Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Наиболее распространенными электрическими устройствами в промышленности и в быту являются трансформаторы. Их назначение – передача мощности внутри несогласованной электрической цепи между ее различными схемами. Применяются в тех случаях, когда требуется понизить или повысить напряжение между источником энергии и потребителем. Также трансформаторы включены в схемы блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный. В основе работы трансформаторов лежит их способность передавать электроэнергию между контурами посредством магнитной индукции.

Силовые трансформаторы — электромагнитные устройства, предназначенные для преобразования напряжений переменного тока, сохраняя при этом его частоту, а также для преобразования самой системы электроснабжения.

Устройство силового трансформатора

Основные элементы.

Магнитопровод силового трансформатора

Основными элементами, из которых состоит силовой трансформатор, являются магнитопровод и обмотки.

Магнитопровод представляет собой магнитную цепь силового трансформатора, по которой замыкается магнитный поток.

Обмотки – это электрические цепи, по которым протекает электрический ток.

Совокупность магнитопровода и обмоток представляет собой активную часть силового трансформатора. Остальные элементы являются вспомогательными, неактивными частями. Для соединения между собой обмоток, обмоток с выводами и переключателями ответвлений предназначены отводы.

Обмотки и отводы, соединенные по определенной схеме представляют собой электрическую цепь, изолированную относительно заземленных частей конструкции силового трансформатора. Изоляция выполняется из твердых изоляционных материалов – электроизоляционного картона, бумаги, гетинакса и т.п. Масляные силовые трансформаторы заливают трансформаторным маслом.

Магнитопровод.

Магнитопровод силового трансформатора

Магнитопровод силового трансформатора изготавливается из холоднокатаной анизотропной электротехнической стали. Магнитопровод состоит из стержней, на которых расположены обмотки, и ярм, замыкающих магнитную цепь. Поверхность пластин изолирована либо жаростойкой пленкой или лаком, либо жаростойкой и лаковыми пленками в сочетании.

Различают броневые, бронестержневые и стержневые магнитопроводы. Наибольшее распространение в силовых трансформаторах получили стержневые магнитопроводы.

По способу сборки магнитопроводы подразделяются на стыковые и шихтованные. В стыковом магнитопроводе стержни и ярма собраны и закреплены раздельно и при сборке соединяются в стык. Такие магнитопроводы имеют ряд существенных недостатков, хотя и отличается простотой сборки.

Наиболее часто применяют шихтованные магнитопроводы, в которых стержни и ярма собираются впереплет.

Из-за потерь от вихревых токов и перемагничивания стали магнитопровод силового трансформатора нагревается. Для отвода теплоты у магнитопроводов силовых трансформаторов с номинальной мощностью до 6300кВА обычно бывает достаточно их наружной поверхности. У более мощных силовых трансформаторов охлаждающую поверхность увеличивают созданием каналов между пакетами пластин. Также делают каналы между ярмами и ярмовыми балками.

Конструкция, включающая в собранном виде магнитопровод со всеми деталями, служащими для его крепления, называется остовом силового трансформатора.

При работе силового трансформатора остов находится в электрическом поле, вследствие чего он приобретает электрический заряд. Так как заряд в отдельных частях остова не одинаков, то между ними может возникнуть разность потенциалов, что вызывает разряды. Чтобы избежать этого магнитопровод и ярмовые балки заземляют.

Обмотки.

Обмотка силового трансформатора
Силовой трансформатор с масляным охлаждением
Сухой силовой трансформатор
Регулятор напряжения силового трансформатора
Вводы силового трансформатора

Обмотки силовых трансформаторов различаются по следующим признакам:

• Тип;
• Количество витков;
• Поперечное сечение и марка провода;
• Направлением намотки;
• Изоляционными расстояниями;
• Толщиной витковой изоляции.

Чем больше напряжение силового трансформатора, тем больше количество витков. С увеличением мощности возрастают сечения проводов и размеры обмоток.

Для уменьшения потерь электроэнергии, выделяющихся в силовом трансформаторе в виде тепла, должны быть выбраны достаточно малыми активные сопротивления обмоток, т. е. возможно большие сечения витков обмоток, возможно меньшие длины витков и возможно меньшие электрические удельные сопротивления проводов и обмоток. Поэтому провода обмоток изготавливают из меди, обладающей наименьшим удельным электрическим сопротивлением, и в редких случаях из алюминия, удельное сопротивление которого примерно на 70% больше.

