Технология изготовления обмоток и изоляции силовых трансформаторов должна обеспечивать помимо заданных конструктором технических параметров этих изделий их эксплуатационную надежность при наиболее высоком уровне производительности труда и максимальном снижении трудоемкости. Эта задача решается на основе научно обоснованных требований к производству обмоток и изоляции с учетом знания процессов, происходящих в трансформаторе при его эксплуатации.
Силы, возникающие в магнитном поле рассеяния концентрической обмотки.
а — магнитное поле рассеяния; б — направление радиальных сил; 1 — магнитопровод; 2 — обмотки НН; 3 — обмотка ВН.
Обмотки в процессе эксплуатации испытывают большие механические нагрузки в результате взаимодействия электрического тока, проходящего по проводникам обмотки, с магнитным полем рассеяния (рис. а, б). В концентрических обмотках взаимодействие продольного поля рассеяния с токами в проводах обмотки создает радиальные силы, которые стремятся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю.
Сила, сжимающая обмотку в осевом направлении, зависит от формы и направления поперечного поля рассеяния.
Радиальные и осевые силы, воздействующие на обмотку, зависят как от геометрических параметров обмотки, так и от тока, протекающего в обмотке.
При коротких замыканиях или коммутационных воздействиях в обмотке протекают токи в 10—20 раз превышающие номинальные значения, вызывая резкое увеличение механических нагрузок на обмотку. Особо надо учитывать кратковременный характер воздействия сил от короткого замыкания, при которых действуют законы динамики.
Радиальные силы воспринимаются проводниками обмотки, вызывая в них напряжения растяжения или сжатия. Если между витками в радиальном направлении нет зазора, тогда все витки воспринимают нагрузку равномерно. В противном случае нагрузка будет восприниматься отдельными витками неравномерно, что может привести к остаточной деформации проводников, т. е. к снижению механической прочности обмотки.
Сжимающая радиальная сила, воздействующая на виток, вызывает иногда потерю устойчивости обмотки в радиальном направлении, даже если в ней предельные напряжения сжатия не превысили допустимых для данного проводника.
Если условно рассматривать обмотку как кольцо, имеющее несколько опор и нагруженное равномерно сжимающей статической нагрузкой, то критическое напряжение, Па, при превышении которого произойдет потеря его устойчивости, определится как
где Е — модуль упругости проводника, Па; а — радиальный размер обмотки, м; с — число опор; D — средний диаметр обмотки, м; / — длина пролета между опорами, м.
Эксперименты показывают, что при динамическом режиме значение критического напряжения может быть больше, чем определяемое по формуле. Особенно этому способствует наличие «начальных неправильностей», которые могут быть вызваны технологическими факторами: отступлением от концентрической формы внутреннего витка обмотки, разной толщины установленных реек, неравномерным и неплотным прилеганием витков в радиальном направлении, местными изгибами проводника и т. п. В то же время установлено, что чем плотнее витки обмотки в осевом направлении прилегают друг к другу, тем устойчивее обмотка в радиальном направлении. Еще не найден точный математический учет влияния технологических факторов на устойчивость обмоток, однако экспериментальная проверка показала их существенное влияние, поэтому весьма важно при изготовлении обмоток не допускать или свести к минимуму те явления которые могут привести к снижению устойчивости обмоток.
Осевые сжимающие усилия воспринимаются между катушечными прокладками и опорными элементами, вызывая в них напряжения сжатия. Напряжения сжатия при коротком замыкании могут достигнуть 35—40 МПа.
Так как механические прочностные характеристики изоляционного материала значительно ниже проводникового материала, то они подвергаются большим деформациям от осевой механической нагрузки и под действием этих усилий обмотки могут деформироваться, в результате чего трансформатор может быть выведен из строя. Для уменьшения осевых сил при коротких замыканиях и повышения осевой устойчивости обмоток применяют целый ряд конструктивных и технологических решений. Так, все катушечные обмотки выполняются с наружными, так называемыми «прошивными», рейками. К конструктивным решениям следует также отнести предварительную запрессовку обмоток между ярмовыми балками магнитопровода с помощью специальных нажимных винтов или гидродомкратов, которые позволяют регулярно производить подпрессовку обмоток в процессе эксплуатации. Внедрены также специальные технологические процессы, направленные на стабилизацию осевого размера обмотки в процессе эксплуатации трансформатора. Главными из них являются плотная намотка обмотки вследствие осевой и радиальной подпрессовки в процессе намотки, применение уплотненного электроизоляционного картона и специальных режимов обработки, сводящих к минимуму изменение осевых размеров обмотки при ее прессовке и вакуумной сушке.
В основных типах обмоток (винтовых, непрерывных, переплетенных) применяемых в трансформаторах III—VIII габаритов, бумажная изоляция провода и картон прокладок составляют 40— 50 % осевого размера обмотки. Несомненно, что стабильность размеров этих материалов в значительной мере определяет стабильность осевого размера обмотки. Электроизоляционный картон представляет собой неоднородный геторогенный материал, состоящий из целлюлозного волокна и вещества, заполняющего поры (воздуха, влаги). По капиллярам влага проникает в волокна целлюлозы, которые, поглощая воду, разбухают, и картон увеличивает свою толщину. Поэтому изготовление изоляционных деталей из электроизоляционного картона необходимо вести в сухих помещениях. При уменьшении влажности картона толщина его практически не изменяется, но из-за удаления воды в нем образуются пустоты поры, объем которых доходит до 40—50 %. Наличие пор обусловливает большую усадку картона по толщине под действием сил сжатия.
При начальном нагружении с усилием 1,5—2,5 МПа кривая сжатия имеет значительную кривизну, что объясняется резким уплотнением картона за счет интенсивного выбора пустот. При дальнейшем увеличении давления кривая идет более полого и при нагрузках порядка 25—30 МПа приобретает вид прямой линии, слегка наклоненной к оси абсцисс, что свидетельствует о том, что процесс нарастания деформаций при таких нагрузках практически заканчивается.
Зависимость степени остаточной деформации электроизоляционного картона от напряжения сжатия и количества циклов нагружения.
а — первый цикл; б — восьмой цикл; — деформация; -- модуль упругости.
Остаточная деформация зависит от числа циклов нагружения (рис. б). При нагружении и снятии нагрузки деформация электроизоляционного картона связана с необратимыми процессами затраты энергии на остаточную деформацию. Наибольшая остаточная деформация наблюдается при первом цикле. При всех значениях давления она составляет 0,4—0,45 полной деформации. При последующих циклах остаточная деформация резко уменьшается и составляет 0,1 полной деформации.
Таким образом, если электроизоляционный картон подвергнуть циклической нагрузке (3—4 цикла) давлением около 30 МПа, то можно получить уплотненный картон с плотностью 1250— 1300 кг/м3, который практически не будет иметь остаточной деформации при аналогичных нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации трансформаторов. Из такого уплотненного картона следует изготавливать дистанционные прокладки. Уплотнение картона можно осуществить с помощью прокатных вальцов.
Для удаления влаги из картона (остаточная влажность электроизоляционного картона в трансформаторе допускается в пределах 0,3—0,5 %) его сушат. Термическую обработку деталей из электроизоляционного картона производят первый раз в процессе сушки обмоток и второй раз — в процессе термовакуумной сушки активной части трансформатора, после которой изоляция пропитывается трансформаторным маслом.
В процессе технологической обработки обмотки электроизоляционный картон и бумажная изоляция проводников обмотки дают значительную усадку, поэтому для получения окончательного размера высоты обмотки конструктор еще при расчете обмотки должен учитывать ожидаемую усадку изоляции.