При аварийных режимах короткого замыкания между обмотками возникают разрушительные усилия, стремящиеся раздвинуть обмотки в осевом и радиальном направлениях. Такие усилия, только значительно меньшей величины, существуют и при нормальной работе трансформатора. Рассмотрим подробнее причину этих явлений.
Допустим, что у нас есть два параллельных проводника, расположенных недалеко друг от друга. По проводникам протекают токи в одном (рисунок 1, а) и в разных (рисунок 1, б) направлениях. Вокруг каждого из этих проводников создается магнитное поле, силовые линии которого изображены на рисунке.
а — токи протекают в одном направлении; б — токи протекают в разных направлениях
Рисунок 1 - Механические усилия между проводниками с током
Когда токи протекают в одном направлении (рисунок 1, а), силовые линии, образуемые током I1, направляясь (сверху вниз) в промежуток между проводниками, встречают на своем пути силовые линии, создаваемые током I2 и идущие снизу вверх. Оттесняя друг друга, как те, так и другие изменяют направление, продолжая свои пути согласованно и образуя общие линии, сближающие проводники.
Когда токи протекают в разных направлениях (рисунок 1, б), все образуемые ими силовые линии заходят в промежуток между проводниками в одном и том же направлении (сверху вниз). «Протискиваясь» между ними, силовые линии как бы раздвигают проводники в противоположные стороны.
В обоих случаях сила F, с которой проводники притягиваются или отталкиваются, пропорциональна произведению токов I1 и I2, т. е. F = k I1I2, где k — коэффициент пропорциональности.
В трансформаторе одновременно происходят оба эти явления. В каждой из обмоток ток во всех витках имеет одно и то же направление. Однако направление тока I2 (как индуктированного) во вторичной обмотке противоположно направлению тока I1 в первичной обмотке.
На рисунке 2 показаны силовые линии потоков рассеяния Фр1 и Фр2 и направления токов I1 и I2. Силовые линии потоков рассеяния образуют как бы общую магнитную цепь, сжимающую витке обмоток. В то же время в канале между обмотками силовые линии, имея одинаковое направление, стремятся как бы
раздвинуть обмотки, отталкивая их друг от друга. Это раздвигание происходит не только в радиальном, но и в осевом направлении, так как любой виток обмотки испытывает отталкивающее действие всех витков другой обмотки.
1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка
Рисунок 2 - Магнитные потоки рассеяния вокруг обмоток трансформатора
Возьмем для примера виток М вторичной обмотки 2 (рисунок 3, а). От него отталкивается с силой F1, направленной радиально, виток m, лежащий с витком М на одной горизонтали. Одновременно на тот же виток М действуют все витки обмотки 1, расположенные выше и ниже витка m, с силами F2, F3, F4 и т. д. Складывая все эти силы геометрически, получим результирующую силу FM, направленную вверх под некоторым углом к горизонтали.
а — обмотки одинаковой высоты; б — обмотки разной высоты; 1 — первичная обмотка; 2 —
вторичная обмотка
Рисунок 3 - Механические усилия в обмотках трансформатора
Точно так же можно найти, что на виток N действует результирующая сила отталкивания FN, направленная вниз под некоторым углом к горизонтали. Лишь только один виток А, расположенный посередине обмотки, не будет подвергаться никаким осевым усилиям, так как все действующие на него силы отталкивания витков, лежащих выше и ниже витка А, дадут одну результирующую силу FA, направленную радиально. Наибольшие радиальные силы (сжимающие внутреннюю обмотку и растягивающие внешнюю) действуют в середине обмотки, уменьшаясь к краям. В то же время осевые усилия, наоборот, имеют наименьшие значения в середине обмотки, а наибольшие у ее краев.
При нормальной работе трансформатора все эти усилия невелики; при аварийном коротком замыкании, когда первичный и вторичный токи возрастают в 10—20 раз (в зависимости от величины uк), эти усилия возрастают в 100—400 раз. При этом наиболее опасными являются осевые усилия, разрушающие обмотки (особенно у краев), если они недостаточно укреплены. Чтобы противодействовать осевым усилиям, в конструкциях трансформаторов предусматривают различные устройства, обеспечивающие достаточную механическую прочность обмоток.
Особенно большие осевые усилия возникают, если обмотки имеют разные высоты. В этом случае силовые линии потоков рассеяния не проходят по каналу почти параллельно оси обмоток, а направляются радиально (рисунок 3, б) и, «протискиваясь» между витками, стремятся разрушить обмотку. У трансформаторов могут оказаться неодинаковыми высоты обмоток не только из-за небрежного их выполнения. В трансформаторах предусматривается возможность регулирования напряжения, что связано с отключением части витков одной из обмоток.
