ПРОФ. МИЛАН ВИДМАР
ЭКСПЛОАТАЦИЯ
ТРАНСФОРМАТОРОВ
ПЕРЕВОД С НЕМЕЦКОГО
инженера - электрика
И. Б. МАНДЕЛЬШТАМА
126 рисунков в тексте
„КНИГА"
ЛЕНИНГРАД-МОСКВА
1929
MILAN VIDMAR
Der Transformator
im Betrieb
Ленинградский Областлцт № 18029.
Тираж 3.500 экэ. 251!} л.
2-я типография Транспечати НКПС.—Ленинград. Улица Правды, 15.
ПРЕДИСЛОВИЕ.
Предлагаемая книга была задумана мною, как второе изда-
ние моего сочинения „Moderne Transformatorenfragen", появив-
шегося в 1915 г. Но оказалась она чем-то совсем иным. Две-
надцать лет—это большой срок для инженера.
В сочинении я Moderne Transformatorenfragen" я рассмотрел
несколько важных проблем, касающихся конструкции транс-
форматоров, совсем при этом не имея в виду какого-либо опре-
деленного круга читателей. Затем появился в свет мой боль-
шой труд „Die Transformatoren“, где я имел возможность изло-
жить все, что думал, о конструкции трансформаторов.
Этот труд дожил до второго издания. При его переработке
я пришел к заключению, что одним учением о конструкции не
может быть исчерпана та или иная техническая область. Я за-
мечал, конечно, что технические книги пишутся преимуще-
ственно для конструктора, но убедился, что существует значи-
тельная группа важных проблем, которые конструктор один
разрешить не может.
Машина не только строится, она и эксплоатируется. Одно
дело—проектирование, другое — эксплоатация. Эксплоатация
изъявляет желания и ставит требования, проектирование при-
нимает во внимание осуществимые—и должно отклонять вред-
ные требования. Между конструктором и инженером-производ-
ственником расхождение во взглядах непредотвратимо. Споры
эти нужно решать деловым, а не чисто коммерческим образом.
Дело не ограничивается тем, что трансформатор покупают,
пускают в работу и затем забывают. Эксплоатация приносит
с собою много нового. Ее случайности неожиданны, ее потреб-
ности притязательны. Трансформатор живет и, поэтому, должен
бороться.
1*
4
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Совершенно ясно, что инженер-производственник должен
знать о трансформаторе больше того, что указано на его щитке.
Он должен использовать свою машину. Конструктор при проек-
тировании имеет в виду худший случай, так как не может
знать, что будет. Инженер-производственник управляет своей
машиной, он знает, в каких она находится условиях, и должен
поэтому знать, что может он предпринять.
Группа проблем, которые выдвигает эксплоатация и кото-
рые делают необходимым соглашение между производствен-
ником и конструктором, образует учение об эксплоатации транс-
форматора. Учение о конструкции и учение об эксплоатации
лишь сообща господствуют над определенной областью машино-
строения. В этом смысле предлагаемая книга сделалась допол-
нением к моему труду „Die Transformatoren“, а не только вто-
рым изданием книги „Moderne Transformatorenfragen".
Я более чем уверен, что учение об эксплоатации придется
построить и для других областей электротехники. То, что между
конструктором и инженером-производственником посредствую-
щим звеном является лишь коммерческая служба,—это нетер-
пимое положение. Коммерческая служба не знает ни конструк-
ции, ни эксплоатации. Вина за ошибки возлагается либо на
конструктора, либо на заведующего эксплоатацией. На деле
виноваты они оба тем, что не сговариваются между собою не-
посредственно.
В подавляющем большинстве случаев конструктор является
козлом отпущения. Всякий дефект эксплоатации ставится ему
в вину. Всякое непонимание, всякое упущение заведующего
эксплоатацией приписываются недостаткам конструкции. Кон-
структор отсутствует и поэтому защититься не может.
Трансформаторостроение имеет свою внешнюю политику.
В частности, ему много приходится иметь дела с аппарате-
строением. Опасное давление производится именно с этой сто-
роны. Аппаратостроение перелагает ответственность на транс-
форматоростроение, в настоящее время—ответственность, не-
сомненно, чрезмерную. Учение об эксплоатации должно показать,
чего, в сущности, можно требовать от трансформатора.
Мне, как эксперту, много раз представлялась возможность
наблюдать тяжкие, подчас невероятные случаи неправильных
ПРЕДИСЛОВИЕ
5
устройств. Конструктору надо заглядывать в область эксплоа-
тации, чтобы понаблюдать свои трансформаторы и с другой
стороны. Эту другую сторону описывает учение об эксплоа-
тации. Поистине мы видим только проекции вещей, а не самые
вещи. Строительная проекция должна быть восполнена эксплоа-
тационной.
Несколько лет эксплоатационной практики после чуть ли
не двадцатилетней конструкторской деятельности внушили мне
смелость построить учение об эксплоатации трансформатора.
В настоящей своей форме оно, несомненно, еще не имеет
исчерпывающего характера. Но как бы то ни было — это
начало.
В книге рассматривается сперва вопрос о цене и коэффи-
циенте полезного действия силового трансформатора. Эта пер-
вая глава, в большей своей части взятая из книги „Moderne
Transformatorenfragen", выясняет важнейшие экономические
вопросы, связанные с эксплоатацией трансформаторов. Не-
смотря на свою простоту и ясность или, правильнее говоря,
благодаря им, эта глава может оказаться полезной инженеру-
производственнику при рассмотрении сделанных ему предло-
жений на трансформаторы.
Осветительному трансформатору посвящена вторая глава.
В ней рассмотрено множество эксплоатационных вопросов,
как-то: перегружаемость при чисто световой нагрузке, подраз-
деление потерь, экономичность. В главе этой отчетливо вы-
ступают крупные различия между осветительным и силовым
трансформатором.
Проблемы соединений образуют третью главу. Главным
образом, разумеется, пришлось рассмотреть схемы осветитель-
ные—соединения треугольником и зигзагом. Важное для эксплоа-
тации, в случае повреждения одной из фаз, V - образное сое-
динение также изучено исчерпывающим образом.
Четвертая глава изучает проблему сверхтоков. Выключение
автомата с выдержкой времени должно быть сообразовано со
свойствами трансформатора, в связи с чем пришлось исследо-
вать пожарную опасность. Нельзя было также обойти внима-
нием короткое замыкание с его электрическими и механическими
опасностями. Ток включения тоже рассмотрен в этой главе.
6
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В пятой главе подробно разработаны вопросы защиты от
перенапряжений. Особенно много места пришлось уделить за-
щитной дроссельной катушке.
В шестой главе изучены вопросы охлаждения в том объеме»
в каком они должны быть известны эксплоатирующему транс-
форматор инженеру. В частности» понадобилось разрешить
проблему трансформаторной камеры, так как она имеет совер-
шенно особое значение для жизнеспособности трансформатора.
Последняя глава посвящена мелким эксплоатационным про-
блемам, среди которых важнейшею, конечно, является проблема
параллельной работы. Тут же рассмотрен консерватор масла
и описаны измерения у находящегося в работе трансфор-
матора.
После двадцатилетий деятельности я этой книгою как бы
подвожу итоги и все же она одновременно является и некиим
началом. Я чувствую ошибки, которые должен буду исправить,
но не вижу их. Несмотря на многолетний труд в этой области,
я постоянно убеждаюсь, что исчерпать не могу ни заблужде-
ний, ни истин.
Я имел мужество насадить новую ветвь в теории машин,
я должен был найти в себе мужество предложить товарищам по
специальности новое учение об эксплоатации. Я рассчитываю,
что они примут в соображение все трудности такого начинания
и надеюсь исправить недочеты во втором издании.
М. Видмар.
Любляна, 17 января 1927 г.
ВВЕДЕНИЕ.
1. Эксплоатационные проблемы. Обзор главнейших проблем
учения об эксплоатации.
Сооружение трансформаторов представляет в настоящее
время весьма обширное поле деятельности; его проблемы и
тонкости всецело поглощают специалиста-конструктора. Инже-
нер - производственник, хотя он все время соприкасается
с трансформаторами, не имеет ни возможности, ни надобности
знать углубленно эту область машиностроения. Но существуют
проблемы, — эксплоатационные проблемы трансформаторострое-
ния, — которыми инженер - производственник должен зани-
маться непременно. Трансформатор для него не есть нечто
заранее данное со всеми его свойствами и особенностями, и
совсем он не должен их принимать, как нечто непреложное.
Он может и должен выражать пожелания, ставить требования,
а конструктор должен с ними считаться.
В действительности не так-то легко выбрать надлежащий
трансформатор для конкретного эксплоатационного случая.
И не так-то просто установить, какое из сделанных предложений
на трансформаторы лучше остальных. Правильно обращаться
с трансформаторами в работе — тоже гораздо труднее, чем
принято думать.
В силу экономических соображений инженер - производ-
ственник стал оказывать за последние годы большое влияние
на развитие трансформаторостроения. Все чаще сидит он за
столом конструктора, договариваясь с ним. Но не всегда
договаривающиеся стороны обнаруживают полное взаимное
понимание в отношении трудностей и потребностей. Слишком
часто конструктор неосновательно идет на уступки во вред
электрическому хозяйству.
8 ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Если предположить, что инженер - производственник дей-
ствительно знает трансформатор, что он ясно понимает физи-
ческие явления, происходящие при его работе, то надо думать,
что он, кроме того, следит за развитием трансформаторострое-
ния и что он, прежде всего, уясняет себе экономико-конструк-
тивные проблемы трансформатора.
Нельзя легкомысленно все сводить к тому требованию,
чтобы при наименьших затратах достигнута была наилучшая
конструкция. Самый дешевый трансформатор, даже построенный
безупречно, вызывает не наименьшие эксплоатационные расходы.
Конструкция с наибольшим коэффициентом полезного дей-
ствия—это не наилучшая конструкция. Положение вещей не так
просто.
Разумеется, инженер - производственник, который должен
купить трансформатор, не перестает настаивать на удешевлении
конструкции. Но он должен знать, к чему это приводит. Он
должен иметь представление о том, какими способами вообще
удешевляются конструкции. Каждое достижение требует жертв;
нужно знать и эти жертвы.
Инженер - производственник настаивает также на незначи-
тельных потерях — особенно на сокращении потерь холостого
хода. Он, правда, знает приблизительно, что и тут необходимы
жертвы. Но знает ли он их точно? Правильно ли их оценивает?
Понимает ли, чего он требует от конструктора?
Итак, проблем существует множество. Эксплоатация их
ставит, решать их должен конструктор. Они относятся к той
пограничной области трансформаторостроения, к которой не
должен оставаться равнодушен инженер - производственник.
Они требуют от него пристального внимания и тщательного
изучения.
В сущности, нельзя не удивляться тому, что в настоящее
время, после десятилетней, основательной, беспримерно успеш-
ной работы в трансформаторостроении, проблемы эксплоата-
ционные все еще разъяснены весьма неудовлетворительно.
Конструктор давно уже разрабатывает тонкости, борется за
дробные доли процента, а инженер - производственник все
еще расточает значительные ценности. Какой смысл сберегать
мелочи на конструкции, если при установке трансформатора
ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
9
бесполезно расходуются материал и энергия? Какой смысл
считаться с каждым грошем при изучении предложений на
трансформаторы, если небрежно выбраны их типы?
Тут на помощь должно прийти учение об эксплоатации
трансформатора. Задачи этого учения точно предустановлены,
расчленить его легко. Ясно, что оно прежде всего должно
заняться вопросом о стоимости изготовления и коэффициенте
полезного действия трансформатора; в первую очередь оно
должно выяснить взаимную зависимость цены трансформатора
и электрической доброкачественности.
Далее, оно должно точнее показать, во что обходится транс-
формация. Кроме первоначальных затрат, нужно ведь еще нести
расходы, обусловленные потерями энергии в трансформаторе.
При этом сразу выясняется, что с экономической точки зрения
приходится порою различным образом относиться к расходам
холостого хода и расходам в меди.
Проблема потерь холостого хода является, пожалуй, важ-
нейшею и труднейшею в учении об эксплоатации трансфор-
маторов. В рамках нашего исследования ей необходимо уделить
достаточно большое место. Конструктора и производственника
она интересует в равной мере.
Из указанного порядка проблем сама собою вырастает
проблема осветительного трансформатора. С нею связаны
важные вопросы отвода теплоты; кроме того, при рассмотре-
нии осветительного трансформатора должны быть попутно
упомянуты чисто электрические, отчасти давно выясненные
подробности, потому что они важны для инженера - производ-
ственника.
Проблемы напряжения и перенапряжения образуют даль-
нейшую главу учения об эксплоатации трансформаторов, среди
чисто электрических — несомненно главнейшую. Отчасти они
уже совершенно выходят за пределы учения о конструкции
трансформатора. Тем более уместно их рассмотрение в учении
об его эксплоатации.
Важная проблема отвода тепла принадлежит не только
к учению о конструкции, но и к учению об эксплоатации
трансформатора. Вопросами этими вынуждают заниматься инже-
нера-производственника— в частности и особенно — крупные
IO	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
трансформаторы. Приходится выбирать между их естественным
и искусственным охлаждением. О преимуществах и недостатках
различных охлаждающих устройств покупатель должен быть
осведомлен точно. Но и эксплоатация меньших трансформа-
торов ставит вопрос об отводе тепла. Придание правильных
размеров трансформаторной камере является ярко выраженной
эксплоатационной проблемой.
Если в заключение, в виде последней эксплоатационной
проблемы, поставить вопрос о возможных электрических изме-
рениях во время работы и при этом научить инженера-производ-
ственника иметь постоянный надзор за работающим трансфор-
матором, то тем самым учение об эксплоатации трансформатора
можно считать вчерне построенным.
I.	ЦЕНА И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
ТРАНСФОРМАТОРА.
2.	Цена трансформатора.
Мы не перестаем искать путей и средств к удешевлению
трансформации электрической энергии. Эта важная для инже-
нера-производственника проблема отчасти относится к области
конструкции трансформаторов. Оплата процентами и погашение
вложенного в трансформатор капитала образует немалую часть
общих накладных расходов трансформации. Конструктор должен,
поэтому, стремиться к удешевлению своих конструкций.
Если, таким образом, проблема цены трансформатора обра-
зует важную связь между интересами инженера-производ-
ственника и конструктора, то для трансформаторостроения не
только в этом заключается ее значение. Проблема цены — это
вечно действующая сила, стимулирующая прогресс. Это неис-
черпаемая проблема, воскресающая постоянно, какие бы удачные
решения ни находить для нее.
Сопоставление цен, без которого работать невозможно,
нужно, разумеется, производить на твердой основе. И уже тут
начинаются разногласия между инженером * производствен-
ником и конструктором. Первого интересуют первоначальные
затраты, отнесенные к одному киловатту трансформаторной
мощности, и если бы с ним согласиться, то нужно было бы
избрать эту именно основу для сравнения цен. Но при таком
масштабе не учитывается вообще величина машины, сосредо-
точение мощности. Просто преобразование большей или меньшей
мощности в одном трансформаторе считается конструктивным
мерилом, способным при известных обстоятельствах привести
к понижению первоначальных затрат.
Конструктор должен настаивать на том, чтобы сопоста-
влялись только равновеликие трансформаторы. Он может и
12
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
должен доказать, что отнесенная к мощности цена, что перво-
начальные затраты на один киловатт трансформаторной мощ-
ности зависят от самой мощности.
Учение об эксплоатации должно сделать еще один шаг
вперед. Оно должно выяснить, как изменяется цена трансфор-
матора, приходящаяся на один киловатт его мощности, по мере
роста мощности. И вправду, прежде всего, тогда лишь можно
правильно сравнивать друг с другом трансформаторы различной
величины. Кроме того, тогда только можно решить важную
практическую дилемму, возникающую при сооружении каждой
новой трансформаторной установки: сосредоточить ли требую-
щуюся мощность в одном трансформаторе или распределить
ее между несколькими малыми.
В пользу установки одного трансформатора для требую-
щейся мощности говорит, прежде всего, возможность сберечь
место. Слишком часто это обстоятельство решает вопрос.
Слишком часто с трудом удается найти место и для одного
трансформатора, пристроить же лишнюю трансформаторную
камеру невозможно.
Против одного трансформатора говорит множество эксплоа-
тационных соображений. Чтобы обеспечить непрерывность
работы, нужно иметь если не полный резерв, то хоть резерв
в половинном размере. Считаясь с изменением нагрузки, жела-
тельно бывает подразделить максимальную мощность, чтобы
по возможности всегда происходили только действительно
неизбежные потери холостого хода. Особенно же бывает необ-
ходимо в установках смешанного типа отвести для световой
нагрузки отдельный осветительный трансформатор.
Вопрос о резерве имел глубокое влияние на трансфор-
маторостроение. Он привел к тому, что американцы предпо-
читают однофазный тип трехфазному. Небесполезно немного
задержаться на этом обстоятельстве.
Существуют трансформаторные подстанции, для которых
надежная работа есть непременное условие. Линии дальней
передачи для электроснабжения городов должны кончаться
в подстанциях, обладающих полным трансформаторным резер-
вом. Но вопрос о полном резерве непосредственно отнюдь
не стоит в связи с вопросом о подразделении мощности. Если
ЦЕНА ТРАНСФОРМАТОРА
И
рядом с большим трансформатором, преобразующим полную
мощность электропередачи, установить равновеликий резервный
трансформатор, то проблема подразделения мощности остается
незатронутой. Но это только с виду так.
Американская практика считается с тем, что из трех одно-
фазных трансформаторов, образующих один трехфазный, какой-
нибудь один может выйти из строя. Она, поэтому, добавляет
к трем однофазным трансформаторам четвертый в качестве
резерва. В Европе, в качестве резерва, надо установить второй
трехфазный трансформатор для полной мощности. Что дешевле?
Вопрос, разделить ли полную мощность на три однофазные
мощности, чтобы легче получить резерв, несомненно, является
вопросом подразделения мощности.
В очень многих случаях довольствуются половинным резервом
и получают его легко, установив два трансформатора поло-
винной мощности вместо одного трансформатора полной
мощности. То соображение, что авария парализует в одном
случае всю работу, а в другом — только половину ее, очень
часто побуждает строителя подразделять мощность.
Подразделение мощности бесспорно уместно в тех случаях,
когда район электроснабжения расширяется лишь постепенно,
когда проходят годы, прежде чем трансформаторная подстанция
достигает предустановленной максимальной мощности. Тогда
заранее подготовленные на подстанции камеры лишь мало-по-
малу заполняются трансформаторами, пока, в конце-концов^
не возникает картина подразделенной мощности.
Осветительные трансформаторы нужно иметь наряду с сило-
выми по самым различным причинам. Ток для освещения дорог
и требует, поэтому, особого трансформатора, будучи покупаем
со стороны высокого напряжения. Далее, желательно ограждать
осветительную сеть от непосредственных толчков нагрузки.
Наконец, большой заводский трансформатор неумно держать
под напряжением в нерабочие часы для питания немногих
ламп.
Всеми этими соображениями еще не исчерпан вопрос, по-
длежит ли требующаяся мощность подразделению, установить ли
один или несколько трансформаторов. Нужно обратиться к циф-
рам. Нужно подсчитать, сколько стоит подразделение мощности.
м
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
3.	Зависимость цены от мощности. Законы роста.
Вообще говоря, крупный трансформатор решает проблему
цены. Смысл крупного трансформатора, — объяснение тенденции
к все большему сосредоточению мощности, — очень просто
можно представить в виде расчета.
Будем исходить от определенного трансформатора и увели-
чивать все его размеры в одном и том же отношении, сохраняя
электрические и магнитные на него воздействия, то есть плот-
ность тока в меди и плотность силовых линий в железе. Это
даст нам возможность достигать мало-по-малу все больших
мощностей. Произведение из электрического тока на магнитный
поток — произведение, которому пропорционально напряжение
трансформатора, — служит, как известно, мерою преобразуемой
мощности. Но каждый из этих двух потоков, в свою очередь,
равен произведению из его сечения на его плотность. В той
серии приборов, которую мы получим по указанному выше
способу, плотность тока и плотность силовых линий не изме-
няются, поэтому ток и поток будут расти пропорционально
квадрату, а мощность — пропорционально четвертой степени
линейных размеров трансформатора.
Не так быстро растет вес. Он ведь пропорционален только
кубу линейных размеров, так что, будучи отнесен к единице
мощности, вес, очевидно, будет уменьшаться по мере ее повы-
шения. Он убывает пропорционально корню четвертой степени
из мощности.
Но известно, что доля, приходящаяся на рабочую силу,
невелика по отношению к общим расходам на изготовление
трансформатора. Объясняется это преимущественно дорого-
визною работающего материала—меди и легированных желез-
ных листов. Таким образом, ошибка отнюдь не может быть
велика, если мы допустим, что цена трансформатора про-
порциональна его весу.
Это упрощение, в связи с изложенным выше соображением,
приводит нас к тому важному выводу, что цена трансформа-
тора растет пропорционально кубу линейных размеров и что,
следовательно, отнесенная к единице мощности цена, короче
говоря — цена киловатта, тем меньше, чем больше трансфор-
ЗАВИСИМОСТЬ ЦЕНЫ ОТ МОЩНОСТИ. ЗАКОНЫ РОСТА
15
матор. Она убывает пропорционально корню четвертой сте-
пени из мощности.
Сосредоточение мощности, как решение проблемы цены,
известно нам из других областей машиностроения. Крупное
машиностроение, сооружение крупных единиц — это та отрасль
техники, которая предъявляет наибольшие требования к твор-
ческому дару конструктора. Ошибочно думать, будто проблема
всецело решена установлением того обстоятельства, что боль-
шой трансформатор дешевле малого по отношению к единице
мощности. Наоборот, обстоятельство это только намечает для
нас путь, является решением одной только эксплоатационной
проблемы. Крупный трансформатор на деле ставит пред нами
все новые технические задачи, которые усложняются заодно
с ростом его мощности и становятся сильными препятствиями.
Часто уже конструкции наши перерастают наши условия и нам
с трудом удается сохранять господство над собственными на-
шими творениями.
В частности, необходимо здесь указать на вопрос об отводе
тепла, потому что он нарушает указанные выше законы роста.
Поверхность трансформатора, отдающая теплоту, растет, оче-
видно, пропорционально квадрату линейных размеров, а потери
в железе и в меди — пропорционально кубу, как и веса. Необ-
ходимость отводить теплоту становится, поэтому, все обреме-
нительнее по мере роста мощности, побуждает нас изменять
конструкцию, переходить от воздушного охлаждения к масля-
ному, от масляного — к водяному. Основываться на указанных
законах роста можно лишь до тех пор, пока не изменилась
охлаждающая среда. У силение охлаждения, надо заметить
делает обычно возможным повышение электромагнитных воз-
действий.
Итак, закону цены трансформатора можно придать очень
простую форму, в которой им легко пользоваться. Он гласит:
Цена на киловатт в определенной серии ти-
пов, при одном и том же способе охлаждения,
обратно пропорциональна корню четвертой
степени из мощности.
Мы можем, таким образом, очень легко изучить на числовом
примере эффект сосредоточения мощностей. Если, например,
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
l6
трансформатор в 100 к W с естественным охлаждением стоит
20 М)к W, то цена за к W типа мощностью 10 000 к W при том же
охлаждении составила бы всего лишь:
ао =6.3 M\kW.
4 / IOOOO
V IOO
Это, разумеется, означает чрезвычайное удешевление транс-
формации.
Наш числовой пример бросает яркий свет на проблему
цены; одновременно обнаруживаются большие преимущества,
которыми обладает этот способ расчета. Стоит, поэтому, при-
смотреться, вполне ли он надежен, одна ли только проблема
отвода тепла ограничивает серию типов.
Крупный трансформатор, если даже не говорить о затруд-
нениях, связанных с отводом тепла, не может, конечно, воз-
никнуть путем простого увеличения размеров. Как нам еще
неоднократно придется это видеть в дальнейшем, в опреде-
ленной серии типов все время смещается равновесие между
главными свойствами трансформатора, так что, например, втрое
увеличить 100 ZrJF-ный трансформатор значило бы получить
безусловно негодную конструкцию. Но необходимые внутрен-
ние изменения не затрагивают указанного закона по существу,
они остаются внутренними мероприятиями. Bo-вне, например,
безразлично, слабо ли или сильно подразделено медное кольцо,
охватывающее железный сердечник, только бы оно уместилось
в обмоточном пространстве. На вес меди, а значит и на цену,
это не влияет, хотя напряжение обмотки можно по этому спо-
собу изменять. Поэтому мы можем смотреть на эти простые
законы роста, и прежде всего — на закон цены, как на основу
учения об эксплоатации трансформатора. Они являются чрезвы-
чайно важным орудием расчета при дальнейших исследованиях.
4.	Примеры расчета.
Прежде всего поясним на нескольких числовых примерах те
выводы, к которым мы пришли.
Во-первых, в практическом смысле полезно будет, конечно,
показать, как может поступить инженер-производственник, когда
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА
17
он знает цену трансформатора определенной мощности и желает
рассчитать цену трансформатора другой мощности, но той же
конструкции.
Пусть, например, масляный трансформатор мощностью 100 kW
при верхнем напряжении 10000 И и 50 периодах стоит 2 000 ма-
рок. Сколько стоит трансформатор 400 ZrIF, 10000 V, 50 пе-
риодов?
Мощность растет пропорционально четвертой степени ли-
нейных размеров, вес, а значит и цена, — пропорционально
кубу их. Следовательно, цена должна расти пропорционально
3/4-степени мощности и, значит 400 £1Г-ный трансформатор
стоит
2000 • (?Э3/4 = 5640 маР°к
и весит в
1	= 2,82 раза
больше 100 £1Р-ного трансформатора.
Из трехфазного трансформатора, если убрать одну колонну
и соответственную часть ярма, можно сделать однофазный,
обладающий двумя третями трехфазной мощности и на одну
треть более дешевый, чем тот трехфаэный, из которого он
возник. Таким образом, однофазный трансформатор стоит в
2	/ 3	/4	/2 V/4
т iv раза
меньше равновеликого трехфаэного. И точно, мы знаем, что
при той же мощности однофазные типы дешевле трехфазных.
Этот результат позволяет нам сравнить американский транс-
форматорный резерв с европейским. С одной стороны, мы
имеем 4 однофазных трансформатора, каждый с мощностью,
равною V3 от полной, и с другой — два трехфазных трансфор-
матора, каждый для полной мощности. Первоначальные затраты
находятся, стало быть, в таком соотношении:
4-(-У/4
V з )	= о 8.
2.33''4
Эксплоатация трансформаторов.	2
i8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Американский резерв, несомненно, дешевле, но европейский
все же шире. За этой разницей в ценах скрывается ведь все
различие в мировоззрениях обеих стран.
Что стоит половинный резерв? Два трансформатора поло-
винной мощности дороже одного трансформатора полной
мощности в
2. (4")3/4: 1 = 2*/4 = М9 Раз>
т.-е. приблизительно на 20°/в. Кроме того, добавочные расходы
вызываются, конечно, увеличением трансформаторной подстан-
ции и оборудованием лишней трансформаторной камеры.
5.	Зависимость цены от потерь энергии в железе и в меди.
Крупный трансформатор, несмотря на свои преимущества,
представляет собою лишь условное решение проблемы, приме-
нимое в тех только случаях, когда большие количества энергии
поддаются концентрации. Более же важная проблема удеше-
вления трансформатора определенной мощности по существу
отнюдь не решается крупным трансформатором, который только
маскирует задачу. Нужно, поэтому, искать других путей, ко
торые бы привели нас к общим результатам.
Очевидно, абсолютного ответа на вопрос цены не суще-
ствует и здесь. Каждая новая конструкция, как бы она ни была
дешева, побуждает нас искать еще более дешевой. Но и здесь
существуют руководящие правила, которые нам приходится
считать собственно решением вопроса, и правила эти мы здесь
установим.
Как мы уже видели выше, трансформатор определенной
мощности прежде всего удешевляется, если требует меньше
работающего материала, меди или листового железа. Так как,
кроме того, значительное сбережение на рабочей силе неосуще-
ствимо, а несущая конструкция трансформатора играет лишь
несущественную роль, то понижение расходов на работающий
материал остается главною задачей. И в самом деле, основная
тенденция современного трансформаторостроения сводится
к тому, чтобы обойтись минимальным количеством меди и
железа.
ЗАВИСИМОСТЬ ЦЕНЫ ОТ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЖЕЛЕЗЕ И В МЕДИ IQ
Но вес затраченного работающего материала зависит от
многих факторов. Прежде всего ясно, что большое значение
имеет расположение железного и медного тела. Объем обоих
металлических колец, охватывающих друг друга, пропорцио-
нален весам и определяется произведением из сечения или FM
на длину кольца 1ж или 1м (рис. 1). В интересующей нас сумме
Fl +F I
М М I жж
предустановлены, правда, сечения тока FM и потока если
заданы их плотности и если затраченные количества меди и
железа находятся в правильном соотношении. Но длины 1ж и 1м
зависят только от геометрических форм. Они, очевидно, будут
тем меньше, чем меньше периферия сечения через каждое кольцо,
то есть чем компактнее размещены материалы. Таким образом,
первый, и простейший, принцип бережливости имеет чисто
геометрический характер. Он применим во всех тех случаях,
когда нет оснований стремиться к легко доступному для вен-
тиляции, подразделенному расположению материалов.
Однако, современная конструкторская тенденция заклю-
чается в том, чтобы части колец раздвигать, железное и медное
тела в меру возможного подразделять, вентиляционным каналам
придавать большие сечения, иными словами — она находится
в прямом противоречии с геометрической бережливостью.
Поэтому стремление к сокращению веса работающего мате-
20
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
риала должно быть приложено в каком-то другом месте, и за
отсутствием других возможностей обычно конструктор ста-
рается уменьшить сечения FM и FM.
Эта необходимость приводит нас к тому, чтобы выяснить
зависимость весов работающих меди и железа от электрома-
гнитных воздействий:
z, плотности тока (А/ла. км),
и В, плотности силовых линий (силовые линии/ка. см).
Всякое уменьшение сечения меди FM, очевидно, требует
увеличения плотности тока i. Подобным же образом уменьшение
сечения железа F* влечет за собою увеличение плотности сило-
вых линий В, если желательно сохранить прежнее значение
мощности, произведения тока и потока FM . i и F* . В. При чисто
геометрическом сбережении увеличивать плотность нет надоб-
ности, так как сечения тока и потока не изменяются.
Обе установленные нами возможности сбережения дорогих
материалов, — возможности, которые, несомненно, должны быть
известны инженеру-производственнику, — нельзя считать равно-
ценными, даже отвлекаясь от всех других соображений. Оче-
видно, что наиболее выгодное геометрическое расположение
ставит некоторый абсолютный предел дальнейшему геометри-
ческому сбережению. Удешевление же трансформатора путем
повышения плотностей тока и потока теоретически, да и пра-
ктически не имеет пределов. Изобретательность конструктора
не перестает усиливать плотность тока и потока и понижать
цену. Проблема, главным образом, сводится к использованию
материалов.
Величина электромагнитных нагрузок железа и меди, суще-
ственно влияющая, как мы видели, на цену трансформатора,
имеет, с другой стороны, определяющее значение для потерь
энергии в работающем материале, а тем самым и для коэф-
фициента полезного действия трансформатора. Обе проблемы —
цены и коэффициента полезного действия — оказываются, та-
ким образом, в тесной связи, так что их необходимо рассмо-
треть совместно.
Как известно, потери в меди пропорциональны весу GM (кг)
меди и квадрату плотности тока i. Приняв в расчет допусти-
ЗАВИСИМОСТЬ ЦЕНЫ ОТ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЖЕЛЕЗЕ И В МЕДИ 2 I
мое нагревание и добавочные потери, которых надо обычно
ждать, можно воспользоваться для практических случаев фор-
мулой
VM = 2,5 . GM . i2 ватт.	(1)
Для потерь в железе соответственный закон не столь точен,
если простоты ради и по аналогии считать потери в железе
пропорциональными весу GM (кг) железа и квадрату плотности
силовых линий В. Но если принять во внимание то обстоятель-
ство, что современные трансформаторы работают с большими
плотностями силовых линий, чем обусловлена преимущественная
роль потерь на токи Фуко, и что, кроме того, закон расчета
должен быть правилен только относительно небольшой области
этих плотностей, то формулу
K. = 1.8 GM. (Д)2ватт	(2)
можно признать безусловно достаточною для высоко легиро-
ванной жести при 50 периодах. Формула учитывает и доба-
вочные потери на токи Фуко, возникающие вследствие обра-
ботки листов.
Коротко говоря, потери энергии в трансформаторе можно,
таким образом, считать пропорциональными весу и квадрату
плотностей.
Следовательно, когда конструктор, ради удешевления кон-
струкции, обращается к единственному средству, неизменно
сулящему успех, и повышает плотность тока или плотность
силовых линий, то тем самым он изменяет и потери. Но сече-
ние железа при заданном магнитном потоке обратно пропор-
ционально плотности силовых линий, как и сечение медного
кольца пропорционально плотности тока, если в виду предпи-
санной мощности задано общее число ампер-витков обмотки.
Таким образом, если не удастся одновременно с сечениями
сократить соответственно и длины обоих металлических колец,—
а это чаще всего не удается, — то потери энергии возрастут.
Ухудшение современных трансформаторов, с точки зрения
электрического хозяйства, является, действительно, фактом
неоспоримым. Мы об этом стараемся в меру всех своих сил и
способностей. Мы строим трансформаторы так худо, как только
22
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
можем, и сдерживает нас в настоящее время почти исключи-
тельно проблема нагревания.
Необходимая связь между электрическим ухудшением и
понижением цены трансформатора создается проблемою коэф-
фициента полезного действия. Не всякое удешевление оправ-
дывается в эксплоатации, ибо преимущество понижения перво-
начальных затрат может быть порою уничтожено повышением
потерь энергии, тоже ведь стоящих не мало. Проблема коэф-
фициента полезного действия, поэтому, не только контроли-
рует конструктора. Это—подлинная эксплоатационная проблема,
и, только уразумев ее, инженер-производственник сможет занять
правильную позицию по отношению к вновь возникающим
конструкциям и правильно расценивать предложения на транс-
форматоры.
6.	Неестественный коэффициент полезного действия.
Обе формулы расчета—для потерь в железе и для потерь
в меди—должны здесь, в связи с ранее установленными зако-
нами роста, помочь инженеру-производственнику шире взгля-
нуть на определенную серию трансформаторов. В самом деле,
для потерь тоже можно установить простые законы роста.
Если в серии типов веса растут, как мы видели, пропор-
ционально 3/4’ной степени мощности, а электромагнитные на-
грузки остаются без изменения, то и потери растут пропор-
ционально 3/<-ной степени мощности. Стало быть, будучи от-
несены к единице мощности, потери убывают пропорционально
корню четвертой степени из мощности.
Обратимся снова к яркому примеру § 3 и допустим, что
в 100 &IF-HOM трансформаторе потери составляют 3,1%. Тогда
от 10000 £1У-ного типа нам придется ждать всего лишь
Зд- К-^7 = 10/« потерь’
Итак, крупный трансформатор означает прогресс в двояком
смысле: он в одинаковой мере дешевле в сооружении и дешевле
в эксплоатации. Это обстоятельство проливает свет на вопрос
крупного электрического хозяйства.
НЕЕСТЕСТВЕННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ 2$
Приведенные в § 4 примеры расчета можно распростра-
нить и на потери. Легко показать, что всякой разности в ценах
противостоит относительно одинаковая разность в потерях.
Поэтому все вычисленные разности в ценах имеют более общее
значение, так как одновременно они характерны и для эксплоа-
тационных накладных расходов, поскольку эти последние обу-
словлены потерями энергии.
Побочною, но и не лишенною значения проблемою для
инженера-производственника является вопрос о зависимости
цены трансформатора определенной конструкции от
коэффициента полезного действия, то есть случай так назы-
ваемого неестественного коэффициента полез-
ного действия. Дело в том, что нередко инженер-произ-
водственник предписывает коэффициент полезного действия,
разумеется—более высокий, нежели тот, который указывает
фирма в своем предложении. Более низкий для нее, очевидно,
совсем недостижим, разве, что она изобретет новое устрой-
ство для охлаждения.
Мы здесь прежде всего рассмотрим только вопрос о жела-
тельном понижении общих потерь. Он важен для силовых
трансформаторов. Вопрос о понижении одних только потерь
холостого хода мы сможем рассмотреть лишь впоследствии.
Конструктор, не желающий изменять свою разработанную
серию типов, с другой же стороны, в угоду заказчику, выну-
жденный уменьшить потери, имеет только один исход. Он, оче-
видно, должен дать такую конструкцию, которая, в сущности,
предназначена для большей мощности, и он понизит плотности
тока и потока.
Руководясь законами роста, легко показать, во что обхо-
дится улучшенный, неестественный для данной конструкции
коэффициент полезного действия. В серии трансформаторов,
как мы видели, веса и потери растут пропорционально 3/4-ной
степени мощности. Отнесенные к мощности, выраженные в про-
центах, потери убывают пропорционально корню четвертой сте-
пени из мощности и неестественный коэффициент пол. действия
возникает, стало быть, только при такой мощности, которая
находится к предписанной в отношении, обратном четвертым
степеням нормальных и желательных потерь.
24
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При таких условиях, если желательно, сохранив то же под-
разделение потерь, иметь высокий коэффициент пол. действия
непременно при малой предписанной мощности, то нужно обра-
титься к той большей конструкции, которая этим коэффициен-
том обладает нормально, разумеется—при установленной выше
мощности. Ибо, если понизить плотности тока и потока на-
столько, чтобы большой трансформатор давал только предпи-
санную малую мощность, то его коэффициент пол. действия
не изменится, потери уменьшатся пропорционально мощности»
но высокая цена останется прежнею и, так как цены двух
трансформаторов одной и той же серии, как мы видели, от-
носятся между собою, как 74"Hb,e степени мощностей, а мощ-
ности в данном случае находятся между собою в отношении,
обратном четвертым степеням потерь, то трансформатор с не-
естественно высоким коэффициентом пол. действия будет в том
же отношении дороже, в каком третья степень нормальных
потерь больше третьей степени желательных потерь.
Обратимся к помощи числового примера. Пусть нормаль-
ный lOO^lF-ный трансформатор обладает коэффициентом пол.
действия 97°/о и стоит 2000 марок. Если настаивать на том,
чтобы потери составляли не 3, а 2°/о, то на трансформатор
нужно ассигновать, поскольку нельзя перейти к другой кон-
струкции и не желательно изменять распределение потерь,
2000 .	= 6750 марок.
Итак, неестественный коэффициент пол. действия — это
вещь дорогая. Никому, конечно, не придет в голову пере-
платить такие деньги, как в нашем примере. Большая разница
в цене требует гораздо больших расходов на оплату процен-
тов и погашение излишнего капитала, чем можно сберечь на
киловатте потерь. Но этот яркий пример наводит нас еще на
одно соображение. Отчего на ухудшении коэффициента пол.
действия нельзя столько же выгадать в цене, сколько мы
теряем на его улучшении? Нельзя ли, при желании иметь не-
естественный коэффициент пол. действия, просто пройти по
обратному пути, связанному, конечно, с меньшею разницей
в ценах, и обратиться просто к более старой конструкции?
СТОИМОСТЬ ТРАНСФОРМАЦИИ. ОЦЕНКА ПРЕДЛ. НА ТРАНСФОРМ. 25
Ответить на оба эти вопроса нетрудно. Предпосылкою
каждого шага вперед, дающего возможность повысить потери,
является какое-нибудь новое решение проблемы нагревания,
новое изобретение. Таким образом увеличивается вложенная
в каждый килограмм нового трансформатора работа, как тех-
ническая, так и умственная. Во всей технике, в виде явления,
неизменно сопутствующего прогрессу, наблюдается вздорожа-
ние единицы веса, и оно отчасти компенсирует сбережение
материала. Поэтому повышение потерь, то есть повышенное
использование материала, не может повести к такой же раз-
нице в ценах, к какой ведет не стоящее труда расточение
материала.
Равным образом невозможно возвращение к более старой
конструкции, при которой желательный, лучший коэффициент
пол. действия достигается дешевле, чем при насильственно по-
лученном новом типе, хотя это было бы всего лишь регрессом.
Этот регресс потому невозможен, что прогресс не есть явле-
ние обратимое и что всякая конструкция, которой бы выгодно
было предпочесть старую, была бы тем самым признана не-
жизнеспособной.
7.	Стоимость трансформации. Оценка предложений на
трансформаторы.
Исследования, приведенные в предыдущих параграфах, ясно
показывают, что под давлением инженера-производственника,
желающего дешево покупать трансформаторы,—под давлением,
естественно вызывающим конкуренцию фирм,—коэффициент
пол. действия трансформации не перестает понижаться. Едино-
временный расход на приобретение трансформатора становится
все меньше, но постоянные расходы на энергию, потребляемую
самим трансформатором, растут.
Таков естественный и неизбежный, как мы видели, процесс
развития. Он должен был неминуемо начаться с того времени,
когда конструктивно и технологически изготовление трансфор-
маторов достигло полной зрелости. Но он требует постоянного
надзора, он не должен требовать больше, чем он дает, он таит
в себе опасности, подлежащие исследованию. Им должно по-
26
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
дробно заняться учение об эксплоатации. Инженер-производ-
ственник должен искать уже не дешевого, хорошего трансфор-
матора, а хорошей, дешевой трансформации.
Экономическая картина очень проста и очень ясна. Транс-
форматорная подстанция обходится в некоторую сумму, из
которой нас интересует здесь только покупная цена трансфор-
матора Р (рублей). Регулярная эксплоатация должна иметь
в виду определенную ставку для погашения и оплаты процен-
тами этого капитала. Купленный трансформатор вызывает,
таким образом, постоянные эксплоатационные расходы, соста-
вляющие в год
и Р
—— рублей,
IOO
если решено считать эту ставку равною рь.
Это еще не все накладные расходы, вызываемые трансфор-
матором. В работе он все время потребляет энергию, которую
нужно производить и которую при известных обстоятельствах
можно было бы продавать, при чем во многих случаях платить
за нее приходится столько же, сколько за полезно израсходо-
ванную работу. Если потери трансформатора составляют V ки-
ловатт, и если киловатт-год стоит Ь рублей, то по вине транс-
форматора на такую трансформацию ложатся в год накладные
эксплоатационные расходы в размере
b. V рублей.
Общие накладные расходы составляют тогда в год
и= + b. V рублей.
Пример. Небольшой завод регулярно потребляет 100 k W
в течение 8 часов и покупает их со стороны высокого напря-
жения по цене 10 коп. за kWh. Трансформатор приобретен за
2000 рублей, потери его составляют 3%.
Если положить на оплату и погашение капитала 12,5°/0 и
работать 300 дней в год, то прежде всего
12,5°/о
Ь = 8.300.0,1 = 240 рублей за киловатт-год.
СТОИМОСТЬ ТРАНСФОРМАЦИИ. ОЦЕНКА ПРЕДЛ. НА ТРАНСФОРМ. 27
Ежегодные общие накладные расходы составляют, следо-
вательно,
U= I2,5io^g—1-240.3 = 250 4- 720 = 970 рублей.
Числа в примере, отнюдь не далекие от истины, подобраны
так, что из них ясно видно, как велико значение потерь на-
ряду со значением первоначальных затрат и как, поэтому,
легкомысленно судить о трансформаторе по одной только его
покупной цене.
Приведенный расчет, помимо того, дает инженеру-произ-
водственнику полную возможность,—речь покамест идет, правда,
только о силовом трансформаторе,—правильно купить транс-
форматор. Имеет ли какой-нибудь смысл тщательно исследо-
вать, какой из предложенных трансформаторов тяжелее? Если
на одну из конструкций ушло больше меди, то не все ли это
равно? Пусть даже через 15 лет у вас будет немного больше
старой меди, зато, быть может, вы будете в течение 15 лет
переплачивать на больших потерях.
Пример, Пусть указанному выше заводу сделаны два пред-
ложения на требующийся трансформатор в 100 к W, Одна
фирма предлагает его за 2 000 рублей при 3°/0 потерь, дру-
гая—за 1 800 рублей при 3,2°/0 потерь. Можно ли, не долго
думая, предпочесть „более дешевый" трансформатор?
Имеем:
Л = 2000 рублей	Vi = 3 kW
Ру = 1800 рублей	Vy = 3,2 kW,
4
Следовательно:
Ui = -,51Оо°00 +240.3 = 250 + 720 = 970 рублей,
U2 = 11,51Оо800 + 240 • 3>2 = 225 + 768 = 993 РУбля«
так что .более дешевый" трансформатор, несомненно, дороже.
В предыдущих примерах значение потерь в трансформаторе
резко подчеркнуто. Для выяснения рассмотренной эксплоата-
28
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ционной проблемы это было важно. В действительности дело
обстоит несколько иначе. Силовой трансформатор тоже не
всегда нагружен полностью, по той простой причине, что
обычно его заказывают для несколько большей мощности, чем
требуется. Но в этом случае он все время недогружен и дей~
ствительные постоянные потери установить легко. На расчете
общих эксплоатационных расходов это обстоятельство ничуть
не отражается.
Существуют, разумеется, предприятия с собственным токо-
производством. Они вольны расценивать по усмотрению гиб-
нущую в трансформаторе энергию. Часто они трансформатору,
как потребителю, ставят в счет энергию по себестоимости.
В этих случаях особенно торжествует дешевый трансфор-
матор.
Возможность таких именно случаев, а еще больше — их
частота, должны бы располагать к вдумчивости инженера-произ-
водственника. В гораздо большей мере, чем различие между
теплосиловыми и гидравлическими установками, говорит раз-
личие между полноценными и не имеющими цены потерями
в пользу существования двух конструкций: дешевой в букваль-
ном смысле слова и экономической.
В существовании этих двух конструкций заинтересованы еще
и те покупатели, которые вынуждены покупать дешево, кото-
рые тогда лишь покупают трансформаторы, когда им удается
сколотить нужную сумму. Для них дешевизна трансформатора—
вопрос насущный, ибо у них нет кредита, ибо для них ставка
оплаты капитала и его погашения безмерно растет. Им при-
ходится мириться с повышенными расходами на потери энер-
гии, только бы экономически „пробиться".
Для всех этих различных условий указанные выше реше-
ния сохраняют полную силу. Каждый покупатель лучше всех
знает сам, сколько ему придется тратить на проценты и по-
гашение капитала, каждый покупатель может сам подсчитать
во что ему обойдется теряемая энергия. С точки зрения уче-
ния об эксплоатации главное требование заключается в том,
чтобы подсчет был правилен, чтобы поверхностная оценка
предложений на трансформаторы не влекла за собою гибели
экономических ценностей.
ПРОГРЕСС В ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИИ. ПРЯМАЯ ПРОГРЕССА 29
8.	Прогресс в трансформаторостроении. Прямая прогресса.
Инженеру-производственнику, после сказанного выше, будет
полезно и интересно проследить за развитием трансформаторе-
строения. В самом деле, расчет, приведенный в предыдущем
параграфе, можно видоизменить таким образом, чтобы отвлечься
от частных случаев приобретения трансформаторов и придать
ему форму общего экономического решения для проблемы их
изготовления. Такое решение будет одинаково ценно как для
конструктора, так и для инженера-производственника.
Пусть конструктор разработал конструкцию, которая, на-
пример, при мощности L киловатт приводит к цене Р (рублей)
и к потерям V (киловатт) при продолжительной полной нагрузке.
Здесь покамест также имеется в виду только силовой транс-
форматор.
Борьба за существование стимулирует прогресс, вынуждает
конструктора разработать новую конструкцию, удешевленную
и—так как это неизбежно—обладающую другими потерями.
Такие конструкции разрабатываются неустанно. На первых
порах работа касается только конструктора, но его понукает
аквизитор.
Инженер-производственник не может, разумеется, вмеши-
ваться в конструкторскую работу. Он только исследует резуль-
таты. Достигнутое удешевление он сравнивает с электрическим
ухудшением. Это сравнение возможно, а для учения об эксплоа-
тации даже необходимо, и при самых небольших успехах.
Теория должна учитывать и бесконечно малые приращения.
Удешевление конструкции на dP рублей уменьшает расходы
на оплату и погашение капитала на
— .dP = a. dP рублей.
IOO
Одновременное, на беду неизбежное, повышение потерь на
dV киловатт увеличивает расходы на энергию на
b.dV рублей.
Новая конструкция в том только случае означает подлинный
прогресс, когда
a.dP> Ь. dV.
30
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Такой результат дает нам как будто мало. Придать мате-
матическую форму зависимости цены Р от потерь V, иными
словами, найти функцию P=f(V) совершенно невозможно.
Удачные идеи, изобретения, конструкторское дарование не
поддаются математическому выражению.
Однако, одно обстоятельство можно установить и практи-
чески использовать: предельный случай, то удешевление, которое
в точности компенсируется одновременным электрическим ухуд-
шением, случай
— a. dP=b.dV.	(3)
Он с полной ясностью и точностью указывает направление
допустимого дальнейшего пути, а тем самым также, — правда,
не столь ясно и точно,—предположительный путь развития.
И указывает он это не только для какого-нибудь опреде-
ленного трансформатора. Приведенное уравнение может быть
отнесено к целой серии типов, если придать ему форму
dP L dV
°' L*'* ~Ь' L^'
В пределах такой серии, как мы уже знаем, цена растет
совершенно так же, как и потери, пропорционально 3/4-ной сте-
пени мощности.
Поэтому, если ввести
, V
терь этого типа v —
цену типа	= —— и величину
то сразу получается уравнение
по-
— a.dp =b .dv'.
Практичнее считаться, как и прежде, с отнесенными к еди-
Р
нице мощности ценою P = ~jj	и потерями v =
— 100	%, тогда получается уравнение
— р.. dp = Ь. dv.
(4)
С виду невыразительное уравнение (4) сразу осмысливается,
если обратиться к помощи графического изображения зависи-
мости между безусловно необходимым понижением цены dp,
отнесенной к единице мощности, и повышением потерь в про-
центах dv. Уравнение ---------- выражается прямою, если
ПРОГРЕСС В ТРАНСФОРМАТОРОСТРОЕНИИ. ПРЯМАЯ ПРОГРЕССА 31
в прямоугольной координатной системе считать координатами
р и v. „Прямая прогресса* (рис. 2) указывает для каждого
значения выраженной в процентах потери энергии ту, отне-
сенную к единице мощности, цену, которая только-только не-
убыточна. Поэтому, если мы, рассматривая какую-либо оправ-
давшуюся конструкцию, отложим соответствующую точку на
прямой, то угол наклона а, образуемый прямою с положи-
тельным направлением оси
,	b
выражением tg а =------— ,
позволяет нам обозреть весь
прогресс, какой еще возмо-
жен.
Прямая прогресса — это
предельный случай предпо-
ложительного прогресса, кри-
вая которого, очевидно, дол-
жна быть расположена ниже
прямой (рис. 2). В остром
углу, образуемом осью v
с прямою прогресса, заклю-
чено все будущее трансфор-
матора. Едва ли можно со-
мневаться в том, что мы дви-
жемся вперед в тупике, с каж-
дым шагом ограничивая свои
собственные возможности. Тем не
угла—недостижим, как это легко
’, угол, тангенс которого дается
Рис. 2.
<енее, конец—острие этого
понять. Ведь он соответ-
ствует трансформатору, совсем не имеющему цены, не содер-
жащему материала, словом—нулю. Но эта недостижимая точка,
будучи идеальной, представляет для нас все же реальное зна-
чение, а именно, дает нам наибольшие потери, какие вообще
возможны в нашем трансформаторе. Их легко подсчитать для
всякого трансформатора, имея относительно него данные: р =
— рь и v = vq. Они, очевидно, определяются выражением
Ъ
v _ А> +	-v<> = №о+6.уо ф	ф
max	Ь
И
32	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Таким образом, все зависит от двух величин: р- (ставки
оплаты и погашения капитала) и Ь (цены киловатт-года потерь).
Обе величины на практике сильно колеблются. Ставка
оплаты и погашения капитала зависит от самых разнообразных
факторов. Это с чрезвычайной ясностью обнаружилось в после-
военные годы. Зависит она также, как мы уже упомянули, от
финансового положения того, кто покупает трансформатор.
Цена киловатт-года подвержена еще значительно большим
колебаниям. Правда, гидроэлектрические станции обычно строят
свои тарифы по аналогии с ценами теплоэлектрических станций,
но все же в одном случае вопрос решает себестоимость, а
в другом—полная продажная цена энергии.
Поэтому будущность трансформатора поставлена в менее
тесные рамки, чем можно бы думать при поверхностном су-
ждении. Прямая прогресса в одном случае наклонена круто,
в другом—слабо к оси v. Каждый инженер-производственник
начертит для себя свою собственную прямую прогресса.
В основу рис. 2 положен тот трансформатор мощностью
100 kW, который стоит 2 000 рублей и дает 3% потерь. Кроме
того, ставка оплаты и погашения капитала была принята рав-
ною 12,5°/о и киловатт-год потерь оценен был в 125 руб.
Максимальные потери, какие только возможны при этих
условиях в трансформаторе, составили бы, согласно уравнению (5),
_ 12,5.20 + 125.3 _ _в/
max	12,5
потому что
iZ°=20 рублей//: W
ов = 100. 3 =3%.
0	IOO	и
Следовательно, коэффициент полезного действия ниже 95°/о
был бы немыслим.
9. Трудности прогресса.
Данное в предыдущем параграфе решение вопроса о коэф-
фициенте полезного действия силового трансформатора дает
также возможность обозреть трудности прогресса, которые
нам приходится преодолевать в настоящее время и которые
ТРУДНОСТИ ПРОГРЕССА
33
ожидают нас в будущем. Теоретическую возможность прогресса
необходимо восполнить изображением препятствий для того,
чтобы картина будущего не была обманчива.
Трудности прогресса в трансформаторостроении лучше всего
характеризуются отношением между необходимым удешевле-
нием, которое должна дать новая конструкция, и увеличением
потерь, к которому она приводит. Относительное удешевление
соответствует, согласно нашим обозначениям, дроби отно-
сительное увеличение потерь—дроби
Отношение обеих дробей:
ъ=
p.dv
является, стало быть, мерою трудности.
Простой способ определения k указать нетрудно. Очевидно,
что согласно уравнению (4)
, Ь V
Н Р 9
так что для каждой пары величин v и р можно сраву вычис-
лить коэффициент трудности к. Обратимся снова к последнему
числовому примеру, представленному на рис. 2; мы получим
тогда:
(6)
*=«5...3_=1Д
12,5	20	’
т.-е. всякое увеличение потерь на л°/о должно влечь за собою
понижение цены трансформатора на 1,5 л°/0. Таким образом,
трудность уже довольно значительна. Но в будущем она зависит
от всякой данной стадии развития, которую как раз и опреде-
ляют величины р и v.
Меру к можно сделать зависимою от одних только выра-
женных в процентах потерь и таким образом набросать и кар-
тину будущего, введя наибольшие возможные потери vmax- При
помощи рис. 2 нам легко убедиться, что
так что мы получаем новое выражение:
k= --
Vmax
Эксплоатация трансформаторов
(6-а)
3
34
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
новится
Рис. з-
Теперь мы можем опять-таки дать геометрическую картину
зависимости от v коэффициента трудности £, ибо уравнение (б-а)
соответствует гиперболе, прямоугольные координаты которой
к и v. Положение этой «гиперболы трудностей* определить
легко. Согласно уравнению (6-а) коэффициент к очевидно ста-
[ЛЯ
» =	(7)
Уравнением (7) определяется
поэтому одна асимптота. Далее
сразу видно, что гипербола про-
ходит через начало координат:
z/ = 0, к —О,
Если, наконец, написать урав-
нение (6-а) в форме
то получается и вторая асимп-
тота:
Рис. 3 показывает нам ле-
жавший перед трансформаторо-
строением тяжелый путь с не-
прерывно растущими трудно-
стями. Он уже и в настоящее
время не легок. Это мы знаем. Приходится заниматься кро-
хоборством, выгадыванием дробных долей процента. Правда,
порою удается подвинуться вперед броском: конструктора
бросает вперед изобретатель. Но так это происходит в технике
всегда.
Прямая прогресса и гипербола трудности дают нам ясное
решение проблемы коэффициента полезного действия силового
трансформатора, позволяют нам экономически ее контролиро-
вать, предохраняют нас от конструктивных промахов и пред-
указывают направление, в котором должно итти развитие сило-
вых трансформаторов. Осветительный трансформатор, как мы
увидим в следующей главе, усложняет проблему. Но надо нам
ПРЕУВЕЛИЧЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
35
еще применительно к силовому трансформатору осветить не-
сколько побочных вопросов, обойти которые нельзя потому,
что они отчасти затрагивают самую сущность трансформатора
и рано или поздно должны встать перед инженером-производ-
ственником.
10. Преувеличенное использование материалов.
Проблема неестественного коэффициента полезного действия,
которую мы рассмотрели в § 6, может все же принять серьез-
ный характер на одном из этапов в развитии транс форматоре-
строения. Исследования, произведенные нами в предыдущих
параграфах, познакомили нас довольно хорошо с перспективами
этого развития. Мы видим, что экономичность трансформации
будет требовать относительно все большего удешевления по
мере электрического ухудшения конструкций. Весьма вероятно,
что конструктор, наконец, не сможет совладать с растущими
трудностями и уклонится от прямой прогресса.
Разумеется, для постоянного контроля этой кривой не су-
ществует какого-либо ведомства. Уклонения всегда возможны.
Поэтому, учение об эксплоатации должно еще дать нам воз-
можность проверить какую-либо существующую серию типов,
вне зависимости от предшествующих, в отношении ее эконо-
мического здоровья; это учение должно быть в состоянии вы-
сказываться и относительно какой-либо отдельной точки на
кривой прогресса.
Проблема эта имеет еще и другую, практическую сторону.
Каждое предприятие имеет свой собственный взгляд на эконо-
мичность трансформации. Поэтому для многих предприятий
какая-либо серия типов с искусственным, усиленным охлажде-
нием, благодаря которому допустимы большие потери, может
оказаться экономически нездоровою. Например, крупные транс-
форматоры можно строить с естественным масляным охлажде-
нием, но они снабжаются нормально водяным охлаждением;
при меньших мощностях наряду с масляными трансформато-
рами тоже существуют еще и сухие.
Если поэтому применительно к какой-нибудь серии типов
по экономическим причинам все же возникает надобность в не-
4*
Зб	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
естественном коэффициенте полезного действия, то это значит»
что использование работающего материала доведено до чрез-
мерной степени и что искусственное охлаждение неуместно.
На вопрос о том, не показаны ли все же для определенной
серии типов лучшие коэффициенты полезного действия, нам
легко ответить, но тоже покамест только применительно к си-
ловым трансформаторам. Этот ответ содержится в отношении
между ценою трансформатора и его потерями энергии, так как
этим отношением лучше всего характеризуется всякая серия
типов; на основании этого отношения мы можем, стало быть^
хорошо судить о конструкции трансформатора.
Мы уже знаем, что достаточно исследовать один элемент
в серии типов, чтобы прийти к выводам, приложимым по всей
серии. Выделим из нее трансформатор, у которого цена за
киловатт составляет р рублей, а потери— v%. Уменьшение
потерь до % имело бы следствием, как мы знаем из § 6,
повышение цены до р.х3 руб. за кW. В предельном случае,
когда бы данная серия типов как раз начала экономически
хворать, годовое сбережение электрической работы должно
было бы уравновешивать повышенные расходы на оплату и
погашение капитала, а отсюда получается уравнение:
V--P- (хЗ — 1) = Ь.[у— ’ ).
Если написать его в форме:
~ X3 + X2 + X,
Н Р
то сразу обнаруживается, что серия типов начинает хворать,
едва лишь х становится больше 1, иными словами, едва лишь
<8>
Это явление прежде всего весьма ценно теоретически. Ре-
шение проблемы коэффициента полезного действия для сило-
вых трансформаторов с помощью прямой прогресса определило
недостижимый конец развития парою величин:
v — Р = о.
max' *
ПРЕУВЕЛИЧЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
37
Но этот случай лежит уже за пределом, который указывает
уравнение (8). Мы приходим, таким образом, к еще большему
ограничению наших перспектив. Однако, в практически при-
годной форме мы получаем этот предел только положив, со-
гласно рис. 2,
р = — (у —v),
г |j, \ max
после чего уравнение (8) переходит в
V = 3l<VnUU.	(9)
Это, стало быть, действительный конец, оттого, что он
практически достижим; он соответствует цене за киловатт
р = — v	(10)
Мы находимся к нему ближе, чем думаем, хотя его маски-
руют значительные трудности. Чтобы в этом убедиться, нам
достаточно еще раз рассмотреть числовой пример § 8. Со-
гласно обоим уравнениям (9) и (5), потери 100 kW трансформа-
тора не превзойдут 3/д.5 = 3,75%. И все же мы придержи-
ваемся уже теперь 3% и на деле можем с легкостью достиг-
нуть цены 20 руб. за киловатт.
Но и практически уравнение (8) имеет большое значение.
Особенно благодаря водяному охлаждению сделалась осуще-
ствимою немыслимая прежде нагрузка материала. Водяное
охлаждение сильно понижает цену и повышает потери. Охла-
ждаемый водою трансформатор может стать неэкономичным.
Если, например, крупный трансформатор для мощности
20000 Л IF с водяным охлаждением стоит 6 000 рублей и имеет
1,5% потерь, тор =	= 3 рубля за и т/ = 1,5%.
Согласно уравнению (8), он работает экономично только в том
предприятии, которое считает
- = 3.— = 6.
И Ь5
Если попрежнему считать на оплату и погашение капитала
н = 12,5%, то киловатт-год энергии может стоить не больше
12,5.6=75 руб., что при 8-часовой полной нагрузке соот-
ветствует тарифу = 0,031 рубля за kW.
38	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При таких условиях экономически могут оправдаться только
те установки, которые своим трансформаторам ставят энергию
в счет по себестоимости токопроизводства.
После всего этого становится понятным, что охлаждаемые
водою крупные трансформаторы обычно не бывают исполь-
зованы до предела нагревания. Поэтому в предложениях,
наряду с нормальной продолжительною мощностью, указы-
вается еще и другая, часто значительно более высокая, до-
пустимая продолжительная мощность трансформатора, дости-
жимая при полном использовании охлаждающего устройства.
11. Конструкции.
Отличительным признаком определенной серии типов, —
признаком, сразу бросающимся в глаза,—мы прежде всего
сочли способ охлаждения. Вся шкала мощности, начиная от
самых малых и кончая самыми крупными, создается несколь-
кими сериями типов. Для очень небольших мощностей можно
обойтись простым воздушным охлаждением. Сухой трансфор-
матор удается строить вплоть до 100 kW. Далее, масляное
охлаждение сразу устраняет связанные с нагреванием и ра-
стущие заодно с мощностью затруднения. При крупных мощ-
ностях масляный охлаждающий поток тоже становится слиш-
ком инертным и приходится обращаться к водяному охла-
ждению.
Таким образом, тремя сериями типов можно исчерпать всю
шкалу. В сущности, тенденция современного трансформаторо-
строения метит еще дальше. Масляный трансформатор энер-
гично проталкивается в обе стороны. Он все больше старается
вытеснить сухой трансформатор, но глубоко проникает и в зону
крупных мощностей.
Растущие рабочие напряжения часто делают понятным по-
ражение сухого трансформатора. Масло является ведь не только
хорошо охлаждающею, но и хорошо изолирующею средою.
Надежность эксплоатации по праву становится все более ре-
шающим фактором. Она же при крупных мощностях часто
делает естественное масляное охлаждение более уместным,
нежели водяное, но порою приводит к большим преувеличениям.
КОНСТРУКЦИИ
39
Три серии типов, с воздушным, с масляным и с водяным
охлаждением, перекрывают друг друга на больших участках
шкалы мощности. Эти участки подлежат ведению учения об
эксплоатации с его проблемою цены и коэффициента полез-
ного действия.
При переходе от простого воздушного к масляному охла-
ждению цена трансформатора сильно повышается. Масло до-
рого, да и масляный бак изрядно повышает цену конструк-
ции. Масло и бак должны дать сбережение на меди и листо-
вом железе. И вправду, нагрузка меди, которую в сухих транс-
форматорах не легко поднять выше 2 А1кв, мм, может без
труда подняться до 3 А1кв. мм, если поместить обмотку в
масло. Плотность силовых линий тоже может быть повышена
в масляной ванне, хотя для нее остается определяющим фак-
тором не столько охлаждение железа, сколько ток холостого
хода.
Но если даже масляный трансформатор по этой причине
может оказаться не дороже сухого, то потери должны быть,
несомненно, выше. Вот почему сравнительный подсчет эконо-
мичности трансформации очень часто решает вопрос в пользу
сухого трансформатора.
У силовых трансформаторов имеет небольшое значение то
обстоятельство, что масляный трансформатор, вследствие
большего использования меди и более компактной конструк-
ции, имеет обычно, наряду с более высокими потерями в меди,
меньшие потери в железе, чем сухой трансформатор той же
мощности. Ибо при продолжительной полной нагрузке только
общие расходы определяют экономичность трансформации.
При переходе от естественного масляного к водяному охла-
ждению обстоятельства аналогичны. Водяное охлаждение свя-
зано с новыми издержками на охлаждающий змеевик, насос и
их принадлежности. Правда, при больших мощностях нужно
считаться с еще одним обстоятельством, которому обычно
уделяется слишком мало, а то и совсем не уделяется внима-
ния. Крупный трансформатор с естественным масляным охла-
ждением вызывает большие строительные расходы, он тре-
бует большой камеры. Выделяемые им большие количества
теплоты подлежат удалению. Воздух, который должен все
40
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
время циркулировать в трансформаторной камере, находится
под сильным тепловым напором. Никто не задумывается над
тем, какой силы достигает необходимый воздушный поток,
когда при естественном масляном охлаждении мощность со-
ставляет несколько тысяч киловатт. Этот воздушный поток
требует при естественной циркуляции огромных сечений, огром-
ных подводящих и отводящих каналов.
Итак, строительные расходы на трансформаторную камеру
мешают простому масляному трансформатору достигнуть боль-
шой мощности. Его масляный бак тоже гораздо дороже, чем
гладкий бак у трансформатора с водяным охлаждением.
Не подлежит сомнению, что в настоящее время масляный
трансформатор чересчур продвинулся в обе стороны. При очень
малых мощностях он так же не способен выдержать экономи-
ческую критику, как и при очень больших. В обоих случаях
только еще повышенная надежность эксплоатации продолжает
говорить в его пользу.
Преувеличения непредотвратимы. Впрочем, когда при малых
мощностях напряжение очень высоко или когда малый транс-
форматор непосредственно монтируется на мачте, то другого
нет исхода. Когда, с другой стороны, крупную трансформа-
торную подстанцию приходится соорудить в большом отда-
лении от станции и за работою водяного охлаждения надзор
неосуществим, то другого исхода тоже нет. Но эти случаи
относятся к разряду исключительных и опытный инженер-про-
изводственник должен тогда сам принять решение. При этом
выбор не будет для него затруднителен.
12. Проблема цены и коэффициента полезного действия
силового трансформатора.
Бросая общий взгляд на проблему цены и коэффициента
полезного действия силового трансформатора, мы прежде всего
обнаруживаем много неладного в отношениях между инженером-
производственником и конструктором. Они не понимают друг
друга и поныне. От этого особенно страдает конструктор.
При заказе на трансформаторы, даже для чисто силовой
нагрузки, все еще случается, что поставщика тщательно рас-
ПРОБЛЕМА ЦЕНЫ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ц!
спрашивают о деталях конструкции, до которых нет никакого
дела инженеру-производственнику, — например, о том, сколько
меди содержит трансформатор. Его покупают, так сказать, на
вес. Трансформатор, в котором мало меди, подозрителен, его
не заказывают.
Зачем это нужно? Ведь плотность тока в меди, о которой
заказчик судит по весу меди, нисколько не характерна для
доброкачественности конструкции. Здесь положение не таково,
как в железных конструкциях, где напряжение материала мо-
может стать опасным. Нагрузка меди имеет влияние только
на охлаждение, а охлаждающее устройство всегда находится
под контролем особых предписаний.
Трансформатор, работающий под нагрузкою 3 А/кв. мм
в меди, может охлаждаться гораздо лучше другого, у кото-
рого плотность тока составляет только 2 A/ле. мм. Круп-
ные трансформаторы с водяным охлаждением, работающие
при больших плотностях тока, остаются совершенно холод-
ными. Так что же говорит покупателю вес меди?
Решающий фактор—это экономичность трансформации, опре-
делить которую можно во всякое время, не зная веса меди,
как это показывает вышеприведенное решение проблемы цены
и коэффициента пол. действия. Все остальное излишне, все
остальное свидетельствует о незнакомстве с предметом.
Не так далеко время, когда конструктор бывал вынужден
искусственно утяжелять трансформатор. Разумеется, он при-
давал добавочный вес только несущей конструкции, только
мертвому материалу. В машиностроении конструктору часто
приходится еще и теперь прибегать к такому обману. Что
дает предприятию тяжелый трансформатор? — Повышенную
стоимость перевозки и когда-нибудь, в далеком будущем,—
немного больше старого материала.
По тяжести конструкции судят о ее перегружаемости. Это
тоже заблуждение. Предел нагревания равно соблюдается при
любой конструкции. Продолжительной перегрузки не терпит
ни легкий, ни тяжелый трансформатор. Между тем, для си-
лового трансформатора ценна только продолжительная пере-
гружаемость. К этому присоединяется еще то обстоятельство,
что временные нагрузки преодолеваются не медью, а маслом*
42
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Чем больше трансформатор, тем меньшее значение имеет вес
меди для временных перегрузок. Крупные трансформаторы
в несколько секунд достигают окончательной разности между
температурами меди и масла.
Обычно трансформаторы заказываются для мощности боль-
шей, чем требуется. Решение проблемы цены и коэффициента
пол. действия не обесценивается этим. Разумеется, во всех
случаях недогруженности трансформаторов надо считаться
только с действительными потерями при исследовании эконо-
мичности. И так как потери в железе не зависят от нагрузки»
а потери в меди убывают пропорционально квадрату нагрузки,,
то расчет весьма прост.
Но если принять во внимание то обстоятельство, что си-
ловой трансформатор действительно заказывается обычно для
слишком большой мощности, то оказывается, что все-таки не без-
различно, как распределяются потери в силовом трансформа-
торе между медью и железом. Очевидно, выгоднее, чтобы на
медь приходилась большая доля потерь. Лучше всего пояснить
это на примере.
Пример. Нужно заказать 100-Аг lF-ный трансформатор. Предста-
вляется выбор между двумя типами. Цена у них одинаковая»
Потери у того и у другого составляют 3 %. Различие же между
ними—в том, что у одного теряется по 1,5 к W в железе и
в меди, а у другого—1 A: IF в железе и 2 kW в меди. Ожи-
дается на первых порах продолжительная нагрузка в 70 kW.
При 70 kW нагрузки потери в железе у этих трансформа-
торов попрежнему равны 1 к W и 1,5 к IF, то есть
= 1,43%
7о ’
^Ь5_=2,14%.
70
Зато потери в меди у первого из них понижаются с 2,0 Ar IF
до 2,0.0,72 к W, то есть
100.-^* 0,72 =1,4%,
70	’
а у второго с 1,5 kW до l,5.O,72 kW, т.-е.
100 1л°’72 = 1,05%.
70
ПРОБЛЕМА ЦЕНЫ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ 45
У первого трансформатора общие потери составляют тогда
1,43 + 1,4 = 2,83%,
у второго
2,14 +1,05 = 3,19%.
Таким образом, неравномерное распределение потерь безу-
словно заслуживает предпочтения, когда на медь приходится
большая доля потерь.
Это обстоятельство находится в связи со старым правилом
электро-машиностроения, сулящим машине наивысший коэф-
фициент пол. действия при уравнении потерь холостого хода
с потерями в меди. Правило это обосновать легко и оно имеет
такое значение для инженера-производственника, что его стоит
здесь развить.
Потери при холостом ходе Ve (kW) зависят у трансформа-
тора только от напряжения и от числа периодов, так что
практически они не изменяются. Потери в меди растут и убы-
вают пропорционально квадрату мощности L (kW)t Общие по-
тери можно, поэтому, выразить через
V= Ve + k.L*,
где k—некоторая постоянная.
Коэффициент пол. действия—это отношение отданной мощ-
ности к воспринятой и дается, стало быть, выражением
_ L
71 ~ L+Vt+kL3 •
Он достигает наибольшего значения, когда
И = ££2,
то есть при мощности
У к
при равновеликих потерях в железе и в меди.
Природа исполнена лукавства. Ведь у трансформатора, ко-
торый мы выше признали менее выгодным, потери в железе
и в меди равновелики. Почему же следует предпочесть другой,
правилу не подчиняющийся? Разве правило здесь недействи-
тельно?
44
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Правило, разумеется, действительно и здесь. Если присмо-
треться к смутившему нас числовому примеру, то легко обна-
ружить причину неудачи догматически построенного силового
трансформатора. У него при нормальной полной нагрузке—
наивысший коэффициент пол. действия, поэтому при меньшей
нагрузке его коэффициент пол. действия должен быть меньше.
У другого же трансформатора потери при номинальной мощ-
ности распределены неравномерно, следовательно, коэффи-
циент пол. действия не максимален. В действительности, как
показывает пример, при 70 kW его потери в меди как раз
уравниваются с потерями в железе.
Весьма замечательно то, что развитие трансформаторо-
строения само избрало и должно было избрать путь, указы-
ваемый учением об эксплоатации. Усовершенствование охла-
ждения позволяет, как известно, повышать плотность тока
и силовых линий. К повышению плотности тока никаких пре-
пятствий не существует, повышению же плотности силовых
линий ставит предел необходимость считаться с током холо-
стого хода. Поэтому совершенно естественно, что на долю
меди приходится тем больше потерь по сравнению с железом,
чем лучше охлаждение. У охлаждаемого водою крупного транс-
форматора уже наблюдаются значительные неравенства между
потерями в меди и потерями в железе.
Инженер-производственник при равенстве общих потерь
предпочтет тот силовой трансформатор, у которого выше по-
тери в меди, но не будет согласен платить деньги за неравно-
мерное распределение потерь. Он считается с тем, что рано
или поздно его трансформатор будет работать под полной
нагрузкою. А по мере роста нагрузки исчезает преимущество
неравномерного распределения потерь.
II. ЭКОНОМИЧНОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОР-
МАТОРА.
13. Эксплоатационные проблемы осветительного трансфор-
матора.
Инженер-производственник еще и поныне весьма недоста-
точно знаком или недостаточно считается с крупным разли-
чием между силовым и осветительным трансформатором. Слиш-
ком часто он выбирает их на основе одних и тех же сообра-
жений. Слишком мало думает он о том, что световая нагрузка
в экономическом и электрическом отношении создает совер-
шенно иные условия, нежели силовая.
Осветительный трансформатор образует важную проблему
в учении об эксплоатации. То обстоятельство, что световая
нагрузка колеблется во времени и в пространстве, что она,
во-первых, для всего трансформатора в целом не является
равномерной величиной, а во-вторых, при трехфазном типе,
не всегда распределяется поровну между отдельными фазами,
должно быть принято во внимание, в предотвращение весьма
вредных экономических и электрических явлений.
Эксплоатационная проблема осветительного трансформа-
тора, очевидно, распадается на несколько частных проблем,
отчасти экономического, отчасти электрического характера.
Есть и у осветительного трансформатора проблема цены
и коэффициента пол. действия. Выводы, к которым мы пришли
в главе I, действительны и в применении к нему. Но изме-
няемость мощности во времени усложняет вопрос экономично-
сти осветительной трансформации. Возникает особая проблема
цены и коэффициента пол. действия осветительного трансфор-
матора.
46
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Возможность неравномерного распределения световой на-
грузки между отдельными фазами трансформатора приводит
к электрическим проблемам, которые инженер-производствен-
ник тоже должен знать и принимать во внимание. Далее, суще-
ствуют частные проблемы смешанного, экономико-электри-
ческого характера, подлежащие ведению учения об эксплоа-
тации.
Инженеру-производственнику щиток осветительного транс-
форматора говорит гораздо меньше, нежели щиток силового
трансформатора, и этим лучше всего выражается своеобразие
первого. Главная величина, номинальная мощность, — это для
силового трансформатора весьма важное, весьма практическое
понятие. Силовой трансформатор стремится к такой нагрузке,
которая бы соответствовала его номинальной мощности. Осве-
тительный же трансформатор весьма редко работает при номи-
нальной мощности. Силовой трансформатор бывает длительно
нагружен мощностями, которые несколько меньше номиналь-
ной, тогда как нагрузка осветительного трансформатора бывает
то значительно меньше, то значительно больше номинальной
мощности.
Номинальная мощность осветительного трансформатора —
это только отправная точка, не больше. Номинальный ток
у него играет такую же роль. Только напряжение не изме-
няется.
Еще хуже, чем с мощностью, обстоит дело с коэффи-
циентом пол. действия осветительного трансформатора. Отно-
шение мощности, которую он отдает, к мощности, которую
он потребляет, сильно колеблется в работе. Правда, потери
холостого хода остаются длительно, и при том из года
в год, на неизменной высоте, во всякое время года, в любой
час дня. Осветительный трансформатор должен всегда на-
ходиться под напряжением, в готовности питать хотя бы
только одну лампу накаливания. Потери в железе зато ко-
леблются в очень широких пределах, пропорционально ква-
драту нагрузки.
Теория давно уже признала неудовлетворительность перво-
начального понятия коэффициента пол. действия. Она его
заменила понятием годового коэффициента пол. действия,
ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВЕТИТЕЛЬН. ТРАНСФОРМАТ. 47
исходя из того соображения, что прочным мерилом остается
только отношение отданной за год осветительным трансформа-
тором энергии к энергии, воспринятой им за тот же про-
межуток времени. Она вполне основательно не считается
ни с суточным, ни с месячным коэффициентом пол. дей-
ствия, потому что отдельные дни и отдельные месяцы не
равноценны.
Для учения об эксплоатации неудовлетворительно и поня-
тие годового коэффициента пол. действия. В этом легко убе-
диться, изучая экономичность осветительного трансформатора.
Так возникает интересная технико - экономическая частная
проблема.
Из практики известно, что инженер-производственник
охотно выбирает чересчур малый осветительный трансформа-
тор, силовой же трансформатор он склонен заказывать черес-
чур большой. Он руководится тем, совершенно правильным,
соображением, что при работе на освещение максимальная
нагрузка продолжается только несколько часов и возникает
почти сразу, так что до нее трансформатор был слабо нагру-
жен и находился в относительно холодном состоянии. Иными
словами, он рассчитывает на перегружаемое™ и он в праве
при таких условиях рассчитывать на нее.
Между тем, положение не так просто. Инженер-про-
изводственник и конструктор должны между собою сгово-
риться, иначе возникают большие опасности. Ведь может
статься, что и конструктор рассчитывает на перегружаемое™.
Далее, не подлежит сомнению, что инженер - производствен-
ник имеет о перегружаемости только приблизительное, а
значит и неправильное, быть может, представление, если
он не получил на этот счет подробных сведений от кон-
структора.
Таким образом, учение об эксплоатации должно установить,
в каком отношении, находится номинальная мощность к макси-
мально допустимой в работе. Оно должно заняться вопросом
о перегружаемости осветительного трансформатора. Это также
весьма важная частная проблема.
Сделанный нами обзор эксплоатационной проблемы осве-
тительного трансформатора с достаточною ясностью показы-
48
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
вает, что здесь перед нами лежит обширное, еще недостаточно
вспаханное, поле исследования. Оно должно быть, наконец,
обработано.
14. Проблема цены и коэффициента полезного действия
осветительного трансформатора.
Экономичность осветительного трансформатора, как и сило-
вого трансформатора, зависит, с одной стороны, от вели-
чины вложенного в трансформатор капитала, с другой —
от величины теряемой за год в трансформаторе энергии. Перво-
начальные затраты на осветительный трансформатор влекут
за собою, в форме уплаты процентов и погашения капитала,
постоянные накладные расходы. Теряемая за год энергия тоже
стоит денег.
Казалось бы, и здесь проблема принимает форму проблемы
цены и годового коэффициента пол. действия, как в первой
главе, так что все выводы этой главы могут быть с дол-
жными оговорками применены и к осветительному трансфор-
матору.
Но, к сожалению, дело обстоит не так просто. Годовой
коэффициент пол. действия — понятие неудовлетворительное,
как мы уже упомянули. Проблема должна быть исследована
глубже.
Покуда мы рассматриваем только чисто электрическую
экономичность трансформатора, против годового коэффициента
полезного действия никаких возражений, правда, не встре-
чается. Но когда речь заходит о стоимости трансформации,
то отдельные потери уже принимают другой вид. Действи-
тельная экономичность осветительного трансформатора прин-
ципиально отлична от электрической.
Один киловатт-час, потребляемый в железе осветительным
трансформатором ночью, после полуночи, имеет, конечно, не-
большую ценность. Он и без того мог бы найти сбыт в ред-
чайших только случаях. В счет он может быть поставлен
только по себестоимости, ибо осветительный трансформатор,
по общему правилу, принадлежит поставщику тока. Но даже
в том случае, когда крупный потребитель настолько легко-
ПРОБЛЕМА ЦЕНЫ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ 49
мыслен, что покупает световую энергию со стороны высокого
напряжения, он не может ночью платить за нее столько же,
сколько днем.
Нам возразят, вероятно, что стоимость теряемой энергии
потому-то и не изменяется, что осветительный трансформа-
тор принадлежит поставщику тока. Найдутся, пожалуй, инже-
неры-производственники, отстаивающие такую точку зрения.
И они даже будут правы, покуда их станция не близка к пол-
ной нагрузке, покуда пик нагрузки не начал причинять им
затруднения. Но затем каждый потерянный киловатт-час во
время пика стоит столько же, сколько проданный по наивыс-
шему тарифу киловатт-час. Всякая другая его расценка была бы
неправильна.
Пусть у нас станция гидроэлектрическая. В первое время
после сооружения у нее обычно мало потребителей, вода от-
части стекает, в неиспользованном виде, через водослив. Те-
ряемая в трансформаторах энергия не стоит ничего. Силовые
трансформаторы принадлежат потребителям, которые платят за
теряемую в них энергию ровно столько же, сколько за полез-
ную. Осветительные трансформаторы либо являются собствен-
ностью станции, либо принадлежат более или менее круп-
ным потребителям, общинам, обществам или частным ли-
цам. Имея собственные осветительные трансформаторы, гидро-
станция вначале совсем не думает о потерях. В чужих руках
осветительный трансформатор с самого начала причиняет
заботы. Теряемая в нем энергия уже имеет цену.
Очень скоро станция приходит к заключению, что теряе-
мая в осветительном трансформаторе энергия все-таки стоит
денег. Случаются маловодные периоды, тепловая энергия до-
рога. Пусть отдельные потери учитываются одинаково, все же
они учитываются — годовой коэффициент полезного действия
приобретает значение.
Между тем, потребление растет. Образуется пик нагрузки
и на самой станции и, разумеется, у отдельных крупных потре-
бителей, в приключенных городах и поселках. Тепловой резерв
ежедневно привлекается к содействию. Ценность отдельных
потерь начинает колебаться на протяжении суток, годовой
коэффициент полезного действия уже ничего больше не харак-
Эксплоатация трансформаторов	4
50
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
теризует, вместо него появляется коэффициент эко-
номично сти.
Его легко определить. Во время пика нагрузки потери
имеют гораздо большую ценность, чем в другое время. Обо-
значим через
Уе — потери холостого хода в к
Vk — потери в меди при полной нагрузке в к Н^,
si — число годовых часов пика нагрузки,
— число годовых часов нагрузки трансформатора, све-
денной к номинальной мощности,
L — номинальную мощность.
