Силовой трансформатор принцип работы и устройство

Силовые трансформаторы устройство и принцип действия

Транспортировка электрической энергии на большие расстояния неизбежно приводит к определенным потерям. Для того чтобы снизить потери, в системе передачи применяется свойство трансформации. С этой целью электрический ток проходит через трансформаторную подстанцию, с помощью которой осуществляется повышение амплитуды напряжения, подаваемого в ЛЭП для дальнейшей транспортировки.

Конечная точка ЛЭП подключается к вводу удаленной подстанции. Здесь выполняется снижение напряжения, после чего электричество распределяется среди потребителей. На обеих подстанциях установлены силовые трансформаторы, устройство и принцип действия которых позволяет преобразовывать электроэнергию большой мощности. Они отличаются особенностями устройства и техническими характеристиками.

Основные детали и системы силового трансформатора

Металлический корпус предназначен для размещения внутри него электрического оборудования трансформатора. Он представляет собой герметичный бак с крышкой, заполненный трансформаторным маслом. Такой сорт масла имеет высокие диэлектрические качества, с его помощью отводится тепло от деталей, подверженных значительным токовым нагрузкам.

Охлаждение трансформатора осуществляется с помощью гидравлической системы. Залив и слив масла производится с использованием задвижек и вкручивающихся пробок. Отбор масла для химического анализа производится через запорный вентиль, расположенный в нижней части бака.

Циркуляция масла в силовом трансформаторе происходит по двум контурам – внешнему и внутреннему. В состав внешнего контура входит радиатор, состоящий из верхнего и нижнего коллекторов, соединенных между собой металлическими трубками. Нагретое масло проходит через магистрали охладителя, остывает и вновь поступает в бак. Внутри бака масло может циркулировать естественным путем или принудительно под действием давления, создаваемого насосами. Теплообмен значительно улучшается за счет специальных гофр, устанавливаемых на поверхности бака.

Важнейшим элементом силового трансформатора является его электрическая схема. Все ее элементы размещаются внутри корпуса. Верхняя и нижняя балки составляют остов, на котором крепятся все остальные детали. В состав схемы входит магнитопровод, обмотки высокого и низкого напряжения, высоковольтные и низковольтные отводы, регулировочные ответвления обмоток. В нижней части располагаются вводы высокого и низкого напряжения.

Основной функцией магнитопровода является снижение потерь магнитного потока, проходящего через обмотки. Для его изготовления используется специальные сорта электротехнической стали. Ток нагрузки протекает через обмотки фаз. Изоляция витков выполняется специальными сортами хлопчатобумажной ткани или кабельной бумаги. Механическая и электрическая прочность обмоточной изоляции повышается за счет пропитки поверхностей специальным лаком. Подключение обмоток может выполняться по схеме «звезда», «треугольник» или «зигзаг». Для маркировки концов каждой обмотки используются латинские символы.

Принцип действия и режимы работы

Силовые трансформаторы действуют по такому же принципу, как и обычные трансформаторные устройства. Во входную обмотку поступает электрический ток, колебания которого изменяются по времени. Это приводит к наведению в магнитопроводе изменяющегося магнитного поля. Далее изменяющийся магнитный поток проходит через витки второй обмотки, после чего в ней возникает электродвижущая сила.

Во время проверок и в процессе эксплуатации работа трансформатора может происходить в различных режимах:

• Рабочий режим. В этом случае источник напряжения подключается к первичной обмотке, а нагрузка – к вторичной. Величина тока в каждой обмотке должна быть не более допустимого расчетного значения. В данном режиме обеспечивается устойчивое и надежное питание потребителей в течение длительного времени. В рабочем режиме может создаваться холостой ход и короткое замыкание с целью проверки характеристик трансформаторного устройства.
• Холостой ход. Создается путем размыкания вторичной цепи, чтобы исключить протекание по ней тока. Данный режим позволяет определить коэффициент полезного действия, коэффициент трансформации, потери в стальных деталях, затраченные для намагничивания сердечника.
• Режим короткого замыкания. В этом случае накоротко шунтируются выводы вторичной обмотки. На входе трансформатора напряжение оказывается заниженным до значения, при котором создается вторичный номинальный ток с постоянным значением. Данный способ позволяет установить потери в меди.
• Аварийный режим. К нему относятся любые нарушения работы трансформатора, вызывающие отклонение рабочих показателей за пределы допустимого значения. Особую опасность представляет короткое замыкание, возникающее внутри обмоток. Для предотвращения последствий аварийного режима в силовых трансформаторах устанавливаются автоматические средства защиты и сигнализации. Они поддерживают нормальную работу первичной схемы и полностью отключают ее в случае неисправностей и аварийных ситуаций.

