Принцип работы и устройство трансформатора

В трансформаторе передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную осуществляется, как и во всех электрических машинах, посредством магнитного потока Ф, который является переменным, т.е. изменяющимся во времени. Электромагнитная система однофазного двухобмоточного трансформатора представлена на рисунке 1.

Рис.1 Электромагнитная система однофазного двухобмоточного трансформатора.

1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3, 4, 5 – магнитопровод; 4 – стержень магнитопровода; 3, 5 – ярма магнитопровода

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, в соответствии с которым значение электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в контуре, пропорционально скорости изменения потока Ф, пронизывающего этот контур. Если в контуре имеется несколько последовательно соединенных витков w, то наведенная в катушке ЭДС будет в w раз больше. Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора, электромагнитная система которого представлена на рис. 3.1. Трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода 3 и двух обмоток с числом витков w₁ и w₂. Обмотки трансформатора служат для создания магнитного поля, посредством которого осуществляется передача электрической энергии и обеспечивается наведение в обмотках ЭДС, требуемой по условиям эксплуатации. Обмотки выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов круглого или прямоугольного сечения. Обмотку w₁ трансформатора, к которой подводится электрическая энергия (напряжение u₁), называют первичной, а обмотку w₂, от которой энергия отводится (напряжение u₂), — вторичной.

Магнитопровод трансформатора служит для усиления магнитной связи между обмотками и является конструктивным основанием (остовом) для установки и крепления обмоток, отводов и других деталей трансформатора (см. рисунок 2).

Рис. 2 Остов трансформатора с пресующими шпильками

1 – нижние ярмовые балки; 2 – стержень магнитопровода; 3 – связующие шпильки с бумажно-бакелитовыми трубками на крайних стержнях; 4 – верхние ярмовые балки; 5 – подъёмные планки; 6 - полубандажи; 7 – винты для подпрессовки обмоток; 8, 9 – стягивающие шпильки между стержнями; 10 – стеклобандажи; 11 – нижнее ярмо; 12 – фасонные полки для опоры обмоток; 13 – стальные опорные пластины

Магнитопровод набирают из изолированных листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 5 %. Толщину листов выбирают из условий получения приемлемого уровня потерь от индуктированных в них вихревых токов при заданной частоте питающего трансформатор источника переменного тока и технологических условий при производстве магнитопровода. При частоте 50 Гц в современных силовых трансформаторах толщина листов равна 0,27—0,35 мм. Часть магнитопровода, на которой располагается обмотка, называют стержнем, а часть магнитопровода, замыкающая стержни, на которых не располагаются обмотки, называется ярмом. Если первичную обмотку трансформатора при разомкнутой вторичной включить в сеть переменного тока с напряжением u₁, то по ней потечет ток i₁ = i₀, называемый током холостого хода. Обусловленная током i₀ магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки i₀w₁ создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток Ф, который почти полностью, за исключением некоторого рассеяния, сцеплен со всеми витками первичной и вторичной обмоток. Магнитный поток Ф в соответствии с законом электромагнитной индукции наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e₁, значение которой пропорционально числу витков w₁, а во вторичной обмотке — ЭДС e₂, пропорциональную числу витков w₂.

Отношение индуктированных в первичной и вторичной обмотках ЭДС, равное отношению чисел витков этих обмоток, называют коэффициентом трансформации K = e_l/e₂ = w_l/w₂.

Таким образом, подбирая число витков обмоток, можно при заданном напряжении u_l, которое примерно равно ЭДС e_l, получить требуемое выходное напряжение трансформатора u₂ = e₂.

Если u_l > u₂ (w_l > w₂), т.е. K > 1, трансформатор называют понижающим, а при u_l < u₂ (w_l < w₂) — повышающим.

При подключении вторичной обмотки к сопротивлению нагрузки Z_н по ней потечет переменный ток i₂. При этом в первичной обмотке возникнет ток i₁, который поддерживает магнитный поток постоянным. Вследствие этого обеспечивается равновесие между ЭДС e_l, наведенной в первичной обмотке, и напряжением в сети u_l.

Таким образом, при нагрузке трансформатора магнитный поток создается совместным действием магнитодвижущих сил первичной и вторичной обмоток.

При замкнутом магнитопроводе, собранном из пластин электротехнической стали, обладающей небольшим магнитным сопротивлением, МДС первичной обмотки i₀w₁ (при разомкнутой вторичной обмотке) составляет 0,2—3,0 % МДС обмоток при номинальной нагрузке, поэтому можно принять, что i₁w₁ = i₂w₂. Следовательно, токи, протекающие в первичной и вторичной обмотках, обратно пропорциональны отношению чисел их витков i₁/i₂ = w₂/w₁.

Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток.

В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами А и X, а обмотки низшего напряжения (НН) — строчными латинскими буквами а и х. При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно А_m и Х_m.

В трёхфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z и т.д.

В трёхфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z. При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвода (ответвления) его обозначают 0, добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н» (У_н).

Схемы соединения трёхфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе — НН, например для трансформатора с обмоткой ВН, соединённой по схеме треугольник, а НН — в звезду с выведенной нейтралью обозначение имеет вид Д/У_н.

При обслуживании трансформаторов кроме схем соединения необходимо знать взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН. Если две обмотки 1 и 2 размещены на одном и том же стержне и пронизываются одним и тем же потоком Ф, то при одинаковом направлении намотки и обозначении выводов (концов) (см. рисунок 3, а) наведённые ЭДС одинаково направлены (от концов к началам) и, следовательно, совпадают по фазе.

Рис.3 Группа соединения однофазных трансформаторов

А – 0; б, в – 6.

Для характеристики сдвига фаз линейных ЭДС обмоток ВН и НН введено понятие группы соединения обмоток трансформатора.

Группа соединения обозначается целым числом, которое получено от деления на 30° угла сдвига между линейными ЭДС на одноименных выводах обмоток ВН и НН трансформатора, причем отсчёт угла производится от вектора ЭДС обмотки ВН по направлению движения часовой стрелки.

На рисунке 3а сдвиг между ЭДС Е₁ и Е₂ обмоток АХ и ах равен нулю, поэтому группа соединений обмоток обозначается как I/I-0, где «I» говорит об однофазном варианте трансформатора, при этом ЭДС высшего напряжения Е₁ ассоциируется с минутной стрелкой часов и условно направляется на циферблате часов на цифру 12. Часовая стрелка часов представляет собой ЭДС низшего напряжения Е₂ и обозначает группу соединения. Фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит как от обозначения выводов, так и от направления намотки. При размещении обмоток на одном стержне этот сдвиг может быть равным либо 0, либо 180°.

На рисунке 3 б, в при изменении обозначений концов обмотки НН (см. рисунок 3 б) или изменении направления намотки обмотки НН (см. рисунок 3в) ЭДС Е₂ поворачивается на угол 180°, что даёт группу соединений I/I-6.

В трёхфазных трансформаторах схемы соединения У, Д, Z могут образовывать 12 различных групп со сдвигом фаз линейных ЭДС через 30

Рис.4 Группы соединений трёхфазных трансформаторов

0(а) и 11(б)

На рисунке 4 для примера приведены схема соединения обмоток У/У и соответствующая векторная диаграмма для нулевой группы, которая обозначается У/У-0 (см. рисунок 4 а), а также векторная диаграмма для одиннадцатой группы при соединении обмоток У/Д (обозначение У/Д-11) (см. рисунок 4 б).

Из всех возможных групп соединения трёхфазных двухобмоточных трансформаторов стандартизировано только две группы: 0 и 11 — с выводом в случае необходимости нулевой точки «звезды» или «зигзага», а для однофазных трансформаторов — только с соединением I/I-0.

Для трансформации трёхфазного тока и напряжения применяют или три однофазных трансформатора (см.риунок 5 а), или один трёхфазный трансформатор (см.рисунок 5б), в котором общий для трёх фаз магнитопровод может быть образован из трёх однофазных.

В самом деле, если три однофазных трансформатора расположить, как показано на рисунке 6 а, то стержни магнитопроводов, на которых не размещены обмотки, можно конструктивно объединить в один. Учитывая, что в трёхфазной системе сумма фазных токов I_A + I_B + I_C = 0, а следовательно, и сумма потоков равна нулю, то надобность в объединённом стержне вообще отпадает. Полученный таким образом магнитопровод (см.рисунок 6 б) является пространственным трёхфазным. В реальных конструкциях используют магнитопровод, называемый плоским стержневым трехфазным; он образуется, если у пространственного магнитопровода убрать ярма фазы В и все три стержня расположить в одной плоскости (см.рисунок 6 в)

Рис.5 Трансформация трёхфазных токов

а– группа однофазных трансформаторов; б – трёхфазных трансформаторов

Рис. 6 Образование пространственного (а,б) и плоского( в) трёхфазного магнитопровода из трёх однофазных.

