Расчет силового трансформатора

1.3.3. 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).

1.4. Требования, предъявляемые к трансформаторам

Силовые трансформаторы должны отвечать ряду технических требований: удовлетворять условиям параллельной работы; не перегреваться выше допустимых пределов; выдерживать превышения напряжения в допустимых пределах и внешние короткие замыкания при обусловленных значениях кратности и длительности тока; обеспечивать регулирование напряжения. Под параллельной работой трансформаторов понимают работу нескольких трансформаторов на общую сеть при параллельном соединении их первичных и вторичных обмоток. Такая работа более экономична, чем раздельная, и создает некоторый резерв мощности. Чтобы трансформаторы могли работать параллельно, они должны отвечать ряду технических требований, основными из которых являются: равенство первичных и вторичных напряжений, а следовательно, и коэффициентов трансформации; равенство напряжений короткого замыкания, одинаковые группы соединения обмоток. Повышение температуры трансформатора и его отдельных частей сверх допустимой приводит к сокращению срока службы, а в отдельных случаях  к аварийному выходу трансформатора из работы. Для обеспечения надежной работы трансформатора в течение срока службы, на который он рассчитан (25 лет), ГОСТ 11677-75 установлены следующие допустимые превышения температуры отдельных его частей над температурой охлаждающей среды, °С:

Для обмоток  – 65 °С. Для магнитной системы (на поверхности) и конструктивных элементов – 75 °С. Для масла (в верхних слоях), если оно полностью защищено от соприкосновения с окружающим воздухом (герметизированные трасформаторы, трансформаторы с защитным устройством) – 60 °С. В остальных случаях – 55 °С.

В сухих  трансформаторах наибольшее превышение температуры обмоток над температурой охлаждающей среды при применении изоляционных материалов классов нагревостойкости А, Е, В, F и Н не должно быть больше соответственно 60, 75, 80, 100, 125° С. Допустимые превышения температуры приняты при условии, что максимальная температура окружающего воздуха не должна превышать 40°С. Если охлаждающей средой служит вода, ее температура у входа в охладитель трансформатора не должна превышать 25° С. Исходя из наибольших допустимых превышений температуры, за наивысшую расчетную температуру обмоток масляных трансформаторов принимают 65° + 40°= 105° С, магнитной системы (на поверхности) – 75°+40°= 115° С, верхних слоев масла – 55° +40°=95° С. Повышение напряжения на зажимах трансформатора до величины, опасной для его изоляции, называют перенапряжением. Перенапряжения делят на внутренние и внешние. К внутренним, или коммутационным,   относят перенапряжения, возникающие при изменении режима работы; трансформатора или, системы, в которой он работает, например при дуговом замыкании на землю, отключении и включении трансформаторов, линий с большой индуктивностью и емкостью и т. д. К внешним относят атмосферные перенапряжения, возникающие в результате действия грозовых разрядов. Если грозовой разряд происходит в непосредственной близости от трансформатора или линии, к которой он подключен, то перенапряжение возникает из-за индуктивного влияния тока и заряда молнии. Такое перенапряжение называют индуктированным. Каждый трансформатор в зависимости от его номинального напряжения и условий работы должен выдерживать  некоторое перенапряжение. Отечественные   трансформаторы   имеют стандартные классы напряжения: 3, 6, 10, 20. 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Величина (уровень) допускаемых перенапряжений на зажимах обмоток трансформатора определяется его классом напряжения. Помимо перенапряжений при изменении режимов работы и особенно при внезапных коротких замыканиях в обмотках трансформаторов возникают токи, которые во много раз превышают рабочие. В момент включения трансформатора в сеть на холостую работу ток может превысить номинальный в 6—8 раз. При прохождении такого тока по обмоткам возникают опасные механические усилия. Между витками в каждой обмотке действуют силы притяжения, так как токи в витках имеют одинаковое направление. Силы F, действующие между концентрически расположенными обмотками разных напряжений, направлены радиально. Так как первичный и вторичный токи в обмотках направлены противоположно, эти силы стремятся оттолкнуть обмотки друг от друга; наружная обмотка будет растягиваться, стремясь разорваться, внутренняя – сжиматься. Кроме радиальных на обмотки действуют осевые силы, которые меньше радиальных, но при аварийных режимах опасны. Одну из обмоток они стремятся разорвать вдоль оси, другую — сжать.

