Общие сведения о трансформаторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие сведения о трансформаторах

2. Устройство трансформаторов

3. Принцип действия трансформатора

4. Схемы соединения обмоток трансформатора

5. Виды трансформаторов

6. Техника безопасности при эксплуатации и ремонте трансформаторов

Литература

трансформатор ремонт обмотка

Введение

Восьмидесятые годы прошлого столетия вошли в историю техники под названием периода «трансформаторных битв» . Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачей её набольшие расстояния.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора , как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1836 году ирландский физик Николас Каллан изобрел индукционную катушку. В 1838 году это изобретение повторил американский изобретатель Чарльз Пейдж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф, именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку.

П.Н.Яблочков отчетливо понял роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепе переменного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он так подчёркивал важность нового предложения. Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.

Становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение . Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. И основным направлением развития электроэнергетики становилась система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 году Голяром и Гиббсом.Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, то есть имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а1884 году - в Турине (Италия).

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами. Сердечник этого трансформатора набран был из стальных полос или проволок, разделённых изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжения.

Впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но ,более всесторонне ,этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 году получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения.

Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С. Ц. Ферранти. Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 году венгерскими электротехниками М.Дерри, О. Блатии, К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин трансформатор. Венгерские инженеры нашли оптимальное соотношение между расходом меди и стали в трансформаторах.

Русский инженер Доливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи и эксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного тока. Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии система трехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является более экономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел «в превосходных качествах» разработанных им трехфазных асинхронных двигателей. В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал, что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающееся магнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основные модификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этим Доливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора с начала, в 1890 г., с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем с обычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. А так как, кроме этого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета и конструирования электрических машин, то можно сказать,что он разработал собственно все элементы трехфазной системы.Предложенная Доливо-Добровольским система трехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместное внимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настолько велики и очевидны, что уже в ближайшее время она заняла ведущее место в ряду других систем.

1. Общие сведения о трансформаторах

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный то одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.

Трансформаторы получили очень широкое практическое применение для передачи электрической энергии на большие расстояния для распределения энергии между ее приемниками и в различных выпрямительных, сигнализационных, усилительных и других устройствах.

При передаче электрической энергии от электростанций к ее потребителям большое значение имеет величина тока, протекающего по проводам. В зависимости от силы тока выбирается сечение проводов линии передачи энергии и,следовательно, определяется стоимость проводов, а также и потери энергии в них.

Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то ток в той же мере уменьшится, а это позволит применять провода с меньшим поперечным сечением для устройства линии передачи электрической энергии и уменьшит расход цветных металлов, а также уменьшит потери мощности в линии.

Поперечные сечения проводов и потери мощности в них определяются следующими выражениями:

; Pл r,

так как r ,

где q -- поперечное сечение провода, ,

I -- сила тока, а,

д -- плотность тока, а/,

U -- напряжение в линии электропередачи, в,

Р-- передаваемая мощность, вт,

Pл -- потери мощности в линии электропередачи, вт,

r-- сопротивление провода, ом,

-- длина линии, м;

с--удельное сопротивление материала провода, о /.

Таким образом, при неизменной передаваемой мощности поперечное сечение провода и потери мощности в линии обратно пропорциональны напряжению. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11--18 кв (в некоторых случаях при 30--35 кв). Хотя это напряжение очень велико для непосредственного его использования потребителями, однако оно недостаточно для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Для увеличения напряжения применяют повышающие трансформаторы.

Рис. 1 Принципиальная схема включения трансформатора:

1-первичная обмотка, 2-магнитопровод,

3-вторичная обмотка, 4-лампа накаливания.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из соображений безопасности для лиц, пользующихся этими приемниками, рассчитываются на более низкое напряжение (ПО--380 в). Кроме того, высокое напряжение требует усиленной изоляции токоведущих частей, что делает конструкцию аппаратов и приборов очень сложной. Поэтому, высокое напряжение, при котором передается энергия, не может непосредственно использоваться для питания приемников, вследствие чего к потребителям энергия подводится через понижающие трансформаторы.

Таким образом, электрическая энергия при передаче от места ее производства к месту потребления трансформируется несколько раз (3--4 раза). Кроме того, понижающие трансформаторы в распределительных сетях включаются не одновременно и не всегда на полную мощность, вследствие чего мощности установленных трансформаторов значительно больше (в 7--8 раз) мощностей генераторов, вырабатывающих электроэнергию на электростанциях.

На рис.1. изображена принципиальная схема трансформатора; для ясности обмотки его помещены на разных стержнях стального сердечника. В действительности каждая обмотка располагается на обоих стержнях так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины -- на правом стержнях сердечника. При таком размещении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, вследствие чего уменьшаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии.

Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, -- вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

2. Устройство трансформаторов

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы трансформаторы подразделяют на : стержневые (рис. 2, а), броневые (рис. 2, б) и тороидальные (рис. 2, в). Стержнем называют часть магнитопровода , на которой размещают обмотки. Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом. Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

Силовые трансформаторы большой мощности броневого типа отечественная промышленность не выпускает.

