Силовые трансформаторы для чего предназначены

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.

Конструкция и устройство силовых трансформаторов

Основной частью каждого силового трансформатора является его сердечник с несколькими обмотками, изготовленный из ферромагнитного материала. Как правило, это тонкие листы специального трансформаторного железа, обладающего магнитомягкими свойствами. Листы укладываются таким образом, чтобы форма стержней под обмотками в сечении была приближенной к кругу. Для повышения КПД устройства и снижения потерь, целые листы перекрывают стыки между отдельно взятыми пластинами.

Трансформаторная обмотка выполняется, как правило, из медного провода с прямоугольным или круглым сечением. Каждый виток изолирован от самого магнитопровода, а также от соседних витков. Для циркуляции охладителя, между обмотками и отдельными ее слоями предусматриваются технические пустоты.

Каждый трансформатор имеет как минимум две обмотки: первичную (на нее подается электрический ток) и вторичную (ток снимается после преобразования его напряжения).

Принцип работы

Принцип работы любого силового трансформатора заключается в явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку подается переменный ток, который образует в магнитопроводе переменный магнитный поток. Это происходит за счет его замыкания на магнитопроводе и образования сцепления между обмотками, индуцируя ЭДС. Нагрузка, подключенная ко 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 обратимости. Иными словами, он может быть использован и для повышения, и для понижения напряжения. В большинстве случаев силовой трансформатор применятся для решения определенных задач. Например, конкретно повышать или понижать напряжение. У повышающего трансформатора напряжение на первичной обмотке ниже, чем на вторичной.

Классификация силовых трансформаторов

В зависимости от класса напряжения и полной потребляемой мощности, силовые трансформаторы условно делятся на следующие категории:

До 100 кВА, до 35кВ;

100 – 1000 кВА, до 35кВ;

1000 – 6300 кВА, до 35кВ;

Более 6300кВА, до 35кВ;

До 32 000 кВА, 35 – 110 кВ;

32 000 – 80 000 кВА, до 330 кВ;

80 000 – 200 000 кВА, до 330 кВ;

Более 200 000 кВА, более 330 кВ.

Виды силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы можно разделить на несколько видов, основываясь на следующих характеристиках и показателях:

Тип охлаждения. Различают сухие и масляные трансформаторы. Первый вариант имеет воздушное охлаждение, используется там, где повышены требования к экологии и пожаробезопасности. Второй вариант представляет собой корпус, заполненный маслом с диэлектрическими свойствами, в который погружен сердечник с обмотками;

Климатическое исполнение: наружные и внутренние варианты;

Количество фаз. Бывают трехфазные (наиболее распространенные) и однофазные;

Количество обмоток. Различают двухобмоточные и многообмоточные варианты;

Назначение: повышающие и понижающие.

Дополнительным критерием служит наличие или отсутствие регулятора выходного напряжения.

Элементы силового трансформатора

Конструкция силового трансформатора подразумевает наличие следующих элементов:

Силовые вводы – устройства, через которые подается нагрузка. Могут быть расположены внутри изделия или снаружи. Вводы изолированы различными специальными материалами, отличаются по типу изоляции и конструкции;

Охладители. Для мощных силовых трансформаторов предусматривается масляная система охлаждения. Охлаждение самого же масла производится посредством радиаторов, гофрированного бака, принудительной вентиляции, масляно-водных охладителей или циркуляционными насосами;

Регуляторы выходного напряжения – устройства, предназначенные для изменения коэффициента трансформации. Могут срабатывать как под действием определенной нагрузки, так и без нее (в зависимости от конструкции). По сути, регуляторы добавляют, либо уменьшают в обмотке количество ее витков.

Силовые трансформаторы могут быть оснащены дополнительным навесным оборудованием:

Газовое реле – устройство с функцией защиты. Если трансформатор работает нестабильно, масло разлагается на составляющие с выделением газа. Газовое реле либо отключает трансформатор, либо оповещает предупреждающими сигналами;

Индикаторы температуры – датчики, производящие замеры температуры масла;

Влагопоглотители – устройства, поглощающие образуемый под защитной крышкой конденсат, тем самым предотвращая его попадание в масло;

Система регенерации масла;

Автоматическая система защиты от повышения давления охладителя;

Индикатор уровня масла.