Для обмоток мощных силовых трансформаторов, как правило, применяют провод прямоугольного поперечного сечения с бумажной изоляцией. При больших токах применяются подразделенный провод, состоящий из нескольких параллельно расположенных ветвей, и транспонированный провод, т.е. многожильный провод с перекладкой отдельных жил.

Различают следующие типы обмоток силовых трансформаторов: однослойные, двухслойные и многослойные. Тип обмотки зависит от габарита силового трансформатора.

Однослойные – обмотки, намотанные в один слой. Двухслойные цилиндрические — две обмотки, разделенные между собой каналом и соединенные переходом. Однослойную и двухслойную обмотки обычно применяют в качестве обмотки низшего напряжения в силовых трансформаторах I и II габаритов, используя при этом провод круглого сечения.

Многослойная цилиндрическая обмотка – остовом для обмотки служит цилиндр, наматывается проводом круглого сечения. Используется в качестве обмотки высшего напряжения в силовых трансформаторах I и II габаритов.

Непрерывная катушечная обмотка – состоит из плоских спиральных катушек, переход из катушки в катушку осуществляется без разрыва с помощью особых технологических приемов по перекладке проводов в каждой четной по счету катушке. Применяются в силовых трансформаторах класса напряжения 110кВ в качестве обмоток высшего, среднего и низшего напряжения, а также в силовых трансформаторах класса 220кВ в качестве обмоток среднего и высшего напряжения.

Переплетенная обмотка – обмотка, в которой витки переплетаются. Требует использование обмоточных проводов высокого качества поверхности или усиления витковой изоляции. Применяется в силовых трансформаторах 500кВ и выше.

Винтовая обмотка – витки следуют друг за другом по винтовой линии и каждый из них составлен из нескольких концентрически расположенных параллельных проводов. Такие обмотки имеют сравнительно небольшое количество витков, их изготавливают на большие токи и применяют главным образом в силовых трансформаторах III-VIII габаритов.

Изоляция обмоток силового трансформатора.

Изоляция обмоток силового трансформатора подразделяется на продольную и главную. Главная изоляция изолирует обмотки друг от друга и от остова, продольная – отдельные части самой обмотки. Изоляция силового трансформатора в процессе работы подвергается электрическим воздействиям, механическим воздействиям от токов короткого замыкания, тепловым – от нагрева проводов, химическим – от химических процессов протекающим в трансформаторе.

В зависимости от теплового воздействия изоляция изготавливается из материалов относящихся к одному из 7 классов нагревостойкости изоляции(Y, A, E, B, F, H, C), при этом должны учитываться и другие виды воздействия оказываемого на изоляцию.

Охлаждение

По способу охлаждения силовые трансформаторы делятся на три группы: с естественным воздушным охлаждением, с форсированным воздушным охлаждением, с естественным масляным охлаждением, с форсированным масляным охлаждением.

Силовые трансформаторы с воздушным охлаждением называют сухими, силовые трансформаторы с масляным охлаждением – масляными.

Регулировка напряжения силового трансформатора

Во время эксплуатации силового трансформатора возникает необходимость изменения коэффициента трансформации. У одних силовых трансформаторов регулирование напряжения осуществляется с отключением от сети, у других оно может производится под нагрузкой(РПН). Для обеспечения РПН используется специальная аппаратура, устанавливаемая снаружи на бак или внутри бака на активной части.

Вводы.

Внешние линии, подходящие к силовому трансформатору и уходящие от него, соединяются металлически с концами первичной и вторичной обмоток при помощи вводов.

Вводы силового трансформатора предназначены для подсоединения обмоток к сети. Вводы устанавливаются на корпусе силового трансформатора, при этом нижняя часть находится внутри, а верхняя вне корпуса, на воздухе.

Функционирование системы

Принцип работы силового трансформатора основан на электродвижущей силе, которая движется по обмоткам. Данные устройства функционируют исключительно на переменном токе. Если его подключить к обмотке, будет создаваться магнитный поток. Он замыкается в магнитоприводе. В этот момент возникает электродвижущая сила во второй обмотке. Все катушки связаны в системе магнитной связью. Показатель ЭДС будет пропорционален количеству витков в обмотке.

