Расчет и конструирование трансформаторов (стр. 24 )

где Iц— циркулирующий ток, выбирается равным нагрузочному току .

Так как переключение ступеней в резисторном переключающем устройстве производится быстродействующей аппаратурой и по схеме устройства не допускается остановка в положении моста, плотности тока в резисторах допускаются относительно большими, а их габаритные размеры вследствие этого получаются небольшими.

§ 9.6. СХЕМЫ РПН С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

При мощности трансформатора, не превышающей нескольких десятков ква, возможно применение плавного регулирования напряжения. Из многочисленных предложенных схем рассмотрим две, которые находят применение в отечественном трансформаторостроении.

Трансформаторы с подвижными контактами. У этих трансформаторов подвижный контакт (графитовая щетка или ролик) скользит непосредственно по оголенным виткам регулируемой обмотки, расположенной снаружи.

Схема трансформатора с подвижными контактами показана на рис. 9.10, а.

Регулирование в этом случае получается мелкоступенчатым. Чтобы при передвижении контакта (щетки) не происходило разрыва тока в цепи, щетка перекрывает одновременно два-три витка. Токоограничивающим сопротивлением в данном случае является сама щетка, изготовленная из графита специально подобранной для этой цели марки. Во избежание дугообразования и перегрева контакта величину вольт на виток ограничивают до 1, а мощность на контакте — до 40 ва. При больших токах применяют две и более щеток, соединенных параллельно.

Трансформаторы с подвижными контактами часто применяются для регулирования напряжения, и они выполняются по автотрансформаторной схеме. Для лабораторных целей, а также для бытовых регуляторов напряжения выпускаются трансформаторы с обмотками, намотанными на ленточные тороидальные магнитопроводы и с роликовыми токосъемниками.

К недостаткам таких трансформаторов следует отнести износ щеток и сложность конструкции, содержащей механические движущиеся узлы и детали.

Рис. 9.10 Схемы трансформаторов с плавным регулированием напряжения:

а — с подвижными контактами, перемещаемыми по оголенным виткам обмотки; б — с подвижной коротко-замкнутой обмоткой; 1 — первичная обмотка; 2 — подвижный токосъемный контакт; 3 — регулировочная обмотка; 4 — вторичная обмотка (нерегулируемая часть); 5 — подвижная короткозамкнутая обмотка

Трансформаторы с подвижными обмотками. Трансформатор имеет броневой магнитопровод с удлиненными стержнями и боковыми ярмами. В наиболее простом исполнении трансформатора на его стержне помещены две обмотки, витки которых намотаны в противоположном направлении, как это показано на рис. 9.10, б. Вдоль стержня поверх основных обмоток может перемещаться третья короткозамкнутая обмотка, высота которой равна высоте каждой из основных обмоток, т. е. несколько меньшей половины высоты окна магнитопровода.

Принцип действия трансформатора основан на законе Ленца: сумма потоков внутри короткозамкнутого контура (в данном случае — третьей обмотки) равна нулю. Поэтому при крайнем верхнем положении третьей обмотки все первичное напряжение оказывается приложенным как бы только к нижней обмотке, и поэтому вторичное напряжение будет равно первичному. При перемещении третьей обмотки вниз вторичное напряжение будет плавно уменьшаться, так как поток из нижней обмотки будет постепенно вытесняться. И, наконец, в крайнем нижнем положении вторичное напряжение станет равным почти нулю.

Таким образом, путем перемещения третьей короткозамкнутой катушки можно плавно регулировать напряжение в пределах примерно от 0 до U1.

По данному принципу возможно применение более сложных схем в зависимости от назначения трансформатора. В частности трехфазный трансформатор выполняется в виде агрегата, состоящего из трех однофазных трансформаторов, подвижные обмотки которых, соединенные вместе, перемещаются при помощи моторного привода. Такие трансформаторы часто используют в качестве стабилизаторов напряжения сети, для чего их снабжают соответствующей аппаратурой автоматики.

Недостатками трансформаторов с подвижными катушками являются повышенные значения тока холостого хода и напряжения рассеяния, сложность конструкции, имеющей подвижные узлы, большие габаритные размеры вследствие половинного значения индукции по сравнению с обычными трансформаторами.

Контрольные вопросы

Для чего требуется регулирование напряжения у силовых трансформаторов? Какие применяются схемы ПБВ? В чем заключается основной недостаток схем ПБВ? Объясните принцип действия сдвоенного переключателя, применяемого в схемах РПН. Каково назначение токоограничивающих реакторов и резисторов в схемах РПН? Почему контакторы помещаются в отдельном саке? Каково назначение короткозамкнутой обмотки в трансформаторе с плавным регулированием напряжения?

