Магнитная система. Остов трансформатора и его магнитная система. Стержневые магнитные системы

силового трансформатора мощностью 25-630 кВ·А.

Первой задачей, решаемой при проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор ее конструктивной схемы. Плоская магнитная система может быть принята для производства на любом трансформаторном заводе. Пространственные магнитные системы позволяют получить экономию электротехнической стали и уменьшение потерь холостого хода до 9-10%, но для их изготовления необходимо иметь специальное оборудование для навивки и длительного отжига навитых частей. Для предлагаемых в курсовой работе трансформаторов принимаем плоскую магнитную систему.

При расчете плоской магнитной системы из рулонной холоднокатанной стали должен быть выбран план шихтовки пластин магнитопровода. Самая простая и наиболее распространенная заготовка пластин и сборки магнитной системы представлена на рис. 1 c.

Рис.1. План шихтовки магнитной системы косыми стыками в четырех и прямыми в двух углах.

Магнитная система (остов) служит также и механической основой трансформатора. На остове располагаются и укрепляются обмотка и отводы от обмоток, и в некоторых конструкциях на остове в процессе сборки трансформатора укрепляется крышка бака с вводами и различной арматурой.

Для того чтобы магнитная система, собранная из массы пластин тонколистовой стали, обладала достаточной устойчивостью, могла выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, и не разваливалась при подъеме остова или активной части, ее верхнее и нижнее ярма должны быть надежно соединены механически.

Таким соединением верхних и нижних ярмовых балок в остове с плоской магнитной системой могут служить вертикальные шпильки, расположенные вне обмоток ВН и достаточно от них удаленные или надежно изолированные. В масляных трансформаторах такие шпильки применяют при напряжениях обмоток ВН-10, 35 и 110 кВ, а в сухих до 10 кВ. Вертикальные шпильки также могут быть использованы для осевой прессовки обмоток за счет небольшого сдвига вниз верхних ярмовых балок.

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность. Диаметр этой окружности d называется диаметром стержня трансформатора и является одним из основных его размеров. Ступенчатое сечение стержня и ярма образуется сечениями пакетов пластин. При этом пакетом называется стопа пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называется активным сечением стержня или ярма.

Число ступеней, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней увеличивает коэффициент заполнения площади круга К кр площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, чем усложняет заготовку пластин и сборку магнитной системы.

Для ориентировки в этом вопросе может служить табл. 5, в которой приведены значения чисел ступеней в стержнях современных трехфазных трансформаторов различной мощности.

Таблица 5. Число ступеней в сечении стержня современных

трехфазных трансформаторов.

Ширина пластин, определяющая ширину и толщину пакетов, образующих сечение стержня, выбирается так, чтобы при заданном диаметре было обеспечено получение наибольшего сечения стержня при максимальном использовании и минимальных отходов листовой или рулонной стали. Для ширины пластин существует нормализованная шкала, приведенная в табл. 6.

Для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит следующие нормализованные диаметры, м:0,08;

0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,10; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,20; 0,21, 0,22; 0,225; 0,23; 0,24; 0,245; 0,25; 0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,40; 0,42; 0,45; 0,48; 0,50; 0,53; 0,56; 0,60; 0,63; 0,67; 0,71, 0,75- для магнитных систем без поперечного каналов.

При определении активного сечения стержня, т.е. чистого сечения стали

в площади круга с диаметром стержня d, в предварительном расчете, когда размеры пакетов пластин стержня еще не установлены, обычно пользуются коэффициентом заполнения сталью К с, равным отношению активного сечения стержня П с к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов - коэффициента заполнения площади круга площадью П ф.с. ступенчатой фигуры сечения стержня Ккр и коэффициента заполнения площади ступенчатой фигуры Пф.с чистой сталью Кз

К кр =4П ф. с /(d 2); П ф. с =К кр d 2 /4; К з =4П с /(К кр d 2);

П с =К кр К з d 2 /4; П с =К с d 2 /4; К с =К кр К з

Ориентировочные практические значения коэффициента К кр для различных диаметров стержня при оптимальных размерах пластин и пакетов приведены в табл. 5, данными которой можно пользоваться в предварительном расчете. При окончательном расчете магнитной системы сечения стержня определяется по табл. 6 или реальным размерам пакетов стержня.

Коэффициент К з выбирается по табл. 2 в соответствии с видом стали - рулонная или листовая, с типом изоляционного покрытия.

