Вопрос №2. Классификация трансформаторов (15 мин.)

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

По назначению:

• Силовые общего назначения, применяемые в линиях передачи и распределения электроэнергии;

• Силовые специального назначения: для питания сварочных аппаратов, электропечей и других потребителей особого назначения, автотрансформаторы;

• Трансформаторы для устройств автоматики:

1. Импульсные - для изменения амплитуды импульсов, размножения импульсов и т.д.;

2. Пик-трансформаторы - для преобразования напряжения синусоидальной формы в импульсы напряжения пикообразной формы;

3. Преобразователи частоты - для удвоения или утроения частоты переменного тока;

• Измерительные трансформаторы (тока и напряжения) - для изоляции устройств РЗиА от цепи высокого напряжения, расширения пределов измерения измерительных приборов.

• Разделительные - для повышения безопасности электросетей, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции

• Испытательные - для питания испытательных схем, используемых при метрологической поверке измерительных трансформаторов тока, при настройке релейных защит, испытания устройств высоким напряжением и т.д.

По виду охлаждения — с воздушным (сухие транс­форматоры) и масляным (масляные трансформаторы) охлаж­дением;

По числу трансформируемых фаз — однофаз­ные и трехфазные;

По форме магнитопровода — стержневые, броне­вые, бронестержневые, тороидальные;

По числу обмоток на фазу — двухобмоточные, трехобмоточные, многообмоточные (более трех обмоток, например, одна первичная, и три вторичные обмотки).

По частоте: пониженной частоты (ниже 50 гц), нормальной, или промышленной частоты — 50 гц, повышенной частоты — от 100 до 10 000 гц, высокой частоты — свыше 10 000 гц.

Существует особый тип трансформаторов – автотрансформатор. Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и электрическую связь.

Условные обозначения трансформаторов приведены на рис. 4.

Однофазный Трехфазный

трансформатор трансформатор

ВН

ВН

НН

CН

НН

Двухобмоточный трехобмоточный Автотрансформатор

Рис. 4

Вывод по второму вопросу: классифицируются трансформаторы по нескольким признакам: назначению, виду охлаждения, числу фаз, форме магнитопровода, обмоток на фазу, по частоте.

Вопрос №3. Устройство силового трехфазного трансформаторов (20 мин.)

Трансформатор — простой, надежный и экономич­ный электрический аппарат. Он не имеет движущихся частей и скользящих контактных соединений, его КПД достигает 99%.

Современный трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками со­ставляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями.

Таким образом, трансформатор представляет собой замкну­тый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. Магнитопровод в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, он составляет магнитную цепь, по кото­рой замыкается основной магнитный поток трансформатора, а во-вторых, он является основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей. В маломощных высокочастот­ных трансформаторах, используемых в радиотехниче­ских схемах, магнитопроводом может являться воз­душная среда.

Для уменьшения потерь на гистерезис магнитопро­вод изготовляют из магнитомягкого материала – электротехнической стали.

Почему для изготовления трансформатора используют магнитомягкий материал?

Магнитомягкий материал имеет узкую петлю намагничивания, а следовательно, сокращаются потери электроэнергии на перемагничивание или на так называемый гистерезис.

Какое еще явление возникает в металлическом сердечнике магнитопровода при работе трансформатора?

Вихревые токи. Для уменьшения потерь на вихревые токи в материал магнитопровода вводят примесь крем­ния, повышающую его электрическое сопротивление, а сам магнитопровод собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изо­лированных друг от друга теплостойким лаком или специальной бумагой.

На рис. 5. представлены магнитопроводы стержневого, броневого и бронестержневого типов.

Рис. 5. Виды магнитопроводов

В магнитопроводе стержневого типа обмотки охватывают стержни, а броневого – магнитопровод частично охватывает обмотки.

Для чего предназначены магнитопроводы броневого типа?

Последний хорошо защищает обмотки катушек от механических повреж­дений. Стержневой магнитопровод проще по конструкции и облегчает получение необходимой изоляции обмоток, поэтому у большинства трансформаторов применяют именно этот вид магнитопровода. Из-за технологической сложности изготовления броневой вид магнитопровода не получил широкого распространения (в основном в качестве радиотрансформаторов). Бронестержневая конструкция магнитопроводов позволяет уменьшить трансформаторов.

Обмотки трансформаторов изготовляют из мед­ного провода и располагают на одном и том же или на разных стержнях, рядом (концентрические) или одну под другой (чередующиеся). В первом случае непосредственно к стержню при­мыкает обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения, потому что ее труднее изолировать от магнитопровода (рис. 6). Чередующиеся обмотки применяются весьма редко, лишь в некоторых трансформаторах специального назначения.

Рис. 6. Расположение обмоток на магниопроводе

Устройство простейшего однофазного трансформатора продемонстрировано в следующем учебном фильме.

При работе трансформатора за счет токов в об­мотках, а также вследствие перемагничивания магни­топровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВА), для которых достаточно воздушного охлаждения, на­зывают сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение. Магнитопровод с обмотка­ми размещается в баке, заполненном минераль­ным (трансформаторным) маслом. Трансформаторное масло - это электроизоляционный материал, теплоотводящая и дугогасящая среда, а также среда, защищающая твердую изоляцию от проникновения в нее влаги и воздуха. Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. В трансформаторах мощностью до 20-30 кВА применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов стенки бака делают ребристыми или применяют трубчатые баки.

Для чего делают баки такой конструкции?

Для увеличения охлаждаемой поверхности. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а охлаждаясь опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому охлаждению. При изменении температуры объем масла меняется. При повышении температуры излишек масла погло­щается расширителем, а при понижении темпера­туры масло из расширителя возвращается в основной бак.