Защита силовых трансформаторов

В первую очередь необходимо постоянно контролировать уровень масла, циркулирующего внутри бака. На его температуру оказывает влияние целый комплекс различных факторов. В связи с этим происходит постоянное изменение объема и главной задачей становится поддержание уровня масла в установленных границах. Важную роль в этом играет использование расширительного бачка, компенсирующего все объемные отклонения. Кроме того, он позволяет вести наблюдения за текущим уровнем масла.

Данные о состоянии уровня снимаются с помощью маслоуказателя, подключаемого параллельно с расширительным бачком.

Силовые трансформаторы должны быть защищены от проникновения влаги, поскольку расширительный бак своей верхней частью плотно контактирует с окружающей средой. С этой целью устанавливается осушитель воздуха, создающий препятствия попаданию влаги в масло, что существенно снижает его диэлектрические свойства.

Важной составляющей масляной системы считается газовое реле, защищающее трансформатор от внутренних повреждений. Оно монтируется внутри трубопровода, который соединяет между собой основной и расширительный баки. Во время нагрева масло и органическая изоляция выделяют газы, попадающие в емкость газового реле, содержащую внутри чувствительный элемент.

В некоторых случаях может возникнуть аварийное повышение давления внутри бака. В целях защиты на крышке трансформатора выполняется монтаж выхлопной трубы. Ее нижний конец должен сообщаться с емкостью бака, а масло – поступать внутрь до необходимого уровня в расширителе. Над расширителем возвышается верхняя часть трубы, которая отводится в сторону и незначительно загибается вниз. Ее конец герметично закрывает стеклянная предохранительная мембрана, разрушающаяся в случае аварийного повышения давления.

Силовые трансформаторы, имеющие обмотку высокого напряжения свыше 1000 В, оборудуются релейной защитой от основных повреждений и неисправностей. Непосредственными защитными устройствами являются вторичные реле прямого или косвенного действия. Их подключение осуществляется не напрямую, а через измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Монтаж и дальнейшая эксплуатация силовых трансформаторов

Большинство конструкций силовых трансформаторов обладают значительным весом. Поэтому для их транспортировки к месту монтажа используется специальный транспорт. Оборудование поставляется полностью собранным и готовым к подключению.

Монтаж силового трансформатора выполняется на заранее подготовленном фундаменте или в специальном помещении. Во избежание воздушных мешков под крышкой бака в процессе установки, под катки со стороны расширителя подкладываются стальные пластинки. Их толщина должна обеспечивать подъем 1% с узкой и 1,5% с широкой стороны трансформатора. Длина прокладок составляет не менее 150 мм. При массе устройства до 2 тонн установка выполняется непосредственно на фундамент. Корпус в обязательном порядке соединяется с системой заземления.

Перед началом установки силовые трансформаторы проходят испытания в лабораторных условиях. В это время измеряется коэффициент трансформации, проверяется качество соединений, изоляции, а также соответствие трансформаторного масла.

Релейная защита силового трансформатора

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

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).

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

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.

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.)

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.

Устройство и принцип действия силовых трансформаторов

Электротехнический агрегат, имеющий две, три или больше обмоток, статически устанавливается в электросеть. Силовой трансформатор изменяет переменное напряжение и ток без отклонения частоты. Преобразователь, применяемый во вторичных источниках питания, называют понижающим устройством. Повышающие конструкции увеличивают напряжение, используются в высоковольтных ЛЭП с большими мощностью, пропускной способностью и емкостью.

Область применения

В комплект установок, предназначенных для генерирования электричества, входят силовые трансформаторы. Электростанции используют энергию атома, органического, твердого или жидкого топлива, работают на газе или применяют силу водяного потока, но преобразователи выходных показателей подстанций необходимы для нормального функционирования потребительских и производственных линий.

Агрегаты устанавливают в сетях промышленных мощностей, сельских предприятий, на оборонных комплексах, разработках нефти и газа. Прямое назначение силового трансформатора — понижать и повышать напряжение и силу тока — используется для работы транспортной, жилищной, торговой инфраструктуры, сетевых распределительных объектов.