Трёхфазные трансформаторы с плоскими стержневыми магнитопроводами получили наибольшее распространение, а свойственная им магнитная несимметрия фаз существенного значения при эксплуатации не имеет.

а б

Рис. 7 Пространственно ленточный магнитопровод

а – магнитопровод в сборе; б – секция магнитопровода

На рисунке 7 представлена конструкция пространственного ленточного магнитопровода, состоящего из трех овальных секций, имеющих фасонную форму сечения и навитых из ленты холоднокатаной стали переменной ширины при безотходном раскрое стали и высоком коэффициенте заполнения сечения стержня активной сталью. Обмотки наматываются после сборки системы непосредственно на стержни на специальном стенде.

Автотрансформаторы

Для передачи электрической энергии с незначительным изменением напряжения и тока применяются автотрансформаторы, у которых, в отличие от обычного трансформатора, обмотки имеют не только магнитные, но и электрические связи. Автотрансформатор, как и трансформатор, может быть понижающим или повышающим (см.рисунок 8).

Рис. 8 0днофазный понижающий (а) и повышающий (б) автотрансформаторы

Электромагнитная (расчётная) мощность автотрансформатора меньше расчётной мощности двухобмоточного трансформатора вследствие того, что часть мощности передаётся во вторичную сеть за счёт непосредственной электрической связи обмоток. За счёт уменьшения массы металла обмоток и стали магнитопровода КПД автотрансформатора выше по сравнению с трансформатором такой же номинальной мощности. К числу недостатков автотрансформаторов, ограничивающих их применение, относится усложнение их релейной защиты и регулирования напряжения, а также повышенная опасность атмосферных перенапряжений из-за электрической связи обмоток. Автотрансформатор имеет, кроме того, повышенные токи короткого замыкания. Автотрансформаторы используются для соединения электрических сетей высокого напряжения, пуска двигателей переменного тока большой мощности и т.д.

Конструкция трансформатора

Трансформатор кроме активной части — магнитопровода и обмоток — включает и конструктивную часть (см. рисунок 9).

Рис. 9 Трёхфазный трансформатор

1 – магнитопровод; 2 – обмотка низкого напряжения НН; 3 - обмотка высокого напряжения ВН; 4 – ввод ВН; 5 – ввод НН; 6 – бак; 7 – радиаторы; 8 – расширитель; 9 – переключатель обмотки ВН

В мощных силовых трансформаторах в качестве обмоток низшего напряжения в основном применяют винтовые обмотки (см.рисунок 10). Они могут иметь от 4 до 20 (и более) параллельных проводов.

Рис. 10 Винтовая обмотка Рис. 11 Непрерывная обмотка.

а - общий вид ; б, в - расположение концов непрерывной обмотки

при чётном числе катушек

В качестве обмоток высшего и низшего напряжения широко используются непрерывные катушечные обмотки ввиду их большой механической прочности и надежности (см. рисунок 11).

В тех случаях, когда затруднительно выполнить обмотку непрерывной (по условиям сборки или изоляции обмоток), применяется дисковая обмотка, собираемая из комплекта отдельно намотанных двойных катушек. Обмотку выполняют дисковой, если ее катушки имеют дополнительную изоляцию для всех витков катушки

В трансформаторах классов напряжения 150 кВ и выше применяют переплетенные обмотки. Схема соединения витков переплетенной обмотки представлена на рисунке 12. В процессе намотки обеспечивается переплетение витков соседних катушек, что приводит к равномерному ёмкостному распределению напряжения.

б)

Рис. 12. Расположение витков в паре соседних катушек переплетённой обмотки (а) в витках (б)

