Что такое обмотка трансформатора: принципы работы, задачи, возможности

Для транспорта электрической энергии на значительное расстояние, уменьшения технических потерь используются высоковольтные силовые трансформаторы (СТ). Они работают на принципе трансформации, преобразуя электрическую энергию 1 параметра в другую размерность путём электромагнитной индукции. С этой целью электрическая энергия, полученная со щёточного устройства генераторов по шинам подаётся в трансформаторы для повышения и дальнейшей передачи.

Силовой трансформатор 500 МВА

Конструкция

Силовые трансформаторы делаются масляными, сухими. Высоковольтный аппарат представляет собой сложное инженерное оборудование.

В аппарат входит:

• Станина установки.
• Прямоугольный масляный бак.
• Термосифонный фильтр.
• Магнитопроводы.
• Обмотки низкого потенциала (2-слойная цилиндрическая).
• Обмотки высокой амплитуды.
• Вводные проходные изоляторы 2 классов амплитуды.
• Расширительная ёмкость.
• Газовое реле.
• Переключающее устройство РПН.
• Моторный привод.
• Радиаторы с вентиляторами, охладителями.
• Привод переключающего устройства.
• Запорная арматура по маслу, воде, газу.

По количеству фаз трансформаторы выпускают: однофазные, трёхфазные.

Изоляция

Обмотки силового трансформатора изолируются от других обмоток и заземленных частей.

Такая изоляция называется главной, помимо которой существует еще и продольная, представляющая собой изоляцию между отдельными компонентами конструкции обмотки – витками, слоями, катушками и так далее. Ее проводят еще в процессе изготовления. Главная же устанавливается при сборке.

От верхнего и нижнего ярм проводят изоляцию обмоток с помощью масляных каналов и барьеров, которые образуются ярмовой изоляцией, что перекрывает поверхность ярма, которая обращена в сторону обмоток. При ее проведении барьер с прикрепленными прокладками из прессованного электрокартона создает необходимые масляные промежутки.

Принцип работы

Работа СТ осуществляется на законах электротехники. СТ ничем не отличаются от обыкновенного трансформатора. Проходящий в первичной обмотке ток изменяется во временном диапазоне гармониками. Он создаёт в магнитопроводах мощный поток магнитных полей. Индукция проникает сквозь витки вторичной обмотки, создаётся электродвижущая сила.

Принцип работы трансформатора

Съём нагрузок происходит с проходных изоляторов вторичной обмотки на крыше трансформатора. Параметры тока вторичной обмотки держат не выше расчётной величины. В таком состоянии силовые установки работают месяцами, продолжительное время. Преобразуется 1 потенциал амплитуды низкого потенциала (6 – 10 кВ) электричества в высокий класс амплитуды (35, 110, 220, 500, 1100 кВ).

В рабочем режиме СТ подключён шинами РУ, линией электропередачи на нагрузку потребителей энергии. Без отбора мощности происходит повышение частоты электрического тока. СТ работающие в группе разгружены, близки к режимам работы на холостом ходу. При отборе мощности потребителями уменьшается частота электрического тока, трансформатор грузится на 100 – 140% мощность. При стабилизации частоты 50 + (0,5-1%) силовые установки переводятся на стабильный номинальный режим работы. В период испытаний он кратковременно включается на режимы коротких замыканий. Проверяются 99,99% электрических характеристик агрегата, проводится наладка режимов его работы.

Также читайте: Что такое высоковольтный выключатель

Режим короткого замыкания

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

• U1 и U2 – ВН и НН напряжения,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Теория

Электрический ток, как электро движущая сила <�э.

д.

с.>, возможен только при наличии переменного (меняющегося) магнитного поля (скорость изменения магнитного поля определяется частотой питающего тока). В простейшем электрогенераторе переменного тока, где якорь возбуждения имеет ряд (по окружности) постоянных магнитов с чередующейся полярностью . По этому число магнитов на якоре всегда чётное, для возбуждения обмоток магнитное поле снимается минимум в двух точках обязательно на разных полюсах якоря.