Выбор правильной формы и размеров поперечного сечения ярма, особенно в магнитных системах, собираемых из холоднокатанной текстурованной стали, играет существенную роль. Наиболее рациональной является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным или несколько большим активного сечения стержня. Для обеспечения более равномерного сжатия ярма между ярмовыми балками обычно два-три крайних пакета объединяют, несколько увеличивая их общее сечение. При такой форме ярма магнитный поток (индукция) практически равномерно распределяется по сечению стержня и ярма, а активное сечение ярма оказывается несколько большим активного сечения стержня, что учитывается коэффициентом усиления ярма, равным отношению П я /П с

К я = П я /П с

Для нормализованных размеров пакетов пластин по табл. 6 можно принять К я =1,021,03.

Т а б л и ц а 6. Размеры пакетов-ширина пластин “а”и толщина пакетов “в”, мм,(п с и п я – число ступеней в сечении стержня и ярма;”а я ”- ширина крайнего наружного пакета ярма;”к кр ”- коэффициент заполнения круга для стержня.

В современных конструкциях плоских магнитных систем трансформаторов до 6300кВА, собираемых из холоднокатанной стали, прессовка ярм осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма. Стальная шпилька над средним стержнем иногда заменяется стальной скобой с нажимным болтом.

Площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня, м 2

П ф. с.=а п.с.  в п.с.  10 –6

Активное сечение стержня

П с =К з П ф.с. .

Аналогично для ярма

П ф. я.=а п.я. в п.я. 10 -6 ,

П я =К з П ф. с.

Расчет основных электрических величин трансформаторов.

Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических величин-мощности на одну фазу и стержень, номинальных токов на стороне ВН и НН, фазных токов и напряжений.

Мощность одной фазы трансформатора, кВА,

Мощность на одном стержне

где С- число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора; S-номинальная мощность трансформатора, кВ·А.

Номинальный (линейный) ток обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора, А,

I=S10 3 /(

U),

где S-мощность трансформатора, кВА; U-номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора, А:

при соединении обмоток в звезду или зигзаг

при соединении обмоток в треугольник

I Ф =I/

Фазное напряжение трехфазного трансформатора, В:

при соединении обмотки в звезду или зигзаг

U Ф =U/

,

при соединении обмотки в треугольник

здесь U-номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

При соединении в зигзаг результирующее фазное напряжение образуется геометрическим сложением напряжений двух частей обмотки, находящихся на разных стержнях (рис.2).

Рис. 2. Схема соединения в зигзаг.

В силовых трансформаторах общего назначения обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков. В этом случае фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмоток, сдвинутых на 60 о. Напряжение одной части обмотки фазы при этом может быть определено из формулы:

U=U Ф /

.

Общее число витков такой обмотки на одном стержне будет определяться не U Ф, как при соединении обмотки в звезду, а 2 U Ф /

, т.е. увеличится в 1,155 раза.

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора. Эти испытательные напряжения определяются по табл. 7 и табл. 8 для каждой обмотки по ее классу напряжения.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность определить активную составляющую напряжения короткого замыкания, %:

где Р к -в Вт; S-в кВ·А.

Т а б л и ц а 7. Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц) для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Т а б л и ц а 8. Испытательные напряжения промышленной частоты (50Гц) для сухих силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания при заданном U k определяется по формуле

U p =

Определение основных размеров трансформатора.

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора.

Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками схематически изображена на рис.3.

Рис.3. Основные размеры трансформатора

Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер L (высота) его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками d 12 , связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток а 1 и а 2 и осевого канала между ними а 12 .

Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например, высота стержня L с, расстояние между осями соседних стержней С и т.д., могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток (а 12 , а 22 , L o).

Два основных размера, относящихся к обмоткам d 12 и L могут быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками d 12 к высоте обмотки L :

d 12 L

Величина  определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Значения  может варьироваться в широких пределах и практически изменяется в масляных и сухих трансформаторах существующих серий в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значением  соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим -широкие и низкие.

Различным значениям  соответствуют и разные соотношения между массами активных материалов - стали магнитной системы и металла обмоток. Меньшим значениям  соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток. С увеличением  масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор  существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, следовательно, и на стоимость трансформатора.

Вместе с этим изменение  сказывается и на технических параметрах трансформатора: потерях и тока холостого хода, механической прочности и нагревотостойкости обмоток, габаритных размерах.

