Силовые трансформаторы принцип работы конструкции регулирования и охлаждения

Оглавление
Введение 3
Принцип работы трансформаторов. 5
Элементы конструкции силового трансформатора 6
Регулирование напряжения трансформатора. 10
Способы охлаждения силовых масляных трансформаторов. 12
Список литературы 13

Введение

На современных электростанциях обычно вырабатывается переменный электрический ток, и для его передачи к потребителям через линии электропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются трансформаторами [1].
Трансформаторы широко применяются в системах передачи и распределения электрической энергии. Передача энергии на дальние расстояния передаётся при высоком напряжении (500 кВ и выше), благодаря чему значительно уменьшаются электрические потери в линиях электропередачи.
Получить такое высокое напряжение на выходе генератора невозможно, поэтому электроэнергия подаётся на повышающий трансформатор, в котором напряжение увеличивается до требуемого значения. Это напряжение должно быть тем выше, чем больше протяжённость линии электропередачи и чем больше передаваемая по этой линии мощность.
В местах распределения электрической энергии между потребителями устанавливают понижающие трансформаторы, которые понижают напряжение до требуемого значения. И наконец, в местах потребления электроэнергии между потребителями напряжение ещё раз понижают посредством трансформаторов до 220, 380 или 660 В. При таком напряжении электроэнергия подаётся потребителям [2].
Таким образом, электроэнергия переменного тока в процессе передачи от электростанции до потребителя трансформируется три, а иногда четыре раза.
Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращающихся частей, предназначенные для преобразования посредством явления электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты, имеющие две (или более) индуктивно связанные обмотки. Однако, в принципе их действия и устройства, есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и поэтому их тоже относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова.
Большие заслуги в создании трансформаторов и их практическом применении принадлежат русскому изобретателю П.Н.Яблочкову.
Помимо основного применения трансформаторы используются в различных электроустановках – нагревательных, выпрямительных, сварочных и т.д.), устройствах автоматики, связи, в измерительной технике.
В зависимости от назначения трансформаторы разделяют на силовые трансформаторы общего назначения и трансформаторы специального назначения.
А настоящей работе будут рассмотрены вопросы по силовым трансформаторам.
Принцип работы трансформаторов.Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сердечника), выполненного из ферромагнитного материала и двух обмоток, расположенных на стержнях магнитопровода.
Рис. 1. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схема трансформатора.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки с числом витков ω1 к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создаёт в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуцирует в них ЭДС:
– в первичной обмотке ЭДС самоиндукции: e1 = –ω1 (dФ/dt);
– во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции: e2 = –ω2 (dФ/dt).
При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создаётся ток i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2.
Обмотку трансформатора, подключенного к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высокого напряжения (ВН), а обмотку, присоединённую к сети меньшего напряжения – обмоткой низкого напряжения (НН).
Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего.
Элементы конструкции силового трансформатораНаибольшее применение в электротехнических установках, а также энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют значения переменного напряжения и тока.
Силовой трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др.
Магнитопровод, с насаженными на него обмотками, представляет собой активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями.
Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции:
– составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток;
– для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей.
Рис. 2. Магнитопровод трёхфазного трансформатора стержневого типа с обмотками (а): 1–вертикальные стержни, 2– обмотки, 3–ярмо, б – внешний вид магнитопровода с обмотками.
Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т.е. состоит из тонких (0,5 мм) пластин электротехнической стали, покрытых с двух сторон изоляционным лаком. Такая конструкция позволяет ослабить вихревые токи, наводимая в магнитопроводе переменным магнитным потоком и , в конечном счёте, уменьшить потери энергии в трансформаторе.
В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода.
Рис. 3. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а –однофазного, б – трёхфазного.
Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.
Основой обмотки является бумажно–бакелитовый цилиндр, обеспечивающий обмотке механическую и электрическую прочность. По взаимному расположению на стержне различают концентрические (цилиндрические, винтовые, непрерывные) и чередующиеся.
Рис. 4. Конструкция концентрических обмоток: а –цилиндрическая, б – винтовая, в – непрерывная.
В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещён в бак, наполненный трансформаторным маслом. Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3, и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдаёт её в окружающую среду.
Рис. 5. Устройство трансформатора с масляным охлаждением.
