Элементы конструкции 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.
В магнитной системе проходит основной магнитный поток трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе.
В последние годы горячекатаная сталь заменяется холоднокатаной текстурованной сталью (сталь с определенной ориентировкой зерен). Это позволило значительно уменьшить сечение магнитопровода за счет большей допустимой магнитной индукции, уменьшить диаметр витков обмотки, уменьшить массу и габариты трансформаторов. Масса трансформаторов на единицу мощности в 1930 г. достигала 3,33 т/МВА, а в настоящее время – 0,74 т/МВА.
В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на:
- стержневые (рис. 3, а),
- броневые (рис. 3, б),
- тороидальные (рис. 3, в).
Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 3; 2). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом (рис. 3; 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.
Рис. 3
Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов (рис. 3) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц.
Обмотки трансформаторов являются одним из основных элементов трансформатора, позволяющим осуществлять преобразование напряжения, т. е. получение двух или нескольких различных напряжений. Вместе с магнитопроводом обмотки образуют активную часть трансформатора. Обмотки трансформатора выполняются из обмоточного провода и непосредственно связаны с деталями, которые образуют изоляцию трансформатора, удерживают провода в положении, предусмотренном расчетом и конструкцией, препятствуют их смещению под действием электромагнитных сил, а также создают каналы для охлаждения. Они могут быть
- концентрическими;
- чередующимися.
В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой. Такое выполнение принято в большинстве силовых трансформаторов.
Во втором случае обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми диаметрами и располагаются на стержне одна над другой. В такой обмотке значительное число паек, она менее компактна и применяется для специальных электропечных трансформаторов или для сухих трансформаторов, так как обеспечивает лучшее охлаждение обмоток.
В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой.
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 короткого замыкания. Необходимо предусмотреть надежную систему охлаждения обмоток, чтобы не возникал недопустимый перегрев изоляции.
Для проводников используется медь и алюминий.
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.
Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами помещают в бак. Основные части бака – стенки, дно и крышка. Крышку используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака укрепляют охладительные устройства – радиаторы.
Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом.
Для защиты масла в трансформаторе от увлажнения и окисления, которые приводят к снижению электрической прочности масла, а также бумажной и другой волокнистой изоляции, применяют расширители. При наличии расширителя значительно уменьшается увлажнение и окисление масла в связи с тем, что поверхность масла в расширителе значительно меньше, чем в баке трансформатора, не имеющего расширителя, и, следовательно, меньше площадь соприкосновения масла с воздухом. Кроме того, температура масла в расширителе ниже, чем в верхней части бака трансформатора, и поэтому окислительный процесс происходит медленнее, а так как циркуляция масла в расширителе практически отсутствует, вода, попадающая в расширитель из воздуха, и продукты окисления масла осаждаются в нижней части расширителя и не попадают в бак трансформатора.
Все силовые масляные трансформаторы мощностью 25 кВ-А и более должны снабжаться расширителем или другой защитой, предохраняющей масло в баке от непосредственного соприкосновения с атмосферой (ГОСТ 11677-75).
Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название "сухих". Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С; при защитном исполнении СЗ; при герметизированном исполнении СГ. Эта система малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВА при напряжении до 15 кВ.
Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов до 16000 кВА включительно. В таких трансформаторах тепло, выделенное в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиаторным трубкам, передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +950С.
Для лучшей отдачи тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.
Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для охлаждения более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещаются вентиляторы. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть трубок. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100% номинальной, а температура верхних слоев масла не более +550С, а также при минусовых температурах окружающего воздуха и при температуре масла не выше +450С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой +950С.
Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 100000 кВА.
Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.
Охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители.
В трансформаторах с системой охлаждения ДЦ максимально допустимая температура масла +750С.
Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло.
Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать +700С.
Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в том порядке, как указано выше:
1) Число фаз (для однофазных – О; для трехфазных Т);
2) Вид охлаждения – в соответствии с пояснениями, приведенными выше;
3) Число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух); для трехобмоточных трансформаторов Т; для трансформаторов с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);
4) Выполнение одной из обмоток с устройством РПН обозначают дополнительной буквой Н;
5) Для обозначения автотрансформатора на первом месте добавляется буква А.
За буквенными обозначениями указываются номинальная мощность и класс напряжения. Для трансформаторов с одинаковыми параметрами одной и той же конструкции, изготовляемых на разных предприятиях, указывается год начала выпуска трансформаторов данной конструкции.
Например: ТМН-10000/110-67 – трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением, с РПН, номинальной мощностью 10000 кВА, класса 110 кВ, конструкции 1967 г.
Трансформатор — статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей и, следовательно, механических потерь. Все потери в трансформаторе — это потери активной мощности, возникающие в магнитной системе, обмотках и других частях трансформатора при различных режимах его работы. Рассмотрим эти потери.