В связи с малой толщиной аморфный материал наиболее пригоден для витой конструкции магнитопровода, т.е. для трансформаторов малой мощности и распределительных. Магнитопроводы из аморфных сплавов имеют малый коэффициент заполнения сечения (0,8- 0,85) по сравнению с чтим коэффициентом у обычной электротехнической стали (около 0,96), что приводит к увеличению сечения магнитопровода. При недостаточной ширине ленты можно выполнить магнитопровод со стыкованными по ширине пакетами. В табл. 3 приведены прототипы трансформаторов с магнитопроводами из аморфного материала, изготовленные различными фирмами. Наибольшее количество трансформаторов (партию в 1000 шt ) изготовила фирма General Еlectric. В табл. 4 приведены сравнительные характеристики трансформаторов мощностью 25 кВ · А с магнитопроводами из аморфных лент и обычной электротехнической стали марки М-4.
Таблица 3
| Фирма-изготовитель | Мощность, кВ · А | Число фаз | Потери холостого хода | Потери короткого замыкания | ||
| Вт | % от обычной стали | Вт | % от обычной стали | |||
| Osaka | 10 | 1 | 8,6 | 22 | 173 | 102 |
| Takaoka | 20 | 1 | 18,9 | 24 | 348 | 94 |
| General electric | 25 | 1 | 28,0 | 33 | - | - |
| Osaka | 30 | 1 | 30,0 | 32 | 390 | 107 |
| Mitsubishi | 35 | 3 | 49,0 | 21 | - | - |
| Alliend Signal | 50 | 1 | 28,0 | 20 | 422 | 50 |
| Toshiba | 100 | 3 | 89,0 | 30 | 1780 | 110 |
Таблица 4
| Параметры | Аморфный материал | Сталь М-4 |
| Индукция, Тл | 1,4 | 1,6 |
| Потери холостого хода, Вт | 28(0,32 Вт/кг) | 86(0,96 Вт/кг) |
| Ток холостого хода, % | 0,3 | 0,9 |
| Масса магнитопровода, кг | 88 | 90 |
В Институте электрических машин и трансформаторов (ПНР) выполнены расчеты серии трансформаторов мощностью 100, 250, 400 и 630 кВ · А сочетание напряжений 20 ± 1/0,4 кВ, схема соединения Δ/Y 5. При проектировании использовались аморфные ленты из Metglas 2605, витая конструкция магнитопроводов со ступенчатым сечением стержня, коэффициентом заполнения 0,85 и номинальной индукцией 1 ,3 Тл; данные напряжения короткого замыкания и потерь при нагрузке использованы как в обычных трансформаторах равной мощности, изготовляемых в ПНР. В табл 5 приведены параметры серии трансформаторов 100- 630 кВ · А с магнитопроводами из аморфного сплава Metglas 2605 и обычной ориентированной электротехнической стали (ЭС). При индукции 1,3 Тл и применении АС масса активных материалов на 30% больше, чем при использовании обычной электротехнической стали. Оптимальное отношение массы магнитного материала к сумме активных материалов составляет 72 - 74% .
Таблица 5
| Параметр | 100 кВ ·А | 250 кВ ·А | 400 кВ ·А | 630Кв·А | ||||
| АС В=1,3Тл | ЭС | АС В=1,285Тл | ЭС | АС В=135 Тл | ЭС | АС В=1,31Тл | ЭС | |
| Потери, Вт | ||||||||
| Холостого хода | 64 | 300 | 128 | 580 | 161 | 830 | 238 | 1200 |
| Короткого замыкания | 1617 | 1700 | 3129 | 3100 | 4457 | 4400 | 6353 | 6200 |
| Напряжения короткого замыкания, % | 4,42 | 4,5 | 4,37 | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 6,06 | 6,0 |
| Масса, кг: | ||||||||
| Стали (сплава) | 0,0398 | 0,0295 | 0,0796 | 0,0519 | 0,1000 | 0,0725 | 0,147 | 0,100 |
| Меди | 0,0158 | 0,011 | 0,263 | 0,0225 | 0,0367 | 0,0292 | 0,0514 | 0,0414 |
| Ток холостого хода, % | 0,2 | 2,5 | 0,093 | 1,9 | 0,078 | 1,6 | 0,074 | 1,3 |
| Коэффициент мощности | 0,529 | 0,12 | 0,0547 | 0,122 | 0,523 | 0,129 | 0,509 | 0,146 |
При изготовлении шихтованных магнитопроводов аморфный сплав нарезается на ленты определенной длины специальными резаками. Современный режущий инструмент позволяет сделать 2 тыс. резов аморфной ленты и 2 млн. резов обычной стали. В шихтованных магнитопроводах из аморфной ленты наблюдается значительное ухудшение магнитных характеристик при прессовании. В табл. 6 приведены магнитные характеристики шихтованных магнитопроводов из пластин с углами в стыках 90 и 45° и тороидальных магнитонроводов и аморфных сплавов при индукции 1,4 Тл. В шихтованной конструкции мощность намагничивания значительно выше. В ближайшем будущем использование аморфных сплавов предполагается в трансформаторах небольшой мощности [7] .