Соединение различных частей обмоток между собой, с вводами и переключателями называют отводами трансформатора. При работе трансформатора, а также при испытаниях отдельные части (обмотки, отводы и др.) находятся под высоким напряжением относительно магнитопровода, бака, крышки и других заземленных частей. При этом должна быть обеспечена электрическая прочность всей конструкции трансформатора. Изоляционные детали выполняют из различных твердых электроизолирующих материалов - электроизоляционного картона, бумаги, дерева и т.п. Кроме того, для изоляции большинства силовых трансформаторов используются жидкие электроизоляционные материалы, главным образом трансформаторное (минеральное) масло. При эксплуатации трансформаторов возникает необходимость изменения их коэффициента трансформации — регулирования напряжения, которое обеспечивается либо при отключенном от сети трансформаторе, осуществляемом переключателями без возбуждения (ПБВ) для подсоединения к различным отпайкам обмотки, либо регулированием под нагрузкой (РПН), которое осуществляется при помощи специальной аппаратуры, состоящей из переключателя (избирателя отпаек), контактора, приводного механизма и других элементов (для отсоединения и присоединения выбранной отпайки при номинальном токе обмотки). Устройство для регулирования напряжения представляет собой самостоятельный конструктивный узел, устанавливаемый на трансформаторе. Для присоединения обмоток к сети служат вводы, состоящие из токоведущей части, фарфоровой оболочки и опорного фланца. Вводы устанавливаются на крышке или стенке бака. При этом нижняя их часть находится внутри бака трансформатора в масле, а верхняя — вне бака в воздухе. Активная часть с отводами и переключающим устройством помещается в бак, служащий резервуаром для трансформаторного масла. Крышку бака используют для установки вводов, крепления расширителя, термометров, переключающего устройства (ПБВ) и других конструктивных деталей. Расширитель служит для компенсации колебаний уровня масла при всех возможных в эксплуатации колебаниях температуры и предохраняет масло в баке от непосредственного соприкосновения с окружающим воздухом. На стенке бака укрепляют охладительные устройства трансформатора — радиаторы или охладители, контакторы устройства регулирования напряжения под нагрузкой и т.п. В некоторых конструкциях радиаторы устанавливают на отдельном фундаменте рядом с трансформатором.

Изоляция в трансформаторах

Изоляция в трансформаторах определяет срок его службы. Она обеспечивается правильным выбором соответствующих изоляционных промежутков, которые могут выполнять в трансформаторе роль охлаждающих каналов. Изоляция в трансформаторах должна без повреждений выдерживать электрические, тепловые, механические и другие воздействия, которым она подвергается в процессе эксплуатации. Трансформатор постоянно находится в процессе эксплуатации во включенном состоянии, и на его изоляцию длительно воздействует электрическое поле, соответствующее номинальному рабочему напряжению. Это воздействие изоляция должна выдерживать неограниченно длительное время. При работе трансформатора в энергосистеме возможны кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие вследствие нормальных коммутационных процессов в сети (включение и отключение больших мощностей) или процессов аварийного характера, а также импульсные волны перенапряжения, возникающие из-за грозовых атмосферных разрядов. Обмотки трансформатора и все его токоведущие части при работе нагреваются. Воздействие высоких температур приводит к старению изоляции, вследствие чего она теряет эластичность, становится хрупкой, снижается ее электрическая прочность. В правильно спроектированном трансформаторе и при правильной эксплуатации изоляция может служить 20—25 лет и более. Теплостойкость изоляции, позволяющая обеспечить безаварийную работу трансформатора, достигается применением изоляционных материалов соответствующего класса, а также конструкцией обмоток и деталей изоляции, обеспечивающей их нормальное охлаждение. В результате контакта изоляции со средой, охлаждающей обмотку (трансформаторным маслом или другим заполнителем), возможны неблагоприятные воздействия на нее, особенно при наличии в изоляции посторонних примесей, в частности влаги. Поэтому одной из важнейших технологических операций обработки изоляции является вакуумная сушка трансформатора после окончания сборки перед заливкой трансформатора маслом, а также защита от увлажнения при эксплуатации.

Электрическая прочность изоляции — один из основных показателей, определяющих пригодность трансформатора к эксплуатации. Требование электрической прочности состоит в том, что трансформатор должен выдерживать неограниченно длительное воздействие напряжения промышленной частоты и импульсные перенапряжения, которые могут превышать рабочее напряжение в несколько раз.

Проверка электрической прочности изоляции осуществляется в процессе испытаний, включающих, в частности, испытания напряжением промышленной частоты, а также импульсные испытания, имеющие целью проверку прочности в условиях эксплуатации при перенапряжениях, вызываемых атмосферными перенапряжениями. (Нормы и методы испытаний, формы и амплитуды испытательных напряжений устанавливаются соответствующими стандартами.) Трансформаторы классов напряжения 150 кВ и выше проходят испытания при длительных (0,5—1 ч) приложениях напряжения промышленной частоты (1,3—1,5 номинального напряжения) при одновременном измерении уровня частичных разрядов в изоляции. Эти испытания имеют целью выявить частичные повреждения в изоляции, которые могут возникнуть в процессе испытаний, а также дефекты изоляции, которые не выявлены при испытании напряжением промышленной частоты. Уровень перенапряжения на зажимах обмоток трансформатора определяется степенью электрической защиты, осуществляемой разрядниками (или другими видами защиты, нпример ОПН), а также тем, заземлена или изолирована нейтраль электрической сети, в которой работает трансформатор

