Материалы, применяемые в трансформаторах
Содержание материала
При изготовлении и ремонте трансформаторов применяют различные электромагнитные, проводниковые, электроизоляционные, конструкционные и вспомогательные материалы. Первые три вида — это электротехнические материалы; они являются основными материалами в устройстве электрических аппаратов, машин и различных электроустановок. Кроме того, магнитные и проводниковые материалы принято называть активными, хотя часто в электротехнических устройствах один и тот же материал одновременно выполняет функции конструкционного и активного. Так, например, стержень ввода, являясь основной токоведущей его частью, механически скрепляет между собой все его детали.
Электромагнитные и проводниковые материалы
Электромагнитные материалы применяют в виде рулонной и листовой электротехнической стали толщиной обычно 0,28; 0,30 и 0,35 мм для изготовления магнитных систем (магнитопроводов) трансформаторов.
Электротехническая сталь в зависимости от содержания в ней кремния и способов прокатки характеризуется следующими свойствами: магнитной проницаемостью, удельными потерями от вихревых токов и перемагничивания (гистерезиса) и удельным электрическим сопротивлением.
Увеличение содержания кремния в стали повышает относительную магнитную проницаемость, снижает удельные потери от вихревых токов и гистерезиса, повышает удельное электрическое сопротивление, а его уменьшение дает обратные результаты.
До 1955 г. в отечественном трансформаторостроении использовали в основном горячекатаную листовую сталь марок Э42, Э43, Э4А и других толщиной 0,5 мм. Позже начали применять холоднокатаную сталь, выпускаемую в рулонах, которая из-за особенностей кристаллографической структуры обладает анизотропией магнитных свойств, отличается от горячекатаной меньшими удельными потерями энергии, повышенной магнитной проницаемостью и большей допускаемой индукцией, что позволяет изготовлять магнитную систему, а следовательно, и трансформатор с меньшими потерями холостого хода, уменьшать его массу и размеры. Другая особенность холоднокатаной стали заключается в том, что при совпадении направления магнитного потока с направлением проката удельные потери в стали резко уменьшаются, а магнитная проницаемость увеличивается, и наоборот. Это свойство анизотропии приходится учитывать при изготовлении магнитной системы.
Холоднокатаную сталь толщиной 0,28, 0,3 и 0,35 мм изготовляют с термостойким (магниево-фосфатным) покрытием, обладающим электроизоляционным свойством, маслостойкостью и механической прочностью. Поэтому пластины из такой стали шириной до 400 мм для трансформаторов мощностью до 32 MB-А и напряжением до 110 кВ включительно, как правило, не нуждаются в дополнительном покрытии изоляционным лаком. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины без термостойкой поверхностной пленки и с термостойким покрытием более мощных магнитных систем изолируют, т. е. покрывают лаком и запекают. Удельные потери в стали, определяемые суммарными потерями от вихревых токов и перемагничивания 1 кг стали, зависят от магнитной индукции и частоты переменного синусоидального тока.
Для магнитных систем трансформаторов в настоящее время применяют холоднокатаную рулонную сталь марок 3404, 3405, 3406 и др. (ГОСТ 21427.0—75), для которой характерна высокая магнитная индукция и низкие удельные потери. Например, для стали 3406 толщиной 0,28 мм допускаемая индукция 1,7 Тл (для горячекатаной—1,45 Тл); при намагничивании ее вдоль проката и индукции 1,6—1,65 Тл (частоте 50 Гц) удельные потери составляют 1,25—1,30 Вт/кг, а при намагничивании под углом 90° к направлению проката — почти в 3 раза больше.
Наиболее перспективной для магнитных систем трансформаторов является электротехническая рулонная сталь с кубической текстурой и увеличенным содержанием кремния (3% и более) имеющая примерно одинаковое значение потерь при намагничивании ее вдоль и поперек прокатки, меньшие удельные потери (0,8—0,9) Вт/кг и большее удельное электрическое сопротивление (0,4—0,5) мкОм-м.