Формулу, связывающую диаметр стержня трансформатора с его мощностью, впервые предложил Г. Н. Петров

(1)

Величины, входящие в подкоренное выражение этой формулы, можно подразделить на три категории:

1) величины, заданные при расчете - мощность обмоток на одном стержне трансформатора S, кВ·А, частота сети , Гц, и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания U p ,%;

2) величины, выбираемые при расчете - отношение длины окружности канала между

обмотками к высоте обмотки , максимальная индукция в стержне В с, Тл, и коэффициент заполнения активной сталью площади круга, описанного около сечение стежня К с;

3)величины, определяемые в ходе последующего расчета, - приведенная ширина канала рассеяния а р, м, и коэффициент приведения идеализированного поля рассеяния к реальному К р (коэффициент Роговского).

Таким образом, определение диаметра стержня связано с выбором некоторых исходных данных В, В с, К с и предварительным определением данных обмоток трансформатора, получаемых обычно после завершения расчета обмоток а р и к р.

1. Мощность одного стержня трансформатора, кВ·А, определяется так

где S-мощность трансформатора пор заданию;

C-число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора.

2. Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора

при определении диаметра стержня еще не известна. Размер а 12 канала между обмотками ВН и НН определяется как изоляционный промежуток и может быть выбран по испытательному напряжению обмотки ВН из табл. 9.

Т а б л и ц а 9. Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН с учетом конструктивных требований.

Для сухих трансформаторов следует пользоваться данными, приведенными в табл. 10.

Т а б л и ц а 10. Изоляция обмоток ВН и НН сухих трансформаторов, мм.

Этот промежуток, выраженный в метрах, может быть принят равным а 12= а 12 10 –3 , где а 12 , мм, -промежуток, найденный по табл.9 для масляных или по табл. 10 для трансформаторов с естественным воздушным охлаждением.

Суммарный приведенный радиальный размер обмоток ВН и НН

при определении диаметра стержня может быть приближенно найден по формуле

, (2)

где К- в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь короткого замыкания Р к может быть найдено по табл.11.

Т а б л и ц а 11. Значения коэффициента К в формуле (2) для масляных трехфазных двухобмоточных трансформаторов ПБВ с медными обмотками и потерями короткого замыкания по ГОСТ

Примечания к табл. 11:

1.Для обмоток из алюминиевого провода значения К, найденные из таблицы, умножить на 1,25.

2. Для сухих трансформаторов с медными обмотками мощностью 10-160 кВ·А принимать К=0,80,74; мощностью 160-1600 кВ·А класса напряжения 10 кВ-К=0,580,48.

Это первое допущение, позволяющее приближенно определить сумму радиальных размеров обмоток на стадии предварительного расчета.

Формула (2) позволяет определить (а 1+ а 2)/3 приближенно на стадии предварительного расчета, предполагая эту величину постоянной при изменении . В действительности с ростом  радиальные размеры обмоток также несколько возрастают. С учетом того, что (а 1+ а 2)/3 входит в слагаемое а р, где первое слогаемое а 12 постоянно, а также что в (1) а р умножается на коэффициент Кр, который с ростом  несколько уменьшается, предпологаемое постоянство (а 1 +а 2)/3 по существу является постоянством произведения а р к р.

Значением (а 1 +а 2)/3, найденным по (2), можно пользоваться только при определении основных размеров трансформатора. Во всех последующих расчетах следует пользоваться реальными радиальными размерами обмоток рассчитываемого трансформатора.

3. Значение  приближенно равно отношению средней длины витка двух обмоток L в трансформатора к их высоте L и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора.

В ряде случаев при определенном уровне потерь для наиболее часто употребляемых материалов магнитной системы и обмоток для определения оптимального значения  можно пользоваться рекомендациями табл. 12. В этой таблице приведены оптимальные значения , полученные в результате исследования масляных трансформаторов современных серий с классами напряжения ВН 6, 10 и 35 кВ, отвечающих требованиям ГОСТ 12022-76, 11920-85 и 12965-85, а также рекомендуемые значения  для современных сухих трансформаторов .

При выборе  следует учитывать, что уменьшение  при сохранении параметров короткого замыкания ведет к уменьшению массы стали магнитной системы, потерь и тока холостого хода, а также к увеличению массы металла стали, потерь и тока холостого хода, но ведет к уменьшению массы металла обмоток.

