Рабочий процесс трансформатора

2.1 Принцип действия и основные элементы конструкции трансформаторов

2.1.1 Конструкция трансформатора.

Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения той же частоты.

Следует отметить, что трансформатор не является электромеханическим преобразователем, однако традиционно изучается в курсе "Электромеханика", так как имеет теорию, близкую теории машин переменного тока.

Рисунок 2.1.1 – Принцип устройства трансформатора

В простейшем случае (рисунок 2.1.1) трансформатор имеет две обмотки – первичную 1 и вторичную 2 и сердечник.

При подключении первичной обмотки 1 к источнику синусоидального напряжения U₁ в обмотке возникает ток I₁, создающий синусоидально изменяющийся магнитный поток, замыкающийся по сердечнику. Этот поток индуктирует ЭДС как в первичной, так и во вторичной обмотке. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает вторичный ток I₂, так же создающий магнитный поток. Результирующий поток сердечника Ф_с создаётся током обеих обмоток.

По области применения трансформаторы делятся на:

1) силовые – для передачи и распределения электроэнергии;

2) автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска двигателей переменного тока и т.д.;

3) измерительные трансформаторы тока и напряжения – для включения в схемы измерительных приборов и питания цепей управления;

4) трансформаторы специального назначения – сварочные, пиковые, высокочастотные и т.д.

Трансформаторы бывают 2-х обмоточные и многообмоточные, однофазные и многофазные (в основном 3-х фазные).

Величины, характеризующие условия работы, на которые рассчитан трансформатор, называются номинальными. Основные номинальные величины указываются в паспортных табличках.

Для силовых трансформаторов такими являются:

1) номинальная полная мощность S_н (кВ·А);

2) номинальные линейные напряжения обмоток U_лн (В,кВ);

3) номинальные линейные токи I_лн (А);

4) номинальная частота f (Гц);

5) число фаз (m);

6) схема и группа соединений обмоток;

7) напряжение короткого замыкания U_к (% от U_н);

8) режим работы (длительный, кратковременный);

9) способ охлаждения.

Номинальные параметры связаны между собой соотношением:

(2.1.1)

Конструктивно трансформатор состоит из трех систем: магнитной, системы обмоток и системы охлаждения. Магнитопровод и обмотки образуют активную часть трансформатора. Магнитопровод предназначен для прохождения магнитного потока с наименьшим сопротивлением. Магнитопроводы по конструкции делятся на стержневые и броневые. Магнитопровод состоит из стержня на котором концентрически расположены обмотки ВН и НН и ярма, соединяющего стержни, которое служит для создания замкнутой магнитной цепи.

Однофазный стержневой трансформатор имеет два стержня, на каждом из которых расположены по половине витков обмоток ВН и НН, соединённых либо последовательно, либо параллельно.

Рисунок 2.1.2 – Конструкция магнитопроводов однофазных трансформаторов

В броневом однофазном трансформаторе один стержень и развитое ярмо, закрывающее оболочки подобно броне. Поскольку магнитная цепь броневого трансформатора имеет две параллельных ветви, то ярмо у него ослаблено, т.е. имеет вдвое меньше поперечное сечение, чем стержень.

Трёхфазные трансформаторы также бывают стержневые и броневые.

Трёхфазный стержневой трансформатор состоит из трёх стержней, на каждом из которых расположены первичная и вторичная обмотки соответствующей фазы. Стержни соединяются между собой ярмом.

Броневые трёхфазные трансформаторы имеют вид трёх однофазных броневых, поставленных друг на друга. При такой конструкции среднюю фазу следует включать встречно по отношению к крайним, чтобы в средних ярмах потоки фаз складывались, а не вычитались. Тогда:

(2.1.2)

Т.е. при таком включении средней фазы поток в соприкасающихся частях магнитной системы уменьшается в раз.

Трёхфазные трансформаторы по конструкции магнитопровода бывают также групповые (группа трёх однофазных трансформаторов), которые используются при (S_н>100 МВА) – их конструкция получается, если в стержневом трансформаторе добавить по боковому ярму.

В России силовые трансформаторы броневой конструкции не выпускают, т.к. они хотя и лучше стержневых в магнитном отношении, но сложнее в изготовлении и транспортировке.

