Назначение трансформаторов

Винтовую параллельную обмотку  используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки  наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу  в радиальном направлении. Между  отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода  охлаждающей жидкости.

 

 

Рисунок 7 – Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки

 

Полностью собранный однофазный трансформатор мощностью 2500 кВА показан на рис. 8. На баке 1 трансформатора установлен термосифонный фильтр 2 с патрубком 3 и плоским краном 22. Приводной механизм 4 устройства РПН связан вертикальным валом 6 (с муфтой 5) с контакторами, закрытыми кожухом 7. Кожух контакторов имеет свой маслоуказатель 9 со стеклянной пластиной и реле давления 8. На крышке 10 кожуха контакторов находится пробка 11 для выхода воздуха. Расширитель 12 со стенкой 16 снабжен воздухоосушителем, патрубок 13 которого виден на рисунке. Предохранительная труба 14 связана газоотводным патрубком 15 с расширителем, на съемной боковой стенке которого установлен маслоуказатель 17 со стеклянной трубкой. На крышке трансформатора размещены вводы высшего 19 и низшего 18 напряжений. Для подъема крышки с активной частью служат кольца 20, для подъема полностью собранного трансформатора - крюки 21. Охлаждение трансформатора  естественное масляное, осуществляется с помощью прямотрубных радиаторов 25, укрепленных на патрубках 23. Для повышения механической прочности радиаторов при транспортировании служат специальные угольники 24, с пластинами, связывающие радиаторы.

 

 

 

Рисунок 8 – Однофазный трансформатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРА

 

Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток, поступающий на первичную обмотку, создает в магнитопроводе магнитный поток.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной  обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки w2 к числу витков первичной обмотки w1: U2=U1w2/w1.

При подключении вторичной  обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт  магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной  обмоткой. В результате, в первичной  обмотке нарушается компенсация  ЭДС индукции и ЭДС источника  питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех  пор, пока магнитный поток не достигнет  практически прежнего значения. В  этом режиме отношение токов первичной  и вторичной обмотки равно  обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.

Схематично, выше сказанное  можно изобразить следующим образом:

 

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

 

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной  обмотке на 90°. ЭДС во вторичной  обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.

 

1.4 ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

 

1.4.1 Холостой ход, токи и потери холостого хода

 

Если к зажимам одной  из обмоток трансформатора подведено  переменное номинальное напряжение, а другие обмотки не замкнуты на внешние цепи, такой режим работы называется режимом холостого хода трансформатора. Ток, проходящий в обмотке  трансформатора при холостом ходе, называется током холостого хода. Для трансформаторов малой мощности он составляет 2—3,5% номинального, для мощных 0,5-1,5%. Потребляемая при холостом ходе трансформатора активная мощность тратится на тепловые потери в магнитной системе и частично в первичной обмотке. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора. В активном сопротивлении обмоток при холостом ходе потери незначительны из-за малого тока, поэтому ими пренебрегают, считая, что мощность, потребляемая трансформатором, расходуется только на потери в стали магнитной системы. Эти потери вызваны периодическим перемагничиванисм (гистерезисом) стали и, вихревыми токами. Перемагничивание связано с выделением тепла и, как любой другой вид работы, требует затраты энергии. Магнитная система находится в переменном магнитном поле, поэтому согласно закону электромагнитной индукции в ней индуктируются токи, которые проходят в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и называются вихревыми. Чем толще пластины, из которых собрана магнитная система, и меньше их удельное электрическое сопротивление, тем больше вихревые токи. Вихревые токи являются паразитными, так как, замыкаясь в стали магнитной системы, они нагревают ее и вызывают бесполезные потери энергии. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитную систему трансформаторов собирают из тонких пластин, изготовленных из специальной стали и изолированных друг от друга.

 

1.4.2 Короткое замыкание. Напряжение и потери короткого замыкания

 

Коротким замыканием трансформатора называют режим работы, при котором  одна из обмоток замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в  обмотках возникают токи короткого  замыкания, в 5—20 раз (и более) превышающие  поминальные. При этом резко повышается температура обмоток и в них  возникают большие механические усилия. Такое замыкание является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды. Если замкнуть накоротко одну из обмоток трансформатора, а к другой подвести пониженное напряжение и постепенно его повышать, то при определенном значении напряжения Uк.з., называемом напряжением короткого замыкания, в обмотках будут проходить токи, равные номинальным. Напряжение короткого замыкания является одной из важных характеристик трансформатора и выражается в процентах номинального напряжения:

Uк.з.=Uк.з./Uн*100

где Uк.з. — напряжение короткого  замыкания, %; Uк.з. — напряжение короткого  замыкания, В; Uн — номинальное  напряжение обмотки трансформатора, В. Равенство напряжений короткого  замыкания транс-форматоров — одно из условий их параллельной работы. Напряжение Uк.з. указывают в табличке каждого трансформатора. Его величина определена стандартами в зависимости от типа и мощности трансформатора: для силовых трансформаторов малой и средней мощности она составляет 5 –7%, для мощных трансформаторов 6 – 17% и более. При опыте короткого замыкания в магнитной системе создается незначительное магнитное поле, обусловленное малым подведенным напряжением. Кроме того, проходящие по первичной и вторичной обмоткам номинальные токи создают поле рассеяния, замыкающееся через воздух и металлические детали трансформатора. Поле рассеяния создает индуктивное сопротивление, которое при коротком замыкании ограничивает ток в обмотках, предохраняя их от чрезмерного нагрева и разрушения. Падение напряжения в индуктивном сопротивлении обмоток в основном определяет значение напряжения короткого замыкания трансформатора. Чем выше Uк.з., тем меньше опасность разрушения обмоток при аварийных коротких замыканиях. Однако величину Uк.з. ограничивают до определенного значения, в противном случае, создавая значительное индуктивное сопротивление, поля рассеяния вызовут недопустимо большое реактивное падение напряжения во вторичной обмотке, в результате чего снизятся вторичное напряжение и соответственно мощность, полу­чаемая приемником электроэнергии. Кроме того, поля рассеяния, замыкаясь через металлические детали, вызывают в них добавочные потери от вихревых токов и перемагничивания, снижая КПД трансформатора. Поля рассеяния ограничивают до оптимальной величины, размещая первичную и вторичную обмотки на одном стержне концентрически, (чем ближе обмотки друг к другу, тем меньше поле рассеяния). При опыте короткого замыкания напряжение Uк.з, подводимое к трансформатору, в зависимости от его типа в 5—20 раз меньше номинального. В этом случае магнитное поле, замыкающееся через магнитную систему, составляет не более 5% основного. Поэтому потерями в стали пренебрегают, считая, что мощность Рк.з., потребляемая трансформатором при коротком замыкании, полностью расходуется на потери в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и на добавочные потери от полей рассеяния в стальных деталях трансформатора (стенках бака, ярмовых балках и др.). Токи и потери при опыте короткого замыкания, по величине такие же, как и при номинальной нагрузке трансформатора, поэтому их часто называют нагрузочными потерями (они нормируются стандартом).

 

1.4.3 КПД трансформатора

 

При работе трансформатора под нагрузкой происходят потери энергии в стали и обмотках (нагрузочные и холостого хода). Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно  определить его КПД в процентах.

n=P2/(P2+Pк.з.+Pх)*100;

где P2 – мощность,   выдаваемая   трансформатором   в сеть,   кВт;  Рк.з. – потери короткого замыкания  (нагрузочные), кВт; Рх – потери холостого хода, кВт. Трансформаторы имеют   сравнительно    высокий    КПД    (98,5— 99,3% и более).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 РЕМОНТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

 

При текущем ремонте трансформаторов  производят наружный осмотр трансформатора и всей арматуры: спуск грязи из расширителя; доливку масла (в случае необходимости); проверку маслоуказательных устройств, спускного крана и уплотнений, пробивных предохранителей у трансформаторов с незаземленным нулем с низкой стороны, рабочего и защитного заземления, сопротивление изоляции обмоток, испытание трансформаторного масла, проверку газовой защиты.

При капитальном ремонте  трансформаторов производят вскрытие трансформатора; подъем сердечника и осмотр его; ремонт выемной части (стали, обмотки, переключателей, отводов); ремонт очистительных устройств; чистку и окраску кожуха; проверку контрольно-измерительных приборов, сигнальных и защитных устройств; очистку и замену масла; сушку изоляции; сборку трансформатора, проведение установленных измерений и испытаний.

