4. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Трансформатор – устройство, служащее для преобразования (трансформации) переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12-15% ниже, а расход активных материалов и стоимости на 20-25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВА, на 330 кВ – 1250 МВА, на 500 кВ – 1000 МВА. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов на 500 кВ составляет 3×533 МВА, на 750 кВ - 3×417 МВА, на 1150 кВ - 3×667 МВА.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

К основным параметрам трансформаторов относят: номинальную мощность, напряжение и ток; напряжение КЗ; ток холостого хода; потери холостого хода и КЗ.

Основные части силового масляного трансформатора показаны на рис. 4.1. Мощный трансформатор представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.

Рис. 4.1. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН -16000/110-80У1 1 - бак; 2 - шкаф автоматического управления дутьем; 3 - термосифонный фильтр; 4 - ввод ВН; 5 - ввод НН; 6 - ввод СН; 7 - установка трансформато­ров тока 110 кВ; 8 - установка трансформаторов тока 35 кВ; 9 - ввод 0 ВН; 10 ввод 0 СН; 11 - расширитель; 12 - маслоуказатель стрелочный; 13 - клапан предохранительный; 14 - привод регулятора напряжения; 15 - вентилятор си­стемы охлаждения; 16 - радиатор; 17 - каретка с катками.

Магнитопровод служит для прохождения магнитного потока. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из отдельных листов холоднокатаной или другой специальной стали толщиной 0,35-0,5 мм. Листы стали изолируют друг от друга лаком или тонкой бумагой и стягивают болтами. Уменьшение удельных потерь в стали, тщательная сборка магнитопровода, применение бесшпилечных конструкции, соединение стержней с ярмом с помощью косой шихтовки позволяют уменьшить потери холостого хода и ток намагничивания тарнсформатора. В современных мощных трансформаторах ток намагничивания составляет 0,5-0,6% I_ном, тогда как в трансформаторе с горячекатаной сталью ток достигал 3%, потери холостого хода уменьшились вдвое.

Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися и выполняются из электротехнической меди прямоугольного или прямоугольного сечения. В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 4.2, а). Такое выполнение принято в большинстве силовых трансформаторов. Во втором случае обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми диаметрами и располагаются на стержне одна над другой (рис. 4.2, б). В такой обмотке значительное число паек,

Рис. 4.2. Обмотки трансформаторов а - концентрическая, б - чередующаяся

она менее компактна и применяется для специальных электропечных трансформаторов или для сухих трансформаторов, так как обеспечивает лучшее охлаждение обмоток. Витки обмоток изолируют тонкой кабельной бумагой или хлопчатобумажной пряжей. От магнитопровода, друг от друга и от стенок бака обмотки изолируют при помощи цилиндров из изолирующего материала (электрокартон и др.). Концы обмоток выводят из бака через фарфоровые изоляторы высокого и низкого напряжения, расположенные на крышке бака трансформатора. Изоляция трансформатора является ответственной частью, так как надежность работы трансформатора определяется в основном надежностью его изоляции. В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в сочетании с твердыми диэлектриками: бумагой,

электрокартоном, гетинаксом, деревом (маслобарьерная изоляция).

Баки трансформаторов обычно выполняют из листовой стали, причем дно и крышку бака делают из более толстой стали. Крышку соединяют с верхом бака болтами или сваркой. В баке размещают внутреннюю часть трансформатора, содержащую магнитопровод (сердечник) с надетыми на него обмотками.

Бак заливают трансформаторным маслом, являющимся продуктом переработки некоторых сортов нефти. Масло служит для отвода тепла, выделяющегося в обмотках и магнитопроводе трансформатора, в окружающий его воздух. Кроме того, масло используется для изоляции токоведущих частей между собой и от бака.

К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит его непрерывная регенерация.

Радиаторы служат для увеличения поверхности охлаждения трансформатора и подключаются к баку при помощи патрубков со специальными радиаторными кранами.

В процессе работы трансформатора изменяется нагрев масла, вследствие чего изменяется, и объем его. Если, учитывая это изменение объема, не наливать масло полностью, т.е. оставлять под крышкой свободный объем, сообщающийся с окружающим воздухом, то масло благодаря содержанию в воздухе кислорода и влаги будет окисляться и увлажняться. Окисление и увлажнение вызывают порчу масла и, как следствие, понижение его электрической прочности и появлению кислоты и шлака. Особенно большое окисление и увлажнение масла происходит у трансформаторов, имеющих большую поверхность соприкосновения масла с воздухом. Учитывая это, большинство трансформаторов оборудуют расширителями, которые, во-первых, обеспечивают постоянное заполнение бака маслом, и, во-вторых, уменьшают поверхность соприкосновения масла с воздухом. Масло очень гигроскопично, и если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикагелевый воздухоосушитель. Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. У расширителя имеется отверстие для всасывания и вытеснения воздуха при изменении уровня содержащегося в нем масла. Расширитель обычно имеет цилиндрическую форму и укрепляется на кронштейне, установленном на крышке бака трансформатора. С трансформатором расширитель соединяется трубопроводом.

