Глава V
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформаторы силовые общего применения и специальные — это статические электромагнитные аппараты для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в энергию другого напряжения. Наиболее широко применяют силовые трансформаторы для передачи и распределения электроэнергии.
Для передачи энергии на дальнее расстояние требуется напряжение в десятки и сотни киловольт, что значительно выше напряжения генератора. Поэтому в начале линии электропередачи ставят повышающие трансформаторы, а в конце линии устанавливают понижающие трансформаторы.
Суммарная мощность трансформаторов в несколько раз превышает мощность генераторов электростанции.
Специальные трансформаторы: печные, сварочные, выпрямительные, измерительные и испытательные, для преобразования частоты и числа фаз. Есть трансформаторы однофазные и многофазные. Наиболее распространены трехфазные.
В каждой фазе есть несколько обмоток. Есть трансформаторы двухобмоточные: одну из них присоединяют к сети с более высоким напряжением и называют обмоткой высшего напряжения (ВН), другую — к сети низкого напряжения (НН).
Если на стержне более двух обмоток, то трансформатор называется многообмоточным. Наиболее распространен трехобмоточный трансформатор с напряжениями высшим (ВН], средним (СН) и низшим (НН).
По способу охлаждения есть трансформаторы масляные и сухие охлаждаемые воздухом. Распространены силовые трехфазные двухобмоточные масляные трансформаторы.
Конструкция трансформаторов
Несмотря на многообразие трансформаторов, они по своему устройству в принципе одинаковы. Основные части: магнитопровод и обмотки. На рисунке 55 показано устройство трехфазного двухобмоточного трансформатора.
Магнитопровод набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, каждый лист изолирован лаком или бумагой. Части магнитопровода, на которые надевают обмотки, называют стержнями, их между собой соединяют двумя ярмами.
Есть магнитопроводы стержневые и броневые. В трансформаторах стержневого типа (рис. 56, а) боковые поверхности обмоток открыты и не охватываются магнитопроводом.
Рис. 55. Трехфазный силовой трансформатор:
I — магнитопровод; 2 — обмотки низшего напряжения; 3 — обмотки высшего напряжения; 4 — пробка для спуска масла; 5 — бак; 6 — переключатель напряжения; 7 — привод переключателя; 8 — термометр; 9 — вводы высшего напряжения; 10 — вводы низшего напряжения; 11 — пробка для заливки масла, 12 — расширитель; 13 — маслоуказатель.
В трансформаторах броневого типа (рис. 56, б) магнитопровод разветвленный, он частично прикрывает (бронирует) обмотки. Стержневые трансформаторы проще, дешевле и удобнее при ремонте. Преимуществе броневых трансформаторов особенно заметно при больших мощностях.
Магнитопровода бывают стыковые и шихтованные- В стыковых собранные в отдельности стержни и ярма соединяют встык вертикальными стяжными шпильками (рис. 56, в). В местах стыков из-за взаимного перекрытия листов стали стержней и ярем могут возникнуть значительные вихревые токи, вызывающие дополнительные потери мощности и нагрев магнитопровода. Для устранения этого б стыки ставят изоляционные прокладки, что приводит к увеличению магнитного сопротивления цепи и к заметному росту тока холостого хода трансформатора. В связи с указанными недостатками стыковые магнитопроводы применяют очень редко.
В шихтованных магнитопроводах стержни и ярма собирают (шихтуют) из отдельных листов «внахлестку» как цельную конструкцию (рис. 56, г).
Рис. 56. Магнитопроводы однофазных трансформаторов:
а — однофазного трансформатора стержневого типа; б — однофазного трансформатора броневого типа; в — стыковой сборки; г — шихтованный; д — формы сечения стержней; е — формы сечения ярма.
Форма поперечного сечения стержней и ярма (рис. 56, д, и, е) зависит от мощности трансформатора. В малых трансформаторах применяют прямоугольные сечения, в трансформаторах большой мощности применяют ступенчатые сечения. Число ступеней увеличивается с ростом мощности. Ступенчатое сечение стержней позволяет полнее использовать площадь внутри круглой обмотки. Площадь поперечного сечения ярма в стержневых трансформаторах иногда делают больше площади поперечного сечения стержня.
В крупных трансформаторах для лучшего охлаждения между пакетами стали магнитопровода делают вентиляционные каналы, располагаемые в плоскости стержней или в перпендикулярном направлении.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов круглого (прямоугольного) сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.
По взаимному расположению обмоток высшего и низшего напряжений и по способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и чередующиеся.
