Силови трансформатори — устройство и принцип на действие

При транспортиране на електроенергия на дълги разстояния принципът на трансформация се използва за намаляване на загубите. За тази цел електричеството, генерирано от генераторите, се подава към трансформаторната подстанция. Той увеличава амплитудата на напрежението, влизащо в електропровода.

Другият край на преносната линия е свързан към входа на отдалечената подстанция. На него напрежението се намалява, за да се разпределя електричеството между потребителите.

И в двете подстанции в трансформацията на електричество с висока мощност участват специални устройства за захранване:

1. трансформатори;

2. автотрансформатори.

Те имат много общи черти и характеристики, но се различават по определени принципи на работа. Тази статия описва само първите проекти, при които преносът на електричество между отделни намотки се дължи на електромагнитна индукция. В този случай хармониците на тока и напрежението, вариращи по амплитуда, запазват честотата на трептене.

Трансформаторите се използват за преобразуване на променлив ток с ниско напрежение в по-високо напрежение (повишаващи трансформатори) или по-високо напрежение в по-ниско напрежение (понижаващи трансформатори). Най -широко разпространени са силовите трансформатори за общо приложение за преносни линии и разпределителни мрежи. Силовите трансформатори в повечето случаи са изградени като трифазни трансформатори на ток.

Характеристики на устройството

Силовите трансформатори в електроенергията се монтират на предварително подготвени стационарни обекти със здрави основи. За поставяне на земята могат да се монтират релси и ролки.

Общ изглед на един от многото типове силови трансформатори, работещи с 110/10 kV системи за напрежение и с обща мощност 10 MVA, е показан на снимката по -долу.

Някои отделни елементи от нейната конструкция са снабдени с подписи. По -подробно подреждането на основните части и тяхното взаимно подреждане е показано на чертежа.

Електрическото оборудване на трансформатора се помещава в метален корпус, направен под формата на запечатан резервоар с капак. Той е напълнен със специален клас трансформаторно масло, което има високи диелектрични свойства и в същото време се използва за отвеждане на топлината от части, подложени на големи токови натоварвания.

Вътре в резервоара е монтирано ядро ​​9, върху което са поставени намотките с намотки с ниско напрежение 11 и високо напрежение 10. Предната стена на трансформатора е 8. Клемите на намотката с високо напрежение са свързани към входовете, преминаващи през порцеланови изолатори 2.

Намотките за намотка на ниско напрежение също са свързани към проводниците, преминаващи през изолаторите 3. Капакът е прикрепен към горния ръб на резервоара и между тях е поставено гумено уплътнение, за да се предотврати изтичането на масло в съединението между резервоара и капака . В стената на резервоара са пробити два реда отвори, в тях са заварени тънкостенни тръби 7, през които тече масло.

На капака има копче 1. Чрез завъртането му можете да превключвате завоите на намотката на високо напрежение, за да регулирате напрежението под товар. Към капака са заварени скоби, върху които е монтиран резервоар 5, наречен разширител.

Той има индикатор 4 със стъклена тръба за наблюдение на нивото на маслото и щепсел с филтър 6 за комуникация с околния въздух.Трансформаторът се движи по ролки 12, чиито оси преминават през гредите, заварени към дъното на резервоара.

Когато текат големи токове, намотките на трансформатора са подложени на сили, които са склонни да ги деформират. За да се увеличи здравината на намотките, те се навиват върху изолационни цилиндри. Ако квадратна лента е поставена в кръг, тогава площта на кръга не се използва напълно. Следователно, трансформаторните пръти са направени със стъпаловидно напречно сечение чрез сглобяване от листове с различна ширина.

Хидравлична схема на трансформатора

На картинката е показан опростен състав и взаимодействие на основните му елементи.

За пълнене / източване на масло се използват специални клапани и винт, а спирателният вентил, разположен в дъното на резервоара, е проектиран да взема проби от масло и след това да извършва неговия химичен анализ.

Принципи на охлаждане

Силовият трансформатор има две вериги за циркулация на масло:

1. външен;

2. вътрешен.

Първата верига е представена от радиатор, състоящ се от горни и долни колектори, свързани чрез система от метални тръби. Нагрятото масло преминава през тях, което, като се намира в линиите на хладилния агент, се охлажда и се връща в резервоара.