Тогда коэффициент экономичности
• L
е = 3].L + k (8760 - S1f И. + (Г, + К, )$! ’
где
__ себестоимость анергии
продажная цена анергии
Это уравнение не очень точно, так как некоторая потеря
энергии происходит в меди не только во время пика световой
нагрузки, но и в остальное время.
Впрочем, уравнение, выражающее годовой коэффициент
пол. действия в форме
т =---------*2 • L-----
V s2L 4-8760 /e + s2 vk 9
тоже не точно, потому что потери в меди колеблются про-
порционально квадрату нагрузки.
Для учения об эксплоатации оба выражения ценны лишь
в той мере, в какой они показывают различие между правиль-
ной и неправильной расценкой трансформаторных потерь.
Кроме того, из них явствует, как далеко от действительности
понятие коэффициента пол. действия:
_ L
71 L-YV, + Vk'
В идеальном случае, когда станция, наконец, использована
полностью, если предположить, что пик удалось сгладить и
генераторы—нагрузить вплоть до последнего ватта, коэффи-
ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
51
циент полезного действия тоже вступает, конечно, полностью
в свои права. Он представляет собою ту конечную величину,
к которой стремится коэффициент экономичности.
При паро-или газо-электрических станциях эволюция короче.
Тут совершенно не имеющих цены потерь никогда не бывает:
годовой коэффициент полезного действия является тут, по
крайней мере, начальным мерилом экономичности. Разумеется,
и при тепловом хозяйстве коэффициент экономичности очень
скоро получает право голоса и начинает постепенно при-
ближаться к коэффициенту пол. действия.
Мы можем теперь считать законченным предварительное
ознакомление с трудностями проблемы экономичности и по-
думать об бе решении, которое, разумеется, должно опираться
на выводы первой главы. Но при этом возникает сама собою по-
бочная проблема распределения потерь между железом и медью.
15. Перегружаемое™ осветительного трансформатора. Сухой
трансформатор.
Однако, было бы еще преждевременно покончить с во-
просом об экономичности осветительного трансформатора,
потому что определение часов пика, на протяжении которых
надлежало бы выше учитывать потери при полной нагрузке,—
это еще не все. Нужно еще предварительно определить эти
потери. Полная мощность—это не номинальная мощность, и
если даже потери в железе указаны на щитке или в предло-
жении фирмы, то потери в меди при полной мощности опре-
деляются только из отношения полной мощности к номиналь-
ной.
Осветительный трансформатор, как и всякий другой, можно
временно перегружать; больше того, обычно он на время пика
бывает перегружен. Инженер-производственник знает, конечно,
чего он требует от своего трансформатора. Но учение об экс-
плоатации должно показать, как велика может быть пере-
грузка, и экономичность находится в сильной зависимости от
перегружаемое™.
Инженеру-производственнику совершенно необходимо иметь
достаточные сведения об условиях нагревания трансформатора
52
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
для того, чтобы он мог судить о временно допустимых пере*
грузках. Для этого лучше всего просто предположить, что
осветительный трансформатор ежедневно, или, правильнее го-
воря, в самый неблагоприятный день года находится в тече-
ние /0 секунд под неизменною нагрузкой, в остальное же время
работает совершенно в холостую.
При таких предпосылках железный сердечник все время
испытывает определенное повышение температуры. Обмотка
во время холостой работы остается в холодном состоянии.
Начинает она нагреваться в начале периода нагрузки и до-
стигает в конце этого периода, т.-е. по истечении секунд,
наивысшей температуры. Трансформатор способен выносить
такую световую нагрузку, которая влечет за собою макси-
мально допустимую температуру.
При желании обратиться к выкладкам, лучше всего начать
с простейшего случая—с сухого трансформатора. Обмотка
сухого трансформатора—это практически однородное тело.
Изоляционный материал, который как раз у типов с воздуш-
ным охлаждением имеется в большом количестве, обладает,
правда, по сравнению с тем же весовым количеством меди
шестикратною, приблизительно, теплоемкостью. Но в то же
время удельные веса обоих материалов находятся прибли-
зительно в обратно пропорциональном отношении друг к другу.
Это позволяет вводить в расчет наружные размеры катушек
и считать их сплошными медными телами.
Итак, обмотка сухого трансформатора в рассматриваемой
проблеме нагревания — это просто сплошное медное тело, ве-
сящее G' k (кг), обычно значительно больше, чем весит на са-
мом деле обмоточная медь Gk (кг). Как эта обмотка нагре-
вается при неизменяющемся подводе тепла потерь—это мы
знаем. Вначале почти вся теплота остается в теле и повы-
шает его температуру. Отвод тепла становится возможным
лишь благодаря возникающей разности температур по отно-
шению к среде. По мере роста этой разности отдаваемая об-
моткою теплота растет приблизительно в том же отношении,
остальная же часть теплоты, остающаяся в обмотке и про-
должающая повышать ее температуру, становится все меньше.
Наконец, обмотка достигает конечного повышения температуры
ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
53
Дто (°C), при котором вся теплота потерь может быть отда-
ваема среде.
Если обозначить через Vk (ватт) потери в меди и через
„ I ватт-сек. 1	-
Cjt —— теплоемкость меди, то для любого промежутка,
времени dt (сек.) можно выразить описанный выше процесс на-
гревания уравнением
В самом деле, чтобы поднять температуру обмотки на 1сС,
в каждом килограмме должны накопиться ск ватт-секунд и
отдача теплоты среде, в отношении мгновенного повышения
температуры Ат к конечному повышению температуры Л*с0,
слабее, чем в конце процесса нагревания.
Решение известно:
Дт=Дт0
(П)
Если бы в начале периода нагрузки оградить обмотку от
всякого сообщения со средою, то ее температура в каждую
секунду повышалась бы на
п
-Qt--— градусов Цельсия,
и конечная температура Ат0 была бы достигнута в
С к ск • Дто
Т =	y~k секунд.
Т—это так называемая постоянная времени. Ее удобно
ввести в расчет. Уравнение (11) принимает тогда вид:
Дт0 = Дт (1-е"
Из последнего уравнения следует
и теперь легко определить время /о» на протяжении которого
трансформатор может быть нагружен неизвестною покамест
максимальною мощностью, не превосходя допустимой границы
своим повышением температуры. В самом деле, эта максималь-
54
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ная мощность продолжительно определяла бы собою конечное
повышение температуры Дт0. Согласно предпосылкам нашего
расчета это конечное повышение температуры пропорцио-
нально, разумеется, квадрату максимальной мощности, потому
что потери в меди растут пропорционально квадрату мощности.
Но трансформатор выносит только такое повышение темпе-
ратуры, которое возникает при продолжительной номинальной
мощности.
Отношение:
tQ допустимая продолжительность максимальной мощности
Т	постоянная времени обмотки
сразу, таким образом, определяется из уравнения (11а) отно-
шением
Ах0 Г допустимая максимальная мощность ~|г
Ат L	номинальная мощность J
Все зависит от постоянной времени Т. Чем она больше,
тем выносливее трансформатор. Поэтому отнюдь не излишне
присмотреться внимательнее к этой важной величине.
Она довольно легко поддается приблизительному вычисле-
нию. При плотности тока i А1кв. мм в обмотке с действи-
тельным весом Gk (кг) возникают потери:
Vk = 2,5 . i2 . Gk ватт.
Таким образом
_ ck .^zQ.G'k
7 “ 2,5 . I2. Gk ;
но
далее, у сухих трансформаторов, при номинальной мощности,
к которой относится повышение температуры Дто = 6О°С,
? - 3,5.
Разумеется, следовало бы, в сущности, принять в расчет
конечное повышение температуры при продолжительной макси-
мальной мощности и плотность тока, относящуюся к этой
максимальной мощности. Но результат получился бы тот же.
Конечная температура пропорциональна потерям, а стало
быть квадрату плотности тока.
ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
55
Для сухих трансформаторов, таким образом, постоянная
времени у обмотки равна, приблизительно,
т 390.60 Gk	/ Gk V
GT = 2700 \~G~) секУНД-
Она в сильной степени зависит от количества изоляцион-
ного материала, но едва ли может превысить 5000 секунд.
Будучи непроницаемо ограждена от среды, обмотка сухого
трансформатора затратила бы немного больше часа на то,
чтобы при номинальной мощности достигнуть повышения
температуры 60°С.
На основании уравнения (11а) легко убедиться, что макси-
мально допустимая мощность осветительного сухого транс-
форматора не должна сколько-нибудь значительно превосходить
номинальную мощность. Если, например, она держится 4 часа,—
а с такой возможностью надо, конечно, считаться,—то
максимально допустимая мощность __________Q2
номинальная мощность	*
Такой результат неожидан. В эксплоатации редко пред-
видят его, следствием чего являются слишком часто тяжелые
повреждения.
16. Перегружаемость масляного трансформатора.
Инженеру-производственнику весьма важно знать, что сухой
трансформатор для световой нагрузки мало пригоден. Но
и вообще результат предыдущего исследования кажется стран-
ным. Возникает опасение, что к трансформаторам, работающим
на свет, вообще предъявляются чрезмерные требования. Ведь
a priori совсем нельзя сказать, в какой мере масляное охлажде-
ние способно помочь делу.
Расчет показывает, что постоянная времени у обмотки
в сильной степени зависит от плотности тока в меди. Эта
постоянная весьма значительно уменьшается, когда при пере-
ходе от воздушного к масляному охлаждению нагрузка меди
повышается с 2,5 до 3 А! кв. мм. К этому присоединяется
и то обстоятельство, что масляный трансформатор нуждается
в меньшем количестве твердого изоляционного материала,
нежели сухой трансформатор. Судя по всему, обмотка у ма-
56	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
сляного трансформатора еще скорее должна достигнуть конеч-
ного повышения температуры.
И это действительно так. Но это конечное повышение
температуры измеряется между медью и маслом. Масло же,
со своей стороны, должно предварительно достигнуть своего
конечного повышения температуры относительно воздуха,
прежде чем окончится нагревание всего масляного трансфор-
матора. Масло оказывает полезное содействие процессу. Тепло-
емкость его весьма значительна и его можно иметь в должном
количестве. Главную часть допустимого общего повышения
температуры—согласно правилам до 60°С—принимает на себя
масло, медь нагревается в среднем только до 10°С относи-
тельно наивысшей температуры масла. Таким образом, у об-
мотки масляного трансформатора, по отношению к масляной
ванне, постоянная времени невелика: она приблизительно раз
в 10 меньше, чем у обмотки сухого трансформатора.
Из этого непосредственно следует, что перегружаемость
осветительного масляного трансформатора зависит только от
количества масла. Медь в несколько минут достигает своего
конечного повышения температуры относительно масла, между
тем как масло нагревается медленно. Проблема нагревания осве-
тительного трансформатора передвигается с обмотки на масло.
Постоянная времени у масла, которая, таким образом, при-
нимает на себя в масляных трансформаторах главную роль,
зависит, разумеется, от общих потерь трансформатора. Для
нее определяющим фактором является не максимальное, а сред-
нее повышение температуры масла. Таким образом, если
имеется
G.. кг масла, которое в среднем нагревается до
°C относительно воздуха, когда оно продолжительно
воспринимает
V ватт общих потерь трансформатора, при чем
ватт-сек.
с -----оп----теплоемкость масла,
° кг . С	’
то масляная ванна, теплонепроницаемо закрытая, достигла бы
конечного среднего повышения температуры в
с„ G- Дх„
•JT*	vo • о • о
секунд.
V
ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
57
Можно считать:
юпл ватт-сек.
С_ = 1800------
°	кг . °C
и при номинальной мощности, соблюдая осторожность:
Дт, = 40°С
и тогда получается для постоянной времени у масла выра-
жение
G-
Г = 72000 секунд.	(12)
Уравнение (12) показывает, прежде всего, что для освети-
тельных трансформаторов было бы правильно всегда делать
количество масла пропорциональным общим потерям. Только
тогда можно ждать от каждого осветительного трансформатора
одной и той же перегружаемости. Какого следовало бы тре-
бовать соотношения между весом масла и потерями при полной
нагрузке—это всецело зависит от желательной перегружаемо-
сти, от соотношения между требующеюся максимальной и но-
минальною мощностями, а кроме того, разумеется, от продолжи-
тельной максимальной мощности.
Мы должны снова обратиться к уравнению (На). В нем
можно понимать под t—продолжительность максимальной мощ-
ГТЧ	__ _ / Л/л
ности, под /-—постоянную времени у масла и под х = у
отношение максимальной к номинальной мощности, короче
говоря, коэффициент перегружаемости. Надо, впрочем, иметь
в виду, что общие потери трансформатора не растут пропор-
ционально квадрату мощности: ведь потери в железе не из-
меняются. Но при обычном распределении потерь ошибка эта
не велика и она, кроме того, дает весьма желательный запас.
Таким образом можно руководиться видоизмененным уравнением
\=4-
На рис. 4 показана для длящейся 4 часа максимальной
мощности зависимость необходимой постоянной времени у масла
от коэффициента перегружаемости. Кривая практически пред-
58
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ставляет собою прямую. Поэтому можно также с большим
удобством пользоваться уравнением
Г = 40000 (х —0,9),	(13)
как практическим средством определения необходимой постоян-
ной времени у масла. Мало того, можно еще с удобством вы-
разить также продолжительность максимальной мощности, ибо
уравнение (13) относится как раз к четырехчасовой максималь-
ной мощности. Для максимальной мощности, длящейся h часов,
необходимая постоянная времени у масла просто равна
Тб = А . (х — 0,9). 10* секунд.	(14)
Результат исследования становится очень наглядным, если
еще обратиться также к уравнению (12). Тогда можно сразу
определить, сколько ватт общих потерь на 1 кг масла может
иметь трансформатор при номинальной мощности, если он
должен на протяжении А часов выносить х-кратную номи-
нальную мощность. Очевидно,
И 7,2
9 = ~GT = Л (х-о,9) ^кг.
Пример. Пусть у осветительного трансформатора при его
номинальной мощности 100 kW потери составляют в железе
500 ватт, в меди—2 500 ватт, то есть всего 3 000 ватт, и пусть
его масляная ванна содержит 500 кг масла. Какую максималь-
ную мощность выдерживает он в продолжение 4 часов?
Имеем:
V = 3000 ватт,
G_ = 500 кг.
h =	4 часа,
значит:
и
х =-2^+ 0,9 = 1,2.
4.6 1
Трансформатор можно перегружать на 2О°/о.
Этот расчет нимало не учитывает того важного обстоятель-
ства, что повышение температуры меди растет заодно с на-
ПЕРЕГРУЖАЕМОСТЬ МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
59
грудкой. Но практически это обстоятельство имеет небольшое
значение. Речь всегда идет только об умеренных перегрузках»
кроме того, мы, осторожности ради, остановились на низком
значении среднего повышения температуры у масла. Если еще
вспомнить упомянутое выше обстоятельство, что потери
в железе по мере перегрузки не возрастают, то легко прийти
к убеждению, что мы избрали надежный путь расчета.
Пример показывает ясно, что при световой нагрузке масля-
ный трансформатор сулит совсем иные мощности, нежели
воспринимает даже сильные	рис.
толчки нагрузки, что он стой-
кий, надежный работник. Сухой трансформатор, в качестве
осветительного, почти совершенно неприменим.
Теперь экономическая проблема осветительного трансфор-
матора выступает в совершенно ином свете. В самом деле,
оказалось, что считаться можно и нужно не с номинальной,
а с максимальной мощностью. Иначе произошли бы чреватые
тяжелыми последствиями ошибки при решении проблемы цены
и коэффициента пол. действия осветительного трансформатора.
Кроме того, инженеру - производственнику весьма важно
знать, как судить ему о масляных трансформаторах по их
6о
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
количеству масла. Он уже не станет безучастно относиться
к усилиям конструктора по возможности уменьшить масляную
ванну. Для него, чем меньше масла в трансформаторе, тем он
дороже. Если написать уравнение (14) в виде
G. =0,14. К А. (х —0,9) w,	(14а)
то им можно непосредственно пользоваться при рассмотрении
предложений на трансформаторы. Потери при номинальной
мощности V (ватт) указаны в предложении: число часов макси-
мальной мощности h известно, х— это деньги. Масло не так
дорого, чтобы оно могло быть причиною реальных сбережений
при бедных маслом трансформаторах.
Приведенное в этом параграфе исследование показывает нам,
как неправильно поступает тот, кто останавливается просто
на самом дешевом предложении. Применительно к масляным
осветительным трансформаторам сличение величин потерь тоже
уже недостаточно. Но исследование показывает также, что
учение об эксплоатации приобретает вес, когда возникает
вопрос о бедных маслом типах: оно в этом случае чрезвычайно
помогает столковаться инженеру - производственнику и кон-
структору.
17. Распределение потерь.
Выяснив вопрос о действительной перегружаемости осве-
тительного трансформатора, мы можем теперь заняться вопросом
о распределении его потерь. Рассматривая годовой коэффи-
циент пол. действия осветительного трансформатора, мы
уже выяснили, как важно правильное распределение потерь
между железом и медью. Но только теперь проблема эта
созрела для решения. Требуется ведь правильно распреде-
лить потери при действительной нагрузке осветительного
трансформатора, при максимальной, а не при номинальной
его мощности.
Уже давно отношение потерь в меди к потерям в железе
является важною проблемой. Затаенная, но ожесточенная борьба
за это отношение ведется на протяжении десятков лет между
конструктором и инженером - производственником. Конструктор
знает, что самая дешевая конструкция достижима при оди-
наковых потерях в железе и в меди, инженер - производствен-
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ
6l
ник боится потерь холостого хода, он требует распределения
потерь в отношении 1:3, 1:4, часто 1 : 5. Подчас требования
превосходят всякую границу. Заказчик настаивает на макси-
мальном понижении железных потерь, совсем не считаясь
с потерями в меди.
Проблема — важная. Ее должно как следует решить учение
об эксплоатации. Преувеличения всегда стоят денег, в этом
случае — тоже.
В своей наиболее резкой форме разлад между конструктором
и инженером-производственником сводится просто к тому, что
первый стремится как можно выше поднять коэффициент полез-
ного действия при полной нагрузке, а второй—годовой коэф-
фициент полезного действия. Разумеется, обе эти цели весьма
расходятся между собою. Согласно изложенному в § 12, макси-
мальный коэффициент полезного действия достигается в том
случае, когда железо и медь принимают на себя равные доли
потерь. Максимальный годовой коэффициент полезного действия,
очевидно, обусловлен равенством электрических годовых потерь
в железе и меди. Осветительный трансформатор несет свои
потери холостого хода в продолжение 8740 часов в году, а полные
потери в меди — каких-нибудь 800 —1000, скажем, часов.
Поэтому, если конструктор считает идеальным отношение
потерь 1:1, то инженеру - производственнику рисуется пра-
вильным отношение 1 : 10. Расстояние огромно, соглашение
почти немыслимо. Понятно после этого, что многие электро-
станции оказывают сильнейшее давление только на потери
в железе. Отношение потерь, например, 1 : 3 или даже 1 : 4,
достигнутое конструктором с крайним трудом, все еще нимало
их не удовлетворяет.
И все же учение об эксплоатации может доказать, что эта
трудная проблема не так безнадежна, как это кажется. Прежде
всего, самая дешевая конструкция, с чисто производственной
точки зрения, совсем уж не предполагает непременного
равенства потерь в железе и меди. Неправильно, с другой
стороны, и то, что потери в трансформаторе обходятся де-
шевле всего в том случае, когда в течение всего эксплоата-
ционного года железо расходует столько же киловатт, сколько
медь.
62
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Давно уже известно, что на железо и на медь трансфор-
матора должна быть затрачена одинаковая сумма денег для
того, чтобы получилась наиболее экономичная конструкция. Вес
железа, сообразно с этим, должен во столько раз превосходить
вес меди, во сколько единица обмоточной проволоки дороже
единицы листового железа: отношение между ними должно быть,
следовательно, около 3:1.
Казалось бы, этого достигнуть легко. Но нельзя забывать,
что потери пропорциональны весам. В одном килограмме желез-
ного сердечника, при 10000 силовых линий/жа. см, потери
составляют около 1,8 ватт, в одном килограмме меди, при
1 А[кв. мм — около 2,5 ватт. Таким образом, если железо и
медь должны и в изготовлении обойтись в одну и ту же цену
и в эксплоатации давать одни и те же потери, то всякий раз
надлежало бы останавливаться на совершенно определенном
соотношении электромагнитных нагрузок. Это соотношение
легко указать. Потери в меди пропорциональны квадрату
плотности тока i (А/кв. мм), потери в железе — квадрату
плотности силовых линий В (силовых линий/xe. см). Из
уравнения
3.1,8 . (—--У = 1.2,5. i 2
\ IOOOO /
сразу получается
Трансформаторостроение стремится все больше повышать
нагрузки. Плотности тока и силовых линий не перестают расти.
Возникают все более производительные, охлаждающие устрой-
ства, дающие возможность сокращать веса железа и меди. Но
заботиться об отводе тепла — это еще не все. Ток холостого
хода в очень сильной степени зависит от плотности силовых
линий. Повышению нагрузки железа он ставит неодолимый
предел, между тем как плотности тока предоставляет неогра-
ниченную свободу.
При малых и средних мощностях уже трудно класть в основу
расчета больше 13000 линий/ка. см. В очень крупных транс-
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ 63
форматорах удается доходить до 15000 лтий/кв. см. Надо
было бы открыть совершенно новые сорта листового железа,
чтобы в этих цифрах можно было что-нибудь изменить.
Итак, для малых и средних трансформаторов нельзя было бы
пойти дальше 1,9 А/кв. мм (приблизительно) и даже для
трансформаторов - гигантов позволительна плотность тока всего
лишь в 2,2 А/кв. мм. Сухим трансформаторам и вправду
больше не требуется. Но масляный трансформатор, даже
малого типа, способен гораздо лучше использовать свою медь,
а крупный масляный трансформатор допускает до 5 А/кв. мм и
больше.
Конструктору приходится отступить либо от равенства
расходов на железо и медь, либо от равенства потерь в железе
и в меди. Он мог бы, поэтому, легко пойти навстречу инже-
неру-производственнику. Если ему при масляном охлаждении
легко достигнуть 2,5 А/кв. мм, то он сразу же мог бы полу-
чить отношение между потерями 1 : 1,7.
Минимальные значения расходов и потерь, как и вообще мини-
мальные и максимальные значения в учении о конструкции
машин, движутся по весьма пологой кривой. Это могло бы
содействовать соглашению с инженером - производственником.
Но более подробные исследования показывают, все же, что
разумнее допустить несколько небольших отклонений от не-
скольких идеальных конструктивных законов, чем одно большое
от одного закона. Поэтому конструктор сперва откажется
только наполовину от равенства потерь и наполовину от равен-
ства расходов. По этому пути он пришел бы, не считаясь
с заказчиком, к отношению 1 : 2.
Не мешает указать, что тут сухой трансформатор обнару-
живает свою конструктивную неудовлетворительность. У него—
косный охлаждающий аппарат, и он должен довольствоваться
незначительными плотностями тока. Он может быть построен
с отношением потерь 1 : 1. Тем самым он для световой нагрузки
непригоден.
Инженер-производственник тоже должен отбросить понятие
годового коэффициента полезного действия, как относящееся
к устарелой теории. Немного поразмыслив, он убедится, что
потери в железе и потери в меди не равноценны. Уже в § 14
64
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
нам пришлось вместо этого понятия ввести коэффициент
экономичности.
Даже при отсутствии других различий, обнаруживается
различие между дневною и ночною энергией. Далее, едва ли
существует хотя бы одна электростанция, которая бы совсем
не считалась с пиком нагрузки. Под давлением этих обстоя-
тельств даже самый строптивый заведующий эксплоатацией
понизит свои требования до 1:6, даже при тепловом хозяй-
стве электростанции. Он уверится, что большее неравенство
должно повлечь за собою одни только экономические недо-
статки.
Существует, впрочем, много станций, которые сами устана-
вливают свои осветительные трансформаторы и сами несут
расходы на потери трансформации. Если это — гидростанции,
то потери холостого хода им почти безразличны. Но если это
топливные станции, то для них нет различия между дневною
и ночною работою. Только еще пик нагрузки предостерегает
их от потерь в меди.
Но есть одно обстоятельство, с которым во всяком случае
необходимо считаться, совершенно независимо от того, обхо-
дится ли или не обходится каждый потерянный киловатт
в одну и ту же сумму, — то обстоятельство, что неправильно
руководиться отношением потерь при номинальной мощности.
Только распределение потерь при действительной, принятой
за постоянную в продолжение осветительного периода, макси-
мальной мощности имеет для инженера - производственника
действительное значение.
Но произведенные в предыдущем параграфе исследования
показывают нам, что максимальная мощность осветительного
масляного трансформатора по меньшей мере на 2О°/о превышает
номинальную. Таким образом, действительные потери в меди
на 44°/о выше указанных в предложении. Стало быть и со
стороны работающих на угле городских электростанций пра-
вильно будет уменьшить свои требования касательно распре-
деления потерь до 1 : 6 при номинальной мощности.
Сгладить все еще крупное противоречие между 1 : 2 и 1: 6—
это задача учения об эксплоатации. Разумеется, насильственное
согласование этих тенденций недопустимо и решающими должны
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ
65
быть только экономические соображения. На деле возможно
дальнейшее сближение обоих соотношений, каждое из которых
мы установили только с одной точки зрения; для этого нужно
лишь, чтобы конструктор понял запросы эксплоатации,
а инженер - производственник — недостатки ненормальных
конструкций.
Прежде всего конструктор охотно согласится, что малые
и средние трансформаторы выгодно строить с усиленными
ярмами. Тогда ослабевает ток холостого хода. Кроме того,
улучшается охлаждение железного сердечника. Лучше, оче-
видно, использовать сильнее железо в тех местах, где его охва-
тывает обмотка, потому что тогда сокращается длина витков.
Уменьшение потерь в железе путем увеличения сечения ярма
обходится недорого.
Далее, конструктор согласится, что он располагает еще
другими вспомогательными средствами, позволяющими изме-
нить отношение потерь без сколько-нибудь заметных расхо-
дов. Таков, например, выбор прямоугольных сечений для
колонн.
Наконец, при проектировании осветительного трансформатора
равенство расходов на железо и на медь можно все же соблюсти
в большей мере, чем равенство потерь в железе и в меди.
Прибегнув ко всем этим средствам, легко достигнуть без
сколько-нибудь значительных жертв отношения потерь 1 :3.
За этой границей конструкция быстро становится дороже.
Как ни пологи кривые изменений, как ни податливы правила
проектирования, значительные отклонения от пропорций иде-
альной конструкции караются. Инженер - производственник
должен осознать, что в общем он начинает нести ущерб, когда
переходит приблизительно за черту 1 :4. На коэффициенте
экономичности он выигрывает; выигрывает также, если уж это
непременно требуется, на годовом коэффициенте полезного
действия, но он больше теряет на первоначальных затратах
и на общих расходах.
Вопрос о распределении потерь при номинальной мощности
тем самым выяснен в общих чертах. И только теперь мы можем
исчерпать проблему экономичности осветительного трансфор*
матора.
Эксплоатация трансформаторов	5-
66
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
18. Экономичность осветительного трансформатора.
Оценить с экономической точки зрения осветительный
трансформатор — это, очевидно, довольно сложная задача, и
предложения на осветительные трансформаторы требуют, не-
сомненно, гораздо более углубленного изучения, чем предложе-
ния на силовые трансформаторы. Впрочем, приведенные выше
исследования позволят инженеру - производственнику вполне
ориентироваться в этой задаче. Необходимо эти результаты
резюмировать.
Оплата процентами и погашение капитала, вложенного
в осветительный трансформатор, происходят, разумеется, на
тех же основаниях, как и у силового трансформатора. Цена
остается главным фактором в проблеме экономичности. Ослож-
нения возникают при определении потерь энергии.
Прежде всего должно быть определено отношение х допу-
стимой максимальной мощности к номинальной. Согласно урав-
нению (14а) оно зависит от общих потерь V (ватт) при номи-
нальной мощности и от веса масла Gs (кг), если условия экс-
плоатации выражены продолжительностью А (часов) максималь-
ной мощности, как величиною данною.
Имеем:
х = 7,2 ..
Теперь только можно определить потери, которых действи-
тельно следует ждать, из потерь в железе И (ватт) и потерь
в меди Vk (ватт) при номинальной мощности. Они составляют
в железе И ватт и в меди Vk . х2 ватт.
Когда, таким образом, все вспомогательные величины для
второй части расчета экономичности установлены, то нужно
еще только правильно определить теряющуюся энергию. Необ-
ходимые для этого опорные точки указаны в предыдущем
параграфе.
Здесь не мешает, пожалуй, напомнить, что в каждом пред-
ложении содержатся необходимые для расчета экономичности
величины, но что одна из них дается в завуалированном виде
и именно — потери в меди при номинальной мощности.
ЭКОНОМИЧНОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
6?
Обычно мы находим в предложениях, вместо потерь в меди,
падение напряжения при номинальной мощности и при cos у =
= 1. Но омическое падение напряжения при номинальной мощ-
ности—это произведение из номинальной силы тока J (ампер)
на омическое сопротивление г (омов) обмотки:
&Er =J . г.
Оно, поэтому, в сотых долях от номинального напряже-
ния Е (вольт) выражается в форме
Де =100
r	ZL
Если справа умножить числитель и знаменатель на J, то
вверху получаются потери в меди, внизу — мощность транс-
форматора. Следовательно, падение напряжения при номиналь-
ной мощности и cos <р=1
равно стольким же со-
тым долям номиналь-
ного напряжения, сколь-
ко сотых долей номи-
нальной мощности при-
ходится на потери в меди.
Подчеркнем и здесь,
что для суждения об
осветительном транс-
форматоре никаких данных, кроме указанных выше, иметь
не надо. Нет, например, никакого смысла интересоваться весом
меди, как это делают часто. Ничего этот вес не говорит, разве
что медь представляет ценность как материал, в виду возмож-
ности когда-нибудь реализовать ее. Но в этом смысле цен-
ность трансформатора есть столь неопределенная величина,
что едва ли для нее может быть мерилом вес меди.
Расчет экономичности, каким он здесь приведен, основан
на простом графике нагрузки рис. 5. Точность расчета весьма
зависит, разумеется, от достоверности этого графика. График
необходимо проверить.
Прежде всего легко видеть, что в зависимости от времени
года число часов А максимальной мощности должно сильно
колебаться. Но при оценке этой важной величины не следует
5*
68
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
обнаруживать чрезмерную осторожность. Существует один
выравнивающий фактор, влияющий сильно, — температура воз-
духа.
Зимою, во время долгих осветительных периодов, воздух
холоден. Трансформатор выносит соответствующее правилам
повышение температуры, когда температура воздуха на рас-
стоянии 1 м равна 35°С. В разгаре лета можно предполагать
такую температуру, зимою можно с уверенностью рассчитывать
на сильное добавочное охлаждение. Уже разность температур
в 10°С дает очень много. Если осветительный трансформатор
при максимальной мощности развивает х2. Vватт потерь и имеет
Gd кг масла, то ему понадобится больше
1800. G5
10 ‘ ~^Tv~ секУ«Д,
чтобы нагреться на 10°С. Выиграть на этом один час
легко.
Далее, не следует забывать, что действительный график
нагрузки, разумеется, не так круто растет и убывает, как гра-
фик, положенный в основу расчета: подлинными ординатами
являются не мощность, а квадраты мощности. Кроме того,
имеется еще небольшой запас, содержащийся в том предпо-
ложении, что потери в железе тоже растут пропорционально
квадрату перегрузки.
Наконец, весьма важно отметить, что опасность минует,
как только период нагрузки начинает затухать. Убывающая
мощность обычно в счет не идет. Только охлаждение транс-
форматора замедляется, когда световая нагрузка не быстро
убывает.
Таким образом, остается невыясненным еще только один,
немаловажный вопрос, действительно ли трансформатор успе-
вает охладиться до нового периода нагрузки. И тогда оказы-
вается, что не годится все же слишком высоко поднимать
постоянную времени у масляной ванны.
Как известно, во время периода охлаждения повышение
температуры убывает по уравнению
_____________t_
~т~
Дт — Дт • е
о
ЭКОНОМИЧНОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
6р
Оно опускается до одной сотой своего максимального зна-
чения Дто в 4,6 Т секунд.
Поднимать постоянную времени у масляной ванны освети-
тельного трансформатора выше 15 000 секунд не рекомендуется.
При этом предельном значении и 4 часах максимальной
нагрузки, максимальная мощность все еще была бы на 25%
выше номинальной. Низкая ночная температура является для
инженера-производственника гарантией, которую не следует
недооценивать. Она энергично содействует охлаждению.
Из соображений, здесь приведенных, и из уравнения (14а)
вытекает ценное руководство для правильного расчета осве-
тительного трансформатора. В хорошо построенном трансфор-
маторе потери при номинальной мощности должны составлять
приблизительно 5 ватт на 1 ю масла. Он может тогда без
труда выносить перегрузку в 25% в продолжение 4 часов
и всегда будет в достаточной мере охлаждаться. Большее
количество масла не поддается полному использованию, мень-
шее опасно для обмотки. Несомненно, не мешает привести
в заключение нашего исследования пример расчета экономич-
ности осветительного трансформатора.
Пример. Накладные расходы по трансформации в осве-
тительном трансформаторе подлежат определению на основа-
нии следующих данных:
Продолжительность максимальной мощности принята рав-
ною 4 часам. Дневная энергия оценивается в 0,10 Л/, ночная—
в 0,04 М за киловатт-час.
Номинальная мощность	=	100	kVA
Потери в железе	=	500	W
Падение напряжения при cos ср = 1 = 2,5%
Вес масла	=	500	кг
Цена	=2000	М
Оплата % % и погашение ка-
питала = 12,5%
Расходы на капитал составляют 2000.0,125 = 250 М в год.
Потери в меди при номинальной мощности:
2 5 IOOOOO  25оо
IOO
7о
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Общие потери:
5004-2500 = 3000 W.
Согласно приведенному в § 16 расчету, допускаемая макси-
мальная мощность, держащаяся 4 часа, соответствует при вы-
численных потерях и указанном количестве масла перегру-
жаемости в 20%. Таким образом, полностью использованный
трансформатор развивает 120 к W.
При этой максимальной мощности потери в железе неиз-
менно составляют 500 ватт. Потери в меди поднимаются,
конечно, до
2500 .(—¥ = 3600 W.
\ioo/
Во время сильной световой нагрузки, зимою, трансформа-
тор потребляет в продолжение 20 часов по 0,5 kW в час,
в продолжение 4 часов — по 4,1 к W в час ежедневно. Но если
для всего года принять 760 часов полной нагрузки и 8000 часов
холостого хода, то получается 8000.0,5 = 4000 дешевых и
760.4,1 =3116 дорогих теряемых киловатт-часов.
Они стоят
4000.0,044-3116.0,1 = 427,6 М.
Общие накладные расходы на трансформацию составляют,
следовательно,
2504-427,6 = 677,6 М
или:
?7’7— = 0,0074 Mik Wh
76O .120
отданной полезной мощности.
Из этого примера видно, что распределение потерь при
указанных ценах на энергию невыгодно. Потери в меди, несо-
мненно, слишком велики. Поэтому и на теряемую энергию
расходуется гораздо больше, чем на капитал.
Далее этот пример показывает, что при работе на осве-
щение по вине трансформатора заметно удорожается энергия.
Вообще, расчет экономичности дает ясную картину свойств
осветительного трансформатора и только этот расчет позво-
ляет инженеру-производственнику правильно выбирать транс-
форматоры.
III. ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА.
19.	Значение тока холостого хода.
В предложениях на трансформаторы редко приводятся дан-
ные относительно тока, потребляемого работающим в холо-
стую трансформатором. Конструктор указывает его неохотно.
Этот ток с трудом поддается вычислению, в сильной степени
зависит от случайностей и может быть гарантирован только
с большим допуском.
Инженеру-производственнику ток холостого хода трансфор-
матора известен, как неиэбежное зло. Он знает, что без нама-
гничивающих токов не существует трансформации; знает, однако,
и то, что этот ток холостого хода — безваттный ток, ухудшаю-
щий угол сдвига фаз, обременяющий сеть и генераторы.
Долгое время на ток холостого хода у трансформатора
обращали мало внимания в силовом и осветительном хозяй-
стве. Он и вправду имеет мало значения по сравнению с током
холостого хода у электродвигателей. К тому же силовые уста-
новки, покупающие электрическую энергию, в широких преде-
лах получают бесплатно безваттную мощность. Они обязаны
соблюдать известный сдвиг фаз и достигают этого посред-
ством целесообразного использования электродвигателей. Со
стороны усовершенствования трансформатора им мало прихо-
дится ждать помощи, когда режим работы сам по себе пред-
полагает потребление значительных безваттных мощностей.
Вот почему они в этом отношении не склонны чинить затруд-
нения конструктору при приобретении единичного трансфор-
матора.
Но с течением времени конструктор все больше перегружал
железо. Ток намагничивания возрастал с непомерной быстротой.
72
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
На это, наконец, обратил внимание инженер-производственник.
Так возникла проблема холостого хода в виде новой экспло-
атационной проблемы.
Большая электростанция, имеющая очень много малых
трансформаторов, может при известных обстоятельствах на-
копить весьма крупную безваттную мощность, обусловленную
одною только трансформацией. Нельзя упускать из виду, что
редко удается обойтись однократною трансформацией. Со
станции в линию дальней передачи надо прежде всего напра-
влять полную станционную мощность, и установленные в начале
линии крупные трансформаторы сперва повышают ток до вы-
сокого напряжения. У конца линии дальней передачи часто
имеется сеть среднего напряжения, которой поручено даль-
нейшее распределение энергии. Следующими ступенями служат
затем местные сети, тоже еще работающие под высоким на-
пряжением. Так получается почти всегда двукратная и нередко
четырехкратная трансформация.
Если даже трансформатор потребляет ток холостого хода
в размере всего лишь 1О°/о, то все же этим обусловлена без-
ваттная мощность в размере 2О°/о, а то и 4О°/о. Это становится
обременительным явлением. Инженер-производственник видит,
что плохо использована сеть, плохо нагружены генераторы.
Ему вдруг уясняется, что он должен преподать конструктору
какие-то указания, и сейчас же после этого он обнаруживает
склонность к преувеличениям.
За последние годы часто приходилось наблюдать непомер-
ные требования. Выполнимы они были только ценою больших
расходов, которые инженер-производственник не хотел, а кон-
структор не мог на себя принять. Учение об эксплоатации
обязано разрешить этот спор, помочь обеим сторонам стол-
коваться.
Трансформаторостроение давно уже, впрочем, не склонно
усиливать ток холостого хода. Оно остановилось на опреде-
ленных насыщениях, которые находятся в пределах от 13000
до 15000 линий/кв. см. Намагничивающий ток—это коварное
явление: маловажное с виду, оно способно своими послед-
ствиями причинить большие заботы конструктору. У малых
масляных трансформаторов случалось наблюдать при холостом
ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА И РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ
73
ходе весьма любопытные добавочные потери, возникающие
при сильных насыщениях железа. Пришлось ограничиться,
поэтому, 13 000 силовыми линиями/кв. см, и только для боль*
ших трансформаторов можно было подняться выше. Для этого
вовсе не понадобилось конфликта с инженером-производствен-
ником.
Но и медь в трансформаторостроении все больше нагру-
жается, и это влияет на ток холостого хода. Когда при не-
измененной конструкции растет ток полной нагрузки, то остаю-
щийся без изменения ток холостого хода становится относи-
тельно меньше. Когда сечение меди уменьшается и вследствие
этого сокращается потребное для обмотки пространство, то
уменьшается и железный сердечник, так что силовые линии
становятся короче и ток холостого хода падает.
Итак, без давления со стороны эксплоатации ток холостого
хода у трансформатора давно уже убывает. Возникает, поэтому,
вопрос, нужно ли требовать еще большего от конструктора.
Еще важнее вопрос, чего можно от него требовать вообще.
Нельзя требовать физически невозможного.
Без подробного исследования ответить на все эти вопросы,
конечно, немыслимо. Впрочем, детали, интересующие только
конструктора, мы оставим без рассмотрения.
20.	Ток холостого хода и рабочее напряжение.
Очень часто инженер-производственник взводит напраслину
на конструктора. Заметив в эксплоатации, что трансформаторы
потребляют весьма сильные безваттные токи и что сдвиг фаз
резко увеличился, он в испуге прекращает работу трансфор-
маторов и, не долго думая, винит конструктора в грубой
ошибке.
Но методическая проверка показывает, что все в порядке.
Ток холостого хода совсем не так опасен, трансформатор все
еще таков, каким он был при приемке. Железные листы не
„состарились", никакого замыкания через железо не обна-
ружено.
Что же случилось? Если изъян таится не в трансформаторе,
то его нужно искать в самой эксплоатации. И тут оказывается,
74
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
что рабочее напряжение выше, часто гораздо выше номиналь-
ного, например, 6600 вольт вместо 6000 вольт.
Разумеется, напряжение повысилось не вследствие неради-
вости персонала. Несомненно, это произошло по веским моти-
вам. В отдаленных частях сети плохо горели лампы. Двигатели
развивали недостаточный момент вращения. На станции при-
шлось поднять напряжение. Но как же можно в этом винить
конструктора?
Он очень часто услышит в грубой форме ответ, что транс-
форматор должен быть в состоянии выносить небольшие по*
вышения напряжения. Ему покажут старые трансформаторы,
которые нечувствительны к повышенному напряжению. Винов-
ным остается он, если между ним и инженером-производствен-
ником нет взаимного понимания.
Им обоим надо присмотреться к кривой намагничения
железа (рис. 6). Из нее видно, как необыкновенно быстро
растет по мере насыщения железа ток намагничения, прак-
тически тождественный с током холостого хода. При 13000
силовых линиях/лв. см нужно иметь 8,5 ампер-витков на ка-
ждый сантиметр пути силовых линий. Когда напряжение повы-
шается на 1О°/о, то на 1О°/о увеличивается, конечно, и плотность
силовых линий. Между тем, при 14 300 силовых линиях/лв. см
железо требует уже 15 ампер-витков: намагничивающий ток
почти удвоился.
В старых трансформаторах железо насыщалось умеренно.
Жесть была раньше так плоха, что даже при слабой нагрузке
вызывала большие потери холостого хода. Разумеется, тогда
и нормальный намагничивающий ток был незначителен, ибо
лучшая жесть уменьшила, правда, потери, но не улучшила
кривых намагничения. При 10000 силовых линиях/кв. см
требуется около 4 ампер-витков, при 11000—немного больше 5.
Вот почему старые трансформаторы выносят повышенные
напряжения.
В настоящее же время конструктор вынужден требовать,
чтобы инженер-производственник указал ему правильно номи-
нальное напряжение. Он ведь не знает условий эксплоатации.
Было бы более, чем неразумно, оплачивать невнимательность
инженера-производственника значительной затратою материала
ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА И РАБОЧЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ
75
и останавливаться из-за нее на небольших плотностях сило-
вых линий.
Правда, инженер-производственник совсем не может точно
указать, под каким напряжением, в сущности, будет работать
трансформатор. Он не способен предугадать, как будет раз-
виваться его сеть. Кроме того, он прав, когда желает, чтобы
ему была гарантирована применимость трансформатора в раз-
личных частях сети.
Тем не менее, это не дает ему права требовать слабого
насыщения железа. Нельзя забывать, что вторичное напряжение
находится в неизменном соотно-
шении с первичным. Хотя бы по
этой причине надо бы указывать
правильно первичное напряжение.
Если, тем не менее, инженер-
производственник не в состоянии
определить рабочее напряжение
с точностью до 5 или хотя бы до
10%, то он должен, по крайней
мере, откровенно заявить об этом
конструктору, так как для таких
случаев существует хорошее вспо-
могательное средство — ответвле-
ния.
Правильный режим работы
предполагает поддержание напря-
жения постоянным в пределах не
свыше 10%. Поэтому первичная
обмотка устраивается так, чтобы
напряжение можно было изменять в пределах + 5°/о; тогда
она не слишком удорожается и вместе с тем предотвращает
недопустимые токи холостого хода, ибо удерживает плотность
силовых линий в тесных границах.
За последние годы ответвления сделались уже необходи-
мою принадлежностью трансформатора. Конструктор приобрел
опыт. Он уже не ждет указаний от инженера-производственника и
сам снабжает обмотку ответвлениями. Тем самым он ограждает
себя от неосновательных упреков, неприятных во всяком случае.
76	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При таком положении вещей проблема тока холостого хода
становится подлинно эксплоатационною проблемою. Что она,
тем не менее, очень покамест неясна,—этому удивляться не
приходится. Ответвления тоже не в состоянии предотвращать
заметные изменения тока холостого хода.
Но как ни трудно гарантировать силу тока холостого хода
трансформатора, теория все-таки может значительно помочь
делу. Относительно простыми средствами можно показать
инженеру-производственнику, когда он бывает несправедлив
к конструктору, когда его вмешательство неосновательно
и когда его требования бессмысленны. Но прежде всего можно
легко и ясно доказать внутреннюю связь проблемы тока холо-
стого хода с другими эксплоатационными проблемами.
21.	Зависимость тока холостого хода от потерь в железе*
Инженеру-производственнику тоже не мешает проверить,
какое, в сущности, значение может приобрести намагничиваю-
щий ток трансформатора. Расчет должен быть очень прост.
Но от этого простого расчета, казалось бы, мало можно ждать
непосредственной пользы для учения об эксплоатации. По-
видимому, этот расчет касается только конструктора.
Замечательно, однако, что можно, тем не менее, притти
к озадачивающим результатам, если взять на себя труд вы-
числить ток намагничивания. Особенно это относится к ин-
женеру-производственнику. Он, к удивлению своему, убедится,
что должен крайне тщательно отнестись к вопросу о токе
холостого хода. Мало того, он сможет прийти к выводу, что
эта величина была ему, в сущности, как следует совсем неиз-
вестна.
Ток холостого хода составляется из ваттного тока, покры-
вающего потери в железе, и тока безваттного, который на-
магничивает железный сердечник. Ваттный ток, разумеется,
пропорционален потерям. Он находится в таком процентном
отношении к току полной нагрузки, в каком потери в железе
находятся к полной мощности. Очевидно, он имеет небольшое
значение для силы тока холостого хода. Главную роль играет
намагничивающий ток.
ЗАВИСИМОСТЬ ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА ОТ ПОТЕРЬ В ЖЕЛЕЗЕ 77
Число ампер-витков первичной обмотки, необходимых для
пропуска магнитного силового потока с неизменною плотно-
стью В [силовых линий кв. сл<] через сердечник трансфор-
матора (рис. 7), как известно, пропорционально средней длине
силовых линий I (см); кроме того, оно является функцией от
плотности силовых линий. Таким образом
/// •w—• f (fi)-
(15)
Здесь Jo обозначает действующее значение намагничиваю-
щего тока, w — число витков первичной обмотки. Число на-
магничивающих ампер-витков, приходящееся
на один сантиметр пути силовых линий,/(В),	-----j------
может быть непосредственно взято из кри-	~1_
вой намагничения при постоянном токе. Так	I	!
как в основу расчета всегда кладется, как	[	!
известно, максимальное значение плотности	Ь	•
линий, то этим путем определяется, в сущ-	|
ности, и максимальное значение У2 • Jo на- i---------
магничивающего тока.	v j_______
Обе части уравнения (15) удобно умно-
жить на величину напряжения одного витка, Рис. 7.
которая, как известно, дается выражением
27Г
е= • F .В.чЛЪг* вольт,
1/2 е
где F обозначает сечение железа в квадратных сантиметрах,
a v — число периодов. Так получается уравнение:
/.w.e = K.v. 10-8 В./(В). le.F.
Слева мы видим прежде всего первичное напряжение ш.е,
справа—объем Ze . Fe железа. Если намагничивающий ток вы-
разить в процентах от тока полной нагрузки, то мы получаем
далее:
100	e = K.v,10_° .B.f
Теперь легко в правой половине уравнения вместо объема
получить вес G9 (кг) железного сердечника, и следующий шаг
от веса железа к потерям в железе Ие (ватт) тоже совершить
i*
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
нетрудно. Если при 50 периодах и 10000 силовых линий/кв.
см) каждый килограмм железного сердечника потребляет
ке ватт, то, очевидно,
Ve = ke Ge (Я-™'4)2.
Так мы приходим, при удельном весе железного сердечника
7,5 кг/куб. дм, к уравнению:
100.
Теперь мы видим слева номинальную мощность J.w.e> к ко-
торой удобно отнести потери в железе, при чем их тоже лучше
всего выразить в процентах. Для намагничивающего тока:
д = юо,А %
и для потерь в железе:
® =100
е	J we
уравнение гласит в окончательном виде при 50 пер. в сек.
. f (В)
Jo— k'.B.io-i ve°l0-	(16)
Как это ни странно, результат гласит:
Намагничивающий ток трансформатора пропорционален
выраженным в процентах потерям в железе. Он зависит
только от них, от плотности силовых линий и от удель-
ной величины потерь в железе. При этом он совершенно не
зависит от формы железного сердечника.
Прежде, чем мы выведем из уравнения (16) те следствия,
которые ценны для учения об эксплоатации, сообщим еще
некоторые сведения для их практического применения. При
сооружении трансформаторов применяются два сорта листового
железа—„легированная" и „высоколегированная" жесть: первая
обладает удельной величиною потерь, немного превышающею
2,3 ватта/кг, вторая — приблизительно 1,8 ватта/кг, при чем
всякий раз присчитываются неизбежные добавочные потери.
Особое значение имеет, разумеется, выражение
f (В)
В. ю”4 ’
ТОК ХОЛОСТОГО ХОДА и мощность
79
Его стоит изобразить графически. Руководясь кривою на-
магничения рис. 6, мы без труда получаем диаграмму рис. 8.
Она позволяет удобно определять намагничивающий ток.
22.	Ток холостого хода и мощность.
Перед инженером-производственником, после приведенного
в предыдущем параграфе исследования, возникает внезапно
совершенно ясная картина. Ему придется отказаться от многих
неправильных представлений.
Теперь он обозревает воз-
можности и открывает важ-
ные практические обстоятель-
ства.
Прежде всего интересно
изучить зависимость тока хо-
лостого хода от мощности
трансформаторов. В опреде-
ленной серии типов насыще-
ние железа, плотность ли-
ний В, не изменяется, как это
было объяснено в главе I.
Потери, в том числе и по-
тери в железе, растут про-
порционально кубу линей-
Рис. 8.
ных размеров конструкции,
совершенно так же, как и веса. Мощность возрастает, как
это нам известно из § 3, пропорционально 4-ой степени раз-
меров. Таким образом, выраженные в процентах железные
потери в пределах одной серии типов обратно пропорциональны
линейным размерам и в то же время корню 4-й степени из
мощности.
Ток холостого хода не перестает убывать по мере того,
как мы подымаемся по шкале мощностей. Если он при 100 kW
составляет 1Оо/о» то при 10000 kW он будет составлять только
немного больше 3°/0-
Отсюда—два вывода. Во-первых, понятно, что конструктор
по мере роста мощности допускает все большее насыщение
железа. Ограничиваясь при малых трансформаторах 13 000 си-
8о
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ловыми линиями*/?. см, он не боится допускать 15000 сило-
вых линий/кв. см при 100 000 kW.
С другой стороны, инженер-производственник видит, что
опасность для его установки заключается во многих малых
трансформаторах распределительной сети. Крупные трансфор-
маторы, находящиеся в начале и в конце линии дальней пере-
дачи, не особенно ухудшают условия. У них токи холостого
хода очень невелики.
Чрезвычайное значение для инженера-производственника
имеет далее тот вывод, что вопрос о токе холостого хода
и вопрос о потерях в железе тесно между собой связаны. По-
куда от конструктора требуются только очень небольшие
железные потери,—все в порядке. Ток холостого хода будет
падать заодно с потерями. Опасно же требование одновре-
менного значительного понижения обеих этих величин, хотя»
казалось бы, оно вполне естественно. Дело в том, что с обеих
сторон уравнения (16) необходимо соблюдать одинаковую
меру, так как в противном случае поддерживать его можно только
путем влияния на плотность силовых линий.
Инженер-производственник должен знать, что предписывать
одновременно потери в железе и ток холостого хода, значит
предписывать определенное насыщение железа. Но плотностью
силовых линий определяется цена конструкции. Такое предпи-
сание обходится недешево. Мало того, легко может случиться,
что требования окажутся вообще невыполнимыми. Величина
/(В)	я
имеет некоторое минимальное значение и превзойти его
значит парализовать все дальнейшие усилия.
За последние годы давление на потери в железе возросло
так быстро и сильно, что конструктору пришлось почти отка-
заться от худшей жести. Легированная жесть, до мировой
войны применявшаяся еще широко, ныне почти исчезла в транс-
форматоростроении.
Высоколегированная жесть, правда, принесла с собою зна-
чительно меньшую удельную величину потерь, но не могла
улучшить кривую намагничения. Ток холостого хода, при оди-
наковой конструкции двух железных сердечников, чуть ли не
больше у сердечника, построенного из лучшей жести.
ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР МЕЖДУ ЯРМОМ и колоннами 8 т
Инженер-производственник, успешно вступивший в борьбу
с потерями в железе, не понимает, почему он при борьбе
с током холостого хода наталкивается на большее сопротивле-
ние. Если ему картина неясна, то он легко склоняется в сто-
рону эксцессов. Вот почему действительно было необходимо
и в учении об эксплоатации заняться расчетом тока холостого
хода у трансформатора.
Если вдуматься в полученные до сих пор результаты
и предположить при малых и средних мощностях, что конструк-
тор допускает приблизительно 13000 силовых линий/ка. см,
то надо считать, что в случае применения высоколегирован-
ной жести ток холостого хода приблизительно в 9 раз больше
потерь в железе, поскольку обе эти величины выражены
в процентах. Однако, этот предварительный практический
результат нужно еще исследовать подробно.
23.	Воздушный зазор между ярмом н колоннами.
Предписанные токи холостого хода.
Задача намагничивающего тока в трансформаторе заклю-
чается не только в порождении силового потока, проходящего
через железо. При более подробном исследовании, на пути
силовых линий обнаруживаются еще другие, с виду небольшие,
в действительности весьма значительные сопротивления, которые
тоже приходится преодолевать. Для этого требуется добавоч-
ный намагничивающий ток.
Железный сердечник составляется из секций листового
железа. Но переход от колонны к ярму невозможно выполнить
сплошь железным. В каком-нибудь месте, проще всего как
раз между колоннами и ярмом, должен возникнуть воздушный
зазор, иначе обмотку вообще невозможно было бы насадить
на колонну. Существует ряд остроумных способов соединения
в нахлестку листов колонны и ярма, более или менее гаранти-
рующих силовому потоку путь через железо. Пришлось при-
мириться с несколько затруднительною работою по сборке,
только бы избегнуть воздушного зазора.
Такие конструкции вполне оправдались* но одновременно
выяснилось, что даже при наилучшем перекрытии листов
Эксплоатация трансформаторов	6
82
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
у каждой колонны остается все еще воздушный зазор порядка
Vio миллиметра. Необходимо, стало быть, наряду с вычислен-
ным выше намагничивающим током предвидеть еще и добавоч-
ный ток для намагничивания воздуха.
Казалось бы, этот ток намагничивания воздуха совсем не-
значителен. В самом деле, при 13 000 силовых линиях/кв. см
вызываемый им расход составляет для каждой колонны только
0,8.0,1.13000 -о
-----—_-----= 73 ампер-витка.
Но этот расход производится независимо от того, велик ли
трансформатор или мал. Напряжение витка в определенной
серии типов убывает заодно с сечением железа, т. е. пропор-
ционально квадрату линейных размеров и, следовательно,
корню квадратному из мощности. Число ампер-витков обмотки
при полной нагрузке убывает в той же мере. Следовательно,
будучи отнесен к этому числу ампер-витков при полной на-
грузке, расход в воздушном зазоре растет пропорционально
квадратному корню из мощности.
У трехфазного трансформатора мощностью 100 kVA на-
пряжение витка равно приблизительно 4,5 вольт. При полной
нагрузке число ампер-витков с первичной и вторичной стороны
составляет по
IOOOOO __
--------= 7400 ампер-витков.
3-4,5	н
Ток намагничивания воздуха при 13000 линиях 1хв. см соста-
вляет, следовательно, около 1°/о-
Малый трансформатор мощностью 1 kVA должен будет
держать наготове для воздушного зазора 1О°/о от тока полной
нагрузки. Чем меньше мощность, тем вреднее ток намагни-
чивания воздуха. Общий намагничивающий ток становится,
следовательно, гораздо обременительнее, когда установка имеет
только малые трансформаторы, чем это могло казаться на
основании приведенных выше исследований.
Малый трансформатор, так сказать, вырождается. Он за-
ставляет конструктора все больше уменьшать плотность сило-
вых линий. При совсем малых мощностях, у делителей на-
пряжения, могут возникнуть столь невыгодные условия, что
ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР МЕЖДУ ЯРМОМ И КОЛОННАМИ
83
конструктор окажется пред лицом совершенно неразрешимых
проблем.
В старых установках порою встречаются местные сети
с относительно высоким вторичным напряжением распределе-
ния, например, 500 вольт. В каждом доме приходится тогда
иметь небольшой трансформатор мощностью от 1 до 2 kW,
понижающий напряжение, например, до 110 V. Система эта
в основе своей хороша, но злополучна. Ее цель—сбережение
меди в местной сети и удешевление ламп; на деле же она
приводит к расточению энергии в трансформаторах и к значи-
тельным безваттным токам.
Считаясь, среди остальных факторов, и с током намагни-
чивания воздуха, мы можем теперь высказать заключительное
практическое суждение по вопросу о токе холостого хода.
В предыдущем параграфе мы установили, что при 13000 сило-
вых линиях/кв. см ток намагничивания железа, выраженный
в процентах, должен быть примерно в 9 раз больше железных
потерь, также выраженных в процентах (от мощности). При
мощности 100 £К4 непременно надо будет допустить плот-
ность силовых линий 13000 линий/кв. см. Тогда для общего
намагничивающего тока эта кратность поднимается с 9 при-
близительно до 10.
Номинальная мощность kVA 1	бооо вольт Потери холостого хода W	Ток холостого хода °/о	Если соблюсти эту кратность для малых и средних мощно- стей, то получаются вполне приемлемые цифры. У масля-
1 5	1 70	16 4	ного трансформатора мощно- стью 100 kVA потери в железе составляют около 600 ватт. Ток
ю	1Х5	13	холостого хода составлял бы
20	190	IO	тогда 6%. Против этого ин-
3°	255	9	женер-производственник возра-
5°	370	8	жать не будет.
75	490	7	В Правилах и Нормах Чехо-
IOO ведены дл;	ООО я нормальн	Словацкого Электротехниче- ского союза, изд. 1925 г., при* ых масляных трансформаторов трехфаз-	
ного тока, находящихся длительно в работе, рядом стоящие
6*
84	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
гарантированные значения тока холостого хода. Они соответ-
ствуют кратности 10—11. В Чехо-Словакии станции работают
на угле. Эти нормы служат хорошим доказательством того?
что и по вопросу о токе холостого хода можно достигнуть
действительно безупречного соглашения между конструктором
и инженером-производственником.
Так как конструктор, считаясь с высшими гармониками
намагничивающего тока, неохотно за последние годы допускает
больше 13000сцловых линий на кв. см при мощности 100 kVW
и так как, с другой стороны, инженер-производственник
удовлетворяется кратностью 10, то в виде практического
результата нашего исследования можно без колебаний форму-
лировать требование:
ток холостого хода в % % jq
потери холостого хода в
Оно, впрочем, дает повод к некоторым дальнейшим сообра-
жениям, которые и для учения об эксплоатации представляют
известную ценность.
24.	Малые трансформаторы. Утолщение ярма.
В области малых мощностей, считая приблизительно от
100 kVA вниз, по мере убывания мощности становится все
труднее соблюдать полученную в предыдущем параграфе
кратность, потому что этому мешает, как мы видели, воздуш-
ный зазор между колоннами и ярмом. Плотность линий должна,
следовательно, постепенно понижаться.
Конструктору нельзя ставить в вину его нежелание пони-
жать насыщение железа. Не затрата листового железа затруд-
няет его, а увеличение длины витков, необходимое при всяком
утолщении колонны. Чем меньше трансформатор, тем тоньше
проволока. Цена изолированной проволоки за килограмм очень
сильно растет, когда диаметр сильно уменьшается. Чем меньше
трансформатор, тем меньше значения имеет затрата жести,
тем больше значения имеет затрата проволоки.
При таких условиях понятно, что конструкторы малых
трансформаторов набрели на своеобразное решение проблемы:
утолщение ярма. Упорно отстаивая плотность силовых линий
МАЛЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. УТОЛЩЕНИЕ ЯРМА
85
в железе колонн, конструктор уступчив по вопросу о размерах
ярма. От сечения ярма не зависит длина витка, периферия
ярма не имеет значения.
Малые трансформаторы строятся почти всегда с утолщен-
ными ярмами. Уменьшая плотность линий в одной части желез-
ного сердечника, мы тем самым уменьшаем в некоторой части и
ток намагничивания. Кроме того, уменьшаются и потери в железе.
Но необходимо проверить, в каком отношении находится
намагничивающий ток к потерям холостого хода при утолщен-
ных ярмах. Важно также исследовать, какое
влияние может иметь их утолщение.
Железный сердечник с увеличенным се-
чением ярма пусть обладает плотностью
линий В (силовых линий/кв. см) в колонне,
длину которой мы обозначим, согласно рис. 9,
через 1в (см). Сечение ярма в а раз больше
сечения колонны. Плотность линий в ярме
понижается, следовательно, до
В	Л1
— СИЛОВЫХ ЛИНИЙ/Кв. СМ.	Рис.
Длину ярма, относящуюся к одной колонне (рис. 9), мы обо-
значим через I. (см).
Если на каждый сантиметр длины колонны нужно иметь
/ (В) ампер-витков, то каждый сантиметр длины ярма требует
f ампер-витков. Необходимое число возбуждающих ам-
пер-витков пропорционально, следовательно, сумме
(4)-
Если мы теперь произведем совершенно те же преобразо-
вания первоначального уравнения намагничивающего тока, как
в § 21, то придем к заключению, что длины железа ls и / уже
не устраняются из расчета. В самом деле, потери холостого
хода теперь пропорциональны сумме ls~]—J—. Таким образом,
остается дробь / г /£) _i_ / . у (JL \
1 zli.		
4 । । । 	1		i । i i i	
		
86
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Выраженный в процентах ток намагничивания железа со-
ставляет при утолщенных ярмах:
Хорошо построенный трансформатор без утолщения ярма
имеет в колоннах столько же железа, сколько в ярмах, так
что приблизительно
Таким образом, для нашего исследования определяющей ве-
личиной является дробь
Она, несомненно, меньше единицы. Намагничивающий ток
убывает скорее плотности силовых линий. Утолщение ярма
является безупречным решением вопроса, которое при изве-
стных обстоятельствах может дать хорошие результаты. Умень-
шение плотности линий в колонне с 13 000 до 10 000 на кв. см
уменьшает кратность тока холостого хода приблизительно с 10 до:
10 8,5 + 4.о 8д
8’5(1+Y5)
если правильна кривая намагничения рис. 6.
Интересно то, что значительно улучшить результат нельзя.
Практически предельное значение для кратности тока холо-
стого хода равно приблизительно 8. Оно достижимо только
при очень больших сечениях ярма. Вот почему редко встре-
чаются конструкции, в которых увеличение веса ярма соста-
вляет больше ЗО°/о«
Если кратность 10 соблюсти также у трансформаторов
с утолщенными ярмами, то ток холостого хода не причиняет
никаких затруднений конструктору при сколько-нибудь больших
мощностях. Он может при 100 kVA даже несколько превзойти
13000 силовых линий/кв. см. Но с малыми типами все же
трудно сладить, так как у них одним утолщением ярма обой-
тись не удается.
МАЛЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. УТОЛЩЕНИЕ ЯРМА
87
Тесною связью между вопросом о токе холостого хода и
вопросом о железных потерях вполне объясняются также
трудности, причиняемые сухим трансформатором.
Сухой трансформатор работает при очень умеренных плот-
ностях тока в меди. По сравнению с масляным трансформа-
тором той же мощности и при том же напряжении витка он
нуждается в значительно большем сечении меди. По одной
уж этой причине обмоточное пространство, а значит и желез-
ный сердечник у него должны быть больше.
Кроме того, воздух охлаждает хуже масла, требуя больших
промежутков между катушками и между обеими обмотками.
Изолирует воздух тоже хуже масла. Железный сердечник
у сухого трансформатора должен стать еще больше.
Нельзя помешать тому, чтобы у сухого трансформатора
наряду с значительно меньшими потерями в меди были зна-
чительно большие потери в железе. Для очень многих установок,
особенно при работающих на топливе электростанциях, это
очень плохой прибор.
Повышенные потери в железе неизбежно влекут за собою
усиленные токи холостого хода, кратность тока холостого
хода у сухого трансформатора, разумеется, такова же, как
у масляного. Решающее влияние имеют потери в железе.
В последнем счете различие между обоими трансформато-
рами обусловлено плотностью тока. Увеличиваясь, она повы-
шает мощность, понижает выраженные в процентах потери,
а с ними вместе и ток холостого хода. Лучшее охлаждение
имеет, следовательно, наряду с удешевлением конструкции,
еще другие преимущества.
В крупных трансформаторах с водяным охлаждением медь
принимает на себя такие нагрузки, что потери в железе и
ток холостого хода даже при 15 000 силовых линиях/кв. см
теряют всякое значение.
Из всех проблем, которые ставит перед нами трансформа-
тор, проблема тока холостого хода самая простая. Время, так
сказать, само решает ее, по мере того, как мы ищем все новых
путей к лучшему использованию материалов.
Впрочем, проблема эта рисуется нам столь простою только
с большими оговорками. Мы давно приспособились к опреде-
88	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ленным предельным значениям плотности силовых линий и
совсем не думаем о том, чтобы их превзойти. Мы даже под-
нимались уже выше значений, принятых ныне. В других
областях электро-машиностроения тоже замечается движение
вспять по вопросу о плотности силовых линий.
Это движение вспять усиливает впечатление, будто приме-
няемые ныне плотности тока являются законом. Но только
в силу этого обстоятельства проблема тока холостого хода
становится легкой и со дня на день облегчается, как для
инженера-производственника, так и для конструктора.
IV. СОЕДИНЕНИЯ.
25.	Соединения у трехфазных трансформаторов.
В сущности, конструктор волен как угодно сконструировать
обмотку трансформатора, расположить отдельные катушки,
соединить их друг с другом и, наконец, сгруппировать отдельные
фазы в систему. У масляного трансформатора на крышке
находятся зажимы для присоединения к сети. Что происходит
в масляном баке, это не интересует инженера-производствен-
ника, покуда все в порядке. Так дело обстоит, по крайней
мере, с виду.
Существуют весьма различные способы соединения приме-
нительно к трехфазным трансформаторам, даже если говорить
только о соединении отдельных фаз. Способы эти обладают
весьма различными свойствами. Не для всякого режима работы
подходит любое соединение фаз. Могут возникнуть весьма
большие затруднения, если вопрос о соединениях неосмотри-
тельно исключить из ряда эксплоатационных вопросов.
Для обмотки трехфазных трансформаторов применимы три
способа соединения фаз: звезда, треугольник и зигзаг. Если
инженер-производственник никаких особых указаний по этому
поводу не сделал конструктору, то он может быть почти
уверен, что получит трансформатор, соединенный звездою
как первично, так и вторично.
Легко объяснить, почему конструктор в первую очередь
обращается к соединению звезда—звезда. Оно дешевле других.
Оно требует наименьшего числа витков. Оно позволяет при-
менять большие сечения проволоки, нежели соединение тре-
угольником. Меньшее число витков из более толстой прово-
локи требует меньшего обмоточного пространства, чем много
тонкопроволочных витков.
90
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Конструктор всегда ищет пути к самой дешевой конструкции,
поэтому винить его не в чем. Таково же желание инженера-
производственника. Если дешевое соединение звезда — звезда
должно уступить место другому, то надо знать, чем это моти-
вировано. Прежде всего знать это должен инженер-производ-
ственник.
Этот с виду столь простой вопрос соединений осложняется
тем, что надо считаться с неравномерным распределением
нагрузки между отдельными фазами. Следовательно, этот
вопрос возникает только в отношении осветительных транс-
форматоров. Силовые трансформаторы нагружены равномерно
во всех трех фазах, для них наиболее подходящее соединение
звезда—звезда.
Таким образом, осветительный трансформатор и в этом
смысле оказывается более сложною конструкцией. Куда проще
было бы учение об эксплоатации трансформаторов, если бы
не осветительные установки с их непостоянными нагрузками.
Как бы то ни было, это учение не может избегнуть необхо-
димости сообща с учением о конструкции исследовать трудные
физические проблемы. Если соединения, рассчитанные на све-
товую нагрузку, значительно удорожают трансформатор, то
нужно определить, оправдываются ли, окупаются ли перерас-
ходы.
Прежде, чем инженер-производственник решится предписать
конструктору дорогое соединение, он должен уяснить себе
вопрос. Еще и ныне случается видеть в осветительных уста-
новках трансформаторы с обыкновенным соединением звезда—
звезда. Несведущий инженер-производственник просто не знает
опасностей, а поэтому не боится их.
Есть, впрочем, и еще одно важное обстоятельство, побу-
ждающее конструктора и инженера-производственника столко-
ваться по вопросу о соединениях. Речь идет не только о при-
роде, но и о размерах опасностей, которыми грозят установке
дурные соединения. Конструктор охотно принимает во внимание
наихудшую возможность, потому что должен оградить себя от
нареканий; инженер-производственник желает тратить деньги
только на борьбу с действительной опасностью. Вопрос соеди-
нений, несомненно, является эксплоатационной проблемою.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ РАВНОВЕСИЕ
91
Наконец, не одна только исправная работа установки побу-
ждает инженера-производственника изучить различные соеди-
нения. Инженеру-производственнику тоже порою приходится
снять крышку с масляного бака, потому что не всегда он может
ждать приезда конструктора.
В случаях серьезных аварий существуют еще порою спаса-
тельные средства, прибегнуть к которым можно до того, как
совершенно прекратится отпуск энергии. Существуют резерв-
ные соединения, которые необходимо знать инженеру-произ-
водственнику. Перерывы в подаче тока, — это всегда несчастье
для эксплоатации и, если инженер может заранее гарантировать
себя от них, то он охотно за такую возможность заплатит
деньги. Пусть это даже только временная помощь. Лучше как-
нибудь продолжать эксплоатацию, хотя бы плохо, хотя бы
кратковременно, чем совсем ее приостановить.
Таким образом нет сомнения, что и резервные соединения
подлежат рассмотрению в учении об эксплоатации, для которого
они гораздо важнее, чем для учения о конструкции трансфор-
матора.
26.	Электрическое и магнитное равновесие.
При желании правильно оценить трудности этой проблемы,
нужно иметь ясное представление о нормальных физических
процессах в трансформаторе. Поэтому не излишне воспроиз-
вести здесь в нескольких основных чертах картину работы
трансформатора, прежде чем мы приступим к изучению самой
проблемы соединений.
Первичная обмотка трансформатора ставится под некоторое
напряжение, которое в любой момент должно быть электри-
чески уравновешено действующими против него
напряжениями обмотки. К этим последним относятся, во-первых,
напряжения, обусловленные омическим и индуктивным сопро-
тивлением первичной обмотки, во-вторых же, и главным образом,
напряжение, индуцируемое силовым потоком трансформатора.
Всякое нарушение электрического равновесия имеет след-
ствием возникновение тока, поддерживающего силовой поток и
тем самым мгновенно восстанавливающего равновесие. Поэтому
при холостом ходе трансформатора в первичной обмотке
92
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
течет только такой ток, которым порождается надлежащий
силовой поток, — ток намагничивающий.
Силовой поток порождает, разумеется, в каждом витке, его
охватывающем, одно и то же напряжение по одному и тому же
закону. Поэтому во вторичной обмотке возникает напряжение,
которое находится в таком же отношении к напряжению, инду-
цируемому в первичной обмотке, в каком число витков вторич-
ной обмотки находится к числу витков первичной. Затем вторич-
ное напряжение применяется к питанию внешних цепей тока.
Но едва лишь вторичная обмотка начинает отпускать ток,
этот же ток начинает возбуждающе действовать на железный
сердечник. Силовому потоку он, однако, не должен мешать,
так как первичная обмотка при всех обстоятельствах должна
оставаться в электрическом равновесии. Поэтому первичная
обмотка обтекается, помимо намагничивающего тока, еще и
таким током, который парализует магнитное влияние вторичного
тока нагрузки. К электрическому равновесию напряжений
в первичной обмотке присоединяется таким образом магнит-
ное равновесие ампер-витков нагрузки в обеих обмотках.
Это двойное равновесие в любой момент, при любых
эксплоатационных условиях господствует в трансформаторе.
Особенно важна роль магнитного равновесия при трудных усло-
виях эксплоатации. У трехфазных трансформаторов с несколь-
кими путями силового потока оно распространяется на несколько
групп ампер-витков.
Если бы в трансформаторе всегда могли свободно совер-
шаться процессы перехода энергии, то даже при трудных
условиях эксплоатации не возникало бы каких-либо трудностей.
И вправду, однофазный трансформатор, первичная форма транс-
форматора, никаких трудностей не знает. Но многофазные
трансформаторы при неравномерной нагрузке фаз поневоле
оказываются в весьма трудном положении, когда им прихо
дится, вследствие определенного соединения фазных токов или
фазных силовых потоков, одновременно удовлетворять требо-
ваниям электрического и магнитного равновесия и требова-
ниям данного соединения. В них тогда неизбежно возникают
тяжелые нарушения электрического или магнитного равновесия
в отдельных фазах и восстановить его могут только уравни-
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ И МАГНИТНОЕ РАВНОВЕСИЕ
93
тельные токи, циркулирующие между фазами. Картина работы
трансформаторов сильно искажается под влиянием этих при-
нуждений и на такое искажение инженер-производственник
никогда не пожелает согласиться.
Соединение звездою без нулевого провода предполагает,
например, что три фазных тока равновелики и сдвинуты между
собою по фазе равномерно. Первичную обмотку трехфазного
трансформатора предпочитают соединять звездою без нуле-
вого провода. Если при этом со стороны низкого напряжения
токи нагрузки хотя и сдвинуты между собою по фазе на 120°,
но не равновелики,— что при работе на освещение может
случиться очень легко,—то и первичные токи нагрузки должны
между собою находиться в таком же соотношении для со-
хранения магнитного равновесия. Между тем, этому препятствует
соединение звездою.
Как мы видим, проблема соединений трудна и имеет боль-
шое значение. Но помехою может быть не только соединение
фазных токов. При трехфазных сердечниках, обычно приме-
няемых в Европе, неизменным образом соединены три фазных
силовых потока. И в том и в другом ярме они сливаются
в общем центре звезды. Это создает новое принуждение, не
допускающее одностороннего изменения одного из фазных сило-
вых потоков. Электрическое равновесие отдельных фаз со-
хранять, поэтому, еще труднее.
Эти простые, совершенно общие, соображения должны за-
ставить призадуматься каждого инженера-производственника.
Ему ведь желательно будет понять, как выходит из трудного
положения трансформатор, когда оно создается неподходящими
соединениями. Его прежде всего будут интересовать послед-
ствия. Если он, не долго думая, пускает в работу на освеще-
ние трансформатор в соединении звезда—звезда, то это по
меньшей мере легкомысленный поступок. Нельзя полагаться
на равномерность нагрузок в осветительных сетях. Равномер-
ное распределение осветительных установок между фазами
еще не означает равномерного распределения нагрузок. Все
зависит от прихотей абонентов. Они включают лампы и вы-
ключают их, когда им заблагорассудится. Ничего другого не
остается, как принять в соображение произвольные нагрузки фаз.
94
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
27.	Соединение звезда— звезда при световой нагрузке.
Наиболее поучительный и в то же время простейший случай
эксплоатации—это, конечно, однофазная полная нагрузка одной
фазы. Она не слишком вероятна, но, несомненно, возможна и
сулит яркую эксплоатационную картину. Учение об эксплоата-
ции должно эту картину исследовать, и при том предположить, что
с первичной стороны соединение звездою исполнено без нуле-
вого провода, а с вторичной, разумеется, с нулевым проводом.
На ясности результатов нимало не может отразиться то
весьма упрощающее задачу предположение, что с первичной
и вторичной стороны число витков оди-
наково, так что трансформатор работает
с коэффициентом трансформации 1:1.
Вместо магнитного равновесия ампер-
витков мы в этом случае имеем просто
равенство токов нагрузки.
Наиболее сложное положение соз-
дается, конечно, при таком железном
сердечнике, какой применяется в евро-
пейской практике для трехфазных ти-
пов, ибо тогда и фазные силовые пото-
ки соединены двойною звездой. Но для
полноты решения нужно еще исследовать американскую кон-
струкцию, которая составляется из трех совершенно само-
стоятельных однофазных трансформаторов, образуя трехфазную
трансформаторную группу. Эта группа предоставляет, по край-
ней мере, силовым потокам полную самостоятельность, так
что, с точки зрения нашей проблемы, она проще. Мы ее рас-
смотрим, поэтому, во вторую очередь.
На рис. 10 представлен первый из подлежащих рассмотре-
нию случаев эксплоатации. С вторичной стороны имеется
только один ток нагрузки /, с первичной нужно для начала
предположить наличие в каждой фазе тока нагрузки ii9 i2 и Z3.
Три фазных потока обозначим через Ф19 Ф2 и Ф3.
Соединение первичной обмотки предписывает трем первич-
ным токам такое условие:
/1 4-12 -|- *3 = о	(17)
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДА—ЗВЕЗДА ПРИ СВЕТОВОЙ НАГРУЗКЕ 95
Равным образом, три силовых потока, будучи соединены звез-
дою, должны дать в сумме:
Ф\	— 0.
Магнитное равновесие токов нагрузки должно в каждом из
трех замкнутых через железный сердечник путей силовых ли-
ний существовать в любой миг. Это приводит нас к следу-
ющим уравнениям:
J — Т ^2 = 0,
J — Л h = о,
/2 — /з = 0.	(18)
Из уравнения (17) и группы уравнений (18) следует:
2	7
*i = -y h
Однофазная вторичная нагрузка действительно передается
на все три первичные фазы. Но первичная картина нагрузки не-
красива. Впрочем, нечего и рассчитывать на то, чтобы стати-
ческий трансформатор мог преобразовывать однофазные на-
грузки в равномерную трехфазную. Такая задача, как изве-
стно, выполнима только при помощи вращающихся преобра-
зователей. Тем не менее, мы останемся неудовлетворены, убе-
дившись, что в двух первичных фазах возникают сильные
сдвиги фаз, каждый в размере 60°, хотя, согласно нашим пред-
положениям, вторичная нагрузка неиндуктивна.
В первичной главной фазе нагрузка тоже неиндуктивна.
Она составляет 2/3 от вторичной нагрузки. Таким образом,
последняя треть в каждой своей половине развивается при
сильно сдвинутых по фазе токах.
Плохое распределение нагрузки—это еще самое незначи-
тельное зло простого соединения звезда—звезда без нулевого
провода. Более тревожно то обстоятельство, что в каждой
колонне отсутствует местное магнитное равновесие. Руководясь
рис. 10, можно удостовериться, что в двух колоннах только
по первичной обмотке проходит ток. Мы видим, далее, что
в третьей колонне, нагруженной вторично, остается магнитно-
неуравновешенной одна треть вторичных ампер-витков.
96	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При ближайшем рассмотрении легко установить, что все
три колонны возбуждаются совершенно одинаково. Каждая
из них имеет добавочные возбуждающие ампер-витки, соот-
ветствующие одной трети ампер-витков находящейся под током
вторичной фазы. Мало того, эти три добавочные возбуждаю-
щие группы ампер-витков равны по фазе. Следовательно, должен
возникнуть добавочный однофазный магнитный поток, прони-
зывающий все три колонны и замыкающийся через воздух
(рис. 11). Он сопряжен с обмотками всех трех колонн. Он
будет, разумеется, первично и вторично порождать напря-
жения.
Рис. 12.
Добавочный однофазный магнитный поток является боль-
шим изъяном соединения звезда—звезда без нулевого провода
с первичной стороны. Он влечет за собою целый ряд непри-
ятных последствий, которые мы сейчас укажем, так как знать
их необходимо и инженеру-производственнику.
Однофазный добавочный поток—это не поток рассеяния.
Совершенно так же, как главный силовой поток, он охваты-
вает как первичную, так и вторичную обмотку. Он порождает
добавочное напряжение, которое с первичной стороны, сообща
с внутренним напряжением обмотки, индуцируемым главным
потоком, уравновешивает приложенное напряжение, с вторич-
ной же стороны, сообща с напряжением главного силового
потока, образует фазное напряжение.
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДА—ЗВЕЗДА ПРИ СВЕТОВОЙ НАГРУЗКЕ 97
Такое представление о роли добавочного напряжения не-
вольно внушает нам мысль, что добавочный поток, в сущности,
безвреден, так как практически неспособен вызывать падение
напряжения, но эта мысль неправильна.
Тут оказывает свое влияние соединение в звезду главных
силовых потоков. Если бы диаграмма напряжений рис. 12 была
правильна, если бы, иными словами, нулевая точка О, несмотря
на возникновение добавочного потока, неизменно совпадала
с центром тяжести треугольника приложенных напряжений
АВС, то главный силовой поток должен был бы создавать
первичные фазные напряжения ОА', OB' и ОС. Он должен
Рис. 14.
был бы в каждой из трех колонн быть пропорционален этим
напряжениям. Но вследствие соединения в звезду трех фазных
главных потоков (рис. 13) это невозможно, ибо, очевидно, три
вектора ОА\ OB', ОС, будучи приложены друг к другу, не
образуют замкнутого треугольника. Для этого недостает трой-
ного вектора АА'.
Соединение в звезду трех главных фазных потоков вы-
зывает смещение нулевой точки обмотки в О’ (рис. 14), при чем
должно существовать равенство ОО'—АА', ибо тогда лишь
замыкается треугольник О'А', О'В', О1 С. Соединенный в звезду
силовой поток всегда смещает нулевую точку обмотки в центр
тяжести треугольника напряжений, которые он призван по-
рождать. Таково общее правило, которое мы докажем ниже.
Правильная диаграмма напряжений дана на рис. 14. Дей-
ствительные фазные напряжения, которые главный силовой
Эксплоатация трансформаторов	7
98
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
поток порождает сообща с добавочным силовым потоком
с первичной и вторичной стороны,— О’А, О'В и О'С. Таким
образом практически все-таки возникает падение напряжения
по вине добавочного потока.
Фаза добавочного напряжения, сдвигающего нулевую точку,
зависит, разумеется, от угла сдвига фаз у нагрузки. При за-
данном токе нагрузки и различных углах сдвига фаз нулевая
точка может, следовательно, находиться в любом месте на
окружности круга, описанного вокруг первоначальной нулевой
точки, как центра, добавочным напряжением, как радиусом.
В частности, однофазной индуктивной нагрузке соответствует
представленная на рис. 15 диаграмма.
Высота добавочного напряжения практически имеет боль-
шое значение. Рассчитать его не легко, но измерению оно под-
дается сравнительно без труда. Если при разомкнутой вторич-
ной обмотке пропускать однофазный переменный ток через
три параллельно соединенные фазы первичной обмотки и из-
мерить напряжение, которое гонит этот ток, то уже получается
индуцированное однофазным переменным полем напряжение,
в предположении, что ток равномерно распределяется между
тремя фазами. Правда, заодно измеряется и омическое паде-
ние напряжения, но, согласно рис. 16, можно еще ввести ватт-
метр и измерить угол сдвига фаз между током и напряжением,
после чего легко вычислить омическое падение напряжения.
