Силовые трансформаторы - устройство и принцип действия

Силовым трансформатором называется электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого более высокого или более низкого напряжения при неизменной частоте. Трансформаторы выпускаются стандартных мощностей: 10, 16, 25, 40 и 63 кВ А с увеличением каждого из этих значений в 10, 100, 1000 и 10000 раз.

Трансформаторы разделяются по способу охлаждения на масляные, сухие, с дутьевым и водомасляным охлаждением; по исполнению - для внутренней и наружной установок, герметичные и уплотненные; по числу фаз - одно- и трехфазные; по числу обмоток - двух- и трехобмоточные; по способу регулирования напряжения - под нагрузкой и при отключенном напряжении.

Сухие (без масла) трансформаторы выпускаются мощностью до 1600 кВ А и напряжением до 15, 75 кВ с естественным охлаждением. Достоинством сухих трансформаторов является их пожаробезопасность.

Для масляных трансформаторов с естественным масляным охлаждением, используемых в закрытых помещениях, обеспечивается непрерывная вентиляция для отвода нагретого и доступа холодного воздуха.

Основными параметрами трансформаторов являются: номинальные напряжения обмоток, номинальная мощность, номинальный ток и номинальная нагрузка обмоток.

Обмотки первичного и вторичного напряжения трехфазных двухобмоточных трансформаторов соединяют по схемам звезда-звезда или звезда-треугольник. В зависимости от направления намотки обмотки, последовательности соединений фазных обмоток и чередования фаз при соединении в звезду или треугольник можно получить ту или иную группу соединений. Наиболее распространенные схемы соединений обмоток трансформаторов приведены на рис. 115.

Рис. 115. Схемы соединений обмоток двухобмоточных трансформаторов:
а - звезда-звезда с выведенной нейтралью; б - звезда-треугольник; в - звезда с выведенной нейтралью-треугольник.

Силовые трансформаторы имеют обозначения, состоящие из букв и цифр. Первая буква указывает число фаз: О - однофазный и Т - трехфазный. Вторая буква указывает вид охлаждения: М - масляное естественное; Д - масляное с дутьевым охлаждением и естественной циркуляцией масла; ДЦ - масляное с дутьевым охлаждением и принудительной циркуляцией масла; MB - масляно-водяное охлаждение масла с естественной циркуляцией; Ц - масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла; С, СЗ, СТ - естественное воздушное охлаждение соответственно при открытом, закрытом и герметизированном исполнениях; у трансформаторов с заполнением негорючих диэлектриков вид охлаждения обозначается буквами Н - естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком и НД - охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительным дутьем.

Третья буква указывает число обмоток (Т - трехобмоточный), четвертая - выполнение одной из обмоток с устройством регулирования напряжения под нагрузкой - РПН и обозначается буквой Н.

Мощность и высшее напряжение трансформатора указываются в обозначениях дробью. Числитель дроби указывает номинальную мощность в кВ А, а знаменатель - высшее напряжение обмоток (ВН) в кВ.

Например, трансформатор типа ТДТН-15000/35 - трехфазный, с дутьевым охлаждением, трехобмоточный, с регулировкой напряжения под нагрузкой, мощностью 15000 кВ А и напряжением ВН - 35 кВ.

Рис. 116. Трехфазный силовой трансформатор мощностью 1000 кВ А с масляным охлаждением:
1 - бак; 2, 5 - нижняя и верхняя ярмовые балки; 3 - обмотка ВН; 4 - регулировочные отводы; 6 - магнитопровод; 7 -деревянные планки; 8 - отвод от обмотки ВН; 9 - переключатель; 10 - подъемная шпилька; 11 - крышка; 12 - подъемное кольцо; 13 - ввод ВН; 14 - ввод НН; 15 - выхлопная труба; 16 - расширитель; 17 - маслоуказатель; 18 - газовое реле; 19 - циркуляционные трубы; 20 - маслоспускной кран; 21 - катки.