Изменение  влияет на массу не только активных, но и остальных материалов трансформатора. Вместе с увеличением  растут потери холостого хода и стоимость системы охлаждения, возрастают масса и стоимость конструктивных деталей остова, металла бака, трансформаторного масла, общая масса трансформатора. Поэтому в целях экономии всех материалов трансформатора рекомендуется при прочих равных условиях выбирать меньше из рекомендуемых значений .

а) Масляные трансформаторы

б) Сухие трансформаторы

4. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно принять

К р  0,95.

5. Частота  подставляется из задания на расчет трансформатора.

6. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания,%, определяется по формуле

7. Индукция в стержне В с выбирается по табл. 4. В трансформаторах относительно небольшой мощности (S25 кВА) выбирают обычно пониженную индукцию во избежание получения повышенных значений тока холостого хода. Из этих же соображений не рекомендуется выбирать индукцию выше значений, данных в табл. 4. Уменьшение индукции хотя и дает заметное снижение тока и некоторое снижение потерь холостого хода, однако приводит к увеличению массы и стоимости активных материалов-стали и металла обмоток.

8. Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня, К с, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции. Общий коэффициент Кс равен произведению двух коэффициентов.

К с =К кр К з (3)

В свою очередь коэффициенты К кр и К з могут быть определены по табл. 2; 5; 13.

Т а б л и ц а 13. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных сухих трансформаторов.

Примечания:1. В коэффициенте К кр учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.

2. До диаметра стержня d=0,22 м стержень прессуется расклиниванием с обмоткой; при d>0,22 прессовка осуществляется бандажами.

После определения и выбора всех значений, входящих в (1), по этой формуле рассчитывается диаметр стержня d.

Если полученный диаметр d не соответствует нормализованной шкале диаметров (см. ранее), то следует принять ближайщий диаметр по нормализованной шкале d н и определить значение  н, соответствующее нормализованному диаметру.

При выборе  по табл. 12 определение производится по формуле

 н =(d н /d) 4 (4)

Второй основной размер трансформатора – средний диаметр канала между обмотками d 12 -может быть предварительно приближенно определен (см. рис. 3) по формуле

d 12 =d н +2а 01 +2а 1 +а 12 (5)

или d 12  ad.

Исследование данных большого числа трансформатора различных серий, в том числе старых, рассчитанных на применение горячекатанной стали, и в современных с применением холоднокатанной стали, показало, что отношение среднего диаметра витка двух обмоток d 12 к диаметру стержня трансформатора d изменяется в очень узких пределах и для любой заданной серии трансформаторов, и тем более для отдельного трансформатора, может быть принято равным постоянной величине а

Величина а зависит от мощности и класса напряжения, а также от принятого уровня потерь короткого замыкания трансформатора и металла обмоток. С уменьшением Рк растут масса металла и радиальные размеры обмоток, что приводит к некоторому увеличению а. Для алюминиевых обмоток а больше, чем для медных. Ориентировочные значения а для приближенного расчета основных размеров масляного трансформатора могут быть выбраны по табл. 14 в зависимости от мощности трансформатора, номинального напряжения обмотки ВН и принятых потерь короткого замыкания в долях нормы Рк по ГОСТ.

Т а б л и ц а 14. Ориентировочные значения а= d 12 / d для медных обмоток.

Примечание. Для обмоток из алюминия значения а, полученные из таблицы, умножить на 1,06.

Для трансформаторов с естественным воздушным охлаждением мощностью от 10 до 160 кВ·А класса напряжения 10 кВ при медных обмотках можно применять соответственно а 1,71,6; при алюминиевых а 1,81,7. Для трансформаторов мощностью 160-1600 кВ·А класса напряжения 10кВ при медных обмотках а 1,71,6; при алюминиевых а 1,81,7.

Принято выше [см (6) ] положение о постоянстве отношения двух диаметров является вторым допущением, входящим в расчет трансформатора.

При расчете d 12 по (5) радиальные размеры осевых каналов а 01 между стержнем и обмоткой НН и а 12 между обмотками НН и ВН определяются из условий электрической прочности главной изоляции трансформатора по испытательным напряжениям обмоток НН и ВН по табл. 9 и 15.

Т а б л и ц а 15. Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН с учетом конструктивных требований.

