2 Технологический раздел

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Транс-

Рис. 212. Схема включения однофазного трансформатора

форматоры бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Конструкция трансформаторов  

Конструкция магнитопровода. Магнитопровод является конструктивной

50 Гц толщина листов стали принимается равной 0,35 - 0,5 мм. Изоляция

листов осуществляется чаще всего лаковой пленкой, которая наносится с

двух сторон каждого листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма. Стержень - это та часть

магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо - часть, не

несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи (рис. 1).

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток

магнитопроводы делятся на стержневые иброневые. В стержневых

магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не

охватывая их боковых поверхностей. В броневых магнитопроводах ярма

охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как

бы закрывая их броней.

Магнитопроводы однофазных трансформаторов показаны на рис. 2 и 3. В

броневом магнитопроводе (рис. 2) имеются один стержень и два ярма,

охватывающие обмотки.

 

 

 

По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня,

поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма в 2 раза меньше

площади сечения стержня. В стержневом магнитопроводе (рис. 3)

имеются два стержня, на каждом из которых располагается по половине

обмоток1и2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой

последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток

уменьшаются магнитные потоки рассеяния и улучшаются характеристики

трансформатора. В трехфазных цепях могут применяться три однофазных

трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме

(рис. 4). Такой трансформатор называется трехфазной группой

однофазных трансформаторов.

 

 

 

Однако чаще применяются трехфазные трансформаторы с общей

магнитной системой для всех фаз. Броневая конструкция магнитопровода

трехфазного трансформатора показана на рис. 5. Ее можно рассматривать

как три броневых магнитопровода для однофазных трансформаторов,

поставленных друг на друга.

Трехфазные трансформаторы часто имеют три стержня и два ярма (рис.

Возможность применения такого магнитопровода для трансформации

в трехфазных цепях видна из рис. 7.

 

 

 

Если расположить три однофазных трансформатора, как показано на рис. 7, а, то три стержня 1 - 3 можно конструктивно объединить в один. Но так как в симметричной трехфазной системе геометрическая сумма магнитных потоков трех фаз равна нулю, т. е. Ф_A+Ф_B+Ф_C=0, то этот стержень можно удалить и получить конструктивную схему 7, б. Если уменьшить длину ярм магнитопровода фазы В, то получим магнитопровод со стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 7, а). По сравнению со схемой на рис. 7, б магнитопровод, показанный на рис. 7, в, имеет некоторую магнитную несимметрию, так как магнитопровод в этом случае представляет собой магнитную цепь, имеющую два узла и три ветви, из которых средняя короче крайних. Как показывает практика, существенного значения такая не симметрия не имеет.

 

 

На каждом стержне трехфазного стержневого магнитопровода располагаются обе обмотки одной фазы. В стержневых магнитопроводах магнитный поток ярма равен магнитному потоку стержня и площадь поперечного сечения стали в ярме должна быть равна или несколько больше (для уменьшения магнитных потерь) площади сечения стали в стержне. Наибольшее распространение получили магнитопроводы стержневого типа (рис. 6). Иногда в трансформаторах большой мощности для уменьшения их габаритов по высоте до размеров, при которых возможна перевозка трансформаторов в собранном виде по железной дороге, применяют бронестержневые магнитопроводы (рис. 8 и 9).

 

 

 

Снижение высоты у этих трансформаторов происходит за счет ярм, которые по сравнению с ярмами стержневых магнитопроводов имеют высоту в 2 раза меньшую для однофазных трансформаторов и в √3раза меньшую для трехфазных. На рис. 8 и 9 для сопоставления показаны высоты стержневого h_С и бронестержневого h_БСмагнитопроводов. На этих рисунках обмотки показаны условно (без подразделения на обмотки НН и ВН).

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со стыковыми (рис. 10) и шихтованными в переплет (рис. 11) магнитопроводами.

 

 

 

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно и при сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными конструкциями.

