Электродинамическая стойкость трансформаторов и реакторов при коротких замыканиях

• Рекомендации по конструктивному и технологическому обеспечению стойкости трансформаторного оборудования при коротких замыканиях.

• Рекомендации по обеспечению стойкости при КЗ трансформаторов со слоевыми обмотками.

Авторы: Лурье А.И., Панибратец А.Н., Зенова В.П., Левицкая Е.И

Информация предоставлена ООО Виток - капитальный ремонт электродвигателей в Москве.

Все способы обеспечения стойкости являются простыми, что может настроить расчетчика, конструктора, технолога, обмотчика и контролера на невнимательное отношение к  соблюдению всех «мелочей», к тому недопустимому положению, когда выполнение всех «мелочей» будет игнорироваться, перепоручаться друг другу, не контролироваться. Все «участники» (расчетчики, конструкторы, технологи, обмотчики, сборщики) иногда считают, что в процессе проектирования и производства трансформаторов со слоевыми обмотками на заводе, успешно выпускающем куда более сложную трансформаторную продукцию, стойкость при К3 получается «автоматически».  В действительности обеспечение электродинамической стойкости распределительных трансформаторов со слоевыми обмотками требует к себе серьезного отношения, определенных специфических знаний и опыта.

Первая основа и причина повреждений трансформаторов  при испытаниях на стойкость при К3 и в эксплуатации - большие осевые силы. Главная причина возникновения больших осевых сил - несимметрия обмоток ВН и НН. Два главных вида несимметрии - взаимное осевое смещение обмоток и несимметрия относительно середины высоты обмотки ВН (из-за несимметричного расположения витков в недомотанных слоях и из-за несимметричного расположения регулировочных витков во всех или некоторых режимах регулировки). Эти виды несимметрии возникают из-за ошибок расчета и проектирования, некачественного изготовления (из-за неточности намотки, сборки). Необходимо обеспечить отсутствие несимметрии или свести ее к допустимому минимуму. Сюда же относятся рекомендации по оптимизации осевых сил, которые в общем виде сводятся к исключению конструкций, в которых обмотка НН имеет меньший осевой размер, чем ВН.

Вторая основная причина повреждений - полное отсутствие или недостаточная площадь опоры концевой изоляции внутреннего концентра обмотки НН, воспринимающего осевую силу (у других концентров и обмотки ВН эта площадь заведомо больше). Недостаточная опора получается также из-за ошибок проектирования и некачественного изготовления. Необходимо обеспечить ( и контролировать!) наличие необходимой площади опоры. Особенно важно это в трансформаторах с расположением прессующих прокладок «по хорде». При контроле качества изготовления и сборки трансформатора обычная ошибка – оценка качества опоры и опорной конструкции только обмотки ВН. Эта обмотка – внешняя по расположению на стержне, все хорошо видно. Но гораздо важнее проверить наличие и качество опоры обмотки НН (особенно ее внутреннего слоя), доступ для контроля опоры этой обмотки труднее. Обмотка НН имеет меньший диаметр, чем обмотка ВН, опорные прокладки могут не перекрывать торец обмотки НН, а прессующая балка – не перекрывать прокладки. Однако такое «тройное перекрытие» (торец обмотки, прокладки, полка прессующей балки или стальная косынка, приваренная к прессующей балке) необходимо, так как электрокартонные прессующие прокладки при действии осевых сил К3 на изгиб практически не работают.

Если осевые силы велики, а опора обмотки НН недостаточна или полностью отсутствует, то при К3 осевые силы сдвигают обмотку НН до упора в нижнее или верхнее ярмо, возникает повреждение изоляции витков обмотки НН, витковые замыкания с дугой, обгоранием и обугливанием изоляции и т.д. Это – одно из наиболее распространенных повреждений недостаточно при стойких К3 трансформаторов со слоевыми обмотками.

Для слоевых обмоток необходима такая технология их обработки, которая обеспечивает сохранение стабильных размеров обмоток и сохранение запрессовки обмоток при длительной эксплуатации. Для стабилизации размеров обмоток существует целый комплекс общеизвестных рекомендаций.

