Устройство трансформатора, принцип действия, режимы работы

  В трансформаторах мощностью до 20—30 кВ*А применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки.  Масло, нагреваясь, поднимается вверх и, охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению. У трансформаторов классов напряжения 110 кВ и выше для охлаждения применяют радиаторы.

     Вводы предназначены для присоединения обмоток к сборным шинам подстанции. Ввод состоит из трех основных элементов:

       а) токоведущей части (в виде  стержня или кабеля); к ее нижнему  концу, находящемуся в масле  в баке трансформатора, присоединяют  соответствующий отвод, соединенный  с обмоткой, к ее верхнему концу,  находящемуся в воздухе, присоединяют  ошиновку;

  б)    металлического фланца, служащего для крепления к крышке бака;

     в) фарфорового изолятора, представляющего  собой основу изоляционной конструкции  ввода. В такой конструкции присоединение  ввода к отводу обмотки производится через люки в баке трансформатора, что не вполне удобно. В этом отношении  более удобны так называемые "съемные  вводы", так как их установку, так же как и снятие с бака трансформатора, можно производить, не имея люков в баке.

     Масло, заполняющее внутреннюю полость  вводов напряжением до 35 кВ включительно, сообщается с маслом трансформатора. Маслонаполненные вводы 110 кВ и выше (кроме вводов с твердой изоляцией) имеют собственный объем масла, который не сообщается с маслом в  баке трансформатора. Такие вводы  имеют внутреннюю довольно сложную  бумажно-масляную или маслобарьерную в старых конструкциях изоляцию.

     Расширитель. Конструктивно расширитель представляет собой стальной цилиндрический бак, расположенный горизонтально над баком и соединенный с ним трубой. Расширитель должен иметь съемное дно или люк для возможности его окраски внутри и очистки от осадков, выделяющихся из масла.

  Расширитель имеет указатель уровня масла в нем с отметками уровня, соответствующими температуре масла -45, +15, +40°С при неработающем трансформаторе.

       Расширители с пленочной защитой  отличаются большим объемом подготовительных  работ. Эластичную емкость перед  установкой в расширитель проверяют  на маслоплотность путем заполнения  емкости воздухом до избыточного  давления 3 кПА, при этом внешнюю  поверхность покрывают раствором  мыльной пены для обнаружения  мест утечек. После проверки внешняя  поверхность должна быть тщательно  промыта.

  Одновременно проверяют на герметичность расширитель избыточным давлением воздуха 25 кПА. Пленку в расширитель устанавливают на монтажной (ремонтной) площадке до установки расширителя на трансформатор.

  Расширители снабжаются воздухоосушителями с масляным затвором. Назначение воздухоосушителя заключается в извлечении влаги из воздуха, поступающего в расширитель при понижении в нем уровня масла. Воздух при этом проходит через адсорбент (силикагель) и уже осушенный поступает в расширитель. Масляный затвор служит для очистки воздуха и пыли и предохранения адсорбента от увлажнения окружающим воздухом. 

2.2 Назначение и принцип действия трансформатора 

Трансформаторы  широко используются для следующих  целей:

1. Для передачи и распределения электрической энергии. В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с  масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200 – 1600 МВ*А.
2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя. Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.
3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.
4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.
5. Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п. Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.    

   Трансформаторы  позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками  переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить  передачу электроэнергии на дальние  расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому  сильно уменьшаются потери энергии  в проводах и обеспечивается возможность  значительного уменьшения площади  сечения проводов линий электропередачи.

   В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные  на фабриках, заводах, в депо и жилых  домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к  тяговым двигателям и вспомогательным  цепям.

   Кроме трансформаторов, применяемых в  системах передачи и распределения  электроэнергии, промышленностью выпускаются  трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для  питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

   Трансформаторы  используют также для включения  электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей.

 
 
 
 
 
 
 

1 - обмотка; 2 – магнитопровод;  3 – обмотка;  е₁ и е₂  - переменные э.д.с.;

i_{1 и} i₂   - переменные токи; Ф – магнитный поток 

Рисунок 4 - Схема включения однофазного трансформатора 

     Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор  состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 4) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

     При подключении трансформатора к источнику  переменного тока (электрической  сети) в витках его первичной обмотки  протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. ( е₁ и е₂ ). Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с.- е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

     Э. д. с, индуцированная в каждом витке  первичной и вторичной обмоток  трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его  изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д. с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков N₁ и N₂ этих обмоток, т. е.

      E₁/E₂ = N ₁/ N_2,                       (1)

где E₁,E₂ - э.д.с. 

      N ₁,N₂ – соответсвенное число витков.

     Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации n.

      n = Евн / Eнн = Nвн / Nнн,   (2)

где n – коэффициент трансформации;

       Евн – э.д.с. высшего напряжения;

       Енн – э.д.с. низжего напряжения;

       Nвн – число витков высшего напряжения;

       Nнн – число витуов низшего напряжения. 

     Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах  средней и большой мощности они  не превышают обычно 2—5 % номинальных  значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

      U₁/U₂ = N₁/ N_2, (3)

где  U₁,U₂   - номинальные значения напряжения;

        N₁,N₂ – число витков.

     Таким образом, подбирая требуемое соотношение  между числами витков первичной  и вторичной обмоток, можно увеличивать  или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке  получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число  витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем  в первичной.

     Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При  подключении его первичной обмотки  к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и  направлению магнитный поток, который  не может индуцировать э. д. с. в первичной  и вторичной обмотках. Поэтому  не будет происходить передачи электрической  энергии из первичной обмотки  во вторичную.

     При подключении первичной обмотки  трансформатора к сети переменного  тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током  холостого хода. При включении  нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая  мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

     Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и  вторичной обмотках одинаковы. В  этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям:

           I₁/I₂ = U₂/U_1, (4)

     где   U₁U₂   - номинальные значения напряжения;

               I₁,I₂ – токи в обмотках трансформатора.

     или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной  обмоток:

           I₁/I₂ = N₂/N_1, (5)

где N ₁,N₂ – соответсвенное число витков;

        I₁,I₂ – токи в обмотках трансформатора. 

     Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения. 

3.   Режимы работы трансформатора

 

  Режим холостого хода. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (например, ферромагнитного материала, например, из трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике на вихревые токи и на гистерезис. Мощность потерь можно вычислить умножив ток холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.