 

 

 

В местах стыка во избежание замыкания листов (рис. 12) и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

Сборка магнитопровода в переплет ведется путем чередования слоя листов, разложенных по положению 1 (рис. 11,а,б), со слоем листов, разложенных по положению 2. В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений (рис. 13). Остовом трансформатора называется магнитопровод вместе со всеми конструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей. Листы, из которых собирается шихтованный магнитопровод, имеют прямоугольную форму (рис. 11), если они штампуются из горячекатаной электротехнической стали.

В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготовляются из холоднокатаной электротехнической стали, так как она обладает низкими удельными потерями и повышенной магнитной проницаемостью.

При применении этой стали оказалось возможным повысить магнитную индукцию в стержне масляного трансформатора до 1,6- 1,7 Тл (вместо 1,4-1,5 Тл у горячекатаной), что дало уменьшение его поперечного сечения и, следовательно, сокращение массы металла - стали и обмоток трансформатора.

Кроме того, при этом уменьшаются потери в стали и намагничивающий ток трансформатора. Однако вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении силовых линий магнитной индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудшение характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы магнитный поток проходил в них по направлению проката. Если листы имеют прямоугольную форму (как на рис. 11), то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90° (заштрихованный участок на рис. 14), наблюдается увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приводит к некоторому ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холоднокатаной стали

применяют косые стыки, как показано на рис. 15. Там же показана форма пластин, из которых собирается магнитопровод.

После сборки шихтованного в переплет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются на стержнях размещаются обмотки, а затем ярмо снова зашихтовывается.

Наиболее широкое распространение в трансформаторостроении получили магнитопроводы, шихтованные в переплет. Стыковая конструкция применяется значительно реже, так как наличие немагнитных зазоров в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление на пути магнитного потока. Это приводит к возрастанию намагничивающего тока трансформатора.

Стержни магнитопровода трансформаторов в поперечном сечении имеют форму ступенчатой фигуры или прямоугольника. Поперечные сечения стержневых и бронестержневых трансформаторов имеют форму ступенчатой фигуры, вписанной в окружность с диаметром D₀ (рис. 16). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней приводит к более полному заполнению площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно сопровождается увеличением числа типов пластин, необходимых для сборки стержня. У мощных трансформаторов в магнитопроводе предусматриваются каналы для его охлаждения.

 

 

 

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки имеют вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление и увеличивается электрическая и механическая прочность. Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах небольшой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Неравномерность распределения магнитного потока между отдельными пакетами магнитопровода приводит к увеличению потерь в стали и возрастанию намагничивающего тока.

Равномерное распределение магнитного потока между пакетами можно получить, если обеспечить одинаковое число ступеней у ярма и у стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них принимается меньшим, чем у стержней.

Конструкция обмоток. По способу расположения на стержне обмотки трансформатора делятся на концентрические (рис. 17) и чередующиеся (рис. 18). Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обеих обмоток, как правило, одинакова. В трансформаторах высокого напряжения ближе к стержню располагается обмотка НН, так как это позволяет уменьшить изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние.

 

 

 

 

Однако при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

В силовых трансформаторах нашли применение главным образом концентрические обмотки, которые по характеру намотки можно разделить на цилиндрические, винтовые и спиральные.

 

Цилиндрической обмоткой называется обмотка, витки которой состоят из одного или нескольких параллельных проводников, причем витки наматываются вдоль стержня впритык друг к другу (рис. 19,а). При большом числе витков обмотку делят на две концентрические катушки,

 

между которыми оставляют канал для охлаждения (рис. 19,6). Общий вид двухслойной цилиндрической обмотки, витки которой составлены из двух проводников, показан на рис. 20. Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки применяют главным образом в качестве обмоток НН при номинальных токах до 800 А.

