Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

часть бака. Иногда водяные охладители помещают внутри бака

трансформатора. Водяное охлаждение применяется для самых

мощных трансформаторов.

На крышке трансформатора устанавливаются вводы (рис. 12-26

и 12-28). Проходящий через ввод токоведущий медный стержень

или медная труба служат для соединения трансформатора с внеш-

ней сетью.

Трансформаторы мощностью более 75 кв -а снабжаются расши-

рителями (рис. 12-26 и 12-29). Расширитель представляет собой

Рис. 12-29. Расширитель и выхлопная труба трансформатора

/ — указатель уровня несла; 1 — труба дЛя свободного обмена воздуха;

3 — пробка дли заливки масла; 4 грязеотстойник; в — газовое реле; 6 — кран

для отсоединения расширители

цилиндрический стальной сосуд и соединяется при помощи патрубка

с баком. Открытая поверхность масла при колебаниях температуры

окружающей среды и нагрузки трансформатора всегда должна

оставаться в пределах расширителя. Тем самым открытая поверх-

ность масла уменьшается, что ограничивает его окисление. Для

предотвращения повреждения бака в случае бурного разложения

масла и выделения газа в результате аварии на крышке транс-

форматора устанавливается также выхлопная труба (рис. 12-26

и 12-29). Труба закрыта стеклянной мембраной, которая при повы-

шении давления внутри бака лопается.

Между расширителями и баком трансформатора мощностью

более 560 кв-а устанавливается газовое реле (рис. 12-29). Если

в результате каких-либо местных нагревов (замыкание листов

сердечника, плохие контакты и т. д.) начнется разложение изо-

ляции или масла, то газы начнут накапливаться внутри газового

реле, под его крышкой, выжимая из него масло. При этом опроки-

дывается поплавок газового реле и замыкаются сигнальные кон-

такты. При бурном выделении газов замыкается вторая пара кон-

тактов газового реле, в результате чего замыкается цепь на отклю-

чение трансформатора из сети.

В процессе работы трансформатора происходит окисление,

увлажнение и загрязнение масла, что сопровождается ухудшением

его изоляционных свойств. Поэтому производится регулярный

отбор проб масла, а также периодическая его сушка, очистка, вос-

становление или замена новым. В необходимых случаях произ-

водится также вакуумная сушка сердечника и обмоток трансформа-

тора. Для этих"целей предусматриваются краны и другая арматура.

Трансформаторы мощностью до 1800 кв •а перевозятся в собран-

ном виде на нормальных железнодорожных платформах. С транс-

форматоров мощностью более 1800 кв -а и до 5600 кв -а но условиям

железнодорожных габаритов приходится снимать радиаторы, рас-

ширитель, выхлопную трубу и вводы на напряжение 110 кв и выше.

Трансформаторы мощностью более 5600 кв -а, весом более 50—60 т

необходимо перевозить на специальных железнодорожных транспор-

терах, имеющих низкую нагрузочную платформу. При этом у транс-

форматоров больших мощностей приходится не только снимать

выступающие части, но применять разъемный бак с временной транс-

портной крышкой небольшой высоты или даже транспортный бак

с предельно уменьшенными размерами во всех трех направлениях.

Трансформаторы мощностью 200—300 Мв -а имеют вес около

1 кг на I кв-а мощности.

Глава тринадцатая

НАМАГНИЧИВАНИЕ СЕРДЕЧНИКОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ

§ 13-1. Явления, возникающие при намагничивании

сердечников трансформаторов

При намагничивании сердечников трансформаторов вследствие

насыщения магнитной цепи возникают явления, требующие отдель-

ного изучения, Для этого рассмотрим режим холостого хода транс-

форматора, когда первичная обмотка подключается на синусоидаль-

ное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута.

Однофазный трансформатор. При холостом ходе трансформатора

для первичного напряжения действительно уравнение

...

