Принцип действия, устройство, типы и основные параметры трансформаторов

Передача и распределение выработанной генераторами электрической энергии в энергетических системах производятся при различных уровнях напряжения. Преобразование уровня напряжения или трансформация напряжений происходит в силовых трансформаторах и автотрансформаторах. В зависимости от назначения трансформаторы могут быть повышающими или понижающими.

Основные положения теории работы трансформатора, основанной на принципе электромагнитной индукции, поясняются схемой магнитных потоков, схемами замещения и векторными диаграммами режимов работы.

В общем случае переменный ток I₁, протекающий в первичной обмотке под действием приложенного напряжения , образует магнитный поток Ф, индуктирующий ЭДС во вторичной обмотке и ЭДС в первичной обмотке.

Силовые трансформаторы, предназначены для преобразования электроэнергии с одного на­пряжения на другое. Наибольшее распространение получили трёхфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15 % ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20—25 % меньше, чем в группе трёх однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изгото­вление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500кВ—3×533МВ∙А напряжением 1150кВ—3×667MB∙А.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу транс­форматоры разделяются на двухобмоточные и трёхобмоточные. Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, НН.

Трансформаторы с расщеплёнными обмотками НН обеспечивают воз­можность ограничения токов КЗ.

К основным параметрам трансформаторов относятся номинальные: мощность, напряжение, ток; напряжение КЗ; ток XX; потери XX и КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в за­водском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно мо­жет быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и температуры охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточного трансформатора — это мощность каждой из его обмоток. Трёхобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается но­минальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотранс­форматорную связь (проходная мощность).

Номинальные напряжения обмоток — это напряжения первичной и вто­ричной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора — это его линейное (междуфазное) напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения m трёхфазную группу, соединенную в звезду, — это . Коэффициент трансформации трансформатора n определяется отношением номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений:

В трёхобмоточных трансформаторах определяется коэффициент транс­формации каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН.

Номинальными токами трансформатора называются указанные в за­водском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора.

Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по ее номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному.

Напряжение КЗ определяют по падению напряжения в трансформаторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

Так, трансформатор 630 кВА с высшим напряжением 10 кВ имеет , с высшим напряжением 35 кВ ; трансформатор мощностью 80000 кВ∙А с высшим напряжением 35 кВ имеет , а с высшим напряжением 110 кВ имеет .

Увеличивая значение , можно уменьшить токи КЗ на вторичной сто­роне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформаторов.

Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции. Ток холостого хода выражается в процентах номинального тока трансформатора. В современных трансформаторах с холоднокатаной сталью токи холостого хода имеют небольшие значения.

Потери холостого хода и короткого замыкания определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатаная сталь толщиной 0,3 мм марок 3405, 3406 и др. с жаростойким изоляционным покрытием. В справочниках и каталогах приводятся значения для уровней А и Б. Уровень А относится к трансформаторам, изготовленным из электротехнической стали с удельными потерями не более 0,9 Вт/кг, уровень Б — с удельными потерями не более 1,1 Вт/кг (при В = 1,5 Тл, = 50 Гц).

Потери короткого замыканиясостоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструк­циях трансформатора.

В сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны значительны и очень важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкции трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения значений и .

Трансформаторы устанавливают не только на открытом воздухе, но и в закрытых неотапливаемых помещениях с естественной вентиляцией. В этом случае трансформаторы также могут быть непрерывно нагружены на номинальную мощность, но при этом срок службы трансформатора несколько снижается из-за худших условий охлаждения.

Мощный трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных эле­ментов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.

В магнитной системе проходит магнитный поток трансформатора (отсюда название «магнитопровод»). Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе.

Магнитопровод и его конструктивные детали составляют остов транс­форматора. На остове устанавливают обмотки и крепят проводники, со­единяющие обмотки с вводами, составляя активную часть.

Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися.

Обмотки трансформаторов должны обладать достаточной электриче­ской и механической прочностью. Изоляция обмоток и отводов от нее должна без повреждений выдерживать коммутационные и атмосферные пере­напряжения. Обмотки должны выдерживать электродинамические усилия, которые появляются при протекании токов КЗ. Необходимо предусмотреть надёжную систему охлаждения обмоток, чтобы не возникал недопустимый перегрев изоляции.

Надёжность работы трансформатора определяется в основном надеж­ностью его изоляции. В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в со­четании с твердыми диэлектриками: бумагой, электрокартоном, гетинаксом, деревом (маслобарьерная изоляция).

Значительный эффект дает применение изоляции из специально обрабо­танной бумаги (стабилизированной), которая менее гигроскопична, имеет более высокую электрическую прочность и допускает больший нагрев. В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изолирующих материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.

Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключаю­щими устройствами для регулирования напряжения помещают в бак. Основные части бака — стенки, дно и крышка. Крышку используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака укрепляют охладительные устройства-радиаторы.

Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Бак трансформатора полностью залит маслом.

Осушение воздуха в расширителе осуществляют термовымораживателями.

К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит непрерывная его регенерация.

Для контроля за работой трансформатора предусматриваются кон­трольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся маслоуказатель и термометры.

Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в том порядке, как указано ниже:

1) число фаз (для однофазных — О; для трехфазных — Т);

2) вид охлаждения — в соответствии с пояснениями, приведёнными выше;

3) число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух), для трехобмоточного трансформатора Т; для трансформатора с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);

4) буква Н в обозначении при выполнении одной из обмоток с устройством РПН;

5) буква А на первом месте для обозначения автотрансформатора.

За буквенным обозначением указывается номинальная мощность, кВА; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69* и ГОСТ 15543-70*.

Например, ТДТН-16000/110-У1 — трёхфазный трансформатор с системой охлаждения Д, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощностью 16000 кВА, напряжением ВН 110 кВ, климатическое исполнение У (умеренный климат), категория размещения 1 (на открытом воздухе).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: