Основні типи, елементи конструкції

Тому що електроенергія при передачі до споживачів проходить багаторазову трансформацію, встановлена потужність трансформаторів в 5 - 7 разів перевищує встановлену потужність генераторів. Незважаючи на високий ккд (до 99.5%) втрати електричної енергії в трансформаторах становлять значну величину, тому треба прагнути до зниження числа трансформацій і кращого використання трансформаторів.

Маса сучасних трансформаторів складає приблизно 0.74 тони на один МВА. За рахунок зменшення питомих втрат в сталі, ретельного збирання магнітопроводу, з'єднання стержнів з ярмом за допомогою косої шихтовки вдалося зменшити втрати холостого ходу і струм намагнічування трансформатора. В сучасних потужних трансформаторах струм намагнічування складає 0.5 – 0.6% І_ном, тоді як раніше він складав 3%; втрати холостого ходу зменшилися вдвоє. Листи сталі ізольовані один від другого лаком (раніше – папером). Частіше це покриття наноситься на заводі після прокату сталі. Стяжка стержнів здійснюється склобандажами. Для провідників використовують мідь чи алюміній. Зараз трансформатори з алюмінієвою обмоткою виготовляються потужністю до 6300 кВА. В масляних трансформаторах основною ізоляцією є масло в поєднанні з твердими діелектриками: папером, електрокартоном, гетинаксом, деревом. В сухих трансформаторах застосовується ізоляція на основі кремнійорганічних сполук підвищеної нагрівостійкості. Трансформатори виготовляють трифазними й однофазними, двох і трьох обмотковими. Перевагу мають трифазні трансформатори. Групи з однофазних трансформаторів застосовують тільки при дуже великих потужностях з метою зменшення трансформаторної маси.

Шкала номінальних потужностей трансформаторів.

Стосовно до однофазних трансформаторів наведені значення потужності потрібно розуміти як потужності трифазних груп.

Для зменшення втрат потужності в трансформаторах їх магнітопроводи виготовляють із холоднокатаної сталі з присадками, які поліпшують її властивості. Товщина листів сталі 0.35 мм і менше.

Крім втрат потужності при передачі електроенергії через трансформатор має місце падіння напруги, зумовлена опором трансформатора, який характеризується напругою короткого замикання - u_к. Він залежить в основному від розміру обмоток, тобто від напруги й потужності трансформатора.

При невеликому значенні u_к спадання напруги на трансформаторі невелике, але рівень струмів КЗ за таким трансформатором виходить досить високим. Тому при проектуванні орієнтуються на оптимальні величини. Для трансформаторів потужністю до 6300 кВА напругою 10 –35 кВ u_к = 5.5 – 7.5%, а для трансформаторів напругою 110 кВ і вище u_к = 10 – 15%.

Ізоляція обмоток трансформаторів залежить від їхньої робочої напруги й значень випробувальних напруг.

У такий спосіб вдається істотно знизити рівень ізоляції (тобто зменшити ізоляцію торців обмотки). Крім двохобмоткових трансформаторів застосовуються триобмоткові трансформатори, в основному, як понижуючі потужністю до 100 МВА і напругою до 220 кВ.

Потужності обмоток вищої, середньої й нижчої напруги розподіляються так: 100/100/100; 100/100/67; 100/67/100%. Сума навантажень обмоток середньої й нижчої напруги не повинна перевищувати номінальної потужності трансформатора. Обмотки вищої, середньої й нижчої напруги в таких трансформаторах розміщають так само концентрично в наступному порядку: вищої - зовні, нижчої - всередині біля стержня, середньої - між обмотками вищої й нижчої напруги. При такому розташуванні обмоток напруга КЗ між обмотками вищої й середньої напруги має мінімальне значення. Напруга КЗ між обмотками вищої й нижчої напруги відносно велика, але це сприяє обмеженню струмів КЗ.

Різновидом трьохобмоткових трансформаторів є трансформатори з розщепленою обмоткою нижчої напруги. У такому трансформаторі обмотка нижчої напруги виконана із двох частин (гілок), розташованих симетрично відносно обмотки вищої напруги (ВН). Номінальні напруги гілок однакові. Потужність кожної обмотки нижчої напруги (НН) становить частину номінальної потужності трансформатора (при двох гілках - половину, при трьох - 1/3 номінальній потужності).

У трифазному трансформаторі обидві частини розщепленої обмотки розміщені на загальному стержні відповідної фази, одна над іншою, а в однофазних трансформаторах - на різних стержнях. Кожна гілка розщепленої обмотки має самостійні виводи. Розподіл навантаження між гілками може бути яким завгодно, наприклад: одна гілка навантажена повністю, а друга - відключена або обидві навантажені повністю.

Підвищувальні трансформатори з розщепленою обмоткою НН застосовуються у випадках, коли декілька генераторів повинні бути приєднані до загального трансформатора.