Рис. 2 Основные типы однофазных трансформаторов:

1 -- ярмо; 2 -- стержень; 3 -- обмотки; 4 -- тороидальный магнитопровод.

Но при значительных мощностях (более 80--100 MB*А на фазу) часто применяют бронестержневые трансформаторы, у которых крайние стержни имеют боковые ярма (рис. 3, а). Такая конструкция позволяет уменьшить поперечное сечение верхнего и нижнего ярм по сравнению со стержневыми трансформаторами, в результате чего уменьшается высота трансформатора и упрощается его транспортировка по железным дорогам. При дальнейшем повышении мощности для еще большего уменьшения высоты верхнего и нижнего ярм применяют трансформаторы многостержневой конструкции. В этом случае «расщепляют мощность» каждой фазы между двумя или тремя отдельными стержнями, т. е. обмотки каждой фазы располагают на нескольких стержнях, включенных в магнитном отношении параллельно (рис. 3,б).

Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитопроводы трансформаторов (рис. 4) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28--0,5 мм при частоте 50 Гц. Обычно применяют анизотропную холоднокатаную сталь с ребровой структурой (марки 3412-3416) и содержанием кремния 2,8 -- 3,8%. Магнитные свойства этой стали резко улучшаются при совпадении направлений магнитного потока и прокатки: потери в стали на перемагничивание уменьшаются в два-три раза, а магнитная проницаемость и индукция насыщения возрастают. Однако использование холоднокатаной стали усложняет конструкцию и технологию изготовления магнитопроводов, так как при этом требуется исключить прохождение магнитного потока поперек направления прокатки или по крайней мере, уменьшить длину участков, на которых это явление возникает.

Рис. 3 Однофазные трансформаторы большой мощности: а -- бронестержневой; б -- многостержневой; 1 -- верхнее ярмо; 2 -- стержень; 3 -- обмотки; 4 -- боковое ярмо; 5 -- боковое совмещенное ярмо



Рис. 4 Магнитная система силового трехфазного трансформатора:

а -- общий вид; б -- сборка магнитопровода; 1-- стержень; 2 -- ярмо;

3 -- опорные балки; 4 -- стяжные шпильки; 5, 7-- листы крайнего и среднего стержней; 6 -- листы верхнего ярма

По способу сборки различают: стыковые и шихтованные магнитопроводы. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают и скрепляют раздельно, а затем устанавливают в стык и соединяют между собой. В месте стыка во избежание замыкания листов устанавливают изоляционные прокладки. В шихтованных магнитопроводах ярма и стержни собирают как цельную конструкцию с взаимным перекрытием отдельных слоев в месте стыка («впереплет»). Каждый слой состоит из двух -трех листов. При сборке магнитопровода листы в двух смежных слоях располагают, как показано на рис. 5, а и б, т. е. листы каждого последующего слоя перекрывают стык в листах предыдущего слоя, существенно уменьшая магнитное сопротивление в месте сочленения. После сборки магнитопровода листы верхнего ярма вынимают, на стержни устанавливают катушки и ярмо снова ставят на место (рис. 4,б). Шихтованные магнитопроводы имеют значительно меньшее магнитное сопротивление, чем стыковые; поэтому последние применяют сейчас только в микротрансформаторах. При изготовлении магнитопроводов из холоднокатаной текстурованной стали листы в местах сочленения крайних стержней с ярмами скашивают примерно на 45° (рис. 5, в и г).

Рис. 5 Расположение листов в двух смежных слоях магнитопровода силового трехфазного трансформатора: а, в, е -- 1, 3, 5-й и другие слои; б, г, д -- 4, 2, 6-й и другие слои; 1 -- листы крайних стержней; 2 --листы среднего стержня; 3, 4, 5 -- листы верхнего и нижнего ярм

Скос листов позволяет уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода и потери мощности в нем, так как при прямоугольной форме листов в местах поворота магнитного потока на 90° возникают добавочные потери из-за несовпадения направлений индукционных линий и прокатки стали.

Сборка магнитопроводов из листов с косым стыком является весьма трудоемкой, так как в целях перекрытия стыков листов при шихтовке приходится смещать их по длине. Поэтому в силовых трансформаторах широко применяют комбинированный способ шихтовки, при котором стыки листов ярма со средним стержнем (рис. 5, д и е) делают прямыми, а с крайними стержнями -- косыми, или первый слой листов выполняют с косыми стыками, а второй -- с прямыми.

Стержни магнитопровода , в силовых трансформаторах, сравнительно небольшой мощности, имеют прямоугольное или крестовидное сечение (рис.6, а и б), а в более мощных -- ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис.6, в) (их собирают из листов различной ширины).

Такая форма обеспечивает получение требуемого поперечного сечения стержня при минимальном диаметре, что позволяет уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов.

