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.
Читайте также: Рассчитать давление разложения пентагидрата сульфата меди при 25
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.
Читайте также: Чем чистить монеты с медью
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.