МАГНИТОПРОВОДЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Магнитопровод * силового трансформатора представляет собой комплект пластин электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенную геометрическую форму, и служит для локализации в нем основного магнитного поля трансформатора. Он является важнейшим и конструктивно сложным элементом трансформатора, участвующим в энергопреобразующем процессе и вместе с обмотками составляющим его активную часть. Магнитопровод обладает магнитным сопротивлением зависящим От длины цепи, его поперечного сечения и свойств материала, из которого он собран1 — Магниткой проницаемости стали. Чтобы при данном магнитном потоке и, следовательно, заданной плотности потока на единицу поперечного сечения (магнитной индукции) уменьшить намагничивающий ток, необходимо значительно снизить магнитное сопротивление активной части магнитопровода, т. е. изготовить его из материала, обладающего высокой проницаемостью. Такими материалами являются горячекатаные и холоднокатаные электротехнические (трансформаторные) стали.
В трансформаторостроении ранее применяли электротехнические стали следующих марок — горячекатаную Э22, Э41, Э42, Э43, Э43А и холоднокатаную текстурованную Э310, Э320, Э330, Э330-А, Э330-АП. В настоящее время используют сталь 38 марок (ГОСТ 21427.0 — 75). Обозначения марок стали состоят из четырех цифр: первая цифра указывает класс по структурному состоянию и виду проката; вторая — содержание кремния, третья — группу по основной нормируемой характеристике, четвертая — порядковый номер типа стали.
Электротехнические стали подразделяют: по структурному состоянию и виду проката на три класса (первый — горячекатаная изотропная ** , второй — холоднокатаная изотропная, третий — холоднокатаная анизотропная *** ); по содержанию кремния на шесть групп; по основной нормируемой характеристике на пять групп, определяемых по удельным потерям при соответствующих магнитной индукции и частоте.
*Магнитопровод — это краткая форма стандартного термина «магнитная система».
**Изотропными называет материалы с одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям.
***Анизотропными называют материалы, свойства которых не одинаковы по различным направлениям. Трансформаторы с остовом магнитопровода из анизотропной текстурованной электротехнической стали примерно на 20 — 30% легче трансформаторов с остовом магнитопровода из обычной и широко ранее применяемой горячекатаной стали:
Горячекатаную изотропную электротехническую сталь изготовляют в виде листов (ГОСТ 21427.3 — 75), различаемых по точности проката и толщине — нормальной (Н) и повышенной (П) точности. Листы стали поставляются в термически обработанном состоянии с травленой (Т) или нетравленой (НТ) гладкой поверхностью, не имеющей ржавчины, отслаивающейся окалины и иных дефектов, препятствующих, нанесению на нее изоляции.4 Холоднокатаную анизотропную электротехническую сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 21427.1 — 75 и стандартом СЭВ СТ 102 — 74 и по виду покрытия подразделяют: с электроизоляционным термостойким (ЭТ), не ухудшающим штампуемость — мягкое (М), без покрытия (БП). Холоднокатаную изотропную электротехническую сталь выпускают 11 марок с термостойким электроизоляционным покрытием (ЭТ), с нетермостойким (Э) и без покрытия (БП).
Магнитные свойств электротехнических сталей характеризуются намагничиванием, а потери в них от вихревых токов и гистерезиса определяются удельными потерями (потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном напряжении). В трансформаторостроении применяют листовую и рулон- ную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм.
Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака * . Магнитопроводы представляют собой жесткую конструкцию, на которой устанавливают и закрепляют обмотки НН и ВН, отводы, переключатели и другие детали активной части трансформаторов. Выпускают два типа магнитопроводов: стержневой и броневой. Наиболее распространен стержневой магнитопровод (рис. 31), который состоит из вертикальных стержней 1 со ступенчатым сечением, вписывающихся в круг. На стержнях расположены обмотки 2 цилиндрической формы. Верхняя и нижняя части магнитопровода, замыкающие стержни и не имеющие обмоток, называются ярмами магнитопровода. Ярма, связывая все стержни магнитопровода, образуют замкнутую магнитную цепь и. одновременно придают определенную жесткость и механическую прочность конструкции, что крайне необходимо, так как на магнитопровод часто действуют большие динамические усилия, вызываемые короткими замыканиями в сети.
*Пластины остова магнитопровода трансформаторов старых конструкций изолированы тонкой бумагой, приклеенной к пластине. Такие трансформаторы еще встречаются довольно часто в ремонтной практике.
Броневой магнитопровод (рис. 32) имеет горизонтально расположенные прямоугольные стержни, на которых размещаются обмотки прямоугольной формы.
В нашей стране находится в эксплуатации небольшое количество трансформаторов иностранных фирм и отечественного изготовления с магнитопроводами броневого типа.
Рис. 32. Броневой магнитопровод
Рис. 31. Стержневой магнитопровод: 1 — стержень, 2 — обмотка, 3 — ярмо
Большинство из них имеется в трансформаторах старых конструкций. Ремонтные предприятия при необходимости производят реконструкцию таких трансформаторов, значительно повышая их мощность и улучшая характеристики. В настоящее время броневые магнитопровода в трансформаторах общего назначения не применяются из-за сложности технологии их изготовления. Их используют только в некоторых типах специальных трансформаторов, например печных.