Проводниковые материалы, применяемые в трансформаторах, изготовляют из электротехнической меди и алюминия.
Электротехническая медь, получаемая электролизом, отличается высокой чистотой и хорошим качеством. Из всех проводниковых материалов, за исключением серебра, она имеет самое низкое удельное электрическое сопротивление — 0,0175 мкОм-м при 20°С (плотность 8,96 г/см 3 при 20°С).
Алюминий уступает меди по электропроводности и механической прочности. Его удельное электрическое сопротивление 0,029 мкОм-м при 20°С, что в 1,65 раза больше сопротивления меди. Однако низкая стоимость, малая плотность (2,7 г/см 3 ). сравнительно низкое электрическое сопротивление позволяют использовать его для изготовления обмоточных проводов, применяемых в основном в обмотках трансформаторов I—II габаритов. Для изготовления медных обмоточных проводов круглого сечения применяют проволоку марки ММ, прямоугольных — ПММ; для круглых алюминиевых проводов 0 до 1,70 мм применяют проволоку марки AT, 0 1,80 мм и больших диаметров— марки AM (М — мягкая отожженная, ПМ — полумягкая, Т— твердая).
Токопроводящие стержни, шины и другие конструкционные детали, которые должны обладать большой механической прочностью, изготовляют из меди марки ПМТ. Для обмотки трансформаторов применяют медные и алюминиевые провода марок: ПБ, ПБУ, АПБ, АПБУ, ПБД, АПБД, ПЭЛ, ПСД и др.; буквы и их сочетания означают: П — медный провод, Б — провод, изолированный лентами кабельной или телефонной бумаги, БУ — провод, изолированный лентами высоковольтной кабельной уплотненной бумаги, АП — алюминиевый провод, БД — провод, изолированный двумя слоями нитей из хлопчатобумажной пряжи; ЭЛ—эмалированный лакостойкий провод; СД — провод изолированный двумя слоями стеклянного волокна, пропитанного лаком; его применяют для изготовления обмоток сухих Трансформаторов; провода остальных названных марок применяют для изготовления обмоток масляных трансформаторов.
По нагревостойкости изоляции в пропитанном состоянии провода указанных марок, кроме ПСД, относят к классу А (105°С), а провод ПСД в зависимости от пропиточных лаков — к классу В или F (130—155°С).
Номинальная удвоенная толщина изоляции (витковая) проводов в зависимости от напряжения может быть: прямоугольных — от 0,27 до 1,92 мм; круглых — от 0,3 до 5,76 мм.
Для изготовления отводов и ответвлений обмоток применяют гибкие провода с медной жилой круглого сечения марок ПБОТ и ПБТО; медные и алюминиевые шины и прутки. Жила провода марки ПБОТ состоит из тонких медных проволок, изолирована большим количеством слоев кабельной бумаги. В зависимости от толщины бумажной изоляции эти провода маркируют ПБОТ-3, ПБОТ-6 и ПБОТ-8 и выпускают сечением 16, 25, 50, 70, 95, 120, 150, 240, 300, 400 мм2 и более. Провода марки ПБОТО в отличие от ПБОТ поверх бумажной изоляции имеют оплетку из хлопчатобумажной пряжи (цифры в обозначении марок этих проводов указывают толщину изоляции на одну сторону).
Для улучшения качества обмоток, снижения добавочных потерь и облегчения работ при их намотке с большим числом проводов в витке применяют также медные подразделенные провода ПБП и транспонированные ПТБ.
Подразделенный провод ПБП состоит из нескольких проводов ПБ (обычно двух-трех), уложенных параллельно друг на друга широкой стороной и изолированных лентами обыкновенной или многослойной кабельной бумаги до номинальной удвоенной толщины изоляции 0,96 мм (0,48 мм на одну сторону).
