Что такое силовой трансформатор, его назначение и конструктивные особенности

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это устройство, которое преобразует амплитуду в переменное напряжение, оставляя частоту неизменной. Работа такого устройства основана на принципе электромагнитной индукции. Не будем отвлекаться на описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Как видно из рисунка, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько МТ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем оно выше, тем меньше потери при передаче на большие расстояния) и подает на линии электропередач.

В конце линии на районной подстанции устанавливается второй СМ, откуда он передается по земляному кабелю на трансформаторный пункт, от которого получают питание конечные потребители.

Область применения

Устройство силового трансформатора позволяет транспортировать электроэнергию на большие расстояния. От завода, производящего его, до конечного потребителя расстояние может составлять тысячи километров. Если говорить кратко о силовых трансформаторах, то схема допускает движение электричества.

Во избежание искажений и потерь используется принцип трансформации. Генераторы вырабатывают электроэнергию и передают ее на подстанцию. Здесь повышается напряжение, и ток с нужными свойствами передается по линиям электропередач.

С другой стороны линия электропередач подключена к внешней подстанции. Через этот объект мощность распределяется между всеми потребителями. Для этого снижают напряжение. Для преобразования электроэнергии с большой мощностью представленные устройства работают на обеих подстанциях.

Это трансформаторы и автотрансформаторы. Технические характеристики этих устройств практически идентичны. Принцип их работы разный.

Первый повышающий трансформатор расположен в непосредственной близости от линии электропередач электростанции. Последующие первичные блоки в сети также работают на повышение напряжения. Это позволяет избежать потери линии. На пути к потребителю устанавливается некоторое количество понижающего оборудования. Целью всех силовых трансформаторов является обеспечение полноценного функционирования всей системы.

Функционирование системы

Принцип работы силового трансформатора основан на движении электродвижущей силы по обмоткам. Эти устройства работают исключительно на переменном токе. Если его подключить к обмотке, будет создаваться магнитный поток. Замыкается на магнитный привод.

В этот момент во второй обмотке возникает электродвижущая сила. Все катушки соединены в системе магнитным соединением. Показатель ЭДС будет пропорционален количеству витков в обмотке.

Принцип работы понижающего или повышающего трансформатора включает в себя несколько режимов. Каждый из них имеет свои особенности.

В рабочем режиме на первичную обмотку подается напряжение, а на вторичную нагрузка. В таком положении установка способна длительное время обеспечивать подключенных к ней потребителей электроэнергией. Режим работы может выполняться на холостом ходу и при коротком замыкании.

Отсутствие нагрузки происходит, когда вторичная обмотка разомкнута. В этот период исключается поступление электричества через него. Этот режим позволяет определить КПД устройства, потери намагниченности сердечника и коэффициент трансформации.

Короткое замыкание возникает при замыкании выводов вторичной катушки. В этом случае входной ток должен быть занижен на входе. На этом уровне создается вторичный поток без превышения. Представленная методика используется для определения уровня потерь в меди.

Аварийный режим определяется в случае нарушения работы системы. Рабочие параметры отклоняются от допустимых значений. Наиболее опасным состоянием считается короткое замыкание внутри обмоток. Это может привести к пожару и серьезному повреждению системы электропитания. Для предотвращения аварии используются различные автоматические системы защиты, сигнализации и отключения оборудования.

Как устроены силовые трансформаторы

Ключевым узлом каждого устройства является магнитопровод (сердечник) с двумя и более обмотками. Изготовлен из стали с высокой магнитной проницаемостью. Обладает способностью быстро намагничиваться даже в слабых магнитных полях и быстро размагничиваться при отсутствии магнитного поля. Сердечник изготовлен из тонких металлических листов так, что стержни вписаны в окружность.

Обмотки силового трансформатора выполнены из меди или алюминия. Каждый виток обмотки изолирован от магнитопровода и других витков обмотки. Между основными элементами в так называемой активной части трансформаторов, а именно обмотками, магнитопроводом и другими конструктивными элементами, оставлено специальное пространство для того, чтобы теплоноситель (масло) мог циркулировать и тем самым отводить тепло от обмоток и магнитная цепь.

В первичную обмотку подается электрический ток, а после преобразования в трансформаторе вторичный ток снимается со вторичной обмотки, которая отличается от первичной обмотки коэффициентом трансформации, зависящим от соотношения числа витков в первичной обмотки и вторичные обмотки (рис. 1).

