внутри железного кольца. Вторичная обмотка представляет собою обычную катушку из относительно тонкой проволоки. Большинство заводов выполняет вторичную обмотку на ток в 5 А, т. е. рассчитывает на включение во вторичную обмотку амперметра на 5 А; однако некоторые заводы выполняют вторичную обмотку на ток в 10 А или на ток в 2 А. Что касается магнитной цепи трансформатора тока, то она должна быть возможно совершенной, т. е. должна требовать на намагничение незначительный ток, так как только при наличии указанного условия отношение между первичным и вторичным токами практически равно коэфициенту трансформации. В виду этого сердечник трансформатора собирают из лучшего железа возможно тщательнее, избегая стыков, а индукция нормальной работы берется небольшою; последнее желательно еще и в целях устранения искажения формы кривой вторичного тока. Обычно трансформаторы тока работают при индукции 500-

1000 гауссов.

Как бы тщательно ни был построен трансформатор тока, все же его коэфициент трансформации для токов несколько меняется при переходе от небольших значений тока к большим. Однако это изменение невелико; современные трансформаторы тока мощностью от 20 до 30 VA могут дать ошибку ниже Р/о при токах от 0,2 до 1,25 нормального тока.

В том случае, когда трансформатор тока работает на ваттметр или на счетчик, весьма большое значение имеет фазное смещение вторичного тока, т. е. тока, посылаемого в толстую обмотку ваттметра, относительно Рис. 182. первичного тока, который без транс-

форматора должен был бы непосредственно направиться в ваттметр. Само собою разумеется, фазное смещение токов у трансформатора должно быть по возможности малым. У хороших трансформаторов тока угол смещения токов меньше 20 или 30 при нормальной нагрузке и меньше 1° при двойной нагрузке.

Следует заметить, что, так как при разомкнутой вторичной цепи сериес-трансформатор превращается в реактивную катушку с большим намагничивающим током, вследствие чего его магнитный поток, а следовательно, потери в железе и нагрев чрезмерно возрастают, рекомендуется до выключения прибора из вторичной цепи вводить в нее какое-либо небольшое сопротивление или замыкать ее накоротко. Это правило диктуется и тем, что при разомкнутой вторичной цепи сильно возросший магнитный поток может индуктировать в ней значительное напряжение, опасное для ее изоляции.

Трансформаторы тока, включаемые в цепь с напряжением до 50000 V, имеют воздушное охлаждение; включаемые же в цепь с

1 .-4 .

напряжением выше 50 ООО V и применяемые на открытых установках имеют обычно масляное охлаждение.

В. Трансформатор напряжения. При измерении напряжения переменного тока свыше 500-600 V или при измерении мощности в установках высокого напряжения применяют так называемые трансформаторы напряжения, которые представляют собою по конструкции почти обычный понизительный трансформатор, но небольшой мощности. Первичная обмотка этого трансформатора соединяется с линией высокого напряжения, а вторичная обмотка-с напряжением, примерно 100 V, подводится к вольтметру, к тонкой обмотке ваттметра, счетчика, реле и т. д. Так как трансформатор напряжения обслуживает измерительные приборы, то по качеству он должен быть несколько отличным от силового трансформатора. В самом деле, применение трансформатора напряжения основано на том, что отношение между электродвижущими силами первичной и вторичной обмоток при холостой работе почти равно отношению напряжений у тех же обмоток, т. е.

Уа- -El

где и -коэфициент трансформации.

Из диаграммы трансформатора, работающего вхолостую (рис. 81) следует, что если вторичное напряжение равно вторичной электродвижущей силе, то первичное напряжение больше первичной электродвижущей силы на величину падения напряжения в первичной обмотке. Эго падение тем больше, чем больше, во-первых, активное сопротивление первичной обмотки, во-вторых, реактивное сопротивление той же обмотки и, в-третьих, ток холостой работы или намагничивающий ток. У трансформатора напряжения, обслуживающего вольтметр, вторичная обмотка включена на обмотку большого сопротивления, и поэтому ток, идущий во вторичной обмотке, весьма мал. Вследствие этого режим работы трансформатора напряжения близок к режиму холостой работы, и для него должно быть выполнено условие наименьшего падения напряжения в первичной обмотке. Так как во вторичной обмотке ток вольтметра все же будет проходить и вызывать в ней падения напряжения, и, следовательно, будет иметь место неравенство между электродвижущей силой и напряжением, необходимо, чтобы сопротивление вторичной обмотки трансформатора было по возможности мало.

Активные сопротивления обмоток трансформатора, вообще говоря, малы и могут быть уменьшены у трансформатора напряжения надлежащим подбором сечения проводников обмотки. Реактивные сопротивления от потоков рассеяния могут быть уменьшены возможным сближением первичной и вторичной обмоток или делением их на катушки и поочередным и более тесным расположением последних на сердечниках. Намагничивающий ток трансформатора напряжения ослабляется, во-первых, применением наиболее совершенного легированного железа толщиною в 0,3 мм, дающего к тому же наименьшие потери на гистерезис и токи Фуко, во-вторых, небольшой индукцией в железе (7000-9000), и, в-третьих, тщательной сборкой сердечника.

