ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электропривод и АПУ»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

Методические указания для студентов заочной формы обучения

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Часть 1

Могилев 2007

УДК 621.313 ББК 31.261 Э 62

Рекомендовано к опубликованию учебно-методическим управлением

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

Одобрено кафедрой ЭП и АПУ «29» ноября 2007 г., протокол № 4

Составитель канд. техн. наук, доц. С. В. Кольцов

Рецензент канд. техн. наук, доц. С. К. Крутолевич

Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения.

Учебное издание

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Часть 1

Подписано в печать 21.12.2007 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,6. Тираж 115 экз. Заказ № 957

Издатель и полиграфическое исполнение Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет» ЛИ № 02330/375 от 29.06.2004 г. 212005, г. Могилев, пр.Мира, 43

© ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2007

3

1 Основные сведения о трансформаторах

1.1 Место и применение трансформаторов в энергетике

Генераторы переменного тока на электростанциях вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6–30 кВ, а передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется при значительно больших

напряжениях – 110, 150, 220, 330, 400, 500, 750, 1 150 кВ. Поэтому на

каждой электростанции устанавливают трансформаторы, повышающие напряжение.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, городами и сельскими районами, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям

при напряжениях 220, 110, 35, 20, 10, 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение. Такие трансформаторы также необходимо устанавливать непосредственно у потребителей электроэнергии, так как боль-

шинство потребителей переменного тока работает при напряжениях 220,

380, 660 В.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается многократной трансформации

(5 раз и более).

1.2 Главные типы трансформаторов

Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:

–силовые – для передачи и распределения электроэнергии;

–силовые специального назначения: печные, для выпрямитель-

ных установок, сварочные и т. д.;

– индукционные регуляторы – для регулирования напряжения в распределительных сетях;

– автотрансформаторы– для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.;

– измерительные – для включения в схемы измерительных прибо-

ров;

– испытательные – для производства испытаний под высоким напряжением.

Трансформаторы, используемые для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем, распределительных сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электроэнергии, называют

силовыми. К ним относят трехфазные трансформаторы мощностью 6,3 кВ А и более.

4

Силовые трансформаторы имеют мощность в трехфазном исполнении до 1 250 MВ А, в групповом исполнении из трех однофазных трансформаторов – до 2 000 MВ А; масса таких трансформаторов достигает

500 т. Значительным техническим достижением в области создания преобразовательных трансформаторов является построение уникальных трансформаторов для линий электропередачи постоянного тока, когда в начале линии осуществляется выпрямление переменного тока сверхвысокого напряжения с получением постоянного напряжения 1 500 кВ, а затем в конце линии осуществляется инвертирование.

Трансформаторы, применяемые в схемах с полупроводниковыми приборами (диодами, тиристорами, транзисторами), в которых осуществляется выпрямление переменного или инвертирование постоянного тока, называют преобразовательными. Такие трансформаторы мощностью до сотен мегавольт-ампер применяются в электрических установках промышленных предприятий. Особенность трансформаторов, применяемых для различных технологических процессов (электросварки, выплавки стали и др.), – относительно небольшие выходные напряжения (порядка

100–200 В). В связи с этим электропечные трансформаторы, особенно

при мощности 50–100 МВ А, проектируют на большие токи вторичных обмоток, достигающие сотен килоампер.

Кроме этих трансформаторов выпускают другие специальные трансформаторы для питания рудно-термических печей (электропечные трансформаторы), электрической сварки, электротяги, питания элек-

тронных устройств, а также измерительные трансформаторы на-

пряжения и тока.

Измерительные трансформаторы используются для включения электроизмерительных приборов и аппаратов защиты в электрические цепи высокого напряжения или цепи, по которым проходят большие токи, для расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Как правило, они имеют небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле, информационными системами. Эти трансформаторы отличаются высокой точностью исполнения при реализации специальных конструкций, предусматривающих сведение к минимуму погрешностей измерения.

Особенностью трансформаторов, применяемых для питания электронных устройств, радиоаппаратуры, телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики, ЭВМ, является выполнение их с большим чис-

лом вторичных обмоток, часто более 10, при относительно небольшой общей мощности. Этих трансформаторов выпускается десятки миллионов в год. Они являются неотъемлемой частью повседневной бытовой аппаратуры – радиоприемников, телевизоров, магнитофонов.