Основные элементы конструкции силовых трансформаторов

 

•  Для электрического присоединения обмоток высокого (ВН), среднего (СН) или низкого (НН) напряжения к соответствующим устройствам электрической сети (генераторам, двигателям, линиям электропередач и т.п.) устанавливают вводы различных типов и конструкций на трансформаторах.

Так, например, вводы со стороны ВН имеют высокое номинальное напряжение, а вводы со стороны НН рассчитаны на высокие номинальные токи, что напрямую влияет на их конструкцию и габариты.

•  Для регулирования напряжения и, следовательно, тока на первичной и вторичной обмотках трансформатора путем изменения коэффициента трансформации за счет электрического соединения с разным числом витков обмоток применяют переключатели двух типов. Один из них осуществляет переключение, т.е регулирование, под нагрузкой (РПН), а другой осуществляет переключение без нагрузки и без напряжения (ПБВ), то есть переключение без возбуждения.

Оба типа выключателей обычно устанавливают в высоковольтных обмотках, так как они имеют меньшие номинальные токи, что особенно важно для РПН из-за необходимости гашения меньшей энергии, выделяемой при переключении дуги, чем если бы она находилась на низковольтных сторона напряжения.

• На масляных трансформаторах большой мощности устанавливается система охлаждения масла. Охлаждение масла происходит:
• естественный;
• натуральный с поддувом;
• принудительная — с направленным движением масла;
• вынужден дуть;
• принудительная нефть-вода.

Дополнительное навесное оборудование

Дополнительные насадки улучшают работу силовых трансформаторов (рис. 2). Это включает в себя:

1) защита, отключающая трансформатор или подающая предупредительные сигналы — газовое реле. Принцип действия газового реле защиты трансформатора основан на контроле давления газа. Реле врезано в маслопровод трансформатора между баком и расширителем.

В случае резкого повышения температуры, которое может произойти, например, из-за электрического разряда внутри бака трансформатора, масло начинает разрушаться, что приводит к образованию газа внутри трансформатора. Нагретые газы стремятся попасть в расширитель устройства, проходя через корпус реле;

2) система защиты от избыточного давления хладагента, работающая автоматически;

3) термоиндикаторы — измеряют температуру масла в маслонаполненном оборудовании;

4) прибор, измеряющий уровень масла;

5) система фильтрации и осушки масла;

6) осушители конденсата, образующегося под крышкой трансформатора, препятствуют его попаданию в масло.

Типы и виды силовых трансформаторов

Что такое силовые трансформаторы? Силовые трансформаторы можно разделить по разным основаниям.

По количеству фаз различают однофазные и трехфазные трансформаторы. Трехфазные используются на подстанциях, они более распространены.

По количеству обмоток — двух- и трехобмоточные трансформаторы.

По задаче или назначению трансформаторы бывают повышающего или понижающего напряжения.

По месту установки — устанавливаемые внутри помещений и устанавливаемые вне помещений (рис. 3).

По параметру электрического напряжения, подлежащему преобразованию, различают силовой трансформатор тока и силовой трансформатор напряжения.

Силовые трансформаторы тока преобразуют силу тока без изменения мощности.

Трансформаторы тока-напряжения помогают получить нужное напряжение от источника переменного тока, например промышленной сети.

По типу диэлектрика различают сухие силовые трансформаторы (с литой или воздушной барьерной изоляцией) и маслонаполненные силовые трансформаторы.

Силовые трансформаторы из литой смолы (рис. 4) имеют ряд преимуществ:

• компактный размер;
• широкий диапазон допустимых температур (до –60 °С);
• повышенная пожарная и экологическая безопасность;
• сниженный уровень шума;
• легкая установка;
• устойчивость обмоток к влаге и загрязнениям.

Силовой масляный трансформатор имеет широкий спектр применения в промышленности. По конструкции представляет собой корпус (бак) с погруженными в него сердечником и обмотками, заполненными трансформаторным маслом.

Масляные трансформаторы производства Группы СВЭЛ характеризуются:

• низкий уровень шума;
• отсутствие необходимости в подпрессовке обмоток и капитальном ремонте в течение всего периода эксплуатации;
• незначительные дополнительные потери в металлоконструкциях.

Группа СВЭЛ имеет мощности по производству сухих и масляных трансформаторов в Екатеринбурге. Все трансформаторы производятся с полным контролем на всех этапах производства, сборки и испытаний и соответствуют требуемым стандартам качества.