Принцип действия понижающего или повышающего силового трансформатора включает в себя несколько режимов. Для каждого из них предусмотрены свои особенности.

В рабочем режиме к первичной обмотке подводится напряжение, а к вторичной – нагрузка. В таком положении установка способна длительное время обеспечивать подключенные к нему потребители электричеством. Рабочий режим может осуществляться при холостом ходе и опыте короткого замыкания.

Холостой ход наступает при размыкании вторичной обмотки. В этот период исключается протекание по ней тока. Этот режим позволяет определить КПД прибора, потери при намагничивании сердечника и коэффициент трансформации.

Опыт короткого замыкания происходит при коротком шунтировании выводов вторичной катушки. При этом сила тока на входе должна быть занижена на входе. На этом уровне создается вторичный ток без превышения. Представленную методику применяют для определения уровня потерь в меди.

Аварийный режим определяется при нарушениях в работе системы. Рабочие параметры отклоняются от допустимых значений. Наиболее опасным состоянием считается короткое замыкание внутри обмоток. При этом возможно возникновение пожара, причинение большого ущерба системе энергоснабжения. Чтобы предупредить возникновение аварии, применяются различные автоматические системы защиты, сигнализации и отключения оборудования.

Феррорезонансный трансформатор

Если говорим о регулировке трансформаторов, то нельзя не упомянуть такое экстравагантное устройство как феррорезонансный трансформатор.

«Феррорезонанс» – это явление, связанное с поведением железных сердечников при работе вблизи точки магнитного насыщения (где сердечник настолько сильно намагничен, что дальнейшее увеличение тока в обмотке приводит к небольшому увеличению магнитного потока или вообще ничего не увеличивает).

Феррорезонансный трансформатор, который довольно сложно описать, не углубляясь в электромагнитную теорию, представляет собой силовой трансформатор, спроектированный для работы в условиях постоянного насыщения сердечника.

То есть его железный сердечник «заполнен» магнитными линиями потока на протяжении большей части цикла переменного тока, так что изменения напряжения питания (изменения силы тока первичной обмотки) мало влияют на плотность магнитного потока сердечника, что означает, что на вторичную обмотку выводится почти постоянное напряжение, несмотря на значительные колебания напряжения питания (первичной обмотки).

Устройство трансформатора

Конструкции трансформаторов имеют различное строение. В зависимости от этого ведется расчет номинального напряжения, либо между фазой и землей, либо между двумя фазами.

1 — Первичная обмотка 2 — Вторичная обмотка 3 — Сердечник магнитопровода 4 — Ярмо магнитопровода

Конструкция обычного стандартного трансформатора состоит из двух обмоток с общим ярмом, для создания электромагнитной связи между обмотками. Сердечник изготавливают из электротехнической стали. Катушка, на которую входит электрический ток, является первичной обмоткой. Катушка на выходе называется вторичной.

Существует такой вид трансформаторов, как тороидальный. У такого трансформатора катушки индуктивности являются пассивными компонентами, состоящими из магнитного сердечника в виде кольца. Сердечник имеет повышенную магнитную проницаемость, изготовлен из феррита. Вокруг кольца намотана катушка. Тороидальные фильтры и катушки применяются для трансформаторов высокой частоты. Они используются для испытаний мощности.

Переменный ток поступает на первичную обмотку трансформатора, образуется электромагнитное поле, которое развивается в магнитном потоке сердечника. По принципу электромагнитной индукции во вторичной обмотке образуется переменная ЭДС, которая образует напряжение на клеммах выхода трансформатора.

Силовые трансформаторы, имеющие две обмотки, не рассчитаны на постоянный ток. Однако, в момент подключения их к постоянному току, они образуют короткий импульс напряжения на выходе.

Конструкция силового трансформатора подобна обычному бытовому трансформатору.

Виды

Существует множество факторов, по которым можно классифицировать силовые трансформаторы. При общем рассмотрении этих устройств, можно сказать, что они преобразуют электрическую энергию одного размера напряжения в электроэнергию с большим или меньшим размером напряжения.

В зависимости от различных факторов силовые трансформаторы делятся на виды:

• По выполняемой задаче . Понижающие трансформаторы. Применяются для получения низкого напряжения из высоковольтных линий питания. Повышающие, используются для увеличения значения напряжения.
• По числу фаз . Трансформаторы 3-фазные, 1-фазные. Широко применяются в трехфазной сети питания. Оптимальным вариантом будет в трехфазной сети установить три однофазных трансформатора на каждую отдельную фазу.
• По количеству обмоток . Двухобмоточные и трехобмоточные.
• По месту монтажа . Наружные и внутренние.