В производственном электроснабжении, исходя из конкретной специфики и внешних условий эксплуатации трансформатора, за номиналь-

5

ную мощность принимают не паспортную мощность трансформатора, а ту мощность, на которую он может быть нагружен непрерывно в течение всего срока службы (примерно 20 лет) при нормальных температурных условиях охлаждающей среды. Под этими условиями, согласно ГОСТ 14209–

85 и ГОСТ 11677–85, понимают следующие: температура охлаждающей среды должна быть 20 °С; превышение средней температуры масла

над температурой охлаждающей среды не должно составлять более 44 °С; во время переходных процессов в течение суток наибольшая температура верхних слоев масла не должна превышать 95 °С, а наиболее нагретая зона обмоток не должна превышать 140 °С.

При необходимости в течение 4–5 ч возможна перегрузка транс-

форматора на 30–40 %, но не более чем на 50 % в соответствии с

ГОСТ 14209–85.

Выбор рациональной мощности силовых трансформаторов является одной из основных задач при проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий. На подстанциях промышленных предприятий применяются трансформаторы с различными коэффициентами шкалы

номинальных мощностей: 100, 135, 180, 240, 320, 420, 560, 750, 1000 кВ А и т. д. (коэффициент шкалы КШ = 1,35) и 100, 160, 250, 400,

630, 1000 кВ А и т. д. (КШ = 1,6).

Трансформаторы с первой шкалой номинальных мощностей установлены на действующих предприятиях и при проектировании новых систем электроснабжения не применяются. Трансформаторы со второй шкалой номинальных мощностей используются повсеместно при проектировании новых и реконструкции старых подстанций. Характерной особенностью использования трансформаторов на современных промышленных предприятиях является регулирование напряжения для повышения качества электроэнергии путем компенсации отклонений напряжения от номинального значения непосредственно на входе приемников электроэнергии.

В связи с тем, что длительные отклонения напряжения даже в тех случаях, когда они не выходят за пределы ГОСТ 13109–67 (от +10 до

−5 %), вызывают значительный недовыпуск продукции, а при снижении

напряжения на 15–20 % производительность промышленных предприятий падает, очень важно оснащение трансформаторов электроснабжения промышленных предприятий системами регулирования, обеспечивающими стабилизацию напряжения на зажимах питания потребителей.

В системе сельского электроснабжения различают районные и потребительские понижающие подстанции. На районных понижающих подстанциях электрическая энергия трансформируется с напряжения 500–35 кВ на напряжение 6–110 кВ. Эта энергия от районной подстанции распределяется к группам удаленных потребителей по воздушным и кабельным линиям.

6

Непосредственно около потребителей сооружаются потребительские понижающие подстанции. В сельской местности потребительские под-

станции обычно строят для трансформации напряжения с 35, 10 и 6 кВ на

400(380) В.

Сцелью удешевления строительства подстанций и упрощения их эксплуатации в практике более широкое применение находят подстанции

на напряжения 110 и 35 кВ без выключателей на стороне высшего напряжения, что повышает требования к динамической стойкости трансформаторов при коротких замыканиях, которые в сельских сетях происходят относительно часто.

В современных схемах районных сельскохозяйственных подстанций 110 (35), 10 кВ, как правило, используется два трехобмоточных трансформатора мощностью 6 300 кВ А и более с регулированием напряжения

под нагрузкой (РПН).

В связи с широким развитием электрификации сельского хозяйства на базе присоединения сельских потребителей к мощным энергосистемам

число подстанций напряжением 35/10; 35/6 кВ в сельской местности быстро возрастает. Поэтому электропромышленность нашей страны разработала и выпускает комплектные одно- и двухтрансформаторные подстанции на 35/10; 35/6 кВ по схемам двенадцати различных модификаций с

трансформаторами мощностью от 1 000 до 6 300 кВ А с регулированием напряжения под нагрузкой.

Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно широка. Но во всех случаях основные процессы, определяющие работу трансформаторов, а также явления, происходящие в трансформаторах, по существу одни и те же. Поэтому, говоря о трансформаторе, мы будем в дальнейшем иметь в виду его основной тип, а именно, одно- и трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор.

2 Принцип действия трансформаторов

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Это устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном сердечнике.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Φ, как показано на рисунке 1. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой. Изменяясь, магнитный поток будет индуцировать в них ЭДС. Та

7

из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой, другая, с которой энергия отводится, называется вторичной обмоткой. В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивления и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся к вторичной обмотке − вторичными.

1, 2 – первичная и вторичная обмотки; 3 – магнитопровод; 4 – стержень; 5 – ярмо

Рисунок 1 − Электромагнитная система однофазного трансформатора

Для усиления электромагнитной связи между обмотками служит сердечник трансформатора, собранный из листовой электротехнической стали. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего

напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего на-

пряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН – буквами а и х. Если вторичное напряжение меньше