Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Различают двухобмоточные трансформаторы с двумя гальванически не связанными обмотками, а также трех- и многообмоточные трансформаторы с тремя и более гальванически не связанными обмотками. Передача энергии из первичной цепи трансформатора во вторичную происходит с помощью электромагнитного поля.
Трансформатор называется силовым, если используется для преобразования электрической энергии в электрических сетях или для непосредственного питания приемников энергии. Различают силовые трансформаторы общего назначения, служащие для питания сетей или приемников электрической энергий, не отличающихся особыми условиями работы характером нагрузки или режимом работы, и трансформаторы специального назначения, служащие для питания сетей или преемников энергий, отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.
Силовой трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого (более высокого или низкого) напряжения (при неизменной частоте). Передача электрической энергии на большие расстояния осуществляется, как известно, на высоких напряжениях (6, 10, 35 кВ и выше) при помощи трансформаторов и линий электропередачи. В месте потребления электроэнергии ее напряжение с помощью трансформатора понижается до требуемой величины, соответствующей напряжению электроустановок потребителей. Передача электроэнергии высоких напряжений вызвана стремлением максимально снизить потери в передающих сетях и сечение проводов линий электропередачи. Упрощенная схема передачи и распределения электрической энергии показана на рис. 28.
Силовой трансформатор — важнейший элемент электрической установки, сети и системы.
Рис. 28. Упрощенная схема передачи и распределения электрической энергии:
Г1, Г2 — генераторы электростанции, СН РЭС — собственные нужды электростанций, РПП — районная понизительная подстанция, ЦРП — центральная распределительная подстанция, ППП - главная понизительная подстанция предприятия
Силовые трансформаторы различают: по способу охлаждающей среды — масляные и сухие; по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные; по количеству фаз — однофазные и трехфазные.
Силовые трансформаторы характеризуются номинальными величинами, а также током и потерями холостого хода, напряжением, потерями и режимом короткого замыкания.
Номинальными называют величины, на которые рассчитан трансформатор: мощность, высшее и низшее напряжение, токи, частота и др.
Номинальная мощность трансформаторов выражается полной электрической мощностью в киловольт-амперах (кВ-А). В соответствии с ГОСТ 721—74 трансформаторы, выпускают на определенные стандартные, номинальные мощности и напряжения. Номинальное первичное напряжение — это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение — это напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения. Номинальной частотой для силовых трансформаторов является 50 Гц.
Током холостого хода называют ток, который при номинальных напряжении и частоте устанавливается в одной из обмоток при другой разомкнутой обмотке в двухобмоточном трансформаторе. Потери, возникающие при этом в трансформаторе, называют потерями холостого хода. Ток холостого хода обычно выражается в процентах номинального.
. Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора является напряжение, которое при номинальной частоте следует подвести к зажимам одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в них установились номинальные токи. Обычно напряжение короткого замыкания выражается в процентах номинального напряжения обмотки (t/k,%). Потери, возникающие в трансформаторе при этом режиме, называют потерями короткого замыкания.
Для определения UK опыт короткого замыкания проводят при замкнутой накоротко вторичной обмотке и первичном напряжении, пониженном настолько, чтобы токи в обмотках не превысили их номинальные значения. Этот опыт может производиться со стороны любой из двух обмоток трансформатора. Он входит в число обязательных контрольных испытаний, которым подвергается каждый силовой трансформатор перед выпуском с завода.
Режим короткого замыкания, возникающий случайно в процессе эксплуатации при номинальном первичном напряжении, является аварийным процессом, сопровождающимся весьма
большими токами в обмотках. Многократное превышение токов по сравнению с номинальными токами может привести к повреждению изоляции обмоток вследствие нагрева и разрушению последних механическими силами, возникающими при этом режиме между обмотками.
В нашей стране, напряжения короткого замыкания стандартизованы для всех трансформаторов общепромышленного применения в зависимости от их мощности и класса напряжения. Так, например, для трансформаторов мощностью 1000 — 500 кВ А напряжение короткого замыкания должно быть 5,5 % для обмоток ВН на 10 кВ, 6,5% для обмоток ВН на 35 кВ, а для трансформаторов мощностью 6300 кВ А — 7,5 % для обмоток ВН на 35 кВ.
