ГЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ СБОРКИ
§ 1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Генераторы электрического тока по техническим причинам нельзя изготовлять на очень большие напряжения, даже крупные из них имеют напряжение не более 24 кВ, а такое напряжение можно использовать только на малых расстояниях от электростанции. Чтобы передача электрической энергии (электроэнергии) на многие сотни и тысячи километров стала выгодной, необходимо значительно большее напряжение — 500, 750 кВ и более. Для этой цели и служит трансформатор — электромагнитное устройство с двумя или несколькими обмотками, индуктивно связанными между собой, предназначенное для преобразования с помощью электромагнитной индукции переменного тока одного напряжения в переменный ток другого (или других) напряжения.
Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия преобразуемого переменного тока, называется первичной (например, обмотка трансформатора, присоединенная к шинам генератора электрического тока напряжением 6,3 кВ), а обмотка, от которой отводится энергия преобразованного переменного тока, — вторичной (например, обмотка 110 кВ этого трансформатора, присоединенная к линии электропередачи, по которой энергия отводится в отдаленные районы). Существуют трансформаторы, у которых кроме первичной и вторичной имеется третья обмотка с промежуточным напряжением, например 35 кВ. Если и от этой обмотки отводится часть энергии в линию 35 кВ, то она тоже является вторичной.
Обмотки трансформаторов, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока, называют основными, например первичная и вторичная обмотка трансформатора. Кроме основных у трансформатора, могут быть и другие обмотки, не связанные непосредственно с приемом или отдачей энергии преобразованного переменного тока, которые называют вспомогательными. Различают основные обмотки трансформатора высшего (ВН), низшего (НН) и среднего (СП) напряжений.
Обмотка ВН имеет наибольшее номинальное напряжение (например, 110 кВ) по сравнению с другими основными обмотками трансформатора, обмотка НН — наименьшее номинальное напряжение (например, 6,3 кВ), а обмотка СН — номинальное напряжение (например, 35 кВ), являющееся промежуточным между напряжениями обмоток ВН и НН.
Трансформатор, у которого первичной является обмотка НН, называют повышающим. В конце линии передачи, где начинается распределение энергии, устанавливают трансформаторы, снижающие напряжение линии до напряжений, необходимых потребителю. Первичной в таких трансформаторах служит обмотка ВН, а трансформаторы называют понижающими. Таким образом, в зависимости от назначения (повышать или понижать напряжение) первичной обмоткой одного и того же трансформатора может быть обмотка НН или ВН.
Электрическая энергия используется в основном при напряжении 220 или 380 В. Электродвигатели различного назначения и мощности, электробытовые и осветительные приборы изготовляют в нашей стране и во всем мире на эти (и близкие к ним) напряжения, поскольку при напряжениях 220 и 380 В довольно просто ограждать людей от опасности поражения электрическим током.
Чтобы снизить напряжение в линии передачи, например с 500 кВ, используют цепочку промежуточных трансформаторов, каждый из которых понижает напряжение и распределяет энергию между отдельными группами потребителей.
В зависимости от энергии, необходимой тем или иным потребителям, трансформаторы изготовляют на мощности и напряжения, подразделяемые на несколько габаритов. Например, трансформаторы до 35 кВ (включительно) и мощностью до 100 кВ-А относят к I габариту, от 100 до 1000 кВ-А — ко II, от 1000 до 6300 кВ-А — к III, выше 6300 кВ-А — к IV, от 35 до 110 кВ (включительно) и мощностью до 32 000 кВ-А — к V и т. д.
§ 2. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТРАНСФОРМАТОРА
Известно, что при питании первичной обмотки трансформатора от источника с переменным напряжением возникает магнитное поле. Если другие обмотки трансформатора разомкнуты, то магнитное поле создается магнитодвижущей силой (мдс — произведение тока в обмотке на число ее витков) только первичной обмотки. Такой режим работы трансформатора называют режимом холостого хода (х. х.).