Параметры силового трансформатора

Номинальная мощность. Для трансформатора с двумя обмотками параметр равен мощности каждой из них. Для трехобмоточного варианта с разной мощностью обмоток параметр равен большему из показателей;

Номинальное напряжение обмоток – характерный параметр для холостой работы;

Номинальный ток – показатель, при котором разрешается длительная эксплуатация устройства;

Потери короткого замыкания;

Ток холостого хода – потери материала магнитопровода (реактивные и активные);

Потери тока холостого хода;

Как выбрать силовой трансформатор

Выбор силового трансформатора для эксплуатации на предприятиях основан на подборе мощности, а также в соответствии с требованиями к надежности питания. Чтобы обеспечить бесперебойное питание, в некоторых случаях требуется установка нескольких трансформаторов. Мощность каждого устройства подбирается таким образом, чтобы при выходе его из строя, другие устройства были способны взять на себя функции этого недостающего звена, с учетом возможных перегрузок.

Еще один важный критерий – наличие защиты:

От внутренних повреждений. Обеспечивается устройствами, контролирующими наличие газов, температуру, давление и уровень масляного охладителя;

От перегрузок. Используется так называемая дифференциальная защита, когда на каждой фазе установлены трансформаторы тока.

Ремонт и техническое обслуживание

Надежность силовых трансформаторов напрямую зависит от качества и своевременности их обслуживания. Устройства, установленные в помещениях, где работает персонал предприятия, подвергаются ежедневному осмотру с контролем показателей уровня масла, состояния поглотителя и устройств регенерации. Кроме того, проверяется целостность корпуса и основных элементов. Трансформаторы в помещениях без персонала осматриваются раз в месяц, а трансформаторные пункты – дважды в год.

Внеплановый осмотр силового трансформатора и его систем защиты проводится при резком изменении температуры окружающего воздуха, а также при аварийных режимах. Периодическому обслуживанию подвергаются и устройства регулировки напряжения. Причина – окисление контактных групп, что приводит к возрастанию их переходного сопротивления. Перед сезонными изменениями нагрузки (обычно дважды в год) устройство отключается от потребителей и питания, после чего регулятор напряжения переводится последовательно во все возможные положения. Процедура способствует разрушению пленки окислов.

Лабораторный анализ масла производится каждый год при капитальном ремонте. Если масло не удовлетворяет требованиям при визуальном осмотре (цвет) или по данным обследования, производится его замена или доливка.

Источник

Устройство и принцип действия силовых трансформаторов

Электротехнический агрегат, имеющий две, три или больше обмоток, статически устанавливается в электросеть. Силовой трансформатор изменяет переменное напряжение и ток без отклонения частоты. Преобразователь, применяемый во вторичных источниках питания, называют понижающим устройством. Повышающие конструкции увеличивают напряжение, используются в высоковольтных ЛЭП с большими мощностью, пропускной способностью и емкостью.

Область применения

В комплект установок, предназначенных для генерирования электричества, входят силовые трансформаторы. Электростанции используют энергию атома, органического, твердого или жидкого топлива, работают на газе или применяют силу водяного потока, но преобразователи выходных показателей подстанций необходимы для нормального функционирования потребительских и производственных линий.

Агрегаты устанавливают в сетях промышленных мощностей, сельских предприятий, на оборонных комплексах, разработках нефти и газа. Прямое назначение силового трансформатора — понижать и повышать напряжение и силу тока — используется для работы транспортной, жилищной, торговой инфраструктуры, сетевых распределительных объектов.

Основные детали и системы

Питающее напряжение и нагрузка подаются на вводы, которые располагаются на внутренней или наружной колодке для клемм. Контакт закрепляется болтами или специальными соединителями. В масляных агрегатах вводы устраиваются снаружи по сторонам бака или на крышке съемного корпуса.

Передача от внутренних обмоток идет на гибкие демпферы или резьбовые шпильки из цветных металлов. Силовые трансформаторы и их корпуса изолируются от шпилек фарфоровым или пластиковым слоем. Зазоры устраняются прокладками из материала, стойкого к действию масел и синтетических жидкостей.

Охладители снижают температуру масла из верхней области бака и передают его в боковой нижний слой. Остужающее устройство силового масляного трансформатора представлено:

Охладители бывают разных видов:

Оборудование для трансформации напряжения снабжается регулирующими устройствами для изменения числа рабочих витков. Вольтаж на вторичной обмотке модифицируется с помощью переключателя количества спиралей или устанавливается болтовым соединением при выборе расположения перемычек. Так подсоединяются выводы заземленного или обесточенного трансформатора. Регулирующие модули преобразуют напряжение в небольших диапазонах.

В зависимости от условий переключатели количества спиралей делят на виды:

Навесное оборудование

Газовое реле располагается в соединительной трубке между расширительным и рабочим баками. Прибор предупреждает разложение изолирующей органики, масла при перегреве и небольшие повреждения системы. Устройство реагирует на газообразование при неполадках, подает тревожный сигнал или полностью отключает систему в случае короткого замыкания или опасного понижения уровня жидкости.