           Известно, что магнитодвижущие силы, а следовательно, механические усилия первичной и вторичной обмоток, должны уравновешивать друг друга. В случае же осевой асимметрии обмоток такое равновесие нарушается /5/.

2. Устройство трансформатора

Полностью собранный однофазный трансформатор мощностью 2500кВА показан на рис. 1. 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

.

Рис. 1. Однофазный трансформатор.

2.1. Остов  и магнитная система трансформаторов

Конструкция, включающая в собранном виде магнитную систему  со всеми деталями, служащими для  ее соединения и крепления обмоток, называется остовом трансформатора. Комплект пластин, изготовленных из электротехнической стали и собранных в определенной геометрической форме, предназначенной для концентрации основного магнитного поля трансформатора, называется магнитной системой трансформатора. Магнитная система состоит из стержней, на которых расположены обмотки, и ярм, замыкающих магнитную цепь. Поверхность пластин покрыта жаростойкой пленкой или лаком, либо сочетанием жаростойкой и лаковой пленок, обеспечивающих изоляцию между ними. По устройству различают броневые, бронестержневые и стержневые магнитные системы. Магнитная система, в которой оба конца каждого стержня соединены двумя (и более) боковыми ярмами, называется броневой. Магнитный поток в такой системе при выходе из стержня разветвляется на две части, поэтому площадь поперечного сечения ярма в два раза меньше площади сечения стержня. Броневую магнитную систему применяют в однофазных трансформаторах: бытовых, специального назначения (некоторых), иногда мощных силовых. Магнитная система, у которой часть стержней имеет боковые ярма или каждый стержень не более чем одно боковое ярмо, называется бронестержневой. Такая конструкция позволяет уменьшить габарит трансформатора по высоте и применяется в однофазных и трехфазных трансформаторах. Магнитная система, в которой ярма соединяют разные стержни и нет боковых ярм, называется стержневой. Такая конструкция получила наибольшее применение в трансформаторах. По способу сборки магнитные системы подразделяются на стыковые и шихтованные. Магнитная система, в которой стержни и ярма, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык, называется стыковой. Стыковые магнитные системы отличаются простотой сборки пластин, но имеют ряд существенных недостатков. В настоящее время их можно встретить только в трансформаторах старых выпусков. В отечественном трансформаторостроении в основном применяет шихтованную магнитную систему, в которой стержни и ярма собирают впереплет. Укороченные   пластины   стержней стыкуют с удлиненными пластинами ярм. Затем, перекрывая стык внахлест, удлиненные пластины стержней стыкуют с укороченными пластинами ярм. Укладывая слой за слоем, набирают магнитную систему до необходимой толщины. Такое сопряжение стержней с ярмами называют шихтовкой с прямым стыкованием пластин. Обычно для ускорения процесса сборки в каждый    слой при шихтовке укладывают не по одной, а по две-три пластины, поэтому сборку называют шихтовкой в две пластины или соответственно шихтовкой в три пластины. При такой сборке нет сплошных стыков, как в стыковой системе, так как места соединений одного слоя  перекрываются пластинами следующего. Шихтовка с косыми стыками усложняет заготовку пластин и затрудняет сборку магнитной системы, поэтому иногда прибегают к некоторым упрощениям: сборку делают с четырьмя косыми (по углам)   и двумя прямыми стыками или   комбинированную – первый слой с косыми стыками, второй – с прямыми. Для трансформаторов I и II габаритов применяют также конструкцию пространственной стыковой магнитной системы с симметричным расположением стержней. Она состоит из двух намотанных из ленточной электротехнической стали ярм треугольной формы, между которыми по углам расположены три стержня ступенчатой формы, собранные из пластин одинаковой длины. Основным достоинством такой магнитной системы является простота конструкции, позволяющая широко механизировать и автоматизировать технологические процессы изготовления; одновременно достигается симметричность магнитной системы. Для трансформаторов I габарита применяют также витую магнитную систему, в которой стержни и ярма образуют цельную конструкцию. Особенность сборки трансформаторов с магнитной системой такого вида заключается в том, что обмотки наматывают непосредственно на стержни. Пластины магнитных систем старых выпусков покрывали с двух сторон изоляционным лаком № 202 или К.Ф-965. В настоящее время заводы используют рулонную трансформаторную сталь с жаропрочным изоляционным покрытием (оксидным и магниево-фосфатным), не требующую дополнительного изолирования лаком. Поперечное сечение стержней и ярм делают многоступенчатым с таким расчетом, чтобы по форме оно было близко к кругу. Ступенчатое сечение получается благодаря применению пластин разной ширины. (Ярма магнитных систем более ранних выпусков имели прямоугольную Т-образную я крестообразную форму сечения.). Для получения монолитной конструкции стержни и ярма магнитных систем стягивают. У трансформаторов мощностью до 630 кВ-А стержни при насадке обмоток временно стягивают струбцинами. Необходимое усилие прессовки стержней после насадки обмоток обеспечивается расклиновкой буковыми стержнями. По способу стяжки магнитные системы делят на шпилечные и бес шпилечные. Шпилечный способ заключается в том, что в пластинах стержней и ярм штамповкой пробивают отверстия, в которые после сборки магнитной системы вставляют сквозные стальные шпильки, изолированные от активной стали и ярмовых балок бумажно-бакелитовыми трубками и изоляционными шайбами (электрокартонными и гетинаксовыми). Такой способ применялся и в магнитных системах, собранных из пластин горячекатаной стали.

