§ 68. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И СБОРКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Назначение и виды.
В ряде отраслей промышленности широко применяется постоянный ток: для получения алюминия, магния, цинка, меди, никеля в электролизных установках; для питания дуговых вакуумных электропечей; для получения хлора, водорода, натрия, азотистых веществ в химической промышленности, для питания гальванических установок; для электротяги железнодорожного и городского транспорта; для электроустановок с электродвигателями постоянного тока и других промышленных целей.
Получение постоянного тока машинным методом (генераторы, мотор-генераторы) экономически не оправдывается: низкий кпд, большие затраты на монтажные и строительные работы.
В настоящее время постоянный ток получают с помощью статических преобразователей переменного тока в постоянный: выпрямительных, кремниевых и германиевых диодов и управляемых тиристоров.
Небольшие по мощности выпрямительные устройства подключают непосредственно к сети переменного тока, мощные промышленного назначения — через специальный силовой преобразовательный трансформатор. Устройство, состоящее из полупроводниковых приборов и питающего их преобразовательного трансформатора, смонтированных в одном баке, заполненном трансформаторным маслом (или совтолом), составляет преобразовательный агрегат.
Ранее в качестве статических преобразователей применялись ионные (ртутные) выпрямители, они сложны и малонадежны в эксплуатации, вредно влияют на организм человека и не экономичны.
В настоящее время они полностью вытеснены полупроводниковыми выпрямителями, лишенными этих недостатков.
Преобразовательные трансформаторы по числу фаз вторичных (вентильных) обмоток подразделяют на однофазные, трехфазные, шестифазные и многофазные, с ПБВ и РПН; по виду исполнения — на сухие, масляные и совтоловые.
Условные обозначения.
В обозначении типов преобразовательных трансформаторов входят те же буквы и цифры, что и трансформаторов общего назначения, но с добавлением букв: П—для питания полупроводниковых вентилей (преобразователей).
Если в трансформатор встроен уравнительный реактор, в обозначении присутствует буква У, если трансформатор предназначен для питания вакуумной электропечи постоя иного тока—буква В, если для электрифицированного железнодорожного транспорта — Ж; другие буквы характеризуют вид нагрузки. Приведем для примера полное обозначение некоторых преобразовательных трансформаторов:
ТДНП-25000/10-УЗ— трехфазный, с дутьевой системой охлаждения, с устройством РПН, преобразователь на полупроводниках, мощность 25 000 кВ-А, класс напряжения 10 кВ, исполнение У (для умеренного климата), категория размещения 3 (в закрытом помещении); ТМНП-6300/10-УЗ трехфазный, с естественно-масляным охлаждением, с РПН, преобразователь на полупроводниках, мощность 6300 кВ-А, класс напряжения 10 кВ.
Преобразовательные агрегаты, имеющие переключающие устройства РПН с плавно-ступенчатым регулированием напряжения или с плавно-бесконтактным регулированием, в обозначениях имеют буквы НП и ППВ соответственно, например ТМНПВ и ТМППВ.
Параметры.
Мощность преобразовательных трансформаторов, как и электропечных, определяется типовой мощностью. Сухие изготовляют на типовую мощность 10—3200 кВ-А, совтоловые — 200—2000 кВ-А; масляные с переключающим устройством ПБВ —400—20 000 кВ-А, с РПН — 1600—400000 кВ-А и большей мощности.
Наибольшая типовая мощность преобразовательного трансформатора в настоящее время достигает 100 000 кВ-А, а ток — 300 кА и более.
В отличие от силовых трансформаторов общего назначения, для которых полная номинальная мощность, например трехфазного трансформатора, определяется из выражения
(и и I — соответственно линейные значения номинального напряжения и тока). Типовая мощность преобразовательного трансформатора зависит от схемы выпрямления и определяется средним значением мощности сетевой обмотки и обмотки на стороне выпрямителей. Например, при шестифазной схеме выпрямления типовая мощность преобразовательного трансформатора
где
— мощность на стороне выпрямленного напряжения; 11 и 12— токи сетевой обмотки и обмоток на стороне выпрямителей; U1ф и Е2ф — фазные напряжения сетевой и вентильной обмоток.
