Електродинамічна стійкість силових трансформаторів

Як виходить із виразів (40), (41), сила необмежено збільшується при збільшенні кута повороту поперечних перерізів провідників Але в дійсності при перевищенні кутом повороту поперечних перерізів значення

лінія дії сили вийде за границю ділянки поперечного перерізу провідника у місці, де він спирається на стовп прокладок через ізоляцію проводу. У даному випадку таке подібне до виходу лінії дії сили за межу опорної поверхні. Із цієї причини подальше збільшення кута повороту поперечних перерізів провідників буде проходити без збільшення сили або, у крайньому випадку, при значному уповільненні її збільшення. Сила що відповідає куту (42), вважається критичною силою полягання провідників обмоток із транспонованого проводу. Для її визначення остаточно отримано таку формулу:

Коефіцієнт жорсткості, що входить у вираз (43) та характеризує опір поворотам поперечних перерізів провідників відносно осі зі сторони стовпів прокладок, як і в попередніх випадках, розраховується методом послідовних наближень.

Як випливає з виразів (41), (43), критична сила полягання провідників обмоток із транспонованого проводу залежить від тертя, що виникає між провідниками та ізоляцією проводу в області стовпів прокладок. При цьому критична сила необмежено збільшується, якщо параметр наближається до нуля. Але сказане може мати місце лише в тому випадку, коли провідники в радіальному напрямку притиснуті один до одного. У дійсності ж, між провідниками існують зазори. За таких умов сили тертя виникати не будуть, а отже, критична сила полягання провідників не збільшиться. З урахуванням сказаного практичні розрахунки критичних сил полягання провідників із транспонованого проводу необхідно вести, поклавши параметр рівним одиниці.

Експериментальна перевірка підтвердила правильність отриманих результатів. Розрахунки та експерименти показали, що обмотки із транспонованого проводу мають достатньо високі значення критичних сил полягання провідників. При цьому перехрещування осей та наявність заокруглень у кутах поперечних перерізів призводять до значного зменшення площі контакту між провідниками різних шарів проводу. До того ж, осьові зусилля стиснення прикладені до провідників лише в області стовпів прокладок. Усе це може призвести до втиснення один в одного провідників різних шарів проводу в області стовпів прокладок. Утиснуті один в одного провідники різних шарів проводу можуть деформуватися як одне ціле, обертаючись сумісно відносно спільної окружної осі. При такому виді деформації критична сила полягання визначається як для простих проводів, лише значення висоти провідників подвоюється, а їх кількість у проводі зменшується вдвічі.

Результати представленої теорії дозволили також визначити критичні сили полягання провідників усіх розглянутих типів обмоток при наявності в них жорстких шайб та склеювання провідників.

Порівняння розрахункових значень критичної сили полягання провідників з експериментальними для всіх випробуваних обмоток подано на рис. 10, де позначення точок ті ж, що і на рис. 7. Як бачимо, розроблена теорія має достатню для практичного використання точність.

У п'ятому розділі будується теорія осьових коливань обмоток зі спільними кільцями для пресування, які у подальшому називаються просто кільцями.

При побудові теорії осьових коливань обмоток, що мають спільні кільця, використовувалась модель (система), в якій обмотки представлялися лінійно-пружними стрижнями, кільця - зосередженими масами, конструкції для пресування - безінерційними пружинами. Сили зовнішнього та внутрішнього тертя вважалися пропорційними відповідним швидкостям руху та деформації елементів. Параметри стрижнів визначалися з урахуванням того, що в котушках осьові зусилля сприймають лише провідники, які мають заокруглення в кутах поперечних перерізів. Поданий спосіб ідеалізації дозволив отримати аналітичний розв'язок розглянутої задачі. Було виведено частотне рівняння

Отримано вирази для осьових переміщень та додаткових зусиль в обмотках

Властиві функції задовольняють умовам ортогональності для сил інерції та пружності, які мають такий вигляд:

Зведені маса та "амплітуда" зовнішніх сил визначаються виразами

Повне осьове зусилля в обмотці розраховується за формулою

Осьові зусилля вважаються додатними, якщо вони викликають стиснення.

