Расчет параметров короткого замыкания (стр. 3 )

В многослойных цилиндрических обмотках осевые силы могут сдвигать витки слоя обмотки, если они недостаточно плотно уложены при ее намотке. Стойкость такой обмотки при коротком замыкании существенно зависит от ее механической монолитности. Особенное внимание следует обращать на надежное крепление витков наружного слоя обмотки.

Кроме осевых сил, возникающих при коротком замыкании, в обмотке трансформатора при его сборке путем затяжки прессующих приспособлений создаются осевые силы прессовки с напряжением на изоляции от 2 до 10 МПа. Эти силы необходимы для того, чтобы в процессе механических воздействий в полной мере сохранялась механическая монолитность обмотки.

Поперечное поле рассеяния обмоток может возникнуть в трансформаторе также и вследствие неравномерного распределения витков по высоте одной из обмоток, в частности при размещении в обмотке витков и катушек, отключаемых при регулировании напряжения. Возникновение этого поля может привести к существенному увеличению осевых сил при коротком замыкании. В катушечных обмотках эти витки располагаются в катушках, размещаемых обычно в середине высоты обмотки (рис. 6.6, б и г). При отключении части регулировочных витков образуется зона, в которой отсутствуют витки, обтекаемые электрическим током. В многослойных цилиндрических обмотках трансформаторов с ПБВ неравномерность в распределении витков

ограничивается тем, что витки, служащие для регулирования напряжения, должны быть расположены равномерно по высоте обмотки (рис. 6.6, б) и включаться и отключаться ступенями, симметрично расположенными по отношению к середине ее высоты. В трансформаторах с РПН равномерное распределение отключаемых витков достигается применением схем по рис. 6.9, а и б.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

При наличии разрыва по высоте обмотки поле рассеяния обмоток трансформатора (рис. 7.10) может быть представлено в виде суммы трех полей, известного уже продольного поля

Рис.7.10. разложение поля рассеяния обмоток на три составляющие.

с индукцией В, поперечного поля, вызванного конечным соотношением высоты и ширины обмоток, с индукцией В' и второго поперечного поля, вызванного фиктивной обмоткой ІІ с индукцией В" и числом витков xω/100, где x - выраженный в процентах высоты l

не заполненный витками разрыв в обмотке ВН. Следует заметить, что, строго говоря, треугольная форма кривой В относится не к индукции, а к МДС поперечного поля.

Находим в этом случае, что силы, вызванные вторым поперечным полем, F'ос направлены параллельно вертикальной оси обмоток. Они стремятся увеличить имеющуюся несимметрию в расположении витков обмоток, сжимают внутреннюю и растягивают наружную обмотку, прижимая последнюю к верхнему и нижнему ярмам. Сила F'ос может быть определена по (7.41), если положить

Рис. 7.11. распределение сжимающих осевых сил для различных случаев расположения обмоток.

где ωобм - полное число витков той из обмоток, для которой подсчитан ток ikmax; kp - коэффициент приведения для поперечного поля.

Заменяя a2/k''p средней приведенной длиной индукционной линии поперечного поля l'' и x=lx·100/l, получаем

(7.46)

Первая дробь выражения (7.46) отличается от (7.43) для радиальной силы Fp только отсутствием множителя kр для продольного поля. Вследствие этого осевая сила F''ос может быть выражена через Fp следующим образом:

(7.47)

Подобно предыдущему осевые силы F''ос могут быть определены также и для некоторых других случаев взаимного расположения обмоток, показанных на рис. 7.11. Анализ показывает, что и для этих случаев может быть применена формула (7.47) при различных значениях постоянного множителя т. На рис. 7.11 приведены значения т, а также показано расположение точек сосредоточения максимальных сжимающих осевых сил Fсж по высоте обмоток НН и ВН (1 и 2) и указаны эти силы. Пользуясь этими данными, можно определить максимальное значение осевых сил в междукатушечной (междувитковой для винтовых обмоток) изоляции, а также давление обмотки на ярмо. Основные данные для Fсж на рис. 7,11 приведены в предположении, что F''ос>F'ос. В отдельных случаях может оказаться, что F'ос>F''ос. Тогда распределение сил в обмотках может измениться и будет таким, как это показано на рис. 7.11. Осевые силы в значительной мере зависят от того, на какой ступени напряжения работает трансформатор, т. е. от разрыва в обмотке lх. Наиболее неблагоприятным является случай работы на низшей ступени напряжения при наибольшем lx. Поэтому lx должно определяться как расстояние между крайними витками с током при работе трансформатора на низшей ступени обмотки ВН (рис. 7.12,а). При выводе (7.47) для определения F''ос в тех случаях, когда разрыв в обмотке разделен на две части (случаи рис. 7.11, г и д) за lх принята сумма высот обоих разрывов.