2.2. Обмотки трансформаторов

Обмотки масляных силовых трансформаторов III—VIII габаритов выполняют преимущественно из медных обмоточных проводов ПБ, I и II—из алюминиевых АПБ. Для обмоток сухих силовых трансформаторов используют провода ПСД. Толщину изоляции обмоточных проводов принято указывать на обе стороны. Ее выбирают в зависимости от напряжения: для обмоток трансформаторов с напряжением до 35 кВ обычно берут 0,45—0,55 мм (нормальную толщину изоляции), для 110 кВ—1,2—1,35 мм, для более высоких напряжений—1,92—5,76 мм. Толщина изоляции провода ПСД равна 0,27—0,4 мм. Кроме проводов в устройстве обмоток входят изоляционные детали и материалы. Обмотки отличаются друг от друга типом, количеством витков, поперечным сечением и маркой провода, направлением намотки, изоляционными расстояниями и толщиной, витковой изоляции. Чем больше напряжение трансформатора, тем больше количество витков; с увеличением мощности возрастают сечения проводов и размеры  обмоток. Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева в пределах 2,5—4,5 А/мм² в зависимости от мощности и конструктивного исполнения трансформатора. Существуют однослойные и многослойные, дисковые спиральные одинарные катушки, дисковые спиральные парные катушки обмотки намоток. Следует строго различать направление намотки обмоток. Обмотки, намотанные в один слой, — однослойные, независимо от того, какой конец считать началом (верхний или нижний), имеют то направление, какое было получено при намотке. В многослойных обмотках, состоящих из нескольких слоев с переходами из слоя в слой, направление намотки чередуется. У таких обмоток за направление намотки принимают направление того слоя, у которого входной конец принят за начало. Дисковые катушки, имеющие форму плоской спирали, считаются левыми или правыми в зависимости от того, какой конец выбран началом – внутренний или наружный. Для придания обмоткам большей механической прочности и повышения влагостойкости их сушат, затем пропитывают лаком МЛ-92 или ГФ-95 и запекают в термошкафах при 100 –110 ⁰С. Усовершенствование конструкции обмоток,  технологии их изготовления и установки на магнитной системе при сборке трансформаторов позволяет отказаться от пропитки и запекания. Это значительно удешевляет изготовление  обмоток  и  освобождает  производственную площадь. Обмотка, сечение витка которой состоит из одного или нескольких параллельных проводов, а сами витки расположены в один ряд (слой) без интервалов на цилиндрической поверхности в ее осевом направлении, называется простой цилиндрической обмоткой, ее часто называют также однослойной. У однослойной обмотки начало и конец находятся на противоположных торцах. Витки идут по наклонной линии, поэтому для придания торцам обмоток горизонтальной опорной поверхности к крайним виткам киперной лентой прикрепляют выравнивающие разрезные кольца. Кольца вырезают из бумажно-бакелитового цилиндра или свертывают в кольцо клин, состоящий из нескольких слоев электрокартона. Обмотка, состоящая из двух концентрически расположенных простых цилиндрических обмоток (слоев), называется двухслойной цилиндрической обмоткой. Как и в однослойной обмотке, витки каждого слоя уложены по винтовой линии, плотно прилегают друг к  другу и состоят из одного или нескольких параллельных проводов. Многослойную цилиндрическую обмотку наматывают проводом круглого сечения марок ПБ или АПБ (за исключением алюминиевых обмоток напряжением 6 кВ и ниже для трансформаторов мощностью от 400 кВА и выше, которые обычно наматывают прямоугольным проводом АПБ). Остовом обмотки служит бумажно-бакелитовый цилиндр, па котором намотан первый слой обмотки, а последующие – на бумажных цилиндрах, состоящих из нескольких слоев кабельной бумаги, служащей межслоевой изоляцией.