Следует заметить, что трансформатор напряжения довольно чувствителен к изменению первичного напряжения, т. е. если трансформатор напряжения построен и вольтметр, с ним работающий, проградуирован на определенное первичное напряжение, то при другом напряжении (в особенности высшем) вольтметр может дать не совсем точные показания, что происходит от изменения коэфициента трансформации. Последнее понятно, так как с изменением напряжения меняется намагничивающий ток, а с ним и падение напряжения в обмотках. По той же причине и изменение частоты влияет на точность показания вольтметра, работающего с трансформатором напряжения.

Выше было замечено, что с вторичною обмоткою трансформатора напряжения может быть соединен не один вольтметр, а несколько, или же соединены тонкие обмотки реле, фазные лампы и т. д. В таком случае нагрузка трансформатора уже не может считаться ничтожной, и возникает вопрос о постоянстве коэфициента трансформации. Само собою понятно, что он не будет сохранять свое значение с увеличением числа приключаемых приборов. Разные заводы дают в этом отношении неодинаковые гарантии; например, для трех типов трансформаторов с полною мощностью 25, 100 и 200 VA одного из иностранных заводов дается ошибка ниже 17о при мощностях соответственно 15 (это приблизительнсе потребление теплового вольтметра в 100 V), 45 и 100 VА и ошибка 2,5-37о при полных нагрузках.

В том случае, когда трансформатор напряжения работает в соединении с ваттметром или счетчиком, часто говорят о фазном смещении вторичного напряжения относительно первичного напряжения. Под этим смещением подразумевается угол между первичным напряжением и вторичным напряжением. Если бы у трансформатора не было падений напряжения, то первичное напряжение расходилось бы -по фазе с вторичным ровно на 180°; можно было бы сказать, что угол смещения их равен нулю. Но и при холостой работе трансформатора в его первичной обмотке имеются падения напряжения, вследствие чего вторичное напряжение отстает от первичного на угол, превышающий 180°, т. е. на угол 180° углом смещения в этом случае называют угол (. При нагрузках угол первичного и вторичного напряжений больше, нежели при холостой работе; кроме того этот угол тем меньше, чем меньше сопротивления обмоток трансформатора и чем слабее намагничивающий ток, т. е. он зависит от тех же факторов, от которых зависит и коэфициент трансформации. Так как по отношению к ваттметрам имеет значение именно смещение напряжений, то о качестве трансформатора напряжения часто и судят как по изменению коэфициента трансформации, так и по изменению угла смещения.

На рис. 183 показан обычный вид трансформатора напряжения на напряжение 2000-10 ООО V.

Рис. 183.

§ 90. Трансформаторы для токов большой силы.

Некоторые электрохимические процессы, как то: электроплавка, электросварка, получение карбида кальция и другие требуют трансформаторов, дающих весьма значительные (ло 50000 А) силы тока во вторичной цепи при относительно невысоком напряжении. Конструкция таких трансформаторов определяется особенностью их работы, заключающейся в том, что почти все такие трансформаторы работают при весьма неспокойной нагрузке, сопровождающейся быстрыми перегрузками и короткими замыканиями со стороны вторичной цепи. Кроме того и значительные токи вторичной обмотки придают конструкции последней и всего трансформатора специфические особенности. Быстрые перегрузки и короткие замыкания вызывают чрезмерные механические воздействия на обмотки, и потому последние у рассматриваемых трансформаторов должны быть особо тщательно и солидно укреплены на сердечниках. Точно так же должны быть надежно укреплены выводы вторичной цепи;так как при значительных токах механические силы, действующие между ними, могут быть значительны. Быстрые перегрузки требуют к тому же и усиления изоляции концевых витков обмотки высокого напряжения во избежание порчи их от перенапряжения.

Для того, чтобы ослабить толчки тока, и для того, чтобы обеспечить спокойное горение дуги, если речь идет о дуговых

печах, трансформатор должен иметь некоторое определенное, повышенное сравнительно с обычным, падение от реактивного сопротивления (6-87о)- Последнее достигается увеличением воздушного зазора между концентрическими первичными и вторичными катушками, что к тому же улучшает условия охлаждения трансформатора. Вторичная обмотка изготовляется из полос электролитической, по возможности однородной, меди, причем особое внимание уделяется соединениям между отдельными витками; подлежащие соединению концы сначала оцинковываются, затем склепываются и наконец лудятся. Плохой контакт между концами влечет за собою нагрев их, плавление полуды и возможность воспламенения изолирующих прокладок; по этой же причине все соединения следует периодически осматривать. Если вторичная обмотка состоит из нескольких

Рис. 184.

параллельных ветвей, то необходимо наблюдать за тем, чтобы все эти ветви были одинаково нагружены при всех условиях работы.

Регулировка вторичного напряжения трансформатора для электроплавки производится со стороны высокого напряжения, или выключением и включением части витков первичной обмотки, или помощью потенциального регулятора, включенного перед первичною обмоткою. В последнем случае главный трансформатор и потенциальный регулятор конструируются в одно целое.