Аналіз виразу (47) показав, що резонансні явища можливі, коли якась із власних частот збігається з подвоєною частотою струму тобто в усталеному процесі короткого замикання. Але виконання цієї умови недостатньо для виникнення великих переміщень та зусиль. Їхні величини також залежать від зведеної "амплітуди" зовнішніх сил та зведеної маси для -ої форми руху. Перша з них визначається набором функцій (розподілом зовнішніх сил). Для другої головними є розподіл та значення мас елементів системи, що характеризуються параметром (49). Осьові переміщення та зусилля зменшуються при збільшенні зведеної маси і зменшенні зведеної "амплітуди" зовнішніх сил. Зокрема, із співвідношення ортогональності власних функцій для сил інерції (48) випливає, що при умові де фіксоване значення номера форми, коливання за іншими формами реалізуватися не можуть. Для цих форм зведені "амплітуди" зовнішніх сил перетворюються на нулі.

Із виразу (47) також випливає, що до стаціонарного процесу короткого замикання проходить зменшення переміщень та зусиль, обумовлене зменшенням електромагнітних сил, а також внутрішнім та зовнішнім тертям. Але у початковий момент, коли ці фактори не встигають проявитися, значні переміщення та зусилля можуть мати місце за умови

Тобто для запобігання небажаним явищам при осьових коливаннях обмоток необхідно уникати збігу власних частот із частотою струму і з її подвоєним значенням, якщо відповідні зведені “амплітуди” зовнішніх сил є суттєвими.

На прикладі обмотки потужного трансформатора було виконано числовий аналіз отриманих результатів. Розглядались варіанти з однією, двома та трьома обмотками, що мають спільними як верхнє й нижнє, так і лише верхнє кільце. При розрахунках змінювались параметри, які характеризують жорсткість та інерційність системи, тертя та швидкість загасання навантаження. Розраховувались власні частоти, частоти загасаючих коливань, власні функції, зведені параметри, функції часу, осьові переміщення та зусилля.

У цілому числові результати підтвердили висновки, зроблені при якісному аналізі. Крім того, вони показали, що тертя значно зменшує осьові переміщення та зусилля. Без його врахування розрахунок осьових коливань обмоток недопустимий. Збільшення швидкості загасання електромагнітних сил також призводить до помітного зменшення переміщень та зусиль. Збільшення жорсткості обмоток може призводити до подолання резонансних явищ та зменшення переміщень і зусиль. Але можливості зміни параметрів обмоток у цьому напрямку дуже обмежені. Інший шлях зменшення переміщень та зусиль - впровадження симетричних систем, що мають однакові умови обпирання верхніх та нижніх торців обмоток.

За допомогою отриманих результатів проведено розрахунок осьових коливань обмоток трансформатора, що мав випробування на електродинамічну стійкість. Обмотки HH та CH трансформатора пресувались чотирма гвинтами через спільне кільце з деревного шароватого пластику. Визначалося сумарне зусилля у гвинтах за даними експериментів та розрахунків для трьох значень ударного струму короткого замикання. Результати подано в табл. 1

Отримані дані показують, що розбіжності між теоретичними та дослідними зусиллями збільшуються з плином часу та з підвищенням струму короткого замикання. Пояснюється це пошкодженнями кілець, що збільшувалися як від піка до піка електромагнітного навантаження, так і від досліду до досліду короткого замикання. У цілому подані результати показують, що розрахункові значення близькі до експериментальних. Це свідчить про достовірність та достатню для практичного використання точність розробленої теорії.

У шостому розділі представлено методику та програми розрахунку електродинамічної стійкості обмоток трансформаторів при коротких замиканнях ELDINST, розроблені на основі побудованих теорій, наведено результати їх використання.

Вхідними даними для розрахунків є: струми короткого замикання в обмотках; геометричні та фізичні параметри обмоток, кінцевої ізоляції, пресувальної конструкції; механічні характеристики використаних матеріалів. Для перевірки електродинамічної стійкості виконуються розрахунки: складових електромагнітної індукції та сил короткого замикання; електродинамічної стійкості обмоток при дії радіальних електромагнітних сил; міцності провідників при згинанні осьовими та радіальними електромагнітними силами; критичних сил полягання провідників; коефіцієнтів жорсткості обмоток та пресувальної конструкції; коливань обмоток при дії осьових електромагнітних сил. За результатами обчислень визначаються коефіцієнти запасу: міцності, жорсткості та стійкості обмоток при дії радіальних електромагнітних сил; міцності провідників обмоток при згинанні осьовими і радіальними електромагнітними силами; стійкості до полягання провідників та міцності обмоток при дії осьових електромагнітних сил. Електродинамічна стійкість трансформатора забезпечена, якщо для всіх його обмоток розраховані коефіцієнти запасу не менші від заданих наперед їх мінімальних значень.