Основное назначение

Промышленный СТ производят на крупных электротехнических заводах страны. Промышленность выпускает установки мощностью свыше 1 млн. кВА. Амплитуда классов промышленных напряжений достигает 1,15 – 1,5 мегавольт. СТ с генераторов ТЭС снимает со щёточных аппаратов ток амплитудой до 24 кВ. Дальнейшее повышение амплитуды происходит в СТ до классов: 110 – 1150 кВ. По территории России ЛЭП работают амплитудой: 10 – 1050 кВ. Потребителям по ВЛ понижающими устройствами ток подаётся амплитудой: 0,4 -10 кВ промышленного назначения, 220 – 380 В сферы ЖКХ, населению МКД, частных секторов.

Схема передачи электроэнергии

В сетях подстанций происходит многократного цикла трансформация электричества. Она меняется регулярно мощными СТ. Их потенциал, амплитуды в 30 раз выше, снятой со щёточных аппаратов генераторов ТЭС, ГЭС, АЭС, ВЭС. Промышленный СТ поддерживает постоянной частоту тока 50 (+/- 1%) Гц. Предел отклонения по ПУЭ держат 1% по причине выхода из строя всех установок потребителей. СТ промышленного применения делают 3-фазного исполнения. Для 1-фазной сети производят 1-фазные устройства.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня.

Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при Sст≤ 335 кВ×А, Iст≤ 45 А и Uл. н≤ 35 кВ.

Рисунок 4. Двухслойная цилиндрическая обмоткаРисунок 5. Винтовая обмотка

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки, для увеличения схемы нажмите на неё

Для увеличения таблицы нажмите на неё

По числу и схеме соединения обмотки

СТ состоят из 2 или нескольких обмоток. Они индуктивно связаны внутри аппарата. Передающие силовые обмотки электрическую мощность потребителям, называют вторичной обмоткой. Многофазного типа силовая установка обмотками соединяется в звезду многими лучами. 3-фазные трансформаторы соединяются 3-лучевой схемой звезды, треугольник.

Виды обмоток и их особенности

Однослойная или многослойная цилиндрическая обмотка образуется при намотке одного или несколько слоев провода круглого или прямоугольного сечения. Наиболее простой является однослойная обмотка из прямоугольного провода. Слой обмотки составляют витки, наматываемые по винтовой линии на бумажно-бакелитовый цилиндр.

Каждый виток в слое укладывается вплотную к предыдущему в осевом направлении обмотки. Витки цилиндрической обмотки состоят из одного или нескольких параллельных проводов, располагаемых рядом и имеющих одинаковое положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Обычно обмотку из прямоугольного провода наматывают плашмя, но при необходимости возможна намотка и на ребро.

Винтовая или спиральная обмотка состоит из витков, которые наматываются по винтовой линии с расположенными между ними каналами. Для примера, первичная обмотка силового трансформатора для питания цепей радиоприемника будет иметь 1200 витков. Каждый такой виток состоит либо из одного (в редких случаях) провода, либо из нескольких одинаковых проводов прямоугольного сечения.

Второй вариант распространен больше. В этом случае одинаковые провода располагаются друг к другу в радиальном направлении плашмя. Такая обмотка может быть одноходовой или многоходовой.

Учитывайте сопротивление обмоток силового трансформатора, при котором эксплуатация крайне не рекомендована.

Как выбрать

Показатели характерные СТ для строительства, монтажа ТЭС, ГЭС, АЭС, ДЭС являются: мощность, надёжность электрического питания. По отдельным категориям потребителей электричества важным фактором является надёжность электроснабжения. При подборе устройств уделяют внимание защите ЛЭП. Высокая степень финансовой эффективности СТ – проектирование оптимальной сети распределительных устройств: ОРУ, ЗРУ, ВРУ по передаче электроэнергии.

К затратам покупки, обслуживания трансформаторов относят устройства преобразования электроэнергии. Предприятие на перспективу развивает, проводит реконструкцию производства. Меняются требования по технической оснащённости электрических сетей характеристики силовых трансформаторов.

Обеспечение бесперебойного питания предприятия делается установкой второго СТ. 1-ый находится постоянно в работе. 2-ый считается резервным. Периодически 1 из 2 аппаратов выводят в капитальный, средний, текущий ремонт, наладку, на испытания сетей, оборудования. На предприятии устанавливают 2 агрегата с условием работы каждого аппарата с коэффициентом загрузки мощности 0,7 от номинального параметра. При выходе из строя 1 работающего аппарата из 2. Один аппарат постоянно переводится в режим резерва. При эксплуатации возникают: неисправности, проблемы с защитами, нарушения в работе оборудования РУ, подстанции. 2 работающий агрегат становится под перегруз мощности в 1,4 раза, т.е второй трансформатор можно перегружать только на 40%.

