Конструкция силовых трансформаторов

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования энергии перемен­ного тока одного напряжения (или тока) в электрическую энергию другого по величине напряжения (или тока) той же частоты.

В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфазные.

В зависимости от числа обмоток на фазу различают двух - и трехобмоточные трансформаторы. Имеются также многообмо­точные трансформаторы.

Двухобмоточные трансформаторы имеют магнитно-связанные между собой обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжений, а трехобмоточные — три обмотки: высшего, среднего (СН) и низ­шего напряжений.

В целях улучшения магнитной связи между обмотками транс­форматора их помещают на стальном магнитопроводе (сердечнике) (рис. 3.6). Сердечник набирается из листов трансформаторной стали толщиной 0,35...0,5 мм.

Рис. 3.6. Магнитопровод трехфазного трансформатора

Для уменьшения потерь мощности от вихревых токов тонкие листы электротехнической стали с высоким содержанием кремния изолируют друг от друга изоляционной бумагой толщиной 0,04 мм или лаковой изоляцией. По сравнению с бумажной лаковая изо­ляция имеет ряд преимуществ: меньшую толщину изоляционной пленки, способность выдерживать нагрев до 150 °С, лучшую тепло­проводность и меньшую гигроскопичность.

Части сердечника, на которых размещены обмотки, называются стержнями; части сердечника без обмоток - ярмами.

Обмотки трансформатора изолируют друг от друга, так же как и от магнитопровода.

Обмотку, включенную в сеть источника электрической энергии, называют первичной, обмотку, от которой энергия подается к по­требителю,- вторичной.

В первичной обмотке трансформатора происходит преобразова­ние электрической энергии, потребляемой из сети, в энергию маг­нитного поля; во вторичной обмотке - преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, отдаваемую потреби­телю.

Преобразование электрической энергии сопровождается выделе­нием тепла в обмотках и сердечнике трансформатора.

Потери мощности в современных трансформаторах весьма неве­лики, поэтому трансформаторы имеют достаточно высокий коэф­фициент полезного действия; для мощных силовых трансформато­ров он составляет 98...99%.

Трансформаторы, у которых число витков вторичной обмот­ки меньше числа витков первичной обмотки, являются понижа­ющими. У повышающего трансформатора число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной обмотки.

Любой трансформатор может быть использован и как повыша­ющий, и как понижающий.

Повышающие трансформаторы обычно используют для пере­дачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для распределения электроэнергии между потребителями.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилинд­рическую форму, выполняя их при малых токах нагрузки из кругло­го медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения. Ближе к сердечнику рас­полагают обмотку НН, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку ВН. Расположение обмоток на сердечнике трансформатора приведено на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Расположение обмоток трех­фазного трансформатора на магнитопроводе

Напряжение, ток, мощность, число витков и другие показатели, относящиеся к первичной обмотке трансформатора, называются первичными, а показатели, относящиеся ко вторичной обмотке,- вторичными.

Силовой трехфазный трансформатор (рис. 3.8) состоит из магнитопровода 1, на котором монтируются обмотки низшего напря­жения 2 и обмотки высшего напряжения 3.

Рис. 3.8. Конструкция трехфазного трансформатора с трубчатым баком

Магнитопровод с обмотками размещается в баке б, который заполняется трансформаторным маслом через кран 7. Трансфор­маторное масло отводит тепло от обмоток и магнитопровода трансформатора, которое выделяется при его работе, и создает хорошую электроизоляционную среду между токоведущими частя­ми трансформатора. Концы обмоток ВН и НН выводятся из сталь­ного бака через фарфоровые проходные изоляторы 4 и 5 (выводы), которые установлены на крышке бака.

В нижней части бака смонтирован кран 11 для спуска масла.

В случае образования большого количества тепла, при коротких и межвитковых замыканиях, масло трансформатора разлагается и генерируемый при этом газ быстро повышает давление в баке, вследствие чего он может деформироваться или даже разорваться. Поэтому на баке устанавливается выхлопная труба 8 с предо­хранительной тонкой мембраной, которая при определенном давле­нии в баке выдавливается газами и тем самым обеспечивает свобод­ный выход газов из бака.

Объем масла в баке трансформатора во время работы может значительно изменяться из-за колебаний температуры его нагрева при различных нагрузках. Поэтому в трансформаторах мощностью до 100 кВ∙А при напряжении до 6,6 кВ в баке под крышкой оставляют достаточное воздушное пространство.

При расширении масла воздух в той или иной степени выдав­ливается через специальную трубку. Когда масло остывает (сжима­ется), внутрь бака проникает из атмосферы влажный воздух, кото­рый отдает влагу весьма гигроскопичному маслу. В результате на дне бака собирается слой воды, а электрическая прочность масла, связанная с процессом его окисления, резко снижается. Для устране­ния этого недостатка трансформаторы большой мощности снабжа­ют специальным маслорасширителем 10.

Маслорасширитель (консерватор) (рис. 3.9) устанавливают с це­лью устранения непосредственного соприкосновения находящегося в баке масла с окружающим воздухом. При этом бак наполняют маслом доверху, а резервуаром для избытка масла при его расшире­нии в процессе нагрева служит маслорасширитель, который изгото­влен из листовой стали цилиндрической или прямоугольной формы и установлен в верхней части бака трансформатора (см. рис. 3.8)

Рис. 3.9. Устройство маслорасширителя, осушителя воз­духа и маслоуказателя: 1 - бак трансформатора; 2 - маслорасширитель;

3 - осуши­тель воздуха; 4 - маслоуказатель

Консерватор соединяют с баком трансформатора трубкой, ко­нец которой со стороны консерватора устанавливают так, чтобы он был выше его дна. Это устраняет попадание в бак трансформатора влаги, накапливаемой в процессе работы в нижней части консер­ватора.