Циркулацията на масло в резервоара може да се извърши:

• по естествен начин;

• принудително поради създаването на налягане в системата от помпи.

Често повърхността на резервоара се увеличава чрез създаване на гофри — специални метални плочи, които подобряват преноса на топлина между маслото и околната атмосфера.

Приемът на топлина от радиатора в атмосферата може да се осъществи чрез издухване на системата от вентилатори или без тях поради свободна конвекция на въздуха. Принудителният въздушен поток ефективно увеличава отнемането на топлина от оборудването, но увеличава консумацията на енергия за работа на системата. Те могат да намалят характеристика на натоварване на трансформатора до 25%.

Топлинната енергия, отделяна от съвременните трансформатори с висока мощност, достига огромни стойности. Размерът му може да се дължи на факта, че сега, за негова сметка, те започнаха да изпълняват проекти за отопление на промишлени сгради, разположени до постоянно работещи трансформатори. Те поддържат оптимални условия на работа на оборудването, дори през зимата.

Контрол на нивото на маслото в трансформатора

Надеждната работа на трансформатора зависи до голяма степен от качеството на маслото, с което се пълни резервоарът му. При работа се разграничават два вида изолационни масла: чисто сухо масло, което се излива в резервоара, и работно масло, което е в резервоара по време на работа на трансформатора.

Спецификацията на трансформаторното масло определя неговия вискозитет, киселинност, стабилност, пепел, съдържание на механични примеси, точка на възпламеняване, точка на изливане, прозрачност.

Всички анормални условия на работа на трансформатора незабавно се отразяват на качеството на маслото, поради което неговият контрол е много важен при работата на трансформаторите. Комуникирайки с въздуха, маслото се овлажнява и окислява. Влагата може да се отстрани от маслото чрез почистване с центрофуга или филтърна преса.

Киселинността и други нарушения на техническите свойства могат да бъдат отстранени само чрез регенериране на маслото в специални устройства.

Вътрешни повреди на трансформатора, като дефекти на намотките, повреда на изолацията, локално отопление или „пожар в ютията“ и т.н., водят до промени в качеството на маслото.

Маслото непрекъснато циркулира в резервоара. Температурата му зависи от цял ​​комплекс от влияещи фактори. Следователно обемът му се променя през цялото време, но се поддържа в определени граници. За компенсиране на обемните отклонения на маслото се използва разширителен резервоар. Удобно е да се наблюдава текущото ниво в него.

За това се използва индикатор за масло. Най-простите устройства са направени съгласно схемата на комуникационни съдове с прозрачна стена, предварително градуирани в единици обем.

Свързването на такъв манометър успоредно на разширителния резервоар е достатъчно за наблюдение на работата. На практика има и други индикатори за масло, които се различават от този принцип на действие.

Защита срещу проникване на влага

Тъй като горната част на разширителния резервоар е в контакт с атмосферата, в него е монтиран въздушен сушилник, който предотвратява проникването на влага в маслото и намалява неговите диелектрични свойства.

Защита от вътрешни повреди

Важен елемент от маслената система е газово реле… Той е монтиран вътре в тръбопровода, свързващ основния трансформаторен резервоар с разширителния резервоар. Поради това всички газове, отделяни при нагряване от маслената и органичната изолация, преминават през контейнера с чувствителния елемент на газовото реле.

Този сензор е настроен от работа за много малко, допустимо газообразуване, но се задейства, когато се увеличи на два етапа:

1. да издава светлинен / звуков предупредителен сигнал на обслужващия персонал за възникване на неизправност при достигане на зададената стойност на първата стойност;

2. да изключите силовите прекъсвачи от всички страни на трансформатора, за да освободите напрежението в случай на насилствено обгазяване, което показва началото на мощни процеси на разлагане на масло и органична изолация, които започват с къси съединения вътре в резервоара.

Допълнителна функция на газовото реле е да следи нивото на маслото в резервоара на трансформатора. Когато падне до критична стойност, защитата на газа може да работи в зависимост от настройката:

• само сигнал;

• за изключване с издаване на сигнал.

