8. Расчет механических сил при аварийном коротком замыкании

Аварийное короткое замыкание на вторичной обмотке трансформатора возникает при номинальном напряжении на первичной обмотке и сопровождается резким увеличением токов в обмотках и ударным действием электромагнитных сил на обмотки. Трансформатор должен обладать электродинамической стойкостью при коротком замыкании, т.е. должен выдерживать без повреждений динамические воздействия, возникающие при внешнем коротком замыкании, поэтому проверка обмоток на механическую прочность является важным этапом расчета трансформатора. Такая проверка заключается в определении: максимального (ударного) тока аварийного короткого замыкания, электродинамических сил, возникающих между обмотками, механических напряжений в проводниках и изоляционных конструкциях трансформатора. Электродинамические силы, действующие на обмотки трансформатора при аварийном коротком замыкании, возникают при взаимодействии токов в обмотках с магнитным полем рассеяния. Поле рассеяния имеет две составляющие: продольную (аксиальную), направленную параллельно оси обмотки, и радиальную, направленную по радиусам к оси обмотки. Расчет сил, действующих на обмотку, выполняется для каждой составляющей отдельно.

8.1. Действующее значение установившегося тока аварийного короткого замыкания согласно ГОСТ 52719-2007 [7] и ГОСТ Р 58115-2018 45 [9] определяется с учетом сопротивления короткого замыкания питающей сети. В инженерной практике зачастую пользуются упрощенной формулой:

8.2. Ударный ток аварийного короткого замыкания

, где ударный коэффициент, определяемый выражением .

.

8.3. Величина радиальной силы, действующей на каждую из обмоток, определяется выражением:

коэффициент Роговского ( =0,93...0,98); - средняя длина витка обмотки.

Средняя длина витка обмотки ВН

Радиальная сила

Механическое напряжение на разрыв в проводниках обмотки НН (наружной):

Для трансформаторов мощностью 5600 кВА и выше =100...150 МПа. Полученное значение удовлетворяет этому условию.

8.4. Осевые силы возникают от радиальной составляющей поля рассеяния. При одинаковой высоте обмоток эти силы стремятся сжать обе обмотки в осевом (аксиальном) направлении. Если высоты обмоток различны, но их нижние края находятся на одном уровне, тогда осевая сила складывается из двух составляющих:

где - составляющая осевой силы, сжимающая обмотку;

- составляющая осевой силы, которая стремится сдвинуть обмотки, имеющие различную высоту, в осевом направлении, увеличивая несимметрию их размещения на стержне. Эти составляющие определяются выражениями:

,

где l - бóльшая высота одной из двух обмоток (сетевой или вентильной).

,

разность высот обмоток;

- средняя приведенная длина силовой линии радиальной составляющей магнитного поля рассеяния;

m – постоянный коэффициент, зависящий от взаимного расположения обмоток, имеющих разную высоту (для рассматриваемого случая, когда нижние края обмоток находятся на одном уровне, m=1).

Средняя приведенная длина силовой линии радиальной составляющей магнитного поля рассеяния

= ,

Где - расстояние от наружного края обмотки НН до стенки бака трансформатора (принимается =20...200 мм). Получим:

8.5. Действие осевых сил воспринимают межкатушечные изоляционные прокладки обмоток. Механическое напряжение сжатия этих прокладок

,

где – радиальный размер катушки обмотки ВН или НН. В знаменатель этой формулы необходимо подставить данные расчета, дающие меньшее значение знаменателя. Получим:

.

Для трансформаторов мощностью свыше 6300 кВА допустимое значение механического напряжения на сжатие составляет =35...40 МПа. Полученное значение удовлетворяет требованиям ГОСТа.