Електродинамічні сили, коротке замикання - збірка трансформаторів

§ 6. електродинамічних СИЛИ В трансформатор

Загальні відомості.

На провідники обмоток зі струмом в поле розсіювання діють електродинамічні сили, які створюють механічні напруги в обмотках і частково передаються на елементи конструкції трансформатора. При нормальній роботі ці сили невеликі, проте в екстремальних умовах, наприклад при короткому замиканні, вони виростають в сотні разів і можуть легко зруйнувати трансформатор, якщо не прийняті спеціальні заходи до його захисту.
Багато складальні роботи безпосередньо впливають на електродинамічні зусилля. Іноді якість виконання складальних операцій не вдається перевірити ні зовнішнім оглядом, ні контролем випробувальної станції. Наприклад, слабка запрессовка внутрішньої обмотки може виявитися тільки в експлуатації, після кількох коротких замикань, одне з яких виявиться руйнівним для трансформатора. Тому складальник повинен знати причини виникнення, характер впливу і способи зменшення електродинамічних зусиль.

Електродинамічні зусилля при рівномірному розподілі мдс.

Мал. 5. Схема дії радіальних і осьових сил на обмотки двохобмотувальні трансформатора (а - при однаковій висоті обмоток, б - при укороченою зовнішньої обмотці) і радіальних сил на котушки обмоток (в)

Мал. 6. Деформація внутрішньої обмотки від впливу радіальних сил:
а - зіркоподібна форма, б - втрата стійкості

На рис. 5, а показані обмотки і напрямки дії внутрішніх Foc1 і Fос2 і зовнішніх сил Fос1 і Fp2 при рівномірному розподілі мдс. Осьові сили (визначаються радіальної складової поля розсіювання) прагнуть зменшити висоту обмоток, радіальні (визначаються осьової складової поля) - стиснути внутрішню і розірвати зовнішню обмотки (рис. 5, б). З діаграми розподілу індукції поля розсіювання (див. Рис. 3, а) видно, що найбільші осьові сили, згинальні дроти обмотки в вертикальному напрямку, виникають в торцевих котушках, де найбільша індукція радіального поля, причому осьові зусилля не тільки згинають дроти і котушки, але і стискають прокладки між ними. При цьому максимальні стискаючі зусилля зазнають прокладки в середині обмотки, оскільки на них передається сума всіх осьових сил, що діють на всі котушки обмотки.
Радіальні сили розподіляються рівномірно по колу кожної котушки (рис. 5, в). Найбільші зусилля виявляються в котушках середній частині обмоток, де індукція осьового поля найбільша. У торцевих котушках діють дещо менші сили, оскільки індукція осьового поля на торцях обмоток становить 0,7-0,8 найбільшою, проте сумарні впливу на дроти торцевих котушок осьової і радіальних сил виявляються значними.
Сили, що впливають на внутрішню обмотку, стискають її, прагнучи «скоротити» довжину проводів обмотки (рис. 5, в). Якщо результуюча напруга в обмотці виявиться більше
границі текучості матеріалу дроти, то з'являються залишкові деформації і обмотка руйнується, набуваючи типову зіркоподібну форму (рис. 6, а). Іноді залишкові деформації можуть мати іншу форму: в одному прольоті відбувається прогин обмотки всередину, а в сусідньому - назовні; таку деформацію називають втратою стійкості (рис. 6, б).
Радіальні зусилля, що впливають на зовнішню обмотку, прагнуть розтягнути її проводу. Особливо небезпечні вони для гвинтових обмоток, так як можуть «розкрутити» їх і «відірвати» кінці, тому ці обмотки рідко розташовують зовні і обов'язково приймають спеціальні заходи проти можливого «розкручування» витків.
Електродинамічні зусилля при нерівномірному розподілі мдс. Різна висота обмоток (див. Рис. 3, в і 5, б), що зустрічається в практиці складальних робіт, призводить до нерівномірного розподілу мдс і різкого збільшення максимуму ( «піку») радіальної складової поля розсіювання, при цьому виникають зовнішні сили, які мають не тільки радіальні, але і осьові складові, що доповнюють власні осьові сили. Зовнішні осьові сили завжди спрямовані так, щоб збільшити створила їх несиметрію.
Зовнішні осьові сили є частими причинами аварій, тому при складанні трансформаторів необхідно, строго стежити за правильним розташуванням обмоток на стержні, не допускаючи розбіжності осей і висот обмоток.

