Устройство трансформаторов

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

Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по которой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он предназначен для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. Магнитопровод имеет шихтованную конструкцию, т. е. он состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода обусловлена стремлением ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а, следовательно, уменьшить величину потерь энергии в трансформаторе.

Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и бронестержневого.

Рис. 1.3. Форма сечения стержней:

а – трансформаторов малой и средней мощности; б – трансформаторов большой мощности

В магнитопроводе стержневого типа (рис. 1.2, а) вертикальные стержни 1, на которых расположены обмотки 2, сверху и снизу замкнуты ярмами 3. На каждом стержне расположены обмотки соответствующей фазы и проходит магнитный поток этой фазы: в крайних стержнях - потоки Ф_А и Ф_С, а в среднем стержне - поток Ф_В. На рис. 1.2, б показан внешний вид магнитопровода. При этом стержни имеют ступенчатое сечение, вписываемое в круг диаметром d (рис. 1.3). Стержни трансформаторов большой мощности имеют много ступеней, что обеспечивает лучшее заполнение сталью площади внутри обмотки. Для лучшей теплоотдачи иногда между отдельными пакетами стержня оставляют воздушные зазоры шириной 5-6 мм, служащие вентиляционными каналами.

Рис. 1.4. Однофазный трансформатор броневого типа: а - устройство; б- внешний вид

Магнитопровод броневого типа представляет собой разветвленную конструкцию со стержнем и ярмами, частично прикрывающими («бронирующими») обмотки (рис. 1.4). Магнитный поток в стержне магнитопровода броневого типа в два раза больше, чем в ярмах, каждое из которых имеет сечение, вдвое меньшее сечения стержня. Из-за технологической сложности изготовления магнитопроводы броневого типа не получили широкого распространения, их применяют лишь в силовых трансформаторах весьма малой мощности (радиотрансформаторы).

Рис. 1.5. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного

В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию магнитопровода (рис. 1.5), которая хотя и требует несколько повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет уменьшить высоту магнитопровода (Н_BC < Н_C), а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет большое значение при транспортировке трансформаторов.

По способу сочленения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции стержневого магнитопровода (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Стыковая (а) и шихтованная (б) конструкции магнитопроводов

При стыковой конструкции (рис. 1.6, а) стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и нижнее ярма, заранее проложив изолирующие прокладки между стыкующими элементами, с целью ослабления вихревых токов, возникающих при взаимном перекрытии листов стержней и ярм. После установки двух ярм всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция хотя и облегчает сборку магнитопровода, но не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.

Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов показана на рис. 1.6, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет. Обычно слой содержит 2–3 листа. В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки листов лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90° появляются «зоны несовпадения» направления прокатки с направлением магнитного потока, На этих участках наблюдаются увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями. В этом случае вместо прямого стыка (рис. 1.7, а) получают косой стык (рис. 1.7, б), у которого «зона несовпадения» гораздо меньше.

Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции является некоторая сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни приходится расшлихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать.

Стержни магнитопроводов во избежание распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками.

Во избежание возникновения разности потенциалов между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами.

Магнитопроводы трансформаторов малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

Обмотки. Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность.

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а снаружи – обмотку ВН (рис. 1.10, а).

Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций (дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке (рис. 1.10, б). Чередующиеся обмотки применяют весьма редко, лишь в некоторых трансформаторах специального назначения.

Концентрические обмотки в конструктивном отношении разделяют на:

1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рис. 1.11, а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А.

2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 1.11, б). Для того чтобы все параллельные проводники одинаково нагружались током, выполняют транспозицию (перекладку) этих проводников. При транспозиции стремятся, чтобы в пределах одного витка каждый проводник занимал все положения. Транспозиция может быть групповой (рис. 1.12, а), когда параллельные провода делятся на две группы и перестановка осуществляется группами, и общей, когда меняется взаимное расположение всех параллельных проводов (рис. 1.12, б).

Рис. 1.12. Транспозиция в винтовых обмотках

3. Непрерывные обмотки (рис. 1.11, в) состоят из отдельных дисковых обмоток (секций), намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки, т.е. выполненных «непрерывно». Если обмотка выполняется несколькими параллельными проводами, то в ней применяют транспозицию проводов.

Непрерывные обмотки, несмотря на некоторую сложность изготовления, получили наибольшее применение в силовых трансформаторах как в качестве обмоток ВН, так и в качестве обмоток НН. Это объясняется их большой механической прочностью и надежностью.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 1.13). Трансформаторное масло, омывая обмотки ВН, НН и магнитопровод, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака и трубы радиатора 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, 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.