Рис. 6 Формы сечения стержней силовых трансформаторов: 1 -- пакеты листов; 2 -- продольные каналы; 3 -- поперечный канал

При большом сечении стержней их собирают из отдельных стальных пакетов, между которыми располагают продольные каналы шириной 5 -- 6 мм, а в некоторых конструкциях и поперечный канал (рис. 6, г) для циркуляции охлаждающей жидкости. Стяжку листов стержней (опрессовку стержней) в силовых трансформаторах сравнительно небольшой мощности осуществляют с помощью деревянных или пластмассовых планок и стержней, устанавливаемых между стальным стержнем и жестким изоляционным цилиндром, на котором намотана обмотка НН (рис. 7, а).

В более мощных трансформаторах с магнитопроводами из холоднокатаной анизотропной стали стержни стягивают бандажами из стеклоленты или стальной ленты (рис. 7,б). Чтобы стальные бандажи не образовали короткозамкнутых витков, их разрезают и стягивают с помощью изоляционных пряжек. Для получения равномерного сжатия стальных листов перед наложением бандажей стержень опрессовывают на сборочном стенде. Опрессовка стержней обеспечивает необходимую жесткость конструкции магнитопровода и предотвращает повышенную вибрацию его листов, сопровождающуюся шумом.



Рис. 7 Способы прессовки стержней и ярм:

1 -- шихтованный стержень; 2 --деревянная планка; 3 -- изоляционный цилиндр катушки; 4 -- деревянный стержень; 5 -- бандаж из стеклоленты; 6 -- изоляционная трубка; 7 -- стальная шпилька; 8 -- изоляционная пластина; 9 -- полубандаж из стальной ленты; 10 -- ярмо; 11 --изоляционная прокладка; 12 -- ярмовая балка

В магнитопроводах из горячекатаной стали стержни стягивают стальными шпильками, изолированными относительно стержней трубками из изоляционного материала (рис. 7, в). Такой способ опрессовки при холоднокатаной стали недопустим, так как магнитные силовые линии огибают отверстия, пробитые в стальных листах для шпилек, и, следовательно, отклоняются от направления проката стали.

Ярма, соединяющие стержни, выполняют обычно прямоугольного, Т-образного или ступенчатого сечения на 2 -- 5% больше сечения стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней. Ярма стягивают с помощью деревянных или стальных опорных балок, бандажей из стеклоленты или стальной ленты (рис. 7, г) или посредством шпилек (рис.7, д).

Магнитопровод вместе с опорными балками и другими прессующими деталями образует остов трансформатора. При работе силовых трансформаторов магнитопровод и другие стальные части находятся в сильном электрическом поле, вследствие чего они могут приобрести электрический заряд. Чтобы избежать этого, остов заземляют с помощью медных лент.

Трансформаторы малой мощности и микротрансформаторы часто выполняют броневыми, так как они имеют более низкую стоимость по сравнению со стержневыми трансформаторами , из-за меньшего числа катушек и упрощения сборки и изготовления.Применяют также и маломощные трансформаторы стержневого типа с одной или двумя катушками.

Преимущество тороидальных трансформаторов -- отсутствие в магнитной системе воздушных зазоров, что значительно уменьшает магнитное сопротивление магнитопровода.

В трансформаторах малой мощности магнитопровод собирают из штампованных пластин П-, Ш-и О-образной формы (рис. 8, а, б, в). При использовании листов Ш- и П-образной формы магнитопровод может быть собран «впереплет» или «встык». Сборку пластин «встык» применяют при необходимости введения в магнитопровод воздушного зазора; в этом случае в месте стыка устанавливают изоляционные прокладки.

Рис. 8 Магнитопроводы трансформаторов малой мощности: а, д -- броневой; б, г -- стержневой; в, е -- тороидальный; ж -- трехфазный

Большое значение получили также магнитопроводы, навитые из узкой ленты электротехнической стали (обычно из анизотропной холоднокатаной стали) или из специальных железоникелевых сплавов типа пермаллой. Их можно использовать для стержневых, броневых, тороидальных и трехфазных трансформаторов. Основными преимуществами их перед шихтованными являются лучшее использование ферромагнитного материала благодаря ориентации магнитного потока в направлении прокатки стали или пермаллоя и более высокое сопротивление вихревым токам, что обусловливает уменьшение потерь мощности в магнитопроводе, особенно при повышенных, частотах. Ленточные магнитопроводы (рис. 8,г,д,е,ж) бывают неразъемными и разъемными. Разъемные ленточные магнитопроводы выполняют из двух половин. Чтобы уменьшить магнитное сопротивление магнитопровода в местах стыка, торцовые поверхности обеих половин шлифуют, затем; вкладывают в катушку и склеивают по шлифованным поверхностям специальным клеем, изготовленным на основе эпоксидной смолы с ферромагнитным наполнителем. Монолитность конструкции ленточного магнитопровода обеспечивается путем применения клеющих лаков и эмалей.