В электротехническом институте при Люблянском универ-
ситете по указанному способу подвергся измерениям сухой
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДА—ЗВЕЗДА ПРИ СВЕТОВОЙ НАГРУЗКЕ 99
трансформатор мощностью 9 kVA> 1500/220 И, 50 периодов.
Схема была исполнена согласно рис. 16. В результате полу-
чились следующие данные:
Е	J	cos	л		
94	3,4	о,33	М4		1,14
152	5»3	0,28	1,76	1,76	1,76
199	7,5	0,27	2,5	2,5	2,5
241	9,2	0,26	3,05	3,05	3,05
Распределение токов было совершенно равномерно, влия-
ние омического сопротивления обмотки—незначительно.
Полному току нагрузки в 3,45 Л, как возбудителю до-
бавочного поля, соответствовало бы, согласно измерениям,
с учетом омического падения напряжения, добавочное напряже-
ние около 275 вольт, т.-е. около
100.275 •	= 31,8%.
1500
При однофазной полной нагрузке нужно считаться только
с одной третью этой величины, как мы видели выше, но
и 1О°/о от фазного напряжения в качестве добавочного на-
пряжения—это еще очень много. Из рис. 15 видно, что при
однофазной работе на освещение одно из фазных напряжений
повышается почти на все значение добавочного напряжения,
другие же два уменьшаются в несколько меньшей мере.
Но это еще не все. Добавочное напряжение, кроме того,
зависит от величины трансформатора. В этом очень легко
убедиться на основании следующего рассуждения.
Если, не изменяя плотности тока в меди и плотности сило-
вых линий в железе, все размеры трансформатора увеличить
в х раз, то главный силовой поток возрастет пропорционально
квадрату х, так же, как ампер-витки обмотки; одновременно,
как уже упоминалось, мощность возрастет пропорционально
четвертой степени х. Фазное напряжение при прежнем числе
витков возрастает заодно с силовым потоком, добавочное
7*
IOO
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
напряжение—заодно с добавочным потоком. Но добавочный
поток возрастает заодно с числом ампер-витков. Возрастает
он еще и потому, что его магнитное сопротивление умень-
шается. Ведь длина его линий увеличилась в х раз, а его
сечение в х раз. Добавочное напряжение по всем этим при-
чинам растет в х2 раз скорее фазного напряжения; будучи от-
несено к фазному напряжению, оно пропорционально корню
четвертой степени из мощности.
Впрочем, опасности добавочного потока при сколько-нибудь
больших мощностях не так велики в действительности, как
это показывают полученные выше результаты испытаний. Не-
большой испытательный трансформатор имеет, разумеется,
умеренную плотность линий и не очень большую плотность
тока. Лишь начиная с мощности, при которой плотность линий
доходит до нормального предела и при которой медь тоже
нельзя нагрузить сильнее, установленный нами закон роста
вполне оправдывается на практике.
Во втором издании моей книги „Трансформаторы0 *) я по-
ставил себе задачей приблизительно определить магнитное
сопротивление однофазного добавочного поля. Согласно при-
веденному там расчету, при диаметре колонны d (см) это со-
противление приблизительно-равно
(1’)
Предполагая, что в упомянутом выше испытательном транс-
форматоре плотность линий в колоннах, диаметр которых
90 мм, составляет 10000 гауссов, мы приходим, при коэффи-
циенте заполнения 7О°/о, к сечению железа в колонне
—----- 0,7 = 44,5 кв. см,
4
то есть к напряжению витка
4,44.44,5 10000 . 10“8 = 1 вольт
и к числу ампер-витков при полной нагрузке
9°°°__Qnnn
*) „Die Transformatoren", Julius Springer, Berlin, 1925, стр. 46.
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДА—ЗВЕЗДА ПРИ СВЕТОВОЙ НАГРУЗКЕ IOI
Так как магнитное сопротивление однофазного добавочного
потока одной колонны можно принять равным
R = V9 •
то добавочный поток, возбуждаемый током полной нагрузки
во всех трех колоннах, должен был бы обладать
— 3000 . |/ 2 3.9 линиями,
10	г
а главный поток
44,5 . 10000 линиями.
Следовало бы ожидать выраженного в процентах добавочного
напряжения
100.
.3000. 1/2.3 9
ю	г
44,5 . 10000
что весьма приближается к результату измерения.
Таким образом уравнение (19) дает нам полезную для рас-
чета величину, позволяющую с достаточною точностью опре-
делять добавочное напряжение для любой конструкции. Ин-
тересно отметить, что из уравнения (19) вполне явствует
закон роста добавочного напряжения.
У масляных трансформаторов выраженное в процентах до-
бавочное напряжение выше при той же мощности, чем у сухих
трансформаторов. У них можно обойтись меньшим диаметром
колонн при той же плотности линий у главного потока. Глав-
ный силовой поток у них гораздо меньше, поэтому число
ампер-витков гораздо больше; впрочем, у них и магнитное
сопротивление добавочного поля больше. Лучше всего раз-
личие уяснится нам из сравнительного расчета.
Пример. Пусть диаметр колонн у трансформатора мощ-
ностью 100 kVA должен быть равен при воздушном охлажде-
нии 160 мм, при масляном охлаждении 140 мм. Число ампер-
витков у масляного трансформатора будет при полной на-
грузке в
(4^)2=1’3 раэа
102
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
больше, чем у сухого, потому что силовой поток у него
в 1,3 раза меньше. Это соотношение обусловлено повышенною
плотностью тока у масляного трансформатора.
Впрочем, магнитное сопротивление добавочного потока
у масляного трансформатора в
l6o 1 1 л
— = 1,14 раза
больше. Тем не менее, этот добавочный поток будет в
T^-=l>14 раза
сильнее. Но так как главный силовой поток при этом в 1,3
раза меньше, то выраженное в процентах добавочное напря-
жение должно стать в
1,14 . 1,3 = 1,49 раз
больше.
Масляный трансформатор как раз наиболее пригоден для
работы на освещение. Это обстоятельство придает совершенно
особое значение однофазному добавочному потоку.
Но у масляного трансформатора добавочный поток имеет,
кроме того, еще одно последствие, о котором необходимо
упомянуть. Он проникает в близлежащую стенку бака и поль-
зуется ею для обратного пути (рис. 17). Но стенка бака в то же
время образует коротко-замкнутый виток, окружающий весь
трансформатор, а значит и добавочное поле. По этой стенке
будут проходить уравнительные токи, которые, правда, пода-
вляют добавочный поток, но в то же время влекут за собою
добавочные потери в железе бака.
Это явление чрезвычайно опасно. Даже при холостом ходе
случалось наблюдать весьма значительные добавочные потери
в стенках бака, хотя они вызываются только однофазным
добавочным полем тока холостого хода. Как известно, нама-
гничивающий ток обладает сильными высшими гармониче-
скими тройной частоты, которые, благодаря этой тройной
частоте, находятся между собою в фазе. Так как вследствие
соединения в звезду они совсем не имеют возможности про-
никать в обмотку, то потребляющий их трансформатор должен
одновременно воспринимать равные им, но направленные в про-
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДА —ЗВЕЗДА ПРИ СВЕТОВОЙ НАГРУЗКЕ Т03
тивоположную сторону токи тройной частоты, и эти токи
порождают добавочное поле тройной частоты.
Это добавочное поле гораздо слабее добавочного поля
однофазной полной нагрузки. Намагничивающий ток составляет
нормально около 10% от тока полной нагрузки, третья гар-
моническая—около 30% от основной волны. Добавочное поле
холостого хода слабее больше чем в 10 раз. Тройная частота,
правда, повышает его добавочное напряжение, а значит и уси-
ливает уравнительный ток в стенках
бака. Тем не менее, добавочное поле
однофазной полной нагрузки будет соз-
давать большие добавочные потери
в стенках бака.
Это окончательно осуждает соеди-
нение звездою без нулевого провода
с первичной стороны, как схему для
освещения. В виду явлений, к которым
приводит добавочный поток, не имеет
особого значения то обстоятельство,
что такого рода соединение распре-
деляет нормальное падение напряже-
ния первичной обмотки между всеми
тремя фазами. Тем не менее, мы до-
кажем, что это действительно про-
исходит.
На первичных зажимах трансформатора удерживается без
изменений порождаемый генератором треугольник напряжений.
В нагруженной фазе угловая точка перемещается во внутрь
на величину нормального первичного падения напряжения.
Треугольник, индуцировать который призван главный силовой
поток, перестает, следовательно, быть равносторонним (рис. 18).
Этот случай, в сущности, имеет значение только для сое-
динения звездою с нулевым проводом, потому что оно делает
однофазную нагрузку однофазною и с первичной стороны.
Без нулевого провода смещаются все три угловые точки тре-
угольника напряжений (рис. 18).
Если теперь обозначить сопряженные, индуцирующие на-
пряжения через Ei, и £3, а индуцируемые фазные напряже-
104
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
НИЯ через еп е2 и е3 (рис. 18), то получаются следующие
уравнения электрического равновесия:
£*2 е3---С1 —
£з + — е2 = О,
Ei + ea — е3 = 0.
Так как три фазных силовых потока пропорциональны ин-
дуцируемым фазным
напряжениям и, кроме того, соединены
в звезду, а значит.
«1 + е2 + ез = О,
Е3~ Е2
е2 = —	.
Из рис. 18 явствует местонахо-
ждение нулевой точки. Из него видно,
что оба треугольника ADC и ABF
подобны. Таким образом, не только
CF равно FA, но еще и
BF=^~.
2
Нулевая точка совпадает с центром
тяжести приложенного треугольника
напряжений. Следовательно, нормаль-
ное падение напряжения одной фазы распределяется между
всеми тремя фазами.
28. Соединение треугольник—звезда.
Хорошею схемою для работы на освещение является со-
единение треугольник—звезда. При этом соединении конструк-
ция удорожается. Правда, оно требует не больше меди, чем со-
единение звезда — звезда. Хотя первичное число витков уве-
личивается в отношении 1^3:1, но зато сечение проволоки
с первичной стороны можно в том же отношении уменьшить.
Однако, при более тонкой проволоке необходимая изоляция
занимает больше места и обходится дороже, чем при утол-
щенной проволоке. Различие тем заметнее, чем больше по
сравнению с диаметром проволоки толщина изоляционного
СОЕДИНЕНИЕ ТРЕУГОЛЬНИК---ЗВЕЗДА
105
слоя. Чем меньше мощность, чем выше напряжение, тем дороже
обходится соединение треугольником.
Что же дает нам это более дорогое соединение? Если
опять-таки предположить с вторичной стороны однофазную
нагрузку, то сперва не видно каких-либо его преимуществ
перед соединением звездою. Ведь и при соединении треуголь-
ником сумма фазных токов всегда должна быть равна нулю.
Электрическое и магнитное равновесие должно неизменно
поддерживаться и тут.
Все происходит, по крайней мере на первый взгляд, совер-
шенно так же, как при соединении звезда—звезда без первич-
ного нулевого провода. Уравнения равновесия сохраняют свою
силу. Не может, значит, быть иным и результат расчета.
Но однофазное добавочное поле, угрожающее и в этом
случае, утвердиться все-таки не может. Соединенная треуголь-
ником обмотка охватывает его на всех трех колоннах в форме
замкнутой цепи, по которой может циркулировать ток, совер-
шенно не поддающийся наблюдению снаружи, из первичной
сети. Этот ток является для добавочного поля как бы вторич-
ным током, который подавляет это поле и не может быть
уравновешен никаким прибывающим из сети противотоком.
Таким образом, соединение это все же значительно от-
личается от соединения звезда—звезда без первичного нуле-
вого провода. Если смотреть со стороны сети, то сумма трех
фазных токов должна быть равна нулю, но в каждой фазе
все же циркулирует еще добавочный ток, разумеется—одина-
ковый во всех трех фазах.
Если на миг предположить, что первичная обмотка никаким
сопротивлением не обладает, то легко притти к выводу, что
добавочное поле должно тогда совершенно исчезнуть. Иначе
оно, разумеется, гнало бы по короткозамкнутой цепи трех-
фазных обмоток бесконечно сильный уравнительный ток. Но
добавочное поле совершенно исчезает, если на каждой колонне
местные возбуждающие ампер-витки уравновешены. Сохраняя
обозначения рис. 10, мы имели бы, следовательно,
л=/,
4 = 0,
4=о,
ю6
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
уравнительный ток составлял бы
А=Т
и однофазная нагрузка передавалась бы первично только на
одну фазу, разумеется» на ту, которая находится на той же
колонне.
Эта идеальная картина нагрузки в действительности, конечно,
не вполне достигается, но отклонение от нее, как в этом легко
убедиться, невелико.
добавочный поток
Рис. 19.
Рис. 20.
Не подавляемое однофазное добавочное поле возбуждается
в каждой колонне током у, как это было установлено в пре-
дыдущем параграфе. В треугольнике обмоток уравнительный
ток Jk является помехою на каждой колонне. При соединении
треугольником должно образоваться однофазное остаточное
поле, возбуждаемое токами у и Jk и индуцирующее напряже-
ние Ех, которого как раз достаточно, чтобы пропустить ура-
внительный ток i через сопротивление г каждой фазной об-
мотки (рис. 19). Если принять в расчет индуктивное сопроти-
вление х фазной обмотки, обусловленное добавочным полем,
то получается, на основании вполне понятной диаграммы
рис. 20, уравнение

или
к —
3
у/ А 4- х*
СОЕДИНЕНИЕ ТРЕУГОЛЬНИК—ЗВЕЗДА
107
Обратившись к помощи результатов измерения, указанных
в предыдущем параграфе, мы с легкостью находим (так как
—. х = sin ф), что
/г2 + х2	Т'
sin ср = /1—0,282 = 0,95.
Таким образом, уравнительный ток в описанном случае до-
стигает 95% своего идеального значения. Условия склады-
ваются еще благоприятнее, когда однофазное добавочное поле
проявляется более заметным образом, т.-е. при больших мощ-
ностях и при масляном охлаждении.
Этот результат, несомненно, удовлетворителен. Соединение
треугольником уничтожает с первичной стороны опасное до-
бавочное поле, от которого остается лишь совершенно незна-
чительная величина, и тем самым устраняет и другие непри-
ятные сопутствующие явления, которые были описаны в пре-
дыдущем параграфе.
Там и сям в установках приходится встречать сухие транс-
форматоры с охладительными ребрами. Трансформаторы эти
способны принимать на себя большие осветительные нагрузки,
несмотря на то, что соединены по простой схеме звезда—
звезда без первичного нулевого провода. Эти своеобразные
конструкции с виду противоречат теории. Практически они не
имеют особенного значения, но тем важнее они теоретически»
Ребристые трансформаторы снабжаются дисковыми кату-
шечными обмотками. Катушки насажены на колонне вплотную
одна подле другой, без охлаждающих или изолирующих про-
ю8	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
межутков. Но зато между каждыми двумя катушками вдвинут
медный или алюминиевый лист, значительно выступающий за
периферию катушек (рис. 21). Боковые плоскости катушки»
прижимаясь к охлаждающемуся листу, передают развиваю-
щуюся в работе теплоту этому превосходному проводнику,
а свободная поверхность охлаждающего листа посредствует
в передаче этой теплоты воздуху.
Для учения об эксплоатации неважно, в какой мере реб-
ристая конструкция оправдывает себя. Интересно для нее
лишь то, что ребра оказываются полезными при однофазных
нагрузках, т. е. при работе трансформатора на свет. При-
смотревшись к такому охлаждающему листу (рис. 22), мы
видим, что обычно он прорезан только в двух местах. Он не
должен, конечно, представлять собою короткозамкнутый виток.
Тем не менее, образуется замкнутый в себе виток, охваты-
вающий все три колонны. Для главного силового потока это
не опасно. Сумма трех фазных силовых потоков всегда равна
нулю. По отношению же к добавочному потоку, который
может быть столь вредным при обыкновенном соединении
звезда—звезда без первичного нулевого провода, этот виток
способен на такое же подавляющее действие, как треугольник
обмоток при соединении треугольником.
Этим непосредственно объясняется кажущееся исключение,
каким представляется ребристый трансформатор. Здесь идет
речь о замаскированном соединении треугольником, но можно
соединить и вообще любой осветительный трансформатор по
обыкновенной схеме звезда—звезда без первичного нулевого
провода, если только снабдить его уравнительною обмоткою,
охватывающею все три колонны и замкнутою в себе.
Для этой уравнительной обмотки на каждой колонне нужно
иметь только один виток. Сечение этого одного витка опреде-
лить легко. Чем меньше выбрать сечение, тем сильнее будет
сказываться омическое сопротивление уравнительной обмотки,
тем меньше будет sin ср в приведенном выше расчете и, стало
быть, тем больше картина нагрузки будет отклоняться от идеаль-
ного распределения нагрузки при соединении треугольником.
Мы видим, что такая уравнительная обмотка позволяет
осуществлять все промежуточные ступени между обыкновен-
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
109
ным соединением звезда — звезда без первичного нулевого
провода и соединением треугольник—звезда. Но уравнитель-
ная обмотка требует добавочной затраты энергии. Поэтому
в современной практике она применяется только в тех случаях,
когда, помимо своей основной роли, может одновременно вы-
полнять еще какую-нибудь другую задачу. Но в трудных
случаях эксплоатации она может оказаться ценным вспомога-
тельным средством, так как обычно сам инженер-производ-
ственник может ее, хотя бы временным образом, встроить
в трансформатор.
29. Соединение зигзагом.
Допустив соединение треугольник — звезда, инженер-про-
изводственник тем самым признает, что, убедившись в невоз-
можности идеального распределения, он отказался от распре-
деления однофазной нагрузки между несколькими первичными
фазами. В этом смысле соединение треугольник—звезда явля-
ется простым и ясным решением проблемы осветительного
трансформатора.
Существует еще другое, хорошее соединение для освети-
тельного трансформатора, упорно преследующее цель распре-
деления однофазной нагрузки между несколькими первичными
фазами, а именно—соединение зигзагом. Оно не уступает по
своим достоинствам соединению треугольником и уже по
этой причине должно быть рассмотрено в учении об эксплоа-
тации.
При схеме звезда—зигзаг сохраняется со стороны высокого
напряжения дешевое соединение обмоток звездою без нуле-
вого провода. Со стороны низкого напряжения обе половины
каждой фазной обмотки находятся на двух различных колон-
нах трехфазного трансформатора. Таким образом, вторичное
фазное напряжение слагается из двух частичных напряжений,
сдвинутых между собою по фазе на 120°. Это достигается тем,
что обе половины обмотки соединены друг против друга
(рис. 23).
Соединение зигзагом требует, разумеется, больше витков
при том же сечении проволоки, нежели простое соединение
I 10
ЭКСПЛОАТАЦИЯТРАНСФОРМАТОРОВ
звездою. Руководясь рис* 24, легко установить, что с вторич-
ной стороны приходится затратить больше меди в отношении
1: cos 30- = 2: ]/ 3.
Таким образом, при этом соединении нужно заранее счи-
таться с тем, что вторичная обмотка обойдется на 15% дороже,
чем при обыкновенном соединении звезда—звезда.
При соединении треугольником конструкция тоже дороже.
Инженер-производственник прежде всего заинтересуется вопро-
сом, которая из этих двух схем обходится дороже. Но ответить
определенно на этот вопрос невозможно. Соединение зигзагом
влечет за собою неизменную надбавку в размере 15% на
стоимость обмотки низкого напряжения, соединение треуголь-
ником—весьма колеблющуюся надбавку на стоимость обмотки
высокого напряжения. Но одно можно сказать с уверенностью:
чем меньше мощность трансформатора, тем более пригодно
соединение зигзагом; чем выше первичное напряжение, тем
менее пригодно соединение треугольником.
Повидимому, в совершенно общей форме соединение зиг-
загом представляет собою более дешевое решение вопроса
Оно все больше вытесняет соединение треугольником. Тем
важнее для нас подробно выяснить его, отчасти довольно
сложные, электрические свойства.
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
III
Соединение зигзагом и при полной нагрузке всех вторич-
ных фаз имеет свои особенности, у других соединений не
обнаруживающиеся. Поэтому, прежде чем изучить это соедине-
ние при световых нагрузках, нужно исследовать его при обыкно-
венной полной нагрузке, какую несет силовой трансформатор.
Одна трудность сразу бросается в глаза. Обмотка низкого
напряжения одной колонны принадлежит поровну двум различ-
ным фазам. Правда, по ней циркулируют токи в противополож-
ных направлениях, будучи сдвинуты между собою по фазе на
120°, как это указывалось выше. Эта обмотка низкого на-
пряжения одной колонны только отчасти имеет единое и общее
поле рассеяния, так что в ней только отчасти происходит
нормальное индуктивное падение напряжения. Оба фазных
тока тоже имеют направленные друг против друга составляю-
щие, как нормально направлены один против другого токи
первичной и вторичной обмоток. Обе половины обмотки, сидя-
щие на одной колонне, тоже рассеивают друг против друга,
хотя они обе принадлежат к стороне низкого напряжения.
Они создают внутреннее вторичное добавочное поле рассеяния,
вследствие чего порождают добавочное индуктивное падение
напряжения.
На рис. 25 представлена полная схема соединенной зиг-
загом обмотки. Обмотка высокого напряжения на рисунке опу-
щена, так как она нас покамест не интересует. Три фазы
обозначены римскими цифрами, три колонны—арабскими.
Одна половина фазы I находится на колонне 1, другая—
на колонне 2. Обе половины включены друг против друга.
Фазное напряжение на зажимах Е\ слагается из индуцируемых
частичных фазных напряжений и е^.
Ei = ej .
На рис. 24 показана векторная диаграмма напряжений.
Она содержит, кроме того, векторы некоторой нагрузки током
при произвольно выбранном угле сдвига фаз <р, так что ее
можно положить в основу исследования соединенного зигзагом
трансформатора при полной нагрузке.
Разумеется, нужно принять во внимание то обстоятель-
ство, что обе половины одной фазной обмотки включены друг
I 12
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
против друга, так что фазные токи проходят по ним в про-
тивоположных направлениях. Но такая же получается картина,
если направление одного из обоих векторов тока изменить на
180° при том же принятом направлении обегания обмоткою
железа колонны.
Рис. 26 изображает возбуждение обоих вторичных полей
рассеяния, принадлежащих к тем половинам обеих фаз I и III,
которые сидят на колонне 1. Вектор тока фазы I без измене-
ния взят из рис. 24. Вектор тока фазы III повернут на 180°.
Рис. 25.
Нормальное главное поле рассеяния обмотки низкого напряже-
ния на колонне 1 возбуждается обеими в одну сторону на-
правленными составляющими, а добавочное внутреннее поле
рассеяния—обеими друг против друга направленными соста-
вляющими обоих токов.
Прежде всего ясно, что оба вектора тока и —/ш должны
находиться под углом 60° друг к другу, ибо и /ш обра-
зуют угол в 120°. Значит, обе в одну сторону направленные
составляющие токов меньше общих токов в отношении
/3’:2 = cos 300:1.
Обе друг против друга направленные составляющие должны
быть, очевидно, вдвое меньше общих токов.
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ	ИЗ
Главное поле рассеяния имеет совершенно такую же вели-
чину, как поле рассеяния нормальной, не зигзагом соединен-
ной фазной обмотки. Хотя возбуждающий ток при той же на-
грузке меньше в отношении /3:2, как мы только что устано-
вили, но соединенная зигзагом обмотка должна зато иметь
больше витков в отношении 2: У3~для того, чтобы достигнуть
того же напряжения. Мы приходим прежде всего к такому
выводу:
Главное поле рассеяния при соединении зиг-
загом имеет нормальную величину.
Но если, таким образом, уже главное поле рассеяния должно
повлечь за собою полное нормальное индуктивное падение
напряжения, то от внутреннего поля рассеяния надо ждать
добавочного индуктивного падения напряжения. Для соедине-
ния зигзагом вопросом жизни является требование, чтобы это
добавочное падение не было слишком велико.
Главное поле рассеяния соединенной зигзагом обмотки
низкого напряжения важно еще рассмотреть заодно с полем
рассеяния обмотки высокого напряжения. На каждой колонне
возбуждающее действие токов полной нагрузки должно быть
всегда магнитно уравновешено с первичной и вторичной сто-
роны, иначе главное поле трансформатора не может работать
исправно, как того требует электрическое равновесие между
первично приложенным и первично индуцируемым напряжением.
Но обе друг против друга направленные составляющие фаз-
ных токов на одной колонне магнитно нейтрализуют друг
друга в цепи главного силового потока, так что в магнитном
равновесии с током полной нагрузки, проходящим по обмотке
высокого напряжения, находятся только направленные в общую
сторону составляющие вторичных фазных токов на одной
колонне.
Если предположить коэффициент трансформации 1:1, то
действительно с вторичной стороны, вследствие соединения
2
зигзагом, оказывается в раза больше витков, чем с пер-
вичной. Зато магнитным действием обладает только соста-
вляющая вторичного тока, которая в раза меньше самого
2
Эксплоатация трансформаторов	8
114	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
тока. Произведение дает равное число ампер-витков с пер-
вичное и вторичной стороны.
Индуктивное падение напряжения, обусловленное главным
полем рассеяния, и фазное напряжение при соединении зигзагом
находятся между собою в том же отношении, в каком число
линий рассеяния находится к числу линий главного потока
трансформатора. Таким образом, от главного поля рассеяния
нужно действительно ждать совершенно такого же индуктив-
ного падения напряжения, как при других соединениях, ибо
мы установили, что это главное поле рассеяния при соедине-
нии зигзагом обладает такою же величиной, как поля рассея-
ния при других соединениях.
Нас может ввести в заблуждение то обстоятельство, что
индуктивное падение напряжения главного поля рассеяния
соединенной зигзагом обмотки сдвинуто на 90° относительно
одной только составляющей тока нагрузки, а не относительно
самого тока. Но оба индуктивных падения напряжения обеих
половин одной фазы сдвинуты между собою по фазе так же,
как порождаемые главным потоком трансформатора частичные
напряжения одной фазы. Поэтому в итоге все-таки возникает
надлежащий угол сдвига фаз между индуктивным падением
напряжения и током нагрузки. Это можно без труда проверить,
руководясь рис. 27.
Если мы теперь пожелаем исследовать добавочное индук-
тивное падение, вызываемое добавочным внутренним полем
рассеяния включенной зигзагом обмотки, то прежде всего
придем к озадачивающему выводу, что это падение должно
быть на 90° сдвинуто по фазе относительно нормального ин-
дуктивного падения напряжения. Добавочное поле рассеяния
и главное поле рассеяния порождаются ведь двумя перпенди-
кулярными друг к другу составляющими вторичного тока на-
грузки. И все же этот с виду столь ясный вывод был бы
весьма ошибочен. Будь он правилен, добавочному индуктив-
ному падению напряжения пришлось бы оказаться в роли
омического падения напряжения.
Распутать эти сложные физические явления можно следую-
щим образом. Добавочное индуктивное падение напряжения
в одной половине фазы действительно сдвинуто на 90° отно-
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
и5
сительно нормального индуктивного падения в той же половине
фазы. Но этот сдвиг фаз составляет в одной половине фазы
90°, в другой половине фазы — 90°. По отношению к внутрен-
нему рассеянию обе половины соединенной зигзагом обмотки,
которые, принадлежа к различным фазам, сидят на общей
колонне, являются как бы первичною и вторичною обмоткою
скрытого трансформатора и, таким образом, рассеивают друг
против друга. Но половина одной фазы на одной колонне
играет роль первичной обмотки этого фиктивного трансфор-
Рис. 27.
матора, а на второй колонне вторая половина той же фазы
играет роль вторичной обмотки. Они ведь включены друг
против друга. Этим-то и объясняется, что перемена ролей
изменяет и знак угла сдвига фаз по отношению к нормаль-
ному индуктивному падению напряжения.
Обе половины нормального индуктивного падения напряже-
ния одной фазы вынуждаются самою схемой слагаться таким
же образом, как индуцируемые напряжения обеих половин
фазы. Обе половины добавочного индуктивного падения на-
пряжения одной фазы должны были бы подобным же образом
геометрически вычитаться одна из другой. Описанная выше
перемена знака угла сдвига фаз по отношению к индуктив-
ному главному падению напряжения превращает вычитание
8*
1 i6
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
в сложение. Поэтому результирующее добавочное индуктивное
падение напряжения одной фазы имеет все-таки, как вектор,
общее направление с индуктивным главным падением.
На рис. 28 еще раз изображена векторная диаграмма фаз-
ного напряжения, токов нагрузки, главных составляющих этих
токов, которыми определяется добавочное поле рассеяния, до-
бавочных индуктивных частичных падений и результирующего
добавочного индуктивного падения напряжения.
Важное различие между обоими, равными теперь по фазе,
индуктивными падениями напряжения одной фазы сразу нам
уясняется при сопоставлении рис. 27 и 28. Главное паде-
ние в одной фазе больше главного падения в половине
фазы в отношении /3:1, совершенно так же, как индуциру-
емое напряжение одной фазы в отношении /3:1 больше ин-
дуцируемого напряжения половины фазы. Зато результирую-
щее добавочное падение имеет ту же величину, что и резуль-
тирующее падение в одной половине фазы. Оно ведь слагается
из двух равновеликих составляющих, сдвинутых между собою
на 120°.
В чисто физическом смысле проблема добавочного индук-
тивного падения напряжения при соединении зигзагом тем
самым выяснена, по крайней мере, применительно к нагружен-
ному полностью трансформатору. Но прежде, чем мы при-
ступим к исследованию однофазного нагруженного трансфор-
матора, нужно еще решить вопрос, какой величины может до-
стигнуть добавочное индуктивное падение напряжения. Реко-
мендуется просто сопоставить его с индуктивным главным па-
дением.
Тогда обнаруживается, что этот чрезвычайно важный для
конструктора, как и для инженера-производственника, вопрос
совсем не может быть разрешен в общей форме. Оказывается,
что от размещения обмотки всецело зависит степень вредно-
сти добавочного падения. Разумеется, как для конструктора,
так и для инженера-производственника представляет интерес
по возможности подавить добавочное индуктивное падение
напряжения.
Тут уместно исследовать подробнее несколько способов
размещения обмотки. При этом мы заранее оставляем без рас-
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
117
смотрения те способы, которые вовсе неудовлетворительны.
Они легко узнаются по тому признаку, что благоприятствуют
добавочному полю рассеяния.
В трансформаторах с дисковой катушечной обмоткою, как
известно, принято чередовать друг с другом катушки сидящих
на одной колонне половин двух фаз низкого напряжения
таким же образом, как первичные и вторичные катушки. Так
возникает правильное размещение, представленное на рис. 29.
Рис. 29. Рис. 30.	Рис. 31.
Плохим было бы размещение по рис. 30, с виду более соот-
ветствующее нормальному расположению дисковой катушечной
обмотки. Оно влечет за собою слишком большие расстояния
между теми катушками, которые рассеивают друг против друга.
По этой же причине совсем непригодно было бы размещение
согласно рис. 31.
Обратимся теперь к размещению по рис. 29 и попытаемся
прикинуть, какова должна быть величина добавочного ин-
дуктивного падения напряжения. При этом нам выгодно будет
для начала предположить, что все промежутки между катуш-
ками равны между собою, не считаясь с тем, разобщают ли
они катушки высокого и низкого напряжения или же две
катушки низкого напряжения.
118
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Главное поле рассеяния порождается нормальным образом.
Его сила определяется числом ампер-витков первичной обмотки
при полной нагрузке, числом первичных катушек, которому
она обратно пропорциональна, и магнитным сопротивлением.
Магнитное сопротивление главного поля рассеяния зависит,
как известно, от средней длины линии рассеяния, от средней
ширины воздушной щели и от средней длины витка; все три
величины, согласно предположению, таковы же у главного
поля рассеяния, как у добавочного.
Возбуждающее число ампер-витков добавочного поля рас-
сеяния создается только половиною первичной обмотки на
одной колонне. Кроме того, как установлено было выше, оно
питается только одною составляющей вторичного тока, кото-
рая ровно вдвое меньше общего тока. В итоге, стало быть,
добавочное поле рассеяния должно быть в 2 . ]/3 раза сла-
бее главного поля рассеяния, но из рис. 29, кроме того, видно,
что фиктивный трансформатор добавочного поля рассеяния
имеет вдвое меньше катушек, чем подлинный трансформатор,
иными словами, что у него обмотка подразделена вдвое гру-
бее, при чем, разумеется, надо иметь в виду, что у подлинного
трансформатора катушки половинные, а у фиктивного—пер-
вичные и вторичные. В результате, добавочное поле рассеяния
будет обладать действием, находящимся только в отношении
1: |/3 к действию главного поля рассеяния.
Надо еще принять в соображение то установленное выше
обстоятельство, что общее главное падение в одной фазе
в ]/3 раза больше, чем главное падение в одной половине
фазы, а общее добавочное падение в точности равно добавоч-
ному частичному падению. Следовательно, при данном разме-
щении обмоток получилось бы в результате отношение вели-
чин 3:1 в пользу главного падения.
Это все же привело бы нас к тому выводу, что при сое-
динении зигзагом индуктивное падение напряжения возрастает
во вторичной обмотке приблизительно на 33°/о, иными словами—
что индуктивное общее падение в трансформаторе увеличи-
вается приблизительно на 16,5°/0, хотя размещение обмотки
само по себе безупречно. Но, по счастью, обстоятельства скла-
дываются благоприятнее. Надо иметь в виду, что магнитное
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
119
сопротивление у добавочного поля рассеяния почти всегда
больше, чем у главного поля рассеяния, потому что катушки
низкого напряжения, рассеивающие друг против друга, легко
уложить тесно рядом, между тем как между катушками высо-
кого и низкого напряжения приходится оставлять промежутки.
Из рис. 29 видно, кроме того, что обе катушки низкого
напряжения, принадлежащие к одной фазе, отстоят одна от дру-
гой довольно значительно. Они разобщены целою катушкою
высокого напряжения и двумя промежут-
ками между катушками. Но их охваты-
вают общие силовые линии добавочного
поля рассеяния, вследствие чего эти линии
удлиняются,—правда, только в тех местах,
где они могут распространяться свободно.
Дальнейшие усовершенствования этого
размещения соединенной зигзагом обмотки
определяются требованиями надлежащего
ее охлаждения. Опыт, однако, учит нас
считаться с тем, что в размере около 1О°/о
добавочное к главному индуктивное па-
дение напряжения не поддается устра-
нению.
Гораздо более благоприятную картину	^ис- За-
дает цилиндрическая обмотка. Разумеется,
о размещении по рис. 31 не приходится и говорить. Разме-
щение по рис. 32 надо признать хорошим. Мы его сейчас
исследуем.
Тут снова можно для начала предположить, что у главного
и у добавочного поля рассеяния магнитные сопротивления
одинаковы. И мы снова придем к выводу, что добавочное
поле рассеяния возбуждается в 2.^3 раза слабее. Но
на этот раз подразделение у обоих полей рассеяния одинаково.
Благодаря этому получается отношение величин б: 1 в пользу
главного падения.
При цилиндрической обмотке магнитное сопротивление у
добавочного поля рассеяния тоже почти всегда бывает больше,
чем у главного, хотя бы потому, что к этому способу обмотки
при малых и средних мощностях конструктор обращается тогда,
120
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
когда нужно совладать с высокими напряжениями. Это на прак-
тике приводит к тому результату, что при размещении согласно
рис. 32 надо считаться с добавочным к нормальному индук-
тивным падением в размере 5%.
Но в очень многих случаях цилиндрическую обмотку при
соединении зигзагом удается еще весьма существенным обра-
зом усовершенствовать, а именно в тех случаях, когда со сто-
роны низкого напряжения можно обойтись однослойною спи-
ралью. Эта однослойная спираль является идеальною формою
цилиндрической обмотки. При крупных трансформаторах она
легко достижима, но и при средних мощностях удается ее осу-
ществить.
При соединении зигзагом однослойная спираль распадается,
конечно, на две частичные спирали, но отдельные витки этих
частичных спиралей очень легко и выгодно чередовать друг
с другом, если построить как бы двухходовую спираль со-
гласно рис. 33. Очевидно, что тогда добавочное индуктивное
падение напряжения падает до очень незначительной величины.
Прежде, чем закончить исследование различных размещений
обмотки при соединении зигзагом, нужно еще проверить воз*
можность параллельных соединений со стороны низкого напря-
жения. Особенно необходимы параллельные соединения при
дисковых катушках. Но необходимо конструктивно гарантиро-
вать и то немаловажное преимущество соединения зигзагом,
что его можно также превращать в соединение двойной звез-
дою для напряжения 220/125 вольт.
Из рис. 29 видно, что при правильно исполненном разме-
щении дисковых катушек осуществимо полное параллельное
соединение всех катушек одной половины фазы. Разумеется,
катушки обеих половин фазы, сидящих на различных колоннах,
не могут быть соединены между собою параллельно.
Далее, из рис. 29 видно, что по разъединении зигзага все
катушки низкого напряжения на одной колонне могут быть
соединены между собой параллельно, так что соединение двой-
ной звездою осуществимо без труда.
Исследование рис. 32 показывает, что при цилиндрической
обмотке обстоятельства складываются несколько менее благо-
приятно. Обе половины обмотки низкого напряжения на одной
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
121
колонне не поддаются параллельному соединению. Та поло-
вина обмотки, которая находится ближе к обмотке высокого
напряжения, обладает, конечно, меньшим индуктивным паде-
нием напряжения, поэтому приходится на одной колонне вы-
бирать фазную обмотку вверху, на другой—внизу.
При желании устранить это затруднение, нужно на каждой
колонне скрестить обе половины обмотки низкого напряжения,
как это показано схематически на рис. 34. Посреди колонны
Рис. 33.
жениях. Но
верхняя половина обмотки
должна быть переведена в
нижнее положение.
Совершенно очевидно, что
при двухходовой спирали ци-
линдрической обмотки, со-
гласно рис. 33, вообще нет
почвы для каких-либо затруд-
нений. Это тоже побужда-
ет конструктора обращаться
к этой идеальной форме ци-
линдрической обмотки. Недо-
статок заключается только
в том, что у нее получаются
витки, расположенные рядом
при весьма различных напря-
Рис. 34.
при нормальных вторичных напряжениях это не
влечет за собою конструктивных трудностей, разве что мощ-
ность трансформатора очень мала.
Конструктор обращается к соединению зигзагом, только
имея в виду неравномерную световую нагрузку. Она заранее
предполагает незначительные сдвиги фаз при нагрузке. Доба-
вочное индуктивное падение напряжения, с этой точки зрения,
теряет свое значение при соединении зигзагом. Практически
оно играет роль в том лишь случае, если трансформатор,
соединенный звездою—зигзагом, должен работать параллельно
с другими трансформаторами, которые соединены, например,
треугольником—звездою.
Теперь мы можем считать законченным исследование соеди-
нения зигзагом, поскольку речь идет только о полной нагрузке
122
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
трансформатора. Но невыясненной осталась еще подлинная
работа этой интересной схемы, которая применяется» как ска-
зано, только при световой нагрузке. Не исследованы нами еще
односторонние нагрузки соединенного звездою—зигзагом транс-
форматора, но это исследование только теперь приобретает
смысл, после того, как мы убедились, что все в порядке при
равномерной трехфазной нагрузке.
Здесь тоже уместно рассмотреть крайний случай: одно-
фазную полную нагрузку. Затруднения, могущие при этом
возникнуть, должны быть и здесь представлены в наиболее
ярком освещении.
Уже с первого взгляда видно, что при однофазной нагрузке
исчезает добавочное индуктивное падение напряжения в том
виде, в каком оно было выше описано и определено. Со сто-
роны низкого напряжения на одной колонне существует еще
электрически одна только половина обмотки, после того как
другая лишилась тока. Впрочем, это еще не решает вопроса.
Решить его можно не иначе, как исследованием различных
размещений обмотки.
Размещение дисковых катушек по рис. 29 переходит при
однофазной нагрузке в размещение рис. 35. В своей новой
форме оно сразу же показывает нам, что поле рассеяния транс-
форматора должно усилиться: половина промежутков между
катушками значительно увеличилась, а именно: на полную ши-
рину одной половинной катушки низкого напряжения и на
ширину одного промежутка между двумя половинными катуш-
ками низкого напряжения. Следовательно, магнитное сопроти-
вление поля рассеяния определяется среднею величиною по-
лучившихся различных расстояний между катушками высокого
и низкого напряжения. Из рис. 35, где различные расстояния
обозначены через 8j и 82, видно, что для обеих обмоток, как
для первичной, так и для вторичной, среднее расстояние равно
^1 + ^2 в
2
При этом весьма разительно то, что все катушки низкого
напряжения обладают одинаковыми индуктивными падениями
напряжения. На рис. 35 каждая катушка низкого напряжения
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
123
находится с одной стороны на большом, с другой—на малом
расстоянии от обмотки высокого напряжения. Рис. 35 показы-
вает, однако, еще и то, что катушки высокого напряжения
распадаются на две группы, в которых должны происходить
весьма различные, но в пределах одной группы одинаковые,
индуктивные падения напряжения.
Из этого непосредственно следует, что, имея в виду одно-
фазную нагрузку, можно соединять параллельно катушки со
стороны низкого напряжения, но не со стороны высокого, или
по крайней мере не любым образом
со стороны высокого напряжения.
Число параллельных ветвей тока со
стороны высокого напряжения макси-
мально может быть равно половине
числа катушек.
Это ограничение практически име-
ет мало значения. Конструктор всегда
рад возможности избегнуть парал-
лельных соединений, и со стороны
высокого напряжения он почти всегда
будет иметь такую возможность. Впро-
чем, малые трансформаторы мыслимы
в качестве универсальных типов, при-
р	менимых для целого ряда различных
ИСа	высоких напряжений. Так, например,
можно включенную звездою для 10 000 вольт обмотку высо-
кого напряжения применить в соединении треугольником
для 6000 вольт; ее можно дважды соединить параллельно и
применить тогда либо для 5000, либо для 3000 вольт. Но
многократные параллельные соединения едва ли понадобятся
и в этом случае.
Однако, значительным недостатком в этом смысле страдает
расположение дисковых катушек согласно рис. 29. При нем
катушки высокого напряжения оказываются на концах колонн.
При попытке же на концы колонн передвинуть катушки низкого
напряжения так, чтобы возникло размещение согласно рис. 36,
оказывается, что однофазная нагрузка приводит концевую ка-
тушку нагруженной фазы в ненадежное положение. Ее трудно
124
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
будет соединить параллельно с остальными половинными ка-
тушками.
Цилиндрическая обмотка, согласно рис. 34, никаких новых
затруднений не создает. Обе сидящие на одной колонне поло-
вины обмотки низкого напряжения занимают одинаковое поло-
жение относительно обмотки высокого напряжения, но индук-
тивное падение напряжения и здесь при однофазной нагрузке
значительно выше, чем при трехфазной: расстояния между
обмотками высокого и низкого напряжения становятся больше
и здесь.
Только размещение согласно рис. 33 вполне удовлетвори-
тельно. При нем, в случае однофазной нагрузки, расстояние
между обмотками и длина линий рассеяния таковы же, как
в случае трехфазной. Это размещение, несомненно, предста-
вляет собою наилучшее конструктивное решение проблемы
соединения зигзагом.
Итак, в итоге исследования полей рассеяния при соеди-
нении зигзагом, мы приходим к тому выводу, что должны счи-
таться с троякого рода индуктивными падениями напряжения.
Всякая нагрузка осветительного трансформатора может быть
расчленена на равномерную трехфаэную и на одну или две
добавочные однофазные нагрузки. Трехфаэною нагрузкою обу-
словлено нормальное индуктивное падение, как при всяком
другом соединении, но, кроме того, еще и добавочное падение,
свойственное только соединению зигзагом. Добавочная одно-
фазная нагрузка влечет за собою второе добавочное индук-
тивное падение. Есть основание опасаться, что это второе до-
бавочное падение значительно вреднее. Для него, как уста-
новлено было выше, считаться приходится по меньшей мере
с двойным промежутком между обмотками, иными словами—
с половиною того магнитного сопротивления, которое встре-
чает нормальное поле рассеяния, если только неосуществимо
наиболее благоприятное размещение согласно рис. 33. Второе
добавочное падение надлежит исследовать подробнее.
Всякая однофазная нагрузка передается на две первичные
фазы, а именно на те две, что сидят на тех же двух колон-
нах, на которых расположена нагруженная вторичная фаза.
Что это должно быть именно так, проще всего вывести
СОЕДИНЕНИЕ ЗИГЗАГОМ
125
из условия магнитного равновесия между токами нагрузки.
На каждой колонне первичное число ампер-витков магнитно
нейтрализует вторичное. Из рис. 37, в основу которого поло-
жено одинаковое число витков с первичной и вторичной сто-
роны, видно, как передается нагрузка. Тут обращает на себя
внимание то любопытное обстоятельство, что возникают пер-
вичные сдвиги фаз даже в том случае, когда с вторичной сто-
роны нагрузка неиндуктивна. При любой однофазной нагрузке
угол сдвига фаз возрастает в одной
первичной фазе на 30°, между тем как
в другой фазе он на 30° уменьшается.
Это надо признать опасным свой-
ством соединения зигзагом, указываю-
щим на то, что эта схема изобретена
и пригодна только для световой на-
грузки. Вследствие возникновения сдви-
гов фаз с первичной стороны добавоч-
ное индуктивное падение напряжения
односторонней, однофазной нагрузки
одновременно приобретает совершенно
особое значение.
Далее, из рис. 37 видно, что ин-
дуктивное падение напряжения одно-
фазной нагрузки больше в отношении
2: УЗ, чем это следовало предпола-
гать, имея в виду неиндуктивность на-
Рис. 37-
грузки. Все это диктует осмотрительность. Числовой пример
внесет, пожалуй, еще большую ясность в этот вопрос.
Пример. Допустим, что у осветительного трансформатора,
соединенного зигзагом, мощностью в 100 kVA, нагрузка в двух
фазах составляет по 23^3 в третьей фазе—331/г kW\
Обмотка его состоит из дисковых катушек и расстояния между
катушками таковы, что при однофазной нагрузке поле рассея-
ния встречает уже только одну треть нормального магнитного
сопротивления.
Предположенная нами нагрузка распадается на равномер-
ную трехфазную в 70 k W и одну однофазную в 10 к W. Равно-
мерная трехфазная нагрузка вызывает, во-первых, нормальное
116
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
индуктивное падение напряжения, которое, разумеется, соста-
вляет 70°/о от нормального индуктивного падения при полной
нагрузке. К нему присоединяется добавочное индуктивное па-
дение, которое, согласно приведенным выше исследованиям,
можно считать равным надбавке приблизительно в 10% к нор-
мальному индуктивному падению.
Однофазная нагрузка прибавляет к этому еще свое индук-
тивное падение. При однофазной полной нагрузке это послед-
нее было бы, во-первых, вдвое меньше, чем нормальное
падение при трехфазной нагрузке, потому что оно вызывается
на одной колонне только половиною вторичной обмотки. С дру-
гой же стороны, вследствие втрое меньшего магнитного сопро-
тивления, оно было бы втрое больше. Кроме того, в виду
установленного выше способа ^1ередачи нагрузки, оно было бы
больше еще в отношении 2: Z3. В общем это дало бы в
0,5 • 3 • Ц- = 1,3 раза
большее индуктивное падение при однофазной, чем при трех-
фазной полной нагрузке. Но так как в данном случае одно-
фазная нагрузка составляет только одну треть от однофазной
полной нагрузки, то добавочное индуктивное падение одно-
фазной нагрузки будет составлять только 43°/0 от падения
при трехфазной полной нагрузке.
В общем надо было бы считаться с
100 [0,7 1,1+0,43] = 120%
от того индуктивного падения напряжения, которое происхо-
дило бы в том же трансформаторе при трехфазной полной
нагрузке, если бы он был соединен с обеих сторон звездою,
хотя в данном случае нагрузка трансформатора весьма далека
от полной.
В действительности условия складываются несколько иначе.
Индуктивное падение напряжения однофазной нагрузки пер-
вично сдвинуто по фазе на 30° относительно остального паде-
ния. Благодаря этому, общее падение становится несколько
меньше. Если бы допустить с первичной и вторичной стороны
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЮ С НУЛЕВЫМ ПРИВОДОМ
127
одинаковые условия, то надо было бы считаться не со 120%,
как выше, а с
0,43 V о,43 1
100 0,7 1,20+ —— + —	—— = 116° о.
'2'2	2
Но это только мнимое преимущество. Как раз это первич-
ное индуктивное падение только и приходится на практике
принимать в расчет при световой нагрузке, так как оно уже
не сдвинуто по фазе на 90° относительно рабочего напряже-
ния. У него есть одна составляющая, которая действительно
ослабляет напряжение. Она, очевидно, равна половине первич-
ного падения однофазной нагрузки, в соответствии с углом
сдвига фаз в 60°. Это дает
о,43 I
100.-f2- ^- = И°/о
от нормального индуктивного падения напряжения при трех-
фазной полной нагрузке, направленных по фазе против рабо-
чего напряжения.
С этим нужно примириться. Лучше было бы, конечно, по-
давление этого, во всяком случае, неприятного добавочного
явления. Что подавление это достигается в полной мере прак-
тически только при размещении обмотки согласно рис. 33,
доказывать не приходится.
Из числового примера ясно видно, что однофазные нагрузки
значительно повышают индуктивное падение напряжения. Это
имеет значение для параллельной работы осветительных транс-
форматоров. В плохо уравновешенных осветительных сетях
может случиться, что соединенные зигзагом трансформаторы
будут сбрасывать нагрузку на параллельно работающие транс-
форматоры, соединенные треугольником—звездою.
30.	Соединение звездою с нулевым проводом.
Американское трансформаторостроение значительно легче
может справляться с однофазными, односторонними нагруз-
ками трехфазных сетей, нежели европейское. В американской
практике принято с обеих сторон соединять трансформатор
128
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
звездою и снабжать нулевым проводом. Кроме того, трехфаз-
ные трансформаторы там сгруппированы просто из трех одно-
фазных, совершенно самостоятельных трансформаторов.
Первичное соединение звездою с нулевым проводом дает
то большое преимущество, что фазные токи могут развиваться
совершенно свободно, не влияя друг на друга. Три отдельных
железных сердечника для трех фазных силовых потоков уни-
чтожают, с другой стороны, всякое магнитное принуждение.
Ясно без доказательств, что при такой, в сущности, самой
естественной осветительной схеме соединений всякая однофаз-
ная нагрузка передается на первичную сторону, какова она
есть. Это удовлетворяет каждого инженера-производственника,
да и конструктору не приходится против этого возражать.
В Европе со стороны высокого напряжения редко прокла-
дывается нулевой провод. Тем самым, разумеется, утрачивается
возможность применения схемы звезда—звезда с двухсторон-
ними нулевыми проводами. Но если бы даже ее можно было
применить, она была бы несколько иною, чем в Америке, так
как трехфазный трансформатор в магнитном отношении менее
свободен, чем трансформатор, составленный из трех одно-
фазных.
В § 27 доказано было, что возникающее только в одной
фазе падение напряжения влияет и на остальные фазы вслед-
ствие сопряженности трех фазных потоков. Это не является
недостатком, покуда индуктивное падение напряжения не слиш-
ком велико. Американская практика знакома с трехфазным
сердечником, но применяет его сравнительно редко. Есте-
ственно, поэтому, что она прибегает только к соединению
треугольником и к соединению звездою. Соединение зигзагом—
это европейский способ. В нем есть нечто искусственное, хотя,
как мы видели, этот способ хорош. В сущности, он стремится
к решению неразрешимой проблемы.
Соединение звезда—звезда с двухсторонними нулевыми
проводами—это неуклюжее, но простое и здоровое решение.
Оно и дешевле всех других применительно к осветительному
трансформатору, если только оно вообще применимо.
Соединение треугольник—звезда дает почти то же, что соеди-
нение звезда—звезда с двухсторонними нулевыми проводами»
СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЮ С НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ
129
Оно также представляет собою хорошее, естественное решение
проблемы односторонних нагрузок. Ему трудно предпочесть сое-
динение зигзагом, хотя и этот последний способ очень хорош.
В самом деле, с точки зрения одной только работы на
освещение почти невозможно окончательно решить вопрос
в пользу того или другого из этих соединений, но как ни важна
эта точка зрения, не только она оказывает влияние на выбор
соединения. Существуют в эксплоатации еще и другие обстоя-
тельства, имеющие, правда, меньшее значение, но требующие
внимания в учении об эксплоатации. Ведь и легкие гири могут
склонить весы в ту или другую сторону.
Исключительным, но все же важным в эксплоатации слу-
чаем является повреждение обмотки высокого напряжения
в одной фазе. Инженеру-производственнику не безразлично,
надолго ли тогда выходит из строя поврежденный трансфор-
матор или же можно хотя бы отчасти продолжать его эксплоа-
тацию. В следующем параграфе будет показано, что эту по-
следнюю возможность гарантирует соединение треугольником.
Далее, важным обстоятельством, влияющим в сильной сте-
пени на выбор схемы соединений, является необходимость счи-
таться с высшими гармоническими намагничивающего тока.
Считаться с ними должен не только конструктор. Высшие гар-
монические возникают неожиданно, когда насыщение железа
в относительно небольшой мере превышает предусмотренный
предел. В эксплоатации очень часто случается, что рабочее
напряжение приходится немного повысить. Но заодно с рабо-
чим напряжением растет и насыщение железа. Трансформатор
при своем номинальном напряжении может быть в полном по-
рядке и все же работать неисправно при повышении рабочего
напряжения. С этими трудностями необходимо ознакомиться
инженеру-производственнику.
Наконец, не подлежит сомнению, что трансформаторострое-
ние все больше переходит к нормализации типов, по крайней
мере в области малых и средних мощностей. Этот вопрос
одинаково важен для конструктора и для инженера-производ-
ственника. Для первого нормализованное производство озна-
чает экономию, второй получает более дешевые трансформа-
торы с надежно гарантируемыми электрическими свойствами.
Эксплоатация трансформаторов	9
130
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Нормализация трансформаторов немыслима без нормализа-
ции обмоток. При всех практически встречающихся напря-
жениях, обмотки, в меру возможного, должны быть едино-
образны, особенно со стороны низкого напряжения.
Нормализованный трансформатор должен быть столь же
применим к световой, как и к силовой нагрузке. Нормализа-
ции подлежит, стало быть, и схема соединений. Выбор между
треугольником и зигзагом, повидимому, неизбежен. При этом
выборе нужно выслушать и мнение инженера-производствен-
ника, ибо после того, как та или иная схема приобретает силу
закона, ее изменения в отдельных случаях всегда будут сопря-
жены с материальными жертвами. Понятно, что каждый завод
будет ограждать себя от ненормальных заданий значительными
надбавками.
31.	V-образное соединение.
Когда трансформатор, соединенный треугольником—звездою,
прекращает свою работу вследствие повреждения только одной
из первичных фаз, то его в кратчайший срок можно снова
пустить в работу при пониженной мощности. Взамен повре-
жденных катушек тем временем можно заказать новые, если
их не было на складе. Разрушенное соединение треугольни-
ком переходит тогда в так называемое V-образное соеди-
нение.
Это последнее представляет собою не что иное, как соеди-
нение треугольником, в котором недостает одной фазы (рис. 38).
У треугольника напряжений первичной обмотки не хватает
одной стороны, но он сохраняет свои три угловые точки.
И так как электрическое соединение между сетью высокого
напряжения и первичною обмоткою выполняется только в трех
точках, которые электрически соответствуют угловым точкам
треугольника напряжений, а материально—зажимам первичной
обмотки, то дальнейшая работа поврежденного трансформатора,
несомненно, возможна. Само собою разумеется, впрочем, что
поврежденная фазная обмотка должна быть удалена до пуска
в ход трансформатора по новой схеме.
Всякий инженер-производственник будет приветствовать
возможность такой резервной работы. В эксплоатации нет ни-
V-ОБРАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
I3I
чего неприятнее перерывов. Когда дома остаются без света,
когда мастерские лишены тока, то заведывающий эксплоата-
цией подавлен бременем ответственности. Оно тяжелее вреда,
причиняемого самим перерывом. Это известно всякому инже-
неру-производственнику. В такие мгновения сравнительная до-
роговизна соединения треугольником теряет всякое значение.
Если V-образное соединение, осуществимое благодаря соеди-
нению треугольником, дает хоть какой-нибудь результат, если
оно дает хотя бы видимость работы, то уже приобретает цен-
ность. Учение об эксплоатации должно исследовать это соеди-
нение, которое должно быть известно
инженеру-производственнику даже луч-
ше, чем конструктору.
Прежде всего следовало бы рас-
смотреть, как работает V-образное сое-
динение при равномерной трехфазной
нагрузке. Таков, несомненно, важней-
ший случай. Но исследованию подлежат
также односторонние, однофазные на-
грузки при резервной работе, дабы могла
возникнуть полная картина V-образного
соединения.
И в первом и во втором случае ра-
бота трансформатора при V-обраэном
соединении определяется опять - таки
электрическим равновесием первичных цепей тока и имеющим
всегда столь же решающее значение магнитным равновесием
токов нагрузки. То и другое равновесие дает возможность ясно
решить проблему и при V-образном соединении.
Когда неповрежденная обмотка низкого напряжения при
резервной работе отпускает из всех трех фаз одинаковый ток
нагрузки, то со стороны высокого напряжения V-образное
соединение на поврежденной колонне не дает какого-либо
противотока, так как на этой колонне уже отсутствует обмотка
высокого напряжения. Тем не менее, трехфазный силовой поток
должен сохраниться.
Но разве есть еще вообще трехфазный силовой поток
У трансформатора при V-образном соединении? Несомненно.
9*
132
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Приложенный извне треугольник напряжений вызывает в обеих
неповрежденных фазах направленные против него напряжения,
сдвинутые между собою на 120°. Индуцируются они тогда
лишь, когда обе фазные обмотки пронизываются двумя сило-
выми потоками, равным образом сдвинутыми между собою
на 120°. Третья колонна, на которой сидела поврежденная
фазная обмотка, представляет собою для обоих фазных пото-
ков удобный обратный путь, по которому они, несомненно,
направятся. Следовательно, в этой третьей колонне оба фаз-
ных потока суммируются. И это как раз создает третий фаз-
ный поток трехфазного трансформатора.
Но если этот трехфазный нормальный силовой поток не
должен искажаться, то обе фазы V-образного соединения дол-
жны воспринимать еще и те противотоки, которые способны
магнитно уравновешивать вторичный ток нагрузки поврежден-
ной колонны. В трех магнитных цепях трехфаэного железного
сердечника токи нагрузки с первичной и вторичной стороны
должны нейтрализовать друг друга.
Если мы опять-таки, простоты ради, предположим одина-
ковое число витков с первичной и вторичной стороны, то
возникают следующие уравнения равновесия. Обозначим три
вторичных тока нагрузки через /1, /г и /8. Оба первичных
тока нагрузки пусть будут Л и Z2; *3 циркулировать не может
(рис. 39). Имеем:
/1 — Л	*2-/2 = о,
Л — *1	—/з = 0,
/2— *2	—/з = 0.
Отсюда следует:
Л	—/з.
Ч —/з Л
Векторная диаграмма токов (рис. 40), начерченная, разумеется,
для случая симметричной нагрузки, поясняет простой смысл
этих уравнений. При
Ji —J2-J3—J
сразу получается:
ii=h=J /3,
V-ОБРАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
133
при чем надо иметь в виду, что в обеих первичных фазах воз-
никает сдвиг фаз в 30°, если с вторичной стороны ток и на-
пряжение совпадали по фазе. Кстати сказать, легко убедиться,
что баланс энергии сводится без дефицита.
Из рис. 40 видно еще, что в одной фазе с первичной сто-
роны ток отстает от напряжения, в другой—опережает его.
Если нагрузка трансформатора индуктивна, то с первичной
стороны возникают более затруднительные неравномерности.
В случае вторичного сдвига фаз в 30°, с первичной стороны
угол сдвига фаз в одной фазе исчезает, зато в другой фазе
ток на 60° отстает от напряжения. Безрадостная картина!
Магнитное равновесие главного силового потока обеспе-
чено только что установленным распределением тока. Но на
отдельных колоннах снова возникают местные магнитные силы,
как при однофазной нагрузке соединения звезда—звезда без
первичного нулевого провода. На поврежденной колонне
имеется один только ток /3. На обеих работающих колоннах
с первичной стороны составляющая тока—Jt не имеет про-
тивотока. Следовательно, при том встречном направлении вит-
ков с первичной и вторичной стороны, которым мы задались,
на всех трех колоннах число ампер-витков, соответствующее
J9t в магнитном отношении совершенно свободно. Следствие
известно: возникает однофазное поле, общее для всех трех
колонн, пронизывающее все три колонны в одном и том же
направлении и неизбежно замыкающееся через воздух, совер-
IM
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
шенно так же, как в случае однофазно нагруженного соединения
звезда—звезда без первичного нулевого провода. Это доба-
вочное однофазное поле является вторым неприятным свой-
ством V-образного соединения.
Третье затруднение обнаруживается при осветительной
нагрузке. Правда, трехфазный силовой поток остается без из-
менения при переходе от соединения треугольником к V-об-
разному соединению, но на поврежденной колонне недостает
намагничивающего тока, которым этот силовой поток обу-
словлен, и, значит, должны усилиться намагничивающие токи
продолжающих работать фаз.
С первого взгляда кажется довольно трудным определить
это усиление намагничивающих токов. Насыщение железа дол-
жно быть правильно учтено, нельзя поэтому вести расчет так,
как будто возбуждение трех магнитных цепей трехфазного
железного сердечника должно дать простую суммарную кар-
тину; тем не менее, проблему эту можно разрешить без осо-
бых усложнений.
Прежде всего, обе фазы V-образного соединения должны
воспринимать совершенно такие же намагничивающие токи, как
прежде, при соединении треугольником. Этих предварительных
токов достаточно для того, чтобы пропустить оба фазных по-
тока до магнитной нулевой точки, общей для обоих потоков.
Возбуждение силового потока в третьей колонне также вызы-
вается обеими этими фазами, при чем можно допустить, что
они создают его поровну. Оба добавочных намагничивающих
тока должны быть, очевидно, противоположны по фазе треть-
ему фазному потоку, так как, если смотреть со стороны рабо-
тающих двух колонн, этот поток проходит в противоположном
направлении. Добавочный намагничивающий ток вдвое меньше
нормального намагничивающего тока. Так получается вектор-
ная диаграмма рис. 41.
Легко подсчитать, насколько вследствие V-образного сое-
динения усиливается намагничивающий ток, а заодно с ним,
разумеется, и весь ток холостого хода. Очевидно,—в
У 12+(4-)Ч2.1 .4-.COS 60° = 1,32 рава.
V-ОБРАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
45
Теперь уже значение, а также недостатки V-образного сое-
динения нам уясняются. Во-первых, нужно принять во внима-
ние то обстоятельство, что трехфазная нагрузка распределяется
между двумя первичными фазами. Если с вторичной стороны
полный допустимый ток циркулирует по трем фазам, то с пер-
вичной—оба тока в /3" раза сильнее, чем при нормальной
работе. Это, разумеется, недопустимо. Имея в виду допусти-
мое нагревание трансформаторов, мы вынуждены и с первич-
ной стороны не давать токам превзойти допустимый предел.
При V-образном соединении транс-
форматор выдерживает только
= 58°/о
от свой номинальной мощности.
Как ни как, это гораздо больше,
чем ничего, и инженер-производ-
ственник охотно ограничит отпуск
энергии до 40% в случае тяжелой
аварии, лишь бы только вообще
иметь возможность продолжать
работу.
Установленное нами выше усиление холостого хода прак-
тически имеет небольшое значение. Для резервной работы
совершенно безразлично, составляет ли ток холостого хода
10 или 13%. Таким образом, и это второе сопутствующее
явление не в состоянии обесценить V-образное соединение.
После всего сказанного ясно, что жизнеспособность V-об-
разного соединения зависит только от последствий однофаз-
ного добавочного поля. Со всеми остальными неприятными
свойствами этого соединения можно мириться при резервной
работе. Исследование добавочного потока и его последствий,
заняться которым, конечно, необходимо, сразу же показывает,
что тут следует ожидать больших неприятностей, чем при
однофазной нагрузке неповрежденного трансформатора, пер-
вично соединенного звездою без нулевого провода. На этот
раз добавочный поток возбуждается ведь полным током на-
грузки на каждой колонне. Хотя этот ток полной нагрузки,
136
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
как мы уже установили, может достигнуть только 60% от нор-
мального полного тока, все же он имеет следствием добавоч-
ное напряжение, которое почти вдвое больше, чем при одно-
фазной световой нагрузке.
Уже по этой причине возникает желание, вспомнив о диа-
грамме напряжений рис. 15, отбросить V-образное соедине-
ние, как непригодное. Но эта диаграмма напряжений вообще
теряет свое значение при V-образном соединении. С первич-
ной стороны уже не существует первичной точки, которая бы
могла смещаться, так что условия складываются еще гораздо
хуже, чем это можно было бы предполагать при поверхност-
ном изучении вопроса.
Лучше всего сразу же исследовать наиболее неблагоприят-
ный случай, а именно, чисто индуктивную, хотя и симметрич-
ную нагрузку. Так как направление вектора добавочного на-
пряжения определяется тою вторичною фазой, которой с пер-
вичной стороны никакая обмотка не противостоит, то, очевидно,
добавочное напряжение будет на поврежденной колонне не-
посредственно вычитаться из главного напряжения.
Приложенный треугольник напряжений АВС на рис. 42,
правда, получает от V-образной обмотки противодействующие
напряжения для АВ и СЛ, зато недостает противодействую-
щего напряжения для ВС. На поврежденной колонне, которой
соответствует сторона треугольника ВС, электрическое равно-
весие излишне, да и невозможно. Добавочное напряжение, со-
гласно предположению, имеет направление СВ.
Приложенное напряжение АВ уравновешивается внутренним
напряжением ADt—которое создает главный силовой поток,—
и добавочным напряжением DB. Подобным же образом уравно-
вешивают друг друга приложенное напряжение СА и порож-
даемое главным силовым потоком внутреннее напряжение ЕА
при содействии добавочного напряжения СЕ.
Но если сила главного силового потока в одной из непо-
врежденных колонн определяется вектором напряжения AD
а во второй из них—вектором напряжения ЕЛ, то, вследствие
соединения трехфазных потоков звездою, главный силовой по-
ток в поврежденной колонне должен определяться векто-
ром DE.
V-ОБРАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
137
По всем указанным причинам главный силовой поток по-
рождает фазные напряжения ADt DE и и при том—по
одному и тому же закону с первичной и с вторичной стороны.
Кроме того, добавочный поток влечет аа собою на каждой
колонне, первично и вторично, добавочное напряжение. Дей-
ствительные, вторично возникающие
дут, следовательно, соответствовать
поврежденной колонне индуцируемое
ком фавное напряжение DE умень-
шится еще на величину добавочного
напряжения и понизится до DF.
Таким образом, несомненно по-
ражающим результатом исследова-
ния является понижение вторичного
фазного напряжения на поврежден-
ной колонне при симметричной, чисто
индуктивной нагрузке на величину
трехкратного добавочного напряже-
ния. При этом углы сдвига фаз в 120°
остаются, без изменения.
фазные напряжения бу-
векторам АВ и С4; на
главным силовым пото-
Рис. 42.
В электротехническом институте Люблянского универси-
тета описанный в § 27 трансформатор мощностью 9 kVA на-
гружен был работавшим в холостую асинхронным двигателем
в размере около 6О°/0 от нормальной мощности при V-образ-
ном соединении с первичной стороны. Так как у этого транс-
форматора при указанном в § 27 испытании добавочное напря-
жение составило около 30°/о, когда его однофазный добавоч-
ный поток возбуждался током полной нагрузки, то при этом
втором испытании падение в одной его фазе должно было бы
составить около
3 • 0,6 ' ЗО = 54°/о
Измерение показало фазные напряжения 131, 131 и 76,4
вольта. Нагрузка не была чисто индуктивной.
Не трудно также прийти к общему решению проблемы
V-обраэного соединения. При различных углах сдвига фаз у
нагрузки вектор добавочного напряжения принимает различ-
ные направления. Если вокруг угловой точки треугольника
138
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
напряжений С (рис. 43) описать круг радиусом, равным трех*
кратному добавочному напряжению, то вторичное фазное на-
пряжение поврежденной колонны получается в виде вектора,
исходящего из В и кончающегося на окружности. Остальные
два фазных напряжения в любом случае суть АВ и СА. Диа-
грамму напряжений при V-образном соединении можно, ко-
нечно, представить также в форме рис. 44, и тогда особенно
ясною становится система вторичных напряжений при этом
соединении.
Картина получается неблагоприятная, и даже в качестве
резерва V-образное соединение кажется непригодным. Если
инженеру-производственнику приходится ожидать, что на по-
врежденной колонне напряжение поднимется или упадет на
5О°/о, то едва ли он решится начать работу при V-обраэном
соединении.
Но опасности не так уж велики, как это кажется вначале.
При чисто световой нагрузке, например, добавочное напря-
жение должно отставать на 90 от общего фазного напряжения.
Этот особый случай представлен на рис. 45. Если использо-
вание трансформатора составляет 5О°/о от его нормальной
мощности, и если считаться с добавочным напряжением в раз-
мере 1О°/о, когда добавочное поле возбуждается током полной
нагрузки, то на поврежденной колонне придется предположить
трехкратное добавочное напряжение в размере 54°/0. Согласно
V-ОБРАЗНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
139
рис. 45, фазное напряжение поврежденной колонны будет тогда
составлять
VI—0,54^ = 0,84,
т.-е. 84°/о от нормального фазного напряжения.
Таким образом, падение напряже-
ния составит 16°/о- По мере увеличе-
ния угла сдвига фаз у нагрузки,
условия, разумеется, ухудшаются,
впрочем, только в той фазе, которая
сидит на поврежденной колонне.
Картине V-образного соединения
можно придать еще большую ясность.
В самом деле, легко видеть, что
сильный однофазный добавочный по-
ток V-образного соединения, в сущ-
ности, при симметричной вторичной
нагрузке обусловлен только вто-
ричным током нагрузки первично поврежденной колонны.
Согласно рис. 46, который соответствует однофазной нагрузке
V-образного соединения, и притом только в сидящей на по-
Рис. 47.
врежденной колонне фазе, можно написать уравнения магнит*
ного равновесия в трех замкнутых через железо цепях:
У+п = 0,
J+h = 0,
zi — ij = 0.
140
ЭКСПЛОАТАЦИЯ IРАНСФОРМАТОРОВ
Таким образом
и получается добавочное поле той же величины, как при сим-
метричной полной нагрузке.
Вдобавок из рис. 47, соответствующего однофазной нагрузке
неповрежденной колонны, явствуют условия равновесия
J—ii + h = О,
J—i =0,
г‘з = О,
а из них непосредственно следует:
= 0.
На этот раз добавочное поле не возникает.
Отсюда ясно, что, уменьшая нагрузку фазы, сидящей на
поврежденной колонне, можно в любой степени ослабить недо-
статки V-образного соединения. Если эту фазу вообще вы-
ключить, то обе другие работают безупречно, при чем с вто-
ричной стороны можно довести нагрузку до полного номиналь-
ного тока.
Таким образом, V-образное соединение не является всего
лишь малоценным резервным соединением. Если, удалив по*
врежденную первичную фазную обмотку, можно продолжать
в полной мере эксплоатацию в двух фазах, то тем самым инже-
нер-производственник выигрывает много. К тому же, совсем
нет надобности совершенно отключить третью фазу. Питание
током главнейших установок, присоединенных к ней, можно
спокойно продолжать.
При V-образном соединении плохо, конечно, обстоит дело
с силовой нагрузкой. Но электродвигатели не останавливаются.
По крайней мере, важнейшие приводы могут продолжать работу.
При резервной работе не приходится считаться ни с потерями
в трансформаторе, ни с потерями в двигателях.
32.	Сравнение осветительных схем.
Способ соединения трехфазных трансформаторов имеет боль-
шое значение для эксплоатации, как это явствует из всего
предшествующего. Особенно осмотрительно должен быть про-
СРАВНЕНИЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СХЕМ
141
изведен выбор при несколько искусственной — говоря теорети-
чески—конструкции европейского трехфазного трансформатора.
Правда, силовой трансформатор подвергается симметрично
распределенной нагрузке в трех фазах. Для него можно обой-
тись простым, дешевым соединением звезда—звезда. Такой
трансформатор является, таким образом, не только в экономи-
ческом, но и в электрическом отношении более простою, бо-
лее ясной конструкцией.
Для осветительного трансформатора приходится выбирать
между соединением треугольник—звезда и соединением звезда—
звезда. При более дешевом соединении звезда—звезда транс-
форматор н^ Может нести исправно световую нагрузку, разве
что и со стороны высокого напряжения он располагает нуле-
вым проводом.
Выбор этот представляет собою трудную задачу для инже-
нера-производственника. Заводы, строящие трансформаторы,
как бы обнаруживают тенденцию навязывать заказчикам соеди-
нение зигзагом. Они правы, когда указывают, что оно не
дороже соединения треугольником и что в электрическом
отношении оно не хуже этого последнего справляется со своей
задачей. Действительно, при нормальной работе совершенно
все равно, какая из этих двух схем осуществлена.
Однако, выдвигая на первый план соединение зигзагом,
конструктор преследует свои особые цели. Он всегда стремится
внести как можно большее единообразие в конструкции и ста-
рается устроить так, чтобы его не слишком стесняло то об-
стоятельство, что наряду с нормальным рабочим напряжением
380/220 вольт часто еще встречается рабочее напряжение
220/125 вольт.
Соединение зигзагом требует во всех фазах расчленения
обмотки на две половины, каждая из которых отдельно дает
220 вольт, а обе последовательно — 380 вольт. Если, поэтому,
соединение зигзагом прервать и на каждой колонне соединить
параллельно обе половины обмотки низкого напряжения, то
обмотку низкого напряжения, включенную простою звездой,
можно непосредственно применить для 220/125 вольт.
Инженер-производственник обычно не понимает и не ценит
этой возможности переключения. Но и у него при выборе
142
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
схемы есть свои особые соображения. Он не желает, чтобы
его обезоруживал всякий пробой обмотки высокого напряжения,
он хочет и в случае подобного инцидента продолжать эксплоата-
цию. Он должен помнить о возможности V-обраэного соединения.
Обе точки зрения находятся между собою в тем большем
противоречии, что невыясненным остается еще вопрос о приве-
дении в исправность поврежденного трансформатора. Большие
электростанции сами исполняют ремонт своих малых трансфор*
маторов. Как ни противится порою поставщик такой самопо-
мощи, инженер-производственник дорожит возможностью не
слишком долго ждать исправления и, кроме того, не желает
оплачивать более или менее произвольные счета за ремонт.
Соединение треугольник — звезда с точки зрения эксплоа-
тации, несомненно, является лучшею осветительною схемою.
Ненормальным низким напряжениям должны соответствовать
ненормальные цены. Важна возможность резервной работы.
Кроме того, при соединении треугольником устраняются еще
и недостатки европейской конструкции, которые обнаружи-
ваются уже при холостом ходе.
Если конструктор примет во внимание, что за последние
десятилетия он стал понижать насыщение в железе не под
давлением инженера - производственника, не потому, что его
затруднял ток холостого хода, а также не потому, что иначе
нельзя было бы удерживать в должных границах потери холо-
стого хода, а в виду однофазного добавочного потока, обусло-
вленного третьей гармоническою намагничивающего тока, то
он охотнее согласится предпочесть соединение треугольник—
звезда соединению звезда—зигзаг. Звезда с первичной стороны
является для европейской конструкции тормазом. Она огра-
ничивает насыщение в железе, а не намагничивающий ток.
Новым электростанциям приходится порою иметь в виду,
что они в скором времени должны будут повысить напряжение
передачи. Поэтому они закажут и силовые трансформаторы
в соединении треугольником, чтобы позже иметь возможность
превратить треугольник в звезду и повысить напряжение на
73°/0. Это соображение тоже говорит в пользу соединения
треугольником, как нормализованного соединения для трансфор-
маторов европейской конструкции.
АМЕРИКАНСКИЕ СХЕМЫ
143
33.	Американские схемы.
В Америке принято составлять трехфазные трансформаторы
просто из трех однофазных единиц, так что каждая фаза
оказывается самостоятельным однофазным трансформатором.
Этим еще не разрешен вопрос соединений. Очевидно, что
разобщение фаз нельзя распространить на сеть.
Но если три обмотки высокого напряжения трех однофаз-
ных трансформаторов должны быть включены либо треуголь-
ником, либо звездою, если три трансформатора в электрическом
отношении образуют одно целое, а в магнитном отношении
сохраняют самостоятельность, то сразу же возникает проблема
соединения.
Относительно соединения, которое должно быть применено
с низкой стороны, в Америке существует так же мало сомне-
ний, как в Европе. При силовой нагрузке нужно, конечно,
иметь только треугольник напряжений, при световой нагрузке
возникает еще надобность в нулевой точке и в нулевом про-
воде. Остается опять-таки решить вопрос о соединении с пер-
вичной стороны.
Магнитное принуждение в европейской конструкции имеет
свои недостатки, но, с другой стороны, полная магнитная само-
стоятельность не дает фазам поддерживать друг друга. Нагруз-
ку одной фазы приходится преодолевать первично той же
фазе, правильнее говоря, нагрузка одного из трех однофаз-
ных трансформаторов касается только его одного.
Поэтому к американскому трехфазному осветительному транс-
форматору схема первичной звезды без нулевого провода не-
применима. Однофазный первичный ток нагрузки должен бы
был, так как другого пути у него нет, проходить через нуле-
вую точку в обмотку второго однофазного трансформатора и
там — без противотока — совершенно уничтожать магнитное
равновесие. Только соединение треугольником дает однофазному
трансформатору доступ к двум фазным проводам сети без по-
мощи обмоток остальных двух однофазных трансформаторов.
Но при прокладке нулевого провода схема первичной
звезды вполне применима к американской конструкции и для
световой нагрузки. Схема эта соответствует в большей мере
144
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
характеру составного трехфазного трансформатора, чем схема
треугольника, потому что она и в электрическом отношении
создает полную свободу, после того мак устранено было вся-
кое магнитное принуждение.
Легко понять, что первичная звезда без нулевого провода
представляет собою сомнительное решение даже при силовой
нагрузке, поскольку отдельные фазы обслуживаются самостоя-
тельными однофазными трансформаторами. Неравномерности,
как бы они ни были малы, всегда возможны. Зато ни на одно
из возможных, электрически чрезмерных требований одно-
фазные трансформаторы не могут в магнитном отношении
реагировать, не вызывая тяжелых неисправностей.
И точно, в Америке принято прокладывать нулевой провод
со стороны высокого напряжения. Это чрезвычайно упрощает
вопрос соединения. Схема звезда—звезда с двухсторонними
нулевыми проводами — это столь же простое, сколь дешевое
решение вопроса; оно было бы простейшим решением и для
европейской конструкции, если бы наши установки распола-
гали нулевым проводом.
Магнитная самостоятельность непосредственно влечет за
собою электрическую самостоятельность. Сложные схемы
к американским составным трехфазным трансформаторам не-
применимы. Проблема соединений там проста, и это, несо-
мненно, является преимуществом, которого лишен европейский
трехфазный трансформатор.
V. СВЕРХТОКИ.
34.	Защита от сверхтоков и ее проблемы.
Трансформатор выдерживает в продолжительной работе
точно определенное напряжение и точно определенный ток
нагрузки. Если бы мы имели в распоряжении идеальные мате-
риалы, если бы медь не обладала электрическим сопротивле-
нием, а железо — магнитным и электрическим сопротивлениями
если бы не происходило потерь на гистерезис, то любой транс-
форматор можно было бы нагружать в любом размере.
Тепловые потери в меди и в железе ставят предел нагрузке.
В сущности, мы строим трансформаторы не для определенной
мощности, а для определенных потерь. Изоляционные мате-
риалы, и прежде всего хлопчатая бумага, не должны чрезмерно
нагреваться. Начиная от 110° С, хлопчатобумажная оболочка
проволок быстро разрушается.
Конструктор тщательно наблюдает за тем, чтобы при макси-
мальной мощности температура не превосходила должного пре-
дела. При проектировании трансформаторов он добросовестно
руководится правилами, касающимися повышения температуры.
На щитке он указывает ту допустимую продолжительную
нагрузку, при которой нагревание еще не превосходит допу-
стимого предела.
Напряжение в установках подвергается лишь незначитель-
ным изменениям, только ток служит мерилом нагрузки. Поэтому
инженер-производственник считается не с допустимою мощ-
ностью, а с допустимым током нагрузки. На щитке этот ток
указан наряду с допустимою мощностью.
Этим исчерпываются обязанности конструктора. Он поза-
ботился обо всем, если положил в основу расчета худший
Эксплоатация трансформаторов	ю
146	 ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
случай, а именно—случай продолжительной полной нагрузки,
и если предостерег инженера-производственника от эксцессов.
Но для инженера-производственника вопрос о допустимом
максимальном токе этим еще не исчерпывается. Он желает и
он должен использовать все преимущества конструкции. Для
этого он должен их прежде всего знать. Равным образом, он
желает и должен допускать большие токи нагрузки, чем то
позволяют данные щитка, а именно — сверхтоки. Таким обра-
зом, проблема сверхтока тоже является проблемою учения об
эксплоатации, и притом не самою незначительною.
Сверхтоки действительно допустимы. Изучение проблемы
осветительного трансформатора в главе II уже показало нам,
что можно работать без опасности для трансформатора при
значительных сверхтоках. Необходимо только, чтобы они были
кратковременны. Конструктор имеет в виду, так сказать,
вечность, инженер-производственник нагружает трансформатор
на большие или меньшие промежутки времени.
Таким образом, номинальный ток трансформатора — это
всего лишь особый случай допустимого тока нагрузки. Легко
понять, что действительно допустимый ток нагрузки является
функцией от ее продолжительности. Номинальный ток — это
наименьший допустимый ток нагрузки, потому что он рассчитан
на наибольшую ее продолжительность. По всем этим причинам
проблема сверхтоков сводится теоретически к проблеме зави-
симости тока нагрузки от продолжительности нагрузки.
С первого взгляда кажется, что практически проблема сверх-
токов исчерпывается выяснением особенностей осветительной
нагрузки. Но существуют и силовые установки, дающие осно-
вание для таких же исследований, как установки осветитель-
ные. В частности, большое теоретическое сходство со световою
нагрузкою имеют приводы прокатных станов. У них также
чередуются периоды холостого хода и нагрузки, но только
нагрузка и разгрузка чередуются гораздо скорее. Проблема
сверхтоков при прерывистой работе безусловно должна быть
рассмотрена наряду с проблемою сверхтоков в осветительных
установках.
Кроме того, в каждой установке возникают нежелательные,
но неизбежные сверхтоки. Толчки тока случаются и при самых
ЗАЩИТА ОТ СВЕРХТОКОВ И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ
147
лучших устройствах. Длятся они только короткое время, но
считаться с ними необходимо. Как известно, при включении
цепи тока надо считаться с удвоением продолжительного тока.
Допустимая продолжительная мощность практически недости-
жима без кратковременных сверхтоков.
Наконец, существуют инциденты, которые не должны превра-
щаться просто в несчастные случаи. Короткие замыкания не
должны происходить, но они происходят. Ток короткого замы-
кания — это наибольший ток нагрузки; он должен быть наиболь-
шим допустимым током нагрузки, он не должен быть в состоянии
разрушить трансформатор.
Конструктор, разумеется, тоже принимает во внимание все
возможные сверхтоки, в том числе и ток короткого замыкания.
