ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ
(Тема 2)
Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство с двумя или большим числом индукционно связанных обмоток, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. В основном трансформаторы используют для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения.
Конструкция трансформатора определяется его назначением, мощностью и напряжением. Силовыми называют трансформаторы, предназначенные для преобразования электроэнергии в сетях электрических систем и потребителей. Различают силовые трансформаторы общего назначения и специальные, предназначенные для особых условий работы: преобразование переменного тока в постоянный; железнодорожный транспорт; подземные шахтные установки; электротермические печи.
Трансформаторы, у которых основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой воздух, называют сухими. Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называют масляными. Баки некоторых трансформаторов вместо масла наполняют негорючей синтетической жидкостью – совтолом.
Далее в основном рассмотрены силовые масляные трансформаторы общего назначения, представление об устройстве которых даёт рис. 1.1.
Масляный трансформатор состоит из остова (магнитная система 8 в сборе с деталями крепления 1, 5, 6); установленных на магнитной системе обмоток 2; переключающего устройства 10 для регулирования напряжения; установленных обычно на крышке бака вводов 12, 14 высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН) соответственно; отводов 3, 9; бака 7, охладителей (радиаторов) 24, защитных, контрольно-измерительных и вспомогательных устройств.
|
Остов трансформатора, обмотки, части регулирующего устройства, собранные на магнитной системе отводы и соединяющие детали называют активной частью трансформатора.
Для защиты от соприкосновения с воздухом и окисления нагретого при работе трансформатора масла бак закрыт крышкой, уплотненной прокладкой из маслостойкой резины. Постоянное давление внутри бака поддерживается при изменении температуры за счет перетока масла из бака 7 в расширитель 18 и обратно по соединительному патрубку маслопровода 15 (рис. 1.1).
Внутренний объём расширителя сообщается с окружающим воздухом через воздухоосушитель 20, служащий для удаления влаги из поступающего в расширитель воздуха. Из-за разницы температур в верхней и нижней частях бака масло течёт через термосифонный фильтр 21 и в нём очищается от влаги и продуктов окисления.
При небольших повреждениях, сопровождающихся разложением масла в баке и газовыделением, газовое реле 16 реагирует на выделение газа и подаёт сигнал на щит управления или на отключение транс-форматора от сети. В случае бурного газовыделения кипящее масло вместе с газами удаляется через выхлопную трубу 17, что предохраняет бак от механических деформаций и повреждений.
|
В силовых трансформаторах предусмотрены устройства для контроля уровня 19 и температуры масла в баке; транспортировки – крюки и катки 23; краны 11 и 22 для заливки и слива масла.
Силовые трансформаторы общего назначения отличаются конструктивным исполнением, условиями работы, способом охлаждения, номи-нальными мощностью и напряжением, что находит своё отражение в обозначении типа трансформатора.
Условное обозначение типа силового трансформатора имеет вид:
Первые пять позиций образуют буквенное обозначение типа и мо-гут принимать следующие значения:
1 – для автотрансформатора – А, в обозначении трансформатора позиция 1 отсутствует;
2 – если трансформатор однофазный – О, трехфазный – Т;
3 – при наличии расщеплённой обмотки низшего напряжения (НН) – Р, позиция 3 в обозначении отсутствует, если нет расщеплённой обмотки НН;
4 – способ охлаждения 1–3 буквы (см. гл. 5, табл. 5.4);
5 – если в одной из обмоток есть ответвления для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) – Н, позиция 5 в обозначении отсутствует,если РПН нет.
Позиции 6 и 7 определяют соответственно номинальные полную мощность S Н, кВА, и линейное напряжение обмотки высшего напряжения (ВН) U НЛ. Позиции 8 и 9 характеризуют соответственно климатическое исполнение и категорию размещения трансформатора.