Номинальные напряжения первичных (сетевых) обмоток соответствуют стандартным классам напряжений и находятся в пределах 0,4—110 кВ. Напряжение вторичных обмоток (на стороне выпрямителей) разнос, оно определяется схемой и параметрами преобразовательной установки.
В зависимости от мощности и области применения преобразовательного трансформатора выпрямленное напряжение может быть от 6 до нескольких тысяч вольт, а выпрямленный ток — от 2 А до 200 кА. Напряжение короткого замыкания имеет те же значения, что и в трансформаторах общего назначения, или близкое к ним.
Схемы обмоток.
Сетевые обмотки и обмотки выпрямителей преобразовательных трансформаторов имеют различные схемы соединения. Сетевые обмотки трехфазных трансформаторов соединяют в звезду, реже в треугольник в зависимости от мощности и номинального напряжения; обмотки со стороны выпрямителя могут соединяться в звезду, в двойную звезду (прямая и обратная), в треугольник — звезду, в зигзаг, в двойной зигзаг, в дважды двойной зигзаг, в шестиугольник и др. Нейтрали двойных звезд соединяют между собой через уравнительный реактор.
Выбор схемы обмоток трансформатора и параметров преобразовательного агрегата зависит от схемы соединения полупроводниковых выпрямителей, подключаемых к ним. Включение первичных (сетевых) обмоток преобразовательного трансформатора или агрегата в сеть трехфазного переменного тока в зависимости от схемы соединения выпрямителя позволяет получить на их стороне трех-, шести- или двенадцатифазное выпрямление. При шести- и более фазном выпрямлении пульсация выпрямленного напряжения меньше и соответственно улучшена форма кривой первичного тока агрегата.
Наиболее широкое применение на стороне выпрямления получили шестифазные (две обратные звезды) схемы со сглаживающим реактором СР (индуктивное сопротивление), служащим для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения и тока в цепи нагрузки и с уравнительным реактором УР (рис. 135, а). Эту схему чаще применяют для преобразовательных агрегатов с относительно небольшим выпрямленным напряжением и большим током.
Преобразование трехфазной системы первичной стороны в шестифазную на вторичной стороне осуществляется в результате того, что вторичные фазные обмотки трансформатора состоят из двух частей с разным направлением намотки (левая, правая) или из двух обмоток одинакового направления, у одной из которых перемаркированы начала и концы. Полуфазные обмотки соединяют в звезды, нейтрали звезд О1 и О2 — в общую нейтраль О через уравнительный реактор УР. Таким образом на вторичной стороне получается шестифазная звезда.
Средняя точка О уравнительного реактора УР является отрицательным полюсом цепи нагрузки.
Рис. 135. Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором:
а — схема соединения обмоток трансформатора звезда — две обратные звезды с уравнительным реактором УР и - выпрямительными диодами, б — векторные диаграммы фазных эдс трансформатора (сплошными линиями изображены векторы эдс прямой звезды, пунктиром — обратной); VD1 — VD6 — диоды, СР — сглаживающий реактор, R — нагрузка цепи постоянного тока
Реактор имеет большое индуктивное сопротивление и ограничивает ток между нейтралями О1 и О2 (рис. 135, а). В то же время индуктивное сопротивление каждой ветви реактора О—О1 и О — О2 достаточно мало, так как магнитные потоки имеют встречное направление и почти полностью компенсируются.
Векторные диаграммы фазных эдс трансформатора изображены на рис. 135, б. Из рисунка видно, что в любой момент времени работают два диода четной и нечетной групп шестифазной системы. Через каждую треть периода, когда напряжение очередной фазы становится больше, чем предыдущей, в каждом соединении обмоток в звезду происходит смена анодных токов.