Наряду с этими обмотками находят применение многослойные цилиндрические обмотки, у которых число слоев в радиальном направлении более двух. Такие обмотки изготовляют чаще всего из проводников круглого сечения (рис. 21) и используют главным образом для обмоток ВН при U_ном ≤ 35 кВ.

Винтовая обмотка состоит из витков, которые составлены из нескольких (от 4 до 20) параллельных проводников прямоугольного сечения, расположенных в радиальном направлении относительно друг друга. Намотку витков этой обмотки осуществляют, как и у цилиндрической обмотки, по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов, но при этом между соседними по высоте витками оставляют канал для охлаждения (рис. 22).

 

 

 

 

 

 

В отдельных случаях для экономии места по высоте радиальные охлаждающие каналы могут быть сделаны через один виток. Общий вид одноходовой винтовой обмотки дан на рис. 23.

Так как проводники, образующие виток, располагаются концентрически относительно друг друга, то их длина и, следовательно, активное сопротивление различны. Кроме того, они находятся не в одинаковых условиях по отношению к потоку рассеяния, замыкающемуся в пространстве, занимаемом обмотками, вследствие чего в них наводятся равные ЭДС.

 

 

По этим причинам ток по параллельным проводникам, образующим виток, распределяется неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Во избежание этого в винтовых обмотках требуется перекладка (транспозиция) проводников витка. При перекладке стремятся, чтобы каждый проводник попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная перекладка проводников (рис. 24). Перекладка осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовые обмотки имеют большую механическую прочность, чем цилиндрические, и применяются в качестве обмоток НН в мощных трансформаторах (при токах более 300 А).

 

 

Спиральной катушечной обмоткой называется обмотка, составленная из ряда расположенных по высоте стержня и соединенных последовательно катушек, намотанных по плоской спирали, с радиальными охлаждающими каналами между всеми или частью катушек (рис. 25). Если виток состоит из одного проводника, то обмотка называется простой, а если он составлен из ряда параллельных проводников, - параллельной. В параллельных спиральных обмотках необходимо применять перекладку (транспозицию) проводников. Катушки спиральных обмоток наматываются из прямоугольного провода и могут иметь целое и дробное число витков.

Характерной особенностью спиральных обмоток является то, что ее катушки наматываются без разрыва провода; это достигается особым способом перекладки одной из катушек в каждой их паре. По этой причине они иногда называются непрерывными. Общий вид спиральной обмотки показан на рис. 26. Обмотки этого типа используются в качестве обмоток ВН и НН в широком диапазоне напряжений (до 220 кВ и выше).

Важным элементом конструкции обмоток является их изоляция. Различают главную и продольную изоляцию.

Главной изоляцией называется изоляция данной обмотки от остова, бака и соседних обмоток. Осуществляется она посредством комбинации изоляционных промежутков и барьеров в виде электроизоляционных цилиндров и шайб.

Продольная изоляция является изоляцией между различными точками данной обмотки, т. е. между витками, слоями и катушками.

 

 

 

Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции применяется кабельная бумага, укладываемая в несколько слоев. Межкатушечная изоляция обычно осуществляется радиальными каналами.

С увеличением напряжения обмотки ВН конструкция изоляции усложняется и существенно возрастает стоимость трансформатора. Для трансформаторов напряжением 220 - 500 кВ стоимость изоляции достигает 25 % стоимости всего трансформатора. При небольших мощностях и низких напряжениях обмотки, намотанные на каркас, надеваются непосредственно на стержень магнитопровода.

Для выполнения обмоток трансформатора широкое применение находят как медные, так и алюминиевые провода.

Конструктивные части трансформатора. Основным видом силового трансформатора является масляный трансформатор. Сухие трансформаторы применяются в электроустановках производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где применение масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустимо. В сухих трансформаторах охлаждающей средой служит проникающий к обмоткам и магнитопроводу атмосферный воздух.

