Силовые трансформаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Силовые трансформаторы



СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения

1.1 Элементы конструкции трансформаторов

1.2 Элементы охлаждения силовых трансформаторов

1.3 Двухобмоточные трансформаторы

1.4 Трехобмоточные трансформаторы

1.5 Трансформаторы с расщепленными обмотками низшего напряжения

1.6 Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов

1.7 Защита трансформаторов

2. Эксплуатация трансформаторов

2.1 Нагрузочная способность трансформаторов

2.2 Коэффициент полезного действия трансформаторов

2.3 Регулирование напряжения трансформаторов

2.4 Режимы работы трансформаторов

2.4.1 Нормальные режимы

2.4.2. Параллельная работа трансформатора

2.4.3 Включение и отключение трансформатора

2.5 Определение групп соединения обмоток

2.6 Фазировка трансформаторов

2.7 Техническое обслуживание трансформаторов

2.8 Диагностика состояния трансформаторов

2.9 Ремонт трансформаторов

2.10 Сушка трансформаторов

2.11 Испытания трансформаторов

Литература

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в другое. В городских распределительных сетях применяются, как правило, трансформаторы, понижающие напряжение до значений, целесообразных и допустимых по условиям подвода электроэнергии к потребителям.

По числу фаз трансформаторы разделяются на однофазные и трехфазные, по количеству обмоток различного напряжения - на двухобмоточные и трехобмоточные. Существуют также трансформаторы с расщепленными обмотками, обычно имеющие две одинаковые обмотки низшего напряжения.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как в них потери на 12-15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20-25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220кВ изготовляют мощностью до 1000 МВА, на 330кВ - 1250 МВА, на 500кВ - 1000МВА, Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500кВ - 3 * 533МВА, напряжением 750кВ - 3 * 417МВА, напряжением 1150кВ - 3 * 667МВА.

Условные обозначения понижающих и повышающих трансформаторов и автотрансформаторов в схемах электрических систем электроснабжения показаны на рисунке 1.



Рисунок 1 - Условные обозначения трансформаторов и автотрансформаторов на схемах: а, б - двухобмоточные нерегулируемые; в - регулируемый; г - трехобмоточный регулируемый; д - автотрансформатор; е, ж - регулируемый и нерегулируемый двухобмоточные трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения.

Основными электрическими параметрами трансформаторов являются:

· номинальная мощность, то есть значение полной мощности, на которую непрерывно в течение всего срока службы может быть нагружен трансформатор при номинальном напряжении и номинальных температурных условиях окружающей среды:

- для двухобмоточного трансформатора - это мощность каждой из его обмоток;

- для автотрансформаторов - номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»);

· номинальные напряжения обмоток, соответствующие напряжения холостого хода (напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора):

- для трехобмоточного трансформатора - это его линейное (междуфазное) напряжение;

- для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, - это U / v3.

· номинальный ток обмотки - ток, определяемый по номинальной мощности и номинальному напряжению обмотки;

· напряжение короткого замыкания, характеризующее полное сопротивление трансформатора и определяющее величину падение напряжения в его обмотках;

· номинальный ток холостого хода, характеризующий потери электрической мощности на намагничивание магнитопровода трансформатора (потери в стали);

· потери холостого хода (потери в меди), соответствующие режиму полной нагрузки трансформатора и характеризующие экономичность его работы;

· потери короткого замыкания (потери в стали на вихревые токи и перемагничивание), соответствующие режиму работы при номинальном напряжении и также являющиеся одним из показателей экономичности работы трансформатора;

· схемы соединения обмоток:

- звезда;

- звезда с выведенной нейтралью;

- треугодьник.

Обмотки ВН напряжением 35кВ и выше соединяют в звезду, так как при этом удешевляется междувитковая изоляция, которую можно выполнять из расчета на фазное, а не на линейное напряжение.

Соединение в звезду обмотки ВН позволяет выполнять внутреннюю изоляцию из расчета фазной ЭДС, то есть в v3 раз меньше линейной.

Обмотки НН напряжением 6 - 10кВ чаще соединяют в треугольник, что позволяет уменьшить сечение обмотки, рассчитав сечение обмотки на фазный (I/ v 3), а не на линейный ток.

Кроме того, при соединении обмотки трансформатора в треугольник создается замкнутый контур для токов высоких гармоник, кратный трем, которые при этом не выходят во внешнюю сеть, вследствие чего улучшается симметрия напряжения на нагрузке.

· группа соединения обмоток определяется углом, отчитываемым по часовой стрелке от вектора первичного напряжения к одноименному вектору вторичного напряжения.

В трехфазном трансформаторе применением разных способов соединений обмоток можно образовать двенадцать различных групп соединений, причем при схемах соединения обмоток звезда - звезда мы может получить любую четную группу (0, 2, 4, 6, 8, 10), а при схеме звезда - треугольник или треугольник - звезда любую нечетную группу (1, 3, 5, 7, 9, 11).

Рисунок 2 - Принципиальные схемы трансформаторов: а - двухобмоточного; б - трехобмоточного; в - с - расщепленными обмотками низкого напряжения.

На рисунке 3 показано соединение обмоток группы однофазных трансформаторов ОРЦ-533000/ 500, предназначенных для энергоблока 1200МВт. Каждая фаза трансформатора выполнена на двухстержневом магнитопроводе. Соединение обмоток, расположенных на первом стержне, образует схему треугольник - звезда с выведенной нейтралью - 11, а на втором звезда - звезда с выведенной нейтралью - 0 (или 12).

Соединение обмоток в звезду с выведенной нулевой точкой применяется в том случае, когда нейтраль обмотки должна быть заземлена.



