Дымков А.М. Расчет и конструирование трансформаторов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 10.13. Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними:

a — радиальное расположение двойных охладителей; б — тангенциальное расположение

одинарных охладителей; 1 — трубы; 2—угольники крепления; 3—коллектор

Расположение охладителей на баке и минимальные расстояния между ними показаны на рис. 10.13.

Размеры охладителей нормализованы по расстоянию между осями патрубков. Тип охладителя выбирается в

зависимости от высоты и периметра бака, а их количество — от требующейся охлаждаемой поверхности. В

обозначении типа охладителя числитель означает расстояние А между осями в см, а знаменатель —

поверхность в м

(см. рис. 10.12).

Основные данные трубчатых охладителей приведены в табл. 10.6.

Общая охлаждаемая поверхность радиаторного бака

рад.б

= nП

охл

+П

+0,75П

кр

(10.18)

где n — число охладителей;

охл

— эффективная поверхность охладителя, м

;

— поверхность гладкой стенки бака, м

Таблица 10.12

Тип охладителя Эффективная поверхность

охладителя, м

Размер А, мм

Минимальная высота

бака

А+345 мм

одинарного двойного одинарного двойного

188/9,4 188/17,8 9,45 17,8 1880 2225

200/10 220/18,9 10 18,9 2000 2345

228,5/11,1 228,5/21,2 11,15 21,2 2285 2630

248,5/11,9 248,5/22,7 11,9 22,7 2485 2830

268,5/12,7 268,5/24,4 12,75 24,4 2685 3030

300/13,9 300/26,7 13,9 26,7 3000 3345

325/14,8 325/28,6 14,85 28,6 3250 3595

375/16,7 375/32,4 16,75 32,4 3750 4095

§ 10.7. НЕУСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА

Рис. 10.14.Экспоненциальная кривая нагрева

Превышения температуры (перегревы) обмотки и масла, определяемые согласно § Ю.4 и 10.5, достигают

своего установившегося значения не сразу, а по истечении некоторого определенного времени. Период

времени, в течение которого происходит изменение перегрева при неизменной нагрузке (и температуре

окружающего воздуха), называется периодом неустановившегося теплового состояния.

В первый момент времени включения нагрузки повышение температуры обмотки или масла происходит

исключительно за счет их теплоемкости, так как теплоотдача отсутствует. Если бы теплоотдача

отсутствовала и далее, то нагрев происходил бы равномерно, и перегрев обмотки или масла достиг бы

своего значения, соответствующего заданной нагрузке, по истечении некоторого времени То (для обмотки)

и Т (для трансформатора), называемого постоянной времени.

На графике (рис. 10.14) такой нагрев происходил бы по некоторой прямой ОА. Фактически нагрев

происходит по некоторой экспоненциальной кривой. Кривая нагрева в начале касательная к прямой ОА, а

далее асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс и имеющей ординату, равную τ

уст

Это происходит вследствие постепенного увеличения теплоотдачи с течением времени.

Таким образом, своего установившегося значения перегрев практически достигает спустя время, равное

(3÷4) Т. При этом наступает тепловой баланс: количество выделенного в обмотке или трансформаторе тепла

становится равным теплу, отведенному через поверхность обмотки или бака.

Уравнение экспоненциальной кривой (при отсутствии начального перегрева)

где τ

- перегрев в момент времени t

уст

- установившееся значение перегрева для заданной нагрузки; Т — постоянная времени.

В общем виде при наличии некоторого начального перегрева τ

формула кривой нагрева имеет вид

Постоянная времени обмотки

где — удельная теплоемкость меди;

— вес меди, кГ

ИЗ

— 1,2 ÷1,25 — коэффициент, учитывающий теплоемкость

витковой изоляции.

Постоянная времени трансформатора

где G

— вес меди, кГ;

Gc — вес стали, кГ;

G6 — вес бака, кГ;

max

- вес масла, кГ.

Значение постоянной времени силовых масляных трансформаторов обычно бывает 2÷4 ч.

По формулам нагрева и постоянных времени обмотки и масла можно определить их перегрев в любой

момент неустановившегося состояния. Можно решить и обратную задачу, например определить время,

через которое температура обмотки достигнет допустимого значения при перегрузке трансформатора, т. е.

при его нагрузке, превышающей номинальную. Последнее часто требуется в условиях эксплуатации

трансформатора.

Контрольные вопросы

 Для чего требуется охлаждение трансформаторов?

 Каковы нормы нагрева обмоток и масла?

 Какими способами измеряются температура обмоток и масла?

 Почему при тепловом расчете трансформатора определяются превышения температуры

обмоток и масла, а не их абсолютные температуры?

 Как происходит теплопередача от обмотки в окружающий воздух?

 Отчего возникает циркуляция масла в баке и охлаждающих устройствах?

