Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

Риск воспламенения смеси воздух-газ зависит от вероятности одновременного присутствия следующих условий:

-формирование огнеопасного взрывчатого газа, пара, порошковой смеси (пыль), волокон с воздухом или накопление взрывчатого или огнеопасного материала;

-присутствие источника энергии, электрической искры или дуги, или поверхностной температуры, которые могут зажечь существующую опасную смесь.

Чтобы уменьшить вероятность взрыва, необходимо принять меры защиты оборудования. В основном существуют три метода.

В первом методе допускается возможность взрыва, но в четко определенном объеме с последующим нераспространением его в окружающую атмосферу. Создание условий взрывонепроницаемости – часть этого метода.

Второй метод заключается в изоляции электрических частей или горячих поверхностей от взрывчатой смеси.

Третий метод – предотвращение выделения энергии как электрической, так и термической до безопасного уровня.

Наиболее известный метод защиты от взрыва и используемый в трансформаторах – применение взрывонепроницаемой оболочки, рис. 3.31. Источник энергии может входить в контакт с опасной смесью воздух-газ. Взрыв может произойти, но это должно происходить в ограниченном пространстве, заключенном в оболочку. Оболочка должна сопротивляться давлению взрыва и быть прочной. Суть метода состоит

150

Капсулирование, как метод защиты, основан на изоляции обмоток трансформаторов (чаще маломощных), которые посредством искр или нагревания могут зажигать опасную смесь. Изоляция осуществляется путем консервации в смоле, рис. 3.33, стойкой к окружающей среде. Капсулирование нуждается в механической защите и очень эффективно по исключению попадания внутрь взрывчатой смеси.

Рассмотрим более подробно конструкцию и основные требования, предъявляемые к рудничным взрывобезопасным трансформаторам. Они должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.2.020-76, «Правил изготовления взрывозащищенного и рудничного электрооборудования» (ПИВРЭ) и другим нормативным документам.

Трансформаторы изготовляются, учитывая следующие условия:

-климатические факторы,

-запыленность окружающей среды,

-наличие капежа и агрессивность щелочных и кислотных шахтных вод,

-тряску и возможность ударов в буферное устройство при транспортировании по горным выработкам.

Рудничный трансформатор состоит из активной части, взрывозащитной оболочки, вводных устройств во взрывонепроницаемом исполнении, ходовой части. Его активная часть выполняется аналогично активной части трансформатора общего применения.

Трансформатор имеет ходовую часть, выполненную на съемных салазках или скатах. Рабочее положение трансформатора – горизонтальное. Охлаждение – естественное воздушное. Переключение ответвлений для регулировки напряжения осуществляется на стороне ВН в невозбужденном состоянии.

Рудничные силовые взрывобезопасные трансформаторы выполняются на мощности от 63 до 1000 кВА, первичное напряжение 6 – 10 кВ, вторичное – 0,4 – 1,2 кВ, напряжение короткого замыкания

3 – 6 %, КПД – 97,5 – 98,6 %.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие виды защиты от взрыва Вы знаете?

2.Перечислите требования, предъявляемые к конструкции рудничного трансформатора.

151

3.15. Трансфоматоры тяговые

Тяговые силовые трансформаторы устанавливаются на электри-

ческом подвижном составе и предназначены для питания тяговых двигателей. Они выполняют следующие функции. Во-первых, трансформаторы преобразуют переменный ток промышленной частоты 50 Гц и напряжением 27,5 кВ, получаемой от тяговой подстанции, в ток низкого напряжения для тяговых двигателей и вспомогательного оборудования. Их мощность может достигать 8000 кВА и более. Питание трансформаторов осуществляется от контактной сети через токоприемник подвижного состава. Во-вторых, при помощи трансформаторов осуществляется регулирование выходного напряжения, необходимого для получения нужных тяговых характеристик электродвигателей.

Если подвижной состав имеет тяговые электродвигатели постоянного тока, то регулировка их частоты вращения может происходить за счет трансформации напряжения и выпрямления этого напряжения полупроводниковыми выпрямителями. На рис. 3.34 приведены схемы ступенчатого регулирования напряжения тягового трансформатора – ТТ.