Влагу и грязь удаляют через пробку в нижней части консер­ватора; масло доливают в трансформатор через другую пробку в верхней его части.

Всасывание и вытеснение воздуха из бака трансформатора осуществляют че­рез трубку, установленную в нижней части консерватора. Наружный ее ко­нец снабжен пробкой с отверстием, за­крытым мелкой металлической сеткой, предохраняющей от попадания из окру­жающей среды в консерватор твердых взвешенных частиц, или соединен с осу­шителем воздуха.

Осушитель воздуха представляет собой металлический сосуд, прикреп­ленный к трубке, через которую всасы­вается воздух в консерватор. Внутрен­няя часть сосуда заполнена гигроско­пическим веществом. При работе вса­сываемый воздух проходит через гиг­роскопическое вещество, которое и пог­лощает из него влагу. В качестве гигроскопического вещества используют силикагель (кристаллическое по­ристое вещество, получаемое из жидкого стекла), пропитанный хлористым кальцием и хлористым кобальтом, которые служат индикатором влажности.

Если силикагель приобретает розовую окраску, его необходимо сменить. Для повторного использования силикагеля его нагревают до температуры 120...150°С, пока он не приобретет голубой цвет.

В последнее время широкое применение получила непрерывная очистка масла в трансформаторе, которая заключается в том, что масло под действием естественной циркуляции проходит через фильтр, заполненный силикагелем, и при этом интенсивно очищает­ся от окислов и шлама.

Для наблюдения за уровнем масла в трансформаторе на консер­ваторе устанавливают маслоуказатель, выполненный в виде стек­лянной трубки в стальной оправе, с тремя красными чертами, соответствующими нормальному уровню масла при температуре окружающего воздуха —35, +15 и +35°С.

Трансформаторы рассчитываются для определенного режима работы, называемого номинальным, при котором они могут дли­тельно работать, не перегреваясь выше допустимой нормы.

Основными параметрами силовых трансформаторов являются: номинальная полная мощность номинальные напряжения - первичное и вторичное номинальные токи первичной и вторичной обмоток, напряжение короткого замыкания.

Номинальной мощностью трансформатора называется мощ­ность, кВ•А, указанная на его табличке или в паспорте. Она представляет собой некоторую условную расчетную наибольшую мощность трансформатора, на которую он может быть нагружен в течение своего расчетного срока службы в естественных условиях изменяющейся температуры окружающей среды.

Номинальным первичным напряжением называется междуфазное напряжение, подводимое к первичной обмотке трансформатора, указанное на его паспортной табличке.

Номинальным вторичным напряжением называется междуфаз­ное напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора при холостом ходе и при подведении к его первичной обмотке номинального первичного напряжения.

Номинальным током первичной и вторичной обмоток транс­форматора называют токи, определяемые поминальной мощно­стью и номинальным напряжением соответствующих его обмоток.

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного транс­форматора (или любой пары обмоток трехобмоточного трансфор­матора при разомкнутой третьей обмотке) называют напряжение, которое при номинальной частоте и температуре обмоток 75°С необходимо подвести к одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в обмотках трансформатора установились номинальные значения токов.

Напряжение короткого замыкания обычно выражают в процен­тах от номинального напряжения. В зависимости от типа и мощности трансформатора напряжение короткого замыкания составляет от 5,5 до 17% номинального напряжения.

Обмотки трехфазного двухобмоточного трансформатора со­единяют по одной из схем: звезда - звезда с выведенной ней­тралью (условное обозначение Y/Y₀ — 12); звезда — треуголь­ник (Y/Δ — 11); звезда с выведенной нейтралью — треугольник (Y₀/Δ).

В условных обозначениях первый знак относится к обмотке ВН, второй — к обмотке НН. Индекс «0» указывает на наличие нейтра­ли (нейтрального провода), а число 11 или 12 — на группу соедине­ния обмоток трансформатора. Число указывает на угловое смеще­ние векторов междуфазных (линейных) значений ЭДС обмотки НН по отношению к ЭДС обмотке ВН.

Обмотки трехфазного трехобмоточного трансформатора соеди­няют по одной из схем:

(Y₀/ Y₀/Δ — 12 — 11) при этом обмотки ВН и СН (среднего напряжения) соединяют в звезду с выведенной нейтралью, а обмот­ку НН соединяют в треугольник. Группа соединения 12 относится к обмотке ВН по отношению к обмотке СН, а группа 11 — к обмоткам ВН и СН по отношению к обмотке НН;

(Y₀/Δ/Δ — 11) при этом обмотку ВН соединяют в звезду с выве­денной нейтралью, а обмотки СН и НН соединяют в треугольник. Группа соединения 11 относится к обмотке ВН по отношению к обмоткам НН и СН.

Тип трансформатора обозначают буквами и цифрами. Первая буква указывает число фаз, вторая — систему охлаждения, третья — число обмоток. Цифры характеризуют мощность и нап­ряжение трансформатора. Пример обозначения типа трансфор­матора: ТДТ — 20 000/220 — трехфазный, масляный с искусствен­ным воздушным охлаждением (с дутьем), трехобмоточный, номи­нальная мощность — 20 000 кВ А, номинальное напряжение ВН — 220 кВ. Масляные трансформаторы взрыво - и пожароопас­ны. На открытых подстанциях их устанавливают вдали от помеще­ний, где находится обслуживающий персонал. При установке внут­ри зданий такие трансформаторы помещают в специальные брони­рованные ячейки. [ 3, 93-98].