Для компенсации объёма масла при изменении температуры, а так же для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом применяют расширитель 9. В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с расширителем, помещено газовое реле, которое срабатывает при повреждениях трансформатора, сопровождаемых значительным выделением газов.
Обмотки трансформатора соединяют с внешней цепью вводами 7 и 8. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжений 6.
Рис. 6. Расширитель и выхлопная труба трансформатора: 1– указатель уровня масла, 2 –труба для свободного обмена воздуха, 3 –пробка для заливки масла, 4 –грязеотстойник, 5– газовое реле, 6 –кран для отсоединения расширителя.
Расширитель представляет собой цилиндрический стальной сосуд и соединяется при помощи патрубка с баком. Открытая поверхность масла при колебаниях температуры окружающей среды и нагрузки трансформатора всегда должна оставаться в пределах расширителя. Тем самым открытая поверхность масла уменьшается, что ограничивает его окисление.
Для предотвращения разрушения бака в случае бурного разложения масла и выделения газа в результате аварии на крышке трансформатора устанавливается выхлопная труба. Труба закрыта стеклянной мембраной, которая при повышении давления масла лопается [1].
В процессе работы трансформатора происходит окисление, увлажнение, загрязнение масла, что сопровождается ухудшением его изоляционных свойств. Для замены масла, сушки, очистки, отбора проб предусмотрены краны и другая арматура.
Регулирование напряжения трансформатора.Обмотки ВН понижающих трансформаторов снабжают регулировочными ответвлениями, с помощью которых можно получить коэффициент трансформации, несколько отличающийся от номинального, соответствующего номинальному вторичному напряжению при номинальном первичном.
Регулировочные ответвления делают в каждой фазе либо вблизи нулевой точки, либо посередине обмотки. В первом случае на каждой фазе делают по три ответвления (рис. 7, а), при этом среднее ответвление соответствует номинальному коэффициенту трансформации, а два других – коэффициентам трансформации, отличающимся от номинального на ±5 %.
Во втором случае обмотку разделяют на две части и делают шесть ответвлений (рис. 7, б). Это дает возможность кроме номинального коэффициента трансформации получить еще четыре дополнительных значения, отличающихся от номинального на ±2,5 и ±5 %.
Рис. 7. Схемы обмоток трехфазных трансформаторов с регулировочными ответвлениями
Переключать ответвления обмоток можно при отключенном от сети трансформаторе (переключение без возбуждения (ПБВ)). Для ПБВ применяют переключатели ответвлений. На каждую фазу устанавливают по одному переключателю, при этом вал, вращающий контактные кольца переключателей по всем фазам одновременно, связан посредством штанги с рукояткой на крышке бака трансформатора.
Рис. 8. Переключатель ответвлений ПБВ
Регулирование под нагрузкой (РПН) производится без отключения трансформатора.
Принцип РПН основан на изменении коэффициента трансформации посредством регулировочных ответвлений. Однако переключение с одного ответвления на другое осуществляют без разрыва цепи рабочего тока. С этой целью обмотку каждой фазы снабжают специальным переключающим устройством, состоящим из реактора Р, двух контакторов с контактами К1 и К2 и переключателя с двумя подвижными контактами П1 и П2 (рис. 9).
В рабочем положении два подвижных контактора переключателя находятся на одном ответвлении, контакты К1 и К2 замкнуты и рабочий ток направлен параллельно по двум половинам обмотки реактора.
Рис. 9. Последовательность переключения контактов под нагрузкой
Аппаратура РПН располагается в общем баке с трансформатором, а ее переключение автоматизируется или осуществляется дистанционно (со щита управления). Трансформаторы с РПН обычно рассчитаны для регулирования напряжения в пределах 6–10%.
Способы охлаждения силовых масляных трансформаторов.Конструкция бака масляного трансформатора зависит от его мощности.
Трансформаторы мощностью до 20 кВА имеют гладкие баки. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: масло возле обмоток и магнитопровода нагревается и поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. Стенка бака отдаёт тепло в окружающую среду. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях 95°С.
У трансформаторов мощностью 20–1800 кВА к баку привариваются трубы 5 (рис. 5), по которым, вследствие естественной конвекции сверху вниз циркулирует масло.
В трансформаторах мощностью свыше 1800 кВА используются баки с подвешенными к ним трубчатыми охладителями, которые сообщаются с внутренней полостью бака в его верхней и нижней частях. Циркуляция масла в охладителе также совершается в результате естественной циркуляции.
Рис. 10. Трубчатый охладитель с вентилятором.
При мощности трансформаторов 10–60 МВА для более интенсивного отвода тепла от охладителей применяется обдувание радиаторов с помощью радиаторов. При этом теплоотдача увеличивается на 50–60%.
Ещё более интенсивным является водяное охлаждение. При этом масло откачивается из верхней части бака насосом, проходит через водяные охладители (теплообменники) и поступает в нижнюю часть бака. Иногда водяные охладители помещают внутри бака трансформатора. Водяное охлаждение применяется для самых мощных трансформаторов.

Список литературы

Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. заведений. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергия, 1978.
Кацман М.М. Электрические машины: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования – 12-е изд., стер. – М.: Издательский центр Академия, 2013.