После определения Fp, F'ос и F''ос следует найти максимальное значение сжимающей силы в обмотке Fсж и силы, действующей на ярмо, Fя.

Рис. 7.12. К расчету осевых сил:

а – определение lx; б – приближенное определение l''.

Для определения этих сил можно воспользоваться рис. 7.11. По силе, действующей на ярмо, в случае необходимости может быть проверена механическая прочность опорных конструкций обмотки - прессующих балок ярма, деревянных опорных брусков и т. д. По максимальной сжимающей силе проверяется прочность междукатушечной (междувитковой) изоляции. Если сила, действующая на ярмо, Fя оказывается больше сжимающей силы Fсж, проверку междукатушечной изоляции на сжатие проводят по Fя.

Для определения средней приведенной длины индукционной линии поперечного поля рассеяния l" = а2/k''р следует найти значение коэффициента k''р для поперечного поля. Приближенно значение l" может быть определено в предположении, что поперечное поле рассеяния замыкается через стержень и стенку бака (рис. 7.12, 6), как расстояние от поверхности стержня трансформатора до стенки бака.

Для оценки механической прочности обмотки обычно определяют напряжение сжатия во внутренней обмотке (НН), возникающее под воздействием радиальной силы Fсж, р, и

Рис. 7.13. К определению механических напряжений в обмотках:

а – силы, сжимающие обмотку; б – опорные поверхности обмотки.

напряжение сжатия в прокладках между витками и катушками от наибольшей из осевых сил Fсж

или Fя. При определении напряжения сжатия от радиальной силы находится сила, сжимающая внутреннюю обмотку (рис. 7.13, а), условно рассматриваемая как статическая,

(7.48)

Напряжение сжатия, МПа, в проводе внутренней обмотки определяется по формуле

(7.49)

где ω - число витков обмотки (катушки), для которого определена сила; П – площадь поперечного сечения одного витка, м2.

Стойкость внутренней обмотки при воздействии радиальных сил зависит от многих факторов, однако в учебных расчетах она может быть приближенно оценена по значению σсж, р. Для обеспечения стойкости этой обмотки можно рекомендовать не допускать σсж, р в медных обмотках более 30 и в алюминиевых более 15 МПа [13].

Напряжение на разрыв в наружной обмотке (ВН) можно рассчитывать по (7.48) и (7.49). Воздействие радиальной силы обычно не приводит к разрушению этой обмотки или возникновению в ней остаточных деформаций.

Осевые сжимающие силы воспринимаются обычно междукатушечными прокладками и опорными прокладками из электроизоляционного картона. Опорные поверхности, воспринимающие осевые силы, ограничены на рис. 7.13, 6 штриховыми линиями.

Напряжения сжатия на опорных поверхностях, МПа,

(7.50)

где n - число прокладок по окружности обмотки; а - радиальный размер обмотки, м; b - ширина прокладки, м, если принимать b от 0,04 до 0,06 м для трансформаторов мощностью от 1000 до 63000 кВ·А.

Напряжение σсж определяемое по (7.50), должно удовлетворять неравенству σсж ≤18÷20 МПа для трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А и σсж≤35÷40 МПа для трансформаторов больших мощностей. В (7.50) следует подставить максимальное значение сжимающей осевой силы Fсж, определив ее по рис. 7.11. Когда Fя>Fсж, следует подставлять в эту формулу силу Fя.

В том случае, когда обмотка НН винтовая без радиальных каналов с плотным прилеганием витков или многослойная цилиндрическая, а обмотка ВН многослойная цилиндрическая, возможен достаточно точный расчет осевых сил по упрощенному методу, учитывающему реальное для таких обмоток распределение индукции поля рассеяния [11].

Осевая сила, H, рассчитывается по формуле

(7.51)

в этой формуле K - коэффициент осевой силы,

(7.52)

где k01- коэффициент, определяемый по формуле

(7.53)

Здесь a0=а12+а1+а2; ∆1 - определяется по табл. 7.4; ∆2=100/n; n - число слоев обмотки ВН.