Но если он не столковался с инженером-производственником,
если этот последний не знает, что в состоянии вынести транс-
форматор, то и безупречная конструкция всегда будет нахо-
диться в опасности. Практически все зависит от того, как
в эксплоатации предохранен трансформатор.
В электротехнике чуть ли не со времени ее возникновения
^применяется предохранитель, тот искусственно ослабленный
участок в цепи тока, который под влиянием развиваемой сверх-
током теплоты разрушается прежде, чем пожарная опасность
начинает угрожать собственно проводам и трансформатору.
Однако, обыкновенный плавкий предохранитель давно уже при-
знается неудовлетворительным. Он предохраняет трансформатор
надежно, но слишком надежно. Он вступает в действие слишком
быстро. Сверхтоки неизбежны, их нужно допускать, они только
не должны слишком долго длиться. Надлежащий предохранитель
должен вступать в действие лишь по истечении некоторого
времени, он должен давать возможность сверхтоку улечься,
исчезнуть так же, как он возник.
В самом деле, нет более неприятного явления, чем постоян-
ное выключение при всяком сколько-нибудь значительном
сверхтоке. Оно, конечно, защищает трансформатор, но просто
парализует работу. Плавкий предохранитель — это несведущий
надсмотрщик, максимальный автомат с выдержкой времени —
надсмотрщик компетентный. Такая же получилась бы картина,
если бы приставить к непредохраненному трансформатору
ю*
148
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
в одном случае необразованного, простого человека, в другом—
инженера, поручив им обоим действовать по показаниям ампер-
метра.
С точки зрения учения об эксплоатации проблема сверх-
токов распадается на несколько частичных проблем. Из них
первою является, конечно, определение возможных сверхтоков
и соответствующей им допустимой продолжительности. Вторая
проблема — это исследование применимости плавкого предо-
хранителя, третья — правильное применение максимальных
автоматов с выдержкой времени.
Не подлежит никакому сомнению, что на практике до сих пор
совершаются крупные ошибки при предохранении трансфор-
маторов от сверхтоков. Слишком еще часто встречаются обык-
новенные плавкие предохранители на трансформаторных под-
станциях. Как раз вследствие своей неудовлетворительности
они почти всегда являются источником большой опасности.
Дежурный усиливает их, пока они не перестают его тревожить-
Тогда они вообще перестают выполнять свою задачу.
Реле с выдержкой времени часто еще бывает урегулировано
совершенно произвольно. Забота о спокойствии влечет за собою
зачастую страшные ошибки. Проблему сверхтоков нельзя
решить, если прятаться от опасностей: сообща с конструктором
инженер-производственник должен точно выяснить потребности
эксплоатации, чтобы в случае надобности можно было их учесть,
при конструкции трансформатора.
35.	Время выдержки автоматического выключателя.
Нет надобности доказывать ни конструктору, ни инже-
неру-производственнику, что время выдержки у предохранителя4
и у автоматического выключателя, обслуживающего трансфор-
матор, не должно превосходить допустимой продолжительности
максимального, вообще возможного тока, и что, с другой сто-
роны, выключающий ток не должен быть меньше минимального,
нормально случающегося при правильной работе сверхтока.
Этот совершенно естественный взгляд, учитывающий по-
требности эксплоатации и свойства конструкции, приводит нас
к ясному решению проблемы сверхтоков. Но это еще не гаран-
ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
149
тирует решения. Учение об эксплоатации обязано еще проверить,
возможно ли это решение вообще.
И вправду, задача сперва представляется совершенно без-
надежной. Сверхтоки, и прежде всего токи короткого замыкания,
могут возникать в любой миг, значит и тогда, когда трансфор-
матор уже достиг своей максимально допустимой температуры.
Поэтому всякий сверхток, поражающий полностью нагруженный
трансформатор, надо бы, в сущности, считать недопустимым,
так как он нагревает сверх позволенной меры изоляционные
материалы обмотки.
Однако, допустимая температура — это понятие растяжимое.
Недопустима продолжительно всякая температура свыше
105°С, потому что тогда хлопчатобумажная оплетка обмо-
точных проводников сравнительно быстро разрушается. Но
время все-таки имеет большое значение. Что опасно по исте-
чении 100 часов, то еще почти незаметно по истечении 10 сек.
Таким образом, с точки зрения проблемы сверхтоков нужно
приложить совсем другой масштаб к вопросу о допустимом
нагревании трансформатора.
При наибольшем сверхтоке, при коротком замыкании, воз-
никает крайний предел, температура воспламенения. Эту пре-
дельную температуру важно рассмотреть несколько подробнее.
Хлопчатая бумага и картон, главнейшие из применяемых
в современном трансформаторостроении твердых изолирующих
материалов, обугливаются при температуре свыше 200°С.
При 175°С хлопчатая бумага начинает желтеть, — признак того,
что происходят неисчезающие, тяжелые повреждения. Картон-
ные гильзы выдерживают стойко даже при продолжительной
работе температуру в 150°С, так что на них можно рассчитывать
по меньшей мере в такой же степени, как на хлопчатую бумагу.
Масло чувствительнее. Точка воспламенения трансформа-
торного масла приходится приблизительно на 170°С. Разумеется,
опасность воспламенения масла должна быть устранена, иначе
всему трансформатору грозило бы разрушение.
В нормальной работе обмотка трансформатора нагревается
на своей поверхности там, где она соприкасается с маслом,
до 60 — 65°С сверх температуры воздуха, при температуре
воздуха 35°С, т.-е. до 95 — 100сС. В крайнем случае она
150
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
может нагреться еще на 60сС (приблизительно), не создавая
опасности для масляной ванны. Из этого можно исходить
при практическом рассмотрении проблемы сверхтоков.
Очевидно, что при измеряемой секундами продолжительности
сверхтока едва ли может играть роль переход теплоты из
обмотки в масло или в воздух. Все сводится к теплоемкости тела
обмотки.
Таким образом расчет относительно прост. Нагревание об*
мотки под влиянием тока растет пропорционально его ква-
драту. При сверхтоке который превышает номинальный ток
7»
в k = -j- раза, теплота, развиваемая током, будет в к2 раза
больше, чем при номинальной мощности, когда она достигает
Vk ватт. Теплоемкость обмотки, как уже указывалось в пара-
графе 15, может быть рассчитана так, как если бы обмотка со-
стояла только из меди. Считаясь с внешними размерами изо-
лированных катушек, мы получаем кажущийся вес меди СкУ
который, разумеется, больше действительного веса меди Gk.
G'k
Отношение —q— является мерою использования пространства
медью.
Теплоемкость меди составляет
с*=390
ватт-сек.
хг. . °C ’
так что температура обмотки в
39о . G'k . 6о
w— & . Vk
секунд
превысит установленную выше кратковременно допустимую
температуру в 60 С. Здесь тоже удобно выразить развивае-
мую током теплоту при номинальной мощности через вес меди
и нормальную плотность тока i [А1кв. мм]
Г, = 2.5.С, Р.
так что для времени выдержки tw получается выражение
t = G'k • 10<	(20>
- G* . Л». /»
Уравнение (20), как результат определения допустимого
времени выдержки, содержит, наряду с конструктивными вели*
ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ И ТОК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
ISI
чинами G'k> Gk и i9 коэффициент сверхтока к. Он имеет решаю-
щее значение для проблемы сверхтоков, поэтому прежде всего
необходимо заняться им.
36.	Время выдержки и ток короткого замыкания.
Опаснейшим сверхтоком является для трансформатора ток
короткого замыкания. Если на вторичных зажимах осуществить
не имеющее сопротивления соединение между фазами или
с землею, то трансформатор испытывает максимальную мысли-
мую нагрузку. Таким образом, короткое замыкание на вторичных
зажимах должно определить собою время выключения.
Ток короткого замыкания трансформатора был бы беско-
нечно силен, если бы обмотка не имела своего собственного
омического и индуктивного сопротивления. В действительности
он расходует в обоих сопротивлениях полное рабочее напря-
жение.
Щиток трансформатора содержит данные относительно
величины продолжительного тока короткого замыкания. На нем
в процентах от рабочего напряжения указано так называемое
напряжение короткого замыкания. Этого последнего достаточно
для возникновения номинальной силы тока при коротком замы-
кании вторичных зажимов. Ток короткого замыкания, которого
действительно приходится ждать, очевидно, во столько раз
больше номинального тока, во сколько рабочее напряжение
больше напряжения короткого замыкания. Если обозначить
через:
ек—напряжение короткого замыкания, выраженное в процен-
тах от полного номинального напряжения,
J — номинальный ток (А),
Jk — продолжительный ток короткого замыкания,
то
Jk=J_^.	(21)
ек
Отсюда непосредственно выводится имеющий решающее зна-
чение коэффициент сверхтока:
к -	= 10°
J ек
152
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Если теперь соединить оба уравнения (20) и (21), то полу-
чается новое, весьма наглядное выражение для максимально
допустимого времени выключения:
Z =	секунд.	(20а)
G \ i J
Оно равняется только нескольким секундам, но все же соста-
вляет больше одной секунды. Отношение всегда больше
единицы, потому что оно равно отношению занимаемого изо-
лированной катушкою пространства к тому пространству, которое
занимает медь катушки. Оно зависит не только от величины
трансформатора, но и от его конструкции. Оно, несомненно,
имеет наибольшую величину у сухого трансформатора, кото-
рый требует довольно большой затраты изолирующих материа-
лов. Масляные трансформаторы малых и средних мощностей
тоже требуют большего добавочного к меди веса, чем крупные
трансформаторы, в которых пространство хорошо заполняется
их плоскими проводниками. По всем этим причинам коэффи-
циент заполнения пространства катушки, вообще говоря, дол-
жен медленно расти по мере увеличения мощности, приблизи-
тельно в пределах	G'k
4	1,2.
Отношение напряжения короткого замыкания ек к плотности
тока в меди i при нормальной мощности тоже уменьшается
заодно с мощностью, по крайней мере у малых и средней
величины трансформаторов. У сухих трансформаторов с трудом
можно поднять плотность тока выше 2 А/хв. мм и у них на-
пряжение короткого замыкания обычно составляет меньше 4°/о.
Масляные трансформаторы работают при плотностях тока
от 2,5 до 3 А/кв. мм, и у них напряжение короткого замыка-
ния только немного выше, чем у сухих трансформаторов.
В крупных трансформаторах с водяным охлаждением медь
можно нагружать до 5 А-кв. мм, но они редко строятся с на-
пряжением короткого замыкания, превышающим 7°/0. Таким
образом, квадрат отношения напряжения короткого замыкания
к плотности тока находится в пределах:
/ о \2
2.
ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ И ТОК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
153
По всем этим основаниям для максимально допустимой
выдержки времени получаются предельные значения:
16 > tw > 2,4 секунды,
при чем весьма важно то обстоятельство, что к малым мощно-
стям относятся большие выдержки времени и наоборот.
Такой результат не может удовлетворить инженера-произ-
водственника. Установленная нами зависимость допустимого
времени выдержки от мощности трансформатора находится
в коренном противоречии с потребностями эксплоатации.
В самом деле, для каждой крупной установки имеет большое
значение селективная защита от сверхтоков. Она только в том
случае надлежащим образом гарантирована, когда выдержки
времени уменьшаются по мере удаления от станции.
Но как раз крупные трансформаторы расположены особенно
близко от станции, потому что производимая и отпускаемая
мощность всегда тем больше дробится, чем больше удаляется
сеть от места производства энергии. Малые трансформаторы
обычно расположены очень далеко от станции, где они обслу*
живают местные сети низкого напряжения.
Опыт показывает, что выдержки времени необходимо гра-
дуировать ступенями по 2 секунды, начиная от станции. При
двукратной трансформации получились бы таким образом
времена выдержки приблизительно в 1,5 и 3,5 секунды, при
трехкратной — в 1,5, 3,5 и 5,5 секунд. Наименьшую выдержку
времени не рекомендуется устанавливать так, чтобы она была
значительно ниже 2 секунд.
37.	Время выдержки и напряжение короткого замыкания.
Проблема сверхтоков в действительности не так трудна,
как это кажется. Сухой трансформатор со своей относительно
слабою чувствительностью к короткому замыканию искажает
картину. Именно потому, что ему не так-то скоро начинает
грозить опасность, мы можем обойти его вниманием и продол-
жать исследование только применительно к масляным транс-
форматорам с водяным охлаждением или без него. Нужно
найти путь, приводящий к выполнению требований эксплоата-
ции и не отражающийся на безопасности трансформатора.
154
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Малые масляные трансформаторы мощностью приблизи-
тельно до 100 строятся по общему правилу с напряже-
нием короткого замыкания около 4°/о. При возможных плот-
ностях тока до 3 Ajxe. мм это напряжение короткого замыкания
достаточно высоко, чтобы можно было допустить выдержку
времени в 2 секунды. Крупному трансформатору надлежало бы
быть в состоянии выдерживать короткое замыкание продолжи-
тельностью до б секунд, чтобы при трехкратной трансформации
осуществимо было правильное градуирование времени вы-
держки.
Проблема сверхтоков сводится, таким образом, к тому, чтобы
сделать крупный трансформатор термически надежным в от-
ношении токов короткого замыкания. Решить ее можно, но,
конечно, не путем уменьшения плотности тока. Водяное охла-
ждение имеет ведь тогда лишь смысл, когда его ценою дости-
гается повышенная нагрузка меди. Остается еще только одна
возможность — напряжение короткого замыкания нужно сделать
у крупного трансформатора достаточно большим.
При напряжении короткого замыкания приблизительно в 10°/о
не приходилось бы ждать эксплоатационных затруднений и от
крупного трансформатора с водяным охлаждением. При плот-
ности тока в 4,5 А/кв. мм он мог бы выносить тяжелое бед-
ствие короткого замыкания в течение приблизительно 6 секунд.
Крупные трансформаторы без водяного охлаждения вообще
не причиняют затруднений, потому что в них медь может быть^
нагружаема гораздо умереннее.
Такое положение вещей приятно всякому конструктору. Он
и без того при высоких напряжениях нуждается в значительных
объемах масла и порою испытывает большие затруднения,
когда ему предписано низкое напряжение короткого замыкания.
Особенное облегчение доставит ему, как мы еще увидим,
решение важного вопроса о механической прочности транс-
форматоров в отношении токов короткого замыкания посред-
ством повышения напряжения короткого замыкания.
Надо признать, что напряжение короткого замыкания спо-
собно вызвать чувствительное падение напряжения. Правильно
и то, что как раз крупный трансформатор, пропускающий
через себя всю мощность установки, в первую очередь вызы-
ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ И ТОК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
И5
вает это падение напряжения. Но надежность эксплоатации
все же еще важнее. Крупный трансформатор, находящийся
подле места производства энергии, должен быть предохранен,
ему нужно сообщить высокое напряжение короткого замыка-
ния. В конце линии дальней передачи можно допустить уже
меньшее напряжение короткого замыкания.
Конструктор издавна стремится к повышению напряжения
короткого замыкания, инженер-производственник—к его пони-
жению. Конструктор прежде всего имеет в виду механическую
прочность в отношении короткого замыкания, инженер-про-
изводственник—падение напряжения. Арбитром в этом споре
является проблема сверхтоков.
У малого масляного трансформатора не следует допускать
напряжение короткого замыкания свыше 4°/о- Нормализованные
трансформаторы уже построены правильно. В отношении круп-
ных трансформаторов инженер-производственник должен избе-
гать узости взглядов. Рассматривая предложения, он должен
принимать в расчет и напряжение короткого замыкания и ду-
мать о потребностях своей установки. Если он в таких случаях
интересуется весом меди, то в виде исключения тут его интерес
обоснован. В самом деле, зная потери в меди и вес меди, он мо-
жет вычислить плотность тока и тогда получает, руководясь
уравнением (20 а), надежное представление об электрической
прочности трансформатора в отношении короткого замыкания.
Пример. Предложен крупный трансформатор мощностью
16000 kVA с потерями в меди 134 kW* т.-е. с падением напря-
жения 0,84% при полной нагрузке и cos?=l и с напряжением
короткого замыкания 5,6%. По запросу фирма указывает допол-
нительно, что обмотка* содержит 2 515 кг меди.
Так как 1 кг при 1 А1кв. мм развивает около 2,5 ватт тепло-
вых потерь, то из потерь в меди и из веса меди выводится
средняя мощность тока:
/ —-1 /	_ 4 62 К кв. мм.
К 2,5-2515
Следовательно, трансформатор выдерживает короткое замы-
кание лишь немного дольше
( 5,6 \2
(да =1’5 секУнды>
156	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Ясно, что напряжение короткого замыкания у трансформа-
тора во всяком случае слишком низко. Даже при двукратной
только трансформации это напряжение следовало бы поднять
приблизительно до 9°/0.
38.	Зависимая выдержка времени. Короткое замыкание
витка.
Наше предварительное решение вопроса о времени выклю-
чения нужно еще защитить от целого ряда возможных возра-
жений. Как у инженера-производственника, так и у конструк-
тора встретятся такие возражения, которые во всяком случае
нужно принять во внимание и обсудить.
Инженер-производственник прежде всего укажет, что в ос-
нову определения максимально допустимого времени выклю-
чения положена была температура воспламенения масла, но что
без доступа воздуха масло гореть не может, а стало быть мы
были в расчете чрезмерно осторожны.
Масло действительно загорается тогда лишь, когда к нему
присоединяется достаточно воздуха. Наверное никогда нельзя
сказать, воспламенится ли оно или не воспламенится, если
только не держаться ниже точки воспламенения. Но значи-
тельно превысить 170°С нельзя и потому, что это было бы
опасно для хлопчатой бумаги. Как ни редко случается корот-
кое замыкание, оболочка проводников не должна обугливаться
хотя бы в самой незначительной степени.
Второе возражение может быть направлено против незави-
симой установки времени выдержки. Существуют, действи-
тельно, такие автоматы, у которых время выдержки тем меньше,
чем сильнее сверхток. Конструктор ничего не может иметь
против зависимой выдержки времени и допустит даже, чтобы
время выдержки было обратно пропорционально квадрату сверх-
тока. Но такие автоматы прежде всего не удовлетворяют самого
инженера-производственника. Зависимая выдержка времени не
вполне совместима с селективною защитою от сверхтока.
Очень часто приходится слышать возражение, что против
пожарной опасности, которою грозит трансформатору короткое
замыкание, все равно не существует защиты, что даже при
ЗАВИСИМАЯ ВЫДЕРЖКА ВРЕМЕНИ
1<7
правильной выдержке времени трансформаторы часто гибнут
и что поэтому излишне требовать высокого напряжения корот-
кого замыкания. Но это возражение свидетельствует о незна-
комстве с вопросом.
Короткое замыкание на вторичных зажимах трансформатора
или в непосредственной близости от них, которое мы до сих
пор рассматривали, резко отличается от внутреннего короткого
замыкания и, стало быть, прежде всего от короткого замыка-
ния витка. Против этого последнего, в самом деле, зачастую
бессильны все вспомогательные средства защиты от сверхтоков»
Это нужно выяснить подробнее.
Короткозамкнутый виток, где бы он ни находился, принад-
лежит ли он к первичной или к вторичной обмотке, становится
в миг замыкания самостоятельною вторичною обмоткою. Обте-
кающий его ток короткого замыкания непременно должен быть
магнитно обезврежен первичною обмоткою, так как трансфор-
матор продолжает работать до тех пор, пока короткозамкну-
тый виток не сгорит или пока не выключится трансформатор.
Беда заключается в том, что ток короткого замыкания
витка обтекает только один виток, так что противоток, немед-
ленно воспринимаемый первичною обмоткою и, разумеется»
обтекающий все ее витки, во столько раз меньше, сколька
витков содержится в первичной обмотке. Вне трансформатора
короткое замыкание витка может, поэтому, проявиться при
известных обстоятельствах только в форме весьма незначи-
тельного сверхтока.
Пример. Пусть у масляного трансформатора мощностью
в 75 kVAy 35000/400/231 вольт, 50 периодов, соединенного
звездою с обеих сторон? имеется первично 5 000 витков, а вто-
рично 57 витков. Напряжение короткого замыкания соста-
вляет 4%.
При номинальной мощности первичный ток нагрузки равен:
75000
-------= 1,25 А,
у 3.35000	’
вторичный:
-2^ = 113,5 А.
/Г380
158	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Если накоротко замкнется виток первичной обмотки, то в нем
ток усилится приблизительно до
1,25 . — = 31,3 А.
4
Оставшиеся в сохранности 4 999 витков первичной обмотки
магнитно противодействуют этому внутреннему току короткого
замыкания противотоком силою
0,00625 А.
4999
Первичный ток трансформатора усиливается на каких-нибудь
пять тысячных, никакое защитное от сверхтоков устройство
не может обнаружить происшедшего в масляном баке боль-
шого бедствия, виток, несомненно, сгорит.
Само собою разумеется, что вследствие короткого замы-
кания в одном витке загораются и соседние витки. Ток корот-
кого замыкания постепенно распространяется, поражает все
больше витков и вызывает усиление противотока в неповре-
жденной части обмотки, пока автомат все-таки не вступит в дей-
ствие.
Чем меньше трансформатор и чем выше его первичное
напряжение, тем опаснее эти короткие замыкания витков. Но
даже у крупных трансформаторов внутреннее короткое замы-
кание почти всегда чрезвычайно вредоносно. Против короткого
замыкания витков защиты не существует.
Но проблема сверхтоков вообще может считаться только
с теми инцидентами, которые возможны, допустимы и неиз-
бежны. Короткие замыкания витков возникают вследствие
неудовлетворительности конструкции. Нет худа без добра.
Если короткое замыкание витка губит трансформатор, вообще
говоря безупречный, но устарелый по своей конструкции, то
оно было уместно.
Наряду с возражениями против строгого решения проблемы
сверхтоков, которых можно ждать от инженера-производствен-
ника, придется высказать свои сомнения и конструктору. Оза-
боченный надежностью своей конструкции, он укажет на то,
что продолжительный ток короткого замыкания—еще не наи-
большее зло, что надо принять во внимание еще и явления
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОЕ И ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ I 59
выравнивания при внезапно возникающем коротком замы-
кании.
В сущности, только это возражение охватывает всю про-
блему короткого замыкания в целом, вследствие чего стано-
вится необходимым подробное исследование всех частностей
этого явления. Оно имеет одинаковое значение как для кон-
структора, так и для инженера-производственника.
Механическая прочность крупных трансформаторов в от-
ношении короткого замыкания весьма важна для каждого ин-
женера-производственника. Заказ на большие машины выдается
не только на основании обыкновенной сметы: заказчик требует
и чертежей. Слишком часто конструктор оказывается в трудном
положении, когда ему приходится доказывать механическую
прочность в отношении короткого замыкания заказчику,
который недостаточно знаком с явлениями короткого замы-
кания.
Проблема короткого замыкания, по счастью, не требует
сложных расчетов для своего наглядного решения. При этом
можно доказать, что опасности внезапного короткого замыка-
ния трансформатора далеко не так велики, как их изображают
неточные теории. Для учения об эксплоатации представляется
благодарною задачей сократить рациональным образом устрой-
ства, противодействующие электрическим и механическим по-
следствиям короткого замыкания трансформатора.
39.	Продолжительное и внезапное короткие замыкания.
При описании явлений короткого замыкания в трансфор-
маторе удобно начать с более простой картины продолжитель-
ного короткого замыкания. Внезапное короткое замыкание
влечет тогда за собою только дополнительные явления, кото-
рые затухают при переходе в продолжительное короткое замы-
кание.
При продолжительном коротком замыкании в трансформаторе
тоже в любой миг устанавливается, во-первых, электрическое
равновесие напряжений, во-вторых — магнитное равновесие
токов. Напряжения вторичной обмотки, создаваемого главным
потоком, как раз хватает на то, чтобы дать возможность току
I6o
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
короткого замыкания преодолеть омическое и индуктивное
сопротивление обмотки: таким образом, напряжение обмотки
и общее падение напряжения уравновешивают друг друга во
вторичной обмотке.
К первичной обмотке прилагается при продолжительном
коротком замыкании, как и при нормальных условиях, полное
напряжение сети. При прохождении тока короткого замыкания
оно должно не только преодолеть омическое и индуктивное
сопротивление обмотки, но и противодействующее ей, поро-
ждаемое главным потоком напряжение обмотки. Таким образом,
с первичной стороны приложенное напряжение находится в рав-
новесии с напряжением обмотки, находящим поддержку в общем
падении напряжения.
Магнитное равновесие требует и при продолжительном ко-
ротком замыкании равенства между числами ампер-витков
у первичной и у вторичной обмоток. Главный поток и при
продолжительном коротком замыкании питается только нама-
гничивающим током, извлекаемым из сети первичною обмоткою
заодно с током короткого замыкания.
Но при продолжительном коротком замыкании главный
поток очень ослаблен. При коэффициенте трансформации 1:1
порождаемые главным потоком напряжения первичной и вто-
ричной обмоток равны между собою. Приблизительно равны
между собою также падения напряжения с первичной и вто-
ричной стороны при одинаковом числе витков. И если с вто-
ричной стороны разность между напряжением обмотки и общим
падением напряжения равна нулю, а с первичной сумма этих
двух величин равна приложенному напряжению, то, очевидно,
главный поток должен воссоздавать только половину прило-
женного напряжения в виде напряжения обмотки.
При нормальной работе общее падение напряжения пер*
вичной обмотки составляет только несколько процентов от
приложенного напряжения. Следовательно, напряжение обмотки
должно быть почти равно приложенному напряжению. При
продолжительном коротком замыкании, по всем этим причинам,
главный поток ослабевает почти до половины нормального
числа силовых линий. Зато оба потока рассеяния сильно воз-
растают. Каждый из них обладает приблизительно таким же
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОЕ И ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ l6l
числом силовых линий, как главный поток, если омические
падения напряжения в обеих обмотках, как это бывает обычно,
весьма невелики по сравнению с индуктивными падениями
напряжения.
Такова картина продолжительного короткого замыкания
в том виде, в каком она должна быть знакома инженеру-про-
изводственнику и в каком она лежала до сих пор в основании
нашего исследования проблемы сверхтоков. Приложенное напря-
жение наполовину расходуется в первичной обмотке, наполо-
вину во вторичной, только на преодоление омического и индук-
тивного сопротивлений.
Внезапное короткое замыкание весьма усложняет проблему
и влечет за собою необыкновенные дополнительные явления.
Их проще всего описать и уяснить себе, если для начала
пренебречь омическими сопротивлениями обмоток.
Внезапное короткое замыкание может постигнуть транс-
форматор в любой миг. Но при этом не безразлично, каким
числом силовых линий обладает главный поток в момент
короткого замыкания. Наиболее неблагоприятны последствия,
когда в этот момент главный поток как раз достиг своего
наибольшего значения.
Начиная от мгновения короткого замыкания, при отсут-
ствии омического сопротивления, общее число силовых линий»
сопряженное с вторичною обмоткою, не должно измениться
ни на одну линию. Главное поле и поле рассеяния должны
сообща создавать во вторичной обмотке нулевое напряжение»
иначе ток короткого замыкания станет бесконечно силен.
И если короткое замыкание как раз натолкнулось на макси-
мальную величину главного потока, между тем как первичный
поток рассеяния, разумеется,—как это всегда бывает в нор-
мальной работе,—мог составлять только несколько процентов
от главного потока, то, начиная от мгновения короткого замы-
кания, сумма линий главного потока и вторичных линий рас-
сеяния должна оставаться продолжительно равна максималь-
ному числу линий главного потока.
Та же замечательная картина получается, конечно, и в том
случае, если исходить из того, что при отсутствии омического
сопротивления вторичное напряжение обмотки должно, начиная
Эксплоатация трансформаторов	11
i61
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
кого короткого замыкания.
Вторичный
от мгновения короткого замыкания, уравновешивать вторичное
напряжение рассеяния. Таким образом, главный поток и поток
рассеяния должны быть равны между собою и противоположны
по фазе.
Но при коротком замыкании главное поле уже не может
сохранять свою полную величину. Оно должно наполовину
ослабеть, как это нам показало исследование продолжитель-
таким образом может по-
всюду сохраниться элек-
трическое равновесие.
Главный поток, который
в мгновение короткого за-
мыкания достиг своего нор-
мального максимального
значения, будет умень-
шаться только с половин-
ною скоростью, он достиг-
нет нулевого числа линий,
как своего минимального
значения, затем будет уси-
ливаться по синусоиде, но
только между первоначаль-
ным максимальным значе-
нием и нулем, а уже не между тем же положительным
максимальным значением и равным ему отрицательным макси-
мальным значением (рис. 48). Совершенно так же, но со сдви-
гом фаз в 180°, изменяется вторичный поток рассеяния. Пер-
вичный же поток рассеяния в каждый миг обладает высотою
главного потока.
Дополнительные явления внезапного короткого замыкания
легко отделить от уже знакомых нам явлений продолжитель-
ного короткого замыкания. Из рис. 48 непосредственно явствует
то обстоятельство, что и главный поток и оба потока рассея-
ния усиливаются благодаря остающимся без изменения доба-
вочным потокам и притом в полной зависимости от началь-
ного значения главного потока в момент внезапного возникно-
вения короткого замыкания. Три добавочных потока в рас-
сматриваемом неблагоприятном случае имеют такую же вели-
ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ И ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ 163
чину, как нормальные потоки продолжительного короткого за-
мыкания, достигшие своего максимального значения.
Добавочные потоки нуждаются, конечно, в питании. Доба-
вочный главный поток при возникновении короткого замыка-
ния уже имеется налицо. Добавочные потоки рассеяния еще
должны быть возбуждены. Токи короткого замыкания должны
быть с первичной и вторичной стороны усилены постоянными
токами. Ток короткого замыкания трансформатора должен
быть по всем этим причинам сильнее при внезапном возникно-
вении короткого замыкания, чем при продолжительном корот-
ком замыкании; в рассмотренном выше, наиболее неблагопри-
ятном случае, добавочный постоянный ток доводит ток корот-
кого замыкания до двойной высоты.
Только тогда внезапное короткое замыкание не влечет за
собою добавочных явлений, когда оно возникает в момент
прохождения главного потока через нуль. Рассчитывать на та-
кой счастливый случай не приходится. Наоборот, нужно счи-
таться с наиболее неблагоприятным случаем. Поэтому кон-
структор прав, когда он утверждает, что проблема сверхтоков
решена отнюдь не с достаточною осторожностью, если во
внимание принято только продолжительное короткое замыкание.
Необходимо еще больше углубиться в нее.
40.	Внезапное короткое замыкание н время выдержки.
Время выдержки было определено для автомата, обслужи-
вающего трансформатор, на основании теплоты, развиваемой
током продолжительного короткого замыкания. Добавочный
ток короткого замыкания может в наиболее неблагоприятном
случае достигнуть максимального значения продолжительного
тока короткого замыкания. Он грозит, следовательно, утрое-
нием нагревания, так как, в качестве постоянного тока, разви-
вает вдвое больше теплоты, чем переменный ток, имеющий
то же максимальное значение.
Всякое нагревание током предполагает наличие омического
сопротивления, между тем приведенное в предыдущем пара-
графе исследование совершенно обошло вниманием как раз
омические сопротивления обмоток. Но на результате исследо-
11*
164
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
вания это не слишком отразилось. Вторичный поток рассеяния
может, правда, быть слабее главного потока при наличии со-
противления у обмотки, но слабее только в незначительной мере.
Напряжение, порождаемое главным потоком во вторичной
обмотке, должно всегда быть равно сумме напряжения само-
индукции и омического падения напряжении. Векторная диа-
грамма рис. 49 непосредственно выясняет это соотношение
величин. По мере увеличения мощности трансформатора дей-
Ток
коротк. замык.
Омическ падение
‘^*•4.
е
<S
1_
ствительная картина внезапного
короткого замыкания все больше
приближается к описанной выше
теоретической картине.
Но если как раз в отношении
крупных трансформаторов нужно
считаться почти с удвоением про-
должительного тока короткого за-
мыкания и, кроме, того, с утрое-
нием развивающейся при коротком
замыкании теплоты, то вопрос о
времени выключения получает со-
Рис- 49-	вершенно иное освещение. Про-
буждаются худшие опасения. Пред-
ставляется даже необходимым объяснить, почему не следует
считаться с четырехкратною теплотою при коротком замыка-
нии, так как ток может ведь удвоиться.
Продолжительный ток короткого замыкания и добавочный
постоянный ток обладают* конечно* различною частотою. Как
известно, они поэтому развивают теплоту так, как если бы
не зависели друг от друга. Это* впрочем, явствует из уравнения
~ J Uk +Jk sin vtyrd (<|>0 = J *r +	.
в котором, разумеется:
JK означает максимальное значение продолжительного тока
короткого замыкания, а значит и силу постоянного тока при
внезапном наиболее неблагоприятном коротком замыкании,
г сопротивление обмотки.
ВНЕЗАПНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ И ВРЕМЯ ВЫДЕРЖКИ 165
Столь страшная с виду теплота, развиваемая добавочным
постоянным током короткого замыкания, по счастью, далеко
не так опасна в действительности. Она имеет точно преду-
становленное предельное значение. Она не может потреблять
больше энергии, чем накопилось энергии в добавочном поле
рассеяния.
Постоянный ток короткого замыкания действительно не
может сохранять свою первоначальную высоту. Недостает
того напряжения, которое могло бы ток такой силы пропу-
скать через сопротивление обмотки. Он ослабевает, вместе
с ним уменьшается число силовых линий поля рассеяния, но
как раз вследствие уменьшения числа линий у поля рассеяния
индуцируется то напряжение, которое поддерживает постоян-
ный ток короткого замыкания.
Вследствие уменьшения постоянного тока короткого замы-
кания ослабевает постоянное поле рассеяния. Это ослабеваю-
щее постоянное поле рассеяния отдает свою энергию для по-
рождения теплоты постоянного тока короткого замыкания.
Когда поле это исчезает, то перестает развиваться и доба-
вочная теплота тока короткого замыкания.
Рассчитать магнитную энергию постоянного поля рассеяния
совсем нетрудно. Она определяется коэффициентом самоиндук-
ции обмотки L и постоянным током короткого замыкания
в начале явления Jgl. Она равна:
Lh.
___- ватт-секунд.
2
У трансформаторов индуктивное сопротивление обмотки
2itv£ (где v означает число периодов) всегда значительно больше
омического сопротивления г. Но если короткое замыкание
длится tk секунд, то, несомненно,	во много раз меньше,
чем r.J*gl.tk.
Если даже, например,
2kv£ = 4г
и время выключения урегулировано только на две секунды,
то получается отношение
_L /2____4Г П __ _J__ г 72 2.
2 Я1 47:^ ' gl 2KV	’ J gi *
166
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
С теплотою, развиваемою постоянным током короткого
замыкания, можно вообще не считаться. Как ни грозно выгля-
дит добавочный постоянный ток, его последствия совершенно
незначительны. Объясняется это тем, что поле рассеяния
обладает относительно небольшою энергией, между тем, как
теплота тока короткого замыкания очень велика.
О магнитной энергии трансформаторных потоков обычно
существуют весьма преувеличенные представления. У главного
потока при коротком замыкании еще гораздо меньше энергии,
чем у потока рассеяния. У первого число линий таково же,
как у второго, но он порождается током, составляющим только
несколько процентов от минимального тока трансформатора,
между тем как поле рассеяния возбуждается током короткого
замыкания, который в 20—30 раз сильнее номинального тока.
Пусть, например, индуктивность у главного потока раз в 50
больше, чем у потока рассеяния, зато порождающий его ток
одновременно в 50 раз слабее, так что магнитная энергия
у него будет в 50 раз меньше, чем у поля рассеяния.
Вследствие расходования магнитной энергии добавочных,
постоянным током обусловленных, потоков внезапный ток ко-
роткого замыкания быстро переходит в продолжительный ток
короткого замыкания. Затухает также постепенно добавочный
постоянный главный поток. Он должен в обеих обмотках про-
талкивать поддерживающие его намагничивающие постоянные
токи через омические сопротивления и он расходуется в вы-
деляемой ими теплоте.
Важным результатом исследования является то, что доба-
вочные явления внезапного короткого замыкания не имеют
значения для защиты трансформатора от сверхтоков. Тем
самым неясные представления относительно опасности корот-
кого замыкания уточнены прежде всего с точки зрения про-
блемы сверхтоков. Это окончательно исчерпывает вопрос
о времени выключения. Но прежде, чем приступить ко второй
части проблемы, к вопросу о токе выключения, полезно обсудить
проблему механической прочности трансформатора в отношении
коротких замыканий, так как для ее освещения надо также
воспользоваться только что набросанными картинами явлении
короткого замыкания.
СИЛА ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
167
41.	Сила тока короткого замыкания.
Интенсивное выделение теплоты является не единственною
опасностью короткого замыкания трансформатора. По мень-
шей мере такое же значение имеют возникающие при корот-
ком замыкании огромные силы отталкивания, которые, если их
не сдерживать, должны неминуемо разрушить конструкцию.
С ними должен быть знаком инженер - производственник
так же, как с теплотою, развиваемою током короткого за-
мыкания.
Известно, что два параллельных токонесущих проводника
производят друг на друга действие притяжения или отталки-
вания, смотря по тому, направлены ли в них токи в одну сто-
рону или друг против друга. Эти механические усилия обычно
невелики. Только сильные токи дают возможность этому
явлению обнаружиться практически.
В каждом трансформаторе витки одной из обеих обмоток
образуют сплошь параллельные проводники, по которым прохо-
дят одинаковые и одинаково направленные токи. Они, как
известно, притягиваются. Поэтому каждая обмотка образует
тело, сдерживаемое внутренними силами. С другой стороны,
в каждом трансформаторе витки, принадлежащие к первичной
и к вторичной обмотке, образуют параллельные проводники,
обтекаемые друг против друга направленными токами. Такие
проводники отталкиваются.
Легко понять, почему первичная обмотка всегда стремится
оттолкнуться от вторичной. Оба поля рассеяния вынуждены
проталкиваться через промежуток между обеими обмотками
(рис. 50). Они ищут по возможности удобного пути и стре-
мятся раздвинуть обмотки. Накопленная в полях рассеяния
энергия во всякое время готова совершить необходимую для
смещения работу.
Полезно рассмотреть подробнее весьма простой случай двух
параллельных проводников, обтекаемых направленными друг
против друга токами. При желании вести расчет точно, надо,
конечно, предположить, что длина этих двух проводников бес-
конечна, но затем можно ограничиться длиною I (см) и иссле-
довать эту ограниченную, частичную картину (рис. 51).
168
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Ток J (амперов) порождает в том месте, где находится
второй проводник, магнитное поле с плотностью линии
В=^
го
I, 9
где I (см) обозначает длину той силовой линии, которая как
раз пересекает второй проводник. Сила отталкивания при длине
проводника I равна тогда, как известно,
5=S.Z./.1O-1 =4«./2..Ю-2 дин =	/»	• Ю-’ **•
Рис. 51
Рис. 50.
Этот результат непосредственно применим к случаю корот-
кого замыкания трансформатора. Каждую из обеих отталки-
вающих друг друга обмоток можно рассматривать как один
проводник, обтекаемый током, соответствующим полному
числу ампер-витков короткого замыкания обмотки. Так как
числа ампер-витков у обеих обмоток всегда одинаковы, то
условие приведенного выше расчета соблюдено.
Нужно, конечно, считаться с наибольшим мгновенным зна-
чением тока. Таким образом, принять во внимание следует не
действующее значение продолжительного тока короткого за-
мыкания Jk и не максимальное его значение, а удвоенное
максимальное значение, потому что при внезапном коротком
СИЛА ГОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
169
замыкании и ничтожно малом омическом сопротивлении обмотки
максимальный ток может достигнуть именно такой величины.
Так получается для числа ампер-витков обмотки с w витками
выражение	_
2.Jk .К2 w.
Для длины проводников подставить нужно среднюю длину
витка Um (см) обеих обмоток, для длины линий рассеяния 19
у трансформаторов—приблизительную длину колонны (рис. 52),
если обмотки концентричны, или радиальную высоту обмотки
(рис. 53) при дисковых катушках.
Рис. 52.	Рис. 53.
Так получается для угрожающей трансформатору механи-
ческой силы короткого замыкания выражение
•S’8.4к. w2 ./2* -j— . 10 кг.
Из исследования полей рассеяния известно, что как пер-
вичную, так и вторичную обмотку можно представлять себе
замененною одним витком, по которому проходит ток, соот-
ветствующий полному числу ампер-витков обмотки, при чем,
однако, обе обмотки нужно тогда представлять себе разобщен-
ными не только промежутком между ними, но еще одною
третью ширины обмотки с каждой стороны (рис. 52 и 53).
Следовательно, оба потока рассеяния продолжительного ко-
170
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ротного замыкания сообща имеют в распоряжении, в самом
узком месте, сечение
V.U
и утилизируют его поровну. Таким образом они достигают
каждый
N — —. Jk . V2~ ~т' -U — силовых линии.
Столько же силовых линии достигает добавочный постоянный
поток при наиболее неблагоприятном внезапном коротком за-
мыкании.
Поток рассеяния продолжительного короткого замыкания
индуцирует напряжение самоиндукции
Ns.w.v. 10”® действующих вольт,
которое, как мы установили, равно половине рабочего напря-
жения Е (вольт). Наибольшая механическая сила короткого
замыкания может быть, следовательно, выражена также в та-
кой форме:
5=12,6 кг.
Но продолжительный ток короткого замыкания опреде-
ляется нормальным током полной нагрузки / (А) и выражен-
ным в процентах напряжением короткого замыкания ек:
Jh J ek
так что можно еще написать
5=1,26 —кг.	(22)
5 .ek
В этом конечном уравнении:
EJ означает номинальную мощность одной колонны транс-
форматора (VA),
v — число периодов (сек”1),
8'— теоретическое расстояние между обмотками (см),
ek — напряжение короткого замыкания (°/о°/о).
Пример. У трехфаэного трансформатора мощностью
в 16 000 kVA при 50оэнапряжение короткого замыкания со-
СИЛА ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ	17 I
ставляло 5,6% и теоретический воздушный зазор—5Г4 см. При
внезапном коротком замыкании он может подвергнуться
усилию
5=1,26.	-4,44.10е кг.
3.50.5,4.5,6
Свыше 4000 тонн!
При виде таких цифр приходится отнестись весьма
серьезно к вопросу о механической надежности трансфор-
матора в отношении короткого замыкания. Нельзя ставить кон-
структору в вину его стремление прежде всего понизить кон-
структивными вспомогательными методами могущие возник-
нуть механические усилия перед тем, как прибегнуть к сред-
ствам защиты от них. Как показывает уравнение (22), он
прежде всего имеет возможность смягчить положение повыше-
нием напряжения короткого замыкания ек. Этим средством
можно достигнуть многого, так как повышенное напряжение
короткого замыкания предполагает увеличенное теоретическое
расстояние между обмотками 8'. Следовательно, удвоение на-
пряжения короткого замыкания понижает механическую силу
до одной четверти первоначального значения.
Проблема сверхтоков заставляет конструктора зада-
ваться большой величиною для напряжения короткого
замыкания, имея в виду как термическую, так и механи-
ческую надежность трансформатора в отношении корот-
ких замыканий. Инженер-производственник, которому всего
дороже надежность эксплоатации, не может противиться такому
двойному давлению. Нельзя требовать невозможного. Доста-
точно высокое напряжение короткого замыкания является
столь настоятельной необходимостью, что по сравнению с ним
повышенное падение напряжения должно отступить на задний
план. Опасность механических усилий при коротком замыкании
и без того ослабевает заодно с мощностью, так как нагру-
жаемые сечения уменьшаются пропорционально только корню
квадратному из мощности, между тем как сама механическая
сила понижается пропорционально мощности, если только
согласиться с тем, что в серии типов мощность растет про-
порционально четвертой степени линейных размеров, как это
установлено было в § 3. Чем меньше трансформатор, тем
>72
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Рис. 54.	Рис. 55.
меньше может быть его напряжение короткого замыкания,
в полном соответствии с условиями термической надежности
трансформатора в отношении коротких замыканий.
42.	Ограничение силы тока при коротком замыкании.
Под давлением инженера-производственника конструктор
изыскал еще и другие средства ограничения силы короткого
замыкания, правда — несколько сомнительные. Если нельзя
повысить напряжение короткого замыкания ек, а значит и
теоретическое расстоя-
ние между обмотками о',
то остается один только
путь согласно уравне-
нию (22), а именно —
уменьшение номиналь-
ной мощности EJ каждой
колонны.
С первого взгляда
такое мероприятие ка-
жется невозможным и
бессмысленным. Ведь
мощность свою транс-
форматор должен сохра-
нить прежде всего. Но
в полной мере разложить трансформатор на два трансформа-
тора не требуется: подразделить мощность можно и в одной
конструкции.
Если, например, вместо ординарной концентрической обмотки
(согласно рис. 54) устроить двойную концентрическую обмотку,
то механические усилия действительно разлагаются на две
части.
Одновременно, конечно, почти на половину понижается
напряжение короткого замыкания, если не увеличить воздуш-
ного зазора, так как тогда поток рассеяния возбуждается ведь
в каждом из обоих промежутков между обмотками уже только
половиною числа ампер-витков обмотки. Совершенно тот же ре-
зультат дает обмотка, состоящая из дисковых катушек (рис. 55),
ОГРАНИЧЕНИЕ СИЛЫ ТОКА ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ	17 3
но она a priori менее выгодна, потому что у нее линии рас-
сеяния гораздо короче, чем у концентрической обмотки.
Уравнение (22) легко распространить на тот общий случай,
когда имеется не один только промежуток между катушками,
а несколько, п промежутков. Тогда оно принимает вид
5 = 1,26	кг.	(23)
Подразделение обмотки — весьма целесообразная мера, но
ею нельзя злоупотреблять. Бесполезно понижать механические
усилия посредством нескольких промежутков между обмотками
с целью соответственного уменьшения напряжения короткого
замыкания, если в то же время угрожающе возрастает пожар-
ная опасность при коротком замыкании. Трансформатор мощ-
ностью 2000 kVAy у которого напряжение короткого замы-
кания составляет 3°/о, — это неправильная конструкция. Инже-
нер-производственник не в праве ее требовать, конструктор
не в праве ее осуществлять. При коротком замыкании должны
быть предотвращены как взрыв, так и пожар трансформа-
тора.
Подразделить концентрическую обмотку нужно, когда мощ-
ность становится очень большою. С 60000 kVA жкъзъ спра-
виться при одном только промежутке между обмотками. При
дисковых катушках подразделение нормально, потому что сильно
укороченные линии рассеяния повлекли бы за собою слишком
большие напряжения короткого замыкания при наличии только
одного промежутка между обмотками.
Проблема механической прочности в отношении коротких
замыканий приводит нас к еще одному важному принципиаль-
ному решению, которое должно быть известно как конструк-
тору, так и инженеру - производственнику. Существует боль-
шое различие между концентрическою обмоткою и обмоткою,
состоящею из дисковых катушек. При этой последней обмотке
механическая сила стремится раздвинуть катушки и тогда осо-
бая несущая конструкция должна сдерживать обмотку в осевом
направлении. При концентрической обмотке механическая сила
воздействует на наружный цилиндр обмотки, как давление
пара на стенки котла. Здесь механической нагрузке подвер-
т74
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
гается обмоточная медь, при дисковых же катушках — несущая
конструкция.
Не только сбережение строительных материалов говорит
в пользу концентрической обмотки. Несущее сечение меди
очень велико и выносливо, между тем как несущая конструкция
не легко может противодействовать механической силе доста-
точно большими сечениями. При крупных мощностях и сопут-
ствующих им больших механических усилиях короткого замы-
кания правильное решение заключается в концентрической
обмотке.
Все же медь подвергается весьма значительным усилиям.
Лучше всего показать это на числовом примере.
Пример. У трансформатора мощностью в 16000 kVA, для
которого выше определена была механическая сила при корот-
ком замыкании, наружная обмотка состояла из 540 витков. Сече-
ние меди одного витка равнялось 0,48 кв. см.
Наиболее неблагоприятная сила короткого замыкания, рав-
ная, согласно приведенному расчету, 4,44 10 кгу нагружает
каждый виток в среднем
4 454q10 = 8220 килограммами.
Равномерно распределенное внутреннее давление соответ-
ствует, как известно, растяжению, которое в к раз меньше и
приходится на два сечения витка. Так получается усилие меди
на растяжение, равное
k2 = —822O q— = 2720 кг/кв. см.
Мы видим, что и в механическом отношении медь исполь**
зована полностью. Концентрическая обмотка представляет со-
бою простое и прямо-таки идеальное решение проблемы меха-
нической надежности в отношении коротких замыканий, но
определившееся растягивающее усилие еще раз проливает яркий
свет на опасности короткого замыкания. Не мешает еще раз
присмотреться к физической картине этого явления, ибо даже
при концентрическом размещении обмоток крупные трансфор**
маторы снабжаются тяжелыми несущими конструкциями. Дей-
ствительно ли они необходимы?
СИЛА ТОКА ПРИ ВНЕЗАПНОМ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ
*75
43.	Сила тока при внезапном коротком замыкании.
Представленная в предыдущих параграфах картина силы
короткого замыкания соответствует обычным представлениям"
Она рисует крайнее» самое грозное положение, какое вообще
мыслимо. Инженер - производственник, разумеется, немедленно
потребует, чтобы механическая защита от короткого замыкания
соответствовала рассчитанным силам. Мало того, он пожелает,
чтобы конструктор трактовал эти силы, как удары. Кроме того,
он потребует многократной степени безопасности. Словом —
конструктору придется туго.
Не столько преувеличенная затрата материалов на кон*
струкцию, сколько та опасность, что конструктор будет выну-
жден к излишнему, подчас опасному подразделению обмотки,
ставит перед учением об эксплоатации задачу несколько углу-
бить вопрос. Правда ли то, что добавочный постоянный ток
короткого замыкания учетверяет силу, которой можно ждать?
Правда ли, что сила короткого замыкания действует как удар?
Правда ли, что механическая сторона проблемы исчерпывается
выяснением допустимости растягивающего усилия, которому
подвергается медь?
Присмотревшись к первому полупериоду короткого замы-
кания, можно прийти к результатам, важным не только практи-
чески. Подлинная, углубленная физическая картина имеет и
теоретически большое значение. Существует правильный кри-
терий для действительной опасности силы короткого замыка-
ния, которая, с одной стороны, гораздо меньше, с другой, опять-
таки, больше, чем это кажется на основании исследований,
занимавших наше внимание до сих пор.
Для силы продолжительного тока короткого замыкания
омическое сопротивление обмотки имеет второстепенное зна-
чение. Мы были поэтому в праве им пренебречь. Омическое
падение напряжения составляет, правда, даже у очень больших
трансформаторов больше 1О°/о от индуктивного, но сдвиг фаз
в 90° действительно лишает его значения.
Однако, омическое сопротивление обмотки оказывает
весьма большое влияние на скорость исчезновения доба-
вочного постоянного тока короткого замыкания, а значит и
176
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
на силу максимального тока при внезапном коротком замы-
кании.
Мы уже установили, что в самом неблагоприятном случае
внезапного короткого замыкания, наряду с продолжительным
током короткого замыкания, возникает еще постоянный ток
короткого замыкания с того момента, как продолжительный
ток достиг максимального значения. Добавочный постоянный
поток рассеяния обладает поэтому силою продолжительного
потока рассеяния короткого замыкания.
Этот добавочный постоянный поток постепенно затухает.
При этом он индуцирует напряжение, которого как раз хва-
тает на пропуск через сопротивление обмотки добавочного
постоянного тока. Следовательно, если обозначить через:
(Dgl— мгновенную величину постоянного потока в момент /,
w —число витков обмотки,
Jgl —мгновенную величину постоянного тока в момент Z,
г —омическое сопротивление обмотки,
то получается уравнение
d(I) 1 w л— ®	г
—л--10	w=4/-r-
Ток и поток всегда пропорциональны друг другу. Следова-
тельно, при начальных Фо и Jo возможно решение
о
если Т означает постоянную времени этого явления. Легко
проверить, что
Фо . W . ю~8
т =-----г-----секунд.
Jor
Фо
Но очевидно --Л—это поле рассеяния, возбуждаемое одним
•'о
Фою.ю-8
ампером, так что-----,----= L — это коэффициент самоии-
Jo
дукции обмотки. Постоянная времени постоянного тока корот-
кого замыкания равна, следовательно,
т L	лк v £	I
7=- = -^ - —секунд.
СИЛА ТОКА ПРИ ВНЕЗАПНОМ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ
177
Она зависит от соотношения между индуктивным и омиче-
ским падением напряжения обмотки
и у трансформаторов находится, приблизительно, в пределах:
ВИДИМ,
что даже у крупных
Дейстеит. общий
поток рассеяния z - -х
Идеалън. постоянн.
\поток. ра£сеян]^\ ОК Рассеяния
' \ Иормалън.
Рис. 56.
\
Т>^о секунд,
при чем большие значения относятся к большим мощностям.
Как бы то ни было, мы
маторов постоянная вре-
мени постоянного тока
короткого замыкания не
достигает длительности
двух периодов и практи-
чески постоянный ток
исчезает не позже, чем
по истечении 8 периодов.
Если, надежности ра-
ди, считать
Т= секунды,
то получается картина
рис. 56. Постоянный ток после первого полупериода понизился
приблизительно до 3/4 своей первоначальной высоты и общий
ток внезапного короткого замыкания возрос уже не до двой-
ного значения продолжительного максимального тока, а только
в 1,75 раз превысил его. Механическая сила пропорциональна
квадрату тока. Следовательно, выше она была несомненно
преувеличена в отношении 4:3.
Из рис. 56, кроме того, непосредственно явствует, что об
ударе не может быть и речи. Ток короткого замыкания начи-
нается с мгновенного значения нуль, как и механическая сила.
И ток и механическая сила возрастают во время первого полу-
периода, потом опять понижаются, за время второго периода
уже не достигают такой высоты,— второй „удар* приблизи-
тельно вдвое слабее первого — и быстро опускаются до про-
должительных значений.
Эксплоатация трансформаторов	12
178
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Это простое рассуждение в значительной степени смягчает
грозную картину силы короткого замыкания. Но это еще не
все. Одно важное обстоятельство мы до сих пор еще не при-
нимали во внимание. Материал уступает воздействию сил. Он
расширяется, расстояния между обмотками увеличиваются.
Индуктивное сопротивление обмотки растет, ток короткого
замыкания должен уменьшиться еще и вследствие механиче-
ского взаимодействия сил, а с ним вместе и механическая сила.
Упругость материалов, при концентрической обмотке, тоже
должна быть принята в соображение.
44.	Сила тока н деформация обмотки.
В самом деле, странным образом теория до сих пор просто
обходила вниманием упругость несущих материалов. Главную
роль играют не силы, а энергии. Сила без запаса энергии может
производить устрашающее впечатление, не будучи страшной.
Картина резко изменяется, едва лишь мы примем во вни-
мание деформации тела обмотки, едва лишь наряду с магнит-
ной энергией полностью начинает обнаруживаться работа дефор-
мации. Поверочный расчет никаких затруднений не предста-
вляет. Теория силы короткого замыкания весьма проста и в том
случае, когда она учитывает упругие деформации.
При дальнейшем изучении проблемы силы короткого замы-
кания существенно помнить, что главное поле трансформатора
во всяком случае сообщает вторичной обмотке половинное
рабочее напряжение. При этом предполагается, что выражен-
ные в процентах индуктивные и омические падения напряже-
ния с первичной и вторичной стороны равновелики.
Напряжение, сообщаемое вторичной обмотке главным силовым
потоком при коротком замыкании, колеблется, конечно, с нор-
мальным числом периодов и начинается, в самом неблагоприят-
ном случае внезапного короткого замыкания, с мгновенного
значения нуль, потому что именно в этом случае главный сило-
вой поток проходит в начальный момент через свое максималь-
ное значение. Спустя t секунд это напряжение достигает высоты
г Е 1/7" •	,
Е= — . У 2 sin <0/,
*	2
СИЛА ТОКА И ДЕФОРМАЦИЯ ОБМОТКИ
179
если Е обозначает действующее, значение нормального рабочего
напряжения обмотки, а ш = 2тсу — электрическую угловую ско-
рость напряжения сети.
Это напряжение, индуцируемое главным силовым потоком,
должно в каждый миг уравновешиваться порождаемым проти-
водействующим напряжением, если, как мы это опять-таки
предположим, омическое падение напряжения не играет роли.
Если обмотка состоит из w витков, то
г.
Поток рассеяния Ns в каждый миг пропорционален току
т ~	N'
короткого замыкания /. Он составляет —у-, если по обмотке
проходит только 1
Следовательно,
ампер.
A-. w. 10“8 z= L — это коэффициент само-
индукции обмотки,
так что правильно и такое уравнение:
Е z-	d (LJ)
— ’ /2 sin	.
Считаясь с возможною деформацией тела обмотки, мы вы-
нуждены смотреть на L, как на изменяющуюся величину. Об-
мотка, разумеется, обладает при отсутствии деформации своею
нормальною индуктивностью £0 и максимальное значение про-
должительного тока короткого замыкания Jk определялось до
сих пор просто по уравнению
2kv.£ . J. - -Е- /2.
о Jk 2
Если теперь ввести в расчет первоначальную индуктивно сть
Lo> то получается
— Lo Jkd(cos	= d (LJ)
и это сразу дает решение:
— Lo Jkcos ^t — LJ + С.
Постоянную интегрирования С определить легко. Для /—О,
разумеется, должно быть /=0, так что
с= -Lo.Jk
12*
i8o
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
и в окончательной форме мы получаем
Jk (1 — cos со/) =/17	(24)
Уравнение (24) вполне соответствует результату § 39, если
пренебречь деформациями, т.-е. если считать
Ток короткого замыкания J опять-таки распадается на по-
стоянный ток Jk и переменный ток — Jk cos <о/. Полная картина
получается, стало быть, немедленно, если установлена зависи-
мость коэффициента самоиндукции L от тока J или от меха-
нической силы, порождаемой током J.
Представляя себе обыкновенную концентрическую обмотку
по рис. 52, мы сейчас же устанавливаем связь явлений. Сила,
порождаемая током, увеличивает первоначальное теоретическое
расстояние между обмотками 8о в двух направлениях. В каче-
стве растягивающей силы она растягивает наружную обмотку,
увеличивая тем самым ее радиус на х сантиметров, и сжимает
внутреннюю обмотку, так что радиус этой последней умень-
шается на х сантиметров. В обеих обмотках происходит отно-
сительное изменение длины
если обозначить через Um среднюю длину витка.
Увеличение индуктивности пропорционально увеличению
теоретического расстояния между обмотками. Ведь без изме-
нения остались как длина линий рассеяния, так и средняя
длина витка у всей обмотки. Мы имеем, следовательно,
L 8О +2 х _ 5 । 2 х
Lo- *о -
Установив, таким образом, с одной стороны, связь дефор-
мации с электрическими величинами, мы без труда найдем
также ее связь с механическими величинами. Пока предел
упругости не достигнут, растяжение или сжатие пропорцио-
нально механическому напряжению о (кг/хе. см).
Имеем:
2кх __ а
G“’
СИЛА ТОКА И ДЕФОРМАЦИЯ ОБМОТКИ
l8l
если модуль упругости напрягаемого материала обозначить
через (кг1кв. см).
Уже в параграфе 42 напряжение а было выражено через
механическую силу S (кг) и сечение меди Fk (кв. см) у одной
обмотки в форме
Механическая сила зависит далее только от квадрата
тока, потому что и при деформациях длина линий рассеяния
и средняя длина витка у всей обмотки не изменяется.
Имеем, во-первых,
и наконец,
(25
Х 2 7С Q	I 2 Л J
если обозначить через S. теоретическую, максимально мысли-
мую силу короткого замыкания, определяемую согласно урав-
нению (23) § 42.
Таким образом, если совершенно пренебречь омическим
сопротивлением, но принять в расчет деформации, то для дей-
ствительного тока короткого замыкания получается уравнение:
Jk (1—cos
st
Далее можно весьма просто рассчитать увеличение теоретиче-
ского расстояния между обмотками, пользуясь уравнением (25),
так как  - л ? это уже упомянутое в § 42 теоретическое
растягивающее усилие, которому подвергается наружная об-
мотка.
Пример. У трансформатора, о котором мы говорили в при-
мерах §§ 41 и 42, следующие величины:
{4 = 220 см.
С —1150000 кг1кв. см9
kz = 2720 кг1кв. см,
i82
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
следовательно, у него увеличение теоретического расстояния
между обмотками составляло бы
2 х = ааао ; 2720 0,33 см,
к. 1,15. ю6	’
то есть
если бы на него воздействовало двойное максимальное зна-
чение продолжительного тока короткого замыкания. Поэтому и
максимальное мгновенное значение тока короткого замыкания
уже не может стать вдвое больше, чем для продолжительного
тока, а должно быть почти на 6% меньше, при чем мы еще не
принимаем во внимание затухания постоянного тока короткого
замыкания.
45.	Деформация обмотки и надежность в отношении ко-
ротких замыканий.
Введение в расчет деформации обмотки при коротком за-
мыкании еще больше упростило проблему надежности транс-
форматора в отношении коротких замыканий, но подлинное
практическое значение этого метода нужно еще обнаружить.
Обнаружится оно немедленно, если мы проследим за переме-
щениями энергии.
Ток короткого замыкания отстает от приложенного к транс-
форматору напряжения почти на полных 90°. При отсутствии
омического сопротивления у обмотки сдвиг фаз составлял бы
точно четверть периода. Сеть при коротком замыкании отпу-
скает только ту энергию, которая расходуется в форме выде-
ляемой током теплоты.
Эта теряемая энергия, как бы ни была она важна для элек-
трической прочности на короткое замыкание, не интересует
нас больше: мы в достаточной мере учли ее в определении
допустимого времени выключения. Да это и не единственная
энергия, опасная для короткозамкнутого трансформатора.
В пределах полного периода, т.-е. длительно, никакого дру-
гого притока энергии не наблюдается. Но если рассмотреть
один полупериод, лучше всего первый полупериод по возни-
ДЕФОРМАЦИЯ ОБМОТКИ
183
кновении короткого замыкания, то внезапно обнаруживается
весьма мощный приток энергии из сети. За этот первый полу-
период в случае наиболее неблагоприятного короткого замы*
кания напряжение, порожденное с вторичной стороны главным
потоком, т.-е. извне вызванное напряжение, растет от нуля до
своего максимального значения, чтобы затем снова понизиться
до нуля. Одновременно ток короткого замыкания усиливается
от нуля до своего максимального значения. В продолжение
всего полупериода произведение вызванного извне напряже-
ния на ток короткого замыкания положительно. Это значит, что
из сети поступает значительное количество энергии (рис. 57).
Куда девается эта
энергия? Она, разумеет-
ся, накопляется в поле
рассеяния, в форме ма-
гнитной энергии. Но на-
копление это непродол-
жительно. В течение сле-
дующего полупериода
ток короткого замыка-
ния опять ослабевает,
заодно с ним умень-
шается энергия поля
рассеяния, извне выз-
ванное напряжение от-
рицательно, трансформатор опять отпускает энергию в сеть
Такие же энергетические явления происходят в первичной об-
мотке.
Правда, эта картина не учитывает деформаций обмотки,
а поэтому и не содержит в себе работы деформации. Но только
для того, чтобы учесть эту работу, имеет практический смысл
дальнейшее рассмотрение перемещений энергии при коротком
замыкании.
Вследствие увеличения расстояния между обмотками, ток
короткого замыкания подавляется, как это было доказано
в предыдущем параграфе (рис. 58). Он становится меньше
в отношении (1 -f“	21. Энергия, подводимая к полю рассея-
184
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ния в течение первого полупериода, несомненно, составляет уже
только дробную часть, а именно:
(1+тУ
от той энергии, которая накопляется при отсутствии дефор-
мации.
Но подвод энергии из сети в то же время уменьшился не
в том же отношении. Приложенное напряжение не изменилось.
В указанном отношении изменился только ток. Несколько не-
точно, но все же довольно правильно будет утверждение, что
подвод энергии составляет часть, равную
о
В энергии обнаруживается дефицит:
2 X
который, разумеется, соответствует работе деформации, отне-
сенной к теоретической энергии поля рассеяния.
Этот расчет, несмотря на его неточность, имеет большое
значение. Он показывает во-первых что механическою угро-
ДЕФОРМАЦИЯ ОБМОТКИ
185
зою для трансформатора является только поле рассеяния со
своею магнитною энергией. Кроме того, он показывает, что
только часть этой энергии может пойти на работу деформации.
Худший случай, разумеется, тот, когда величина
2 X
О
о '
достигает своего максимального мыслимого значения. Он ха-
рактеризуется деформацией
2х = 8
о
и рисует наибольшую разрушительную работу.
К этому случаю полезно присмотреться внимательнее. Макси-
мальное значение тока короткого замыкания уменьшено вдвое.
Поле рассеяния содержит уже только четверть энергии, посту-
пающей в него при отсутствии деформаций в обмотке. Той же
величины достигает производимая работа деформации.
Теперь проблема механической надежности в отношении
короткого замыкания вдруг становится совершенно ясной. Транс-
форматор предохранен от взрыва, когда энергия, нахо-
дящаяся в распоряжении для деформации, меньше разрывной
работы наружной обмотки. Но это еще не значит, что он на-
дежен в отношении короткого замыкания. Обмотка может испы-
тать длительное растяжение, не разрываясь. Трансформатор
в том только случае действительно прочен в отношении ко-
роткого замыкания, когда деформации упруги, когда после
каждого полу периода восстанавливается расстояние между
обмотками, когда и сеть все время получает обратно работу,
расходуемую на деформацию.
Конструктор и инженер-производственник сойдутся на том,
что короткое замыкание не должно влечь за собою остаточ-
ных деформаций. Возникающие усилия не должны превышать
так называемого предела пропорциональности. Весьма оши-
бочно было бы привести механическую силу в соответствие
всего лишь с пределом прочности напрягаемого материала.
Для прочности на взрыв—это значит сделать слишком много,
для поочности на коооткое замыкание—слишком мало.
186
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Прочность на взрыв так легко поддается вычислению, что
было бы ошибкою не привести его здесь. Продолжительный
ток короткого замыкания силою в J'k действующих амперов
определяется половиною рабочего напряжения, равного Е дей-
ствующих вольт, и индуктивным сопротивлением Lo не дефор-
мированной обмотки:	г
Г =____£____.
J Ь 2.27С
о
Его максимальное значение при внезапном коротком замыка-
нии теоретически повышается на 1ОО°/о, в действительности—
на 75°/о, как это вычислено было в параграфе 43. Максималь-
ное значение магнитной энергии, которую способно воспри-
нять поле рассеяния, равно, следовательно,
(У2 . 1,75 . Л)2
к	2
и не больше одной четверти этой величины находится в рас-
поряжении для работы деформации.
Если ввести в расчет ток полной нагрузки J и выраженное
в процентах напряжение короткого замыкания ек (°/о)» так что
Г _ 100 J
Jk- ek ’
то легко выразить находящуюся в распоряжении разрушитель-
ную энергию в зависимости от номинальной мощности ЕJ одной
колонны трансформатора. Она равна
6EJ
v ' ватт-секунд.
Эта разрушительная энергия не должна достигнуть 8000 ватт-
секунд на один килограмм меди наружной обмотки, иначе
трансформатор взорвется; следовательно, если вес меди в на-
ружной обмотке составляет GK килограмм, то надо, чтобы
r o,75.E.J.io~3
Пример. У трансформатора, мощностью 16000 kVA9 ко-
торый мы рассматривали уже несколько раз, вес меди у на-
ружной обмотки должен был бы составлять при 50 периодах
и 5,6 процентах напряжения короткого замыкания не меньше
0,75.16000
——-----т— = 14 кг.
3-5°-5»6
ДЕЙСТВ. ОПАСНОСТЬ СИЛЫ ТОКА КОРОТК. ЗАМЫК.
т87
Очевидно, что он построен весьма прочно в отношении взрыва,
но его медь уже подвергается весьма значительному растяги-
вающему усилию.
46.	Действительная опасность силы тока короткого замы-
кания.
Числовой пример предыдущего параграфа дает весьма
неожиданный результат. Находящейся в распоряжении разру-
шительной работы едва хватает на */<0 обмоточной меди. Дру-
гие практические случаи едва ли представят существенно иную
картину: трансформаторы с концентрическими обмотками пра-
ктически вообще не подвергаются опасности взрыва.
Это парадоксальное утверждение не опровергается фактами.
Автору не известен ни один случай, когда бы трансформатор
с концентрической обмоткою взорвался при коротком замы-
кании. Возможны бурные движения масла, деформации масля-
ного бака, увеличение расстояния между обмотками, но обмотка
не разрывается.
Иначе обстоит дело с обмоткою, состоящей из дисковых
катушек, сдерживаемою только болтами. Тут требуется гораздо
меньшая энергия разрушения и подчас она имеется налицо.
Но крупные трансформаторы снабжаются почти исключительно
концентрическими обмотками.
Взрывающаяся при коротком замыкании обмотка относится
к области басен и механическая опасность коротких замыканий
как бы обращается в ничто. Но, повторяем, природа лукава.
С одной стороны, утрачивая свое значение, сила короткого
замыкания снова приобретает его с другой стороны. Она не
может разорвать обмотку, но может ее сильно деформи-
ровать.
Если сила короткого замыкания воспринимается обмоточ-
ною медью, то сила эта вызывает в витках наружной обмотки
растягивающие усилия. Эти усилия, если вычислить их, не счи-
таясь с деформациями, могут, как это теперь установлено, до-
стигнуть прочности меди на растяжение и даже превысить ее,
не разрывая обмотки. Если они превосходят предел пропорцио-
нальиппти_ та raakvt эй гпЯпю остаточное оастяжение.
188
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
На беду, у меди, строго говоря, вообще не существует пре-
дела пропорциональности. Уже при незначительных нагрузках
возникают остаточные растяжения. Не будучи слишком стро-
гими, мы можем для предела пропорциональности принять
500 кг/кв. см, ибо он падает заодно с температурой.
Очень многие из новейших крупных трансформаторов совсем
не обладают механической надежностью в отношении корот-
кого замыкания, в том числе и трансформатор наших при-
меров. У них медь нагружена слишком сильно. Правда, уравне-
ние (23), в виду быстрого исчезновения постоянного тока
короткого замыкания, может быть представлено в практически
достаточной форме.
у E.J. юз	(23а)
п . В' ek ’
но механическая проблема короткого замыкания, тем не ме-
нее, сохраняет весьма серьезный характер.
Если при коротком замыкании допускается нагрузка меди
свыше 500 кг1кв. см, то единственный исход заключается в при-
менении крепких бандажей для наружной обмотки, способных
принять на себя значительную часть механической силы. Надо
ведь любой ценою избегнуть остаточных деформаций.
Внутренняя обмотка при концентрическом размещении на-
ходится под давлением. Ее нужно очень надежно подпереть
относительно железа колонн, иначе ей тоже грозят деформа-
ции. Но чем меньше поддается сжатию внутренняя обмотка,
тем большая опасность угрожает наружной обмотке.
Крупные трансформаторы в наше время строятся, понятно,
с крепкими бандажами на наружной обмотке. Встречаются даже
мощные железные конструкции, удерживающие наружную об-
мотку как бы в клетке.
Но предотвращать явления лучше, чем бороться с ними*
Напряжение короткого замыкания должно быть в достаточной
мере высоко. Это требование все наново проступает наружу.
Инженер-производственник должен его удовлетворить.
Особенно тяжкие последствия имеет слишком малое теорети-
ческое расстояние между обмотками, когда обе концентрические
обмотки немного смещены одна относительно другой, а именно,
в направлении оси колонны (рис. 59). Сила короткого замы-
ОДНОФАЗНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
189
кания приобретает тогда осевую слагающую, встречающую
незначительное сопротивление. Она относительно тем больше,
чем меньше расстояние между обмотками.
Строгая симметрия, одинаковая осевая длина у обеих об-
моток,—таково непременное правило. Однако, имеющие одина-
ковую осевую длину обмотки легко могут оказаться нерав-
ными по длине при наличии ответвлений. Ответвление выклю-
чает один конец обмотки.
Поэтому в больших трансформаторах ответвления нужно
исполнять посреди колонны. Выключенные части обмотки не
должны нарушать симметрию относительно про-
межутка ,между обмотками.
Для крупных трансформаторов весьма боль-
шим облегчением является то, что крупная единица
образует самостоятельную в электрическом отно-
шении группу с питающим ее генератором. Боль-
шие генераторы соединяются параллельно только
с вторичной стороны своих трансформаторов.
Поэтому, если трансформатор одного из них за-
мыкается накоротко, то одновременно они сами
оказываются замкнутыми накоротко.
Косвенно замкнутый накоротко генератор, ра-
зумеется, ослабевает в своей мощности и уже не
поддерживает рабочего напряжения на первичной
Рис. 59.
стороне трансформатора. Благодаря этому явления короткого
замыкания весьма смягчаются и опасность значительно умень-
шена. Вообще, чем больше трансформатор, тем большим бре-
менем ложится он на сеть при коротком замыкании. Это во всяком
случае делает менее страшною проблему короткого замыкания.
47.	Однофазное короткое замыкание.
До сих пор мы имели в виду только трехфазное короткое
замыкание трехфазного трансформатора. Но трехфазные ко-
роткие замыкания редки. Чаще всего случается однофазное
короткое замыкание, т.-е. сообщение с землею.
Ошибочно было бы не проверить, как при этом действи-
тельно складываются условия. Одно обстоятельство сразу бро-
сается в глаза при однофазном коротком замыкании. Коротко-
190	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
замкнутая колонна должна была бы пропускать сквозь себя
приблизительно уже только половину силового потока, но это
невозможно. Три потока в колоннах сопряжены между собою
при соединении звездой.
В сущности, однофазное короткое замыкание представляет
собою только особый случай рассмотренной в § 27 однофаз-
ной нагрузки. Продолжительный однофазный ток короткого
замыкания первично нагружает все три фазы. Согласно рис. 10,
пострадавшая колонна первично имеет две трети вторичных
ампер-витков короткого замыкания.
Представим же себе наряду с этими 4/в ампер-витков ко-
роткого замыкания еще одну положительную и одновременно
еще одну отрицательную шестую. Последняя шестая имеет
общее направление с вторичными ампер-витками, т.-е. создает
вместе с ними общую силу притяжения. Силу же отталкива-
ния с каждой стороны питает 5/6 вторичных ампер-витков.
В общем, получается сила отталкивания, соответствующая
(+)’-(!) = т
силы трехфазного короткого замыкания.
Простая картина, которая привела нас к тому поразитель-
ному результату, что однофазное короткое замыкание на одну
треть менее опасно, чем трехфазное, довольно груба. Она не
учитывает ни сильного однофазного магнитного добавочного
поля, с которым нас познакомило исследование однофазных
нагрузок, ни подразделения первичного падения напряжения
между всеми тремя колоннами, описанного в § 27.
Рис. 15 соответствует неиндуктивной однофазной нагрузке,
когда трансформатор с обеих сторон включен звездою. Но
короткое замыкание представляет собою почти чисто индуктив-
ную нагрузку. Ему, стало быть, соответствует векторная диа-
грамма рис. 60.
Фазное напряжение короткозамкнутой колонны непосред-
ственно понижается, оба других фазных напряжения повы-
шаются. Но искажение системы напряжений должно быть очень
сильным, ибо даже номинальный ток вызывает немалое доба-
вочное поле.
ОДНОФАЗНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
1QI
Первое впечатление вообще таково, словно фазное напря-
жение короткозамкнутой колонны должно просто исчезнуть,
таким сильным приходится представлять себе однофазный до-
бавочный поток нормального тока короткого замыкания. Но за-
одно с напряжением убывает, разумеется, и ток короткого за-
мыкания, а значит опять-таки уменьшается добавочное падение
напряжения. В конце-концов окружность нулевых точек на
рис. 60 должна во всяком случае оставаться в пределах углов
треугольника напряжений.
Это явление не поддается надежному расчету. Несомненно,
что при соединении звезда—звезда однофазное короткое замы-
кание почти не имеет значе-
ния. Его сила достигнет, быть
может, только приблизительно
30% от той величины, кото-
рою грозит трехфазное короткое
замыкание, и в том же отноше-
нии уменьшается выделяемая
током короткого замыкания
теплота.
Таким образом, соединение
звезда — звезда без первичного
нулевого провода является благословением для однофазно
короткозамкнутого трансформатора, между тем как при световых
нагрузках оно могло бы стать для него проклятьем. Но как раз
по этой причине соединение треугольник—звезда невыгодно при
однофазном коротком замыкании: оно сосредоточивает явле-
ние на одной колонне, так что последствия приблизительно
таковы же, как при трехфазном коротком замыкании.
Согласно всему вышесказанному, однофазное короткое за-
мыкание странным образом находится в тесной связи со свето-
вою нагрузкою, и несомненно будет полезно в нескольких
чертах набросать эту общую картину. Такая картина уже по-
тому имеет значение для инженера-производственника, что он
должен позаботиться обо всем при самой покупке трансфор-
матора.
Всякая односторонняя нагрузка, и прежде всего однофаз-
ная световая нагрузка, создает добавочное однофазное магнит-
TQ2
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ное поле, неприятным образом искажающее систему напряже-
нии. Последствия добавочного поля были подробно исследо-
ваны в §§ 27 и 28. Инженер - производственник стремится,
конечно, избегнуть их при нормальном режиме, а поэтому
избирает для световой нагрузки соединение треугольник—
звезда или звезда—зигзаг.
Чисто световые нагрузки редки даже в осветительных уста-
новках. Они тем реже, чем больше обслуживаемая трансфор-
матором сеть или часть сети. Они еще больше утрачивают
значение, когда наряду с лампами в сети появляются и электро-
двигатели. Уже в силу законов вероятности равномерность
распределения нагрузки между тремя фазами по общему пра-
вилу растет по мере увеличения мощности трансформатора.
С другой стороны, по мере роста мощности увеличивается
опасность короткого замыкания в своей термической и меха-
нической форме. Чем больше трансформатор, тем меньше
приходится считаться с неравномерностью нагрузки, в виду
необходимости считаться с надежностью трансформатора в от-
ношении коротких замыканий. Практически это должно выра-
жаться в том, что для крупных мощностей соединение звезда—
звезда без первичного нулевого провода является наиболее
подходящим, для меньших же мощностей более уместны осве-
тительные схемы. Об этом непременно должен помнить инже-
нер-производственник, когда предстоит заказ на трансфор-
матор.
То обстоятельство, что однофазные короткие замыкания
случаются гораздо чаще, чем трехфазные, является сильным
аргументом в пользу крупных трансформаторов. Оно объясняет
относительную редкость аварий, вызываемых короткими замы-
каниями, несмотря на неудовлетворительность многих конструк-
ций и способов защиты. Оно вообще в значительной мере
смягчает остроту проблемы короткого замыкания.
Сомнения вызывает, по крайней мере на первый взгляд»
одно, еще не упоминавшееся, последствие однофазного корот-
кого замыкания, непосредственно явствующее из рис. 60. Фаз-
ное напряжение тех колонн, которые непосредственно от корот-
кого замыкания не пострадали, довольно сильно повышается
Это могло бы повлечь за собою тяжелые повреждения прием-
ДВУХФАЗНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
193
ников. Но короткое замыкание через несколько секунд и без
того прекращается. Практически повышение напряжения не иг-
рает поэтому значительной роли.
По сравнению с последствиями добавочного однофазного
потока, возникающего при однофазном коротком замыкании,
упомянутое выше второе сопутствующее явление, подразделе-
ние первичного падения напряжения на пострадавшей колонне»
о котором говорилось в параграфе 27, отступает на задний
план. Тем не менее, следует упомянуть, что это явление под-
держивает ток короткого замыкания. Оно как бы противодей-
ствует добавочному потоку. Но одновременно оно ослабляет
повышение напряжения в здоро-
вых фазах, а это, конечно тоже	I
преимущество.	I	I	L
Общая картина дает все-таки, 1	|	|
в виде результата, весьма значи- 111
тельное подавление короткого за-	Р
мыкания. Трансформатор, как бы	J>	I	I
из инстинкта самосохранения, от-	<>	<	>
нимает у пострадавшей фазы на-	|	I	I
пряжение. Он сам себя защищает
гораздо лучше, чем его мог бы	Рис. 6i.
защитить любой прибор. Впрочем,
ведь и при трехфазном коротком замыкании деформация об-
мотки является актом самозащиты. Увлекательная картина!
48» Двухфазное короткое замыкание.
Однофазное короткое замыкание в значительной степени
обезвреживается одним превосходным защитным прибором, ко-
торый совсем не предназначен служить защитою от сверхтоков,
но все же должен быть упомянут здесь, а именно: заземляющею
дроссельною катушкою. Ее основная функция заключается
в противодействии перенапряжению и подробно мы убудем
о ней говорить в дальнейшем.
Заземляющая дроссельная катушка вводится, согласно
рис. 61, между нулевою точкою обмотки и землею и нимало
не мешает нормальной работе. Если же в какой-нибудь фазе
Эксплоатация трансформаторов	13
194
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
возникает сообщение с землею, то она немедленно спешит
на помощь, увеличивая индуктивность короткозамкнутой фазы.
Последствия так очевидны, что нет необходимости описы-
вать их подробно. Всякое увеличение индуктивности обмотки
надо приветствовать, потому что оно ослабляет силу тока ко-
роткого замыкания. Но особенно выгодно увеличение индук-
тивности, которое возникает только при коротком замыкании,
только в случае надобности, не вызывая опасных искажений
в размещении обмотки и не увеличивая в нормальной работе
падения напряжения у трансформатора.
Заземляющая дроссельная катушка, в качестве защиты
от сверхтоков,
имеет, впрочем, тогда лишь действительное
Рис. 62.
практическое значе-
ние, когда ее индук-
тивность — того же
порядка, как и индук-
тивность трансформа-
торной обмотки. При
проектировании за-
земляющей катушки
нужно по возможно-
сти считаться с этим
единственным требо-
ванием. Решающим
это требование быть
не может, ибо, как уже упоминалось, подлинное назначение
катушки иное. Но при решении главной задачи надо иметь
в виду и это требование.
Наряду с однофазным коротким замыканием, вопрос о ко-
тором мы теперь исчерпали, подлежит рассмотрению еще
и двухфазное, согласно рис. 62. Оно также заслуживает при-
стального внимания. Его исследование не сопряжено с особы-
ми затруднениями, потому что его можно просто свести к двум
однофазным коротким замыканиям.
Разумеется, при непосредственном двухфазном коротком
замыкании согласно рис. 63 оба фазных тока равновелики
и противоположны по фазе. Будучи разложено на два одно-
фазных коротких замыкания, двухфазное короткое замыкание
ДВУХФАЗНОЕ КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ
10$
дает распределение токов согласно рис. 63. Понять этот ри-
сунок легко, обратившись к помощи рис. 10.
Двухфазное короткое замыкание на вторичных зажимах
оставляет, очевидно, в неприкосновенности третью фазу. Оно
менее опасно, чем трехфазное короткое замыкание, потому что
теперь индуктивные сопротивления обеих фазных обмоток
соединены в серию, между тем, как напряжения, разумеется,
не совпадают по фазе. Вместо двойного фазного напряжения
возникает сопряженное напряжение.
Очевидно, что ток короткого замыкания двух фаз в отно-
шении 1 :	меньше тока короткого замыкания трех фаз. Как
выделяемая током теплота, так и
механическая сила составляют, следо-
вательно, уже только 75% от тех
величин, с которыми нас познако-
мило исследование трех фаз кого ко-
роткого замыкания.
Менее вероятно, но все же воз-
можно двухфазное сообщение с зем-
лею, которое дает несколько иную
картину, чем двухфазное короткое
замыкание на зажимах. Ему соот-
ветствует рис. 64. На этот раз, ра-
зумеется, оба тока короткого замы-
Рис. 64.