Пожаробезопасные трансформаторы с нетоксичным жидким диэлектриком.
При создании трансформаторов I - III габаритов, устанавливаемых в непосредственной близости от потребителя, одной из основных проблем является обеспечение пожаро- и взрывобезопасности , а в последнее время и санитарной, и экологической безвредности. Широко распространенные в мире негорючие полихлордифенилы (ПХД) были запрещены к применению с 1979 г в США, Японии и некоторых европейских cтранах в связи с их высокой токсичностью и устойчивостью к процессам биоразложении.
Поиски альтернативных вариантов жидких диэлектриков привели к созданию таких веществ, как кремнийорганические жидкости, синтетические сложные эфиры, углеводородные жидкости, парафииы. Фторуглеводороды. Их характеристики приведены в табл. 7 |25, 26].
Все жидкие диэлектрики заменители ПХД должны удовлетворять следующим требованиям: температура воспламенения выше 200 °С, рабочий диапазон температур от 65 до +155 °С, диэлектрическая проницаемость 4 - 6 на частотах 50 - 10000 Гц, tg δ менее 0,02 при и частотах 50 – 10000 Гц, удельное сопротивление более 2 · 1010 Ом· см при 90 °C . Они должны быть самогасящимися, нетоксичными, биоразлагаемыми, иметь низкий коэффициент объемного расширения при нагреве.
Таблица 6
| Параметры | Тороидальный магнитопровод | Шихтованный магнитопровод, стыки под углом | |
| 90° | 45° | ||
| Потери, Вт | 0,114-0,123 | 0,137 | 0,128 |
| Потребляемая намагничивающая мощность, В ·А | 0,145-0,135 | 2,55 | 1,73 |
В большей степени этим требованиям отвечают синтетические кремний - органические жидкости (КОЖ), в частности полидиметилсилоксаны, которые обладают достаточно низкой вязкостью, свойствами самогашения и хорошими охлаждающими свойствами, но уступают ПХД по негорючести. КОЖ более гигроскопичны, чем ПХД: уже при относительной влажности воздуха 30% происходит резкое ухудшение их электроизоляционных свойств. Кроме того, они имеют повышенный коэффициент объемного рствоваться. Они производятся фирмами Don Corning Ltd, General Electric, Stauflfer Chemical (США). Особенностью жидкости является образование при пожаре большого количества кремнийсодержащей золы, которая в виде koрkи покрывает поверхность горящей жидкости, предотвращая тем самым распространение огня. При этом мощность выделяемого теплового потока в 10-18 раз меньше, чем при пожаре в трансформаторном масле.
Свойства КОЖ позволяют использовать их при повышенной по сравнению с трансформаторным маслом рабочей температуре. Так, в Японии разработаны тяговые трансформаторы для электровозов, работающие при 150 °С и имеющие хорошие массогабаритные показатели. Исследования показали, что основные и изоляционные свойства КОЖ снижаются при повышении температуры значительно медленнее, чем у трансформаторного масла, что и определяет большой срок их службы. Однако длительное превышение предельной температуры (свыше 200°С) вызывает увеличение вязкости вследствие начинающихся процессов полимеризации. Оптимальными физико-химическими характеристиками обладают КОЖ с вязкостью 50 мм2 /с при 20 °С. При рабочих температурах вязкость КОЖ больше, а при низких меньше, чем у ПХД и масла [8, 11].
При доступе воздуха, а следовательно, при повышенном влагопоглощении вязкость КОЖ увеличивается. Для марки КОЖ Grade 50 было установлено, что при 140°С и хорошем доступе воздуха вязкость увеличивается вдвое через 30 лет. В условиях эксплуатации трансформатора вязкость будет возрастать медленнее, однако при температуре выше 140°С необходима герметизация.
Кремнийорганические жидкости имеют преимущества перед трансформа горными маслами при использовании их при низких температурах окружающей среды. Фирма Bayer Chemical разработала силиконовую жидкость марки Baysilone М50EL с жидкой фазой до - 60°С. Для отрицательных температур число Прандтля этой жидкости ниже, чем у трансформаторного масла, что необходимо учитывал, при тепловых расчетах [8, 12].