На рис. 184 изображен однофазный трансформатор мощностью 4450 kVA при частоте 25 Hz и напряжении 15 000/115 до 155 V; вторичный ток 28 700 А. Первичная обмотка этого трансформатора состоит из 492 витков; ее катушки расположены ближе к сердечнику. Вторичная обмотка состоит из восьми, выполненных из электролитической полосовой меди, витков, соединенных в две параллельные ветви. Первичная и вторичная обмотки разделены мика-нитовым цилиндром.

§ 91. Сварочные трансформаторы.

Сварочные трансформаторы подразделяются на трансформаторы, работающие теплом сопротивления, и на трансформаторы, работающие теплом вольтовой дуги. Первые трансформаторы имеют вторичное напряжение, не превышающее 1-3 V; такое напряжение достаточно для того, чтобы прогнать через свариваемые части значительной силы ток, который в сопротивлении контакта этих частей освобождает необходимое количество тепла для сварки. В'виду небольшого вторичного напряжения вторичная обмотка таких трансформаторов состоит всего из одного витка, конструктивно связанного со сварочным аппаратом в одно целое. На рис. 185 изображен сварочный аппарат для сварки швов. Как видно из рисунка, вторичная обмотка имеет один виток, а первичная снабжена ответвлениями для изменения коэфициента трансформации, следовательно, для изменения силы сварочного тока.

Сварочные трансформаторы, работающие теплом вольтовой дуги, имеют вторичное напряжение около 40-75 V, достаточное для поддержания вольтовой дуги при определенной силе тока. Так как работа этих трансформаторов сопровождается неизбежным коротким замыканием вторичной цепи в момент зажигания дуги, то они должны быть снабжены дополнительным приспособлением, ограничивающим ток короткого замыкания. Таким приспособлением является реактивная катушка, которая может быть совершенно отдельной частью установки или же может составлять одно целое с трансформатором. На рис. 186 изображена схема сварочной установки завода ВЕКС, в которой трансформатор 1 снабжен отдельной реактивной катушкой 2 с регулируемым сопротивлением магнитной цепи. Регулировкой магнитного сопротивления реактивной катушки изменяют индуктивное сопротивление ее, что позволяет устанавливать необходимую силу тока короткого замыкания и получать ниспадающую внешнюю характеристику

На рис. 187 изображено схематическое устройство трансформатора для дуговой сварки Гольслега. Этот трансформатор состоит

из тоех сеодечников Л, 5 и С, из которых сердечник С не несет обмо?ки и примыкает вплотную к ярму двух других сердечников. На сердечнике А имеется первичная обмотка / и вторичная

Рие. 185.

Обмотка ; на сердечнике В имеется одна Смотка Л/- послад тельно соединенная со вторичной обмоткой . Обмотка иг есть Г'сущностиреивная катушка, имеющая общую магнии цепь со вторичной обмоткой . В самом деле, при прохождении тока

Рис. 186.

Рис. 187.

во вторичной цепи вторичный мапнитный /.У^ ется полностью компенсируется; часть этого lllJJ к сердечнику С и через него замыкается. Благодаря этому индук

14 Трансформаторы -1676.

Рис. li

тивное сопротивление катушки Dr получается значительным, т. е. она работает как реактивная катушка.

При наличии выводов у обмоток и устройства, дающего возможность менять междужелезное пространство между сердечником С и ярмом трансформатора, нетрудно получить разные комбинации в отношении напряжения и тока короткого замыкания, необходимые при той или иной дуговой сварке.

На рис. 188 схематически изображен сварочный трансформатор, изготовляемый AEG. У него дополнительная катушка Dr помещена на среднем стержне, отделенном с одной стороны от ярма сердеч-/ gffjg ника воздушным зазором. Эта катушка снабжена выводами 1-9, которые дают возможность устанавливать тот или иной сварочный ток. Переставляя штепсель по контактам 1-9, можно получить следующие значения сварочного тока: /-90 А, 2-100 А, 5-115 А, -135 А, 5-150 А, -175 А, 7200 А, 5-250 А и 5-300 А. Положение штепселя на контакте / дает небольшой ток, так как в сварочную цепь вводятся все витки катушки Dr, обеспечивающие наибольшее индуктивное сопротив ление. Действие катушки Dr основано на появлении при нагрузке усиленного поля рассеяния вторичных обмоток, находящихся на крайних стержнях, и потока, создаваемого самою катушкою Dr (см. на рисунке пути замыкания поля рассеяния при нагрузке). В первичной цепи трансформатора имеется электромагнитный выключатель АВ, действующий от кнопки на электродержатель и позволяющий выключать трансформатор, как только сварка закончена. Первичное напряжение у рассматриваемого трансформатора 220 V, вторичное

апряжение при холостой работе 110 V, коэфициент трансформации при работе не меняется.

На рис. 189 схематически изображен сварочный трансформатор Сименс-Шуккерт. У этого трансформатора нет отдельной катушки, играющей роль реактивной катушки. Усиленная реактивность трансформатора при нагрузке создается путем увеличения полей рас-210

Рис. 189.

