для заочников / внутризаводское / ТИпы трансформаторов

Лекция №7

Что такое трансформатор?

Трансформатор́ (от лат. Transformo — преобразовывать) —

статическое (не имеющее подвижных частей) электромагнитное устройство,

предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока обычно другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности.

Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток,

охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство,

имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной

(первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

При подведении к первичной обмотке трансформатора переменного напряжения, по ней начинает протекать переменный ток, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток наводит переменную ЭДС в первичной и вторичной обмотках. При замыкании вторичной обмотки на нагрузку (электродвигатель на рисунке) по ней начинает протекать переменный ток.

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз,

формой кривой напряжения (тока), частотой.

Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют

силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода – сердечника, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь) и двух обмоток (катушек), расположенных на стержнях магнитопровода. Одна из обмоток присоединена к источнику переменного тока на напряжение U1, эту обмотку называют первичной. К

другой обмотке подключен потребитель Zн – ее называют вторичной.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь на магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них э. д. с.:

e 1 = - w1 (d Ф/dt); (1) e 2 = - w2 (d Ф/dt); (2)

где w1 и w2 , — число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием Э.Д.С. е2 в цепи этой обмотки создается ток i2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. В

повышающих трансформаторах U2 > U1, а в понижающих — U1 < U2.

Из (1) и (2) следует, что Э.Д.С. е1 и е2, отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку,

присоединенную к сети меньшего напряжения, — обмоткой низшего напряжения (НH).

Типы трансформаторов

Трансформаторы классифицируется по следующим параметрам:

1)по фазности – однофазные и трехфазные;

2)по числу обмотки:

а) двухобмоточные;

б) трехобмоточные;

в) двухобмоточные с расщепленной обмоткой;

г) трехобмоточные с расщепленной обмоткой;

3) по роду изоляции:

а) М- масляные;

б) С – сухие;

в) Н – с негорючим заполнением (совтолом); 4) по роду охлаждения:

а) М – естественное масляное охлаждение;

б) Д – масляное охлаждение с воздушным дутьем;

в) Ц- масляное охлаждение с принудительной циркуляцией;

г) С- трансформаторы с воздушным охлаждением (сухие);

д) З–трансформатор без расширителя, защита которого осуществляется с помощью азотной подушки.

Структурная схема условного обозначения трансформатора:

Буквенная часть условного обозначения должна содержать обозначения в следующем порядке:

Назначению трансформатора (может отсутствовать)

А — автотрансформатор

Э — электропечной Количество фаз

О — однофазный трансформатор

Т — трехфазный трансформатор Расщепление обмоток (может отсутствовать)

Р — расщепленная обмотка НН; Cистема охлаждения

Сухие трансформаторы

С — естественное воздушное при открытом исполнении

СЗ — естественное воздушное при защищенном исполнении

СГ — естественное воздушное при герметичном исполнении

СД — воздушное с дутьем Масляные трансформаторы

М — естественное масляное

МЗ — с естественным масляным охлаждением с защитой при помощи азотной подушки без расширителя

Д — масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла

ДЦ — масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла

Ц — масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла С негорючим жидким диэлектриком

Н — естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком

НД — охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем Особенность трансформатора (может отсутствовать)

Л — исполнение трансформатора с литой изоляцией;

Т — трехобмоточный трансформатор (Для двухобмоточных трансформаторов не указывают);

Н — трансформатор с РПН;

Назначение (может отсутствовать)

С — исполнение трансформатора для собственных нужд электростанций

П — для линий передачи постоянного тока Для автотрансформаторов при классах напряжения стороны СН или

НН 110 кВ и выше после класса напряжения стороны ВН через черту дроби указывают класс напряжения стороны СН или НН.

Масляные трансформаторы (ТМ, ТМЗ, ТМН)

Эти трансформаторы наиболее экономичны и надежны для наружной установки, а также для внутренней установки при размещении на уровне первого этажа в камерах с двумя дверьми наружу.

Особенности масляных трансформаторов:

1)должны иметь маслоприемные устройства (яму или приямки),

которые могут вобрать в себя до 20-30% от всего объема масла,

содержащегося в трансформаторе;

2)уровень ямы должен быть не ниже 1 м;

3)запрещена их установка в подвале и на втором этаже зданий;

4)требуют отдельной камеры для установки.

Трансформаторы с негорючим диэлектриком

Изготавливаются мощностью до 2500 кВА. Их применение целесообразно только в тех случаях, когда по условиям среды невозможно приблизить к ЦЭН масляные трансформаторы и недопустима их открытая установка в здании или около него и в тоже время недопустима установка сухих трансформаторов.

Применение трансформаторов ограничено ввиду сильной токсичности совтола, так как его пары могут вызвать раздражение слизистых оболочек носа и глаз.