Основные детали и системы

Питающее напряжение и нагрузка подаются на вводы, которые располагаются на внутренней или наружной колодке для клемм. Контакт закрепляется болтами или специальными соединителями. В масляных агрегатах вводы устраиваются снаружи по сторонам бака или на крышке съемного корпуса.

Передача от внутренних обмоток идет на гибкие демпферы или резьбовые шпильки из цветных металлов. Силовые трансформаторы и их корпуса изолируются от шпилек фарфоровым или пластиковым слоем. Зазоры устраняются прокладками из материала, стойкого к действию масел и синтетических жидкостей.

Охладители снижают температуру масла из верхней области бака и передают его в боковой нижний слой. Остужающее устройство силового масляного трансформатора представлено:

• внешним контуром, снимающим тепло с носителя;
• внутренней цепью, нагревающей масло.

Охладители бывают разных видов:

• радиаторы — совокупность плоских каналов со сваркой на торце, расположенных в пластинах для сообщения между нижними и верхними коллекторами;
• гофрированные резервуары — ставятся в мало- и среднемощных агрегатах, являются одновременно емкостью для понижения температуры и рабочим баком со складчатой поверхностью стенок и нижней коробкой;
• вентиляторы — ими оборудуются большие трансформаторные модули для принудительного охлаждения потока;
• теплообменники — применяют в больших узлах для перемещения синтетических жидкостей с помощью насоса, т. к. организация естественной циркуляции требует много места;
• водно-масляные установки — трубчатые теплообменники по классической технологии;
• циркуляционные насосы — герметичные конструкции с полным погружением двигателя при отсутствии сальниковых прокладок.

Оборудование для трансформации напряжения снабжается регулирующими устройствами для изменения числа рабочих витков. Вольтаж на вторичной обмотке модифицируется с помощью переключателя количества спиралей или устанавливается болтовым соединением при выборе расположения перемычек. Так подсоединяются выводы заземленного или обесточенного трансформатора. Регулирующие модули преобразуют напряжение в небольших диапазонах.

В зависимости от условий переключатели количества спиралей делят на виды:

• устройства, работающие при выключенной нагрузке;
• элементы, функционирующие при замыкании вторичной обмотки на сопротивление.

Навесное оборудование

Газовое реле располагается в соединительной трубке между расширительным и рабочим баками. Прибор предупреждает разложение изолирующей органики, масла при перегреве и небольшие повреждения системы. Устройство реагирует на газообразование при неполадках, подает тревожный сигнал или полностью отключает систему в случае короткого замыкания или опасного понижения уровня жидкости.

Вверху бака в карманах ставят термопары для измерения температуры. Они работают по принципу математического расчета для выявления наиболее разогретой части агрегата. Современные датчики создаются на основе технологии оптоволокна.

Узел беспрерывной регенерации используется для восстановления и очистки масла. В результате работы в массе образуется шлак, в нее попадает воздух. Устройства регенерации бывают двух типов:

• термосифонные модули, использующие естественное перемещение нагретых слоев вверх и прохождение через фильтр, последующее опускание охлажденных потоков на дно бака;
• адсорбционные установки качества принудительно перекачивают массу через фильтры насосом, располагаются отдельно на фундаменте, используются в схемах преобразователей больших габаритов.

Модули для защиты масла представляют собой расширительный бак открытого типа. Воздух над поверхностью массы пропускается через поглотители влаги с силикагелем. Адсорбирующее вещество при максимальной влажности становится розовым, что служит сигналом к его замене.

Вверху расширителя устанавливают масляный затвор. Это прибор для снижения влажности воздуха, работающий на трансформаторном сухом масле. Модуль с помощью патрубка соединяется с расширительным баком. Вверху приваривается емкость с внутренним разделением в виде нескольких стенок по форме лабиринта. Воздух пропускается через масло, отдает влагу, затем очищается силикагелем и поступает в расширитель.

Контролирующие устройства

Прибор для сброса давления предупреждает аварийный скачок напора из-за короткого замыкания или сильного разложения масла и предусмотрен в конструкции мощных агрегатов в соответствии с ГОСТ 11677-1975. Устройство выполняется в виде сбрасывающей трубы, располагающейся под наклоном к трансформаторной крышке. На конце находится герметичная мембрана, способная моментально раскладываться и пропускать выхлоп.