1.2. Принцип действия трансформатора (Тема 2)
В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции:
Значение электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в обмотках трансформатора прямо пропорционально изменению магнитного потока , сцепленного с этими обмотками.
|
Согласно закону Ленца ток, протекающий под действием наведенной в обмотках ЭДС, стремится воспрепятствовать изменению магнитного потока, сцепленного с обмотками. Следовательно, ЭДС, наведенная в обмотках трансформатора магнитным потоком:
, (1.1)
где потокосцепление обмотки трансформатора; число витков обмотки; мгновенное значение тока, протекающего по обмотке; индуктивность обмотки.
Рассмотрим принцип работы трансформатора напримере однофазного двухобмоточного трансформатора. Электромагнитная схема такого трансформатора (рис. 1.2) состоит из двух обмоток, размещенных на замкнутом магнитопроводе. Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала (с малым магнитным сопротивлением) для усиления магнитной связи между обмотками. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), обмотку низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотка, которую включают в сеть – первичная обмотка. Число витков первичной обмотки . Обмотка, к которой подключают нагрузку – вторичная обмотка с числом витков .
В качестве нагрузки трансформатора может быть линия электропередач или автономный потребитель. Первичная и вторичная обмотки могут быть как ВН, так и НН.
В режиме холостого хода первичную обмотку подключают к сети переменного тока с синусоидальным напряжением . Вторичная обмотка трансформатора в режиме холостого хода разомкнута (нагрузка к зажимам вторичной обмотки не подключена).
По первичной обмотке трансформатора протекает ток . В режиме холостого хода ток первичной обмотки называется током холостого хода . Ток холостого хода, протекая по виткам , создает магнитодвижущую силу (потенциал магнитного поля):
. (1.2)
Магнитодвижущая сила (МДС) возбуждает в магнитопроводе трансформатора переменное магнитное поле. Магнитное поле удобно представить в виде наложения двух полей:
1. Основное поле (поле взаимоиндукции), поток которого на холостом ходу полностью замыкается по магнитопроводу. Основной магнитный поток сцеплен почти со всеми витками первичной и вторичной обмоток трансформатора.
2. Поле рассеяния, поток которого замыкается частично по магнитопроводу, а частично вне магнитопровода по маслу и конструктивным частям. Поток рассеяния сцеплен только с витками первичной обиотки.
Основной магнитный поток (поток взаимоиндукции) участвует в преобразовании энергии в трансформаторе. Этот поток замыкается по магнитопроводу из ферромагнитного материала и величина потока согласно закону Ома для магнитной цепи:
, (1.3)
где магнитное сопротивление магнитопровода. Магнитное сопротивление зависит от длины магнитной линии потока , от площади магнитопровода, пронизываемой этим потоком и от магнитной проницаемости материала по которому замыкается поток . Магнитная проницаемость электротехнических сталей составляет Гн/м. Магнитная проницаемость вакуума (воздуха) Гн/м.
Магнитный поток рассеяния создает лишь потери энергии в трансформаторе.
Основной магнитный поток в соответствии с законом электромагнитной индукции наведет в первичной обмотке ЭДС самоиндукции:
, (1.4)
во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции:
. (1.5)
В выражениях (1.4) и (1.5) индуктивность первичной обмотки, взаимная индуктивность первичной и вторичной обмоток.
Уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора для режима холостого хода согласно второму закону Кирхгофа:
, (1.6)
, (1.7)
где полное сопротивление первичной обмотки; активное (омическое) сопротивление первичной обмотки; индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния.
Т.е. напряжение , подведенное к первичной обмотке, уравновешивается наведенной ЭДС и падением напряжения на полном сопротивлении первичной обмотки . По вторичной обмотке ток не протекает, поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наведенной ЭДС .