ГЛАВА X

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА

§ 10.1. НАГРЕВАНИЕ ЧАСТЕЙ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ЕГО ПОТЕРЬ

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора в его магнитопроводе и обмотках, а также в деталях конструкции, превращаются в тепловую энергию и вызывают нагревание соответствующих частей трансформатора.

Материалы, из которых изготовляется трансформатор, главным образом его изоляционные детали, допускают нагревание лишь до известного предела. Пределы допустимого нагрева для каждого вида материала устанавливаются опытным путем, исходя из надежной длительной работы трансформатора. Вместе с тем в большинстве случаев более полное использование активных материалов получается при повышении их температуры. В связи с этим трансформатор должен быть рассчитан и сконструирован таким образом, чтобы во время работы было бы обеспечено его достаточное охлаждение.

Выделяющееся в трансформаторе тепло рассеивается в окружающую среду. Это тепло передается через внешнюю поверхность трансформатора — обмоток и магнитопровода у сухих трансформаторов и наружных стенок бака и охлаждающих устройств у масляных трансформаторов. Если бы это тепло не рассеивалось, то температура трансформатора непрерывно бы повышалась за счет его теплоемкости, что привело бы к разрушению в первую очередь его изоляции, и трансформатор вскоре вышел бы из строя.

Находившийся длительное время в отключенном состоянии трансформатор имеет температуру, равную температуре окружающего воздуха. С момента включения трансформатор начинает нагреваться. Как только температура его частей станет выше температуры окружающего воздуха, тепло от трансформатора начнет передаваться окружающему воздуху. С этого момента начинается процесс охлаждения трансформатора.

Но как только трансформатор начнет отдавать тепло окружающему воздуху, повышение температуры его частей будет замедляться, так как одновременно будет усиливаться охлаждение, и, наконец, наступит установившееся тепловое состояние. При этом состоянии количество выделяющегося в трансформаторе тепла станет равным отведенному •от него теплу, благодаря чему превышение температуры трансформатора сверх температуры окружающего воздуха станет неизменным. Значение превышения температуры для краткости часто называют перегревом. Так, например, перегрев обмотки над воздухом означает превышение температуры обмотки сверх температуры окружающего-воздуха.

Охлаждение какого-либо нагретого тела в воздухе происходит путем рассеивания тепла с поверхности тела. Это рассеивание тепла происходит двумя путями: 1) тепловым излучением; 2) конвекцией (переносом тепла нагретыми частицами воздуха или жидкости).

Так охлаждается трансформатор с естественным воздушным охлаждением, или так называемый сухой трансформатор.

Однако воздушное охлаждение мало интенсивно и для трансформаторов даже средней мощности является недостаточным. В связи с этим стало применяться (с 1889 г.) масляное охлаждение, позволившее строить крупные трансформаторы и притом на высокое напряжение.

Температура трансформатора, следовательно, складывается из его перегрева над воздухом и температуры окружающего воздуха. Но величина перегрева частей трансформатора над воздухом зависит от величины потерь трансформатора, в свою очередь зависящих от его нагрузки, т. е. от конструкции, режима работы и практически не зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому тепловой расчет трансформатора сводится к определению именно перегрева его частей, а не их температуры, так как температура трансформатора будет меняться с изменением температуры воздуха.

Поскольку нагрев трансформатора ограничивается определенным значением его температуры, то значение наибольшего допустимого перегрева определяется с учетом наибольшей возможной температуры окружающего воздуха. Для Советского Союза в условиях естественного сезонного и суточного изменения принята температура +40° С.

§ 10.2. НОРМЫ НАГРЕВА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Согласно требованиям ГОСТ 11677—65 установлены следующие нормы допустимых перегревов для отдельных частей силовых масляных трансформаторов, которые приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Части трансформатора	Превышение температуры, °С	Метод измерения
Обмотки…………………………………….. Поверхности магнитопроводов и конструктивных элементов……………… Масло в верхних слоях: исполнение герметизированное или с устройством, полностью защищающим масло от соприкосновения с окружающим воздухом ………………….. в остальных случаях ……………………..	65 75 60 55	По изменению сопротивления По термометру По термометру Тоже

Указанная в табл. 10.1 для обмоток норма перегрева установлена •исходя из наибольшей допустимой температуры 105—110° С, определенной классом изоляции материала и подтвержденной многолетними условиями эксплуатации и исследованиями (65+40= 105° С).