2.3. Переключающие устройства

Напряжение  силовых трансформаторов регулируют изменением числа витков в обмотках переключением регулировочных ответвлений в зависимости от мощности, напряжения и схемы обмоток трансформатора применяют переключающие устройства различных конструкций и типов. Переключающие устройства, предназначенные для переключения ответвлений обмотки одной фазы, называют однофазными. Если переключение ответвлений трехфазного трансформатора осуществляется одним переключающим устройством, его называют трехфазным. Основными конструктивными частями переключающего устройства без возбуждения ПБВ являются: переключатель ответвлений, представляющий собой систему неподвижных контактов, к которым подключены регулировочные ответвления обмоток, и подвижных контактов, соединяющих в одну цепь соответствующие неподвижные контакты; привод, с помощью которого переключатель приводится в действие; остов, на котором собраны и закреплены части переключателя. Устройства ЛБВ в соответствии с конструктивным исполнением имеют следующие буквенные обозначения: П и ПТ — однофазные и трехфазные барабанного типа с кольцевым контактом; ПС и ПТС — то же, с сегментным контактом; ПЛ, ПТЛ и ПР, ПТР — то же, с ламельным контактом. При размещении нескольких устройств на одном валу (рейке) указывают их количество. Для трехфазных устройств ПБВ с соединением фаз в звезду после буквенного обозначения через тире ставят цифру 0, а в конце обозначения — год утверждения технического проекта на устройство ПБВ. Например, П6-35/160 X 3—73 расшифровывается так: устройство барабанного типа с кольцевым контактом, шестью зажимами, номинальным напряжением 35 кВ и током 160 А, тремя устройствами ПБВ на одном валу. Находящиеся в эксплуатации и выпускаемые в настоящее время отечественными и зарубежными заводами трансформаторы снабжены различными по конструкции переключающими устройствами РПН. Однако все они подразделяются на устройства замедленного Действия с токоограничивающими реакторами и быстродействующие с токоограничивающими резисторами. Устройства РПН в соответствии с конструктивным исполнением имеют следующие буквенные обозначения: РНО и РНТ — однофазные и трехфазные без токоограничивающего резистора; РНОР к РНТР —то же, с токоограничивающим реактором; РНОА и РНТА —то же, с токоограничивающим резистором. Для трехфазных устройств РПН с соединением фаз в звезду после буквенного обозначения через тире ставят цифру 0. Характеристика контактора обозначается буквой после дроби., указывающей напряжение и ток устройства РПН (буква А — контактор с разрывом дуги в воздухе, Г — в газе, В — в вакууме, П—контактор, в котором для переключения без разрыва дуги применяют полупроводники; контактор с разрывом дуги в масле буквы после дроби не имеет) /7/.

