§ 6. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ В ТРАНСФОРМАТОРАХ
Общие сведения.
На проводники обмоток с током в поле рассеяния действуют электродинамические силы, которые создают механические напряжения в обмотках и частично передаются на элементы конструкции трансформатора. При нормальной работе эти силы невелики, однако в экстремальных условиях, например при коротком замыкании, они вырастают в сотни раз и могут легко разрушить трансформатор, если не приняты специальные меры к его защите.
Многие сборочные работы непосредственно влияют на электродинамические усилия. Иногда качество выполнения сборочных операций не удается проверить ни внешним осмотром, ни контролем испытательной станции. Например, слабая запрессовка внутренней обмотки может обнаружиться только в эксплуатации, после нескольких коротких замыканий, одно из которых окажется разрушительным для трансформатора. Поэтому сборщик должен знать причины возникновения, характер воздействия и способы уменьшения электродинамических усилий.
Электродинамические усилия при равномерном распределении мдс.
Рис. 5. Схема действия радиальных и осевых сил на обмотки двухобмоточного трансформатора (а — при одинаковой высоте обмоток, б — при укороченной наружной обмотке) и радиальных сил на катушки обмоток (в)
Рис. 6. Деформация внутренней обмотки от воздействия радиальных сил:
а — звездообразная форма, б — потеря устойчивости
На рис. 5, а показаны обмотки и направления действия внутренних Foc1 и Fос2 и внешних сил Fос1 и Fp2 при равномерном распределении мдс. Осевые силы (определяются радиальной составляющей поля рассеяния) стремятся уменьшить высоту обмоток, радиальные (определяются осевой составляющей поля) — сжать внутреннюю и разорвать наружную обмотки (рис. 5, б). Из диаграммы распределения индукции поля рассеяния (см. рис. 3, а) видно, что наибольшие осевые силы, изгибающие провода обмотки в вертикальном направлении, возникают в торцовых катушках, где наибольшая индукция радиального поля, причем осевые усилия не только изгибают провода и катушки, но и сжимают прокладки между ними. При этом максимальные сжимающие усилия испытывают прокладки в середине обмотки, поскольку на них передается сумма всех осевых сил, действующих на все катушки обмотки.
Радиальные силы распределяются равномерно по окружности каждой катушки (рис. 5, в). Наибольшие усилия обнаруживаются в катушках средней части обмоток, где индукция осевого поля наибольшая. В торцовых катушках действуют несколько меньшие силы, поскольку индукция осевого поля на торцах обмоток составляет 0,7—0,8 наибольшей, однако суммарные воздействия на провода торцовых катушек осевой и радиальных сил оказываются значительными.
Силы, воздействующие на внутреннюю обмотку, сжимают ее, стремясь «сократить» длину проводов обмотки (рис. 5, в). Если результирующее напряжение в обмотке окажется больше
предела текучести материала провода, то появляются остаточные деформации и обмотка разрушается, приобретая типичную звездообразную форму (рис. 6, а). Иногда остаточные деформации могут иметь другую форму: в одном пролете происходит прогиб обмотки внутрь, а в соседнем — наружу; такую деформацию называют потерей устойчивости (рис. 6, б).
Радиальные усилия, воздействующие на наружную обмотку, стремятся растянуть ее провода. Особенно опасны они для винтовых обмоток, так как могут «раскрутить» их и «оторвать» концы, поэтому эти обмотки редко располагают снаружи и обязательно принимают специальные меры против возможного «раскручивания» витков.
Электродинамические усилия при неравномерном распределении мдс. Разная высота обмоток (см. рис. 3, в и 5, б), встречающаяся в практике сборочных работ, приводит к неравномерному распределению мдс и резкому увеличению максимума («пика») радиальной составляющей поля рассеяния, при этом возникают внешние силы, которые имеют не только радиальные, но и осевые составляющие, дополняющие собственные осевые силы. Внешние осевые силы всегда направлены так, чтобы увеличить создавшую их несимметрию.
Внешние осевые силы являются частыми причинами аварий, поэтому при сборке трансформаторов необходимо, строго следить за правильным расположением обмоток на стержне, не допуская несовпадения осей и высот обмоток.
§ 7. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА
Трансформатор может работать в режимах холостого хода и нагрузки (изменяющейся от нуля до номинальной), указанной в его паспортной табличке. Существует еще один режим работы трансформатора, характеризуемый резким увеличением потоков рассеяния и механических усилий в обмотках, который возникает, когда, например, первичная обмотка трансформатора получает питание от источника, а вторичная замкнута накоротко на своих зажимах (вводах). Такой режим называют режимом короткого замыкания (к. з.) трансформатора.