Основой конструкции силового двухобмоточного трансформатора (рис. 116) является его активная часть, состоящая из магнитопровода 6 с расположенными на нем обмотками низшего (НН) и высшего 3 (ВН) напряжений, отводов 8 и переключателя напряжения 9. Магнитопровод 6 трансформатора набирается из листов специальной электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Отдельные части магнитопровода собирают в жесткую конструкцию из трех вертикальных стержней с верхним 5 и нижним 2 ярмами с помощью стяжных шпилек и прессующих ярмовых балок, образуя замкнутый контур. Между собой листы стали изолированы лаком или теплостойким покрытием на основе жидкого стекла. Ярмовыми балками из швеллеров листы стали магнитопровода плотно опрессовывают при помощи шпилек. Ярмовые балки и шпильки изолируют от активной стали магнитопровода. Активная часть трансформатора помещается в металлический бак, который предохраняет обмотки от повреждений и является резервуаром для трансформаторного масла.

Обмотки трансформаторов изготовляют из электротехнической меди или алюминия прямоугольного или круглого сечения. Чаще всего применяют цилиндрические и винтовые обмотки. Их отделяют от сердечника, друг от друга и от стенок бака цилиндрами из изолирующего материала (бакелита).

Цилиндрические обмотки выполняют из круглых или прямоугольных проводов с изоляцией из хлопчатобумажной пряжи и наматывают в один слой (однослойная), в два слоя (двухслойная) или несколько слоев (многослойная) одним или несколькими проводами по винтовой линии (рис. 117).

Рис. 117. Однослойная (а), двухслойная (б) и многослойная (в) конструкции цилиндрических обмоток силовых трансформаторов:
1 - выравнивающие кольца; 2 - коробочка из электрокартона; 3 - конец первого слоя обмотки; 4 - планка из бука; 5 - отводы для регулирования напряжения.

Начала и концы обмоток располагают на их противоположных торцах. Однослойные и двухслойные обмотки применяются в качестве обмоток низкого напряжения, а многослойные - в качестве обмоток ВН в трансформаторах мощностью до 630 кВ А.

Цилиндрические многослойные обмотки изготовляют из круглого провода, намотанного на бумажно-бакелитовый цилиндр, плотно укладывая витки слоями и прокладывая между ними листы кабельной бумаги (рис. 117, в). При большом числе слоев между ними укладывают планки из древесины твердых пород или из нескольких слоев полосок склеенного электрокартона, образуя вертикальные каналы. Такая конструкция обеспечивает хороший отвод теплоты для охлаждения обмотки. Для увеличения механической прочности обмотку обматывают хлопчатобумажной лентой, пропитывают глифталевым лаком и запекают при температуре около 100 С.

В более мощных трансформаторах применяют непрерывные обмотки из плоских проводов без разрывов и паек при переходе из одной катушки в другую. Эти обмотки наматываются на рейки, уложенные на бумажно-бакелитовом цилиндре и образующие в своих промежутках вертикальные каналы охлаждения, а горизонтальные каналы создаются с помощью пакетов из электротехнического картона, собранных на проваренных в масле деревянных планках. Они применяются в силовых трансформаторах в качестве обмоток низшего и высшего напряжения.

Баки силовых трансформаторов изготовляют из листовой стали. Они могут быть овальной или прямоугольной форм. Баки изготовляют гладкими, а для лучшего охлаждения масла - ребристыми, трубчатыми и с радиаторами. Баки устанавливают на катки для перемещения трансформаторов в пределах помещения подстанции. Сверху бак закрывается съемной крышкой, на которой размещают вводные изоляторы, термометр, пробивной предохранитель, переключатель отводов обмотки для регулирования напряжения, расширитель, газовое реле и предохранительную трубу.

Для присоединения обмоток к токопроводящим шинам применяют фарфоровые изоляторы, через которые проходят медные стержни.

Изоляционное масло в трансформаторе используется в качестве изолирующей и охлаждающей среды. В процессе эксплуатации трансформатора масло стареет и теряет свои первоначальные изоляционные свойства за счет воздействия на него кислорода, влаги, грязи и высокой температуры.

Для измерения температуры верхних слоев масла в трансформаторах мощностью до 1000 кВ А применяют стеклянный термометр с шкалой от -20 до +100 ºС, а в трансформаторах свыше 1000 кВ А - термометрический сигнализатор ТС-100, который служит для контроля температуры масла и для сигнализации или отключения трансформатора при превышении температуры свыше допустимого предела.