Рисунок 3 - Соединение обмоток и векторные диаграммы напряжений однофазных трансформаторов для присоединения к шестифазному генератору

Эффективное заземление нейтрали обмотки обмоток ВН обязательно в трансформаторах 330кВ и выше и во всех классах автотрансформаторах. Системы 110, 150 и 220кВ также работают с эффективно-заземленной нейтралью, однако для уменьшения токов однофазного КЗ нейтрали части могут быть разземлены. Так как изоляция нулевых выводов не рассчитаны на полное напряжение, то в режиме разземления нейтрали необходимо снизить возможные перенапряжения путем присоединения разрядников к нулевой точке трансформатора (рисунок 4). Нейтраль заземляется же на вторичных обмотках трансформаторов, питающих четырехпроводные сети 380/ 220 и 220/ 127В. Нейтрали обмоток при напряжении 10 - 35кВ не заземляются или заземляются через дугогасящую катушку для компенсации емкостных токов.



Рисунок 4 - Способы заземления нейтралей трансформаторов:

а - у трансформаторов 110 - 220кВ без РПН; б - у трансформаторов 330 - 750кВ без РПН;

в - у трансформаторов 110кВ с встроенным устройством РПН; г - у автотрансформаторов;

д - у трансформаторов 150 - 220кВ с РПН; е - у трансформаторов 330 - 500кВ с РПН.

Условные обозначения трансформаторов состоят из двух частей:

1) число фаз - для однофазных трансформаторов используется буква О, для трехфазных - буква Т;

2) вид охлаждения:

- для масляных трансформаторов:

· при естественной циркуляции воздуха и масла используется буква М;

· при принудительной циркуляции воздуха (вентиляторы) и масла (насосы) - буквы ДЦ;

· при принудительной охлаждающей масло воды и естественной циркуляции масла - буквы МВ;

· при принудительной циркуляции воздуха (вентиляторы) и естественной циркуляции масла - буква Д;

· при принудительной циркуляции охлаждающей воды и масла - буква Ц;

- для сухих трансформаторов (с воздушным охлаждением) вторая буква обозначения - С;

3) вид исполнения:

· для трехобмоточных трансформаторов используется буква Т (третья буква в обозначении);

· для трансформаторов с регулировкой напряжения под нагрузкой - буква Н;

· для трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения - буква Р (ставится после буквы, обозначающей число фаз);

· для автотрансформаторов - буква А на первом месте.

1.1 Элементы конструкции трансформаторов

Основными элементами конструкций масляных трансформаторов и автотрансформаторов являются: магнитопровод, обмотки с отводами и элементами изоляции, бак с расширителем.

Кроме того, трансформаторы снабжаются различными вспомогательными устройствами: охлаждения, переключение ответвлений, защита масла от воздействий окружающей среды, контроля и сигнализации, а также вводами.

Магнитопровод трансформатора выполняет функции магнитной системы и одновременно его конструктивной и механической основы. В конструкции магнитопровода различают активную часть, непосредственно проводящая магнитный поток, и неактивную часть, придающую магнитному проводу необходимую жесткость и являющуюся остовом для установки и крепления на нём различных деталей.

В современных трансформаторах применяется холоднокатаная электрическая сталь марок 3413, 3416, обладающая более низкими удельными потерями и повышенной проницаемостью, что позволило увеличить индукцию в стали и уменьшить в несколько раз потери и ток холостого хода (ХХ).



Рисунок 5 - Концентрическое расположение обмоток на стержне магнитопровода

Для снижения потерь от вихревых токов листы стали, толщина которых выбирается в пределах 0.35 - 0.5 мм, изолируются друг от друга жаростойкими покрытиями, или лаковыми плёнками, или тем и другим одновременно. Толщинам электроизоляционных покрытий 4 - 5 мкм вместо 20 - 30 мкм в прошлом, когда поверхность пластин оклеивалась бумагой.

Магнитная цепь магнитопровода состоит из вертикальных стержней и перекрывающих их сверху и снизу ярм.

Неактивная часть магнитопровода состоит из деталей и узлов, обеспечивающих в процессе работы трансформатора плотное прилегание листов стали друг к другу и разрушающих активную часть от внешних механических нагрузок.

Для разгрузки активной части от внешних механических нагрузок верхние и нижние ярмовые балки связывают между собой шпильками или пластинами. Благодаря этим шпилькам (пластинам) механические нагрузки, например, при подъёме и транспортировке магнитопровода воспринимаются ярмовыми балками и не воздействуют на активную часть магнитопровода.

Рисунок 6 - Растягивающие и сжимающие радиальные усилия, действующие на обмотки при их концентрическом расположении

При работе трансформатора на механических частях его магнитопровода наводятся электрические заряды. Чтобы избежать разрядов внутри бака, активная сталь и ярмовые балки заземляются при помощи медной ленты, соединяющей крайний пакет активной стали с ярмовой балкой и проходящей далее к заземляющему баку.

Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняются из медного провода прямоугольного сечения, изолированного кабельной бумагой. Они имеют цилиндрическую форму и располагаются на стержнях магнитопровода концентрически (рисунок 5).

Обмотки трансформаторов должны обладать необходимой:

· электрической плотностью;

· термической плотностью;

· механической плотностью.

Это требование вызвано тем, что при прохождении по концентрическим обмоткам токов КЗ они испытывают большие радиальные усилия, стремящиеся растянуть радиально наружную и, наоборот, сжать внутреннюю обмотку (рисунок 6).

