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/см3 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/см3). 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.
