Основные элементы конструкции трансформаторов

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из стального магнитопровода (сердечника), обмоток, бака, фарфоровых выводов, пере­ключателя напряжения, вспомогательной аппаратуры и арматуры. Общий вид трансформатора, у которого для наглядности вырезана часть бака, приведен на рисунке 103.

Устройство магнитопровода

Стальной магнитопровод, или, как иногда его назы­вают, сердечник, является магнитной цепью трансфор­матора, по которой замыкается переменный магнитный поток трансформатора, пронизывающий его обмотки.

Различают два основных типа магнитопроводов: а) стер­жневые, у которых обмотки охватывают сердечник (рис. 104, а), б) броневые, у которых обмотки частично охватываются сердечником (рис. 104, б)

Сердечник трансформатора набирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных между собой лаком или бумагой для уменьшения потерь от вихревых токов. Толщина слоя изоляции 0,04—0,06 мм.

От обычной стали электротехническая сталь отли­чается высоким содержанием кремния (до 5%). Кремний повышает электрическое сопротивление стали, что при­водит к уменьшению величины вихревых токов и потерь электрической энергии.

В отечественном электромашиностроении применяют в основном следующие марки электротехнической стали: горячекатаная — Э41, Э42, Э43 и холоднокатаная — Э310, Э320 и ЭЗЗО. Расшифровывается обозначение марки стали следующим образом: Э — электротехническая, первая цифра марки стали обозначает степень легирования ее кремнием; вторая цифра — гарантированные электри­ческие и магнитные свойства стали (1 — с нормальными удельными потерями, 2 — с пониженными, 3 — с низ кими); третья цифра (0) означает, что сталь холодноката­ная.

Горячекатаную сталь получают при горячей прокатке, а холоднокатаную при холодной прокатке в чередовании с отжигом. По сравнению с горячекатаной холоднокатаная сталь имеет меньшие удельные потери, большую магнитную проницаемость и меньшую хрупкость. В магнито-проводах из холоднокатаной стали допускают магнитную индукцию до 1,7 тл против 1,4 тл в горячекатаной стали.

Для силовых трансформаторов листы сердечника со­бирают, как правило, впереплет, или «внахлестку» (рис. 105, а, б, в). При этом способе места стыков листов одного ряда перекрываются листами других рядов, что дает возможность свести до малого значения магнитное сопротивление стыков и уменьшить намагничивающий ток трансформатора. При сборке впереплет весь сердечник набирается сразу, а для насадки обмоток на стержни необходимо разобрать, или «расшихтовать», верхнюю часть сердечника, кото­рую называют ярмом. Нижнюю часть сердеч­ника называют ниж­ним ярмом. Среднюю часть сердечника, на ко­торую надевают обмот­ки, называют стерж­нем.

В некоторых случаях применяют смешанную шихтованно - стыковую конструкцию сердечни­ка, при которой нижнее ярмо собирают («ших­туют») со стержнями впереплет, а верхнее присое­диняют к стержням в стык (рис. 105, г).

При стыковой кон­струкции магнитопровода упрощается насадка

обмоток на стержни, но недостатком ее является необхо­димость ставить прокладку из изолирующего материала

между верхним ярмом и стерж­нями. Если такой прокладки не поставить, то вследствие неточ­ного совпадения листов ярма и стержня в сердечнике будут возникать большие вихревые токи, которые приведут к недо­пустимому нагреву стали транс­форматора и увеличению потерь (рис. 105, д).

Нагрев может быть настоль­ко сильным, что стальные листы сплавятся, произойдет «пожар» в стали, и трансформатор выйдет из строя. Изолирующая про­кладка увеличивает магнитное сопротивление магнитопро-вода, что ведет к увеличению намагничивающего тока.

В советских трансформаторах для уменьшения маг­нитных потоков рассеяния принята ступенчатая форма сечения стержней (рис. 106) с числом ступеней от четырех до десяти. Форма сечения ярма у трансформаторов мощ­ностью до 100 ква кре­стообразная (рис. 107, а), а. у трансформаторов мощностью 100—560 ква прямоугольная или Т-образная с выступом наружу (рис. 107, б). Стержни у трансфор­маторов небольшой мощ­ности прессуют деревянными планками, вбиваемыми между цилиндром внутренней обмотки и стержнем магнитопровода.