сеяния первичной и вторичной обмоток, благодаря наличию в средних частях сердечника выступов, облегчающих прохождение силовых линий поля рассеяния. Изменение реактивности трансформаторов, необходимое для получения разных сил сварочного тока, достигается изменением числа витков первичной обмотки. Для того чтобы при этом не менялся коэфициент трансформации, первичная обмотка разбита на три части: на основную А и две дополнительные В и С, снабженные выводами и расположенные по обеим сторонам вторичной обмотки D. Дополнительные обмотки В п С намотаны в разные стороны, благодаря чему их ампервитки взаимно компенсируются и не влияют на главный поток, пронизывающий вторичную обмотку. Поля же рассеяния с увеличением числа витков дополнительных обмоток возрастают, а потому возрастает и общая индуктивность первичной цепи. Изменение числа витков первичной обмотки достигается перемещением двухполюсного переключателя, изображенного на рис. 189 сверху. При одном и то.ч же напряжении холостой работы 1 = 75 V и при разных положениях переключателя сила сварочного тока будет при положении переключателя 7-95 А, 2-120 А, 5-145 А, -170 А, 5-185 А, 6-190 А и 7-195 А. Первичное напряжение 220 V.

Следует отметить, что из-за большой индуктивности сварочные трансформаторы имеют весьма невысокий коэфициент мощности; он колеблется в пределах 0,25-0,4.

§ 92. Трансформаторы для индукционных печей.

Кроме дуговых печей, для целей электроплавки часто применяют индукционные печи, основанные на том принципе, что пульсирующий магнитный поток в частичках металла индуктирует токи, которые доводят металл до температуры плавления. Одна из таких печей (Челлина) схеметически ti представлена на рис. 190. Эта печь состоит из железного сердечника А с надвинутой на него первичною катушкою В и кольцевой ванны из огнеупорного материала с засыпаемым в нее подлежащим к плавке металлом С. Этот металл играет роль вторичной обмотки по отношению к первичной обмотке В. Таким образом все устройство представляет собою в сущности трансформатор с короткозамкнутого вторичного обмоткою.

Наиболее совершенною индукционного печьго является печь Рохлинга-Роденгаузера, изображенная в поперечном разрезе на рис. 191а и в продольном разрезе на рис. 191Ь. Эта печь, предназначенная для питания однофазным током, состоит из железного сердечника Н - Н, на вертикальные звенья которого насажены обычная первичная обмотка высокого напряжения (до 5000 V) А-А и вторичная обмотка В -В (рис. 191Ь), выполненная из медных лент большого сечения и дагощая весьма низкое напряжение при боль-

Рис. 190.

Шой силе тока. Концы вторичной обмотки подведены к железным полюсным пластинам Е - Е, заделанным в обмуровку ванны для металла F-F.

Во избежание сильного нагрева обмотки к ним подводится охлаждающий воздух ао трубам Л^,-ЛГ,. Сама ванна выполняется из толстого железа, служащего внешнею оболочкою, и внутренней обмуровки указанной на рисунке формы. В выемках С-D - С, имеющих вид восьмерки, размещается расплавляемая масса. Тепло, необходимое для плавки массы, сообщается, во-первых, индукти-

Рис. 192.

рующимися в ней токами Фуко, так как она служит как бы вторичною обмоткою трансформатора, аво-вторых - сильными токами вторичной обмотки В - fi, которая посылает их в массу через полюсные пластины Е-Е, как только ванна нагреется и набивка О-О, выполняемая из проводников второго рода, будет пропускать ток. Таким образом, в первый период плавки печь работает как чисто индукционная, а во второй период-как печь индукционная и как печь сопротивления. Изображенная на рис. 191а

Проводниками второго рода называют проводники, которые при низкой температуре не проводят тока, но при высокой температуре нагрева их становятся проводниками.

И 191Ь печь предназначена для плавки массы в 5 те и для работы при напряжении 5000 V и при частотере 15 Hz.

На рис. 192а и 192Ь изображена индукционная печь Рохлинга-Роденгаузера трехфазного тока. Трансформатор этой печи имеет три сердечника, на которые наложены первичные и вторичные обмотки, причем концы вторичной обмотки присоединены к железным пластинам, заделанным в обмуровку ванны. Обмотки интенсивно охлаждаются подводимым извне воздухом.

§ 93. Реакторы.

Реактором называется прибор, предназначенный для создания в электрической цепи искусственного реактивного сопротивления. Реакторы распадаются на две группы: на реакторы с железом, которые в общежитии называются реактивными катушками, и на реакторы без железа. Первые реакторы представляют собою катушку из изолированной проволоки, надетую на железный сердечник, обычно имеющий один или два разрыва в виде воздушной щели. Часто имеется приспособление для изменения ширины этой щели. Вторые реакторы представляют собою также катушку из проводников, но заделанную в бетон и механически достаточно сильно укрепленную (рис. 193).

Исходным данным для расчета ре- Рис. 193.

актора с железом является поглощаемое им напряжение при определенном токе. Если, например, реактор должен поглотить напряжение V при токе /, то необходимый магнитный поток и необходимое число витков находится из равенства

1=4,44/даФ 10~* вольт,

где/-частота тока, Ф - магнитный поток, w - число витков катушки.