. . dtp

u = ri + (—e) = ri + w

т. е. напряжение и расходуется на падение напряжения r

и урав-

новешивание э. д. с.

d<S>

Ht •

Если пренебречь незначительным падением напряжения ri, то

d<D

u = -e = w

Поэтому, если напряжение синусоидально:

u = U

sin at,

то поток Ф также должен изменяться по синусоидальному закону:

0 = O„sin((D* -

Пренебрежем сначала также потерями в стали. Тогда потреб-

ляемый из сети ток холостого хода i = i

является чисто реактив-

ным намагничивающим током (£

= i

Поток Ф создается током /

0г

. Так как при наличии насыщения

пропорциональность между Ф и i

нарушается, то при синусоидаль-

ном потоке Ф ток 1

0г

уже не будет синусоидальным.

На рис. 13-1 в правом квадранте представлена кривая Ф =

= f (U при наличии насыщения, а в левом квадранте — синусои-

дальная кривая Ф = / (0, где t — время. В нижнем квадранте

этого рисунка изображена кривая i

— f (t), которую можно по-

лучить, как показано на рисунке, если значения Ф по кривой

Ф — f (0 для отдельных моментов времени 1, 2, 3 и т. д. снести на

кривую Ф

f (i

) и получаемые при этом значения снести вниз

и отложить для этих же моментов времени. Отрицательная полу-

волна кривой i

= f (t) будет иметь такую же форму, как и поло-

жительная. Такая несинусоидальная кривая t'o, = / (f) (рис. 13-2)

содержит все нечетные гармоники (v = 1, 3, 5....), из которых наряду

с первой, или основной (v = 1), наиболее сильной будет третья

гармоника. Для стали марки Э4 и максимальной индукции 1,4 тл

третья гармоника составляет около 30%, а пятая—около 15%

от основной.

Кроме реактивной составляющей i

, ток холостого хода t

содержит также относительно малую активную составляющую

, которая синусоидальна и вызвана магнитными потерями в сер-

дечнике (рис. 13-2). Полный намагничивающий ток t

== i

+ tV

имеет несимметричную форму.

Трехфазный трансформатор с соединением обмоток Y/Л. Пусть

на холостом ходу к сети с синусоидальным напряжением приклю-

чена обмотка, соединенная треугольником (рис. 13-3, а). При

этом каждая фаза этой обмотки будет приключена к синусоидаль-

матора, будут содержать нечетные высшие гармоники. В каждой

фазе высшие гармоники тока будут располагаться относительно

основной гармоники тока идентичным образом (рис. 13-4).

Однако, в то время как основные гармоники отдельных фаз будут

сдвинуты относительно друг друга на 120°, третьи гармоники

будут сдвинуты на 3-120 = 360° или 0°, пятые —- на 5-120° ='

- 600° или 240°, седьмые — на 7-120° = 840° или 120°, девятые —

на 9-120°^ 3-360° или 0° и т. д.

Таким образом, гармоники, кратные трем (v = 3, 9, 15..,),

в отдельных фазах обмотки будут совпадать по фазе. По этой при-

чине в линейных токах, которые представляют собой разности

токов соответствующих фаз, гармоники, кратные трем, будут

отсутствовать. Поэтому токи этих гармоник будут циркулировать

внутри замкнутого треугольника (рис, 13-3, а), причем, будучи

равными по величине и совпадая по фазе, они образуют общий

замкнутый циркуляционный ток.

Рис 13-1 Определение реактивной составляю-

щей намагничивающего тока однофазного транс-

форматора

Рис. 13-2 Гармонику

намагничивающего тока

однофазного трансформа-

тора

Если трансформатор с соединением обмоток У/А питать на холо-

стом ходу со стороны обмотки, соединенной в звезду (рис. 13-3, б),

то гармоники, кратные трем, в фазных токах существовать не

могут, поскольку они должны совпадать по фазе и в то же время

их сумма должна равняться нулю, так как из нулевой точки выхода

тока нет. Однако, как было выяснено выше в связи с рассмотрением

процесса намагничивания сердечника однофазного трансформатора,

при наличии насыщения для получения синусоидально изменяю-

щегося магнитного потока намагничивающий ток должен содер-

жать гармоники, кратные трем. Поскольку в рассматриваемом

случае наличие таких гармоник тока невозможно, то поток будет

несинусоидальным.

