Номинальные параметры трансформаторов

Силовые трансформаторы

Передачу электроэнергии на большие расстояния в основном осуществляют на повышенном (35 – 750 кВ) напряжении. Распределение электроэнергии осуществляют сетями 6 – 35 (110) кВ. Электропотребителей подключают к сетям более низких напряжений 0, 22 – 10 кВ. Для соответствующих преобразований (трансформаций) напряжения, а также связи электрических сетей различных классов напряжений и распределения электроэнергии используют силовые трансформаторы и автотрансформаторы однофазного и трехфазного исполнений.

Электрический трансформатор – статическое (не имеющее подвижных частей) электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной системы переменного тока в другую систему переменного тока.

Трансформатор называется силовым, если он применяется для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. К силовым относятся трехфазные и многофазные трансформаторы мощностью 6, 3 кВ^.А и более, однофазные мощностью 5 кВ^.А и более. При меньших мощностях они называются трансформаторами малой мощности. Мощные силовые трансформаторы имеют КПД 98 – 99 %.

Трансформатор был впервые использован в 1876 П. Н. Яблочковым в цепях электрического освещения. В 1890 М. О. Доливо-Добровольский разработал трёхфазный трансформатор. Дальнейшее развитие трансформаторов заключалось в совершенствовании их конструкции, увеличении мощности и КПД, улучшении изоляции обмоток. В настоящее время существует множество типов трансформаторов, получивших распространение в различных областях техники.

Наиболее представительную группу силовых трансформаторов составляют силовые трансформаторы, устанавливаемые в электрических сетях. Они повышают напряжение тока, вырабатываемого генераторами электростанций до 110 – 1150 кВ, что позволяет передавать электроэнергию по воздушным ЛЭП на большое расстояние с меньшими потерями. В месте потребления электроэнергии трансформаторы преобразуют высокое напряжение в низкое, требуемое потребителем. Многократное преобразование требует большого количества силовых трансформаторов, поэтому их суммарная мощность в энергосистеме в несколько раз превышает мощность источников и потребителей энергии.

На подстанциях электрических сетей и электростанциях преимущественно применяют трехфазные двух- и трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. При большой мощности используют однофазные трансформаторы соединенные в трехфазные группы.

Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками составляет активную часть трансформатора. Остальные элементы называют неактивными (вспомогательными) частями.

Обмотки трансформатора изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы – из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0, 5 – 0, 35 мм, имеющей высокую магнитную проницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи.

Магнитопровод и обмотки силового трансформатора обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которое используется для изоляции и охлаждения обмоток. Такие трансформаторы (масляные) обычно устанавливают на открытом воздухе, что требует улучшенной изоляции выводов и герметичности бака. Трансформаторы без масляного охлаждения называются сухими. Для лучшего отвода тепла трансформаторы снабжают трубчатым радиатором, омываемым воздухом (в ряде случаев – водой).

Рисунок 6.1 – Устройство трансформатора с масляным охлаждением

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рисунок 6.1). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

В трансформаторах мощностью до 20 – 30 кВ^.А применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению.

Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

В процессе работы трансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВ^.А и выше снабжают выхлопной трубой, которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.

В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов (например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 5. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоляторы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжений 6.

Трансформаторы выполняются одно- и трехфазными, двух- и трехобмоточными, рассчитываются на длительную работу в номинальном режиме.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 15 % ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20 – 25 % меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности. Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. В трехобмоточном трансформаторе на каждую трансформируемую фазу приходится три обмотки. Принцип работы трехобмоточного трансформатора по существу не отличается от принципа работы обычного двухобмоточного трансформатора. Кроме того обмотки трансформатора одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками.

Условные обозначения трансформаторов и автотрансформаторов в схемах СЭС показаны на рисунке 6.2. Стрелка символизирует наличие у трансформаторов устройства регулирования под нагрузкой (РПН). Отсутствие таковой обозначает, что трансформатор снабжен устройством изменения напряжения ПБВ (переключение без возбуждения). Изменение напряжения такого трансформатора осуществляется при его отключении от сети.