Объем расширителя принимают из расчета, чтобы уровень масла оставался в пределах расширителя как летом при температуре окружающей среды +35С и полной загрузке трансформатора, так и зимой при минимальной температуре масла и при отключенном трансформаторе. Обычно объем расширителя составляет 8-10 % объема масла в баке трансформатора. Для наблюдения за уровнем масла на боковой стенке расширителя устанавливают маслоуказатель, выполняемый в виде стеклянный трубки в металлической оправе.

Короткое замыкание внутри трансформатора обычно сопровождается интенсивным разложением масла и образованием большого количества газов. При этом давление внутри трансформатора резко повышается, что может привести к повреждению бака трансформатора. Для защиты трансформаторы снабжают предохранительной трубой (предохранительным клапаном), установленной на крышке бака; наружные конец трубы закрывают стеклянным диском. При внезапном повышении давления внутри трансформатора масло поднимается вверх по трубе, стеклянный диск лопается, и масло выбрасывается наружу; давление внутри трансформатора при этом не превышает допустимого для бака.

Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся маслоуказатель и термометры. Термометры служат для измерения температуры масла трансформатора и устанавливаются на крышке бака, маслоуказатель устанавливается на баке расширителе. К защитным устройствам относятся – реле понижения уровня масла и газовое реле. На мощных трансформаторах 330-750 кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.

Газовое реле используется для защиты от повреждений внутри кожуха трансформатора, сопровождающихся выделением газообразных продуктов, появляющихся вследствие разложения изоляционных материалов (масло, дерево, изоляция обмоток и т.д.) под действие электрической дуги, разряда и т.п.

Тележка с катками или колеса служат для передвижения трансформатора.

На электрических станциях и подстанциях применяют повышающие и понижающие, трехфазные и однофазные силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Из трех однофазных трансформаторов или автотрансформаторов составляется одна трехфазная группа.

Трансформаторы и автотрансформаторы изготавливаются на все напряжения, применяемые в настоящее время в электрических системах (до 750 кВ включительно). Трансформаторы небольшой и средней мощности выполняют с естественным масляным охлаждением, средней и большой мощности – с форсированным воздушным, с масловодяным или с масловоздушным охлаждением.

Основными способами охлаждения масляных трансформаторов являются: 1) естественное воздушное, 2) естественное масляное, 3) естественное масляное и принудительное воздушное, 4) принудительное масляное и воздушное, 5) масловодяное. Ниже приводится краткое описание систем охлаждения трансформаторов.

Естественное воздушное охлаждение (С) трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично – лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили названия «сухих». Данный способ отвода теплоты малоэффективен и оказывается достаточным лишь для трансформаторов небольшой мощности. Сухие трансформаторы изготавливают на напряжение до 15 кВ и на мощность до 1600 кВА включительно.

Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении С, при защищенном – СЗ, при герметизированном - СГ, с принудительной циркуляцией воздуха – СД. Достоинством таких трансформаторов является простота конструкции и пожаробезопасность вследствие отсутствия охлаждающего масла, а также сравнительно небольшие габариты.

Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно (рис. 4.3, а). Тепло, выделяемое в обмотках и магнитопроводе 2 (выемная часть) трансформатора, передается окружающему маслу, которое циркулирует по баку 1 и радиаторным трубам 3 (охлаждающая поверхность), затем через стенки бака, крышку и радиатор передается окружающему трансформатор воздуху. Отводу тепла в окружающую среду способствует естественная циркуляция масла внутри трансформатора, обусловленная тем, что нагретое масло поднимается кверху под крышку, а охлажденное у стенок бака, как более тяжелое, опускается вниз. При номинальной нагрузке трансформатора температура верхних, наиболее нагретых слоев масла не должна превышать 95°С.

Для лучшего отвода тепла в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждаю щими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. Для трансформаторов средней мощности естественное масляное охлаждение является недостаточным для охлаждения, поэтому для таких трансформаторов применяют форсированное воздушное охлаждение.

В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб 5 помещаются двигатель-вентиляторы 8 (рис.4.3, б). Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть .

Рис. 4.3 Системы охлаждения трансформаторов а) тип М; б) тип Д; в) тип ДЦ; 1 - бак; 2 - выемная часть; 3 - охлаждающая поверхность; 4 -коллектор; 5 - трубчатый радиатор; 6 - элект­ронасос; 7 - охладители; 8 – вентиляторы

труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Вентиляторы размещаются по два внутри каждого радиатора в пространстве между его трубами. Трансформаторы с форсированным воздушным охлаждением допускают работу и при полностью отключенном дутье, если нагрузка трансформатора равна или меньше 70% номинальной, а также при нагрузках от 70 до 100% номинальной, но при условии, что температура масла не превышает +55С. Также при минусовых температурах окружающего воздуха и температуре масла не выше 45°С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура при номинальной нагрузке трансформатора не должна превышать 95°С. Трансформаторы с такой системой ох-

лаждения изготавливают мощностью до 80000 кВА.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.