При отсутствии гармоник, кратных трем, ток i

будет близок

к синусоидальному (рис. 13-5), так как гармоники v = 5,7... отно-

сительно малы. При такой форме тока i

кривая потока Фу, созда-

ваемого обмоткой, соединенной в звезду, вследствие насыщения

будет иметь уплощенную или затупленную сверху форму

(рис. 13-5, а). Такая кривая потока наряду с основной гармоникой

к будет содержать также относительно сильную третью гармо-

нику Ф

у, Третьи гармоники потока Ф

8К

всех трех фаз совпадают

по фазе и будут индуктировать во вторичной обмотке, соединенной

треугольником, три равные по величине и совпадающие по фазе

Рис. 13-3. Питание трансформатора

с соединением обмоток Y/Д на хо-

лостом ходу: а — со стороны об-

мотки, соединенной в треугольник;

Рис. 13-4. Реактивные со-

ставляющие намагничи-

вающего тока и его гармо-

ник в отдельных фазах

обмотки трансформатора,

соединенной треугольни-

б — со стороны обмотки, соединен-

ной" в звезду

ком:

э. д. с. £

д (рис. 13-5, б). Складываясь в контуре треугольника,

эти э. д. с. создают в этом контуре ток /

д, который вследствие пре-

обладания индуктивного сопротивления будет почти чисто индук-

тивным. Создаваемые этим током потоки Ф

д будут почти полностью

компенсировать потоки Ф

к- Поэтому результирующие потоки фаз

будут практически синусоидальными. Таким образом, по сравне-

нию с питанием со стороны обмотки, соединенной треугольником,

разница заключается практически только в том, что третья и крат-

ные ей гармоники намагничиваю-

щего тока возникают на вторичной

стороне (рис. 13-3, б).

Из изложенного следует, что

в случае соединения одной из

обмоток трансформатора в тре-

угольник магнитные потоки,

э. д. с. и напряжения фаз остают-

ся синусоидальными. Это обстоя-

тельство составляет существен-

ное преимущество трехфазных

трансформаторов, у которых одна

из обмоток соединена в тре-

угольник.

Сказанное в равной степени

относится как к групповым трех-

фазным трансформаторам, так и к трехфазным трансформаторам

с общим сердечником.

Трехфазный трансформатор с соединением обмоток Y/Y. В транс-

форматоре с таким соединением обмоток кратные трем гармоники

(v = 3, 9, 15 ...) в намагничивающих токах первичной и вторичной

обмоток, как было выяснено выше, существовать не могут. Однако

при этом, как также было выяснено выше, магнитные потоки фаз

наряду с осЯовной гармоникой Ф

содержат еще третьи гармоники

потока Ф

Следовательно, характерной особенностью соединения Y/Y

является наличие третьих гармоник потока Ф

, которые во всех

трех фазах магннтопровода совпадают по фазе. В результате

этого фазные э. д. с. и напряжения несинусоидальны и содержат

третьи гармоники э. д. с. £

Величина этих гармоник может быть значительной. Так, напри-

мер, если Ф

составляет 10% от Ф

то э. д. с. Е

составляет уже

30% от £

так как поток Ф

изменяется с трехкратной частотой.

Однако линейные э. д. с. и напряжения синусоидальны, так как

в разности э. д. с. двух фаз э. д. с. £<, исчезают.