Для обмоток с регулировочными витками, симметрично расположенными относительно середины высоты обмоток на каждой ступени (см. рис. 6.6, б), k02=0. Для случая, когда внешний слой обмотки содержит 50 % витков одного внутреннего слоя и эти витки расположены в верхней или нижней половинке обмотки, k02 определяется по табл. 7.5.

В практике проектирования трансформаторов, обычно стремятся к ограничению возможных радиальных и осевых сил, возникающих в обмотках при коротком замыкании, а также к увеличению механической прочности обмоток.

Ограничение радиальных, а следовательно, и пропорциональных им осевых сил возможно за счет ограничения тока короткого замыкания путем увеличения напряжения короткого замыкания.

Таблица 7.4. Значения ∆1 в формуле (7.52).

Мощность кВ·А	Тип обмотки НН	∆, %
25-100	Двухслойная и многослойная цилиндрическая
160-630	То же
	Винтовая с обычным сходом крайних витков по винтовой линии
	Винтовая со сглаженным сходом крайних витков

Это обстоятельство учитывается обычно при установлении стандартных напряжений короткого замыкания. Для уменьшения осевых сил рекомендуется выдерживать одинаковыми осевые размеры всех обмоток трансформатора, располагать регулировочные витки равномерно по высоте обмотки или в середине ее высоты, стремясь к уменьшению зоны разрыва в обмотке ВН (или СН),

Таблица 7.5. Значения k02 для обмотки с внешним слоем, содержащим 0,5 витка одного внутреннего слоя.

a12, м	0,01	0,02	0,03
Медь	0,034	0,030	0,026
Алюминий	0,06	0,05	0,04

и при наличии этой зоны делать несколько увеличенных радиальных каналов в середине высоты обмотки НН против зоны регулирования обмотки ВН.

В трансформаторах с РПН, в которых зона регулирования содержит ± (124-16) % числа витков обмотки ВН и осевые силы могут быть особенно велики, рекомендуется выделять регулировочную часть обмотки в отдельный концентр, состоящий из нескольких цилиндрических слоев, каждый из которых образует ступень регулирования (рис. 6.9), или концентр, представляющий собой винтовую обмотку, где каждая ступень регулирования образуется одним из параллельных проводов обмотки.

Рис.7.14.Усиление прессовки обмоток

1-обмотка, 2-опорное кольцо, склеенное

из электрокартонных шайб, 3-ярмовая

изоляция, 4-стальное разрезное кольцо

или неразрезное неметаллическое

кольцо, 5- прессующий винт.

В целях повышения механической стойкости обмоток при воздействии тока короткого замыкания применяется осевая прессовка обмоток при помощи стальных прессующих колец. Прессующие кольца накладываются поверх верхней концевой изоляции обмоток, и осевая прессовка осуществляется винтами, проходящими сквозь полки верхней ярмовой прессующей балки. Иногда прессовка осуществляется при помощи стальных пружин. Во избежание образования короткозамкнутого витка вокруг стержня магнитной системы стальное кольцо выполняется разрезным с одним поперечным разрезом. Применяются также не разрезные кольца из древослоистой плиты или пластика (рис. 7.14).

Подпрессовка обмоток особенно необходима в первые годы после ввода трансформатора в эксплуатацию, пока междукатушечная и опорная изоляция еще получает остаточные деформации. Прессующие кольца обмоток рекомендуется устанавливать в трансформаторах, регулируемых под нагрузкой, мощностью более 630 кВ·А, а также в трансформаторах мощностью от 1кВ·А и выше, переключаемых без возбуждения.

Существенное значение для обеспечения механической прочности обмоток при коротком замыкании имеет технология их изготовления и обработки. Плотность намотки в радиальном и осевом направлениях должна обеспечиваться достаточным натяжением провода при намотке и осевым, желательно механическим, поджимом наматываемого витка к ранее намотанным. Дальнейшее уплотнение обмотки в осевом направлении производится во время ее сушки в спрессованном состоянии при помощи стальных пружин или после сушки путем опрессовки силами, близкими к осевым силам при коротком замыкании.

