В отличие от потерь холостого хода, снижение нагрузочных потерь не сопровождалось существенным улучшением материалов.
Нагрузочные потери состоят из основных потерь PR в проводе обмотки, добавочных потерь в проводе из-за вихревых токов и поверхностного эффекта и добавочных потерь в стенках бака и металлических частях конструкции.
Снижение потерь в проводе
Главным методом снижения нагрузочных потерь было уменьшение плотности тока в проводе путем увеличения его сечения. Однако это имело два отрицательных следствия. Первое — увеличение пространства, занимаемого обмотками, что увеличивало размеры сердечника, а, следовательно его массу и потери холостого хода. Во-вторых, увеличение сечения провода приводило к увеличению добавочных потерь в проводе, т. е. потерь, вызванных вихревыми токами и поверхностным эффектом. Применение компактного провода, состоящего из большого количества изолированных и транспонированных проводников с общей изоляцией, частично сняло первый недостаток и в большой степени второй.
В настоящее время в больших трансформаторах применяется транспонированный провод, в котором число элементарных проводников может достигать 80. Провод может иметь изоляцию с эпоксидной смолой, которая после полимеризации в процессе сушки придает большую жесткость проводу, что повышает прочность обмоток при воздействии токов короткого замыкания.
Снижение добавочных потерь
Добавочные потери во внешних по отношению к обмоткам металлических частях вызваны потоком рассеяния, создаваемым обмотками, который зависит от амиервитков и конфигурации обмоток и не зависит от плотности тока.
По мере снижения потерь в обмотках, в нагрузочных потерях возрастает доля добавочных потерь вне обмоток, особенно в трансформаторах с большим значением сопротивления короткого замыкания.
Ранее контроль поля рассеяния осуществлялся прежде всего для того, чтобы избежать недопустимого нагрева в отдельных точках стенок бака и других металлических частях, особенно в трансформаторах большой мощности или имеющих большое значение сопротивления короткого замыкания.
Сегодня такой контроль поля рассеяния проводится также для снижения добавочных потерь. Меры для снижения добавочных потерь заключаются в применении проводящих экранов для отклонения магнитного потока от защищаемой поверхности, или электромагнитных шунтов, собирающих и направляющих часть магнитного потока в желаемом направлении.
Немагнитные электрически проводящие экраны препятствуют проникновению потока рассеяния в магнитный материал, в котором могут индуцироваться высокие потери.
Преимуществом таких экранов является их простота и возможность придания им необходимой формы для защиты поверхностей сложной конфигурации. Их недостаток заключается в том, что в самом экране возникают потери, которые должны быть оценены, а сами экраны должны иметь охлаждение. При этом должен быть контроль отклоненного экраном потока рассеяния, который может индуцировать потери в других деталях, изготовленных из магнитного материала.
Электромагнитные шунты направляют поток по путям, где могут быть только небольшие потери, желательно по путям вне стенок бака и других металлических частей. Преимуществом магнитных шунтов, набираемых из электротехнической стали, является лучший контроль потока рассеяния и потерь, создаваемых этим потоком. Недостатком является трудность придания шунтам необходимой формы для защиты деталей сложной конфигурации.
Кроме электромагнитных экранов с высокой электрической проводимостью и электромагнитных шунтов иногда практикуют замену отдельных металлических частей конструкции деталями, изготовленными из изоляционных материалов, обладающих высокой механической прочностью.
Кроме того, некоторые детали конструкции, расположенные в области сильного поля, например, адаптеры вводов, могут изготавливаться из немагнитных материалов, имеющих значение относительной магнитной проницаемости ц от 1,1 до 1,8 и высокую проводимость порядка 0,8—1,0 Ом • мм2/м.
Экранирование может несколько изменить значение сопротивления короткого замыкания (на десятые доли процента).
В трехстержневых трансформаторах, не имеющих обмоток, соединенных в треугольник, сопротивление нулевой последовательности в результате экранирования стенок бака может измениться почти вдвое.
Опытные данные подтверждают эффективность применения экранов и шунтов для снижения добавочных потерь и температуры местных нагревов металлических частей. По некоторым данным, лучший результат дает экранирование стенок бака электромагнитными шунтами, а металлических частей вблизи отводов больших токов — электромагнитными проводящими экранами.
Для защиты ярмовых балок иногда применяются электромагнитные шунты.
Такое экранирование может снизить добавочные потери в защищаемых металлических частях более чем на 50%.
Однако всякое экранирование должно сопровождаться контролем ноля рассеяния, т.к. при неправильной установке экранов добавочные потери могут не только не уменьшится, но и возрасти.
В настоящее время добавочные потери могут составлять от 10 до 40% нагрузочных. Можно полагать, что достигнутое в течение последних десятилетий снижение нагрузочных потерь, как и потерь холостого хода, было в большой степени стимулировано высокой удельной капитализированной стоимостью потерь.
Расчетное определение потока рассеяния
В настоящее время применяются сложные расчетные методы для определения магнитного потока рассеяния. Такие расчеты, например, с помощью метода конечных элементов, могут выполняться для двухмерного ноля, а в более сложных случаях — для трехмерного поля.
Основанные на этих методах компьютерные программы позволяют определить наиболее выгодное положение защитных устройств (экранов или шунтов), значение потерь, создаваемых потоком рассеяния и температуру в месте наибольших потерь.
На рис. 2. приведено распределение потерь в стенке бака, вызванных полем рассеяния в случае отсутствия и наличия защитных элементов. Кривые получены расчетом на компьютере с помощью метода конечных элементов.
Рис. 2. Кривые распределения плотности потерь в стенке бака по высоте: 1 — без экранирования, 2-е экранированием .