Рисунок 6.2 – Условные обозначения трансформаторов и автотрансформаторов

на схемах: а – двухобмоточный нерегулируемый; б – двухобмоточный регулируемый;

г – трехобмоточный регулируемый; д – автотрансформатор; е, ж – регулируемый и нерегулируемый двухобмоточные трансформаторы с расщепленной обмоткой

низшего напряжения

Автотрансформаторы

Наряду с трансформаторами для связи сетей с различающимися напряжениями широко применяют автотрансформаторы.

Автотрансформатором называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны между собой.

В отличие от обычного трансформатора в автотрансформаторе для преобразования напряжения используется не только магнитная связь обмоток, но и их прямое или встречное последовательное электрическое соединение. У автотрансформатора вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки, или наоборот (рисунок 6.8). На преобразование напряжения при помощи автотрансформатора затрачивается меньше активных материалов, чем на такое же преобразование, осуществляемое при помощи трансформатора. Это также снижает потери мощности, связанные с процессом преобразования. При малых коэффициентах трансформации автотрансформатор легче и дешевле многообмоточного трансформатора.

Наиболее экономично применять автотрансформаторы для связи сетей с глухозаземленными нейтралями напряжением 110 кВ и выше с соотношением номинальных напряжений до 3 – 4, например, 220 и 110 кВ, 500 и 220 кВ и др. Такие автотрансформаторы обычно выполняют на большие мощности (до 500 МВ^.А и выше). Мощные автотрансформаторы изготавливают как в трехфазном, так и в однофазном (собираемом в трехфазные группы) исполнении. Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяют в звезду (рисунок 6.9) с обязательным глухим заземлением нейтрали.

Также автотрансформаторы находят применение в электрических установках, когда требуется длительно или временно повышать или понижать напряжение в отдельных точках сети до 2 раз, например для снижения пусковых токов двигателей большой мощности или при регулировании режимов специальных электрометаллургических печей, а также в разнообразных установках радиосвязи, проводной и электронной техники.

Обмотка высшего напряжения состоит из двух обмоток – общей и последовательной. Обмотка среднего напряжения является частью обмотки ВН и называется общей обмоткой. Недостаток автотрансформатора – невозможность гальванического обособления цепей и как следствие возможность появления высокого напряжения на стороне СН.

Рисунок 6.9 – Схемы соединения обмоток трехобмоточного автотрансформатора

и соответствующие им векторные диаграммы напряжений

Помимо гальванически связанных обмоток автотрансформатор может иметь и третичные обмотки, работающие как в обыкновенном трансформаторе, не имеющие гальванической связи с другими обмотками. Дополнительные обмотки выполняются обычно низшего напряжения и соединяются треугольником (рисунок 6.9), что способствует подавлению третьей гармоники фазных ЭДС, предотвращая их появление в линиях. Наличие таких обмоток также приводит к выравниванию фазных напряжений при несимметричной нагрузке. Номинальная мощность обмотки НН составляет от 20 до 50 % номинальной (проходной) мощности автотрансформатора.

Рассмотрим условия работы трехобмоточного трансформатора (рисунок 6.9). Автотрансформаторы могут работать в автотрансформаторных или комбинированных режимах. При работе в автотрансформаторном режиме мощность передается из сети ВН в сеть СН или наоборот. Третичная обмотка НН при этом не нагружена. При работе в комбинированном режиме к обмотке НН присоединяется нагрузка или компенсирующее устройство. При этом мощность в последовательной и общей обмотках состоит из мощности передаваемой в автотрансформаторном режиме, и мощности, передаваемой через обмотку НН.