 

Таблица 1 – Характерные повреждения трансформаторов

 

Элементы трансформатора	Повреждение	Возможные причины
Обмотки	Межвитковое замыкание	Естественное старение и  износ изоляции; систематические  перегрузки трансформатора; динамические усилия при сквозных коротких замыканиях
	Замыкание на корпус (пробой); междуфазное замыкание	Старение изоляции, увлажнение масла и понижение его уровня; внутренние и внешние перенапряжения; деформация обмоток вследствие динамических нагрузок при коротких замыканиях
	Обрыв цепи	Отгорание отводов обмотки  в результате низкого качества соединения или электродинамических нагрузок при коротких замыканиях
Переключатели напряжения	Отсутствие контакта	Нарушение регулировки переключающего устройства
	Оплавление контактной поверхности	Термическое воздействие  сверхтоков на контакт
	Перекрытие на корпус	Трещины в изоляторах; понижение  уровня масла в трансформаторе при  одновременном загрязнении внутренней поверхности изолятора
	Перекрытие между вводами  отдельных фаз	Повреждение изоляции отводов  к вводам или переключателю
Магнитопровод	Увеличение тока холостого  хода	Ослабление шихтованного пакета магнитопровода
	«Пожар стали»	Нарушение изоляции между  отдельными пластинами стали или  изоляции стяжных болтов; слабая прессовка  пластин; образование короткозамкнутого  контура при повреждении изоляционных прокладок между ярмом и магнитопроводом; образование короткозамкнутого  контура при выполнении заземления магнитопровода со стороны вдов обмоток  ВН и НН
Бак и арматура	Течь масла из сварных  швов, кранов и фланцевых соединений	Нарушение сварного шва от механических или температурных  воздействий; плохо притерта пробка крана; повреждена прокладка под  фланцем

 

1.5.1 Осмотр и дефектация

 

Возможные неисправности  силовых трансформаторов приведены  в табл. 1. При наличии технической документации дефектация сводится к осмотру и определения состояния и комплектности трансформатора, уточнению условий и возможностей ремонта трансформатора на месте. При отсутствии технической документации осмотр и дефектацию производят в полном объеме с выполнением необходимых замеров и испытаний. Результаты заносят в специальную ведомость дефектов.

 

Таблица 2 – Ремонт обмоток силовых трансформаторов

 

Операция	Ремонтные работы	Пояснение
Устранение: Поверхностных пов-реждений небольших участков витковой изоляции	Поврежденную витковую изоля-цию восстанавливают путем нало-жения на оголенный провод витка слоя маслостойкой лакоткани ЛСХМ в полуперекрышу	Эти дефекты устраняют  без демонтажа обмоток
Ослабления прессов-ки обмоток	Обмотки, не имеющие прессую-щих колец, подпрессовывают	По всей окружности обмотки  между уравнительной и ярмовой  изоляциями забивают дополнительные прокладки  из прессованного электрокартона
Незначительной де-формации отдельных секций
Повреждение изоляции отвода	Изоляцию отвода восстанавли-вают путем наложения на поврежденный участок двух слоев лакоткани шириной 25-30 мм
Ремонт изоляции об-моток с использо-ванием провода пов-режденной катушки	Поврежденную изоляцию удаляют  обжигом в печи при температуре 450-500 °С. Витки изолируют кабельной бумагой или тафтяной лентой в два слоя с перекрытием	Изолированной придают нуж-ный размер путем подпрессов-ки. Изготовленную катушку высушивают, пропитывают лаком ГФ-95 и запекают при температуре 100 °С в течение 8-12 ч.
Изготовление новой обмотки  в зависи-мости от ее типа	Для этой операции применяют  обмоточные станции с ручным или  моторным приводом. Катушку наматывают на шаблоне	На шаблон перед намоткой повода накладывают слой электротехнического  картона толщиной 0.5 мм, предохра-няющего витки первого слоя от сдвига при снятии катушки
Изготовление цилинд-рической обмотки НН на провода прямо-угольного профиля	При намотке однослойной  катушки витки закрепляют с помощью  бандажа из киперной ленты. При намотке  много-слойных катушек бандажирование не делают	При переходе из  одного слоя в другой в местах перхода про-кладывают полоску персшпана на 4-5 мм больше ширины витка для предохранения изоляции крайних витков
Изготовление много-слойной обмотки НН из круглого провода	Каждый слой обматывают кабельной  бумагой, которой покрывают все  витки и пояски, уложенные в  торцах шаблона	Поясок изготавливают  в виде полоски из электро-технического картона толщи-ной, равной диаметру провода. Сам поясок схватывают бумагой шириной 25мм и укладывают в торце шаблона
Соединение обмоток	Провода сечением до 40 мм2 соединяют пайкой паяльником, большого сечения – специаль-ными клещами. Припой фосфористая бронза диаметром 3-4 мм или серебряный припои ПСр-45, ПСр-70	При пайке проводов при-меняют флюс-канифоль или флюспорошкообразную буру
Пропитка и сушка обмоток	Обмотки опускают в глифталевый  лак и выдерживают до полного  выхода пузырьков воздуха, затем  поднимают, дают стечь излишкам лака (15-20 мин) и помещают в печь для  запекания	Сушка считается законченной, когда лак образует твердую блестящую  и эластичную пленку