Уравнительный реактор УР увеличивает продолжительность работы анодов и тем самым как бы выравнивает значения анодных напряжений, работающих в порядке чередования фазных эдс, указанных на векторной диаграмме. Этим обеспечивается одновременная параллельная работа вторичных обмоток (на стороне выпрямления), соединенных в звезду, расположенных на разных стержнях магнитной системы, чем достигается равновесие намагничивающих сил первичных и вторичных обмоток.
Если условно исключить из этой схемы реактор и гальванически соединить нейтрали звезд, то в стержнях магнитопровода сразу же появится магнитный поток вынужденного намагничивании, изменяющийся во времени е тройной частотой сети. При этом в обмотках трансформатора возникает значительная эдс, которая увеличит индуктивное падение напряжения и резко ухудшит работу преобразовательного агрегата. По этой причине схему обмоток трансформатора звезда — шестифазная звезда (без уравнительного реактора) для выпрямительных установок не применяют.
Шестифазные схемы выпрямления используют в основном в преобразовательных агрегатах мощностью 250—4000 кВт, при больших мощностях используют двенадцатифазные схемы, при этом лучшим решением является соединение вентильных обмоток в двойной зигзаг, а сетевых (первичных) — в звезду.
В выпрямительных устройствах широко применяют кремниевые диоды и тиристоры на ток 200 и 500 А напряжением 220—380 В. Для получения больших токов и требуемых напряжений диоды и тиристоры комплектуют в блоки, соединяя их последовательно, параллельно или последовательно-параллельно. Обычно полупроводниковые блоки размещают непосредственно в баке трансформатора вместе с активной частью.
Конструкция. Остов и магнитная система преобразовательного трансформатора состоят из таких же конструктивных элементов, как и силового общего назначения, отличие заключается в их геометрических размерах. Конструкция остова уравнительного реактора аналогична реактору переключающего устройства РПН на индуктивных сопротивлениях. Поэтому технологические процессы их сборки мало чем отличаются от трансформаторов общего назначения.
Обмотки преобразовательных трансформаторов должны иметь повышенную механическую прочность, так как на стороне вентильных обмоток часто происходят короткие замыкания. Повышенная механическая прочность достигается установкой максимального количества прокладок между катушками обмоток, применением жестких бумажно-бакелитовых и стеклоэпоксидных цилиндров, прошивкой обмоток наружными рейками, пропиткой лаком и запеканием их, надежной осевой прессовкой кольцами. Особо высокие требования предъявляются к обмоткам со стороны выпрямления, несущим большие токовые нагрузки. Поэтому на стороне выпрямителей применяют отличающуюся высокой механической прочностью обмотку непрерывной конструкции, разделенную на двойные катушки и затем соединенные между собой параллельно или параллельно-последовательно в группы так же, как и обмотки короткой сети электропечных трансформаторов.
На рис. 136, а показано параллельное соединение двойных (парных) катушек обмотки со стороны выпрямления (одной фазы), применяемое в мостовых схемах, а на рис. 136, б — параллельное соединение катушек полуфазных обмоток для получения шестифазной обмотки со схемой звезда — обратная (перевернутая) звезда. При небольшом числе витков (больших токах) применяют также обмотки, собранные из одинарных дисковых катушек, присоединяемых параллельно к сборным шинам. При малых напряжениях и очень больших токах в преобразовательных трансформаторах, как и в электропечных, на стороне диодов используют также листовые и шинные обмотки. Для обмоток, соединяемых в двойной зигзаг, используют также одно-, двух- и трехходовые винтовые обмотки. В преобразовательных трансформаторах, как и в электропечных и по тем же причинам при напряжениях 35 кВ и ниже, наружными по размещению на стержнях остова являются обмотки НН, внутренними — ВН.