Магнитный поток определяет размеры сердечника и, следовательно, вес железа; число же витков катушки определяет вес меди. Относительное количество железа и меди устанавливается в зависимости от наименьшей стоимости и наименьших потерь. Чтобы избежать больших потерь в железе, необходимо выбрать подходящую индукцию в нем. Она берется обычно несколько ниже, чем у трансформаторов.

Число витков катушки при заданном токе зависит от магнитного сопротивления магнитной цепи. Если пренебречь сопротивлением железной части ее (что практически вполне возможно) и принять во внимание только сопротивление воздушных щелей, то число витков катушки определится из равенства:

/да = 0,8 о fi,

где В -индукция в воздушной щели, 5 - общая длина щелей в сантиметрах.

Обозначая через Q сечение щели в квадратных сантиметрах, получаем:

/да = 0,88- = 0,8

Q 4,44-/syQ

При определении сечения щели Q следует, иметь в виду довольно сильное рассеяние около щели. Если Q - сечение разорванного щелью сердечника, то

где к- коэфициент, меньший единицы. При узких щелях его можно принять равным 0,9, а при широких щелях 0,5-0,6.

Расчет катушек производится совершенно так же, как и у трансформаторов. Охлаждение реакторов может быть воздушное или масляное. Реакторы с железом применяются для регулирования напряжения преобразователей переменно-постоянного .тока, для получения спокойного горения дуговых ламп, для компенсации емкости в линиях (например катушки Пупина в телефонных линиях) и т. д.

У реактора без железа обмотка, как было указано, размещается на сердечнике из немагнитного материале. У небольших реакторов в качестве сердечника применяется фарфоровый ребристый цилиндр; у больших реакторов, применяемых в качестве ограничителей тока в линиях передач или на силовых станциях, сердечник - сборный с фарфоровыми или деревянными стойками и прокладками (рис. 193). Обмотка таких реакторов состоит из витков, намотанных в виде длинного цилиндра, или же составляется из плоских катушек, имеющих вид спиралей с утопленными в фарфор проводниками. Одним из требований, предъявляемых к реактору, служащему ограничителем тока, является прямая пропорциональность напряжения на концах катушки проходящему по ней току. Так как железо обладает способностью насыщаться и нарушать пропорциональность между напряжением и током катушки, то оно по этой причине и не применяется для реакторов - ограничителей тока.

§ 94. Вопросы для самопроверки.

1. Как работает сериес-трансформатор?

2. Каковы особенности устройства измерительных трансформаторов.

3 Каковы особенности устройства трансформаторов для токов большой силы?

4. Каковы особенности устройства сварочных трансформаторов?

5. Каковы особенности устройства трансформаторов для индукционных печей?

6. Как устроены реакторы?

глава двадцать первая.

ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ, ВЫКЛЮЧЕНИИ И КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ ТРАНСФОРМАТОРА.

Явления, имеющие место в трансформаторе при его включении или при внезапном коротком замыкании, представляют собою явления неустановившегося состояния, продолжающиеся всего лишь доли секунды. Несмотря на незначительную длительность этих явлений, изучение их крайне необходимо, так как последствия их, если не принять определенных противомер, могут вывести из строя самый трансформатор или приборы, включенные в его цепь. Не задаваясь целью детально изложить теорию упомянутых выше явлений, мы ограничимся в дальнейшем лишь главнейшими моментами этой теории.

§ 95. Явления при включении трансформатора.

Трансформатор, включаемый в цепь при разомкнутой вторичной цепи, во всем подобен обычной реактивной катушке с железом. Предположим предварительно, что реактивная катушка не имеет железного сердечника, а активное сопротивление ее обмотки ничтожно мало и им можно пренебречь. При установившемся режиме магнитный поток реактивной катушки меняется согласно основному закону электромагнитной индукции:

где V - мгновенное значение приложенного напряжения, w - число витков катушки, Ф - изменение за время dt пронизывающего катушку магнитного потока.

Полное изменение магнитного потока за какой-либо промежуток времени t, отсчитываемого от нулевого значения потока, выразится суммою изменений за тот же промежуток времени и будет равно

i .J да

Поток Ф< представляет собою поток, который пронизывает катушку в момент времени t Он является интегральной функцией приложенного напряжения. Следовательно, если напряжение меняется по синусоидальной кривой, то и магнитный поток будет меняться также по синусоидальной кривой со сдвигом по фазе на / периода. При неустановившемся режиме включения магнитный поток реактивной катушки меняется согласно тому же основному закону электромагнитной индукции, но форма кривых изменения его во времени зависит от момента включения катушки на первичную сеть.

Предположим, что первичное напряжение меняется по синусоидальной кривой V, и катушка включена в момент прохождения

напряжения через наибольшее значение (рис. 194а). В первый момент включения магнитный поток равен нулю. Но он тотчас же начнет нарастать по кривой, которая является интегральной кривой напряжения Vy, на рис. 194а по кривой Ф^. Начиная с нулевого значения, поток будет нарастать до тех пор, пока напряжение имеет положительное значение, т. е. до момента нулевого значения напряжения. В этот момент магнитный поток достигнет наибольшего значения и начнет уже убывать. Совершенно ясно, что изменение магнитного потока будет в рассматриваемом случае происходить по той же синусоидальной кривой, что и при установиншемся режиме с отставанием от напряжения на V4 периода. Так как предполагается, что железа в реактивной катушке нет, то намагничивающий ток в своем изменении будет совпадать по фазе с магнит-. ным потоком, т. е. будет ме-

няться по синусоидальной

кривой, совпадающей с кривой потока, на рис. 194а по кривой iy.