За допомогою комплексу програм ELDINST виконано розрахунки ряду трансформаторів, що випробовувалися на електродинамічну стійкість або зазнали коротких замикань в експлуатації. Результати подано в табл. 2. Останні сім трансформаторів розроблялись із безпосереднім використанням програм ELDINST.

Таблиця 2 - Результати застосування методики та програм розрахунку

Як видно з табл. 2, результати розрахунків у всіх випадках збігаються з даними випробувань. Це говорить про достовірність розробленої методики розрахунку. Але найголовніше те, що всі трансформатори, при проектуванні яких використовувались програми розрахунку ELDINST, з першого разу успішно витримали випробування на електродинамічну стійкість при коротких замиканнях. Це може служити свідченням того, що з розробкою теорії, методики та програм розрахунку досягнута мета даної праці - створені теоретичні умови, необхідні для успішного вирішення проблеми забезпечення електродинамічної стійкості обмоток трансформаторів при коротких замиканнях.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі для всіх типів обмоток силових трансформаторів стрижневої конструкції розвинуто теорії стійкості до дії радіальних сил, визначення критичних сил полягання провідників та осьових коливань обмоток, унаслідок чого створено теорію електродинамічної стійкості силових трансформаторів, яка розкриває фізичну сутність і достовірно визначає кількісні характеристики процесів і явищ, що спричиняють механічні пошкодження обмоток та конструктивно пов'язаних із ними елементів при коротких замиканнях, дозволяє ефективно використовувати засоби підвищення електродинамічної стійкості, на її основі розроблено методику та комплекс програм розрахунку, чим обумовлено розв'язання важливої науково-прикладної проблеми - забезпечення електродинамічної стійкості силових трансформаторів при коротких замиканнях. У процесі досліджень одержані такі основні результати.

1. Обґрунтовано необхідність створення теорії електродинамічної стійкості трансформаторів і розробки на її основі методики та комплексу програм розрахунку, відсутність яких до останнього часу становила основну причину неприпустимо високої аварійності внаслідок механічних пошкоджень обмоток і конструктивно пов'язаних із ними елементів при дії електромагнітних сил короткого замикання в експлуатації та при випробуваннях.

2. Показано, що в діапазоні значень геометричних та фізичних параметрів, які мають місце в обмотках трансформаторів, плоскі (радіальні) та просторові (осьові) форми втрати стійкості не взаємодіють, незалежні і відповідні цим формам радіальні та осьові критичні навантаження. Цим доведено можливість незалежного дослідження радіальної та осьової стійкості обмоток до дії електродинамічних сил короткого замикання.

3. Виявлено, що деформації згину, які виникають при намотуванні обмоток, призводять до значного зниження жорсткості, а як наслідок, і стійкості провідників. Унаслідок урахування цих деформацій отримано узагальнені та зведені модулі пружності. Розкрито механізм впливу зміцнення провідників на стійкість обмоток до дії осьових і радіальних сил.

4. Для провідників зі зміцненої міді, відпаленої міді та алюмінію при різних значеннях температури нагріву з використанням зведеного модуля пружності та узагальненого модуля пружності плоских форм отримано діаграми “колове напруження - колова деформація”, “критичне напруження - гнучкість” при незалежній та сумісній деформації провідників, за допомогою яких виконуються розрахунки обмоток на міцність, жорсткість і стійкість при дії радіальних сил короткого замикання.

5. За результатами дослідження розвитку деформацій обмоток при дії радіальних сил з урахуванням зусиль осьового стиснення виявлено всі можливі форми втрати стійкості. Для цих форм отримано формули розрахунку гнучкостей, по яких визначаються критичні напруження провідників при використанні діаграм “критичне напруження - гнучкість”.