Кроме того, в осевом направлении концентрические обмотки также испытывают усилия, сжимающие обмотки по их высоте. В симметричных обмотках усилия малы. Однако при несимметрии (неодинаковой высоте обмотки и неравномерном распределении витков с током по высоте) снижающие усилия могут достичь опасных значений.



Рисунок 7 - Винтовая однозаходная обмотка:

1 - наружной слой обмотки;

2 - охлаждающий масляный канал;

3 - выравнивающие бумажно-бакелитовые опорные кольца с торцов обмотки;

4 - внутренний слой обмотки;

5 - буковая рейка

Для придания обмоткам механической прочности их расклинивают в радиальном направлении деревянными планками, рейками, прокладками. В осевом направлении обмотки прессуют прессующими кольцами. Прессующие кольца изолируются от обмотки.

По характеру намотки провода концентрированные обмотки делят на: 1/ цилиндрические - ее витки плотно прижаты друг к другу (показана на рисунке 7).

Она намотана на бумажно-бакелитовом цилиндре. Наружный слой 1 переходит во внутренний слой 4 снизу. Между слоями обмотка имеется масляный канал, образованный при помощи реек 5 и обеспечивающий как дополнительную изоляцию, так и доступ к обмотке охлаждающего масла. По своим конструктивным данным обмотка недостаточно стойка к токам КЗ, поэтому применение ее ограничено трансформаторами небольшой емкости.

2/ винтовые - состоят из ряда витков, которые следуют одни за другими по винтовой линии, как в однозаходном винте (рисунок 8, а). Между витками установлены изоляционные (дистанционные) прокладки. Механическую прочность в радиальном направлении придают обмотке деревянные расклинивающие рейки, идущие по всей ее высоте. Наличие масляных каналов между витками обеспечивает высокую электрическую прочность обмотки.

Рисунок 8 - Двухслойная цилиндрическая обмотка с двумя параллельными вводами: а - виток обмотки из одного провода; б - обмотка из восьми параллельных проводов; 1 - витки обмотки; 2 - сегмент; 3 - торцевое опорное кольцо; 4 - буковая рейка; 5 - бумажно-бакелитовый цилиндр; 6 - вывод проводников обмотки; 7 - изолирующая прокладка.

Винтовые обмотки чаще всего изготавливаются из нескольких параллельных проводов в витке (рисунок 8,б).

Параллельные провода обмотки, расположенные концентрически (на разном расстоянии от оси обмотки), имеют разные активные и индуктивные сопротивления. Для равномерного распространения тока между параллельными проводами их сопротивления выравнивают транспозицией, то есть перекладкой проводов, в результате которой каждый провод попеременно занимает различные положения. У винтовой обмотки обычно делают одну общую и две групповые транспозиции.

3/ непрерывные спиральные - составляются из ряда последовательно соединительных дисков (катушек), намотанных по спирали (рисунок 9). Переход провода из одной катушки в другую выполняется без нарушения его целостности, без паек. Между катушками устанавливаются прокладки из электрокартона. Обмотка обладает высокой электрической и механической прочностью, хорошим охлаждением. Они применяются в трансформаторах напряжением до 220кВ.

4/ переплетенные (петлевые) - применяется в трансформаторах напряжением 500кВ и выше. В процессе ее намотки витки смежных катушек (секций) переплетаются между собой, что обеспечивает необходимый уровень импульсной прочности изоляции и высокую динамическую стойкость обмотки при КЗ.

Отводы от обмоток. Напряжение трансформаторов регулируют переключением регулирующих ответвлений от обмоток. При расположении ответвлений с наружной стороны обмотки их выполняют в виде петель из того же провода, что и витки обмотки. Внутреннее ответвление выполняют из полос ленточной меди, припаиваемых к проводам обмотки.

Ответвления соединяются с переключателями и вводами трансформаторов при помощи отводов, изготовляемых из гибкого медного провода и медных стержней.

Отводы надежно изолируются от бака, ярмовых балок, обмоток и других отводов. При ремонтах не допускается нарушение установленных расстояний отводов от заземленных частей и собственной обмотки.

Отводы надежно изолируются от бака, ярмовых балок, обмоток и других отводов. При ремонтах не допускается нарушение установленных расстояний отводов от заземленных частей и собственной обмотки.



Рисунок 9 - Непрерывная спиральная обмотка

Изоляция является важным элементов конструкция масляных трансформаторов. Различают внутреннюю и внешнюю изоляцию трансформатора. Внутренняя изоляция (изоляция токоведущих частей, находящихся в баке) подразделяется на:

· главную изоляцию - изоляцию обмоток от заземленных частей и других обмоток;

· продольную изоляцию - изоляцию между витками, слоями и катушками одной и той же обмотки,

· изоляцию отводов и переключателей.

Продольная изоляция обмоток между витками обеспечивается изоляцией самого обмоточного провода. Усиление этой изоляции производится только на входных витках катушек фазных обмоток.

Междуслойная изоляция выполняется из кабельной бумаги, электрокартона или путем оставления между слоями обмотки масляного канала.

Междукатушечная изоляция выполняется с помощью электрокартонных шайб и радиальных масляных каналов.

К внешней изоляции трансформатора относят наружную изоляцию - вводы и воздушные промежутки, отделяющие вводы друг от друга и от заземленных частей.



Рисунок 10 - Съемный ввод на напряжение 35кВ

1 - фарфоровый изолятор; 2 - токоведущий стержень; 3 - гайка; 4 - втулка; 5 - резиновое кольцо; 6 - колпак; 7 - болт, закрывающий отверстие для выхода воздуха; 8 - резиновая шайба; 9 - уплотнение; 10 - кулачок; 11 - шпилька; 12 - накидной фланец; 13 - крышка бака; 14 - отвод

Вводы служат для подачи напряжения к обмоткам трансформатора.