При регулировании напряжения на стороне НН трансформатора с

Для регулирования частоты вращения асинхронных тяговых двигателей применяется система регу-

лирования в два этапа. Вначале вторичное напряжение тягового трансформатора выпрямляется, а затем преобразуется (инвертируется) в регулируемое по величине и частоте трехфазное напряжение.

Широкие пределы регулирования напряжения, ограничение массы и габаритных размеров, а также другие особенности работы тяго-

152

вых трансформаторов сильно усложняют их конструкцию по сравнению с обычными стационарными трансформаторами промышленных и энергетических установок.

При эксплуатации тягового трансформатора довольно часто возникают короткие замыкания из-за сквозных пробоев вентилей, круговом огне на коллекторах тяговых двигателей постоянного тока и т.д. Трансформаторы должны сохранять работоспособность в этих условиях. Это достигается усилением механической прочности обмоток.

Особенностью работы тяговых трансформаторов являются значительные колебания напряжения на токоприемнике локомотива. Они могут составлять плюс 10 и минус 30 % номинального напряжения.

Конструктивная особенность тягового трансформатора заключается также в том, что он располагается ниже рамы кузова локомотива, т.е. в ограниченном пространстве и подвергаются воздействию пыли, влажности и загрязненности.

Тяговые трансформаторы электровозов выгоднее выполнять броневой конструкции с горизонтальным расположением магнитной системы и выводов, хотя находят применение и трансформаторы стержневого типа. Охлаждение трансформаторов – жидкостное масляное, трансформатор имеет малогабаритный маслорасширитель (компенсатор).

Как и все оборудование, установленное в кузове локомотива, трансформаторы подвержены воздействию колебаний и действию значительных динамических инерционных сил, которые возникают вследствие возможных инерционных ускорений: вертикальных до 0,8 g, горизонтальных поперек пути до 0,5 g, горизонтальных вдоль оси пути до 1,5 g.

Вопросы для самоконтроля

1.Какие способы регулирования вторичного напряжения существуют в тяговых трансформаторах?

2.Чем тяговый трансформатор отличается от обычного силового трансформатора?

3.16. Трансформаторы для трубчатых разрядных ламп

Все вывески с использованием неоновых трубок питаются от обычной сети 220 В. Однако для того, чтобы заставить неоновую

153

трубку светится, нужно подать на ее электроды высокое напряжение. После зажигания трубки необходимо стабилизировать ток, протекающий через лампу.

Одним из источников питания газосветных ламп являются

трансформаторы для трубчатых разрядных ламп со вторичным на-

пряжением до 15000 В и выше. Они работают в помещении, а также на открытом воздухе. Трансформаторы, работающие на открытом воздухе, абсолютно герметичны, отличаются устойчивостью к атмосферным воздействиям, сохраняют работоспособность при температурах в диапазоне от – 40 до + 150 ºС. Они не подвержены коррозии, а также растрескиванию при резких изменениях температуры.

Трансформаторы для питания неоновых ламп отличаются от обычных высоковольтных трансформаторов стабильностью тока на выходе. Это осуществляется с помощью магнитных шунтов, встроенных в сердечник трансформатора и рассеивающих часть электромагнитной энергии, произведенной первичной обмоткой. В результате на тех участках магнитопровода, где намотаны вторичные обмотки, магнитный поток значительно слабее, чем на участке, где намотана первичная обмотка. Электромагнитная связь между первичной и вторичной обмотками получается более слабой, чем в случае, если бы шунты отсутствовали. На рис. 3.35 приведена принципиальная схема такого трансформатора.

При подведении напряжения к первичной обмотке в центральном стержне образуется магнитный поток Ф0 . Часть этого потока 2Ф0 ответвляется в шунты. Другая часть потока, равная разности потоков Ф0 2Ф0 , пронизывает вторичную обмотку и наводит в ней ЭДС Е2 .

