圆锥圆柱齿轮减速器故障原因分析及技术改造
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结语12皮带机减速器经过技术改造和结构优化设计于2000年10月安装使用至今第一级圆弧锥齿轮从未发生过齿轮折断等失效故障齿面磨损小第二第三级圆柱齿轮副运转良好新减速器运行平稳振动减小噪音小不但节省了数十万元的备件费用而且提高了设备的安全可靠性减轻了检修人员的劳动强度确保了锅炉安全稳定运行具有显著的经济效益和社会效益
A
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2. 93 5. 86 8. 79 11. 72 14. 65 17. 58 21. 51 22. 98
7. 33 14. 66 21. 99 29. 32 36. 65 43. 98 51. 31 54. 98
改进前
Icd/ A
0. 274 0. 528 0. 59
0. 8 0. 92 1. 23 1. 74 2. 18
Y 7. 33
由于设计时 6. 3kV 侧 C T 变比选择不合适 ,由 6. 3kV 侧二次电流经变流器 FL23 满足不了要求 , 经计算 ,选择 4. 696A ,即 6. 3kV 经 FL23 降至4. 696 A ,10. 5 侧经 FL23 升流至 4. 696A 。实际上 ,变流 器 FL23 的升流与降流特性不同 , 在与 10. 5 kV 与 6. 3kV 两侧一升一降并不能达到平衡 ,即差回路电 流不平衡 。
按照一般可靠性要求 ,接触强度及弯曲强度的 最小安全系数为 : S Hlim = 1 、SFlim = 1. 3 。对于高 可靠性要求 ,接触强度及弯曲强度的最小安全系数 为 : S Hlim = 1. 25 、SFlim = 1. 5 。 从计算结果看 ,新减速器的接触强度及弯曲强 度均达到高可靠性的要求 。 (2) 改进后的减速器与原减速器其安装尺寸完 全相同 。原设备基础 、驱动单元及底座和相关部件 均无变化 。这样 ,在对 12 # 两条皮带机进行技术改 造时 ,所用时间最短 ,费用最低 。 (3) 该减速器为重载高速传动装置 ,而且安装在 34m 的转运站楼板上 ,间断运行 ,工作时有振动和 冲击载荷 。为了使圆弧锥齿轮轮齿表面具有高硬度 和耐磨性 ,芯部能保持一定的强度以及较高的韧性 和塑性 ,圆锥齿轮材料 ,采用 20CrMnMo 来代替原 20MnVB ,圆弧齿面热处理采用渗碳淬火 ,齿轮渗碳 层厚度太薄 ,易引起表面疲劳剥落 ,太厚难以承受冲 击载荷 。因此采用渗碳层厚度 2mm , 其表面硬度 HRC52255 ,齿面进行研磨 , 以提高 齿面的 表面 质 量。 (4) 虽然新减速器的安装尺寸与原减速器一致 , 但第一级锥齿轮副齿轮参数变大 ,引起减速器箱体 内部结构尺寸相应变动 。为了避免一次性单件生产 再做箱体木模 ,工期长 、成本高 ,决定采用焊接箱体 来代替铸造箱体 。 (5) 由于第二 、第三级圆柱齿轮副齿轮参数不
3 技术改造方案和技术要求
根据以上分析 ,认为必须对减速器进行改造 。 3. 1 最简单的方案 将减速器的机座号提高一档 ,即选用 3ZZ450A2 202 ⅢN 型减速器 。采用该方案 ,虽然减速器的承载 能力大了 ,第一级圆弧锥齿轮的承载能力能够满足 要求 ,但第二 、第三级圆柱齿轮的安全裕度过大 ,设 备重量和体积 、设备费用都要增加一倍以上 ,性价比 不经济 ,同时原驱动单元底座及地基要变 ,液力偶合 器 、制动器 、逆止器及低速轴联轴器都要变 ,工作量 太大 ,成本太高 。 3. 2 最优技改方案 对原 3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器进行改进设 计 ,保留其第二 、第三级圆柱齿轮安全裕度足够的优 势 ,针对薄弱环节 ,增强第一级圆弧锥齿轮副的承载 能力 。 (1) 加大圆弧锥齿轮的大端端面模数 ,在保证原 传动比的前提下 ,改变大小锥齿轮的齿数 ,提高其弯 曲强度 ,从而提高减速器的整机性能和使用寿命 ,改 进后的减速器型号为 3ZZ400AM2202ⅢN ,见图 1 。 通过对减速器的几何尺寸和强度的计算 ,第一 级锥齿轮副的新 、旧基本参数和安全系数对比如表 1 所示 。
