9.14. Многообмоточные трансформаторы

Во многих электрических установках желательна энергетическая связь нескольких цепей с различными номинальными напряжениями. Такую связь можно реализовать при помощи многообмоточного трансформатора, имеющего одну или несколько первичных обмоток и несколько вторичных обмоток. Простейший из многообмоточных трансформаторов — трехобмоточный — широко применяется в современных сетях высокого напряжения.

Трехобмоточный трансформатор имеет три электрически не связанные между собой обмотки: высшего напряжения (ВН) с числом витков Wi, среднего напряжения (СН) с числом витков w₂ и низшего напряжения (НН) с числом витков н'з, например ВН — 220 кВ, СН — 38,5 кВ, НН — 11 кВ (рис. 9.27, а). Эти три обмотки трансформатора (одна первичная и две вторичные) размещены на одном общем магнитопроводе, который ничем не отличается от магнитопровода двухобмоточного трансформатора. Намагничивающий ток первичной обмотки трехобмоточного трансформатора возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, который индуктирует во всех обмотках ЭДС, пропорциональные числам витков обмоток. Если вторичные обмотки нагружены токами i.₂, и I.₃, то МДС первичной обмотки должна уравновешивать размагничивающее действие МДС этих токов и, кроме того, иметь намагничивающую составляющую МДС. Поэтому аналогично (9.4)

I.₁w₁ = I.₂w₂ + I.₃w₃ + I_1xw₁, (9.26)

и первичный ток трансформатора можно рассматривать как сумму приведенных токов второй и третьей обмоток и намагничивающего тока (9.10а):

I.₁ = I.₂' + I.₃' + I._1x', (9.27) где I.₂' = (w₂/w₁)I.₂; I.₃' = (w₃/w₁)I.₃.

Таким образом, в трехобмоточном трансформаторе происходит передача энергии одновременно в две вторичные цепи второй и третьей обмоток.

Вероятность одновременной номинальной нагрузки обеих вторичных обмоток, при которой, кроме того, токи нагрузки I.₂ и I.₃ совпадают по фазе, мала. Поэтому первичная обмотка обычно рассчитывается на номинальную мощность меньшую, чем сумма номинальных мощностей вторичных обмоток. Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается полная мощность обмотки наибольшей мощности.

У трехобмоточного трансформатора различают три коэффициента трансформации

n₂₁ = w₂/w₁; n₃₁ = w₃/w₁; n₂₃ = w₂/w₃ = n₁₃/n₁₂,

которые определяются отношением соответствующих напряжений при холостом ходе, как и для двухобмоточных трансформаторов (см. (9.13)].

На рис. 9.27, б приведена схема замещения идеализированного трехобмоточного трансформатора, подобная схеме замещения на рис. 9.6, где

Z₂' = Z₂/n²₂₁ и Z₃' = Z₃/n²₃₁,

— приведенные комплексные сопротивления цепей нагрузки.

В последние годы вместо трехобмоточных трансформаторов во многих случаях применяются трансформаторы, у которых обмотки ВН и СН имеют автотрансформаторную связь, а трансформаторная связь остается лишь для обмотки НН, изолированной от обмоток ВН и СН.

9.15. Конструкции магнитопроводов и обмоток

Условия работы трансформатора определяют ряд особенностей в конструкции основных частей трансформатора: магнитопровода, обмоток и бака с маслом у трансформаторов с масляным охлаждением.

Магнитопровод трансформатора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, содержащей для уменьшения мощности потерь от вихревых токов до 4–5% кремния. Для получения изоляции между листами их перед сборкой магнитопровода покрывают изоляционным лаком. Листы стягивают в пачки стальными шпильками, изолированными от листов, чтобы не образовались короткозамкнутые витки. В зависимости от положения магнитопровода по отношению к обмоткам принято различать стержневые трансформаторы (рис. 9.28), у которых обмотки охватывают стержни магнитопровода, и броневые (рис. 9.29), у которых магнитопровод частично охватывает обмотки. Те и другие магнитопроводы могут быть как у однофазных (рис. 9.28, а), так и у трехфазных (рис. 9.28, б) трансформаторов.

Стержневой магнитопровод составляют стержни, на которых размещаются обмотки, и два ярма, замыкающие магнитную цепь. Он проще по конструкции, чем броневой, и облегчает получение необходимой изоляции обмоток. По этим причинам у большинства трансформаторов применяются стержневые магнитопроводы.

В трансформаторах средней и большой мощности для лучшего охлаждения между отдельными пакетами пластин магнитопровода предусмотрены каналы для масла. Ярмо стержневого магнитопровода имеет ступенчатую или прямоугольную форму поперечного сечения. Некоторым преимуществом броневого магнитопровода можно считать частичную защиту обмоток от механических повреждений. Броневой магнитопровод применяется для сухих трансформаторов малой мощности

Для уменьшения магнитного сопротивления стыков отдельных листов магнитопровода листы в стыках обычно шихтуются (рис. 9.30), т.е. укладываются впереплет.

Обмотки ВН и НН в зависимости от их взаимного расположения подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки применяются в большинстве трансформаторов. Простейшая из них — цилиндрическая обмотка, катушки которой имеют форму двух коаксиальных цилиндров (ВН и НН на рис. 9.28). Ближе к стержню располагается обмотка НН, так как ее проще изолировать от магнитопровода. Обмотка ВН охватывает обмотку НН. Обмотки отделяются друг от друга изолирующим цилиндром из специального картона или бумаги, пропитанной бакелитом.

Относительно редко, преимущественно в броневых трансформаторах, применяются чередующиеся обмотки, в которых чередуются положенные друг на друга дискообразные катушки НН и ВН (рис. 9.29), причем крайние катушки, прилегающие к ярму, должны относиться к обмотке НН.