Интенсивность магнитного поля (магнитная индукция) зависит не только от тока и числа витков, но и от среды, в которой расположена обмотка. Для ферромагнитных материалов (например, для стали) магнитная проницаемость во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, поэтому для усиления магнитного поля, созданного первичной обмоткой, ее помещают на магнитную систему, изготовленную из специальной электротехнической стали. Благодаря высокой магнитной проницаемости стали индукция внутри магнитной системы оказывается во много раз большей, чем вне ее, и весь магнитный поток как бы собирается в стали.
Магнитный поток в режиме холостого хода трансформатора называют основным, а ток в первичной обмотке, создающий в режиме холостого хода (при номинальных частоте и напряжении) основной магнитный поток,— током холостого хода трансформатора.
В режиме холостого хода первичная обмотка получает от сети не только намагничивающую (реактивную) мощность, которая вновь возвращается к источнику энергии, но и определенную активную мощность. Лишь незначительная часть активной мощности расходуется на электрические потери в первичной обмотке от тока х. х. Большую ее часть составляют магнитные потери, возникающие в стали магнитной системы (магнитопровода).
У тока холостого хода различают две составляющие: намагничивающую и активную. Намагничивающая определяется величиной основного магнитного потока, создающего в первичной обмотке электродвижущую силу (эдс), равную напряжению сети, активная — почти исключительно потерями активной мощности в магнитопроводе.
Вследствие постоянного изменения значения и направления тока холостого хода происходит непрерывное перемагничивание стали в магнитопроводе, которое сопровождается ее нагреванием, т. е. потерями энергии. Мощность этой энергии, отнесенную к единице массы стали, называют удельными потерями, являющимися одной из важнейших характеристик электротехнической стали.
Потери в магнитной системе трансформатора неизбежны и обусловлены природой намагничивания стали. Условно их разделяют на три вида: потери от гистерезиса (Рг), вихревых токов (Рв) и добавочные.
Потери от гистерезиса — это потери на перемагничивание стали магнитопровода.
Вихревые токи возникают в стали в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, т. е. в плоскостях поперечного сечения магнитопровода (рис. 1, а). Потери от вихревых токов пропорциональны квадрату толщины и обратно пропорциональны удельному электрическому сопротивлению стали. Поэтому магнитную систему собирают не из сплошных слитков, а из топких изолированных друг от друга пластин стали (рис. 1, б) во избежание увеличения контура для вихревых токов.
Рис. 1. Вихревые токи в магнитной системе: а — сплошной, б — шихтованной из изолированных пластин стали. Стрелками обозначен магнитный поток
Последняя составляющая потерь в магнитной системе — добавочные потери — оценивается в 10—20% от суммы потерь и объясняется намагниченностью стали, не учитываемой при расчетах вихревых токов.
Другой важнейшей характеристикой стали является магнитная индукция, от значения которой зависят размеры и масса магнитной системы и обмоток трансформатора. Для их уменьшения стремятся повысить индукцию в магнитной системе, для чего применяют специальную электротехническую сталь с высокой магнитной проницаемостью. Ранее для силовых трансформаторов использовали в основном горячекатаную сталь, в последние годы ее полностью вытеснила холоднокатаная сталь с повышенной индукцией насыщения Вмах (см. § 12).
Эта сталь очень чувствительна к механическим нагрузкам: изгибы и наклеп от резки ударов и других воздействий повреждают изоляцию, ухудшают магнитную проницаемость, увеличивают потери и ток холостого хода трансформатора. Поэтому при изготовлении магнитных систем и сборке трансформаторов необходимо избегать любых повреждений изоляции пластин (из-за увеличения вихревых токов) и их механических нагрузок (из-за увеличения потерь от гистерезиса и тока холостого хода); внимательно следить за точным расположением пластин относительно направления прокатки и строго контролировать их толщину, не допуская смещения пластин разных толщин и марок.
§ 3. ПАРАМЕТРЫ ХОЛОСТОГО ХОДА И ИХ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ КАЧЕСТВА СБОРКИ
В каждом витке обмоток, расположенных на общем стержне трансформатора, магнитный поток индуктирует одинаковое напряжение, называемое часто напряжением витка.
