книги из ГПНТБ / Грудинский, П. Г. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций

Представление о влиянии трансформаторов на потери в электри­ ческих сетях энергосистем можно получить на основе анализа данных табл. 10-2, где приведены показатели потерь активной мощности и по­ требления реактивной мощности для некоторых трансформаторов, при­ чем сообщаются сведения как для трансформаторов, выполненных со­ гласно ГОСТ 401-41 (первые из цифр в колонках), так и по ГОСТ 11677-65. Расчеты показали, что В 1970 г. потери активной мощности в транс­

форматорах в стали составляют около 3,3%, а в обмотках — около 3,7% энергии, выработанной электростанциями. По мере внедрения трансформаторов, выполненных по ГОСТ 11677-65, эти потери снижа­ ются.

Т а б л и ц а 10-2

Основные показатели трансформаторов

П р и м е ч а н и е . В числителе приведены данные для трансформаторов, выполненных согласно ГОСТ 401;41, в знаменателе — ГОСТ 11671-65.

Трансформаторы являются и крупными потребителями реактив­ ной мощности, она требуется для создания основного магнитного потока в сердечнике (ток холостого хода) и магнитного потока рассеяния (на­ пряжение короткого замыкания). Хотя для трансформаторов, выпол­ ненных по ГОСТ 11677-65, потребление реактивной мощности несколько снизилось, как это видно из табл. 10-2, все же трансформаторы потреб­ ляют 40—50% реактивной мощности, необходимой энергосистемам для нормальной работы.

Трансформатор является надежным элементом энергосистемы. Даже у трансформаторов очень высокого напряжения (330—500 кВ) число поврежденных трансформаторов составляло 3—5 единиц на 100 работающих (3—5%). Распределение повреждений между элемен­

351

Из этого следует, что наиболее часты повреждения витковой и про­ дольной изоляции обмотки. Следует отметить, что здесь учтены также повреждения из-за динамической неустойчивости обмоток, являющейся в настоящее время основной причиной наиболее тяжелых аварий.

Рис. 10-1. Примерная схема конструкции транс­ форматора.

На рис. 10-1 представлен упрощенный вид конструк­ ции трансформатора. На рис. 10-2 показана выемная часть трансформатора, включающая все его элементы, кроме бака. На крышке установлен переключатель ответвлений, к которому подходят проводники из средней части обмотки.

352

Переключатель может устанавливаться и вблизи обмотки, что упрощает его присоединение. В настоящее время широкое применение получают трансформаторы, у кото­

рых переключатель ответвлений обеспечивает регулировку напряжения под нагрузкой (РПН). На рис. 10-3 дан внеш­ ний вид трансформатора с таким переключателем.

10-2. Магнитопровод и виды обмоток трансформатора

Магнитопровод трансформатора, являющийся осно­ вой конструкции, оказывает большое влияние на технико­

и потери холостого хода. Магнитопровод набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм. В последние годы горячекатаную сталь почти полностью вытеснила холоднокатаная текстурованная сталь толщи­ ной 0,35 мм. Применение этой стали, лучшие сорта кото­ рой имеют удельные потери около 1 Вт/кг, позволило повысить индукцию до 17 000 Гс, снизить потери холо­ стого хода в 3—3,5 раза и ток холостого хода в 7—9 раз.

Листовая или рулонная электротехническая сталь при изготовлении из нее пластин магнитолровода раскраивается и при необходимости в ней штампуются отверстия. Так как холоднокатаная сталь очень чувствительна к наклепу

Рис. 10-3. Общий вид трансформатора с переключателем ответ­ влений под нагрузкой.

и остаточным деформациям, изгибам и т. п., то готовые пластины отжигаются при температуре 790—830° С. Затем пластины покрываются жаростойкой изоляцией. Магнитопровод из холоднокатаной стали шихтуется так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки. В ряде конструкций применяют косые стыки. При направлении магнитного потока поперек направле­ ния прокатки потери возрастают в несколько раз.

После шихтовки производится опрессовка со средним давлением 4—6 кг/см2. Опрессовка нужна для того, чтобы повысить коэффициент заполнения сечения магнитопровода, доходящий в этом случае до 97%. Уменьшение коэф­ фициента заполнения на 1 % приводит к увеличению потерь холостого хода примерно на 2%. Кроме того, опрессовка снижает вибрацию пластин, которая является основной причиной возникновения шума при работе трансформато­ ров. Нарушение опрессовки может повлечь за собой столь большую вибрацию, что возникнет механическая усталость металла пластин магнитопровода, вплоть до появления в них трещин и даже поломок. На торцевых частях пла­ стин с ослабленной опрессовкой в результате вибраций возникает контактная коррозия, вызывающая ржавление стали. Ржавление возникает несмотря на то, что пла­ стины работают в масле. Если ржавчину удалить и при этом не принять меры к уплотнению ослабленных паке­ тов, то она появляется вновь.

