Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство

Шихтованная конструкция магнитопроводов силовых трансформаторов показана на рис. 1.6, б, когда стержни и ярма собирают слоями в переплет. Обычно слой содержит 2–3 листа. В настоящее время магнитопроводм силовых трансформаторов изготовляют из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки листов лучше, чем поперек. Поэтому при шихтованной конструкции в местах поворота листов на 90° появляются «зоны несовпадения» направления прокатки с направлением магнитного потока, На этих участках наблюдаются увеличение магнитного сопротивления и рост магнитных потерь. С целью ослабления этого явления применяют для шихтовки пластины (полосы) со скошенными краями. В этом случае вместо прямого стыка (рис. 1.7, а) получают косой стык (рис. 1.7, б), у которого «зона несовпадения» гораздо меньше.

Недостатком магнитопроводов шихтованной конструкции  является некоторая сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни приходится расшлихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать.

Стержни магнитопроводов во избежание  распушения спрессовывают (скрепляют). Делают это обычно наложением на стержень бандажа из стеклоленты или стальной проволоки. Стальной бандаж выполняют с изолирующей пряжкой, что исключает создание замкнутых стальных витков на стержнях. Бандаж накладывают равномерно, с определенным натягом. Для опрессовки ярм 3 и мест их сочленения со стержнями 1 используют ярмовые балки 2, которые в местах, выходящих за крайние стержни (рис. 18), стягивают шпильками.

Во избежание  возникновения разности потенциалов  между металлическими частями во время работы трансформатора, что может вызвать пробой изоляционных промежутков, разделяющих эти части, магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют. Заземление осуществляют медными лентами, вставляемыми между стальными пластинами магнитопровода одними концами и прикрепляемыми к ярмовым балкам другими концами.

Магнитопроводы трансформаторов  малой мощности (обычно мощностью не более 1 кВ·А) чаще всего изготовляют из узкой ленты электротехнической холоднокатаной стали путем навивки. Такие магнитопроводы делают разрезными (рис. 1.9), а после насадки обмоток собирают встык и стягивают специальными хомутами.

Обмотки. Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепятся элементы (рейки, угловые шайбы и т. п.), обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность.

По взаимному  расположению на стержне обмотки  разделяют на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров, размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню обычно располагают обмотку НН (требующую меньшей изоляции от стержня), а снаружи – обмотку ВН (рис. 1.10, а).

Чередующиеся (дисковые) обмотки выполняют в виде отдельных секций (дисков) НН и ВН и располагают на стержне в чередующемся порядке (рис. 1.10, б). Чередующиеся обмотки применяют весьма редко, лишь в некоторых трансформаторах специального назначения.

Концентрические обмотки в конструктивном отношении  разделяют на несколько типов. Рассмотрим некоторые из них.

1. Цилиндрические однослойные или двухслойные обмотки из провода прямоугольного сечения (рис. 1.11, а) используют главным образом в качестве обмоток НН на номинальный ток до 800 А.

2. Винтовые одно- и многоходовые обмотки выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения. При этом витки укладывают по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов (рис. 1.11, б). Для того чтобы все параллельные проводники одинаково нагружались током, выполняют транспозицию (перекладку) этих проводников. При транспозиции стремятся, чтобы в пределах одного витка каждый проводник занимал все положения. Транспозиция может быть групповой (рис. 1.12, а), когда параллельные провода делятся на две группы и перестановка осуществляется группами, и общей, когда меняется взаимное расположение всех параллельных проводов (рис. 1.12, б).

Рис. 1.12. Транспозиция в  винтовых обмотках

3. Непрерывные обмотки (рис. 1.11, в) состоят из отдельных дисковых обмоток (секций), намотанных по спирали и соединенных между собой без пайки, т.е. выполненных «непрерывно». Если обмотка выполняется несколькими параллельными проводами, то в ней применяют транспозицию проводов.

Непрерывные обмотки, несмотря на некоторую сложность  изготовления, получили наибольшее применение в силовых трансформаторах как в качестве обмоток ВН, так и в качестве обмоток НН. Это объясняется их большой механической прочностью и надежностью.

В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмотками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 1.13). Трансформаторное масло, омывая обмотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них теплоту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружающую среду. Наличие трансформаторного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности.

Рис. 1.13: Устройство трансформатора с масляным охлаждением

В трансформаторах  мощностью до 20—30 кВ·А применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки. Масло, нагреваясь, поднимается вверх, а, охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению (см. § 31.5).

Для компенсации  объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель 9, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры происходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сообщающемся с атмосферой.

