Основные материалы, применяемые в трансформаторостроении.

 

Материалы, применяемые для изготовления трансформатора, разделяются на активные, т. е. сталь магнитной системы и металл обмоток и отводов; изоляционные, применяемые для электрической изоляции обмоток и других частей трансформаторов, например электроизоляционный картон, фарфор, дерево, трансформаторное масло и др.; конструкционные, идущие на изготовление бака, различных крепежных частей и т. д., и прочие материалы, употребляемые в сравнительно небольших количествах.

Одним из основных активных материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течении многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.

Появление в конце 40-ых годов холоднокатаной текстурованной стали, т. е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе до 1,6 – 1,65 Тл против 1,4 – 1,45 Тл для горячекатаной стали и существенно уменьшить массу активных материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов – изоляционных, конструкционных, масла и т. д.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить внешние габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, внешние размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из существенных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных характеристик, т. е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки.

Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во всех ее частях – стержнях и ярмах вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали.

Магнитные свойства холоднокатаной стали существенно ухудшаются при различных механических воздействиях: при резке стали на пластины, снятии с них заусенцев, изгибах пластин, случайных ударов при транспортировке, легких ударов при сборке магнитной системы и т. д. Ухудшение магнитных свойств при этих воздействиях может быть снято восстановительным отжигом при температуре 800^°С, проводимым до начала сборки магнитной системы. Механические воздействия, возникающие после начала сборки, должны быть ограничены путем соответствующей организации транспортировки пластин, осторожного обращения с ними при сборке магнитной системы и т. д.

Несмотря на указанные недостатки холоднокатаной стали и ее относительно высокую цену, трансформаторы с рационально спроектированной магнитной системой из этой стали при надлежащей технологии ее изготовлении имеют относительно малые потери и ток холостого хода, дают экономию в расходе активных и других материалов и являются экономичными в эксплуатации. Поэтому все проектируемые серии трансформаторов в СНГ разрабатываются на основе применения холоднокатаной стали лучших марок с толщиной 0,35; 0,30 и 0,27 мм.

Другой активный материал трансформатора – металл обмоток – в течении долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная механическая прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течении ряда десятилетий. Несмотря на это, относительно малое мировое распространение природных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в первую очередь алюминием, более широко распространенным в природе.

Замена медного обмоточного провода в обмотках силовых трансформаторов алюминиевым проводом затрудняется прежде всего тем, что удельное электрическое сопротивление алюминия существенно (примерно в 1,6 раза) больше удельного сопротивления меди.

В большинстве масляных трансформаторов применяется обмоточный провод марки ПБ (АПБ для алюминия) с изоляцией из кабельной бумаги класса нагревостойкости А (предельно допустимая температура 105°С) общей толщиной 0,45–0,5 мм на две стороны. Применение провода более высокой нагревостойкости (классов Е, В. F и т. д.), допускающих более высокие предельные температуры, в масляных трансформаторах смысла не имеет, потому что допустимая температура обмоток определяется не только классом изоляции обмоток, но также и допустимой температурой масла, в которой находится обмотка.

Основным направлением прогресса в производстве изоляционных материалов в настоящее время является получение новых материалов с повышенными нагревостойкостью и механической прочностью. Существенных достижений в повышении электрической прочности изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, не наблюдается.

Применение проводов с изоляцией, имеющей повышенную нагревостойкость, имеет смысл в сухих трансформаторах, в которых за счет повышения температуры обмоток возможно допустить более высокие плотности тока и получить компактную конструкцию трансформатора. Если при этом допускается существенное повышение эксплуатационной температуры обмоток, то потери короткого замыкания трансформатора неизбежно возрастают вследствие как увеличения плотности тока, так и повышения удельного сопротивления провода обмотки. Так при температуре 225°С удельное сопротивление медного провода увеличивается настолько, что становится равным удельному сопротивлению алюминия при температуре 75°С.

Главным изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло – жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства со свойствами активной охлаждающей среды и теплоносителя. Только благодаря трансформаторному маслу удалось создать трансформаторы с рабочим напряжением 500, 750 и1150 кВ. Ни один жидкий или газообразный диэлектрик не может служить ему заменой [2].

В отличие от других изоляционных материалов один и тот же объем масла не может использоваться в течении всего срока службы трансформатора, т.е. не менее 25 лет. При эксплуатации трансформатора вследствие окисления при повышенной температуре (до 95°С) и при каталитическом воздействии присутствующих в масле металлов и твердых изоляционных материалов масло стареет, т. е. ухудшает свои качества и требует систематического ухода – сушки, фильтрации, очистки и смены.

Воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах приходится все изоляционные промежутки и охлаждающие каналы делать большими, а электромагнитные нагрузки активных материалов допускать меньшими, чем в масляных трансформаторах. Вследствие этого масса и стоимость активных материалов в сухих трансформаторах оказывается существенно выше, чем в масляных. Воздушные сухие трансформаторы с изоляцией классов нагревостойкости В, Н вследствие высокой стоимости изоляционных материалов (стекловолокно, стеклотекстолит, кремнийорганические лаки и т. д.) существенно дороже масляных. Благодаря отсутствию масла и замене тяжелого бака легким кожухом общая масса сухого трансформатора при мощностях до 400 кВ×А составляет не более 125 – 130%, а при мощностях 630 - 1600 кВ×А – от 110 до 90% массы идентичного масляного трансформатора.

К сухим относятся также и герметичные трансформаторы, баки которых заполнены газом, являющимся изолирующей средой и теплоносителем. Такие трансформаторы, например, заполненные газообразной шестифтористой серой (элегазом), при форсированном движении теплоносителя в баке могут иметь по сравнению с масляными меньшую общую массу и, будучи пожаробезопасными, могут быть использованы для установки на электрическом или теплоэлектрическом подвижном составе.

Методика и последовательность расчета сухих и масляных трансформаторов принципиально одинаковы. Некоторые особенности расчета сухих трансформаторов - допустимые нагрузки активных материалов, допустимые изоляционные расстояния, нагрев обмоток и т.д. - отражены в следующих разделах курсовой работы.