В (5) подставляются а 12 = а 12 10 –3 и а 01 = а 01  10 –3

Радиальный размер обмотки НН а 1 может быть приближенно подсчитан по формуле

(7)

где (а 1 +а 2)/3, определяется приближенно по (2); коэффициент К 1 может быть принят 1,10 для трансформаторов мощностью 25-630 кВА с плоской магнитной системой.

Третий основной размер трансформаторов - высота обмотки, определяется по формуле

L =d 12 /. (8)

В (8) подставляется величина  н, определенная для нормализованного диаметра по (4).

После расчета основных размеров трансформатора подсчитывается активное сечение стержня, т.е., чистое сечение стали, м 2:

(9)

Электродвижущая сила одного витка, В,

U в = 4,44ƒ В с П с (10)

Определение размеров стержня и обмоток, проводимое в начале расчета, является предварительным. Задача предварительного расчета заключается в приближенном определении размеров магнитной системы и обмоток d, d 12, l и в расчете активного сечения стержня П с и ЭДС одного витка обмотки U в, что необходимо в дальнейшем для полного расчета обмоток. Сечение стержня П с в предварительном расчете определяется по коэффициенту заполнения К с без расчета размеров пакетов и при окончательном расчете магнитной системы может быть скорректировано на 0,5 – 1%. Размеры пакетов стержня и ярма могут быть также найдены по табл. 6.

В окончательном расчете магнитной системы, проводимой после полного расчета обмоток, проверки и подгонки к заданной норме параметров короткого замыкания, определяют размеры ступеней в сечении стержня и ярма и все остальные размеры магнитной системы, уточняют активные сечения стержня и ярма, а также индукцию, рассчитывают массу стали, потери и ток холостого хода.

В процессе полного расчета обмоток и окончательного расчета магнитной системы размеры и параметры, приближенно найденные в предварительном расчете, могут быть несколько изменены. Поэтому при расчете параметров короткого замыкания и холостого хода и других подсчетах, которые проводятся в конце расчета, после окончательной раскладки обмоток и определения реальных размеров магнитной системы следует пользоваться не предварительно полученными здесь значениями d, d 12, l, (а 1 +a 2) /3, а 1 , П с и В с, а размерами и параметрами, найденными для реальных обмоток и магнитной системы.

Страница 13 из 68

Магнитной системой трансформатора называют комплект пластин из электротехнической стали, собранный в определенной геометрической форме. Ее обычно разделяют на стержни и ярма.
Стержни - это часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки трансформатора, а ярма соединяют стержни, замыкая магнитную цепь, и обычно не несут обмоток. Различают торцовые и боковые ярма. Ярмо, соединяющее концы двух или нескольких стержней, называют торцовым, а соединяющее оба конца одного и того же стержня - боковым (рис. 11).
Магнитные системы трансформаторов различают: по взаимному расположению стержней и ярм (торцовых и боковых), количеству стержней, способу сборки.
По взаимному расположению стержней и торцовых ярм магнитные системы могут быть плоского или пространственного исполнения. Те, в которых продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости, называют плоскими (рис. 11), а в которых не все оси стержней или ярм в одной плоскости - пространственными (рис. 12).
По взаимному расположению стержней и боковых ярм различают стержневые, бронестержневые и броневые магнитные системы.
У стержневой системы (см. рис. 11, б, в) стержни соединяются только торцовыми ярмами (верхним и нижним) при отсутствии боковых ярм у бронестержневой системы (см. рис. 11, а) один стержень - одним боковым ярмом, у броневой системы (см. рис. 11, г) оба конца одного и того же стержня - не менее чем двумя боковыми ярмами.

Рис. 11. Плоские магнитные системы трансформаторов:
а- бронестержневая с одним стержнем, б - стержневая с двумя стержнями, в - стержневая с тремя стержнями, г - броневая; 1 - стержень, 2 - боковое ярмо, 3 - верхнее и нижнее торцовые ярма, 4 - обмотка

Рис. 12. Пространственная магнитная система:

I - элементы навитой ленточной магнитной системы, 2 - стеклобандаж, скрепляющий составной стержень, 3 - изоляционная прокладка стыка двух частей составного стержня

18. СТЕРЖНЕВЫЕ МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ

Наиболее распространены плоские стержневые магнитные системы. Стержни этих систем (от одного до трех в зависимости от числа таз и конструкции трансформатора) располагают обычно вертикально (см. рис. 11,б, в). Большинство отечественных трансформаторов имеет стержни и ярма, собранные способом шихтовки; т. е. их собирают из пластин, плоскости которых только параллельны (рис. 13).