Вверху бака в карманах ставят термопары для измерения температуры. Они работают по принципу математического расчета для выявления наиболее разогретой части агрегата. Современные датчики создаются на основе технологии оптоволокна.

Узел беспрерывной регенерации используется для восстановления и очистки масла. В результате работы в массе образуется шлак, в нее попадает воздух. Устройства регенерации бывают двух типов:

Модули для защиты масла представляют собой расширительный бак открытого типа. Воздух над поверхностью массы пропускается через поглотители влаги с силикагелем. Адсорбирующее вещество при максимальной влажности становится розовым, что служит сигналом к его замене.

Вверху расширителя устанавливают масляный затвор. Это прибор для снижения влажности воздуха, работающий на трансформаторном сухом масле. Модуль с помощью патрубка соединяется с расширительным баком. Вверху приваривается емкость с внутренним разделением в виде нескольких стенок по форме лабиринта. Воздух пропускается через масло, отдает влагу, затем очищается силикагелем и поступает в расширитель.

Контролирующие устройства

Прибор для сброса давления предупреждает аварийный скачок напора из-за короткого замыкания или сильного разложения масла и предусмотрен в конструкции мощных агрегатов в соответствии с ГОСТ 11677-1975. Устройство выполняется в виде сбрасывающей трубы, располагающейся под наклоном к трансформаторной крышке. На конце находится герметичная мембрана, способная моментально раскладываться и пропускать выхлоп.

Кроме этого, в трансформаторе устанавливаются и другие модули:

Принцип действия и режимы работы

Простой трансформатор снабжен сердечником из пермаллоя, феррита и двумя обмотками. Магнитопровод включает комплект ленточных, пластинчатых или формованных элементов. Он передвигает магнитный поток, возникающий под действием электричества. Принцип работы силового трансформатора заключается в преобразовании показателей силы тока и напряжения с помощью индукции, при этом постоянной остается частота и форма графика движения заряженных частиц.

В трансформаторах повышающего типа схема предусматривает повышенное напряжение на вторичной обмотке по сравнению с первичной катушкой. В понижающих агрегатах входной вольтаж выше выходного показателя. Сердечник со спиральными витками располагается в емкости с маслом.

При включении переменного тока на первичной спирали образуется переменное магнитное поле. Оно замыкается на сердечнике и затрагивает вторичную цепь. Возникает электродвижущая сила, которая передается подключенным нагрузкам на выходе трансформатора. Функционирование станции проходит в трех режимах:

Режим холостого хода

Электричество в первичной спирали равно значению переменного намагничивающего тока, вторичный ток показывает нулевые показатели. Электродвижущая сила начальной катушки в случае ферромагнитного наконечника полностью замещает напряжение источника, отсутствуют нагрузочные токи. Работа на холостом ходу выявляет потери на мгновенное включение и вихревые токи, определяет компенсацию реактивной мощности для поддержания требуемого вольтажа на выходе.

В агрегате без ферромагнитного проводника потерь на изменение магнитного поля нет. Сила тока холостого режима пропорциональна сопротивлению первичной обмотки. Способность противостоять прохождению заряженных электронов трансформируется при изменении частоты тока и размера индукции.

Работа при коротком замыкании

На первичную катушку поступает небольшое переменное напряжение, выходы вторичной спирали накоротко соединены. Показатели вольтажа на входе подбирают так, чтобы ток короткого замыкания соответствовал расчетному или номинальному значению агрегата. Размер напряжения при коротком замыкании определяет потери в катушках трансформатора и расход на противодействие материалу проводника. Часть постоянного тока преодолевает сопротивление и преобразуется в тепловую энергию, сердечник греется.

Напряжение при коротком замыкании рассчитывается в процентном отношении от номинального показателя. Параметр, полученный при работе в этом режиме, является важной характеристикой агрегата. Умножив его на ток короткого замыкания, получают мощность потерь.

Рабочий режим

При подсоединении нагрузки во вторичной цепи появляется движение частиц, вызывающее магнитный поток в проводнике. Оно направлено в другую сторону от потока, продуцируемого первичной катушкой. В первичной обмотке происходит разногласие между электродвижущей силой индукции и источника питания. Ток в начальной спирали повышается до того времени, когда магнитное поле не приобретет первоначальное значение.

Магнитный поток вектора индукции характеризует прохождение поля через выбранную поверхность и определяется временным интегралом мгновенного показателя силы в первичной катушке. Показатель сдвигается по фазе под 90˚ по отношению к движущей силе. Наведенная ЭДС во вторичной цепи совпадает по форме и фазе с аналогичным показателем в первичной спирали.