(рис. 108). Эти планки расклинивают стержни относи­тельно обмоток и спрессовывают их.

Стержни магнитопроводов более мощных трансформа­торов прессуют стальными шпильками (рис. 109), которые изолируют от стали трансформатора, надевая на них втулки из бумажно-бакелитовой трубки. При отсутствии изоляции шпилька замкнет пластины, что приведет к по­явлению вихревых токов и «пожару» ста­ли трансформатора.

Ярмо прессуют ярмовыми балками, которые изготовляют из швеллерной стали.

Сердечник трансформатора заземляют, соединяя его электрически с баком. За­землять магнитопровод необходимо для предотвращения появления на нем элект­рического потенциала, что может вызвать электрические разряды между магнито-проводом и другими частями трансфор­матора.

Для заземления всей активной стали магнитопровода достаточно заземлить две крайние пластины, так как при этом все пластины окажутся заземленными через сравнительно небольшое сопротивление изоляции между листами стали для малых токов высокого потенциала.

Длязаземлениямагнитопровода в транс­форматорах малой и средней мощности вставляют одну ленту 2 между пластинами ярма 1 (рис. 110), а другую между верти­кальной частью ярмовой балки 3 и изоля­ционной прокладкой 4. Затем обе ленты 2 соединяют и заземляют. Магнитопровод заземляют с одной стороны во избежание появления короткозамкнутых контуров, сцепленных с ма­гнитным потоком.

Силовые трехфазные трансформаторы мощностью до 5600 ква напряжением до 35 кв выпускают с однорамными шихтованными магнитопроводами стержневой конструк­ции горячекатаной стали толщиной 0,5 мм с бумажной изоляцией пластин.

Для опоры сердечника трансформатора в нижней части бака сделаны опорные балки, которые в трансформаторах мощностью до 1000 ква изготовляют из дерева, а в осталь­ных из стали. Стальную опорную балку изолируют от ярма прокладкой из электрокартона.

Обмотки трансформатора

В современных силовых трансформаторах применяют следующие основные типы концентрических обмоток

а) цилиндрическую.

б) винтовую,

в) непрерывную.

Обмотки выполняют из медного провода с хлопчатобу­мажной изоляцией, круглого сечением до 10 мм² и пря­моугольного сечением от 6 до 60 мм². В последнее время в трансформаторах типа ТСМА применяют для обмоток алюминиевые провода.

Обмотки пропитывают глифталевым лаком и запекают.

Плотность тока в обмотках трансформаторов с масля­ным охлаждением находится в пределах от 2 до 4,5 а/мм², а в сухих трансформаторах от 1 до 2,5 а/мм².

Простейшей формой концентрической обмотки яв­ляется цилиндрическая, выполняемая в виде катушки из прямоугольной или круглой меди по винтовой линии. Каждый виток слоя укладывают вплотную один к дру­гому. Для обмоток низкого напряжения трансформаторов мощностью до 560 ква выполняют цилиндрическую двух­слойную обмотку с вертикальным каналом между слоями (рис. 111, а). Для обмоток высокого напряжения трансформаторов мощностью до 560 ква напряжением 6, 10 и 35 кв применяют цилиндрическую многослойную обмотку, которую выполняют из круглого провода на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре. Слои обмотки разде­ляются на две части вертикальным масляным каналом (рис. 111, б). Для обмоток высокого напряжения применяют также катушечную однослойную обмотку (рис. 111, в).

Винтовые обмотки применяют для обмоток низкого напряжения трансформаторов средней и большой мощ­ности. Винтовую^- обмотку наматывают на изоляционный цилиндр. Между цилиндром и витками обмотки устанав­ливают рейки, на которых закрепляют электрокартонные прокладки, образующие масляные каналы для охлажде­ния (рис. 112). Каждый виток винтовой обмотки состоит из ряда параллельных проводов прямоугольного сечения. Эти провода, составляющие виток, располагаются в пло­скости, перпендикулярной к оси катушки.

