Силовой трансформатор

Назначение силового трансформатора.

Передача электроэнергии на большие расстояния от генераторов электростанций к потребителю связана с определенной трудностью. Если подключить генератор, производящий энергию большой мощности к линиям электропередач, то по закону Джоуля-Ленца, провода будут нагреваться пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению провода. Даже при наибольшем номинальном напряжении современных генераторов 24кВ, сила тока текущего по проводам будет высокой и чтобы уменьшить нагрев проводов, придется уменьшить их сопротивление. Уменьшение сопротивления приведет к значительному увеличению поперечного сечения провода, что сделает экономически невыгодной передачу электроэнергии потребителю.

Для решения этой проблемы используют силовой трансформатор, при помощи которого увеличивают напряжении и уменьшают пропорционально силу тока при этом передаваемая мощность остается без изменений. У потребителя ставится силовой трансформатор, который понижает напряжение до требуемых значений.

Силовой трансформатор – статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в ток другого напряжения.

Преобразование энергии в силовом трансформаторе, осуществляется переменным магнитным полем.

Устройство силового трансформатора

Основные элементы.

Основными элементами, из которых состоит силовой трансформатор, являются магнитопровод и обмотки.

Магнитопровод представляет собой магнитную цепь силового трансформатора, по которой замыкается магнитный поток.

Обмотки – это электрические цепи, по которым протекает электрический ток.

Совокупность магнитопровода и обмоток представляет собой активную часть силового трансформатора. Остальные элементы являются вспомогательными, неактивными частями. Для соединения между собой обмоток, обмоток с выводами и переключателями ответвлений предназначены отводы.

Обмотки и отводы, соединенные по определенной схеме представляют собой электрическую цепь, изолированную относительно заземленных частей конструкции силового трансформатора. Изоляция выполняется из твердых изоляционных материалов – электроизоляционного картона, бумаги, гетинакса и т.п. Масляные силовые трансформаторы заливают трансформаторным маслом.

Магнитопровод.

Магнитопровод силового трансформатора изготавливается из холоднокатаной анизотропной электротехнической стали. Магнитопровод состоит из стержней, на которых расположены обмотки, и ярм, замыкающих магнитную цепь. Поверхность пластин изолирована либо жаростойкой пленкой или лаком, либо жаростойкой и лаковыми пленками в сочетании.

Различают броневые, бронестержневые и стержневые магнитопроводы. Наибольшее распространение в силовых трансформаторах получили стержневые магнитопроводы.

По способу сборки магнитопроводы подразделяются на стыковые и шихтованные. В стыковом магнитопроводе стержни и ярма собраны и закреплены раздельно и при сборке соединяются в стык. Такие магнитопроводы имеют ряд существенных недостатков, хотя и отличается простотой сборки.

Наиболее часто применяют шихтованные магнитопроводы, в которых стержни и ярма собираются впереплет.

Из-за потерь от вихревых токов и перемагничивания стали магнитопровод силового трансформатора нагревается. Для отвода теплоты у магнитопроводов силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 6300кВА обычно бывает достаточно их наружной поверхности. У более мощных силовых трансформаторов охлаждающую поверхность увеличивают созданием каналов между пакетами пластин. Также делают каналы между ярмами и ярмовыми балками.

Конструкция, включающая в собранном виде магнитопровод со всеми деталями, служащими для его крепления, называется остовом силового трансформатора.

При работе силового трансформатора остов находится в электрическом поле, вследствие чего он приобретает электрический заряд. Так как заряд в отдельных частях остова не одинаков, то между ними может возникнуть разность потенциалов, что вызывает разряды. Чтобы избежать этого магнитопровод и ярмовые балки заземляют.

Обмотки.

Обмотки силовых трансформаторов различаются по следующим признакам:

• Тип;
• Количество витков;
• Поперечное сечение и марка провода;
• Направлением намотки;
• Изоляционными расстояниями;
• Толщиной витковой изоляции.

Чем больше напряжение силового трансформатора, тем больше количество витков. С увеличением мощности возрастают сечения проводов и размеры обмоток.

Для уменьшения потерь электроэнергии, выделяющихся в силовом трансформаторе в виде тепла, должны быть выбраны достаточно малыми активные сопротивления обмоток, т. е. возможно большие сечения витков обмоток, возможно меньшие длины витков и возможно меньшие электрические удельные сопротивления проводов и обмоток. Поэтому провода обмоток изготавливают из меди, обладающей наименьшим удельным электрическим сопротивлением, и в редких случаях из алюминия, удельное сопротивление которого примерно на 70% больше.

Для обмоток мощных силовых трансформаторов, как правило, применяют провод прямоугольного поперечного сечения с бумажной изоляцией. При больших токах применяются подразделенный провод, состоящий из нескольких параллельно расположенных ветвей, и транспонированный провод, т.е. многожильный провод с перекладкой отдельных жил.

Различают следующие типы обмоток силовых трансформаторов: однослойные, двухслойные и многослойные. Тип обмотки зависит от габарита силового трансформатора.