Существует много других разных факторов, по которым можно разделять силовые трансформаторы. Например, по способу охлаждения или соединения обмоток, и т.д. При установке оборудования важную роль играют условия климата, что также разделяет трансформаторы на классы.

Трансформаторное оборудование бывает универсальным, и специального назначения мощностью до 4000 кВт напряжением 35000 вольт. Конкретную модель выбирают по возлагаемой на трансформатор задаче.

Принцип действия

Трансформатором называется электромагнитное статическое устройство, у которых имеется 2 или больше обмоток, связанных индуктивно. Они предназначены для изменения одного переменного тока в другой. Вторичный ток может различаться любыми свойствами: значением напряжения, количеством фаз, формой графика тока, частотой. Широкое использование в электроустановках, а также в распределительных системах получили силовые трансформаторы.

С помощью таких устройств преобразуют размер напряжения и тока. При этом количество фаз, форма графика тока, частота не изменяются. Элементарный силовой трансформатор имеет магнитопровод из ферромагнитного материала, две обмотки на стержнях. Первая обмотка подключена к линии питания переменного тока. Ее называют первичной. Ко второй обмотке подсоединена нагрузка потребителя. Ее назвали вторичной. Магнитопровод вместе с катушками обмоток располагается в баке, наполненном трансформаторным маслом.

Принцип работы заключается в электромагнитной индукции. При включении питания на первичную обмотку в виде переменного тока в магнитопроводе образуется переменный магнитный поток. Он замыкается на магнитопроводе и образует сцепление с двумя обмотками, в результате чего в обмотках индуцируется ЭДС. Если к вторичной обмотке подключить какую-либо нагрузку, то под действием ЭДС в цепи этой обмотки образуется ток и напряжение.

В повышающих силовых трансформаторах напряжение на вторичной обмотке всегда выше, чем напряжение в первичной обмотке. В понижающих трансформаторах напряжения первичной и вторичной обмоток распределяются в обратном порядке, то есть, на первичной напряжение выше, а на вторичной ниже. ЭДС обеих обмоток отличаются по количеству обмоток.

Поэтому, используя обмотки с необходимым соотношением количества витков, можно получить конструкцию трансформатора для получения любого напряжения. Силовые трансформаторы имеют свойство обратимости. Это значит, что трансформатор можно применить как повышающий прибор, или понижающий. Но, чаще всего, трансформатор предназначен для определенной задачи, то есть, либо он должен повышать напряжение, либо снижать.

Сфера использования

Энергетика в современное время не обходится без устройств, преобразующих электроэнергию в сетях и магистралях, а также принимающих и распределяющих ее. Когда появились силовые трансформаторы, то произошло снижение расхода использования цветных металлов, а также уменьшились потери энергии.

Для эффективной работы оборудования нужно рассчитать потери в силовом трансформаторе. Для этого необходимо обратиться к специалистам. Мощные трансформаторы нашли применение на линиях высокого напряжения и станциях распределения энергии. Без них не обходится ни одна отрасль промышленности, где необходимо преобразование энергии.

Вот некоторые области применения силовых трансформаторов:

• В сварочном оборудовании.
• Для электротермических устройств.
• В схемах электроизмерительных устройств и приборов.

Свойства и расчет трансформатора

Чаще всего основные свойства устройства указаны в инструкции в его комплекте. Для силовых трансформаторов такими основными свойствами являются:

• Номинальное значение напряжения и мощности.
• Наибольший ток обмоток.
• Габаритные размеры.
• Вес устройства.

Мощность трансформатора по номиналу определяется изготовителем, и выражается в кВА (киловольт-амперы). Номинальное значение напряжения указывается первичное, для соответствующей обмотки, и вторичное, на клеммах выхода. Размеры этих значений могут не совпадать на 5% в ту или иную сторону. Чтобы ее вычислить, нужно сделать простой расчет.

Номинальный ток и мощность устройства должны удовлетворять стандартам. На сегодняшний день производятся модели сухих трансформаторов, которые имеют такие данные мощности от 160 до 630 кВА. Обычно мощность трансформатора обозначена в его паспорте. По ее значению определяют номинальный размер тока. Для расчета применяют формулу:

I = S х √3U, где S и U – это мощность по номиналу, и напряжение.