Для поддержания вторичного напряжения постоянным большинство трансформаторов имеет ответвления на обмотках ВН: для переключения без возбуждения JTIBB),. т. е. при отключении всех обмоток трансформатора от сетей; для регулирования под нагрузкой (РПН). Управление переключающими устройствами аппаратов РПН — дистанционное и автоматизированное, но может осуществляться также и вручную. При дистанционном управлении переход с одной ступени на другою (соседнюю) требует около 3 с.
Если обеспечение пожарной безопасности установки является решающим обстоятельством (пожароопасные производственные цехи, лаборатории, общественные здания), часто применяют сухие (безмасляные) трансформаторы. Они предназначаются для установки в сухих закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха не выше 65% и температурой до 35 °С при отсутствии в атмосфере паров кислот и других агрессивных веществ. По принципу действия и конструкции основных частей (магнитопроводов, обмоток и др.) сухие силовые трансформаторы аналогичны масляным.
Силовые трансформаторы могут работать раздельно, т. е. не будучи электрически связанными с другими трансформа торами электроустановки, или параллельно с одним или несколькими трансформаторами электроустановки.
Параллельной называют работу двух или нескольких трансформаторов при параллельном соединении их обмоток как на первичной, так и на вторичной стороне. При параллельном соединении одноименные зажимы трансформаторов присоединяются к одному и тому же проводу сети.
Для правильного распределения нагрузки между параллельно работающими трансформаторами пропорционально их номинальным мощностям их параллельная работа допускается при следующих условиях: равенстве номинальных первичных и вторичных напряжений (разность коэффициентов трансформации возможна не более ±0,5%); тождественности групп соединения обмоток; равенстве напряжений короткого замыкания (отклонение от средней величины может быть не более чем на ±10%):
При несоблюдении первого и второго условий в обмотках трансформаторов возникают уравнительные токи, которые иногда, особенно при несовпадении групп, могут достигнуть опасного значения. Несоблюдение третьего условия приводит к тому, что общая нагрузка распределяется между трансформаторами непропорционально их номинальным мощностям.
Силовые трансформаторы рассчитаны на допустимые нагрузки и перегрузки.
Допустимой нагрузкой называется длительный режим работы трансформатора, при котором расчетный износ (старение)
изоляции обмоток от нагрева не превосходит износа/ соответствующего номинальному режиму работы. Перегрузкой трансформатора считается такая нагрузка, при которой расчетный износ изоляции обмоток, соответствующий установившимся превышениям температуры, превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы.
Нагрузочной способностью является совокупность допустимых нагрузок и перегрузок трансформатора. Исходный режим для определения нагрузочной способности — номинальный режим работы трансформатора при номинальных условиях места установки и охлаждающей среды, определяемых соответствующим стандартом или техническими условиями.
Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, стойкого к атмосферным воздействиям. Щиток прикреплен на видном месте к баку трансформатора и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим видимость и долговечность знаков.
К этим данным, взятым из паспорта трансформатора, относят: тип трансформатора; номинальные мощность, напряжения и токи обмоток ВН и НН; токи короткого замыкания; число фаз; схему и группу соединения обмоток; частоту тока; режим работы (длительный или кратковременный); способ охлаждения; род установки (внутренней или наружной); массу трансформатора и активной части. Кроме номинальных данных на щитке указываются наименование завода-изготовителя, год выпуска и заводской номер трансформатора. Последний выбит также на баке (под, щитком), на крышке (у ввода ВН фазы А) и на верхней полке ярмовой балки магнитопровода.