По способу соединения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции магнитопроводов.
При стыковой конструкции стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем сверху приставляют верхнее ярмо. Чтобы избежать замыкания пластин, между стыкующимися частями магнитопровода помещают изоляционные прокладки из электрокартона. После установки верхнего ярма всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция существенно облегчает сборку и разборку, поскольку для насадки и демонтажа обмоток достаточно снять верхнее ярмо.
Однако стыковая конструкция магнитопровода не свободна от недостатков, имеющих существенное значение при изготовлении, ремонте и эксплуатации трансформаторов с такими магнитопроводами. К ним относят: большой ток холостого хода (приблизительно в 1,5 раза), чем у магнитопроводов шихтованной конструкции, и повышенное гудение трансформатора при его работе. Больший ток холостого хода — следствие сплошных немагнитных зазоров между ярмами и стержнями. Сила этого тока зависит от точности резки, штамповки стали и сборки магнитопровода, а также толщины изоляционной прокладки, закладываемой в стыки. Чем толще эта подкладка и хуже точность обработки стали, тем выше магнитное сопротивление и соответственно намагничивающий ток. Основным затруднением при ремонте стыкового магнитопровода
является создание ровных стыковых поверхностей ярм и стержней. При перекосе стыка или неодинаковом сжатии прокладок на разных стержнях плохо стянутые в осевом направлении стержни под действием силы магнитного притяжения начинают вибрировать между ярмами, разбивая изоляционную прокладку. В этом случае листы активной стали стержней и ярм замыкаются и в трансформаторе могут возникнуть замкнутые контуры тока, приводящие к серьезной аварии («пожару в стали»).
В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов общего назначения изготовляют шихтованными. Стержни и ярма собирают в переплет, т. е. разбивают по толщине на слои (обычно по два или три листа), составленные из отдельных пластин так, чтобы в каждом слое часть пластин стержня заходила в ярмо. При этом пластины одного слоя перекрывают стыки пластин смежного слоя. Преимуществами шихтованной конструкции перед стыковой являются меньшая масса и большая механическая прочность, небольшие зазоры в местах стыков и ток холостого хода трансформаторов.
Однако при шихтованной конструкции усложняется сборка трансформатора: для насадки на стержни обмоток приходится сначала расшихтовать верхнее ярмо по отдельным слоям, а затем после насадки, обмоток вновь з ашихтовать. Аналогичные операции производятся и при ремонте трансформаторов с поврежденными обмотками. Шихтовка требует большой тщательности выполнения операций и предельного сокращения зазоров между пластинами стержня и ярма, так как увеличенные зазоры между ними ухудшают условия прохождения магнитного потока и увеличивают ток холостого хода трансформатора.
В отечественном трансформаторостроении в конструкциях стержневых магнитопроводов применяют «косой стык» (образуемый пластинами, стороны которых срезаны чаще всего под углом 45°) с целью уменьшения участка магнитной цепи, на котором направление магнитного потока линий магнитной индукции не совпадает с направлением прокатки листов стали. Для холоднокатаной электротехнической стали, из которой в настоящее время изготовляют магнитопроводы силовых трансформаторов, это имеет существенное значение, поскольку ее магнитная проводимость вдоль прокатки значительно выше, чем под углом к ней. В косых стыках зона некоторого, несовпадения направления потока и прокатки листов ограничивается малым объемом стали, прилегающим к стыку пластин, поэтому увеличение потерь на этом участке меньше.
Рис. 33. Магнитопровод трансформатора мощностью 1800 кВА со стяжными шпильками, пропущенными в отверстия стержней и ярм:
1 — стержень магнитопровода, 2 и 12 — верхнее и нижнее ярма, 3 и 13 — верхние и нижние ярмовые балки, 4 — горизонтальная стяжная шпилька, прессующая ярмо, 5 — вертикальная прессующая шпилька, 6 — изолирующая прокладка, 7 - отверстия для подъемных шпилек, 8 — горизонтальная стяжная шпилька, прессующая стержень, 9 — изоляционная трубка вертикальной прессующей шпильки, 10 — опорная стальная пластина, 11 — деревянная планка
Шихтовка магнитопроводов с косыми срезами в пластинах сложнее, чем с прямоугольными листами, в связи с чем усложняется также устройство стяжки ярм, поэтому трудоемкость сборки магнитопровода с косыми стыками значительно увеличивается. В некоторых конструкциях трехфазных магнитопроводов ограничиваются косыми стыками только у крайних стержней. Средний стержень выполняется с обычными прямыми стыками. При использовании косого стыка в конструкции магнитопровода снижаются потери холостого хода.