5 结语
经分析认为发电机跳闸事故的原因是高厂变纵 差保护设计不合理 ,产生保护误动 。为了使差回路 电流平衡 ,采取了一侧使用变流器的改进方案 ,避免 了类似故障的发生 。
(收稿日期 2006 - 02 - 28)
(上接第 45 页) 变 ,故本厂现使用的减速器除了锥齿轮副以外的其 他部件 ,日后均可作为新减速器的备件使用 。 3. 3 技术要求 为了使新减速器能够长期可靠安全运行 ,确保 安装质量 ,特制定以下技术要求 。(1) 装配前必须将 所有零部件清洗干净 ,不许有异物在减速器体内 。 (2) 齿轮端面及轴承内圈必须紧贴轴肩或定距套 ,用 0. 05mm 塞尺检查不得通过 。(3) 齿轮副最小法向 侧隙 :第一级为 0. 170mm ; 第二级为 0. 210mm ; 第 三级为 0. 230mm 。(4) 齿轮副接触斑点 : 圆锥齿轮 按齿高不小于 55 % ,按齿宽不少于 50 % ;圆柱齿轮 按齿高不小于 50 % ,按齿宽不少于 70 %。(5) 减速 器安装好后进行空载试验 ,运行 4h ,空载应平稳 ,各
3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器是硬齿面传动 ,具 有结构紧凑 ,体积小 ,重量轻 ,承载能力大 ,使用寿命 长等优点 。 圆弧锥齿轮与直齿轮相比 ,具有以下优点 : (1) 重叠系数较大 ,一般可达 2 以上 ,故传动平 稳 ,冲击和噪音较小 。 (2) 由于重叠系数大 ,使齿面上的比压降低 ,因 而提高了齿轮传动的承载能力 ,延长了使用寿命 。 (3) 小齿轮的齿数可以很少 ,因而可获得较大的 传动比和较小的机构尺寸 。 (4) 可以进行齿面的研磨 ,以提高齿面的光洁度 和精度 ,从而降低噪音 ,改善传动质量 。
Causes to the Fa ilures of Cylindrical and Bevel Gears
Sun Mingxiang (Maanshan Iron & Steel Co . Ltd. ) Abstract Characteristic s of bevel and cylindrical reduction gears are introduced. Problems existing in the original de sign and installation of bevel and cylindrical reduction gears are analyzed , and de sign is optimized , material is im2 proved , heat treatment is added and the structure of the gear is transformed. Failure s such a s tooth breaking are com2 pletely re solved. Key words reduction gear failure analysis transformation
要一个半月左右 ,而且是单件生产 。每次采购备件 , 不仅要花费 35000 元左右的费用 ,还要到唐山冶金 矿山机械厂去提货 ,一旦发生故障 ,将直接威胁到锅 炉的正常运行 。针对上述影响生产的不利状况 ,经 过分析和对原结构进行改造 ,解决了因折齿 、崩齿造 成的皮带机停机故障 。
1 圆锥圆柱齿轮减速器的特点
3 改进方案
为使差回路电流平衡 ,只能在一次侧使用变流 器 。变比为 n = 7. 33/ 2. 93 = 2. 5 ; 二次电流为 5A ; 一次电流为 2. 5 ×5 = 12. 5A 。选择 FL23 ( 3. 05～ 12. 5A) 即可满足要求 。取消 10. 5kV 侧升流变压 器 ,在 6. 3kV 侧使用降流 FL23A 。
