Расчет и конструирование трансформаторов (стр. 28 )

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 τуст. 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 τt - перегрев в момент времени t

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

В общем виде при наличии некоторого начального перегрева τн формула кривой нагрева имеет вид

Постоянная времени обмотки

где — удельная теплоемкость меди;

GM — вес меди, кГ

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

витковой изоляции.

Постоянная времени трансформатора

где GM — вес меди, кГ;

Gc — вес стали, кГ;

G6 — вес бака, кГ;

Gmax - 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/дм3; 4 — высоколегированная горячекатаная сталь с содержанием 3,8÷4,8% кремния, со средней плотностью 7,55 кГ/дм3. 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 К3 сечения сталью равен отношению чистой суммарной площади стали пластин в сечении—активного сечения FCT или Fя—к площади ступенчатой фигуры Fф. ст или Fф. я, т. е.

К3=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 К3, 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 К3 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.