В тех случаях, когда вторичные сети имеют изолированную от земли нейтраль, для безопасной работы применяется пробивной предохранитель, имеющий воздушные промежутки. В аварийном режиме воздушные промежутки пробиваются и обмотка низкого напряжения заземляется.

Рис. 118. Переключатели ТПСУ-9-120/11 (а), ТПСУ-9-120/10 (б) отводов обмоток для регулирования напряжения силовых трансформаторов и их схема (в):
1 - сегментный контакт; 2 - коленчатый вал; 3, 4 - бумажно-бакелитовая трубка; 5 - резиновое уплотнение; 6 - крышка трансформатора; 7 - фланец; 8 - стопорный болт; 9 - колпак; 10 - указатель положения; 11 - неподвижный контакт.

Для поддержания необходимого уровня напряжения потребителей у трансформаторов с регулировкой напряжения (рис. 119, а и б) проводят изменение коэффициента трансформации с помощью переключателей ответвлений обмоток (рис. 118). Регулирование напряжения проводится в пределах ±5 %. Трансформаторы с РПН (регулирование под нагрузкой) имеют большое число ступеней и более широкой диапазон регулирования (до 20%).

Рис. 119. Схемы трансформаторов с РПН без реверсирования (а) и с реверсированием (б):
1 - основная обмотка; 2 - регулировочная обмотка; 3 - устройство переключения; 4 - переключатель (реверсор).

Часть обмотки ВН с ответвлениями называется регулировочной обмоткой. Расширение регулировочного диапазона без увеличения числа отводов достигается применением схем с реверсированием (рис. 119, б). Переключатель-реверсор 4 позволяет присоединить регулировочную обмотку 2 к основной 1 согласно или встречно, благодаря чему диапазон регулирования удваивается. Устройство 3 PПН обычно включается со стороны нейтрали X. что позволяет выполнять их с пониженной изоляцией.

Устройство РПН состоит из контактора, разрывающего и замыкающего цепь рабочею тока; избирателя (переключателя), контакты которого размыкают и замыкают электрическую цепь без тока; реактора или резистора; приводного механизма (рис. 120).

Рис. 120. Последовательность работы переключающих устройств с РПН:
Р - реактор; К1, К2 - контакторы; РО - регулировочная обмотка; П - переключатель.

Очередность в работе контакторов и избирателей обеспечивается приводным механизмом с реверсивным пускателем. В нормальном режиме работы через реактор Р проходит ток нагрузки, а в процессе переключения ответвлений - реактор ограничивает значение тока I цирк. Контактор, в котором при переключении возникает дуга на контактах, помещают в отдельном масляном баке. Управление устройством РПН осуществляется автоматически от реле напряжения или дистанционно диспетчером.

На маслоуказателе расширителя нанесены три контрольные черты, соответствующие уровню масла при температуре -45, +15, +40.

Рис. 121. Расположение на крышке трансформатора расширителя, газового реле и предохранительной трубы:
1 - расширитель; 2 - газовое реле; 3 - предохранительная труба.

Газовое реле (рис. 121) служит для сигнализации или отключения трансформатора в случаях внутренних повреждений. Разлагающиеся под действием высоких температур масло, дерево или изоляция выделяют газы, которые воздействуют на поплавки с контактами газового реле. В случае отказа работы газового реле в трансформаторе создается повышенное давление, которое разрушает мембрану предохранительной трубы и выбрасывает газы и масло наружу, предотвращая опасность взрыва бака. Мембрана трубы изготовляется из стекла или фольги.

Рис. 122. Схема автотрансформатора:
а - однофазного; б - трехфазного.

Автотрансформаторы представляют собой трансформаторы, у которых обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения (рис. 122). Автотрансформаторы широко используются для связи электрических сетей напряжением 150/121, 230/121. 350/121, 500/121 и 750/330 кВ. Они выполняются трехфазными или и виде групп, состоящих из трех однофазных. Автотрансформаторы низкого напряжения широко применяются для регулирования напряжения в цепях управления, автоматики, а также при испытаниях оборудования и сетей.

В мощных автотрансформаторах напряжение регулируют переключателем, как и в обычных трансформаторах.