Отношения мгновенных и действующих значений ЭДС в обмотках определяются выражением:
. (1.8)
Падением напряжения на сопротивлениях первичной обмотки можно пренебречь, т.к. оно не превышает 3…5 % от номинального значения. Тогда выражение (1.8) перепишем в виде:
(1.9)
Следовательно, подбирая число витков и при заданном напряжении получаем требуемое напряжение :
(1.10)
Если необходимо повысить вторичное напряжение , то число витков берут больше , и такой трансформатор называют повышающим.
Если необходимо понизить вторичное напряжение , то число витков берут меньше , , такой трансформатор называют понижающим.
В режиме холостого хода трансформатор возбужден, т.е. в магнитопроводе замыкается переменный магнитный поток, наводящий в обмотках трансформатора ЭДС.
При подключении к вторичной обмотке возбужденного трансформатора сопротивления нагрузки (рис. 1.3) по обмотке потечет ток и создаст МДС:
. (1.11)
МДС возбуждает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток , направленный встречно потоку , который создавался первичной обмоткой в режиме холостого хода:
. (1.12)
Результирующий магнитный поток уменьшается, при этом ЭДС так же уменьшается и не уравновешивает напряжение , подведенное к первичной обмотке. Равенство не выполняется. Потребляемый первичной обмоткой ток увеличивается по сравнению с режимом холостого хода . Увеличенный ток первичной обмотки создаст МДС:
. (1.13)
Эта МДС больше, МДС холостого хода и возбуждает больший магнитный поток . Увеличенный магнитный поток компенсирует размагничивающее действие потока . Поэтому результирующий магнитный поток при нагрузке трансформатора не изменится:
. (1.14)
В дальнейшем знак «– » перед потоком будем опускать, имея ввиду, что поток всегда направлен встречно потоку .
Таким образом, при нагрузке магнитное поле трансформатора создается совместным действием МДС первичной и вторичной обмоток, сумма которых равна МДС, создаваемой первичной обмоткой при холостом ходе :
. (1.15)
Неизменность магнитного потока трансформатора при переходе от режима холостого хода к режиму нагрузки является важнейшим свойством трансформатора.
Уравнения напряжений первичной и вторичной обмоток для нагруженного трансформатора согласно второму закону Кирхгофа:
, (1.16)
, (1.17)
где полное сопротивление первичной обмотки; активное (омическое) сопротивление вторичной обмотки; индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки, обусловленное потоком рассеяния.
Коэффициент полезного действия современных трансформаторов составляет 97 – 99 %. Поэтому мощность первичной и вторичной обмоток трансформатора приблизительно одинакова (реальная мощность во вторичной обмотке несколько уменьшается из-за наличия внутренних потерь энергии):
, (1.18)
где полная мощность первичной обмотки; полная мощность вторичной обмотки. Следовательно, токи в обмотках трансформируются обратно пропорционально напряжению обмоток:
. (1.19)
Из (1.19) видно, что при увеличении вторичного напряжения в раз по сравнению с первичным напряжением ток во вторичной обмотке уменьшится соответственно в раз.
Коэффициент - называют коэффициент трансформации. Согласно ГОСТ коэффициент трансформации определяется как отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков):
(1.20)
В практике эксплуатации трансформаторов коэффициент трансформации определяется как отношение номинальных напряжений, отношение ЭДС, чисел витков, обратное отношение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора:
(1.21)
Работа трансформатора возможна только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к сети постоянного тока с напряжением , то в его магнитопроводе образуется постоянный не меняющийся во времени, по величине и направлению магнитный поток . ЭДС и в обмотках трансформатора не индуцируются так, как нет изменения потокосцепления (производная от постоянного числа равна 0):
(1.22)
(1.23)
Следовательно, электрическая энергия из первичной обмотки во вторичную не передается. Такой режим является аварийным режимом работы трансформатора, так как напряжение постоянного тока уравновешивается только падением напряжения на омическом сопротивлении первичной обмотки:
(1.24)
Соответственно ток в первичной обмотке в десятки раз превышает номинальное значение:
. (1.25)
Трансформаторы в устройствах автоматики и радио электроники служат так же для преобразования нагрузочного сопротивления и позволяют изменить сопротивление в раз.