ви, так как в силу конструкции транс-

154

форматора его нельзя принять близким к нулю. Поэтому трансформаторы способны длительно выдерживать короткое замыкание вторичной обмотки при автоматическом ограничении тока до безопасной для трансформатора величины. Ток короткого замыкания – пусковой ток газоразрядной лампы, чем он меньше, тем дольше служат электроды лампы.

3.17. Пожаробезопасные трансформаторы

Нечасто, но в маслонаполненных трансформаторах происходят внутренние повреждения.

Под действием электрической дуги образуется большой объем газов, являющихся продуктом разложения масла. Это приводит к быстрому увеличению давления в баке. Если защитные устройства не в состоянии отключить трансформатор от сети за короткое время, и не снизить давление в баке, то это может привести к разрыву бака, разливу большого количества масла и к пожару, вследствие контакта разогретых газов с кислородом воздуха.

Промышленностью выпускаются сухие пожаробезопасные трансформаторы с эпоксидной изоляцией мощностью 100 – 2500 кВА и напряжением 12 кВ. Они обладают высокой устойчивостью к воздействию усилий при коротких замыканиях. Класс нагревостойкости F, степень защиты IP-00 (без защитного кожуха), IP-21 и IP-23 – с защитным кожухом. Обмотки низкого напряжения выполнены из алюминиевой или медной фольги, обмотки высокого напряжения – из алюминиевого или медного провода.

Трансформаторы комплектуются тепловыми датчиками или реле, которые сначала дают предупредительный сигнал при 145 ºС, а потом и сигнал на отключение трансформатора при повышении температуры обмотки до 165 ºС.

Основным горючим материалом в маслонаполненных трансформаторах является трансформаторное масло. Инженеры и ученые ищут ему замену. Находят широкое применение, например в Японии, трансформаторы, заполненные элегазом SF6 – нейтральным газом,

являющимся хорошим диэлектриком.

Для заполнения трансформаторов также используют кремнийорганические жидкости и сложный эфир Midel 7131, правда, стоимость их в 4-5 раз дороже трансформаторного масла.

155

3.18.Трансформаторы высокотемпературные сверхпроводниковые

Высокотемпературные сверхпроводниковые трансформаторы

(ВТСП) появились вследствие открытия высокотемпературных сверхпроводящих проводников. Явление сверхпроводимости у большинства высокотемпературных проводников наблюдается при температурах ниже 110º К. Такую температуру можно получить в установках жидкого азота при атмосферном давлении.

Сверхпроводники обладают двумя особенностями:

-очень малыми потерями при больших плотностях тока,

-переходом от практически нулевого сопротивления к высокому сопротивлению при повышении тока сверх определенного (критического) значения.

Оба эти режима используются в ВТСП.

Рабочий ток ВТСП «заключен» в области сверхпроводимости и ниже критического тока. Максимально допустимое значение тока определяется параметрами охлаждающего устройства.

Если ток ВТСП превышает критический, то сопротивление сверхпроводников обмоток увеличивается. Этот режим работы является режимом ограничения аварийного тока.

Высокотемпературный сверхпроводниковый трансформатор мощностью 630 кВА имеет обычный трехстержневой магнитопровод, который работает при температуре окружающей среды. Обмотки погружены в жидкий азот, который служит одновременно и изоляцией

иохлаждающей средой, они термически изолированы от сердечника с помощью цилиндрических контейнеров-криостатов. Криостаты выполнены из эпоксидного материала, между стенками криостата поддерживается вакуум за счет непрерывной работы насосов.

Вследствие применения сверхпроводящих проводников, потери в нем составляют всего 337 Вт, в то время как потери в магнитопроводе были 2,1 кВт.

В настоящее время получены опытные образцы трансформаторов мощностью 10 МВА и разрабатываются более мощные устройства.

ВТСП имеют ряд преимуществ перед обычными трансформаторами. Прежде всего, это уменьшение нагрузочных потерь, что влечет за собой уменьшение массы и габаритов трансформатора. Использование ВТСП в энергосистемах позволяет использовать их способность ограничивать токи короткого замыкания. Значительное уменьшение индуктивного сопротивления трансформатора дает возможность обеспечить стабилизацию напряжения.