Стальные пластины стержней и ярм магнитопровода должны быть прочно спрессованы, для чего в трансформаторостроении до последнего времени в активной стали создавали (путем штамповки пластин) специальные отверстия. В эти отверстия собранного магнитопровода вставлялись горизонтальные шпильки и с их помощью стягивались стержни и ярма магнитопровода. Во избежание замыкания пластин, которое может вызвать увеличение вихревых токов и сильный местный нагрев вплоть до. «пожара в стали», шпильки надежно изолировали от активной стали.
Однако конструкции магнитопроводов с отверстиями в активной стали стержней и ярм (рис. 33) имеют существенные недостатки. Отверстия штампуются на специальных прессах (это одна из наиболее трудоемких операций при изготовлении магнитопроводов); вокруг каждого отверстия появляется зона механически деформированной стали (для снятия возникшего наклепа необходим отжиг пластин); отверстия уменьшают сечений и вызывают местное увеличение потерь холостого хода. Наконец, даже самая надежная изоляция шпилек, прессующих стержни и ярма магнитопровода, может со временем нарушиться с тяжелыми последствиями для трансформатора.
Рис. 34, Ярмо магнитопровода, запрессованное полубандажами:
1 — стальная лента, 2 — шпилька, 3 — пластина из стеклопластика, 4 — прессующая, гайка, 5 — изоляция стальной шпильки трубкой
Поэтому в последнее время широко применяют конструкции «бесшпилечных» магнитопроводов. Существует довольно много конструкций бесшпилечных магнитопроводов, отличающихся способом прессовки стержней и ярм. Так, у трансформаторов мощностью 250 — 630 кВ-А стержни затягивают временными струбцинами еще в горизонтальном положении сразу после сборки. При насадке обмоток (как правило, намотанных на бумажно-бакелитовом цилиндре) струбцины снимают, а между цилиндром и, магнитопроводом устанавливают деревянные планки и клинья, жестко прессующие пластины стержня.
У трансформаторов большей мощности стержни прессуют бандажами стальными или из стеклоленты. Чтобы избежать образования замкнутого витка, стальные, бандажи выполняют с изолирующей пряжкой. Бандажи из стеклоленты наматывают с помощью специального устройства позволяющего равномерно укладывать ленту с необходимым натягом для запрессовки стержня.
Для прессовки ярм используют вынесенные за крайние стержни шпильки, стягивающие ярмовые балки (балки делают механически очень прочными), или стальные полубандажи, охватывающие верхние и нижние ярма. В некоторых конструкциях вместо полубандажей ставят стальные шпильки, требующие, однако, некоторого увеличения окна магнитопровода.
Ярмо магнитопровода, запрессованное стальными полубандажами, показано на рис. 34. Полубандаж представляет собой стальную ленту 1 шириной 40 — 60 мм и толщиной 4 — 6 мм (обычно берут две ленты толщиной по 2 — 3 мм). К концам ленты приваривают стальные шпильки 2, пропускаемые через пластины 3 из прочного изоляционного материала (чаще всего применяют стеклопластики). При затяжке гаек 4, наворачиваемых на шпильки, создается необходимое усилие, запрессовки ярма. Чтобы избежать замыкания пластин стали ярма полубандажом, под него подкладывают коробочку из электрокартона толщиной 2 — 3 мм.
Однако одни полубандажи не могут создать усилий, достаточных для прессовки ярма. Для затяжки ярм обязательно применяют специальные стяжные устройства по торцам магнитопровода, вынесенные за активную сталь. Это могут быть стальные шпильки, изолированные бумажно-бакелитовыми трубками 5 от возможного замыкания со стержнем.
Во время работы трансформатора между его обмотками и заземленными частями (например, баком) существует электрическое поле. Все металлические части трансформатора, находящиеся в этом поле, заряжаются, т. е. приобретают некоторый потенциал. Между заряженными деталями и заземленным баком возникают разности потенциалов. Несмотря на малую величину они могут оказаться достаточными для пробоя небольших, изоляционных промежутков, разделяющих металлические части. Пробои нежелательны, поскольку ведут к разложению и порче масла и всегда сопровождаются характерным треском, что вызывает сомнения в исправности изоляции трансформатора. Поэтому магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют, т. е. придают им всем одинаковый потенциал — потенциал бака (земли); возникающие при этом электрические заряды по заземлениям «стекают» с металлических деталей трансформатора в землю.
Заземляют ярмовые балки, все металлические крепления и детали, за исключением горизонтальных стяжных шпилек, потенциал которых всегда близок к потенциалу стали магнитопровода. Заземление осуществляют с помощью медных лент, вставляемых между пластинами стали магнитопровода и закрепляемых другими концами на ярмовой балке. Верхнюю и нижнюю балки связывают вертикальными стяжными шпильками, а с заземленным баком трансформатора — подъемной шпилькой.
Возможны различные способы заземления металлических деталей; они зависят от конструкции магнитопровода, крепления активной части в баке, связи между отдельными деталями. В любом случае выполнение указаний о заземлении отдельных элементов конструкции трансформатора является обязательным. .
Магнитопровод — наиболее ответственная часть, от правильной сборки и способа выполнения заземления которого в значительной мере зависит нормальная и длительная работа трансформатора.
