Главная | Обратная связь

Элементы конструкции силовых трансформаторов.

Конструкция силовых трансформаторов

Мощный трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка. Конструкция силового трехфазного трансформатора приведена на рисунке 2.3.

В магнитной системе проходит основной магнитный поток трансформатора. Она является конструктивной и механической основой трансформатора. Магнитопровод выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе. Раньше применялась горячекатанная сталь ЭЧ1, ЭЧ2. Применение холоднокатанной текстурированной стали Э330 позволило увеличить допустимую индукцию в стали и, тем самым, позволило значительно уменьшить сечение магнитопровода, уменьшить диаметр витков обмотки, массу и габариты трансформаторов.

Уменьшение удельных потери в стали, применение бесшпилечных конструкций, соединение стержней с ярмом с помощью косой шихтовки позволяют уменьшить потери холостого хода и ток намагничивания. В современных трансформаторах этот ток равен (0,5-0,6%)I_ном, а в старых трансформаторах он достигал 3%.

Рисунок 2.3 - Трехфазный двухобмоточный трансформатор мощностью 40 000 кВА, на напряжение 110 кВ с расщепленными обмотками НН и регулированием напряжения ВН под нагрузкой

1 - ввод ВН 110 кВ; 2 - ввод НН 10 кВ; 3 - крюк для подъема трансформатора; 4 - бак; 5 - радиатор; 6 - фильтр термосифонный; 7 - скоба для подъема домкратом; 6 - вертикальный кран для слива масла; 9 - вентилятор; 10 - каток; 11- полубандажи стяжки ярма; 12 - вертикальная стяжная шпилька остова; 13 - ярмовая балка; 14 - устройство переключения ответвлений обмотки ВН; 15 - бандажи стяжки стержня; 16 - пластина с проушиной для подъема активной части; 17 - расширитель; 18 - маслоуказатель; 19 - предохранительная труба.

 

Листы трансформаторной стали должны быть тщательно изолированы друг от друга. Раньше листы изолировались специальной бумагой, но она повреждалась при сборке. Затем стали применять изоляцию листов лаком. В настоящее время применяется двухстороннее жаростойкое покрытие листов стали, наносимое на металлургическом заводе после проката.

Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися. В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой. Такое исполнение принято в большинстве силовых трансформаторов.

Обмотки трансформаторов должны обладать достаточной электрической и механической прочностью. Изоляция обмоток и отводов от нее должна без повреждений выдерживать коммутационные и атмосферные перенапряжения. Обмотки должны выдерживать электродинамические усилия, которые появляются при протекании токов КЗ.

Для проводников обмотки используются медь и алюминий. Медь имеет малое электрическое сопротивление, легко поддается пайке, механически прочна, что и обеспечило широкое применение меди для обмоток трансформаторов. Алюминий дешевле, обладает меньшей плотностью, но большим удельным сопротивлением. В настоящее время трансформаторы с алюминиевой обмоткой изготавливаются на мощность до 6300кВА.

Изоляция трансформатора является ответственной частью, так как надежность работы трансформатора определяется в основном надежностью его изоляции.

В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в сочетании с твердыми диэлектриками: бумагой, электрокартоном, гетинаксом, деревом и др.

В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изоляционных материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.

Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения помещают в бак. Крышку бака используют для установки вводов, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака укрепляют охлаждающие устройства – радиаторы.

Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами из электротехнической стали или пластинами из немагнитных материалов (медь, алюминий).

Расширитель трансформатора – 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 колебаниям 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 воздуха.

При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает всасываемый в расширитель воздух, поэтому постеренно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяются герметичные баки с газовой подпиткой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей.

Для контроля за работой трансформатора предусмотрены контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся маслоуказатель и термометры. Маслоуказатель устанавливается на расширителе, а термометр – на крышке бака. К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.

На мощных трансформаторах 330-750кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.

 

2.2 Особенности конструкции автотрансформаторов

Однофазный АТ имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рисунок 2.4). Часть обмотки заключённая между В и С, называется последовательной, а между С и О общей.

Рисунок 2.4 - Схема однофазного автотрансформатора

 

При работе АТ в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток I_в , который, создавая магнитный поток наводит в общей обмотке ток I_о. Ток нагрузки вторичной обмотки I складывается из тока I_в проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока I_о, созданного магнитной связью этих обмоток:

, откуда

Полная мощность, передаваемая АТ из первичной сети во вторичную, называется проходной. Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток АТ, можно записать следующее выражение:

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

,

где: (трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путём из первичной обмотки во вторичную;

электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счёт их гальванической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток из последовательной обмотки проходит на вывод С минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью АТ (S=S ), а трансформаторная мощность – типовой мощностью ( ).

Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса, определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

где: коэффициент трансформации, выбирают

;

коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из приведенного выше выражения следует, что чем ближе к , тем меньше и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры АТ, его масса, расход активных материалов, уменьшается по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Например, при U , а при Наиболее целесообразно применение АТ при сочетаниях напряжений 220/110, 330/150, 500/220, 750/330.

Из схемы, приведенной на рисунке 2.4 видно, что мощность последовательной обмотки:

.

мощность общей обмотки:

. (4.3)

Таким образом, обмотки и магнитопровод АТ рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчётной мощностью.

Какая бы мощность не подводилась к зажимам В и С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на нельзя. Этот вывод особенно важно помнить при рассмотрении комбинированных режимов работы АТ.

Третья обмотка АТ (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения генераторов и синхронных компенсаторов (а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник). Мощность обмотки низкого напряжения S не может быть больше S т. к. иначе размеры АТ будут определяться мощностью этой обмотки.

Выводы, сделанные для однофазного трансформатора, справедливы и для трёхфазного трансформатора, схема которого представлена на рисунке 2.5. Обмотки ВН и СН соединяются в звезду с выведенной нулевой точкой, обмотки НН - в треугольник. К особенностям конструкции АТ следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмотки ВН и СН.

 

 

Рисунок 2.5 - Схема трехфазного автотрансформатора

 

Объясняется это следующим:

Если в системе с эффективно заземленной нейтралью включить понижающий АТ с незаземлённой нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение вместо , напряжение выводов обмотки СН возрастёт примерно до , резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповреждённых фаз. Аналогично будет при подключении повышающего АТ.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех АТ глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН и СН не вызывают опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

Преимущества АТ по сравнению с трансформатором той же мощности.

1. Меньший расход меди, стали, изоляционных материалов.

2. Меньшая масса, меньшие габариты, что позволяет создавать АТ больших номинальных мощностей, чем у трансформаторов.

3. Меньшие потери и большие КПД.

4. Более легкие условия охлаждения

Недостатки АТ.

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.