На напряжение 110 кВ изготовляют трансформаторы мощностью от 2500 до 400 000 кВ-А. В их устройство входят все рассмотренные ранее части. Конструктивные отличия отдельных частей вызваны значительными по сравнению с трансформаторами I-III габаритов токами, электрическими полями, потенциалами, потерями в магнитной системе и обмотках.

Рис. 1. Главная изоляция и основные изоляционные промежутки трехфазного трансформатора класса 110 кВ с выводом нейтрали внизу обмотки

Рис. 2. Трехфазный трехобмоточный трансформатор ТДТ-16000/110 в собранном виде :
1 - кран, 2 - вентилятор, 3 - бак, 4 - радиатор, 5 - крюк, 6 - переходный фланец с установкой трансформаторов тока, 7 - ввод 110 кВ, 8 - ввод 35 кВ, 9 - бумажно-бакелитовый цилиндр ввода 110 кВ, 10 - привод переключающего устройства ПБВ, 11 - ввод НН (10 кВ), 12 - выхлопная труба, 13 - газовое реле, 14 - расширитель, 15- маслоуказатель, 16 - воздухоосушитель, 17 - переключатель обмотки ВН, 18 - обмотка ВН (110 кВ), 19 - термосифонный фильтр, 20 - каретка, 21 - распределительная коробка, 22 - площадка для установки домкрата, 23 - магистральная коробка

На рис. 1 показана конструкция главной изоляции трехфазного трансформатора класса 110 кВ при выводе линейного отвода с верхней части обмотки, а нейтрали - с нижней. Обмотки НН изолированы от обмоток ВН и стержня двумя электрокартонньь
ми цилиндрами 1 толщиной по 6 мм, от ярма и прессующего кольца 2- угловыми шайбами 3 толщиной по 6 мм, собранными из полос электрокартона толщиной 0,5 мм; для изоляции фаз обмоток ВН установлены электрокартонные барьеры 4 толщиной по 8 мм каждый с электрокартонными рейками между ними; изоляцией обмоток ВН от нижнего ярма служит барьер 6 толщиной 6 мм. Кроме того, концевая изоляция заполняет промежутки между торцами обмоток и ярмами. Для защиты обмоток ВН от перенапряжений предусмотрены емкостные кольца 5.
Стержни магнитной системы стянуты стеклобандажами, ярма - полубандажами. На рис. 2 показан общий вид трехфазного трехобмоточного трансформатора ТДТ-16000/110 с номинальными напряжениями обмоток ВН-110 кВ; СН- 35 и НН - 10 кВ. Для переключения ответвлений обмоток ВН и СН установлены однофазные переключающие устройства ПБВ барабанного типа.
Для перемещения трансформатора бак 3 снабжен четырьмя каретками 20 с поворотными катками. Бумажно-масляные герметичные вводы ВН установлены на специальных переходных фланцах 6\ во фланцы встроены трансформаторы тока. Нижняя часть вводов ВН закрытая бумажно-бакелитовыми цилиндрами, металлическая часть - экранами, выравнивающими электрическое поле. Система охлаждения Д состоит из прямотрубных радиаторов 4, обдуваемых вентиляторами 2. Напряжение на электродвигатели вентиляторов подается через распределительные коробки 21 (с предохранителями), подключаемые к магистральной проводке, проложенной по стенкам бака. Проводка к внешней электросети подключена через магистральную коробку 23. Все остальные части, установленные на трансформаторе, были рассмотрены ранее и отличаются в основном размерами и массой.

При транспортировке электроэнергии на большие расстояния для снижения потерь используется принцип трансформации. Для этого электричество, вырабатываемое генераторами, поступает на трансформаторную подстанцию. На ней повышается амплитуда напряжения, поступающего в линию электропередачи.

Второй конец ЛЭП подключен на ввод удаленной подстанции. На ней для распределения электричества между потребителями осуществляется понижение напряжения.

На обеих подстанциях трансформацией электроэнергии больших мощностей занимаются специальные силовые устройства:

1. трансформаторы;

2. автотрансформаторы.

Они имеют много общих признаков и характеристик, но отличаются определенными принципами работы. Эта статья описывает только первые конструкции, у которых передача электроэнергии между разделенными обмотками происходит за счет электромагнитной индукции. При этом изменяющиеся по амплитуде гармоники тока и напряжения сохраняют частоту колебаний.