改进后
Icd/ a
0. 1 0. 11 0. 16 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3 0. 33
在二次通入 7. 5 Ie 时 ,改进前差回路中的差电 流达到 2. 18A (整定值为 2A) ,改进后差回路中的电 流为 0. 33A 。可见改进后的差动保护躲过穿越性故 障的能力较改进前的提高很多 。
0 前言
马钢热电总厂三台 220t/ h 锅炉每天耗用燃料 动力煤约 1800t ,燃料动力煤的供应 ,是经燃运车间 斗轮机取料 ,皮带运输机输送至锅炉的原煤仓 。 12 # 甲乙皮带机是输送锅炉燃煤的重要设备 。 该皮带机的生产能力 300t/ h ,皮带长度为 132. 7m , 皮带宽度 800mm ,皮带速度 2. 0m/ s ,皮带机的头轮 与尾轮的高度差为 32m 。皮带机的工作方式是每天 启动 6 次 ,每次工作时间约 1h 。皮带机的配套电机 型号 Y315S26 ,电机功率 75kW 。 12 # 甲乙皮带机是唐山冶金矿山机械厂生产制 造的 。皮带机的驱动装置是三级圆锥圆柱齿轮减速 器 ,型号为 3ZZ400A2202 ⅢN ,第一级锥齿轮副采用 先进的圆弧齿锥齿轮 。 3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器于 1993 年 12 月投 运以来 ,大约每隔一年 ,第一级圆弧圆锥齿轮就发生 轮齿沿分度圆方位折断 ,或沿齿宽方位折断 ,或崩 齿 。折断的轮齿卡在第二级齿轮的啮合面上 ,将第 二级齿轮副的啮合面损坏失效 ,造成皮带机停机 。 圆弧圆锥齿轮加工工艺技术复杂 ,工期长 ,至少
连接处 、密封处不渗油 。
作者简介 :孙明祥 ,工程师 ,安徽省马鞍山市 (243000) 马钢热电总厂
2006 年第 2 期 安 徽 冶 金
45
2 圆锥圆柱齿轮减速器的故障分析
为了改变 12 # 皮带机三级圆锥圆柱齿轮减速器 的圆弧圆锥齿较易折断和崩裂的技术难题 ,确保燃 煤的正常供应和锅炉安全运行 ,我们和唐山冶金机 械厂的有关技术人员一道深入现场 ,进行测量 、检 查 ,技术诊断 。 经过分析研究 ,第一级圆弧锥齿轮副折齿 、崩齿 失效的主要原因为 : (1) 皮带机的载荷与该减速器的额定承载能力 比较接近 ,造成安全裕度不大 。 (2) 就该减速器的各级承载能力而言 ,第一级锥 齿轮副为薄弱环节 ,第二级 、第三级圆柱齿轮副的安 全裕度均大于第一级锥齿轮副 。 (3) 皮带机间断运行 ,启动频繁 ,受斗轮机影响 , 载荷变化大 ,有时超载 ,而且在启动时有冲击载荷 。 (4) 减速器更换备件时 ,第一级锥齿轮副的装配 调整也有一些问题 。
图 1 改进后的减速器
表 1 改进前后参数和安全系数对比
零件名称
原圆锥齿轮副 新圆锥齿轮副
齿数
19/ 39 17/ 35
大端端 面模数
接触强度 安全系数
弯曲强度 安全系数
SH
SF
7. 5 1. 36/ 1. 36 1. 43/ 1. 43
8. 8 1. 48/ 1. 48 1. 90/ 1. 75
(下转第 50 页)
50
ANHUI METALL U流见表 1 。
表 1 高厂变各侧电流
参 数
参数值
电压等级/ kV 额定电流/ A
CT 变比 CT 接法 CT 二次电流/ A
10. 5 880 1500/ 5
Y 2. 93
6. 3 1466 1000/ 5
44
ANHUI METALL URGY 2006 年第 2 期
圆锥圆柱齿轮减速器故障原因分析及技术改造
孙明祥
(马鞍山钢铁股份有限公司)
摘 要 介绍了圆弧圆锥齿轮传动的特点 ,针对原圆锥圆柱齿轮减速器结构设计和安装中存在的问题 ,进行 分析和优化设计 、改进材质和热处理工艺 ,并对减速器结构进行改造 ,彻底解决了圆弧齿轮折齿失效等问题 ,成效 显著 。 关键词 减速器 故障分析 改造
4 试验数据及分析
为验证分析的正确性 ,在 2000 年 12 月的小修
