9. Определение механических сил в обмотках

Механические силы возникают в результате взаимодействия тока в обмотках с магнитным полем рассеяния, создают механические напряжения в обмотках и частично передаются на элементы конструкции трансформатора.

При нормальной работе трансформатора эти силы не велики, однако в режиме короткого замыкания, которое сопровождается увеличением токов в обмотках в десятки раз по сравнению с номинальными токами, эти силы возрастают в сотни раз и способны привести к разрушению обмотки, к деформации или разрыву витков или к разрушению опорных конструкций.

Силы, действующие на обмотки трансформатора, как показано на рис. 8, можно разделить на радиальные и осевые. Радиальные силы F_р возника­ют в результате взаимодействия различных обмоток. Эти силы внешнюю обмотку растягивают, а внутреннюю - сжимают. Осевые силы F_oс возникают в результате взаимодействия элементов одной обмотки и сжимают обмотку в одном направлении. Как видно из рис. 8, осевые силы зависят от взаимного расположения обмоток. Осевые силы оказывают давление на межкатушечную, межвитковую и опорную изоляцию обмотки, для которой должна быть обеспечена прочность на сжатие. Прочность металла проводов при сжатии в этом случае считается достаточной.

Радиальные силы, как уже отмечалось, оказывают различное воздейст­вие на наружную и внутреннюю обмотки трансформатора. Они наиболее опасны для проводов внутренней обмотки, испытывающих сжатие и изги­бающихся под действием радиальных сил в пролетах между рейками, на ко­торых намотана обмотка.

Рисунок 10 – Действие осевых и радиальных сил на обмотки двухобмоточного трансформатора

Установившийся ток короткого замыкания в обмотке НН и ВН, А:

, (9.1)

А;

А.

Мгновенное максимальное значение ударного тока короткого замыкания обмотки НН и ВН, А:

, (9.2)

где k_м– коэффициент, учитывающий апериодическую составляющую тока короткого замыкания:

, (9.3)

.

А;

А.

Радиальная сила, действующая на обмотки НН и ВН, Н:

(9.4)

Н;

Н.

Рисунок 11 – Действие радиальных сил на катушки обмоток

Напряжение сжатия от радиальной силы во внутренней обмотке НН, МПа:

МПа, (9.5)

МПа.

Осевая сила, Н:

(9.6)

Н;

Н.

Осевая сила является суммой элементарных сил, приложенных к отдельным проводникам обмотки и направленных вниз в верхней половине и вверх в нижней половине каждой из обмоток. Максимальное значениедостигает на середине высоты обмотки.

Рисунок 12 – Распределение сжимающих осевых сил

Осевая сила, Н:

, (9.7)

где m– коэффициент, зависящий от схемы регулирования напряжения (см. рис. 10);

– расстояние между крайними витками с током при работе трансформатора на низшей ступени обмотки ВН, см;

– средняя приведённая длина индукционной линии поперечного рассеяния.

Величина определяется по формуле:

, (9.8)

где В– ширина бака;

d – диаметр стержня, см.

(9.9)

Исходя из рис. 10 Н.

Максимальное значение сжимающей силы в обмотке, Н:

437Н;

17Н.

Силы, действующей на ярмо рис. 10:

Н

Осевые сжимающие силы воспринимаются обычно междукатушечными прокладками и опорными прокладками из электроизоляционного картона. Опорные поверхности, воспринимающие осевые силы, ограничены на рис. 11 штриховыми линиями.

Рисунок 13 – Опорные поверхности обмоток, имеющих радиальные масляные каналы

Напряжение сжатия на опорных поверхностях, МПа:

, (9.10)

где n_п– число прокладок по окружности обмотки,n_п=10;

а – радиальный размер обмотки, см;

b_п– ширина прокладки,b_п=5 см.

МПа;

МПа.

Конечная температура обмотки °С, через времяс, после возникновения короткого замыкания:

, (10.12)

где - наибольшая продолжительность короткого замыкания на выводах масляного трансформатора, принимаемая при коротком замыкании на сторонах с номинальном напряжением 35 кВ и ниже 4 с;

- плотность тока при номинальной нагрузке,

- начальная температура обмотки, обычно принимаемая за 90°С.

⁰С;

⁰С.

Предельно допустимая температура обмоток при КЗ, установленная ГОСТ 11677-85, составляет для меди – 250°С.

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

, (10.13)

с;

с.