Силовые трансформаторы - назначение и принцип действия

Трансформатор нужен для преобразования электрической энергии одного напряжения к электрической энергии другого напряжения. Используется для повышения или понижения напряжения. Нет разницы в понижении или повышении, так как трансформатор является обратимой электрической машиной (возможно преобразование электроэнергии как в большую, так и меньшую сторону). Однако производители выпускают их для определенных целей – или повышающим или понижающим трансом.

На электрической станции турбогенератором вырабатывается электроэнергия с генераторным напряжением, например 15кВ, далее она трансформируется повышающими трансформаторами (описываемые элементы обозначены на схеме) до напряжения линии электропередач (например, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 750кВ). Далее по ЛЭП электроэнергия передается к потребителям и снижается через понижающие трансформаторы до величины 10, 6, 0,4кВ.

Зачем передачу электроэнергии делают на высокие напряжения? Это необходимо для снижения потерь электроэнергии, что достигается увеличением напряжения. Какие бывают трансформаторы.

По назначению:

• самыми распространенными являются силовые трансформаторы различных величин полной мощности, предназначенные для передачи и распространения электроэнергии
• существуют силовые трансформаторы специального назначения – сварочные, печные
• трансформаторы тока и напряжения (измерительные и релейные) тоже относятся к трансформаторам
• испытательные трансформаторы – для подачи высокого напряжения для проверки прочности изоляции
• а также радиотрансформаторы, импульсные трансформаторы, пик-трансформаторы

Трансформаторы подразделяются на разные виды в зависимости от числа обмоток на двухобмоточные и многообмоточные (одна первичная и одна или несколько вторичных обмоток).

В зависимости от числа фаз – однофазные, трехфазные, многофазные.

По способу охлаждения – масляные, сухие.

Принцип действия трансформатора

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Возьмем для примера двухобмоточный однофазный трансформатор. К первичной обмотке подключается источник переменного тока. Этот ток протекает по обмотке и создает переменный магнитный поток Ф, который пронизывает обмотки трансформатора и изменяясь наводит в них ЭДС. Так как обмотки имеют различное число витков, то и величина ЭДС будет в них различная.

В повышающих трансах вторичное напряжение будет больше первичного, а в понижающих – наоборот. К вторичной обмотке подключается нагрузка и возникает вторичный ток, созданный индуцируемой магнитным потоком ЭДС. Таким образом, в трансформаторе происходит передача электроэнергии из первичной обмотки с напряжением U1 и током I1 во вторичную обмотку с током I2 и напряжением U2 посредством магнитного потока.

Устройство трехфазного силового трансформатора

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотка. Магнитопровод собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,3-0,5мм. Изоляция листов представляет собой покрытие лаковой пленкой листа стали с обеих сторон. Магнитопровод разделяется на стержни и ярмо. Стержень это вертикальная часть магнитопровода, на которую насаживается обмотка. Ярмо – это горизонтальная часть, которая замыкает магнитный поток.

Трехфазные трансформаторы чаще всего выполняются с тремя стержнями (стержневой тип), на которых располагаются три обмотки. Соединение стержней и ярма бывает двух видов – стыковое и шихтованное. Стыковое соединение – ярмо и стержни крепятся соединительными деталями, при этом удобно снимать обмотки. При шихтованном соединении – ярмо и стержни собираются листами стали внахлест, в этом случае уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода за счет уменьшения воздушного зазора. Также механическая прочность шихтованного соединения выше, чем у стыкового соединения.

Обмотки трансформатора выполняют из медного проводника круглого или квадратного сечения. Изоляцией выступает кабельная бумага или хлопчатобумажная пряжа.

Магнитопровод с баком заземляют, для безопасности на случай обрыва обмотки.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмоткой опускают в бак, залитый маслом. Масло отбирает тепло от обмоток. Характеристики трансформаторного масла выше, чем у воздуха, следовательно, габариты масляного трансформатора и сухого трансформатора одной мощности более выигрышны у масляного трансформатора.

При изменении климатических условий уровень масла может меняться. Происходит это не в баке трансформатора, а в специальном расширителе, который представляет собой сосуд на крышке бака, сообщающимся с ним.

При ненормальных режимах, таких как короткие замыкания, может изменяться давление масла, из-за выделения газов в масле. Для сброса этого давления на трансформаторах используют выхлопную трубу. На верхней части трубы находится стеклянная пластина. При повышении давления пластина разлетается, и давление выходит из трансформатора.

На мощных трансформаторах предусмотрено газовое реле. При повышении давления из-за выброса газов (например, при коротких замыканиях внутри трансформатора) происходит срабатывание реле и идет сигнал на отключение выключателя. После чего трансформатор отключается от сети.