Прежде всего, при производстве обмоток необходимо применять малоусадочные изоляционные материалы (для реек, бортиков и др.). Рекомендуется сушку обмоток проводить под давлением.

Для сохранения запрессовки рекомендуется перед установкой обмоток на стержень проводить их «тренировку» циклами «запрессовка – распрессовка» силой, больше расчетной силы прессовки. Такие же циклы «запрессовка – распрессовка» рекомендуется проводить на собранном трансформаторе. Готовые обмотки перед сборкой должны сохраняться под давлением и в герметичных мешках.

При изготовлении обмотки должны быть обеспечены достаточный натяг провода и плотная обмотка витков. Например, при весьма некачественном изготовлении обмотки ВН из круглого провода (неплотная намотка, плохое натяжение провода, «кресты» на круглом проводе) при испытаниях трансформаторов бывали случаи, когда осевые силы приводили к сползанию витков, к перехлестыванию, наползанию витков и слоев друг на друга, а в конечном счете – к витковому замыканию. К неплотной намотке может привести пренебрежение расчетчиком, конструктором и технологом изложенных ранее мер по организации намотки полных витков в слоях при возможных отклонениях размеров провода в сечении, например, при положительном и отрицательном допуске на диаметр круглого провода).

Для облегчения проблемы осевых сил К3, обеспечения надежной опоры обмоток (прежде всего внутреннего концентра НН), лучшей запрессовки обмоток, лучшего сохранения силы прессовки при эксплуатации рекомендуется применять конструкцию с прессующими кольцами.

Для снижения осевых сил, вызываемых несимметрией обмоток НН и ВН (фактически взаимным смещением их магнитных центров) можно рекомендовать применять магнито - симметричные обмотки ВН (симметрировать основную часть, слои с неполным числом витков, применять схемы с симметрией регулировочных секций, концентр с многозаходной спиралью для регулировочных секций).

Необходимо устанавливать и устранять причины возникновения несимметрии обмоток ВН и НН, взаимное смещение или сочетание разновысокости обмоток с осевым смещением. В обычной расчетной записке трансформатора и в чертеже установки обмоток такая несимметрия, естественно, отсутствует. Однако несимметрия может проявиться из-за неточной установки обмоток, из-за неравномерности намотки витков, из-за неточных размеров «бортиков» на торцах слоев, из-за неточности учета схода винта обмотки НН и т.д. необходимо проводить расчетную оптимизацию осевых сил, принимать меры по снижению, компенсации всех видов несимметрии.

Для того, чтобы избежать несимметрии ампервитков в обмотке ВН и сдвига между обмотками ВН и НН, как уже упоминалось, должны бать предусмотрены и конструктивные меры, и должна быть отработана технология изготовления симметричных обмоток. Это является одной из разновидностей бурно развивающегося направления дефектографирования в производстве и эксплуатации трансформаторов. Например, ВЭИ был предложен несложный прибор, названный «устройством КНО» (Контроль Несимметрии Обмоток). В таком приборе есть плоские измерительные катушки через несложный коммутационный блок подсоединяют к обычному универсальному электроизмерительному прибору (или к компьютеру). Прибор КНО может быть разработан и изготовлен в ВЭИ для применения на заводах. Представляет также интерес предложение ВЭИ разработать и другой простой прибор для измерения и записи магнитного поля в области обмоток трансформаторов. Следует отметить, что проблема быстрого и простого фиксирования магнитного поля трансформатора и реакторов существует далеко не только в связи с трансформаторами со слоевыми обмотками.

Рекомендуется принять конструктивные меры по выравниванию поверхности крайнего витка (по выравниванию схода винта обмотки НН). Выравнивание можно осуществить несколькими клиньями, а не одним (при этом проводники пучков приходится в процессе намотки при «подходе» к каждому клину изгибать в осевом направлении). Эффективно также наряду с установкой нескольких клиньев делать «разнесение» отводов обмотки НН на две стороны магнитопровода (из-за этого  заход винта уменьшается в два раза). При разнесении отводов необходимо проверить, не возникают ли в обмотке опасные «полувитки».

