Анотація до роботи:

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.

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.

Публікації автора:

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.