Транспонированный провод ПТБ состоит из большого количества элементарных уложенных в два ряда эмалированных проводников небольшого сечения, которые на протяжении всей длины непрерывно (по одному) переходят из одного ряда в другой. Между рядами проложена изоляционная кабельная бумага толщиной 0,12 мм, а сверху провод изолирован кабельной бумагой до номинальной удвоенной толщины изоляции 0,96 мм (0,48 мм на сторону). При такой конструкции все проводники на любом участке провода имеют одинаковую длину, поэтому при намотке обмоток транспонированным проводом транспозиции не требуются и, следовательно, исключаются трудоемкие технологические операции, связанные с ее выполнением.
Источник
Материалы, применяемые в обмоточно-изоляционном производстве — Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов
Материалы, применяемые в обмоточном производстве и требования к ним
В обмоточно-изоляционном производстве трансформаторостроительных заводов применяют большое количество различных материалов. Их можно классифицировать следующим образом: проводниковые, электроизоляционные и вспомогательные материалы. К каждому материалу предъявляют требования, определенные стандартами или техническими условиями. В качестве проводников тока в обмотках трансформаторов в большинстве случаев применяется чистая электролитическая медь (99,95% чистой меди), обладающая высокой электрической проводимостью, большой эластичностью и достаточной механической прочностью. Удельное электрическое сопротивление электролитической меди р=0,01724 мкОм-м, плотность у=8300 кг/м3, температура плавления 1065—1080°С. Медь является дефицитным материалом, поэтому для обмоток трансформаторов малой и средней мощности часто применяют алюминий, удельное сопротивление которого р=0,029 мкОм-м, т. е. в 1,65 раза больше удельного сопротивления меди, плотность алюминия у=2600 кг/м3. Алюминий дешевле меди, но худшая электрическая проводимость по сравнению с медью требует применения больших сечений проводов. Предел прочности при растяжении алюминиевых проводов в 3,5 раза меньше, чем медных [20]. Это ограничивает возможности применения алюминиевых проводов в мощных трансформаторах.
К обмоточным проводам предъявляют следующие технические требования:
Наложение изоляции должно быть плотным и равномерным. Наружная лента (из кабельной бумаги) и внутренняя (из телефонной или кабельной бумаги) должны быть наложены с перекрытием не более 50%, а остальные в каждом слое — встык или с зазором до 2 мм между витками с обязательным смещением на половину шага относительно соседних слоев. Шаг обмотки бумажных лент для прямоугольных проводов должен быть не более 30 мм для сечения до 75 мм2 и 35 мм — для 75 мм2 и выше. В проводах не должно появляться трещин бумаги и оголенных мест при изгибе на 180° провода широкой стороной, а также узкой стороной для проводов с отношением сторон не более 1 :2 на стержень диаметром 160 мм. Намотка провода на барабаны должна быть ровной, без перехлестывания. Расстояние от верхнего слоя намотки до края щеки барабана должно быть не менее 25 мм. Электрическое сопротивление провода постоянному току, отнесенное к 1 мм2 поперечного сечения и 1 м длины при 20°С, должно быть для медных проводов не более 0,01784 Ом, алюминиевых — не более 0,029 Ом. Материалы, применяемые для изготовления проводов, должны соответствовать стандартам.
Провода прямоугольного сечения не должны иметь острых углов (заусенцев), повреждающих (надрезающих изнутри) бумажную изоляцию. Хранение и транспортирование провода должны производиться только в горизонтальном положении оси барабана. Стремление к повышению надежности и экономичности трансформаторов заставляет обратить особое внимание на характеристики и качество обмоточных проводов, поскольку обмотки в трансформаторе являются наиболее ответственным элементом. Их качество в значительной мере определяет надежность всего трансформатора.
Для обмоток нормальных силовых трансформаторов применяют медный и алюминиевый изолированный провод круглого и прямоугольного сечений по ГОСТ 16512-70, 16513-70, 7019-71 и специальным ТУ кабельной промышленности.
