Определение механических сил в обмотках и нагрева обмоток при коротком замыкании.

Процесс короткого замыкания трансформатора, являющийся аварийным режимом, сопровождается многократным увеличением токов в обмотках трансформатора по сравнению с номинальными токами, повышенным нагревом обмоток и ударными механическими силами, действующими на обмотки и их части. Проверка обмоток на механическую прочность при коротком замыкании включает:

1) определение наибольшего установившегося и наибольшего ударного тока короткого замыкания;

2) определение механических сил между обмотками и их частями;

3) определение температуры обмоток при коротком замыкании.

Расчет следует производить для обмоток высокого и низкого напряжения.

Действующее значение установившегося тока короткого замыкания определяется согласно ГОСТ 11677 – 85 с учетом сопротивления питающей сети для основного ответвления обмотки, А:

, (6.9)

где I – номинальный ток соответствующей обмотки, А;

S_ном – номинальная мощность трансформатора, МВ·А;

S_к – мощность короткого замыкания электрической сети по таблице 6.1, МВ·А;

U_к – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

 

Таблица 6.1 Определение мощности короткого замыкания электрической сети S_к

Класс напряжения ВН, кВ	6 - 10	10 - 35
Мощность короткого замыкания электрической сети, МВ·А;

 

В начальный момент ток короткого замыкания вследствие наличия апериодической составляющей может значительно превысить установившийся ток и вызвать механические силы между обмотками, превышающие в несколько раз силы при установившемся токе короткого замыкания. Согласно общей теории трансформаторов это наибольшее значение тока короткого замыкания – ударный ток короткого замыкания, определяемый по формуле [7]:

 

, (6.10)

где К_max – коэффициент, учитывающий максимально возможную апериодическую составляющую тока короткого замыкания,

 

(6.11)

Для упрощения расчета К_max можно воспользоваться таблицей 6.2 в которой приведены значения К_max при различных значениях U_р/U_а.

 

Таблица 6.2 Значения К_max при различных значениях U_р/U_а

Uр /Uа	1,0	1,5	2,0	3,0	4,0
Кmax ×	1,51	1,63	1,75	1.95	2,09
Uр/Uа	5,0	6,0	8,0	10,0	14 и более
Кmax×	2,19	2,28	2,38	2,46	2,55

 

Наибольшую опасность при коротком замыкании представляют для обмоток трансформатора механические силы, возникающие между обмотками и их частями. Их необходимо учитывать при расчете и конструировании трансформатора. В противном случае они могут привести к разрушению обмотки, к деформации или разрыву витков или разрушению опорных конструкций. Механические силы возникают в результате взаимодействия тока в обмотке с магнитным полем обмоток.

 

Радиальную силу можно определить по формуле, Н,

; (6.12)

где К_р – коэффициент определенный по формуле (6.7);

W – число витков соответствующей обмотки;

I_{к max} – мгновенное максимальное значение тока обмотки при коротком замыкании, найденное по (6.10);

β – соотношение, определяющее распределение активных материалов в трансформаторе рассчитывается по формуле

, (6.13)

где d₁₂ – реальный средний диаметр канала между обмотками пересчитанный по формуле 4.6.

 

Формула (6.12) дает суммарную радиальную силу, действующую на наружную обмотку и стремящуюся растянуть ее. Такая же, но направленная прямо противоположно сила действует на внутреннюю обмотку, стремясь сжать ее. Обе эти силы равномерно распределены по окружности обеих обмоток.

Для оценки механической прочности обмоток обычно определяют напряжение сжатия во внутренней обмотке (НН), возникающее под воздействием радиальной силы F_сж.р. При определении напряжения сжатия от радиальной силы находится сила, сжимающая внутреннюю обмотку, условно рассматриваемая как статическая, Н:

(6.14)

Напряжение сжатия, Мпа, в проводе внутренней обмотки определяется по формуле

, (6.15)

где W – число витков обмотки, для которой определена сила;

П – площадь поперечного сечения одного витка, м².

 

Стойкость внутренней обмотки при воздействии радиальных сил зависит от многих факторов, однако в учебных расчетах она может быть оценена приближенно по значению G_сж.р. Для обеспечения стойкости этой обмотки можно рекомендовать не допускать G_сж.р в медных обмотках более 30 и в алюминиевых более 15 Мпа [8].

Существенное значение для обеспечения механической прочности обмоток при коротком замыкании имеет технология их изготовления и обработки. Плотность обмотки в радиальном и осевом направлениях должна обеспечиваться достаточным натяжением провода при намотке и осевым, желательно механическим поджимом наматываемого витка к ранее намотанным. Дальнейшее уплотнение обмотки в осевом направлении производится во время ее сушки в спрессованном состоянии при помощи стальных пружин или после сушки путем спрессовки силами, близкими к осевым силам при коротком замыкании.

В целях увеличения механической монолитности и прочности обмоток под воздействием сил, возникающих при коротком замыкании, может быть использована пропитка обмоток глифталевым или другим лаком. Должный эффект такая пропитка может дать при надлежащей разработанной технологии вакуумной пропитки с последующей полимеризацией лака.

