Лабораторная работа № 9
Цель: Изучение конструкции силового трансформатора, расчёт номинальных параметров силового трансформатора.
Теоретические сведения
Силовой трансформатор – статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в ток другого напряжения. Общий вид силового трансформатора приведён на рисунке 1.
Рисунок 1- Силовой трансформатор
Передача электроэнергии на большие расстояния от генераторов электростанций к потребителю связана с определенной трудностью. Если подключить генератор, производящий энергию большой мощности к линиям электропередач, то по закону Джоуля-Ленца, провода будут нагреваться пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению провода. Даже при наибольшем номинальном напряжении современных генераторов 24 кВ, сила тока текущего по проводам будет высокой и чтобы уменьшить нагрев проводов, придется уменьшить их сопротивление. Уменьшение сопротивления приведет к значительному увеличению поперечного сечения провода, что сделает экономически невыгодной передачу электроэнергии потребителю.
Для решения этой проблемы используют силовой трансформатор, при помощи которого увеличивают напряжении и уменьшают пропорционально силу тока , при этом передаваемая мощность остается без изменений. У потребителя ставится силовой трансформатор, который понижает напряжение до требуемых значений.
Преобразование энергии в силовом трансформаторе, осуществляется переменным магнитным полем.
Схема замещения силового трансформатора.
Обычно для силовых трансформаторов более целесообразна так называемая Г-образная схема замещения, элементы которой имеют простой физический смысл и могут быть вычислены или измерены. Получается она следующим образом.
Ветвь намагничивания переносится на зажимы первичной обмотки и оказывается включенной на напряжение U1. Это вносит погрешность в математическую модель, так как в действительности ток намагничивания (ток холостого хода) протекает по первичной обмотке. Обычно ток холостого хода силовых трансформаторов меньше одного процента от номинального тока трансформатора, и такое упрощение считается допустимым. Сопротивления первичной обмотки оказываются последовательно включенными с приведенными сопротивлениями вторичной обмотки, и при их сложении получаются так называемые сопротивления трансформатора Rт и Xт. Схема замещения трансформатора приведена на рисунке 2:
Рисунок 2 -Г-образная схема замещения трансформатора
Полученная схема носит название Г-образной схемы замещения трансформатора и применяется для выполнения расчетов схем электрических сетей, где она еще больше упрощается посредством представления ветви холостого хода в виде постоянных величин потерь активной и реактивной мощности на холостой ход (рисунок 3).
Рисунок 3 - Упрощенная Г-образная схема замещения трансформатора
Конструктивное выполнение и принцип действия силового трансформатора.
Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной системы переменного тока в другую систему переменного тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.
Силовые трансформаторы применяются в системах передачи и распределения электроэнергии; для установок с преобразователями переменного тока в постоянный (выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы); для получения требуемых напряжений питания у электроприемников. Силовые трансформаторы устанавливаются на электростанциях, на понижающих подстанциях, в центрах питания потребителей и непосредственно у потребителей электрической энергии.
В электрических сетях используются трехфазные трансформаторы или группы из трех однофазных трансформаторов. Силовые трансформаторы выполняют двухобмоточными и трехобмоточными. Существуют также трехобмоточные автотрансформаторы и двухобмоточные трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой.
Основными элементами силовых трансформаторов являются: магнитопровод, обмотки, изоляция, бак, расширитель и высоковольтные вводы. Другие части – это элементы системы охлаждения, устройства регулирования напряжения, а также защитные и измерительные устройства.
Магнитопровод является магнитной системой силового трансформатора и служит конструктивным основанием для установки и крепления обмоток, отводов от обмоток и других деталей (рисунок 4). Магнитопровод выполняется из электротехнической стали.
Обмотки являются частью электрической цепи и состоят из обмоточного провода (медного или алюминиевого) и изоляционных деталей. К обмоткам также относят вводные концы обмоток, ответвления для регулирования напряжения и регулировочную обмотку, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений.
Обмотки состоят из последовательно соединенных катушек, которые могут наматываться непрерывно, т. е. без паек. Между катушками ставятся прокладки из электрокартона. Фазы обмоток одного напряжения соединяются между собой в звезду или треугольник.