6. На основі розробленої теорії знайдено критичні напруження обмоток із сучасними засобами підвищення електродинамічної стійкості: зміцненням та склеюванням провідників, жорсткими циліндрами та жорсткими шайбами. За допомогою отриманих співвідношень було визначено критичні напруження всіх розглянутих типів обмоток і моделей, що пройшли випробування, а також вивчено вплив різних факторів на їх стійкість до дії радіальних сил, розкрито фізичну сутність цього впливу. Розраховані критичні напруження всіх типів обмоток добре збігаються з даними дослідів. Так, наприклад, для обмотки СО трансформатора ОДЦНП-175000/750 розраховане критичне напруження дорівнює 20 MПa, дослідне - 23 MПa. Критичне напруження, отримане при розробці трансформатора за попередньою методикою, було у два рази більшим, що і призвело до втрати радіальної стійкості обмотки при випробуваннях.

7. Для всіх типів обмоток виявлено види і форми втрати осьової стійкості, при яких критичні сили полягання провідників мінімальні. Визначено критичні сили полягання провідників обмоток із простих (марки ПБ), підрозділених (марки ПБП) і транспонованих (марки ПТБ) проводів. Жорсткість провідників характеризувалась зведеними та узагальненими модулями пружності просторових форм і кручення. Розроблено метод послідовних наближень для визначення критичних сил полягання провідників обмоток із всіх зазначених марок проводів, що обумовлено урахуванням нелінійності механічних характеристик ізоляційних матеріалів та заокруглень у кутах перерізів провідників. Досліджено вплив різних факторів на критичні сили. Враховано можливість використання засобів підвищення електродинамічної стійкості.

8. За допомогою розробленого методу розраховано критичні сили полягання провідників обмоток, що втратили осьову стійкість. Отримані значення критичних сил виявились близькими до експериментальних. Так, згідно розрахунку критична сила полягання провідників котушкових обмоток ВН трансформатора TЦ-667000/500, які вперше у практиці вітчизняного трансформаторобудування були виготовлені із транспонованого проводу, дорівнює 1630 кН, що підтвердили і випробування. Попередня методика розрахунку дала критичну силу у п'ять разів більшу, що і стало причиною полягання провідників обмоток ВН усіх трьох фаз цього трансформатора при випробуваннях.

9. На основі отриманих теоретичних результатів проведено якісний та кількісний аналіз процесу осьових коливань обмоток зі спільними пресувальними кільцями. Досліджено вплив різних факторів на осьові коливання обмоток, розкрито фізичну сутність цього впливу. Визначено умови виникнення великих осьових переміщень і зусиль в обмотках та шляхи їх зменшення. Сушіння обмоток за умов сталих осьових зусиль стиснення призводить до збільшення їх жорсткості, що обумовлює зменшення в них переміщень і зусиль при осьових коливаннях. Ефективним засобом зменшення осьових переміщень та зусиль є забезпечення симетрії системи відносно середини висоти обмоток.

10. За допомогою розробленої теорії проведено розрахунки осьових коливань обмоток трансформаторів, що пройшли випробування на стійкість до коротких замикань. Результати розрахунків і випробувань виявились близькими. Так, наприклад, для трансформатора ТРДН-40000/161 сила, що діє на пресувальну конструкцію зі сторони обмотки НН при короткому замиканні, дорівнює 390 кН. Попередня теорія дала занижене значення цієї сили майже удвічі - 200 кН. Унаслідок чого розрахована на таку силу пресувальна конструкція зруйнувалась при короткому замиканні, що призвело до пошкодження і самої обмотки.

11. Побудована теорія забезпечує високу точність розрахунків - відхилення теоретичних результатів від дослідних практично не перевищують двадцяти відсотків. Вона визначає умови ефективного використання сучасних засобів підвищення електродинамічної стійкості. За допомогою методики та програм, розроблених на основі теорії, було виконано розрахунки ряду різних за конструкцією та потужністю трансформаторів, що випробовувалися на електродинамічну стійкість при коротких замиканнях або зазнали коротких замикань в експлуатації. Результати розрахунків та випробувань збіглися в усіх випадках. Висновки, зроблені на основі розрахунків стосовно трансформаторів, що знаходяться в експлуатації, підтвердилися результатами обстежень. Тобто методика та програми розрахунку є засобами діагностики.

12. Методика та програми розрахунку застосовуються при розробці трансформаторів ВАТ "ВІТ", а також провідними зарубіжними фірмами Росії, Республіки Кореї, Республіки Індії, Китайської Народної Республіки, Ірану, США. Ряд трансформаторів, розроблених цими фірмами із використанням методики та програм розрахунку, було випробувано на електродинамічну стійкість при коротких замиканнях. Усі вони з першого разу успішно витримали випробування. Це є свідченням того, що мета дисертаційної роботи досягнута.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лазарев В.И., Рущак В.Е. Исследование форм радиальной неустойчивости обмоток трансформаторов // Электротехника. - 1984. - № 9. - С. 35 - 39.