Особенности устройства

Силовые трансформаторы в энергетике устанавливаются на заранее подготовленные стационарные площадки с прочными фундаментами. Для размещения на грунте могут монтироваться рельсы и катки.

Общий вид одного из многочисленных типов силовых трансформаторов, работающего с системами напряжений 110/10 кВ и обладающего величиной полной мощности 10 МВА, показан на фотографии ниже.

Отдельные ярко выраженные элементы его конструкции снабжены подписями. Более подробно устройство основных частей и их взаимное расположение демонстрирует чертеж.

Электрическое оборудование трансформатора размещается внутри металлического корпуса, изготовленного в форме герметичного бака с крышкой. Он заполнен специальным сортом трансформаторного масла, которое обладает высокими диэлектрическими свойствами и, одновременно, используется для отвода тепла от деталей, подвергаемых большим токовым нагрузкам.

Гидравлическая схема трансформатора

Упрощенно состав и взаимодействие ее основных элементов показано на картинке.

Для залива/слива масла используются специальные задвижки и вкручивающаяся пробка, а запорный вентиль, расположенный внизу бака, предназначен для отбора проб масла и последующего проведения его химического анализа.

Принципы охлаждения

В силовом трансформаторе образовано два контура циркуляции масла:

1. внешний;

2. внутренний.

Первый контур представлен радиатором, состоящим из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных системой металлических трубок. Через них проходит нагретое масло, которое, находясь в магистралях охладителя, остывает и возвращается в бак.

Внутри бака циркуляция масла может производиться:

естественным путем;

принудительно за счет создания давления в системе насосами.

Часто поверхность бака увеличивается за счет создания гофр - специальных металлических пластин, улучшающих теплообмен между маслом и окружающей атмосферой.

Забор тепла от радиатора в атмосферу может выполняться обдувом системой вентиляторов или без них за счет свободной конвекции воздуха. Принудительный обдув эффективно повышает теплосъем с оборудования, но увеличивает затраты энергии на эксплуатацию системы. Они могут снизить до 25%.

Тепловая энергия, выделяемая современными трансформаторами повышенной мощности, достигает огромных величин. Об ее размере может служить тот факт, что сейчас за ее счет стали реализовывать проекты отопления промышленных зданий, расположенных рядом с постоянно работающими трансформаторами. В них поддерживаются оптимальные условия работы оборудования даже в зимнее время.

Контроль уровня масла в трансформаторе

Масло постоянно циркулирует внутри бака. Его температура зависит от целого комплекса воздействующих факторов. Поэтому объем его все время изменяется, но поддерживается в определенных границах. Для компенсации объемных отклонений масла служит расширительный бачок. В нем удобно наблюдать текущий уровень.

Для этого используется маслоуказатель. Наиболее простые устройства изготавливают по схеме сообщающихся сосудов с прозрачной стенкой, заранее проградуированной в единицах объема.

Подключения такого маслоуказателя параллельно расширительному баку вполне достаточно для контроля эксплуатационных характеристик. На практике встречаются и другие, отличные от этого принципа работы маслоуказатели.

Защита от проникновения влаги

Поскольку верхняя часть расширительного бака контактирует с атмосферой, то в ней устанавливают осушитель воздуха, препятствующий проникновению влаги внутрь масла и снижению его диэлектрических свойств.

Защита от внутренних повреждений

Важным элементом масляной системы является . Его монтируют внутри трубопровода, соединяющего основной бак трансформатора с расширительным. За счет этого все газы, выделяемые при нагреве из масла и органической изоляции, проходят через емкость с чувствительным элементом газового реле.

Этот датчик отстроен от работы на очень маленькое, допустимое газообразование, но срабатывает при его увеличении в два этапа:

1. на выдачу светового/звукового предупредительного сигнала обслуживающему персоналу о возникновении неисправности при достижении уставки первой величины;

2. на отключение силовых автоматических выключателей со всех сторон трансформатора для снятия напряжения при бурном газообразовании, свидетельствующем о начале мощных процессов разложения масла и органической изоляции, начинающихся при коротких замыканиях внутри бака.

Дополнительная функция газового реле - контроль уровня масла в баке трансформатора. При снижении его до критической величины газовая защита может отработать в зависимости от настройки:

только на сигнал;

на отключение с выдачей сигнала.

