Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Между генераторами электроэнергии и потребителями может быть десятки, а то и сотни километров. Для минимизации потерь при транспортировке применяется специальная технология, суть которой заключается в повышении напряжения, передачи его посредством ЛЭП и понижении до уровня потребительской сети. Последний этап преобразования осуществляется на подстанциях, оборудованными силовыми трансформаторами (далее по тексту СТ). В данной публикации мы расскажем, что представляют собой эти устройства, их основные конструктивные элементы и особенности.

Что такое силовой трансформатор и его назначение

Это аппарат, преобразующий амплитуду переменного напряжения, оставляя неизменным его частоту. В основу работы такого устройства положен принцип электромагнитной индукции. Мы не будем отвлекаться на его описание, всю подробную информацию можно найти на страницах нашего сайта.

Основная сфера применения СТ связана с передачей и распределением электроэнергии, упрощенно это представлено на рисунке ниже.

Схема передачи электроэнергии

Как видно из рисунка, в цепи между генератором и потребителем может быть установлено несколько СТ. Первый повышает напряжение до 110 кВ (чем оно выше, темь меньше потерь при передаче на дальние расстояния) и подает его на ЛЭП. На выходе линии установлен второй СТ на районной подстанции, откуда производится передача по подземному кабелю на трансформаторный пункт, откуда запитываются конечные потребители.

Трансформаторный пункт

Сфера применения

Такие устройства часто устанавливаются на узлах радиоэлектронного оборудования и выполняют разные функции. За последние годы несколько новых предприятий освоили технологию их изготовления. Повысилась приспособляемость устройства к работе с разными потребителями, поскольку возникла возможность производства по заданным техническим требованиям заказчика. Ранее ничего подобного не происходило.

Проектировщики оборудования пользовались стандартными схемами и комплектующими из справочников. Выбор изделий был большой, но полный перечень потребностей не охватывал. Поэтому многие разработчики устанавливали агрегаты с избыточным запасом мощности. Сегодня многие предприятия производят комплектующие с характеристиками, подходящими заказчику.

Принятые классификации

Учитывая немалый вес и размеры СТ, чтобы упростить ряд работ, связанных с обслуживанием, транспортировкой и планированием, данные устройства принято делить на габаритные группы. Ниже представлена таблица, где показано соответствие.

Таблица габаритов СТ:

Силовой трансформатор 5-й габаритной группы ТРДЦН-63000/220, вес около 130 тонн
Помимо габаритного распределения, СТ также классифицируют по следующим показателям:

• число фаз (как правило, подстанции оборудованы трехфазными преобразователями);
• количество обмоток (две или три);
• функциональное назначение (понижение или повышение амплитуды);
• исполнение (установка внутри помещения или снаружи);
• система отвода тепла (воздушная или масляная).

Классификация трансформаторов по схемным параметрам

Среди множества особенностей трансформаторов можно выделить параметры, характеризующие их применение и назначение в электрической схеме или схему самого трансформатора. Поэтому выделим несколько характеризующих трансформаторы факторы: схемное назначение и схема трансформатора.

1. Классификация трансформаторов по схемному назначению позволяет определить функции, которые он выполняет в конкретной схеме, и соответственно можно выделить три группы:

— силовые трансформаторы предназначены для питания переменным током различные звенья и узлы аппаратуры, поэтому силовые трансформаторы иногда называют трансформаторами питания ТП. Данная группа является наиболее распространённой и составляет до 70 % всех трансформаторов. Они находят широкое применение для питания самых различных нагрузок: электродвигатели, бытовые приборы, различные усилители, выпрямители, осветительные и нагревательные приборы.

Силовой трансформатор ТП-60.

— согласующие трансформаторы служат для согласования входных и выходных сопротивлений различных узлов электронной схемы и находят широкое применение в радиоприёмной, радиопередающей и усилительной технике. Их можно разделить на несколько типов в зависимости от места расположения в схеме: входные, промежуточные и выходные.

Трансформатор согласующий RCF TD507.

— импульсные трансформаторы используют для передачи импульсов напряжения и тока между отдельными участками электрической схемы. Особенностью данных трансформаторов является то, что они позволяют пропускать через себя импульсы различной длительности – от микросекундных до наносекундных. Форма импульса чаще всего прямоугольная, но возможно и любая другая: треугольная, пилообразная, колоколообразная и другие.

Трансформатор импульсный.

2. Кроме схемного назначения трансформаторы классифицируются по схеме трансформатора и позволяет выделить следующие типы:

— однообмоточный трансформатор, называемый автотрансформатором. Он характеризуется тем, что между первичной (входной) и вторичной (выходной) обмотками существует магнитная и электрическая связь. Первичная и вторичная обмотки определяются отводами от общей обмотки.