 Почему более крупные трансформаторы требуют значительно более сложных и

эффективных охлаждающих устройств?

ГЛАВА X

ТИПЫ И УСТРОЙСТВО МАГНИТОПРОВОДОВ

§ 11.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

Магнитопровод (сердечник) трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь,

предназначенную для прохождения главного магнитного потока Ф, сцепленного с обеими обмотками.

Одним из основных требований, предъявляемых к правильно сконструированному магнитопроводу,

является получение возможно меньших потерь и тока холостого хода. Для выполнения этого условия сталь,

применяемая для изготовления магнитопровода, должна обладать высокой магнитной проницаемостью,

большим удельным сопротивлением и

Рис. 11.1. Различные формы косых стыков пластин стержней и ярм:

а — сочетание косых и прямых стыков; б — косые стыки

малой задерживающей (коэрци- тивной) силой. Таким образом, свойство стали имеет весьма существенное

значение для качества трансформатора в целом.

Материалом для магнитопроводов современных силовых трансформаторов служит специальная

электротехническая кремнистая тонколистовая сталь толщиной 0,35 и 0,5 мм. Электротехническая сталь

изготовляется по ГОСТ 802—58. Для трансформаторов пиний применяется сталь марок Э42, Э43 и Э43А

(горячекатаная) и Э320, ЭЗЗО и ЭЗЗОА (холоднокатаная).

Обозначения марок электротехнической стали состоят из буквенной и цифровой частей и

расшифровываются следующим образом. Буква Э означает, что сталь электротехническая. Первая цифра (3;

4) означает степень легирования стали кремнием: 3 — повышеннолегированная сталь с содержанием

2,8÷3,5% кремния, со средней плотностью 7,65 кГ/дм

; 4 — высоколегированная горячекатаная сталь с

содержанием 3,8÷4,8% кремния, со средней плотностью 7,55 кГ/дм

. Вторая цифра (2; 3) означает

гарантированные электромагнитные свой ства стали; 2 — с пониженными, 3 — с низкими и буква А после

цифры — с особо низкими удельными потерями. Третья цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная

текстурованная. В течение долгого времени для силовых трансформаторов применялась горячекатаная сталь

толщиной 0,5 мм, допускающая индукцию В в сердечнике до 1,4— 1,45 тл. В последнее время

трансформаторостроение полностью переходит на применение холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм,

допускающей индукцию В до 1,6—1,7тл. Повышение индукции, естественно, дает возможность получить

экономию в активных материалах, хотя холоднокатаная сталь стоит несколько (на 25—35%) дороже

горячекатаной. Кроме того, холоднокатаная сталь требует более усложненную конструкцию

магнитопровода и новые методы обработки пластин.

В холоднокатаной стали благодаря применяемой для нее специальной технологии проката создается

анизотропия магнитных свойств. Она заключается в том, что при совпадении направлений линий магнитной

индукции с направлением проката удельные потери получаются наименьшими, а магнитная проницаемость

наибольшей. В связи с этим с целью наилучшего использования свойств холоднокатаной стали

соответствующим образом должен выполняться раскрой пластин (позиций) магнитопровода, в пластинах

должны отсутствовать отверстия для прессовки шпильками и план шихтовки пластин должен быть с

применением косых стыков (рис. 11.1, б).

Электротехническая сталь обычно поставляется в листах размером 750х1500 мм и 1000x2000 мм. С целью

максимально автоматизировать процесс раскроя и изготовления магнитопровода холоднокатаная

текстурованная сталь может поставляться в рулонах шириной 240, 750 и 1000 мм.

Пластины электротехнической стали, предназначенные для сборки магнитопровода, должны быть

изолированы друг от друга.

Наибольшее применение получило покрытие пластин с двух сторон тонкой лаковой пленкой. В зависимости

от мощности трансформатора (диаметра стержня) применяется одно-, двух- и трехкратная лакировка. В

последние годы все более широко стало применяться двустороннее жаростойкое покрытие листов стали,

наносимое на металлургическом заводе после проката. Такое покрытие особенно целесообразно при

необходимости применять отжиг пластин после их окончательной механической обработки для снятия

образующегося наклепа. Кроме того, жаростойкое покрытие дает наиболее высокий коэффициент

заполнения.

Наличие изоляции между листами уменьшает коэффициент заполнения активной сталью геометрического

сечения стержня и ярма. Коэффициент заполнения К

сечения сталью равен отношению чистой суммарной

площади стали пластин в сечении—активного сечения F

или Fя—к площади ступенчатой фигуры Fф.ст

или Fф.я, т.е.

=Fcт/Fф.ст.