Защита от аварийного повышения давления внутри бака

На крышке трансформатора так монтируется выхлопная труба, чтобы ее нижний конец сообщался с емкостью бака, а масло поступало внутрь до уровня в расширителе. Верхняя часть трубы возвышается над расширителем и отводится в сторону, немного загибается вниз. Ее конец герметично закрыт стеклянной предохранительной мембраной, которая разрушается при аварийном повышении давления из-за возникновения нерасчетного нагрева.

Другая конструкция подобной защиты основана на монтаже клапанных элементов, которые открываются при повышении давления и закрываются при его сбросе.

Еще один вид - сильфонная защита. Она основана на быстром сжатии сильфона при резком повышении газа. В результате сбивается защелка, удерживающая боек, который в нормальном положении находится под воздействием сжатой пружины. Освобожденный боек разбивает стеклянную мембрану и тем самым осуществляет сброс давления.

Электрическая схема силового трансформатора

Внутри корпуса бака размещаются:

остов с верхней и нижней балкой;

магнитопровод;

обмотки высокого и низкого напряжения;

регулировочные ответвления обмоток;

низковольтный и высоковольтный отводы

нижняя часть вводов высокого и низкого напряжения.

Остов вместе с балками служит для механического закрепления всех составных деталей.

Конструкция внутренних элементов Магнитопровод служит для снижения потерь магнитному потоку, проходящему через обмотки. Его изготавливают из сортов электротехнической стали шихтованным способом.

По обмоткам фаз трансформатора протекает ток нагрузки. Материалами для их изготовления выбирают металлы: медь или алюминий с круглым либо прямоугольным сечением. Для изоляции витков используют специальные сорта кабельной бумаги или хлопчатобумажную пряжу.

Концентрические намотанные обмотки выполняют в виде цилиндров, расположенных один в другом. Для стороны высокого напряжения (ВН) создается непрерывная или многослойная обмотка, а для низкого (НН) - винтовая и цилиндрическая.

Обмотку НН располагают ближе к стержню: так легче выполнить слой для ее изоляции. Затем на нее устанавливают специальный цилиндр, обеспечивающий изоляцию между сторонами высокого и низкого напряжения, а на него монтируют обмотку ВН.

Описанный способ монтажа показан на левой части нижерасположенной картинки с концентрическим размещением обмоток на стержне трансформатора.

С правой стороны картинки показан способ размещения чередующихся обмоток, разделяемых изоляционным слоем.

Для повышения электрической и механической прочности изоляции обмоток их поверхность пропитывают специальным сортом глифталевого лака.

Для подключения обмоток одной стороны напряжения между собой используют схемы:

звезды;

треугольника;

зигзага.

При этом концы каждой обмотки маркируют буквами латинского алфавита, как показано в таблице.

Выводы от обмоток подключают к соответствующим токоотводам, которые монтируются на шпильки проходных изоляторов, расположенных на крышке бака трансформатора.

Для осуществления возможности регулировки величины выходного напряжения на обмотках делают ответвления. Один из вариантов выполнения регулировочных ответвлений показан на схеме.

Систему регулирования напряжения создают с возможностью изменения номинальной величины в пределах ±5%. Для этого выполняют пять ступеней по 2,5% в каждой.

У мощных силовых трансформаторов регулирование обычно создают на обмотке высокого напряжения. Это упрощает конструкцию переключателя ответвлений и позволяет повышать точность выходных характеристик за счет большего числа витков на этой стороне.

Для многослойных цилиндрических обмоток регулировочные ответвления выполняют на внешнем стороне слоя у окончания обмотки и компонуют их симметрично на одинаковой высоте относительно ярма.

У отдельных конструкций трансформаторов ответвления делают в средней части. При использовании оборотной схемы одна половина обмотки выполняется с правой намоткой, а вторая - с левой.

Для коммутации ответвлений используют трехфазный переключатель.

У него есть система неподвижных контактов, которые подключены к ответвлениям обмоток, и подвижных, осуществляющих коммутацию схемы за счет создания различных электрических цепей с неподвижными контактами.

Если ответвления сделаны около нулевой точки, то одним переключателем управляют работой сразу всех трех фаз. Это можно делать потому, что между отдельными частями переключателя напряжение не превышает 10% линейной величины.

