Конструкция трансформатора

Конструктивной основой трансформатора является магнитопровод. Он служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути потока, а следовательно, и уменьшения МДС и тока, необходимых для создания потока, магнитопровод выполняется из специальной электротехнической стали. Так кик магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов. Толщина листов выбирается тем меньше, чем выше частота питающего напряжения. При частоте 50 Гц толщина листов стали принимается равной 0,35—0,5 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего с помощью лаковой пленки, которая наносится с двух сторон листа.

В магнитопроводе различают стержень и ярмо. Стержень — это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо — часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи (см. рис. 1.1).

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы разделяются на стержневые (рис. 1.3) и броневые (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Стержневой однофазный трансформатор

Рис. 1.4. Броневой однофазный трансформатор

В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. Магнитопровод стержневого трансформатора имеет два стержня, на каждом из которых располагаются по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток.

В трёхфазных цепях могут применяться три однофазных трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме (рис. 1.5). Такой трансформатор называют групповым.

Рис. 1.5. Трёхфазная группа однофазных трансформаторов

Однако чаще применяют трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой для всех фаз (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Стержневой трёхфазный трансформатор

Набольшее распространение в практике трансформаторостроения получили магнитопроводы стержневого типа. На каждом стержне трёхфазного стержневого магнитопровода располагаются обе обмотки одной фазы (рис. 1.6).

По способу соединения стержней с ярмами различают трансформаторы со стыковыми (рис. 1.7) и шихтованными впереплёт (рис. 1.8) магнитопроводами.

Рис. 1.7. Принцип стыковой конструкции магнитопровода однофазного (а) и трёхфазного (б) трансформаторов

Рис. 1.8. Укладка листов стали шихтованного магнитопровода однофазного (а) и трёхфазного (б) трансформаторов

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно. При сборке магнитопровода стержни с обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными деталями. В местах стыка во избежание замыкания листов и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

Сборка магнитопровода впереплёт ведётся путём чередования слоя листов, разложенных по положению 1 со слоем листов, разложенных по положению 2 (рис. 1.8). В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий добавочных креплений.

Остовом трансформатора называется магнитопровод вместе со всеми конструкциями и деталями, служащими для крепления его отдельных частей.

Листы, из которых собирается шихтованный магнитопровод, имеют прямоугольную форму, если они штампуются из горячекатаной электротехнической стали.

В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготовляются из холоднокатаной электротехнической стали, обладающей низкими удельными потерями и повышенной магнитной проницаемостью. Это позволяет уменьшить поперечное сечение стержня и, следовательно, сократить массы металла стали и обмоток трансформатора. Кроме того, уменьшаются потери в стали и намагничивающий ток трансформатора.

Для снижения потерь и падения магнитного напряжения в местах стыка при сборке магнитопровода из холоднокатаной электротехнической стали применяют косые стыки (рис. 1.9).

После сборки шихтованного впереплёт магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, после чего ярмо снова зашихтовывается.

Наболее широкое распространение в трансформаторостроении получили шихтованные впереплет магнитопроводы. Стыковая конструкция применяется значительно реже, так как наличие немагнитных зазоров в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление на пути потока, что приводит к возрастанию намагничивающего тока трансформатора и снижению его коэффициента мощности.

Рис. 1.9. Форма пластин и порядок шихтовки магнитопровода из холоднокатаной стали: а – первый слой, б – второй слой, в – взаимное расположение слоёв при укладке

Рис. 1.10. Поперечные сечения стержней трансформатора

Стержни магнитопровода трансформаторов в поперечном сечении имеют форму ступенчатой фигуры, вписанной в окружность с диаметром D₀, или прямоугольника.

Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней увеличивает заполнение площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, необходимых для сборки стержня. В мощных трансформатоpax в сечении магнитопровода предусматриваются каналы для его охлаждения.

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки будут иметь вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление и увеличивается электрически и механическая прочность.

Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах большой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Неравномерность распределения потока между отдельными пакетами магнитопровода приводит к увеличению потерь в стали и возрастанию намагничивающего тока.

Равномерное распределение магнитного потока между пакетами можно получить, если ярмо будет иметь число ступеней, равное числу ступеней стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них берут меньше, чем у стержней.

По способу расположения на стержне обмотки трансформатора подразделяются на концентрические (рис. 1.11) и чередующиеся (рис. 1.12). Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обоих обмоток, как правило, делается равной.

Рис. 1.11. Стержень трансформатора с концентрическими обмотками

Рис. 1.12 Стержень трансформатора с дисковыми чередующимися обмотками

В высоковольтных трансформаторах ближе к стержню располагается обмотка НН, так как при этом уменьшается изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние. Однако при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

В силовых трансформаторах нашли применение главным образом концентрические обмотки.