Рис. 13. Сечение стержня магнитной системы

Обмотки стержневых магнитных систем имеют цилиндрическую форму, поэтому и форму сечения стержней стремятся приблизить к кругу. Сечения стержней выполняют ступенчатыми, набирая их из пластин и пакетов различной ширины, при этом ступенчатую фигуру сечения вписывают в окружность, диаметр которой равен диаметру стержня.
Отношение площади поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня, называют коэффициентом заполнения площади круга. Это очень важная величина. Чем больше этот коэффициент, тем в меньшем диаметре можно разместить заданное сечение стержня и, следовательно, меньше должны быть диаметр обмоток, масса проводов и потери короткого замыкания. При ступенчатом сечении коэффициент заполнения увеличивают за счет большего числа пакетов, что, однако, повышает трудоемкость изготовления: растет номенклатура пластин, усложняется сборка.
Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины стали тщательно изолируют друг от друга. Существует несколько видов электроизоляционных покрытий различной толщины (от 3- 4 до 20-30 мкм). Чем тоньше изоляция, тем больше суммарная площадь селения пластин стали (активное сечение) в поперечном сечении стержня (ярма).
Отношение активного сечения стержня (ярма) к площади его поперечного сечения называют коэффициентом заполнения сечения стержня (ярма). При термостойком покрытии, принятом сейчас для большинства конструкций, коэффициент заполнения сечения стержня (ярма) достигает 0,96, т. е. лишь 4% сечения стержня составляет неактивную часть (не является сталью).
Каждая ступень сечения образуется пакетом (стопой) изолированных пластин одинаковых размеров. Между пакетами при больших диаметрах оставляют один или несколько каналов для охлаждения. У масляных трансформаторов эти каналы делают шириной 5-6 мм, у воздушных - до 20 мм.
Форма сечения торцовых ярм, как правило, повторяет сечение стержня. Исключение составляют один-два крайних пакета, ширину которых обычно увеличивают до ширины соседнего внутреннего пакета. Такое «уширение» крайних пакетов улучшает прессовку и фиксацию ярм магнитной системы.
Стержневые магнитные системы кроме шихтованной конструкции могут быть стыковые и навитые (ленточные).
К стыковым относят магнитосистемы с разъемом в плоскости поперечного сечения стержней; их стержни и ярма собирают отдельно, а затем устанавливают встык по плоскости разъема, как указано на рис. 14, а.
При наличии разъемов облегчается сборка магнитной системы (отдельные элементы устанавливают друг на друга и скрепляют стяжными шпильками) и упрощается насадка обмоток (снимают целиком верхнее торцовое ярмо).
Однако стыковые системы имеют существенные недостатки, определяемые необходимостью точной стыковки пластин ярма и стержня. Всегда возможны какие-то несовпадения, а следовательно, и замыкания пластин в месте стыка (рис. 14, б). Замыкание приводит к циркулирующим токам, а усиленный нагрев стыка может стать причиной аварии трансформатора. Для предупреждения замыкания в месте стыка устанавливают прокладку из прессованного электрокартона или другого изоляционного материала (рис. 14, в). Толщина прокладки должна быть минимальной, поскольку наличие зазора в стыке увеличивает магнитное сопротивление и ток холостого хода.



Рис. 14. Схема стыковки магнитной системы (а) с соединением элементов стержня без прокладки (б) и с изолирующей прокладкой (в):
1 - торцовые ярма, 2 - элементы стержня магнитной системы, 3 - изолирующие прокладки, 4 - пластины элементов стержня