Различают следующие марки обмоточных проводов:
Медные обмоточные провода ГОСТ 16512-70, 7019-71, 16513-70
ПВО — провод, изолированный одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПБД — провод, изолированный двумя слоями хлопчатобумажной пряжи;
ПЭБО — провод, изолированный эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПЭЛБО — провод, изолированный .маслостойкой эмалью и одним слоем хлопчатобумажной пряжи;
ПБУ— провод, изолированный лептами высоковольтной кабельной уплотненной бумаги;
ПБ — провод, изолированный лентами кабельной или (и) телефонной бумаги;
ПСД — провод, изолированный двумя слоями стекловолокнистой изоляции (этот провод используют для сухих трансформаторов).
Алюминиевые обмоточные провода ГОСТ 16512-70ш 16513-70
АПБД — провод, изолированный двумя слоями хлопчатобумажной пряжи;
АПБУ — провод, изолированный лентами кабельной высоковольтной уплотненной бумаги;
АПБ — провод, изолированный лентами кабельной или телефонной бумаги.
Номинальная диаметральная (удвоенная) толщина изоляции круглых проводов может быть следующей: 0,3; 0,72; 0,96; 1,20 мм.
Номинальная удвоенная толщина изоляции для проводов марок ПБ и АПБ: 0,45; 0,55; 0,72; 0,96; 1,20; 1,36; 1,68; 1,92, а для марок ПБУ и АПБУ: 2,0; 2,48; 2,96; 3,6; 4,08; 4,4 мм.
Изготовление обмоток ВН мощных силовых трансформаторов вызвало потребность в обмоточных проводах с изоляцией повышенной электрической прочности. Для их изоляции применяют уплотненную кабельную бумагу марки КВУ толщиной не более 0,08 мм. Таким проводам присвоена марка ПБУ (ГОСТ 16512-70).
Увеличение витковой изоляции провода приводит к уменьшению коэффициента заполнения окна магнитной системы медью и вследствие этого к снижению технико-экономических показателей трансформаторов. Кроме того, провод с большой толщиной витковой изоляции нетехнологичен и не обеспечивает плотной намотки обмотки.
За рубежом в качестве витковой изоляции проводов наряду с применением лучших сортов кабельной бумаги стали применять синтетические изоляционные материалы: лавсановую (териленовую) пленку, поливинилхлоридную изоляцию и др.
При применении в обмотке проводов большой толщины (3— 5 мм) и большого числа элементарных проводников в витке (более 100) очень важно ограничить добавочные потери, вызываемые магнитным полем рассеяния и циркулирующими токами.
Кабельная промышленность освоила производство транспонированных проводов, и они успешно применяются для намотки обмоток мощных трансформаторов.
Транспонированный провод (рис. 1) состоит из нечетного числа прямоугольных эмалированных проводников, расположенных в два ряда и транспонированных. Между рядами проводов проложена изоляция из кабельной бумаги толщиной 0,12 мм. Для изготовления транспонированных проводов применяются провода марки ПЭМП — провода медные прямоугольные эмалированные высокопрочные.
Транспозиция провода выполняется по принципу круговой перестановки по прямоугольному контуру. Поверх транспонированных эмалевых проводников накладывается общая бумажная изоляция из кабельной бумаги марки КМ-120 толщиной 0,12 мм — для проводов марки ПТБ или из кабельной бумаги марки КВУ толщиной 0,08 мм — для проводов марки ПТБУ-С (провод транспонированный из элементарных эмалированных проводников в общей бумажной изоляции специальный).
Номинальная удвоенная толщина бумажной изоляции для транспонированных проводов 0,95—1,35 мм.
Рис. 1. Транспонированный провод марки ПТБ.
По сравнению с обычными обмоточными проводами марки ПБ транспонированные провода марки ПТБ имеют ряд преимуществ: снижается трудоемкость изготовления обмоток, так как в процессе намотки обмоток отпадает необходимость транспонирования отдельных проводников;
значительно повышается коэффициент заполнения сечения обмотки медью благодаря замене бумажной изоляции каждого проводника эмалевой изоляцией толщиной 0,06—0,14 мм на обе стороны;
уменьшаются размеры обмоток, что ведет к уменьшению вложения материалов, снижает габариты и массу трансформатора;
снижаются добавочные потери от полей рассеяния благодаря более совершенной транспозиции и применению меньших сечений элементарных проводников;
уменьшаются производственные площади, необходимые для размещения стоек с барабанами обмоточного провода;
повышается электродинамическая стойкость трансформаторов при коротком замыкании благодаря большей механической прочности обмоток из транспонированного провода.
