Ступенчатый шов внахлест
В современных трансформаторах большая часть потерь железного сердечника происходит из-за соединения между колонной сердечника и железным ярмом, что побудило производителей трансформаторов стремиться к лучшей форме соединения железного сердечника. Широко используемой формой соединения железного сердечника, особенно в распределительных трансформаторах, является ступенчатая конструкция с перекрытием. В ступенчатой перекрывающейся конструкции можно использовать пластины с железным сердечником, имеющие до пяти различных длин, и, соответственно, на каждом уровне пластин имеется пять ступеней перекрытия. Такая структура позволяет магнитному потоку постепенно проходить через соединение, обеспечивая более равномерное течение магнитного потока по обе стороны соединения и снижая угловые потери сердечника. Недостатком данной конструкции является то, что она требует многократного наложения пластин разной длины, что неизбежно увеличивает стоимость резки железа и усложняет процесс переналадки верхнего железного ярма после сборки намотки, требуя от операторов большей осторожности, тем самым увеличивая трудозатраты. По сравнению с железным сердечником больших трансформаторов, пластины железного ярма меньшего размера и большей жесткости на распределительных трансформаторах легче повторно вставлять и восстанавливать, что может быть причиной того, что ступенчатая структура перекрытия широко используется в распределительных трансформаторах. С другой стороны, по сравнению с сердечниками больших трансформаторов, угловые соединения сердечников малых распределительных трансформаторов составляют большую долю общей площади сердечника, поэтому целесообразнее улучшить форму их соединений. Конечно, гораздо проще обрабатывать более короткие (например, 1 м) пластины железного ярма и добиваться приемлемых зазоров в швах (например, 0,5 мм), чем при работе с большими сердечниками трансформатора (например, пластинами железного ярма длиной 4 м). Другая причина принятия ступенчатой структуры перекрытия заключается в том, что жесткая конкуренция на мировом рынке распределительных трансформаторов означает, что люди должны постоянно искать любые возможные методы экономии затрат, независимо от того, насколько маленькой может быть экономия.
заземление ядра
Прежде чем завершить обсуждение структуры железного сердечника, следует упомянуть вопрос заземления железного сердечника. Во время работы трансформатора все проводящие металлические компоненты трансформатора должны иметь определенный потенциал, если только эти компоненты не заземлены. Потенциал металлических компонентов зависит от их взаимного положения в электрическом поле. Теоретически проектировщики могут изолировать эти металлические компоненты от заземленных металлических компонентов, но на практике заземлить эти металлические компоненты проще и удобнее. Однако при заземлении металлических деталей следует учитывать два важных требования: во-первых, заземляющее соединение должно обеспечивать надежный электрический контакт, а надежность заземления должна быть гарантирована в течение всего срока службы трансформатора; Во-вторых, не допускается образование короткого-петли замыкания, иначе это приведет к образованию контурного тока и вызовет увеличение потерь, а то и локальный перегрев.
В процессе эксплуатации трансформаторов, если надежное заземление металлических компонентов не может быть гарантировано (возможно, из-за сжатия конструкции или вибрации), в них может возникнуть дуговой разряд, который вызовет пробой изоляции и масла, а также выделение газа, тем самым вызывая срабатывание газового реле (если таковое имеется) или вызывая путаницу в результатах контроля газа в масле из-за маскировки более серьезных внутренних неисправностей.
Железный сердечник и его зажимы — самые крупные металлические компоненты, требующие заземления. На больших и важных трансформаторах заземляющее соединение железного сердечника и его зажимов должно быть выведено через втулку на 3,3 кВ наружу из масляного бака для заземления. Это позволяет легко эксплуатировать эти заземляющие соединения при первоначальной установке трансформатора на объекте, а также нет необходимости понижать уровень масла из-за необходимости открывать отверстия для проводки при последующем обслуживании трансформатора, чтобы можно было проверить сопротивление изоляции железного сердечника.
Чтобы удовлетворить требованию отсутствия пути циркуляции тока, необходимо эффективно изолировать железный сердечник и его зажимы от масляного бака, а также необходима эффективная изоляция между железным сердечником и зажимами. Железный сердечник должен быть надежно расположен внутри топливного бака, особенно во избежание возможного смещения и повреждения железного сердечника при транспортировке. Чтобы удовлетворить вышеуказанные требования, в нижней части топливного бака обычно устанавливается конструкция для позиционирования железного сердечника. Из-за большого веса железного сердечника и обмотки эти позиционирующие устройства и их изоляция друг от друга (хотя соответствующее испытательное напряжение может быть низким), а также их изоляция железным сердечником и зажимами должны быть очень надежными.
Поток рассеяния и магнитное экранирование
Функция железного сердечника трансформатора заключается в обеспечении магнитопровода с низким магнитным сопротивлением для основного магнитного потока первичной и вторичной обмоток, включенных одновременно. Однако часть магнитного потока, генерируемого ампер-витками первичной обмотки, не будет ограничиваться магнитной цепью со железным сердечником и будет одновременно соединять первичную и вторичную обмотки. С другой стороны, существует также часть магнитного потока, создаваемого ампер-витками вторичной обмотки, которая не ограничивается магнитопроводом с железным сердечником и одновременно соединяет первичную и вторичную обмотки. Магнитный поток, который не циркулирует в железном сердечнике, называется потоком рассеяния. Конечно, поток рассеяния должен генерировать реактивное сопротивление рассеяния трансформатора. Поток утечки также приводит к потерям на вихревые токи внутри обмотки. Но если потоком рассеяния можно управлять, чтобы избежать прохождения через провода обмотки или течения в осевом направлении обмотки, вместо наличия большой радиальной составляющей потока рассеяния, это может эффективно уменьшить потери на вихревые токи в обмотке.
Конечно, магнитное экранирование само по себе приводит к потерям на вихревые токи. Однако если плотность магнитного потока в магнитном экранировании можно сделать умеренной, а магнитное экранирование можно укомплектовать полосами электротехнической стали, например железным сердечником, потери на вихревые токи, генерируемые в магнитном экранировании, будут намного ниже, чем уменьшенные потери на вихревые токи в обмотке, вызванные использованием магнитного экранирования. Разумеется, что касается железного сердечника и зажимных компонентов, требования к заземлению и предотвращению образования путей циркулирующего тока одинаковы. В трансформаторах сильного тока, например, когда ток превышает 1000 А, магнитный поток, создаваемый главными выводами, также приводит к потерям вихревых токов в компонентах масляного бака вблизи этих выводов. В этом случае использование магнитного экранирования для предотвращения попадания магнитного потока в топливный бак также позволяет снизить величину потерь на вихревые токи. Применяя магнитную экранирующую конструкцию топливного бака, можно также предотвратить перегрев бака, вызванный паразитным магнитным потоком.