В отличие от трансформатора, где вся мощность с первичной обмотки ВН передается на вторичную обмотку СН магнитным путем, в автотрансформаторе часть мощности передается непосредственно – без трансформации, через электрическую связь между последовательной и общей обмотками (электрическая мощность):

а также с помощью пронизывающего их магнитного поля, т.е. магнитным путем (трансформаторная мощность):

Сумма трансформаторной и электрической мощности равна проходной мощности автотрансформатора:

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор по обмоткам ВН и СН, имеющим между собой автотрансформаторную связь. Для отечественных трансформаторов мощности обмоток ВН и СН одинаковы и равны номинальной или проходной. Следовательно,

В общей обмотке протекает разность токов сетей ВН и СН. Поэтому эту обмотку рассчитывают на ток, меньший номинального тока автотрансформатора, определяемого на стороне ВН, и она может иметь площадь меньшего сечения, чем обмотка того же напряжения двухобмоточного трансформатора. Меньшую площадь имеет и магнитопровод автотрансформатора. В результате, чем ближе к единице коэффициент трансформации

тем меньше расход активных материалов (меди обмоток, стали магнитопровода и изоляционных материалов) и приблизительно – стоимость автотрансформатора. Поэтому понижающие автотрансформаторы оказываются дешевле трансформаторов равной номинальной мощности, а применение автотрансформаторов взамен трансформаторов становится тем выгоднее, чем ближе друг к другу напряжения U_ВН и U_СН.

Мощность общей части обмоток автотрансформатора (рисунок 6.9)

где – так называемый коэффициент выгодности.

Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие типовой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка:

т.е. .

Типовая мощность отображает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, т.е. расход активных материалов. Различие технико-экономических показателей трансформаторов и автотрансформаторов зависит от соотношения между номинальной и типовой (расчетной) мощностями, т.е. от коэффициента выгодности α _в. Поскольку

то очевидно, что преимущества автотрансформатора проявляются в большей степени тогда, когда с его помощью связываются сети более близких номинальных напряжений.

Мощность обмотки НН, обычно равную 50 % номинальной мощности автотрансформатора, рассчитывают на передачу типовой мощности.

В отдельных автотрансформаторах мощность обмотки НН составляет 20, 25 и 40 % и не равна типовой мощности. В этом случае коэффициент выгодности не равен отношению , именуемый в дальнейшем коэффициент приведения (пересчета).

Обмотка НН соединяется в треугольник и предназначена для питания нагрузок, расположенных в районе рассматриваемой подстанции, а также для подключении компенсирующих реактивную мощность устройств (батарей конденсаторов, синхронных компенсаторов и др.). Номинальное напряжение третьей обмотки в зависимости от удаленности нагрузок может быть 6, 6, 11 и 38, 5 кВ.

Наличие электрической связи между обмотками ВН и СН обуславливает возможность применения автотрансформаторов только в сетях с глухозаземленной нейтралью, т.е. в сетях напряжением 110 кВ и выше, а сами автотрансформаторы изготавливают с высшим напряжением не менее 150 кВ и средним не менее 110 кВ. При отсутствии заземления нейтрали и замыкания на землю одной фазы в сети ВН потенциал относительно земли двух других фаз сети СН повысится до недопустимого значения. Если, например, выполнить автотрансформатор напряжением 115/38, 5/11 кВ с изолированной нейтралью, то при замыкании на землю фазы А сети 110 кВ потенциал относительно земли фаз а и с сети 35 кВ до 3, 5 U_ср. Это недопустимо как для изоляции обмотки 38, 5 кВ автотрансформатора, так и для аппаратуры сети 35 кВ.

Охлаждение трансформаторов

Отсутствие у трансформаторов вращающихся частей уменьшает нагрев трансформатора из-за отсутствия механических потерь, но это же обстоятельство усложняет процесс охлаждения, так как исключает применение в трансформаторах самовентиляции. По этой причине основной способ охлаждения трансформаторов – естественное охлаждение. Однако в трансформаторах значительной мощности с целью повышения удельных электромагнитных нагрузок применяют более эффективные методы охлаждения. Наибольшее применение получили следующие способы охлаждения:

Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (С) открытого исполнения.Все нагреваемые части трансформатора непосредственно соприкасаются с воздухом. Их охлаждение происходит за счет излучения теплоты и естественной конвекции воздуха. Иногда такие трансформаторы снабжают защитным кожухом, имеющим жалюзи или же отверстия, закрытые сеткой. Этот вид охлаждения применяют в трансформаторах низкого напряжения при их установке в сухих закрытых помещениях.