а)

б)

Рис. 1.13: Устройство трансформатора с масляным охлаждением

1 - ввод ВН 110 кВ; 2 - ввод НН 10 кВ; 3 - крюк для подъема трансформатора; 4 - бак; 5 - радиатор; 6 - фильтр термосифонный; 7 - скоба для подъема домкратом; 6 - вертикальный кран для слива масла; 9 - вентилятор; 10 - каток; 11- полубандажи стяжки ярма; 12 - вертикальная стяжная шпилька остова; 13 - ярмовая балка; 14 - устройство переключения ответвлений обмотки ВН; 15 - бандажи стяжки стержня; 16 - пластина с проушиной для подъема активной части; 17 - расширитель; 18 - маслоуказатель; 19 - предохранительная труба

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. 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.

Изоляция обмоток трансформатора. Витки обмоток трансформатора должны быть надежно электрически изолированы друг от друга, от витков других обмоток и от корпуса трансформатора. В масляных трансформаторах, применяемых при напряжениях более 10 кВ, для этих целей используется так называемая маслобумажная барьерная изоляция, образующаяся при пропитке трансформаторным маслом кабельной бумаги или электроизоляционного картона и заполнении этим маслом изоляционных промежутков между витками обмоток и корпусом. Трансформаторное масло, заполняющее бак, в котором установлены активные части трансформатора, одновременно используется для их охлаждения. Витковой изоляцией служит пропитанная маслом изоляция проводов марок ПЭЛБО, ПБ (круглые сечения проводов) и ПББО (прямоугольные сечения). Конструкция главной изоляции, предназначенной для изоляции обмоток друг от друга, от бака и от остова, представлена на рис 1.14.

Рис. 1.14. Обмотки трансформатора по рис. 1.13: 1 - стальное прессующее кольцо; 2 - обмотка тонкого регулирования; 3 - обмотка грубого регулирования; 4 - обмотка ВН; 5 - обмотка НН; 6 - угловая изоляционная шайба; 7- между катушечные прокладки; 8 - изоляционные цилиндры; 9 - опорные кольца из электроизоляционного картона; 10 - ярмовая изоляция из электроизоляционного картона; 11 - уравнительная изоляция; 12 - деревянная планка; 13 - деревянный стержень; 14, 15 - рейка из электроизоляционного картона.

Отводы и вводы. Электрическое соединение обмоток ВН и НН с электрическими сетями осуществляется (см. рис. 1.13) при помощи отводов (изолированных проводников, укрепленных внутри бака трансформатора) и вводов (проходных фарфоровых изоляторов, сквозь которые проходит токоведущий стержень). Токоведущий стержень ввода должен быть надежно изолирован от заземленной крышки бака, как со стороны масла, так и со стороны воздуха (рис. 1.15). С увеличением напряжения размеры вводов увеличиваются, а их конструкция усложняется. Вводы на напряжение 110 кВ и выше делаются маслонаполненными.

Арматура бака трансформатора. Бак трансформатора недопустимо полностью заполнять маслом и закрывать герметически, так как в этом случае он был бы неизбежно разрушен давлением, возникающим в баке при увеличении объема масла при колебаниях температуры. Поэтому приходится заполнять бак маслом не полностью и сообщать воздушное пространство над маслом с окружающим воздухом. От соприкосновения с окружающим воздухом масло в трансформаторе окисляется и увлажняется, постепенно, теряя свои электроизоляционные свойства. Для уменьшения площади контакта масла с воздухом и стабилизации его изоляционных свойств баки масляных трансформаторов снабжаются расширителем - цилиндрическим сосудом из листовой стали, сообщающимся с баком (см. рис. 1.13, 1.16). Трансформатор, имеющий расширитель, значительно реже нуждается в сушке, очистке, регенерации масла или замене его новым. Необходимыми принадлежностями расширителя являются указатель уровня масла и отстойник для грязи и влаги. Воздушный объем в верхней части расширителя сообщается с атмосферой при помощи трубки для свободного обмена воздуха, выведенной под расширитель (это исключает попадание в расширитель капель влаги). Для увеличения поверхности, через которую происходит теплообмен между нагретым маслом и окружающей средой, на баке трансформатора устанавливаются охладители (в виде навесных радиаторов 5 на рис. 1.13). Охладители присоединяются к баку через патрубки с кранами, позволяющими производить замену и отсоединение охладителя при заполненном баке трансформатора. Для контроля температуры масла в верхней части бака используются ртутные, а в более мощных трансформаторах манометрические термометры или дистанционные электротермометры сопротивления. Измерительное устройство последних устанавливается на щите управления. На патрубке между крышкой бака и расширителем устанавливается газовое реле, которое служит для обнаружения повреждений.