Для трансформаторов, работающих при частоте 400 и 500 Гц, магнитопроводы выполняют из специальных сортов электротехнической стали с малыми удельными потерями при повышенной частоте, а также из железоникелевых сплавов типа пермаллой, которые имеют большие начальную и максимальную магнитные проницаемости и позволяют получить магнитные поля с большой индукцией при сравнительно слабой напряженности. Толщина листов составляет 0,2; 0,15; 0,1 и 0,08 мм. При частотах более 10--20 кГц магнитопроводы прессуют из порошковых материалов (магнитодиэлектриков и ферритов).

Обмотки.В современных трансформаторах первичную и вторичную обмотки стремятся расположить для лучшей магнитной связи как можно ближе одну к другой. При этом на каждом стержне магнитопровода размещают обе обмотки либо концентрически -- одну поверх другой, либо в виде нескольких дисковых катушек, чередующихся по высоте стержня. В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором --чередующимися. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням располагают обмотку НН, требующую меньшей изоляции относительно остова трансформатора, а снаружи -- обмотку ВН (рис. 9, а).

Рис. 9 Расположение обмоток на стержнях в трансформаторах:

1 -- стержень; 2 -- обмотка ВН; 3 - обмотка НН; 4,5- группы катушек

В некоторых случаях для уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток применяют двойные концентрические (расщепленные) обмотки (рис. 9,б), в которых обмотку НН делят на две части с одинаковым числом витков. Аналогично можно выполнить и обмотку ВН. При чередующихся обмотках (рис. 9, в) всю обмотку подразделяют на симметричные группы, состоящие из одной или нескольких катушек ВН и расположенных по обе стороны от них двух или нескольких катушек НН. Чередующиеся обмотки применяют редко и в основном для специальных трансформаторов.

Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов. При использовании алюминия поперечное сечение провода берется примерно на 70% больше, чем при использовании меди из-за большего удельного электрического сопротивления алюминия. В связи с этим габариты и масса трансформаторов с алюминиевыми обмотками больше, чем у трансформаторов с медными обмотками. При сравнительно небольших мощностях и токах обмотки выполняют из изолированного провода круглого сечения, при больших мощностях и токах применяют провода прямоугольного сечения. В ряде случаев обмотки наматывают из нескольких параллельных проводов.

По конструкции концентрические обмотки подразделяют на: цилиндрические, непрерывные и винтовые.

Цилиндрические обмотки (рис. 10, а),выполненные из прямоугольного провода, обычно применяют в качестве обмоток низшего напряжения , при мощностях до 250 кВ*А на один стержень (до 630 кВ*А для трехфазного трансформатора) и напряжении до 6 кВ. При мощности 10--16 кВ*А обмотку наматывают в один-два слоя, а при больших мощностях -- в два слоя, соединенных последовательно (рис. 10,б).

В зависимости от силы тока каждый слой может состоять из одного или нескольких параллельных проводов (суммарный ток стержня обычно не превышает 800 А). Провод наматывают по винтовой линии на бумажно-бакелитовые цилиндры и одновременно изолируют его от стержня магнитопровода и от соседних катушек.

Рис. 10 Цилиндрические обмотки: 1 -- витки из прямоугольного провода; 2 -- бумажно-бакелитовый цилиндр; 3,4 -- выводные концы; 5 -- вертикальные рейки; 6 -- внутренние ответвление обмотки; 7 --аксиальный охлаждающий канал

Если обмотка имеет несколько слоев, то между ними прокладывают изоляционные планки, образующие: каналы для прохода масла. Обмотки высшего напряжения трансформаторов мощностью до 250 кВ на один стержень и напряжением до 35 кВ, а также обмотки низшего напряжения при 3 -- 10 кВ выполняют цилиндрическими многослойными (рис. 10, в). Для обмоток используют провод круглого или прямоугольного сечения, который наматывают на жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры; каждый слой образуется из одного или нескольких параллельных проводов (суммарный ток стержня обычно не превышает 135 А). Витки всех слоев соединяют последовательно; изоляцией между слоями служит кабельная бумага. При большом количестве слоев для улучшения охлаждения обмотку разделяют на две концентрические катушки. Между этими катушками оставляют канал для прохода масла. Иногда в качестве обмоток высшего напряжения при мощностях до 335 кВ-А на стержень и напряжении до 35 кВ, применяют многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рис. 11, а). Такая обмотка состоит из ряда многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня и выполненных из провода небольшого сечения (ток до 45 А). Между катушками оставляют каналы для охлаждения.

В трансформаторах мощностью от 160 до 63000 кВ-А на стержень и выше при напряжениях от 3 до 220 кВ в качестве обмоток высшего напряжения часто применяют непрерывные спиральные катушечные обмотки.