Обозначение автотрансформатора.

— двухобмоточный трансворматор, в отличие от однообмоточного имеет две электрически не связанных обмотки. Данный тип трансформатора является базовым и ри теоретическом анализе является базовым и электрические параметры первичной обмотки связаны однозначными соотношениями с электрическими парамтерами вторичной обмотки.

Обозначение двухобмоточного трансформатора.

— многообмоточные трансформаторы имеют несколько электрически не связанных вторичных обмоток, число которых доходит до десяти, но чаще всего четыре-пять. В данном типе трансформатора ток первичной обмотки определяется множеством соотношений с током вторичных обмоток. Данный тип трансформатора является наиболее распространённым.

Обозначение многообмоточного трансформатора (две вторичные обмотки).

Конструктивные особенности

Несмотря на разнообразие видов СТ их конструкция неизменно включает следующие обязательные элементы:

• выводы катушек высокого и низкого напряжения (ВН и НН), их принято называть силовыми вводами;
• систему отвода тепла;
• устройства, позволяющие регулировать рабочее напряжение;
• дополнительное оборудование, для контроля работы и обслуживания аппарата.

На рисунке ниже представлена типовая конструкция СТ с масляной системой отвода тепла.

Конструкция силового трансформатора с масляным охлаждением

Обозначения:

• А – бак расширителя, служит для выравнивания уровня масла при изменении его объема вследствие температурных колебаний.
• В – силовой ввод для ВН.
• С — ввод для НН.
• D – переключатель рабочего напряжения.
• E – радиатор, представляет собой трубы, по которым циркулирует масло.
• F – корпус, также играет роль бака для масла.
• G и H – катушки ВН и НН.
• I – магнитопроводный сердечник.

Теперь рассмотрим подробно назначение основных конструктивных элементов.

Назначение силовых вводов

Данный элемент конструкции необходим для подключения питания и нагрузки к СТ. Их расположение может быт как внутренним (закрытые клеммные колодки) так и внешним. Обратим внимание, что первый вариант расположение используется только в СТ с воздушной системой отвода тепла.

Обязательно наличие изоляции, между вводом и корпусом, она может быть маслобарьерной, элегазовой, конденсаторной-проходной или же выполнена из материалов, не проводящих электричество (фарфор, полимеры и т.д.).

Рис. 4. Фарфоровые изоляторы на вводах силового трансформатора

Разновидности и технические характеристики

Изготавливаются силовые электрические приборы стержневого и броневого типа. Последняя самая доступная по цене и весит меньше. Большая часть трансформаторов изготавливается по такому принципу. Изделия стержневого типа с парной катушкой тоже часто используются. Они меньше нагреваются, при изготовлении экономится медь из-за укороченных витков. Плотность тока в таких обмотках значительно увеличивается. Стержневые приспособления с одной катушкой расходуют больше материалов, но изготавливаются значительно проще.

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его отвода неизменно присутствует в любом СТ. Мощные аппараты снабжены для этого специальной двухконтурной системой, охлаждение масла в которой производится следующими способами:

• Посредством радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
• Бак-корпус с гофрированной поверхностью (применяется в маломощных аппаратах).
• Установка вентиляционного оборудования. Такое решение позволяет увеличить производительность на четверть.

  
  Вентиляторы принудительной системы охлаждения СТ

• Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов отвода тепла.
• Применение специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость повысить или понизить напряжение нагрузки СТ, для этой цели в большинстве конструкций предусмотрено специальный переключатель. По сути, он меняет коэффициент трансформации путем переключения на большее или меньшее число витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции выполняются при снятой нагрузке, но существуют устройства позволяющие изменять КТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и обслуживания СТ их конструкция может включать следующие устройства, именуемые навесным или дополнительным оборудованием:

• Реле давления газа, представляет собой защитную систему. Если СТ переходит в нештатный режим работы, то в результате большого выделения тепла происходит разложение масла. Данный процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая аппарат от питания и нагрузки. Если процесс газообразования протекает медленно, включается оповещение.
• Термоиндикаторы, показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла.

  
  Индикатор температуры масла

• Влагопоглотители. Применяются в негерметичных масляных системах отвода тепла, препятствуют образованию водяного конденсата.
• Системы маслорегенерации.
• Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
• Датчик уровня заполнения масла в системе отвода тепла.

Технология проверки работы трансформаторов

Качество работы устройства проверяется с помощью мультиметра. Межвитковое замыкание – это распространенная неисправность. Нужно также следить за изменением внешних особенностей и запаха изделия. Изоляционным материалом на прогулке служит лаковое покрытие, после повреждения которого поднимается температура на проблемном участке из-за сохранения сопротивления. Исправные изделия не имеют почернений, потеков или вздутий.