2. Лазарев В.И., Сорока М.В., Болотова Л.М. Экспериментальные исследования осевой устойчивости дисковых катушечных обмоток трансформаторов // Электротехника. - 1984. - № 10. - С. 56 - 59.

3. Лазарев В.И., Рущак В.Е. О радиальной устойчивости обмоток трансформаторов // Электротехника. - 1986. - № 4. - С. 49 - 51.

4. Лазарев В.И., Рущак В.Е. Динамическая устойчивость гибкого кольца с сосредоточенными массами при апериодическом нагружении // Проблемы прочности. - 1986. - № 10. - С. 104 - 108.

5. Лазарев В.И., Рущак В.Е. Устойчивость кольца на опорах с сухим трением при динамическом нагружении // Динамика и прочность машин. - 1986. - Вып. 43. - С. 108 - 112.

6. Лазарев В.И., Носачев В.А., Счастливый Г.Г. Свободные осевые колебания обмоток трансформаторов // Техн. электродинамика. - 1988. - № 4. - С. 3 - 7.

7. Лазарев В.И., Носачев В.А., Кравченко А.Н. Вынужденные осевые колебания обмоток трансформаторов // Техн. электродинамика. - 1989. - № 1. - С. 58 - 62.

8. Лазарев В.И., Носачев В.А. Осевая устойчивость катушечных обмоток трансформаторов // Техн. электродинамика. - 1989. - № 2. - С. 64 - 70.

9. Лазарев В.И., Сорока М.В. Устойчивость стержня с винтовой осью при комбинированном нагружении // Проблемы прочности. - 1990. - №3. - С. 82 - 86.

10. Лазарев В.И., Науменко Л.В. Радиальная устойчивость цилиндрических обмоток трансформаторов // Техн. электродинамика. - 1990. - № 6. - С. 83 - 88.

11. Лазарев В.И., Рущак В.Е., Сорока М.В. Радиальная устойчивость обмоток трансформаторов при коротких замыканиях // Техн. электродинамика. - 1991. - № 1. - С. 78 - 84.

12. Лазарев В.И. Радиальная устойчивость обмоток трансформаторов со склеенными проводниками // Техн. электродинамика. - 1991. - №4. - С. 13 - 18.

13. Лазарев В.И., Дубинин Ю.А., Семусева В.П., Сорока М.В. Осевые колебания обмоток трансформаторов под общим прессующим кольцом // Техн. электродинамика. - 1993. - №1. - С. 48 - 52.

14. Лазарев В.И., Дубинин Ю.А. Продольные колебания параллельных стержней, связывающих два простых осциллятора, при апериодическом нагружении // Проблемы прочности. - 1995. - № 3. - С. 64 - 72.

15. Лазарев В.И., Сорока М.В. Критические силы полегания проводников обмоток трансформаторов. Обмотки из обычного провода (марки ПБ) // Техн. электродинамика. - 1995. - № 5. - С. 56 - 60.

16. Лазарев В.И., Сорока М.В. Критические силы полегания проводников обмоток трансформаторов. Обмотки из подразделенного провода (марки ПБП) // Техн. электродинамика. - 1995. - № 6. - С. 41 - 43.

17. Лазарев В.И., Сорока М.В. Критические силы полегания проводников обмоток трансформаторов. Обмотки из транспонированного провода (марки ПТБ) // Техн. электродинамика. - 1996. - № 1. - С. 45 - 48.

18. Лазарев В.И. Критические силы осевой устойчивости обмоток трансформаторов из транспонированного провода при совместной деформации проводников различных его слоев // Електротехніка та електроенергетика. - 2003. - №2. - С. 24 -27.

19. Лазарев В.И. Влияние прочностных характеристик материала проводников на критические напряжения радиальной устойчивости обмоток трансформаторов // Праці Ін-ту електродинаміки НАН України: Збірник наукових праць - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 2003. - №3. - С. 80 - 86.

20. Лазарев В.И. Электродинамическая стойкость сжимаемых обмоток трансформаторов с жесткими шайбами // Техн. електродинаміка. - 2004. - №1. - С. 64 - 68.