В виду того, что нарастание магнитного потока при рассматриваемом включении такое же, что и при установившемся режиме, ток включения будет равен установившемуся току.

Предположим теперь, что катушка включается в момент прохождения напряжения через нуль (рис. 194Ь). Начиная с этого момента, магнитный поток катушки будет нарастать до тех пор, пока приложенное напряжение не сделается равным нулю, т. е. в течение полупериода. Увеличение потока прекратится в момент прохождения напряжения через нуль. В течение следующего полу-периода поток будет убывать, пока напряжение не изменит своего направления. Изменение магнитного потока в этом случае изобразится на рис. 194Ь кривой Ф, а изменение намагничивающего тока кривою L Так как кривая магнитного потока Ф в период его нарастания является интегральной кривой за полупериод, а не за / периода, как в первом включении, то ясно, что наибольшее значение ординаты кривой Ф, а следовательно, и кривой i, вдвое больше соответствующих значений ординат кривых Ф^ и i . Это значит, что

Рис. 194.

ТОК включения реактивной катушки без железа в момент прохождения напряжения через нуль вдвое больше тока включения той же катушки в момент прохождения напряжения через наибольшее значе- ние.

Рис. 195.

Если бы активное сопротивление катушки было действительно равно нулю, то магнитный поток и, следовательно, ток пульсировали бы неопределенно долгое время, не меняя своих знаков, т. е. ток в цепи катушки был бы пульсирующим постоянного направления.

Намагничивающий ток i (так же, как и магнитный поток Ф) в рассматриваемом случае включения мы можем представить себе как бы сложенным из тока /у установившегося режима И постоянного тока г„, равного наибольшему значению установившегося тока г„ (рис. 195), т. е. при включении катушки на намагничивающий ток установившегося режима ij как бы накладывается постоянный ток t .

Наше предположение, что активное сопротивление катушки равно нулю, не

совпадает с действительностью. Наличие активного сопротивления быстро снижает постоянный ток г„ до нуля, вследствие чего ток включения постепенно переходит в ток установившегося состояния.

В том случае, когда катушка включается в промежуточный момент между наибольшим и нулевым значениями напряжения, кривая тока включения по виду своему занимает среднее положение между кривыми тока рассмотренных случаев включения.

На рис. 196 изображена кривая тока включения i в предположении, что включение произошло спустя период времени t после прохождения напряжения Vy через нуль, и что активное сопротивление катушки не равно нулю. Легко видеть, что ток включения в этом случае уже не является пульсирующим, постоянным по направлению, но он и не переменный симметричный ток установившегося режима. Этот ток мы можем рассматривать как результат сложения двух токов: тока установившегося режима, меняющегося по кривой iy, и тока постоянного по направлению, убывающего по кривой г„. Суммы ординат кривых и г„ дают ординаты кривой i. Величины токов iy и г„, а также время, в течение которого постоянный ток исчезает и ток включения переходит в установившийся ток, зависит от величины активного сопротивления катушки R и коэфициента самоиндукции L. Чтобы учесть количественную сторону явления, напишем равенство

Рис. 196.

в этом равенстве firf-энергия, подводимая к катушке; - энергия, теряемая на нагрев сопротивления Н\ -dt-энергия, накопляемая магнитным полем реактивной катушки.

Из написанного равенства получаем известное равенство электродвижущих сил

. , du

Интеграл этого равенства при постоянном значении L будет

i = - в J dt-\-Ce ;

здесь е - основание натуральных логарифмов, а С-постоянная.

Если напряжение v во времени не меняется, т. е. к цепи подведено напряжение источника постоянного тока, то, как следует из последнего равенства,

.= + сЛ.

Постоянная С определяется условиями начального момента. В момент = 0 ток 1 = 0; следовательно

Поэтому выражение для тока i получает вид

Это выражение показывает нам, что ток в цепи нарастает по экспоненциальной кривой (рис. 197) и что этот ток можно представить как равнодействующий из тока установившегося режима

; = и тока переходного режима = -е , исчезающего по экс-

поненциальной функции е . Мерою скорости исчезновения последнего тока служит отношение = Г, называемое постоянной

времени; обратное отношение ~ называется коэфициентом затухания.

Если напряжение v во времени меняется по синусоиде, например, v=V s\na>t-\-a, где V - амплитуда, а \/ sin а - напряжение в момент замыкания цепи, то для тока i получится выражение

Здесь ® - угол сдвига фаз между током и напряжением, вызванный постоянными обмотки трансформатора, причем tg = , или

? = arctg

Так как в момент включения, т. е. при = 0, ток i = 0, то

Sin(<p - а).