Если к источнику переменного тока через трансформатор подключить сопротивление , то для цепи источника величина сопротивления определяется:
, (1.26)
где потребляемая трансформатором от источника мощность; мощность, потребляемая сопротивлением от трансформатора.
Это свойство трансформатора используют для согласования сопротивлений нагрузки с внутренним сопротивлением источников электрической энергии.
1.3 Виды трансформаторов и магнитопроводов (Тема 5)
Трансформатор с одной первичной и с одной вторичной обмотками в
одной фазе называется двухобмоточным. Кроме двухобмоточных трансформаторов применяются многообмоточные трансформаторы с одной первичной и несколькими вторичными обмотками (до 10 – 15 обмоток в трансформаторах радиотехники). Многообмоточные силовые трансформаторы обычно выпускаются трехобмоточными (одна обмотка первичная две обмотки вторичные). Наибольшее распространение получили двухобмоточные силовые трансформаторы.
По числу фаз чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.
Силовые трансформаторы, служащие для преобразования энергии в электрических сетях переменного тока на электростанциях, подстанциях, промышленных предприятиях, в городских сетях, сельском хозяйстве являются наиболее распространенным и важным классом трансформаторов. Кроме силовых трансформаторов существует целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные и другие.
Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих главах вопросы теории рассматриваются применительно к силовым трансформаторам.
По конструкции магнитопроводы трансформаторов подразделяются на стержневые и броневые.
В стержневых магнитопроводах (рис. 1.4, а, б)ярма соединяют разные стержни по их торцам. На каждом стержне есть обмотки в виде концентрических цилиндров. При мощности до 100000 кВ∙А наибольшее распространение получили плоские стержневые магнитные системы. Ярма и стержни в таких трансформаторах расположены в одной плоскости. Трехфазные стержневые магнитопроводы (рис. 1.4, б) магнитно несимметричны так как длина магнитопровода для средней фазы несколько меньше, чем для крайних фаз. Вследствие этого ток в обмотках среднего стержня несколько меньше, чем в обмотках крайних стержней.
Магнито симметричные стержневые пространственные магнитопроводы широко с осями стержней и ярм в разных плоскостях применяют в трансформаторах мощностью до 6300 кВ∙.
В броневых магнитопроводах (рис. 1.5) боковые ярма соединяют концы стержней и «обхватывают» обмотки. Магнитный поток в ярмах однофазной магнитной системы вдвое меньше, чем в стержне, что позволяет уменьшить в два раза площадь сечения ярма относительно стержня. В трехфазных броневых трансформаторах для выполнения этих соотношений у обмоток средней фазы изменяют маркировку концов или направление намотки относительно других фаз. В противном случае увеличатся в магнитные потоки в общих частях ярма между окнами магнитопровода. Соответственно придется в увеличивать сечения ярма на этих участках, что приведет к увеличению массы, габаритов стоимости всего магнитопровода и трансформатора.
Броневые магнитопроводы применяют в однофазных трансформаторах малой мощности. Трехфазный броневой трансформатор можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленных друг на друга или рядом с другом. Трехфазные силовые трансформаторы с броневым магнитопроводом в России не производят. Такие трансформаторы производят некоторые иностранные фирмы.
В трансформаторах мощностью более 100000 кВА, высота которых ограничена условиями транспортировки по железным дорогам, применяют плоский стержневой магнитопровод с разветвленными ярмами. Такой магнитопровод называют бронестержневым Для него характерно, что в однофазной конструкции (рис. 1.5, в) каждый стержень имеет одно боковое ярмо и поток ярма равен половине потока стержня, а в трехфазной конструкции (рис. 1.5 г) только два стержня из трех имеют боковые ярма и поток ярма меньше потока стержня в раз. За счет применения боковых ярм в бронестержневом трансформаторе по сравнению со стержневым высота торцевых ярм в однофазной конструкции может быть уменьшена в 2 раза, а в трехфазной – в раз. Вследствие этого уменьшается высота магнитопровода и всего трансформатора.