Когда ответвления выполнены в средней части обмотки, то для каждой фазы используется свой, индивидуальный переключатель.

Способы регулирования выходного напряжения

Существуют два типа переключателей, позволяющие изменять количество витков на каждой обмотке:

1. с отключением нагрузки;

2. под нагрузкой.

Первый способ требует больше времени на выполнение и не пользуется популярностью.

Переключения под нагрузкой обеспечивают более легкое управление электрическими сетями за счет беспрерывного электроснабжения подключенных потребителей. Но, для его выполнения необходимо иметь усложненную конструкцию переключателя, который наделяется дополнительными функциями:

осуществление переходов между ответвлениями без разрыва токов нагрузки за счет подключения двух соседних контактов на момент переключения;

ограничение тока короткого замыкания внутри обмотки между подключаемыми ответвлениями во время их одновременного включения.

Техническое решение этих вопросов заключается в создании переключающих устройств, работающих от дистанционного управления с применением токоограничивающих реакторов и резисторов.

На фотографии, показанной в начале статьи, у силового трансформатора используется автоматическое регулирование выходного напряжения под нагрузкой за счет создания конструкции АРН, сочетающей релейную схему управления электродвигателя с приводным механизмом и контакторами.

Принцип и режимы работы

В основу работы силового трансформатора заложены те же законы, что и у обычного:

Проходящий по входной обмотке электрический ток с изменяющейся по времени гармоникой колебаний наводит внутри магнитопровода меняющееся магнитное поле.

Изменяющийся магнитный поток, пронизывая витки второй обмотки, наводит в них ЭДС.

Режимы работы

При эксплуатации и проверках силовой трансформатор может оказаться в рабочем или аварийном режиме.

Рабочий режим создается подключением источника напряжения к первичной обмотке, а нагрузки - ко вторичной. При этом величина тока в обмотках не должна превышать расчетных допустимых значений. В этом режиме силовой трансформатор должен длительно и надежно питать все подключенные к нему потребители.

Разновидностями рабочего режима являются опыт холостого хода и короткого замыкания, создаваемые для проверок электрических характеристик.

Холостой ход создается размыканием вторичной цепи для исключения протекания в ней тока. Он используется для определения:

КПД;

коэффициента трансформации;

потерь в стали на намагничивание сердечника.

Опыт короткого замыкания , создается шунтированием накоротко выводов вторичной обмотки, но с заниженным напряжением на входе в трансформатор до величины, способной создать вторичный номинальный ток без его превышения. Этот способ используют для определения потерь в меди.

К аварийным режимам трансформатора относятся любые нарушения его работы, приводящие к отклонению рабочих параметров за границы допустимых для них значений. Особенно опасным считается короткое замыкание внутри обмоток.

Аварийные режимы приводят к пожарам электрооборудования и развитию необратимых последствий. Они способны причинить огромный ущерб энергосистеме.

Поэтому для предотвращения подобных ситуаций все силовые трансформаторы снабжаются устройствами автоматики, защит и сигнализации, которые предназначены для поддержания нормальной работы первичной схемы и быстрого отключения ее со всех сторон при возникновении неисправностей.

Устройство силового масляного трансформатора 110 кВ

Силовой трансформатор переменного тока - трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями. Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП(35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Трехфазный трехобмоточный трансформатор ТДТ-16000/110 в собранном виде

1 - кран, 2 - вентилятор, 3 - бак, 4 - радиатор, 5 - крюк, 6 - переходный фланец с установкой трансформаторов тока, 7 - ввод 110 кВ, 8 - ввод 35 кВ, 9 - бумажно-бакелитовый цилиндр ввода 110 кВ, 10 - привод переключающего устройства ПБВ, 11 - ввод НН (10 кВ), 12 - выхлопная труба, 13 - газовое реле, 14 - расширитель, 15- маслоуказатель, 16 - воздухоосушитель, 17 - переключатель обмотки ВН, 18 - обмотка ВН (110 кВ), 19 - термосифонный фильтр, 20 - каретка, 21 - распределительная коробка, 22 - площадка для установки домкрата, 23 - магистральная коробка Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями.