Источник

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Между генераторами электроэнергии и потребителями может быть десятки, а то и сотни километров. Для минимизации потерь при транспортировке применяется специальная технология, суть которой заключается в повышении напряжения, передачи его посредством ЛЭП и понижении до уровня потребительской сети. Последний этап преобразования осуществляется на подстанциях, оборудованными силовыми трансформаторами (далее по тексту СТ). В данной публикации мы расскажем, что представляют собой эти устройства, их основные конструктивные элементы и особенности.

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это аппарат, преобразующий амплитуду переменного напряжения, оставляя неизменным его частоту. В основу работы такого устройства положен принцип электромагнитной индукции. Мы не будем отвлекаться на его описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Основная сфера применения СТ связана с передачей и распределением электроэнергии, упрощенно это представлено на рисунке ниже.

Схема передачи электроэнергии

Как видно из рисунка, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько СТ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем оно выше, темь меньше потерь при передаче на дальние расстояния) и подает его на ЛЭП. На выходе линии установлен второй СТ на районной подстанции, откуда производится передача по подземному кабелю на трансформаторный пункт, откуда запитываются конечные потребители.

Трансформаторный пункт

Принятые классификации

Учитывая немалый вес и размеры СТ, чтобы упростить ряд работ, связанных с обслуживанием, транспортировкой и планированием, данные устройства принято делить на габаритные группы. Ниже представлена таблица, где показано соответствие.

Таблица габаритов СТ:

Силовой трансформатор 5-й габаритной группы ТРДЦН-63000/220, вес около 130 тонн

Помимо габаритного распределения, СТ также классифицируют по следующим показателям:

Конструктивные особенности

Несмотря на разнообразие видов СТ их конструкция неизменно включает следующие обязательные элементы:

На рисунке ниже представлена типовая конструкция СТ с масляной системой отвода тепла.

Конструкция силового трансформатора с масляным охлаждением

Обозначения:

Теперь рассмотрим подробно назначение основных конструктивных элементов.

Назначение силовых вводов

Данный элемент конструкции необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Их расположение может быт как внутренним (закрытые клеммные колодки) так и внешним. Обратим внимание, что первый вариант расположение используется только в СТ с воздушной системой отвода тепла.

Обязательно наличие изоляции, между вводом и корпусом, она может быть маслобарьерной, элегазовой, конденсаторной-проходной или же выполнена из материалов, не проводящих электричество (фарфор, полимеры и т.д.).

Рис. 4. Фарфоровые изоляторы на вводах силового трансформатора

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его отвода неизменно присутствует в любом СТ. Мощные аппараты снабжены для этого специальной двухконтурной системой, охлаждение масла в которой производится следующими способами:

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость повысить или понизить напряжение нагрузки СТ, для этой цели в большинстве конструкций предусмотрено специальный переключатель. По сути, он меняет коэффициент трансформации путем переключения на большее или меньшее число витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции выполняются при снятой нагрузке, но существуют устройства позволяющие изменять КТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и обслуживания СТ их конструкция может включать следующие устройства, именуемые навесным или дополнительным оборудованием:

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ производится в соответствии с представленным ниже рисунком.

Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

Особенности обслуживания

СТ являются важными звеньями в схемах передачи электроэнергии, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное обслуживание подготовленными специалистами, имеющих соответствующий уровень допуска.

Если оборудование используется там, где предусмотрено наличие штатного дежурного персонала, то его обязанности входит проведение регулярных осмотров, при которых снимаются показания приборов, характеризующих текущее состояние СТ. Регламентом предписывается контролировать:

При обнаружении отклонения от нормы, подтеков, повреждений или других признаков, свидетельствующих о нештатной работе контролируемых аппаратов, персонал должен принять предписанные инструкцией меры.

Для автономного оборудования, работа которого не требует наличия дежурного персонала, положено проводить технический осмотр ежемесячно. Что касается трансформаторных пунктов, то для них эта норма снижена до полгода.

При обнаружении недостатка масла в системе отвода тепла следует произвести доливку, а в случае несоответствия нормам – полную замену. Определить необходимость замены масла, можно по его цвету.

Свидетельством нештатного режима работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных свидетельств анормального функционирования СТ, предписывается проводить внеплановый осмотр с проверкой общего состояния элементов защитного оборудования.

Согласно правилам эксплуатации необходимо раз в год брать пробу масла для лабораторного анализа. Это же действие предписывается в случае капитального ремонта.

Помимо этого при обслуживании периодически приходится производить подстройку рабочего напряжения. Необходимость этого связана с тем, что со временем латунные и медные контакты покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Что бы не допустить этого, раз в полгода с СТ снимается нагрузка и питание, после чего производится переключение регулятора напряжения во всем позициям. Процедуру рекомендуется повторить несколько раз, перед тем как вернуть исходное положение.

Источник