Конструкция и устройство силовых трансформаторов

Основной частью любого силового трансформатора является сердечник с несколькими обмотками из ферромагнитного материала. Как правило, это тонкие пластины специального трансформаторного железа с магнитомягкими свойствами.

Листы укладываются таким образом, чтобы форма стержней под обмотками в поперечном сечении была близка к кругу. Для повышения эффективности устройства и снижения потерь полные листы перекрывают стыки между отдельными листами.

Обмотка трансформатора обычно выполняется медным проводом прямоугольного или круглого сечения. Каждый виток изолирован как от самого магнитопровода, так и от соседних витков. Для циркуляции теплоносителя между обмотками и отдельными слоями имеются технические пустоты.

Каждый трансформатор имеет не менее двух обмоток: первичную (на нее подается электрический ток) и вторичную (ток снимается после преобразования напряжения).

Принцип работы

Принцип работы любого силового трансформатора заключается в явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку подается переменный ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Происходит это из-за короткого замыкания магнитопровода и образования спая между обмотками, что наводит ЭДС. Нагрузка, подключенная к вторичной обмотке, приводит к образованию в ней напряжения и тока.

Конструктивно для получения любого напряжения на вторичной обмотке используется необходимое соотношение витков между обмотками. Силовой трансформатор обладает свойством реверсивности. Другими словами, его можно использовать как для увеличения, так и для уменьшения напряжения.

В большинстве случаев для решения определенных задач будет использоваться силовой трансформатор. Например, специально увеличить или уменьшить напряжение. В повышающем трансформаторе напряжение на первичной обмотке меньше, чем на вторичной.

Принятые классификации

Учитывая значительный вес и габариты СТ, для упрощения ряда работ, связанных с техническим обслуживанием, транспортировкой и планировкой, эти агрегаты обычно делят на высшие группы. Ниже приведена таблица соответствия.

Таблица размеров ТТ:

Группа измерений	Минимальная мощность (кВА)	Максимальный эффект (кВ*А)	UMAX (кВ)
Я	10,0	100,0	35,0
II	160,0	630,0
III	1000,0	6300,0
IV-1	10000,0	40000,0
IV-2	6300,0	63000,0	110,0
В-1	100 000,0	250 000,0
В-2	10000,0	250 000,0	220,0-330,0
VI-1	250 000,0 и более	от 330.0 и выше
VI-2	без ограничений по току и напряжению

 

Помимо общего распределения, ЗТ также классифицируют по следующим показателям:

• количество фаз (как правило, подстанции оснащаются трехфазными преобразователями);
• количество обмоток (две или три);
• функциональное назначение (уменьшение или увеличение амплитуды);
• исполнение (внутренняя или наружная установка);
• система отвода тепла (воздушная или масляная).

Конструктивные особенности

Несмотря на разнообразие типов СТ, в их конструкцию всегда входят следующие обязательные элементы:

• выводы катушек высокого и низкого напряжения (ВН и НН), их обычно называют токоподводами;
• система отвода тепла;
• устройства, позволяющие регулировать рабочее напряжение;
• дополнительное оборудование для контроля работы и обслуживания агрегата.

Обозначения:

• А — расширительный бачок, служит для выравнивания уровня масла при изменении объема из-за колебаний температуры.
• В — потребляемая мощность для ВН.
• C — вход для ДЧ.
• D — выключатель рабочего напряжения.
• Е – радиатор, представляет собой трубку, по которой циркулирует масло.
• F – корпус, так же играет роль маслобака.
• G и H — катушки ВН и НН.
• I — магнитопровод.

Теперь подробно рассмотрим назначение основных элементов конструкции.

Назначение силовых вводов

Этот конструктивный элемент необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Их расположение может быть как внутренним (закрытые клеммники), так и внешним. Обратите внимание, что первый вариант компоновки используется только в СТ с воздушной системой отвода тепла.

Между входом и корпусом обязательно должна быть изоляция, она может быть маслобарьерной, элегазовой, емкостно-проходной или из материалов, не проводящих электричество (фарфор, полимеры и т д).