Легко видеть, что в данном случае ток i является равнодействующим двух токов: во-первых, тока установившегося режима

/ =

sin (ш^ -(- а -! ),

который отстает от напряжения V на угол, равный ® = arctgco Т, и, во-вторых, тока переходного режима

1 г t

е г sin (<? - ),

-f ш L

К^оторый с течением времени постепенно уменьшается до нуля. Наибольшая величина этого тока, именно

Рис. 197

имеет место при условии существования, во-первых, равенства

е =1,

что будет, например, при /? = 0, и, во-вторых, равенства

sin ( - ) = 1,

что будет при а = О, т. е. в случае, когда l/ sina = 0, когда, следовательно, цепь включается в момент перехода напряжения через нуль.

Действительный трансформатор, включаемый на первичную сеть вхолостую, Отличается от рассмотренной реактивной катушки тем, что он обладает весьма большим коэфициентом самоиндукции и имеет железный сердечник. Наличие же железа в значительной мере увеличивает ток включения. В самом деле, пусть включение произошло в момент прохождения напряжения через нуль. Магнитный поток должен увеличиться в этом случае до двойного своего значения установившегося режима. Следовательно, должна удвоиться индукция в железе, что приведет к сильному насыщению его и большому магнитному сопротивлению. Последнее обстоятельство имеет следствием чрезмерное возрастание намагничивающего тока включения.

у современных трансформаторов, в особенности с искусственным охлаждением, магнитная цепь берется с большим насыщением, и потому броски тока при включении должны быть большими. Осциллограммы токов включения современных трансформаторов показывают, что броски тока превосходят амплитуду нормального намагничивающего тока раз в 100-120. Так как нормальный намагничивающий ток составляет 5-10/о нормального тока нагрузки, то броски тока при включении могут превосходить нормальный ток нагрузки в 8-12 раз. Такие токи опасны для приборов, включенные в цепь трансформатора, и нежелательны для сети, к которой подключается трансформатор. Нежелательны они и для самого трансформатора из-за тех механических усилий, которые получаются между катушками обмотки. В силу кратковременности эти токи не опасны в тепловом отношении.

Чтобы иллюстрировать сказанное о включении трансформатора, на рис. 198 приведены осциллограммы токов включения одного

мапряже/*с/е

/00А

fOOOOl

Рис. 198.

трансформатора, причем первая осциллограмма отвечает случаю включения при переходе напряжения через наибольшее значение, т. е. через амплитуду его, а вторая осциллограмма-случаю включения при переходе через нуль.

С целью ослабить ток включения применяют рубильники с так называемыми предварительными контактами, с помощью которых в первый момент в цепь трансформатора вводится большое сопротивление, замыкаемое накоротко при дальнейшем движении ножа рубильника.

Кроме явления неустановившегося тока, при включении трансформатора имеют место явления неустановившегося напряжения, которые часто ведут к чрезмерному повышению напряжения между соседними витками обмотки и между зажимами трансформатора. Причина этих явлений лежит в свободных колебаниях, возникающих в цепи, состоящей или из емкости линии и самоиндукции самого трансформатора, когда последний включается с подключенной к линии вторичною обмоткою, или из емкости самого трансформатора и его же самоиндукции, когда включается одна обмотка высшего напряжения, имеющая довольно большую емкость. Мате-220

матическим анализом свободных колебаний нетрудно показать, что эти колебания можно рассматривать как равнодействующие бегущих волн с крутым фронтом, перемещающихся по цепи в противоположные стороны с весьма большой скоростью, причем взаимный сдвиг их и высота фронта зависят от того, в какой момент изменения напряжения включается трансформатор. Бегущая волна, перемещаясь по обмотке трансформатора дает между витком, над которым в данный момент расположился фронт волны, и следующим за ним витком напряжение, значительно превосходящее то напряжение, которое имеется между витками при установившемся состоянии. Если включение трансформатора происходит в момент перехода напряжения сети через наибольшее значение (амплитуду), то высота фронта волны, а следовательно, и напряжение между соседними витками может достигнуть величины амплитуды напряжения сети, т. е. в десятки раз превосходить нормальное напряжение между витками, равное -, где w - число витков обмотки.

Для трансформаторов низкого напряжения, у которых запас диэлектрической прочности изоляции велик в сравнении с обслуживаемым напряжением, такое перенапряжение между витками неопасно; с)но опасно для трансформаторов высокого напряжения, у которых изоляция работает ближе к пробивному напряжению. Средством борьбы с пробоями от местных перенапряжений является усиление й^золяции первых витков обмотки и включение перед обмоткою реактивной катушки.

Кроме местного перенапряжения, бегущие волны при благоприятных к тому условиях включения могут дать перенапряжение и на зажимах обмотки, достигающее двойной величины нормального напряжения.

§ 96. Явления при выключении трансформатора.

Явления при выключении трансформатора во многом зависят от условий разрыва цепи, а именно: от состояния и рода контактов включателя, от скорости разрыва цепи, от среды, в которой происходит разрыв цепи, и т. д.