Бумага не должна быть обугленная, запах гари отсутствует. Сопротивлению обмоток можно определить по справочнику, если тип устройства известен. Данные, полученные после замера с помощью мультиметра, сравниваются с информацией в справочнике. Катушки считаются неисправными, если отличие между показателями превышает 50%. Если неизвестно сопротивление обмоток, нужно при расчетах использовать количество витков, сечение и материал, из которого изготовлен провод.

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ производится в соответствии с представленным ниже рисунком.

Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

1. Указывается тип аппарата. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, что соответствует автотрансформатору, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на обычный СТ.
2. «О» или «Т», соответствует однофазному или трехфазному аппарату.
3. Используемая вариант отвода тепла (для масляных систем), возможные варианты:

• М – принудительные системы не используются.
• Д – производится принудительный обдув.
• ДЦ – производится принудительный обдув с ненаправленной циркуляцией.
• НЦ – водяно-масляное охлаждение с направленной циркуляцией.
• Ц – водно-масляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.

1. Указание мощности в кВ*А.
2. Допустимый уровень ВН (кВ).
3. Вариант исполнения (наружное или внутреннее размещение, особые климатические условия и т.д.)

Конструкция катушек маломощных трансформаторов

Катушки маломощных трансформаторов, имеющих обмотку из проводов малого диаметра, как правило, выполняются в виде каркаса, на который наматываются обмотки. Каркасы катушек делаются обычно из изолирующего материала или путем штамповки из пластмассы (рисунок 7), или клееные из электрокартона, текстолита, гетинакса и других материалов (рисунок 8).

Особенности обслуживания

СТ являются важными звеньями в схемах передачи электроэнергии, от них зависит работа всей системы. Для обеспечения надежности и бесперебойной работы этих устройств необходимо регулярное обслуживание подготовленными специалистами, имеющих соответствующий уровень допуска.

Если оборудование используется там, где предусмотрено наличие штатного дежурного персонала, то его обязанности входит проведение регулярных осмотров, при которых снимаются показания приборов, характеризующих текущее состояние СТ. Регламентом предписывается контролировать:

• Показания уровня масла в теплоотводных системах.
• Состояние влагопоглотителей.
• Работу системы маслорегенерации.
• Состояние внешнего корпуса аппарата и основных его узлов.

При обнаружении отклонения от нормы, подтеков, повреждений или других признаков, свидетельствующих о нештатной работе контролируемых аппаратов, персонал должен принять предписанные инструкцией меры.

Для автономного оборудования, работа которого не требует наличия дежурного персонала, положено проводить технический осмотр ежемесячно. Что касается трансформаторных пунктов, то для них эта норма снижена до полгода.

При обнаружении недостатка масла в системе отвода тепла следует произвести доливку, а в случае несоответствия нормам – полную замену. Определить необходимость замены масла, можно по его цвету.

Свидетельством нештатного режима работы оборудования может быть повышение температуры в помещении подстанции. При обнаружении прямых или косвенных свидетельств анормального функционирования СТ, предписывается проводить внеплановый осмотр с проверкой общего состояния элементов защитного оборудования.

Согласно правилам эксплуатации необходимо раз в год брать пробу масла для лабораторного анализа. Это же действие предписывается в случае капитального ремонта.

Помимо этого при обслуживании периодически приходится производить подстройку рабочего напряжения. Необходимость этого связана с тем, что со временем латунные и медные контакты покрываются оксидной пленкой, что приводит к увеличению переходного сопротивления. Что бы не допустить этого, раз в полгода с СТ снимается нагрузка и питание, после чего производится переключение регулятора напряжения во всем позициям. Процедуру рекомендуется повторить несколько раз, перед тем как вернуть исходное положение.

Пропитка катушек изолирующим лаком

После намотки катушки должны быть пропитаны изолирующим лаком. Пропитка лаком повышает электрическую прочность изоляции обмотки, увеличивает ее механическую прочность, увеличивает теплостойкость и теплопроводность изоляции, а также защищает обмотку от влаги. В качестве пропитывающих лаков могут быть использованы асфальтомасляные лаки №447 и 458, глифталевый лак №321.

Перед пропиткой катушки должны быть просушены в течение 2 – 3 часов при температуре около 100°С. Пропитка катушек лаком производится при температуре 60 – 70°С в течение 3 – 5 минут, а сушка лака при температуре 110 – 115°С в течение 3 – 8 часов.

Крепление сердечника трансформатора

В маломощных силовых трансформаторах применяются два основных способа Крепления собранного пакета сердечника.