Однослойные – обмотки, намотанные в один слой. Двухслойные цилиндрические - две обмотки, разделенные между собой каналом и соединенные переходом. Однослойную и двухслойную обмотки обычно применяют в качестве обмотки низшего напряжения в силовых трансформаторах I и II габаритов, используя при этом провод круглого сечения.

Многослойная цилиндрическая обмотка – остовом для обмотки служит цилиндр, наматывается проводом круглого сечения. Используется в качестве обмотки высшего напряжения в силовых трансформаторах I и II габаритов.

Непрерывная катушечная обмотка – состоит из плоских спиральных катушек, переход из катушки в катушку осуществляется без разрыва с помощью особых технологических приемов по перекладке проводов в каждой четной по счету катушке. Применяются в силовых трансформаторах класса напряжения 110кВ в качестве обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, а также в силовых трансформаторах класса 220кВ в качестве обмоток среднего и высшего напряжения.

Переплетенная обмотка – обмотка, в которой витки переплетаются. Требует использование обмоточных проводов высокого качества поверхности или усиления витковой изоляции. Применяется в силовых трансформаторах 500кВ и выше.

Винтовая обмотка – витки следуют друг за другом по винтовой линии и каждый из них составлен из нескольких концентрически расположенных параллельных проводов. Такие обмотки имеют сравнительно небольшое количество витков, их изготавливают на большие токи и применяют главным образом в силовых трансформаторах III-VIII габаритов.

Изоляция обмоток силового трансформатора.

Изоляция обмоток силового трансформатора подразделяется на продольную и главную. Главная изоляция изолирует обмотки друг от друга и от остова, продольная – отдельные части самой обмотки. Изоляция силового трансформатора в процессе работы подвергается электрическим воздействиям, механическим воздействиям от токов короткого замыкания, тепловым – от нагрева проводов, химическим – от химических процессов протекающим в трансформаторе.

В зависимости от теплового воздействия изоляция изготавливается из материалов относящихся к одному из 7 классов нагревостойкости изоляции(Y, A, E, B, F, H, C), при этом должны учитываться и другие виды воздействия оказываемого на изоляцию.

Охлаждение

По способу охлаждения силовые трансформаторы делятся на три группы: с естественным воздушным охлаждением, с форсированным воздушным охлаждением, с естественным масляным охлаждением, с форсированным масляным охлаждением.

Силовые трансформаторы с воздушным охлаждением называют сухими, силовые трансформаторы с масляным охлаждением – масляными.

Регулировка напряжения силового трансформатора

Во время эксплуатации силового трансформатора возникает необходимость изменения коэффициента трансформации. У одних силовых трансформаторов регулирование напряжения осуществляется с отключением от сети, у других оно может производится под нагрузкой(РПН). Для обеспечения РПН используется специальная аппаратура, устанавливаемая снаружи на бак или внутри бака на активной части.

Вводы.

Внешние линии, подходящие к силовому трансформатору и уходящие от него, соединяются металлически с концами первичной и вторичной обмоток при помощи вводов.

Вводы силового трансформатора предназначены для подсоединения обмоток к сети. Вводы устанавливаются на корпусе силового трансформатора, при этом нижняя часть находится внутри, а верхняя вне корпуса, на воздухе.

Классификация силовых трансформаторов.

Класс габарита	Диапазон мощностей, кВА	Номер напряжения, кВ
I	До 100	До 35
II	От 100 до 1000	До 35
III	От 1000 до 6300	До 35
IV	Свыше 6300	До 35
V	До 40000	От 35 до 110
VI	От 40000 до 80000	До 330
VII	От 80000 до 200000	До 330 и выше
VIII	Независимо от мощности для ЛЭП постоянного тока	Независимо от напряжения

Основные показатели силовых трансформаторов.

Основными показателями для расчета силового трансформатора являются:

• Эдс (В), индуцируемая в одном витке обмотки;
• Коэффициент трансформации.

Характеристики силового трансформатора.

Номинальная мощность силового трансформатора – это мощность, на которую он рассчитан, выражается в киловольт-амперах (кВА) или мегавольтамперах;

Номинальное первичное напряжение силового трансформатора – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка силового трансформатора;

Номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающиеся при холостом ходе силового трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.

Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.

Высшее номинальное напряжение силового трансформатора – наибольшее из номинальных напряжений обмоток силового трансформатора.

Низшее номинальное напряжение силового трансформатора – наименьшее из номинальных напряжений обмоток силового трансформатора.

Среднее номинальное напряжение – номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток силового трансформатора.

Потери холостого хода – это потребляемая силовым трансформатором активная мощность в режиме холостого хода при номинальном напряжении и номинальной частоте первичной обмотки.

Потери короткого замыкания – это потребляемая силовым трансформатором активная мощность при опыте короткого замыкания, обусловленная потерями в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и токоведущих частях силового трансформатора при прохождении номинального тока и добавочными потерями, вызванными полями рассеяния.