Фс

Фв

Фа

Рисунок 2.1.3 – Броневой трехфазный трансформатор

Рисунок 2.1.4 – Магнитные потоки броневого трансформатора

Магнитопровод трансформатора набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм с лаковой изоляцией. В специальных трансформаторах, рабочая частота которых выше 50 Гц, толщина листов 0.1 0.2 мм.

По способу сборки различают:

а) шихтованные маrнитные системы, ярма и стержни которых собираются впереплет из плоских пластин как единая цельная конструкция;

б) навитые маrнитные системы, отдельные части которых изготавливаются путем навивки из ленточной электротехнической стали, а затем скрепляются в единую конструкцию;

в) стыковые маrнитные системы, ярма и стержни или отдельные части которых, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык и скрепляются специальными стяжными конструкциями или другими способами.

Рисунок 2.1.5 – Сборка сердечников трансформаторов

Сборка встык значительно проще в исполнении, но при этом в местах стыка из-за перекрытия листов возникают вихревые токи и надо делать щеляционную прокладку между ярмом и стержнем.

При сборке впереплёт выше механическая устойчивость сердечника и меньше масса крепёжных деталей, относительная простота сборки.

Рисунок 2.1.6 – Сечение стержня трансформатора

В поперечном сечении ярма и стержень имеют вид ступенчатого многоугольника, причём, чем больше диаметр сечения, тем больше число ступеней. Каждая ступень состоит из пакета, собранного из листов одинаковой ширины.

Число ступеней у ярма меньше, чем у стержня, а сечение его выбирают так, чтобы индукция в нём была на 10-15 % меньше, чем в стержне.

Обмотки трансформаторов бывают концентрические и чередующиеся.

Концентрические обмотки имеют форму цилиндров разных диаметров, и располагаются: на стержне концентрически одна относительно другой, причем ближе к стержню располагают обмотку НН. Это делается для облегчения изоляции, а также для упрощения вывода от обмотки ВН ответвлений для регулирования напряжения. Высота (осе вые размеры) обеих обмоток, как правило, делается равной. Концентрическая обмотка может быть двойной.

В чередующихся обмотках катушки НН и ВН выполняются в невысоких цилиндров, размещённых группами на стержнях. с одинаковыми или почти одинаковыми средними диаметрами и располагаются на стержне одна над другой в осевом направлении стержня У этих обмоток меньше поток рассеяния, чем у концентрических, но сложнее изоляция.

В двухобмоточных трансформаторах мощностью 25000 кВ. А и выше широкое применение находят расщепленные обмотки. При этом обмотка НН разделяетсяна две, гальванически не связанные части равной мощности с одинаковыми или различными напряжениями.

По форме выполнения обмотки трансформаторов разделяются на круглые и прямоугольные. Обмотки круглой формы выполняются в виде круговых цилиндров, сплошных или собранных из отдельных катушек, и в поперечном сечении имеют форму кольца. Обмотки прямоугольной формы в поперечном сечении имеют форму прямоугольной рамки с закругленными углами. Преимуществом такого типа обмотки является возможность наилучшего заполнения пространства внутри обмотки активной сталью стержня.

По способу укладки витков обмотки бывают цилиндрические и винтовые, однослойные и многослойные.

Простой цилиндрической обмоткой называется обмотка, сечение витка которой составляет один провод, а витки расположены без интервалов на цилиндрической поверхности так, что для перехода от одного витка к другому нужно двигаться в осевом направлении обмотки.

В цилиндрической параллельной обмотке сечение витка составляют несколько параллельных проводов, а витки расположены (без интервалов между витками и проводами) на цилиндрической поверхности так, что для перехода провода одного витка к любому проводу другого витка нужно двигаться в осевом направлении обмотки.

Цилиндрическая обмотка может быть намотана из нескольких проводов прямоугольного сечения. При этом желательно все параллельные провода брать одного сечения. Если же приходится комбинировать сечение витка из разных проводов, то рекомендуется брать не более двух различных сечений проводов. Обычно применяется намотка «плашмя». Допускается намотка на «ребро», в радиальном направлении обмотки, размеры обоих проводов следует выбирать обязательно равными между собой.

В производстве при намотке на обмоточном станке цилиндрическая обмотка является самой простой и дешевой из применяемых типов обмоток.