Расчет температуры обмоток при коротком замыкании проводится для установившегося тока короткого замыкания при предположении, что вследствие кратковременности процесса отдачи тепла, обусловленного возникновением тока короткого замыкания, от обмотки к маслу (воздуху) не успевает установиться и все это тепло накапливается в обмотке, повышая ее температуру.

Предельная условная температура обмотки, ⁰С, рассчитываемая при предположении линейного ее нарастания, согласно [3] при учете теплоемкости металла обмотки и изоляции провода через t_кс после возникновения короткого замыкания может быть определена по формулам:

для медных обмоток

; (6.16)

для алюминиевых обмоток

, (6.17)

где t_к – наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора; принимается при коротком замыкании на сторонах с номинальным напряжением 35 кВ и ниже – 4 секунды; для сухих трансформаторов с номинальным напряжением 10 и 15 кВ – 3 секунды;

j – плотность тока при номинальной нагрузке, А/м².

За начальную температуру обмотки обычно принимается =90⁰С.

Полученные температуры необходимо сравнить с предельно допустимыми температурами обмоток при коротком замыкании, приведенные в таблице 6.3.

 

Таблица 6.3 Допустимые температуры обмоток при коротком замыкании

Вид охлаждения	Масляное	Воздушное
Металл обмоток	Медь	Алюминий	Медь	Алюминий
Класс изоляции	А	А	А	Е	В,F,Н	А	Е,В.F,Н
Допустимая температура, ^0С

 

Время, в течение которого медная обмотка достигает температуры 250⁰С,

(6.18)

 

Время достижения температуры 200⁰С для алюминиевых обмоток

(6.19)

 

Возникновение электродинамических сил при коротком замыкании трансформатора является сложным процессом, протекание которого зависит от многих факторов. Теоретические исследования этого процесса позволили создать методики расчета этих сил – упрощенные для ручного метода расчета и уточненные для расчета с использованием компьютера. Первые из них позволяют с приемлемой точностью получить представление о значениях суммарных сил, действующих на обмотки, вторые позволяют с достаточной точностью рассчитать значения сил, действующих на отдельные части обмоток.

Эти методики, однако, разработаны при некоторых существенных допущениях – не учтены силы инерции, трения, резонансные явления в обмотках, обмотки считаются монолитными, что не вполне соответствует истинной картине явлений и требует уточнения путем проведения экспериментальных исследований.

Испытания силовых трансформаторов при аварийных режимах короткого замыкания позволили установить ряд сопутствующих явлений, которые не могут быть количественно определены заранее, но оказывают существенное влияние на прохождение процесса короткого замыкания, и установить причины и характер возможных повреждений обмоток и других конструктивных элементов. Если расчетно – конструктивные факторы – электрические параметры, размеры обмоток и взаимное расположение витков и частей обмоток – в достаточной мере и с приемлемой точностью учитываются в современных методиках расчета, то ряд технологических факторов, главным образом связанных с отклонениями от надлежащей технологии и оказывающих существенное влияние на электродинамические силы, не может быть учтен.

При испытаниях было установлено, что радиальные силы, создающие напряжения растяжения во внешней обмотке (ВН), не приводят к ее разрушению или появлению в ней остаточных деформаций. Силы, действующие при этом на внутреннюю обмотку (НН) и сжимающие ее, могут привести к потере этой обмоткой механической прочности и последующему разрушению, если при ее расчете и конструировании не были предусмотрены соответствующие меры.

Этими мерами могут быть: увеличение поперечного сечения витка за счет уменьшения плотности тока в этой обмотке и увеличения ее в наружной; применение более жесткого в механическом отношении металла обмотки – более жесткого алюминия или упрочненного сплава меди; намотка внутренней обмотки на бумажно-бакелитовом цилиндре толщиной 6 – 10 мм вместо цилиндра из картона [8]; увеличение числа реек на которых намотана обмотка, при наличии должной опоры реек на жесткий цилиндр или непосредственно на стержень магнитной системы.

Осевые силы в обмотках трансформатора при равенстве высот обмоток и равномерном распределении витков по их высоте сжимают обе обмотки. Если в одной из обмоток есть зона, не занятая витками, или расположение витков не равномерно, то возникает осевая сила, стремящаяся увеличить несимметрию и прижимающая части обеих обмоток к противоположным ярмам.

Испытания показали, что такие силы могут возникать и в обмотке с равномерным (по расчету) распределением витков при недостаточно плотной намотке, не достаточной или неравномерной запрессовке обмоток. При этом могут возникать повреждения опорных конструкций обмоток, элементов их осевой прессовки – прессующих колец, а также нарушение осевой стойкости (полегание) проводов обмоток, особенно вблизи торцов обмоток.

Во избежание существенного расхождения между расчетной схемой взаимного расположения частей обмоток и реальным опасным непредсказуемым их расположением необходимо обеспечить жесткую регламентацию технологии изготовления обмоток. Должна быть обеспечена плотная намотка обмотки как в радиальном (натяжение провода, механический радиальный обжим наматываемых витков и катушек), так и в осевом направлении (осевой механический поджим намотанных витков и катушек). Обмотка после намотки и сушки должна быть опрессована на прессе. После установки на остове трансформатора обмотка также должна быть опрессована раздельными кольцами и прессующими деталями остова. Механическая монолитность обмотки может быть усилена также пропиткой полимеризующимся лаком.