Читайте также: Сколько потребляет домашний компьютер электроэнергии в час, отчего показатели могут меняться

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому в любом ПТ всегда присутствует система отвода. Мощные агрегаты оснащаются для этого специальной двухконтурной системой, где масло охлаждается следующими способами:

• С помощью радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
• Корпус бака с рифленой поверхностью (используется в агрегатах малой мощности).
• Монтаж вентиляционного оборудования. Это решение позволяет увеличить производительность на четверть.
• Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов распространения тепла.
• Использование специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость увеличения или уменьшения напряжения нагрузки СТ; для этой цели в большинстве конструкций предусмотрен специальный переключатель. По сути, он изменяет коэффициент трансформации, переключаясь на большее или меньшее количество витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции проводят при снятой нагрузке, но есть устройства, позволяющие менять ТТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и технического обслуживания СТ в их конструкцию могут быть включены следующие устройства, именуемые навесным оборудованием или дополнительным оборудованием:

• Реле давления газа является системой защиты. Если ПТ работает ненормально, масло выходит из строя в результате большого выделения тепла. Этот процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая устройство от тока и нагрузки. Если процесс газообразования продолжается медленно, включается предупреждение.
• Тепловые индикаторы показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла.
• Осушители. Применяются в системах отвода тепла негерметичного масла, препятствуя образованию водяного конденсата.
• Системы восстановления нефти.
• Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
• Датчик уровня масла в системе отвода тепла.

Принятая маркировка

Обозначения:

1. Указывает тип машины. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, которые соответствуют автотрансформаторному, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на обычный ST.
2. «О» или «Т» соответствует однофазному или трехфазному устройству.
3. Используемый вариант отвода тепла (для масляных систем), возможные варианты:

• М — принудительные системы не используются.
• D — осуществляется принудительная подача воздуха.
• DC — осуществляется принудительный обдув с ненаправленной циркуляцией.
• НК — водомасляное охлаждение с направленной циркуляцией.
• С — водомасляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.

1. Индикация мощности в кВА.
2. Допустимый уровень ВН (кВ).
3. Вариант исполнения (открытое или закрытое расположение, особые климатические условия и т д)

Мощность трансформатора

Нагрузка МТ рассчитывается по 1 из 2 условий неисправности МТ. 2 СТ снабжает потребителя электроэнергией. Выдает расчетную мощность, поддерживает: заданную частоту электрического тока, нормальное напряжение, силу тока, коэффициент φ=0,8. Трансформаторы создают электрическую мощность с учетом перегрузочной способности.

Как выбрать

Показателями, характерными для СТ при строительстве, монтаже тепловых электростанций, гидроэлектростанций, атомных электростанций, дизельных электростанций, являются: мощность, надежность электроснабжения. Для отдельных категорий потребителей электроэнергии важным фактором является надежность электроснабжения.

При выборе устройств учитывается защита линий электропередач. Высокая степень экономической эффективности СТ — проектирование оптимальной распределительной сети: ОРУ, ЗРУ, ВРУ для передачи электроэнергии.

В стоимость покупки, обслуживания трансформаторов входят блоки преобразования мощности. Компания развивает и реконструирует производство в будущем. Меняются требования к техническому оснащению электрических сетей и характеристикам силовых трансформаторов.

обеспечение бесперебойного электроснабжения предприятия осуществляется путем установки второго СТ. 1 постоянно работает. Второй считается резервом. Периодически 1 из 2 единиц вывозится на капитальный, средний, текущий ремонт, наладку, для проверки сетей и оборудования.

Компания устанавливает 2 агрегата с рабочим состоянием каждого агрегата с коэффициентом загрузки по мощности 0,7 от номинального параметра. При выходе из строя 1 рабочего блока из 2. Один блок постоянно переводится в резервный режим. В процессе эксплуатации возникают: неисправности, проблемы с защитой, сбои в работе распределительных устройств, подстанций. 2, рабочий блок испытывает перегрузку по току в 1,4 раза, т.е второй трансформатор может быть перегружен только на 40%.

Защиты трансформатора

Стандартный вид защиты по ПУЭ устанавливается:

1. Защита по току нулевой последовательности от внешних замыканий на землю п.3.2.63.
2. Защита от токов, вызванных внешними короткими замыканиями п.3.2.64.
3. Оперативное ускорение защиты от токов, вызванных внешними короткими замыканиями с выдержкой времени 0,5 с п.3.2.65 (подстанции АТ, блочный генератор СТ).
4. Газовая защита дополнительного трансформатора п.3.2.71.
5. Защита ступенчатого выключателя с реле давления, отдельное газовое реле п.3.2.71.
6. Дифференциальная токовая защита цепей на стороне низкого напряжения (НН) п.3.2.70 — 3.2.71.
7. Дифференциальная защита от перегрузки фазы.
8. Из внутренних повреждений: уровень масла + давление, температура обмотки, сталь сердечника, наличие газов.