Рис. 11 Цилиндрическая катушечная (а) и непрерывная (б) обмотки: 1 --бумажно- бакелитовый цилиндр; 2 -- аксиальный охлаждающий канал; 3 -- опорное изолирующее кольцо; 4 -- дисковые катушки; 5 -- радиальные охлаждающие каналы; 6 -- изоляционная рейка с планками

Обмотку называют непрерывной потому, что ее наматывают без разрывов, т. е. переход из одной катушки в другую производится непрерывно, без паек. В непрерывной обмотке может быть до шести параллельных проводов. Такая обмотка (рис. 11,б) состоит из ряда последовательно соединенных между собой плоских дисковых катушек (секций), выполненных из провода прямоугольного сечения. Катушки имеют одинаковые размеры и расположены одна над другой. Для охлаждения между катушками создают радиальные каналы, образованные прокладками из электрокартона. Непрерывные спиральные катушечные обмотки можно применять и в качестве обмоток низшего напряжения при токах 20--400 А (при медных проводах) и 10--200 А (при алюминиевых проводах).

Винтовые одно- и многоходовые обмотки (рис. 12, а) используют обычно в качестве обмоток низшего напряжения в трансформаторах мощностью свыше 250 кВ-А на стержень при напряжениях до 15 кВ и токах свыше 300 А для медных проводов и 150--200 А для алюминиевых. Винтовую обмотку наматывают по винтовой линии из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу в радиальном направлении. Подобно резьбе винта она может быть одно-, двух- и иногда многоходовой. Между отдельными витками и параллельными ходами располагают охлаждающие каналы.

При использовании винтовых и непрерывных катушечных обмоток, выполненных из нескольких параллельных проводников, необходимо принимать меры для равномерного распределения между ними тока, так как более удаленные от оси катушки провода имеют несколько большую длину, а следовательно, и активное сопротивление (чем расположенные ближе к оси).



Рис. 12 Одноходовая винтовая обмотка (а) и схемы транспозиции ее параллельных проводов (б); (в) и (г): 1 -- бумажно-бакелитовый цилиндр; 2 -- провода; 3 -- аксиальный охлаждающий канал; 4 -- опорное изолирующее кольцо; 5 -- витки из параллельных проводов; 6 -- изоляционная рейка с планками; 7 -- радиальные охлаждающие каналы

Кроме того, витки, образуемые этими проводами, сцеплены с различными по величине магнитными потоками и в них индуцируются разные ЭДС.

Чтобы уравнять длины параллельных проводов и создать одинаковые условия для индуцирования в них ЭДС, осуществляют транспозицию проводов, т. е. провода периодически по длине обмотки меняют местами (рис. 12,б) так, чтобы каждый провод занимал все возможные положения относительно оси катушки.

Транспозиция может быть общей (изменяют на обратное расположение всех параллельных проводов) -- рис. 12, в и групповой ( изменяют местами две подгруппы проводов) -- рис. 12, г.

В настоящее время широкое применение получают винтовые обмотки из транспонированного провода, в котором отдельные проводники (жилы) с лаковой изоляцией меняются местами в процессе изготовления провода (рис. 13,а,в). Поверх него накладывают общую изоляцию из кабельной бумаги.

Рис. 13 Специальные провода:

а -- транспонированный марки ПТБ; б -- подразделенный марки ПБП (двух- и трехжильный); в -- подразделенный транспонированный марки ППТБ; 1 --проводники; 2 -- изоляция провода; 3 -- изоляция проводников

Применяют также подразделенные провода (рис. 13,б), состоящие из двух-трех изолированных проводников, охватываемых общей изоляцией. Такое разделение проводника приводит к значительному (на 20--30%) снижению добавочных потерь от индуцируемых в проводниках вихревых токов.

В трансформаторах малой мощности и микротрансформаторах используют однослойные и многослойные обмотки из круглого провода с эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, которые наматывают на гильзу или на каркас из электрокартона (рис. 14,а); между слоями проводов прокладывают изоляцию из кабельной бумаги или ткани. В микротрансформаторах часто обмотки выполняют из алюминиевой фольги толщиной 30--20 мкм. Изоляцией здесь служит окисная пленка фольги, которая обладает достаточной теплоемкостью, теплопроводностью, а может и выдерживать рабочее напряжение до 100 В. В высокочастотных трансформаторах применяют расщепленные многожильные провода типа литцендрат (ЛЕНЮ, ЛЭЛО и др.).

Для трансформаторов, работающих в условиях высокой температуры и радиоактивного облучения, используют провода из анодированного алюминия и с изоляцией из кварцевых нитей.

Рис. 14 Устройство трансформаторов малой мощности:

1 -- первичная обмотка; 2 -- магнитопровод; 3, 4, 5 -- вторичные обмотки; 6 -- изоляционная гильза

В последнее время широко применяются галетные обмотки. Такая обмотка состоит из отдельных унифицированных элементов -- галет, каждая из которых представляет собой законченный конструктивный элемент (рис. 14,б). Галеты собирают на стержне магнитопровода и соединяют между собой в соответствии с электрической схемой трансформатора. Путем последовательного и параллельного соединения унифицированных галет можно получать различные значения токов и напряжений трансформатора. Галеты могут быть выполнены как из обмоточного провода, так и из алюминиевой фольги. В тороидальных трансформаторах обмотки располагают по всей окружности магнитопровода, причем на внутренней поверхности укладывают большее число слоев, чем на внешней. Изоляцию обмоток от магнитопровода осуществляют путем обматывания последнего лентой из изоляционного материала.