Начало и конец однослойной обмотки находятся на противоположных торцах, и так как под влиянием сил упругости витки обмотки стремятся раскрутиться, концы обмоток прочно прикрепляют к соседним виткам.

Двухслойная цилиндрическая обмотка из провода прямоугольного сечения состоит из витков, намотанных в два слоя, с переходом из слоя в слой в нижней части обмотки. Между слоями прокладывается изоляция из бумаги или электрокартона, либо равномерно по окружности кладутся несколько реек, образующих вертикальный охлаждающий канал.

Начало и конец обмотки обычно выводят с одной стороны обмотки и закрепляют бандажами из киперной ленты.

Чтобы придать обмотке большую механическую прочность, поверх крайних витков и выравнивающих колец по окружности наружного слоя накладывают бандаж из киперной ленты или отбортованной ленты кабельной бумаги.

Многослойная цилиндрическая обмотка наматывается из провода круглого сечения (редко из прямоугольного). Намотку первого слоя обычно производят на бумажно-бакелитовом цилиндре.

Между последующими слоями укладывают несколько слоев кабельной бумаги. Намотка осуществляется плотной укладкой витков друг к другу с переходами из одного слоя в другой.

Для увеличения поверхности охлаждения между некоторыми слоями обмотки создается осевой канал, образованный планками из бука или рейками из склеенного злектрокартона. Для защиты крайних витков от механических повреждений под крайние витки каждого слоя укладывается так называемый бортик.

Цилиндрическая двухслойная обмотка из прямоугольного провода широко применяется для обмоток НН трехфазных и однофазных масляных силовых трансформаторов с мощностью на один стержень S ≤ 200 кВ*А при напряжении обмотки не выше 6 кВ.

Этот тип обмотки иногда применяется для обмоток ВН, однако более удобна в этом случае многослойная цилиндрическая обмотка из круглого провода.

Обычно винтовая обмотка наматывается на бумажно-бакелитовом цилиндре на рейках, расположенных по образующим цилиндра. Радиальные каналы между витками образуются межвитковыми прокладками из электроизоляционного картона, нанизываемыми на рейки. В параллельной винтовой обмотке параллельные провода наматываются на цилиндрические поверхности с разными диаметрами.

В многослойных винтовых обмотках для равномерного распределения тока в витках применяют транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток, в радиальном направлении. Витки обмоткит укладываются «на ребро».

Цилиндрические обмотки применяют при S_ст 200 кВА; I_ст 135А; U_лн 35кВ.

Винтовые – S_ст 45кВА; I_ст 300А; (для НН). В мощных трансформаторах используют более сложные виды обмоток.

Особое внимание уделяется междуслойной изоляции, так как вследствие большого числа витков и последовательного соединения слоев между соседними витками, лежащих в разных слоях, возникают значительные напряжения. В качестве междуслойной изоляции хорошие результаты дает кабельная бумага, положенная в несколько слоев.

Бак масляного трансформатора бывает :

1) гладкий – до 30 кВА;

2) трубчатый – до 3 МВА – в стенки такого бака ввариваются трубы диаметром приблизительно 50 мм, по которым циркулирует масло;

3) с охладителем, радиатором – до 10 МВА с естественным охлаждением. Радиатор которого состоит из двух сборных коробок – верхней и нижней, которые присоединяются к стенкам бока с помощью фланцев, в которые ввариваются трубы.

В трансформаторах мощностью более 10 МВА применяют обдув трансформаторов с помощью вентиляторов.

На крышкебака расположены: выводные изоляторы для обмоток, маслорасщипитель, выхлопная (предохранительная) труба. Между расширителем и баком расположено газовое реле, сигнализирующее о неполадке и отключающее трансформатор от сети.

Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Бак трансформатора полностью залит маслом, изменение объема масла при нагреве и охлаждении приводит к колебанию уровня масла в расширителе; при этом воздух вытесняется из расширителя или всасывается в него. Масло очень гигроскопично, и, если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикагелевый воздухоосушитель. Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки — мембраны на границе масло — воздух. Осушение воздуха в расширителе осуществляют термовымораживателями.Для защиты бака от повреждений, возможных при К.З., служит выхлопная труба (при образовании в баке газов и резком повышении давления).

В нижней части бака расположен кран для спуска масла.