Устройство трансформатора, принцип действия, режимы работы

     Номинальное напряжение обмоток - это напряжение первичной и вторичных обмоток при холостом ходе.

     Номинальными  токами обмоток трансформатора называют токи, определяемые по их номинальным мощностям и номинальным напряжениям. Под номинальной нагрузкой понимают нагрузку, равную номинальному току.

     Напряжение  короткого замыкания ( ) - это напряжение в процентах от номинального, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора в замкнутой накоротко другой обмотке ток равен номинальному. Оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

     Ток холостого хода ( ) характеризует активные и реактивные потери в стали и выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

     Потери  холостого хода ( ) и короткого замыкания ( ) определяют экономичность работы трансформатора. Они характеризуют потери в стали (на вихревые токи и гистерезис) и потери в обмотках при протекании по ним токов нагрузки. 

1.4 Системы охлаждения силовых трансформаторов 
 

     Большинство трансформаторов имеют масляное охлаждение. Охлаждение масляных трансформаторов  выполняют:

- естественным  масляным;

- естественным  масляным с искусственным воздушным;

- масловодяным;

- масловоздушным.

     При естественном масляном  охлаждении тепло от обмоток и магнитопровода передается маслу, а от него через стенки и крышку бака - окружающему воздуху. При этом происходит естественная циркуляция масла в баке.

     При естественном масляном с принудительным воздушным дутьем охлаждение осуществляется обдувом трубчатых радиаторов от двигателей - вентиляторов, размещенных внутри радиаторов. При этом масло проникает в радиаторы естественным образом. Пуск и остановка всех или части вентиляторов в зависимости от температуры может осуществляться вручную или автоматически.

     При масловодяном центробежный насос  забирает горячее масло из верхней части бака, прогоняет его через водяной охладитель и возвращает в нижнюю часть бака через  воздухоотделитель.

     При масловоздушном охлаждении  масло насосами прогоняется через воздушные охладители.Масловодяное и масловоздушное охлаждение применяются для трансформаторов большой мощности. Маслоохладители могут быть установлены на стенках бака или выносными.

     Сухие трансформаторы имеют воздушное  охлаждение. Применяется для трансформаторов  небольшой мощности, если по условиям пожароопасности невозможна установка  масляного трансформатора (в производственных помещениях, общественных зданиях). Воздушное  охлаждение выполняется в разных исполнениях:

- открытом;

- защищенном;

- герметизированном;

- с  принудительной циркуляцией воздуха. 

1.5 Нагрузочная способность трансформаторов 

     Для силовых трансформаторов кроме  номинальной мощности используется понятие "нагрузочной способности", критерием которой является срок службы трансформатора.

     В процессе эксплуатации трансформатор, мощность которого выбрана по максимальной нагрузке, часть суток может быть недогружен. В результате уменьшается  износ изоляции, а срок службы увеличивается  и трансформатор по своим техническим  показателям устареет раньше, чем  износится изоляция. Поэтому в  эксплуатации считают возможным  превышать номинальную нагрузку, но при этом срок службы был не менее 20 - 25 лет.

     Нагрузочная способность трансформатора - это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.

     Допустимая  нагрузка - это длительная нагрузка, при которой износ изоляции обмоток не превосходит износ при номинальном режиме.

     Перегрузка - режим, при котором износ изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Систематические перегрузки трансформатора  возможны за счет неравномерности его нагрузки в течение суток. Максимальная допустимая систематическая нагрузка определяется при условии, что наибольшая температура обмотки не превышает 140^ОС, а наибольшая температура масла в верхних слоях - 95⁰ С. Для определения допустимой систематической перегрузки используются графики нагрузочной способности трансформаторов.

     ГОСТ 14209-85 содержит 36 графиков нагрузочной  способности (для разных систем охлаждения, значений постоянной времени нагрева  трансформаторов и эквивалентной  температуры окружающей среды).

Существуют :

     К₁ - коэффициент начальной нагрузки (предшествующей перегрузке);

     К₂ - коэффициент допустимого превышения нагрузки.

     Аварийная перегрузка определяется предельно допустимой температурой обмоток +140^ОС и температурой масла +115^ОС. Такая перегрузка допускается в аварийных ситуациях.

     Величина  допустимой аварийной перегрузки определяется ГОСТ 14209-85 в зависимости от коэффициента начальной нагрузки, температуры  охлаждающей среды в момент аварии и длительности перегрузки. Точный расчет систематических нагрузок и  аварийных перегрузок производится на основании расчета его температурного режима (теплового расчета). 