Изоляция силовых трансформаторов. В трансформаторах изоляцию обмоток подразделяют на главную -- изоляцию их от магнитопровода и между собой (обмоток НН от ВН) и продольную -- изоляцию между витками, слоями и катушками каждой обмотки. Имеется также изоляция отводов от обмоток, переключателей и выводов. Изоляция обмоток трансформатора от заземленных частей и друг от друга определяется в основном электрической прочностью при частоте 50 Гц. Она обеспечивается соответствующим выбором величины изоляционных промежутков, которые в масляных трансформаторах одновременно выполняют роль охлаждающих каналов.

Чтобы предотвратить пробой изоляции при воздействии на обмотку импульсных перенапряжений в высоковольтных трансформаторах, между обмотками дополнительно ставят жесткие бумажно-бакелитовые цилиндры или мягкие цилиндры из электроизоляционного картона. При этом (во избежание электрического разряда по поверхности изоляционных цилиндров) они должны иметь по высоте большие размеры, чем обмотки (рис. 15). Между обмотками высшего напряжения различных фаз устанавливают межфазную изоляционную перегородку. Изоляционное расстояние обмоток от ярма обеспечивают шайбами и прокладками из электроизоляционного картона. Между концевой изоляцией обмотки и ярмовыми балками магнитопровода в некоторых трансформаторах устанавливают металлические разрезные или неметаллические прессующие кольца.

Рис. 15 Конструкция главной изоляции трансформаторов класса напряжения ПО кВ (а) и 35 кВ (б): 1 -- стержень магнитопровода; 2 -- изоляционные цилиндры; 3 -- ярмо; 4 -- прессующее кольцо; 5 --емкостные кольца, 6 -- изоляционные угловые шайбы; 7 -- изоляционная шайба; 8 -- изоляционные прокладки; 9 -- междуфазная перегородка; ВН и НН -- обмотки высшего и низшего напряжений; РО -- регулировочная обмотка

В трансформаторах напряжением 35 кВ для защиты от атмосферных перенапряжений две начальные и две конечные катушки обмотки высшего напряжения выполняют с усиленной изоляцией. Такая изоляция ухудшает условия охлаждения начальных и конечных катушек, поэтому их выполняют из провода большего поперечного сечения.

В трансформаторах напряжением 110 кВ и выше для уменьшения напряжения на концевых катушках обмотки высшего напряжения и выравнивания электрического поля у концов обмотки применяют емкостную компенсацию в виде емкостных витков и емкостных колец (рис. 16), которые служат электрическими экранами.

Рис. 16 Установка емкостного кольца и экранирующих витков на обмотке: 1 -- емкостное кольцо; 2 -- дисковые входные катушки с дополнительной изоляцией; 3 -- изоляционные прокладки; 4 -- экранирующие витки; 5 -- изоляционные полосы; 6 -- выступы удлиненных прокладок; 7 -- опорный изоляционный сегмент; 8 -- непрерывная обмотка

Изоляция между катушками, слоями и витками (продольная изоляция) обеспечивает как электрическую прочность обмотки при частоте 50 Гц, так и прочность при воздействии импульсных перенапряжений. Обычно межкатушечную изоляцию осуществляют радиальными масляными каналами, простыми и угловыми шайбами из электроизолляционного картона. В качестве межслойной изоляции обычно применяют несколько слоев кабельной бумаги, электроизоляционный картон или лакоткань. Изоляцию между витками обеспечивают в основном собственной изоляцией обмоточного провода.

Вводы трансформатора. Для вывода наружу концов от обмоток в трансформаторах, охлаждаемых маслом или негорючим жидким диэлектриком, используют проходные фарфоровые изоляторы, размещаемые на крышке или на стенке бака. Проходной изолятор вместе с токоведущим стержнем и крепежными деталями называют вводом.

Вводы трансформаторов, устанавливаемых внутри помещений, имеют гладкую наружную поверхность (рис. 17, а), а вводы трансформаторов, предназначенных для наружной установки, снабжают ребрами (рис. 17,б), число которых зависит от напряжения соответствующей обмотки трансформатора.

Рис. 17 Вводы трансформаторов: а -- для внутренней установки; б -- для наружной установки; в -- маслонаполненные для напряжения 110 кВ, г -- при больших токах; 1 -- токоведущий стержень; 2 -- колпак; 3 -- фарфоровый изолятор; 4 -- металлический фланец; 5 -- маслорасширитель с масляным затвором; 6 -- верхняя фарфоровая покрышка; 7 -- соединительная чугунная втулка; 8 -- нижняя фарфоровая покрышка; 9 -- алюминиевый экран; 10 -- латунный фланец; 11 -- крышка бака

При наличии ребер ,увеличивается расстояние между токоведущим стержнем и корпусом по поверхности изолятора и уменьшается вероятность поверхностного разряда во время дождя, при попадании на изолятор листьев и т. п. Крепление ввода к крышке бака и токоведущего стержня в изоляторе должно быть прочным, а применяемые уплотнения -- маслостойкими.