Условное обозначение трансформаторов состоит из двух частей — буквенной и цифровой. Буквы в обозначении трансформатора означают: на первом месте — число фаз. (О — для однофазных; Т — для трехфазных); на втором — вид охлаждения (М — естественное масляное; Д — масляное с дутьем и естественной циркуляцией; ДЦ — масляное с дутьем и принудительной циркуляцией; MB — масляно-водяное с естественной циркуляцией масла; Ц — масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла; С, СЗ и СГ — естественное воздушное охлаждение соответственно при открытом, закрытом и герметизированном исполнениях; у трансформаторов, заполненных негорючим жидким диэлектриком, вид охлаждения указывают буквами (Н — естественное охлаждение и НД — охлаждение с дутьем); на третьем месте — число обмоток, работающих на самостоятельные сети (если обмоток более двух, трехобмоточный трансформатор обозначают буквой Т); на четвертом — выполнение одной из обмоток с устройством для регулирования напряжения под нагрузкой РПН (его наличие указывается буквой Н); на пятом — грозоупорное исполнение обмоток (Г — для трансформаторов выпуска прошлых лет). Цифры указывают номинальную мощность и. класс напряжения обмоток ВН трансформатора. Например, трансформатор ТДТНГ-20000/110 расшифровывается так: трехфазный, с дутьевым (форсированным) охлаждением, трехобмоточный, с регулировкой напряжения под нагрузкой, с грозоупорной изоляцией, с номинальной мощностью 20000 ВА и классом напряжения обмоток ВН 110 кВ.
Отечественной промышленностью выпускаются силовые трансформаторы следующих стандартных мощностей: 10, 16, 25, 40 и 63 В- А с увеличением каждого из значений в 10, 100, 1000 и 10000 раз.
Для масляных силовых трансформаторов общего назначения номинальными условиями места установки и охлаждающей среды являются: высота над уровнем моря не более 1000 м; температура охлаждающей среды — для воды не более + 25 °С у входа в охладитель, для воздуха — естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха (не более 4-40 °С при среднесуточной его температуре не выше 4- 30°С и среднегодовой не выше + 20°С); температура окружающего воздуха не ниже —45 °С.
Простой по конструкции силовой трехфазный двухобмоточный трансформатор небольшой мощности (1800 кВ А) показан на рис. 29. Выпускаемые заводами изготовителями мощные трехобмоточные силовые трансформаторы имеют более сложную конструкцию. Например, трансформатор Т ДТГ мощностью 16000 кВА и напряжением 110 кВ (рис. 30) снабжен рядом дополнительных устройств, обеспечивающих его длительную нормальную работу. Трансформатор содержит ввод 1 (ВН) — маслонаполненный с контролируемым уровнем масла в нем при помощи указателя 3; термосифонный фильтр 19, обеспечивающий непрерывную очистку и регенерацию всего объема масла; воздухоосушитель 12, предотвращающий увлажнение масла и, следовательно, сохраняющий его высокую диэлектрическую прочность ; радиаторы (трубчатые охладители) 24, снабженные вентиляторами 26, которые обеспечивают хорошую циркуляцию и охлаждение, масла; проушину 13, облегчающую и упрощающую подъем активной части при необходимости осмотров или ремонтов ее отдельных деталей. В современных мощных силовых трансформаторах используют электроизоляционные материалы, обладающие более высокими диэлектрическими Показателями, новые конструкции магнитопроводов, обмоток, переключателей и других частей трансформатора.
В электроустановках кроме силовых трансформаторов применяют измерительные трансформаторы — трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.
Трансформатор тока — это электрический аппарат, предназначенный для снижения тока первичной цепи до значения, при котором наиболее целесообразно осуществлять питание соответствующих цепей измерительных приборов, устройств релейной защиты, автоматики, сигнализации и управления.
Рис. 29. Силовой трехфазный двухобмоточный трансформатор III габарита с масляным охлаждением:
1 — бак, 2 и 5 — нижняя и верхняя ярмовые балки магнитопровода, 3 — обмотка ВН, 4 — регулировочные отводы к переключателю, б — магниопровода 7 —деревянные планки крепления отводов, 8 — отвод от обмотки ВН, 9 —переключатель, 10 и 12 — подъемные шпилька и кольцо (рым), 10 — крышка бака, 13 и 14 — ввода ВтН и HH 15 — выхлопная труба, 16 — маслопровод, 17 — газовое реле, 18 — расширитель, 19 — указатель уровня масла, 20 - маслоохладительные (циркуляционные) трубы, 21 — маслоспускной ран, 22 — каток тележки
Трансформаторы тока применяют при измерении больших токов, когда включение приборов непосредственно на токи контролируемой цепи невозможно. Наличие трансформаторов тока позволяет устанавливать измерительные приборы на значительном расстоянии от контролируемых цепей и таким образом концентрировать их в одном месте, например на щите или пульте управления, находящемся под наблюдением дежурного персонала.