Постоянно растущая потребность в трансформаторах больших мощностей и сверхвысоких напряжений вызывает необходимость применения проводов максимальных размеров как по высоте, так и по ширине, что приводит к большому увеличению добавочных потерь в обмотках и к чрезмерному нагреву у крайних катушек потоками рассеяния. Для снижения потерь успешно применяют специальные медные обмоточные провода марок ПБП и ПБПУ. Эти так называемые подразделенные провода (рис. 2) состоят из двух или трех элементарных проводников (жил) с бумажной изоляцией отдельного проводника толщиной 0,4 мм и удвоенной суммарно номинальной толщиной дополнительной поясной изоляции, равной 1,35; 1,68; 1,92; 2,48; 2,96 мм. Разделение проводника приводит к значительному (на 20—30%) снижению добавочных потерь от поперечных полей рассеяния, благодаря чему уменьшаются перегревы в крайних катушках обмотки. В настоящее время в обмотках НН трансформаторов большой мощности широко применяется транспонированный подразделенный провод марки ППТБ.
Рис. 2. Подразделенный провод.
а, б — марки ПБП двухжильный (тип А) и трехжильный (тип Д); в — марки ППТБ (транспортированный подразделенный).
Одной из причин повреждения мощных трансформаторов в эксплуатации является потеря устойчивости обмоток, сжимаемых радиальным усилием, вследствие недостаточной прочности обмоточных проводов. Разработка и исследование материалов с повышенной прочностью проводятся в СССР и за рубежом. Имеется перспектива получения в обозримом будущем медного сплава, обладающего при относительно небольшом (около 5%) увеличении удельного сопротивления существенно более высокими, чем у меди (в 1,5— 2 раза), механическими характеристиками [21].
Увеличения электродинамической стойкости обмоток можно достичь склейкой витков проводов между собой. Поэтому необходимы обмоточные провода (в том числе и транспонированные) с термореактивным изоляционным покрытием, которое, полимеризуясь при сушке обмотки, склеивает ее витки (провода). Выпуск в достаточном количестве прямоугольных эмалированных проводов позволит заменить обмоточные провода с бумажной изоляцией в обмотках трансформаторов напряжением до 330 кВ включительно.
Фольга и лента. В последние годы за рубежом и в нашей стране в качестве проводникового материала для обмоток трансформаторов малой мощности (до 630 кВ-А) широко применяются медная и алюминиевая фольга и лента. Переход от алюминиевых проводов на фольгу и ленту позволяет резко повысить коэффициент заполнения объема обмотки активным проводником, в результате чего уменьшаются потери короткого замыкания на 14%, массы конструкционной стали, трансформаторного масла и трансформатора в целом на 5—10%. Медную фольгу для электротехнической промышленности по ТУ КП-033-66 изготавливают из меди марки не ниже Ml по ГОСТ 859-66 с удельным электрическим сопротивлением р0,180 мкОм-м и с допуском по толщине ±3%. Толщина фольги 0,035—0,065 мм, ширина рулона — 700, 850 и 1000 мм. Ленту изготавливают толщиной 0,100; 0,080; 0,075; 0,050; 0,035 мм.
Алюминиевая фольга и лента, предназначенные для обмоток трансформаторов, изготовляются из алюминия марки АЕ ГОСТ 11069-74 и имеют удельное электрическое сопротивление 0,028 мкОм-м для марки А7Е. Толщина фольги 0,020—0,2 мм, толщина ленты 0,22—2,0 мм. Допуск на толщину ±3%. Такие фольга и лента пока еще не освоены нашей промышленностью, поэтому для изготовления обмоток временно применяется алюминиевая фольга для технических целей, выпускаемая по ГОСТ 618-73, а лента по ГОСТ 13726-68.
Источник