1. Крепление с помощью шпилек. В этом случае пакет сердечника трансформатора сжимается с помощью шпилек и скоб из полосовой стали толщиной 1—2 мм (рис. 5).

В броневых трансформаторах для крепления сердечника иногда применяется штампованная из листовой стали деталь, служащая одновременно и кожухом трансформатора (рис. 6).

2. Крепление запрессовкой сердечника в обойму. В этом случае собранный пакет сердечника трансформатора обжимается специальной обоймой.

КОНСТРУКЦИЯ И УСТРОЙСТВО

Конструкцию трансформатора составляют сердечник и несколько обмоток. Переменный ток, проходящий через витки первичной обмотки создает магнитный поток в сердечнике, который, в свою очередь, индуцирует ЭДС во всех остальных обмотках.

Основу любого силового трансформатора составляет сердечник из ферромагнитного материала с несколькими обмотками. Для магнитопровода сердечника используется специальное тонколистовое трансформаторное железо с магнитомягкими свойствами.

Листы железа в сердечнике собираются таким образом, чтобы стержни, на которых размещаются обмотки, имели форму, которая приближается в сечении к кругу.

Это облегчает намотку провода и улучшает использование площади магнитопровода. Отдельные листы сердечника укладываются таким образом, чтобы стыки между отдельными пластинами перекрывались целыми листами. Это позволяет избежать лишних потерь и повышает КПД трансформатора.

Обмотки трансформатора выполняют в большинстве случаев из изолированных медных проводов круглого или прямоугольного сечения. Обычно первой наматывается обмотка низкого напряжения, поскольку уменьшаются затраты на изолирование обмотки от сердечника.

Между отдельными слоями обмоток, а также между самими обмотками при изготовлении предусматривают пустоты для циркуляции охладителя.

В качестве охладителя в мощных трансформаторах применяется масло, которое отбирает тепло от обмоток и передает его в окружающую среду через радиаторные трубки.

Масляная система охлаждения оборудована устройствами для компенсации температурного расширения масла и удаления из него влаги. Имеются устройства защиты, которые размыкают электрическую цепь при резком повышении давления и клапаны сброса давления.

Особые технологи выполнения обмоток и изоляции позволили производить силовые трансформаторы, которые не нуждаются в громоздком и пожароопасном масляном оборудовании. Такие изделия получили название «сухих».

Выбор требуемого числа трансформаторов

Обычно на подстанции выбирают один или два трансформатора. При этом однотрансформаторные подстанции выбирают:

1. для питания электроприемников, допускающих питание только от одного нерезервированного источника (электроприемников III категории);
2. для питания электроприемников любых категорий через замкнутые сети, подключенные к двум или нескольким подстанциям (или через незамкнутые сети, связанные между собой резервными линиями).

Два трансформатора устанавливают на подстанциях, питающих электроприемники I или II категории и не имеющих на вторичном напряжении связи с другими подстанциями. Чтобы оба трансформатора могли надежно резервировать друг друга, их запитывают от независимых источников по не зависящим друг от друга линиям. Ввиду того, что взаимное резервирование трансформаторов должно быть равнозначным, их выбирают одинаковой мощности. Главные понизительные подстанции (ГПП) предприятий, как правило, сооружают двухтрансформаторными. Необходимость в большем числе трансформаторов встречается редко.

Однотрансформаторные подстанции рекомендуется применять при наличии в цехе электроприемников, допускающих перерыв электроснабжения на время доставки «складского» резерва, или при резервировании, осуществляемом по линиям низшего напряжения от соседних ТП, т. е. они допустимы для потребителей III и II категорий, а также при наличии в сети 380-660 В небольшого количества (до 20%) потребителей I категории. Двухтрансформаторные подстанции рекомендуется применять в следующих случаях:

• при преобладании потребителей I категории и наличии потребителей особой группы (последним необходим третий источник);
• для сосредоточенной цеховой нагрузки и отдельно стоящих объектов общезаводского назначения (компрессорные и насосные подстанции);
• для цехов с высокой удельной плотностью нагрузок (выше 0,5-0,7 кВА/м2).

Область эксплуатации силового трансформатора

Исходя из особенностей конкретной области применения, требования, предъявляемые к силовому трансформатору, значительно варьируются. Так, при переменной нагрузке трансформатор должен быть устойчив к изменениям напряжения. При осуществлении бесперебойного питания, нагрузочные потери в силовом трансформаторе должны быть доведены до минимума. Когда трансформатор питает станки большой мощности, он должен стабильно справляться с краткими перегрузками. В отдельных отраслях промышленности от силовых трансформаторов требуются высокие эксплуатационные характеристики: стабильный уровень напряжения, минимальный уровень потерь, повышенная надёжность.