кания все еще противоположны по фазе, присоединилось только
сопротивление соединения через землю.
К этому второму роду двухфазного короткого замыкания
нельзя отнестись иначе, чем к непосредственному двухфазному
короткому замыканию на зажимах. Сопротивление земли пред-
ставляет собою очень ненадежную величину, которую нельзя
ввести в расчет.
Общий обзор различных случаев короткого замыкания при-
водит нас к тому замечательному результату, что существует
как бы своего рода справедливость в этой чисто материаль-
ной области. Однофазные короткие замыкания в эксплоата-
ции неизбежны. Самое тщательное ведение эксплоатации бес-
помощно в предотвращении заземлений. Они проходят почти
196
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
безнаказанно, сама природа смягчает их последствия, потому
что обычно сама виновата в несчастии.
Двухфазное короткое замыкание в преобладающем числе
случаев является следствием нерадивости или неловкости. Не-
правильных включении при должной тщательности можно из-
бегнуть, значит они не нужны. Они караются серьезнее, по-
следствия двухфазных коротких замыканий гораздо тяжелее,
чем последствия однофазных.
Трехфазное короткое замыкание может случиться и слу-
чается только в виде редкого исключения. Чтобы замкнуть
накоротко три фазы трансформатора, требуется, в сущности,
злой умысел или же совершенно исключительная неловкость,
да и то при этом должно произойти маловероятное совпаде-
ние несчастных обстоятельств.
Трехфаэное короткое замыкание по справедливости является
наиболее злополучным. Если инженер-производственник на вся-
кий случай вооружился против этого самого неприятного ко-
роткого замыкания, то он исполнил всецело свой долг и тогда
он в праве считать, что его трансформаторы работают с до-
статочною надежностью и что им не так-то легко может угро-
жать вред со стороны короткого замыкания.
49. Ток включения.
Ток короткого замыкания, изученный нами в предыдущих
параграфах, является максимально возможным продолжитель-
ным рабочим током трансформатора, он определяет собою
время выключения приборов, служащих защитою от сверхто-
ков. Он заставляет нас применять очень короткие времена
выдержки. Но защиту от сверхтоков нельзя устроить так,
чтобы всякий опасный ток практически влек за собою немед-
ленное выключение. Не говоря уже о постоянно случающихся
умеренных и неизбежных толчках нагрузки, надо прежде всего
считаться с одним особого рода сверхтоком, который может
постигнуть даже совершенно разгруженный трансформатор,
а именно, в момент его приключения к сети.
Разумеется, таким сверхтоком может оказаться только на-
магничивающий ток, ибо при отсутствии нагрузки другого тока
ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ
<97
быть не может. Озадачивающим обстоятельством является
то, что этот обычно умеренный ток, нормально составляющий
едва ли больше 1О°/о от тока полной нагрузки трансформатора,
может при известных обстоятельствах, в продолжение первого
периода по включении, значительно превзойти ток полной на*
грузки и даже ток короткого замыкания.
Противоборствовать току включения нельзя обыкновенною
защитою от сверхтока. Не для того мы включаем трансфор-
матор, чтобы его снова включил защитный прибор. Трансфор-
матор должен оставаться включенным. При этом сила тока
включения зависит от случая. Мы увидим, что мгновенное
значение напряжения, возникающего при включении первичной
обмотки, определяет собою степень этих затруднений. Но нельзя
пытаться просто производить включение до тех пор, пока оно
не удастся. Проблема включения, несомненно, является про-
блемою сверхтоков и нуждается в правильном разрешении.
Нетрудно доказать, что в момент включения действительно
могут возникнуть большие трудности. Особенно простая кар-
тина получается, если для начала пренебречь омическим со-
противлением первичной обмотки.
Странным образом опаснее всего тот случай, когда напря-
жение сети в момент включения как раз проходит через нуль.
Поэтому мы прежде всего исследуем этот случай. Приложен-
ное напряжение, допустим, растет, начиная от момента включения.
Приложенное напряжение должно в первичной обмотке
в каждое мгновение уравновешиваться тем напряжением, кото-
рое индуцируется магнитным потоком. Это противодействую-
щее напряжение должно, следовательно, тоже начинаться от ну-
левого значения и в продолжение первой четверти периода стре-
миться к отрицательному максимальному значению. Поро-
ждающий его силовой поток должен опережать его на четверть
периода, начавшись от своего отрицательного максимального
значения и за первую четверть периода сходя до нулевого
значения.
В момент включения силовой поток отсутствует, если не
говорить об остаточном магнетизме. Каков этот оставшийся
от прежней работы поток,—это всецело зависит от случая.
Он может даже быть направлен против требующегося потока.
198
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Тем не менее, изменение во времени числа силовых ли-
ний потока точно предуказано электрическим равновесием.
Сила потока в момент включения имеет для этого равновесия
второстепенное значение, главную роль играет скорость воз-
растания числа силовых линии. Так возникает единственная
возможная диаграмма рис. 65.
Не будь остаточного магнетизма, мы получили бы более
простую картину рис. 66, из которой сразу видно, что в же-
лезном сердечнике ну-
жно считаться с двой-
ною плотностью сило-
вых линий. Остаточный
магнетизм способен в
худшем случае усилить
плотность линий до трой-
ной величины по срав-
нению с нормальным
режимом.
Теперь понятно, что
намагничивающий ток
может в грозной сте-
пени усилиться. Уже двойной плотности линий соответствует
такое усиление необходимого намагничивающего тока, что
ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ
199
можно ждать самых дурных последствий. Но намагничиваю-
щий ток должен создать надлежащей силы поток, иначе будет
нарушено электрическое равновесие.
Что случаи здесь
играет очень боль-
шую роль, в этом
можно легко убедить-
ся, рассмотрев и тот
случай, когда вклю-
чение производится
при максимальном на-
пряжении сети. Тогда,
разумеется, и проти-
водействующее инду-
цируемое напряжение
первичной обмотки
должно начаться от
Рис. 67.
своего максимального значения. А это
имеет следствием то, что силовой поток в
мальной величины, намагничивающий ток
момент включения
должен пройти че-
рез нуль.
Если на этот раз
остаточного магне-
тизма не было, то
немедленно возни-
кает правильная
физическая смена
явлений, характе-
ризующая продол-
жительную работу
(рис. 67). Плот-
ность линий дости-
гает своей нор-
остается тем уме-
ренным намагничивающим током, каким он нам известен.
Остаточный магнетизм может и на этот раз исказить кар-
тину. Он вызывает колебание числа силовых линий около ве-
личины, отличной от нуля. В самом неблагоприятном случае
он способен, как это видно из рис. 68, повлечь за собою
200
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
удвоение плотности линий по сравнению с нормальным ре-
жимом.
Явления, характеризующие ток включения, были бы непе-
реносимы, если бы первичная обмотка не обладала омическим
сопротивлением, которым мы до сих пор пренебрегали. Оно
не играет роли, покуда намагничивающий ток сохраняет
свою нормальную силу. Роль его незначительна, когда на-
магничивающий ток достигает силы тока полной нагрузки,
но оно немедленно приобретает значение, когда ток включе-
чения грозит превзойти нормальный ток полной нагрузки
в 10, а то и в 50 раз.
50. Расчет тока включения.
Математически анализировать проблему включения нелегко.
Намагничивающий ток совпадает по фазе с порождающим его
силовым потоком, но, к сожалению, не пропорционален ему.
Кривая намагничения железа сильно усложняет всякий, даже
неточный расчет.
Есть, конечно, возможность в отдельных случаях опреде-
лять максимальное значение тока включения, приняв в рас-
чет омическое сопротивление первичной обмотки. Достаточно
нескольких проб, чтобы получить приблизительный результат.
Но для проблемы сверхтоков важно не только максимальное
значение тока включения. И без расчета его опасность ясна.
Важнее для нее затухание сверхтока, продолжительность
явления. Ток включения не должен вредить результатам, с тру-
дом достигнутым при исследовании проблемы короткого за-
мыкания.
Мы уже знаем, что наряду с нормальным силовым пото-
ком в самом неблагоприятном случае может возникнуть по-
стоянный поток двойной силы, но это мало помогает нам при
исследовании проблемы включения. Магнитная проницаемость
железа не перестает мешать анализу. Общим потоком в ка-
ждый миг определяется проницаемость и только при ее по-
средстве—мгновенное значение намагничивающего тока.
Приходится удовольствоваться приблизительным расчетом.
Так как главною целью является надежность и так как, по-
РАСЧЕТ ТОКА ВКЛЮЧЕНИЯ
201
этому, в основу расчета должен быть положен наиболее небла-
гоприятный остаточный магнетизм, то кривую намагничения
можно спокойно заменить прямою согласно рис. 69, которая
в простой форме дает зависимость плотности линий В (сило-
вых линий/кв. см) от намагничивающих ампер-витков J. w и
длины 1е (см) пути силового потока в железе:
7w
Теперь задача облегчена. Через t секунд по включении при-
ложенное напряжение равно
Е sin (а -[- <*>/),
где Е (ъомл) — максималь-
ное значение напряжения, ко-
леблющегося с электриче-
скою угловою скоростью
«о = 2xv,
в соответствии с числом пе-
риодов в секунду v. Если
омическое сопротивление пер-
вичной обмотки = г (омов),
а сечение железного сердеч-
ника = Fe (кв. см), то:
Е sin (а + otf) = w . Fe 10	-|-/г •
Это уравнение действительно для любого значения напря-
жения в момент включения, потому что оно содержит в себе
начальный угол времени а. Если применить принятое выше
для кривой намагничения приблизительное уравнение, то полу-
чается
„	. ш3. F . 10 “8 b dj , г
Е sin (a 4- at) =--------------\-Jr,
где еще можно положить:
_______________________________ Q
w’.F,.10 L т
так что в упрощенной форме уравнение принимает вид
L -\~Jr = Е sin (a -|- <»t)	(26)
202
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Интересно то, что при очень больших плотностях линий про-
ницаемость стремится к предельному значению 1, так что пре-
дельное значение для Ь равно
Таким образом, L имеет вполне характер коэффициента само-
индукции и, если при нормальном режиме максимальному зна-
чению силового потока соответствует проницаемость то
нормальная индуктивность первичной обмотки равна у-Л. Это
обстоятельство имеет большое значение для использования
результатов нашего расчета. Решение дифференциального ура-
внения (26) известно. Оно гласит:
J = /г2 + <02£2 [е - т ' cos . 7 — cos (7 + <»/)],
при чем
tg(Y —«) = ^-
Можно также ввести в расчет угол сдвига фаз ? между
током и напряжением, хотя он здесь практически роли не
играет. Он определяется известным выражением
= —•
Тогда решение гласит
J + tsin о* + а — ?) — е~ £' sin (а — ?)]. (27)
Ток включения распадается, следовательно, на переменный
ток:
Е
J' = yr2 + u)2£-2 sin + а — ?)
и постоянный ток:
£	_ л t
Г = —	—ТГч sin (а — ф) е L .
который затухает по показательной кривой с постоянною вре-
мени
у*_- £
г
Постоянный поток питает энергиею постоянный ток. Одно-
временно с постоянным током исчерпывается и постоянный
РАСЧЕТ ТОКА ВКЛЮЧЕНИЯ
203
поток и трансформатор постепенно переходит к нормальной
работе.
Результатом этого приблизительного расчета тока включения
надо пользоваться осмотрительно. Все время следует помнить,
что L — это неопределенная величина. Но один вывод довольно
ясен: ток включения тем опаснее, чем меньше L.
Взглянув на рис. 65, мы снова убеждаемся, что малые зна-
чения а особенно уменьшают индуктивность L. Наиболее
неблагоприятную величину тока придется, следовательно, оха-
рактеризовать уравнением
а = 0
и тогда получается
J=77+^ k‘n	— ?) + sin у в"'].	(27-а)
Далее легко установить, что в предельном случае L не
может в такой мере понизиться, чтобы &L не оставалось
все же величиною порядка омического сопротивления. Напри-
мер, трансформатор мощностью 100 к VA создает полное рабо-
чее напряжение при токе, не составляющем даже 10% оттока
полной нагрузки, при чем в железном сердечнике порождается
надлежащий силовой поток, но только стократный ток полной
нагрузки в состоянии израсходовать рабочее напряжение в оми-
ческом сопротивлении первичной обмотки. При нормальной
плотности силовых линий проницаемость имеет величину по-
рядка 1000. Когда в предельном случае проницаемость пони-
жается до величины 1, то омическое и индуктивное сопро-
тивление приблизительно уравниваются.
Однако, до этого не может дело дойти. Постоянная времени
постоянного тока включения
гр L	т L
г
была бы тогда так мала, что, уже спустя дробную долю периода,
этот постоянный ток почти исчез бы, а заодно с ним исчез бы
и постоянный поток, являющийся предпосылкою малых зна-
чений а. Таким образом, угол сдвига фаз
<р = arca-
ne может быть значительно меньше 90°.
204
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Это вносит еще большую ясность в вопрос. Максимального
значения тока включения приходится ждать, несомненно, при
ш/ — 9 — —
Т 2
приблизительно, т.-е. перед самым концом первого полупе-
риода. Он будет равен приблизительно
т Е ( .
Лшх:==уг2.|-и,2£2^+е L уамперов. (27-6)
Правильность приведенных соображений подтверждается
также следующим расчетом. Ток включения, согласно уравне-
нию (27), зависит от а. Он всегда достигает максимума, когда
Если подставить это значение в уравнение (27), то получается
_ Е
г* +
I /	— ~t	—— f
У 1 — 2е L cos е L •
Здесь приходится снова искать максимального значения тока
приблизительно при
— к
и тогда сразу получается уравнение (27). Из рис. 66 явствует,
что расчет был проведен правильно.
Надежное, практически пригодное предельное значение для
тока включения при ^L — r таково:
Jmax
т.-е. частное от деления рабочего напряжения в действующих
вольтах на омическое сопротивление первичной обмотки. Это
предельное значение, благодаря своей ясности, особенно важно
для проблемы сверхтока. Но оно, несомненно, преувеличено
и не мешает подробнее исследовать более точное выражение
fmax
(28)

РАСЧЕТ ТОКА ВКЛЮЧЕНИЯ
205
В предыдущем параграфе индуктивность при включении L
была введена в расчет в форме
Л — ^-F‘	10~8 А,
4
где а> обозначает число витков первичной обмотки,
Fe	„	сечение железа колонны (кв. см),
1е	„	длину силовых линии в железе (см)
и Ь = с проницаемостью н при включении.
Омическое сопротивление первичной обмотки удобно вы-
разить через число витков проводимость меди К
среднюю длину витка lk (см) и общее сечение первичной об
мотки Fk (кв. см) в такой форме:
Тогда мы получаем
---z=2kv
г
4"-Fe . Fk
I'lk
IV x. IO'6
И
7 = Л = 4ir. p X . IO"5	(29)
e ’ lk
Пример. Небольшой трансформатор мощностью 10 kVA
имел приблизительно следующие размеры
Fe = 70 кв. см,
Fk =z 10 кв. см,
le = 50 см,
lk = 50 см,
следовательно,
»L	4K.7O.IO	c
V=2.*.5O. 450?5O h, X.10-5= 1105 p.X. 10
При
X = 57 и |*e=l
мы имели бы
= 0,63 и -у = 2.10-3 секунд.
206
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Чрезвычайно малая постоянная времени показывает, что
нельзя ввести в расчет минимальное значение проницаемости,
тем более, что такие небольшие трансформаторы и так уж
работают при умеренном насыщении.
Большой трансформатор мощностью 16 000 к VA при 50 пе-
риодах имел такие размеры:
Fe = 2000 кв. см,
Fk — 180 кв. см,
1е — 300 см,
lk — 250 см,
так что
— = 2к 50 47Т-2О°^18? 1.57.Ю-5 =32
г	300.250
и постоянная времени затухания
Г = —- 10 секунд.
Мы видим, что по мере роста мощности картина резко изме-
няется. Малым 10-Аг К4-ный трансформатор имел в первичной
обмотке омическое падение напряжения 1,1°/0, для его тока
включения предельное значение было, стало быть, близко к
loo. (1 + е-50) 1nQ
--------	---= 10о-кратному
i,i.K< -f- о,6з2
току полной нагрузки.
Большой 16000-£И4-ный трансформатор имел в первичной
обмотке падение напряжения только О,35°/о, значит в предель-
ном случае его мог бы постигнуть
—1ОО,^~ 	— 120-кратный
°>35 -V 1 4" З»2’
ток полной нагрузки.
Если в обоих случаях считать
Но = 3,
то в первом получается
юо.уТ	. _5д	„
---- ... 	(1—f—е	) =63-кратныи,
i,i. Ki + 1З92
РАСЧЕТ ТОКА ВКЛЮЧЕНИЯ
207
а во втором —
zoo. |/Т	_ 72-кратный
о,35 1/ i-b9/>2
ток полной нагрузки.
Числовой пример показывает, что ток включения может
подняться до очень большой силы и при малых и при боль-
ших мощностях, но что различие между этими двумя случаями
все же довольно важно. При больших мощностях в большей
мере проявляется постоянный ток включения. Он, очевидно,
затухает тем медленнее, чем больше трансформатор.
Это подтверждается уравнением (28). Постоянная времени
затухания прямо пропорциональна произведению двух сечений
и обратно пропорциональна произведению двух длин. Если все
размеры трансформатора увеличить в х раз, не изменяя на-
грузок в железе и меди, то мощность, как известно, возра-
стает пропорционально х4, а постоянная времени тока вклю-
чения — пропорционально х2. Следовательно, в определенной
серии типов постоянная времени постоянного тока включения
будет возрастать пропорционально корню из мощности.
Тем не менее, постоянный ток включения затухает даже в очень
больших трансформаторах весьма быстро, исчезая уже спустя
несколько периодов, а вместе с ним исчезают и все затруд-
нения. Ибо, едва лишь постоянный поток исчерпан, проницае-
мость тоже достигает своего нормального значения. Перемен-
ный ток включения тоже понижается до высоты нормального
намагничивающего тока, правда, не так скоро, как постоянный
ток, но все же в короткое время.
Небольшие остатки постоянного тока включения требуют
еще относительно больших усилений намагничивающего тока.
Поэтому затухание переменного тока включения можно дольше
наблюдать, чем затухание постоянного тока включения. Но
в силу свойств намагничиваемого железа только первый период
дает очень сильный ток включения. По этой же причине волна
тока почти в продолжение всего включения располагается чуть
ли не целиком над осью времени (рис. 70).
Ток включения может значительно превысить ток корот-
кого замыкания. Но это обстоятельство не играет роли. Меха-
2о8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
нических последствии ток включения иметь не может, для
этого ему недостает противотока. Гораздо важнее то обстоя-
тельство, что только первый период сопровождается сильным
током. Защита от сверхтоков, устроенная в расчете на корот-
кое замыкание, вполне достаточна и для тока включения.
Но даже при кратковременности ток включения не слишком
удобен. Сильный ток включения первого периода не может
сжечь трансформатор. Но всякий плавкий предохранитель, несо-
мненно, перегорит. Опыты показали, что плавкие предохрани-
тели выключают очень сильные токи в тысячные доли
секунды. Если небольшой трансформатор первично
предохранен только плавкими предохраните-
Л	лями, то его включение бывает порою сопря-
I А	жено с большими трудностями.
А	В этом отношении
I I I I / \ Л	между коротким за-
/	1 I \ / \ / \ Л Л А А мыканием и включе-
LXl—У—и и U V U V V V V нием есть большая
разница. Плавкий пре*
Рис. 70.	дохранитель вступает
в действие в обоих
случаях. Но при коротких замыканиях предохранитель должен,
а при включениях — не должен перегорать. Очевидно, что
автомат с выдержкою времени значительно уместнее плавкого
предохранителя, но для небольших трансформаторов он подчас
слишком дорог.
51.	Ограничение токов включения.
Ток включения сам по себе, как это установлено было
в предыдущем параграфе, в сущности, не нуждается ни в какой
другой защите, кроме автомата с выдержкою времени, урегу-
лированного на ток короткого замыкания. Но его с трудом
поддающаяся вычислению сила вносит неопределенность в за-
дачу. К этому присоединяется и то, что ток включения может
совпасть с током короткого замыкания.
В самом деле, довольно часто случается, что включение
происходит при коротком замыкании. Если автомат выклю-
ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКОВ ВКЛЮЧЕНИЯ
209
чился вследствие короткого замыкания, то весьма часто дежур-
ный не знает подлинной причины включения и поэтому снова
включает автомат.
Явления, сопутствующие включению нагруженного транс-
форматора, ничего существенно нового не заключают в себе.
Электрическое равновесие первичной обмотки требует все тех
же изменений силового потока и, значит, того же усиления
намагничивающего тока. Но вторичный ток нагрузки должен
быть, кроме того, магнитно парализован, он немедленно тре-
бует первичного противотока.
Ток короткого замыкания и ток включения налагаются друг
на друга. Получаются сильные общие токи, правда, в течение
первого только периода. Ток включения при-
обретает тем самым повышенное значение и
поэтому вполне естественно, что все же есть
стремление при помощи особых устройств по-
низить ток включения.
Из уравнения (28) непосредственно явствует
правильный путь. Легче всего, конечно, умерить
ток включения посредством увеличения омиче-
ского сопротивления обмотки. Разумеется, до-
бавочное сопротивление не должно все время
обременять эксплоатацию; по прекращении
явлений, сопутствующих включению, вспомогательное сопро-
тивление должно быть удалено.
Омическое добавочное сопротивление не только ослабляет
непосредственно ток включения, но сокращает также постоян-
ную времени постоянного тока включения. Оно должно только,
чтобы практически быть действительно полезным, иметь вели-
чину порядка кажущегося сопротивления, возникающего при
включении первичной обмотки. Если его, как это принято,
сделать в 4 — 5 раз больше полного сопротивления первичной
обмотки, то оно превосходно будет справляться со своею задачей.
То требование, чтобы добавочное сопротивление немед-
ленно после включения трансформатора выключалось, испол-
нить легко. Для этого нужно только снабдить выключатель,
помощью которого трансформатор включается на сеть, доба-
вочным предварительным контактом, например, согласно рис. 71,
И
Предеар.
Л контакт
Рис. 71.
210
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
и поместить добавочное сопротивление между предварительным
и главным контактами.
Добавочное сопротивление нет надобности рассчитывать
с большим запасом. Пожарная опасность ему почти не грозит.
Оно должно уменьшать ток включения и поэтому вредит са-
мому себе при слишком большом сечении. При определенной
длине I сопротивляющегося проводника, его сопротивление
обратно пропорционально сечению. Ток, проходящий через
этот проводник в первый полупериод включения, обратно про-
порционален сопротивлению. Развиваемая им теплота растет
поэтому заодно с сечением.
Есть еще другое, менее удобное средство для ограничения
тока включения. Высота напряжения сети непосредственно
определяет собою силу этого тока. Если это напряжение по-
нижать, то убывает и ток, и при том скорее, чем напряжение,
потому что проницаемость железа быстро растет.
Таким образом, ступенчатые выключатели, которые посте-
пенно ставят трансформатор под рабочее напряжение, являются
защитою от сверхтоков при включении. Но это довольно
сложное устройство. Несомненно, выключатель с добавочным
сопротивлением представляет собою более простое вспомога-
тельное средство.
Затруднения, возникающие при включении, обычно являются
неожиданностью для инженера-производственника. Главным
образом на небольших трансформаторных подстанциях, авто-
матами не снабженных, они могут при известных обстоятель-
ствах причинять много вреда. Предохранители высокого на-
пряжения не дешевы, и если они при включении взрываются,
то это большая неприятность для инженера-производственника,
особенно, когда по воле случая несколько раз подряд момент
включения был выбран неудачно.
Вот почему малые трансформаторы следует строить с весьма
умеренным насыщением в железе.
52.	Ток выключения автоматического выключателя.
Проблема сверхтока предстает теперь перед нами, после
того как мы познакомились с наиболее опасными сверхтоками»
в довольно ярком освещении. Совершенно обходя вниманием
ТОК ВКЛЮЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
211
нормальный режим, которому тоже сопутствуют толчки тока,
можно уже сказать на основании исследования явлений корот-
кого замыкания и включения, что сверхтоки должны быть
выключаемы лишь по истечении известного времени, но что
выдержка времени выключения должна составлять только не-
сколько секунд.
За эти несколько секунд, в течение которых трансформа-
тор, не терпя ущерба, выдерживает короткое замыкание, явле-
ния включения исчезают. Затем возникает, разумеется, еще
только вопрос, как отражается это вынужденное замедление
на нормальном режиме. Решив этот вопрос, мы тем самым
исчерпаем проблему сверхтока.
Ког/а время выдержки автомата установлено, то еще можно
по усмотрению установить силу выключающего тока в соот-
ветствии с потребностями эксплоатации, если только автомат
устроен для независимой выдержки времени. Выключающий
ток должен прежде всего и во всяком случае быть слабее
тока короткого замыкания. Установка силы выключающего
тока сопряжена с затруднениями, как в этом очень легко убе-
диться. Автомат, конечно, реагирует только на те токи, кото-
рые превышают выключающий ток. Токи, хотя бы только не-
много уступающие по силе выключающему току, могут долгое
время циркулировать в трансформаторе, не приводя в дейст-
вие автомата.
Отсюда следует, что ток выключения должен не на много
превышать ток полной нагрузки трансформатора, но исполне-
ние этого, в сущности самоочевидного, требования приводит
обычно к совершенно невозможным условиям работы.
Прежде всего совершенно неизбежный сверхток возникает
при включении на трансформатор каждой новой цепи, то есть
каждого приемника, каждой нагрузки. Для этих случаев, как
известно, нужно принимать удвоенную силу тока. Сверхток
затухает и даже обычно очень быстро, но все же может быть
еще заметен по истечении времени выдержки.
Однако, эти сверхтоки гораздо менее неприятны, чем пу-
сковые токи электродвигателей. У двигателей тоже есть токи
включения, которые быстро затухают и поэтому причиняют
мало затруднений. Но есть у них также, и прежде всего, пу-
М*
212
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
сковые токи, которые, правда, умеряются пусковыми реоста-
тами, но все же являются сверхтоками. Вращающиеся массы
при пуске в ход нуждаются в ускорении.
Пуск в ход заканчивается не спустя 2 и даже не спустя
6 секунд. Нет никакой возможности ограничить его временем,
предписанным для явлений короткого замыкания. Поэтому не
остается иного исхода, как урегулировать ток выключения для
трансформатора, питающего электродвигатель, на величину,
превосходящую ток полной нагрузки.
Но это еще не все. Двигатель, уже работающий, всегда
подвержен сверхтокам. Когда механическая нагрузка немного
превосходит нормальную меру, то число оборотов у двигателя
не может просто упасть, он должен справиться с перегрузкой,
должен быть рассчитан, по крайней мере, на двойной вращаю-
щий момент.
Нельзя допускать, чтобы автомат трансформатора уничто-
жал приспособляемость двигателя к очень кратковременным,
но все же длящимся несколько секунд перегрузкам. Опять-таки
единственный исход заключается в урегулировании тока вы-
ключения на величину, превосходящую ток полной нагрузки.
Каждый инженер-производственник легко убеждается на
опыте, что не может работать с автоматом, урегулированным
на ток полной нагрузки трансформатора. Непрерывные выклю-
чения являются естественным следствием чрезмерной осторож-
ности. Тогда он регулирует ток выключения на большую силу.
Но на какую? Он усиливает его до тех пор, пока автомат
перестает его тревожить.
В действительности у каждого трансформатора есть опре-
деленный правильный ток выключения или, вернее, опреде-
ленное правильное отношение тока выключения к номиналь-
ному току. Это отношение зависит исключительно от прием-
ников в питаемой трансформатором вторичной сети и изме-
няется при каждом изменении, т. е. при каждом расширении
круга потребителей, прежде всего при каждом изменении при-
ключенных силовых установок.
Самый неблагоприятный случай — это питание только од-
ного крупного электродвигателя. Тогда едва ли можно будет
обойтись током выключения, превосходящим на 100% ток
АМПЕРМЕТРЫ НА ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ
213
полной нагрузки. Уже гораздо благоприятнее силовая уста-
новка с несколькими двигателями. Чем больше их, тем больше
выравниваются во времени толчки тока, тем меньшее значе-
ние имеют эти толчки для питающего все двигатели транс-
форматора.
Смешанные установки еще больше облегчают положение,
а чисто осветительные установки, несомненно, требуют наи-
меньшего тока выключения. Световая нагрузка устанавливается
столь постепенно, что практически едва ли может быть речь
о сверхтоках.
Величина трансформатора оказывает, конечно, большое
влияние на правильную силу выключающего тока. Чем больше
трансформатор, тем больше число питаемых им приемников,
тем больше вероятность выравнивания толчков тока во вре-
мени и относительного уменьшения силы каждого из этих
толчков.
53.	Амперметры на трансформаторных подстанциях.
Раз мы установили, что ток выключения у автомата дол-
жен при известных обстоятельствах превосходить допустимый
ток полной нагрузки трансформатора на 1ОО°/о, а обычно на
ЗО°/о, то трансформатор все же находится длительно в боль-
шой опасности, пусть бы даже разность составляла только
1О°/о» и автомат как будто не решает проблемы сверхтоков.
Но и плавкий предохранитель решает ее не лучше. Сверх-
токи неизбежны, допускать их необходимо, они только не
должны быть продолжительны. Не беда, если двойной ток
полной нагрузки держится несколько минут или если меньший
сверхток нагревает обмотку несколько часов. Важно только,
чтобы на недопустимые продолжительные сверхтоки прибор
реагировал спустя некоторое время, спустя несколько часов.
Задачу эту так же мало может исполнять автомат, как и
плавкий предохранитель, но ее надежно решает применение
амперметров и ваттметров. Как бы исправно ни работал транс-
форматор, все же его нельзя оставлять без всякого наблюдения.
Трансформаторы, расположенные в непосредственной бли-
зости к станции, находятся под длительным контролем. Для
214
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
них можно обойтись одними только амперметрами. Дежурный
во всякое время видит, как нагружен трансформатор. Осве-
тительные трансформаторы, редко подвергающиеся осмотру,
тоже в достаточной мере защищены амперметрами, разумеется,
при том условии, чтобы проверка происходила в дневные и
вечерние часы. Трансформаторные подстанции без амперметров
и без ваттметров едва ли допустимы. Пренебрегая таким важ-
ным средством защиты, никакой экономии достигнуть нельзя.
Наилучшая защита для осветительных трансформаторов —
это регистрирующие ваттметры или амперметры. Они исчер-
пывающим образом рассказывают инженеру-производственнику
все, что за день произошло с трансформатором.
Для силовых трансформаторов ваттметр, разумеется, не
представляет собою надежной защиты. Трансформатор стро-
ится, в сущности, не для определенной мощности, а для опре-
деленных тока и напряжения. Уместнее ваттметра амперметр
или же вольт-амперметр.
Самопишущие приборы являются, разумеется, и для сило-
вых трансформаторов наилучшею аппаратурой. Они — и только
они — совершенно не зависят от того, насколько бдителен де-
журный. Без дежурного и без самопишущих приборов силовая
трансформаторная подстанция тоже совершенно недопустима.
Существует одна еще более действительная защита от сверх-
токов, в пределах между выключающим током и допустимым
током полной нагрузки. Она лучше всех других способов осу-
ществляет непосредственный контроль. Мы говорим об изме-
рении температуры масла.
При небольших сверхтоках трансформатор только тогда
находится в опасности, когда он начинает недопустимо нагре-
ваться. Другого вреда небольшие сверхтоки причинить ему не
могут. Как мы уже знаем, прежде, чем трансформатор недопу-
стимо нагреется, должно пройти некоторое время, чтобы масло
насытилось теплотою. Но измерять температуру масла легко.
Для этого достаточно погрузить в него обыкновенный термо-
метр.
Сколько-нибудь большие трансформаторы снабжаются по
общему правилу термометрами. Термометры представляют со-
бою хорошие приборы защиты от сверхтоков, они, в сущности»
АМПЕРМЕТРЫ НА ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЯХ
215
лучше амперметров. Только они следят еще и за исправным
состоянием масляной ванны и за всем охлаждающим устрой-
ством трансформатора.
Ртутный столб термометра может, когда он достигает опре-
деленной высоты, замыкать вспомогательную цепь тока. Ток
в этой вспомогательной цепи может приводить в движение
тревожный сигнал, может также—и это, пожалуй, лучше—при-
водить в действие автомат, а при известных обстоятельствах
выполнять обе эти функции.
Легко понять, что и для термометра подходит только такая
температура выключения, которая превышает допустимую
температуру. Но разность между ними может быть значительно
меньше, чем между током выключения и током полной на-
грузки, потому что масляная ванна медленно реагирует на из-
менения нагрузок.
Не удивительно, что с малыми трансформаторами гораздо
чаще случаются несчастья, чем с большими. Без дежурного,
без амперметра, без термометра, иными словами — без надзора,
они всецело предоставлены самим себе в борьбе с эксплоа-
тационными затруднениями. Так как, вдобавок, автомат слиш-
ком дорог для малого трансформатора и вся надежность ма-
лого трансформатора основана на предохранителях высокого
напряжения, то с точки зрения инженера-производственника
малый трансформатор надо признать плохою конструкцией.
Благодарною задачею учения об эксплоатации является
выяснение того обстоятельства, что и малые трансформаторы
нуждаются в надлежащей аппаратуре. Снабдить трансформа-
тор правильною защитою, несомненно, дешевле, чем постоянно
его ремонтировать. Нельзя отрицать, что он подвержен отно-
сительно большим опасностям, чем крупный трансформатор.
Уже по этой причине следовало бы защищать его по меньшей
мере не хуже.
К сожалению, даже в хороших установках часто встре-
чаются малые трансформаторы, лишенные достаточной защиты
от сверхтоков. В этом смысле в самых плохих условиях на-
ходятся, в сущности, мачтовые трансформаторы. Но конструк-
тор по крайней мере заранее знает, для каких условий пред-
назначены мачтовые трансформаторы. Он строит их с боль-
2l6
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
шим запасом. Конструируя нормальные малые трансформаторы,
он должен добиваться максимума от материалов, чтобы оста-
ваться способным к конкуренции, и не может поэтому прене-
брегать надлежащею защитою от сверхтоков.
54.	Плавкий предохранитель.
Уже при исследовании явлений включения мы признали, что
плавкий предохранитель — неудовлетворительный прибор. Он
только в том случае не выключает только что включенного
трансформатора, когда ток включения невелик, а это невоз-
можно при низких плотностях линий в железе колонн, напри-
мер, при 10000 силовых линий/хе. см.
Только малые трансформаторы удается строить без расто-
чительного обращения с материалом для таких незначительных
плотностей линий, потому что для них нужно считаться с нор-
мальным намагничивающим током. Поэтому область примене-
ния плавкого предохранителя ограничивается малыми мощно-
стями, приблизительно до 30 к VA. К тому же при малых мощ-
ностях автомат относительно дорог, так что его охотно заме-
няют более дешевым плавким предохранителем.
В сущности, плавкий предохранитель представляет собою
автомат с зависимою выдержкою времени. Зависимость вре-
мени выдержки от силы тока выключения установить легко и
ее полезно вкратце исследовать.
Плавкая проволока предохранителя имеет известное сечение
и известную длину. Она содержит определенное количество
металла и имеет определенное сопротивление. От количества
металла зависит способность к поглощению теплоты, которая при
сильных токах нагрузки одна только определяет собою повыше-
ние температуры, обусловленное выделяемою током теплотою.
Плавкая проволока требует определенной теплоты плавления.
Время плавления, несомненно, обратно пропорционально раз-
виваемой током теплоте. При сильных сверхтоках время пла-
вления, эквивалентное времени выключения, обратно пропор-
ционально квадрату тока нагрузки.
Однако, время плавления растет гораздо скорее, чем квад-
рат тока убывает, потому что при низкой нагрузке большую
ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ
217
роль играет теплоотдача среде. При предельно допустимом
токе нагрузки среде отдается вообще вся выделяемая током
теплота.
Теперь понятно, что ток короткого замыкания трансформа-
тора вызывает перегорание плавкого предохранителя по исте-
чении нескольких тысячных секунды. Подобным же образом
должен быть опасен плавкому предохранителю ток включения.
Небольшим сверхтокам понадобится минута и больше, чтобы
расплавить проволоку предохранителя.
Зависимость времени выдержки плавкого предохранителя
от силы тока не является его недостатком. Она даже очень
хорошо предотвращает пожарную опасность, грозящую обмотке.
Тем не менее, это выгодное ограничение тока и продолжи-
тельности нагрузки имеет свои недостатки не только для са-
мого трансформатора, но и для общего ведения эксплоатации.
Поэтому и автоматы с зависимою выдержкою времени, строив-
шиеся уже не раз, всякий раз отвергались практикой.
Время выключения должно по общему правилу ступенчато
возрастать, начиная от периферии района снабжения по на-
правлению к станции. Проблема сверхтоков трансформатора
должна подчиниться требованиям селективной защиты электри-
ческих установок от сверхтоков. Это тоже одна из причин,
по которым плавкий предохранитель при сколько-нибудь боль-
ших мощностях неприменим.
Впрочем, самый большой недостаток плавкого предохра-
нителя заключается не в этом. Плавкая проволока перегорает,
когда ток достигает своего максимального значения, перего-
рает во всяком случае при высоких мгновенных значениях
тока нагрузки. Она прерывает цепь тока в такой момент,
когда в наличии имеется наибольшее количество магнитной
энергии. Вследствие этого перегорание плавкого предохрани-
теля влечет за собою неприятные уравнительные явления, ко-
торые нужно по возможности подавлять.
Масляный выключатель предотвращает эти уравнительные
явления. Как это происходит,—об этом речь впереди. В сле-
дующей главе, посвященной проблеме перенапряжений, будет
исследовано различие между плавким предохранителем и авто-
матическим масляным выключателем.
VI. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ.
55.	Проблема перенапряжений.
Перенапряжения гораздо более неприятны инженеру-произ-
водственнику, чем сверхтоки. Как ему, так и конструктору
проблема перенапряжений представляется значительно более
важной, чем проблема сверхтоков. Она, несомненно, и труднее»
От сверхтоков трансформатор можно надежно защитить. Исклю-
чение составляют только сверхтоки, обусловленные корот-
ким замыканием витков. Между тем, такой защиты от перена-
пряжений, которая бы действительно исчерпывала проблему,
покамест не существует.
Чем это объяснить? Причину необычайной трудности про-
блемы перенапряжений открыть, в сущности, нетрудно. Сверх-
токи возникают в самой установке и порождаются только
действующими в данной установке количествами энергии. Пе-
ренапряжения же только отчасти обусловлены явлениями в сети
и в машинах установки. В значительной своей части они имеют
внешнее происхождение. Магнитные поля наших электрических
установок находятся в исключительном владении этих послед-
них, электрические же поля в сильной и опасной степени
восполняются полем земли.
Электрическое поле земли, в котором находится вся уста-
новка, было полновластно в отношении собственных электриче-
ских полей первых скромных установок. Оно заглушало своими
колебаниями все внутренние уравнительные процессы. По мере
роста рабочих напряжений это отношение изменяется и влия-
ние земного поля ослабевает. Но оно еще настолько мощно,
что причиняет нам много хлопот и превращает проблему пере-
напряжений в главную проблему трансформатора.
ПРОБЛЕМА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
2 19
Но даже не этим объясняется главная трудность проблемы
перенапряжений. Пусть поле земли опасно, пусть его власть
велика. Пусть его возрастание не поддается предвидению
и служит источником большой неуверенности, — все же совла-
дать с ним можно. Волны перенапряжения, возникающие вслед-
ствие коммутационных процессов, эксплоатационных несчаст-
ных случаев или атмосферных явлений, ограничиваются из-
вестною высотою. Тем самым они доступны для расчета. Но
результаты расчета до самого последнего времени не удава-
лось проверить измерением.
В этом-то и заключалась действительная трудность про-
блемы перенапряжений. Теория волн очень сложна. Особенно
она усложнилась, когда приняла во внимание собственные коле-
бания находящихся в опасности обмоток машин, а также
устройств для защиты от перенапряжений. Эти колебания зату-
хают невероятно быстро, числа периодов 100000 и больше
в секунду являются тут нормальными. Чем темнее станови-
лась теория волн, тем острее была потребность в ее экспери-
ментальной проверке.
Теперь мы, наконец, располагаем долгожданным средством
измерения. Катодный осциллограф в состоянии измеряюще
следить за совершающимися с неистовою скоростью колеба-
ниями перенапряжения и может выяснить, наконец, правильна ли
наша теория волн и какие явления имеют главное значение
для защиты от перенапряжений.
Мы приближаемся к достаточной защите от перенапряже-
ний, и это более чем своевременно. Уже много лет в раски-
нутых районных сетях часто происходят пробои трансформа-
торов. Эксплоатация прекращается, потому что защита от пере-
напряжений оказывается несостоятельной, аварии стоят денег.
Правила безопасности возлагают на трансформатор все более
трудные обязанности. Конструктор не может полагаться на
защитные приборы и чувствует себя беспомощным перед лицом
неразрешимых проблем.
На многих станциях защитные дроссельные катушки, — един-
ственная вообще возможная защита от волн с крутым фрон-
том,— оказались практически столь непригодными, что их
пришлось выбросить. Случалось убеждаться, что без дроссель-
220
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ных катушек работа протекает исправнее, не будучи все же
исправной.
Практически не оправдавшаяся дроссельная катушка служит
ярким доказательством того, что от неудовлетворительной
теории перенапряжений можно скорее ждать вреда, чем пользы.
Но, в сущности, каждая теория неудовлетворительна, покуда
она не проверена измерением.
Учение об эксплоатации должно защитить конструктора,
который просто не имеет возможности построить трансфор-
матор так, чтобы он не нуждался в защите от перенапряжений.
Это учение должно просветить инженера - производственника,
указать ему правильный путь, ведущий к надежной эксплоа-
тации и в то же время к таким конструкциям трансформаторов,
которых не удорожают излишним образом продиктованные
отчаянием правила безопасности. У инженеров-производствен-
ников часто наблюдается настроение какой-то беспомощной
обреченности. Они уже не уделяют вообще внимания защите
от перенапряжений на своих трансформаторных подстанциях,
так как, наученные горьким опытом, не хотят выбрасывать
деньги на мнимую защиту. Такое положение вещей нетерпимо.
Так конструктор столковаться с инженером-производственником
не сможет.
56.	Блуждающие волны и их возникновение.
Каждый проводник в электрической установке, будь то
провод сети или обмотка трансформатора, должен находиться
в работе под определенным напряжением относительно сосед-
них проводников, к которым неизбежно относится и земля.
Между соседними проводниками не бывает напряжения без
определенного количества электричества на каждом из них.
Как велико должно быть это накопленное количество электри-
чества в каждом отдельном случае, — это определяется ем-
костью системы, образованной двумя проводниками и разоб-
щающим их диэлектриком.
Находясь в состоянии равновесия, необходимые количества
электричества, накопленные в проводниках и связанные напря-
жением, порождают электрическое поле, силовые линии кото-
БЛУЖДАЮЩИЕ ВОЛНЫ И ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЕ
221
рого пробегают от проводника к проводнику (рис. 72). Это
электрическое поле является таким же носителем определен*
ного количества энергии, как магнитное поле проводника.
Если обозначить через Q (кулонов) связанное количество
электричества, через Е напряжение (вольт), через С емкость
системы проводников (F), то во всякий миг
Q — CE
и энергия электрического поля равна
СЕ2
—-— ватт-секунд.
В установках переменного
тока напряжение непрерывно
колеблется, заодно с ним дол-
жно колебаться связанное коли-
чество электричества. Происхо-
дят непрерывный подвод и отвод
электричества. Это емкостные
токи установки. Электрическая
энергия колеблется совершенно
так же, как магнитная.
Эти колебания, эти приливы
и отливы освобождающихся
количеств электричества и ко-
личеств энергии естественны и неопасны. Они нерасторжимо
связаны с природою переменных токов и переменных напря-
жений. Они происходят плавно по синусоидам в промежутки
времени, правда, весьма короткие по масштабу наших предста-
влений, но в действительности очень длинные по сравнению
с периодами тех нежелательных колебаний, которые образуют
проблему перенапряжений.
Установка, в которой бы соотношения между напряжениями
продолжительно оставались во всех частях без изменения, сеть,
в которой бы напряжения изменялись во времени только сину-
соидально, немыслима и невозможна. Всегда происходят комму*
тационные процессы, внезапно изменяющие напряжение в опре-
деленных местах. Трансформатор до включения не имеет напря-
жения. Вдруг маневр выключателя ставит его под напряжение.
222
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
У какого-нибудь провода в линии дальней передачи возникает
сообщение с землею. Вдруг он в поврежденном месте лишается
напряжения относительно земли.
Внезапные изменения напряжения влекут за собою внезап-
ные изменения находившихся ранее в связанном состоянии
количеств электричества. В сети то и дело освобождаются
количества электричества, которые тогда перемещаются во все
стороны со скоростью света. В том месте, где напряжение
изменилось, они сделались излишними и даже невозможными.
В том месте, куда они устремляются, они, разумеется, тоже
излишни, они вызывают нежелательные изменения напряжения.
Они являются источником грозных перенапряжений.
Не только повышение напряжения сообщает такую вредо-
носность освобождающимся количествам электричества. Так
как они нигде больше не нужны, после того как состояние
сети изменилось, то мечутся из одного конца сети в другой,
не находя покоя. Они приводят в колебание все способные
колебаться контуры тока. Они периодически повсюду возвра-
щаются, всякий раз вызывая новый удар. Поэтому всегда воз-
можны явления резонанса.
Коммутационные процессы, сообщения с землей, короткие
замыкания и не в последнюю очередь атмосферные разряды
все время порождают блуждающие волны. Когда ударяет молния
и все поле земли внезапно изменяется, то изменяется также на-
пряжение проводника относительно земли, а значит и то коли-
чество электричества, которое находилось на проводниках в свя-
занном состоянии под воздействием поля земли.
Этот общий обзор позволяет нам разделить проблему пере-
напряжений на две части. Первый вопрос, подлежащий разре-
шению, касается высоты перенапряжения. Очевидно, что неогра-
ниченных перенапряжений нельзя допускать. Стало быть, за-
щита от перенапряжений прежде всего должна контролиро-
вать высоту толчков напряжения.
Вторая часть проблемы перенапряжений должна быть
посвящена собственным колебаниям обмоточного контура,
порождаемым блуждающими волнами, а также собственным
колебаниям тех контуров, которые связаны с трансформа-
тором.
НАРУШЕНИЕ ЗЕМНОГО ПОЛЯ. ЗАЗЕМЛИТЕЛИ
223
Нет сомнения, что для всех этих исследовании исключитель-
ное значение приобретает одна величина трансформатора,
обычно привлекающая к себе мало внимания и почти не играющая
роли при нормальном режиме, а именно, емкость обмотки.
Энергия электрического поля зависит от этой величины. Осо-
бенно же важною становится она потому, что определяет собою
число собственных колебаний контура обмотки.
Нижеприводимые исследования осуществимы лишь при
использовании некоторых, давно уже известных, результатов
теории блуждающих волн. Но отчасти исследования эти должны
выйти из рамок трансформаторостроения. Это естественно.
Опасность угрожает извне, значит надо и конструктору транс-
форматоров знать, что в сущности происходит снаружи, в сети.
57.	Нарушения земного поля. Заземлители.
Летние месяцы — это трудное время для инженера-произ-
водственника, это время гроз. Но на сгущающиеся тучи он
смотрит глазами специалиста, действительно понимающего то,
что происходит.
Между поверхностью земли и тучей образуются электри-
ческие поля. С обеих сторон накопляются количества электри-
чества. Молния, пробивающая огромные промежутки между
этими двумя проводниками, показывает, что тут должны дей-
ствовать очень высокие напряжения.
В электрическом поле земли расположены провода линии
дальней передачи, которые, разумеется, имеют некоторое доба-
вочное напряжение относительно земли. Это напряжение все-
цело зависит от силы поля земли, оно образует дробную долю
от напряжения между землею и тучей.
Если непосредственно перед тем, как поле земли проби-
вается молнией, оно достигает своей наибольшей силы, то
напряжение проводов относительно земли, даже будучи неболь-
шою только дробью от общего напряжения земного поля, ста-
нет все же очень высоким для наших установок.
По счастью, когда гроза приближается, поле земли усили-
вается медленно. Напряжение проводов дальней передачи отно-
сительно земли растет постепенно, и количество электричества
224
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
накопляющееся в проводах под воздействием земли, возра-
стает медленно. Есть, поэтому, время не допустить, чтобы это
явление перешло известный предел.
Это, естественно, приводит нас к первому результату про-
блемы перенапряжений. Очевидно, в каждой трансформаторной
подстанции необходимо устройство, которое бы заботилось
о том, чтобы напряжение подведенных к зажимам трансформа-
тора проводов относительно земли не превосходило опреде-
ленной высоты.
Это достижимо при помощи относительно простых средств.
Если между проводником и землей, непосредственно перед
трансформатором, поместить искровой промежуток, рассчитан-
ный так, чтобы он пробивался при надлежащем максимальном
значении напряжения, то дальнейшее повышение напряжения,
очевидно, невозможно. Этот искровой промежуток, как из-
вестно, имеет обычно форму рогового разрядника. Свойства
этого прибора общеизвестны. Для малых установок важным
преимуществом рогового разрядника является его крайняя
дешевизна. Он получил поэтому чрезвычайное распростра-
нение.
Нечего и говорить о том, что искровой промежуток должен
реагировать только на такие напряжения, которые значительно
превосходят нормальное напряжение трансформаторов относи-
тельно земли, т. е. фазное напряжение. Когда в установках
высокого напряжения одна фаза приходит в сообщение с землею»
то, разумеется, напряжение относительно земли в обеих других
фазах возрастает до высоты сопряженного напряжения. Тогда
искровой промежуток еще не должен вступать в действие. Уста-
новить его нужно, поэтому, на величину, которая не меньше
двойного фазного напряжения.
Существует еще множество других вспомогательных средств
для наблюдения за влиянием поля земли. Вместо того, чтобы
ограничить напряжение, можно также открыть перед количе-
ством электричества, которое связано полем земли, выравни-
вающий путь в землю, безвредный для установки. Для этого,
например, соединяют каждый проводник с землею через большое
сопротивление. Водоструйный заземлитель осуществляет эту
мысль посредством жидкого сопротивления. Разумеется, можно
НАРУШЕНИЕ ЗЕМНОГО ПОЛЯ. ЗАЗЕМЛЕНИЕ
225
для этого воспользоваться и твердыми омическими сопроти-
влениями, и даже индуктивными.
Искровой разрядник остается самым простым и дешевым
решением вопроса. Есть у него и недостатки, как у всех других
устройств. Мы с ними познакомимся ниже. Покамест нам надо
закончить рассмотрение проблемы земного поля.
Наблюдать за напряжением проводов установки относи-
тельно земли можно было бы пропое всего, если бы сеть высо-
кого напряжения имела заземленный нулевой провод. В Европе
мы неохотно заземляем центр звезды со стороны высокого
напряжения, а поэтому и не прокладываем с этой стороны
нулевого провода. Заменою служит заземление нулевой точки
генератора, разумеется — через определенное, достаточно боль-
шое сопротивление. Нулевую точку трансформатора можно
тоже с успехом заземлить через сопротивление. Но в транс-
форматоре нулевая точка не всегда доступна, соединение тре-
угольником, к которому часто приходится обращаться, не
допускает этого способа.
Во всяком случае, мы видим, что с полем земли можно со-
владать. Оно не может создать сколь угодно высокие пере-
напряжения, но совершенно без перенапряжений дело тоже не
обходится. Тут уместна аналогия с автоматами, которые могут,
но не должны выключать всякий сверхток. Заземлители тоже
решают только часть проблемы.
Чем выше рабочее напряжение установки, а значит и транс-
форматора, тем меньше шансов, что обусловленное полем земли
повышение напряжения может стать опасным для установки.
Крупный трансформатор обычно работает под высоким напря-
жением. Малые трансформаторы находятся в сети среднего
напряжения и почти всегда подвергаются большей опасности,
чем крупные. Для них заземлители важнее.
Сети низкого напряжения находятся, конечно, в такой же
опасности, как и сети высокого. Со стороны низкого напря-
жения трансформатор также нуждается в разряднике. Но у сети
низкого напряжения обычно и без того имеется заземленный
нулевой провод. К тому же, силовые трансформаторы распо-
ложены очень близко от электродвигателей. Поэтому со сто-
роны низкого напряжения проблема поля земли решается легко.
15
226
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
58.	Искровой разрядник.
Все заземлители, за исключением искрового разрядника,
имеют тот очевидный недостаток, что они все время расхо-
дуют энергию. Как жидкое, так и твердое сопротивление, соеди-
няющие провод с землею, пропускают сквозь себя и при нор-
мальном рабочем напряжении ток, выделяющий теплоту.
Искровой разрядник пропускает через себя ток только во
время своей работы и тогда этот пропуск тока закономерен.
Разрядник должен отвести в землю связанное полем земли
количество электричества, чтобы напряжение относительно
земли могло понизиться. Но когда воздушный промежуток
приобретает проводимость, то и рабочее напряжение оказы-
вается в состоянии пропустить через него
в землю свой ток.
В конце-концов дуга между рогами
разрядника обрывается. Для того-то он и
построен в форме рогов, чтобы нагретый
воздух гнал дугу вверх и заставлял ее
все время удлиняться. Но сила тока
должна оставаться под наблюдением
Поневоле приходится помещать и в серию
Рис. 73. с роговыми разрядниками большие омиче-
ские сопротивления (рис. 73).
Целью такого сопротивления у разрядника является не
только защита разрядника от чрезмерных токов. Есть у него
еще другая важная задача. Когда искровой промежуток пере-
крыт, то действовавшее прежде напряжение исчезает. В месте
моста установка вдруг приобретает потенциал земли и тогда
в сеть поступает волна, сопровождаемая неизбежною волною
в земле.
Контроль над полем земли, осуществляемый искровыми
разрядниками, предотвращает большие перенапряжения, но не-
минуемо влечет за собою возникновение блуждающих волн и
тем самым создает новую опасность. Блуждающая волна обла-
дает полным напряжением, существовавшим относительно земли
до вступления в действие разрядника, она содержит все то коли-
чество электричества, которое раньше было связано полем
ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК
227
земли, если только в серию с искровым промежутком не было
помещено добавочное сопротивление.
Если блуждающая волна, возникающая при пробое искрового
промежутка, непредотвратима, то надо, по крайней мере,
устроить так, чтобы она не вызывала чрезмерных перенапря-
жений. Очень важно немедленно ее подавлять, прежде чем она
станет вредоносной. Способ успешного ее подавления образует,
очевидно, важную проблему перенапряжений, которую нам надо
тут же решить, так как она имеет значение и для других
вопросов.
Всякая блуждающая волна, в сущности, представляет собою
ток, который струится в проводнике на том его протяжении,
которое определяется длиною блуждающей волны. Обратный
ток струится по тому проводнику, к которому прежде были устре-
млены силовые линии исчезнувшего электрического поля. На
обоих концах блуждающей волны цепь замыкается током сме-
щения.
Если в конце движущейся волны заряд исчезает, то его,
очевидно, уносит с собою некоторый ток i (А). Вместе с заря-
дом исчезает напряжение Е (V). Если на единицу длины у пары
проводников приходятся индуктивность L (генри) и емкость С
(фарад), то в конце волны все время создается магнитная
энергия
iaL
2	*
между тем как одновременно исчезает электрическая энергия
Е?С
2
Возможно только одно: электрическая энергия блуждающей
волны должна быть равна магнитной энергии. Тогда ток
и напряжение связаны простым соотношением
Таков известный закон Ома для блуждающих волн. Так
называемое волновое сопротивление
15*
228
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
очевидно, является настоящим сопротивлением и играет такую
же роль, как омическое сопротивление.
Установим тут же, что волновое сопротивление у линий
дальней передачи составляет приблизительно 500 омов, но что
волновое сопротивление трансформаторной обмотки по вполне
понятным причинам значительно сильнее. Кабельные линии
обладают волновыми сопротивлениями, составляющими только
дробную часть от волнового сопротивления воздушных линий.
При помощи этих простых вспомогательных средств теории
ние обоих последовательно соединенных проводов, а именно,
линии дальней передачи с волновым сопротивлением Zi и транс-
форматорной обмотки с волновым сопротивлением Z2 непо-
средственно перед вступлением в действие искрового проме-
жутка. Оба они находятся под напряжением Е относительно
земли.
Будь добавочное сопротивление R ничтожно мало, т. е. при
Я = 0,
напряжение в точке соединения трех ветвей тока упало бы
до нуля при вступлении в действие искрового промежутка
и блуждающая волна с полным напряжением Е проникала бы
с одной стороны в обмотку, с другой — в линию дальней пере-
дачи (рис. 75).
Из трансформаторной обмотки должен был бы выйти волно-
вой ток
ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК
229
а из линии дальней передачи волновой ток
Е
11 - ZC
Оба они должны были бы, слившись, уйти в землю. Ток,
отводимый в землю через искровой промежуток, составлял бы
тогда
z z^
Если же имеется добавочное сопротивление R, то, очевидно,
отводимый через искровой промежуток ток расходует напря-
жение
е = i
Таким образом узловая точка
устройства обладает, согласно
рис. 76, этим именно напряже-
нием относительно земли после
вступления в действие искро-
вого промежутка. Волна, кото-
рая теперь проникает в линию
дальней передачи и трансфор-
маторную обмотку, обладает уже только напряжением
Е— е —е
Рис. 76.
и получается картина, представленная на рис. 76.
На этот раз возникают волновые токи
li=~zT
. _£-е"
°- z,
и в землю отводится ток
Если подставить вместо еа величину R-ia, то в результате
получается
.__________Е
“ р । Zj.Zj *
23О	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При этом блуждающая волна обладает напряжением
Е
Из обоих только что полученных уравнений нетрудно сде-
лать тот вывод; что волну напряжения, возникающую при
вступлении в действие искрового разрядника, можно в любой
степени уменьшить. Чем больше добавочное сопротивление,
тем менее опасна волна. Сопротивление уменьшает также силу
отводимого в землю тока.
Но в этом-то и заключается опасность слишком больших
добавочных сопротивлений. Накопившийся раньше в установке
заряд должен быть отведен в землю. Покуда искра разряда
держится, покуда она все выше поднимается между рогами,
разряд может совершаться. Но чем меньше отводимый в землю
ток, тем меньше становятся отводимые в землю количества
электричества.
Решение проблемы должно примирить обе потребности:
подавление волны и разряд установки. Оно дается тем лучше
и тем легче, чем лучше снабжена разрядниками линия дальней
передачи за пределами трансформаторной подстанции. Если
можно ручаться, что и в других местах вблизи трансформа-
тора заряды способны стекать в землю, то на трансформатор-
ной подстанции можно применить большое добавочное сопро-
тивление.
В крайнем случае можно допустить, чтобы волна разряда
сохраняла половину напряжения искрового промежутка. Тогда
она приблизительно соответствует кривой рабочего напряже-
ния. Добавочное сопротивление надо для этого уравнять с так
называемым сопротивлением разветвления
Z\ . Z,
Z, + Z2 •
Приведем пример, чтобы пояснить детали этой проблемы»
Пример. Трансформатор, у которого обмотка высокого
напряжения обладает волновым сопротивлением 3000 омов,
был приключен к линии дальней передачи с волновым сопро-
тивлением 500 омов. Рабочее напряжение составляет 20000
вольт, искровой промежуток урегулирован на 30000 вольт.
ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК
231
Таким образом:
Е =30000 вольт,
Zi = 500 омов,
Z2 = 3000 омов.
Без добавочного сопротивления при вступлении в действие
искрового промежутка в землю уходил бы ток
i =30000	50° + 3000  70 Д
а	500.3000
и возникла бы разрядная волна напряжением 30000 вольт.
Сопротивление разветвления составляет
500 . 3000
500 + 3000
= 428 омов.
следовательно, добавочное сопротивление должно было бы
составлять
R = 428 омов,
чтобы понизить напряжение разрядной волны до 15000 вольт.
Это значило бы понизить разрядный ток до 35 ампер.
Но если известно, что вблизи трансформаторной подстан-
ции работают еще два хороших искровых разрядника, то раз-
рядный ток каждого разрядника можно сократить до одной
трети. Это позволяет значительно увеличить добавочное сопро-
тивление и стало быть достигнуть того, чтобы напряжение
разрядной волны сильно понизилось.
Итак, всякий инженер-производственник располагает воз-
можностью так наладить подавление поля земли и его пере-
напряжений, чтобы эксплоатация не слишком страдала от
отвода в землю статических зарядов. Таким образом, первая
проблема перенапряжений сводится к вопросу оборудования
установки. Впрочем, выяснив это обстоятельство, мы еще не
решили данной проблемы.
Прежде всего нужно, полноты ради, рассмотреть еще тот
случай, когда трансформатор приключен не к линии дальней
передачи, а к кабелю. Значительно меньшее волновое сопро-
тивление кабельной линии, разумеется, приводит нас к значи-
тельно меньшим добавочным сопротивлениям. Но при кабель-
ных линиях провода вообще не заряжаются полем земли.
Заземлители могут понадобиться по каким-либо иным моти-
2^2	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
вам, но трансформатор в кабельной сети вообще не нуждается
в заземлителях.
У проблемы искрового разрядника есть, однако, еще одна
очень важная, до сих пор не освещенная нами, сторона. Нельзя
ограничиться исследованием работы искрового промежутка,
очень важен еще вопрос, как это явление кончается. Искра
в короткий срок обрывается и сообщение с землею преры-
вается вместе с нею.
Искровой промежуток еще не полностью справился со своею
задачею, когда он в желательной мере понизил напряжение
поля земли: он должен, кроме того, при обрыве искры не
быть источником дальнейших затруднений.
Внезапный перерыв тока, несомненно, вызывает внезапные
изменения в напряженном состоянии установки, потому что
магнитная энергия не может просто исчезнуть.
Только что поставленный вопрос имеет для учения об экс-
плоатации трансформатора многообразное значение. Он касается
не только перерыва тока в искровом промежутке, но и умы-
шленных выключений рабочего тока, которые неизбежны.
59.	Дуга искрового разрядника.
Всякий внезапный перерыв тока совершенно так же опасен,
как внезапная остановка движущейся массы. В одном случае
должна проявиться энергия движения, в другом—магнитная энер-
гия прерванного тока. В одном случае могут произойти раз-
рушения, на которые расходуется работа деформации, в дру-
гом—усиление электрического поля и, при известных условиях,
пробой диэлектрика. Индуктивность аналогична массе, емкость—
упругости.
Блуждающая волна — это электрический ток. Когда она
попадает в такое место, где дальше продвинуться не может,
то волновой ток, очевидно, прерывается. Магнитная энергия
i2L
2
внезапно исчезает, она должна снова обнаружиться в форме
электрической энергии
Е2С
2
ДУГА ИСКРОВОГО РАЗРЯДНИКА
233
Тогда возникает напряжение
Е—1 у с ,
которое суммируется с уже действующим равновеликим волно-
вым напряжением Е. Так получается известная картина отра-
женной волны (рис. 77).
С виду баланс энергии не соблюден. Раньше магнитная
энергия была равна электрической, так что общая энергия
составляла
Е2С ватт-секунд.
Рис. 77.
 I iiJ-iilL,-..-
,_____________НИ
U-------------1----—
Рис. 78.
Позже, при удвоенном напряжении, магнитной энергии не
существует, потому что токи прибывающей волны и возвра-
щающейся волны нейтрализуют друг друга. Но электрическая
энергия составляет теперь
(2£)2. С
——------- ватт-секунд,
разумеется — на единицу длины. При этом длина волны, отра-
женной как раз наполовину, вдвое меньше, чем раньше. Бла-
годаря этому общая энергия остается без изменения (рис. 78).
Что правильно относительно токов блуждающих волн, то
правильно, конечно, и относительно каждого другого тока.
Когда мы внезапно выключаем i ампер, то должны считаться
с тем, что возникнет напряжение
Е — i|/ вольт
и что, следовательно, волна этого напряжения во все стороны
распространится в сети.
234
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Согласно этому расчету, перенапряжения получаются зна-
чительные. У воздушных линий каждому внезапно прерван-
ному амперу соответствуют приблизительно 500 вольт пере-
напряжения, у кабельных линий — гораздо меньше, у обмоток —
гораздо больше. Как мы видим, обрывающаяся дуга искрового
промежутка — это не совсем безопасное явление.
Естественным путем мы прежде всего приходим к тому
выводу, что полезно урегулировать на сколь возможно низкую
величину отводимый через искровой промежуток ток, а для
заземляющего сопротивления выбрать по возможности боль-
шую величину. Кроме того, надо бы ждать от немедленно
возникающего, описанного в предыдущем параграфе, уменьше-
5
Рис. 79.
иия напряжения на искровом промежутке, — того напря-
жения, которое исходит от отводимой в землю блуждаю-
щей волны, — что оно немедленно прервет только что
возникший ток.
В действительности условия складываются
совсем не так. Сила тока дуги не пропорцио-
нальна действующему напряжению.
Зависимость между ними представлена
на рис. 79. По мере усиления тока
потребное напряжение дуги становится
все меньше. Это объясняется нагрева-
нием электродов и ионизацией воздуха,
а также тем, что напряжение самоин-
это всегда бывает при размыкании тока,
ь
дукции стремится, как
поддержать дугу. Словом, искра разряда держится очень стойко.
Чтобы дуга оборвалась, нужно интенсивно подавлять питаю-
щее ее напряжение, что и производит в кратчайший срок волна
разряда, как это легко доказать.
Если в простейшем случае уравнять добавочное сопроти-
вление с сопротивлением разветвления линии
Z. + Z2 ’
то, как доказано было выше, разрядная волна по напряжению
своему вдвое ниже первоначального разряда.
Если теперь допустить, что разрядная волна полностью
отражается, достигая обоих концов линии, и с обеих сторон
ДУГА ИСКРОВОГО РАЗРЯДНИКА
235
возвращается в точку разветвления в один и тот же момент,
то тем самым она израсходовала и вторую половину разряда,
так что тогда напряжение поля земли исчезает совершенно
(рис. 80). Отводимый в землю ток сам собою сходит на нуль.
Весь процесс закончен, дуге вовсе нет надобности обрываться.
Достаточно проверить под этим углом зрения линию даль-
ней передачи. Пусть ее длина составляет I и должна быть
пройдена разрядною волною со скоростью света v, после чего
волна, отразившись, выну-
ждена опять пройти путь I.
Время для пути в ту и дру-
гую сторону составляет
MIIIUIIll
Г 2 I
= секунд.
Оно как раз соответству-
ет колебанию блуждающей
волны, которая должна, ра-
зумеется, в точке разветвле-
ния снова отразиться в обе
стороны, потому что она не
исчезла. Следует отметить,
что и для блуждающих волн
действителен тот же закон
относительно числа собствен-
ных колебаний, какому под-
чинены синусоидальные ко-
ИшшЙеЙшшешои
лебания.
Согласно всему вышесказанному, добавочное сопротивление
• ^2
4“

оказывается необыкновенно целесообразным. Оно сулит пол-
ный отвод заряда земли в необычайно короткий промежуток
времени, по сравнению с которым дуга держится очень долго.
Опасение, что у дуги не будет времени для разряда, совер-
шенно неосновательно.
Тем не менее, у искрового разрядника есть один недоста-
ток. Напряжение поля земли, под воздействием которого про-
236
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
исходит пробои, устраняется легко, как мы это видели. Но
раз дуга возникла, то для ее поддержания достаточно бывает
при известных обстоятельствах нормального рабочего напря-
жения относительно земли, а оно неминуемо пошлет свой ток
вослед за разрядным током, что, конечно, нежелательно. Правда,
напряжение колеблется по синусоиде и поэтому периодически
исчезает. Но в момент роста оно может снова зажечь дугу,
так как искровой промежуток ослаблен.
Роговой разрядник — это далекий от идеала прибор. Тем
не менее, без него едва ли можно обойтись. Чем выше напря-
жение, на которое он урегулирован, тем лучше он служит,
потому что тогда питание дуги нормальным рабочим напря-
жением относительно земли
затруднено. Кроме того, до-
бавочное сопротивление по-
лезно выбрать больше того,
которое соответствует ука-
^lllillllllllllllllllllllllfcK ’а““ому ,ыше
]zri111нимuiiuiuu.	11111111111	скому значению, чтобы оно
II I I , не давало рабочему токуво-
след за дугою пройти через
разрядник.
Рис’ 81 ’	Роговой разрядник являет-
ся достаточною защитою от
медленных статических зарядов в непосредственной близости
от трансформатора, так как он вступает в действие немедленно,
когда поле земли достигло известной силы. Но если сильное
поле земли возникает далеко от трансформатора в линии даль-
ней передачи, то там могут получиться очень высокие напря-
жения относительно земли (рис. 81) и защита от перенапря-
жений на трансформаторной подстанции начнет на них реаги-
ровать тогда лишь, когда под воздействием молнии местное
поле исчезнет и внезапно освободившиеся заряды домчатся до
трансформатора. В этом случае польза от рогового разряд-
ника невелика. Атмосферные опасности не могут быть пред-
отвращаемы на самой трансформаторной подстанции. Линия
дальней передачи должна быть сама оборудована в надле-
жащих промежутках разрядниками. Защита должна быть рас-
ВЫКЛЮЧЕНИЕ ТОКА
237
пределена вдоль всего пути дальней передачи, иначе летние
месяцы всегда будут являться трудным временем для эксплоа-
тации и опасным временем для трансформатора.
60.	Выключение тока.
Выключение тока — это неизбежное эксплоатационное явле-
ние. Но для проблемы перенапряжений большее значение имеет
выключение сверхтока. Трансформатор должен быть оборудован
так, чтобы он не только немедленно освобождался от всякого
недопустимого сверхтока, но и не подвергался новой опасности
при выключении. Было бы опрометчиво трактовать выключение
тока в трансформаторе просто так же, как выключение линей-
ного тока. Электромагнитная сопряженность обмоток высокого
и низкого напряжений усложняет задачу и эти осложнения
непременно должны быть исследованы.
В месте выключения установка, разумеется, распадается
на две части. Если, например, выключение происходит с пер-
вичной стороны, то явления выключения возникают, с одной
стороны, в линии, ведущей к трансформатору, с другой —
в первичной обмотке. Вследствие сопряженности обмоток явле-
ния выключения происходят тогда и во вторичной обмотке,
а значит и в приключенной к ней вторичной сети.
Большее значение имеет выключение с первичной стороны
трансформатора потому, что в частности оно происходит в худ-
шем из возможных случаев — при коротком замыкании на
зажимах. Максимальный ток, будучи внезапно прерван, сулит
и максимальное напряжение выключения. О выключении тока
короткого замыкания заботится защита от сверхтоков. Автомат
вступает в действие по истечении нескольких секунд, плавкий
предохранитель перегорает еще гораздо скорее. Но как раз
с точки зрения защиты от перенапряжений слишком быстрое
выключение отнюдь не желательно. Входящий в состав тока
короткого замыкания постоянный ток должен совершенно
исчезнуть, прежде чем ток короткого замыкания будет прерван.
Поэтому плавкий предохранитель является источником боль-
ших опасностей.
Автомат надежно заботится о том, чтобы в любом случае
выключался только продолжительный ток короткого замыкания.
238	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Из предыдущей главы известно, что добавочный постоянный
ток короткого замыкания исчезает по истечении нескольких
периодов, между тем как выдержка времени у автомата соста-
вляет не меньше одной секунды.
Плавкий предохранитель выдерживает ток короткого замы-
кания лишь на протяжении нескольких тысячных долей секунды.
Он перегорает уже во время первого полупериода короткого
замыкания, когда, несомненно, еще действует постоянный ток.
Отсюда уже ясно, что плавкий предохранитель пригоден при
разрешении проблемы сверхтоков, но весьма затрудняет про-
блему перенапряжений.
На трансформаторных подстанциях безусловно следовало бы
заменить предохранители высокого напряжения автоматами.
Сколько-нибудь большие трансформаторы и без того нормально
снабжаются автоматическими масляными выключателями. Но
малые станции без автоматов все еще не редкость. Их жизне-
способность поддерживается вопросом цены. Но это неуместная
бережливость.
Мы должны теперь исследовать, как происходит выключе-
ние продолжительного тока короткого замыкания. Разумеется,
и здесь особенно важен прежде всего тот случай, когда про-
должительный ток короткого замыкания прерывается как раз
при своем максимальном значении. В этом худшем случае должны
были бы, в сущности, внезапно исчезнуть три магнитных поля:
главное и оба поля рассеяния.
Из исследований § 39 известно, что эти три магнитных
поля при продолжительном коротком замыкании приблизительно
равны между собою. Когда ток короткого замыкания преры-
вается при своем максимальном значении, то исчезнуть должна
была бы максимальная магнитная энергия трех полей.
По счастью, обстоятельства складываются не так уж плохо.
Главное поле и вторичное поле рассеяния даже после выклю-
чения первичной цепи тока остаются все еще сопряженными
с замкнутою, правильнее говоря, с короткозамкнутою вторич-
ною цепью. Оба они будут медленно убывать, стремиться
к их поддержанию будет затухающий вторичный ток короткого
замыкания. Их магнитная энергия поглощается лишь постепенно
сопротивлениями вторичной цепи.
О ГРАНИЦ. ПЕРЕНАПРЯЖ. ПРИ ВЫКЛЮЧ. ТОКА КОРОТК. ЗАМЫК. 239
Но первичное поле рассеяния исчезает все же одновременно
с первичным током. Его магнитная энергия должна превратиться
в электрическую. Следовательно, волновое сопротивление пер-
вичной обмотки определяет собою напряжение выключения,
пропорциональное прерванному току, так что при выключении
первичного тока короткого замыкания могут возникнуть весьма
сильные перенапряжения.
Существует только один способ обратить в нуль напряжение
выключения: для этого ток короткого замыкания должен быть
прерван в тот самый момент, когда он проходит через нуль.
Обыкновенно масляному выключателю приписывается то бес-
ценное свойство, что он выключает ток в этот наиболее благо-
приятный момент. Масляный выключатель имеет много пре-
имуществ перед воздушным и воздушные выключатели для
размыкания токов короткого замыкания вообще не пригодны.
Но не всегда верно то, что масляник ждет того момента, когда
ток пройдет через нуль. Особенно это сомнительно при корот-
ком замыкании. Как известно, ток короткого замыкания
в трансформаторе отстает от напряжения сети почти на 90°.
Он проходит поэтому через нуль, когда напряжение как раз
достигло своего максимального значения. Более чем вероятно,
что в это мгновение цепь не размыкается.
Выключение тока короткого замыкания остается, таким
образом, трудною проблемою перенапряжений. По счастью,
процесс выключения требует как-никак известного времени,
так что значительная часть магнитной энергии успевает исчез-
нуть. Но искра, несомненно, может поддерживаться. Лишь
спустя несколько периодов ток короткого замыкания преры-
вается окончательно.
61.	Ограничение перенапряжений при выключении тока
короткого замыкания.
Удовлетвориться таким положением вещей невозможно. При
выключении тока короткого замыкания приходится ждать
опасных перенапряжений, если не применить особой защиты
от перенапряжений. Мало того, опасно всякое выключение
трансформатора под нагрузкой, если ток прерывается не в момент
прохождения через нуль.
240
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Существуют средства для уменьшения опасности перенапря-
жений в момент выключения. Выключатель с предварительной
ступенью сопротивления, упомянутый в § 51, имеет то пре-
имущество, что после обрыва дуги все еще остается путь
для тока. Добавочное сопротивление обычно гораздо больше,
чем сопротивление обмотки. Постоянная времени затухания
первичного тока становится поэтому очень небольшою, так что
предварительная ступень должна оставаться включенною только
короткое время.
Обозначим омическое сопротивление первичной обмотки
через г (омов), индуктивность ее через L (генри), и пусть
добавочное сопротивление составляет R (омов). Если продол-
жительный ток короткого замыкания прерывается внезапно
при своем максимальном значении, а именно так, что вместо
дуги одно только добавочное сопротивление продолжает под-
держивать соединение с сетью, то внезапно возникает новое,
обусловленное этим сопротивлением, напряжение JR. Оно
стремится уменьшить ток, а ток противится этому своим
напряжением самоиндукции. Для наших целей достаточно точным
является уравнение
из которого следует
—
/=Ле
Таким образом, добавочное сопротивление R мшлвкгыъю
рекомендуется сделать большим, в полном соответствии с по-
требностями включения тока, описанными в § 51. Когда пред-
варительная ступень ослабила ток короткого замыкания, то
уменьшилась и опасность высокого напряжения при выключении.
Кроме того, ток короткого замыкания, покуда предварительная
ступень включена, сам соскальзывает со своего максималь-
ного значения. Но, во всяком случае, предварительная ступень
должна очень скоро выключиться.
Предварительная ступень, хотя и смягчает опасности, но
тоже не устраняет всех затруднений. Избегнуть высоких напря-
жений при выключении можно в том лишь случае, если дать
возможность магнитной энергии первичного поля рассеяния
ОГРАНИЧ. ПЕРЕНАПРЯЖ. ПРИ ВЫКЛЮЧ* ТОКА КОРОТК. ЗАМЫК* 241
тоже превратиться в теплоту. Для этого первичная обмотка
должна была бы перед выключением каким-нибудь образом
замкнуться в самой себе.
Поневоле приходит на ум соединение треугольником, обра-
зующее замкнутый в себе треугольник обмоток. При поверх-
ностном рассмотрении легко предпочесть его соединению
звездою. Но соединение треугольником, к сожалению, пользы
не приносит. По треугольнику обмоток ток по выключении
струиться не может. Каково бы ни было направление этого
тока, в одной из трех фазных обмоток он должен был бы
внезапно направить в другую сторону поле рассеяния. Это
было бы еще хуже, чем исчезновение этого поля.
Единственным исходом остается, стало быть, короткое
замыкание первичной обмотки, разумеется, до того, как транс-
форматор отключен от сети. Это поистине весьма парадоксаль-
ный способ, так как он пытается исцелить одно короткое замы-
кание посредством другого. Но перенапряжение он, несомненно,
предотвращает, прежде всего—в трансформаторной обмотке,
так как дает возможность исчезнуть всем магнитным полям.
Нельзя просто сбросить опасность с трансформатора на
сеть, хотя для сети короткое замыкание трансформатора, разу-
меется, имеет следствием гораздо более слабые токи, чем
непосредственное короткое замыкание перед трансформатором.
Но делу можно помочь. Трансформатор можно замкнуть на-
коротко с первичной стороны, покуда сопротивление предва-
рительной ступени выключателя еще включено, кроме того, можно
еще замкнуть первичную обмотку через сопротивление.
Предварительная ступень быстро выключается. И если
желательно вообще использовать идею короткого замыкания
первичной обмотки, то не остается ничего иного, как встроить
в искусственное короткозамыкающее соединение омические
или индуктивные сопротивления.
Указанная идея, насколько нам известно, нова и поэтому
еще не испытана. Она только указывает на возможность улуч-
шения защиты от перенапряжений. Впрочем, она должна немало
удорожить масляный выключатель.
Инженер-производственник обычно настроен даже против
масляника с предварительною ступенью, потому что такой
242
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
масляник дорог. Он, несомненно, обнаружит еще меньше охоты
платить деньги за добавочное короткозамыкающее устройство,
тем более, что не питает доверия ни к каким устройствам
защиты от перенапряжений, так как все они не предотвращают
постоянных пробоев трансформаторов.
Тем не менее, дешевле предохранить надлежащим образом
трансформатор от перенапряжения, чем постоянно ремонти-
ровать его после пробоев. Не только повреждения стоят денег;
гораздо неприятнее перерывы в эксплоатации. Полный резерв
на каждой трансформаторной подстанции обходится очень
дорого, во всяком случае, дороже правильного устройства для
защиты от перенапряжений.
Решив вопрос о выключении тока короткого замыкания, мы
тем самым вполне исчерпали проблему выключения. Чем слабее
подлежащий выключению ток, тем менее опасно перенапряже-
ние. Но даже умеренные токи способны при известных обстоя-
тельствах вызывать неприятные перенапряжения, если против
этих последних не принято никаких мер. Масляник с предва-
рительной ступенью сопротивления, с достаточно большим
добавочным сопротивлением, во всяком случае станет с течением
времени необходим.
62.	Перенапряжения при включении. Волна включения.
Включение трансформатора — это эксплоатационный случай,
сопряженный с большими опасностями перенапряжения. Перед
выключением сеть заряжена в соответствии с нормальным
режимом и может как раз в момент включения держать наго-
тове максимальное рабочее напряжение, которое без соответ-
ственного заряда вообще невозможно. Тогда через выключатель
проникает волна включения, достигает трансформатора и посту-
пает в его первичную обмотку.
Если бы даже это явление не влекло за собою дальнейших
осложнений, то волна включения должна была бы представлять
собою большую опасность. Она поступает, ничем не сдержи-
ваемая, с крутым фронтом в первый виток. Между первым
и вторым витком непременно должно возникнуть полное рабочее
напряжение (рис. 82).
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ ВОЛНА ВКЛЮЧЕНИЯ 243
В действительности как раз на зажимах трансформатора
явление принимает еще более неблагоприятный характер.
Волновое сопротивление обмотки значительно превышает вол-
новое сопротивление питающей линии. Волновой ток в этой
последней, определяемый волнозым напряжением Е и волновым
сопротивлением Z\ и равный
• _ Е.
11 ~ Z,
не может полностью проникнуть в первичную обмотку, обла-
дающую волновым сопротивлением Z2. Она ведь пропускает
только
Е
*2	7
z2
Рис. 83.
Происходит застой, часть волны у зажимов трансформатора
поворачивает обратно, одновременно напряжение на зажимах
(рис. 83) повышается на Л£ вольт.
В обмотку проникает, следовательно, волна с напряжением
Е-|~АЕ. Она определяет собою волновой ток
ЕН-ДЕ
Из узловой точки, кроме того, выходит отраженный волновой
ток
ДЕ
zt ’
Оба эти тока вместе должны быть равны прибывающему
волновому току
Е
Л ’
i6*
244
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
так что получается уравнение
£ _ ДЕ . Е+ДЕ
Zi —	' Z2 ’
по которому легко вычислить повышение напряжения, равное
Напряжение легко может почти удвоиться. Если, например,
Z\ = 500 омов,
Z2 = 3000 омов,
то
Д£ = 0,7£.
Однако, проблему включения надо еще углубить. Самым
существенным в этой проблеме является не возникновение токо-
проводящего соединения между трансформатором и сетью,
а проникновение волн из сети в обмотку. Трансформатор может
быть уже включен и все-таки перетерпевать удары волн, при-
бывающих из сети. В сущности, каждый эксплоатационный
случай в сети вызывает возникновение волны, которая достигает
зажимов трансформатора и действует так же, как волна вклю-
чения.
Сущность проблемы пояснена на рис. 84. Высота прибы-
вающей волны имеет, конечно, значение. Еще большее значение
имеет форма фронта волны. Чем он круче, тем волна опаснее.
Если позаботиться о том, чтобы при нормальном режиме
слишком высокие напряжения не возникали, то остается еще
забота о фронте волны. Волновое напряжение должно возра-
стать плавно, так чтобы получилась картина рис. 85. Только
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ. ВОЛНА ВКЛЮЧЕНИЯ 245
тогда невозможны чрезмерные напряжения между первыми
витками.
Только теперь мы получаем возможность охватить мысленно
всю проблему перенапряжения. В сети, вблизи которой нет
никаких посторонних проводников, и прежде всего земли,
может в эксплоатации действовать только нормальное рабочее
напряжение, в трехфазной сети, например, — нормальное сопря-
женное напряжение, если она правильно защищена от перена-
пряжений при выключении. Процессы включения теоретически
повышают напряжение на зажимах трансформатора до двойной
высоты, практически — несколько меньше. На это повышенное
напряжение должна быть расчитана обмотка трансформатора,
так что при нем не должно происходить пробоя между отдель-
ными фазами.