§ 7. КОРОТКЕ ЗАМИКАННЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор може працювати в режимах холостого ходу і навантаження (що змінюється від нуля до номінальної), зазначеної в його табличці. Існує ще один режим роботи трансформатора, що характеризується різким збільшенням потоків розсіювання і механічних зусиль в обмотках, який виникає, коли, наприклад, первинна обмотка трансформатора живиться від джерела, а вторинна замкнута накоротко на своїх затискачах (вводах). Такий режим називають режимом короткого замикання (к. С.) Трансформатора.
Реактивний опір при короткому замиканні. У режимі короткого замикання вторинна обмотка продовжує отримувати енергію з первинної і віддавати її споживачеві, яким є тепер сама вторинна обмотка з відводами і уведеннями. Електричний опір такого замкнутого ділянки гк, природно, виявиться в тисячі разів менше опору навантаження. Здається, що зрослі внаслідок цього первинний і вторинний струми повинні в частки секунди спалити обмотки, а поля розсіювання миттєво зруйнувати трансформатор. Однак трансформатори, як правило, витримують коротке замикання в ті малі проміжки часу, поки захист не відключить їх від мережі. Пояснюється це тим, що при короткому замиканні різко збільшуються нуля і ЕРС розсіювання трансформатора (див. § 5), які і обмежують струми короткого замикання до значення, в 10-25 разів перевищує номінальні. Отже, втрати в обмотках при короткому замиканні, хоча і зростають (пропорційно квадрату струму) в 100-625 разів, однак не так значно, щоб за час короткого замикання спалити трансформатор.
Таким чином, поля розсіювання обмежують струми короткого замикання і захищають обмотки від надмірних теплових навантажень і електродинамічних зусиль.
Електродинамічні зусилля при короткому замиканні. Як зазначалося раніше, електродинамічні зусилля, що виникають при взаємодії струмів і полів розсіяння, при нормальній роботі трансформатора невеликі. Однак при короткому замиканні, коли струми зростають в десятки разів, зусилля збільшуються в сотні разів і можуть бути дуже небезпечні. Саме при короткому замиканні виникають деформація обмоток з втратою стійкості (див. Рис. 6, б), вигин котушок і зминання прокладок від осьових сил і інші руйнування, що призводять до аварії трансформатора.
Крім зазначених способів зниження електродинамічних зусиль (див. § 6) треба відзначити наступне. Однією з складальних операцій є осьова запрессовка обмоток, виконувана двічі: перший раз після насадки обмоток і установки верхніх ярмових балок (перед перевіркою випробувальної станцією), другий раз - після сушки активної частини. Для зменшення зусиль особливо важливою є друга запрессовка.
Досвід експлуатації показує, що руйнують зусилля при короткому замиканні в чому залежать від ступеня запресовування, т. Е. Є обмотка єдиним тілом або її котушки можуть незначно переміщатися. В останньому випадку небезпечний резонанс (збіг) частоти власних механічних коливань котушки з частотою (100 Гц) електродинамічних сил. В процесі резонансу руйнування обмотки може статися при зусиллях, які в звичайних умовах абсолютно безпечні.
Велике значення для міцності обмотки має частота короткого замикання. Є трансформатори (наприклад, електропічні), для яких часті короткі замикання звичайні в експлуатації, тому для них особливо важлива надійна запрессовка обмоток.
Оскільки паперова ізоляція проводів при частих коротких замикань перетирається і руйнується, створюються умови для виникнення нових коротких замиканням. Цю небезпеку знімає тільки запрессовка. бажана також усадка (усушка) ізоляційних прокладок між котушками, так як утворює «слабке місце» створює можливість механічних коливань котушок і руйнування ізоляції.

Мал. 7. Коротке замикання частини витків обмотки
Таким чином, при складанні трансформаторів необхідно усувати усадку ізоляції, вирівнювати висоти, забезпечувати надійну запрессовку обмоток.

Коротке замикання поза затискачів. Витковое замикання.

Коротке замикання може виникнути не тільки на вводах трансформатора, а й у зовнішній електромережі.

Далекі короткі замикання менш небезпечні, так як повний опір (реактивне і електричне) замкнутого контуру складається в цьому випадку з опорів не тільки трансформатора, а й сполучних проводів, різних споживачів та інших елементів у ланцюзі короткозамкнутого ділянки. Значно небезпечніше близькі короткі замикання, особливо в обмотці трансформатора, що виникають із-за пошкодження ізоляції витків і звані виткового.
При виткового замиканні між місцем короткого замикання і кінцем обмотки (рис. 7) укладена частина витків в якій проходить струм короткого замикання. Відомо, що мдс обмоток врівноважуються: Припустимо, що струм короткого замикання в первинній обмотці перевищив номінальний в 10 разів, а в закороченому частини вторинної обмотки є 1% витків, тоді струм в замкнутих накоротко витках може перевищити в сотні і навіть тисячі разів номінальний. У цих умовах короткозамкнені витки миттєво перегріваються (температура за 0,1-0,2 с досягає температури плавлення), провід плавиться і краплі міді з силою розкидаються по обмотці, потрапляючи на активну сталь, ярмова балки і бак. Тому характерною ознакою виткового короткого замикання є кульки міді, що з'явилися при розплавленні дроти в місці короткого замикання. Інша ознака виткового замикання - значна деформація обмотки, викликана електродинамічними зусиллями.
Пошкодження ізоляції обмотувальних проводів відбувається при недбалому виконанні обмотувальних робіт (намотування, стяжки, обробці обмоток), але іноді і в процесі складання трансформатора, наприклад при підготовці обмоток до насадки, обрубка клинів, транспортуванні. Навіть незначне порушення ізоляції проводу (обрив однієї смужки паперу) може виявитися причиною виткового короткого замикання.
Виткові короткі замикання дуже небезпечні, так як супроводжуються руйнуванням обмоток і виходом трансформатора з ладу. Єдиною реальною гарантією трансформатора від виткових коротких замикань є ретельне виконання обмотувальних і складальних робіт, що забезпечує механічну і електричну міцність ізоляції проводів.