняют негорючей и не окисляющейся жидкостью – совтолом, представляющим смесь совола (полихлордифенил) с трихлорбензолом.

Добавка трихлорбензола позволяет получить понижение вязкости и температуры застывания смеси. Для стран с умеренным климатом наилучшим соотношением считается 65% совола и 35% трихлорбензола; для условий тропического климата – соответственно 90 и 10%.

В практике зарубежных фирм аналогичные жидкости называются клофен, пиранол, пирохлор и т. п.

Электрическая прочность совтола близка к прочности трансформаторного масла. Условия теплоотдачи в трансформаторах, залитых совтолом, практически не отличаются от условий теплопередачи в масляных трансформаторах. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью, большим расходом этой жидкости вследствие высокой плотности (около 1500 кг/м³), токсичностью паров совтола, действующих раздражающим образом на слизистые оболочки и кожу человека, и способностью совтола выделять токсичные газообразные вещества при воздействии электрической дуги. В некоторых странах применение подобных жидких диэлектриков запрещено.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 619; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!