Рисунок 4- Магнитопровод с обмотками силового трансформатора
В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом . Омывая обмотки и магнитопровод, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая большей теплопроводностью, чем воздух, через стенки радиатора отдает ее в окружающую среду.
Существуют также сухие трансформаторы.
Вводы предназначены для присоединения к сборным шинам распределительных устройств станций и подстанций. Ввод состоит из токопроводящей части, металлического фланца, служащего для крепления на крышке бака, и фарфорового изолятора.
Для компенсации температурных изменений применяется расширитель, помещенный в верхней части бака трансформатора или отдельным выносным баком.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока c напряжением u1 в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:
где w1 и w2 – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е2 в цепи этой обмотки создается ток i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение u2.
Из формулы следует, что ЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.
Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, – обмоткой низшего напряжения (НH).
Трансформаторы обладают свойством обратимости; один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим.
Трансформатор – это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток и магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению (dΦ/dt = 0). Поэтому и в обмотках трансформатора не будет наводиться ЭДС.
Общее устройство силовах трансформаторов.
В последнее время в связи с внедрением теплостойкой изоляции расширился и предел применения воздушного (безмасляного) охлаждения силовых трансформаторов. Стало возможным выполнение «сухих» трансформаторов до мощности 1000 ква при напряжении до 15 кв.
Общий вид трансформатора с воздушным охлаждением без защитного кожуха изображен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Общий вид трехфазного трансформатора с воздушным охлаждением мощностью 560 кВА, 10 кВ, без защитного кожуха.
Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов и элементов, представляющих собой конструктивную его часть.
Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы — для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели — для регулирования напряжения трансформатора, баки — для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы — для охлаждения трансформатора и др.
Магнитопровод трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками.
Для силовых трансформаторов преимущественно применяются магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, а трехфазные три стержня. Стержни соединены верхним и нижним ярмами. Одно- и трехфазный трансформаторы со стержневыми магнитопрово-дами показаны на рисунке 6 и 7.
Рисунок 6 - Однофазный стержневой магнитопровод
Рисунок 7 - Трехфазный стержневой магнитопровод
На рисунке 6 и 7 буквами С—С обозначены стержни. Я—Я — ярма о—О — обмотки, ИЦ — изоляционный цилиндр.
Магнитопровод трансформатора собирается из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга нанесением лаковой или химической изоляционной пленки.
Так как магнитопроводы собираются из пластин прямоугольной формы, то их сборка производится впереплет (такая сборка называется шихтовкой).
При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя, как это показано на рисунке 8 б. Сборка встык применяется редко.
Рисунок 8- Сборка магнитопровода
Сборка магнитопроводов способом шихтовки преследует две цели: во-первых, уменьшение намагничивающего тока трансформатора и, во-вторых, увеличение механической прочности собранного магнитопровода.
Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают форму, близкую к кругу (вписанную в окружность), показанную на рисунке 9. Число ступеней выбирается в зависимости от мощности трансформатора: чем больше мощность (а следовательно, и диаметр круга), тем больше берется число ступеней.
Рисунок 9 - а — прямоугольная; б — ступенчатая
Внутри магнитопроводов трансформаторов большой мощности для лучшего отведения тепла, возникающего от потерь в стали, устраиваются охлаждающие каналы, по которым циркулирует масло или воздух (у «сухих» трансформаторов).
Ярмо магнитопровода имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности с целью некоторого упрощения конструкции число ступеней сечения ярма часто берут меньшим, чем у сечения стержня, или иногда ярмо делают прямоугольного сечения. В последних случаях для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали сечение ярма выбирают на 5—10% больше сечения стержня.
Обмотки силовых трансформаторов обычно подразделяют на обмотки высшего и низшего напряжения (ВН и НН), а не на первичную и вторичную, так как любая из обмоток может быть первичной или вторичной в зависимости от того, которая из них включается в питающую сеть.
Расположение обмоток ВН и НН на стержне у силовых трансформаторов применяется преимущественно концентрическое, т. е. когда одна обмотка одета (или намотана) на другую, как показано на рисунке 10 , а.
Рисунок 10- Расположение обмоток ВН и НН на стержне магнитопровода:
а - концентрическое; б - чередующееся.
При концентрическом расположении обмотки выполняются цилиндрическими двух- или многослойными, катушечными, винтовыми или непрерывными. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов.