21. Лазарев В.И. Влияние форм потери устойчивости на радиальные критические напряжения сжимаемых обмоток трансформаторов // Праці Інституту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. - К.: Ін-т електродинаміки НАН України. - 2004. - №3(9). - C. 124 - 128.

22. Лазарев В.И. Обобщение результатов исследований по проблеме электродинамической стойкости силовых трансформаторов // Техн. електродинаміка. - 2005. - №1. - С. 53 - 60.

23. Устройство для электродинамических испытаний элементов конструкций индукционных устройств: А. с. 1072119 СССР, МКИ H 01 F 27/30 / П.Г.Кохан, В.И.Лазарев, М.В.Сорока (СССР). - № 3497181; Заявлено 06.10.82; Опубл. 07.02.84, Бюл. № 5. - 3 с.

24. Индукционный аппарат: А. с. 1098044 СССР, МКИ H 01 F 27/30 / В.И.Лазарев, П.Г.Кохан, В.П.Семусева, Ю.А.Дубинин, М.В.Сорока (СССР). - № 3527869; Заявлено 23.12.82; Опубл. 15.06.84, Бюл. № 22. - 6 с.

25. Обмотка индукционного устройства: А. с. 1422251 СССР, МКИ H 01 F 27/32 / В.А.Зайцев, В.И.Лазарев (СССР). - № 3989086; Заявлено 16.12.85; - Опубл. 07.09.88, Бюл. № 33. - 5 с.

АНОТАЦІЇ

Лазарєв В.І. Електродинамічна стійкість силових трансформаторів (основи теорії, методи розрахунку, засоби забезпечення). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - електричні машини і апарати. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми забезпечення електродинамічної стійкості силових трансформаторів. На основі теоретичних досліджень отримано теорію електродинамічної стійкості силових трансформаторів при коротких замиканнях, складовими якої є теорії: стійкості до дії радіальних сил, визначення критичних сил полягання провідників, осьових коливань обмоток. Достовірність теорій підтверджена даними експериментів. При їх розробці ураховано й обґрунтовано застосування сучасних засобів забезпечення електродинамічної стійкості. Отримані результати розкривають фізичну сутність процесів, що призводять до пошкодження обмоток та пов'язаних із ними елементів при коротких замиканнях. На їх основі побудовано методику та програми розрахунку електродинамічної стійкості обмоток.

Ключові слова: силові трансформатори, обмотки, короткі замикання, електродинамічна стійкість.

Lazarev V.I. Electrodynamic stability of power transformers (theory background, calculation methods, support means). - A manuscript.

Dissertation for the doctor of technical sciences degree by speciality 05.09.01 - electrical machines and apparatus. - Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukrainian, Kyiv, 2006.

The dissertation is dedicated to solution of the problem of power transformers electrodynamic stability assurance. On the basis of theoretical research a theory of electrodynamic stability of power transformers at short-circuit has been created, the constituents of which are theories of stability under the action of radial forces, determination of conductors critical tilting forces, axial oscillations of windings. The reliability of the theory is confirmed by experimental data. In the development of theories the usage of modern support means for ensuring electrodynamic stability has been taken into account and proved. The results acquired reveal the physics of the processes, which lead to damage of windings and elements related to them, at short-circuit. On this basis there have been built the methods and programs for calculation of electrodynamic stability of windings.

Keywords: power transformers, windings, short-circuit, electrodynamic stability.

Лазарев В.И. Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов (основы теории, методы расчета, средства обеспечения). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена решению проблемы обеспечения электродинамической стойкости силовых трансформаторов при коротких замыканиях. На основе теоретических исследований получена теория электродинамической стойкости силовых трансформаторов при коротких замыканиях, которая включает теории: устойчивости к действию радиальных сил, определения критических сил полегания проводников, осевых колебаний обмоток.

Выведены общие уравнения устойчивости обмоток при действии осевых и радиальных сил. Определены осевые и радиальные критические нагрузки. Изучены формы потери устойчивости. Установлено, что в диапазоне возможных значений параметров, имеющих место в обмотках трансформаторов, плоские (радиальные) и пространственные (осевые) формы потери устойчивости не влияют друг на друга. Независимы также и критические нагрузки, соответствующие указанным формам. Определены формы полегания проводников, при которых осевые критические нагрузки имеют минимальные значения.