На напряжение 35кВ и ниже применяются съемные вводы (рисунок 10). Отвод 14 проходит внутри фарфорового изолятора 1, который крепится к крышке бака 13 накидным фланцем 12 с кулачками 10. Внутреннюю полость изолятора заполняет масло из бака. Верхняя торцевая часть изолятора уплотняется резиновым кольцом 5 и шайбой 8. Достоинство съемных вводов состоит в удобстве замены фарфоровых изоляторов при их повреждениях. Для этого достаточно снять колпак 6 и кулачки 10.

На напряжение 110кВ и выше применяются маслонаполненные герметические, негерметические и маслоподпорные вводы. На рисунке 10 показан маслонаполненный ввод герметичный ввод 110кВ. Токоведущая система ввода представляет собой соединительную трубу 3 (при помощи соединительной трубы стягиваются основные части ввода) с контактным зажимом 1 сверху и экранированным узлом снизу. Внутри трубы проходит гибкий отвод от обмотки.

Изоляция ввода состоит из двух фарфоровых покрышек 4 и 9, закрепленных на металлической втулке 7, изоляционного остова 5, намотанного из бумаги, и заполняющего ввод масла. Между слоями бумаги остова проложены уравнительные обкладки из фольги для выравнивания электрического поля внутри ввода и на его поверхности. Две последние обкладки используются в качестве измерительных конденсаторов. К ним подключаются приспособления для измерения напряжения (ПИН). Масло в герметичных вводах не имеет сообщения с окружающей средой. Компенсация температурных изменений объема масла осуществляется компенсатором давления 2, внутри которого размещены сильфоны. Давление во вводе контролируется при помощи манометра, подключаемого к вентилю 8. Негерметичные ввода вводы имеют маслорасширители. Заполняющее вводы масло сообщается с окружающей средой через масляный затвор и осушитель воздуха.

Защита оболочек трансформаторов от атмосферных перенапряжений выполняется различными устройствами емкостной защиты. К таким устройствам относят экраны, емкостные кольца и экранирующие витки.

Экраны (незамкнутые цилиндры из немагнитного металла) укладывают под внутренний слой обмотки ВН и подключают к линейному вводу. Экранами снабжаются трансформаторы напряжением 35кВ и ниже.



Рисунок 11 - Маслонаполненный герметичный ввод 110кВ

1 - контактный зажим; 2 - компенсатор давления; 3 - соединительная труба; 4, 9 - верхняя и нижняя фарфоровые покрышки; 5 - изоляционный остов; 6 - измерительный вывод; 7 - соединительная втулка; 8 - вентиль к манометру; 10 - бумажно-бакелитовый цилиндр; 11 - гетинаксовая шайба; 12 - кольцевая резиновая прокладка; 13 -латунный стакан; 14 - экран.

Трансформаторы напряжением 110-220кВ имеют устройство емкостной защиты. В схему входят незамкнутое металлическое изолированное кольцо, расположенное с торца обмотки, и несколько незамкнутых экранирующих витков.

Бак масляного трансформатора представляет собой резервуар, внутри которого устанавливается активная часть. Баки трансформаторов малой и средней мощности закрываются сверху крышками. Крышка служит основанием для установки на ней вводов, расширителя, выхлопной трубы, контрольно-сигнальных и других устройств. На стенке бака укрепляют охлаждающие устройства - радиаторы.

В бак помещают активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения.

Конструкция бака с нижним разъемом обеспечивает доступ к активной части трансформатора при снятии колокола, исключая тем, самым подъем самой активной части.

Основные конструктивные узлы трансформаторов показаны на рисунке12.

Расширитель (рисунок 13) соединяется с баком трансформатора и обеспечивает заполнение его маслом при изменениях объема масла вследствие колебаний температуры. Объем расширителя составляет 9,5 - 10% объема масла в трансформаторе и системе охлаждения.

Расширитель представляет собой цилиндрический сосуд, служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Сообщение внутреннего объема расширителя с атмосферой осуществляется через трубу 14, заканчивающуюся силикагелевым воздухоосушителем 15 (предназначен для предотвращения резкого снижения изоляционных свойств масла).

Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки - мембраны на границе масло - воздух. К расширителю приварен отстойник 16, в котором накапливаются вода и осадки, попадающие в масло. Расширитель связан газоотводными трубами с высоко расположенными точками колокола для отвода газов, которые могут там накапливаться.



Рисунок 12 - 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 110кВ; 8 - установка трансформаторов тока 35кВ; 9 - ввод 0 ВН; 10 - ввод 0 СН; 11 - расширитель; 12 - маслоуровень стрелочный; 13 - клапан предохранительный; 14 - привод регулятора напряжения; 15 - элетродвигатель системы охлаждения; 16 - радиатор; 17 - каретка с катками.

Рисунок 13 - Расширитель и выхлопная труба трансформатора:

1 - расширитель; 2 - опорные пластины; 3 - крепящие уголки; 4 - крышка; 5 - маслопровод; 6 - газовое реле; 7 - плоский кран; 8 - выхлопная труба; 9 - патрубок для присоединения воздухоосушителя; 10 - газоотводные трубы; 11 - пробка; 12 - кольцо для подъема расширителя; 13 - маслоуказатель; 14 - труба для подключения воздухоосушителя; 15 - воздухоосушитель; 16 - отстойник; 17 - пробка или вентиль для спуска и заливки масла

К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит непрерывная регенерация его. В маслопровод, соединяющий расширитель с баком, встраивается газовое реле 6, реагирующее на внутренние повреждения, сопровождающиеся выделением газов, а также на понижение уровня масла. Газовые реле применяются двух типов: поплавковые и чашечные. Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся:

- маслоуказатель - устанавливается на расширителе;

- термометр - устанавливается на крышке бака.