При напряжениях свыше 110 кВ вводы часто выполняют составными -- из двух фарфоровых изоляторов (рис. 17, в). Внутри такой ввод заполняют маслом, не сообщающимся с маслом, находящимся в баке трансформатора. Токоведущий кабель проходит внутри металлической трубы, которую изолируют кабельной бумагой или бумажно-бакелитовыми цилиндрами с установленными в них металлическими обкладками из фольги (для выравнивания электрического поля).

В трансформаторах, рассчитанных на большие токи, вокруг ввода создается большой магнитный поток, вследствие чего в крышке бака и крепежном фланце возникают значительные вихревые токи, нагревающие эти детали до высокой температуры. Во избежание этого, при больших токах, вместо стального или чугунного фланцев применяют латунные , и в крышке вырезают для них общее отверстие (рис. 17, г). При этом магнитные потоки всех вводов замыкаются вокруг отверстия ,и при одно- и трехфазном токах сильно уменьшаются из-за взаимной компенсации магнитодвижущих сил. В трансформаторах, охлаждаемых воздухом, концы от обмоток присоединяют к контактным зажимам, которые укрепляют к остову трансформатора.

3. Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (рис. 18), то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в магнитопроводе переменный магнитным поток Ф. Этот магнитный поток, сцепленный как с одной, так и с другой обмоткой, изменяясь, будет индуктировать в обмотках ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то значения индуктируемых в них ЭДС будут неодинаковы. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуктируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.

Рис. 18 Принцип действия трансформатора

Индуктируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. К вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. При подключении нагрузки ,в этой обмотке под действием индуктированной в ней ЭДС возникнет ток I2, а на ее выводах установится напряжение U2, которые будут отличаться от тока I1 и напряжения U1, первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети электрическая энергия с напряжением U2 и током I1 преобразуется в электрическую энергию с напряжением U2 и током I2).

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменный во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках; вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.

4. Схемы соединений обмоток трансформатора

Выводы начала обмоток однофазных трансформаторов согласно ГОСТ обозначают буквами А, а, а концы - X, х. Прописные буквы относятся к обмоткам ВН, а строчные - к обмоткам НН.

Начала и концы обмоток фаз (фазных обмоток) трехфазных трансформаторов соответственно обозначают: А, В, С, X, Y, Z -- для обмоток ВН и а, b, с, х, у, z - для обмоток НН. При наличии третьей обмотки (среднего напряжения) применяют обозначения: Ат, Хт - для однофазных трансформаторов и Ат, Вт, Ст, Хт, Ym, Zm - для трехфазных. Нулевой вывод обозначают 0, 0m.

Обмотки трехфазных трансформаторов в большинстве случаев соединяются по схеме звезды (обозначение Y или У) (рис. 19), либо по схеме треугольника (обозначение Д или Д) (рис. 20). При соединении обмоток в звезду линейное напряжение Uл в v3 раз больше фазного Uф (Uл = v3 Uф), а линейный ток Iл равен фазному Iф (Iл = v3 Iф).При соединении обмоток в треугольник Uл = Uф и Iл = v3 Iф. Эти соотношения справедливы при симметричном режиме.

Рис. 19 Схема соединения Рис.20.Схема соединения обмоток обмотки ВН в звезду и ВН и НН в треугольник. обмотки НН в звезду с выведенной нулевой точкой

Схемы соединений обмоток трансформатора обозначаются в виде дроби Y/Y, Y/Д или У/У, У/Д и т.д. Числитель этой дроби указывает схему соединений обмотки ВН, а знаменатель - обмотки НН. При выборе схемы соединений обмотки учитывается ряд обстоятельств. При высоких напряжениях предпочитают обмотку соединять в звезду и заземлять ее нулевую точку. При этом напряжение выводов и проводов линии электропередачи относительно земли уменьшается в v3 раз,что приводит к снижению стоимости изоляции. Обмотки НН соединяют в звезду и выводят нулевую точку (обозначение Y или Ун) в том случае, если от этой обмотки предполагается питание осветительной или смешанной осветительно-силовой нагрузки. Тогда осветительные лампы включают между одним из линейных проводов и нулевым проводом (на фазное напряжение), а трехфазные двигатели - к трем фазам на линейное напряжение.

При номинальном напряжении обмотки НН выше 400 В предпочитают соединять в треугольник, так как при этом улучшаются условия работы трансформатора при несимметричной нагрузке и уменьшается влияние высших гармоник.