1.4 Схемы и группы соединения трансформаторов (Тема 5)
Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рис. 1.6, а) которые включаются по отдельности в каждую фазу трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой, или групповым трансформатором. На практике чаще применяют трехфазные стержневые трансформаторы с плоским, реже c пространственным магнитопроводом. Плоский трехстержневой трансформатор (рис. 1.6, б) компактнее и дешевле.
Для силовых трансформаторов ГОСТ устанавливает стандартные обозначения (маркировку) начал и концов (выводов) обмоток и их ответвлений (отводов), приведенные в таблице 1.1.
Чередование фаз принято считать слева направо, если смотреть на трансформатор со стороны отводов ВН. Если обмотка ВН или НН имеет регулировочные ответвления, то их обозначают теми же буквами, что и начало и концы, но с цифровыми индексами 1, 2, 3, 4 и.т.д. В трехфазных трансформаторах обмотки чаще всего соединяют по следующим схемам:
− «звезда» обозначается У (старое обозначение Y);
− «треугольник» обозначается Д (старое обозначение Δ).
В некоторых случаях применяется также соединение обмоток по схеме «зигзаг» (обозначение Z). Зажимы нулевой точки при соединении обмоток в «звезду» или «зигзаг» обозначаются для обмотки ВН− , для обмотки НН− , для обмотки среднего напряжения (СН) − . При этом к буквенным обозначениям схем соединения обмоток добавляют индекс «н» −Ун, Zн. В раннее выпущенной технической литературе можно встретить обозначения −У0 Z0
Таблица 1.1
Обозначения начал и концов обмоток трансформатора
Название обмоток | Однофазные трансформаторы | Трехфазные трансформаторы |
Обмотки высшего напряжения: –начала; ‑концы | , , , , | |
Обмотки низшего напряжения: –начала; ‑концы | , , , , | |
Обмотки среднего напряжения: –начала; ‑концы | , , , , |
Так обозначение Д/Ун показывает, что обмотка ВН трехфазного трансформатора соединена в «треугольник», а обмотка НН в звезду с выведенной нейтралью. При наличии обмотки среднего напряжения обозначение обмотки СН ставят между обозначениями схем соединений обмоток ВН и НН. Для нашего примера - Д/У/Ун . Здесь У – схема соединения обмотки СН.
Фазные токи и напряжения трехфазного трансформатора зависят от схемы соединения обмоток. При соединении обмоток «звездой» фазное напряжение меньше линейного в раз: . А фазный ток равен линейному: . При соединении обмоток «треугольником » фазное и линейное напряжения одинаковы: . А фазный ток раз в меньше линейного: . При соединении обмоток в «зигзаг» соотношения между линейными и фазными токами и напряжения получаются такими же, как и при соединении обмоток звездой. Но при заданном фазном напряжении на 16 % увеличивают число витков по сравнению с числом витков при «звезде». Положительной особенностью соединения обмоток «зигзагом» является отсутствие искажений фазных напряжений трансформатора при несимметричной нагрузке.
Силовые трехфазные двухобмоточные трансформаторы общего назначения выпускаются со следующими схемами соединения обмоток. У/Ун, У/Д, Ун/Д, Z/Ун, и Д/Д. Применение того или иного соединения зависит от ряда причин, таких как работа при несимметричных нагрузках трансформаторов, борьба с перенапряжениями, влияние высших гармоник, которые будут рассмотрены в следующих разделах.
Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами необходимо взаимное направление ЭДС в обмотках ВН и НН (сдвиг фаз). Для определения сдвига фаз вводится понятие группы соединения обмоток трансформатора.