В процессе работы трансформаторов не исключена возможность возникновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во избежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВ·А и выше снабжают выхлопной трубой, которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается и газы выходят наружу.

В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов (например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоляторы.

Такой ввод снабжен металлическим  фланцем, посредством которого он крепится к крышке или стенке бака. К дну  бака прикреплена тележка, позволяющая  перемещать трансформатор в пределах подстанции. На крышке бака расположена  рукоятка переключателя напряжений 6 (см. § 1.15).

Свойства трансформатора определяются его номинальными параметрами: 1)номинальное первичное линейное напряжение U_1ном, В или кВ; 2) номинальное вторичное линейное напряжение U_2ном(напряжение на выводах вторичной обмотки при отключенной нагрузке и номинальном первичном напряжении), В или кВ; 3) номинальные линейные токи в первичной I_1ном и вторичной I_2ном обмотках, А; 4) номинальная полная мощность S_ном, кВ·А (для однофазного трансформатора S_ном =U_1ном I_1ном, для трехфазного – ).

Номинальные линейные токи вычисляют по номинальной мощности трансформатора: для трехфазного трансформатора

   (1.3)

где — номинальная мощность трехфазного трансформатора, кВ·А.

Каждый трансформатор  рассчитан для включения в сеть переменного тока определенной частоты. В России трансформаторы общего назначения рассчитаны на частоту f = 50 Гц (в некоторых других странах f = 60 Гц), в устройствах автоматики и связи применяют трансформаторы на частоты 50, 400 или 1000 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Лист рабочей тетради

Трансформатор

1. Трансформатор – это аппарат ………………………………………
2. Электроэнергия переменного тока в процессе передачи от ………............. к потребителям подвергается трех-, а иногда и четырехкратному ………………….
3. Силовые трансформаторы общего назначения применяются в ………………. и ………………………….. , а также в различных электроустройствах для получения требуемого ………………….
4. В устройствах автоматики и связи применяют трансформаторы на частоты 50, ……. или 1000 Гц.
5. Номинальная полная мощность для трехфазного трансформатора S_ном =………………..
6. Действие трансформатора основано на явлении ………………. индукции.
7. Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов: стержневого, броневого и …………………….
8. Обмотки трансформатора бывают: Цилиндрические, ……………………… , Непрерывные.
9. Магнитопровод имеет …………………………….., т. е. он состоит из тонких стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой.
10. Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов ………………… или ………………. сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или ……………………..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практическая работа

1. Что такое трансформатор?
2. Дать определение магнитопровода.
3. Что такое ЭДС?
4. Объяснить понятие обратимость.
5. Перечислит основные конструкционные части трансформатора.
6. Назвать номинальные параметры.
7. Номинальныеое значения первичного напряжений однофазного трансформатора U_1ном = 110 кВ, номинальный первичный ток I_1ном = 95,5 А. Определить номинальную мощность трансформатора
8. Номинальное значения вторичного напряжений однофазного трансформатора

U_2ном = 6,3 кВ, номинальная мощность трансформатора .=10500 кВ А. Определить номинальный вторичный ток .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Зачет по теме «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство» в виде индивидуального тестирования.

 

Цель:

1. Проверить глубину  усвоения знаний по теме «Трансформаторы, назначение, принцип действия, устройство».

Вопросы теста

1. Конструктивными элементами трансформатора являются

• Обмотка, магнитопровод.
• Обмотка, магнитопровод, радиатор.
• Обмотка, магнитопровод, ротор, радиатор.

2. Трансформатор с коэффициентом трансформации меньше 1, называется

• Понижающим
• Повышающим

3. Номинальная полная мощность для трехфазного трансформатора равна

S_ном=…………………….

4. Установите соответствие

1.в первичной обмотке ЭДС самоиндукции                                                          А. е = –w₂(dФ/dt)

 

2.во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции                                                    Б.  e = –w₁(dФ/dt)

 

5. Установите соответствие

1.  по виду охлаждения                                                        А. двухобмоточные, многообмоточные.

2. по числу трансформируемых фаз                 Б. стержневые, броневые, бронестержневые,

3. по форме магнитопровода                                         В. однофазные и трехфазные

4. по числу обмоток на фазу                                  С. с воздушным и масляным охлаждением

 

6. Наличие трансформаторного масла обеспечивает

А. обеспечивает более надежную работу

Б. ведет к значительному увеличению давления внутри бака

 

 

 

7. Номинальные линейные токи вычисляют

А.

Б.

В. U_1ном I_1ном