期间 ,先后对 1 # 、2 # 高厂变进行了试验 ,数据结果 如表 2 所示 。
表 2 高厂变试验数据
Ie 2 Ie 3 Ie 4 Ie 5 Ie 6 Ie 7 Ie 7. 5 Ie
变压器二次通电流 10. 5kV 侧 6. 3kV 侧
A
A
2. 93 5. 86 8. 79 11. 72 14. 65 17. 58 21. 51 22. 98
7. 33 14. 66 21. 99 29. 32 36. 65 43. 98 51. 31 54. 98
改进前
Icd/ A
0. 274 0. 528 0. 59
0. 8 0. 92 1. 23 1. 74 2. 18
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由于设计时 6. 3kV 侧 C T 变比选择不合适 ,由 6. 3kV 侧二次电流经变流器 FL23 满足不了要求 , 经计算 ,选择 4. 696A ,即 6. 3kV 经 FL23 降至4. 696 A ,10. 5 侧经 FL23 升流至 4. 696A 。实际上 ,变流 器 FL23 的升流与降流特性不同 , 在与 10. 5 kV 与 6. 3kV 两侧一升一降并不能达到平衡 ,即差回路电 流不平衡 。
按照一般可靠性要求 ,接触强度及弯曲强度的 最小安全系数为 : S Hlim = 1 、SFlim = 1. 3 。对于高 可靠性要求 ,接触强度及弯曲强度的最小安全系数 为 : S Hlim = 1. 25 、SFlim = 1. 5 。 从计算结果看 ,新减速器的接触强度及弯曲强 度均达到高可靠性的要求 。 (2) 改进后的减速器与原减速器其安装尺寸完 全相同 。原设备基础 、驱动单元及底座和相关部件 均无变化 。这样 ,在对 12 # 两条皮带机进行技术改 造时 ,所用时间最短 ,费用最低 。 (3) 该减速器为重载高速传动装置 ,而且安装在 34m 的转运站楼板上 ,间断运行 ,工作时有振动和 冲击载荷 。为了使圆弧锥齿轮轮齿表面具有高硬度 和耐磨性 ,芯部能保持一定的强度以及较高的韧性 和塑性 ,圆锥齿轮材料 ,采用 20CrMnMo 来代替原 20MnVB ,圆弧齿面热处理采用渗碳淬火 ,齿轮渗碳 层厚度太薄 ,易引起表面疲劳剥落 ,太厚难以承受冲 击载荷 。因此采用渗碳层厚度 2mm , 其表面硬度 HRC52255 ,齿面进行研磨 , 以提高 齿面的 表面 质 量。 (4) 虽然新减速器的安装尺寸与原减速器一致 , 但第一级锥齿轮副齿轮参数变大 ,引起减速器箱体 内部结构尺寸相应变动 。为了避免一次性单件生产 再做箱体木模 ,工期长 、成本高 ,决定采用焊接箱体 来代替铸造箱体 。 (5) 由于第二 、第三级圆柱齿轮副齿轮参数不
3 技术改造方案和技术要求
根据以上分析 ,认为必须对减速器进行改造 。 3. 1 最简单的方案 将减速器的机座号提高一档 ,即选用 3ZZ450A2 202 ⅢN 型减速器 。采用该方案 ,虽然减速器的承载 能力大了 ,第一级圆弧锥齿轮的承载能力能够满足 要求 ,但第二 、第三级圆柱齿轮的安全裕度过大 ,设 备重量和体积 、设备费用都要增加一倍以上 ,性价比 不经济 ,同时原驱动单元底座及地基要变 ,液力偶合 器 、制动器 、逆止器及低速轴联轴器都要变 ,工作量 太大 ,成本太高 。 3. 2 最优技改方案 对原 3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器进行改进设 计 ,保留其第二 、第三级圆柱齿轮安全裕度足够的优 势 ,针对薄弱环节 ,增强第一级圆弧锥齿轮副的承载 能力 。 (1) 加大圆弧锥齿轮的大端端面模数 ,在保证原 传动比的前提下 ,改变大小锥齿轮的齿数 ,提高其弯 曲强度 ,从而提高减速器的整机性能和使用寿命 ,改 进后的减速器型号为 3ZZ400AM2202ⅢN ,见图 1 。 通过对减速器的几何尺寸和强度的计算 ,第一 级锥齿轮副的新 、旧基本参数和安全系数对比如表 1 所示 。
5 结语