Рис. 13 Воздействие на трансформатор волны перенапряжения

На рисунке 13 приведена схема защиты трансформатора при воздействии перенапряжения атмосферного характера. Для снижения перенапряжения трансформатор защищают разрядниками Р, которые пробиваются при напряжении U_m0. Таким образом, если до разрядника волна имеет большую амплитуду, то после разрядника напряжение, достигающее обмотки трансформатора Т_р, оказывается сниженным до U_m. Перенапряжения распространяются вдоль линии электропередачи со скоростью, близкой к скорости света. Воздействие волны перенапряжения может быть представлено как колебательный процесс весьма высокой частоты. В этом случае можно считать, что токи не протекают по виткам катушки вследствие их большого индуктивного сопротивления. Ток протекает только по емкостным сопротивлениям, обусловленным емкостными связями между элементами обмоток (продольные емкости C'_d) и между элементами обмоток и заземленными частями (поперечные емкости C'_q) (см. рисунок 14). Следовательно, в первый момент для набегающей волны трансформатор является некоторой емкостью, называемой входной.

Рис. 14 Ёмкостная цепь обмотки

При переходе волны напряжения из цепи с меньшим волновым сопротивлением (линия) в цепь с большим сопротивлением (трансформатор) напряжение на зажимах трансформатора увеличивается и в пределе повышается до двукратного значения 2U_m ее амплитуды. При заземленном конце Х обмотки (U_x = 0) начальное распределение напряжения (при t = 0) весьма неравномерно. Конечное распределение напряжения (при t = ∞) в этом случае будет линейным.

Рис. 15 Распределение напряжения вдоль обмотки с заземлённым концом в переходном режиме.

Процесс проникновения волны в обмотку представляет собой переходный процесс от начального распределения к конечному (при t = ∞) и носит колебательный характер. Колебания постепенно затухают вследствие потерь в активных сопротивлениях. На рисунке 15 показаны огибающие максимальных напряжений, возникающих в процессе колебаний в различных элементах по длине обмотки. Вследствие колебательного процесса потенциалы отдельных точек обмотки могут оказаться больше амплитуды волны; перенапряжения вдоль обмотки (между соседними катушками и витками) могут значительно превышать рабочее напряжение. Для защиты трансформатора от перенапряжений необходимо не допускать воздействий на него напряжений с амплитудой, превышающей значение, установленное для данного класса напряжения обмотки. Это условие обеспечивается правильным выбором трассы линий электропередач, исключающей районы, особо подверженные грозам, а также защитой трансформаторных подстанций заземленными тросами и разрядниками. Одним из мероприятий для выравнивания начального распределения напряжения и сближения его с конечным является применение емкостных колец — электростатических экранов в виде разомкнутых шайбообразных колец. В современных трансформаторах для защиты обмоток от импульсных перенапряжений используют в сочетании с емкостными кольцами переплетенные катушечные обмотки. Переплетением проводов соседних витков и катушек достигается увеличение продольной емкости C_d, что приводит к равномерному начальному распределению напряжения

Для напряжения 110 кВ и выше может быть использована многослойная цилиндрическая экранированная обмотка, схематически показанная на рисунке 16.

Рис. 16 Схема соединения многослойной экранированной обмотки

Для выравнивания начального распределения напряжения вдоль обмотки применяют электростатические экраны, которые размещают у начального A и нейтрального X концов обмотки (см. рисунок 16) (благодаря большой поверхности слоев и близкому их расположению емкости между слоями больше, чем емкость на землю). Начальное распределение напряжения в этом случае получается близким к конечному. Главная изоляция силовых масляных трансформаторов (изоляция между обмотками разных напряжений и между обмотками и заземленными частями) имеет следующее исполнение:

1) маслобумажная барьерная изоляция, образующаяся при пропитке трансформаторным маслом бумажной изоляции обмоток и электроизоляционного картона и заполнении маслом изоляционных промежутков между элементами обмоток, остовом и баком;

2) бумажно-масляная, состоящая из бумаги, пропитанной маслом, которая является одним из перспективных видов изоляции, так как дает возможность значительно сократить изоляционные расстояния, что позволяет в итоге уменьшить массу и габариты активной части и трансформатора в целом (однако процесс изготовления обмоток с бумажно-масляной изоляцией значительно сложнее).