Вибір марки сталі та ізоляції пластин
Матеріалом для магнітної системи силового трансформатора є електротехнічна холоднокатана анізотропна тонколистова сталь, зазвичай, марок 3404, 3405, 3406, 3407 і 3408 за ГОСТ 21427.1 – 83, що поставляється в рулонах шириною 650, 750, 800, 860 і 1000 мм та товщиною 0,35, 0,3 і 0,27 мм. Використання листової сталі тих же товщин не рекомендується внаслідок збільшення відходів сталі при виготовленні пластин.
Сталь поставляється з нагрівостійким електроізоляційним покриттям товщиною на одну сторону не більше 5 мкм, нейтральним відносно трансформаторного масла при температурі 1050С і маслостійким при 1500С, зберігаючим електроізоляційні властивості до 8000С. Густина холоднокатаної сталі складає 7650 кг/м3, питомий електричний опір – 0,5 мкОм∙м.
Щоб уникнути впливу анізотропії магнітних властивостей холоднокатаної сталі в основній масі стержнів і ярм, пластини для шихтованої магнітної системи слід вирізати так, щоб напрям довгих сторін пластин співпадав з напрямком прокатки. Ця вимога легко виконується при використанні рулонної сталі на сучасних лініях поздовжньої та поперечної порізки.
Поперечний переріз стержня шихтованої магнітної системи, на якому розміщена обмотка, має форму ступеневої симетричної фігури, вписаної в коло. Поперечний переріз ярма, на якому обмотки не розміщуються, може мати таку ж або більш просту (наприклад, прямокутну) форму.
Пластини електротехнічної сталі, для запобігання виникнення між ними вихрових струмів, необхідно надійно ізолювати одна від одної. Сучасне нагрівостійке електроізоляційне покриття забезпечує достатньо міцну та надійну ізоляцію пластин при високому коефіцієнті заповнення КЗ перерізу пакета пластин перерізом чистої сталі. Коефіцієнт заповнення КЗ для холоднокатаної рулонної сталі товщиною 0,35; 0,30 і 0,27 відповідно дорівнює 0,97; 0,96 і 0,95 [1, §2.3].
У трансформаторах потужністю понад 100000 кВА іноді посилюють ізоляцію пластин шляхом нанесення поверх нагрівостійкого покриття одного або декілька шарів лаку КФ-965.
Важливе значення при розрахунку трансформатора має правильний вибір індукції у стержнях. З метою зменшення ваги сталі магнітної системи та обмоток слід вибирати якомога більше значення величини індукції. Однак, збільшення індукції призводить до суттєвого збільшення струму неробочого ходу.
Рекомендовані значення розрахункової індукції в стержнях сучасних масляних трансформаторів [1, §2.3] для вищевказаних марок сталей складають: В=1,55-1,6 Тл для трансформаторів потужністю до 100 кВА і В=1,55-1,65 Тл для трансформаторів потужністю 160 кВА і більше.
Конструювання магнітної системи
При конструюванні плоскої магнітної системи з рулонної холоднокатаної сталі необхідно вибрати план шихтовки пластин. Найменші втрати і струм неробочого ходу можна отримати при шихтовці зі скісними стиками пластин у шістьох кутах (рис. 2.10,а). Суттєво простіша технологія виготовлення пластин і складання магнітної системи за рис.2.10,б зі скісними стиками в чотирьох і прямими в двох кутах при дещо більш високих втратах і струму неробочого ходу.
Рис. 2.10. Варіанти шихтовки магнітної системи
Найбільшого розповсюдження набула схема шихтовки за рис.2.10, б.
При конструюванні магнітної системи трансформатора необхідно передбачити: якнайменші втрати і струм неробочого ходу, мінімальні відходи електротехнічної сталі та більший коефіцієнт заповнення сталлю простору усередині обмотки.
Для того, щоб магнітна система, складена з багатьох пластин тонколистової сталі, мала достатню стійкість і жорсткість, могла витримати механічні зусилля, що виникають між обмотками при короткому замиканні, її верхнє та нижнє ярмо необхідно надійно з'єднати механічно.