Поле земли создает статические заряды и тем самым на-
пряжения относительно земли. Эти добавочные напряжения, как
мы видели, можно ограничить, но нельзя совершенно устранить.
Между двумя фазами эти добавочные напряжения нормально
не проявляются. Только при заземлении одной фазы возникает
между нею и другою фазою, а также между обмоткою и
землею сопряженное напряжение, возросшее на величину доба-
вочного напряжения земного поля.
Железный сердечник трансформатора — это земля, потому
что он обычно заземлен. Но и обмотка низкого напряжения
трансформатора практически имеет потенциал земли. Поэтому
обмотка одной фазы высокого напряжения должна выдержи-
вать сопряженное рабочее напряжение, повышенное несколько
меньше, чем на 1ОО°/о, плюс допущенное добавочное напряже-
ние относительно земли,—выдерживать его как относительно
железного сердечника и обмотки низкого напряжения, так
и относительно другой фазы высокого напряжения. Этим объ-
ясняется предписанная правилами испытания величина
1,75 Е +15000 вольт.
Одна часть проблемы перенапряжений разрешается этим
правилом, которое возлагает на конструктора дальнейшее по-
печение о высоте напояжения Конструктор непременно должен
самостоятельно разрешить эту первую часть проблемы, касаю-
246
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
щуюся только высоты возникающей при включении волны.
Он и не протестует против этого. Он понимает, что это не-
обходимо.
Но вторая часть проблемы перенапряжений, касающаяся
формы волн, и рассматривающая фронт волны отнюдь не как
некоторую данность, подлежит ведению не одного только кон-
структора трансформатора. Да это и вообще не его проблема,
это проблема эксплоатации, мало того, в настоящее время это
и есть подлинная проблема перенапряжений в трансформаторе.
В отношении испытания на „прыгающую" волну, согласно
новейшим правилам испытания И. D. Е., конструктор транс-
форматора беспомощен. Он обязан сказать инженеру-произ-
водственнику, что бессмысленно требовать от трансформатора
способности выдерживать волны включения с крутым
фронтом. Обмотка смягчает крутизну фронта, это несомненно.
Чем глубже волна проникает в обмотку, тем более пологим
становится фронт волны. Но обмотка способна изменить форму
только у волны уже проникшей в нее, набегающая же волна
со своим крутым фронтом—не в ее власти. Между началь-
ными витками должны возникать недопустимые напряже-
ния, если крутизна фронта не смягчается перед трансфор-
матором.
В очень крупных трансформаторах можно, если уж это
необходимо, изолировать друг от друга начальные витки для
полного и даже для двойного рабочего напряжения. При сред-
них и малых мощностях—это немыслимо. В самом деле, при
испытании на прыгающую волну обмотка будет тогда „про-
колота", прежде еще чем она начнет работать. Несколькими
проколами больше или меньше—не все ли равно! Примирившись
со своею участью, конструктор остается хладнокровным на-
блюдателем присходящего.
Известно, что волны включения очень часто успевают
проколоть изоляцию между отдельными витками, прежде чем
произойдет короткое соединение между ними. Начальные ка-
тушки обычно усеяны такими проколами. Но в конце-концов
все же обнаруживается такое расширение прокола, что рабочее
напряжение, вполне располагая для этого временем, может
проникнуть через образовавшийся канал.
СМЯГЧЕНИЕ КРУТИЗНЫ У ФРОНТА ВОЛНЫ
247
Если, таким образом, не подлежит сомнению, что крутой фронт
у волны включения теоретически и практически недопустим,
если постоянно повторяющиеся пробои между начальными
витками должны быть предотвращены, то для этого нет иного
пути, как устроить защиту трансформатора от перенапряжений
таким образом, чтобы фронт каждой прибывающей из сети
волны был основательно сглажен, прежде чем она достигнет
зажимов трансформатора.
Это, впрочем, еще не освобождает конструктора от обязан-
ности усилить по возможности изоляцию витков. Если можно
рассчитывать на то, что сама обмотка все больше уменьшает
крутизну волны, чем дальше эта
изоляция между витками дол-
жна усиливаться по мере их
приближения к зажимам. Прак-
тически это приводит к требо-
ванию усиления изоляции у на-
чальных катушек. Степень уси-
ления обычно определяется ве-
личиною трансформатора,
меньше
труднее
роятнее
смягчать
волна в нее проникает, то
Рис. 86.
Чем
трансформатор, тем
конструктивная проблема изоляции витков, тем ве-
короткое замыкание витков. Поэтому всего важнее
крутизну волн при помощи особых устройств, когда
эти волны грозят малым трансформаторам.
63. Смягчение крутизны у фронта волны. Защитная дрос-
сельная катушка.
Превосходным средством для смягчения крутизны волн
является дроссельная катушка, включенная между трансфор-
матором и питающими его проводами. Ее можно рассматри-
вать, как сосредоточенную самоиндукцию. Ее действие легко
уяснить себе на основании рис. 86.
Пусть из сети с волновым сопротивлением Zx прибывает
волна с напряжением Е и наталкивается на сосредоточенную
самоиндукцию Ld (генри). Так как волновое сопротивление, не-
сомненно, изменится, то неминуемо возникнет повышение на-
248
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
пряжения на ДЕ, волна отчасти будет отражена. Но волновой
ток /2» поступающий в дроссельную катушку, создает напряже-
ние самоиндукции
Т
— Ld dt
он проникает в трансформаторную обмотку через узловую
точку, где индуктивность сосредоточена. Напряжение волны
на зажимах трансформатора Ег, сообща с напряжением само-
индукции, уравновешивает напряжение перед дроссельной
катушкою. Таким образом
£+А£=£. 4г + г
1	“ dt ’ ^"2 •
Из сети прибывает волновой ток
Е
отражается ток
ЬЕ
в обмотку поступает волновой ток
/ — _£з_
12 - Z2 ’
так что
£—Д£ —£,
z2 •
С другой стороны:
Ej dEi
Е+^Е=Ъ+-Ы-
таким образом получается уравнение
</£*2 I Z\ + Z2 р q Z2 p n
~dT н lT2
a	a
Для волны включения с крутым фронтом при
/ = 0 Е = 0,
но тогда
Е — const.
СМЯГЧЕНИЕ КРУТИЗНЫ У ФРОНТА ВОЛНЫ
249
Решение дифференциального уравнения в этом случае гла-
сит просто:
l-e L*
r> 2 Z, Г>
- Z.+Z2 E
Напряжение E2 на зажимах трансформатора изменяется
во времени, начиная от нуля и возрастая по показательной
функции до конечного значения
а 2г Е,
Z1 + ^2
т. е. во всяком случае не до двойного напряжения волны
включения. Постоянная времени роста напряжения
L,
Т= d
Zt + Z2
может быть по усмотрению изменена путем надлежащего под-
бора индуктивности Ld дроссельной катушки.
Разумеется, изменению напряжения во времени при проник-
новении в обмотку Е вполне соответствует местное изменение
напряжения волны. Поэтому фронт волны действительно смяг-
чается и форму изменившегося фронта
Волна движется со скоростью v
(см!сек\
(секунд)
метров,
фронта
рис. 87, устанавливающая зависи-
мость напряжения волны от расстоя-
ния до ее конца, такова же, как
форма изменения напряжения во
времени на зажимах обмотки (рис. 86).
»пространственной постоянной
R —T.v = V'L'
Она проходит во время t
путь, равный v . t санти-
Пространственная форма
волны, представленная на
нетрудно вычислить.
Рис. 87.
Так возникает понятие
сглаженного фронта волны:
сантиметров.
Пространственная постоянная указывает нам расстояние, из-
меряемое вдоль обмоточного провода, на котором напряжение
фронта волны повысилось бы от нуля до конечного значения
* Г	(30)
Е,
250
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
если бы возрастание его сохраняло свой первоначальный
прямолинейный характер. Этою постоянною можно воспользо-
ваться для определения напряжения между двумя точками об-
моточного провода, разобщенными единицею длины, т. е. одним
сантиметром. Это падение напряжения составляет, очевидно,
2	7~*	/
--7— Е ВОЛЬТ СМ.
V . Ld	1
Между двумя соседними витками обмотки, длина которых
U сантиметров, возникает, согласно всему вышесказанному,
при проникновении волны со смягченным фронтом напряже-
ние, равное	7	гг
А	2^0	С/ ТТ
Де — ------у--Е вольт.
w — v.Ld
Таково уравнение, которым определяется необходимая ин-
дуктивность дроссельной катушки.
64. Расчет дроссельной катушки.
Правильный расчет защитной дроссельной катушки для
трансформатора является столь важною задачею учения об
эксплоатации, что нам уже нельзя теперь, после того, как
уравнение (30) установлено, откладывать определение волно-
вого сопротивления обмотки трансформатора.
Надо тут же сказать, что точное его определение едва ли
возможно. Приходится удовольствоваться весьма приблизи-
тельными значениями. Но вся теория перенапряжений неточна
и не имело бы смысла как раз в этом вопросе требовать
большего.
Волновое сопротивление определяется, как известно, ин-
дуктивностью и емкостью той пары проводов, для которых
оно должно быть рассчитано. Два параллельных, свободно на-
тянутых провода — это случай простой, но когда оба провода
свиты в виде двух фазных обмоток трансформатора, то расчет
становится затруднительным.
При простых устройствах можно ограничиться коротким
участком пары проводов, лучше всего—единицею длины. При
расчете волнового сопротивления трансформаторной обмотки
проще всего определить индуктивность и емкость одной целой
пары фазных обмоток. После этого всегда легко указать также
РАСЧЕТ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
251
волновое сопротивление, приходящееся на единицу длины обмо-
точных проводов.
По сравнению с воздушной линией трансформатор пред-
ставляет собою много трудностей. Как магнитная проницае-
мость, так и диэлектрическая постоянная принимают другие
значения. Изменение первой величины обусловлено присут-
ствием железа, изменение второй—применением масла, бумаги
и других изолирующих веществ. Наконец, большое значение
имеет еще то обстоятельство, что, начиная от зажимов транс-
форматора и до нулевой точки обмотки, где оба фазных провод-
ника встречаются, напряжение между этими последними пони-
жается от полного значения до нуля. Единственный исход —
это положить в основу расчета среднее значение напряжения.
Наконец, нельзя забывать, что блуждающие волны пробе-
гают по проводам с колоссальною скоростью, так что при
относительно небольших длинах проводников получается чрез-
вычайно быстрое чередование направления волны, иными
словами, очень высокая частота волнового тока. Если, на-
пример, длина воздушной линии составляет 300 км, то волна
пробегает по ней в одну тысячную секунды и, будучи отражена,
появляется в исходной точке по истечении двух тысячных
секунды, имея опять прежнее направление движения. Это со-
ответствует 500 периодам в секунду. При таких высоких
частотах железный сердечник обладает довольно слабою маг-
нитною проницаемостью.
Как мы еще увидим, при колебаниях трансформаторной
обмотки получаются еще гораздо большие числа периодов.
Тогда можно считать, что железо вообще отсутствует. Инду-
ктивность обмотки придется поэтому определять так, словно
речь идет о дроссельной катушке без железного сердечника.
Если, далее, приступить к расчету емкости обмоточных про-
водов, то проще всего допустить, что на каждом из обоих об-
моточных фазных проводов помещен заряд Q, разумеется, на
одном проводе положительный Q, на другом—отрицатель-
ный — Q, при чем на зажимах действует сопряженное напряже-
ние. Если это напряжение равномерно убывает по направлению
к нулевой точке, то в среднем между обоими обмоточными
проводами действует напряжение ——
252
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При волновых явлениях, обусловленных коммутационными
процессами, этому случаю соответствует зафиксированный на
рис. 88 момент, когда третья фаза как раз лишается напряже-
ния. Напряжение обоих обмоточных проводов относительно
земли и относительно провода третьей фазы равно тогда на
зажимах —, а в среднем —.
2	4
Заряд -|- Q с противополож-
ным ему зарядом — Q не в пол-
ной мере связан непосредствен-
ною емкостью, действующею
между обеими фазными обмот-
ками. Частичный заряд обуслов-
лен землею, т. е. железным сер-
Третья фаза
Земля
Рис. 89.
Рис. 88.
дечником. Второй частичный заряд обусловлен третьей фаз-
ною обмоткой, которая в рассматриваемый момент тоже, в сущ-
ности, представляет собою землю. Распределение зарядов пока-
зано на рис. 89.
Если при таких условиях непосредственная емкость между
двумя фазными обмотками составляет С\ фарад, емкость отно-
сительно земли одной фазной обмотки Со фарад, то, очевидно,
получается следующий расчет. Непосредственно между двумя
фазными обмотками действует частичный заряд
РАСЧЕТ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
*53
потому что считаться надо со средним значением напряжения
Е о
—. Землею обусловлен частичный заряд
третьею, лишенною напряжения фазною обмоткой,—частичный
заряд
4 е-
Так получается для всего заряда Q уравнение
Q= A [3C1 + CJ
и, следовательно, общая емкость между двумя фазными обмот-
ками, отнесенная к среднему напряжению между обоими об-
моточными фазными проводами, со*
ставляет
Г- ЗС1 + СО
Частичные емкости можно при-
близительно определить без труда для
концентрически размещенных обмо-
ток, которые, главным образом, и
применяются. Внутренняя обмотка,
обмотка низкого напряжения, — это
все равно что земля. Емкость одной
фазной обмотки относительно земли
можно поэтому рассчитать, как ем-
кость двух концентрических цилиндров с внутренним ди-
аметром обмотки высокого напряжения и с наружным ди-
аметром обмотки низкого напряжения, т. е. с таким расстоя-
нием между ними, которое действительно соответствует про-
межутку между обмотками (рис. 90). По этому способу полу-
чается несколько преувеличенное значение.
Если обозначить через:
U—среднюю длину витка трансформатора (слс),
ls — осевую длину обмотки (ел),
е — диэлектрическую постоянную изолирующего вещества
в промежутке между обмотками,
254
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
8 — ширину промежутка между обмотками (см), то можно
просто допустить
е .U.l5
Со= 4л.8.9.10” ФаРаД-
Несколько труднее определить непосредственную емкость
между двумя фазными обмотками. При общеупотребительной
форме трехфазного сердеч-
Рис. 9т.
никает расположение рис. 91.
заслонена.
ника не каждая из трех фаз-
ных обмоток находится в оди-
наковом положении относи-
тельно остальных двух. Вме-
сто предположенного раньше
расположения рис. 89 воз-
Третья фазная обмотка всегда
К тому же довольно трудно надежным образом определить
емкость двух рядом расположенных цилиндров фазных обмоток
потому, что расстояние между
наружного диаметра обмо-
ток. Очевидно, надо принять
в соображение то обстоятель-
ство, что электрические оси
уже не совпадают с геометри-
ческими осями цилиндров.
Если геометрическое рас-
стояние между осями колонн
в £ раз больше наружного ди-
аметра обмоток Z), то обе
осями только немного больше
электрические оси находятся уже только на расстоянии	1
(рис. 92) и получается
С1==

4.9.10,,.Zn
/Ё^+(ё-1)
- (б-1)
При обычных формах конструкции Е во всяком случае на-
ходятся в пределах между 1,05 и 1,2. Тогда
1<4 In

<2,5.
/62=7-(S-I)
РАСЧЕТ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
255
Поэтому, если просто положить
Г _ е •1' А
''1 — 9.1011 ФаРаД>
то получается слишком большое приблизительное значение,
так что, в виду электрической заслоненности третьего ци-
линдра обмотки, немного преувеличено также значение
С = —Ат
9. io11
U '
1 + 8*5 фарад,
(31)
не говоря уже о том, что мы пренебрегли промежутками между
отдельными катушками обмоток, считая их несуществующими.
Уравнение (31) для определения общей емкости двух фаз-
ных обмоток показывает прежде всего, что обычное цилиндри-
ческое расположение обмоток дает заметный перевес частич-
ной емкости относительно земли. Средняя длина витка U транс-
форматора всегда, конечно, больше умноженного на 8* рас-
стояния между обеими концентрическими обмотками одной
колонны.
Далее обращает на себя внимание то, что наименьший
промежуток между цилиндрами обмоток двух соседних колонн,—
который ведь должен соответствовать напряжению совершенно
так же, как расстояние между обмоткою высокого и обмоткою
низкого напряжения,—оказывает значительно меньшее влияние,
чем это расстояние. Следовательно, по мере роста напряжения
частичная емкость относительно земли утрачивает свое влияние.
Необходимо, наконец, указать на то, что класть в основу
расчета общую емкость, определившуюся согласно уравнению
(31), можно тогда лишь, когда речь идет о волнах, обусловлен-
ных коммутационными процессами в установке. Блуждающие
волны, возникающие под воздействием поля земли, соединяют
все три фазных проводника в один общий проводник, который
вызывает со стороны земли противоположный ему по знаку
заряд. В этом случае считаться нужно только с емкостью
относительно земли, а именно, так как речь идет о трех про-
водниках, с утроенной величиною вычисленной выше емкости.
Так получается для общей емкости и второе выражение
С = -Ai-------(32)
9. io11 1,33кб
256
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Оно приводит к значительно более высоким значениям,
чем уравнение (31).
Для расчета индуктивности дроссельной катушки без
железа,—а именно такою катушкою можно считать обмотку при
высокочастотных явлениях, — Корндерфер (М. Korndorfer)
дает очень простую формулу, которою мы здесь восполь-
зуемся; она гласит (см. „Е. 7. Z.“ 1917, стр. 521).
L — 10,5. w2. Dm	цт . 10""9 генри, (33)
где
w — число витков обмотки,
Dm — средний диаметр витка обмотки (сл<),
Us — периметр сечения обмотки (см).
Величина Us при цилиндрическом размещении обмоток
почти равна двойной длине колонн. Но величина Dm
во всяком случае значительно меньше двойного диаметра сече-
ния колонны. При обычном соотношении между длиною и ди-
аметром необмотанной колонны, находящимся в пределах от
3 до 4, можно будет с достаточною точностью считать
Средний диаметр снаружи расположенной обмотки высокого
напряжения гораздо больше, вдобавок, чем средний диаметр
общей обмотки, который определяет собою среднюю длину
витка трансформатора U. Так получается для индуктивности
фазной обмотки выражение
L = 2,5.w2.U. 10“9 генри.
Для волнового сопротивления имеет, конечно, значение ин*
дуктивность двух фазных обмоток, когда речь идет о волне
включения. Блуждающая же волна земного поля должна пре*
одолевать индуктивность всех трех фазных обмоток. Кроме
того, нужно принять еще в расчет индуктивность пути, про*
ходимого током в земле.
ИНДУКТИВНОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
257
Если иметь в виду, что для емкости определены были пре-
увеличенные значения, то надо придти к выводу, что уравне-
ние (31) уместно заменить уравнением
и
С ~ Tio1' втГб- ФаРаД
и считать волновое сопротивление,—так как теперь
L = 5. w2. U. 10—9 генри,—	(34)
равным
Z2=|/^ = 336 W i/ZE.	(35)
VC	V г!г
У масляного трансформатора играют роль диэлектрические
постоянные масла и бумаги. Для радикала получается тогда
величина порядка 10 ”2, так что приблизительно
Z2 = ot 30 w до 40 w.	(36)
Волновое сопротивление для атмосферных блуждающих волн
несколько меньше. Но во всяком случае из нашего вычисле-
ния получаются значительно большие волновые сопротивле-
ния, чем это можно предполагать по обычным приблизитель-
ным суждениям.
Кроме того, чрезвычайно важно то установленное нами
обстоятельство, что волновое сопротивление обмотки главным
образом зависит от числа витков. При данной мощности оно,
очевидно, пропорционально номинальному напряжению. При дан-
ном напряжении оно убывает заодно с нормальным напряжением
витка, а относительно этого последнего напряжения можно
допустить, что оно в пределах определенной серии типов воз-
растает пропорционально корню квадратному из мощности.
65.	Индуктивность дроссельной катушки в зависимости от
мощности и от напряжения.
Теперь мы можем приблизительно определить, какова должна
быть индуктивность защитной дроссельной катушки. Определив
волновое сопротивление обмотки трансформатора, мы можем
воспользоваться уравнением (30), нужно только придать ему над-
лежащую форму
2$8	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Если просто положить) для вящшей надежности,
Z2 = 40 w9
то на основании уравнения (30) искомая индуктивность оказы-
вается равной:
L80 . w U г,
d=	Е генри.
Здесь означают:
w — число витков подлежащей защите фазной обмотки,
U — средняя длина витка защищенного трансформатора (сл<),
Е — напряжение набегающей, еще не отраженной волны (вольт),
v — скорость распространения волны (см/сек),
Aew — допустимое напряжение между двумя соседними витками.
Задача дроссельной катушки — смягчить крутизну фронта
волны. Что произойдет после этого с волною в обмотке транс-
форматора — это самостоятельная проблема. Учение об экс-
плоатации должно стремиться к разумному примирению требо-
ваний конструктора, обязанного избегать излишнего удороже-
ния конструкции, с пожеланиями инженера-производственника,
который тоже неохотно допускает дорогие дроссельные катушки
и, кроме того, не хочет, чтобы вызываемое дроссельной
катушкою добавочное падение напряжения достигало заметной
величины.
Обмотка трансформатора, в свою очередь, еще больше
смягчает крутизну волны. Следовательно, в первую очередь
речь идет о прочности начальных витков. На особой, значи-
тельно усиленной, изоляции начальных витков, которые выгодно
объединять в особые начальные катушки, заказчик может и
должен настаивать, конструктор же не вправе от этого требо-
вания уклоняться. Трансформаторы без надлежащей изоляции
начальных катушек, — составляющих только небольшую долю
всей обмотки, — неприемлемы.
Есть возможность, не насилуя конструкции, изолировать
начальные витки таким образом, чтобы они выдерживали при-
близительно 100-кратное нормальное напряжение. Например,
крупный трансформатор для мощности 15000 kVA строится
так, что нормальное напряжение витка составляет около 50 вольт.
ИНДУКТИВНОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
259
Начальные витки тогда можно изолировать относительно легко
для 5000 вольт. У 100 k VA - трансформатора напряжение
витка при нормальном режиме равно около 4 вольт. Его можно
построить без труда так, чтобы допустимо было напряжение
в 400 вольт от витка к витку.
Есть, разумеется, существенное различие между начальными
катушками крупного трансформатора и 100 k VA - трансфор-
матора. В первом все катушки расположены в один ряд (рис. 93),
так что каждому витку угрожает только следующий за ним
или непосредственно предыдущий. В не очень больших транс-
Рис. 93.	Рис. 94.
Рис. 95.
форматорах катушки состоят из нескольких рядов. В одном
слое расположено несколько витков, и между двумя соседними
витками, как это видно из рис. 94, действует увеличенное
в несколько раз напряжение витка. Поэтому у небольших
трансформаторов нужно усиленно изолировать не только витки,
но и каждый слой начальных катушек (рис. 95).
Тем не менее, придется рассчитать защитные дроссельные
катушки, исходя из 100-кратного напряжения нормального витка
100 ew (вольт). Для напряжения набегающей волны Е надо
тогда, осторожности ради, принять приблизительно 2,5-кратное
фазное напряжение нормального режима:
Е ~ 2,5 w . е .
’	W
2бо
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Тогда получается, если положить в основу расчета ско-
рость света:
v = 3 . 10 см I сек,
упрощенное уравнение:
Ld = °>2 (iZo)2- (у) миллигенри.	(37)
Мы умышленно придали уравнению эту особую форму.
Очевидно, последний множитель несколько больше среднего
диаметра витка у трансформатора и, значит, его можно с до-
статочною точностью считать равным среднему диаметру
снаружи находящейся при цилиндрическом расположении
обмотки высокого напряжения. Это выражение весьма сходно
с приведенной в предыдущем параграфе формулой для расчета
индуктивности дроссельной катушки без железа. В самом деле,
уравнение (33) переходит при
в уравнение
£* = 10,5 .	Dm миллигенри.	(33-а)
Защитные дроссельные катушки действительно строятся
в большинстве случаев так, что окружность сечения через
обмотку равна среднему диаметру. Поэтому уравнение (37) и
(33а) дают довольно ясное представление о стоимости защит-
ной дроссельной катушки. На ее обмотку требуется затратить,
очевидно, только 2% от материала, затраченного на защищен-
ную обмотку высокого напряжения. Таким образом, первоначаль-
ные затраты на нее составляют лишь небольшую долю от
первоначальных затрат на трансформатор. Против такого реше-
ния не станет возражать, конечно, и инженер-производственник.
Руководясь уравнением (37), можно также составить себе
довольно близкое к действительности представление о необ-
ходимых размерах защитной дроссельной катушки. При опре-
деленной мощности защитная индуктивность растет пропорцио-
нально квадрату напряжения. Правда, когда напряжение повы-
шается, то уже нельзя, при той же мощности, обойтись тем же
железным сердечником. Но усиленный железный сердечник
сулит не только меньшее число витков, но и большую сред-
ИНДУКТИВНОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
261
нюю длину витка. Так возникает компенсация и поэтому вполне
допустимо вести расчет на первоначальной основе.
При определенном напряжении необходимая защитная
индуктивность растет пропорционально средней длине витка,
следовательно, в пределах известной серии типов,—пропорцио-
нально четвертой степени мощности. С другой стороны, она
убывает пропорционально квадрату нормального напряжения
витка, то-есть пропорционально мощности. Отсюда — следую-
щие два закона для расчета индуктивности:
При определенной мощности требующаяся
защитная индуктивность пропорциональна ква-
драту напряжения.
При определенном напряжении требующаяся
защитная индуктивность убывает пропорцио-
нально 3/4-ной степени мощности.
Теперь еще нужно только определить для какого-нибудь част-
ного случая необходимую индуктивность защитной дроссель-
ной катушки. У масляного трансформатора для 100 kVA и
10000 V напряжение витка при нормальном режиме равно при-
близительно 4 вольтам. Каждая его обмоточная фаза должна
тогда иметь
IOOOO АЛЛГ\
хГ- = 1440 витков.
^3-4
Среднюю длину витка можно принять равною приблизи-
тельно 70 см.
Согласно уравнению (37) требуется защитная самоиндукция
£* = 0,2 . 1,442 . у = 10 миллигенри.
Таким же образом для защитных
ются при различных мощностях и
индуктивностей получа-
напряжениях следующие
величины в миллигенри:							
Вольт	10	25	50	100	200	500	1000* ИД
3000	5,1	2,5	1,5	0,9	0,53	0,27	0,16
6000	20,3	10	6	3,6	2,1	1,1	0,64
10000	56,5	28,3	16,8	10	6,0	3,0	1.8
20000	226	112	67	40	23,8	12	7,2
35000	705	353	210	125	74,5	37	22,1
2б2
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Если сопоставить эти числа, основанные на требованиях,
несомненно, не преувеличенных, с числами современной прак-
тики, то прежде всего оказывается, что в подавляющем
большинстве случаев трансформаторам приходится работать как
бы без защиты. Защитные дроссельные катушки из каких-
нибудь 20 витков еще и теперь украшают собою немало
трансформаторных подстанций.. Это символы защиты — и
только.
Правда, за последние годы замечается стремление к уста-
новке правильно рассчитанных катушек. Они в значительной
мере улучшили защиту трансформаторов. Автор этой книги
на опыте убедился в их высокой полезности. Тем не менее,
нужно сказать, что в этой области все еще сделано мало.
Защитные дроссельные катушки все еще слишком слабы.
Снабжение каждого трансформатора правильно рассчитанным
защитным устройством соответствует интересам как конструк-
ции, так и эксплоатации.
66.	Проверка расчета необходимой защитной индуктивности.
Против приведенного в предыдущем параграфе расчета
индуктивности возможны возражения. Не о неточностях мы
говорим, которые были отчасти неизбежны, а отчасти уместны
в видах упрощения проблемы, а о веских соображениях, не-
вольно возникающих против этого расчета, хотя он соответ-
ствует обычным представлениям.
Их надо обсудить. Всегда бывает полезно по всякому
поводу проверять предпосылки, укоренившиеся в силу привычки.
Особенно полезна проверка в данном случае, потому что она
позволяет нам составить себе представление о характере про-
никновения блуждающей волны в обмотку.
Индуктивность защитной дроссельной катушки зависит,
согласно уравнению (30), от скорости распространения v блу-
ждающей волны. В предыдущем параграфе v было просто
заменено скоростью света. Более чем вероятно, что в обмотке
скорость волны меньше, чем скорость света, и поэтому, не-
сомненно, есть опасность, что для защитной индуктивности наш
расчет дает слишком низкое значение.
ПРОВЕРКА РАСЧЕТА НЕОБХОДИМОЙ ЗАЩИТНОЙ ИНДУКТИВН.	2 63
Скорость волны в обмотке трансформатора можно вычислить»
правда, только с такою точностью, с какою мы до сих пор
вели расчет, но эта точность достаточная, и она должна быть
достаточною. Скорость волны всегда обратно пропорциональна
квадратному корню из произведения индуктивности, приходя*
щейся на единицу длины проводника, на емкость. Индуктив-
ность и емкость всей обмотки мы вычислили. На сантиметр
длины проводника приходится, очевидно, в w . U раз меньшая
часть, потому что имеется w витков длиною по U сантиметров.
Так получается скорость волны:
Но
L
Uw
- =3 •
с
Uw
8т: г
т=5
и для масляных трансформаторов
6 = 2,5
так что проще можно написать
v = 3 . 1010
Расстояние 8 между обеими концентрически сидящими на
колонне обмотками невелико по сравнению с осевой дли*
ною ls обмоточного цилиндра. Мы уже положили:
4=40-
По всем этим причинам скорость волны в обмотке траис*
форматора в 4—5 раз меньше скорости света.
Разумеется, выяснение этого обстоятельства сильно коле-
блет предыдущий расчет — вычисленные защитные индуктив-
ности как будто в 4—5 раз преувеличены. Но, по счастью, мы
допустили еще вторую крупную ошибку, предположив, что
обмотка трансформатора просто представляет собою проводник
с определенными, равномерно по его длине распределенными
самоиндукцией и емкостью.
Волновое сопротивление обмоточного проводника не
остается неизменным от зажимов до нулевой точки и, значит,
264
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Общее магнитное
двух соседних вит-
первом приближении
сильнее поля одного
набегающие волны, однажды проникнув в обмотку, не могут
беспрепятственно продолжать свое движение. Начиная от за-
жимов, волновое сопротивление постепенно возрастает, оно до-
стигает полного, вычисленного выше значения тогда лишь,
когда волна достигла конца обмотки. Это легко доказать.
Емкость, приближенно говоря, распределена по обмотке
довольно равномерно. Каждая катушка обмотки имеет прибли-
зительно одну и ту же емкость относительно земли или же
относительно соседней фазной обмотки. С индуктивностью
дело обстоит иначе.
Покуда волна пробегает только еще по первому витку, она
возбуждает магнитное поле, определяемое только волновым
током этого первого витка.
Но когда волновой ток про-
ходит и по второму витку,
магнитодвижущая сила удваи-
вается,
поле
ков в
вдвое <
витка.
В этом первом прибли-
индуктивность, стало
повышается ступен-
согласно рис. 96; бу-
отнесена к единице
длины проводника, она приблизительно пропорциональна числу
витков, считая от зажимов.
Судя по этому первому, очень грубому, расчету, проблема
защитной индуктивности чрезвычайно облегчена. Но картину
нужно уточнить в значительной мере. Условия складываются
отнюдь не так благоприятно.
Общее магнитное поле многих витков возбуждается, правда,
многократно, но оно должно все же преодолевать большее
в немалой степени сопротивление. Длина силовых линий увели-
чилась. Она непрерывно увеличивается по мере присоединения
все новых витков. Вместо диаграммы рис. 96 получится, следо-
вательно, новая картина, примерно такая, как на рис* 97.
женин
быть,
чато,
дучи
ПРОВЕРКА РАСЧЕТА НЕОБХОДИМОЙ ЗАЩИТНОЙ ИНДУКТИВН. 265
Но и в этом втором приближении картина еще слишком
благоприятна. Надо учесть еще то обстоятельство, что фронт
волны сделался не столь крут, что волновой ток лишь мало-
по-малу возрастает, что таким образом во втором витке течет
только приблизительно вдвое более слабый ток, чем в первом,
когда волна еще не пробилась дальше. Поэтому индуктивность
растет еще значительно медленнее.
Вообще говоря, индуктивность проводника определяется
магнитным полем, которое вокруг него замыкается, едва лишь
через него проходит ток-еди-
ница, силою в 1 ампер. Здесь
перед нами, тот особый случай,	।—1
когда сила тока убывает вдоль	|
проводника. Между тем, как по	|—
зажимам проходит ток в 1 ампер,	I
в каком-нибудь месте впереди _______1____________________—
ток падает до нуля.
Из этого непосредственно	^ис’ 97
следует, что расчет индуктив-
ности обмотки, приведенный в § 64, правилен тогда лишь,
когда он предполагает волну с отвесным фронтом. Для волны
с прямолинейно ниспадающим фронтом индуктивность вдвое
меньше, потому что в основу расчета положен волновой ток
на зажимах.
Сопоставление первоначальной, приблизительной картины
(рис. 96) с более правильной показывает, что индуктивность
все еще возрастает ступенчато. При этом общая индуктивность
обмотки, слишком высоко оцененная вначале, содержит ценный
запас прочности, доходящий почти до 1ОО°/о и понижаемый
волновым сопротивлением до 41%.
Но этим еще не исчерпывается неустойчивость индуктив-
ности, присущей обмоточному проводу. Когда по мере про-
движения волны индуктивность постепенно возрастает, то и
скорость волны постепенно уменьшается. Опасность, грозящая
как раз первым виткам, определяется наибольшею скоростью.
Из всех этих рассуждений видно, что мы с достаточною
надежностью рассчитали необходимую защитную индуктивность.
Разумеется, нельзя скрывать от себя, что все это лишь очень
266
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
приблизительные расчеты, позволяющие определить разве
что порядок действительной величины и уж во всяком случае
не больше того. Окончательного решения приходится ждать
только от практических данных.
Мы советовали бы держаться величин, приведенных для
защитной индуктивности на стр. 261, и при этом, как указы-
валось выше, требовать от конструктора, чтобы он изолировал
начальные витки приблизительно для стократного нормального
напряжения витка.
Возможны, впрочем, и эксплоатационно-технические воз-
ражения против вычисленных защитных индуктивностей,
правда,—возражения всего лишь общего характера, но именно
поэтому заслуживающие здесь упоминания. Инженер-производ-
ственник, как мы уже заметили, вправе желать, чтобы дрос-
сельная катушка не только была достаточно дешева, но и не
вызывала заметного падения напряжения.
Для 100-ЛК4 трансформатора при 10 000 V сопряженного
напряжения мы нашли целесообразную защитную индуктив-
ность равною 10 миллигенри. Номинальный ток трансформа-
тора равен
юоооо	А
I/	6 А.
у з . ioooo
Он расходует в дроссельной катушке
— 3
6 • 2 • тс 50 . 10 10	=18 вольт,
что соответствует падению напряжения
100 . —• ^=0,3%.
1оооо ’	•
Это едва ли неприемлемая величина с эксплоатационно-
технической точки зрения.
При поддержании напряжения на неизменной высоте не-
обходимая защитная индуктивность убывает пропорционально
3/4-ной степени мощности. Номинальный ток, разумеется, ра-
стет пропорционально мощности. Следовательно, выражен-
ное в процентах падение напряжения в дроссельной катушке
будет возрастать пропорционально корню четвертой степени
из мощности.
ЗАЩИТИ. ДРОССЕЛЬН. КАТУШКА И ЗАЩИТИ. КОНДЕНСАТОР 267
Нормальное, выраженное в процентах омическое падение
напряжения в трансформаторе уменьшается по мере увеличе-
ния мощности. Инженер-производственник отнесется, вероятно,
опасливо к потере напряжения при возрастании мощности.
Он, правда, убедился, что при возрастании мощности защита
посредством дроссельных катушек становится труднее, но не
сможет допустить, чтобы защитное устройство значительно
ухудшило эксплоатацию.
Между тем, омическое падение напряжения не играет ре-
шающей роли. По мере роста мощности напряжение корот-
кого замыкания трансформатора должно повышаться. Иссле-
дуя в главе V надежность в отношении коротких замыканий,
мы неизменно приходили к выводу, что высокое напряжение
короткого замыкания не только желательно, но положительно
необходимо. Естественно возникает мысль воспользоваться для
этого индуктивностью защитной дроссельной катушки и тем
самым повысить надежность трансформатора в отношении
коротких замыканий.
К этому присоединяется еще то обстоятельство, что боль-
шой трансформатор сравнительно более удобен для изоляции
витков, чем малый. Нет, стало быть, необходимости давать
защитной индуктивности убывать только пропорционально
3/4-ной степени мощности, если только изолировать начальные
витки еще лучше, чем для 100-кратного нормального напря-
жения витка. Тем не менее, остается нерешенным вопрос, как
справиться с эксплоатационно-техническими трудностями при-
менения дроссельных катушек при очень крупных мощностях.
С другой стороны, при неизменной мощности требующаяся
защитная индуктивность растет пропорционально квадрату
напряжения. Номинальный ток убывает, разумеется, пропор-
ционально напряжению. Выраженное в процентах падение на-
пряжения в дроссельной катушке остается прежним.
67.	Защитная дроссельная катушка и защитный конден-
сатор.
Отказываться от дроссельной катушки, как от средства
защиты, нет надобности и при очень больших мощностях. Ка-
тушка эта, правда, тем менее удобна, чем больше мощность.
268
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Но тем труднее и трансформатору бороться с опасностями
короткого замыкания, как это мы знаем из главы V. Простое
концентрическое размещение обмотки становится, наконец,
при определенной мощности неосуществимым, оно уступает
место двойному концентрическому размещению. Но это
сразу изменяет величину требующейся защитной индуктив-
ности.
При двойном концентрическом размещении у обмотки высо-
кого напряжения получаются два фронта относительно обмотки
низкого напряжения (рис. 98), емкость
 относительно земли увеличивается вдвое.
		Общая емкость увеличивается почти в том
же отношении. В то же время индуктив-
ность обмотки сохраняет прежнее значе-
ние. Следовательно, волновое сопроти-
вление обмотки уменьшается на 41% и
„---------------заодно с ним — необходимая защитная
индуктивность.
Далее, следует отметить, что расстоя-
ние 3 между обмотками все-таки умень-
шается не в той же мере, как длина ко-
—	— лонны. Оно определяется напряжением,
 если только превзошло ту величину,
которую необходимо соблюсти в видах
Рис. 98.	охлаждения. Это тоже облегчает поло-
жение.
Когда, наконец, при очень крупных мощностях требуется
еще больше подразделить обмотку, когда и обмотка высокого
напряжения распадается на два и больше обмоточных ци-
линдра, то индуктивность обмотки тоже уменьшается, при
двух цилиндрах высокого напряжения—наполовину.
По всем этим мотивам нет оснований заменять дроссель-
ные катушки другими защитными устройствами. Если мы, тем
не менее, рассмотрим еще, как действует защитный конден-
сатор (другого средства для подавления крутого фронта волны
не существует), то нами руководит лишь желание представить
как можно полнее эту исключительно важную проблему пере-
напряжений.
ЗАЩИТИ. ДРОССЕЛЬН. КАТУШКА И ЗАЩИТИ» КОНДЕНСАТОР 269
Как известно, конденсаторами можно так же ослаблять кру-
тизну фронта волны, как и дроссельными катушками. Нужно
только включить конденсатор параллельно к защищаемой об-
мотке, а не в серию с нею, как включена дроссельная ка-
тушка. Так возникает схема рис. 99.
Когда при таких условиях волна с крутым фронтом набе-
гает на узловую точку при напряжении £*, то отчасти она
будет непременно отражена. Непосредственно нельзя опреде-
лить, имеет ли отраженная
Это должно выясниться только	-	~
из расчета. Но можно вести
расчет в предположении, что
напряжение действительно по-
высится на &Е, и быть готовым	Рис* 99 •
к отрицательному значению А£*.
Итак, на зажимах конденсатора действует напряжение
Е -|- Д£. На зажимах обмотки, очевидно, тоже нужно считать
действующим напряжение
£2 = £+Д£.
В конденсатор поступает ток:
в обмотку — ток:
_Е^
l2~ Z2
Из узловой точки, кроме того, возвращается отраженный
волновой ток
между тем, как волна подводит к узловой точке ток
Е
ii амперов.
Очевидно:
Zx — Z1	и Л ’
270
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
так что
.E,+CZ,%-
И так как
£+Д£ = £2,
то получается уравнение
</£2 I 2i+^2 9 ^2 г Л
dt ' Z,Z2C z ZXZ2C 4'
Это уравнение совершенно тожественно с приведенным
в § 63 уравнением, характеризующим действие дроссельной
катушки, разумеется, при том условии, чтобы
Z\ . Z2 • C~Ld.
Из этого мы сразу же можем сделать то важное заклю-
чение, что одну и ту же защиту обмотки можно осуществить
при помощи как защитной индуктивности L# так и защитной
емкости	j
Z1Z2
Можно, конечно, положить во всех случаях
Zi — 500 омов.
Кроме того, позволительно для волнового сопротивления
трансформаторной обмотки принять приблизительное значение
Z2 = 40 w .
Руководясь уравнением (37), мы сразу же приходим к ве-
личине необходимой защитной емкости
=	 (т)  10 5 микрофарад-
Пример. Для рассмотренного в предыдущем примере
100 ЛИ4-трансформатора при напряжении 10000 V понадоби-
лась защитная индуктивность в размере 10 миллигенри.
Столь же успешно он может обойтись защитною емкостью
Ск — (5^)'(?) 10 6 = 0>33-10 3 микрофарады.
ЗАЩИТИ. ДРОССЕЛЬН. КАТУШКА И ЗАЩИТИ. КОНДЕНСАТОР 271
На зажимах защищаемой обмотки конденсатор заставляет
напряжение расти по закону времени
£2=y^£ll-е	1,
I ^2 L	J
как это видно сразу из соответственного уравнения § 63. На-
пряжение отраженной части волны равно теперь
Д£ = Е2 — Е
или
Д£ = ЕГ^~^1 —	£s” ллс ‘’
L "I | "2 J	"1 “Т” "2
В первый миг удара волны в узловую точку, то-есть для
/ = 0
имеем
Д£ = — Е.
Волна полностью компенсирует напряжение питательной
линии. У дроссельной катушки действие прямо противоположно,
она удваивает напряжение линии. Поэтому искровые разряд-
ники вступают в действие при дроссельных катушках, но не
при конденсаторах.
Вообще говоря, правильно предпочитать дроссельную ка-
тушку конденсатору. Искровые разрядники установлены для
того, чтобы устранять нежелательные заряды. Но мы видим,
что в трехфазных установках применимы не только звездою
соединенные разрядники, отводящие заряды в землю, но и
разрядники, включенные треугольником между фазами.
Дроссельные катушки так же хорошо смягчают крутизну
блуждающих волн, порождаемых коммутационными процессами,
как и волн, вызываемых атмосферными разрядами. Конден-
сатор, находящийся между зажимами обмотки, должен был бы
при обусловленных полем земли волнах находиться между за-
жимом и землею.
Все эти обстоятельства наделяют дроссельную катушку
неоспоримым преимуществом. Она успешно утвердилась в на-
ших трансформаторных установках, ее только нужно правильно
строить. Вступление в действие защитной индуктивности со-
провождается еще важными дополнительными явлениями, ко-
торые необходимо принять во внимание.
2"] 2
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
68.	Смягчение крутизны у тыла блуждающей волны по-
средством защитной индуктивности.
У инженера-производственника часто возникает одно стран-
ное опасение, которое действительно уместно, поскольку дей-
ствие дроссельной катушки не описано исчерпывающим обра-
зом. Фронт волны теряет свою крутизну благодаря защитной
индуктивности и тем самым опасность возникновения высоких
напряжений между отдельными витками трансформаторной об-
мотки устранена. Но что происходит, когда узловой точки до-
стигает тыл (конец) волны? Не создает ли он опасностей на-
ново? Не сопряжено ли внезапное
падение напряжения на коротком
участке провода с точно такими же
опасностями, как его внезапное по-
вышение?
Эти вопросы встают перед нами,
естественно, на них нужно ответить
с предельною полнотою. Настоя-
тельно требуется, чтобы конец волны был так же сглажен,
как ее начало, и надо исследовать, необходимы ли для этой
цели особые устройства.
Когда конец прямоугольной блуждающей волны достигает
защитной дроссельной катушки, которую мы будем предста-
влять себе сосредоточенною в одной точке, то возникает
представленная на рис. 100 картина распределения. Возвращаю-
щаяся в линию волна имеет у катушки только еще незначитель-
ное напряжение , которое, присоединившись к первоначаль-
ному напряжению набежавшей волны Е, дает напряжение Е2
у катушки для проникающей в трансформаторную обмотку
волны. Напряжению
Е2 = Е+ьЕ
пропорционален волновой ток в дроссельной катушке.
Из рис. 100 ясно видно, что волновой ток в катушке, на-
чиная от момента удара в нее волны, быстро сперва возра-
стает, чтобы затем постепенно приблизиться к предуказанному
предельному значению. Поэтому напряжение у катушки мало-
по-малу убывает.
СМЯГЧЕНИЕ КРУТИЗНЫ У ТЫЛА БЛУЖДАЮЩЕЙ ВОЛНЫ 273
Но когда затем поступление в катушку конца волны стре-
мится внезапно прервать ток, индуктивность ее, уже почти
переставшая действовать, вступает в действие снова. Она не
дает току i2 внезапно исчезнуть. Несомненно, i2 за промежу-
ток времени dt может непосредственно по прибытии конца
блуждающей волны ослабеть лишь настолько, чтобы возникло
напряжение самоиндукции в размере Е2\
__т —Е
bd dt
при чем, как и прежде, должно существовать отношение:
Это позволяет нам написать
+	= о.
а из этого уравнения сразу видно, что волновой ток может
убывать, начиная от своего максимального значения i2 maxr
только по показательной
кривой:
Этот закон правилен,
разумеется, и примени-
тельно к напряжению
_ — t	Рис. IOI.
Е2 = Е, . е
Спустя некоторое время по прибытии конца волны полу-
чается картина, представленная на рис. 101. Благодаря воздей-
ствию дроссельной катушки возникает добавочная волна, кото-
рая, начиная от катушки, следует в обоих направлениях за
главною волною. Заряды обеих частей добавочной волны,
разумеется, восполняют друг друга до нуля, так как они ни-
откуда притечь не могли. Подобным же образом воеполняют,
конечно, друг друга заряды обеих главных частей волны,
создавая общий заряд первоначальной волны, как это видно
из рис. 101.
Эксплоатация трансформаторов
274
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Ясно, что опасения относительно крутого тыла волны не-
основательны. Защитная индуктивность смягчает крутизну
тыла по тому же закону, как и крутизну фронта волны. Она
доводит дело до конца.
Весьма примечательно то, что отраженная дроссельною
катушкою волна ничуть не похожа по форме на набегающую.
Она несколько напоминает синусоидальную волну длиною
в целый период. В этой форме волна опять достигнет дрос-
сельной катушки, если будет снова отражена где-нибудь в ли-
нии дальней передачи. Мы увидим, что это обстоятельство
может иметь практическое значение.
Несомненно, важнее то обстоятельство, что дроссельная
катушка, наряду с индуктивностью, будет обладать еще и ем-
костью, чего мы до сих пор совсем не принимали в расчет.
Имеет она также известную протяженность в пространстве,
приходящийся на нее участок линии довольно длинен. Едва ли
можно обойти молчанием вопрос, не могут ли эти обстоятель-
ства повлечь за собою неприятные добавочные явления и не
утратят ли по их вине своей ценности результаты предыду-
щих исследований.
69.	Протяжениость дроссельной катушки в пространстве.
Теорию защитной дроссельной катушки можно без особого
труда углубить так, чтобы принята была также в расчет про-
тяженность в пространстве провода, свитого в виде дроссель-
ной катушки, а, значит, и емкость его, несомненно существую-
щая, хотя и совершенно излишняя. Такое углубление теории
оказывается весьма важным. Оно настоятельно предостере-
гает нас от очень опасных, но, к сожалению, и поныне совер-
шаемых довольно часто промахов.
Можно, разумеется, приписать дроссельной катушке любое
волновое сопротивление и произвести тогда исследование в самой
общей форме. Но наглядным оно становится лишь в том слу-
чае, если сначала допустить, что дроссельная катушка обла-
дает достаточно большою индуктивностью.
В § 65 не только была вычислена необходимая индуктив-
ность дроссельной катушки Ld, но и было доказано, что ин-
ПРОТЯЖЕННОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
275
дуктивность эту могла бы создать определенная доля защи-
щаемой трансформаторной обмотки, примененная в качестве
дроссельной катушки. Естественно сравнить обмотку дроссель-
ной катушки с обмоткою трансформатора, если необходимо
сравнение волновых сопротивлений того и другого прибора.
Само собою разумеется, что обмотке дроссельной катушки
будет придано совсем не такое сечение, как обмотке транс-
форматора. К тому же она будет построена по возможности
компактно, иными словами, внутренний диаметр будет по
возможности уменьшен. Выгодно приблизительно уравнять
средний диаметр витка с периметром сечения через
обмотку (рис. 102).
Отсутствие железного сердечника у дроссель-
ной катушки препятствует такой ее конструкции.
Но именно отсутствие сердечника, а также отсутствие
обмотки низкого напряжения приводят к тому, что
емкость Cd у дроссельной катушки гораздо меньше,
чем у защищаемой трансформаторной обмотки.
Защитная индуктивность у дроссельной катушки,
отнесенная к единице длины проводника, обычно
меньше, чем соответственная индуктивность у обмо-
точного провода, хотя для дроссельной катушки
выбирают меньшую среднюю длину витка. В § 65
было доказано, что трансформаторная обмотка, бу- Рис. 202.
дучи применена в качестве дроссельной катушки,
обладает приблизительно в 50 раз большею индуктивностью,
чем это необходимо. Если сократить у нее длину витка на одну
треть, то все еще можно взять в 4 раза меньше витков для
требующейся дроссельной катушки. У этой последней будет
тогда приходиться на единицу длины проводника приблизи-
тельно в 4 раза меньшая индуктивность.
Пересматривая расчет емкости трансформаторной обмотки,
мы сразу видим, что для дроссельной катушки должны полу-
чаться весьма малые значения емкости не только потому, что
тут отсутствует железный сердечник и обмотка низкого напря-
жения, но в силу того обстоятельства, что фазные дроссель-
ные катушки размещены на гораздо большем друг от друга
расстоянии, чем фазные обмотки трансформатора. На единицу
i8*
276	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
длины проводника емкость дроссельной катушки составит нор-
мально весьма небольшую дробь, во всяком случае меньше
одной четверти, от емкости обмотки.
Из этого следует, что волновое сопротивление дроссельной
катушки
при правильно рассчитанной защитной индуктивности будет
гораздо больше, чем волновое сопротивление защищаемой
трансформаторной обмотки. При первоначальном, идеализиро-
ванном исследовании дроссельной катушки оно было беско-
нечно велико. Ясно, что оно также, во всяком случае, больше,
чем волновое сопротивление питательной линии.
Нам предстоит теперь исследовать последовательное соеди-
нение линии дальней передачи, дроссельной катушки и транс-
форматорной обмотки, при чем относительно их волновых
сопротивлений Z19 ZdiA Z2 будем, согласно приведенным выше
данным, считать, что
> Z2.
Пусть из линии дальней передачи прибывает прямоуголь-
ная блуждающая волна с крутым фронтом под напряжением Е.
Ударившись в начальную точку дроссельной катушки, она
отчасти, несомненно, отразится, так что частичная волна с на-
пряжением ЛЕ устремится обратно в линию. На зажиме дрос-
сельной катушки напряжение поднимается до Е-^-ЛЕ.
Прибывающая волна несет с собою ток
Е
Z. ’
В дроссельной катушке струится волновой ток
Е + ЬЕ
zd
возвращающийся в линию волновой ток равен
_ДЕ_
Из уравнения
Е £+Д£ ДЕ
2i - Zd + 2i
ПРОТЯЖЕННОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
277
непосредственно получается коэффициент отражения
_ Zd-Zx
Л~ Е ZJ + Zi
и коэффициент преломления
Е + Д£ iZd
Р “ Е “ Zd Z j
Так как Zd нормально бывает очень велико относительно
Zx, то напряжение почти удваивается на вводном зажиме
дроссельной катушки.
Преломленная волна проникает затем в дроссельную ка-
тушку под напряжением
t'd
Достигнув выводного зажима дроссельной катушки, она
наталкивается на волновое сопротивление Z2 трансформатор-
ной обмотки и снова преломляется.
На этот раз коэффициент отражения
Z^ — Zd
“2 = Z2 + Zd
отрицателен, оттого что, как мы приняли выше,
zrf>z2.
Отраженная в дроссельную катушку волна имеет отрица-
тельное напряжение
2 Zj	Z, — Z2
В трансформаторную обмотку проникает преломленная
волна и так как коэффициент преломления в данном случае
равен
Q __ ^2_____2 Zq
Р’— Е4-ДЕ- Z> + Zd
то напряжение этой волны составляет
£2 = (£+д£) = ?.?,.£ = (Zi+Zrf) (/2+zyj Е •
zj8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Так возникает первая ступень волнового графика (рис. 103).
Но этим явление еще далеко не исчерпано. Надо проследить
за дальнейшим ходом бегущей обратно в дроссельную катушку
частичной волны. Она наталкивается во вводном зажиме ка-
тушки на волновое сопротивление Zx линии дальней передачи;
преломляется и отчасти отражается.
Снова надо считаться с коэффи-
циентом отражения
И	z'~z*
___________________а1“ ^1+^ ’
который, очевидно, отрицателен, и
Рис. 103. с коэффициентом преломления
Q	2
Р1“ Z^Zd •
В линию дальней передачи поступает преломленная часть
волны
Pi.a2.p.£,
в дроссельную катушку отражается часть волны
ai.aj.p.E,
которая опять-таки имеет положительное напряжение, потому
что 04 и а2 отрицательны. Тем временем, разумеется, прело-
мленная основная волна спокойно и беспрепятственно пробе-
гает дальше из линии дальней передачи через дроссельную
катушку в трансформаторную обмотку.
Только отраженная в дроссельную катушку часть волны
имеет в дальнейшем непосредственное значение для транс-
форматорной обмотки. Она достигает зажима обмотки, где
наново преломляется и отражается. Коэффициенты преломления
и отражения уже известны. В обмотку поступает преломленная
вторая волна напряжения
а1 <4 Nil •
она налагается на преломленную основную волну, но фронт
этой последней тем временем уже переместился на двойную
длину провода дроссельной катушки, если в трансформаторной
обмотке волны распространяются с такою же скоростью, как
ПРОТЯЖЕННОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ	279
в дроссельной катушке. Так возникает вторая ступень гра-
фика напряжения (рис. 104).
Волна, отраженная вторично от выводного зажима в дрос-
сельную катушку, имеет отрицательное напряжение
eq . а22 . р . Е
На вводном зажиме она опять отражается в виде частичной
волны
a2i . а2а . р . Е,
затем, достигнув выводного зажима, ----------
преломляется, приобретая напряже- 
ние	t2
а2.аа2.р.р2.£,	-----
и под этим напряжением поступает ------------------------
в обмотку. Она налагается на обе
уже проникшие волны и ее фронт	^ис* 1О4’
настолько же отстает от фронта
второй волны, насколько фронт второй волны отстает от
фронта основной.
Мы видим, что в защищенной обмотке напряжение возра-
стает ступенчато (рис. 105). Напряжения отдельных ступеней
таковы:
Р . 62 . Е . «1 . а2,
Р . р2 . £ (а, . “г)2.
₽ . р2 . Е («! . а2)\
Р - ₽2 • Е («1 . a,)"-1
а общее напряжение равно
[14^1-а24"(ai• аэ)2-4-« ••+(а1-а2^ 1]=р.Р2-£I—(а^оа)*
Но легко убедиться, что
Р fe 2 ^2
I—а1«а2	+ ^2
и, значит, общее напряжение любого числа п поступивших
в обмотку ступеней равно
18о
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Предельное значение волнового напряжения в защищаемой
обмотке равно
г_______2 р
^тах— Zx + Z2
Но точно таким же было предельное значение по приведен-
ному в § 63 расчету в предположении сосредоточенной за-
щитной индуктивности, когда мы пренебрегали емкостью дрос-
сельной катушки. Кроме того, график сглаженного фронта
волны в трансформаторной обмотке по рис. 105 совершенно
сходен с идеализованною кривою рис. 86.
Можно еще вычислить также местный прирост напряжения
в сглаженном фронте волны. Для этой цели лучше всего за-
менить ступенчатую линию рис. 105 кривою, соединяющей
углы ступеней (рис. 106). Самого крутого прироста напряже-
ния придется ждать тогда непосредственно в начале волны,
совершенно так же, как при идеализованном сглаженном
фронте волны. Если далее считать, чтобы иметь для сравне-
ния общую основу, что волна движется как в обмотке, так
и в дроссельной катушке со скоростью w, то при wd витках
у дроссельной катушки и средней длине витка Ud получится
длина ступени 2 wd.Ud сантиметров.
На первой ступени напряжения
4 Z2 .
(Zi +	(Z2 4- Zd)
мы получаем падение напряжения
2 Z2 • Е ________i______
Uj (1+^(1+^-)
ПРОТЯЖЕННОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ

или, так как
то
2 Z2 Е	I	/
-у— ----------у-г------ВОЛЬТ/СЖ.
Сравнивая этот результат с результатом § 63, мы легко
приходим к выводу, что повышение напряжения умерилось в
В действительности выгода не так велика, оттого что на
стороне волнового сопротивления Zd есть значительный пере-
вес. Кроме того, это всего лишь кажущееся сопротивление,
оттого что ступени напряжения возникают сразу и тем самым
опять-таки ухудшают картину. Как бы то ни было, следует
отметить, что при
а
исчезает всякое различие, чем подтверждается правильность
расчета и из чего также следует, что в обоих случаях явле-
ния по существу однородны.
Выяснив это, мы, казалось бы, исчерпали вопрос о защит-
ной дроссельной катушке. Но нельзя упускать из виду еще
одно важное обстоятельство, а именно то, что все в порядке
тогда лишь, когда действительно соблюдено поставленное нами
в начале условие
Zx <Zd>Z2.
Правда, ход расчета нимало не изменяется, когда это
условие не соблюдено. Вычисленные величины действительны
во всех случаях. Но из полученных результатов непосред-
ственно явствуют серьезные опасности, грозящие эксплоата-
ции, и так как они могут возникнуть, то к ним надо при-
смотреться.
Прежде всего весьма вероятен случай
182
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ибо обмотка трансформатора обладает очень сильным волно-
вым сопротивлением по сравнению с линией дальней передачи,
так что в промежутке между ними могут быть помещены все-
возможные значения Когда применена особенно нерацио-
нальная небольшая индуктивность, то указанное только что
соотношение величин получается сразу.
Тогда остается, конечно, отрицательным, но второй коэф-
фициент преломления а2 становится положительным и произ-
ведение коэффициентов
ai . а2- —у
отрицательно.
Напряжение фронта волны в трансформаторной обмотке
имеет тогда попрежнему ступенчатый ход. Но общее напря-
жение проникающей в обмотку волны дается на этот раз
выражением
Е2 = -^Д-.Е.(1_Т+Т2_тз+,. .),
Т "2
Рис. 107.
оно уже не повышается по-
степенно, а колеблется около
конечного значения
2 ^2 _ Г
^ + 73
согласно рис. 107, с посте-
пенно уменьшающимся напо-
ром.
Опасность очень высоких
перенапряжений очевидна.
Всего опаснее, конечно, первый полупериод колебания, во время
которого общее напряжение в трансформаторной обмотке по-
вышается до величины
_^2
£_______4 z‘ _____Е-4Е __________—__________
г - (г, +	(zs+z,) £ - 4Л (1 +	(1 +
Это напряжение в предыдущем случае, при
Zi <С Zd zTj,
ПРОТЯЖЕННОСТЬ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
283
было невысоко и было тем ниже, чем больше сказывалось
волновое сопротивление дроссельной катушки. В данном же
случае оно становится недопустимо высоким. Если, например,
и
Z\_____
Z& 9
то
2
=2,4-£,
9
волна через слишком слабую дроссельную катушку проходит
в трансформаторную обмотку с повышенным в 2,4 раза на-
пряжением.
Оказывается, что емкость дроссельной катушки является
весьма нежелательным к ней придатком. И далее оказывается,
что лучше вовсе не иметь защитных индуктивностей, чем иметь
слишком малые индуктивности. Без защитной дроссельной
катушки трансформаторной обмотке грозит удвоенное напря-
жение волны, при недостаточно же сильной дроссельной
катушке волновое напряжение становится еще выше, как это
видно из нашего примера.
В защите трансформаторов от высокого напряжения про-
явлено было много легкомыслия. И теперь еще нередко встре-
чаются защитные катушки, состоящие только из нескольких
витков и производящие при этом даже на опытного человека
более безобидное впечатление, чем это соответствует их вредо-
носности. Не удивительно, что такие приборы весьма неблаго*
приятно отразились на репутации дроссельной катушки.
Поэтому, если инженер-производственник, ревизуя свои
трансформаторные подстанции, прежде всего выбросит эти так
называемые дроссельные катушки, у которых самоиндукция
измеряется только сотыми долями одного миллигенри, то тем
самым он уже повысит надежность установки. Следующим
мероприятием должна быть установка правильно рассчитан-
ных защитных катушек.
Коль скоро установлено, что емкость дроссельной катушки
во всяком случае вредна, необходимо стремиться к всемерному
284
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ее подавлению. В этом отношении могут сделать многое и
конструкция и эксплоатация. В частности, чем больше удалить
дроссельные катушки отдельных фаз друг от друга и от стен
трансформаторного помещения, тем лучше они будут действо-
вать. Листовой кожух для ограждения катушки от поврежде-
ний чувствительно повышает емкость, если он заземлен.
70. Недостатки дроссельной катушки. Колебательный кон-
тур в начале трансформатора. Успокоение колебаний этого
контура.
Опасности, которыми грозит недостаточная защитная индук-
тивность, более серьезны, чем это может показаться. Окон-
чательное напряжение в трансформаторной обмотке при доста-
точно большом волновом сопротивлении дроссельной катушки
имеет характер апериодический. Периодичность колебаний
возникает, как мы видели, в том случае, когда защитная индук-
тивность слишком мала. Но каждое периодическое колебание
может еще породить при известных обстоятельствах опасные
явления резонанса.
В самом деле, мы еще не выяснили, вполне ли миновала
опасность после того, как удалось совладать с однажды на*
бежавшею волною. Отраженная в линию часть волны возвра-
щается. Она возвращается через равные промежутки времени.
Опасность резонанса налицо.
Если бы речь шла об одной только дроссельной катушке,
проблема была бы не так уж важна. Собственные колебания
дроссельной катушки можно, как мы доказали, успокаивать,
так что выравнивание напряжения происходит апериодически.
Для учения об эксплоатации опасность резонанса тем самым
могла бы считаться устраненной. Но и правильно рассчитанная
дроссельная катушка может в сочетании с трансформаторною
обмоткою послужить источником колебаний, которые мы
должны исследовать, потому что они способны прийти в резо-
нанс с колебаниями блуждающей волны в линии дальней
передачи.
Правильно рассчитанная дроссельная катушка обладает
большою индуктивностью и малою емкостью. Она предста-
НЕДОСТАТКИ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
*85
вляет собою в первом приближении сосредоточенную самоин-
дукцию. Она включена последовательно с трансформаторною
обмоткою, о которой как будто можно сказать то же самое.
Но это не так. Когда волна появляется в начале обмотки,
скажем—в первом витке, то она сейчас же гонит ток смеще-
ния в поперечном направлении от витка к витку. Вся обмотка
оказывается под напряжением, которое, разумеется, убывает
по направлению от зажимов к нулевой точке. При этом каж-
дая часть обмотки имеет известное напряжение, то-есть извест-
ную емкость относительно земли.
Волна в первом витке уже располагает почти всею емкостью
обмотки. С другой стороны, индуктивность в начале еще мала,
как это доказано было в § 66.
Это делает понятным то, под-
тверждаемое опытом, явление,
что на зажимах трансформатора
(рис. 108) обнаруживается из-
вестная емкость. Емкость эта

Земля
-WW
содержит также частичную ем-
кость вводов через крышку ма-
сляного бака.
По всем этим причинам можно приблизительно считать, что
имеется контур тока, в котором самоиндукция дроссельной
катушки Ld соединена последовательно с емкостью обмотки
-----ПЯЯЯЯПР-
-----ППЛЯЯЯГ"
о
ттпяяг—
Рис. io8.
Рис. но.
СЮ, как на рис. 110, при чем предполагается, что речь идет
о процессах между двумя фазами. Если же дело касается блу-
ждающих волн земного поля, то обратиться надлежит к схеме
рис. 109. Таким образом, общим случаем является предста-
вленный на рис. 110, нужно только правильно определить Сго.
Перед нами — способный колебаться контур. Каждый им-
пульс блуждающей волны непременно приводит его в колеба-
286
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ние. Если вдобавок эти импульсы повторяются черев регуляр-
ные промежутки времени, то могут возникнуть явления резо-
нанса. Этим проблема уже обрисована.
С точки зрения учения об эксплоатации было бы праздным
делом исследовать, как и когда могут возникать напряжения
резонанса в описанном колебательном контуре. Блуждающие
волны прихотливы по своей форме и распадаются поэтому, при
разложении в ряд Фурье, на всевозможные частичные волны,
которые все синусоидальны, но имеют самые различные числа
периодов. Какая-нибудь одна частичная волна должна стать
опасной, если эта угроза не предотвращена.
Для ее предотвращения есть один только надежный путь:
колебательный контур должен быть искусственно так успокоен,
чтобы он вообще не мог колебаться, чтобы все изменения
напряжения происходили апериодично. Только тогда проблема
перенапряжений разрешена вполне и только тогда дроссельная
катушка становится безупреч-
----^ЯЯЯЯПР-^чаалл/—	ным защитным прибором.
с Каждый колебательный кон-
тур можно, как известно, успо-
коить омическим сопротивле-
нием. 1 еоретически и здесь
Рис- ш.	есть возможность поместить
успокоительное сопротивление
в серию с защитною самоиндукцией. Хотя практически едва ли
можно думать о применении такого, с эксплоатационной точки
зрения несомненно нежелательного сопротивления, мы его
все же исследуем для начала.
На рис. 111 показана идеализованная схема успокоенного
защитного контура. На последовательную цепь из защитной
самоиндукции L# успокоительного сопротивления R и емкости
на зажимах трансформатора Со действует напряжение блуждаю-
щей волны, разное Е вольт в рассматриваемый момент.
Если в этот момент по контуру проходит ток i амперов, то
Это уравнение позволяет вычислить колебания, вызывае-
мые напряжением Е,
НЕДОСТАТКИ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
287
Собственное колебание контура дается, разумеется, урав-
нением
л'+^4+/4=0’
которому лучше придать форму
Л’
Rdi
h-c,
= 0.
Очевидно,
решение этого уравнения
i = i- &at.
Оно дает
= а
di
~dt
i • e“'
далее
— = «2,
de
• I
L-a
то-есть
R
L.C — O'
"л _
'd.
а отсюда следует
Собственное колебание только тогда апериодично, когда а
вещественно, то-есть когда
Это приводит нас к очень высоким значениям успокои-
тельного сопротивления. Согласно сказанному в § 65, Ld при-
близительно в 50 раз меньше индуктивности трансформатор-
ной обмотки, между тем как Сю приблизительно вдвое больше
емкости двух фазных обмоток трансформатора относительно
друг друга. Таким образом, успокоительное сопротивление
должно бы составлять больше одной пятой волнового сопро-
тивления обмотки.
Это решение безусловно неприемлемо. Оно бы совершенно
подавляло рабочий ток и, кроме того, влекло бы за собою
288
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
невозможные потери энергии. Оно представляет чисто теоре-
тический интерес и призвано только расчистить путь для
дальнейших исследований.
Другою возможностью является включение успокоитель-
ного сопротивления г (омов) параллельно к защитной индук-
тивности, так что получается схема рис. 112. Легко убедиться^
что против нее возражать не приходится. Рабочий ток без
труда проходит через защитную самоиндукцию, которая тре-
бует от него только небольшого, уже проверенного в § 66,
расхода напряжения. Зато токи высокой частоты,—а блуждаю-
щие волны приносят их с собою постоянно, — выберут путь
через успокоительное сопротивление. Их энергия израсходуется
Рис. 112.
на этом окольном пути—и это по-
лезно.
Схема рис. 112 приводит непо-
средственно к уравнению
dit (* (ii 4-17) dt
E=L‘^r + J —cr~
для вызываемого волновым напряжением Е колебания, при чем
разумеется.
Ld~sr= l',r
Обращаясь снова к собственному колебанию, мы получаем
г dil _ .
Ld dt — 1г-Г'
а отсюда следует:
I» I di,	i>
~dfi~ + c^-r'~dr+	—°*
При сравнении только что полученного уравнения с уравне-
нием для последовательного соединения успокоительного со-
противления, мы сразу же убеждаемся, что ток в защитной
катушке на этот раз будет изменяться апериодично в том лишь
случае, если поступить с коэффициентом
НЕДОСТАТКИ ДРОССЕЛЬНОЙ КАТУШКИ
28g
совершенно таким же образом, как мы поступили там с коэф-
фициентом
/?
L<i
Итак, если положить
I R
Cwr ~ Ld ’
то получается
и так как пришлось сделать
чтобы не допустить периодических процессов, то теперь при-
дется сделать
Омическое сопротивление, включенное па-
раллельно к дроссельной катушке, должно быть
меньше, чем приблизительно 5% волнового со-
противления трансформаторной обмотки, для
того, чтобы оно вполне успокаивало колеба*
тельный контур.
Пример. 100 кVA -трансформатор для 10000 И и 50 пе-
риодов, рассмотренный в §§ 65 и 66, нуждается, согласно
результатам, к которым мы там пришли, в защитной индук-
тивности 10 миллигенри.
Для успокоения колебательного контура ему понадо-
билось бы либо омическое сопротивление
R > -у .40.1440 = 11520 омов
последовательно с дроссельною катушкою, так как волновое
сопротивление, при числе витков 1440 в одной фазной обмотке,
составляет
40.1440 омов,
либо параллельное к дроссельной катушке сопротивление
г < 0,05.40.1440 = 2880 омов.
Эксплоатация трансформаторов	19
2QO
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
С первого же взгляда видно, что последовательно введен-
ное сопротивление было бы уродством. Параллельное же сопро-
тивление, надежности ради, можно определить в г — 2000 омов.
В примере § 66 вычислено было, что избранная защитная
индуктивность при номинальном токе расходует 18 вольт.
Следовательно, успокоительное сопротивление расходовало бы
при режиме нормальной полной нагрузки
= 0,162 ватта
2ООО
на Джоулево тепло. Очевидно, можно без вреда еще в значи-
тельной степени уменьшить защитное сопротивление.
Далее заслуживает внимания еще то обстоятельство, что
при нормальном режиме через защитное сопротивление про*
ходит только
= 0,09 ампера.
2000	г
Успокоительное сопротивление должно быть рассчитано
на этот слабый продолжительный ток. Ясно, что оно обходится
очень недорого, расходы на него ничтожны по сравнению с не-
оценимою пользою, которую оно приносит. Уже одно это об-
стоятельство показывает ясно, что успокоительное сопроти-
вление должно составлять принадлежность всякой дроссель-
ной катушки.
71. Шунтированные и не шунтированные дроссельные
катушки.
Успокоительное сопротивление в шунте дроссельной катушки
вошло в практику за последние годы. Выяснение его функции
в связи с процессом проникновения блуждающих волн в транс-
форматорную обмотку является заслугою Бема (О. Bohm).
Но на беду это сопротивление имеет также влияние на сгла-
живание фронта волны. Необходимо выяснить вполне и этот
вопрос.
Схему рис. ИЗ нужно положить в основу дальнейшего ис-
следования, еще раз посвящаемого однократному проникнове-
нию блуждающей волны, которая прибывает из линии дальней
передачи с напряжением Е и с крутым фронтом.
ШУНТИРОВ. И НЕШУНТИРОВ. ДРОССЕЛЬНЫЕ КАТУШКИ 291
В точке разветвления между защитной самоиндукцией Ld и
успокоительным сопротивлением г волна должна быть, разу,
меется, отчасти отражена, и в линию дальней передачи тогда
бежит обратно частичная волна с напряжением Д Е. Общее
напряжение преломленной волны.
Е+ДЕ
расходуется при этом отчасти в качестве напряжения дрос-
сельной катушки, которое гонит через нее ток отчасти в ка-
честве напряжения Е2 проникающей	Ld
в обмотку волны:	-—~
E+^E=Ld-^-+ Е2.	г
Рис. 113.
Из линии дальней передачи, где волновое сопротивле-
ние = Zp прибывает волновой ток
Е
Z. ’
который в некоторой своей части
ДЕ
Л
должен отхлынуть обратно, в трансформаторную же обмотку
поступает волновой ток
z> 9
что соответствует ее волновому сопротивлению Z2. Естественно,
этот ток проходит отчасти через дроссельную катушку — от-
части через успокоительное сопротивление — ik:
i —I— • _
ld + lk- z2
Имеем
E _ ЬЕ
Zi - Z, + Z3
или
Е—ьЕ— A £,,
"2
что в сочетании с вышеполученным уравнением для напря-
жения приводит к выражению:
2£ —£ — +£ Zi + Zi
zc‘ — Ld dt +£2	•
19*
292
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Напряжение самоиндукции дроссельной катушки равно»
разумеется, омическому падению напряжения в успокоитель-
ном сопротивлении:
т did _ •
dt —lr‘ Г’
Так возникает уравнение
2£-(Z, + Z,>	. [1
Положив
р_ 1
этому уравнению можно придать упрощенный вид
2E=(Zi-\-Z2} id-\-Ld р
Решение известно. Это случай, когда напряжение 2Е при-
кладывается к контуру из последовательно соединенных оми-
ческого сопротивления Z^ -|- и самоиндукции Ld . р. Решение
гласит:
Г
« Г	---7~Г7Г t
Чтобы теперь получить волновой ток, проникающий в транс-
форматорную обмотку, мы должны вычислить еще вторую
ветвь тока:
Ed
lr — г dt •
Она равна
zt4-z,
Таким образом, в итоге
_ Zx+Z9
_ у _ гЕ ___________2Е^ Ld *Р Г____1___ - -1
z2 -'rf-H, - Zj+Z, 2£е	Z,+Z2 гр J
то-есть
_ Z,+^a
,	2 EZ2 Г1 е Ld . Р *
2-	р
(38>
ШУНТИРОВ. И НЕШУНТИРОВ. ДРОССЕЛЬНЫЕ КАТУШКИ
Если успокоительное сопротивление вообще отсутствует,
то г, очевидно, бесконечно. Но при г =040
Р = 1
и уравнение (38) принимает уже знакомую нам форму резуль-
тата, к которому мы пришли в § 70.
На первый взгляд уравнение (38) производит обманчивое
впечатление. Оно сулит плавный рост напряжения в транс-
форматорной обмотке, гораздо более плавный, чем при такой же,
но не шунтированной защитной самоиндукции.
Имеем:
dE2 ___ I 2E.Z2
<kt = о ” Ра Ld
и р всегда больше 1.
Но благоприятное впечатление сразу исчезает, когда мы
придаем уравнению (38) форму
z^z^
г. 2 ez2 ।	2 ez2 Г. ~~ LdP t
- r+z^z-T р(^ + г2) I/ —е
и, кроме того, принимаем во внимание, что г может составлять
только несколько сотых от Z2, как это установлено выше,
ибо иначе не происходило бы полного успокоения. Напряже-
ние в обмотке, очевидно, достигает сразу почти такой же
высоты, как и при отсутствии защитной самоиндукции.
Так подтверждается предположение, что блуждающие волны
избирают путь через успокоительное сопротивление, между
тем как рабочему току дроссельная катушка предоставляет
более удобный путь. Но главное, все-таки, — это тот неприят-
ный вывод, что успокоительное сопротивление пропускает через
себя волну с крутым фронтом.
Можно без труда притти к тому заключению, что успокои-
тельный шунт не имеет никакого смысла. Для чего вводят
в линию катушку самоиндукции? Для того ведь только, чтобы
смягчить крутизну фронта волны. Почему перед трансформа-
торной обмоткой возникает колебательный контур, который
нужно успокаивать? Именно потому, что введена сильная само-
индукция. Инженер-производственник, ясно усвоивший себе это,
должен притти к выводу, что отказаться от катушки заодно
с успокоительным сопротивлением — значит сберечь деньги.
394	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
И вправду, было бы чуть ли не сумасшествием успокаи-
вать колебательный контур, если его можно избегнуть. Но дей-
ствительно ли резонансные напряжения непосредственно перед
трансформаторною обмоткою будут предотвращены, если уда-
лить дроссельную катушку?
Перед каждою трансформаторной обмоткою действуют еще
другие, неустранимые индуктивности, прежде всего — индук-
тивность обмотки у трансформатора тока. Опасность резонанса
существует всегда. Это, пожалуй, худшая из всех опасностей,
имеющих касательство к проблеме перенапряжений в транс-
форматоре.
Не будь эта проблема так трудна, пробои в трансформа-
торных обмотках не повторялись бы так устрашающе часто.
Можно понять, что правила безопасности, которые, правда, не
полностью принимают во внимание напряжения резонанса, пред-
писывают все же, в виду крутого фронта волн, испытание на
„прыгающие" волны.
Нужно ли непременно примириться с тем, что есть один
только выбор: либо смягченная крутизна фронта волны, либо
успокоенные колебания на зажимах трансформатор ? Действи-
тельно ли не существует другого решения, которое бы при-
миряло обе цели предохранения?
Прежде всего существует, быть может, средний путь. Нет
надобности в полном успокоении колебаний. Ток zz в колеба-
тельном контуре шунтированной защитной самоиндукции и
емкости на зажимах трансформатора определяется, как показал
расчет в предыдущем параграфе, уравнением:
при чем надо считать:
а=~ ± ]/ 
Следовательно,
ШУНТИРОВ. И НЕШУНТИРОВ. ДРОССЕЛЬНЫЕ КАТУШКИ
295
или
= 2io cos . e
если подложить
ш=]/
Ток колеблется с числом периодов
1	( 1 У
aw	' w
если только успокоительное сопротивление превосходит крити-
ческую величину
Имеем также:
v —
Наименьшее число периодов блуждающей волны, отражаем
мой от дроссельной катушки, зависит, с другой стороны, от
длины линии, которую она должна пройти, пока не до-
стигнет точки, где будет отражена. Если обозначить эту длину,
которою определяется половина пути одного периода блу-
ждающей волны, через I километров, то время периода выра-
зится через
2*1
----г секунд,
3.10
а число периодов через
3- ю5
2-Z
Надо далее, чтобы
_____1. — , Д (гк у» з_1°2.
V Ld .С_ • 1/ 1 —j < г1
Если согласно уравнению (37) считать
Z. = 0,2(—. 10"’
« \iooo/ з
генри
296
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
U
’ 9.10П ’	’
и согласно § 67
С — 2С= —
w	2
а
оз XV,
то при
w U 10~5 = lw километров
получается условие
и, наконец,
(39)
10000 И,
примере,
гк
Пример. Тот же 100 к VA - трансформатор для
согласно расчету, приведенному в предыдущем
нуждается, дополнительно к защищающей его катушке самоин-
дукции, в шунтирующем ее сопротивлении, которое меньше
2880 омов. У него —1440 витков со среднею длиною 70 см.
Таким образом критическое сопротивление
гл = 2880 омов,
длина обмоточного провода
1440.70.10~5 = 1 километр.
Мы сразу видим, что превзойти критическое сопротивление
можно лишь незначительно, ибо, осторожности ради, нельзя
не считаться со всею длиною линии дальней передачи.
Этот результат только кажется обескураживающим. В са-
мом деле из уравнения (39) можно без труда вывести весьма
важные для эксплоатации частные следствия, о которых здесь
нельзя умолчать. Прежде всего оно вполне объясняет тот
факт, что практически оправдались как шунтированные, так и
нешунтированные защитные дроссельные катушки, если только
они надлежащим образом рассчитаны.
ШУНТИРОВ. И НЕШУНТИРОВ. ДРОССЕЛЬНЫЕ КАТУШКИ 297
Следует отметить, что трансформаторам, у которых обмо-
точный провод длиннее 87% питающей их линии дальней пе-
редачи, вообще не грозит опасность резонанса. Они не нужда-
ются в успокоительном сопротивлении. Относительно них
главная задача—смягчение крутизны фронта волны и для них
нешунтированная дроссельная катушка является превосходною
защитой.
В таком выгодном положении находятся малые трансфор-
маторы, приключенные к коротким отросткам линий. По мере
убывания мощности при заданном напряжении число витков
обмотки возрастает с такою же скоростью, с какою умень-
шается корень квадратный из мощности, между тем как сред-
няя длина витка изменяется только пропорционально корню
четвертой степени из мощности. Обмоточный провод поэтому
удлиняется. Точка ответвления отростка является, кроме того,
превосходною точкой отражения.
С другой стороны, трансформаторы, перед которыми про-
стираются очень длинные линии, весьма нуждаются в успоко-
ительном сопротивлении. Зато на их стороне то преимуще-
ство, что каждая волна на длинном пути, которую она должна
пройти вдоль линии дальней передачи, сильно сглаживается.
Для них главная опасность — резонанс, Так получается пра-
вило:
Малые трансформаторы, 'питаемые короткими отростками
линий, следует предохранять нешунтированными, большие
трансформаторы, питаемые длинными линиями дальней пере-
дачи,—шунтированными дроссельными катушками.
Само собою разумеется, что успокоительное сопротивление
надо либо правильно рассчитать, либо вовсе упразднить. Из
уравнения (39) видно ясно, что опасность резонанса либо
вовсе устраняется, либо, — если она существует, — допускает
только незначительные отклонения от критической величины
успокоительного сопротивления. Лучше всего — держаться ве-
личин, которые значительно ниже критической величины, на-
дежности ради. Для фронта волны совершенно несущественно,
составляет ли, например, успокоительное сопротивление 5%
или 2% от волнового сопротивления трансформаторной
обмотки.
2g8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
72. Последовательное соединение шунтированной и нешун-
тированной дроссельных катушек, сопряженных в магнит-
ном отношении.
Для очень многих случаев эксплоатации шунтированная или
нешунтированная дроссельная катушка является, как это вы-
яснено в предыдущем параграфе, достаточною защитою от
главной опасности, которая заключается либо в резонансе,
либо в крутом фронте волн. Но это решение отнюдь не исчер-
пывает проблемы перенапряжений в трансформаторе.
Здесь допустимо еще раз указать на то, что главное зна-
чение в каждом случае имеет правильный расчет защитной
индуктивности. Она, во всяком случае, должна преграждать
дорогу блуждающей волне, в то же время оказывая нормаль-
ному рабочему току незначительное сопротивление.
С точки зрения учения об эксплоатации все еще не выяснен
вопрос, нет ли все-таки возможности осуществить полную
защиту. Быть может, мыслимо все же устройство, которое бы
ускользало от всякой опасности резонанса и тем не менее
энергично сглаживало волну.
Невольно возникает мысль соединить последовательно
одну шунтированную и одну нешунтированную дроссельную
катушку, с тем, чтобы первая успокаивала колебания, а вто-
рая сглаживала волну. Эта мысль, несомненно, осуществима.