Фиксация магнитопроводов в опрессованном состоянии осуществляется при помощи шпилек (болтов), пропу­ щенных сквозь активное сечение магнитопровода, или при помощи бандажей. При применении шпилек на них надеваются изоляционные трубки, под головки болтов помещаются изоляционные шайбы для того, чтобы пре­ дотвратить соединение шпильки с магнитопроводом, как это схематически показано на рис. 10-4.

Нарушение изоляции шпильки в двух местах может вызвать протекание через нее очень больших токов, воз­ никающих из-за наличия в шпильке э. д. с., наводимой магнитным потоком сердечника. Ток может быть настолько большим, что вызовет нагрев болта до температуры, доста­ точной для разложения масла. Тяжелые фракции масла оседают вблизи места нагрева, а легкие поглощаются маслом, понижая температуры вспышки паров. Нагрев болта и разложение масла не отражаются на температуре масла в целом, Обнаружить повреждение помогает газо­

вое реле, в котором в начале процесса собирается вытесня­ емый из масла воздух, потом легкие фракции разложения масла, в основном водород.

Фиксация магнитопровода при помощи шпилек требует штамповки отверстий, что усложняет сборку магнитопро­ вода. При применении холоднокатаной стали наличие отверстий влечет за собой увеличение потерь примерно на 5% и на 2% — тока холостого хода из-за искривления магнитного потока. Эти факторы побудили перейти на конструкцию без шпилек, при которой собранный магнитопровод прессуется на стендах с прессующим усилием

бандажа; 4 — изолирующая пряж ка.

45—100 тс, а затем фиксируется в сжатом состоянии метал­ лическими бандажами и замковой пряжкой из изолирую­ щего материала (рис. 10-5) или бандажируется стеклолентой.

Некачественная сборка может привести к повреждению магнитопровода вследствие повреждения изоляции между пластинами или при замыкании между собой краев пластин. Такие замыкания могут возникнуть как на наружной поверхности магнитопровода, так и внутри отверстий, через которые проходят шпильки. Эти нарушения изо­ ляции ведут к нагреву поврежденных участков токами Фуко и к дальнейшему разрушению изоляции; поврежде­ ние захватывает все большую область, сталь пластин может выплавиться («пожар в стали»), в месте нагрева возникнет такое же разложение масла, как при повреждении изо­ ляции шпильки в двух точках.

3 5 6

Магнитопровод соединяется заземляющими проводни­ ками с баком для предупреждения заряда магнитопровода электрическим полем трансформатора. Бывали случаи неправильного расположения заземляющих проводников, при котором магнитный поток наводил в них большие токи, что вело к нагреву и описанному выше явлению местного разложения (крекинга) масла. Повреждение обна­ руживается либо по действию газового реле, либо (после перегорания заземляющих проводников) по характерному звуку разрядов, возникающих между магнитопроводом it отдельными деталями конструкции трансформатора. Как указывалось выше, повреждения магнитопровода относи­ тельно редки, а при новых бесшпилечных магнитопроводах можно ожидать их дальнейшего снижения.

Обмотки трансформаторов выполняются из алюминие­ вых или медных проводников круглого или прямоуголь­ ного сечения с бумажной изоляцией. Начат выпуск обмо­ ток с применением «транспонированных» проводов, состоя­ щих из нескольких проводников, каждый из которых изо­ лирован лаковой пленкой толщиной 0,5—0,075 мм. При­ менение таких проводов снижает добавочные потери в об­ мотке и повышает коэффициент заполнения обмотки.

На рис. 10-6 представлены основные типы обмоток. Цилиндрическая обмотка (рис. 10-6, а) может быть намотана из

одного или нескольких параллельных проводников прямоугольного сечения. Обмотка представляет собой относительно высокую колонну с малым поперечным сечением и неплотной намоткой. Такая обмотка недостаточно устойчива при коротких замыканиях, применение ее ограничивается низким напряжением для трансформаторов мощностью на один стержень не более 250 кВ-А.

Винтовая обмотка (рис. 10, 6) может быть одно- и многоходовой. В механическом отношении эта обмотка значительно прочнее цилиндри­ ческой, ее жесткость усиливается рейками, идущими по всей длине об­ мотки и связанными с ними горизонтальными прокладками, плотно зажатыми между витками обмотки. Наличие масляных каналов между витками обеспечивает высокую электрическую прочность обмотки. Обмотка нашла широкое применение на напряжения 230 В — 20 кВ. Для более высокого напряжения она не применяется, так как здесь трудно выполнить ответвления для регулирования напряжения.

не выше 35 кВ характеризуются малой механической прочностью и нали­ чием разности напряжений между слоями, которая может быть значи­ тельной. При напряжении 35 кВ обмотка снабжается частичной ем­ костной защитой, от перенапряжений — экраном.

