7

Южно-Российский Государственный Технический университет,

(Новочеркасский Политехнический институт), ЮРГТУ (НПИ).

Курс лекций

по дисциплине «Электромеханика» для студентов энергетического факультета.

Кафедра «Электромеханика».

Лектор: профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, действительный член академии электротехнических наук РФ и академии транспорта РФ Щербаков Виктор Гаврилович.

г. Новочеркасск, 2007г.

Рис. 12-26. Трансформатор с трубчатым баком

1-обмотка ВН; 2- обмотка НН; 3-переключатель регулировочных отводов обмотки ВН; 4 – балка, прессующая ярмо; 5 – шихтованный Магнитопровод; 6 – отводы ВН; 7 – отводы НН; 8 – патрубок для присоединения вакуумного насоса; 9 – кольцо для подъема выемной части; 10 - кран для заливки масла; 11 – ввод (изолятор) ВН; 12 – ввод (изолятор) НН;

13 – привод переключателя; 14 – выхлопная труба; 15 – газовое реле; 16 – расширитель; 17 – трубчатый бак; 18 – кран для спуска масла; 19 – транспортный ролик; 20 – вертикальная шпилька для стягивания прессующих балок ярем;

21 – упорный угольник на дне бака

Курс лекций составлен по материалам учебника для студентов высших технических учебных заведений.

– IIIиздание, переработанное – Л.: Энергия, 1978.

– 832 c., ил.

Автор А. И. Вольдек.

Номера и наименования глав и параграфов курса лекций соответствуют учебнику.

Курс лекций рассчитан на 68 академических часов в течение двух семестров для потока студентов III-го курса энергетических специальностей.

Трансформаторы

Глава 12. Основные сведения о трансформаторах.

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

§12-1. Принцип действия и виды трансформаторов.

рис.12.1

В простейшем случае трансформатор имеет одну первичную обмотку 1, к которой подводится электрическая энергия генератора Г, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю(z_нг). Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции.

Магнитопровод 3 при частоте тока f<150Гц изготавливается из листовой электротехнической стали толщиной 0,350,5 мм. Приf>150 Гц применяется более тонкая сталь, а приf≥100 кГц потери на гистерезис и вихревые токи становятся чрезвычайно большими и трансформаторы выполняются без ферромагнитного магнитопровода (воздушные) или из магнитодиэлектриков с малыми магнитными потерями.

Так I₁создает поток Ф, который индуктирует э.д.с. как в первичной, так и во вторичной обмотках. При подключенииz_нг во вторичной обмотке возникает токI₂ и на ее зажимах устанавливаетсяU₂ . При этом создается в магнитопроводе результирующий магнитный поток Ф_с, создаваемый токами обеих обмоток.

Электрические соотношения в идеальном трансформаторе:

1. Сопротивления обмоток и потери в стали отсутствуют:

r₁=r₂=0;P_c=0;U₁=U₂=0.

2. Магнитная проницаемость стали _с = ∞,

3. В магнитопроводе нет разъемов и стыков.

4. Все линии магнитной индукции сцепляются со всеми витками обеих обмоток ₁и₂ , т.е. нет рассеяния магнитного потока. При этом связь между обмотками является полной и коэффициент электромагнитной связи обмоток трансформатора

(12-1)

где L₁₁иL₂₂ – собственные индуктивности, а- взаимная индуктивность обмоток.

Э.д.с. при синусоидальных переменных потоках.

(12.1)

Где: =wф_с- потокосцепление контура;_с– амплитуда магнитного потока;= 2f– угловая частота (скорость изменения фазового угла первичной и вторичной обмоток,а (t) – фазовый угол - угловое значение аргумента синусоидальной э.д.с. при переходе через ноль).

Действующие значения этих э.д.с.:

(12-3)

т.к.

U₁=0,U₂=0, тоU₁=E₁,U₂=E₂(12.4)

(12-5)

где

(12-6)

Мощности первичной и вторичной обмоток должны быть равны U₁I₁=U₂I₂,откуда

(12-7)

или

I₂=kI₁, (12.9)

т.е. первичное и вторичное напряжения прямопропорциональны, а первичный и вторичный токи обратнопропорциональны числам витков соответствующих обмоток.

В реальном трансформаторе эти соотношения несколько нарушаются, но при нагрузках близких к номинальным эти отклонения относительно малы.

Трансформатор на рис. 12-1 называется двухобмоточным. Во многих случаях применяются трансформаторы с несколькими первичными и вторичными обмотками –многообмоточные. Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. С другим числом фаз применяются в специальных устройствах.

Силовые трансформаторы служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем. Кроме того, имеются трансформаторы специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные, и др.

Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. Из-за пожароопасности масла, выполняющего роль электрической изоляции и охлаждающего агента, в общественных и жилых зданиях и в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы.

В паспортных табличках силовых трансформаторов указывается:

1. Номинальная полная мощность S_н, кВА;

2.Номинальные линейные напряжения обмоток U_л.н.,В; кВ;

3.Номинальные линейные токи I_л.н., А;

4.Номинальная частота переменного тока f_н, Гц;

5. Число фаз, m;

6. Схема и группа соединений обмоток;

7. Напряжение короткого замыкания U_k;

8. Режим работы (длительный, кратковременный)

9. Способ охлаждения.

§12-2 Магнитопроводы трансформаторов.

Виды магнитопроводов– подразделяются на стержневые и броневые. Магнитопровод однофазного стержневого трансформатора имеет два стержняСдля размещения обмоток и два ярмаЯ.

рис 12.2. а) стержневой трансформатор.

б) броневой трансформатор

Каждая из двух обмоток 1 и 2 состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях , соединенных последовательно либо параллельно. Это приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи.

Броневой трансформатор имеет один стержень с двумя обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно броне.

При трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора – трансформаторную группуилигрупповой трансформатор.Однако чаще применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом они компактнее и дешевле.

Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие:

i_a +i_b +i_c=0,

то для синусоидальных токов трех трансформаторов также соблюдается условие:

Ф_а+ Ф_b+ Ф_с=0.

Поэтому если объединить три стержня 1, 2, 3 в общий стержень, то поток в нем будет равен нулю, и его можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости, что было предложено Доливо-Добровольским в 1889г. Эта конструкция получила всеобщее распространение. Влияние несимметрии магнитных линий (для средней фазы их длина несколько короче) весьма незначительно.

Броневые трансформаторы из-за сложности конструкции в нашей стране распространения не получили.

Рис.12.3 трансформаторная группа.

Рис. 12.4 идея образования трехфазного трехстержневого трансформатора.

По способу сочленения стержней с ярмами различаются трансформаторы со стыковыми и шихтованными магнитопроводами. Стыковые применяются редко из-за наличия немагнитных зазоров в местах стыков, вызывающих заметное увеличение магнитного сопротивления и вследствие этого намагничивающего тока.

Стержневые магнитопроводы имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность.

Рис.12.7 а) шихтованный; б) стыковой

Рис. 12.9.

Число стержней увеличивается с увеличением мощности (рис.12.9,б)

Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять требованиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостойкости.

В зависимости от номинального тока и напряжения, конструкции обмоток весьма разнообразны.

Обмотки изготавливаются из медных и алюминиевых проводов. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов 2 4,5 А/мм², в сухих 1,21,3 А/мм². В алюминиевых – на 4045% меньше. Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из нескольких параллельных проводников.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду(), либо в треугольник().Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. Например, для сетей с напряжением 35кВ и более, выгодно соединять обмотку в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжении выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли в раз меньше линейного, что снижает расход дорогостоящей электрической изоляции. Осветительные лампы накаливания более низкого напряжения имеют большую световую отдачу , а осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, питающих осветительные сети, соединяются обычно в звезду и осветительные лампы включаются на фазное напряжение – между линейными и нулевыми проводниками.

В ряде случаев, когда ток обмотки невелик, при соединении в звезду обмотки получаются более дешевыми, так как число витков при этом уменьшается в раза, а сечение проводов увеличивается также в раза, вследствие чего трудоемкость изготовления обмотки и стоимость обмоточного провода уменьшается.

С другой стороны, с точки зрения влияния высших гармоник, и поведения трансформатора при несимметричных нагрузках, целесообразно соединять одну из обмоток трансформатора в треугольник.

В некоторых случаях выполняют соединение обмоток по схеме зигзага, когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. При этом вторая половина обмотки подключается встречно первой, потому что при встречном соединении (см. рис. 12-22,б) э.д.с. фазы в раз больше, чем при согласном.

Рис. 12.22. соединение трехфазной обмотки зигзагом встречно.

.

Однако, при соединении обмоток зигзагом расход обмоточного провода на 15 % больше, поэтому это соединение применяется только при неравномерной нагрузке фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между э.д.с. первичной и вторичной обмоток. Поэтому введено понятие о группах соединения обмоток.

На рис. 12-23 а, показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому левыми, причем у обоих обмоток начала А, а находятся сверху, а концы Х, х – снизу. Будем считать э.д.с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу, а обмотки сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э.д.с. этих обмоток в каждый момент времени действует в одинаковых направлениях. Поэтому э.д.с. Е_Аи Е_асовпадают по фазе.