У масляного трансформатора выемная его часть, являющаяся по существу собственно трансформатором, погружается в бак с маслом (рис. 27). К выемной части относится остов с обмотками и отводами, а в некоторых конструкциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двойное назначение. Как изолирующая среда оно имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух, благодаря чему позволяет уменьшить изоляционные расстояния между токоведущими и заземленными частями, а также между различными обмотками.

 

 

Кроме того, трансформаторное масло является лучшей охлаждающей средой, чем воздух. Поэтому в трансформаторе, заполненном маслом, можно увеличить электрические и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода обмоточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и уменьшению его габаритов. Трансформаторное масло является минеральным нефтяным маслом и имеет при температуре 20 °С следующие технические данные:

 

Плотность, 10-3 кг/см3	0,88 - 0,89
Кинематическая вязкость, сСт	36 - 37
Пробивная напряженность при однородном переменном электрическом поле, 103 В/мм	16 - 20
Удельная теплопроводность, 10-4 Вт/(см·°С)	15 - 16
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·°С)	1700 - 2000
Температура вспышки паров, °С	132 - 142

 

 Бак трансформатора обычно имеет овальную форму и для удобства транспортировки располагается на тележке с катками. С увеличением мощности трансформатора конструкция бака видоизменяется, так как при этом потери, которые вызывают нагрев частей трансформатора, растут быстрее, чем поверхность охлаждения. Поэтому с увеличением мощности трансформатора приходится искусственно увеличивать поверхность охлаждения.

У трансформаторов мощностью до 25 - 40 кВ·А применяются баки с гладкими стенками. Внутри бака возникает естественная циркуляция масла: нагреваясь от обмоток и магнитопровода, оно поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. От стенок бака тепло рассеивается в окружающее пространство путем излучения и конвекции. При мощностях трансформаторов от 40 до 1600 кВ·А для увеличения поверхности охлаждения в стенки бака вваривают трубы диаметром 30 - 60 мм, располагаемые в 1 - 3 ряда. Процесс охлаждения трансформаторов протекает, как и в предыдущем случае.

В трансформаторах мощностью выше 1000 - 1600 кВ А используются гладкие баки, но к ним подвешиваются трубчатые охладители (рис. 28); последние присоединяются к верхней и нижней частям бака с помощью фланцев. Относительно стенок бака охладители располагаются радиально. Циркуляция масла в охладителе происходит в результате естественной конвекции. В последнее время трубчатые охладители стали применять и в трансформаторах меньшей мощности.

При мощностях трансформаторов от 10000 до 16000 кВ·А периметр гладкого бака оказывается недостаточным для размещения необходимого количества охладителей.

 

 

 

Для более интенсивного отвода тепла от охладителей производят их обдув с помощью вентиляторов; это дает увеличение теплоотдачи на 50 - 60 %. В мощных трансформаторах применяется форсированное охлаждение масла: масло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и, охлажденное, вновь возвращается в бак трансформатора.

Иногда в целях пожарной безопасности бак трансформатора заполняется негорючим и не окисляющимся жидким диэлектриком - совтолом. Электрическая прочность и охлаждающие свойства этого диэлектрика практически не отличаются от подобных свойств масла. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью и токсичностью его паров.

Расширитель  представляет собой цилиндрический резервуар, располагаемый выше крышки бака масляного трансформатора и соединенный трубкой с баком (рис. 29). Внутренний объем расширителя, равный примерно 10 % объема бака трансформатора, заполняется маслом с таким расчетом, чтобы при всех возможных колебаниях температуры оно полностью заполняло бак.

 

 

Кроме того, при наличии расширителя поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, уменьшается, что ограничивает его окисление и увлажнение. Этим достигается защита масла и изоляции трансформатора. У трансформаторов мощностью более 1000 кВ·А между расширителем и баком устанавливается газовое реле, которое сигнализирует о повреждениях, сопровождающихся нагревом отдельных частей. В результате выделения тепла происходит разложение масла и изоляции, сопровождаемое выделением газов. Газы, поднимаясь вверх, по пути в расширитель проходят через газовое реле и вытесняют из него масло, при этом реле срабатывает. По заказу потребителей газовыми реле могут быть снабжены также трансформаторы мощностью 400 и 630 кВ·А. Расширители устанавливаются у всех трансформаторов, начиная с мощности 63 кВ·А при напряжении выше 6.3 кВ. Для трансформаторов меньшей мощности допускается колебание уровня масла внутри бака.