Непрерывная спиральная обмотка состоит из последовательно соединенных дисков, образованных спирально намотанным проводни­ ком. Катушки могут состоять из нескольких параллельных цепей. Каждая из цепей наматывается одним непрерывным проводом, пере-

3 5 7

ходящим из одной катушки в другую без нарушения целости, т. е. без пайки в местах перехода. Обмотка наматывается или на жестком цилиндре, или на рейках, между катушками устанавливаются прокладки из электроизоляционного картона. Обмотка обладает высокой механи­ ческой и электрической прочностью, хорошим охлаждением, применя­ ется в качестве обмотки высшего напряжения до 220 кВ включительно.

Для обмоток трансформаторов 330 кВ и выше непрерывная на­ мотка спиральных катушек затруднена из-за необходимости обеспече­ ния больших изоляционных расстояний. Для таких трансформаторов обмотки изготовляются в виде комплекта двойных спиральных катушек, как показано на рис. 10-6, д.

10-3. Электродинамическая стойкость обмоток и их изоляция

Электродинамическая стойкость является одним из наиболее важ­ ных требований, предъявляемых к обмотке. Под электродинамической стойкостью понимается способность обмотки выдерживать электромаг­ нитные нагрузки, возникающие при к., з. во внешней сети без поврежде-

Рис. 10-7. Характер усилий внутри об­ моток и между ними.

о — при отсутствии ответвлений; б — при размещении ответвлений у одного конца об­ мотки; в — при размещении ответвлений в средней части обмотки; г — у многослоевой обмотки, магнитно-симметричной при нали­

чии ответвлений.

ния и остаточных деформаций. Для выявления характера воздействия электромагнитных усилий на обмотки в этих условиях представим две обмотки НН и ВН в виде двух цилиндров одинаковой высоты, вложен­ ных один в другой (рис. 10-7, а). В каждом из цилиндров токи текут в одном направлении, что вызывает появление внутренних сжимающих осевых усилий Foc. Напряжение токов в одном из цилиндров прямо

3 5 9

противоположно направлению их в другом, поэтому между цилиндрами возникают взаимно отталкивающие радиальные силы Fр. Такие уси­ лия вызывают во внутренней обмотке радиальное сжатие, а во внешней— растяжения. И те, и другие усилия могут деформировать обмотку, осо­ бенно если витки имеют возможность смещаться из-за того, что они были недостаточно жестко закреплены при изготовлении обмотки или креп­ ления ослабли из-за усадки изоляции.

При неодинаковой высоте обмоток кроме этих усилий возникают усилия, стремящиеся переместить одну обмотку относительно другой, как показано на рис. 10-7, б (F^c и F"c) для конструкции, при которой

ответвления для изменения коэффициента трансформации располо­ жены на конце обмотки.

При размещении регулировочных ответвлений в средней части обмотки достигается магнитная симметрия, при которой характер уси­ лий изменяется, как это показано на рис. 10-7, в. В этой конструкции вместо усилий, стремящихся сместить одну обмотку относительно дру­ гой, возникают усилия F'oc^сжимающие одну и растягивающие другую

обмотку. Условия работы обмоток в механическом отношении стано­ вятся существенно благоприятнее.

На практике встречается ряд схем размещения регулировочных витков (например, схема рис. 10-7, г), обеспечивающих магнитную сим­ метрию, когда часть этих витков не обтекается током. Они дают благо­ приятное распределение усилий, но сами усилия остаются, и конструк­ ция обмотки должна обеспечить необходимую прочность.

Механическая прочность обмотки создается плотной намоткой про­ водов с последующей прессовкой, прошивкой обмоток наружными рей­ ками, применением безусадочного картона и т. п., созданием и поддер­ жанием в обмотке достаточно больших сил прессовки. Силы прессовки должны быть больше, чем осевые электромагнитные усилия, иначе при максимальном значении усилия в обмотке возникают зазоры, исчезаю­ щие при прохождении усилием нулевого значения. В результате появ­ ляются ударные воздействия на опоры и изоляцию. Прессовка произво дится нажимным устройством (клиньями, прессующими шпильками), размещаемыми между консолью балки ярма и нажимными плитами, воздействующими на верхнюю часть обмотки. Нижняя часть ее распола­ гается на опорной плите. Конструкция предусматривает возможность подпрессовки обмотки, если при эксплуатации трансформа гора прессую­ щие усилия ослабнут, например, из-зз усадки прокладок.

Механическая прочность обмотки должна быть такой, чтобы об­ мотка выдерживала усилия, возникающие при к. з. во внешней сети. В этом случае обеспечивается и термодинамическая устойчивость об­ мотки. Расчетные условия характеризуются кратностью устаяозившегося тока к. з. и длительностью его протекания.

Предельные значения этих показателей для двухобмоточных транс­ форматоров в случае энергосистемы «бесконечной мощности» приведены

втабл. 10-3.

Втех случаях, когда ток и мощность к. з. рассчитываются с учетом мощности и сопротивления системы, предельная установившаяся мощ­ ность к. з. на вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора в за­ висимости от напряжения сети определяется следующим образом:

3 6 0