Главным преимуществом этих трансформаторов является то, что они могут вводится в эксплуатацию без предварительной ревизии, не обслуживаются и не ремонтируются.

Сухие трансформаторы

Изготавливаются мощностью до 2500 кВА. Их применение целесообразно только в тех случаях, когда по условиям среды невозможно установка масляных трансформаторов из-за пожароопасности, а

трансформаторов с негорючим заполнением – из-за их токсичности.

Устанавливаются в общественных, административных зданиях, т.е.

там, где возможно большое скопление людей.

Сухие трансформаторы небольшой мощности легко разместить в помещениях, на колоннах, антресолях и т. п., так как они не содержат охлаждающей жидкости и, следовательно, не требуют устройства маслосборников. Их применение целесообразно, например, для питания освещения при системе раздельного питания силовых и осветительных нагрузок. Сухие трансформаторы обладают повышенным раздражающим шумом, что следует учитывать при установке трансформаторов в местах с возможным присутствием людей.

Группы соединения обмоток

Важным параметром подключения трансформатора к электрической сети является группа и схема соединения его обмоток.

Существуют три основных способа соединения фазовых обмоток каждой стороны трёхфазного трансформатора:

Y-соединение, так называемой соединение звездой, где все три обмотки соединены вместе одним концом каждой из обмоток в одной точке,

называемой нейтральной точкой или звездой

∆-соединение, так называемое дельта-соединение, или соединение треугольником, где три фазных обмотки соединены последовательно и образуют кольцо (или треугольник)

Z-соединение, так называемое соединение зигзагом.

Первичная, вторичная и третичная стороны трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше. Данные способы предлагают несколько различных комбинаций соединений в трансформаторах с различными характеристиками, выбор которых также может быть обусловлен типом сердечника.

Y-соединение обычно является естественным выбором для самых высоких напряжений, когда нейтральная точка предназначена для зарядки. В

любом случае в целях защиты от перенапряжения или для прямого заземления предусмотрено наличие нейтрального проходного изолятора. В

последнем случае в целях экономии уровень изоляции нейтрали может быть ниже, чем уровень изоляции фазного конца обмотки. Соединённая звездой обмотка также имеет то преимущество, что переключение регулирования коэффициента трансформации может быть предусмотрено на нейтральном конце, где также может быть размещён переключатель числа витков.

Поэтому переключатель числа витков сможет функционировать при напряжении низкого логического уровня, а разница напряжений между фазами также будет незначительная. По сравнению с расходами,

затраченными на установку переключателя числа витков, при более высоком уровне напряжения экономические затраты будут ниже.

Соединение звездой используется на одной стороне трансформатора,

другая сторона должна быть соединена треугольником, особенно в случаях,

если нейтраль соединения звездой планируется для зарядки. Соединение обмотки треугольником обеспечивает баланс ампер-виток для тока нулевой последовательности, следующего по нейтрали, и каждой фазы соединения звездой, что даёт приемлемый уровень полного сопротивления нулевой последовательности. Без соединения треугольником обмотки ток нулевой последовательности привёл бы к образованию поля токов нулевой последовательности в сердечнике. Если сердечник имеет три стержня, данное поле от ярма к ярму проникнет сквозь стенки бака и приведёт к выделению тепла. В случае с броневым сердечником, или при наличии пяти стержней сердечника, данное поле проникнет между раскрученными боковыми стержнями и полное сопротивление нулевой последовательности существенно повысится. Вследствие этого ток, в случае пробоя на землю может стать настолько слабым, что защитное реле не сработает.

В соединенной треугольником обмотке ток, протекающий по каждой

фазовой обмотке равен фазному току, разделённому на 3 , в то время как в соединении звездой, линейный ток каждой фазной обмотки идентичен линейному току сети. С другой стороны, для одинакового напряжения соединение треугольником требует наличия трёхкратного количества витков по сравнению с соединением звездой. Соединение обмотки треугольником выгодно использовать в высоковольтных трансформаторах, когда сила тока высока, а напряжение относительно низкое, как например, в обмотке низшего напряжения в повышающих трансформаторах.

Соединение обмотки треугольником позволяет циркулировать троичным синусоидальным токам внутри треугольника, образованного тремя последовательно соединёнными фазными обмотками. Троичные синусоидальные токи необходимы во избежание искажения потока

магнитных индукций в сердечнике, а также искажения при синусоидальной форме наведённого напряжения. Троичные синусоидальные токи во всех трёх фазах имеют одинаковую продолжительность, данные токи не могут циркулировать в обмотке, соединённой звездой, пока нейтраль обмотки не замкнута.

Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток принято выражать группой соединений. Для описания напряжения смещения между первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками,

традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0° до 360°,а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны указывает на другую цифру циферблата.

Наиболее часто используемая комбинация Y∆-11 означает, например,

наличие 30? смещения нейтрали между напряжениями двух сторон.