| Пара-метры | Крем- ний- органи-ческие жидкости | Сложные эфиры | Смесь насыщенных и ненасы-щенных углево-дородов | Арома-тические углево-дороды | Ненасы- щенные алифати- ческие углево- дороды | Насы- щенные алифати- ческие углево- дороды | Трансфор-маторное масло | |||||||
| DC-561 SF97(50) | Midel 7131 | Formel NF | Ugilec T(T4) | Wecosol | Хладон | RTEmp PAO-13CE | - | - | ||||||
| Поли-диметилсилоксаны | Синтети-ческий эфир | Перхлорэтилен + тетрахлорди-фторэтан + трихлортри-фторэтан | Тетрахлор-диарил-метан-60% + трихлор бензол-40% | Перхлор-этилен | Фтор-углево-дород | Парафины | - | |||||||
| Пробив-ное напряжение,Кв | 50 | 50-55 | 70-75 | 60 | 45-60 | 31-32 | 43 | - | 60-80 | |||||
| Диэлектрическая проницаемость при 20° | 2,7 | 3,2 | 2,4 | 4,6 | 2,2 | 2,4-2,5 | 2,2-2,4 | - | 2,2-2,3 | |||||
| Tg угла диэлектрических потерь при 90° | 0,005 | 0,01 | 0,007 | 0,03 | 0,01 | 0,001-0,002 | 0,001 | - | 0,005-0,15 | |||||
| Удельное электрическое сопротивление, Ом·см | 1·1015 - 2·1013 | 2·1013 | 1·1014 | 0,6·1010 | 1·1014 | 1014-1012 | 8·1012 -5·1014 | - | 1·1014 | |||||
| Устойчивость к искрению | Плохая | Отличная | Плохая | плохая | плохая | Хорошая | - | хорошая | ||||||
| Плотность при 20°С, г/см3 | 0,96 | 0,96-0,98 | 1,62 | 1,42 | 1,62 | 1,56-1,65 | 0,85-0,99 | 0,837 | 0,85-0,88 | |||||
| Вязкость, мм2/с : | ||||||||||||||
| При 25°С | 50 | 90 | 0,884 | 13 | - | 4 | 350 | 200 | 18-20 | |||||
| При 100°С | 15 | 6 | - | 2,5 | 0,5 | - | 15-16 | 14 | 1,5-2,5 | |||||
| Влагосодержание при 90°С, мг/л | 30·10-6 | 80 | 30 | - | - | - | 35 | - | 30 | |||||
| Удельная теплоемкость, кДж/кг К | 1,45-1,54 | 1,81-2,1 | - | - | - | 0,9 | 0,46 | - | 1,93-2,09 | |||||
| Коэффициент теплового расширения , 1/К | 0,001-0,00104 | 0,00069 | 0,0107 | 0,00102 | - | - | - | - | 0,0074 | |||||
| Температура °С: | ||||||||||||||
| Застывания | -55 - -65 | -48 - -52 | -33 | -35 | -22 | -35 | -30 - -40 | - | -40 - -48 | |||||
| Горения | 350-360 | 310 | - | 130-140 | - | - | 310-285 | 307 | 150-172 | |||||
| Вспышки паров | 277-300 | 257 | - | - | - | - | 312 | - | 170 | |||||
| Самовоспламенения | 316-395 | 310 | - | - | - | - | 540 | - | 280 | |||||
| Давление паров при 20°С,Па | 10-6 - 10-4 | 10-7 - 10-5 | - | - | 10-10 | - | 10-2 - 10 | - | 10-1 – 10-2 | |||||
| Теплопроводность, Вт/м К | 0,151 | 0,00155 | - | - | 0,00125 | 0,07 | 15-16 | - | 0,1 | |||||
| Содержание кислот, мг КОН/л | 0,01 | 0,03 | 0,01 | - | - | - | 0,05 | - | 0,03 | |||||
| Теплостойкость | Высокая | Высокая | - | - | - | - | Высокая | - | Малая | |||||
| Индекс воспламенения | 4-5 | 100 | - | - | - | - | - | - | 10-12 | |||||
| Степень биодегра-дации | Медленный фотолиз | Полностью биораз-лагаемые | Поддается биораз-ложению | - | Поддается биораз-ложению | Поддается биораз-ложению | Разру-шаются на 50% в течении недели при 20°С | - | Поддается биораз-ложению | |||||
| Токсичность | 30 г/кг массы (крысы) | 105 мг/л массы (рыбы) | - | Слабая токсичность | - | - | 40г/кг массы (крысы) | - | - | |||||
КОЖ совместима с целлюлозной и полиамидной бумагой и картоном, полиэфирной, полиимидной, полипропиленовой и полиэтиленовыми пленками, ПТФЭ, фторсиликоном, амидным, амидно-имидным и полиэфирным лаками, кремнийорганическими эпоксидными смолами, полиэфирными смолами и металлами. Однако обычно применяемые в масляных трансформаторах уплотнения при контакте с КОЖ набухают. Свинец, олово, селен и теллур отрицательно влияют на стабильность КОЖ при высоких температурах в окислительных условиях и могут вызвать ее желатинизацию. Каучуки, погруженные в КОЖ, теряют в массе и набухают. Но некоторые каучуки (натуральный, бутадиенстирольный, хлорпреновып, изобутиленовый, фторсиликоновый, этилеппропиленовый. бутадиеннитрильный и др.) можно использовать и контакте с КОЖ.