Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов - Стабилизация размеров изоляции обмоток

4-2. МЕТОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ РАЗМЕРОВ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК
Обмотки трансформаторов представляют собой сложную систему, в которой совмещаются различные по своим свойствам материалы: медь или алюминий, изоляционная бумага, электроизоляционный картон.
В основных типах обмоток (винтовых, непрерывных, переплетенных), применяемых в трансформаторах IV— VIII габаритов, бумажная изоляция провода и картон прокладок составляет 40—50% осевого размера обмотки. Несомненно, что стабильность размеров этих материалов в значительной мере определяет стабильность осевого размера обмотки.
Электроизоляционный картон представляет собой неоднородный, гетерогенный материал, состоящий из нескольких компонентов: целлюлозного волокна и вещества, заполняющего поры (воздуха, влаги, пропитывающего вещества).
Целлюлозное волокно в свою очередь состоит из элементарных растительных волокон, называемых фибриллами, обтянутых снаружи тончайшей оболочкой. Целлюлозные волокна являются природным линейным полимером, состав которого выражается формулой (СбН10О5)п, где л=1000. По своему физическому строению целлюлозные волокна весьма гигроскопичны из-за наличия капилляров Влага по капиллярам проникает в фибриллы, которые, поглощая воду, разбухают. Из-за высокой гигроскопичности картон весьма чувствителен

к наличию влаги в воздухе. С увеличением влажности воздуха увеличивается и влажность картона, что наглядно видно из табл. 4-1 для картона с плотностью 1010— 1080 кг/м3.
Уплотненный картон с плотностью 1250—1300 кг/м3 увлажняется в 3 раза медленнее, чем обычный картон.
С увеличением влажности картона, как уже отмечалось, он «разбухает», т. е. увеличивает свою толщину. Поэтому изготовление изоляционных деталей из электроизоляционного картона необходимо вести в сухих помещениях, с минимальным содержанием влаги в воздухе. При уменьшении влажности картона толщина его практически не изменяется, но за счет удаления воды в нем образуются пустоты — поры. Объем пор в высушенном картоне доходит до 40—50%. Наличие пор обусловливает большую усадочность картона по толщине под действием сил сжатия.
Величина усадки электроизоляционного картона по толщине характеризуется степенью остаточной деформации
(4-6)
где в — степень остаточной деформации электроизоляционного картона под нагрузкой, %; ho — исходная толщина электроизоляционного картона; h\ — конечная толщина картона при данной нагрузке.
Как показали проведенные исследования [27, 28] для электроизоляционного картона марки Б с плотностью 1000—1200 кг/м3, применяемого обычно для изготовления дистанционных прокладок, степень деформации зависит от многих факторов: нагрузки, числа циклов нагружения, времени приложения нагрузки, температуры, влажности картона и др.
Зависимость степени остаточной деформации от напряжения сжатия E—f(oCm) показана на рис. 4-2:

При начальном нагружении с усилием 1,5—2,5 МПа кривая сжатия имеет значительную кривизну, что объясняется резким уплотнением картона за счет интенсивного выбора пустот. При дальнейшем увеличении давления кривая идет более полого и при нагрузках порядка 25—30 МПа приобретает вид прямой линии, слегка наклоненной к оси абсцисс, что свидетельствует о том, что процесс нарастания деформаций при этих нагрузках практически заканчивается. Следует отметить, что нагрузка 25—30 МПа соответствует нагрузкам напряжения сжатия на прокладках под воздействием сжимающих усилий при коротком замыкании.

Рис. 4-2. Зависимости степени остаточной деформации электроизоляционного картона от напряжения сжатия и количества циклов нагружения.
а — I цикл; б —VIII цикл;------------------------------ деформация;---------------- —модуль упругости.
Остаточная деформация зависит от числа циклов нагружения (рис. 4-2,6). При нагружении и снятии нагрузки деформация электроизоляционного картона связана с необратимыми процессами затраты энергии, так как имеет место остаточная деформация. Наибольшая остаточная деформация наблюдается при первом цикле. При всех значениях давления она составляет 0,4—0,45 полной деформации. При последующих циклах остаточная деформация резко уменьшается и составляет 0,1 полной деформации.
Таким образом, если электроизоляционный картон подвергнуть циклической нагрузке (3—4 цикла) давле-

Иием порядка 30 МПа, то можно получить уплотненный картон с плотностью 1250--1300 кг/м3, который практически не будет иметь остаточной деформации при аналогичных нагрузках в процессе эксплуатации трансформаторов.
Из такого уплотненного картона следует изготовлять дистанционные изоляционные прокладки. Уплотнение картона можно осуществить с помощью прокатных вальцов. Этот процесс подробно! освещен в гл. 8.

Рис. 4-3. Зависимости усадки изоляции обмоток от давления и термообработки.
1 — бумажная изоляция провода; 2 — электроизоляционный картон прокладок.
При сжатии электроизоляционного картона даже давлением порядка 30—40 МПа полностью удалить влагу из его капилляров не удается. Поэтому для полного

Рис. 4-4. Зависимости остаточной деформации изоляции обмоток из электроизоляционного картона разных марок от давления и термообработки.
I — уплотненный картон марки Б; 2 — картон марки Б; 3 — картон марки ЭМЦ.
удаления влаги из картона (остаточная влажность электроизоляционного картона в трансформаторе допускается в пределах 0,3—0,5%) его сушат путем нагрева. Исследования показали, что при одновременном росте давления и температуры происходит увеличение остаточной деформации картона, т. е. продолжается процесс удаления влаги. Окончательное удаление влаги из картона путем его нагрева следует выполнять на заключительных операциях производства обмоток, так как из-за своей высокой гигроскопичности картон может снова увлажняться за счет отбора влаги из окружающего воздуха. Поэтому термическую обработку деталей из электроизоляционного картона производят первый раз в процессе сушки и уплотнения изоляции обмоток и второй раз в процессе термовакуумной сушки активной части трансформатора, после которой изоляция пропитывается трансформаторным маслом.
Известно [23, 28], что стабильность механических свойств обмоток в значительной степени зависит от физических преобразований, происходящих в картоне и бумажной изоляции при прессовке, сушке, пропитке и других технологических процессах. В процессе технологической обработки обмотки электроизоляционный картон и бумажная изоляция проводников обмотки дают значительную усадку, как это видно из графиков, показанных на рис. 4-3, по полученным результатам экспериментов.
Решающее значение для усадки изоляции обмотки имеют предварительная обработка и плотность картона, из которого изготовлены дистанционные прокладки обмотки. Приведенные на рис. 4-4 зависимости остаточной деформации изоляции обмоток показывают, что наименьшую усадку — около 9% от исходных размеров изоляции будут иметь обмотки, дистанционные прокладки которых изготовлены из предварительно уплотненного электроизоляционного картона.