Рис. 136. Схемы соединения парных катушек обмоток со стороны выпрямления трансформатора:
а — фазных, б — полуфазных
Отводы.
Конструкция отводов ВН (сетевых обмоток) преобразовательных трансформаторов, такая же, как и у отводов ВН трансформаторов общего назначения: отводы обычно изготовляют из проводов ПБОТ, соединения выполняют электропайкой медно-фосфористым припоем, крепления — из буковых планок.
Отводы обмоток со стороны выпрямления в отличие от сетевых представляют собой довольно сложную конструкцию, состоящую из большого количества массивных медных шин, компенсаторов и крепежных деталей: буковых, гетинаксових или стеклотекстолитовых планок, стальных и текстолитовых шпилек, болтов и гаек.
Для взаимной компенсации магнитных полей, снижающей падение напряжения и потери в отводах, шины располагают рядом (параллельно) так, чтобы токи в них имели противоположное направление, и как можно ближе одна к другой, при этом узкая сторона шины (ребром) должна быть обращена к стенке бака для уменьшения ее нагревания.
В шестифазной схеме обмоток звезда — обратная звезда с уравнительным реактором нейтрали звезд соединяют с реактором гальванически (электропайкой медно-фосфористым припоем), а концы обмоток реактора, имеющие отрицательную полярность выпрямленного напряжения, выводят из трансформатора наружу. Это необходимо для проверки мегаомметром качества изоляции между обмотками звезд и обмоток реактора. Для соединения отводов с вводами применяют гибкие связи — компенсаторы, рассмотренные ранее.
Переключающие устройства.
Для регулирования напряжения в преобразовательных трансформаторах служат переключающие устройства ПБВ и РПН трехфазные в трансформаторах до 2500 кВ-А, однофазные — в больших мощностях и когда сетевая обмотка соединена в треугольник. Кроме того, на стороне сетевой обмотки дополнительно устанавливают диапазонный переключатель, предназначенный для переключения без нагрузки сетевых обмоток со звезды в треугольник и обратно и для включения их параллельно или последовательно. Эти переключения связаны с изменением режимов токовой нагрузки электроустановки потребителя.
Диапазонный переключатель обычно состоит из двух гетинаксовых плит, установленных параллельно и закрепленных на стальной раме; вала, вращающегося в подшипниках, вмонтированных в плиты; подвижных контактов ламельного вида, закрепленных на валу; гетинаксовых реек, прикрепленных к плитам и несущих на себе неподвижные контакты. Вал посредством зубчатых передач, шарнирных соединений и сальниковых уплотнений выведен через стенку бака трансформатора наружу и соединен с установленным на нем ручным приводом; переключатель закрепляют на верхних ярмовых балках активной части.
Электролизные установки, установки электрометаллургии, электрифицированного железнодорожного транспорта и некоторые другие нуждаются в бесперебойном электроснабжении и, по условиям технологического процесса, в частом и плавном регулировании напряжения. Питающие их трансформаторы с РПН должны производить от 25 до 100 переключений в сутки. По требованию стандарта такие преобразовательные трансформаторы должны иметь переключающие устройства РПН, допускающие 500 000 переключений контактов переключателя (не разрывающих ток) и не менее 80 000 переключений контактов, разрывающих ток (контакторов). Такое жесткое требование не может быть удовлетворено применением реакторных и резисторных переключающих устройств, устанавливаемых в силовых трансформаторах общего назначения, так как их контактная система и механизмы передачи подвержены сравнительно быстрому износу, снижающему их надежность и срок службы. Указанным требованиям, хотя и не полностью, удовлетворяют переключающие устройства марки РНТВ, разрывающие цепь тока контакторами не в масле, а в вакуумных дугогасительных камерах.