К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.

На мощных трансформаторах 330 - 750кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.

1.2 Системы охлаждения силовых трансформаторов

При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения.

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвенции воздуха и частично лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение:

- при открытом исполнении - С;

- при защитном исполнении - СЗ;

- при герметизированном исполнении - СГ;

- с принудительной циркуляцией воздуха - СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677 - 85 должно быть не более:

- 60С - класс А;

- 75С - класс Е;

- 80С - класс В;

- 100С - класс F;

- 125С - класс H.

Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600кВА при напряжении до 15кВ.

Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000кВА включительно. В таких трансформаторах тепло, выделяемое в обмотках и магнитопроводе, передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку и радиальным трубам, передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать + 95С.

Для улучшения отдачи тепла в окружающую среду бак транс

форматора снабжается ребрами, охлаждающими трудами или радиаторами в зависимости от мощности.

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиальных труб помещаются вентиляторы. Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает верхнюю часть труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла.

Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100% номинальной мощности, а температура верхних слоев масла не более + 55С, также при минусовых температурах окружающего воздуха и при температуре масла не выше + 45С независимо от нагрузки.

Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой + 95С.

Форсированный обдув радиальных труб улучшает условия охлаждения масла, а, следовательно, обмоток и магнитопровода транс-форматора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80000кВА.

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

Рисунок 14 - Принципиальная схема охлаждения системы ДЦ: 1 - бак трансформатора; 2 - электронасос; 3 - адсордный фильтр; 4 - охладитель; 5 - вентиляторы обдува

Охладители состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором. Электронасосы, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители (рисунок 14).

Благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью. Переход к такой системе охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.

Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

В трансформаторах с направленным потоком масла (НДЦ) интенсивность охлаждения повышается, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последнего охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло.

Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать + 70С.

Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0, 02МПа (2 Н/ см²). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 МВА и более).

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

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

Следует отметить, что ведутся разработки новых конструкций трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы с использованием принципа сверхпроводимости (криогенные трансформаторы) будут иметь малую транспортировочную массу при мощностях 1000МВА и выше.

1.3 Двухобмоточные трансформаторы

При расчетах режимов трехфазных электрических сетей с равномерной загрузкой фаз трансформаторы в расчетных схемах представляются схемой замещения для одной фазы.

Обмотки трансформатора расположены на общем магнитопроводе. Поэтому схема состоит из контуров первичной и вторичной обмоток, связанных взаимной индукцией (рисунок 15).

Рисунок 15 - Схемы замещения двухобмоточных трансформаторов: а - схема замещения отдельных обмоток; б - схемы замещения обмоток приведенного трансформатора; в - Т - образная схема замещения

Наличие магнитной связи между обмотками затрудняет исследование режимов работы трансформатора и электрической сети в целом. Поэтому в расчетах удобно эту связь заменять на электрическую. В этом случае анализ режимов упрощается и сводится к расчетам относительно простой электрической цепи. Эта схема, в которой магнитная связь между обмотками заменена электрической, называется схемой замещения трансформатора.

В основе такой схемы лежит представление о том, что действие потоков рассеяния Ф_у1 и Ф_у2 эквивалентно действию индуктивных сопротивлений обмоток Х₁ и Х₂ , по которым текут токи I₁ и I₂. В соответствии с этим можно представить трансформатор в виде схемы, изображенной на рисунке 15, а. Здесь каждая из обмоток трансформатора заменена катушкой, имеющей активное и индуктивное сопротивление действительной обмотки, и магнитосвязанными обмотками с трансформацией k = W₁ / W₂ без потоков рассеяния и без активного сопротивления.

Если выполнить приведенные вторичные обмотки к первичной с учетом трансформации k = W₁ / W₂ (рисунок 15, б) то в результате будут уравновешены ЭДС Е₁ и Е₂^м , что позволяет объединить обмотки CD и cd в одну, называемую намагничивающей ветвью схемы замещения (рисунок 15, в).

В итоге сформирована Т - образная схема, которая является наиболее точной схемой замещения двухобмоточного трансформатора (рисунок 15, в).

Схема имеет:

· продольные элементы - представлены активными и индуктивными сопротивлениями одной фазы первичной обмотки (R₁ и X₁) и вторичной обмотки (R₂^м и X₂^м);

· поперечную ветвь - ветвь намагничивания трансформатора, представлена в виде активной G_т и индуктивной В_т проводимостей, определяющих активную І_а и реактивную І_м слагающие намагничивающего тока І_х трансформатора.

Рисунок 16 - Различные отображения Г - образных схем замещения двухобмоточного трансформатора: а - прямая схема; б - обратная схема

Активная слагающая ветвь обусловлена потерями мощности в стали трансформатора, реактивная - определяет намагничивающий поток взаимоиндукции обмоток трансформатора.

Т - образная схема замещения неудобна для выполнения электрических расчетов сетей, поскольку даже при питании всего одной нагрузки через двухобмоточный трансформатор схема состоит из двух контуров. Поэтому при расчетах режимов электрических сетей двухобмоточные трансформаторы с достаточной точностью замещают более простыми Г - образными схемами замещения (рисунок 16) - прямой и обратной в зависимости от подключения ветви проводимостей (рисунок 16, а, б).