Однако слишком тонкие прокладки ненадежны: ошибки в изготовлении пластин или их небрежная сборка, наличие заусенцев « «гребешков» (выступов пластин) могут привести (в результате вибраций) к разрушению прокладки и замыканию между пластинами.
Стыковые магнитопроводы из-за указанных недостатков почти не используются в трансформаторах, но широко применяются в электрических реакторах.
Шихтованная магнитная система отличается от стыковой тем, что ее стержни и ярма собирают из пластин, не имеющих сплошного стыка в плоскости поперечного сечения. Места стыка пластин в каждом смежном слое смещены друг относительно друга, и пластины собираются (шихтуются) в переплет: каждый стык пластин в одном слое перекрывается сплошными участками в смежных слоях. На рис. 15 видно, что лишь часть магнитного потока проходит через зазор, где сопротивление ему в сотни раз выше, чем в стали, а основная часть - по сплошному участку соседней пластины. Благодаря этому ток холостого хода снижается в несколько раз (по сравнению со стыковой конструкцией).
Сборку (шихтовку) магнитной системы производят в одну или две пластины, т. е. толщина слоя шихтовки равна толщине одной или двух пластин. Наименьший ток холостого хода получается при шихтовке в одну пластину, несколько больший - при шихтовке в две пластины. Дальнейшее увеличение толщины слоя (три и более пластин) нецелесообразно, так как растет площадь стыка и заметно повышается ток холостого хода.
Шихтовка в три пластины более производительна, чем в одну-две пластины, однако этот видимый «выигрыш» обманчив, поскольку завышенная реактивная мощность, определяемая током холостого хода за срок службы трансформатора (25 лет и более), вызовет потери, стоимость которых во много раз превышает экономию на время сборки.

Рис. 15. Схема шихтовки магнитной системы в две пластины. Штриховыми линиями показано направление магнитного потока

В шихтованной магнитной системе стык отдельных пластин ярма и стержня может иметь форму прямую, косую или комбинированную.
У прямого стыка пластины имеют прямоугольную форму (рис. 16, а), у косого - пластины срезаны в месте сочленения под углом (рис. 16,6), у комбинированного - прямые и косые стыки при шихтовке чередуются (рис. 16, г).
Холоднокатаная сталь обладает, как известно, анизотропией (имеет различные магнитные свойства вдоль и поперек прокатки). Для ее экономичного использования необходимо совпадение направлений прокатки и основного магнитного потока, что достигается везде, кроме углов магнитной системы.
При использовании прямого стыка (рис. 16, а) в углах существуют зоны несовпадения направлений прокатки стали и магнитного потока (на рисунке - заштрихованный участок), в которых потери холостого хода (Вт/кг) в 2-2,5 раза превышают потери на участках, где направления прокатки и потока совпадают.
Для уменьшения потерь в углах применяют иногда двухрамную конструкцию магнитной системы с прямым стыком (рис. 16, в). Объем углов в такой конструкции снижается вдвое по сравнению с однорамной, следовательно, в 2 раза уменьшаются и потери в углах.
Зону несовпадения потока и прокатки уменьшают, используя косой срез пластин - косой стык (рис. 16, б). Косым стыком называют место сочленения пластин ярма и стержня, срезанных под углом, близким к 45° к направлению прокатки, т. е. к продольной оси пластины.

Рис. 16. Стыки стержней:
а- прямой, б- косой, в - прямой у двухрамной магнитной системы, г - комбинированный; А - направление прокатки. Заштрихованные участки обозначают зоны несовпадения магнитного потока с направлением прокатки

Перекрытие стыков достигается взаимным смещением пластин смежных слоев по длине, в результате чего один из острых углов («ус») каждого слоя выступает над ярами (рис. 17, в). Во избежание травм при сборке острый конец «уса» обрезают.
Пластины с косым стыком могут иметь сложную конфигурацию (рис. 17, а, б), их изготовление требует специального оборудования, а сборка магнитной системы с ними более трудоемка, чем при прямом стыке, но косой стык снижает потери холостого хода на 15-25%, поэтому его широко применяют.
Несколько большие потери холостого хода получаются в магнитной системе с комбинированным стыком. Схемы шихтовки с комбинированным стыком на крайних стержнях (I положение) и прямым на среднем стержне (II положение) были показаны на рис. 16, г.
Как видно из рисунка, пластины имеют сравнительно простую форму; смежные слои при шихтовке смещать не обязательно, «усы» отсутствуют; шихтовка лишь немногим сложнее, чем с пластинами, имеющими прямой стык.
В последние годы для трансформаторов небольшой мощности начали применять навитые (ленточные) магнитные системы из «непрерывной» стальной ленты без стыков. Название они получили по способу изготовления: их навивают (наматывают) из стальных лент соответствующей ширины.



Рис. 17. Магнитная система трехфазного трансформатора с косым стыком пластин (а - над крайним стержнем, б - над средним стержнем) и схема шихтовки (в):
1, 4 - пластины крайнего и среднего стержней, 2 - верхнее ярмо, 3 - прессующее кольцо, 5 - устройство для подъема, 6 - обмотка ВН, 7 - «ус»