经分析认为发电机跳闸事故的原因是高厂变纵 差保护设计不合理 ,产生保护误动 。为了使差回路 电流平衡 ,采取了一侧使用变流器的改进方案 ,避免 了类似故障的发生 。
(收稿日期 2006 - 02 - 28)
(上接第 45 页) 变 ,故本厂现使用的减速器除了锥齿轮副以外的其 他部件 ,日后均可作为新减速器的备件使用 。 3. 3 技术要求 为了使新减速器能够长期可靠安全运行 ,确保 安装质量 ,特制定以下技术要求 。(1) 装配前必须将 所有零部件清洗干净 ,不许有异物在减速器体内 。 (2) 齿轮端面及轴承内圈必须紧贴轴肩或定距套 ,用 0. 05mm 塞尺检查不得通过 。(3) 齿轮副最小法向 侧隙 :第一级为 0. 170mm ; 第二级为 0. 210mm ; 第 三级为 0. 230mm 。(4) 齿轮副接触斑点 : 圆锥齿轮 按齿高不小于 55 % ,按齿宽不少于 50 % ;圆柱齿轮 按齿高不小于 50 % ,按齿宽不少于 70 %。(5) 减速 器安装好后进行空载试验 ,运行 4h ,空载应平稳 ,各
3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器是硬齿面传动 ,具 有结构紧凑 ,体积小 ,重量轻 ,承载能力大 ,使用寿命 长等优点 。 圆弧锥齿轮与直齿轮相比 ,具有以下优点 : (1) 重叠系数较大 ,一般可达 2 以上 ,故传动平 稳 ,冲击和噪音较小 。 (2) 由于重叠系数大 ,使齿面上的比压降低 ,因 而提高了齿轮传动的承载能力 ,延长了使用寿命 。 (3) 小齿轮的齿数可以很少 ,因而可获得较大的 传动比和较小的机构尺寸 。 (4) 可以进行齿面的研磨 ,以提高齿面的光洁度 和精度 ,从而降低噪音 ,改善传动质量 。
Causes to the Fa ilures of Cylindrical and Bevel Gears
Sun Mingxiang (Maanshan Iron & Steel Co . Ltd. ) Abstract Characteristic s of bevel and cylindrical reduction gears are introduced. Problems existing in the original de sign and installation of bevel and cylindrical reduction gears are analyzed , and de sign is optimized , material is im2 proved , heat treatment is added and the structure of the gear is transformed. Failure s such a s tooth breaking are com2 pletely re solved. Key words reduction gear failure analysis transformation
要一个半月左右 ,而且是单件生产 。每次采购备件 , 不仅要花费 35000 元左右的费用 ,还要到唐山冶金 矿山机械厂去提货 ,一旦发生故障 ,将直接威胁到锅 炉的正常运行 。针对上述影响生产的不利状况 ,经 过分析和对原结构进行改造 ,解决了因折齿 、崩齿造 成的皮带机停机故障 。
1 圆锥圆柱齿轮减速器的特点
3 改进方案
为使差回路电流平衡 ,只能在一次侧使用变流 器 。变比为 n = 7. 33/ 2. 93 = 2. 5 ; 二次电流为 5A ; 一次电流为 2. 5 ×5 = 12. 5A 。选择 FL23 ( 3. 05～ 12. 5A) 即可满足要求 。取消 10. 5kV 侧升流变压 器 ,在 6. 3kV 侧使用降流 FL23A 。
改进后
Icd/ a
0. 1 0. 11 0. 16 0. 3 0. 3 0. 3 0. 3 0. 33
在二次通入 7. 5 Ie 时 ,改进前差回路中的差电 流达到 2. 18A (整定值为 2A) ,改进后差回路中的电 流为 0. 33A 。可见改进后的差动保护躲过穿越性故 障的能力较改进前的提高很多 。