Защита срещу натрупване на аварийно налягане вътре в резервоара

Изпускателната тръба е монтирана на капака на трансформатора по такъв начин, че долният й край да комуникира с вместимостта на резервоара, а маслото да тече вътре до нивото в разширителя. Горната част на тръбата се издига над разширителя и се прибира отстрани, леко огъната надолу. Краят му е херметически запечатан от стъклена предпазна мембрана, която се разрушава в случай на аварийно повишаване на налягането поради възникване на неопределено нагряване.

Друг дизайн на такава защита се основава на инсталирането на вентилни елементи, които се отварят при повишаване на налягането и се затварят при освобождаването им.

Друг вид е защита от сифон. Тя се основава на бързото компресиране на маховете с рязко покачване на газа. В резултат на това ключалката, която държи стрелката, която в нормално положение е под въздействието на компресирана пружина, е съборена. Освободеният стрелка счупва стъклената мембрана и по този начин облекчава налягането.

Схема на свързване на силов трансформатор

Вътре в корпуса на резервоара са разположени:

• скелет с горна и долна греда;

• магнитна верига;

• намотки с високо и ниско напрежение;

• регулиране на клоните на намотките;

• кранове за ниско и високо напрежение

• долната част на втулките за високо и ниско напрежение.

Рамката, заедно с гредите, служи за механично закрепване на всички съставни части.

Вътрешен дизайн

Магнитната верига служи за намаляване на загубите на магнитния поток, преминаващ през намотките. Изработен е от марки електрическа стомана по ламиниран метод.

Токът на натоварване протича през фазовите намотки на трансформатора. Като материали за производството им се избират метали: мед или алуминий с кръгло или правоъгълно сечение. За изолиране на завоите се използват специални марки кабелна хартия или памучна прежда.

При концентрични намотки, използвани в силови трансформатори, на сърцевината обикновено се поставя намотка с ниско напрежение (LV), която е заобиколена от намотка от високо напрежение (HV) отвън. Това подреждане на намотките, на първо място, дава възможност за преместване на намотката на високо напрежение от сърцевината, и второ, улеснява достъпа до намотките с високо напрежение по време на ремонт.

За по -добро охлаждане на бобините между тях се оставят канали, образувани от изолиращи дистанционери и уплътнения между бобините. Маслото циркулира през тези канали, които при нагряване се издигат и след това се спускат през тръбите на резервоара, в който се охлаждат.

Концентричните намотки се навиват под формата на цилиндри, разположени една в друга. За страната с високо напрежение се създава непрекъсната или многослойна намотка, а за ниско напрежение — спирална и цилиндрична.

Намотката на НН се поставя по -близо до пръта: това улеснява направата на слой за нейната изолация. След това върху него е монтиран специален цилиндър, осигуряващ изолация между страните с високо и ниско напрежение, а намотката на ВН е монтирана върху него.

Описаният метод на монтаж е показан в лявата страна на картината по -долу, с концентричното разположение на намотките на трансформаторния прът.

От дясната страна на картината е показано как са поставени алтернативни намотки, разделени от изолационен слой.

За да се увеличи електрическата и механичната якост на изолацията на намотките, повърхността им се импрегнира със специален вид глифталов лак.

За да свържете намотките от едната страна на напрежението, се използват следните вериги:

• звезди;

• триъгълник;

• зигзаг.

В този случай краищата на всяка намотка са маркирани с букви от латинската азбука, както е показано в таблицата.

Тип трансформатор Навиваща страна Ниско напрежение Средно напрежение Високо напрежение Старт край неутрален Старт край неутрален Старт край неутрален Монофазни а х — При Ht — А х — Две намотки три фази а NS 0 — — — А х 0 б Y Б Y с G ° С Z Три намотки три фази а х При Ht А х б Y 0 YT 0 Б Y 0 ° С Z Ht ° С Z

Изводите от намотките са свързани към съответните надолу проводници, които са монтирани върху болтовете на изолаторите на втулките, разположени върху капака на резервоара на трансформатора.

За да се реализира възможността за регулиране на стойността на изходното напрежение, на намотките се правят разклонения. Един от вариантите на контролните клонове е показан на диаграмата.

Системата за регулиране на напрежението е създадена с възможност за промяна на номиналната стойност в рамките на ± 5%. За да направите това, изпълнете пет стъпки по 2,5% всяка.