У некоторых трансформаторов специального назначения, как, например, у электропечных, применяется чередующееся расположение обмоток. При таком расположении обмотки выполняются дисковыми, состоящими из отдельных одинарных или двойных дисковых катушек. Катушки ВН и НН насаживаются на стержень поочередно причем крайними со стороны ярм располагают катушки НН, как требующие меньших изоляционных расстояний. Схематически чередующаяся обмотка изображена на рис. 10,6.
Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.
Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем потерь нагревается. Чтобы температура нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.
Для увеличения теплоотдающей поверхности бака, что необходимо с увеличением мощности трансформатора, в стенки вваривают трубы, а у самых крупных трансформаторов к бакам пристраивают охладители в виде радиаторов или отдельных охлаждающих устройств.
Общий вид силового трансформатора с трубчатым баком изображен на рисунке 11
Рисунок 11- Общий вид силового масляного трехфазного трансформатора мощностью 320 ква, 6кв, с трубчатым баком:
1 — термометр; 2 — ввод обмотки ВН; 3 — ввод об мотки НН; 4 — пробка для заливки масла; 5 указатель уровня масла; 6 — пробка для доливки масла; 7 — маслорасширитель; 8 — магнитопровод; 9 —обмотка НН; 10 — обмотка ВН; 11 — пробка для взятия пробы и спуска масла; 12 — бак для масла.
Обозначения схем и групп соединения обмоток трехфазных трансформаторов.
Соединения в схемы «звезда», «треугольник» или «зигзаг» фазных обмоток трехфазного трансформатора или обмоток на одно и то же напряжение группы однофазных трансформаторов должны быть обозначены прописными буквами У, Д и Z, соответственно. Если нейтраль обмоток, соединенных в «звезду» или «зигзаг», выведена на крышку бака, то обозначение будет иметь вид Ун или Zн соответственно.
Зажимы разомкнутых обмоток фаз трехфазного трансформатора (не соединенные вместе внутри трансформатора и с выведенными на крышку бака обоими концами обмоток каждой фазы) обозначают буквами А, В, С — для обмоток ВН; Аm, В, Сm — для обмоток СН; а, b, с — для обмоток НН.
Для пары обмоток с автотрансформаторной связью принято обозначение «авто», например Ун авто.
Условные буквенные обозначения различных обмоток трансформатора указывают в порядке уменьшения номинального напряжения. Буквенное обозначение схем соединения всех обмоток среднего и низшего напряжений должно включать в себя указание их группы соединения в часовой символике .На рисунке 12 показаны схемы и группы соединения обмоток трех различных трансформаторов, параметры и условные обозначения которых даны в примерах, приведенных ниже.
В зависимости от схемы соединений первичной и вторичной обмоток , направления намотки и маркировки выводов 3-х фазного трансформатора его линейные первичные и вторичные напряжения могут быть сдвинуты по фазе на различный угол. Для облегчения практического включения трансформаторов на параллельную работу , приходится разделять их на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями , измеренными на одноимённых зажимах. Группы соединений обозначают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяется углом между векторами первичного и вторичного линейных напряжений , поделённом на 30 градусов , при этом угол отсчитывают от вектора линейного напряжения высокой обмотки по часовой стрелке ( в сторону отставания векторов) .
У нас выпускают 3-х фазные трансформаторы двух групп: трансформаторы, обмотки которых соединены в Y/Y имеют 0 группу Y/Y-0, при этом векторы линейных напряжений UAB и Uab совпадают по фазе, а трансформаторы , обмотки которых соединены по схеме Y/Д или Д/ Y имеют 11 группу. В этом случае вектор Uab обмотки низшего напряжения отстаёт от вектора UAB высокого напряжения на угол 330 градусов
Рисунок 12 - Примеры обозначения схем и групп соединения обмоток трансформаторов в часовой символике.
Схемы соединения обмоток.
При соединении обмоток трехфазных трансформаторов как двухобмоточных, так и трехобмоточных применяют различные схемы соединения. Однако в силовых трансформаторах как повышающих, так и понижающих, главных образом применяются схемы соединения в звезду, треугольник и зигзаг—звезду. Для практических целей в энергосистемах не требуется большого количества схем соединений обмоток. Так, для мощных трансформаторов применяется одно соединение обмоток ВН и СН— в звезду с выведенной нейтралью (Y0), а для обмоток НН — в треугольник (А).