Но все же представляется необходимым подробно исследо-
вать этот вопрос со стороны возможности успокоения коле-
баний, между тем как и без исследований ясно, что вторая
дроссельная катушка будет в достаточной мере сглаживать
волну, если только расчитать ее по установленным выше
принципам.
Собственно говоря, для применения двух защитных само-
индукций существует целый ряд возможностей. Чтобы в этом
убедиться, достаточно вспомнить о том, что две дроссельные
катушки способны и на магнитное взаимодействие. И в самом
деле, представляется даже желательным наделить обе катушки
общим магнитным полем с целью удешевления устройства.
Каким образом взаимная магнитная поддержка дроссельных
катушек благоприятствует требующемуся защитному действию
ПОСЛЕДОВ. СОЕД. ШУНТИР. И НЕШУНТИР. ДРОССЕЛЬН. КАТУШЕК 299
и не вредит ли она, чего доброго, этому действию, — это-
должно выяснить исследование. Очевидно, исследовать полезно
какой-нибудь общий случай, при котором степень магнитной
зависимости непосредственно еще остается неопределенной.
Схема рис. 114 указывает играющие главную роль вели-
чины. Индуктивность Li (генри) шунтирована омическим сопро-
тивлением г (омов), она соединена последовательно с нешун-
тированною индуктивностью L2 (генри) и с последним зве-
ном Cw колебательного контура, начальною емкостью транс-
форматорной обмотки.
В общем случае взаимного магнитного влияния двух дрос-
сельных катушек нужно принять в расчет еще две направлен-
ные друг против друга ин-
дуктивности: с М12 (генри) ----------------------------
первая дроссельная ка-
тушка воздействует на вто-	УЛЛЛг	= =
рую, с Л/]2 (генри)—вторая
на первую.
Если обозначить че-
рез £1 амперов ответвлен-	^ис- 1Г4-
ный в первую дроссель-
ную катушку ток, через i амперов — ток в нешунтированной
дроссельной катушке, то уравнение собственных колебаний
гласит:
(£.	т)+(£= i + "=<) + / % = °-
при чем, разумеется, ток в успокоительном сопротивлении
равен
£г=£ — £1
и, кроме того,
Li + 71/21 i < •г-
Полезно, прежде всего, придать обоим дифференциальным
уравнениям такую форму:
[Li	лг12]	+ У*-Q [л	— о
[£,+Л/21]4= ir.r^L^,
Зоо
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
а затем дважды еще дифференцировать второе уравнение, так
что в итоге получается
Г 7 I м 1 — d^ir 17
[Li -f- М2\J	= г -др + Li -др •
Первый член справа можно теперь получить из однократно
дифференцированного первого уравнения, второй—из того же
первого уравнения, дифференцированного дважды, и уравне-
ние проблемы гласит тогда:
[L! L2 -М12 М21]	+ г [Л + £, 4- Л/21 + Л/12]	+
cw dt Т- cw - U ’
Кроме того, имеем, как легко видеть,
М\ 2 ZZ Л/pl = М
и, следовательно,
[£. L2-M*}^+ г[£1+£з + 2Л/].^ + -§4 +
W
Прежде всего нужно найти общее решение проблемы.
Трудности совершенной защиты от перенапряжений можно
очень хорошо уяснить себе, рассмотрев один частный случай,
а именно полную магнитную сопряженность обеих дроссель-
ных катушек.
Совершенно общее поле обеих дроссельных катушек
обладает определенным магнитным сопротивлением. Индук-
тивность Afi, пропорциональна потоку, порождаемому пер-
вою дроссельною катушкою, когда по ней проходит один
ампер, умноженному на число витков второй дроссельной ка-
тушки. Совершенно такова же, разумеется, индуктивность Л/2р
Ее квадрат должен быть равен произведению Li Lit ибо Li
соответствует произведению из того же потока, как при Л/п»
на число витков первой катушки, a L2— соответственному вто-
рому произведению. Таким образом
lx.l2= л/2.
ПРАКТИЧ. ПРИМЕНИМОСТЬ ДВУХ СОПР. ДРОССЕЛЬН. КАТУШЕК 301
Дифференциальное уравнение, характеризующее проблему
колебаний, гласит теперь просто:
г [Zi + ^2 + 2 V Ц Zj ^2 + cw dt +	— 0,
и решить его можно уравнением
•	> at
г = го е ’
которое непосредственно приводит к характеристическому
уравнению
а2, г [Li -\-L2	PCZ-i . А2] +	- а 4“	— 0,
которое дает вещественные значения для а и, значит, дает
апериодический ток в том лишь случае, когда соблюдено
условие
Г Ц ____________I 12 > ________________I________
2rCw ‘ £1+£2+2	= Cw (^+£2+2 /Л . £2)
Отсюда для требующегося успокоительного сопротивления
непосредственно получается величина
г < J_	_______!___	(40>
— 2 ]/ с“ 1 + jAf
Этот результат соответствует полному сопряжению обеих,
навитых в одном и том же н апр авлении, дрос-
сельных катушек. Но мыслим также случай, когда обе катушки
навиты друг против друга, так что М становится отрицатель-
ным. Ясно, что тогда вместо L\ -\-2М нужно повсюду
подставить Zi-|-^2 — 2М. В этом случае для успокоительного
сопротивления получается величина
73.	Практическая применимость двух сопряженных дрос-
сельных катушек.
Весьма легко убедиться, что практически нельзя восполь-
зоваться решением уравнений (40а). Всегда желательно будет
иметь устройство, при котором.
,
301
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
а отрицательные успокоительные сопротивления немыслимы.
Вторая самоиндукция сглаживает фронт волны. Она должна
иметь определенную величину; можно допустить, чтобы с нею
были сопряжены накладные расходы, но пропускать нормаль-
ный рабочий ток она должна без значительного расхода на-
пряжения. Первая самоиндукция L] преграждает путь блужда-
ющей волне и сбрасывает ее на успокоительное сопротивле-
ние. Когда она становится больше Л2> то, разумеется, влечет
за собою неприятные добавочные накладные расходы, но, кроме
того, вызывает неприятное добавочное падение напряжения
при нормальном режиме.
Все эти рассуждения применимы в самой общей форме
к двум защитным дроссельным катушкам. Из них уже в до-
статочной мере явствуют почти все трудности этой запутан-
ной проблемы. Становится понятным, отчего так долго
заставляет себя ждать ее практически приемлемое решение.
Рассмотрим теперь вторую возможность полного сопряже-
ния навитых в одном и том же направлении катушек. Уравне-
ние (40) показывает к ней путь. Пойти по этому пути можно,
так как он допускает любые соотношения между защитными
индуктивностями.
При убывающем отношении
А
успокоительное сопротивление приближается к предельному
значению	,	/——
Но заодно с Li оно само становится очень небольшим и может
стать неосуществимо малым, ибо шунтированная дроссельная
катушка сама обладает омическим сопротивлением, которое
в действительности уже включено параллельно к ее самоиндукции.
Но можно с успехом выбрать, например,
и тогда получается
что будет довольно удобно осуществить.
ПРАКТИЧ. ПРИМЕНИМОСТЬ ДВУХ СОПР. ДРОССЕЛЬН. КАТУШЕК 3O3
Мы как будто набрели на приемлемое решение. Но при
желании сразу же перейти к ее конструктивному осуществле-
нию, мы наталкиваемся на значительные затруднения, с виду
совершенно непреодолимые. Их необходимо рассмотреть.
Можно ли вообще достигнуть полного магнитного сопряже-
ния? Едва ли. Задачу могло бы решить применение общего
железного сердечника, но железный сердечник сразу же лишает
дроссельную катушку того неоценимого преимущества, каким
с точки зрения защиты от перенапряжений обладает неизмен-
ная индуктивность, а именно того преимущества, что она
всегда одинаково реагирует на сколь угодно высокие волно
вые напряжения.
Отказавшись по необходимости от железного сердечника,
можно смешать витки обеих дроссельных катушек. Но тогда
в непосредственной близости друг к другу
оказываются очень различные потенциалы,
возникает весьма большая опасность про-
боя и создается новая угроза для уста-
новки, могущая стать еще злее той, с ко-
торой защитное устройство призвано бо-
роться.
Совершенно ясно, что инженера-произ-
водственника нельзя удовлетворить, если
просто перенести опасность пробоев между
витками с трансформатора на дроссель-
ную катушку. Он охотно заплатит за одну,
а если нужно, то и за две надежные дроссельные катушки,
но отнюдь не пожелает иметь целый склад дроссельных ка-
тушек, с тем, чтобы сменять их так же, как плавкие предо-
хранители.
Итак, полностью сопряженными дроссельными катушками
воспользоваться невозможно, как ни заманчивы они теорети-
чески. Невозможно это, во всяком случае, без общего желез-
ного сердечника, который не был бы источником новых опас-
ностей в смысле пробоев, если бы, например, насадить на
каждую из двух его колонн по одной катушке согласно рис. 115.
Прежде, чем рассмотреть эту нелегкую возможность, нам
нужно еще непременно исследовать, не решают ли проблемы
304
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
две дроссельные катушки, совершенно не зависящие друг от
друга в магнитном отношении. Очевидно, это было бы прак-
тически наиболее приемлемое решение.
74.	Последовательное соединение двух в магнитном отно-
шении независимых дроссельных катушек.
Коль скоро нет никакой магнитной зависимости между обеими
дроссельными катушками, исчезает также взаимная индукция
между ними. В общее уравнение проблемы нужно тогда
ввести
М\2 == ^21 == = О*
И тогда получается для собственных колебаний начального
контура трансформатора уравнение
£1.£2$ + r(£1+L2)gJ + ^+^ = O.
Для него опять-таки можно с успехом испробовать ре-
шение
.	. at
l=lo В •
Оно приводит к характеристическому уравнению
Ai. А2 а3 + г (А1 + ^э) 0(2 +	• а4~ 7Г” = 0»
Это кубическое уравнение дает только при совершенно
особых условиях вещественные значения для а, гарантируя
тем самым апериодическое затухание тока. Если написать его
в форме
“2 +
М-2,2.Сю - °’
а3 -р г
^1 +Аа
I
^3-
“ +
то посредством введения новой переменной р:
« = г
М ~Н ^2
Li . £з
его можно по общеизвестному способу освободить от квадра-
тичного члена:
₽ + [те - т	йй’ -
__	1____^1+^2 I	r 1 ___ л
з £2 С, Li L2 “Г £,.£2.CwJ - u-
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДРОССЕЛЬНЫХ КАТУШЕК 305
Условие для трех вещественных корней этого уравнения,
которым, понятно, гарантируются в то же время три вещест-
венных значения а, гласит:
1 /	|-1 г Lj-j-Lg	г ”|2
27 \	. L2/	6 L>2 Cw L. . Ц 2 Li L2 Cw J
или, по преобразовании,
Результат весьма неутешителен. Квадратный корень
У (1-8 -У}3
т 64 \ Lr J
должен иметь вещественное значение для того, чтобы теоре-
тическое решение было выполнимо. Оно выполнимо, очевидно,
только при условии, чтобы
L. > 8L.
В предыдущем параграфе мы уже установили, что все го-
ворит против возможности придать шунтированной дроссель-
ной катушке большую самоиндукцию, чем нешунтированной.
И такое неудачное соотношение, какое необходимо в данном
случае, очевидно, недопустимо в виду падения напряжения
при нормальном режиме.
Различные возможности совместного действия двух дрос-
сельных катушек, одной шунтированной и одной нешунтиро-
ванной, рассмотрены нами теперь с достаточной полнотою.
Мы видим ясно, что о применении не зависящих друг от друга
в магнитном отношении катушек не может быть и речи, по-
тому что они мешают нормальной работе, когда сколько-нибудь
способны сглаживать блуждающие волны. Мы видим также,
что полное сопряжение обеих катушек сулит очень хорошие
результаты, но может быть выполнено только посредством
общего железного сердечника, для чего нужно пожертвовать
неизменяемостью индуктивностей.
Эксплоатация трансформаторов	20
ЗОб	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Среднего пути нет. Чем слабее магнитная связь, тем хуже
становится необходимое соотношение между величинами обеих
индуктивностей. Кроме того, сколько-нибудь значительного
сопряжения практически достигнуть трудно, если не применить
железа.
О. Bohm 9, изучивший различные возможности успокое-
ния колебательного контура, исследовал еще другие схемы
без дальнейшего успеха. Судя по всем этим данным, прихо-
дится либо найти исход в очерченном здесь кругу, либо окон-
чательно стать на точку зрения, изложенную в § 71, возло-
жив дальнейшее попечение на конструктора трансформаторов.
Закончить на этом обзор проблемы перенапряжений, зна-
чило бы оставить неудовлетворенным читателя. Несомненно,
в наших установках едва ли действуют волны с совершенно
отвесным фронтом, сама линия дальней передачи значительно
его смягчает. Несомненно и то, что опасность резонанса
в начальном контуре трансформатора часто бывает устранена.
Но защита, направленная только против одной из этих двух
опасностей, остается все же недостаточной. Современная тех-
ника повсюду вводит достаточную степень безопасности, она
не может обнаружить нетребовательность в столь важном
вопросе.
В действительности она очень нетребовательна. Слишком
часто она более чем снисходительна, когда возникает вопрос
о надежности трансформаторной подстанции. Это—вынужден-
ная нетребовательность, и значительно более строгие правила
безопасности последних лет доказывают, что инженер-произ-
водственник подавлен чувством неуверенности.
Пробои трансформаторов являются, к сожалению, очень
частым в эксплоатации случаем; они вызывают крупные на-
кладные расходы, чувствительно повышают стоимость экспло-
атации. Решение должно быть найдено и поэтому будет най-
дено. Недовольство в кругу потребителей больших районных
станций может стать опасным уже потому, что оно справед-
ливо. Право на существование крупных установок не может быть
скомпрометировано отсутствием небольшого защитного прибора.
’) Arch. f. Elektrotechn., 1917, Н. 12.
ДВОЙНАЯ ДРОССЕЛЬНАЯ КАТУШКА С ЖЕЛЕЗЫ. СЕРДЕЧНИКОМ 307
75.	Двойная дроссельная катушка с железным
сердечником.
Не мешает заметить, что как раз в недавнее время уда-
лось при помощи так называемого катодного осциллографа
подтвердить правильность суждений, которые первый выска-
зал О. Bohm относительно опасностей резонанса в начальном
контуре трансформатора и которые изложены в предыдущих
параграфах. В журнале „Elektrizitatswirtschaft", № 413 за
1926 год, D. Gabor опубликовал важные данные по этому
предмету. Таким образом, под теорию нашей проблемы под-
ведено, повидимому, столь прочное основание, что попытка
найти практическое решение имеет значительные шансы на
успех.
Путь к такому решению, в сущности, предуказан. Нужно
иметь непременно две дроссельные катушки, одну шунтиро*
ванную для успокоения начального контура, другую — нешун-
тированную для сглаживания фронта волны. Считаясь с рас-
ходами, а главное—с падением напряжения при нормальном
режиме, шунтированную индуктивность нужно сделать значи-
тельно меньше нешунтированной. Обе дроссельные катушки
должны поэтому находиться во взаимной, по возможности
полной магнитной зависимости. Чтобы они при этом не могли
сами порождать новые опасности пробоев, они должны быть
насажены на общий железный сердечник так, как это пред-
ложено на рис. 115.
Железный сердечник как будто совершенно необходим.
Но и почему бы нам стараться обойтись без него? Потому,
что он губит неизменяемость индуктивностей? Так ли уж это
опасно, чтобы надо было любою ценою стремиться к устра-
нению железа?
Для успокоительного сопротивления, необходимого при
полном сопряжении обеих в одну и ту же сторону навитых
катушек, мы нашли величину
20*
308	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Железный сердечник дает индуктивностям возможность
изменяться. Но их отношение L^zLi не изменяется. Положе-
ние уже не так опасно, каким оно кажется на первый
взгляд.
Впрочем, в нашей проблеме индуктивности фигурируют и
каждая самостоятельно. Изменяемость шунтированной само-
индукции имеет следствием изменяемость успокоительного
сопротивления г; заодно с L2 изменяется степень защиты,
степень смягчения фронта волны.
Если индуктивности рассчитаны для определенного насы-
щения железа, то-есть для определенного волнового тока, то
при более сильном волновом токе, то-есть при более высоком
волновом напряжении, фронт волны будет сглажен в меньшей
степени, между тем как ему бы следовало тогда, в сущности,
сгладиться в большей мере. Подобным же образом, по мере
усиления волнового тока, успокоительное сопротивление будет
все больше приближаться к допустимому пределу. Оно может
стать слишком большим. Ко всему этому еще присоединяется
влияние нормального рабочего тока, который, конечно, тоже
воздействует на насыщение и может иметь некоторое мгновен-
ное значение в тот краткий промежуток времени, которым
располагает волна.
Но все же не всегда железо так непостоянно в своей маг-
нитной проницаемости, как склонен это допускать привыкший
к высоким насыщениям конструктор. Напротив, при незначи-
тельных насыщениях оно, повндимому, довольно постоянно.
А чем слабее насыщение железного сердечника дроссельных
катушек, тем совершеннее их сопряженность.
Сквозь эти соображения брезжит одна идея. В основу рас-
чета обеих дроссельных катушек следовало бы положить
максимальный волновой ток, какого можно ждать, плюс макси-
мальное значение нормального рабочего тока, и при том так»
чтобы насыщение железа все еще не доходило до колена
в кривой его намагничения.
Если такое решение возможно, если ему не противится ни
одно важное требование эксплоатации, то это и есть искомое
решение. Таким образом, дальнейшее исследование нужно
вести только в этом направлении.
ДВОЙНАЯ ДРОССЕЛЬНАЯ КАТУШКА С ЖЕЛЕЗН. СЕРДЕЧНИКОМ 309
Железный сердечник обеих дроссельных катушек должен
иметь известное сечение Fe (кв. см) при известной длине
железа Ze (см). Этими двумя величинами он вполне опре-
деляется. Согласно первой предпосылке, его насыщение ни
в коем случае не должно превосходить определенного значе-
ния BQ, которое, повторяем, должно быть выбрано ниже
колена на кривой намагничения.
Если при этих условиях сделать одну дроссельную катушку
из wi, а другую—из ш2 витков, так чтобы гарантировано
было желательное отношение индуктивностей
Л» __ (
Ц \ wi J '
то нужно еще так определить w2, чтобы возникла необходи-
мая индуктивность L2. Очевидно,
/ —	• Fe • И 10-8 генои
JL/2 — ю •----------• Ач/ I снри,
если р—магнитная проницаемость железного сердечника в пре-
делах от нуля до Bq гауссов. Но индуктивность L2 должна
иметь величину, определяющуюся из уравнения (37).
Если обозначить через J амперов максимальное значение
нормального рабочего тока плюс наибольший ожидаемый вол-
новой ток и, осторожности ради, вести расчет еще так, как
будто успокоительное сопротивление совсем не будет откло-
нять волнового тока, то получается условие
0^4*	(^1+^2) г
Отсюда:
F.-l. i Ъ (1 +	 10>куб.см.
\IOOO/
Совершенно очевидно, что на сердечник надо затратить
некоторый минимум железа.
Пример. 100 к И/4-трансформатор для 10000 вольт, тот же,
который рассмотрен в предыдущих примерах, нуждается
в защитной самоиндукции 10 миллигенри для сглаживания
фронта волны.
3io
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Волновое сопротивление обмотки мы считали равным
40-1440 = 57600 омов,
оно понижает набегающие волновые токи до значение, кото-
рые, несомненно, меньше 1 ампера.
Максимальное значение нормального рабочего тока будет
составлять
IOOOOO	о с
—=--------. V 2 2Z 8,5 амперов.
У 3 ioooo
Осторожности ради, надо положить
J= 10 амперов.
Если, кроме того, взять отношение
^2 __ С
Л - э
и ограничить плотность силовых линий
В = 7000 гауссами,
при чем получается, приблизительно, для хорошего железа
Н = 3000,
то нужно затратить
10.10-3 (l-J-0,2)2	ltf^000 . 102 = И. 103 куб. см,
тъ-естъ приблизительно 80 кг железа.
Решение как будто выполнимо, но у него есть большие
недостатки.
Отнюдь недостаточно удерживать плотность силовых линий
ниже определенной границы, ибо пример показывает ясно, что
рабочий ток проявляется в весьма сильной форме. Если
волна прибывает как раз в момент прохождения через нуль
рабочего тока, то насыщение в железе должно опуститься до
небольшой доли предельной величины, а заодно с ним—и ма-
гнитная проницаемость, ибо она, как известно, очень резко
изменяется как раз при слабых насыщениях. Сперва она
возрастает быстро, а затем медленно убывает при продол-
жающемся росте плотности силовых линий.
ОБЗОР ПРОБЛЕМ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
311
Если принять эту изменяемость в расчет, то легко убе-
диться, что с железным сердечником решение все-таки непри-
емлемо, по крайней мере—приемлемо не в той форме, кото-
рую мы до сих пор имели в виду. Но конструкцию можно
значительно улучшить, если ввести надлежащий воздушный
зазор в путь силовых линий, как это исполнено, например,
на рис. 116.
Если придать воздушному зазору ширину 3 сантиметров, то
/ __4* vtf-Fe .п-8
^2 — — . -у-- 10 генри.
— +*
Р
Изменяемость индуктивности не выхо-
дит теперь из рамок, в которых изме-
няется выражение
-4-8.
р 1
к
1 п
Очевидно, следует позаботиться о том, рис
чтобы
1е
Р
никогда не становилось чересчур большим по сравнению с 8,
при чем воздушный зазор тоже должен быть достаточно мал,
дабы из-за него не пострадала сопряженность обеих дроссель-
ных катушек. Но всегда есть возможность так подобрать
размеры, чтобы индуктивность La не могла колебаться больше,
чем, например, на 1ОО°/о, и этим можно было бы удоволь-
ствоваться с точки зрения требований эксплоатации. Осуще-
ствить это решение, несомненно, тем легче, чем меньше ма-
ксимальный волновый ток разнится от максимального значения
нормального рабочего тока.
76.	Обзор проблем перенапряжения. Заземление нулевой
точки.
Повидимому, решение достигнуто, хоть и нелегкое реше-
ние. Опыт должен показать, может ли указанный путь, запа-
тентованный автором, привести к полному разрешению про-
блемы перенапряжений.
312
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Сама трансформаторная обмотка подвержена еще другим
опасностям со стороны напряжения, опасностям немалым.
Они подлежат ведению одного только конструктора. Он дол-
жен найти и он найдет способы их устранения, после того
как учение об эксплоатации устранит внешние опасности и
добьется от защитных устройств всего того эффекта, на какой
они способны.
После того, как мы столько внимания уделили важной
частной проблеме, необходимо еще раз обозреть всю проблему
перенапряжений. Прежде чем закончить изучение опасностей,
которыми они грозят, нужно позаботиться об исчерпании
вопроса.
Мы исследовали три группы перенапряжений: исходящие
от земного поля, вызываемые выключением и вызываемые
включением. Высоту первых ограничивают разрядники, высоту
вторых — масляные выключатели, высота третьих может до-
ходить до удвоенной высоты рабочего напряжения.
Если высота перенапряжения ограничена удвоенным зна-
чением рабочего напряжения, что, повидимому, достижимо, то
нужно еще предотвратить местную опасность перенапряжения,
как следствия крутого фронта волны. Ее устраняет дроссель-
ная катушка, но применение этой катушки сопряжено с новою
опасностью—резонанса. Только посредством защитного устрой-
ства из двух сопряженных дроссельных катушек можно рас-
считывать на преодоление этой последней трудности.
Но есть еще одна грозная опасность перенапряжений,
с которою необходимо считаться, которая, в сущности, отно-
сится ко всем трем перечисленным группам, но с трудом
может быть сопричислена к нормальным перенапряжениям, и
страшна своим коварством. Ее открыл, изучил и успешно
устранил Петерсен. Это—опасность прерывистой заземля-
ющей дуги.
Разряды в землю неизбежны. В протяженных сетях они
должны происходить часто. Это своего рода неприрученные,
неумышленные коммутационные процессы. В момент сообще-
ния с землею возникает волна, как при всяком другом вклю-
чении. Но место неумышленного включения никак не опре-
делено. То оно образуется тут, то там. Ток сообщения
ОБЗОР ПРОБЛЕМ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
313
с землею включается совершенно неправильно, еще непра-
вильнее он выключается: заземляющая дуга обрывается, когда
колеблющееся рабочее напряжение становится низким. Ток
сообщения с землею на беду не совпадает по фазе с напря-
жением, которое его гонит; перенапряжение при перерыве
дуги должно быть опасным.
Дуга повторно зажигается, когда рабочее напряжение
снова возрастает, после чего опять обрывается. Происходят
непрерывные включения и выключения. Никакого масляника
в этом месте нет. Положение еще ухудшается, как это дока-
зал Петерсен, усилением емкостного заряда линии. Неоспо-
римым образом установка, а заодно и соседние трансформа-
торные подстанции подвергаются при возникновении таких за-
земляющих дуг серьезной опасности.
Исходя из места сообщения с землею, эта опасность
распространяется и на трансформаторную обмотку, в которую
устремляются волны включения и выключения. Повышение
заряда линии тоже должно оказывать свое действие вплоть
до зажимов трансформатора, приключенного к линии. На
трансформаторной подстанции необходимо иметь устройство,
которое бы являлось защитой от этой опасности.
Вполне надежным средством является, повидимому, заземле-
ние нулевой точки трансформаторной обмотки. Всякое сооб-
щение с землею превращается тогда в короткое замыкание
соответственной фазы, а поэтому выключается масляником.
Но с двумя трудностями сопряжено осуществление этой идеи:
нулевая точка не всегда доступна,—соединение треугольником,
очевидно, препятствует этому решению,—и масляник не сразу
прекращает сообщение с* землею, а лишь спустя определенное
время выдержки. Наконец, инженер-производственник будет
возражать против того, чтобы всякая заземляющая дуга вы-
зывала короткое замыкание.
Соединение треугольником только с виду является непре-
одолимым препятствием. Трансформаторы для передачи энер-
гии не включаются треугольником. Не имело бы смысла по
концам линии дальней передачи устанавливать соединенные
треугольником трансформаторы: ведь неравномерности в на-
грузке фаз имеют только местное значение и практически
$ 14	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
утрачивают его для всей установки в целом. Малые же осве-
тительные трансформаторы приключены к распределительным
сетям рядом с силовыми и достаточно будет, если один транс-
форматор воспримет ток сообщения с землею. Тем не менее,
под этим углом зрения соединение треугольником имеет не-
достаток.
Гораздо серьезнее обе другие трудности—время выдержки
у автомата и отрицательное отношение инженера-производ-
ственника к излишним, слишком частым коротким замыканиям.
В виду этих трудностей приходится отказаться от простого
заземления нулевой точки трансформаторной обмотки.
Однако, идею заземления нулевой точки можно развить.
Нет препятствий к тому, чтобы нулевую точку обмотки зазем-
лить через не слишком малое сопротивление. Это полезно
в двояком отношении: на ток сообщения с землею масляник
будет реагировать до того, как этот ток достигнет силы тока
короткого замыкания и фаза тока сообщения с землею,
почти чисто емкостного по своей природе, улучшится, чем
будет затруднено повторное зажигание дуги. И действительно,
заземление нулевой точки через омическое сопротивление
оправдалось на практике.
Но в таком случае еще лучшие результаты сулит заземле-
ние через дроссельную катушку, ибо тогда не только будет
ограничена сила тока сообщения с землею, но значительно
улучшена фаза тока. Это решение надо, поэтому, исследовать
подробно.
77.	Заземляющая катушка.
Когда в трехфазной линии дальней передачи возникает
сообщение с землею, через сопротивление заземляющей дуги
R струится в землю ток. Он обладает всеми признаками вол-
нового тока, поскольку нулевая точка соседнего трансформа-
тора тем или иным способом не заземлена. Но заземление ее
через самоиндукцию создает замкнутую цепь, по которой и
проходит тогда ток сообщения с землею.
По этой же самоиндукции проходят еще и другие токи.
Каждый из трех проводов линии имеет определенную емкость
Се относительно земли. Три емкостных тока тоже устремляются
ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ КАТУШКА
ЗИ
через самоиндукцию к нулевой точке трансформатора, а от-
туда, через три фазные обмотки,—к трем проводам линии.
Возникает схема рис. 117. На ее основе можно произвести
расчет. Правда, индуктивность обмотки тоже, повидимому,
играет значительную роль. Поэтому нужно предварительно
выяснить, как учесть значение этой индуктивности.
Легко при этом прийти к тому, несколько неожиданному,
результату, что принять в расчет требуется только обусло-
вленную рассеянием самоиндукцию обмотки. Главный поток
трансформатора не терпит нарушения. Сообщение с землею
не отражается на треуголь-	__________________
нике напряжений, приложен-	I	__
ных к трансформатору.	L	'
Индуктивность рассеяния,	<	5
как это будет видно, мала	* Т Се
по сравнению с требующеюся	А £=т=
индуктивностью заземляю- [______________________________[
щей катушки. Ею можно пре-
небречь без ущерба для пра-
вильности расчета. Впрочем, можно одну треть ее величины
прибавить к заземляющей индуктивности и тем самым ввести
ее в расчет.
По поврежденной фазе проходят, как указано выше,
ток сообщения с землею i[ и емкостный ток i\. Очевидно,
и общий ток
= *1 + h •
Пусть в поврежденной фазе действует напряжение
El = Е sin (оз/ -[ а) •
Тогда
A	+	= Е sin (о^ + а),
а у обеих других фаз
A.	C^-dt = E sin И + а + 120)
е/ е
316
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
<4*1 + *2+ &
dt
4- Ztt- dt = E sin (otf + a + 240).
Оба последних уравнения в сумме дают
2£+ у ,,+Ja + /3 dt = f^-E sin Ы+a),
потому что
£ sin (<&t -|- a -j- 120) -р- Е sin (atf a “F 240) — — E sin (a/ a).
Ho
так что по введении тока заземляющей катушки
г’1 4" f*2 + h = i
остаются два простых уравнения:
2£е^4-у*^-Л = г;/?+у*2кЛ —Е sin (<»t + a)
" Lt^	= — i\R 4-E sin
Продифференцировав их сумму
мы получаем
и теперь можно подставить
•'__Е sin (<&t 4- а)_	&
1 Я ~RdT9
так что получается
от cPi X Le	i _Еsin fat + a)
RCe +	— RCe
(41)
Вместо этого выражения можно также написать
nr d2i j di 1 i ___________________ d
edP^~RCe di~T~Ce — dt
j^C-cos H+«4-a)
ЗАЗЕМЛЯЮЩАЯ КАТУШКА
317
и тогда сразу видно, что ток сообщения с землею можно вы-
числить, руководствуясь эквивалентным контуром тока, состоя-
щим из последовательно соединенных самоиндукции 3£е, оми-
Г
ческого сопротивления —rq~ и емкости Се, и находящимся
под напряжением
cos (arf+* + a)= sin (arf 4- а - -1).
Это сразу дает нам силу продолжительного тока в зазем-
ляющей катушке
I =-----,	 		= • Sin (<uf 4- a — - — <р),
г» А / / L \2	/	Т \2	2
R&C . 1/ I — | 1 ( Зю J-------?—]
\ RCe I \ е ШСе /
при чем
ЗшЛе—^7
tgV = Le
-RC~
Но целью вычисления является не определение тока в за-
земляющей катушке, а определение тока сообщения с зем-
лею ir Определить его позволяет уравнение (41):
+	£coSH + a-^-<f)
R R V +
ИЛИ
г	cos (ш/ 4- а — — — ср)
в упрощенном виде:
Е sin? /2|	ч
cos (atf a — ср).
Ток сообщения с землею можно совершенно подавить-,
если сделать так, чтобы
sin? = О,
что связано с условием
Зф£ =-^.
е <оСе
3i8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Вынужденные колебания тока заземляющей катушки обу-
словлены, разумеется, собственным колебанием, которое опре-
деляется уравнением
ЗА — -к —— А J- — — О
dfl+ RC, -dt+ Ct
Для него решением является выражение
1 — + *о е ,
если под г0 понимать начальное значение тока в заземляющей
катушке, и оно приводит к характеристическому уравнению
3£. 1>, + -и7? + -гг=<>.
которое при
ЗшЛ = —~
е
принимает упрощенный вид
£2 + Ь. «20 + Ш» = 0.
Итак,
Собственное колебание, несомненно, апериодично, потому
что индуктивное сопротивление заземляющей дроссельной
катушки значительно превышает сопротивление заземляющей
дуги. Разумеется, ток сообщения с землею очень быстро за-
тухает. Он разряжает только поврежденную фазу.
Обратившись снова к характеристическому уравнению для
продолжительного тока, проходящего по дроссельной катушке,
мы легко найдем для максимального значения, которого
вообще может достигнуть этот ток, если индуктивность ка-
тушки выбрана правильно,
Он втрое больше емкостного максимального тока при
нормальном: режиме между проводом и землею, то-есть очень
умерен по своей силе.
ДЕЙСТВЕННОСТЬ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЙ КАТУШКИ
319
78.	Действенность заземляющей катушки.
Заземляющая катушка, судя по результатам только что при-
веденного исследования, представляет собою весьма энергич-
ное средство защиты от опасностей заземляющих дуг, если
только она рассчитана правильно. Ее индуктивное сопро-
тивление должно равняться утроенному емкостному сопроти-
влению одного фазного провода относительно земли. Тогда
поврежденный фазный провод апериодично разряжается
в чрезвычайно короткое время и приобретает потенциал земли.
Работа тем временем беспрепятственно продолжается.
Разумеется, сообщение с землею должно быть затем устра-
нено и указатели сообщения с землею на трансформаторных
подстанциях должны сигнализировать повреждение. О том, как
важно применение таких указателей, говорить не приходится.
С применением заземляющей катушки связано еще одно
немаловажное преимущество. Блуждающие волны, несущие
в себе атмосферные заряды, пользуются всеми тремя фазными
проводами, как параллельными путями. Достигнув нулевой
точки трансформаторной обмотки, они поэтому должны бы
полностью отразиться, не будь нулевая точка заземлена.
Отражение атмосферных блуждающих волн в нулевой
точке обмотки вызывает, разумеется, удвоение напряжения.
Правда, фронт волны уже сильно сглажен, когда нулевая
точка, наконец, достигнута, но подъем волны сразу же стано-
вится вдвое круче.
Заземляющая катушка замыкает накоротко путь атмосфер-
ных блуждающих волн в конце, то-есть в нулевой точке об-
мотки, правда, через самоиндукцию Le. Полезно проверить,
какие это имеет последствия. При этом рекомендуется иметь
в виду худший случай и допустить, что параллельно бегущие
ветви волны прибывают в нулевую точку с крутым фронтом.
Пусть будет их напряжение £*, волновое сопротивление
одной фазной обмотки = Z2. Из трех фазных обмоток прибы-
вают тогда в нулевую точку три равных волновых тока,
силою по
Е
-=- амперов.
А
320
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В этот миг к заземляющей катушке прилагается напряже-
ние 2Е, Оно, конечно, повышается на 2Л£, ибо волна прело-
мляется как в обмотке, так и в земле. В заземляющей само*
индукции, которую мы представляем себе сосредоточенной,
струится удвоенный преломленный волновой ток г2.
Таким образом:	2 (£ + Л£) = Lt
и	^>2	^2
а отсюда следует:	2E=L1^ + ^i2.
Решение гласит:	Z2 [	J
и	Lt	= 4£e ~ W' -
Блуждающая волна медленно разряжается через заземляю*
щую катушку, напряжение
Рис. и8.
нулевой точки относительно земли
затухает по показательной кри-
вой. Когда блуждающая волна
прибывает в нулевую точку уже
значительно сглаженная, зазем-
ляющая катушка действует, разу-
меется, идеально.
В этом легко убедиться, если
предположить, например, что фронт
волны повышается прямолинейно,
и поэтому считать
E = kt>
где к — постоянная.
Тогда
2	+
* dt 1 з 2
ДЕЙСТВЕННОСТЬ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЙ КАТУШКИ
32 I
Решение гласит:
-z^l1 8
Оно соответствует диаграмме рис. 118. При этом
L <Ц^=6кЬ,1
е л	—zT\
Напряжение и ток в дроссельной катушке возрастают мед-
ленно (рис. 118).
Эксплоатация трансформаторов
21
VIL ОХЛАЖДЕНИЕ.
79.	Проблемы охлаждения.
В сущности, только конструктор обязан заботиться о над-
лежащем отводе развивающейся в трансформаторе теплоты.
Он должен сконструировать его так, чтобы при заданной пол-
ной нагрузке установленные правилами безопасности пределы
температуры не превышались нигде, ни в железном сердеч*
нике, ни в обмотке, ни в масляной ванне.
К сожалению, до сих пор еще принято на этом простом
основании отмахиваться от проблемы охлаждения, и инженер-
производственник считает неоспоримым, что она его совер-
шенно не касается. Он забывает, что в помещении, где транс-
форматор работает, температура не должна превосходить пре-
дела, равным образом установленного правилами безопас-
ности, и что на это в праве рассчитывать конструктор.
Забота о температуре помещения, несомненно, относится
к обязанностям инженера-производственника, и учение об
эксплоатации должно настоятельно ему напомнить об этом.
Но если даже тем самым проблема охлаждения вступает в круг
эксплоатационных проблем, то вопросом о температуре внутри
трансформаторной подстанции она не исчерпывается. Суще-
ствует еще целый ряд проблем охлаждения, которые касаются
как конструктора, так и инженера-производственника и должны
быть разрешены ими сообща, то-есть согласованно.
В сущности, уже и проблема осветительного трансформа-
тора была не в малой своей части проблемой охлаждения.
Ей же сродни проблемы преходящих нагрузок, справляться
с которыми должен, несомненно, каждый инженер-производ-
ственник.
ПРОБЛЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
323
Но в общих чертах инженеру-производственнику должна
быть знакома вся проблема нагревания трансформатора. При
его эксплоатации часто возникают затруднения, которые нужно
понимать и устранять.
Начать эту часть учения об эксплоатации нужно со сжа-
того описания явлений охлаждения, происходящих в трансфор-
маторе. Нужно выяснить на что рассчитывает, на что должен
рассчитывать конструктор. Нельзя допускать, чтобы охлажде-
ние тормозилось в какой-нибудь установке неудачным устрой-
ством.
Отсюда сама собою возникает проблема вентиляции транс-
форматорной камеры, а это, конечно, чисто эксплоатационная
проблема. Как она ни важна, ею часто пренебрегают. Не ред-
кость и ныне встретить совершенно неудовлетворительное
охлаждение камер.
Из проблемы трансформаторной камеры возникает еще
одна весьма важная и также весьма еще неразработанная
проблема, а именно, выбор способа охлаждения крупных транс-
форматоров. Водяное охлаждение и естественное масляное
охлаждение почти всегда осуществимы и инженер-производ-
ственник должен высказаться в пользу того или другого.
Как мы видим, существует действительно целый ряд вопро-
сов охлаждения, решить которые обязано учение об экспло-
атации. Да и странно бы было, если бы инженер-производ-
ственник оставался совершенно равнодушен к проблеме, кото-
рая за последние десятилетия потребовала таких огромных
усилий от конструктора.
Всякий конструктор, которому доводилось много заниматься
эксплоатационными затруднениями, знает, что часто прихо-
дится вести борьбу с совершенным невежеством в области
учения об эксплоатации. В небольших установках еще и теперь
рука дежурного служит столь же неприятным, сколь негодным
термометром. В очень многих установках все еще трансфор-
маторы подвергаются временно невероятным перегрузкам.
Голоса, восхваляющие „старое время", когда трансформаторы
выдерживали всё, не умолкают и поныне.
Надо же, наконец, и инженеру-производственнику безого-
ворочно согласиться с тем, что единственный экономически
21*
324
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
правильный метод — это приблизить вплотную к пределу
нагревания допустимую продолжительную нагрузку Нельзя
допускать, чтобы вследствие небрежности, с какою многие
инженеры - производственники определяют номинальную мощ-
ность трансформатора, когда заказывают его, ценные и
дорогие материалы работали при плохом коэффициенте исполь-
зования в бесчисленных установках.
Когда инженер - производственник добивается от своих
трансформаторов всего, что возможно и допустимо, то он
поступает вполне правильно. Но для этого требуется полное
знакомство с важными вопросами охлаждения, входящими
в состав учения об эксплоатации.
В учении о конструкции трансформаторов удалось, наконец,
поставить проблему охлаждения на научную основу и отодви-
нуть в сторону грубую, исключительно эмпирическую технику.
Проблема охлаждения, с точки зрения конструктора, решена.
В книге „Die Transformatoren" я подробно изложил ее для
конструктора. Пора снабдить также инженера - производствен-
ника точными сведениями о касающихся его вопросах охла-
ждения.
Только таким путем можно оградить от многих неприят-
ностей эксплоатацию, но тем самым и конструктора, жертву
многих несправедливостей. Для правильного проектирования
трансформаторных подстанций ясное понимание проблем
эксплоатационного охлаждения прямо-таки необходимо. Иначе
не избегнуть неправильных устройств.
80.	Отвод теплоты и его явления.
Работающий трансформатор все время расходует в своем
железном сердечнике и в своей обмотке энергию, которая
проявляется в форме теплоты и поддерживает температуру
материалов на уровне, превышающем температуру среды. Рас-
ход энергии отчасти зависит от нагрузки. Потери в железе
практически не изменяются, потому что зависят только от
напряжения; потери в меди пропорциональны квадрату тока
нагрузки.
Считаясь с чувствительностью изолирующих материалов,
главным образом—хлопчатой бумаги, йрименяемой для оплетки
ОТВОД ТЕПЛОТЫ И ЕГО ЯВЛЕНИЯ
325
обмоточных проводов, конструктор и инженер - производствен-
ник должны следить за тем, чтобы нигде в трансформаторе тем-
пература продолжительно не превосходила известного предела.
В главе III мы уже видели, что кратковременные повыше-
ния температуры сверх допустимого предела неизбежны при
коротких замыканиях. Правда, речь идет здесь только о секун-
дах. Умышленные перегрузки всегда длятся дольше. Они не
должны влечь за собою превышение допустимой температуры.
Конструктор должен иметь в виду худший случай и пред-
полагает, поэтому, продолжительные нагрузки. Для этого худ-
шего случая он затем определяет максимально допустимую
нагрузку. Так получается номинальная мощность и вместе
с нею — максимальные, продолжительно допустимые потери
в железе и в меди.
Как же трансформатор избавляется от этой теплоты? Оче-
видно, что в каждую единицу времени он должен отдавать
столько же теплоты, сколько ее развивает. Всякое ее накопле-
ние неминуемо выразилось бы в повышении температуры.
Значит, должен возникнуть тепловой поток, имеющий свои
источники повсюду в железе и в меди и, практически говоря,
кончающийся, в сущности, на поверхности железного сердеч-
ника и обмотки.
Но это только часть—так называемая внутренняя часть—
всего теплового потока. На указанном пути он, очевидно,
струится на подобие тока в проводнике, следуя, как и элек-
трический ток, закону Ома, благодаря чему поверхность
обмотки и железного сердечника приобретают известное зна-
чение, так как этот тепловой ток потребляет тем большее тем-
пературное напряжение, чем длиннее его струи и чем меньше
его сечение.
Достигнув поверхности нагревающегося тела, тепловой ток
разветвляется. Одну часть подводимой теплоты горячая поверх-
ность путем излучения передает более холодным поверхностям
окружающих трансформатор инородных тел, например, стенкам
трансформаторной камеры. Остальная теплота еще стекает
вначале, в виде внешнего теплового тока, с горячей поверх-
ности в более холодное масло или более холодный воздух,
которые окружают трансформатор.
326
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Как воздух, так и масло нагреваются. Они плохо проводят
теплоту и должны ее поэтому накоплять. Но в масляном или
воздушном слое, нагревавшемся от соприкосновения с горячей
поверхностью трансформатора, мгновенно возникает восходя-
щий охлаждающий ток, уносящий с собою теплоту. Таким
образом конвекция теплоты становится чрезвычайно важным
явлением.
Покамест инженер - производственник, если речь идет о
масляном трансформаторе, может еще быть безучастным. На
конструкторе лежит обязанность подумать о том, куда масля-
ный конвекционный ток будет уносить теплоту и будет ли он,
действительно, передавать ее дальше. Сохранять ее он не
может. Если все время вместо уносимых нагревшихся частиц
масла не будут притекать свежие, еще холодные, то продол-
жительное охлаждение невозможно. Теплота должна покидать
и масляную ванну.
Теплое масло собирается в масляном баке в верхней части
трансформатора. Там оно приходит в соприкосновение с холод-
ными стенками бака, охлаждается, а поэтому становится тяже-
лее и опускается вниз. Масляный ток, уносящий с собою
теплоту вдоль поверхности трансформатора, и масляный ток,
отдающий теплоту вдоль внутренних стенок бака, один восхо-
дящий, другой нисходящий, образуют замкнутый ток масла,
который в своем естественном круговращении все время пере-
носит теплоту с поверхности трансформатора на наружную
поверхность бака.
На наружной поверхности бака происходит, наконец, отдача
теплоты среде, отчасти лучеиспусканием, отчасти конвекцией.
Вдоль стенок бака так же восходит воздушный ток, как
в сухом трансформаторе—вдоль его поверхности, как в масля-
ном трансформаторе—масляный ток. Этим воздушным током и
током воздуха в сухом трансформаторе конструктор интере-
суется лишь в той мере, в какой этот ток соприкасается с его
конструкцией. Позаботиться об остальном он предоставляет
инженеру - производственнику. Иначе он поступить не может.
Он ведь не знает, где будет установлен его трансформатор.
Инженер - производственник склонен, конечно, представлять
себе трансформаторную камеру просто в виде воздушного
ВНУТРЕННЯЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
327
бака, который совершенно так же, как масляный бак, воспри-
нимает вдоль своих внутренних стенок теплоту от циркули-
рующего тока воздуха, чтобы на своих внешних стенках окон-
чательно отдавать ее находящейся в вечном движении воздуш-
ной среде. Но стенки масляного бака сделаны из тонкого
листового железа, превосходно проводящего теплоту, а стенки
воздушного бака—из толстой каменной кладки, практически
нетеплопроницаемой. Т олъко железный трансфор маторный
киоск выдерживает сравнение с масляным баком. Камен-
ные же трансформаторные камеры представляют собою, оче-
видно, трудную зксплоатационную проблему, которою прене-
брегать нельзя.
81.	Внутренняя теплопроводность.
Тепловой поток в железном сердечнике или в обмотке—
это не совсем простое явление. Уже одно то придает ему свое-
образный характер, что он на своем
пути все время усиливается, оттого,
что теплота возникает в каждом
пространственном элементе меди
или железа. Далее это явление
усложняется тем, что как в желез-
ном сердечнике, так и в теле обмот-
ки теплопроводность не повсюду
одинакова. Тепловой поток в желез-
ном сердечнике должен также струиться в поперечном напра-
влении от листа к листу и при этом он попеременно наталки-
вается то на хорошо проводящее железо, то на плохо прово-
дящие промежуточные слои. В обмотке он струится в попе-
речном направлении от витка к витку. Там чередуются пре-
восходно проводящая медь и дурно проводящая изоляция между
витками.
Для начала проще всего задаться некоторою среднею
теплопроводностью и рассмотреть элемент теплового потока
с неизменным сечением, равным, например, одному квадрат-
ному дециметру (рис. 119). На пути dx (дм), на расстоянии х (дм)
от своего начала, он израсходует температурное напряжение dt
(°C), которое пропорционально dx и обратно.пропорционально
328	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
его сечению, а также обратно пропорционально теплопровод*
ности С и прямо пропорционально силе потока (ватт)
w ватт
в том месте. Если при этих условиях в единице пространства
(куб. дм) развивается теплота потерь w (вглт!куб. дм), то
-dt = ^dX,
aw
и значит по всей длине элемента / (дм):
Внутреннее температурное напряжение растет пропорцио-
нально квадрату расстояния самой горячей точки от охла-
ждающей поверхности. На этом нисколько не отражается и то
обстоятельство, что сечение внутреннего теплового потока
почти всегда расширяется по направлению к поверхности,
как это легко доказать.
Инженеру - производственнику весьма важно знать, что
внутренняя часть теплового потока подчинена этому опасному
закону. Правда, дело конструктора—так или иначе распреде-
лить все находящееся в распоряжении температурное напря-
жение, которое составляет у трансформаторов 70°С, то-есть по-
жертвовать тою или иною долею его для внутренней части
теплового потока. Но внутреннее температурное напряжение
между самой горячею точкою и поверхностью трансформатора
не должно стать слишком большим. В этом легко убедиться.
Правила безопасности ограничивают 70 градусами С,
среднее, а не максимальное повышение температуры меди,
потому что среднее повышение температуры меди легко опре-
делять на основании роста сопротивления, между тем как
максимальное не поддается измерению. Правила ограничи-
вают также повышение температуры горячего масла и тем
самым—повышение температуры на поверхности обмотки,
а именно 60 градусами С. Когда у трансформатора средняя
температура меди составляет 69°С, а повышение температуры
масла—50°С, то он только с виду находится в полном по-
рядке. Чем больше температурное напряжение между поверх-
ностью обмотки и охлаждающим средством, тем больше доба-
ВНУТРЕННЯЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
329
вочное температурное напряжение между среднею и макси-
мальною температурою меди, а эта последняя только одна
определяет собою стойкость хлопчатобумажной оплетки.
Существует только одна, легко приходящая на ум, защита
против опасных внутренних очагов теплоты. Нужно по воз-
можности сократить длину продольных элементов внутреннего
теплового потока, обмотку и железный сердечник нужно по
возможности подразделить так, чтобы охлаждающая поверх-
ность повсюду выступала вперед по отношению к внутренним
частям работающих меди и железа.
На охлаждающие каналы расходуется дорогое обмоточное
пространство. Подразделение железного сердечника и обмотки
бесспорно удорожает конструкцию, но оно безусловно необхо-
димо. На это мы уже указывали в § 5. Инженер - производ-
ственник имеет основание относиться недоверчиво ко всякой
чрезмерно компактной конструкции.
Это еще не все. Имеет также значение средняя теплопро-
водность тела обмотки, считаться с нею нужно по тем же
причинам, как и с длиной элементов теплового потока. Имеет ли
катушка из проволоки круглого сечения только воздух
в промежутках между витками, или же она пропитана отно-
сительно хорошо проводящею массою—это не безразлично.
Непропитанные катушки нехороши. Правила безопасности
говорят и о них и указывают для них более низкий температур-
ный предел. Но как раз для инженера - производственника
этот вопрос имеет совершенно особое значение, которое здесь
необходимо отчетливо выяснить.
Новейшие трансформаторы все снабжаются хорошо пропи-
танными катушками, в сечении не имеющими пустот. Для
пропитки на заводах имеется особое оборудование, которое
отсутствует в эксплоатирующих трансформаторы установках.
Инженер - производственник, своими средствами перемотав
поврежденную катушку, встраивает ее без пропитки в транс-
форматор.
Он должен подумать о том, что тем самым он понижает
для всего трансформатора предел нагревания, а значит и допу-
стимую продолжительную мощность. Слишком редко это обстоя-
тельство принимается во внимание. Самопомощь только с виду
3 3 °	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
дешева. Правильнее заменить как можно скорее непропитан-
ную катушку заказанною на заводе пропитанною. Как времен-
ная помощь, непропитанная катушка допустима, так как
позволяет продолжать работу.
82.	Лучеиспускание.
Тепловой внутренний поток кончается у поверхности желез-
ного сердечника и обмотки. Здесь он появляется с более или
менее равномерно распределенной плотностью, которая, разу-
меется, в числе других факторов, определяет собою как вну-
треннее, так и внешнее температурное напряжение.
Все же процесс заключается не просто в том, что теплота
потерь, распределенная по поверхности, которую омывает
охлаждающая среда, уже дает ту плотность потока, которая
только одна имеет значение. С лучеиспусканием дело обстоит
совершенно не так.
Теплоотдача посредством лучеиспускания происходит у
сухого трансформатора непосредственно, у масляного—только
на внешней поверхности масляного бака. Это внешнее ответ-
вление теплового потока полезно рассмотреть немного по-
дробнее.
Тепловое лучеиспускание тождественно по своей природе
со световым. С какой-нибудь внешней точки зрения я вижу,
в сущности, не самую поверхность рассматриваемого тела, а
только проекцию поверхности. По отраженной тени можна
судить только о неравномерностях поверхности, тень оболь-
щает нас относительно охвата подлинного видения. И, наобо-
рот, поверхность испускает лучи только своею проекцией на
плоскость, перпендикулярную к главному направлению излу-
чения. Трансформатор с его обмотанной поверхностью испу*
скает лучи только цилиндрической поверхностью, облекающей
его обмотку. Масляный бак из волнистого железа испускает
лучи как гладкий бак. Железный сердечник испускает лучи так,
словно он не составлен из отдельных листов, а сделан из
цельного куска.
Возьмем небольшой сухой трансформатор с простым разме-
щением обмотки, с Vk ваттами потерь в меди и определен-
ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ	331
ной охлаждающей поверхностью обмотки. Если мы увеличим
все его размеры в х раз и нисколько не изменим его геоме-
трической формы, то мы при той же плотности тока в меди
и той же плотности линий в железе получим мощность, уве-
личившуюся в х4 раз. Потери в меди будут составлять Vk. х3,
охлаждающая поверхность возрастет в х2 раз. Очевидно* что
плотность теплового потока на охлаждающей поверхности
увеличилась в х раз.
Отсюда непосредственно явствует вся трудность проблемы
охлаждения. Легко понять, что по мере роста мощности охла-
ждающую поверхность нужно снабжать все более подразде-
ленною обмоткою. Крупные трансформаторы, несмотря на
искусственное охлаждение, снабжаются множеством малых
катушек.
Но плоскость проекции обмоточной поверхности, которая
одна только имеет значение для лучеиспускания, никакими
средствами не может быть избавлена от подчинения закону
роста. Обмотка испускает лучи всегда одинаково, независимо
от того, состоит ли она из одной или из нескольких катушек.
Таким образом ясно, что по мере роста мощности тепло-
отдача посредством лучеиспускания все больше должна отсту-
пать на задний план по сравнению с конвекцией тепла. При
сколько-нибудь больших трансформаторах — у масляных транс-
форматоров то же происходит на поверхности бака — тепло-
вое излучение падает до нескольких только процентов от
общей теплоотдачи.
Тем не менее, нельзя совершенно пренебрегать, особенно
у малых трансформаторов, излучающим ответвлением внешнего
теплового потока. Ь^о раз это установлено, то ясно, что инже-
нер-производственник должен все же уделить этому явлению
некоторое внимание. Конструктор задается предположением, что
трансформатор может испускать лучи совершенно свободно,
иными словами — что он со всех сторон окружен охлаждаю-
щими поверхностями, температура которых совпадает с тем-
пературою воздуха. Этому предположению должны соответ-
ствовать условия эксплоатации.
Если в эксплоатации два небольших трансформатора уста-
новлены бок-о-бок, то они лишаются значительной доли луче-
332
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
испускания. Они обращены друг к другу большими поверхно-
стями равной температуры, между которыми невозможен тепло-
обмен.
Картина сразу же весьма улучшается, если между обоими
трансформаторами вдвинуть прохладную переборку камеры.
Правда, чем больше мощность обоих трансформаторов, тем
безвреднее взаимное подавление теплоты. Но весьма неприят-
ным может стать это явление, когда малый трансформатор
установлен рядом с большим.
Лучеиспускание можно с достаточной точностью сделать
пропорциональным температурному напряжению между излу-
чающей и воспринимающей лучи поверхностями. Поэтому
у малых сухих трансформаторов обращенные друг к другу
плоскости катушек обладают значительно меньшим действием,
нежели свободные наружные плоскости: первые могут рассчи-
тывать почти исключительно на конвекцию, вторые же излу-
чают полностью.
К этому различию относится несколько расплывчатое поня-
тие „действующей" поверхности сухого трансформатора. По
этой же причине измеряют температуру поверхности в про-
межутках между катушками, когда отыскивают опасные места.
Железный сердечник и обмотка могут быть опасны друг
другу в силу лучеиспускания. Когда железный сердечник дол-
жен отдавать теплоту только своими ярмами, то у него вну-
тренний тепловой поток длинен и доходит приблизительно до
середины колонн, а значит у него температура высока в менее
доступном наблюдению месте. Там обмотка может оказаться
в большой опасности. Между обмоткою и железным сердеч-
ником нельзя прокладывать охлаждающие каналы. Очень часто
это упускается из виду.
83.	Конвекция посредством движущихся охлаждающих
жидкостей.
В хорошем охлаждении главную роль играет конвекция
теплоты посредством охлаждающего масляного или воздушного
потока. Воздух и масло повсюду должны иметь достаточный
доступ к теплой поверхности; кроме того, охлаждающий поток
КОНВЕКЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ЖИДКОСТЕЙ
333
жидкости должен действительно иметь возможность не только
притекать, но и стекать.
Размещение охлаждающих каналов, промежутков между
отдельными катушками, между обмоткою и железным сердеч-
ником, — все это касается только конструктора. На заведую-
щем же эксплоатацией лежит наблюдение за охлаждающим
аппаратом и поддержание его в исправности.
Вкратце мы уже указали выше, в чем заключается конвек-
ция. Из теплой поверхности тепловой поток поступает в охла-
ждающую жидкость. Прежде всего, поэтому, имеет большое
значение теплопроводность этой охлаждающей жидкости.
Охлаждаемая поверхность не должна загрязняться. Пыль
и продукты распада масла — злые враги охлаждения. Они не
должны образовывать промежуточный слой между работающей
поверхностью и воздухом или маслом.
Трансформатор не должен быть просто предоставлен
самому себе на протяжении ряда лет. Правда, первосортные
масла загрязняются очень мало. Но время делает свое дело.
В крупных трансформаторах с внутренним водяным охлажде-
нием весьма склонны загрязняться мелко членящиеся охлажда-
ющие тела как со стороны масла, так и со стороны воды.
В хорошо построенных трансформаторах охлаждающая
жидкость искусно использована заодно в качестве изолирую-
щего средства. В отношении прочности на пробой пыль и про-
дукты разложения масла, пожалуй, еще опаснее, чем в отно-
шении надежности охлаждения. Опрятность значительно удли-
няет срок службы трансформатора.
Для конвекции имеет далее значение теплоемкость жидкости.
Чем больше тепла может накопить объемная единица жидкости
при том же повышении температуры, тем короче сможет стать
поток, проникающий в слои жидкости из теплой поверхности.
А длина этого, теплопроводностью обусловленного потока
опять-таки определяет собою, в числе других факторов, необ-
ходимое температурное напряжение на поверхности.
Масло проводит теплоту гораздо лучше воздуха, у него и
теплоемкость гораздо выше что дает значительное превосход-
ство маслу при конвекции, вследствие значительной разницы
между удельными весами масла и воздуха.
334
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Поэтому введение масляного охлаждения в трансфор маторо-
строение означало весьма удачное решение проблемы охлажде-
ния. Оно же решало и проблему изоляции. Те трудности,
которые умножаются на поверхности обмотки по мере увели-
чения мощности, просто устраняются маслом. Впрочем, они
снова возникают на поверхности масляного бака.
Но для поверхности масляного бака можно довольно сво-
бодно подобрать надлежащую форму. Теоретически ее можно
в любой мере увеличить, придавая ей волнистость. Масляная
ванна, поэтому, не только дает трансформатору свободно раз-
вивать свою мощность, но и позволяет сразу же заметным
образом повысить плотность тока в меди.
Площадь проекции поверхности бака подчинена, как уже
упоминалось, строгому закону роста. Поэтому, по мере уве-
личения мощности, отношение действительной поверхности
бака к площади проекции должно неизменно возрастать: волны
становятся все глубже. Например, при 2000 kVA уже трудно
ограничиться глубиною волн в 300 мм.
Волнистость бака расходует масло. Естественное масляное
охлаждение сопряжено с растущими накладными расходами.
Давление закона роста не прекращается. В конце-концов, при
достижении определенной мощности, возникает необходимость
применить по экономическим причинам еще более интенсивное
охлаждение.
Конвекция теплоты посредством естественного, естественно
циркулирующего тока жидкости, зависит еще от одного фак*
тора — от скорости, с какою перемещаются нагретые частицы
жидкости. Воздушный ток гораздо подвижнее масляного. Он
проходит несколько дециметров в секунду, тогда как масля-
ный ток—только несколько миллиметров. Тем не менее, масло,
разумеется, еще сохраняет значительное превосходство.
Сопротивления течению весьма зависят от внутреннего
трения. Для воздуха эти сопротивления представляют собою
как бы заданную величину. Иначе обстоит дело с маслом.
Чем теплее становится масло, тем оно подвижнее, тем лучше
оно охлаждает. Если в порядке приближения можно считать
конвекцию теплоты в воздушной ванне пропорциональною
температурному напряжению на поверхности, то в масляной
ЗНАЧЕНИЕ НАДЛЕЖАЩЕЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
335
ванне получается почти пропорциональный квадрату темпера-
турного напряжения рост конвекции.
Масло лучше приноровляется к нагрузке. Оно способствует
преодолению временных перегрузок. Но от него еще требуется
определенная вязкость, которую инженер-производственник не
должен упускать из виду, заказывая масло. По многим при-
чинам на масло надо смотреть, как на требующий тщатель-
ного обращения эксплоатационный материал, по отношению
к которому мнимая бережливость неуместна.
-84. Значение надлежащей вентиляции трансформаторной
камеры.
Конвекцию теплоты на поверхности трансформатора кон-
структор рассчитывает так, что контролирует гидравлически
тот короткий участок охлаждающего потока жидкости, который
находится в соприкосновении с теплою поверхностью. Для этой
части потока он знает движущую силу и сопротивления
течению.
Если трансформатор стоит в очень просторном помещении,
то и вправду дальнейшая забота об охлаждающем воздушном
потоке излишня. Он имеет возможность расширяться, ему при-
ходится бороться только с внутренним воздушным трением,
после того, как значительное трение об охлаждающую по-
верхность устранено; он отдает и остальному воздуху свою
теплоту в силу теплопроводности.
Испытательная лаборатория большого завода, строящего
трансформаторы,—это всегда очень просторное помещение.
Поэтому при испытании охлаждение трансформатора затруд-
нений не встреча т, если он был рассчитан с соблюдением
указанных выше принципов. Но потом он поступает в экспло-
атацию, будучи установлен в маленькой камере, и часто ока-
зывается в совершенно иных условиях, при которых его
конвекционный ток затруднен. Следствием этого очень легко
может явиться неспособность к работе безупречной, вообще
говоря, конструкции, а затем—тягостный спор между инжене-
ром-производственником и конструктором.
Конструктор не может действовать иначе. Он не знает,
ззб
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
бы согласиться с тою точкою зрения, что должен принорав-
ливаться к трудностям каждого отдельного случая. Это
было бы с его стороны большою ошибкою в экономическом
отношении. Поэтому, он должен требовать, чтобы в трансфор-
маторной камере конвекционному потоку гарантировано было
беспрепятственное развитие.
Так возникает важнейшая в учении об эксплоатации про-
блема охлаждения. Несмотря на ее важность, ею слишком
часто и слишком грубо пренебрегают. С виду она очень
трудна, ибо, в сущности, является проблемою воздушной
циркуляции. Но в действительности не трудно найти надежные
отправные точки, и при надлежащем желании практическое
решение задачи всегда достижимо в удовлетворительной
форме.
Прежде всего надо иметь в виду, что через каменные
стены трансформаторной камеры отвод развивающейся в ра-
боте теплоты невозможен. С другой стороны, она не может
оставаться в самой камере. Инженеру - производственнику
весьма полезно будет убедиться в этом на основании простого
расчета.
Трансформатор при полной нагрузке развивает V ватт
потерь. Если бы теплота потерь должна была накопляться
в трансформаторной камере, содержащей Q куб. м. воздуха,
то эта теплота повысила бы весьма быстро и в совершенно
недопустимой степени температуру помещения. Каждый куби-
ческий метр воздуха весит приблизительно 1,25 кг и один
килограмм воздуха расходует одну киловатт-секунду, когда
нагревается на 1°С. По истечении каждого часа полной на-
грузки температура воздуха повышалась бы, следовательно, на
3600 . V . ю~3 ор
• Q
Пример. Пусть 100 ^VA-трансформатор, имеющий 3000
ватт потерь, установлен в закрытой камере, содержащей
25 куб. м воздуха. Повышение температуры воздуха за час
составляло бы
3600 . 3000 • ю 3
1,25 • 25
- 345° С!
НАДЗОР ЗА ОХЛАЖДЕНИЕМ
353
устроить термометр так, чтобы при определенной максималь-
ной температуре он замыкал цепь сигнализации или даже вы-
нуждал автомат выключиться.
Имея в эксплоатации искусственно охлаждаемые трансфор-
маторы, инженер-производственник должен с самого начала
озаботиться возможностью полного контроля за производи-
тельностью охлаждающего устройства. Практические испыта-
ния под нагрузкой гораздо полезнее простых указаний постав-
щика. Искусственно охлаждаемый трансформатор*—это машина,
которою надо владеть вполне при желании полностью ее ути-
лизировать.
К сожалению, во многих установках проблема охлаждения
находится в крайнем пренебрежении. Большинство трансфор-
маторов поступают в работу без предварительных испытаний
в отношении их нагрева. Очень многие трансформаторы ра-
ботают вначале с небольшою нагрузкою, остаются поэтому
холодными. Когда позже нагрузка сильно возрастает, срок га-
рантии обычно уже истек.
Приемку трансформатора следовало бы производить осно-
вательно, то-есть испытывать его и на нагрев. И не только
на нагрев. Если в испытательной лаборатории он оказался
в порядке, то после установки в камере его надлежало бы
испытать еще раз, чтобы заодно проверить исправность вен-
тиляции.
Так поступают очень редко. И покуда такие испытания не
войдут в практику, тягостные споры между поставщиком и
заказчиком будут неизбежно повторяться. К этому присоеди-
няется еще то обстоятельство, что весьма часто вместо транс-
форматора, сделавшегося недостаточно мощным, устанавли-
вают больший. Пусть вентиляция была раньше в порядке»
позже она становится слишком слабой.
Весь вопрос нагревания страдает и от того, что инженер-
производственник недостаточно помнит о чувствительности
хлопчатой бумаги, которою оплетены проволоки трансфор-
матора. Он недостаточно серьезно относится к уверению, что
при продолжительном превышении 110°С хлопчатая бумага
быстро разрушается. Он не вполне этому верит, потому что
этого не видит. Распад происходит незаметно и в результате
Эксплоатация трансформаторов.	23
354
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
случается пробой от витка к витку, единственный несчастный
случай, против которого нет защиты.
Что как раз в этом случае защита от сверхтоков не всту-
пает в действие и обрекает на гибель всю обмотку, это
только справедливо. Почти всякое внутреннее короткое замы-
кание объясняется какою-нибудь ошибкою инженера-производ-
ственника. При фабрикации дефекты случаются редко, к тому же
испытание обнаруживает их. Защита от сверхтоков и от
перенапряжения заботится об остальном. По мере усовершен-
ствования защиты все больше суживается круг, охватываю-
щий инженера-производственника. Он же, конечно, виноват и
в плохой защите трансформатора.
Быть может, и правила безопасности как раз по вопросу
о нагревании обнаруживают чрезмерную снисходительность.
Не потому, что они допускают слишком большие повышения
температуры в работе. И не потому, что ограничивают не
максимальное, а среднее повышение температуры меди. Тем,
что и повышение температуры масла находится под контро-
лем, обеспечена надежность, в которой нуждается эксплоата-
ция. Но правила эти слишком невнимательны к вентиляции.
Они ограничивают температуру воздуха в рабочем поме-
щении 35 градусами Цельсия и предписывают, что термометры
на расстоянии 1 и 2 м от трансформатора не должны пока-
зывать большей температуры. При этом термометры должны
быть ограждены от всякой циркуляции воздуха.
В каждой трансформаторной камере заметное движение
воздуха происходит и на указанных расстояниях. Иначе вен-
тиляция была бы немыслима. Правда, скорости воздуха не-
значительны. Едва ли они достигают больше 1 или 2 деци-
метров в секунду. Но все-таки воздух перемещается.
Совершенно ясно, что правило это предполагаетлабораторное
испытание на нагрев. Но именно поэтому оно недостаточно
учитывает потребности подлинной работы. Впрочем, не так-то
легко придумать тут улучшение,—пусть бы даже решено было
предписать, чтобы в самой камере производилось испытание транс-
форматора на нагрев, прежде чем он поступит в эксплоатацию.
Поставщик мог бы, конечно, прибегнуть к самопомощи и
сам потребовать этого испытания на нагрев. Тем самым он
ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННАЯ РАБОТА 355
предохранил бы себя от многих неприятностей. Правда, он
должен бы сам тогда интересоваться трансформаторною каме-
рой. Этот трудный вопрос рано или поздно должен быть ре-
шен основательно.
91. Повторно-кратковременная работа.
Проблема охлаждения еще представляет некоторые детали,
которым в предыдущих параграфах не уделено внимания,
потому что там имелась в виду только полная нагрузка. Есте-
ственно, что в первую очередь надо всегда интересоваться
худшим случаем. Но для учения об эксплоатации важны и
другие случаи.
Правда, удовлетворительное решение труднейшей проблемы
как будто должно распространяться и на все другие. Если
охлаждающее устройство работает удовлетворительно при
полной нагрузке, то оно будет справляться со своей задачей
и при меньших нагрузках.
Это несомненно верно. Но уже исследования, приведенные
во второй главе, показали, что существуют еще другие важ-
ные для эксплоатации случаи, подлежащие рассмотрению.
Сюда относятся все временные (прерывистые) нагрузки, в том
числе, разумеется, и исследованная уже нами световая
нагрузка.
Случается порою, что трансформатор периодически нагру-
жается и разгружается. В период разгрузки он имеет время
охладиться. Будучи нагружаем с перерывами, он, несомненно,
может развивать большую мощность, чем нормально.
Теория прерывистой работы стара. Она посвящена была
своеобразным условиям нагревания. Но она исходит из пред-
положения, что трансформатор представляет собою однород-
ное тело, а это безусловно не соответствует действительности.
Наоборот, обмотка и масляная ванна, как это показало нам
исследование световой нагрузки во второй главе, следуют
весьма различным законам времени.
В самом деле, при исследовании прерывистой работы
трансформаторов не мешает соблюдать большую точность и
считаться с тем, что нагревание обмотки весьма отличается
от нагревания масляной ванны. Это позволяет получить важ-
23*
356	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ные результаты. Как раз для инженера-производственника
важно знать, чего может он добиться от трансформатора.
Искусственно охлаждаемые трансформаторы образуют осо-
бую группу, которую мы уже рассмотрели. Если уже приме-
нено механическое охлаждающее устройство, то оно должно
быть регулируемо. Тем самым проблема уже решена.
Что же до масляного трансформатора с естественным
охлаждением, то при меняющейся нагрузке картина у него
такова. Температура масляной ванны колеблется лишь незна-
чительно, она очень медленно следует за нагрузкой. Несо-
размерно скорее изменяется температурное напряжение между
теплым маслом и теплою медью.
Полезно обратиться к помощи нескольких чисел. На на-
ружной поверхности бака для охлаждающего воздушного по-
тока и лучеиспускания имеется в распоряжении температур-
ное напряжение приблизительно в 45—50°С. На внутренних
стенках бака охлаждающееся масло расходует только не-
сколько градусов Цельсия. Поэтому теплое масло в верхней
части трансформатора теплее воздуха при полной нагрузке
приблизительно на 60°С.
Это в действительности не наивысшее повышение темпе-
ратуры масла. На горячей поверхности трансформатора темпе-
ратура убывает по направлению вглубь масла. Масляная кон-
векция теплоты требует температурного напряжения на по-
верхности от 10 до 15°С. Охлаждающий масляный ток нагре-
вается в среднем только наполовину, на 5—7,5°С, непосред-
ственно на поверхности трансформатора масло теплее на дру-
гую половину, то-есть на 5—7,5° С, чем наверху, под крыш-
кою бака, где температуры уже сравнялись.
Если, таким образом, поверхность обмотки на 5—7,5%
теплее, чем теплое масло над трансформатором, то у внут-
реннего теплового потока в катушках имеется в распоряже-
нии еще только несколько градусов Цельсия, от 5 до 2,5° С-
Впрочем, в действительности допустимо двойное температур-
ное напряжение, ибо 70 градусами Цельсия ограничена сред-
няя, а не максимальная температура меди.
Для проблемы прерывистой работы получается, таким об-
разом, сложное уравнение, если даже считать температуру
ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННАЯ РАБОТА
357
масла неизменной. Внутреннее температурное напряжение
в обмотке изменяется пропорционально квадрату мощ-
ности. Температурное напряжение на поверхности обмотки
приблизительно пропорционально мощности. Масляная конвек-
ция, как уже упоминалось, весьма зависит от вязкости масла.
Постоянная времени у обмотки так мала, что рассчитывать
на накопление теплоты в обмотке совсем нельзя.
Если, чтобы сделать расчет возможным, допустить, что тем-
пература масла неизменна, и принять далее нормальную мощ-
ность за единицу, то, обозначая через
— повышение температуры масла (°C),
Дт0 я— половину температурного напряжения конвекции теп-
лоты на поверхности обмотки (°C),
Аг—половину внутреннего повышения температуры в
обмотке (°C),
мы получим уравнение
Ат^4“ Ат0.х 4- Ат. . х2 70
при ti секундах продолжительной л-кратной нормальной на-
грузки и t2 секундах продолжительной разгрузки, а также при
том, конечно, условии, что во время разгрузки температура
масла всегда успевает понизиться до своего первоначального
значения.
Мы видим ясно, что при прерывистых перегрузках во вся-
ком случае придется работать с низким средним повышением
температуры. Если, например, принять:
= 50°С
и
Ат0 = Дт. = 6°С,
то получается
х2 х = 5,
то-есть
х = 1,8.
Для отвода теплоты потерь масло располагает временем
Л 4“ h секунд, но зато температурным напряжением, понизив-
шимся с 60 до 50° С. Следовательно,
*1 х2 = 50
*1 + *2 6О
358
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
При этом не учтено было то обстоятельство, что теплота
в железе остается без изменения и, кроме того, отвод теплоты
был принят просто пропорциональным температуре масла.
Только
4- = 2,88
ч
было бы допустимо.
Пример показывает, что возможны все-таки значительные
прерывистые перегрузки. Расчет относительно прост. Он,
разумеется, довольно груб. Но его назначение—только ориен-
тировать инженера-производственника. Точный расчет испол-
нит для него всегда конструктор, располагающий для этого
всеми необходимыми данными.
VIII. РАЗЛИЧНЫЕ ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЕ
ПРОБЛЕМЫ.
92* Проблема параллельного соединения трансформаторов.
Существует целый ряд более или менее важных экспло-
атационных вопросов, имеющих значение и для конструктора.
Им должно быть отведено место в учении об эксплоатации,
но классифицировать их неудобно. Хотя они очень различны,
их все же приходится соединить в
общую группу, потому что каждый
из них не настолько велик, чтобы
его можно было рассмотреть само-
стоятельно.
Важнейший среди них—это, несо-
мненно, вопрос о параллельной ра-
боте трансформаторов. Он уже давно
разрешен. Есть у него, однако, дета-
ли, все наново приводящие к разно-
гласиям между инженером - производ-
ственником и конструктором и, поэтому, заслуживающие
рассмотрения.
Параллельное соединение двух трансформаторов сопряжено
с одною только трудностью, которую надо себе уяснить. Обе
параллельно соединенные обмотки образуют вместе с соеди-
няющей их зажимы частью линии замкнутую цепь с первич-
ной и с вторичной стороны (рис. 120). По этой цепи, для
того, чтобы инженер-производственник был доволен, ток не
должен проходить, ибо этот внутренний ток никакой работы
в сети не производит и только нагревает бесполезно обмотку.
Вот и вся проблема. Решить ее можно только так: все на-
пряжения этой цепи должны в сумме давать нуль. Это, правда,
выглядит проще, чем оно есть в действительности. Если бы
Збо	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
уравновешивать друг друга должны были только индуцируе-
мые главным силовым потоком напряжения обмоток, то про-
блема параллельного соединения была бы проста. И она дей-
ствительно проста при холостом ходе. Коэффициенты транс-
формации у обоих трансформаторов можно надежным образом
уравнять. Но при нагрузке возникают падения напряжения.
В виде разности между общими падениями получается напря-
жение, которое может проявиться в замкнутых цепях обмоток.
Проблема сразу же поддается упрощению, если обойти
вниманием трудности, которых можно избегнуть. Поскольку
мы допускаем, что порождаемые главным силовым потоком
напряжения обмоток можно надежным образом уравнять, нам
нет надобности в дальнейшем считаться с ними. Тогда остается
лишь позаботиться о равенстве падений напряжения в парал-
лельно соединенных обмотках.
Для инженера-производственника, впрочем, вопрос стоит
несколько сложнее. Он знает только данные, фигурирующие
на щитке, и на основании таких данных, относящихся к уже
установленным у него трансформаторам, заказывает новые
трансформаторы, которые желает соединить параллельно со
старыми. Необходимо указать ему на одну кроющуюся в этих
данных опасность.
Согласно новейшим правилам V. D. Е. (Союза Германских
Электротехников), щиток указывает номинальное вторичное
напряжение так, что оно находится с номинальным первичным
напряжением в точно таком же соотношении, в каком нахо-
дятся между собою числа витков обеих обмоток. Это вторич-
ное напряжение, очевидно, соответствует холостому ходу.
У старых трансформаторов зачастую указано на их щитках
вторичное рабочее напряжение, то-есть вторичное напряжение
при полной нагрузке и при нормальном сдвиге фаз, например,
при cos<?zz0,7 или 0,8. Поэтому может случиться, что фирме
будут сообщены при заказе неверные данные. Этого можно
избегнуть при надлежащей внимательности.
Исследование проблемы параллельного соединения можно
еще больше упростить. Нет никакой надобности первично и
вторично исследовать замкнутую в себе цепь обеих парал-
лельно соединенных обмоток. Совершенно достаточно пред-
ДОПУСТИМЫЕ И ИЗЛИШНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 361
ставлять себе все падения напряжения происходящими только
с вторичной стороны, потому что первичные падения на самом
деле тоже трансформируются. Таким образом, безупречная
параллельная работа требует соблюдения только такого про-
стого условия: у обоих параллельно соединенных трансфор-
маторов общие падения напряжения должны быть равны при
номинальных мощностях.
Условие это только с виду совпадает с конструктивным
условием равенства напряжений короткого замыкания. Под
напряжением короткого замыкания понимают, как известно, то
напряжение, которого как раз хватает
на то, чтобы пропустить через транс-
форматорную обмотку номинальный
ток. Оно составляет несколько процен-
тов от рабочего напряжения и в та-
кой именно форме указано на щитке.
Равные напряжения короткого за-
мыкания могут, но не должны
гарантировать безупречную парал-
лельную работу. Ведь они характери-
Рис. 121.
зуются не только своими значениями,
но и фазами. От безупречной параллельной работы надо ожи-
дать совпадающих по фазе токов нагрузки в обоих трансфор*
маторах. Если же эти токи нагрузки вызывают хотя и равные
по величине, но различные по фазе общие падения напряже-
ния, то в замкнутой цепи обмотки все же получается неко-
торое напряжение, как это легко усмотреть из рис. 121 (обо-
значения см. на стр. 366).
Теперь понятно, почему старая теория параллельной ра-
боты требовала, помимо равных напряжений короткого замы-
кания, еще и равных омических падений напряжения, при чем
это последнее требование подразумевало, конечно, и равен-
ство индуктивных падений напряжения. Тут безусловно должно
сказать свое слово учение об эксплоатации.
93* Допустимые и излишние параллельные соединения.
Весьма легко отказаться от предположения, будто транс-
форматоры равновелики, и рассмотреть проблему параллель-
362	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
ного соединения в самой общей форме, так что мощность
каждого из них тогда уже не играет роли. Для замкнутой цепи
обмоток сила токов нагрузки не имеет значения; имеют его
только падения напряжения. Если эти падения напряжения,
будучи выражены в процентах от рабочего напряжения, равны
между собою при требующемся распределении нагрузки, ко-
торое, разумеется, должно соответствовать обеим номиналь-
ным мощностям, то все в порядке.
С этой общей точки зрения требование старой теории
параллельной работы, каким оно изложено в предыдущем па-
раграфе, совершенно неприемлемо для конструктора. Он не
может построить большой и малый трансформаторы с одина-
ковыми, выраженными в процентах, омическими сопротивле-
ниями. Мы уже знаем из § б, что отнесенные к мощности
потери в меди убывают, в пределах одной серии, пропорцио-
нально корню четвертой степени из мощности. Инженеру-
производственнику, ссылающемуся на старые требования тео-
рии, следует указать на это обстоятельство.
С другой стороны, конструктор не может требовать от
инженера-производственника, чтобы тот включал параллельно
только равновеликие трансформаторы. В сущности, даже та-
ким требованием он не мог бы ограничиться, так как равно-
великие трансформаторы, построенные различными фирмами,
обладают обычно не совсем одинаковыми потерями в меди.
Но это еще не все. У равновеликих трансформаторов
одной и той же фирмы омические падения напряжения обычно
одинаковы. Такое обязательство принимает на себя всякий
конструктор. Но можно ли быть уверенным, что индуктивные
падения напряжения тоже будут у них равны? Ни один добро-
совестный конструктор не может ответить утвердительно на
этот вопрос. Он несомненно должен будет признать, что не
имеет возможности заранее вычислить напряжение короткого
замыкания точнее, чем с допуском приблизительно в 15°/о-
При таком положении вещей учение об эксплоатации обя-
зано констатировать, что подлинной, безупречной параллель-
ной работы вообще не существует, и инженеру-производствен-
нику следует, наконец, примириться с этим фактом. Совер-
шенно бесцельно с его стороны упрекать конструктора в том,
ДОПУСТИМЫЕ И ИЗЛИШНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 363
что нагрузка в параллельной работе распределяется не вполне
равномерно.
Правилам безопасности V. D. Е. пришлось в полной мере
учесть действительное положение вещей. Они считают парал-
лельную работу безупречной, когда напряжения короткого за-
мыкания у обоих параллельно работающих трансформаторов
отклоняются от своего среднего значения не больше, чем
на + 1О°/о. Тем самым они допускают расхождение между
обоими напряжениями в размере 2О°/о.
Правила безопасности рекомендуют не пускать в про-
должительную параллельную работу трансформаторов, номи-
нальные мощности которых находятся в соотношении, пре-
вышающем 3:1. Тем самым они указывают инженеру-произ-
водственнику, что нет возможности строить трансформаторы
различной величины с одинаковым, выраженным в процентах»
омическим падением напряжения.
Если, таким образом, как бы сам закон санкционирует не-
безупречную параллельную работу, потому что иначе посту-
пить не может, то дальнейшая, весьма важная, задача учения
об эксплоатации заключается в том, чтобы объяснить инже-
неру-производственнику, с возможностью каких отклонений
от идеала надлежит ему считаться.
Очень часто устраиваются совершенно излишние парал-
лельные соединения. Порою таким соединением стараются
обойти вопрос резерва. Требующуюся мощность подразделяют
на две или три частичные, возлагая их на два или три парал-
лельно работающих трансформатора, и достигают этим воз-
можности, без всякого иного резерва, даже в случае повре-
ждения одного трансформатора, частично продолжать эксплоа-
тацию при помощи остальных.
Такие параллельные соединения не вполне оправданы не-
обходимостью. Иначе обстоит дело, если мощность колеблется,
то-есть, если на некоторое время хватает одного трансформа-
тора, а при увеличении нагрузки нужно приключить к нему
второй. Тут поводом к подразделению мощности является же-
лание понизить потери холостого хода.