Рис. 1.15 Разборные вводы 3—35 кВ: а - для токов более 5000 А; б - для токов до 3200 А; в - для токов до 630 А; г - крепление на баке трансформатора; 1 - пластина контактная; 2 - пробка для выпуска воздуха; 3 - токоведущая шпилька; 4 - фарфоровый изолятор; 5 - изоляционное полукольцо; 6 - контактная лопатка; 7 - изоляционная трубка; 8 - гайка; 9 - шайба; 10 - гайка; 11 - фланец; 12 - сухарь; 13 - шпилька; 14 - уплотняющая прокладка.

Рис. 1.16. Арматура бака трансформатора: 1 - указатель уровня масла; 2 - пробка для заливки масла; 3 - трубка для свободного обмена воздуха; 4 - грязеотстойник; 5 - кран для отсоединения расширителя; 6 - газовое реле; 7 - выхлопная труба

При повреждениях, приводящих к незначительному местному нагреванию (ухудшение контакта в соединениях, нарушение изоляции между листами сердечника), происходит разложение твердой изоляции и масла, сопровождающееся выделением пузырьков газа. Поднимаясь вверх, пузырьки газа скапливаются в газовом реле, вытесняя из него масло. Это приводит к опрокидыванию поплавка, замыкающего сигнальный контакт. При значительных повреждениях, сопровождающихся взрывообразным выделением газов (короткое замыкание одного или нескольких витков и т.п.), масло толчкообразно перемещается из бака в расширитель. Струя масла опрокидывает другой поплавок реле, который, замыкая соответствующие контакты, отключает трансформатор от сети. Еще одно устройство, называемое выхлопной трубой (см. рис. 1.13 и 1.16), предохраняет бак трансформатора от механических деформаций при взрывообразных выделениях газа. Выход из выхлопной трубы герметически закрыт мембраной, рассчитанной таким образом, чтобы при повышении давления она разрушалась раньше, чем деформируется бак.

Свойства трансформатора определяются его номинальными параметрами: 1)номинальное первичное линейное напряжение U_1ном, В или кВ; 2) номинальное вторичное линейное напряжение U_2ном (напряжение на выводах вторичной обмотки при отключенной нагрузке и номинальном первичном напряжении), В или кВ; 3) номинальные линейные токи в первичной I_1ном и вторичной I_2ном обмотках, А; 4) номинальная полная мощность S_ном, кВ·А (для однофазного трансформатора S_ном =U_1ном I_1ном, для трехфазного – ).

Номинальные линейные токи вычисляют по номинальной мощности трансформатора: для трехфазного трансформатора

, (1.3)

где - номинальная мощность трехфазного трансформатора, кВ·А.

Каждый трансформатор рассчитан для включения в сеть переменного тока определенной частоты. В России трансформаторы общего назначения рассчитаны на частоту f = 50 Гц (в некоторых других странах f = 60 Гц), в устройствах автоматики и связи применяют трансформаторы на частоты 50, 400 или 1000 Гц.

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 трансформаторов.

Естественное воздушное охлаждение. 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. Такие трансформаторы получили название «сухих».

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой окружающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677—85 должно быть не больше:

- 60 °С для класса А,

- 75 °С - для класса Е,

- 80 °С - для класса В,

- 100 °С - для класса F,

- 125 °С - для класса Н

Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВ А при напряжении до 15 кВ.

Естественное масляное охлаждение. 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 (см. рис. 1.13). 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. Выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА. При номинальной нагрузке трансформатора в соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать +95°С.

Масляное охлаждение с дутьем. 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%. Обычно масляное охлаждение с дутьем применяют в трансформаторах мощностью свыше 10 000 кВт. При снижении нагрузки трансформатора с дутьевым охлаждением на 50¸60% вентиляторы можно отключить, т. е. перейти на естественное масляное охлаждение.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла. С помощью насоса 1создают принуди­тельную циркуляцию трансформаторного масла через специальные охладители 2 собранные из трубок. Одновременно необходимое число вентиляторов 3 создает направленные потоки воздуха, обдувающие поверхность трубок охладителя.

Масляно-водяное охлаждение. Нагретое в трансформаторе масло посредством маслонасоса 1 прогоняется через охладитель 2,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 2и фильтр 3, где освобождается от нежелательных включений.

Рис. 1.17. Масляное охлаждение трансформатора: М – масляное охлаждение с естественной циркуляцией масла (мощность трансформатора до 6,3MBА); Д - масляная система с дутьем. Циркуляция масла - естественная, но радиаторы обдуваются вентиляторами (мощность трансформатора до 63MBА); ДЦ - масляная система с принудительной циркуляцией масла и дутьевым охлаждением радиаторов (мощность трансформатора до 200MBА).

Рис. 1.18. Масляно-водяное охлаждение трансфор­матора