В первичной обмотке, если пренебречь потерями напряжения от тока холостого хода, напряжение на выводах равно произведению числа витков на напряжение витка, во вторичных обмотках,— произведению напряжения витка на число витков в соответствующей обмотке. Таким образом, напряжение первичной обмотки трансформатора преобразуется в напряжения вторичных обмоток, пропорциональные отношениям их числа витков к числу витков первичной обмотки:
Трансформатор, имеющий две основные гальванически не связанные обмотки (первичную и вторичную), называют двухобмоточным, а имеющий три основные гальванически не связанные обмотки (одну первичную и две вторичные) — трехобмоточным.
Отношение напряжений на выводах двух обмоток в режиме холостого хода называют коэффициентом трансформации и обозначают буквой К. В двухобмоточном трансформаторе коэффициент трансформации равен отношению высшего напряжения к низшему, в трехобмоточном трансформаторе три коэффициента трансформации — высшего и низшего, среднего и низшего, высшего и среднего напряжений, т. е.
где (Uвн, Uсн, Uнн — напряжения обмоток ВН, СН и НН. Например, у двухобмоточного трансформатора с обмотками ВН напряжением 10 кВ и НН 0,4 кВ К—10:0,4=25, а у трехобмоточного с обмотками ВН 110 кВ, СН 10 кВ и НН 6 кВ К1 = 110: 6= 18,3; К2=10:6 = 1,667; К3=110: 10=11.
Ток холостого хода измеряют в амперах, но обычно определяют в долях (%) номинального первичного тока: i0=(I0X100%)I1, где I0— измеренный ток холостого хода, А; I1 — поминальный ток первичной обмотки, А.
Такое определение тока холостого хода принято на практике, в технической литературе и стандартах и объясняется тем, что у трансформатора любая обмотка может быть первичной. У трехобмоточного трансформатора, например, подключая в опытах холостого хода каждую обмотку к своему напряжению, можно измерить (в амперах) три разных тока холостого хода.
Однако мдс, создающая основной магнитный поток и равная произведению тока холостого хода на число витков каждой обмотки, одинакова независимо от того, какая из обмоток является в опыте холостого хода первичной. Поэтому и ток холостого хода, отнесенный к «своему» первичному току, будет иметь одно и то же значение.
Для трансформаторов мощностью от 25 до 80 000 кВ-А ток холостого хода установлен в пределах от 3,5 до 0,3%, причем большее значение относится к меньшей мощности.
Коэффициент трансформации, потери и ток холостого хода— важнейшие параметры трансформатора; их значения определены ГОСТами. Например, ГОСТ 12022—76 установил для трансформатора ТМ-63/10: два напряжения ВН — 6 и 10 кВ и одно НН— 0,4 кВ; потери Р0 и ток холостого хода соответственно 0,24 кВт и 2,8%. Отсюда следует, что у трансформатора с обмоткой ВН 10 кВ не должно быть другого коэффициента трансформации, кроме К= 10:0,4 = 25 и других напряжений, например ВН 9,5 кВ и НН 0,45 кВ. Недопустимо также, чтобы потери Р0 и ток превышали стандартные значения (их уменьшению ГОСТ, естественно, не препятствует).
Однако параметры холостого хода готового трансформатора оказываются иногда хуже, чем требует ГОСТ. Возможность таких отклонений определяют допуски, установленные ГОСТом. Так, для коэффициента трансформации допуск составляет ±0,5%, для потерь и тока холостого хода 1-15 и +30% соответственно.
Причины ухудшения параметров холостого хода зависят от производственных отклонений при сборке. Применяемая в трансформаторах холоднокатаная сталь, как уже говорилось, весьма чувствительна к механическим воздействиям. При резке и штамповке пластин ухудшаются ее магнитные свойства. Удары по стали, перегибы пластин, наклеп легко нарушают ориентацию кристаллов, увеличивают удельные потери и намагничивающую мощность. До сборки магнитопровода пластины стали подвергают высокотемпературному отжигу, восстанавливающему их магнитные характеристики.