0 前言
马钢热电总厂三台 220t/ h 锅炉每天耗用燃料 动力煤约 1800t ,燃料动力煤的供应 ,是经燃运车间 斗轮机取料 ,皮带运输机输送至锅炉的原煤仓 。 12 # 甲乙皮带机是输送锅炉燃煤的重要设备 。 该皮带机的生产能力 300t/ h ,皮带长度为 132. 7m , 皮带宽度 800mm ,皮带速度 2. 0m/ s ,皮带机的头轮 与尾轮的高度差为 32m 。皮带机的工作方式是每天 启动 6 次 ,每次工作时间约 1h 。皮带机的配套电机 型号 Y315S26 ,电机功率 75kW 。 12 # 甲乙皮带机是唐山冶金矿山机械厂生产制 造的 。皮带机的驱动装置是三级圆锥圆柱齿轮减速 器 ,型号为 3ZZ400A2202 ⅢN ,第一级锥齿轮副采用 先进的圆弧齿锥齿轮 。 3ZZ400A2202 ⅢN 型减速器于 1993 年 12 月投 运以来 ,大约每隔一年 ,第一级圆弧圆锥齿轮就发生 轮齿沿分度圆方位折断 ,或沿齿宽方位折断 ,或崩 齿 。折断的轮齿卡在第二级齿轮的啮合面上 ,将第 二级齿轮副的啮合面损坏失效 ,造成皮带机停机 。 圆弧圆锥齿轮加工工艺技术复杂 ,工期长 ,至少
连接处 、密封处不渗油 。
作者简介 :孙明祥 ,工程师 ,安徽省马鞍山市 (243000) 马钢热电总厂
2006 年第 2 期 安 徽 冶 金
45
2 圆锥圆柱齿轮减速器的故障分析
为了改变 12 # 皮带机三级圆锥圆柱齿轮减速器 的圆弧圆锥齿较易折断和崩裂的技术难题 ,确保燃 煤的正常供应和锅炉安全运行 ,我们和唐山冶金机 械厂的有关技术人员一道深入现场 ,进行测量 、检 查 ,技术诊断 。 经过分析研究 ,第一级圆弧锥齿轮副折齿 、崩齿 失效的主要原因为 : (1) 皮带机的载荷与该减速器的额定承载能力 比较接近 ,造成安全裕度不大 。 (2) 就该减速器的各级承载能力而言 ,第一级锥 齿轮副为薄弱环节 ,第二级 、第三级圆柱齿轮副的安 全裕度均大于第一级锥齿轮副 。 (3) 皮带机间断运行 ,启动频繁 ,受斗轮机影响 , 载荷变化大 ,有时超载 ,而且在启动时有冲击载荷 。 (4) 减速器更换备件时 ,第一级锥齿轮副的装配 调整也有一些问题 。
图 1 改进后的减速器
表 1 改进前后参数和安全系数对比
零件名称
原圆锥齿轮副 新圆锥齿轮副
齿数
19/ 39 17/ 35
大端端 面模数
接触强度 安全系数
弯曲强度 安全系数
SH
SF
7. 5 1. 36/ 1. 36 1. 43/ 1. 43
8. 8 1. 48/ 1. 48 1. 90/ 1. 75
(下转第 50 页)
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ANHUI METALL U流见表 1 。
表 1 高厂变各侧电流
参 数
参数值
电压等级/ kV 额定电流/ A
CT 变比 CT 接法 CT 二次电流/ A
10. 5 880 1500/ 5
Y 2. 93
6. 3 1466 1000/ 5
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ANHUI METALL URGY 2006 年第 2 期
圆锥圆柱齿轮减速器故障原因分析及技术改造
孙明祥
(马鞍山钢铁股份有限公司)
摘 要 介绍了圆弧圆锥齿轮传动的特点 ,针对原圆锥圆柱齿轮减速器结构设计和安装中存在的问题 ,进行 分析和优化设计 、改进材质和热处理工艺 ,并对减速器结构进行改造 ,彻底解决了圆弧齿轮折齿失效等问题 ,成效 显著 。 关键词 减速器 故障分析 改造
4 试验数据及分析
为验证分析的正确性 ,在 2000 年 12 月的小修
期间 ,先后对 1 # 、2 # 高厂变进行了试验 ,数据结果 如表 2 所示 。
表 2 高厂变试验数据
Ie 2 Ie 3 Ie 4 Ie 5 Ie 6 Ie 7 Ie 7. 5 Ie
变压器二次通电流 10. 5kV 侧 6. 3kV 侧