1 - маслонаполненный ввод ВН (110 кВ), 2 — токопроводящий стержень (шпилька), 3 - указатель уровня масла ввода ВН, 4 и 6 - вводы СН (35 кВ) и НН (10 кВ), 5 - бумажно-бакелитовый цилиндр ввода ВН, 7 - привод переключающего устройства обмотки ВН, 8 — предохранительная труба, 9 -газовое реле, 10 — расширитель (консерватор), 11 - указатель уровня масла в расширителе, 12 — воздухоосушитель, 13 — проушина для подъема активной части, 14,— ярмовая балка, 15 — линейный отвод ВН, 16 - переключающее устройство обмотки ВН, 17 — обмотки ВН, 18 - экранирующие (емкостные) витки обмотки ВН, 19 - термосифонный фильтр, 20 — тележка с катками, 21 — площадка для установки домкрата, 22 — маслоспускной кран, 23 — бак, 24 — радиатор (трубчатый охладитель), 25 — электропроводка питания электродвигателей дутья, 26 — электродвигатель с крыльчаткой (вентилятор), 7 - привод переключающего устройства обмотки СН, 28 -крюк для подъема трансформатора
Трансформатор тока состоит из замкнутого сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали, и двух обмоток — первичной и вторичной. Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно в контролируемую цепь, а к вторичной обмотке присоединяют токовые катушки различных контрольных и измерительных приборов. Первичные обмотки трансформаторов тока выполняют на номинальные токи от 5 до 10000 А, а вторичные — обычно на А, а иногда на 1 А.
Трансформаторы тока подразделяют на пять классов точности от 0,2 до 10. Трансформаторы тока класса точности 0,2 применяют только для лабораторных измерений, а 0,5;
и 3 — преимущественно в промышленных электроустановках. Класс точности характеризует величину допустимых погрешностей трансформаторов при номинальных токах
Условное обозначение трансформаторов тока состоит из двух частей — буквенной и цифровой. Буквенная часть содержит обычно от двух до пяти букв, указывающих следующее: Т — трансформатор тока, П — проходной, О — одновитковый или М — многовитковый, Л — с литой изоляцией, Ф — с фарфоровой изоляцией. Буквы в обозначении располагаются в определенной последовательности, но начинаются всегда с Т. При отсутствии в обозначении буквы П трансформатор тока является опорным. Цифры после букв в обозначении указывают номинальное напряжение трансформатора тока.
На щитке каждого трансформатора тока указываются: наименование завода-изготовителя, тип трансформатора тока, заводской номер и год выпуска; номинальные напряжения (кВ) и частота (Си); номинальный коэффициент трансформации (отношение, номинальных первичного и вторичного токов); для каждого сердечника — класс точности или исполнение для релейной защиты и вторичная нагрузка, при которой гарантируется класс точности; 10%-ная кратность при указанной на щитке вторичной нагрузке, кратность термической устойчивости или динамическая устойчивость.
Трансформаторы напряжения имеют большое конструктивное сходство с силовыми трансформаторами и служат для питания цепей напряжения различных приборов (ваттметров, счетчиков и других) и реле. Первичные обмотки трансформаторов напряжения включают параллельно в сеть. Номинальное напряжение на зажимах вторичной обмотки - 100 В. Измерительные приборы и реле включают во вторичную цепь трансформатора напряжения параллельно. Шкалы включаемых измерительных приборов должны быть отградуированы в соответствий с номинальным напряжением первичной обмотки.
Трансформаторы напряжения изготовляют однофазными и трехфазными. Трехфазные трансформаторы бывают трех- или пятистержневыми. Схемы включения однофазных и трехфазных трансформаторов напряжения выбирают в. зависимости от системы сети, исполнения трансформатора и его назначения в данной электроустановке.
Буквы и цифры в условном обозначении трансформаторов напряжения означают следующее: буквы — Н — трансформатор напряжения, О — однофазный, М — масляный, С — сухой, К — залитый компаундом (НОСК) или с компенсационной обмоткой (НТМК), И — пятистержневой (для включения приборов контроля изоляции), Т — трехфазный (НТМИ); цифры после букв — номинальное напряжение обмотки ВН.