Основные конструктивные элементы трансформатора:

1 – магнитопровод; 2 – обмотка НН в разрезе; 3 – обмотка ВН; 4 – выводы обмотки ВН; 5 – выводы обмотки НН; 6 – трубчатый бак для масляного охлаждения; 7 – кран для заполнения маслом; 8 – выхлопная труба для газов; 9 – газовое реле; 10 – расширитель для масла; 11 – кран для спуска масла; 12 – рукоятка для переключателя напряжений.

Рис. 7. Устройство трансформатора

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, трансформатор оборудую устройством регулирования напряжения под нагрузкой, которое представляет собой скользящий кон­такт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в авто­трансформаторах, рассчитанных на регулирование на­пряжения в небольших пределах.

К паспортным данным трансформатора относятся следующие величины:

1) номинальная полная мощность S_ном;

2) номинальное первичное напряжение U_1ном;

3) номинальное вторичное напряжение U_2ном;

4) напряжение короткого замыкания , выражаемое в процентах;

5) мощность потерь холостого хода Р_х и короткого замыкания Р_к;

6) ток первичной обмотки при холостом ходе трансформатора , выраженный в процентах номинального тока;

7) частота;

8) число фаз;

9) габариты и масса трансформатора.

Более подробно эти параметры мы рассмотрим на следующей лекции.

Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее:

Т - трехфазный трансформатор, О – однофазный, М – естественное масляное охлаждение, Д – масляное охлаждение с дутьем (искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла), Ц – масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель, ДЦ – масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Г – грозоупорный трансформатор, Н – в конце обозначения – трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой, Н – на втором месте – заполненный негорючим жидким диэлектриком, Т на третьем месте – трехобмоточный трансформатор.

Необходимо отметить, что в качестве жидкого диэлектрика в трансформаторах используется совтол. Продукты разложения совтола ядовиты, поэтому такие трансформаторы снабжены газопоглотителями.

Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность (кВ•А), второе и третье числа – номинальные напряжения соответственно обмоток ВН и НН (кВ).

Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней.

Например, расшифруем марку трансформатора типа: ТДЦН-500/220/10 – трехфазный (масляный однозначно, т.к. мощность 500 кВА), масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла, наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой, Sном – 500 кВА, напряжение обмотки ВН – 220 кВ, НН – 10 кВ.

Пожаровзрывоопасность трансформаторов заключается в пожаровзрывоопасных свойствах трансформаторного масла. Допустимая температура нагрева масла 95 °С. Масло хорошо горит, а продукты его горения взрывоопасны.

Что может вызвать нагрев трансформаторного масла выше допустимых пределов?

Причиной пожара в трансформаторе может быть короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки из-за различных неисправностей: механического повреждения изоляции или ее электрического пробоя при перенапряжениях, ошибочных дейст­виях обслуживающего персонала и др.

При внезапном коротком замыкании на зажимах вторичной обмотки в трансформаторе возникает переходный процесс, со­провождаемый возникновением большого мгновенного тока к.з или так называемого ударного тока. Его значение может в 20-40 раз превышать номинальное значение тока. Длительность его в зависимости от мощности трансформатора составляет от 1 до 7 периодов. Затем трансформатор переходит в режим установившегося к.з., при котором ток короткого замыкания хоть и меньше ударного тока, но все же во много раз превышает номинальное значение тока. Токи к.з. вызывают:

• нагрев обмоток, что может повредить их изоляцию;

• резкое увеличение электромагнитной силы в обмотках трансформатора, которая прямо пропорциональна квадрату тока;

• сильный нагрев трансформаторного масла.

Внутренние перенапряжения. Возникают либо в процессе коммутационных операций, например отключения или включения трансформатора, либо в результате аварийных процессов (короткое замыкание, дуговые замыкания на землю и др.).

Внешние (атмосферные) перенапряжения. Обусловлены атмосферными разрядами: прямыми ударами молний в провода или опоры линий электропередач, грозовыми разрядами, индуцирующими в проводах линии электромагнитные волны высокого напряжения. Значение перенапряжения в этом случае может достигать нескольких тысяч киловольт.

Развитие пожаров в трансформаторах зависит в основном от причин их возникновения и поведения корпуса трансформатора. Как протекает этот процесс, вы более подробно рассмотрите в ходе изучения дисциплины «Пожарная безопасность электроустановок». Об устройствах автоматического тушения пожаров в трансформаторах, правилах тушения трансформаторов вы узнаете из курсов «Пожарная автоматика» и «Пожарная тактика».

Как горит и взрывается трансформатор можно увидеть в следующем видеоклипе («Горение трансформатора».).

Сердечник трансформатора выполняется из электротехнической стали для …

1. уменьшения магнитной связи между обмотками трансформатора

2. увеличения магнитной связи между обмотками трансформатора

3. для увеличения потерь на гистерезис;

4. для уменьшения токов Фуко или вихревых токов.

Сердечник трансформатора изготавливают из тонких листов электротехнической стали

1. для снижения потерь на гистерезис;

2. для уменьшения токов Фуко или вихревых токов;

3. для уменьшения веса трансформатора;

4. для уменьшения размеров трансформатора.

Для уменьшения потерь на гистерезис в сердечнике трансформатора его изготавливают из

1. магнитотвердого материала;

2. диамагнетика;

3. парамагнетика;

4. магнитомягкого материала.

Вывод по третьему вопросу: таким образом, основными элементами трансформатора являются магнитопровод и обмотки. В трансформаторе пожаровзрывоопасность представляет масло, которое используется в них в качестве изоляционного и охлаждающего материала.