В данной схеме ветвь намагничивания, в отличии от Т- образной схемы, обычно подключают с первичной стороны, то есть с той, с которой трансформатор получает электроэнергию от источника (прямая схема): для понижающих трансформаторов - со стороны ВН, для повышающих трансформаторов - со стороны НН. Иногда для частичной компенсации погрешностей, вносимой применением Г - образной схемы, а также при реверсной работе электропередачи один из транс-

Форматоров, например, понижающий, включают по прямой схеме, а второй - по обратной (рисунок 17).

Активное и реактивное сопротивление схемы равны сумме сопротивлений обеих обмоток трансформаторов, приведенных к одному напряжению. Если схема приведена к высшему напряжению, сопротивление обмоток (сквозное сопротивление) трансформаторов (рисунок 17) определяется в виде:

(1.1)

- полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, приведенное к первичному напряжению.

Рисунок 17 - Схема замещения электропередачи с прямой и обратной Г - образными схемами замещения соответственно понижающего и повышающего трансформатора

Если схема приведена к низшему напряжению, то

(1.2)

Эти суммарные сопротивления обмоток обычно называют сопротивлениями (активным и индуктивным) трансформатора.

Активная проводимость G_т обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание (гистерезис) и вихревые токи, реактивная проводимость Вт - намагничивающей сталь мощностью.

Поскольку наличие этих проводимостей связано с токами холостого хода Іх (в основном намагничивающего тока), в приближенных расчетах в Г - образной схеме замещения проводимость (ветвь намагничивания) равной потерям мощности холостого хода трансформатора (рисунок 18, а).

Первое слагаемое ?Рх - потери активной мощности в стали трансформатора, паспортная величина; второе - намагничивающая мощность трансформатора, принимаемая равной

Рисунок 18 - Упрощенные схемы замещения двухобмоточных трансформаторов: а - с учетом и б - без учета поперечной ветви.

Используя схемы замещения, где ветвь намагничивания заменена мощностью потерь холостого хода, допустимо при напряжении до 220кВ включительно.

При расчетах режимов местных (распределительных) сетей 6 - 35кВ влиянием проводимостей трансформаторов пренебрегают и используют простейшую схему замещения, состоящую только из последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений (рисунок 18, б).

В технико-экономических расчетах, связанных с расчетом и анализом потерь электроэнергии в распределительных сетях, потери мощности холостого хода необходимо учитывать, так как они соизмеримы с нагрузочными потерями.

В схемах замещения (рисунок 16 - 18) включен идеальный трансформатор, не обладающий сопротивлениями, а только показывающий наличие трансформации, то есть преобразование (понижение или повышение) напряжения переменного тока одного класса в другой.

Количественно значение такой трансформации характеризуется отношением напряжений на зажимах трансформатора в режиме холостого хода:

k = W₁ / W₂ = U_{1 ном} / U_{2 ном} (1.4)

Такие схемы применяют при расчете режимов электрических сетей с учетом их фактических напряжении.

Если рассматриваются связанные трансформаторами сети, параметры которых приведены к одному классу напряжения, то идеальный трансформатор не учитывается.

Параметры схемы замещения двухобмоточных трансформаторов определяются по каталожным данным, составленным по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.

Активные и реактивные сопротивления одной фазы трансформатора определяют по результатам опыта короткого замыкания.

Коротким замыканием называется режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка присоединена к сети, а вывода вторичной обмотки соединены накоротко (напряжение U₂ = 0). Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении является аварийным режимом, при котором токи в обмотках превышают номинальные в 10 - 15 раз, и опасно для трансформатора.

Опыт короткого замыкания проводится по схеме, приведенной на рисунке 19, а. Напряжение подводимое к трансформатору, плавно повышается от нуля до значения, при котором токи в обмотках трансформатора равны номинальным. Это и есть напряжение короткого замыкания u_к, и обычно оно выражается в процентах номинального напряжения:

(1.5)

и составляет для силовых трансформаторов около 3-13%.

Рисунок 19 - Принципиальные схемы опытов короткого замыкания (а) и холостого хода (б) двухобмоточного трансформатора (применительно к одной фазе).

Ваттметр W показывает потери актив-ной мощности ?Р_к в обмотках и в стали трансформатора. Потери в стали незначи-тельны из-за малости приложенного напряжения u_к, и в опыте короткого замыка-ния все потери активной мощности практи-чески целиком расходуются на нагрев его моток и могут быть приравнены к номи-нальным потерям в обмотках трансфор-матора ?Р_к ? ?Р_ном. Поэтому можно принять с точностью, достаточной для инженерных расчетов, что в опыте короткого замыкания

(1.6)

Принимая потери мощности в кило-ваттах (кВт), напряжение в киловольтах (кВ), а номинальную мощность трансфор-матора в мегавольтамперах (МВА), полу-чим сопротивление, Ом,

(1.7)

Или, перейдя к потерям мощности в трех фазах ?Р_{к =} 3 ?Р_к^ф, линейному напря-жению U_ном =vU_ном^ф и номинальной мощности трехфазного трансформатора S_ном = 3 S_ном^ф, определим активное сопротивление обмоток двухобмоточного трансформатора, Ом, в виде

(1.8)

Индуктивное сопротивление трансформатора Х_т определяется напряжением короткого замыкания u_к Из (1.5) можно определить полное сопротивление трансформатора, Ом,

Для трансформаторов достаточно большой мощности (выше 1000кВА) Х_т >> R_т, то есть треугольник сопротивлений вырождается в прямую. Поэтому для мощных трансформаторов с достаточной точностью можно принять

Если напряжение короткого замыкания выразить в относительных единицах, приняв за базисные номинальные параметры трансформатора, получим:

или, при домножении выражения

на множитель S_ном / U²_ном, размерностью Ом ^-1, имеем

Таким образом, напряжение короткого замыкания характеризует внутреннее сопротивление трансформатора, влияющее на падение напряжения и ток короткого замыкания.