Рис. 137. Принципиальная схема бесконтактного устройства с плавным регулированием напряжения: 1 — обмотки преобразовательного трансформатора, 2 — обмотка подмагничивания постоянным током, 3— обмотка дросселя
Рис. 138. Принципиальные схемы РПН на тиристорах с плавным регулированием напряжения:
а — плавное бесконтактное регулирование, б — плавно-ступенчатое регулирование с контактными переключателями; тиристор, Отр — обмотка трансформатора,трансформатора, П1 и П2 — переключатели избирателя ступеней
1 — обмотки преобразовательного трансформатора, 2 — обмотка подмагничивания постоянным током, 3— обмотка дросселя
При их применении отпадает необходимость в частой чистке контактов и замене масла.
Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям переключающие устройства с плавным бесконтактным регулированием. Они подразделяются на: бесконтактные с подмагничиванием магнитной системы постоянным током последовательно включенных трансформаторов (основного и вспомогательного); бесконтактные с регулированием дросселем насыщения, включенным последовательно с обмоткой трансформатора; бесконтактные с регулированием дросселями насыщения, включенными в регулировочные ответвления обмотки трансформатора; бесконтактные с плавным регулированием со встречно-параллельным включением тиристоров.
На рис. 137 показана принципиальная схема бесконтактного устройства с плавным регулированием напряжения дросселем насыщения, включенным последовательно с первичной обмоткой трансформатора, и подмагничиванием постоянным током. При подмагничивании или размагничивании дросселя насыщения изменением полярности постоянного тока на концах намагничивающей обмотки изменяется его насыщение — индуктивное сопротивление, следовательно, напряжение дросселя Uд на зажимах его обмотки и соответственно регулируемое напряжение трансформатора.
На рис. 138, а показана принципиальная схема переключающего устройства с плавно-ступенчатым регулированием; она позволяет плавно изменять напряжение в пределах каждой ступени.
В схемах со встречно-параллельным включением тиристоров (рис. 138, 6) бесконтактное плавное регулирование напряжения достигается автоматическим управлением работой тиристоров, очередностью и плавным открытием и закрытием их.
Вводы.
Для напряжений 35 кВ и ниже в преобразовательных трансформаторах применяют съемные (разборные) вводы с фарфоровым изолятором, при большем напряжении (на стороне ВН) — маслонаполненные.
При токах порядка 5—10 кА устанавливают специальные вводы с фарфоровым изолятором класса напряжения 3 кВ. Для таких же токов и напряжений до 1 кВ на стороне выпрямления применяют шинные и трубчатые вводы.
Вспомогательные устройства.
Бак, охладители, выхлопная труба, подъемно-транспортные приспособления, термосифонные фильтры, осушители воздуха, изготовляемые из стали методом сварки, а также устройства для защиты масла, арматура, контрольные приборы, газовое реле, реле контроля уровня масла, термометрические сигнализаторы и другие вспомогательные средства по конструкции и форме практически ничем не отличаются от применяемых для силовых трансформаторов общего назначения.
Сборка.
Большие токовые нагрузки, частые изменения режима нагрузки, короткие замыкания на стороне выпрямления, необходимость плавного регулирования напряжения, характерные при работе преобразовательных трансформаторов, предъявляют особое требование к механической прочности всех сборочных единиц трансформатора, в частности к обмоткам ВН, особенно НН. Поэтому при сборке преобразовательных трансформаторов операциям прессовки обмоток, креплению отводов, переключающих устройств, активной части уравнительного реактора следует уделять особое внимание. Сам технологический процесс сборки преобразовательных трансформаторов во многом сходен с технологией сборки электропечных трансформаторов, это обусловлено тем, что они имеют аналогичные конструкции обмоток вводов ВН и НН, системы охлаждения, вспомогательных устройств.
Основное отличие в технологическом процессе их сборки — установка в баке вместе с активной частью или вынос за его пределы вентилей (диодов, тиристоров); монтаж дополнительно к переключающему устройству РПН диапазонного переключателя и специальных устройств для плавного регулирования напряжения, сборка и монтаж уравнительного реактора.