В трансформаторах мощностью 1000 ква и выше для обмоток высокого и низкого напряжения применяют непрерывную обмотку, которая отличается от винтовой тем, что состоит из ряда плоских катушек-дисков, отде­ленных друг от друга каналами.

Бак трансформатора

В современных силовых трансформаторах сердечник с обмоткой, т. е. выемную часть, помещают в бак с транс­форматорным маслом. В трансформатор заливают мине­ральное масло, которое улучшает охлаждение трансфор­матора и изолирует обмотки. Для лучшего охлаждения масла в трансформаторах мощностью 50 ква и более баки изготовляют трубчатые (рис. 103) или ребристые, у кото­рых увеличена поверхность охлаждения.

При работе трансформатора масло, нагреваясь от обмоток, поднимается вверх и, опускаясь по трубам, охлаждается в них или ребрах бака.

У трансформаторов мощностью до 50 ква баки гладкие, овальной формы. Баки изготовляют сварными из листовой стали.

Баки трансформаторов мощностью 3200—5600 ква делают гладкими с трубчатыми радиаторами, изготовлен­ными из стальных сварных труб. В нижней части бака имеется пробка для спуска и отбора пробы масла, там же приварена пластина для болта заземления. Для подъема трансформатора к стенке бака у верхней рамы привари­вают четыре подъемных крюка.

Крышку бака изготовляют из листовой стали и притя­гивают к верхней раме бака болтами. Между баком и крышкой прокладывают прокладку из маслоупорной резины для предотвращения утечки масла из бака. У транс­форматоров мощностью до 75 ква, напряжением до 6 кв выемная часть не связана с крышкой, а у трансформаторов большой мощности она связана с крышкой подъемными шпильками.

Трансформаторы мощностью свыше 75 ква и напряже­нием обмотки высшего напряжения свыше 6 кв снабжаются расширителями (рис. 113).

Расширитель представляет собой бачок цилиндриче­ской формы, изготовленный из листовой стали. Его уста­навливают на крышке трансформатора на кронштейнах и соединяют с баком трубопроводом.

В расширитель выходит из бака избыток масла, рас­ширившегося при нагревании. Расширитель уменьшает поверхность соприкосновения с воздухом масла, находя­щегося в баке, защи­щая масло от увлажне­ния и окисления.

У трансформаторов мощностью 560 ква и бо­лее в трубопроводе рас­ширителя устанавли­вают кран, позволяю­щий при необходимости отсоединить расшири­тель от бака.

У трансформаторов 1000 ква и более в тру­бопроводе расширителя устанавливают газовое реле, которое предна­значено для сигнализа­ции и отключения ма­сляных трансформато­ров при внутренних повреждениях в них,

вызывающих выделение газов, или при понижении уровня масла в трансформаторе ниже предельного. Устройство и схемы включения реле рассматриваются в курсе элект­рических станций.

Для указания уровня масла на расширителе имеется маслоуказатель в виде стеклянной трубки в металлической оправке. Его устанавливают на плоской стенке расшири­теля или на стенке баков у трансформаторов, не имеющих расширителя. Возле маслоуказателя нанесены краской три метки, соответствующие уровням масла при темпера­турах +35, +15 и—35°. Нижнее колено маслоуказателя снабжено запорным болтом 10 (рис. 11З), который при отвертывании его на несколько оборотов перекрывает доступ масла в стеклянную трубку, что необходимо при смене или очистке маслоуказательного стекла.

У расширителей трансформаторов мощностью до 320 ква включительно в нижней части имеется пробка для спуска осадков, а у расширителей трансформаторов мощ­ностью 560 ква и более — грязевик со спускной пробкой.

В пробке расширителя есть отвер­стие для входа и выхода из него воздуха при изменении объема со­держащегося в нем масла.

На крышках баков трансфор­маторов, имеющих расширитель, устанавливают вводы, переключа­тель, термометр и другую армату­ру для заливки, сушки и очистки масла. На крышках баков транс­форматоров, не имеющих расши­рителя, вводы не устанавливают, их в этом случае ставят на стенке бака.