Рассмотрим две обмотки однофазного трансформатора и , размещенные на одном стержне магнитопровода трансформатора и пронизываемые одним магнитным потоком (рис. 1.7, а). Если обмотки имеют одинаковое направление намотки и одинаковое обозначение концов (маркировка), то в рассматриваемый момент времени ЭДС и , наведенные в обмотках ВН и НН совпадают по фазе (одинаково направлены от концов к началам). В этом случае однофазный трансформатор имеет соединение обмоток нулевой группы − 1/1−0. Получить в рассматриваемом трансформаторе соединение обмоток шестой группы 1/1−6 возможно при изменении маркировки концов обмотки .(рис. 1.6, б). Направление наведенной ЭДС по отношению к выводам обмотки изменится станет противоположное. И векторы и будут сдвинуты по фазе на 1800. Аналогичный сдвиг фазы на 1800 можно получить не меняя маркировку концов обмотки , но изменив направление ее намотки (рис. 1.7, в).
Таким образом, фазовый сдвиг между фазными ЭДС обмоток ВН и НН зависит от маркировки концов и от направления намотки.
Фазовый сдвиг между линейными ЭДС обмоток ВН и НН зависит еще и от схем соединения.
Группа соединения обозначается целым числом, получающимся после деления на 300 угла сдвига между линейными ЭДС на одноименных выводах обмоток ВН и НН трансформатора.
В трехфазных трансформаторах cо схемами соединений У, Д, Z возможно получить 12 различных групп. Схемы соединений обмоток У/У, Д/Д, Д/Z образуют четные группы 2, 4, 6, 8, 10, 0, а схемы соединений обмоток У/Д, Д/У, У/Z – нечетные группы 1, 3, 5, 7, 9, 11.
Для определения группы соединения пользуются стрелками часового циферблата (на циферблате 12 цифр, а угол между двумя любыми цифрами кратен 300). Вектор линейной ЭДС обмотки ВН (больший) – это большая минутная стрелка. Вектор линейной ЭДС НН (меньший) – это маленькая часовая стрелка. Алгоритм определения группы следующий:
1.Строят векторную диаграмму линейных ЭДС обмотки ВН.
2. Строят векторную диаграмму линейных ЭДС обмотки НН.
3.Вычерчивают из одной точки линейные векторы ЭДС обмоток ВН и НН на одноименных выводах (например, и ).
4. Далее используют правило часового циферблата. Возможны два варианта:
1 вариант. Производят отсчет угла от минутной стрелки () к часовой () по направлении вращения стрелок. Полученный угол делят на 300. Результат – номер искомой группы.
2 вариант. Одновременно поворачивают минутную и часовую стрелки так, что бы минутная стрелка совпала с цифрой 12 (0), тогда часовая стрелка покажет тот час, которому соответствует данная группа.
В качестве примера на рис. 1.8 показаны схемы соединения обмоток У/У, векторные диаграммы и определение четных 0 и 6 групп. На рис. 1.9 показаны схемы соединения обмоток У/Д, векторные диаграммы и определение нечетных 11 и 5 групп.
При построении векторных диаграмм следует руководствоваться следующим:
− направление намотки всех обмоток одинаковое;
− векторы ЭДС обмоток ВН и НН на одном стержне совпадают по фазе, если в рассматриваемый момент времени ЭДС этих обмоток направлены к одноименным выводам (от конца к началу) (см. рис. 1.6, а).
− векторы ЭДС обмоток ВН и НН на одном стержне сдвинуты по фазе на 1800, если в рассматриваемый момент времени ЭДС этих обмоток направлены к разноименным выводам (см. рис. 1.6, б).
Из всех возможных групп соединения трехфазных двухобмоточных трансформаторов в России стандартизированы согласно ГОСТ 12965−85, только две группы 0 и 11.
В однофазных трансформаторах возможны только две группы соединения: 0 и 6. Стандартизирована только 0 группа.