Время исчезновения тока в цепи зависит не только от скорости расхождения контактов выключателя, но и от скорости, с какою гаснет вольтова дуга, образующаяся между расходящимися контактами. У плохо сконструированных выключателей после фактического разрыва цепи ток в ней поддерживается еще несколько периодов через вольтову дугу. Наличие же вольтовой дуги, вызывающей свободные колебания, может привести к значительн0111у перенапряжению у трансформаторов высокого напряжения, емкость обмоток которых довольно велика. Однако и в том случае, когда выключение не сопровождается заметной вольтовой дугой, например у масляных выключателей, может получиться у обмотки большое перенапряжение, на этот раз вследствие быстрого убывания тока, т. е. вследствие значительно превосходящей нормальную

величину отношения быстро убывающее поле индуктирует

г

в этом случае большое напряжение в обмотке трансформатора.

Опасные перенапряжения возникают в трансформаторе и тогда, когда он, будучи присоединен к одному лишь генератору (а не к шинам станции), сразу будет выключен при полной нагрузке со стороны высокого напряжения, т. е. со стороны вторичной цепи. Дело в том, что современные трансформаторы и при нормальном для них напряжении работают с довольно сильным насыщением; если же это напряжение значительно повысится, как это имеет место в данном случае при сбрасывании нагрузки с генератора, в особенности турбогенератора с его почти прямолинейной кривой намагничения, то насыщенность магнитной цепи трансформатора возрастет в весьма большой степени, а это поведет к сильному искажению кривой намагничивающего тока, т. е. к появлению в ней высших гармоник. Эти гармоники вызовут в цепи генератора и трансформатора колебания всевозможных частот, вплоть до наивысших, которые в значительной степени могут повысить амплитуду напряжения, т. е. вызвать перенапряжение на зажимах обмоток трансформатора. Кроме того вследствие высокой частоты могут возникнуть в обмотке местные колебания, влекущие за собою порчу изоляции между витками.

Перенапряжение у обмотки трансформатора появляется также при выключении длинной линии или кабеля без нагрузки. Оно является следствием вторичного включения линии, происходящего через повторно появляющуюся вольтову дугу между разошедшимися уже контактами выключателя. Это вторичное зажигание дуги объясняется следующим образом. При выключении линии в момент прохождения тока через нуль, - а в этот именно момент и выключают обычно масляные выключатели,-напряжение как раз проходит через амплитуду его (ибо нагрузка длинной линии - почти емкостная); это напряжение и останется на отключенных концах линии в качестве зарядного напряжения. Напряжение же обмотки трансформатора будет продолжать меняться по синусоиде. Через полпериода между контактами выключателя со стороны трансформатора и контактами выключателя со стороны линии будет действовать двойное нормальное напряжение, которое может вызвать вольтову дугу и как бы вторичное включение линии, но уже при двойном напряжении. Это включение линии даст бегущие в противоположные стороны волны с фронтом двойной, по сравнению с нормальным включением, высоты, а следовательно, и опасные перенапряжения как для линии, так и для трансформатора. При плохом устройстве контактов или при медленном выключении повторное загорание дуги может иметь место несколько раз.

Несовершенство выключателя, а именно неодновременное включение всех фаз, порча одного из контактов его или обрыв одной

Рис. 199.

или двух фаз линии-также могут дать перенапряжение у транс форматора, находящегося на конце линии. В самом деле, если одна линия будет разомкнута, то из самоиндукции трансформатора, емкости этой разомкнутой линии и последовательно с нею соединенной емкости остальной части линии (рис. 199) образуется цепь, в которой могут возникнуть свободные колебания той же частоты^ что и частота питающего тока. Результатом этого в цепи появится резонанс напряжений, а следовательно, и перенапряжение обмотки трансформатора, доходящее до большой величины.

§ 97. Явления при внезапном коротком замыкании Трансформатора.

Под внезапным коротким замыканием трансформатора подразумевается быстрое замыкание вторичной обмотки накоротко при при условии, что первичная обмотка находится под нормальным напряжением. Всякое внезапное короткое замыкание через некоторый весьма короткий промежуток времени переходит в установившееся короткое замыкание, при котором ток остается

постоянным и равным -~, где

V, - первичное напряжение, а - полное сопротивление обмоток трансформатора. В переходный период ток трансформатора может быть значительно больше тока установившегося короткого замыкания. Начальная сила тока внезапного короткого замыкания зависит от момента короткого замыкания. Предположим, что короткое замыкание происходит в момент перехода электродвижущей силы обмотки через наибольшее значение, когда главный магнитный поток трансформатора проходит через нулевое значение. В таком случае ток в обмотках получает сразу же то значение, которое он имеет при длительном коротком замыкании и при нормальном первичном напряжении. Картина изменения потоков трансформатора для данного случая короткого замыкания изображена на рис. 200. На рисунке кривая 1 дает изменение электродвижущей силы первичной обмотки Е, кривая 2 дает изменение главного потока Ф при нормальной работе трансформатора, кривая S дает изменение потока в сердечнике Ф^ при длительном коротком замыкании, и кривая 4 дает изменение потока рассеяния Ф^ вторичной обмотки.

Рассматривая явления длительного короткого замыкания при условии, что активные сопротивления обмотки равны нулю, мы видели: 1) что поток в сердечнике Ф^ при длительном коротком замыкании можно считать равным потоку рассеяния вторичной обмотки siy 2) что по фазе эти потоки взаимно противоположны,

Рис. 200.