В схеме замещения сопротивления R_т и X_т не зависят от k_т, хотя в действительности такая зависимость имеется.

При переводе трансформатора на работу с основного ответвления на любое другое его сопротивления изменяется незначительно, и поэтому в ряде случаев его можно считать неизменном. Однако значительном изменении k_т (а соответственно и количества витков обмоток) сопротивление трансформаторов рассчитывают для реального положения переключателя.

Проводимости схемы замещения трансформатора определяют по результатам опыта холостого хода.

Опыт холостого хода выполняют по схеме рисунка 19, б. К первичной обмотке (при разомкнутой вторичной) подводится номинальное напряжение. Показания ваттметра W определяют суммарные потери активной мощности в первичной обмотке и стальном магнитопроводе трансформатора. Так как ток холостого хода очень мал (составляет от 0, 7 до 3, 0% номинального значения), потери мощности в активном сопротивлении первичной обмотки незначительны. Применяя Г-образную схему замещения, все потери холостого хода как бы переносят в стальной сердечник, а потери в стали с небольшой погрешностью приравнивают к общим потерям холостого хода:

?Р_ст ? ?Р_х. Для одной фазы трансформатора:

Отсюда, перейдя к параметрам трехфазного трансформатора, получим

Так как потери холостого хода ?Рст измеряются в киловаттах, напряжение Uном в киловольтах, формула (1. 15) приобретает следующий вид (Gт в Ом ^-1):

Активная составляющая тока холостого хода, отражающая потери в стальном магнитопроводе, меньше реактивной в 5-7 раз. Если ориентировочно принять реактивную составляющую равной всему току холостого хода: I_м = I_Х, то можно определить реактивную проводимость В_т ветви намагничивания из следующего соотношения:

Откуда, аналогично выражению (1. 16) реактивная проводимость ветви намагничивания трансформатора, См, определяют в виде:

где I_Х - ток холостого хода, %; S_ном - номинальная мощность трансформатора, кВА.

В расчетных выражениях сопротивлений и проводимостей номинальные напряжения принимают в соответствии с тем, к какому напряжению (высшему или низшему) необходимо привести параметры схемы замещения трансформатора.

При расчете режимов электрических сетей за расчетное напряжение принимают номинальное напряжение той обмотки трансформатора, которая непосредственно присоединена к линии.

Сопротивления R_т и X_т, отнесенные к высшему напряжению, будут иметь значения (U_ВН/ U_НН)² раз большими, а проводимости В_Т и G_Т в (U_ВН/ U_НН)² раз меньшими, чем если бы схема замещения трансформатора была приведена к низшему напряжению.

Номинальные величины мощности (S_НОМ), потерь мощности (?Р_К, ?Р_Х), напряжений (U_НОМ, u_К) и тока (I_К) даны в паспорте трансформатора:

- для однофазного - фазными значениями;

- для трехфазного - суммарной мощностью трех фаз, междуфазными напряжениями и фазным значением тока.

1.4 Трехобмоточные трансформаторы

На понижающих подстанциях, питающих электрические сети 10 (6) и 35кВ, устанавливают трехобмоточные трансформаторы с трансформациями 110 - 220/35/6 - 10кВ. Электрические сети напряжением 6-10кВ предназначены для электроснабжения близлежащих потребителей (удаленность до 10-15км). Сети 35кВ могут питать нагрузки в радиусе до 40-60км. Если нагрузки этих сетей соизмеримы (то есть отличие не более чем в 4-5 раз), может оказаться экономически целесообразно применять трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками (рисунок, 21, а) вместо двухобмоточных 110-220/ 6-10 и 110-220/ 35кв (рисунок, 21, б) для раздельного питания распределительных сетей.

Рисунок 20 - Схемы соединения обмоток трехобмоточного трансформатора звезда с нулем - звезда - треугольник (а) и соответствующие векторные диаграммы напряжений (б)

В последние годы отечественные трехобмоточные трансформаторы изготавливают с обмотками ВН, СН и НН одинаковой мощности (100%). Ранее выпускались такие трехобмоточные трансформаторы, у которых обмотки НН и СН могли иметь мощность в 1,5 раза меньшую, нежели мощность обмотки ВН.



Рисунок 21 - Схемы подстанций с тремя номинальными напряжениями: а - трехобмоточный трансформатор; б - два двухобмоточных трансформатора

Схема замещения трехобмоточного трансформатора одной фазы представляет трехлучевую звезду (рисунок 22). Параметры этой схемы - активные R_В, R_С , R_Н и индуктивные Х_В, Х_С , Х_Н сопротивления обмоток ВН, СН, НН - приведены к напряжению первичной обмотки трансформатора. Ветвь намагничивания включена на первичных зажимах схемы замещения трансформатора. Ее параметры определяют так же, как и для двухобмоточных трансформаторов по формулам (1.16) и (1.18).

В соответствии с этой схемой замещения для трехобмоточного трансформатора, в отличие от двухобмоточного, нужно определить сопротивление каждой обмотки в отдельности по данным опытов короткого замыкания.