Соединение обмоток с сетью происходит через ввода трансформатора. Они бывают различной конструкции: с главной изоляцией фарфоровой покрышки, конденсаторные проходные изоляторы, с бумажно-масляной, полимерной, элегазовой, маслобарьерной изоляцией.

В трансформаторах встречается возможность изменять число витков обмоток. Для этих целей используются ПБВ (переключатель числа витков без возбуждения) и РПН (регулирование числа витков под нагрузкой).

Включение трансформаторов на параллельную работу

Стоит отличать данный режим (1 на рисунке ниже - трансформаторы подключены к общим шинам как со стороны ВН, так и со стороны НН) от другого, когда подключение к общим шинам есть только с высокой стороны (2 на рисунке, совместная работа), то есть к секции 10кВ подключены два транса, а с низкой стороны каждый из них питает свою секцию 0,4кВ.

Если отключается один из Т (1 на рис.), то на втором происходит перегрузка, но все механизмы остаются в работе. Если же отключается один из трансов (2 на рис.) - то нагрузка либо отключается, либо переходит на резервный источник питания по АВР.

Ну и естественно расчет схем замещения для данных случаев будет разным:

• 1 - складываем // сопротивления двигателей, затем складываем // иксы трансформаторов, а затем последовательно первое со вторым
• 2 - суммируем ветви (двигатель плюс трансформатор), затем полученные иксы складываем параллельно

Далее буду рассматривать только схему под цифрой 1 на рисунке. Для чего же может применятся параллельная работа трансформаторов:

• повышается надежность, так как при выходе из строя одного из трансов, потребитель не лишается энергии.
• резервная мощность параллельно включенных трансформаторов будет больше, чем у одного большого
• при сезонных снижениях нагрузки (зимой больше нагрузки, летом меньше) возможно отключение одного из нескольких. При этом будет обеспечен более экономичный режим работы, так как уменьшаться потери холостого хода

Все плюсы улетучиваются, если установлено два транса по причине нехватки мощности одного из-за роста нагрузки например.

Условия параллельной работы:

• Равенство номинальных напряжений первичных и вторичных обмоток. Следовательно и одинаковое число витков первичных и вторичных обмоток для всех параллельно работающих трансформаторов. Так же перед включением необходимо проверять положения ПБВ и РПН. Если всё подобрано правильно то не должны возникать уравнительные токи. Они возникают из-за неравенства коэффициентов трансформации и текут даже в режиме холостого хода. Воспользовавшись схемой аналогичной схеме замещения ТТ, можно вывести формулу уравнительного тока:

В данной формуле U', U"; I', I" - напряжения и токи первого и второго;

uk1, uk2 - напряжения короткого замыкания в процентах;

Избавиться от уравнительного тока можно либо переключив устройства регулировки в нужное положение, либо, устроив ремонт, добиться одного числа намотанных витков.

• Равенство напряжений короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания - такое напряжение, которое необходимо подать в одну из обмоток при замкнутой второй, чтобы в обеих тек номинальный ток. Данное условие необходимо выполнять потому, что отношение uk пропорционально распределению нагрузок и токов.
• Принадлежность к одной группе присоединения
• Отношение максимальной мощности к минимальной параллельно работающих трансформаторов должно быть не более 3 к 1. Если отношение мощности будет больше трех, то перегрузка меньшего из Тр может быть больше допустимой и целесообразнее будет вообще его отключить.
• По ГОСТ 11677-85 ни одна из обмоток не должна быть перегружена током больше допустимого для данной обмотки
• Если имеется РПН, то окончание переключения ответвлений должно происходить практически одновременно у всей группы. Трансформаторы с РПН мощностью ниже 1000кВА не предназначены для параллельной работы
• Число параллельно работающих трансформаторов выбирается исходя из условия наименьших суммарных потерь холостого хода и нагрузочных потерь всех машин.

Первичные и вторичные обмотки соединяются параллельно. При отключении одного, на втором Т возникает перегрузка, которая должна быть учтена при отстройке уставки МТЗ.

На // подключенных т мощностью 4 МВА и выше должна устанавливаться ДЗТ. Она производит быстрое и селективное срабатывание, отключая только поврежденное оборудование. В случае с МТЗ, при аварии со стороны НН могут отключиться оба трансформатора за счет равенства выдержек времени.

Для более глубокого погружения в данный вопрос рекомендую прочитать книгу Г.В. Алексенко - Параллельная работа трансформаторов и автотрансформаторов (Трансформаторы, вып. 17) - 1967 года.