В обоих описанных случаях решить вопрос должна, в сущ-
ности, смета. Смета эта может быть вполне правильна лишь
364	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
при том условии, чтобы учтены были также неудобства парал-
лельной работы, которых следует ждать.
Два трансформатора сами по себе дороже, чем один, рав-
ный по мощности им обоим. Из § 3 мы знаем, что отнесенная
к мощности цена в пределах одной и той же серии убывает
приблизительно пропорционально корню четвертой степени
из мощности. Да и потери при двух трансформаторах больше.
Они подчинены тому же закону роста, как и цена. Наконец,
два трансформатора требуют больше места, двойной аппа-
ратуры.
Весьма вероятно, что при правильном составлении смет
исчезли бы очень многие параллельные соединения работающих
бок-о-бок трансформаторов или, по крайней мере, их ста-
рались бы избегать. Конструктор был бы тогда огражден от
многих неприятностей, как, впрочем, и сам инженер-производ-
ственник.
Не подлежит никакому сомнению, что трансформаторные
подстанции все еще сооружаются в достаточной мере опро-
метчиво. При их проектировании инженеры руководятся просто
чутьем и, к сожалению, производят слишком мало сравни-
тельных подсчетов. Правда, многие станции расширяются лишь
постепенно. И только с течением времени на них появляются
тогда установленные рядом, параллельно работающие транс-
форматоры.
94.	Установленные рядом, параллельно работающие транс-
форматоры.
Но только такие, бок-о-бок работающие трансформаторы
делают проблему параллельного соединения такою трудною
и неприятною. Словно сама природа упорно старается демон-
стрировать неправильность подобных установок и диктовать
правильное, прямое решение. Параллельно соединенные транс-
форматоры работают очень хорошо, когда они разобщены
большими участками сети, которую питают в нескольких пунктах.
Тогда ведь они представляют собою эксплоатационную необхо-
димость.
Чем же обусловлено это значительное и на первый взгляд
странное различие? Объяснить его нетрудно. Участок сети,
ПАРАЛЛЕЛЬНО РАВОТАЮЩИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Зб5
расположенный между зажимами трансформаторов, тоже соста-
вляет часть замкнутой в себе цепи обмотки. Он тоже обладает
сопротивлением. Он тоже может вызвать падение напряжения.
Чем он длиннее, тем сильнее его действие, тем легче ему
сгладить разность между напряжениями короткого замыкания
обеих трансформаторных обмоток.
Когда два трансформатора, работая параллельно в двух
достаточно удаленных друг от друга пунктах, питают общую
сеть, то они распределяют между собою снабжение током
разобщающего их участка таким образом, что замкнутая цепь
обмоток остается без тока. Большего от них и не требуется.
Впрочем, оба они должны еще работать по возможности равно-
мерно.
Еще спокойнее протекает эксплоатация, когда на общую
сеть работает несколько трансформаторов. Распределение на-
грузки является тогда их общим делом и районы работы все
время смещаются при включении и выключении трансфор-
маторов.
Только тогда, когда параллельно работают установленные
рядом трансформаторы, между ними нет нагрузки, подлежащей
распределению. Только в этом случае проблема параллель-
ного соединения возникает перед нами в полном объеме. Ее
необходимо подробно исследовать в той форме, какую она,
к сожалению, способна принимать.
Если для начала попытаться найти общее решение только
что поставленной проблемы параллельного соединения, обходя
вниманием влияние соединяющей трансформаторы части сети,
то легко притти к выводу, что попытка эта должна натолк-
нуться на большие затруднения. Тем не менее, важно хотя бы.
ориентироваться в задаче.
Лучше всего предположить для начала, что оба трансфор-
матора нагружены правильно, то-есть полным своим током.
Разумеется, нужно также допустить, что оба тока нагрузки
совпадают по фазе, как это всегда должно происходить при
безупречной параллельной работе.
Однако, падения напряжения в обмотках, возникающие при
таком безупречном распределении нагрузки, в общем случае
не равны между собою. Задача сводится к тому, чтобы опре-
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

JjJCj
Рис. 122.
366
делить напряжение, действующее в замкнутой цепи обмоток,
и заодно внутренний уравнительный ток, который, слагаясь
с первоначально принятыми токами нагрузки, определяет собою
окончательные нагрузки при несовершенной параллельной
работе.
На диаграмме рис. 122 токи нагрузки Ji и J2 при идеаль*
ном ее распределении совпадают по направлению с осью
ординат. То же направление имеют омические падения напря-
жения /1 и и J2r23 Перпендикулярно к ним
должны быть представлены индуктивные
падения Jxxx и J^x2. Напряжение Е в замк-
нутой цепи обмоток графически получает-
ся легко.
Полезно тут же рассмотреть среднее
общее падение напряжения
71 Г1 +/2 г2 71 Х1 ~\~J1 х2 >
ибо, согласно правилам безопасности, оно
является мерою расхождений, допустимых
для обоих напряжений короткого замыка-
ния или, что то же, для общих падений на-
пряжения обоих трансформаторов (рис. 122).
Уравнительный ток в замкнутой цепи обмоток, разумеется,
пропорционален напряжению Е. Он преодолевает общее сопро-
тивление
V (Г1 + Г2)2 + (*1 + хг)2.
Чтобы определить фазу уравнительного тока, нужно испол-
нить еще одно построение, для которого диаграмма рис. 122
непосредственно непригодна. В этом-то и заключается главная
доля трудностей, свойственных поставленной в общей форме
проблеме двух параллельно работающих, рядом установленных
трансформаторов.
Но для учения об эксплоатации решить проблему в общей
форме совсем и не требуется, как, в сущности, и для учения
о конструкции. Как конструктора, так и инженера-производ-
ственника интересует только худший случай.
Этот худший случай характеризуется двумя чертами. Во-пер-
вых, конечно,—максимально возможным действующим напря-
ПЕРВЫЙ ПРЕДЕЛЬНЫЙ СЛУЧАЙ
367
жением в замкнутой цепи обмоток, во-вторых,—совпадением
по фазе уравнительного тока с одним из обоих токов нагрузки,
так как такое совпадение как будто представляет собою наи-
большую опасность. В самом деле, тогда уравнительный ток
непосредственно суммируется с одним током нагрузки, уве-
личивая его силу и одновременно уменьшая в той же мере
силу второго тока нагрузки.
Наибольшего действующего напряжения в замкнутой цепи
обмоток приходится ждать в том случае, когда расхождение
между обоими напряжениями короткого замыкания в полной
мере соответствует разрешаемому правилами безопасности
допу оку. Уравнительный ток, с другой стороны, совпадает по
фазе с одним из токов нагрузки и противоположен по фазе
другому при идеальной параллельной работе, когда общие
падения напряжения обоих трансформаторов совпадают по
фазе. Действительно,
Л ri + Л г2 __ rj + г2
J1 Х1 ~\~J'1X2 Х1 + Х2
когда
Г1 : Х1 = г2 : х2.
95.	Первый предельный случай для двух рядом устано-
вленных трансформаторов.
Характеристика худшего случая, какой может произойти
при параллельной работе, еще не выходящей из предуказан-
ных правилами безопасности пределов, находится в неприят-
ной коллизии с точным смыслом правил. Ведь наибольшее
напряжение, действующее в замкнутой цепи обмоток, не тогда
получается, когда оба общих падения напряжения совпадают
по фазе и отклоняются на 1О°/о в обе стороны от среднего
значения, а когда они противоположны друг другу по фазе.
Разумеется, практически этот случай невозможен. Общие
падения напряжения не будут совпадать по фазе. Но сдвиг
фаз между ними будет все же держаться все время в умерен-
ных границах. Как бы то ни было, редакция этого правила
не вполне удовлетворительна.
Если, тем не менее, принять правило, касающееся парал-
лельной работы, таким, каково оно есть, то исследование
368	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
сразу же затрудняется в сильной мере. Худший случай не
строго охарактеризован, его нельзя поэтому непосредственна
исчерпать.
Впрочем, один путь еще открыт перед нами—рассмотреть
сначала случай совпадения по фазе общих падений напряже-
ния и прежде всего определить его последствия. Если мы затем
допустим большой сдвиг фаз между общими падениями напря-
жения, такой, разумеется, который бы не выходил за поста-
вленные действительностью границы, то можно будет выяснить
второй предельный случай.
В первом случае напряжение, которым обусловлен уравни-
тельный ток, не велико, зато уравнительный ток совпадает по
фазе с теоретическим током нагрузки или противоположен ему
по фазе. Во втором случае уравнительный ток гораздо сильнее,
зато ему сообщается сдвиг фаз. При этом сила получающе-
гося в результате общего тока определяет собою степень
доброкачественности параллельной работы, степень исполь-
зования обоих параллельно работающих трансформаторов.
Как ни прост с виду первый предельный случай, у него
есть свои трудности. Когда оба общих падения напряжения
совпадают по фазе и отклоняются вверх и вниз от своего
среднего значения на 1О°/о, то в замкнутой цепи обмоток воз-
никает действующее напряжение, достигающее 2О°/о от сред-
него значения напряжений короткого замыкания (рис. 123).
Но только в отношении двух равновеликих трансформаторов
можно из этого заключить, что уравнительный ток достигает
10% от тока полной нагрузки. В самом деле, только в этом
случае ему приходится преодолеть на своем пути проста
двойное общее сопротивление одного трансформатора.
Этот особый случай имеет практическое значение. Его
полезно рассмотреть подробнее. Он, очевидно, приводит к тому
результату, что один трансформатор принимает на себя 45%,
а другой — 55 % общей нагрузки.
Отсюда непосредственно следует, что в этом особом, допу-
стимом по правилам безопасности случае трансформаторная
группа не может быть использована полностью. Нельзя допу-
скать, чтобы один из трансформаторов был перегружен. Если,,
например, требуется возложить мощность в 200 Л1Л4 на два
ПЕРВЫЙ ПРЕДЕЛЬНЫЙ СЛУЧАЙ
369
параллельно соединенных, рядом установленных трансформа-
тора и если они должны быть равновелики, то нельзя просто
взять два 100 к 1Л4 - трансформатора. Один мог бы принять
на себя 110 kVA, другой — 90 kVA, что было бы, конечно,
недопустимо. Только при двух 110 к VA - трансформаторах
работа будет правильна.
Мы видим, что такие парные трансформаторы могут соз-
давать довольно значительные затруднения и причинять беспо-
койства инженеру - производственнику. По
счастью, как раз при двух равновеликих транс-
форматорах весьма велика вероятность того»
что расходиться между собою будут только
их индуктивные падения напряжения. Как
бы то ни было, этот случай весьма поучи-
телен. Он, несомненно, посодействует тому,
что излишние параллельные соединения ста*
нут более редки.
Если же оба трансформатора не равно-
велики, а общие падения напряжения совпа-
дают по фазе и отклоняются на 4“ 10% и на
—10% от среднего значения, то получается
еще более сложная картина. Действующее
напряжение все еще составляет, правда, одну
пятую от среднего напряжения, но теперь
преодолевать два общих сопротивления различной величины»
последовательно соединенные в замкнутой цепи обмоток.
Пусть у одного трансформатора ток полной нагрузки ра-
вен J. У второго, мощность которого должна быть в х раз
больше, ток полной нагрузки равен, конечно, х. J. Если теперь,
простоты ради, пренебречь тем, что оба напряжения короткого
замыкания, равные согласно нашему предположению по фазе,
различны по величине, то надо допустить, что у меньшего
трансформатора общее сопротивление в х раз больше, нежели
у большого.
Уравнительный ток для меньшего трансформатора в
Рис. 123.

ему приходится
Эксплоатация трансформаторов
370
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
больше, чем он был бы в том случае, если бы оба трансфор-
матора были равновелики; для большего трансформатора он в
2
7+7 Р"
меньше. Он составляет, как мы вычислили выше, 10% от тока
полной нагрузки при двух равновеликих трансформаторах, так
что теперь он будет составлять для меньшего трансформатора
1 + 7
для большего
i+x
При соотношении величин 3 : 1 это дает 15% и 5%.
Меньший трансформатор теоретически всегда в худшем
положении. Для него уравнительный ток относительно во
столько раз больше, во сколько мощность у него меньше,
чем у его сотрудника. Это естественно, так как по замкнутой
цепи обмоток циркулирует общий ток.
Понятно, что правила безопасности рекомендуют избегать
параллельной работы трансформаторов, номинальные мощности
которых находятся между собою в отношении, превышающем
3:1. Но, с другой стороны, есть и преимущество в том, что
больший трансформатор должен быть только на 5% больше,
чем в случае безупречной работы, при том, разумеется, условии,
что у него напряжение короткого замыкания меньше. Совсем
плохою становится картина нагрузок, когда добавочная на-
грузка приходится на меньший трансформатор, когда у него,
стало быть, меньшее напряжение короткого замыкания. Поэтому
правила безопасности, в случае неравенства напряжений корот-
кого замыкания, рекомендуют, чтобы большим из них обладал
меньший трансформатор.
Предельный случай совпадения по фазе напряжений корот-
кого замыкания уже достаточно ярко рисует затруднения;
связанные с параллельною работою двух рядом установленных
трансформаторов. Затруднения эти, несомненно, значительны
и в эксплоатации неприятны. Инженеру - производственнику
мало помогают уверения, что описанные случаи невероятны.
ВТОРОЙ ПРЕДЕЛЬНЫЙ СЛУЧАЙ
371
По правилам безопасности они допустимы, а, значит, и воз*
можны.
Если в рассматриваемом случае действительно два транс-
форматора должны быть поставлены вместо одного, то ничего
другого не остается, как с самого начала учесть возможные
последствия и предусмотрительно умерить общую нагрузку.
Иначе один из трансформаторов обречен на продолжительную
перегрузку и, значит, на неминуемую гибель, разве что парал-
лельная работа будет улучшена искусственными мерами, о ко-
торых речь впереди.
96.	Второй предельный случай для двух рядом
установленных трансформаторов.
Второй предельный случай допустимой параллельной работы
двух рядом установленных трансформаторов предполагает
большое расхождение обоих напряжений короткого замыкания
по фазе, при чем и по величине они могут, конечно, расхо-
диться между собою по правилам безопасности вплоть до + 10%
и —10% относительно среднего значения.
Рис. 121 не вполне соответствует этому предельному слу-
чаю. Но допустимо упростить его в значительной мере, вообще
обходя вниманием возможное неравенство напряжений корот-
кого замыкания. Тогда об этом случае можно судить просто
на основании рис. 121, хотя упрощенная векторная диаграмма
неточна.
Углу сдвига фаз о между обоими напряжениями короткого
замыкания соответствует в замкнутой цепи обмоток напря-
жение, которое в
2 sin — раза
больше среднего напряжения короткого замыкания. В дей-
ствительности оно лишь немного больше этого последнего
при сколько-нибудь больших значениях.
Мы сразу видим, что возникнуть могут сильные уравни-
тельные токи, когда оба напряжения короткого замыкания
имеют очень различный характер. Возникают они, очевидно,
и тогда, когда напряжения короткого замыкания вообще равно-
24*
372
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
велики, то-есть когда, согласно правилам безопасности, можно
было бы ждать очень хорошей параллельной работы. На этом-
то и основаны были строгие предписания старой теории парал-
лельного соединения.
Из рис. 121 сразу получается фаза уравнительного тока.
Он сдвинут по фазе на 90° относительно подлинных токов
нагрузки. Он будет, очевидно, отставать от тока нагрузки
в одном трансформаторе и опережать ток нагрузки в другом.
Если сначала рассмотреть опять особый случай двух равно-
великих трансформаторов, то надо будет, очевидно, считать,
что уравнительный ток в
• ?
sin у раза
больше нормального тока нагрузки. Поэтому общий ток в обоих
трансформаторах в _______________
]/1 + sin1’ раза
больше, чем при идеальной параллельной работе.
Опять работа неприятным образом ухудшается. При сдвиге
фаз в 60° между обоими напряжениями короткого замыкания
оба трансформатора будут перегружены приблизительно на 12 %.
Такие большие расхождения по фазе, правда, невероятны,
особенно у крупных трансформаторов, относительно которых
можно ведь ждать равенства потерь в меди, но они мы-
слимы. Трансформаторы могут быть равны по мощности,
будучи очень различны по конструкции. Потери в меди опре-
деляются производительностью охлаждающего устройства.
Масляный трансформатор выдерживает значительно большие
потери в меди при той же мощности, нежели сухой трансфор-
матор. Этот последний, со своей стороны, так как у него рас-
стояния между обмотками и катушками больше, обнаруживает
тенденцию к большим напряжениям рассеяния. Параллельная
работа трансформаторов с различными системами охлаждения
и к тому же весьма различных по времени изготовления всегда
сомнительна.
Неравенство мощностей обоих трансформаторов ничего
существенно нового не вносит в проблему. Уравнительный
ток всегда будет для меньшего трансформатора во столько
ВТОРОЙ ПРЕДЕЛЬНЫЙ СЛУЧАЙ
373
раз большею нагрузкой, во сколько мощность его сотрудника
больше, так что и на этот раз меньший трансформатор нахо-
дится в худшем положении. На этот раз его положение даже
значительно хуже, так как оба трансформатора перегружены
уравнительным током и уже не может случиться, как в первом
предельном случае, чтобы меньший трансформатор был раз-
гружен большим.
Впрочем, небольшое преимущество можно констатировать
у того трансформатора, в котором уравнительный ток опере-
жает подлинный ток нагрузки. Намагничивающий ток он как бы
получает от своего сотрудника. Но это столь незначительное
преимущество, что едва ли оно поддается практической оценке.
Результаты исследования обоих предельных случаев парал-
лельной работы двух рядом установленных трансформаторов
дают не слишком удовлетворительную картину. И при этом
мы все время предполагали, что у них коэффициенты транс-
формации совершенно равны.
Разумеется, этого выполнимого условия нужно добиваться
любою ценою. Но порою приходится все же, под давлением
необходимости, устанавливать рядом трансформаторы с неоди-
наковыми коэффициентами трансформации. Вот почему об этом
недопустимом случае следует все-таки упомянуть.
В сущности, неравенство вторичных напряжений при холо-
стом ходе ничего нового не дает. Оно имеет совершенно
такие же последствия, как неравенство общих падений напря-
жения. Ясно, что оно по этой причине должно быть очень
невелико.
Трансформатор с меньшим вторичным напряжением полу-
чает ток от сотрудника. Сдвиг фазы этого тока определяется
общим полным сопротивлением обмоток. Он будет представлять
собою опережающий ток нагрузки. Для трансформатора с боль-
шим вторичным напряжением уравнительный ток является
отстающим током нагрузки.
Этот уравнительный ток почти не зависит от величины
нагрузки. Он все время имеется налицо. Когда, кроме того,
напряжения короткого замыкания обоих трансформаторов не
равны между собою, то он слагается с подлинным уравни-
тельным током параллельной работы в общий добавочный ток
374
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
В сущности, неполное равенство коэффициентов трансфор-
мации не должно быть непременно вредным. Оба уравнитель*
ных тока, образующие общий добавочный ток, могут быть
каждый в отдельности больше общего добавочного тока. Впро-
чем, здесь есть одна трудность. Тот уравнительный ток, при-
чиною которого является неравенство напряжений короткого
замыкания, пропорционален величине нагрузки, другой же ток
от нагрузки не зависит.
Параллельно соединенные трансформаторы, между которыми
распределение общей нагрузки изменяется заодно с изменением
этой нагрузки, свидетельствуют тем самым о неравенстве своих
коэффициентов трансформации. Только в том случае, когда у
трансформатора с меньшим коэффициентом трансформации на-
пряжение короткого замыкания больше, можно при полной на-
грузке достигнуть удовлетворительной параллельной работы.
Как это видно из всего сказанного выше, в распоряжении
инженера-производственника есть удобный выход из положения,
когда параллельная работа двух установленных рядом транс-
форматоров причиняет ему слишком большие неприятности»
Впрочем — не всегда. Но в большинстве случаев трансфор-
маторы снабжены ответвлениями. Ответвления дают возмож-
ность изменять коэффициент трансформации. Когда, например,
сделаны ответвления для 4 %, то в замкнутой цепи обмоток
достижимо уравнительное напряжение в пределах до 4% от
рабочего напряжения. Когда это уравнительное напряжение
противодействует разности общих падений напряжения,—а это
может произойти особенно легко при сильном сдвиге фаз
между обоими напряжениями короткого замыкания,—то парал-
лельная работа значительно улучшается.
Правда, улучшается она только при полной нагрузке. Ука-
занное средство применимо только в ограниченной мере. Его,
поэтому, нельзя считать панацеей. Да оно и не вполне безо-
пасно и обращаться к нему позволительно только сведущему,
ясно понимающему положение, инженеру.
Как бы то ни было, из этого видно, что существуют сред-
ства улучшения неудовлетворительной параллельной работы»
В то же время это ставит нам на вид опасности, которыми
способно грозить параллельной работе наличие ответвлений.
УЛУЧШЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
375
97.	Улучшение параллельной работы посредством дроссель-
ных катушек.
Есть и другие способы улучшения неудовлетворительной
параллельной работы, — способы, свободные от того недо-
статка, каким является у предыдущего способа различное его
действие в зависимости от мощности. Все они, разумеется,
имеют целью ослабление уравнительного тока параллельной
работы.
Напряжение, действующее в замкнутой цепи обмоток обоих
трансформаторов, определяется при одном и том же коэффи-
циенте полезного действия разностью по величине или по фазе
между обоими напряжениями короткого замыкания. Конструк-
ции трансформаторов нельзя изменить после их установки:
значит, и величину уравнительного напряжения изменить нельзя.
Но уравнительный ток зависит не только от уравнитель-
ного напряжения, но и от общего сопротивления уравнитель-
ной цепи, а это сопротивление можно изменять помощью про-
стых средств. Как раз при двух рядом установленных транс-
форматорах соединяющая их часть линии имеет второстепен-
ное значение для работы. Эта соединительная часть может
содержать добавочное сопротивление, которое бы подавляло
вредный уравнительный ток.
Это добавочное сопротивление может быть как омическим,
так и индуктивным. Но лучше и энергичнее действует индук-
тивное сопротивление. В уравнительной цепи почти всегда,—
по крайней мере при больших мощностях, — преобладает
индуктивное сопротивление обмоток. Поэтому общее сопроти-
вление повысить легче в том случае, когда добавочное сопро-
тивление тоже индуктивно.
К тому же омическое сопротивление вызывает потери
энергии, при индуктивном же таких потерь почти не проис-
ходит. Избегнуть добавочных потерь очень важно.
Добавочное сопротивление, собственно говоря, имеет зада-
чей уравнять напряжения короткого замыкания у обоих транс-
форматоров. Тем самым оно становится частью той обмотки,
у которой напряжение короткого замыкания меньше. С этой
точки зрения рассчитать добавочное сопротивление нетрудно.
37 6
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Впрочем, если решиться ввести индуктивное уравнительное
сопротивление, дроссельную катушку, то немедленно возникает
одно затруднение: дроссельную катушку надо снабдить желез*
ным сердечником, иначе она слишком дорога. Между тем,
железо со своей изменяющейся проницаемостью влечет за со-
бою нежелательное непостоянство индуктивного добавочного
сопротивления.
В дроссельной катушке с железным сердечником надо сде-
лать большой воздушный зазор, который бы выпрямил ее
характеристику. Зазор этот выгодно сделать регулируемым,
чтобы в работе можно было урегулировать наилучшее распре-
деление нагрузки.
Такие дроссельные катушки оказались очень полезными для
параллельной работы. Стоят они дешево и не расходуют
сколько-нибудь значительных количеств энергии в своем неиз-
менном омическом сопротивлении. Это — хорошее решение
вопроса.
Есть, однако, один недостаток и у правильно построенной
дроссельной катушки. Напряжения короткого замыкания она
может уравнять, но не может совершенно уничтожить сдвиг
фаз между этими напряжениями. Осуществимо это только при
том условии, чтобы одновременно было введено еще омиче-
ское добавочное сопротивление.
Впрочем, требования эксплоатации так далеко и не прости-
раются. Обычно главная трудность заключается в неравенстве
индуктивных падений напряжения у обоих параллельно соеди-
ненных трансформаторов. Именно поэтому дроссельная катушка
является наилучшим и в большинстве случаев вполне достаточ-
ным средством.
Теперь у нас составилась полная картина параллельной
работы двух рядом установленных трансформаторов и она под-
тверждает выводы, сделанные нами уже из частных резуль-
татов. Инженер-производственник должен по возможности из-
бегать таких устройств, — весьма часто ненужных. Если же он
все-таки на таком устройстве останавливает свой выбор, то
должен своевременно учесть последствия своего решения.
Учесть их — значит считаться с уменьшением мощности или
с необходимостью установить дроссельную катушку — ив том
СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
377
и в другом случае приходится платить за устройство, которое бы
устраняло недостатки, без него неизбежные.
Теперь легко также понять, что параллельная работа про-
текает гораздо исправнее, когда оба трансформатора разоб-
щены довольно большим участком линии, которую они питают
сообща. Сопротивление линии само становится тогда уравни-
тельным сопротивлением, при чем потери энергии, в нем проис-
ходящие, тогда необременительны, потому что все равно должны
происходить, и с добавочными расходами они не связаны.
Мало того, к соединяющему оба трансформатора участку
линии приключены ведь еще различные приемники. Транс-
форматоры могут распределять между собою нагрузку этого
участка, смотря по надобности. Пограничная точка будет,
понятно, всегда смещаться так, чтобы падения напряжения
с обеих сторон от нее были у трансформаторов равны.
Правда, способствующий параллельной работе участок
линии обладает преимущественно омическим сопротивлением
и поэтому не очень пригоден для полного уравнения по фазе
напряжений короткого замыкания. Но исследование обоих пре-
дельных случаев параллельной работы двух рядом устано-
вленных трансформаторов показывает, что требуется подавлять
расхождения, составляющие приблизительно только 10% от
мощности одного трансформатора.
Эти расхождения при сколько-нибудь большом расстоянии
обоих трансформаторов от соединяющего их участка линии
сглаживаются в весьма значительной степени, способной вполне
удовлетворить и инженера-производственника. Таким путем
необходимая параллельная работа теряет все свои неприятные
свойства, — разумеется, при том условии, чтобы в полной мере
соблюдены были правила, касающиеся параллельного соединения.
98.	Соединения для параллельной работы.
Чисто практические проблемы параллельной работы относи-
тельно просты. Они требуют от инженера-производственника
некоторого внимания, в частности — уже при заказе транс-
форматора. Впрочем, они могут послужить источником затруд-
нений и во время работы, к чему должен быть подготовлен
инженер-производственник.
378
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Наряду с равенством напряжений короткого замыкания и
коэффициентов трансформации, он должен еще принять в рас-
чет соединения. При этом правила безопасности служат для
него надежным руководством. В них указаны различные группы
соединений, вне которых параллельная работа вообще невоз-
можна.
Очевидно, что равенство напряжений короткого замыкания
и коэффициентов трансформации ничего не дает, если вторич-
ные фазные напряжения обоих трансформаторов сдвинуты
между собою по фазе. Когда, например, один трансформатор
соединен по схеме звезда—звезда, а другой — по схеме тре-
Рис. 125.
Рис. 124-
угольник—звезда, то о параллельной работе и думать не при-
ходится. Из рис. 124 ясно видно, что приложенный первично
треугольник напряжений с вторичной стороны, после транс-
формации, уже не одинаков для обоих трансформаторов.
Но и два включенные с обеих сторон звездою транс-
форматора могут оказаться непригодными для параллельной
работы, если обмотки у них сделаны не в одинаковом напра-
влении. Затруднение, явствующее из рис. 125, преодолеть,
впрочем, нетрудно. Нужно только у одного трансформатора,
с первичной или вторичной стороны, взаимно заменить фазные
обмотки.
СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
379
Важнейшая для параллельной работы группа соединений это—
схема треугольник—звезда с одной—и схема звезда—зигзаг—
с другой стороны. Важна она потому, что инженер-производ-
ственник, как это известно из опыта, питает к ней недоверие,
хотя она считается вполне допустимой и безупречной.
Из рис. 126 видно, что приложенные к обоим трансфор-
маторам треугольники напряжений действительно воспроиз-
водятся правильно с вторичной стороны. Вопрос лишь в том,
нет ли все-таки каких-либо оснований у инженера-производ-
ственника не доверять этой груп-
пировке.
Пркуда оба параллельно сое- /К	/\
диненных трансформатора ра- / | \	х \
ботают в этой заслуживающей /	\	\
особого внимания группировке	\
при симметричной полной на-	L ^aaaaa/w *
грузке, все действительно в по-
рядке, поскольку, разумеется,
соблюдены все другие извест-
ные нам условия параллельного
соединения.	<
Но ведь как раз схема тре-
угольник—звезда, как и схема >	±
звезда—зигзаг, в первую очередь
предназначена для односторон-
Рис. 126.
них осветительных нагрузок.
Она должна быть пригодна для
асимметричных нагрузок. Вот почему и вправду заслуживает
внимания вопрос, не! основательны ли по этой причине сомне-
ния, высказываемые относительно этой группировки.
Соединение треугольник—звезда—это нормальная, осложне-
ний не вызывающая, схема. Управляться с соединением звезда—
зигзаг труднее. В § 29 было показано, что при односторонних
нагрузках соединение зигзагом сопряжено с добавочным паде-
нием напряжения, исчезающим при симметричных нагрузках.
Из этого непосредственно следует, что сомнения инженера-
производственника действительно обоснованы. Пусть даже эта
группа работает хорошо при симметричной нагрузке, — при
380
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
односторонних нагрузках она должна быть источником затруд-
нений. Весьма легко может случиться, что параллельная работа
ухудшится в вообще недопустимой степени.
Учение об эксплоатации обязано высказаться против при-
менения этой, вообще говоря, безупречной группировки, имея
в виду как раз односторонние нагрузки. В каждой отдельной
установке нужно заранее принять одно из двух возможных
решений: для всех осветительных трансформаторов остановиться
либо на схеме треугольник — звезда, либо на схеме звезда —
зигзаг. Преимущества и недостатки обеих схем известны из
исследований, приведенных в главе III.
Помимо этих вопросов, связанных со схемами соединений,
эксплоатация параллельно работающих трансформаторов едва ли
представляет собою еще какие-нибудь трудности. Упомянуть
следует разве что о еще одной интересной задаче, также от-
носящейся к проблеме параллельной работы, а именно о транс-
формации двух высоких напряжений в общее вторичное на-
пряжение, о сопряжении двух различных первичных сетей
с общею вторичною.
В этом случае напряжения с первичной стороны могут быть
неодинаковы и тогда коэффициенты трансформации не могут
быть равны. Между тем, вторичное напряжение, индуцируемое
главным потоком, должно быть у обоих трансформаторов
одинаково.
В таких необычных установках есть еще один мешающий
параллельной работе фактор — число периодов. Но это — мни-
мое затруднение. Равенство вторичных напряжений предпола-
гает, разумеется, равенство частот. Это последнее равенство
дают, конечно, генераторы обеих сетей, параллельно соединен-
ные через трансформаторы. Уравнительные токи параллельной
работы тех и других генераторов нагружают собою, понятно,
и трансформаторы.
Проблеме параллельной работы трансформаторов присущи
все признаки общей электротехнической проблемы параллель-
ного включения. У нее есть свои недостатки, которые всегда
обусловлены неодинаковостью параллельных ветвей. Повсюду
в электротехнике конструктор, насколько это возможно, избе-
гает параллельных соединений. Инженеру-производственнику
ПРОБЛЕМА ОТВЕТВЛЕНИЙ
381
тоже рекомендуется следовать этому основному правилу. Тогда
и параллельная работа трансформаторов не причинит ему осо-
бых затруднений.
99.	Проблема ответвлений.
Весьма важною эксплоатационною проблемой трансформа-
торостроения является проблема ответвлений. С виду она
гораздо проще, чем в действительности, и ее трактуют недо-
статочно внимательно. Требования относительно ответвлений,
а также исполнение их, недостаточно продуманы. Конструктор
и инженер-производственник в равной мере заинтересованы
в том, чтобы и этот вопрос был выяснен.
Ответвления должны давать возможность изменять коэффи-
циент трансформации. Поэтому они очень часто отвечают
насущному желанию инженера-производственника. Очень часто
только они позволяют достигнуть безусловно необходимого
улучшения эксплоатации. К тому же они делают возможным
перенесение отдельного трансформатора из одного места в дру-
гое, а это, в свою очередь, является условием его полного
использования в протяженной сети: надо, чтобы он не был
прикован к первоначальному месту установки.
Электростанция в первое время эксплоатации бывает обычно
мало нагружена. Падение напряжения до конца линии дальней
передачи еще незначительно, а напряжение, под которым энер-
гия распределяется, должно уже иметь надлежащую величину.
Трансформатор в конце линии преобразует относительно высо-
кое напряжение передачи в предписанное напряжение распре-
деления.
Постепенно условия изменяются. Нагрузка растет. К сети
приключаются новые абоненты. Падение напряжения до конца
линии не перестает увеличиваться. Одновременно с ним про-
исходит падение напряжения в распределительной сети.
Разумеется, можно на станции повышать напряжение гене-
раторов для компенсации падения напряжения в фидере. Но
у генератора есть свое собственное, обременяющее его, вну-
треннее падение напряжения. Справиться с ним генератор дол-
жен прежде всего.
382
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Так возникает у инженера-производственника желание
в конце самого фидера поднять напряжение. Оно осуществимо,
если устроить трансформатор так, чтобы он и при понижен-
ном первичном напряжении мог давать надлежащее напряжение
распределения. Он должен быть устроен для различных, незна-
чительно отличающихся друг от друга коэффициентов транс-
формации.
С этой точки зрения ответвления гарантируют примени-
мость трансформатора в широких пределах развития уста-
новки. Они, несомненно, целесообразны в новых установках,
рассчитывающих на быстрый рост нагрузки. Они менее целе-
сообразны в установках старых, круг абонентов которых уже
определился, если только в их пользу не говорят другие
соображения.
Падение напряжения в фидерах создает в различных местах
фидеров различные первичные напряжения. Со стороны инже-
нера-производственника вполне разумно стремление к тому,
чтобы применимость трансформатора была гарантирована отно-
сительно значительной части сети. С этой точки зрения ответ-
вления тоже полезны.
Особое значение проблема ответвлений может приобрести
для установок, которым приходится ждать значительной свето-
вой нагрузки. Тогда в пределах одних суток возникает надоб-
ность изменять коэффициент трансформации.
Из большого влияния времени на коэффициент трансфор-
мации вытекает совершенно новый вопрос. Если к началу
осветительного периода предполагается при помощи ответвле-
ния устанавливать меньший коэффициент трансформации, то
необходимо задуматься над тем, имеет ли ценность ответвле-
ние вообще, раз оно без перерыва эксплоатации неприменимо.
Еще какие-нибудь основательные доводы в пользу необхо-
димости ответвлений измыслить нелегко. Все прочее есть
только неопределенное чувство, владеющее инженером-произ-
водственником, предчувствие, что когда-нибудь, при каких-то еще
неизвестных обстоятельствах ему понадобятся ответвления,
хотя бы непосредственной надобности в них и не ощущалось.
Против ненужных ответвлений не было бы оснований серь-
езно возражать, если бы они не влекли за собою недостатков,
КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ОТВЕТВЛЕНИЙ
383
которые тогда тоже ненужны и которых, разумеется, нужно
избегать. С недостатками легко примириться, когда они уравно-
вешены преимуществами. Бестолковое заказывание и выпол-
нение ответвлений объясняется просто тем, что преимущества
их инженеру-производственнику известны, недостатки же, если
даже известны, то не все. Восполнить этот пробел в его све-
дениях—это важная задача учения об эксплоатации.
Один недостаток ответвлений, разумеется, общеизвестен:
повышение цены трансформатора. Без ответвлений трансфор-
матор, понятно, всегда дешевле. Но повышение его цены,
вызываемое ответвлениями, составляет только несколько про-
центов и поэтому не затрудняет обычно покупателя, который
противопоставляет ему все указанные выше преимущества.
К сожалению, однако, повышение цены трансформатора—
не единственное вредное влияние ответвлений. Они, несомненно,
ухудшают трансформатор во многих отношениях, как это будет
объяснено ниже. Всего неприятнее, конечно, то, что изменение
числа витков касается только обмотки, состоящей из многих
витков, то-есть только обмотки высокого напряжения. Со сто-
роны низкого напряжения можно лишь, в виде исключения»
ответвить точно предуказанные части обмотки—каждый отдель-
ный виток играет у нее слишком большую роль.
Но, коснувшись обмотки высокого напряжения, мы сразу
наталкиваемся на ряд конструктивных вопросов, которые
осложнены высоким напряжением. Да и помимо этого возни-
кают затруднения. Порою над проблемою ответвлений прихо-
дится ломать себе голову немало.
100.	Конструктивное выполнение ответвлений.
Обычно приходится лишь изредка пользоваться ответвле-
ниями. Для того, чтобы понадобилось прибегнуть к устройству
для изменения коэффициента трансформации, условия экспло-
атации трансформатора должны основательно измениться.
Поэтому для необходимого переключения всегда есть доста-
точно времени.
Вот почему в прежнее время ответвление представляло
собою просто прерванный конец обмотки, тщательно заверну-
384
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
тый, чтобы не послужить причиною несчастных случаев. Его
нужно было развернуть, прежде чем присоединить к зажимам,
после чего заворачивали и предохраняли тот конец обмотки,
которым пользовались раньше.
Когда введено было масляное охлаждение, этот простой
способ исполнения стал неудобен для инженера-производствен-
ника. Он требовал слишком много времени. Приходилось
вынимать трансформатор из масляной ванны, основательно его
обтирать и только после этого можно было производить необ-
ходимое переключение. Поэтому очень скоро конструктор стал
делать и ответвления легко доступными.
Действительный конец обмотки и концы ответвлений кон-
структор присоединил к зажимной доске и поместил ее над
трансформатором, под крышкою бака, в масляную ванну. Там
переключение было легко производить. При таком устройстве
были также предотвращены опасности, которыми прерванный
конец обмотки всегда грозит в ближайших к обмотке местах.
Но и этого было мало инженеру-производственнику. Он
вообще не желал манипулировать внутри масляного бака. Он
требовал, чтобы ответвления были выведены наружу и чтобы
они находились в его распоряжении в любое время подобно
любым зажимам.
Было два пути к этой цели. Можно было, во-первых, сохра-
нив зажимную доску под крышкою бака, расположить снаружи
бака переключатель для зажимов. Возник целый ряд конструк-
ций, удовлетворительно решавших эту задачу. Во-вторых,
можно было вывести ответвления наружу через крышку бака,
через отдельные проходные изоляторы или через общие.
Ответвления и относящийся к ним конец обмотки обла-
дают незначительной разностью напряжений относительно
друг друга. Поэтому вполне допустимо, как это и практикуется,
через один проходной изолятор вывести все концы одной
фазы и снаружи расположить на общем изоляторе несколько
зажимов.
Все эти конструкции очень удобны для инженера-производ-
ственника, но они постепенно стали дороги. Повышение цены
сделалось чувствительным. Тем не менее, это решение про-
блемы ответвлений укрепилось бы в форме общепринятого
КОНСТРУКТИВНОЕ ВЫПОЛНЕНИЕ ОТВЕТВЛЕНИЙ
385
устройства, если бы не то обстоятельство, что напряжение
тем временем росло. Все больше затруднений сопряжено было
с тем, что ответвления можно было делать только со стороны
высокого напряжения. Конструкции, при умеренных напряже-
ниях еще хорошие и не слишком дорогие, постепенно сдела-
лись невозможными при более высоких напряжениях.
Первыми пали общие проходные изоляторы—они стали
ненадежны. Это и вправду сомнительная конструкция. Они
страдали, кроме того, тем же недостатком, который мало-по-
малу губит и зажимную доску. Дело в том, что при высоких
напряжениях вывести даже действительные концы обмотки—
нелегкая задача для конструктора.
Надо помнить, что конец обмотки и один провод должны
быть соединены зажимом, который не должен соприкасаться
с ярмом и зажимными соединениями других фаз, а также не
должен находиться близко от стенок бака. Трудности, сопря-
женные с этой как будто легкою задачей, растут по мере
роста напряжения. А если еще и ответвления ищут пути
к крышке бака, то общий проходной изолятор должен уже,
в сущности, простираться до самой обмотки.
Все эти затруднения, правда, только тогда существуют,
когда ответвления делаются на начальных витках, в пользу
чего можно привести много доводов. Прежде всего заодно
с усилением изоляции начальных витков можно преодолеть
и эти затруднения. Раз уж приходится особым образом выпол-
нить начальные катушки, то можно их подразделить и так,
чтобы ответвления получились в виде концов катушек.
Но значительно менее неудобными становятся ответвления,
когда они передвинуты к нулевой точке. В каком месте умень-
шить или увеличить число витков—это безразлично. И если
это сделать вблизи нулевой точки, не имеющей напряжения
относительно железного сердечника, то сразу устраняются все
неудобства, описанные выше.
Это решение вопроса настолько удачно, что, несомненно,
станет общепринятым. Нулевую точку нетрудно вывести на
зажимную доску, как этого требуют различные ответвления,
и поместить эту доску под крышкою бака. Выполнимо также
управление переключением снаружи.
Эксплоатация трансформаторов	25
386
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Однако, и у ответвлений в начале обмотки и у ответвле-
ний в конце ее есть один общий недостаток: при концентри-
ческом размещении они как бы смещают обмотку высокого
напряжения в направлении оси колонны. Положение этой
обмотки относительно обмотки низкого напряжения изме-
няется в зависимости от ответвления, которое утилизируется.
Поле рассеяния дает себя знать при возникающей таким
образом асимметрии. Особенно же вредное влияние эта асим-
метрия оказывает на механические усилия тока короткого
замыкания. В больших трансформаторах при коротком замы-
кании создаются осевые усилия, представляющие для транс-
форматора грозную опасность.
Вот почему ответвления часто делаются по середине
обмотки. Разумеется, тогда опять-таки возникают обусловлен-
ные напряжением опасности, как нечто среднее между опасно-
стями обоих выше рассмотренных случаев.
Этот обзор конструктивных трудностей, с которыми сопря-
жена проблема ответвлений, должен убедить инженера-произ-
водственника в том, что ему следует избегать ненужных ответ-
влений. Особенно это касается тех ответвлений, которые
предназначены для значительного изменения коэффициента
трансформации. Такое требование предъявляется заказчиками
нередко. Чем большее требуется изменение, тем дороже ответ-
вление, тем более невыгодны электрические его последствия.
Потенциал-регулятор позволяет улучшать напряжение гораздо
выгоднее и к тому же во время работы, а это очень важно.
Разумеется, он гораздо дороже ответвлений. Но в очень мно-
гих случаях гораздо разумнее затратить деньги на поворотный
трансформатор, чем на ответвления; когда речь идет о значи-
тельных изменениях напряжения, то это бесспорно. Больше + 5°/в
вообще не следует ответвлять.
101.	Масляный консерватор.
Эксплоатационным вопросом, непременно подлежащим обсу-
ждению, является также вопрос о так называемом масляном
консерваторе. Он тесно связан с рядом других вопросов,
которые, в сущности, все касаются масляной ванны трансфор-
матора.
МАСЛЯНЫЙ КОНСЕРВАТОР
387
Масляный консерватор возник из убеждения, что масляная
ванна должна быть ограждена от внешних влияний, к которым
она весьма чувствительна. И точно, в обыкновенном баке,
не имеющем консерватора, масло плохо предохранено. Бак
для него является только кажущеюся защитою: воздух с его
влажностью все-таки имеет к маслу доступ.
Масляный трансформатор дышет. При полной нагрузке
масло в значительной степени нагревается и поэтому заметно
расширяется. При разгрузке оно снова охлаждается и возвра-
щается к своему первоначальному объему. Совершенно ясно,
что в холодном трансформаторе, не имеющем консерватора,
бак вообще не может быть заполнен маслом. Во время работы
масло, расширившись, неминуемо выступило бы из бака, а при
известных обстоятельствах могло бы даже взорвать его.
Если же бак не заполнен маслом, то уже с самого начала
в баке присутствует воздух, и воздух этот всегда сырой.
Мало того, после каждого рабочего периода воздушный слой
обновляется. В масло все наново поступает из воздуха вода.
Неудивительно, что после нескольких лет работы запущенные
масляные трансформаторы оказываются часто глубоко погру-
женными в воду, которая, будучи более тяжелой жидкостью,
собирается в нижней части бака.
Спускной кран должен сообщаться с самым низким местом
бака, чтобы из него прежде всего могла вытечь вся накопив-
шаяся вода. Но часто ли пользуются им? К сожалению, масля-
ная ванна весьма часто страдает от небрежного к ней отно-
шения.
Масло чрезвычайно чувствительно к сырости. Т о Ь е у
экспериментально показал, что уже при содержании воды
в размере ниже одной тысячной прочность масла на пробой
уменьшается больше, чем на одну треть. Таким образом,
надежность эксплоатации в сильной степени зависит от сухости
масляной ванны.
Опасностям со стороны сырого воздуха особенно, конечно,
подвержены те трансформаторы, которые часто разгружаются.
Таковы небольшие'осветительные и силовые трансформаторы.
Крупные трансформаторы, от которых питаются протяженные
сети, нагружены равномернее, дышат меньше.
25*
388
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Впрочем, не только вода при проникновении воздуха в бак
создает опасность для масла. Кислород делает возможным
процессы сгорания в масле, появление продуктов распада,
влекущих за собою загрязнение охлаждающих поверхностей
и понижение прочности на пробой.
По всем этим причинам понятно стремление к тому, чтобы
самый бак всегда был заполнен маслом и чтобы дыхание про-
исходило в особом масляном сосуде, где бы влияние воздуха
было в большей своей части подавлено. Ясно, что самый бак
должен сообщаться с добавочным масляным сосудом, так
чтобы масло могло переливаться из стороны в сторону.
Этим-то добавочным сосудом и является масляный консер-
ватор.
Каждый ли масляный трансформатор следует снабжать кон-
серватором,—этот вопрос еще не решен. У консерватора есть
и недостатки, о которых речь впереди. Кроме того, он, несо-
мненно, защищает масло не вполне. Между тем как масло
переливается из бака в консерватор и обратно, всегда воз-
можны загрязнения.
Во всяком случае, применение первосортного масла важ-
нее, чем применение консерватора. Существуют хорошие сорта
масла, вообще почти не загрязняющиеся. Русские масла пре-
восходны. Хороши также американские масла. Но галицийские
и румынские трансформаторные масла оказались менее добро-
качественными.
Всемерно следует стремиться к применению одних только
первоклассных сортов масла для трансформаторов. Такой
перерасход всегда окупается с лихвою. Конструктор в праве
требовать, чтобы в эксплоатации ему не портили конструкции.
Он должен иметь в виду применение хорошего масла, потому
что получает тогда более дешевую конструкцию.
Этим объясняется то, что крупные фирмы настаивают на
своем праве поставлять трансформаторы только заполненные
маслом. Они добиваются не просто барыша, добавочно им
достающегося, когда они заодно поставляют масло. Они же-
лают и они должны поставлять нечто цельное. Они хотят ска-
зать инженеру-производственнику, какое масло нужно приме-
нять, какой сорт масла положен в основу конструкции.
РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО КОНСЕРВАТОРА
389
Однако, если даже трансформатор поставляется заполнен-
ным, то вопрос о масляной ванне тем самым, в сущности,
только наполовину улажен между конструктором и инженером-
производственником. Поставленная вместе с трансформатором
масляная ванна пригодна только в течение гарантийного года.
Дальше предусмотрительность конструктора не простирается.
Учение об эксплоатации обязано подчеркнуть это обстоятель-
ство. О возобновлении масляной ванны должен затем забо-
титься инженер-производственник.
При правильном отношении к вопросу о доброкачествен-
ности масла консерватор в значительной степени теряет свое
значение. В психологическом отношении консерватор ныне
представляет собою опасность. Он соблазняет инженера-про-
изводственника применять дешевое и поэтому плохое масло.
Легко впасть в заблуждение и ждать от консерватора, что он
сделает применимым низкосортное масло. Не приходится дока-
зывать ошибочность такого взгляда.
102.	Расчет масляного консерватора.
Коэффициент объемного расширения составляет для масла
приблизительно 0,0007°С”1. Небольшое его значение способно
обольстить конструктора относительно пространства, потреб-
ного для дыхания трансформатора. Это легко доказать при-
мерным расчетом.
Масло, покинув горячую поверхность трансформатора, бы-
вает нагрето до 60°С сверх температуры среды. Правда, эта
полная разность температур непосредственно не влияет на рас-
чет воздушного слоя в баке, то-есть на расчет консерватора.
Охлажденное у внутренних стенок бака масло холоднее масла
под крышкой бака на половину разности температур, действу-
ющей на рабочей поверхности трансформатора. Достаточно
поэтому принять от 50 до 55°С для повышения температуры
масла.
Впрочем, нельзя, с другой стороны, забывать, что и темпе-
ратура воздуха за год сильно колеблется. Наинизшая темпе-
ратура масла зимою и наивысшая температура масла летом
дают разность, для которой, несомненно, нельзя принять меньше,
чем приблизительно 80°С-
390
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Так получается для дыхания потребное пространство в раз-
мере около 5,6°/0. Разумеется, этим нельзя удовольствоваться при
расчете консерватора. Совершенно необходимо, чтобы в кон-
серваторе всегда, даже при наинизшей температуре, еще находи-
лось масло. Иначе воздух все-таки имел бы доступ внутрь
бака.
Это еще не все. При коротком замыкании, которое всегда
может случиться в эксплоатации, масло достигает гораздо
более высоких температур. В § 35 было доказано, что прием-
лемые выдержки времени для автоматов получаются тогда
лишь, когда временно мы доходим до крайнего предела, до
температуры воспламенения масла.
Таким образом, 1О°/о объема холодной масляной ванны—
это немного для объема консерватора. В современных кон-
струкциях до такой его величины доходят сплошь и рядом.
Но ею можно удовольствоваться тогда лишь, когда в консер-
ваторе остается только совсем незначительное количество
масла при его наинизшей температуре. Имея в виду возможность
коротких замыканий, рекомендуется для вместимости консер-
ватора принимать больше 1О°/о от объема холодного масла.
Короткое замыкание сопряжено еще с другою, весьма гроз-
ною опасностью. Расширение масла при коротком замыкании
происходит в несколько секунд. За это короткое время масло
должно перелиться из бака в консерватор. В узкой соедини-
тельной трубе масло достигает большой скорости и соответ-
ственным повышением давления в баке нельзя пренебрегать.
Когда, например, заполненный бак 100 к 1Л4-трансформа-
тора при нормальной полной нагрузке содержит 500 литров
масла, то при коротком замыкании повышение температуры
может достигнуть 50° С. Масло должно расшириться на 3,5°/о
и в консерватор должно перелиться
0,035.500 = 17,5 литров.
Пусть для этого в распоряжении есть 2 секунды. Если
внутренний диаметр соединительной трубы равен 20 мм, то
скорость масла в трубе равна
17*5‘4 = 280 дм/сек = 28,0 м/сек.
ъ л тг	1	’	1
РАСЧЕТ МАСЛЯНОГО КОНСЕРВАТОРА	391
Этой скорости соответствует напор
28,о2	-
—4- = 40 метров масляного столба,
2.9,81	г
то-есть повышение давления приблизительно в 3,5 атмо*
сферы.
Опасность эта весьма велика и выпуклины на баках, наблю-
даемые слишком часто, как следствие коротких замыканий,
легко таким образом объясняются. Наряду с чересчур узкой
соединительной трубою ту же опасность представляют, разу-
меется, недостаточная емкость консерватора или чрезмерное
его наполнение маслом.
В действительности обстоятельства могут сложиться еще
хуже. Если сечение соединительной трубы уменьшено масля-
ным ситом, то скорость масла немедленно увеличивается.
В этом отношении нужна чрезвычайная осмотрительность.
Слишком мало внимания принято обращать на эту серьезную
опасность.
Кроме того, установка консерватора затрудняет уплотнение
бака. Уже обыкновенный масляный бак с воздушным слоем
под крышкой склонен утрачивать плотность. Масло проникает
сквозь самые узкие щели. Автогенно сваренные места плотны,
если сварка была произведена надежным образом. Когда за-
тем насаживают консерватор, то прежде всего давление в баке
повышается заметным образом, кроме того, нужно еще уплот-
нить проходные изоляторы и самое крышку. Эту задачу часто
трудно бывает решить, крышка при этом должна быть во вся-
ком случае солиднее.
При отсутствии консерватора бак вообще недопустимо снаб-
жать маслонепроницаемою крышкою, и это заметным образом
удешевляет бак. Но и ему, конечно, грозит опасность выпук-
лин при чрезмерном наполнении маслом.
Весьма интересен вопрос, можно ли конструктивно предот-
вратить на стенках бака выпуклины, которых приходится ждать,
как следствий короткого замыкания. Инженер-производствен-
ник был бы очень рад таким мероприятиям. И действительно,
конструктор иногда снабжает масляный бак «спасательным поя-
сом", потому что этого хочет заказчик.
392
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Бак, стенки которого должны упруго выносить обусловлен-
ное коротким замыканием повышение давления, представляет
собою сомнительную конструкцию, если только не принять
надежных мер к тому, чтобы расширяющееся масло могло
стекать. Это относится к бакам с консерватором и без кон-
серватора. Масло должно иметь возможность расширяться.
В худшем случае оно сорвет крышку.
Стенкам бака нет никакой возможности придать такую проч-
ность, при которой бы масляную ванну можно было просто
ими сковать. Если бак, при отсутствии консерватора, не имеет
на крышке предохранительного клапана или если консерватор
соединен с баком недостаточно широкой трубою, то несчастье
неминуемо.
Такова опасность взрыва, которой ныне грозят трансфор-
маторам короткие замыкания. Она предотвращена, если бак
имеет возможность выгнуться. Наилучшим решением дей-
ствительно остается бак, который как раз выдерживает уси-
лия, когда он или когда консерватор правильно наполнен мас-
лом. Невнимательный инженер-производственник, применяющий
слишком много масла, платится поделом, когда у него прихо-
дит в негодность трансформаторный бак. Впрочем, он дол-
жен быть предуведомлен об этой опасности и эта задача
лежит на учении об эксплоатации, для которого, разу-
меется, проблема консерватора имеет немалое значение, осо-
бенно — в связи с более широкой проблемой дыхания транс-
форматора.
103.	Эксплоатационный контроль и измерения.
Обзор учения об эксплоатации трансформатора ясно пока-
зывает, что трансформатор все же представляет собою не про-
стой орган электрической передачи. С тех пор как он опущен
был в закрытый масляный бак,—а случилось это несколько
десятилетий тому назад,—большинство инженеров-производ-
ственников смотрело на него именно так. Где требовалось
изменить напряжение, там просто ставили обыкновенный бак
и затем мало о нем беспокоились, пока он сам не напоминал
о себе.
ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ
393
Притязания инженера-производственника, которые диктова-
лись ему стремлением к удобству, росли с течением времени.
Конструктор по мере возможности их удовлетворял. Поэтому
неисполнимые требования влекли за собою неприятные споры.
Правила безопасности под давлением инженера-производствен-
ника стали строже.
В настоящее время они уже бьют дальше цели. Пользы
они не принесут, пока инженер-производственник не осознает,
что имеет перед собою машину. Как и всякую машину, он
должен изучить трансформатор подробнее. Коэффициент
трансформации—это еще не все. Трансформатором тоже нужно
уметь управлять, наблюдать за ним, обслуживать его. Транс-
форматор тоже нуждается в уходе. От трансформатора тоже
можно добиться многого, если уметь с ним обращаться.
Экономичность трансформации играет решающую роль
теоретически и практически. Удобство стоит денег, неради-
вость уничтожает ценности. Если иметь в виду ту неоспо-
римую истину, что трансформатор весьма непритязателен, что
к его выбору, правда, надо относиться очень внимательно,
но что при его эксплоатации нужно только от времени до
времени контролировать его состояние, то едва ли можно еще
сомневаться в том, что инженер - производственник должен
действительно понимать эксплоатационные проблемы трансфор-
матора и действительно контролировать его работу.
Контроль неразрывно связан с измерениями. Он, в сущно-
сти, начинается уже с приемки трансформатора. Впрочем,
приемочные измерения образуют для инженера-производствен-
ника особую группу в том смысле, что они могут быть испол-
нены в испытательной лаборатории конструктора, где имеются
в распоряжении всевозможные вспомогательные средства.
Однако, измерения столь же осуществимы и, кроме того,
необходимы при самой эксплоатации. Приемочные измерения
производятся для освобождения конструктора от его обяза-
тельств, измерения в работе относятся к эксплоатационному
надзору. Этим измерениям непременно нужно уделить место
в учении об эксплоатации.
Измерения у работающего в холостую и у короткозамкну-
того трансформатора, несомненно, особенно важны, ибо дают
394
ЭКСПЛОАТДЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
возможность обозреть все свойства трансформатора. Произ-
водить их нужно не только при приемке. Приостановками ра-
боты инженер-производственник должен пользоваться для по-
вторных испытаний холостого хода и короткого замыкания,
чтобы своевременно обнаруживать изменения, происшедшие
в главных свойствах.
Ничего нет трудного в повторении этих испытаний, при
помощи простейших средств, в трансформаторной камере. Для
измерения холостого хода нужно располагать полным рабочим
напряжением, но оно всегда имеется в распоряжении в самой
камере. При этом выгодно приключить трансформатор со
стороны низкого напряжения, чтобы можно было обойтись
одним вольтметром, одним ваттметром с переключателем и
одним амперметром. Измерение короткого замыкания может
быть исполнено при любом токе короткого замыкания. Разу-
меется, оно будет производиться при небольших токах. Напря-
жение короткого замыкания пропорционально току короткого
замыкания, потери в меди—квадрату этого тока.
Если замкнуть трансформатор накоротко со стороны
низкого напряжения и приключить обмоткой высокого напря-
жения к сети низкого напряжения, то всегда получится до-
статочно слабый для измерения ток короткого замыкания. И
тогда опять-таки можно обойтись тремя измерительными при-
борами, как и при измерении холостого хода.
Читатель спросит: для чего повторять испытания холо-
стого хода и короткого замыкания? Что может измениться
с течением времени? Как судить по изменившимся дан-
ным измерений об изменении свойств материалов или кон-
струкции?
Испытание холостого хода дает потери холостого хода,
которые практически равны потерям в железе, и силу на-
магничивающего тока. И вот потери в железе действительно
могут измениться—они подчас увеличиваются. Произойти это
может по двум причинам: вследствие старения железа или
серьезного изъяна в конструкции железного сердечника.
Старение листов железного сердечника в первую очередь
имеет своим происхождением то, что при отжиге были при-
менены ненадлежащие температуры. Прежде всего увеличи-
ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ И ИЗМЕРЕНИЯ
395
ваются потери на гистерезис. Содержащийся в современных
высоко-легированных листах кремний является действенной
защитою против старения. За применение плохих листов от-
ветствен, во всяком случае, конструктор. В пределах годичного
гарантийного срока увеличение потерь холостого хода должно
обнаружиться, если только его вообще можно ждать. Уже по
этой причине важны поверочные измерения.
Изъяны железа имеют большее значение. Подчас ими
страдают стянутые болтами железные сердечники. При сборке
железного тела отверстия для болтов оказываются там и сям
чересчур малыми, особенно когда листы не точно пригоняются
друг к другу. Сборщик часто прибегает тогда к рейбалу, при
помощи которого ему удается надежно соединить листы электри-
чески друг с другом, заполняя щели железными опилками.
Возникающие токи короткого замыкания постепенно свари-
вают тогда все большие части железного сердечника в виде
массивных комьев. Столь же постепенно возрастают потери
в железе. Измерение должно своевременно обнаружить этот
изъян.
Испытание короткого замыкания преимущественно указы-
вает возможные изменения поля рассеяния. После сильных
коротких замыканий возможны остающиеся деформации тела
обмотки. Вот почему это испытание бывает весьма уместным.
Едва ли не правильно было бы дать каждому инженеру-
производственнику совет умышленно вызвать сильное короткое
замыкание, чтобы убедиться, что трансформатор действительно
находится в порядке. Такое испытание надлежало бы произ-
водить даже при приемках, но во всяком случае—в присут-
ствии конструктора и до истечения годичного срока га-
рантии.
Потери в меди при испытании короткого замыкания опре-
деляются довольно точно. Впрочем, инженеру-производствен-
нику надлежит иметь в виду то обстоятельство, что эти по-
тери зависят от температуры. При приемке целесообразно
произвести это испытание непосредственно после испытания
на нагрев.
По холодным потерям в меди нельзя судить непосред-
ственно о размере теплых потерь, ибо наряду с чистыми по-
396	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
терями на джоулево тепло всегда, особенно в больших транс-
форматорах, происходят еще добавочные потери, обусловлен-
ные поверхностным эффектом в проводниках значительного
сечения.
Эти добавочные потери на токи Фуко понижаются при
повышенной температуре совершенно в том же отношении,
в каком растут потери на собственно джоулево тепло. Дву-
кратное измерение при коротком замыкании, в первый раз—
у холодного, во второй—у нагревшегося в работе трансфор-
матора, дает поэтому картину распределения общих потерь
в меди. Впрочем, для инженера-производственника это распре-
деление имеет небольшое значение.
104.	Детали измерений величин холостого хода и короткого
замыкания.
Существуют трансформаторы, применительно к которым
испытания холостого хода и короткого замыкания имеют
потому большое значение при приемке, что главнейшие
электромагнитные свойства при заказе трансформатора постав-
щику пришлось гарантировать.
Топливные электростанции весьма часто должны внима-
тельно контролировать потери трансформатора. Они требуют,
поэтому, гарантии в отношении как железных, так и медных
потерь. Подчас они даже назначают премии за недостижение
предписанных величин потерь. Когда же к этому еще при-
соединяется в сильно нагруженных сетях необходимость тре-
бовать также гарантий в отношении тока холостого хода и
когда, кроме того, предписывается напряжение короткого за-
мыкания, то приемочное измерение этих двух последних вели-
чин может стать весьма важным и тягостным делом как для
поставщика, так и для приемщика.
Учение об эксплоатации непременно должно бороться про-
тив преувеличений. Покупатель должен точно знать, чего он
может требовать. Впрочем, не менее должно быть известно
ему, какая у него есть возможность путем измерений убе-
диться, что поставщик выполнил свои обязательства.
Величины потерь не могут быть предписаны без допуска*
Разумеется, и без предписанного допуска конструктор на
ДЕТАЛИ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕЛИЧИН ХОЛОСТОГО ХОДА
397
деле кладет в основу своего расчета меньшие величины
потерь и сам себе устраивает допуск, зная, что недости-
жение величины потерь будет ему, во всяком случае, про-
щено.
Потери в меди можно заранее рассчитать весьма надежным
образом. Проводимость обмоточной меди колеблется в очень
тесных пределах, так что потери на джоулево тепло могут быть
предвычислены точно. Но и потери на токи Фуко, обусло-
вленные поверхностным эффектом в толстых проводниках,
вполне поддаются расчету у трансформатора.
Тем не менее, при приемочных измерениях обнаруживаются
отклонения, которые нельзя объяснить одними только неточно-
стями расчета. Точный расчет должен дать результаты,
расходящиеся с данными измерений не больше, чем на 2—3°/о.
В действительности же часто оказывается недостаточным
допуск в 1О°/о.
Ошибка, повидимому, коренится исключительно в неточ-
ности параллельных соединений обмоток. Особенно часто
встречаются параллельно соединенные катушки со стороны
низкого напряжения. Небольшие неравенства полей рассеяния
у отдельных катушек имеют непременным следствием заметные
внутренние уравнительные токи.
Нежданно большую роль играют потери в служащих для
коммутации проводах обмотки низкого напряжения, когда это
напряжение очень низко. Это, разумеется, должен знать кон-
структор. Но и инженер-производственник должен это знать,
чтобы правильно оценить ошибку при приемочных изме-
рениях.
Допуском в 1О°/о для'потерь в меди конструктор должен
обойтись. Большего допуска ему и не нужно предоставлять,
потому что в случае нужды он и в более тесных пределах
сможет работать с достаточною тщательностью.
Но этим еще нимало не исчерпан вопрос о потерях в меди.
Уже в предыдущей главе указывалось, что измерение напря-
жения короткого замыкания должно быть исполнено у нагрев-
шегося в работе трансформатора. Это требование можно мо-
тивировать еще убедительнее. При этом измерении трансфор-
матор, в сущности, никогда не бывает холодным. Чем он
398	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
больше, тем скорее в обмотке повысится температура масляной
ванны. У больших трансформаторов медной обмотке доста-
точно нескольких минут для достижения полной рабочей тем-
пературы относительно масла.
Разумеется, несправедливо ставить в счет конструктору
полный прирост температуры после измерения напряжения
короткого замыкания у „холодного" трансформатора. При
гарантийных измерениях придется, поэтому, считаться с этим
осложнением вопроса.
Зато конструктор всегда будет готов, по желанию инже-
нера-производственника, проверить потери в меди непосред-
ственно после испытания на нагрев, доведшего трансформатор
до полной рабочей температуры. И эта его готовность объяс-
няется тем же, чем и его неприязнь к холодному испытанию
на короткое замыкание.
В самом деле, если прекратить полную нагрузку после
того, как трансформатор под нею нагрелся, чтобы затем
измерить напряжение короткого замыкания, то как-никак надо
иметь в распоряжении несколько минут для переключения на
короткое замыкание, даже когда все для этого испытания
подготовлено. Температура меди тем временем понижается,
у больших трансформаторов между медью и маслом вообще
уничтожается тогда разность температур. В результате по-
тери в меди оказываются значительно ниже, чем при дей-
ствительной полной нагрузке в продолжительной эксплоа-
тации.
Как при холодном, так и при горячем испытании на ко-
роткое замыкание, чрезвычайно переменчивая разность темпе-
ратур между медью и маслом влечет за собою у крупных
трансформаторов погрешности измерений до 10%, то в пользу,
то к невыгоде конструктора, потому что она может доходить
до 25°С. Чем меньше трансформатор, тем менее заметна
погрешность.
Если произвести измерения и при холодном и при горячем
короткозамкнутом трансформаторе, то погрешность можно
в достаточной мере устранить. Но добавочные потери, обу-
словленные поверхностным эффектом, сохраняют свое иска-
жающее результаты влияние. По мере роста температуры они,
детали измерений величин холостого хода
399
как уже упоминалось, в том же отношении понижаются, в ка-
ком потери на чисто джоулево тепло растут.
При таком положении вехцей не остается ничего иного,
как остаться при одном только горячем испытании на короткое
замыкание и сделать надлежащую температурную надбавку.
Но тогда нужно еще повторно производить измерение теплых
сопротивлений через короткие промежутки времени непосред-
ственно по выключении полной нагрузки.
По убыванию сопротивления в зависимости от времени
можно будет вычислить убывание температуры с каждою
минутою. По этому способу удается определить несколько
точек показательной кривой, по которой затухает разность
температур между медью и маслом и вычислить начальное
ее значение.
Измерения при коротком замыкании, как это явствует из
вышеизложенного, производить труднее, чем это кажется. Их
выгодно дополнять измерениями сопротивлений. Эти последние
и без того необходимы при испытании на повышение темпе-
ратуры. Они должны следовать непосредственно за полною
нагрузкою, затем только настает очередь измерений при
коротком замыкании.
Потери в железе поддаются далеко не столь точному пред-
вычислению, как потери в меди. Железные листы сами по
себе обладают значительно менее устойчивыми свойствами,
чем обмоточная медь. К этому еще присоединяются доба-
вочные потери, которые всегда являются следствием обра-
ботки железа.
Если для потерь в меди допуск в 10% кажется большим,
то для потерь в железе допуск в 15°/о мал. Неожиданности
всегда возможны и даже, к несчастью, вероятны. Было бы
неразумно стеснять конструктора еще в большей мере. Тогда
он вынужден сам себе создавать допуск, что всегда влечет
за собою удорожение конструкции.
Измерение потерь холостого хода тоже не так просто,
каким оно кажется. В самом деле, при каком напряжении
нужно их измерять—это не очевидно. Разумеется,—при пол-
ном рабочем напряжении. Но что считать рабочим напряже-
нием—то ли, которое при холостом ходе обнаруживается на
400
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
вторичных зажимах или то, которое на них действует при
полной нагрузке? Эти два напряжения расходятся на несколько
процентов и эта разность удваивается в потерях.
Конструктор имеет в виду полную нагрузку. Первичное
падение напряжения уменьшает тогда плотность силовых линий,
а значит и потери в железе. При испытании холостого хода
конструктор пожелает приложить к вторичным зажимам напря-
жение нагруженной вторичной сети.
Инженер-производственник имеет в виду потери действи-
тельно работающего в холостую трансформатора. Учитывать
падение напряжения он отнюдь не склонен. Это должно при-
вести к неприятной размолвке, а избежать ее, разумеется,
можно, если договориться об этом уже при заказе трансфор-
матора.
Правила безопасности V. D. Е. устанавливают, что под поте-
рями холостого хода надлежит понимать потери, измеренные
при номинальном напряжении, номинальной частоте и разомк-
нутой вторичной обмотке. Для конструктора этим вопрос
решается; он может, во всяком случае, указать на то, что
у нагруженного трансформатора потери в железе будут меньше.
Если поставщик должен гарантировать ток холостого хода,
то необходим значительный допуск, ибо особенно трудно пола-
гаться на чисто магнитные свойства железных листов. Во
всяком случае, отклонения до 30% легко возможны.
Но поскольку конструктор основывает свой расчет на. кри-
вой намагничения при постоянном токе, большой допуск уже
тем самым предоставлен ему. Большего допуска ему, в сущ-
ности, не требуется. Ток намагничивания всегда имеет высшие
гармонические и поэтому действующее значение гораздо меньше,
чем этого можно ждать, судя по максимальному значению кри-
вой намагничения.
И между тем как самых неприятных неожиданностей можно
было бы ждать именно от намерения тока холостого хода,
оно в действительности сходит гладко, не вызывая жалоб.
Это лишний раз доказывает, что видимость обманчива. Нужно
внимательно всматриваться в вопросы. От этой необходимости
инженеру-производственнику так же не отделаться, как и кон-
структору.
ПРОЧИЕ ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
401
105.	Прочие эксплоатационные измерения.
Испытывать трансформаторы на перенапряжение не при-
ходится в эксплоатации, перенапряжения возникают все время
и без того. Но при приемке такие испытания предписаны и
выполняются в строгом соответствии с нормами V. D. Е.
Нормы эти возникли под давлением инженера-производствен-
ника, утратившего всякое доверие к защите от перенапряже-
ний и, поэтому, рассчитывающего исключительно на кон-
струкцию. Молчаливой предпосылкою их является то, что
защитная дроссельная катушка, какова бы она ни была,
в лучшем случае желательна и только, — отнюдь не необ-
ходима.
На военное время, быть может, падает доля вины за непо-
мерную строгость этих норм. Тогда появились конструкции
из „суррогатных" материалов, оказавшиеся нежизнеспособными.
Возражения конструктора заглушены были хором жалоб.
Мы строим в настоящее время дорогие трансформаторы,
не будучи в состоянии достигнуть требующейся безопасности
в отношении перенапряжений. Чем меньше трансформатор, тем
он безоружнее перед лицом перенапряжений. Повышенная
затрата материалов помогает делу мало.
Конструктор должен честно заявить, что при малых и даже
при средних мощностях он не может наделить трансформатор
самозащитою от перенапряжений. Будучи вынужден допустить
испытание на волны с отвесным фронтом, он по совести не
может считать его разумным. Он знает, что оно не приведет
непосредственно к аварии, но ясно представляет себе про*
колы, возникающие между отдельными витками.
Катушки хорошо обмотаны, поэтому инженер-производствен-
ник не видит, что он этим испытанием уже сам положил начало
их разрушению. Но учение об эксплоатации обязано отвести
этим измерениям то место, которое им подобает.
Не подлежит сомнению, что каждый трансформатор нуждается
в усиленной изоляции витков и слоев у начальных катушек,
что она должна быть усилена. Но также не подлежит сомне-
нию» что эти начальные витки и катушки нельзя подвергать
непосредственному воздействию волн перенапряжения. Защита
Эксплоатация трансформаторов	26
402
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
от перенапряжений есть самостоятельная часть установок, как
равно и защита от сверхтоков. Она должна находиться перед
трансформатором, а не в трансформаторе.
При таких условиях, если требуется, согласно ныне дей-
ствующим правилам, произвести испытание на повышенное
напряжение, то вполне достаточно исполнить его один раз,
при приемке. Разумные приемщики от испытания на „прыгаю-
щие волны“ откажутся. Задача учения об эксплоатации состоит
в том, чтобы вернуть подлинной защите от перенапряжений
утраченное ею значение.
Повышение температуры, как уже указывалось в § 90, нужно
измерять повторно после установки трансформатора в его камере,
чтобы заодно можно было проверять вентиляцию в камере. Это
испытание как раз всего удобнее произвести в трансформатор-
ной камере, где может быть осуществлена подлинная нагрузка.
Трудности, с которыми сопряжен метод короткого замы-
кания, в той же форме сопутствуют испытанию на нагрев,
которое непременно должно выяснить разность температур
между маслом и медью. Здесь тоже нет иного исхода, как
производить через короткие промежутки времени измерения
сопротивлений, с виду более легкие, чем в действительности.
Всякое испытание на нагрев можно значительно сократить,
если подвергнуть перегрузке холодный трансформатор. Тогда
его температура поднимается круто. Разумеется, нужно поза-
ботиться о своевременном установлении нормальной нагрузки,
в предотвращение недопустимого нагрева. Затем, нужно еще
некоторое время наблюдать за нормальной нагрузкой. Только
после того, как повышение температуры станет устойчивым,
можно считать законченным испытание на нагрев.
Чрезвычайно важным измерением является испытание проч-
ности масла на пробой. Его следовало бы повторять через регу-
лярные промежутки времени. Надо от времени до времени
брать у работающего трансформатора пробы масла; судя по
ним, можно вовремя замечать опасности.
За маслом нужно следить. Годами предоставлять трансфор-
матор самому себе недопустимо. Как-никак, наступает момент,
когда масло должно быть возобновлено. Пробой, короткое замы-
кание между ветвями очень часто влекут за собою, к несчастью,
ПРОЧИЕ ЭКСПЛОАТАЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
403
необходимость в замене масла, которую можно было бы до
них произвести дешевле.
В частности, нельзя подвергать крупные трансформаторы
опасности повреждения вследствие порчи масла: слишком мно-
гое стоит на карте. Поэтому они часто бывают снабжены соб-
ственными маслопроводами, которые во всякое время, даже
во время работы, позволяют вступить в действие маслоочи-
стительному устройству.
Очистка масла, как известно, всегда является трудною рабо-
тою. Поэтому она предпринимается только в крайних случаях.
Удобнее организовать в крупных установках правильный уход
за маслом, объемлющий регулярные измерения масла, возоб-
новление масла и очистку масла.
Очень часто ставятся в вину конструктору или объясняются
изъянами защиты от перенапряжений такие пробои, которые
в действительности имеют своим происхождением только испор-
ченное масло. Что масло после повреждения становится негод-
ным— с этим инженер-производственник соглашается. Но он
придерживается того взгляда, что оно стало негодным при
повреждении.
Положение на беду таково, что как раз в трансформаторах,
после несчастного случая, трудно бывает установить его при-
чины. Слишком много опасностей грозит трансформатору. Все
сваливают вину друг на друга.
Но учение об эксплоатации может быть в этом отношении
очень полезно. Оно просвещает инженера-производственника.
По счастью, он несет возмездие за каждое повреждение транс-
форматора, ибо должен оплачивать его ремонт. Непрерывные
расходы на ремонт побудят его, в конце-концов, последовать
советам теории.
Это единственный путь, способный привести к тому, чтобы
прекратилось несправедливое отношение к конструктору. От
драконовских предписаний пользы ждать не приходится. Каж-
дый обязан исполнять свой долг — и тот, кто построил транс-
форматор, и тот, кто эксплоатирует его.
Размолвки между этими двумя сторонами не только не-
приятны, они бесполезны, пока нет взаимного понимания.
Посредствующий между ними коммерсант может добиться согла-
16*
404	ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
шения, но выраженное в рублях и копейках решение спор*
ного случая не есть решение проблемы. Это последнее нужно
искать всякий раз наново, и оно действительно только для
каждого индивидуального случая. От него все же остается
жало недоверия и то неприятное чувство, что наши техниче-
ские устройства еще весьма несовершенны.
Несовершенство их объясняется тем, что еще не решены
эксплоатационные проблемы.
ОГЛАВЛЕНИЕ.
Стран.
Предисловие ................................................ 3
Введение.
Эксплоатационные проблемы. Обзор главнейших проблем учения
об эксплоатации......................................... 7
I.	Цена и коэффициент полезного действия трансформатора.
2.	Цена трансформатора........................................ и
3-	Зависимость цены от мощности. Законы роста................. 14
4.	Примеры расчета............................................ 16
5.	Зависимость цены от потерь энергии в железе и в меди...... 18
6.	Неестественный коэффициент полезного действия............. 22
7.	Стоимость трансформации. Оценка предложений на трансфор-
маторы ....................................................... 25
8.	Прогресс в трансформаторостроении.	Прямая прогресса......	29
9.	Трудности прогресса........................................ 32
ю.	Преувеличенное использование	материалов................... 35
и.	Конструкции............................................... 38
12.	Проблема цены и коэффициента полезного действия силового
трансформатора................................................ 40
II.	Экономичность осветительного трансформатора.
13.	Эксплоатационные проблемы осветительного трансформатора •• •	45
14.	Проблема цены и коэффициента полезного действия осветительного
трансформатора................................................ 48
15.	Перегружаемость осветительного трансформатора. Сухой транс-
форматор ................................................... 51
16.	Перегружаемость масляного трансформатора.................. 55
17.	Распределение потерь...................................... 6о
18.	Экономичность осветительного трансформатора............... 66
III. Ток холостого хода.
19.	Значение тока холостого хода.............................. 7i
20.	Ток холостого хода и рабочее напряжение................... 73
21.	Зависимость тока холостого хода от потерь	в	железе........ 76
доб
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Стран.
22.	Ток холостого хода и мощность.............................. 79
23.	Воздушный зазор между ярмом и колоннами. Предписанные
токи холостого хода............................................. 81
24.	Малые трансформаторы. Утолщение ярма....................... 84
IV. Соединения.
25.	Соединения у трехфазных трансформаторов.................... 89
26.	Электрическое и магнитное равновесие....................... 91
27.	Соединение звезда—звезда при световой	нагрузке.............. 94
28.	Соединение треугольник—звезда............................. 104
29.	Соединение зигзагом....................................... 1О9
30.	Соединение звездою с нулевым проводом...................... 127
31.	V-образное соединение...................................... 13°
32.	Сравнение осветительных схем.............................. *4°
33.	Американские схемы......................................... т43
V. Сверхтоки.
34.	Защита от сверхтоков и ее проблемы........................ т45
35.	Время выдержки автоматического выключателя................. 14®
36.	Время выдержки и ток короткого замыкания.................. *5Т
37.	Время выдержки и напряжение короткого замыкания............ 153
38.	Зависимая выдержка времени. Короткое замыкание витка...... 156
39.	Продолжительное и внезапное короткие замыкания............ 159
40.	Внезапное короткое замыкание и время выдержки............. 163
41.	Сила тока короткого замыкания............................. I67
42.	Ограничение силы тока при коротком замыкании.............. т72
43.	Сила тока при внезапном коротком замыкании................ х75
44.	Сила тока и деформация обмотки............................ т7®
45.	Деформация обмотки и надежность в отношении коротких
замыканий...................................................... J8s
46.	Действительная опасность силы тока короткого замыкания....	187
47.	Однофазное короткое замыкание............................. 189
48.	Двухфазное короткое замыкание............................. 193
49.	Ток включения............................................. т9^
50	Расчет тока включения...................................... 200
51.	Ограничение токов включения................................ 2°8
52.	Ток выключения автоматического выключателя................. 210
53.	Амперметры на трансформаторных подстанциях................. 213
54.	Плавкий предохранитель..................................... 216
VI. Перенапряжения.
55.	Проблема перенапряжений.................................... 218
56.	Блуждающие волны и их возникновение........................ 220
57-	Нарушения земного поля. Заземлители........................ 223
ОГЛАВЛЕНИЕ
407
Стран.
58.	Искровой разрядник........................................ 22
59.	Дуга искрового разрядника.................................... 232
6о.	Выключения тока.............................. ............ 237
61.	Ограничение перенапряжений при выключении тока короткого
замыкания....................................................... 239
62.	Перенапряжения при включении.	Волна	включения... 242
63.	Смягчение крутизны у фронта волны. Защитная дроссельная
катушка......................................................... 247
64.	Расчет дроссельной катушки................................... 25°
65.	Индуктивность дроссельной катушки в зависимости от мощности
и от напряжения................................................. 257
66.	Проверка расчета необходимой	защитной	индуктивности. 262
67.	Защитная дроссельная катушка	и	защитный конденсатор...... 267
68.	Смягчение крутизны у тыла блуждающей волны посредством
защитной индуктивности.......................................... 272
69.	Протяженность дроссельной катушки в пространстве............. 274
70.	Недостатки дроссельной катушки. Колебательный контур в на-
чале трансформатора. Успокоение колебаний этого контура . . .	284
71.	Шунтированные и нешунтированные дроссельные катушки.......	290
72.	Последовательное соединение шунтированной и нешунтированной
дроссельных катушек, сопряженных в магнитном отношении. . .	298
73.	Практическая применимость двух сопряженных дроссельных
катушек......................................................... 3о1
74.	Последовательное соединение двух в магнитном отношении неза-
висимых дроссельных катушек..................................... 3°4
75.	Двойная дроссельная катушка с железным сердечником........... 307
76.	Обзор проблем перенапряжения. Заземление нулевой точки. . . З11
77.	Заземляющая катушка.......................................... Зт4
78.	Действенность заземляющей катушки............................ Зт9
VII. Охлаждение.
79.	Проблемы охлаждения.......................................... 322
8о.	Отвод теплоты и его явления.................................. 324
81.	Внутренняя теплопроводность.................................. 327
82.	Лучеиспускание............................................... 330
83.	Конвекция посредством движущихся охлаждающих	жидкостей. . .	332
84.	Значение надлежащей вентиляции трансформаторной	камеры. . ,	335
85.	Вентиляционный ток трансформаторной камеры................... 338
86.	Расчет трансформаторной камеры............................... 341
87.	Крупные трансформаторы с естественным и масляным
ждением......................................................... 343
88.	Крупные трансформаторы с водяным охлаждением................. 346
89.	Внутреннее и наружное водяное охлаждение..................... 349
90.	Надзор за охлаждением........................................ 352
91.	Повторно-кратковременная работа. ............................ 355
4о8
ЭКСПЛОАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Стран.
VIII. Различные эксплоатационные проблемы.
92.	Проблема параллельного	соединения трансформаторов.......... 359
93.	Допустимые и излишние	параллельные соединения............. 361
94.	Установленные рядом, параллельно работающие трансформаторы. 364
95.	Первый предельный случай для двух рядом установленных
трансформаторов................................................. 367
96.	Второй предельный случай для двух рядом установленных
трансформаторов................................................. 371
97.	Улучшение параллельной работы посредством дроссельных
катушек......................................................... 375
98.	Соединения для параллельной работы......................... 377
99.	Проблема ответвлений....................................... 381
IOO.	Конструктивное выполнение ответвлений...................... 384
ioi.	Масляный консерватор....................................... 386
Ю2. Расчет масляного консерватора................................389
103.	Эксплоатационный контроль и измерения.......................392
104.	Детали измерений величин холостого хода и короткого замыкания. . . 396
105.	Прочие эксплоатационные измерения.......................... 401