Для каждой обмотки в формулу входят свои значения величин. Чтобы рассчитать мощность силового трансформатора при работе с потребляющей энергию нагрузкой, необходимо проводить довольно сложные расчеты, которые могут сделать специалисты. Такие расчеты необходимы во избежание негативных моментов, которые могут возникнуть при функционировании трансформатора.

Номинальное напряжение – это линейная величина напряжения холостого хода на обмотках. Они вычисляются, исходя из мощности трансформатора.

Установка и эксплуатация

Многие варианты исполнения силовых трансформаторов имеют большую массу. Поэтому на место монтажа их доставляют на специальных транспортных платформах. Их привозят в собранном готовом к подключению виде.

Силовые трансформаторы устанавливаются на специальном фундаменте, либо в определенном для этого помещении. При массе трансформатора до 2 тонн установка производится на фундамент. Корпус трансформатора в обязательном порядке заземляют.

Перед монтажом трансформатор подвергают лабораторным испытаниям, в ходе которых измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество всех соединений, проверяется изоляция повышенным напряжением, производится контроль качества масла.

Перед установкой трансформатор необходимо тщательно осмотреть. Нужно обратить особое внимание на наличие утечек масла, проконтролировать состояние изоляторов, соединений контактов.

После ввода в эксплуатацию нужно периодически производить измерение температуры нагрева специальными стеклянными термометрами. Температура должна быть не более 95 градусов.

Во избежание аварий при эксплуатации силового трансформатора нужно периодически производить замеры нагрузки. Это дает информацию о перекосах фаз, искажающих напряжение питания. Осмотр силового трансформатора производится два раза в год. Периоды осмотра могут изменяться в зависимости от состояния устройства.

Техническое обслуживание

Совместно с планом технического обслуживания вам будет представлена стоимость обслуживания силового трансформатора, включающая затраты на персонал и запасные части, что позволит избежать неприятных неожиданностей. В случае возникновения вопросов, либо иных осложнений – наши специалисты технической службы помогут по любым вопросам.

• Диагностика и консультации
  C помощью современного портативного оборудования компания SEA может осуществить проверку и контроль наиболее значимых параметров трансформатора и системы: напряжение, токи, гармоники, импульсные перенапряжения, диэлектрическая прочность масла, температура и уровень шума. Полученные данные могут помочь в диагностике сбоев или послужат основанием для предложения заказчику мер по изменению и усовершенствованию его системы.
• Профилактическое и внеплановое техническое обслуживание
  Многие операции по обслуживанию и ремонту (замена аксессуаров и пломб, устранение небольших утечек, допускающие сварку без опорожнениябака, проверка масла, подкраска, заливка масла) могут выполняться непосредственно на месте, что сэкономит время и устранит риски и неудобства, связанные с транспортировкой трансформатора.
• Поставка запасных частей
  Компания SEA осуществляет поставку, либо поставку с монтажом на месте эксплуатации запасных частей трансформатора.
• Техническая поддержка
  Цель службы поддержки – обеспечение идеальной работы трансформатора. 

Фазировка трансформатора

Фазировка трансформатора производится измерением напряжения между разноименными фазами включаемого трансформатора и сети (или другого трансформатора) и контролем отсутствия напряжения между фазами. Проверка осуществляется с помощью вольтметра или специальных указателей. Проверка масла в трансформаторе производится испытанием его высоким напряжением и определением тангенса угла диэлектрических потерь.

По окончании полученные данные выносятся в протокол испытания силового трансформатора. Ввод трансформатора в работу возможен при соответствии всех результатов установленным нормам и требованиям. Испытание силовых трансформаторов – это сложная и трудоемкая работа, требующая высокого профессионализма и опыта. Компания «Электрик-Мастер» профессионально, быстро и качественно проведет испытание силовых трансформаторов.

Специалисты нашей компании имеют большой опыт проведения данного вида работ и с максимальной ответственностью относятся ко всему процессу испытания. Применение современного специализированного оборудования позволяет получить точные данные, которые тщательно вносятся в протокол испытания силового трансформатора. Выполняя испытания в компании «Электрик-Мастер», Вы обеспечите долгую и надежную работу силовых трансформаторов!