Область применения

Бытовые приборы имеют контакт с заземлением посредством нейтрального провода. Одновременное касание потребителем тока фазы и нулевой цепи ведет к замыканию контура и травме. Подключение через разделительный трансформатор позволяет обезопасить человека, т. к. вторичная обмотка не контактирует с землей.

Импульсные агрегаты используются при передаче прямоугольного толчка и трансформации коротких сигналов при нагрузке. На выходе изменяется полярность и амплитуда тока, но остается неизменным напряжение.

Измерительное оборудование постоянного тока является магнитным усилителем. Изменять переменное напряжение помогает направленное движение электронов небольшой мощности. Выпрямитель поставляет постоянную энергию и зависит от значений входного электричества.

Силовые агрегаты широко используются в генераторах тока малой величины, мощности, показатели в дизелях имеют средние значения. Трансформаторы монтируют последовательно с нагрузкой, прибор подключается к источнику первичной обмоткой, вторичный контур выдает преобразованную энергию. Значение выходного тока прямо пропорционально нагрузке. Используется оборудование с 3 магнитными стержнями, если генератор трехфазного тока.

Инвертирующие агрегаты имеют транзисторы одинаковой проводимости и на выходе усиливают только часть сигнала. Для полного преобразования напряжения импульс подается на оба транзистора.

Согласующее оборудование используют для подсоединения к электронным приборам с высоким сопротивлением на входе и выходе нагрузки с низким показателем прохождения электричества. Агрегаты полезны в высокочастотных линиях, где разница величин ведет к потерям энергии.

Защиты трансформатора

Ставятся стандартного типа защиты по ПУЭ:

1. Токовая защита нулевой последовательности от внешних замыканий на землю п.3.2.63.
2. Защиту от токов, вызванных внешними КЗ п.3.2.64.
3. Оперативное ускорение защиты от токов, обусловленных внешними КЗ с выдержкой времени 0,5 сек п.3.2.65 (АТ подстанций, блок-генератор СТ).
4. Газовая защита добавочного трансформатора п.3.2.71.
5. Защита контактного устройства РПН с реле давления, отдельным газовым реле п.3.2.71.
6. Дифференциальная токовая защита цепей стороны низшего напряжения (АТ) п.3.2.70 – 3.2.71.
7. Дифференциальная защита перегруза фаз.
8. От внутренних повреждений: уровень + давление масла, температура обмотки, стали сердечника, наличию газов.

Панель защит СТ:

Винтовые обмотки

Винтовые обмотки (рисунок 5) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, то есть параллельные проводники разбиваются на 2 – 4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.

Рисунок 6. Схемы частичной транспозиции параллельных проводников

Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между ними неравномерно, что вызывает увеличение потерь.

Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по значению магнитными потоками и в них индуктируются разные электродвижущие силы (э. д. с.).

Такая разница в потокосцеплениях обусловлена магнитными потоками рассеяния, которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полемв проводниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивлениеобмотки увеличивается.

Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произвести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рисунок 6).

При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная транспозиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при Sст≥ 45 кВ×А, Iст≥ 300 А.

Условия эксплуатации

СТ требуется высокая степень надёжности с большими значениями напряжения, мощности. Это влияет на качество эксплуатации, профилактику. Делаются регламентные работы правильного, полного технического обслуживания, ремонта, испытаний, наладки. Трансформаторы и оборудование находятся в месте постоянного дежурства персонала. Графиками ежедневного осмотра, приборами контроля, измерения проверяется состояние работы электрической сети, трансформаторов.

Контролируют показания датчиков приборов, измеряют:

• Температуру.
• Давление.
• Уровень масла.
• Степень истощённости влагопоглотителей.
• Состояние регенераторов масла.