     1.6 Автотрансформаторы и их особенности 

  Автотрансформатором  называется трансформатор, у которого  имеется электрическая связь  между обмотками, вследствие этого  мощность из первичной сети  во вторичную передаётся не  только электромагнитным, но и  электрическим путём. Обмотка  низкого напряжения в автотрансформаторе  является частью обмотки высшего  напряжения.  

     Автотрансформатор (рис. 2) имеет одну обмотку, к концам которой (АХ) приложено напряжение , а между средней точкой и одним из концов (аX) – снимается напряжение

     Под действием  в части обмотки Аа (последовательной) течет ток , создавая магнитный поток, который наводит ЭДС и ток во второй части обмотки аХ (общей) во вторичную цепь ( ) течет ток (благодаря наличию электрической связи) и ток (благодаря магнитной связи).

       
 
 
 
 
 
 

     А- часть обмотки; Х- часть обмотки; I_0,1,2 – токи; U_1,2- напряжения;

     Z_нагр - вторичная цепь

     Рисунок 2 – Схема автотрансформатора 

     Автотрансформаторы 220 – 500 кВ, как правило, имеют третичную  обмотку напряжением 6 (10) кВ, которая  не связана электрически с первичной  и вторичной. Третья обмотка используется для подключения источников мощности (генераторов и синхронных компенсаторов) на электростанциях, питания близлежащих  потребителей или потребителей собственных  нужд подстанций и электростанций. Мощность третьей обмотки не может  быть больше , так как магнитопровод, через который передается энергия из первичной обмотки в третью, рассчитан на типовую мощность.

     Автотрансформаторы  могут работать в разных режимах :

- Автотрансформаторные  режимы.

     - Трансформаторные режимы.

     - Комбинированные режимы.

  Подводя итог всему сказанному, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

1. меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;
2. меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет
3. создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;
4. меньшие потери и больший КПД;
5. более легкие условия охлаждения.

Недостатки  автотрансформаторов:

1. необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;
2. сложность регулирования напряжения;
3. опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.

 

 

     Глава 2. Устройство трансформатора, принцип действия, режимы работы 

2.1 Устройство трансформатора. Основные детали 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 3 – Устройство трансформатора

Описание  и назначение основных частей трансформатора:

       Магнитопровод, один из самых важнейших узлов трансформатора, является его магнитной системой, а также служит конструктивным основанием для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей. Магнитопровод должен обладать жесткостью конструкции, достаточной для восприятия механических усилий, возникающих в процессе производства, транспортировки и эксплуатации трансформатора.

           Указанные функции магнитопровода определяют его конструкцию состоящую из: активной части, непосредственно проводящей магнитный поток, предназначенной для усиления электромагнитной связи между обмотками трансформатора и неактивной части, придающей магнитопроводу механическую жесткость и являющейся основанием для установки крепления деталей узлов трансформатора. Активную часть магнитопровода выполняют из электротехнической стали.

           Отдельные участки активной части магнитопровода в зависимости от их расположения относительно обмоток трансформатора условно названы стержнями и ярмами. Наиболее широко распространен магнитопровод стержневого типа. Стержни такого магнитопровода располагаются в трансформаторе, как правило, вертикально. Обмотки стержневого магнитопровода имеет в основном цилиндрическую форму, в связи с чем поперечное сечение стержней стремятся приблизится к кругу, образуемого внутренними витками обмотки. Из-за больших технологических трудностей набора круглого сечения его выполняют ступенчатой формы, набирая из пакетов различной ширины.

           Форма сечения ярма стержневого магнитопровода, как правило, повторяет форму сечения стержня, за исключением нескольких крайних пакетов, ширина которых с целью улучшения условий фиксации ярма увеличения до ширины соседнего внутреннего пакета.

     Магнитопровод располагается вертикально по отношению  к поддону бака. Крепление стержней обеспечивается бандажами, а ярм - ярмовыми балкакми, которые между собой  соединяются вертикальными и  горизонтальными шпильками. Сверху и снизу у ярм располагается  ярмовая изоляция, а на самих стержнях по две обмотки НН и ВН (иногда на каждом стержне имеется еще  и третья обмотка - среднего напряжения).

           Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной и вторичной), в связи с чем она состоит из:

     А) проводникового материла (обмоточный провод, медный или алюминиевый);

  Б) изоляционных деталей.

       В комплект обмотки входят  также вводные концы, ответвления  для регулирования напряжения, емкостные  кольца и электростатические  экраны емкостной зашиты от  перенапряжений.

  Непрерывная обмотка применяется главным образом для крупных трансформаторов. Непрерывная обмотка состоит из катушек, соединенных между собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом.

      Бак. В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом.

  Омывая обмотки и магнитопровод, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака и трубы радиатора отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.