Показано, что деформации изгиба, возникающие при намотке обмоток, приводят к значительному снижению жесткости, а значит, и устойчивости проводников. Связано это с появлением пластических деформаций у значительной части волокон проводников. С учетом этих деформаций и деформаций, вызванных действием радиальных сил, выведены приведенные и обобщенные модули упругости. При определении критических напряжений радиальной устойчивости проводники характеризуются приведенным или обобщенным модулем упругости плоских форм. Критические нагрузки полегания проводников определяются с использованием обобщенных модулей упругости пространственных форм и кручения или приведенных модулей упругости.

Раскрыт механизм влияния осевого сжатия на радиальную устойчивость. Вследствие наличия усилий осевого сжатия при потере радиальной устойчивости возникают силы трения между элементами обмотки, а также между обмоткой и прессующей конструкцией. Показано, что в обмотках трансформаторов основную роль играют силы трения между проводами и прокладками, препятствующие смещению проводов друг относительно друга в окружном направлении. Эти силы приводятся к моментам трения в столбах прокладок.

На основании проведенных исследований с учетом моментов трения в столбах прокладок установлены формы потери устойчивости реальных обмоток и их моделей при разных способах закрепления. Получены зависимости для определения критических напряжений обмоток при различных формах потери устойчивости с учетом деформаций изгиба, возникающих при намотке. Изучено влияние параметров обмоток, а также упрочнения проводников на критические напряжения.Определены критические напряжения обмоток с жесткими цилиндрами и шайбами, а также со всеми применяемыми способами склейки проводников. Установлены напряжения сжатия в столбах прокладок, необходимые для обеспечения радиальной устойчивости обмоток, а также предотвращения кручения винтовых обмоток.

Получены уравнения устойчивости для установленных форм полегания проводников обмоток из простых (марки ПБ), подразделенных (марки ПБП) и транспонированных (марки ПТБ) проводов. Выведены выражения для определения критических сил полегания проводников, соответствующих рассмотренным формам потери устойчивости. При выводе был учтен вклад в устойчивость всех элементов, которые деформируются при полегании проводников, силы трения между элементами, а также нелинейность механических характеристик изоляционных материалов и наличие закруглений углов поперечных сечений проводников. Разработаны методы расчета критических сил. На основании расчетных и экспериментальных данных для реальных обмоток проведен анализ полученных результатов.

Рассмотрены осевые колебания нескольких обмоток, имеющих общие верхнее и нижнее прессующие кольца. Выведены частотное уравнение, выражения для определения форм колебаний, функций времени, осевых перемещений и усилий. Как частный случай из этих соотношений получены результаты для нескольких обмоток, имеющих только общее верхнее прессующее кольцо. На основе полученных выражений дан качественный и количественный анализ процесса осевых колебаний нескольких обмоток с общими прессующими кольцами. Показано, что резонансные явления возможны при совпадении какой-либо из собственных частот с удвоенной частотой тока. Однако большие перемещения и усилия возникнут лишь в том случае, когда в разложении нагрузки имеется составляющая, у которой собственная частота совпадает с удвоенной частотой тока. В начальный момент короткого замыкания значительные перемещения и усилия могут иметь место при совпадении какой-либо из собственных частот с частотой тока и при наличии соответствующей составляющей в разложении электромагнитной нагрузки. С помощью полученных результатов определены пути уменьшения осевых перемещений и усилий.

Достоверность построенных теорий подтверждена данными экспериментов. На их основе разработаны методика и программы расчета электродинамической стойкости обмоток трансформаторов при коротких замыканиях. Полученные результаты позволяют эффективно применять современные средства повышения электродинамической стойкости.

Методика и программы расчета приняты к использованию при разработке трансформаторов в ОАО "ВИТ", а также рядом ведущих зарубежных фирм. С использованием методики и программ расчета разработан, изготовлен и испытан на электродинамическую стойкость ряд трансформаторов различных конструктивных исполнений, классов напряжения и мощности. Все они с первого раза успешно выдержали испытания.

Показано, что методика и программы расчета могут быть использованы в качестве инструмента диагностики состояния обмоток трансформаторов, находящихся в эксплуатации.

Ключевые слова: силовые трансформаторы, обмотки, короткие замыкания, электродинамическая стойкость.

Размещено на Allbest.ru