Однією з характеристик генератора з розщепленою обмоткою є коефіцієнт розщеплення K_Р, що дорівнює відношенню опору короткого замикання між гілками розщепленої обмотки Z_2-3 до опору короткого замикання між обмотками вищої напруги й паралельно з'єднаними гілками розщепленої обмотки: = ;

Для однофазних трансформаторів K_Р ≈ 4, для трьохфазних K_Р ≈ 3.5. Опір променів в схемі заміщення трансформатора з обмоткою НН, розщепленою на дві гілки визначаються виразами:

Підставивши значення K_Р , отримуємо і

Системи охолодження трансформаторів (автотрансформаторів)

Втрати потужності в трансформаторі пропорційні його потужності в ступені 3/4, а поверхня охолодження пропорційна потужності в ступені 1/2, тобто зі збільшенням потужності трансформаторів втрати ростуть швидше, ніж поверхня охолодження.

З метою відводу тепла від обмоток трансформатора застосовують різні системи охолодження. Природне повітряне охолодження здійснюється шляхом природної конвекції повітря і частково випромінюванням в повітря. Такі трансформатори отримали назву " сухих. Прийнято означати цей тип охолодження буквою С при відкритому охолодженні; при захищеному – СЗ; при герметизованому – СГ; з вимушеною циркуляцією повітря –СД. Припустиме перевищення температури обмотки сухого трансформатора залежить від класу нагрівостійкості ізоляції – для класу А – не більше 60⁰С, для класу Е – 75⁰С, для класу В – 80⁰С, для класу F – 100⁰С, для класу Н – 125⁰С. Така система охолодження малоефективна, тому застосовується для трансформаторів потужністю до 1600 кВА напругою до 15 кВ.

Для трансформаторів невеликої й середньої потужності застосовують природне масляне охолодження (позначення системи - М). У таких трансформаторі є приварені до бака вертикальні труби або знімні радіатори, у які нагріте масло надходить із верхньої частини бака. Рухаючись униз по трубах, омиваних повітрям, масло охолоджується й надходить у нижню частину бака. З таким охолодженням виготовляються трансформатори потужністю до 16000 кВА включно. При номінальному навантаженні температура масла в верхніх шарах не повинна перевищувати +95⁰ С.

Для потужних трансформаторів природного охолодження недостатньо. У цьому випадку додається штучне охолодження радіаторів повітрям (дуття) за допомогою радіаторів (позначення системи - Д). в цьому випадку в навісних охолоджувачах із радіаторних труб розміщуються вентилятори, які забирають повітря знизу і обдувають верхню частину труб. Пуск і зупинка вентиляторів можуть виконуватись автоматично в залежності від навантаження і температури масла. Трансформатори з таким охолодженням можуть працювати при повністю відключеному дутті, якщо навантаження не перевищує 100% номінального, а температура верхніх шарів масла не більше 55⁰ С, а також при мінусових температурах навколишнього повітря і при температурі масла не вищій +45⁰ С незалежно від навантаження.

У найбільш потужних трансформаторів бічна поверхня виявляється недостатньою для розміщення великої кількості радіаторів. У таких випадках застосовують відділені від бака батареї радіаторів або переходять до системи охолодження із примусовою циркуляцією масла. Масло насосами прокачується через охолоджувачі в яких воно охолоджується водою (позначення системи - Ц або повітрям – ДЦ). Охолодження водою більш ефективне, однак воно застосовується тільки там де є джерело водопостачання (ТЕС або ГЕС).

В трансформаторах з направленим потоком масла (НДЦ) інтенсивність охолодження підвищується, що дозволяє збільшити припустимі температури обмоток.

Для трансформаторів великої потужності (630 МВА і більше) застосовують масляно-водяне охолодження з направленим потоком масла (НЦ). На трансформаторах з системами охолодження ДЦ і Ц пристрої примусової циркуляції масла повинні автоматично вмикатися одночасно з вмиканням трансформатора і працювати безперервно незалежно від навантаження трансформатора. Такі трансформатори повинні мати сигналізацію про припинення циркуляції масла, охолоджуючої води чи про зупинку вентилятора.

Кожний трансформатор має умовне позначення, яке включає такі дані:

1) число фаз (для однофазних – О; для трифазних – Т);

2) вид охолодження;

3) число обмоток, які працюють на різні мережі (якщо воно більше двох), для триобмоточного трансформатора Т; для трансформатора з розщепленою обмоткою Р(після числа фаз);

4) буква Н в позначенні при виконанні однієї з обмоток з пристроєм регулювання напруги під навантаженням (РПН);

5) буква А на першому місці для позначення автотрансформатора.

За позначенням буквами вказується номінальна потужність, кВА; клас напруги обмотки ВН; кліматичне виконання і категорія розміщення.