2.4. Отводы

           Для соединения концов обмоток между собой и с вводами, подключения регулировочных ответвлений к переключателям и других соединений внутри трансформатора применяют проводники, называемые отводами. Отводы, служащие для соединения обмоток с вводами, называют линейными или основными; соединяющие переключатель с обмотками — регулировочными. Отводы изготовляют из медных и алюминиевых проводников, которые бывают в виде шин, прутков и гибкого провода. В трансформаторах I—III габаритов напряжением до 690. В отводы, как правило, не изолируют. Отводы диаметром до 5,2 мм для напряжений б—35 кВ изолируют кабельной бумагой. При большем диаметре на него надевают бумажно-бакелитовую трубку. В трансформаторах IV—VIII габаритов для отводов напряжением 6—35 кВ применяют гибкий провод ПБОТ. Для напряжения 110 кВ и более отводы изолируют лакотканью и крепированной бумагой. Площадь поперечного сечения отводов выбирают в зависимости от рабочего тока, толщины изоляции и условий охлаждении. Для изолированных отводов допускаемая плотность тока несколько меньше, чем для неизолированных; в среднем 2,5—4,8 А/мм³. Если изолированные отводы закрыты крепежными деталями, допускаемый в них ток уменьшают. При размещении отводов в трансформаторе выдерживают определенные изоляционные расстояния, зависящие от напряжения, толщины изоляции отводов и среды, в которой они находятся (в масле или в воздухе). Основными изоляционными промежутками для отводов являются: расстояние от отводов до ближайшей заземленной части, от отвода до обмотки, между отводами разных напряжений, от регулировочных отводов и переключателей до заземленных частей. Отводы соединяют с обмотками и между собой пайкой, у некоторых трансформаторов применяют болтовые соединения. Для подключения отводов к вводам и переключателям концы отводов загибают в петлю или используют специальные гибкие окончания из набора медных лент. Такие устройства называют компенсаторами или демпферами.

2.4. Вводы 

Для вывода концов обмоток из трансформатора наружу и пoдключения к сети служат вводы — фарфоровые изоляторы, через внутреннюю полость которых проходит токопроводящий стержень. Вводы устанавливают на крышке или, реже, на боковой стенке бака. Внутри трансформатора ввод соединяют с отводами от обмоток, снаружи верхний конец ввода имеет зажим для присоединения к сети. Внешняя конфигурация и размеры вводов зависят oт напряжения, тока и места установки. Вводы для внутренней установки имеют гладкую наружную поверхность и небольшие размеры Вводы для наружной установки, работающие в тяжелых атмосферных условиях (под дождем, снегом, в загрязненном воздухе), отличаются от вводов для внутренней более развитой наружной поверхностью. Благодаря зонтообразным ребрам (юбкам) путь поверхностного разряда по фарфору возрастает, вследствие чего увеличивается электрическая прочность ввода. В настоящее время на всех силовых трансформаторах устанавливают вводы наружной установки. Вводы изготовляют на напряжения: 0,5; 1; 3; 6—10; 20; 35; 110; 220; 330; 500 и 750 кВ. В силовых трансформаторах па напряжения 3 и 6 кВ применяют вводы 10 кВ. Армированные вводы. У армированного ввода фланец, предназначенный для его крепления к крышке трансформатора, и колпак, через который выходит наружу токопроводящий стержень, скреплены с фарфоровым изолятором глетоглицериновой или магнезитовой армировочной замазкой. Армированные вводы трудоемки в изготовлении и при ремонте, а также ненадежны в эксплуатации из-за сравнительно быстрого старения замазки. Для их замены приходится сливать из бака значительную часть масла. На крышке трансформатора должны быть специальные люки; если их нет (трансформаторы I – III габаритов) и крышка скреплена с активной частью, приходится активную часть вынимать из бака. Армированные вводы на напряжение 35 кВ встречаются на трансформаторах старых выпусков. Герметичные вводы. В последние годы получили широкое применение герметичные вводы на напряжения 110 кВ и выше. Основное отличие этих вводов от вводов БМТ заключается в том, что находящееся в них масло герметически изолировано от атмосферного воздуха, они не имеют расширителя и гидравлического затвора. Их внутренняя изоляция вместе с остовом помещена в фарфоровые покрышки, заполненные дегазированным трансформаторным маслом, находящимся под давлением.