Также читайте: Однофазный сухой трансформатор — ОСМ

Проверяется потёки масла в каре трансформатора, ОРУ, ЗРУ, механические повреждения в корпусе, фланцевых местах соединений (масла, охлаждающей жидкости), радиаторов, вентиляторов, участков труб. Контролируется число работающих вентиляторов, уровень масла в газоанализаторе при определённой нагрузке трансформатора. Для каждого режима даётся своё количество работающего оборудования, параметры охлаждающей среды, газа, воды, масла. В устройствах с постоянным дежурством персонала, осмотры делаются реже: 1 раз в 30 дней. Не реже 1 раза в ½ года делается осмотр ОРУ, ВРУ, ЗРУ, трансформаторных пунктов.

По графику обслуживания, при ТО доливается масло, смена непригодного трансформаторного масла новым составом. Определяется качество масла химическим лабораторным анализом. В ПУЭ, инструкции трансформаторов, оборудования даются критерии к требованиям масел, визуальному осмотру, цвету. При аварийных режимах, резкой смене температуры наружного воздуха делаются внеплановые осмотры.

Проверке подлежит защита. 1 раз в 365 дней, капитальный ремонт берут на лабораторный анализ масло. Периодичность ТО устройств регулирования напряжения силовых трансформаторов связана с проверкой контактов меди, латуни окисляемости. Делается им профилактика, зачистка, смазка, переборка, подтяжка динамометрическим ключом для уменьшения переходного сопротивления в контактном узле.

С целью смены плёнки окислов 2 раза в 365 дней отключают трансформаторы от электроэнергии, снимают их нагрузку на 0, переключатели ставят во всевозможные регулируемые положения по нескольку раз. Методы смены положений делают в переходный осенний зимний период до максимального набора нагрузки.

Самостоятельная сборка ТТ

Создание ТТ своими руками — отдельная тема, так как для процедуры потребуются широкое описание расчетов с формулами, но упрощенно процесс выглядит как наматывание рассчитанного количества витков медной проволоки на стержень (железо, сталь).

В основе лежит известный принцип. Токи на первичке и вторичке обозначают соотношением. Например, 100/5: величина на первой в 20 раз превышает таковую на второй, то есть, когда на ней есть 100 А, то на другой будет 5 А. Изделие 500/5 понижает 500 А до 5 А (на вторичных витках). Указанные величины зависят от соотношения количества витков.

Требования к распределительным устройствам: ОРУ, ЗРУ, ВРУ

ЛЭП подключается с ввода удалённой подстанции. Распределительные устройства: ОРУ, ВРУ, ЗРУ рассчитывают на протяжённость участка линии. СТ, ВЛ в РУ защищают от перенапряжения, токов короткого замыкания. Между РУ генерации электроэнергии и потребителем ставятся системы понижения напряжения. На 2 узлах: РУ, электрической подстанции ставятся мощные сивые установки. Они занимаются трансформацией электроэнергии большой мощности.

К промышленным относят мощные установки:

1. Силовые трансформаторы.
2. Автотрансформаторы.

Транспорт электрической энергии на далёкие расстояния требует уменьшать потери в РУ, оборудовании, магистральной сети. Применяется метод трансформации электричества. С генераторов электрический ток подаётся в СТ. Повышается напряжение до амплитуды ЛЭП.

Также вы можете прочитать информацию в книге, со страницы 55 до 76:Открыть книгу для чтения

Многослойные цилиндрические обмотки

Многослойные цилиндрические обмотки (рисунок 2) изготовляются из круглых или прямоугольных проводников, которые размещаются вдоль стержня в несколько слоев, причем между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги.

При большом числе слоев обмотка подразделяется на две концентрические катушки, между которыми оставляется канал для охлаждения. Эти обмотки применяются при мощностях на стержень Sст≤ 200 кВ×А, при токе на обмотку стержня Iст≤ 135 А и напряжении Uл. н≤ 35 кВ.

Сравнительные характеристики металлов

Споры о том, какой металл лучше использовать для трансформаторных обмоток, не прекращаются на протяжении многих лет. Оппоненты, приводящие различные технические аргументы в пользу разных металлов, постоянно меняют свои взгляды. Большая часть из всех аргументов не столь существенна, а некоторые из, так называемых фактов, являются откровенной дезинформацией.

Чтобы правильно выбрать материал для обмотки преобразователя, следует произвести сравнительный анализ рабочих параметров алюминия и меди, и определить степень их различия. Внимание обращают на те параметры, которые вызывают наибольшее беспокойство, поскольку являются наиболее важными в работе преобразующего устройства.