Концентрические (рис. 57, а) делают в виде цилиндрических катушек и укладывают на стержнях одна внутри другой. Ближе к стержню укрепляют обмотку низшего напряжения (НН), ее легче изолировать от магнитопровода. Затем кладут слой изоляции и обмотку высшего напряжения (ВН). Основные достоинства концентрических обмоток: простота изготовления, легкость сборки и разборки, надежность изоляции обмоток ВН и НН, большая устойчивость при коротких замыканиях.
Рис. 57. Расположение обмоток трансформаторов: с — концентрических; б — чередующихся
В чередующихся обмотках (рис. 57, б) дискообразные катушки высшего и низшего напряжений ставят одну над другой по высоте стержня, ближе к ярму катушки низшего напряжения. Главные недостатки чередующихся обмоток: трудность изготовления и сборки, малая механическая и электрическая прочность.
Основной тип обмоток концентрический. Их делят на цилиндрические. секционные, непрерывные и винтовые (рис. 58). Преимущественно распространена цилиндрическая обмотка. Она представляет .собой катушку из провода, намотанного по винтовой линии в один или несколько слоев. Провод круглого или прямоугольного сечения (рис. 58, а)
Если обмотка работает на больших токах, ее делают из нескольких параллельных проводов.
Обмотки изолируют одну от другой и от магни~опровода изо- цилиндрами из электротехнического картона или намоточной бумаги на бакелитовом лаке. Изоляцию между обмотками и ярмами делают в виде плоских колец и прокладок из электрокартона. Чтобы придать обмоткам большую прочность, их пропитывают грифталевым лаком и запекают.
По действующему стандарту на силовые трансформаторы, начало и конец обмоток обозначают буквами латинского алфавита (табл. 1).
Концы обмоток трансформатора выводят наружу вводами — фарфоровыми проходными изоляторами с токоведущим стержнем внутри.
Магнитопровод с обмотками представляет выемную часть трансформатора. В сухих трансформаторах выемную часть помещают в металлический кожух, в котором сделаны отверстия для охлаждающего воздуха.
В масляных трансформаторах выемную часть опускают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Баки разной конструкции: гладкие, ребристые, трубчатые и радиаторные. Гладкие баки имеют малую поверхность охлаждения, их применяют в трансформаторах
мощностью до 30 кВА. В трансформаторах большой мощности для лучшего отвода тепла применяют ребристые и трубчатые баки. Для трансформаторов очень большой мощности пользуются радиаторными баками с принудительным охлаждением вентиляторами.
Рис. 58. Конструкции концентрических обмоток:
а — цилиндрическая; б — секционная; в — непрерывная катушечная; г — винтовая.
Трансформаторный бак сверху закрывают крышкой из стали. Между крышкой и кромкой бака ставят прокладки из маслоупорной резины или пробки для герметичности. На крышке бака вводы и арматура для эксплуатации и защиты трансформатора. Над крышкой расширитель (рис. 59), представляющий собой цилиндрический бак Расширитель патрубком соединен с баком. Он предназначен для уменьшения поверхности соприкосновения масла с воздухом и чтобы бак трансформатора был всегда заполнен маслом.
Объем расширителя должен быть таким, чтобы при самых низких температурах в нем оставалось масло, но не переливалось через край при самых высоких температурах.
Рис. 59. Расширитель и выхлопная труба:
1 — указатель уровня масла; 2 — труб для свободного обмена воздуха; 3 — пробка для заливки масла; 4 — выхлопная труба; 5 — кран для отсоединения расширителя; 6 — газовое реле; 7— грязеотстойник.
В крупных трансформаторах монтируют выхлопную трубу (рис. 59), закрытую в верхнем конце стеклянной мембраной. При образовании в баке большого количества газов мембрана выдавливается, газы выбрасываются наружу, этим бак предохраняется от деформации.
Трансформаторы средней и большей мощности снабжают газовым реле, укрепляемым в патрубке между крышкой бака и расширителем. При повреждениях внутри трансформатора, сопровождающихся обильным выделением газов, реле замыкает контакты цепи управления выключателя и трансформатор отключается от сети. При небольших повреждениях со слабым газообразованием реле срабатывает и замыкает контакты цепи на сигнал.
Большинство силовых трансформаторов допускает регулирование напряжения. Для этого обмотки выполняют с ответвлениями. Обычно с ответвлениями делают обмотки высшего напряжения, а у трехобмоточных трансформаторов обмотки среднего напряжения.
В последние годы широко применяют устройства для переключения ответвлений под нагрузкой без разрыва цепи тока. Заводы выпускают также трансформаторы с автоматическим регулированием напряжения под нагрузкой.