Таким з'єднанням верхніх і нижніх ярмових балок у кістяку з плоскою магнітною системою можуть служити вертикальні шпильки, що розміщені поза обмоткою ВН і на достатній відстані від неї або надійно ізольовані. Вертикальні шпильки також можуть бути використані для осьового пресування обмоток за рахунок невеликого зсуву вниз верхніх ярмових балок.
Поперечний переріз стержня має вигляд симетричної ступеневої фігури, що вписана в коло (рис. 2.11). Діаметр цього кола d називають діаметром стержня трансформатора і він є одним із основних його розмірів. Ступеневий переріз стержня (ярма) створюється перерізами пакетів пластин. При цьому пакетом називається купа пластин одного розміру. Чистий переріз сталі в поперечному перерізі стержня або ярма називають активним перерізом стержня або ярма.
Рис. 2.11. Поперечний переріз стержня
Число ступенів, що визначається числом пакетів стержня в одній половині кола, може бути різним. Збільшення числа ступенів збільшує коефіцієнт заповнення площі круга ККР площею ступеневої фігури, але одночасно збільшує число типів пластин, що мають різні розміри, ускладнюючи заготовку пластин і складання магнітної системи.
Для полегшення вибору числа ступенів можна скористатися таблицею 2.2.
Ширину пластин, що визначає ширину і товщину пакетів, вибирають так, щоб при заданому діаметрі було забезпечено отримання найбільшого перерізу стержня при максимальному використанні та мінімальних відходах листової або рулонної сталі. З цією метою для ширини пластин існує нормалізована шкала [1, § 8.1].
Стержні та ярма шихтованої магнітної системи необхідно стягнути і закріпити так, щоб кістяк став достатньо жорсткою конструкцією. Стягування і кріплення кістяка повинні забезпечити його достатню міцність після розшихтовки верхнього ярма при насаджуванні обмоток, підйомі активної частини трансформатора та короткому замиканні на його обмотках, а також відсутність вільної вібрації пластин і мінімальний рівень шуму при роботі трансформатора.
Пресування стержнів може здійснюватися різними способами. Для трансформаторів потужністю до 630 кВА і діаметром стержня до 0,22 м включно добрі результати дає пресування його без використання спеціальних конструкцій шляхом забивання дерев'яних стержнів і планок між стержнем та обмоткою НН або її жорстким ізоляційним паперово-бакелітовим циліндром (рис.2.12). Стержні трансформаторів потужністю більше 630 кВА і діаметром d > 0,22 м стягуються бандажами із скловолокна, розміщеними уздовж висоти стержня на відстані 0,12-0,15 м один від одного. Намотування бандажів із склострічки відбувається на спресовані на спеціальному стенді стержні. Можливе також стягування стержнів бандажами з стальної стрічки, розташованих на відстані 0,12-0,14 м один від одного. Для запобігання створенню короткозамкненого витка бандажі повинні замикатися на пряжках із діелектрика та заземлюватися, щоб на них не нагромаджувалися електричні заряди.
а) б)
Рис. 2.12. Різні способи складання і пресування стержня:
а – шляхом розклинування з циліндром обмотки НН;
б – бандажі із склострічки
Стержні діаметром до 0,36 м, зазвичай, достатньо добре охолоджуються маслом, що омиває їх зовнішню поверхню. При діаметрі стержня 0,36 м і більше для забезпечення надійного охолодження внутрішніх частин стержня між його пакетами роблять охолоджувальні канали. Ці канали можуть бути поздовжніми відносно пластин стержня або поперечними. Поздовжні канали стержня продовжуються в ярмах. Вертикальний поперечний канал стержня переходить у горизонтальний поперечний канал ярма, розділяючи магнітну систему на окремі „рамки” так, як це показано на рис. 2.13 для однофазного трансформатора. В стержнях, зазвичай, роблять не більше одного поперечного каналу.
Рис. 2.13. Схема дворамної магнітної системи однофазного
трансформатора:
а – розміщення каналів у системі; б – переріз стержня;
1, 2 – поздовжні канали; 3,4 – поперечні канали
Число каналів у сучасних трансформаторах з різними діаметрами стержнів наведені в табл. 2.3. У масляних трансформаторах ширина поздовжнього каналу складає 6 мм, поперечного – 10 мм.
Таблиця 2.3
Число поздовжніх охолоджувальних каналів у трифазних