Вводы

Для вывода концов обмоток из трансформатора служат вводы — фарфоровые проходные изоляторы, внутри которых проходит токоведущий медный стержень (рис. 103). Токоведущие стержни изготовляют из круглой меди в виде шпилек. Фарфоровые вводы на напряжение 35 кв заполняют трансформатор­ным маслом, а медный стержень изолируют бумажно-бакелитовой трубкой.

Крепление вводов на крышке или стенке бака выполняют тремя способами^-

а) фарфоровый ввод вмазывают в чугунный фланец магнезиальной массой, а фланец прикрепляют к крышке бака шпильками, этот способ крепления вводов приме­няют чаще всего (рис. 114),

б) фарфоровый ввод прикрепляют к крышке бака при помощи фланца, который устанавливают на кольцевой выступ фарфора и притягивают шпильками к крышке, такие вводы применяют для трансформаторов внутренней установки мощностью 100 ква и более;

в) составной фарфоровый ввод закрепляют на крышке или стенке бака без шпилек и фланцев (рис. 115). Фарфо­ровые части ввода стягивают на крышке, завинчивая гайки на токоведущем стержне. Составные вводы применяют для трансфор­маторов мощностью до 100 ква и для обмоток низшего напряжения трансформаторов мощностью до 560 ква для внутренней установки.

У трехфазного силового транс­форматора вводы на баке располагают так, что если стать лицом к баку со стороны высшего напряжения, то вводы высшего напряжения маркируют

заглавными буквами А, В и С слева направо. Вводы низшего напряжения мар­кируют строчными буквами а, в и с также слева направо, если смотреть со сто­роны высшего напряжения. Ввод нейтрали располагают левее ввода а и маркируют знаком О (рис. 116).

Переключатели

Переключатель предназначен для регулирования коэф­фициента трансформации в пределах ±5% изменением числа витков обмотки высшего напряжения. В советских трансформаторах переключатели делают на стороне выс­шего напряжения, так как на высшем напряжении токи в обмотках трансформатора меньше и в этом случае легче осуществить скользящий контакт.

У трансформаторов мощностью до 560 ква в многослой­ных цилиндрических обмотках применяют схему, при­веденную на рисунке 117, а, в которой переключатель уста­навливают близ нулевой точки. Как видно из схемы, полное число витков соответствует буквам с индексом 1 (Х₁, У₁ и Z₁). Конструкция такого переключателя изоб­ражена на рисунке 117, б и в. Оборотную схему с ответвле­ниями близ нулевой точки приме­няют в непрерывных обмотках трансформаторов мощностью до 1000 ква, напряжением до 10 кв (рис. 118). У трансформаторов мощностью свыше 1000 ква и на­пряжением 35 кв применяют пря­мую схему с регулировочными от­ветвлениями посредине обмотки (рис. 119, а). У этих трансформаторов переключатель состоит из трех элементов, сидящих на одной общей оси один над другим. Схематически устройство такого переключателя изображено на рисунке 119, б. Переключатель в каждой фазе замыкает пару контактов. В первом по­ложении замкнуты контакты А₂А₃, В₂В₃ и С₂С₃ — в этом случае включены все витки обмотки, во втором положе­нии замкнуты контакты A₃A₄, В₃В₄ и C₃C₄ — 5% витков отключается, в третьем положении замкнуты контакты A₄A₅, В₄В₅ и C₄C₅ — еще 5% вит­ков отключено.

При переключении с одной сту­пени на другую поворачивают рукоятку переключателя, распо­ложенную на крышке бака транс­форматора. Для переключения трансформатор необходимо отклю­чить от сети как со стороны высо­кого, так и со стороны низкого напряжения.

Рукоятка привода переключателя закрыта колпаком. Указатель рукоятки может быть установлен против знаков +5%, «Ном.» и —5%. При установке указателя рукоятки против цифры +5% включены все витки об­мотки, против надписи «Ном.» — на 5% меньше, а про­тив цифры —5% — на 10% меньше (рис. 120). У неко­торых типов трансформаторов вместо этих знаков пишут цифры: I соответствует цифре +5%, II соответствует над­писи «Ном.», III соответствует цифре —5%.