Реактивное сопротивление при коротком замыкании. В режиме короткого замыкания вторичная обмотка продолжает получать энергию из первичной и отдавать ее потребителю, которым является теперь сама вторичная обмотка с отводами и вводами. Электрическое сопротивление такого замкнутого участка гк, естественно, окажется в тысячи раз меньше сопротивления нагрузки. Кажется, что возросшие вследствие этого первичный и вторичный токи должны в доли секунды сжечь обмотки, а поля рассеяния мгновенно разрушить трансформатор. Однако трансформаторы, как правило, выдерживают короткое замыкание в те малые промежутки времени, пока защита не отключит их от сети. Объясняется это тем, что при коротком замыкании резко увеличиваются ноля и эдс рассеяния трансформатора (см. § 5), которые и ограничивают токи короткого замыкания до значения, в 10—25 раз превышающего номинальные. Следовательно, потери в обмотках при коротком замыкании, хотя и возрастают (пропорционально квадрату тока) в 100—625 раз, однако не так значительно, чтобы за время короткого замыкания сжечь трансформатор.
Таким образом, поля рассеяния ограничивают токи короткого замыкания и защищают обмотки от чрезмерных тепловых нагрузок и электродинамических усилий.
Электродинамические усилия при коротком замыкании. Как указывалось ранее, электродинамические усилия, возникающие при взаимодействии токов и полей рассеяния, при нормальной работе трансформатора невелики. Однако при коротком замыкании, когда токи возрастают в десятки раз, усилия увеличиваются в сотни раз и могут быть очень опасны. Именно при коротком замыкании возникают деформация обмоток с потерей устойчивости (см. рис. 6, б), изгиб катушек и смятие прокладок от осевых сил и другие разрушения, приводящие к аварии трансформатора.
Кроме указанных способов снижения электродинамических усилий (см. § 6) надо отметить следующее. Одной из сборочных операций является осевая запрессовка обмоток, выполняемая дважды: первый раз после насадки обмоток и установки верхних ярмовых балок (перед проверкой испытательной станцией), второй раз — после сушки активной части. Для уменьшения усилий особенно важна вторая запрессовка.
Опыт эксплуатации показывает, что разрушающие усилия при коротком замыкании во многом зависят от степени запрессовки, т. е. является ли обмотка единым телом или ее катушки могут незначительно перемещаться. В последнем случае опасен резонанс (совпадение) частоты собственных механических колебаний катушки с частотой (100 Гц) электродинамических сил. В процессе резонанса разрушение обмотки может произойти при усилиях, которые в обычных условиях совершенно не опасны.
Большое значение для прочности обмотки имеет частота короткого замыкания. Есть трансформаторы (например, электропечные), для которых частые короткие замыкания обычны в эксплуатации, поэтому для них особенно важна надежная запрессовка обмоток.
Поскольку бумажная изоляция проводов при частых коротких замыканиях перетирается и разрушается, создаются условия для возникновения новых коротких замыканием. Эту опасность снимает только запрессовка. желательна также усадка (усушка) изоляционных прокладок между катушками, так как образующая «слабина» создает возможность механических колебаний катушек и разрушения изоляции.
Рис. 7. Короткое замыкание части витков обмотки
Таким образом, при сборке трансформаторов необходимо устранять усадку изоляции, выравнивать высоты, обеспечивать надежную запрессовку обмоток.
Короткое замыкание вне зажимов. Витковое замыкание.
Короткое замыкание может возникнуть не только на вводах трансформатора, но и во внешней электросети.
Далекие короткие замыкания менее опасны, так как полное сопротивление (реактивное и электрическое) замкнутого контура складывается в этом случае из сопротивлений не только трансформатора, но и соединительных проводов, различных потребителей и других элементов в цепи короткозамкнутого участка. Значительно опаснее близкие короткие замыкания, особенно в обмотке трансформатора, возникающие из-за повреждения изоляции витков и называемые витковыми.
При витковом замыкании между местом короткого замыкания и концом обмотки (рис. 7) заключена часть витков в которой проходит ток короткого замыкания. Известно, что мдс обмоток уравновешиваются:
Предположим, что ток короткого замыкания в первичной обмотке превысил номинальный в 10 раз, а в закороченной части вторичной обмотки имеется 1% витков, тогда ток в замкнутых накоротко витках может превысить в сотни и даже тысячи раз номинальный. В этих условиях короткозамкнутые витки мгновенно перегреваются (температура за 0,1—0,2 с достигает температуры плавления), провод плавится и капли меди с силой разбрасываются по обмотке, попадая на активную сталь, ярмовые балки и бак. Поэтому характерным признаком виткового короткого замыкания являются шарики меди, появившиеся при расплавлении провода в месте короткого замыкания. Другой признак виткового замыкания — значительная деформация обмотки, вызванная электродинамическими усилиями.
Повреждение изоляции обмоточных проводов происходит при небрежном выполнении обмоточных работ (намотке, стяжке, отделке обмоток), но иногда и в процессе сборки трансформатора, например при подготовке обмоток к насадке, обрубке клиньев, транспортировке. Даже незначительное нарушение изоляции провода (обрыл одной полоски бумаги) может оказаться причиной виткового короткого замыкания.
Витковые короткие замыкания очень опасны, так как сопровождаются разрушением обмоток и выходом трансформатора из строя. Единственной реальной гарантией трансформатора от витковых коротких замыканий является тщательное выполнение обмоточных и сборочных работ, обеспечивающее механическую и электрическую прочность изоляции проводов.
