Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов - Производство обмоток и изоляции

Глава четвертая
ПРОИЗВОДСТВО ОБМОТОК и изоляции ТРАНСФОРМАТОРОВ
4-1- ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБМОТОК И ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Технология изготовления обмоток и изоляции силовых трансформаторов должна обеспечивать, помимо заданных конструктором технических параметров этих изделий, также их высокую эксплуатационную надежность при максимальном уровне производительности труда и снижении трудоемкости. Эта задача решается на основе научно обоснованных требований к производству обмоток и изоляции с учетом знания процессов, происходящих в трансформаторе при его эксплуатации.
Как уже отмечалось в гл. 1, обмотки в процессе эксплуатации испытывают большие механические нагрузки [3—8]. В результате взаимодействия электрического тока, проходящего по проводникам обмотки, с магнитным полем рассеяния обмотка трансформатора подвергается механическим воздействиям в радиальном и осевом направлениях (рис. 4-1). В концентрических обмотках взаимодействие продольного поля рассеяния (Bdcv) с токами в проводах обмотки создает радиальные силы Fv, которые стремятся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю.

Рис. 4-1. Силы, возникающие в магнитном поле рассеяния концентрической обмотки.
я — магнитное поле рассеяния; 6 — направление радиальных сил; 1 — магнитопровод; 2 — обмотка НН; 3 — обмотка ВН.
Считают, что сила Fv равномерно распределена по периметру обмотки, как это показано на рис. 4-1,6. Величина ее в ньютонах равна [Л. 5]:
(4-1)
где Вср — средняя величина индукции продольного поля, Т; /к.м — максимальное мгновенное значение тока в обмотке, А; ш — число витков в обмотке; 1В — средняя длина витка, м.
Сила, сжимающая обмотку в осевом направлении, Foe зависит от формы и направления поперечного поля рассеяния Bq. Для случая, рассмотренного на рис. 4-1, эта сила [5] в ньютонах равна:
(4-2)
где Fp — радиальная сила, определяемая по формуле (4-1); I — высота обмотки, м; ар — величина, характеризующая радиальный размер обмоток, м:

где «1 — радиальный размер обмотки НН; а2 — радиальный размер обмотки ВН; а\2 — зазор между обмотками.
Из формул (4-1) и (4-2) видно, что радиальные Fv и осевые F0c силы, воздействующие на обмотку, зависят как от геометрических параметров обмотки, так и от тока, протекающего в обмотке.
При коротких замыканиях или коммутационных воздействиях в обмотке протекают токи, в 10—20 раз превышающие номинальные значения, вызывая резкое увеличение механических воздействий. Особо следует учитывать кратковременный характер воздействия сил от короткого замыкания, при которых действуют уже законы динамики, и приведенные статические расчеты усилий могут дать результаты значительно меньше фактических.
Радиальные силы воспринимаются проводниками обмотки, вызывая в них напряжения растяжения (или сжатия), равные, МПа,
(4-3)
где П — поперечное сечение витка обмотки, м2.
Формула (4-3) справедлива только в том случае, когда все витки в радиальном направлении воспринимают нагрузку равномерно., т. е. если между витками в радиальном направлении нет зазора. В противном случае нагрузка будет восприниматься отдельными витками не равномерно, что может привести к остаточной деформации проводников, т. е. к снижению механической прочности и повышению нагрева проводников.
Сжимающая радиальная сила, воздействующая на виток, вызывает иногда потерю устойчивости обмотки в радиальном направлении, даже если в ней предельные 62
напряжения сжатия не превысили допустимых для данного проводника.
Если условно рассматривать обмотку как кольцо, имеющее несколько опор и нагруженное равномерно сжимающей статической нагрузкой, то критическое напряжение (в паскалях), при превышении которого произойдет потеря его устойчивости [25], определится как