В этом опыте одна из обмоток подключена к источнику питания, вторая замкнута накоротко, третья разомкнута (рисунок 23). Это позволяет при расчете сопротивлений рассматривать схему замещения трехобмоточного трансформатора как два соединенных луча. В опытах короткого замыкания замеряют потери активной мощности ?Р_К^{В - С}, ?Р_К^{В - Н}, ?Р_К^{С - Н} и напряжения короткого замыкания U_К^{В - С} ,U_К^{В - Н}, U_К^{С - Н} на каждую пару обмоток (лучей схемы замещения). Так, например, при замыкании накоротко обмотки СН и включении трансформатора через обмотку ВН (рисунок 23, а) можно замерить потери мощности ?Р_К^{В - С}и напряжения короткого замыкания U_К^{В - Н}. Аналогично из опытов двух других пар обмоток (рисунок 23, б, в) определяют соответствующие потери мощности и напряжения короткого замыкания.

Рисунок 22 - Схемы замещения трехобмоточного трансформатора: а - с учетом и б - без учета трансформации

Результаты опытов короткого замыкания позволяют сформулировать системы линейных уравнений следующего вида:

?Р_К^В + ?Р_К^С = ?Р_К^{В - С}

?Р_К^В + ?Р_К^Н = ?Р_К^{В - Н}

?Р_К^С + ?Р_К^Н = ?Р_К^{С - Н}

U_К^В + U_К^С = U_К^{В - С}

U_К^В + U_К^Н = U_К^{В - Н}

U_К^С + U_К^Н = U_К^{С - Н}

Решая уравнения (1. 19) относительно ?Р_К^В , ?Р_К^С, ?Р_К^Н, получаем:

?Р_К^В = 1/ 2 (?Р_К^{В - С} + ?Р_К^{В - Н} + ?Р_К^{С - Н})

?Р_К^С = 1/ 2 (?Р_К^{В - С} + ?Р_К^{С - Н} + ?Р_К^{В - Н})

?Р_К^Н = 1/ 2 (?Р_К^{В - Н} + ?Р_К^{С- Н} + ?Р_К^{В - С})



Рисунок 23 - Схемы трех опытов короткого замыкания трехобмоточного трансформатора

Аналогично из систем уравнений (1. 20) найдем:

U_К^В = 1/ 2 (U_К^{В - С} + U_К^{В - Н} + U_К^{С - Н})

U_К^С = 1/ 2 (U_К^{В - С} + U_К^{С - Н} + U_К^{В - Н})

U_К^Н = 1/ 2 (U_К^{В - Н} + U_К^{С - Н} + U_К^{В - С}).

В общем случае активные и реактивные сопротивления обмоток трехобмоточных трансформаторов определяют по тем же формулам вида (1. 8) и (1. 11), что и для двухобмоточных трансформаторов.

Реактивное сопротивление Х_С или Х_Н, соответствующие обмотке, расположенной между двумя другими обмотками, благодаря их взаимному влиянию обычно имеет величину, близкую к нулю, либо небольшое отрицательное значение и в практических расчетах принимается равным нулю.

Для определения величин U_К^В, U_К^С, U_К^Н в каталогах на трехобмоточные трансформаторы всегда указаны три нормированных (приведенных к номинальной мощности) значения напряжения короткого замыкания и одно (?Р_К^{В - С} или ?Р_К^{В - Н}) или три значения потерь короткого замыкания (?Р_К^{В - С}, ?Р_К^{В - Н}, ?Р_К^{С - Н}) в зависимости от типа трансформатора.

Если заданы потери короткого замыкания на одну пару обмоток , то активные сопротивления могут быть найдены в предположении, что эти сопротивления, приведенные к одной ступени трансформации, обратно пропорциональны номинальным мощностям соответствующих обмоток.

Для трансформаторов с одинаковыми мощностями обмоток суммарные потери короткого замыкания на пару обмоток поровну распределяются между соответствующими, то есть в этом случае, активные сопротивления лучей схемы замещения вычисляют по формуле:

Если в трехобмоточном трансформаторе одна из обмоток имеет мощность меньше номинальной (соотношение S_ВН/ S_СН/ S_НН = 100/ 100/ 66,7% или 100/ 66,7/ 100%), то активные сопротивления лучей схемы замещения для обмоток с номинальной мощностью 100% определяются аналогично предыдущему случаю:

Величину активного сопротивления луча схемы замещения соответствующей обмотки с меньшей мощностью (66,7%), приведенную к номинальной мощности трансформатора, учитывая обратную пропорциональность сопротивлений и мощностей обмоток:



откуда

Трансформаторы с высшего на среднее и низшее напряжения учитывают (рисунок, 22, а) соответствующими идеальными трансформаторами с параметрами

Расчет режимов электрических сетей, приведенных к одному номинальному напряжению, выполняют с учетом схемы замещения, представленной на рисунке 22, б.

1.5 Трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения

На электростанциях и крупных подстанциях районов электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий устанавливают трансформаторы или трехфазные группы с расщепленными на две (или более) обмотки низшего напряжения, что позволяет присоединять к одному трансформатору два и более генераторов или независимых нагрузок одного или разных классов напряжений (условные обозначения таких трансформаторов приведены на рисунке 1, е, ж).

Трансформаторы с расщепленной обмоткой НН являются разновидностью двухобмоточного трансформатора. В таком трансформаторе обмотка НН выполнена из двух или более обмоток, расположенных симметрично по отношению к обмотке ВН (рисунок 24). Номинальные напряжения ветвей одинаковы, а мощности их составляют часть номинальной мощности трансформатора и в сумме равны мощности обмотки ВН. В этом состоит отличие трансформаторов с расщепленными обмотками от трехобмоточных трансформаторов, у которых суммарная мощность обмоток СН и НН всегда больше мощности обмоток ВН.