Сухие трансформаторы применяются при мощностях до 1600 кВ^.А, напряжении до 20 кВ и устанавливаются в помещениях с относительной влажностью воздуха до 80 %.

Разновидности сухих трансформаторов (видов охлаждения):

С – естественное воздушное при открытом исполнении;

СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении;

СГ – естественное воздушное при герметичном исполнении;

СД – воздушное с принудительной циркуляцией воздуха.

Естественное масляное охлаждение (М), т.е. естественная циркуляция масла.Магнитопровод с обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом, которое омывает нагреваемые части трансформатора, путем конвекции отводит теплоту и передает ее стенкам бака, последние, в свою очередь, охлаждаются путем излучения теплоты и конвекции воздуха. Для увеличения охлаждаемой поверхности бака его делают ребристым или же применяют трубчатые баки (рисунок 6.1). В трансформаторах большой единичной мощности трубы объединяют в радиаторы (радиаторные баки). Нагретые частицы масла поднимаются в верхнюю часть бака и по трубам опускаются вниз. При этом, соприкасаясь со стенками труб, масло охлаждается. Трансформаторное масло обладает высокими электроизоляционными свойствами, поэтому, пропитывая изоляцию обмоток, оно улучшает ее свойства и повышает надежность трансформаторов при высоких напряжениях. Это особенно важно для трансформаторов, устанавливаемых на открытых площадках. Следует заметить, что масляное охлаждение усложняет и удорожает эксплуатацию трансформаторов, так как требует систематического контроля за качеством масла и периодической его замены.

Трансформаторы с охлаждением типа М применяют при мощности до 6300 кВ^.А.

Разновидности масляных трансформаторов типа М (видов охлаждения):

М – естественная циркуляция воздуха и масла;

МЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла;

НМЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла.

Масляное охлаждение с дутьем (Д).Трансформаторы снабжают электрическими вентиляторами, которые обдувают радиаторы трансформатора. Конвекция масла внутри бака остается естественной. Этот вид охлаждения позволяет увеличить единичную мощность трансформатора на 40 – 50%.

Система охлаждения типа Д применяется в трансформаторах мощностью 10 000 – 80 000 кВ^.А. При снижении нагрузки трансформатора с дутьевым охлаждением на 50 – 60% вентиляторы можно отключить, т.е. перейти на естественное масляное охлаждение.

Принудительная циркуляция масла через водяной охладитель (Ц)(Масляно-водяное охлаждение)(рисунок 6.10).

Рисунок 6.10 – Масляно-водяное охлаждение трансформатора

Ц – с принудительной циркуляцией воды и ненаправленным потоком масла:

НЦ – с принудительной циркуляцией воды и направленным потоком масла.

Нагретое в трансформаторе 1 масло посредством насоса 2 прогоняется через охладитель 3, в котором циркулирует вода. Это наиболее эффективный способ охлаждения, так как коэффициент теплопередачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Одновременно масло проходит через воздухоохладитель 4 и фильтр 5, где освобождается от нежелательных включений.

Водяные охладители систем Ц и НЦ компактнее воздушных и рассеивают мощности до 1000 кВт.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ).Масляное охлаждение с дутьем и направленным потоком масла (НДЦ). С помощью насоса 1 (рисунок 6.11) создают принудительную циркуляцию трансформаторного масла через специальные охладители 2, собранные из трубок. Одновременно необходимое число вентиляторов 3 создает направленный поток воздуха, обдувающий поверхность трубок охладителя.

Системы охлаждения типов ДЦ и НДЦ применяют для трансформаторов общего назначения мощностью 80 000 – 400 000 кВ^.А, каждый охладитель такой системы может рассеивать мощность до 200 кВт.

Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком (Н) – совтолом устанавливаются в тех производственных помещениях, где окружающая среда не допускает использования масляных трансформаторов. Например они рекомендуются для крупных машинных залов.

Разновидности видов охлаждения совтоловых трансформаторов:

Н – естественное негорючим жидким диэлектриком;

НД – негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха;

ННД – негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и направленным потоком жидкого диэлектрика.

Типы трансформаторов

Электропромышленность выпускает большое число типоразмеров силовых трехфазных и однофазных трансформаторов, различаемых по мощности, номинальному напряжению, числу обмоток и способу охлаждения. Для отличия по конструктивным признакам и назначению все трансформаторы подразделяются на типы, которым присваивается условное обозначение. По условному обозначению трансформатора можно определить количество фаз, систему охлаждения, число обмоток, наличие регулировочного устройства, грозоупорность изоляции трансформатора, номинальную мощность и класс напряжения обмотки ВН.

А	О	Р	С	Т	Н	Г	? /?
	Т		М		АН	З
			Д			У
			Ц			Ж (Э)
			ДЦ			С

Буквы в обозначении трансформатора означают:

А – автотрансформатор (трансформатор обозначения не имеет);

О или Т – число фаз: однофазный или трехфазный;

Р – наличие расщепленной обмотки НН;

С, М, Д, Ц, ДЦ – вид системы охлаждения;

Т – трехобмоточный (двухобмоточный обозначения не имеет);

Н – наличие устройства РПН (устройство ПБВ не обозначается);

АН – с автоматическим РПН;

Г – грозоупорный (в обозначении новых трансформаторов буква Г опускается, поскольку все они исполняются грозоупорными);

З – защищённое исполнение;

У – усовершенствованный;

Ж (Э) – для электрификации железных дорог;

С – для собственных нужд электростанций.

После буквенного обозначения в числителе дроби указывается номинальная мощность трансформатора, в кВ^.А, в знаменателе – класс напряжения обмоток, в кВ. В автотрансформаторах добавляют в виде дроби класс напряжения обмотки СН. Иногда указывают год начала выпуска трансформаторов данной конструкции.

Широкое развитие в промышленности электротермии требует выпуска трансформаторов для электрических промышленных печей. Буквенное обозначение электропечного трансформатора в основном соответствует обозначениям трансформаторов общего назначения с некоторыми дополнениями: в начале буквенного обозначения добавляется буква Э (электропечной), а в конце – группа по назначению.

Следует учесть, что перечень буквенного обозначения типов трансформаторов далеко не полон, особенно это касается специальных трансформаторов и трансформаторов малой мощности, номенклатура которых весьма широка. При затруднениях в расшифровке буквенного обозначения следует обратиться к стандартам или техническим условиям на конкретные виды трансформаторов.

Силовые трансформаторы

Рисунок 6.1 – Устройство трансформатора с масляным охлаждением

Рисунок 6.2 – Условные обозначения трансформаторов и автотрансформаторов

на схемах: а – двухобмоточный нерегулируемый; б – двухобмоточный регулируемый;

низшего напряжения

Номинальные параметры трансформаторов

Свойства трансформатора определяются его номинальными параметрами, обеспечивающих его работу в условиях, установленных нормативными документами. К основным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность, напряжение, ток; напряжение короткого замыкания; ток холостого хода и короткого замыкания.

Для масляных силовых трансформаторов общего назначения номинальные условия места установки и охлаждающей среды задаются ГОСТ 11677-85.

[Нормальные условия работы характеризуют следующими данными: высота установки над уровнем моря - не более 1000 м, кроме трансформаторов класса напряжения 750-1150 кВ, для которых высота установки над уровнем моря - не более 500 м; климатическое исполнение - У. При этом среднесуточная температура воздуха не более 30 °С и среднегодовая температура воздуха не более 20 °С; температура охлаждающей воды - не более 25 °С у входа в охладитель.]

1. Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

12 3 4 Следующая ⇒