156

3.19. Трансформаторы феррорезонансные

Феррорезонансные трансформаторы применяются в системах вторичного электропитания современной цифровой электроаппаратуры, для электросинтеза озона и в других устройствах.

Одна из возможных конструкций феррорезонансного трансформатора приведена на рис. 3.36.

Она представляет собой совокупность двух магнитных сердечников с обмотками со слабой магнитной связью между ними. Трансформатор состоит из двух С- образных магнитных сердечников 1 и 2, развернутых на угол 90º и состыкованных вместе. На сердечнике 1 находится первичная обмотка 3, к которой подводится напряжение U1 , а на сердечнике 2

– вторичная обмотка 4, с которой

Вторичная обмотка 4 с параллельно включенным конденсатором с емкостью С представляет собой колебательный контур, который подпитывается от первичной обмотки 3. В контуре осуществляется феррорезонанс токов. Токи, протекающие в обмотках 3 и 4, создают потоки, которые взаимодействуют только в местах стыков по четырем углам А, В, С, D. Следовательно, магнитная связь между сердечниками и находящимися на них обмотками 3 и 4 – слабая. Возбуждение колебательного процесса (введение в резонанс) осуществляется путем введения асимметрии в ортогонально расположенных С- образных сердечниках.

В этом режиме феррорезонансный трансформатор:

-стабилизирует вторичное напряжение при изменении первичного напряжения;

-выдерживает значительные перегрузки, вплоть до коротких замыканий;

-имеет практически синусоидальный первичный ток, поэтому коэффициент гармонических искажений тока очень невелик.

157

Эти и другие преимущества достигаются за счет того, что связь между обмотками практически отсутствует и резкие изменения параметров выходной цепи не передаются на входную цепь, а из входной цепи – на выходную.

158

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Петров, Г.Н. Трансформаторы. Ч. 1. Введение. Трансформаторы: учеб. для вузов / Г.Н. Петров. – М.: Энергия, 1974. – 240 с.

2.Иванов – Смоленский, А.В. Электрические машины: учеб. для вузов / А.В. Иванов – Смоленский. – М.: Энергия, 1980. – 928 с.

3.Вольдек, А.И. Электрические машины: учеб. для студентов высш. техн. учебн. заведений /А.И. Вольдек. – Л.: Энергия, 1978. – 840 с.

4.Копылов, И.П. Электрические машины: учеб. для вузов / И.П. Копылов. – М.: Логос, 2000. – 607 с.

5.Сергеенков, Б.Н. Электрические машины. Трансформаторы: / Б.Н. Сергеенков, В.М. Киселев, Н.А. Акимова; под ред. И.П. Копылова. – М.: Высшая школа, 1989. – 352 с.

6.Костенко, М.П.. Электрические машины. Часть первая / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958. –

464 с.

7.Электротехнический справочник в 4 т. Т. 4 Использование электрической энергии / Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.; гл. ред. А.И. Попов. – М.: Издательство МЭИ, 2002. –

696 с.

8.Читечян, В.И. Электрические машины. Сборник задач: учебное пособие для специальности «Электромеханика» / В.И. Читечян. – М.: Высшая школа, 1988. – 231 с.

Дополнительная

9.Порудоминский, Е.В. Устройства переключения трансформаторов под нагрузкой / Е.В. Порудоминский. – М.: Энергия, 1974. – 288 с.

10.Лейтес, Л.В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов / Л.В. Лейтес. – М.: Энергия, 1981. – 392 с.

11.Майорец, А.И. Магнитопроводы силовых трансформаторов /А.И. Майорец, Г.И. Пшеничный, Я.З. Чечелюк и др. – М.: Энергия,

1973. – 272 с.

12.Загрядцкий, В.И. Трансформаторы и преобразователи частоты

/В.И. Загрядцкий, Н.И. Кобыляцкий, В.Г. Шевчик. – Кишинев:

Штиинца, 1991. – 147 с.

13.Бальян, Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники / Р.Х. Бальян. – М.: Советское радио, 1971. – 720 с.

159