Однако при сборке магнитных систем, расшихтовке и повторной шихтовке верхнего ярма сталь можно повредить снова, поэтому на этих операциях сборщик должен проявить особую аккуратность, не допуская механических повреждений пластин. Чем осторожнее обращается сборщик с пластинами, тем меньше потери холостого хода в собранном трансформаторе.
Удельные потери в стали собранного трансформатора (потери холостого хода, деленные на массу активной стали) в 1,3— 2 раза выше, чем в исходном материале. Для заводов с передовой технологией потери в магнитной системе превышают потери в исходной стали (до начала ее механической обработки) лишь на 20—25%.
Таким образом, аккуратное обращение со сталью, полное исключение деформаций и механических повреждений, отжиг пластин, снимающий наклеп и механические напряжения, точное выполнение указаний чертежа, недопустимость неполного вложения стали в магнитную систему гарантируют получение заданных потерь и тока холостого хода.
§ 4. НАГРУЗКА И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ОСНОВНЫЕ ПОТЕРИ ТРАНСФОРМАТОРА
При включении вторичной обмотки возбужденного трансформатора на нагрузку (например, присоединение к ней резистора или реактора) в первичной и вторичной обмотках одновременно возникают мдс. Во вторичной обмотке мдс создается вторичным током, определяемым нагрузкой, в первичной — нагрузочной составляющей первичного тока 1.
При нагрузке трансформатора первичный ток равен геометрической сумме нагрузочной составляющей и тока холостого хода (при этом пренебрегаем активной составляющей тока холостого хода):
где — намагничивающая составляющая тока х. х. В тоже время (при равном числе витков)
т. е. нагрузочные токи в первичной и вторичной обмотках имеют обратные знаки и, следовательно, сумма их магнитодвижущих сил равна нулю. Таким образом, результирующее магнитное поле трансформатора создается мдс намагничивающего тока и суммой мдс (равной нулю) вторичного и нагрузочной составляющей первичного токов*, т. е. поле создается совокупностью мдс всех обмоток трансформатора.
* Влияние токов нулевой последовательности не учитывают.
Часть магнитного поля, которая создается мдс первичной и вторичной обмоток (их сумма равна нулю), называется полем рассеяния трансформатора. Основное магнитное поле, создаваемое намагничивающей составляющей первичного тока, определяют как разность результирующего магнитного поля и поля рассеяния трансформатора.
Как уже говорилось, основное магнитное поле локализовано в магнитной системе 1. Магнитное поле рассеяния существует почти целиком вне магнитной системы — вокруг обмоток 2 и 5 и между ними, проникает в ярмовые балки 3 и 7, прессующие кольца 4, в бак 6 трансформатора (рис. 2).
Учитывая, что первичный и вторичный токи при нагрузке во много раз больше тока холостого хода (он составляет 3,5—0,3% поминального), магнитное рассеяние и мощность, расходуемая на его создание, значительны. Например, в крупном силовом трансформаторе мощность поля рассеяния в 10—15 раз превышает намагничивающую мощность основного поля.
Рис. 2. Поле рассеяния в трансформаторе
Первичный и вторичный токи кроме поля рассеяния создают в обмотках падения напряжения (1г) и потери. Потери определяются электрическим сопротивлением обмоток постоянному току (в дальнейшем электрическое сопротивление) и током данной обмотки. Одновременно возникают потери и в отводах, вводах и других токоведущих частях трансформатора. Такие потери называют основными:
где Г1 и Г2 — электрические сопротивления проводов и других токоведущих частей первичной и вторичной обмоток.
От качества сборки зависят и основные потери трансформатора.
Действительно, сборщик выполняет соединения обмоток с отводами, переключателями и вводами. От качества пайки, например, зависит электрическое сопротивление места соединения, а следовательно, и общее электрическое сопротивление обмоток и отводов. Плохой прогрев места пайки, неполное проникание припоя между соединяемыми поверхностями сокращают площадь контакта, увеличивают электрическое сопротивление и потери.