В целях увеличения механической монолитности и прочности обмоток при воздействии сил, возникающих при коротком замыкании, может быть использована пропитка обмоток глифталевым или другим лаком. Должный эффект такая пропитка может дать при надлежащей разработанной технологии вакуумной пропитки с последующей полимеризацией лака.

Расчет температуры обмоток при коротком замыкании проводится для установившегося тока короткого замыкания при предположении, что вследствие кратковременности процесса отдача тепла, обусловленного возникновением тока короткого замыкания, от обмотки к маслу (воздуху) не успевает установиться и все это тепло накапливается в обмотке, повышая ее температуру.

Предельная условная температура обмотки, °С, рассчитываемая при предположении линейного ее нарастания, согласно [1] при учете теплоемкости металла обмотки и изоляции провода через tк с после возникновения короткого замыкания может быть определена по формулам:

для медных обмоток

(7.54)

для алюминиевых обмоток

(7.54а)

где tк - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, принимается при коротком замыкании на сторонах с номинальным напряжением 35 кВ и ниже 4 с, при коротком замыкании на сторонах с номинальным напряжением 110 кВ и выше - 3 с; для сухих трансформаторов с номинальным напряжением 10 и 15 кВ - 3 с; J - плотность тока при номинальной нагрузке, А/м2. За начальную температуру обмотки обычно принимается υн=90 °С.

Предельно допустимые температуры обмоток при коротком замыкании, установленные ГОСТ , приведены в табл. 7.6. Время, в течение которого медная обмотка достигает температуры 250 °С,

(7.55)

Время достижения температуры 200 0С для алюминиевых обмоток

(7.55а)

Таблица 7.6. допустимые температуры обмоток при коротком замыкании.

Вид охлаждения	Масляное	Воздушное
Металл обмоток	Медь	Алюминий	Медь	Алюминий
Класс изоляции	А	А	А	Е	B, F, H	A	E, B, F, H
Допустимая температура, 0С	250	200	180	250	350	180	200

Возникновение электродинамических сил при коротком замыкании трансформатора является сложным процессом, протекание которого зависит от многих факторов. Теоретические исследования этого процесса позволили создать методики расчета этих сил - упрощенные для ручного метода расчета и уточненные для расчета с использованием ЭВМ. Первые из них позволяют с приемлемой точностью получить представление о значениях суммарных сил, действующих на обмотки, вторые позволяют с достаточной точностью рассчитать значения сил, действующих на отдельные части обмоток.

Эти методики, однако, разработаны при некоторых существенных допущениях - не учтены силы инерции, трения, резонансные явления в обмотках, обмотки считаются механически монолитными, что не вполне соответствует истинной картине явлений и требует уточнения путем проведения экспериментальных исследований.

Испытания силовых трансформаторов при аварийных режимах короткого замыкания в широком диапазоне мощностей от 01.01.0100 кВ·А стали возможны после создания испытательных стендов, обеспечивающих получение соответствующих токов короткого замыкания. Эти испытания позволили установить ряд сопутствующих явлений, которые не могут быть количественно определены заранее, но оказывают существенное влияние на прохождение процесса короткого замыкания, и установить причины и характер возможных повреждений обмоток и других конструктивных элементов. Если расчетно конструктивные факторы - электрические параметры, размеры обмоток и взаимное расположение витков и частей обмоток - в достаточной мере и с приемлемой точностью учитываются в современных методиках расчета, то ряд технологических факторов, главным образом связанных с отклонениями от надлежащей технологии и оказывающих существенное влияние на электродинамические силы, не может быть учтен.

При испытаниях было установлено, что радиальные силы, создающие напряжения растяжения во внешней обмотке (ВН), во всем указанном диапазоне мощностей не приводят к ее разрушению или появлению в ней остаточных деформаций. Силы, действующие при этом на внутреннюю обмотку (НН) и сжимающие ее, могут привести к потере этой обмоткой механической стойкости и последующему разрушению, если при ее расчете и конструировании не были предусмотрены соответствующие меры.

Этими мерами могут быть: увеличение поперечного сечения витка за счет уменьшения плотности тока в этой обмотке и увеличения ее в наружной; применение более жесткого в механическом отношении металла обмотки - более жесткого алюминия или упрочненного сплава меди; намотка внутренней обмотки при мощностях до 40кВ·А на бумажно-бакелитовом цилиндре толщиной до 6 -10 мм вместо цилиндра из картона [13]; увеличение числа реек, на которых намотана обмотка, при наличии должной опоры реек на жесткий цилиндр или непосредственно на стержень магнитной системы.