Рис. 13-5. Форма кривой потока

при синусоидальном намагничиваю-

щем токе (а) и векторная диаграм-

ма потоков н токов третьей гармо-

ники (б)

В трехфазной группе однофазных трансформаторов (рис. 13-6, а)

и бронестержневых трансформаторах (рис. 23-6, б) потоки Ф

в каждой фазе замыкаются по замкнутому сердечнику, как и поток

Однако в трехстержневом трансформаторе потоки Ф

по замк-

нутому пути в сердечнике замыкаться не могут, так как в каждый

момент времени они имеют во всех стержнях одинаковое направ-

ление (рис. 13-6, в). Поэтому потоки Ф

замыкаются от одного

ярма к другому через трансформаторное масло или воздух, а также

через крепежные детали и стенки бака трансформатора, что при-

водит к уменьшению величины потоков Ф

по сравнению с этими

потоками в трансформаторах других типов. Замыкание потока

Рис. 13-6. Третьи гармоники потока в трехфазных

трансформаторах

через крепежные детали и стенки бака трехстержневого трансфор-

матора вызывает потери на вихревые токи.

Таким образом, в трехфазных трансформаторах с соедине-

нием Y/Y возникают неблагоприятные явления: искажения

кривых фазных напряжений, а в трехстержневых трансформато-

рах также добавочные потери от вихревых токов.

Наличие нулевого провода в принципе могло бы улучшить

положение, так как при этом образуется замкнутый контур для

третьих гармоник тока /

, причем в нулевом прЬводе возникает

ток 3/

. Однако если этот контур создается через сопротивление

нагрузки или другие сопротивления, то величина токов /

и их

влияние будут малы.

Ввиду изложенного мощных высоковольтных трансформаторов

с соединением обмоток по схеме Y/Y, как правило, не строят.

Если же в отдельных случаях возникает потребность в таких транс-

форматорах (например, при необходимости заземления нулевых

точек с обеих сторон), то в трансформаторе можно намотать допол-

нительную, третичную обмотку с соединением в треугольник,

сечение которой рассчитано только на токи /<,.

§ 13-2. Расчет магнитной цепи трансформатора

Расчет магнитной цепи производится с целью определения

намагничивающего тока и магнитных потерь. Расчет реактивной

составляющей намагничивающего тока можно выполнить двумя

методами.

Первый метод аналогичен методу расчета магнитной цепи машины

постоянного тока (см. гл. 2). При этом магнитная цепь вдоль сред-

ней магнитной линии (рис. 13-7) разбивается на участки (стержни,

ярма и воздушные зазоры или щели между ними), в пределах кото-

рых магнитные индукции B

, В„, В& можно считать постоянными.

Задаваясь амплитудой потока стержня Ф

ст

, определяют амплитуды

индукции J3

, В

В&

— В

сг

и затем по кривым намагничивания

стали (см. рис. В-1) находят #

ст

и Н„. Тогда н. с. однофазного транс-

форматора (рис. 13-7, а)

F = 2Я

СТ

-f 2HJ, + 4

-jp- б.

Ио

(13-1)

где 6 — величина зазора, которая для шихтованных сердечников

равна 0,003—0,005 см, а для стыковых сердечников больше этой

величины на толщину изо-

ляционной прокладки в

стыке.

Магнитная цепь трех-

стержиевого трансформато-

ра несколько несимметрич-

на, и длины магнитных

линий для крайних фаз

несколько больше, чем для

средней. Поэтому и. с. и

намагничивающие токи

крайних фаз также не-

сколько больше. На практике этим различием пренебрегают и рас-

считывают среднюю н. с. F для одной фазы. Тогда (рис. 13-7, б)

t h 1

я П

Г*1

J»

го

* Ij,—»

* h—*

Рис. 13-7 Магнитная цепь однофазного (а) и

трехфазного стержневого (б) трансформатора

—

Н„1„ + Няк + Яф — ' (13-2)

Здесь

Пф

— среднее количество стыков или зазоров на фазу. Для

трехстержневого трансформатора с шихтованным сердечником (см.

рис. 12-8, б) я

= 7/3 и со стыковым сердечником я

= 2.

Действующее значение основной гармоники реактивной состав-

ляющей намагничивающего тока

/ог = -Д=-. (13-3)

где w — число витков обмотки и k — коэффициент, учитывающий

наличие в намагничивающем токе высших гармоник. При В

ст

= 1 тл и В

ст

= 1,4 тл соответственно приблизительно k— 1,5

и k = 2,2.