а) Соединение обмоток в звезду
Если соединить концы или начала обмоток трех фаз вместе, то получится соединение в звезду. На рисунке 13,а показаны обмотки НН, соединенные в звезду. В нулевой точке соединены все концы обмоток x. у, z, а к началам а, в с— подводится напряжение от трехфазной сети или генератора. На рисунке 13 показано то же соединение обмоток НН в звезду, но только в нулевую точку соединены другие концы обмоток, которые прежде присоединялись к сети. При независимой друг от друга работе трансформаторов подобное «переворачивание» одной из обмоток, соединенной в звезду, не имеет значения, но параллельная работа таких трансформаторов, как это будет доказано далее, невозможна. В звезду могут быть соединены различные обмотки трансформатора как ВН и СН, так и НН. Нулевая точка звезды может быть выведена на крышку трансформатора . По схеме звезда или звезда с выведенной нулевой точкой соединяются обычно обмотки ВН как повышающих, так и понижающих трансформаторов различной мощности.
Рисунок 13 - Соединение обмотки НН в звезду.
а — одна схема соединения; б — другая схема соединения; в — соединение в звезду с выведенной нулевой точкой; г — векторная диаграмма линейных
э. д с.
б) Соединение обмоток в треугольник
Если соединить конец фазы а (точку х) с началом фазы с, конец фазы с (точка z) с началом фазы b и конец фазы b (точка у) с началом фазы а, то получится соединение в треугольник (рисунок 14,а). Соединение в треугольник можно осуществить иначе, соединяя конец фазы а с началом фазы b, конец фазы b с началом фазы с и конец фазы с с началом фазы а. (рисунок 14,6)
Векторная диаграмма линейных э. д. с. при соединении обмоток в треугольник по схеме рисунок 14,а ,в и г будет равносторонним треугольником При соединении в треугольник фазные напряжения будут равны линейным.
Рисунок 14 - Соединение обмоток НН в треугольник.
а — первая схема соединения обмоток в треугольник, б — вторая схема соединения обмоток в треугольник; в — вектора линейных э. д. с фаз a, b и с; г —векторная диаграмма линейных э д с
в) Соединение обмоток в зигзаг — звезду (равноплечий и неравноплечий зигзаг)
Равноплечий зигзаг может быть получен, если соединить по одной из трех схем рисунок 15,а, б и в концы и начала шести полуобмоток с одинаковыми числами витков (а следовательно, и э. д. е.), расположенных по две полуобмотки на каждой фазе трансформатора.
Рисунок 15 - Соединение обмотки НН в равноплечий зигзаг.
а —первая схема соединения; б — вторая схема соединения; в — третья схема соединения; г — векторная диаграмма э. д. с. звезды нижних полукатушек; д — векторная диаграмма линейных э. д. с.
Параметры силового трансформатора.
Номинальный режим работы трансформатора характеризуется номинальными параметрами:
- номинальной мощностью ;
- номинальным напряжением;
- номинальным током;
- испытательным напряжением
Номинальные значения мощности и тока. Номинальные мощности трансформаторов должны соответствовать ГОСТ 9680—77Е. Согласно ГОСТ предусматриваются следующие номинальные мощности трансформаторов и автотрансформаторов в кВА:
10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300; 10000; 16000; 25000; 40000; 63000.
Мощность (в вольт-амперах) трехфазного трансформатора при равномерной нагрузке фаз определяется выражением 1
(1)
где U—номинальное междуфазное напряжение, В; I — ток в фазе, А.
Из выражения (1) по известным из паспортных данных номинальным значениям мощности и напряжений сторон ВН и НН могут быть определены значения номинальных токов (в амперах) обмоток ВН и НН трансформатора
где Sном.указывается в киловольт-амперах (кВ-А), а Uном — в киловольтах (кВ)
Например, для трансформатора мощностью 400 кВ-А с напряжением стороны ВН, равным 10 кВ, и стороны НН, равным 0,4 кВ, номинальные токи обмоток:
Как правило, во время работы трансформаторы не должны перегружаться, т. е. значения рабочих токов в обмотках трансформатора не должны превышать поминальные. Однако допускаются в определенных пределах кратковременные и длительные перегрузки.