Охладители 7 состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором 8. Электронасосы 6, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители (рис. 4.3, в)

Благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью, что в свою очередь позволяет уменьшить габариты трансформаторов. Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

На трансформаторах с системами ДЦ и Ц устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки и температуры масла. В то же время число включаемых в работу охладителей определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны иметь сигнализацию о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды или об останове вентилятора.

На рис. 4.4 показан однофазный трансформатор с системой охлаждения ДЦ с выносными охладителями, связанными с баком маслопроводами. Бак колокольного типа с нижним разъемом.

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ. К баку трансформатора подключается центробежный насос, который забирает горячее масло из верхней части бака и перегоняет его через охладитель. Из охладителя масло возвращается в нижнюю часть бака. По трубкам охладителя протекает охлаждающая вода, а в межтрубном пространстве под давлением большем, чем вода, движется масло. Чтобы избежать попадание воды в масло, давление масла должно превышать давление циркулирующей воды не менее чем на 0,01 МПа (1 Н/см²). Трансформаторы с такой системой охлаждения могут работать только с включенным охлаждением вне зависимости от нагрузки, так как охлаждающая поверхность их гладких баков настолько мала, что недостаточна даже для отвода потерь их холостого хода. Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать 70°С.

У трансформаторов с масловодяным охлаждением при нормальных условиях работы максимальная допустимая температура охлаждающей воды составляет +25С. При повышении температуры охлаждающей воды выше +25С нагрузка трансформатора должна быть снижена на 1% номинальной величины на каждый градус повышения средней за 24 ч. температуры воды или должны быть приняты меры по улучшению охлаждения трансформатора (увеличение расхода воды, установка охладителей с большей охлаждающей поверхностью и т.д.). Масловодяное охлаждение дорого и менее удобно в эксплуатации, поэтому его применяют только в отдельных случаях на мощных трансформаторах

Рис. 4.4. Автотрансформатор однофазный АОДЦТН-500/330 1 – бак (нижняя часть), 2 – бак (съемная часть), 3 – скоба для подъема съемной части бака, 4 - стрелочный маслоуказатель, 5 – предохранительная труба, 6 – газовое реле, 7 – ввод 35 кВ, 8 – вводы НН, 9 – ввод ВН, 10 – установка трансформаторов тока ВН, 11 – выносные маслоохладители, 12 – ввод СН, 13 – ввод нейтрали, 14 – поворотная каретка, 15 – регулятор напряжения

(160 МВА и более).

Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 МВА и более.

Автотрансформаторы по своему устройству отличаются от обычных трансформаторов тем, что первичные и вторичные обмотки их не разобщены, а соединены между собой электрически так, как будто вторичная обмотка составляет часть первичной. Автотрансформаторы могут работать и в качестве повышающих. Индуктивное сопротивление автотрансформаторов по сравнению с обычными трансформаторами (при одинаковых мощностях и напряжениях) меньше. Последнее вызывает увеличение токов КЗ, что является одним из недостатков применения автотрансформаторов.

Объем и вес трансформатора определяется главным образом трансформируемой мощностью. Поскольку у автотрансформатора последняя составляет только часть мощности, трансформируемой обычным трансформатором, то объем и вес автотрансформатора по сравнению с обычным трансформатором такой же мощности получаются меньше. При этом получаются меньшие потери, как в меди обмоток, так и холостого хода, а КПД получается выше.

У автотрансформаторов цепь низшего напряжения электрически связана с цепью высшего напряжения, благодаря чему при перенапряжениях в сети высшего напряжения возможно повреждение изоляции аппаратов, установленных в сети низшего напряжения, что является вторым существенным недостатком применения автотрансформаторов. Во избежание указанным повреждений приходится применять надежную защиту от перенапряжений, выполняемую в виде разрядников, устанавливаемых с обеих сторон автотрансформатора.

Благодаря объему, весу и потерям по сравнению с обычными трансформаторами автотрансформаторы получили широкое применение в современным энергосистемах, причем особенно большое применение получили автотрансформаторы, заменяющие трехобмоточные трансформаторы. Подобные автотрансформаторы, условно называемые трехобмоточными, имеют две трансформаторные обмотки, одна из которых (высшего напряжения) выполнена с автотрансформаторным ответвлением, позволяющим получить два вторичных напряжения.

Многообъемные масляные выключатели и силовые трансформаторы устанавливают на железобетонных фундаментах. Во избежание растекания и горения масла в случае повреждения бака трансформатора или взрыва масляного выключателя (110 кВ и выше) площадки под ними (при количестве масла в аппарате более 1000 кг) засыпают слоем гравия или непористого щебня толщиной не менее 25 см. Ширина засыпки должна выходить за габарит аппарата не менее чем на 0,6 – 1 м.

Выключатели с малым объемом масла, воздушные выключатели, разъединители, трансформаторы напряжения и трансформаторы тока (опорного типа) устанавливают на специальных основаниях – стульях, которые выполняются из того же материала, что и опоры данного РУ.