Для получения достаточной механической монолитности обмотки - плотного прилегания ее витков к цилиндру и опорным рейкам и проводов друг к другу необходимо предусмотреть ее плотную намотку в радиальном и осевом направлениях на станке, обеспечивающем должное натяжение провода, механическую обкатку наматываемых витков и катушек и механический поджим их в осевом направлении. Механическая монолитность может быть также усилена путем пропитки обмотки полимеризующимся лаком.

Осевые силы в обмотках трансформатора, при равенстве высот обмоток и равномерном распределении витков по их высоте, сжимают обе обмотки. Если в одной из обмоток есть зона, не занятая витками, или расположение витков неравномерно, то возникает осевая сила, стремящаяся увеличить несимметрию и прижимающая части обеих обмоток к противоположным ярмам.

Испытания показали, что такие силы могут возникать и в обмотках с равномерным (по расчету) распределением витков при недостаточно плотной намотке, недостаточной или неравномерной запрессовке обмоток или вследствие механической нестабильности картона междукатушечных (междувитковых) прокладок и опорной изоляции. При этом могут возникать повреждения опорных конструкций обмоток, элементов их осевой прессовки - прессующих колец, винтов, иногда ярмовых балок, а также нарушение осевой стойкости (полегание) проводов обмоток, особенно вблизи торцов обмоток.

Во избежание существенного расхождения между расчетной схемой взаимного расположения частей обмоток и реальным опасным непредсказуемым их расположением необходимо обеспечить жесткую регламентацию технологии изготовления обмоток. Должна быть обеспечена плотная намотка обмотки как в радиальном (натяжение провода, механический радиальный обжим наматываемых витков и катушек), так и в осевом направлении (осевой механический поджим намотанных витков и катушек). Обмотка после намотки и сушки должна быть спрессована на прессе. После установки на остове трансформатора обмотка также должна быть спрессована раздельными кольцами и прессующими деталями остова. Механическая монолитность обмотки может быть усилена также пропиткой полимеризующимся лаком.

При испытаниях трансформаторов в условиях аварийных коротких замыканий были обнаружены значительные силы, действующие на внутренние отводы обмоток НН и СН, идущие от середины их высоты и расположенные в осевых каналах этих обмоток, что привело к необходимости разработки системы механического крепления этих отводов. В винтовых обмотках с достаточно большим шагом винта (двух и более ходовых обмотках) обнаружены тангенциальные силы, обусловленные составляющей тока, параллельной оси обмотки, и поперечным полем обмотки и направленные по продольной оси провода. Эти силы могут вызвать скручивание обмотки и вращение ее вокруг собственной оси [10, 12, 13].

7.4. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Трансформатор типа ТМ-1600/35. Вариант 1м - медные обмотки

Потери короткого замыкания определяются согласно § 7.1. Основные потери - по (7,3).

Обмотка НН

Обмотка ВН

Добавочные потери в обмотке НН по (7.14)

(предварительно принимаем kр=0,95).

Добавочные потери в обмотке ВН

Основные потери в отводах рассчитываются следующим образом.

Длина отводов определяется приближенно по (7.21)

Масса отводов НН

Потери в отводах НН

Масса отводов ВН

Потери в отводах ВН

Потери в стенках бака и других элементах конструкции до выяснения размеров бака определяем приближенно по (7.25) и табл. 7.1

Полные потери короткого замыкания

Для номинального напряжения обмотки ВН

или 18265·100/18000=101,5 % заданного значения.

Напряжение короткого замыкания рассчитывается согласно § 7.2.

Активная составляющая

Реактивная составляющая по (7.32)

где

[по (7.35) и по рис. 7.15, а].

Напряжение короткого замыкания

или 6,92·100/6,5=106,5 % заданного значения.

Установившийся ток короткого замыкания на обмотке ВН по .(7.38). и табл. 7.2

Мгновенное максимальное значение тока короткого замыкания

при uр/uа=6,828/1,147 = 5,95 по табл. 7.3 kм√2=2,25. Радиальная сила по (7.43) Fр = 0,628(ikmaxω )2βkp·10-6=0,628(786,15-1215)2·1,7945·0,95·10-6=977034 Н.

Среднее сжимающее напряжение в проводе обмотки НН по (7.48) и (7.49)