Важным элементом конструкции обмоток является их изоляция. Различают главную и продольную изоляцию.

Главной изоляциейназывается изоляция данной обмотки от магнитопровода, бака и соседних обмоток.

Продольная изоляцияявляется изоляцией между различными точками данной обмотки, т. е. между витками, слоями и катушками, Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода.

Конструкция изоляции трансформатора усложняется с ростом напряжения обмотки ВН и существенно влияет на его стоимость.

Для выполнения обмоток трансформатора наряду с медными находят широкое применение алюминиевые провода.

В электронных устройствах используются трансформаторы с тороидальными сердечниками, которые наматываются из ленточной электротехнической стали или специальных магнитных сплавов. Их обмотки выполняются из медного провода, алюминиевой или медной фольги.

Основным типом силового трансформатора является масляный трансформатор. Сухие трансформаторы применяются в установках производственных помещений, жилых и служебных зданий, т.е. там, где применение масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустимо. В сухих трансформаторах охлаждающей средой служит проникающий к обмоткам и магнитопроводу атмосферный воздух.

У масляного трансформатора его выемная часть, являющаяся собственно трансформатором, погружается в бак с маслом (рис. 1.13). К выемной части относится остов с обмотками и отводами, а в некоторых конструкциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двойное назначение. Оно имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух, благодаря чему можно уменьшить изоляционные расстояния между токоведущими и заземленными частями, а также между обмотками. Кроме того, трансформаторное масло является лучшей охлаждающей средой, чем воздух. Поэтому в трансформаторе, заполненном маслом, можно увеличить электрически и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода обмоточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и уменьшению его габаритов.

Иногда в целях пожарной безопасности бак трансформатора заполняется негорючим и не окисляющимся жидким диэлектриком – совтолом. Электрическая прочность и охлаждающие свойства этого диэлектрика практически не отличаются от таких же свойств масла. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью и токсичностью его паров.

Бак трансформатора обычно имеет овальную форму и для удобства транспортировки располагается на тележке с катками.

У трансформаторов мощностью до 40 кВА применяются баки с гладкими стенками. При больших мощностях для увеличения поверхности охлаждения применяются специальные трубчатые охладители.

При мощностях свыше 10000 кВА для более интенсивного отвода от охладителей применяется их обдув с помощью вентиляторов. В мощных трансформаторах применяется форсированное охлаждение масла. Масло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное вновь возвращается в бак трансформатора.

Расширитель представляет собой цилиндрический резервуар, располагаемый выше крышки бака масляного трансформатора и соединяемый с баком трубкой и патрубком на крышке. Внутренний объем расширителя составляет примерно 10 % объема бака трансформатора, так что при всех возможных колебаниях температуры масло полностью заполняет бак. Кроме того, при наличии расширителя,открытая поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, уменьшается, что уменьшает его окисление и увлажнение. Этим достигается защита масла и изоляции трансформатора. Между расширителем и баком трансформатора устанавливается газовое реле, которое сигнализирует о повреждениях, приводящих к местному нагреву отдельных частей. В результате нагрева происходит разложение масла и изоляции, сопровождаемое выделением газов. Газы, поднимаясь в верхнюю часть бака по пути в расширитель, проходят через газовое реле, вытесняют из него масло и заставляют его сработать. Расширители устанавливаются во всех трансформаторах, начиная с мощности 25 кВА при напряжении от 6,3 кВ и выше. Для трансформаторов меньшей мощности допускается колебание уровня масла внутри бака.

Вводы представляют собой изоляторы, внутри которых располагаются токоведущие медные стержни. Внутри бака к стержню подсоединяются концы обмотки трансформатора, а вне бака – токоведущие части сети.

Вводы для трансформаторов, устанавливаемых внутри помещения, обычно имеют гладкую внешнюю поверхность, а для устанавливаемых на открытом воздухе, снабжаются ребрами.

Контроль температуры масла в верхней части бака производится различного типа термометрами. Наибольшая температура масла — в верхних слоях (допускается равной 95°С).

Для изменения числа витков обмотки ВН в целях регулирования напряжения предусматривается переключатель, размещенный внутри бака. Рукоятка этого переключателя выводится на крышку или стенку бака трансформатора.

На крышке и стенках бака устанавливаются разные пробки и краны, предназначенные для заливки, спуска и отбора пробы масла.

Рис. 1.13. Масляный трансформатор:

1 – шихтованный магнитопровод; 2 — обмотка НН; 3 — обмотка BH; 4 — трубчатый бак; 5 — термометр; 6 — переключатель регулировочных отводов обмотки ВН; 7 – ввод обмотки НН: 8 —ввод обмотки ВН; 9 — расширитель