Весьма эффективная рекомендация – проектировать обмотку НН несколько большей высоты, чем высота обмотки ВН. При этом можно выровнять осевые силы в обмотках. Дело в том, что стальной стержень, расположенный ближе к обмотке НН, чем к обмотке ВН, «притягивает» к себе магнитный поток поля рассеяния. Поэтому при равновысоких обмотках поперечный (радиальный) поток рассеяния обмотки НН и осевые силы сжатия в ней оказываются в 2-3 раза больше, чем в обмотке ВН. Это не благоприятно, так как к тому же площадь осевой опоры обмотки НН. В любом случае для поиска оптимальной величины разновысокости по параметру осевой силы, действующей на верхнюю опору, необходимо проводить многократные расчеты осевых сил. Опыт показывает, что необходимо избегать конструкций, в которых сечение обмотки НН ниже, чем у ВН.

В связи с этой рекомендацией следует указать еще на одну распространенную ошибку при проектировании трансформаторов. Дело в том, что для слоевых обмоток (и для винтовых), конструктивная 2строительная» высота обмотки определяется числом витков в слое плюс один (на «заход» винта, на переход из слоя в слой).таким образом, получается, что высота для расчета магнитного поля и осевых сил меньше высоту обмотки по чертежу на высоту витка, которая для низковольтных обмоток НН может достигать нескольких десятков миллиметров. А у расчетчиков и конструкторов, не имеющих опыта проектирования трансформаторов, стойких при К3, обычно есть ошибочное, но устойчивое предубеждения к тому, чтобы по чертежу высота обмоток ВН и НН была одинакова. Вот и получается, что расчетная высота обмотки НН оказывается существенно меньше высоты обмотки ВН. А это идет вразрез с данной выше рекомендацией. Правильно проектировать обмотки так, чтобы высота обмотки НН была не менее высоты обмотки ВН плюс высота обмотки НН, а лучше еще больше (на оптимальную величину, установленную при проведении нескольких расчетов, поскольку излишнее увеличение высоты обмотки НН в сочетании с отключением регулировочных витков в обмотке ВН может привести к недопустимому растяжению обмотки НН).

Для повышения радиальной устойчивости сжимаемых обмоток НН с двумя концентрами рекомендуется устанавливать в осевом канале гофрированный электрокартон.

Основное внимание в данной работе сосредоточено на различных аспектах расчета и рекомендациях по усилению стойкости при К3 трансформаторов со слоевыми обмотками традиционной конструкции, принятой на всех заводах РФ и СНГ. Однако имеются (применяются в других странах) и другие конструкции. Например, известна конструкция трансформаторов, обмотки всех фаз которого прессуются двумя 9сверху и снизу) общими плитами из толстого клееного электрокартона. В этих плитах, естественно, есть три отверстия для стержней и выфрезерованные горизонтальные каналы для движения масла. С точки зрения стойкости при К3 такая конструкция очень хороша, так как обеспечивается осевая опора для внутреннего концентра обмотки НН по всему периметру торца этого концентра. Недостатки такой конструкции – сложность изготовления плит и увеличения высоты стержня (плиты проходят прямо под ярмом).

Такой же эффект, как установка изоляционных плит, получается при использовании прессующих колец (стальных или изоляционных).

Известны конструкции, в которых нет традиционных стальных прессующих балок и прокладок между балками (или приваренными к ним косынками) и обмотками. Вместо них имеются «массивные» четыре (две сверху и две снизу) деревянные, например, буковые прессующие пластины («доски, балки») с выфрезерованными канавками на сторонах, обращенных к обмоткам. Эта конструкция менее надежна, так как она обеспечивает осевую опору внутреннему концентру обмотки НН только под балками, а под ярмом этой опоры нет. В этом случае должна быть тщательно определена реальная площадь опоры и проделан расчет давления сил КЗ (оно не должно превышать допускаемого давления 20 Мпа).

За рубежом известны также конструкции вообще без осевой прессовки обмоток, в которых фиксация обмоток обеспечивается за счет их плотной намотки непосредственно на стержень.