Коэффициент заполнения К3 зависит от толщины листов стали, вида междулистовой изоляции, степени

сжатия пластин и наличия в них искривлений в поперечном (волнистость) и продольном (коробоватость)

направлениях и других дефектов. Коэффициент заполнения К

, даже при отсутствии покрытия, всегда

меньше 1, его усредненные значения при нормальном сжатии приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Вид стали Вид изоляции Коэффициент К

при толщине

листов {мм)

0,5 0,35

Листовая

Без изоляции

Лакировка однократная

Лакировка двукратная

Лакировка трехкратная

0,97 — 0,98 0,95

— 0,96 0,93 —

0,94 0,91 — 0,92

0,95 — 0,96 0,93

—0,94 0,91 —

0,92 0,89 — 0,90

Рулонная Жаростойкое покрытие

Жаростойкое покрытие и

однократная лакировка

—

0,95 — 0,96 0,93

— 0,94

§ 11.2. ТИПЫ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Однофазный магнитопровод может быть двух основных видов: стержневой (рис. 11.2) и броневой (рис.

11.3). Стержневым называется магнитопровод, имеющий два стержня, на которые насажены обмотки, и два

ярма, замыкающие стержни. Обмотки размещаются на обоих

Рис. 11.2 Однофазный стержневой магнитопровод

Рис. 11.3 Однофазный броневой магнитопровод

стержнях, причем на каждом стержне помещаются обе обмотки ВН и НН, разделенные для этого на две

части каждая. Такое размещение обмоток, при котором на одном стержне была бы обмотка ВН, а на другом

НН, недопустимо вследствие резкого повышения реактивного падения напряжения Up от возникновения

больших потоков рассеяния. Броневым называется магнитопровод с разветвленной магнитной цепью,

имеющий один стержень, несущий обмотки и ярма, замыкающие стержень с двух сторон. Так как

магнитный поток, выходящий из стержня, разветвляется на две части, то сечения ярм броневого магни-

топровода имеют сечение, равное 50% сечения стержня.

Для однофазных трансформаторов малых мощностей преимуществом пользуются броневые

магнитопроводы. Для силовых трансформаторов, где требуется иметь большую поверхность охлаждения

обмоток

Рис. 11.4. Образование трехфазного магнитопровода путем совмещения трех однофазных

стержневых магнитопроводов

и уменьшить (примерно вдвое) рассеяние, предпочтение отдается стержневым магнитопроводам.

Устройство трехфазного магнитопровода требует предварительного

принципиального обоснования.

Электрическая энергия в промышленных целях получается и используется в виде главным образом

трехфазной системы переменного тока. Трехфазная система представляет собой систему трех однофазных

переменных э. д. с, имеющих одинаковую частоту и сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол

120°, т. е. на V8 периода.

Очевидно, что трансформация трехфазного тока возможна тремя отдельными однофазными

трансформаторами, каждая из обмоток которых соединена в одну из трехфазных схем (в звезду или в

треугольник).

Но, как это показал в 1891 г. русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, трансформация при

трехфазной системе возможна также одним трехфазным трансформатором, имеющим общую магнитную

цепь для трех фаз.

Трехфазный магнитопровод может быть получен путем совмещения трех однофазных стержневых

магнитопроводов в один общий магнитопровод с некоторым дальнейшим преобразованием его формы. Для

этого нужно взять три однофазных стержневых магнитопровода с одним стержнем, несущим обмотки, и

сложить их вместе необмотанными (свободными) стержнями (рис. 11.4, а). Для простоты рисунка каждый

магнитопровод показан одной жирной линией. Так как магнитные потоки во всех магнитопроводах

синусоидальны по форме, равны между собой и сдвинуты на 120°, то на основании формулы суммы синусов

sin a + sin (а + 120°) + sin (а + 240°) = 0

сумма потоков в примыкающих друг к другу стержнях равна нулю и поэтому эти стержни можно отнять за

ненадобностью. Превратив далее полученную пространственную симметричную форму магнитопровода

(рис. 11.4, б, в) в плоскую, получим ныне применяемую форму трехфазного стержневого магнитопровода

(рис. 11.4, г).

Трехфазный стержневой магнитопровод является несимметричным в отношении магнитных сопротивлений

для потоков средней и крайних фаз. Это может быть пояснено на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Потоки разных фаз в трехфазном несимметричном магнитопроводе:

а — поток фазы Л; б — поток фазы В

Поток фазы В проходит по более короткому пути, чем потоки фаз А и С. В связи с этим магнитное

сопротивление для потока средней фазы В примерно в 2 — 2,5 раза меньше, чем для крайних фаз А и С,

поэтому ток холостого хода у фазы В тоже меньше, чем у остальных фаз.

Так как фазные токи холостого хода у трехфазного трансформатора не равны между собой, то при

проведении опыта холостого хода за величину тока холостого хода условно принимают его среднее

значение по трем фазам

= (I

)/3.

При расчете тока холостого хода трехфазного трансформатора также определяется его среднее значение, так

как берется общий вес стали магнитопровода и общее число стыков пластин.