Иногда в специальных трансформаторах применяется также соединение обмоток по схеме зигзага (обозначение Z) (рис. 21). В этой схеме обмотка каждой фазы состоит из двух равных частей, размещенных на разных стержнях и соединенных между собой последовательно и встречно. При встречном частей ЭДС обмотки фазы увеличивается в v3 раз по сравнению включении с согласным их включением и будет во столько же раз больше ЭДС каждой части (рис. 22). Соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при такой схеме получаются такими же, как и при соединении в звезду.

Рис. 21 Схема соединения обмотки в зигзаг

Рис. 22 Векторная диаграмма напряжений при соединении обмотки по схеме зигзага

Если предположить, что при соединении в звезду обмотка каждой фазы состоит из двух половин, расположенных на одном стержне, то фазное напряжение в этом случае будет в 2 раза больше напряжения каждой половины и, следовательно, в 2/v3 раз больше, чем при соединении по схеме зигзага. Поэтому, при одних и тех же значениях фазного и линейного напряжений расход обмоточного провода для схемы зигзаг в 2/v3 раз больше, чем при соединении в звезду.

5. Виды трансформаторов

Силовой трансформатор -- трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформамтор -- вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию -- это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге -- меньшая стоимость.

Трансформамтор томка -- трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение -- для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную -- включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, делённому на коэффициент трансформации. ВНИМАНИЕ! Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко.При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни техперсонала!

Трансформатор напряжения -- трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение -- преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор -- это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор -- трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор -- трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор -- трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) -- конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор -- разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора -- это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

6. Техника безопасности при эксплуатации и ремонте трансформаторов

На проведение сварочных и паечных работ на маслонаполненном оборудовании или вблизи него производитель работ должен получить письменное разрешение пожарной охраны и обеспечить выполнение соответствующих противопожарных мероприятий.

Для выполнения работ внутри бака трансформатора допускаются только специально подготовленные рабочие и инженерно-технические работники. Одежда должна быть удобной для передвижения, защищать тело от перегрева и загрязнения маслом. Во избежание ушибов, порезов и ссадин работать внутри трансформатора необходимо в защитной каске, рукавицах и резиновых сапогах.

Для контроля за состоянием и действиями людей внутри трансформатора должен быть выделен наблюдающий, который обязан находиться возле входного люка на баке и постоянно поддерживать связь с работающими внутри людьми.

Освещение внутри трансформатора должно обеспечиваться переносными лампами на напряжение не более 12 В. Лампа должна иметь защитную сетку.

Аппаратура для проведения сварочных и паечных работ должна иметь надежную изоляцию и заземление.

При пайке отводов, шин во избежание воспламенения наложенной на них изоляции , последнюю необходимо покрывать асбестовым полотном или асбестовым шнуром на длине 100 мм толщиной не менее 30 мм для стекания расплавленного припоя необходимо установить защитный короб из картона и асбестового листа, который следует поддерживать во влажном состоянии.

Не допускается, во избежание ожогов парами воды, производить охлаждение деталей при пайке прямым смачиванием водой.

При производстве сварочных работ на трансформаторе с маслом необходимо, чтобы уровень масла в трансформаторе был выше места сварки на 200-250 мм. При сварке ,для уменьшения или устранения течи масла, допускается создавать разряжение в надмасляном пространстве трансформатора. Не допускается производить сварку на трансформаторе без масла.

Запрещается производить сварочные работы на активной части трансформатора и на расстоянии менее 5 м от разгерметизированного трансформатора.

Сварочные работы в емкостях и узлах, в которых ранее было масло ( расширителе, выхлопной трубе, термосифонном фильтре ), необходимо производить при усиленной циркуляции воздуха через их внутренние полости. Перед сваркой промасленные поверхности необходимо обезжирить.

При выполнении сварочных работ на высоте (на лесах и технологических площадках) необходимо принять меры против загорания настилов и попадания расплавленного металла на находящихся внизу людей.

При производстве газосварочных работ запрещается разводить открытый огонь в пределах 10 м от кислородных и ацетиленовых баллонов; необходимо принять меры, исключающие контакт кислорода с маслом. работающий Трансформатор должен быть оборудован противопожарным инвентарем (ящик с сухим песком, лопата, пенные или углекислотные огнетушители).

При ремонтах и эксплуатации трансформаторов следует руководствоваться действующими «Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок».

Запрещается приближение людей и механизмов к токоведущим частям 110кВ трансформатора ближе 1м для людей и 1,5м для механизмов ; со стороны токоведущих частей 10кВ 0,6м для людей и 1,0м для механизмов.

Литература

1. Вольдек А.И.Электрические машины. -Л.:Энергия,1988.

2. Иванов-Смоленский А.В.Электрические машины. -М.:Энергия,1990.

3. Кацман М.М. Электрические машины.- М.: Высшая школа,1969.

4. Кислицын А.Л. Трансформаторы. -Ульяновск:УлГТУ,2001.

5. Сибикин Ю.Д. Обслуживание электроустановок промышленных предприятий. - М.:Высшая школа,1989.

Размещено на Allbest.ru

...