(4-4)
где Е — модуль упругости проводника, Па; а — радиальный размер обмотки, м; с — число опор; D — средний диаметр обмотки, м; I — длина пролета между опорами, м.
Эксперименты показывают, что при динамическом нагружении, характерном при коротком замыкании, критическое напряжение может быть заметно больше, чем определяемое по формуле (4-4). Особенно этому способствует наличие «начальных неправильностей» [25], которые могут быть вызваны технологическими факторами: отступлением от концентрической формы внутреннего витка обмотки, разной толщиной установленных реек, неравномерным и неплотным прилеганием витков в радиальном направлении, местными изгибами проводника и т. д. В то же время установлено, что чем плотнее витки обмоток в осевом направлении прилегают друг к другу, тем устойчивее обмотка в радиальном направлении. Еще не найден точный математический учет влияния технологических факторов на устойчивость обмоток, однако экспериментальная проверка показала их существенное влияние, поэтому весьма важно при изготовлении обмоток не допускать или свести к минимуму те явления, которые могут привести к снижению устойчивости обмоток.
Осевые сжимающие усилия Foc воспринимаются межкатушечными прокладками и опорными элементами, вызывая в них напряжения сжатия, Па,

где Foc — осевая сила сжатия, найденная по. формуле (4-2); п — число опорных столбов прокладок по окружности витка; а — радиальный размер обмотки, м; b — ширина прокладок, м,
Напряжения сжатия при коротком замыкании аос могут достигать 35—40 МПа [5].
В винтовых, непрерывных и дисковых обмотках в качестве опор используются электрокартонные прокладки (дистанцирующие катушки или витки в осевом направлении), а также прокладки уравнительной и опорной изоляции. Опорные элементы, с одной стороны, должны быть способны воспринимать без разрушения осевые усилия, возникающие в обмотке при коротком замыкании, а с другой — не изменить своего размера по высоте, так как в противном случае изменится осевой размер обмотки, вследствие чего может произойти потеря прессовки (от нажимных прессующих устройств, закрепленных на верхней ярмовой балке). Ослабление прессовки и появление разрывов в осевом строении обмотки могут привести к удару, что является крайне опасным при динамическом воздействии на обмотку.
Так как механические прочностные характеристики изоляционного материала значительно ниже проводникового материала, то они подвергаются большим деформациям от осевой механической нагрузки, существенно изменяя осевой размер одной или нескольких обмоток.
Таким образом, обмотки трансформатора станут несимметричными с неодинаковой высотой и, следовательно, с различным распределением м. д. с. по высоте. Поэтому осевые силы могут оказаться опасными, так как они стремятся увеличить ту несимметрию, вследствие которой они возникли. Под действием этих усилий при больших токах обмотки могут деформироваться, в результате чего трансформатор может быть выведен из строя. С целью уменьшения осевых сил при коротких замыканиях и повышения осевой устойчивости обмоток применяют целый ряд конструктивных и технологических решений. Так, все катушечные обмотки выполняются с наружными, так называемыми «прошивными» рейками.
К конструктивным решениям следует также отнести предварительную запрессовку обмоток между ярмовыми балками магнитопровода с помощью специальных нажимных винтов с заданным усилием.
В некоторых конструкциях трансформаторов вместо нажимных винтов устанавливают гидродомкраты, которые позволяют производить дополнительную прессовку обмоток в процессе эксплуатации, так как исследования 
[29] показали, что динамические воздействия на обмотку трансформатора при коротком замыкании сопровождаются потерей силы запрессовки обмоток в пределах 40—70%.
Наряду с конструктивными мерами в последние годы внедрены специальные технологические процессы, направленные на стабилизацию осевого размера обмотки в процессе эксплуатации трансформатора. Главными из них являются плотная намотка обмотки за счет осевой и радиальной подпрессовки обмотки в процессе намотки; применение уплотненного электроизоляционного картона и специальных режимов обработки, сводящих к минимуму изменение осевых размеров обмотки при ее прессовке и вакуумной сушке.