Панель защиты ТТ:

Условия эксплуатации

СТ требует высокой степени надежности при высоких значениях напряжения, мощности. Это влияет на качество операций, профилактику. Процедурные работы проводятся правильно, полное техническое обслуживание, ремонт, проверка, наладка.

Трансформаторы и оборудование размещены на площадке для постоянного дежурства персонала. Планы ежедневного осмотра, контрольно-измерительные приборы проверяют рабочее состояние электрической сети, трансформаторов.

Проверить показания датчиков прибора, измерить:

• Температура.
• Давление.
• Уровень масла.
• Степень истощения осушителя.
• Состояние масляных регенераторов.

Проверяет наличие утечек масла в корпусе трансформатора, ОРУ, ЗРУ, механических повреждений в корпусе, фланцевых соединениях (масло, теплоноситель), радиаторах, вентиляторах, участках трубопроводов. Количество работающих вентиляторов и уровень масла в газоанализаторе регулируются определенной нагрузкой трансформатора.

Каждый режим имеет свой номер рабочего оборудования, параметры по хладагенту, газу, воде, маслу. В подразделениях с постоянным дежурством личного состава проверки проводятся реже: 1 раз в 30 дней. Не реже одного раза в ½ года проводится осмотр ОРУ, ВРУ, ЗРУ, трансформаторных пунктов.

По плану ТО при ТО масло доливается, негодное трансформаторное масло заменяется новым составом. Качество масла определяется химическим лабораторным анализом. В ПУЭ приведены инструкции по трансформаторам, оборудованию, критерии требований к маслам, внешний осмотр, цвет. В аварийных ситуациях, резком изменении температуры наружного воздуха, проводятся внеплановые проверки.

Защита подлежит проверке. Раз в 365 дней проводится капитальный ремонт для лабораторного анализа масла.

Периодичность технического обслуживания приборов контроля напряжения силовых трансформаторов связана с проверкой контактов меди, окисляемости латуни. Профилактика, очистка, смазка, переборка, подтяжка динамометрическим ключом производится им для уменьшения переходного сопротивления контактного узла.

Для смены оксидной пленки трансформаторы отключают от электричества 2 раза за 365 дней, снимают нагрузку с них на 0, выключатели несколько раз устанавливают в разные регулируемые положения. Приемы смены положений выполняются в осенне-зимний переходный период до максимального набора нагрузок.

Особенности обслуживания

ПТ являются важными звеньями в схемах электропередачи, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное техническое обслуживание обученным персоналом с соответствующим допуском.

Если оборудование используется там, где предусмотрено присутствие штатного обслуживающего персонала, в его обязанности входят регулярные осмотры, в ходе которых снимаются показания приборов, характеризующие текущее состояние ПТ. Регламент требует проверки:

• Показания уровня масла в радиаторных системах.
• Состояние осушителя.
• Работа системы восстановления масла.
• Состояние внешнего покрытия устройства и его основных узлов.

При обнаружении отклонений от нормы, пятен, повреждений или других признаков, свидетельствующих о ненормальной работе контролируемых устройств, персонал должен принять меры, прописанные в инструкции.

Для автономного оборудования, эксплуатация которого не требует присутствия дежурного персонала, техосмотр предполагается проводить ежемесячно. Что касается очков-трансформеров, то для них эта норма снижена до полугода.

При недостатке масла в системе отвода тепла – долив, а при несоблюдении норм – полная замена. Определить необходимость замены масла можно по цвету.

Свидетельством ненормальной работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных признаков ненормального функционирования СБ назначают внеплановый осмотр с проверкой общего состояния элементов средств защиты.

По правилам эксплуатации раз в год необходимо брать пробу масла на лабораторный анализ. Это же действие предписано при капитальном ремонте.

Кроме того, при обслуживании периодически необходимо регулировать рабочее напряжение. Необходимость в этом обусловлена ​​тем, что латунные и медные контакты со временем покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления.

Для предотвращения этого раз в полгода с ПТ снимают нагрузку и ток, после чего во всех положениях подключают регулятор напряжения. Процедуру рекомендуется повторить несколько раз, прежде чем вернуться в исходное положение.