За мощни силови трансформатори регулирането обикновено се създава върху намотка с високо напрежение. Това опростява дизайна на превключвателя на крана и позволява да се подобри точността на изходните характеристики, като осигурява повече завои от тази страна.

При многослойни цилиндрични намотки регулиращите клонки са направени от външната страна на слоя в края на намотката и са разположени симетрично на една и съща височина спрямо ярема.

За индивидуални проекти на трансформатори се правят клони в средната част. При използване на обратна верига, едната половина от намотката се извършва с дясната намотка, а другата с лявата.

За превключване на крановете се използва трифазен превключвател.

Той има система от фиксирани контакти, които са свързани към клоните на намотките, и подвижни, които превключват веригата, като създават различни електрически вериги с фиксирани контакти.

Ако разклоненията са направени близо до нулевата точка, тогава един превключвател контролира работата на трите фази наведнъж. Това може да се направи, защото напрежението между отделните части на превключвателя не надвишава 10% от линейната стойност.

Когато крановете се правят в средната част на намотката, тогава за всяка фаза се използва свой собствен, индивидуален превключвател.

Методи за регулиране на изходното напрежение

Има два типа превключватели, които ви позволяват да променяте броя на завъртанията на всяка намотка:

1. с намаляване на товара;

2. под товар.

Първият метод отнема повече време за завършване и не е популярен.

Превключването на натоварване позволява по -лесно управление на електрическите мрежи, като осигурява непрекъснато захранване на свързаните потребители. Но за да го изпълните, трябва да имате сложен дизайн на превключвателя, който е снабден с допълнителни функции:

• изпълнение на преходи между разклонения без прекъсване на товарните токове чрез свързване на два съседни контакта по време на превключване;

• ограничаване на тока на късо съединение вътре в намотката между свързаните кранове по време на едновременното им включване.

Техническото решение на тези проблеми е създаването на комутационни устройства, работещи от дистанционно управление, използващи ограничаващи тока реактори и резистори.

На снимката, показана в началото на статията, силовият трансформатор използва автоматично регулиране на изходното напрежение при натоварване чрез създаване на AVR дизайн, който комбинира релейна схема за управление на електродвигател с задвижващ механизъм и контактори.

Принцип и режими на работа

Работата на силов трансформатор се основава на същите закони като в конвенционален:

• Електрически ток, преминаващ през входната намотка с променяща се във времето хармоника на трептения, предизвиква променящо се магнитно поле вътре в магнитната верига.

• Променящият се магнитен поток, проникващ в завоите на втората намотка, предизвиква в тях ЕМП.

Режими на работа

По време на работа и изпитване силовият трансформатор може да е в работен или авариен режим.

Режим на работа създаден чрез свързване на източник на напрежение към първичната намотка, а натоварването към вторичната. В този случай стойността на тока в намотките не трябва да надвишава изчислените допустими стойности. В този режим силовият трансформатор трябва да захранва всички потребители, свързани към него, дълго и надеждно.

Вариант на режима на работа са изпитванията на празен ход и късо съединение за проверки на електрическите характеристики.

На празен ход създаден чрез отваряне на вторичната верига, за да се изключи протичането на ток в нея. Използва се за определяне на:

• Ефективност;

• коефициент на трансформация;

• загуби в стоманата поради намагнитване на сърцевината.

Опит при късо съединение, се създава чрез късо съединение на клемите на вторичната намотка, но с подценено напрежение на входа на трансформатора до стойност, способна да създаде вторичен номинален ток, без да го превишава. Този метод се използва за определяне на загубите на мед.

Към аварийни режими трансформатор включва всякакви нарушения на неговата работа, водещи до отклонение на работните параметри извън границите на техните допустими стойности. Късо съединение вътре в намотките се счита за особено опасно.

Аварийните режими водят до пожари на електрическо оборудване и развитие на необратими последици. Те са в състояние да причинят огромни щети на електроенергийната система.

Следователно, за да се предотвратят подобни ситуации, всички силови трансформатори са оборудвани с автоматични, защитни и сигнални устройства, които са предназначени да поддържат нормалната работа на първи контур и бързо да го изключват от всички страни в случай на неизправност.