1. Загальні питання проектування трифазних трансформаторів

1.1. Призначення силових трансформаторів та найважливіші завдання їх проектування

Трансформатори набули широкого використання у різних галузях електротехніки. Їх використовують в енергетичних установках для перетворення напруги та для зв'язку мереж і систем з різними напругами, електроприводі, електротязі, електротермії та ін. Широко використовують різні виконання трансформаторів у радіотехніці та електроавтоматиці.

Номінальні напруги і потужності трансформаторів коливаються у широких межах. Так, діапазон потужностей трифазних трансформаторів становить від долей вольт-ампера до 1млн кВА і більше. Прийнято, що силові трансформатори мають потужність понад 6,3 кВА.

Силові трансформатори використовують для перетворення енергії в електричних мережах і установках, призначених для передачі та споживання електричної енергії. Силові трансформатори є одними із найважливіших елементів кожної електричної мережі. Передача електричної енергії на великі відстані від місця її виробництва до споживання потребує в сучасних мережах не менше п’яти - шестикратної трансформації у підвищувальних і понижувальних трансформаторах. Необхідність розподілу електроенергії по різних радіальних напрямках серед багатьох споживачів менших потужностей призводить ще до збільшення числа трансформаторів. Тому сумарна потужність встановлених силових трансформаторів у розгалужених електричних мережах у 7-8 разів більша за сумарну потужність генераторів електростанцій.

Слід відмітити, що з віддаленням від електростанції одиничні потужності трансформаторів зменшуються, а питома витрата матеріалів на виготовлення трансформатора і втрати на одиницю потужності зростають. Тому значна частина матеріалів, що використовують на силові трансформатори, вкладається у розподільчі трансформатори напругою 10 і 35 кВ, що безпосередньо живлять споживачі. Отже, економія матеріалів і зменшення втрат особливо важливі у розподільчих трансформаторах.

Коефіцієнт корисної дії трансформаторів досягає 98-99%. Однак, необхідність багатократної трансформації електроенергії призводить до того, що загальні втрати енергії у трансформаторах досягають суттєвих значень. Тому, одним з найважливіших завдань у сучасному трансформаторобудуванні є істотне зниження втрат активної потужності у сталі магнітопроводів і обмотках трансформаторів.

Зменшення втрат у сталі досягається, здебільшого, за рахунок широкого використання холоднокатаної рулонної електротехнічної сталі з покращеними магнітними властивостями – низькими питомими втратами. Використання такої сталі, що має анізотропні механічні та магнітні властивості і є чутливою до поштовхів, ударів та згинів при транспортуванні рулонів та виготовленні магнітної системи вимагає суттєвої зміни конструкції магнітної системи, а також новітніх технологій виготовлення та обробки пластин і виготовлення магнітної системи.

Для нових конструкцій магнітних систем характерним є використання скісних стиків пластин у кутах магнітопровода, пресування стержнів і ярм кільцевими бандажами замість наскрізних шпильок і багатоступенева форма перерізу ярма в плоских магнітних системах. Використовуються також стикові стержневі просторові магнітні системи, що зібрані з плоских пластин, а ярма намотані із стрічки холоднокатаної сталі, або магнітні системи, що складені тільки з намотаних елементів. Такі конструкції дозволяють зменшити витрати електротехнічної сталі та втрати в ній.

Зменшення втрат в обмотках досягається, здебільшого, зниженням густини струму за рахунок збільшення маси металу обмоток. Значною мірою це досягається заміною мідних провідників алюмінієвими в силових трансформаторах потужністю до 16000 кВА. Незважаючи на те, що заміна мідних обмоток алюмінієвими обмежується механічною міцністю обмоток при коротких замиканнях, можливість такої заміни в трансформаторах загального та спеціального призначення ще не вичерпана.

Скорочення витрат ізоляційних матеріалів, трансформаторного масла та металу, що використовують для виготовлення баків і систем охолодження, досягається шляхом зниження випробної напруги та зменшення ізоляційних проміжків за рахунок застосування новітніх технологій обробки ізоляції і використання нових засобів захисту трансформаторів від перенапруг. Великого ефекту в економії конструктивних матеріалів можна досягти застосовуючи нові системи охолодження.

Поряд з масляними трансформаторами використовують трансформатори з природним повітряним охолодженням. Вони, переважно використовуються в установках, що встановлені усередині виробничих, жилих і службових приміщень. Потужність таких трансформаторів досягає 1600 кВа і більше при напрузі до 10 кВ.

Для забезпечення економічної роботи електричних мереж і належної якості електроенергії, зокрема для підтримання стабільності напруги, необхідно регулювати напругу. Таке регулювання може відбуватися під напругою (РПН) або перемиканням без збудження (ПБЗ). Трансформатори потужністю до 250 кВА і напругою 10 і 35 кВ виготовляються з ПБЗ; потужністю від 400 до 6300 – з ПБЗ і РПН, потужністю 10000-80000 кВА і напругою 35 кВ – тільки з ПБЗ.

При проектуванні трансформаторів необхідно ураховувати додаткові втрати, що виникають від вихрових струмів, спричинених полями розсіяння обмоток, у конструктивних елементах трансформаторів, які можуть досягти 25% від втрат в обмотках. Для зменшення додаткових втрат використовують локалізацію поля розсіяння за допомогою установлених магнітних екранів із електротехнічної сталі та заміни деяких стальних деталей деталями з немагнітних матеріалів.