Кроме этого, в трансформаторе устанавливаются и другие модули:

1. Датчики уровня масла в баке, снабжены циферблатом или выполнены в виде стеклянной трубки сообщающихся емкостей, ставят на торце расширителя.
2. Встроенные трансформаторы устраивают внутри агрегата или недалеко от заземляющего рукава на стороне изоляторов проходного типа или на шинах с низким вольтажом. В этом случае не нужно большое число отдельных преобразователей на подстанции с внутренней и внешней изоляцией.
3. Детектор горючих примесей и газов выявляет водород в масляной массе и выдавливает его сквозь мембрану. Прибор показывает начальную степень газообразования до того, как концентрированная смесь заставит действовать контролирующее реле.
4. Расходомер контролирует потери масла в подстанциях, работающих по принципу принудительного снижения температуры. Прибор измеряет разницу напора и определяет давление с двух сторон от возникшего препятствия в потоке. В агрегатах, работающих на водяном охлаждении, расходомеры считывают потребление влаги. Элементы снабжаются сигнализацией на случай аварии и циферблатом для определения показателей.

Принцип действия и режимы работы

Простой трансформатор снабжен сердечником из пермаллоя, феррита и двумя обмотками. Магнитопровод включает комплект ленточных, пластинчатых или формованных элементов. Он передвигает магнитный поток, возникающий под действием электричества. Принцип работы силового трансформатора заключается в преобразовании показателей силы тока и напряжения с помощью индукции, при этом постоянной остается частота и форма графика движения заряженных частиц.

В трансформаторах повышающего типа схема предусматривает повышенное напряжение на вторичной обмотке по сравнению с первичной катушкой. В понижающих агрегатах входной вольтаж выше выходного показателя. Сердечник со спиральными витками располагается в емкости с маслом.

При включении переменного тока на первичной спирали образуется переменное магнитное поле. Оно замыкается на сердечнике и затрагивает вторичную цепь. Возникает электродвижущая сила, которая передается подключенным нагрузкам на выходе трансформатора. Функционирование станции проходит в трех режимах:

1. Холостой ход характеризуется разомкнутым состоянием вторичной катушки и отсутствием тока внутри обмоток. В первичной спирали течет электричество холостого хода, составляющее 2-5% номинального показателя.
2. Работа под нагрузкой проходит с подключением питания и потребителей. Силовые трансформаторы показывают энергию в двух обмотках, работа в таком регламенте является распространенной для агрегата.
3. Короткое замыкание, при котором сопротивление на вторичной катушке остается единственной нагрузкой. Режим позволяет выявить потери для разогрева обмоток сердечника.

Режим холостого хода

Электричество в первичной спирали равно значению переменного намагничивающего тока, вторичный ток показывает нулевые показатели. Электродвижущая сила начальной катушки в случае ферромагнитного наконечника полностью замещает напряжение источника, отсутствуют нагрузочные токи. Работа на холостом ходу выявляет потери на мгновенное включение и вихревые токи, определяет компенсацию реактивной мощности для поддержания требуемого вольтажа на выходе.

В агрегате без ферромагнитного проводника потерь на изменение магнитного поля нет. Сила тока холостого режима пропорциональна сопротивлению первичной обмотки. Способность противостоять прохождению заряженных электронов трансформируется при изменении частоты тока и размера индукции.

Работа при коротком замыкании

На первичную катушку поступает небольшое переменное напряжение, выходы вторичной спирали накоротко соединены. Показатели вольтажа на входе подбирают так, чтобы ток короткого замыкания соответствовал расчетному или номинальному значению агрегата. Размер напряжения при коротком замыкании определяет потери в катушках трансформатора и расход на противодействие материалу проводника. Часть постоянного тока преодолевает сопротивление и преобразуется в тепловую энергию, сердечник греется.

Напряжение при коротком замыкании рассчитывается в процентном отношении от номинального показателя. Параметр, полученный при работе в этом режиме, является важной характеристикой агрегата. Умножив его на ток короткого замыкания, получают мощность потерь.

Рабочий режим

При подсоединении нагрузки во вторичной цепи появляется движение частиц, вызывающее магнитный поток в проводнике. Оно направлено в другую сторону от потока, продуцируемого первичной катушкой. В первичной обмотке происходит разногласие между электродвижущей силой индукции и источника питания. Ток в начальной спирали повышается до того времени, когда магнитное поле не приобретет первоначальное значение.

Магнитный поток вектора индукции характеризует прохождение поля через выбранную поверхность и определяется временным интегралом мгновенного показателя силы в первичной катушке. Показатель сдвигается по фазе под 90˚ по отношению к движущей силе. Наведенная ЭДС во вторичной цепи совпадает по форме и фазе с аналогичным показателем в первичной спирали.