Рис. 12.23. Группы соединения обмоток однофазного трансформатора.

Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 12.23, б), то направление э.д.с., изменится на обратное, и э.д.с. Е_Аи Е_а будут иметь сдвиг на 180. Такой же результат получится, если одну из обмоток выполнить «правой».

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э.д.с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку, направленную на цифру 12, а вектор э.д.с., обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 12.23,а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток называют группой 0. На рис. 12.23, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение обмоток называют группой 6. В этих случаях соединения обозначаются I/I-0 иI/I-6. В России (СССР) стандартизованы и изготавливаются однофазные трансформаторы только с соединениемI/I-0.

В трехфазном трансформаторе при соединениях обмоток и э.д.с. как показано на рис. 12.24, а звезды фазных э.д.с. и треугольники линейных э.д.с., будут иметь вид на рис. 12.24 б. При этом одноименные векторы линейных э.д.с. (Е_АВ, Е_аb) направлены одинаково, т.е. совпадают по фазе. Поэтому схема соединений обозначаетсяY/Y-0.

Если на рис. 12.24 а, произвести перестановку фаз обмотки НН и разместить фазу «а» на среднем стержне, фазу «b» - на правом, а фазу «с» - на левом, то на векторной диаграмме НН (рис. 12-24, б) произойдет круговая перестановка фазa,b,cпо часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной перестановке будет группа 8.

Рис. 12-24. Группа соединений Y/Y-0.

Рис. 12-24,г. Группа Y/Y – 4

Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10, 2. Таким образом, при соединении по схеме Y/Yвозможно шесть групп соединений (0, 2, 4, 6, 8, 10), причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить по схеме/.

При соединении обмоток по схеме Y/(рис. 12-25,а) векторные диаграммы э.д.с. обмоток ВН и НН будут иметь вид на рис. 12-25,б. При этом одноименные линейные э.д.с., например,Е_АВиЕ_abбудут сдвинуты на 30и расположатся на циферблате по рис. 12-25,b, это соединение обмоток обозначаетсяY/-11.

При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток можно получить также другие нечетные группы 1, 3, 5, 7, 9.

Большой разнобой в схемах и группах соединений трансформаторов нежелателен.

Рис. 12-25. трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/-11

.

Поэтому ГОСТ 11677-75 предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами: Y/Y₀– 0;/Y₀– 11;Y/- 11;Y₀/- 11, а такжеY– зигзаг – 11.

При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки. Обозначения начал и концов обмоток трансформаторов приводится в таблице 12-1.

Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются 0, 0_m,₀

Таблица 12 – 1

Обозначение начал и концов обмоток		Наименование обмоток трансформатора
Трехфазные	Однофазные
A, B, C X, Y, Z a, b, c x, y, z Am, Bm, Cm Xm, Ym, Zm	А Х а х Аm Xm	Обмотки высшего напряжения: Начала Концы Обмотки низшего напряжения: Начала Концы Обмотки среднего напряжения: Начала Концы

§12-5 Элементы конструкции и способы охлаждения трансформаторов (масляных).

Трансформаторы мощностью S_н20 кВА имеют гладкие баки. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: масло возле обмоток и магнитопровода, нагреваясь поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. Наибольшая допускаемая температура масла в верхних слоях95С.

У трансформаторов S_н20 до 1800кВА к баку привариваются трубы для увеличения поверхности охлаждения бака.

При S_н1800 кВА используются гладкие баки с подвешенными к ним трубчатыми охладителями(рис. 12- 26), которые сообщаются с внутренней полостью бака в ее верхней и нижней частях. Циркуляция масла в охладителе также совершается в результате естественной конвекции. ПриS_н=1060 МВА для более интенсивного отвода тепла от охладителей применяется их обдувание вентиляторами. При этом теплоотдача увеличивается на 5060%.

Еще более интенсивным является водяное охлаждение через водяные охладители (теплообменники).

На крышке трансформатора устанавливаются выводы для соединения с внешней сетью.

Трансформаторы с S_н75 кВА снабжаются расширителями, представляющими собой сосуд, соединенный при помощи патрубка с баком. Открытая поверхность масла, при колебаниях температуры окружающей среды и нагрузки трансформатора, всегда должна оставаться в пределах расширителя, что уменьшает открытую поверхность масла и его окисление.

Для предотвращения повреждения бака в случаях аварии и бурного разложения масла и выделения газа на крышке трансформатора устанавливается выхлопная труба.

Между расширителями и баком при S_н500 кВА устанавливается газовое реле, которое в случае аварии дает сигнал на отключение трансформатора от сети.