Выхлопная труба (рис. 29) устанавливается на всех трансформаторах мощностью 1000 кВ·А и выше и предназначается для предохранения бака трансформатора от деформации, которая может возникнуть при резком повышении давления из-за интенсивного образования газов (например, при коротком замыкании).

 

 

Она представляет собой стальной наклонный полый цилиндр диаметром 150 мм и больше. Внизу труба прикрепляется к крышке бака трансформатора и имеет сообщение с баком. Сверху труба закрывается стеклянной мембраной. При интенсивном газообразовании мембрана выдавливается раньше, чем произойдет повреждение бака.

Вводы. Начала и концы обмоток выводятся из бака трансформатора наружу. Для этого используются проходные фарфоровые изоляторы, внутри которых располагается токоведущий медный стержень. Такие изоляторы закрепляются на крышке бака и называются вводами. С увеличением напряжения трансформатора размеры вводов увеличиваются, а их конструкция усложняется (рис. 30). Вводы для трансформаторов, устанавливаемых внутри помещения, обычно имеют гладкую внешнюю поверхность, а для трансформаторов, устанавливаемых снаружи, - ребристую.

Контроль температуры в верхних слоях масла в баке производится термометрами различного типа. В трансформаторах мощностью до 1000 кВ·А используются стеклянные ртутные термометры, устанавливаемые на крышке бака в специальной металлической оправе. На крышках трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и выше вместо стеклянного термометра устанавливается дистанционный манометрический сигнальный термометр. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях составляет 95 °С.

Для изменения числа витков обмотки ВН с целью регулирования напряжения предусматривается переключатель, размещенный внутри бака. Рукоятка этого переключателя выводится на крышку или стенку бака трансформатора.

На крышке и стенках бака устанавливаются различные пробки и краны, предназначенные для заливки, спуска и отбора пробы масла.

Классификация трансформаторов напряжения

 

Трансформаторы напряжения различаются:

 

а) по числу фаз — однофазные и трехфазные;

б) по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные;

в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей; 

г) по способу охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);

д) по роду установки — для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).

 

 

Для напряжений до 6 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения.

 

Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %.

 

В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяеться литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.

 

Трехфазные двухобмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трехстержневые магнитопроводы, а трехобмоточные — однофазные броневые. Трехфазный трехобмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трехобмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968—1969 гг.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность

 

В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло.

 

Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами.Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети — ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.

 

Кроме указанных трансформаторов с масляным охлаждением (ТМ) выпускаютсятрансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции.

 

Сухой трансформатор, так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.

 

Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установкиявляется решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.

 

Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.

 

Классификация трансформаторов тока

 

Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:

 

1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные, защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а такжесо многими коэффициентами трансформации).

 

2. По роду установки различают трансформаторы тока:

 

а) для наружной установки (в открытых распределительных устройствах);

б) для внутренней установки;

в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;

г) накладные — одевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);

д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).

 

3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся на:

 

а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой);

б) одновитковые (стержневые);

в) шинные.

 

4. По способу установки трансформаторы тока для внутренней и наружной установки разделяются на:

 

а) проходные;

б) опорные.

 

5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы:

а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);

б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;

в) с заливкой компаундом.

 

6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:

 

а) одноступенчатые;

б) двухступенчатые (каскадные).

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток .

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витко1 и 2 этих обмоток, т. е.

E₁/E₂=1/2

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн/ E_нн= 1/2

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ U₂/U₁или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.