Магнитная характеристика Ф„ = / (г^) имеет вид, показанный

на рис. 13-1.

Второй метод основан на вычислении энергии магнитного поля

сердечника или его намагничивающей (реактивной) мощности.

Допустим, что В и Н представляют собой амплитуды индукции

и напряженности магнитного поля, изменяющихся синусоидально

во времени. Тогда максимум магнитной энергии в единице объема

поля

W'^ = BH/2,

реактивная мощность на единицу объема

объемом V или весом G

а реактивная мощность сердечника

Q = QT = ^ = ^G = <7

G, (13-4)

где Y — плотность стали сердечника, а

п[ВН _

~~ HV

представляет собой реактивную мощ-

кг

Яс-

(13-5)

—is

—л

1-cm.34

2-ah.m

—is

—л

1-cm.34

2-ah.m

—is

—л

1-cm.34

2-ah.m

]

1 'j у

/у

s /

Ф is & (4 (е #тя

Рис. 13-8. Кривые удельной

реактивной мощности сердеч-

ника и зазора

собой

ность на единицу веса стали сердечника.

Для воздушных зазоре» выражение

для Q можно представить в виде

Q = qn6S

=nqtSt,

где Ss — площадь зазора; п — количе-

ство зазоров на весь сердечник; q — реак-

тивная мощность на единицу объема

зазора; = qb — реактивная мощность

на единицу площади зазора.

Величину q

= f (В) в принципе можно вычислить, зная кривую

В = f (Н) для данного материала. Однако на практике пользуются

данными, полученными непосредственно опытным путем. Кривые

= / {В) для шихтованных сердечников также определяются

опытным путем, так как в таких сердечниках зазоры одного слоя

шунтируются листами другого слоя и индукция в зазорах умень-

шается, а в листах стали по соседству с зазорами увеличивается,

вследствие чего q

зависит также от марки стали. Кривые q^ — f (В)

и ft = / (В) представлены на рис. 13-8.

Так как реактивная намагничивающая мощность трансформа-

тора

= /?£/„,,

где m — число фаз, то

Or •

. Qp ст^ст

mE mE

(13-6)

Здесь G

И О

— веса стержней и ярем трансформатора, a q

L с

и — удельные мощности q

для стержня и ярма.

Обычно пользуются вторым методом расчета.

Магнитные потери в сердечнике р

мг

легко вычислить, зная

удельные потери р = f (В) для используемой марки стали;

Рмг

= РсгСст + РяС

. (13-7)

Активная составляющая намагничивающего тока

г _

Рят

_ РстО ст

—Ш '

а полный намагничивающий ток или ток холостого хода

1о

= УПа+И- (13-9)

Ток /

в силовых трансформаторах относительно мал и состав-

ляет При номинальном напряжении 0,5—4% от номинального тока,

причем второе число относится к трансформаторам малой мощности

(10—20 кв-а). Малая величина тока /

объясняется наличием замк-

нутого стального сердечника.

Глава четырнадцатая

СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА И ЁЕ ПАРАМЕТРЫ

§ 14-1. Индуктивности обмоток трансформатора

и электромагнитное рассеяние

Индуктивности обмоток. В трансформаторах со стальным сер-

дечником магнитная проницаемость стали ц во время Цикла пере-

магничивания непостоянна. Поэтому в течение этого цикла непо-

стоянны также собственные L и взаимные М индуктивности обмоток

трансформатора. В результате такого непостоянства ц при под-

ключении трансформатора к сети с синусоидальным напряжением

в его намагничивающем токе i

возникают высшие гармоники

(см. § 13-1).

При работе трансформатора на ток t

накладывается ток на-

грузки, по отношению к которому ток i

и, в особенности, его

высшие гармоники малы. Поэтому при исследовании режимов

работы трансформатора указанными гармониками можно пренебречь

и учитывать только основную гармонику тока i

. Это равносильно