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, вводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.
В магнитной системе проходит магнитный поток трансформатора (отсюда название «магнитопровод»). Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком с толщиной слоя 0,01 мм. Изоляция листов существенно снижает потери мощности от вихревых токов в магнитопроводе. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе на перемагничивание.
Магнитопровод и его конструктивные детали составляют остов трансформатора. На остове устанавливают обмотки и крепят проводники, соединяющие обмотки с вводами, составляя активную часть.
Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися. В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 6.6, а). 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, поочередно (рис. 6.6, б).
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 КЗ. Необходимо предусмотреть надежную систему охлаждения обмоток, чтобы не возникал недопустимый перегрев изоляции.
Для проводников обмотки используется медь и алюминий. Как известно, медь имеет малое электрическое сопротивление, легко поддается пайке, механически прочна, что и обеспечивает широкое применение меди для обмоток трансформаторов. Алюминий дешевле, обладает меньшей плотностью но большим удельным сопротивлением.
Рис. 6.6 Обмотки трансформатора:
а-коцентрическая; б-чередующаяся.
В настоящее время трансформаторы с алюминиевой обмоткой изготовляются на мощность до 6300 кВ • А.
В современных трансформаторах для обмотки применяется транспонированный провод, в котором отдельные проводники в параллельном пучке периодически изменяют свое положение. Это выравнивает сопротивление элементарных проводников, увеличивает механическую прочность, уменьшает толщину изоляции и размеры магнитопровода.
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 (маслобарьерная изоляция).
В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изолирующих материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.
Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения 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.
В трансформаторах небольшой мощности бак выполняется с верхним разъемом: при ремонтах необходимо снять крышку трансформатора, а затем поднять активную часть из бака.
Если масса активной части более 25 т, то она устанавливается на донную часть бака, а затем накрывается колоколообразной верхней частью бака и заливается маслом. Такие трансформаторы с нижним разъемом не нуждаются в тяжелых грузоподъемных устройствах для выемки активной части, так как при ремонтах после слива масла поднимается верхняя часть бака, открывая доступ к обмоткам и магнитопроводу.
Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами из электротехнической стали или пластинами из немагнитных, хорошо проводящих материалов (медь, алюминий).
Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Бак трансформатора полностью залит маслом, изменение объема масла при нагреве и охлаждении приводит к колебанию уровня масла в расширителе; при этом воздух вытесняется из расширителя или всасывается в него. Масло очень гигроскопично, и если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикогелевый воздухоосушитель. Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Чтобы избежать это, применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки-мембраны на границе масло—воздух. Осушение воздуха в расширителе осуществляют термовымораживателями.
К баку трансформатора крепится т е р м о с и ф о н н ы й фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит его непрерывная регенерация.
Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относят маслоуказатель и термометры. Маслоуказатель устанавливается на расширителе, термометр — на крышке бака. К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.
На мощных трансформаторах 330—750 кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.
Основные конструктивные узлы трансформаторов показаны на рис. 6.7.
Рис.6.7. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН-16000/110-80У1:
1 — бак; 2 — шкаф автоматического управления дутьем; 3 — термосифонный фильтр; 4 — ввод ВН; 5 — ввод НН; 6 — ввод СН; 7 — установка трансформаторов тока 110 кВ; 8 — установка трансформаторов тока 35 кВ; 9 — ввод 0 ВН; 10 — ввод 0 СН; 11 — расширитель; 12 — маслоуказатель стрелочный; 13 — клапан предохранительный; 14 — привод регулятора напряжения; 15 — вентилятор системы охлаждения; 16 — радиатор; 17 — каретка с катками
Синхронные компенсаторы.
Потребители электрической энергии, кроме активной мощности, потребляют от генераторов системы реактивную мощность, которая затрачивается на создание магнитных полей, необходимых для работы асинхронных двигателей, индукционных печей, трансформаторов и других электроприемников.
На создание реактивной мощности механическая энергия турбины практически не расходуется. Однако передача реактивной мощности от генераторов к потребителям связана с дополнительными потерями (мощности и напряжения) в трансформаторах и линиях. Потери напряжения приводят к снижению качества энергии, получаемой электроприемниками. Поэтому для получения реактивной мощности экономически выгодно устанавливать источники реактивной мощности вблизи потребителей, на подстанциях. Такими источниками являются синхронные и статические компенсаторы.
Синхронный компенсатор (СК) — это синхронная машина, работающая в двигательном режиме без нагрузки на валу при изменяющемся токе возбуждения. В зависимости от тока возбуждения синхронный компенсатор может работать в режимах перевозбуждения и недовозбуждения, и соответственно генерировать или потреблять реактивную мощность. Регулирование тока возбуждения осуществляется специальными схемами АРВ.
В перевозбужденном режиме ЭДС обмотки статора Ек1 больше напряжения сети UK (рис.7.1) ).
Рис.7.1 Векторная диаграмма синхронного компенсатора в перевозбужденном
и недовозбужденном режимах
Под действием разности напряжений ΔU= Ек1 - UK в статоре СК возникает ток Iк1, отстающий от вектора ΔU1 на 90°. Компенсатор в этом режиме отдает реактивную мощность в сеть. В недовозбужденном режиме Ек2< UK, в статоре СК возникает ток Iк2, опережающий вектор ΔU2 на 90°, т.е. СК будет потреблять реактивную мощность из сети. Синхронные компенсаторы не несут активной нагрузки на валу, поэтому их конструкция облегчена. Компенсаторы выполняются тихоходными (750—1000 об/мин) с горизонтальным валом и явнополюсным ротором (Рис. 5.2).
Синхронный компенсатор характеризуется номинальной реактивной мощностью, напряжением, током статора, частотой и номинальным током ротора. Номинальное напряжение синхронного компенсатора на 5 —10 % выше номинального напряжения сети.
СК небольшой мощности включаются в сеть методом прямого асинхронного пуска, когда СК подключают к сети без возбуждения. Разворот компенсатора происходит за счет асинхронного момента. Когда частота вращения приблизится к синхронной, подается возбуждение и компенсатор втягивается в синхронизм.
Мощные СК (10000 кВ-А и выше) включаются в сеть через реактор для ограничения пусковых токов и посадки напряжения на шинах (рис. 7.2).
Параметры реактора выбираются так, чтобы в момент пуска напряжение на шинах подстанции не падало ниже (80 — 85 %) UH0M, а напряжение на СК было (30 — 65 %) UH0M, при этом ток не превышает (2 — 2,8)Iном.
При пуске выключатель Q1 отключен, а Q2 включен. Разворот компенсатора происходит за счет асинхронного момента. Когда частота вращения приблизится к синхронной, подается возбуждение и компенсатор втягивается в синхронизм. Регулируя ток возбуждения, устанавливают минимальный ток статора и включают выключатель Q1, шунтируя реактор и включая СК в сеть.
Рис. 7.2 Схема реакторного пуска синхронного компенсатора
(Синхронные генераторы могут работать в режиме синхронного компенсатора, если закрыть доступ пара (или воды) в турбину. В таком режиме перевозбужденный турбогенератор начинает потреблять небольшую активную мощность из сети для своего вращения и отдает реактивную мощность в сеть.
Перевод гидрогенераторов в режим синхронных компенсаторов производится без остановки агрегатов, достаточно освободить камеру гидротурбины от воды.)