По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы собирают «внахлестку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление и соответственно уменьшит потери холостого хода. Кроме того, механическая прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России основное применение. Листы магнитопровода стягивают посредством ярмовых балок, бандажей из стеклоленты и шпилек, изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками.

Форма поперечного сечения стержней обычно многоступенчатая, причем число ступеней зависит от мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы.

Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, которые, как указывалось выше, изолируются кабельной бумагой.

Наиболее распространены концентрические катушечные (непрерывные, винтовые) обмотки.

При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), так как она требует меньшей электрической изоляции от заземленного стержня, а затем обмотку высокого напряжения (ВН). Между обмотками делается вертикальный канал, в котором располагается изоляционный цилиндр из электрокартона, а также происходит циркуляция масла.

В комплект обмотки входят также отводы для присоединения к вводам, размещаемым на крышке трансформатора, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной зашиты от перенапряжений.

Непрерывная обмотка состоит из катушек, соединенных между собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом, располагаемым «плашмя».

Характерной особенностью непрерывной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек.

Между катушками размещаются прокладки из электрокартона, создающие горизонтальные каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на вертикальных рейках посредством специального выреза в виде «ласточкина хвоста».

Трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор схематично можно представить следующим образом.

Магнитопровод трехфазного трансформатора образует как бы два «окна», которые так и принято называть. Для упрощения обычно ограничиваются представлением расположения в окне только одной фазы, предполагая, что другая фаза в этом окне располагается симметрично, а в соседнем - аналогично.

Силовой трансформатор может иметь несколько обмоток. Обычно речь идет о трехобмоточных трансформаторах, когда кроме обмоток НН и ВН появляется еще обмотка СН среднего напряжения. Эти обмотки считаются основными, и именно по их количеству определяется вид трансформатора: двухобмоточный или трехобмоточный. Кроме основных в трансформаторе могут быть регулировочные обмотки, с помощью которых обеспечивается регулирование напряжения под нагрузкой (схема РПН). В основных обмотках СН или ВН могут быть участки, посредством которых обеспечивается регулирование напряжения с отключением трансформатора. Это так называемая схема ПБВ - переключение без возбуждения.

Кроме обмоток и магнитопровода, которые в совокупности образуют активную часть трансформатора, в его состав входят другие узлы и блоки: бак, система охлаждения, вводы и др.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток, разме­щенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала, применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т. е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток машины. Первичную обмотку подключают к источнику переменного тока электрической сети с напряжением U1. Ко вторичной обмотке присоединяют сопротивление нагрузки U Н .

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X ; обмотки НН - буквами а и х.

При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток I и который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС - е х и е 2 , пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков и соответствующей обмотки и скорости изменения потока.

В системах передачи и распределения энергии в ряде случаев применяют трехобмоточные трансформаторы, а в устрой­ствах радиоэлектроники и автоматики - многообмоточные трансформаторы. В таких трансформаторах на магнитопроводе размещают три или большее число изолированных друг от друга обмоток, что дает возможность при питании одной из обмоток получать два или большее число различных напряжений (u 2 , u 3 , u 4 и т. д.) для электроснабжения двух или большего числа групп потребителей. в трехобмоточных силовых трансформаторах различают обмотки высшего, низшего и среднего (СН) напряжений.

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остается приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из - за внутренних потерь энергии в трансформаторе).При увеличении вторичного напряжения трансформатора в к раз по сравнению с первичным, ток г 2 во вторичной обмотке соответственно уменьшается в к раз.

Трансформатор может работать только в цепях перемен­ного тока. Если первичную обмотку трансформатора под­ключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и вторич­ной обмотках в установившемся режиме не индуцируются ЭДС, а следовательно, не передается электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС Е г в первичной обмотке ток 1 1 = U 1/R 1 - весьма большой.

Важным свойством трансформатора, используемым в устройствах автоматики и радиоэлектроники, является способ­ность его преобразовывать нагрузочное сопротивление.Если к источнику переменного тока подключить сопротивление R через трансформатор с коэффициентом трансформации K , то для цепи источника

R= K 2 R

Таким образом, трансформатор изменяет значение сопротивления R в к 2 раз. Это свойство широко используют при разработке различных электрических схем для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источ­ников электрической энергии.