§ 11.3. СТЫКОВЫЕ И ШИХТОВАННЫЕ МАГНИТОПРОВОДЫ

Магнитопроводы силовых трансформаторов собираются из отдельных пластин. Наиболее простым

конструктивным решением для магнитопровода и последующей первой сборки трансформатора, т. е.

насадки обмоток на стержни, были бы отдельная сборка стержней и ярм, из которых составляется

магнитопровод. Схема устройства стыкового магнитопровода показана на рис. 11.6, а.

Однако стыковая конструкция страдает рядом серьезных недостатков. Во избежание замыкания пластин

стержня и ярма в месте стыка (рис. 11.7, а) необходимо закладывать прокладку из изолирующего ма

териала (рис. 11.7, б). Но эта прокладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопровода, что ведет к

увеличению намагничивающего тока. В случае повреждения изоляционной прокладки замыкание пластин

стержня и ярма может привести к так называемому пожару в стали, т. е. к аварии трансформатора.

Рис. 11.6. Конструкция магнитопроводов:

а — стыковая; б — шихтованная

Рис. 11.7. Стыковое соединение ярма и стержня:

я — без изолирующей прокладки; б — с изолирующей прокладкой: 1 — пластина ярма; 2—

изоляция пластин; 3—изолирующая прокладка в стыке между ярмом и стержнем; 4 — путь

замыкания вихревых токов; 5— пластины стержня

Из-за указанных недостатков стыковая конструкция не нашла широкого применения. В отечественном

трансформаторостроении принята шихтованная конструкция магнитопроводов для силовых

трансформаторов всех мощностей. Она обеспечивает большую жесткость магнитопровода, требует

меньшего количества крепежных деталей и более надежна в эксплуатации.

Все четные слои имеют положение пластин, а все — обратное (зеркальное) расчетом, чтобы пластины

одного слоя перекрывали стыки в соседних слоях.

Таким образом, пластины соседних слоев как бы переплетены друг с другом (рис. 11.6, б).

Магнитопровод шихтованной конструкции собирают из отдельных слоев, каждый из которых состоит из

нескольких пластин, расположенных определенным образом.

§ 11.4. СХЕМЫ ШИХТОВКИ ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫХ МАГНИТОПРОВОДОВ

Схема шихтовки одно- и трехфазного стержневых магнитопроводов показана на рис. 11.8 и 11.9.

При шихтовке магнитопровода ярма и стержни образуют как быодно целое. Но для насадки обмоток на

стержни, т. е. для операции первой сборки трансформатора, после изготовления магнитопровода

необходимо расшихтовать верхнее ярмо, т. е. вынуть все листы ярма, а после насадки обмоток — вновь его

зашихтовать.

Для сокращения излишних операций по двукратной шихтовке верхнего ярма для трансформаторов габарита

I на некоторых заводах

Рис. 11.8. Схема шихтовки однофазного стержневого магнитопровода:

а — первое положение пластин (нечетных слоев); б — второе, обратное первому, положение

пластин (четных слоев); в — перекрытие стыков

Рис. 11.9. Схема шихтовки трехфазного магнитопровода: а — первое положение пластин

(нечетных слоев); б—второе, обратное первому, положение пластин (четных слоев)

стали совмещать операции по сборке шихтованного магнитопровода и первой сборке в одну операцию, при

которой шихтовка магнитопровода производится непосредственно в обмотках, положенных горизонтально

(рис. 11.10).

Рис. 11.10 Сборка (шихтовка) магнитопровода непосредственно в обмотках

Кроме того, на некоторых заводах шихтовку верхнего ярма в малых трансформаторах также не делают при

сборке магнитопровода, а для его подъема ярмовые балки ставят на стержни ниже будущей зашихтовки.

§ 11.5. ВЛИЯНИЕ СХЕМ ШИХТОВКИ И ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНЫХ

(НЕМАГНИТНЫХ) ЗАЗОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА

Для ускорения сборки магнитопровода шихтовку часто производят слоями не в один, а в два или три (и

более) изолированных листа одновременно. При этом схемы шихтовки остаются без изменения, но

Рис. 11.11. Формы немагнитных (воздушных) зазоров:а — в стыковом магнитопроводе; б — в

шихтованном (одновременно в два листа) магнитопроводе. Стрелки показывают направление

линий магнитной индукции

толщина каждого слоя возрастает соответственно вдвое или втрое. Однако при этом необходимо иметь в

виду, что увеличение толщины слоя приводит к возрастанию потерь и тока холостого хода трансформатора,

так как увеличивается магнитное сопротивление магнитным линиям, обходящим места стыков пластин. Это

видно из сравнения рис. 11.11, а, б. Чем больше пластин в слое, тем большее число магнитных линий

замыкается через воздушные (немагнитные) зазоры между пластинами стержня и ярма