Силовые трансформаторы: определение, классификация и принцип работы

Наиболее распространенными электрическими устройствами в промышленности и в быту являются трансформаторы. Их назначение – передача мощности внутри несогласованной электрической цепи между ее различными схемами. Применяются в тех случаях, когда требуется понизить или повысить напряжение между источником энергии и потребителем. Также трансформаторы включены в схемы блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный. В основе работы трансформаторов лежит их способность передавать электроэнергию между контурами посредством магнитной индукции.

Силовые трансформаторы — электромагнитные устройства, предназначенные для преобразования напряжений переменного тока, сохраняя при этом его частоту, а также для преобразования самой системы электроснабжения.

Конструкция и устройство силовых трансформаторов

Основной частью каждого силового трансформатора является его сердечник с несколькими обмотками, изготовленный из ферромагнитного материала. Как правило, это тонкие листы специального трансформаторного железа, обладающего магнитомягкими свойствами. Листы укладываются таким образом, чтобы форма стержней под обмотками в сечении была приближенной к кругу. Для повышения КПД устройства и снижения потерь, целые листы перекрывают стыки между отдельно взятыми пластинами.

Трансформаторная обмотка выполняется, как правило, из медного провода с прямоугольным или круглым сечением. Каждый виток изолирован от самого магнитопровода, а также от соседних витков. Для циркуляции охладителя, между обмотками и отдельными ее слоями предусматриваются технические пустоты.

Каждый трансформатор имеет как минимум две обмотки: первичную (на нее подается электрический ток) и вторичную (ток снимается после преобразования его напряжения).

Принцип работы

Принцип работы любого силового трансформатора заключается в явлении электромагнитной индукции. На первичную обмотку подается переменный ток, который образует в магнитопроводе переменный магнитный поток. Это происходит за счет его замыкания на магнитопроводе и образования сцепления между обмотками, индуцируя ЭДС. Нагрузка, подключенная ко вторичной обмотке, приводит к образованию в ней напряжения и тока.

Конструктивно, для получения любого напряжения на вторичной обмотке, используется необходимое соотношение витков между обмотками. Силовой трансформатор обладает свойством обратимости. Иными словами, он может быть использован и для повышения, и для понижения напряжения. В большинстве случаев силовой трансформатор применятся для решения определенных задач. Например, конкретно повышать или понижать напряжение. У повышающего трансформатора напряжение на первичной обмотке ниже, чем на вторичной.

Классификация силовых трансформаторов

В зависимости от класса напряжения и полной потребляемой мощности, силовые трансформаторы условно делятся на следующие категории:

До 100 кВА, до 35кВ;

100 – 1000 кВА, до 35кВ;

1000 – 6300 кВА, до 35кВ;

Более 6300кВА, до 35кВ;

До 32 000 кВА, 35 – 110 кВ;

32 000 – 80 000 кВА, до 330 кВ;

80 000 – 200 000 кВА, до 330 кВ;

Более 200 000 кВА, более 330 кВ.

Виды силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы можно разделить на несколько видов, основываясь на следующих характеристиках и показателях:

Тип охлаждения. Различают сухие и масляные трансформаторы. Первый вариант имеет воздушное охлаждение, используется там, где повышены требования к экологии и пожаробезопасности. Второй вариант представляет собой корпус, заполненный маслом с диэлектрическими свойствами, в который погружен сердечник с обмотками;

Климатическое исполнение: наружные и внутренние варианты;

Количество фаз. Бывают трехфазные (наиболее распространенные) и однофазные;

Количество обмоток. Различают двухобмоточные и многообмоточные варианты;

Назначение: повышающие и понижающие.

Дополнительным критерием служит наличие или отсутствие регулятора выходного напряжения.

Элементы силового трансформатора

Конструкция силового трансформатора подразумевает наличие следующих элементов:

Силовые вводы – устройства, через которые подается нагрузка. Могут быть расположены внутри изделия или снаружи. Вводы изолированы различными специальными материалами, отличаются по типу изоляции и конструкции;

Охладители. Для мощных силовых трансформаторов предусматривается масляная система охлаждения. Охлаждение самого же масла производится посредством радиаторов, гофрированного бака, принудительной вентиляции, масляно-водных охладителей или циркуляционными насосами;

Регуляторы выходного напряжения – устройства, предназначенные для изменения коэффициента трансформации. Могут срабатывать как под действием определенной нагрузки, так и без нее (в зависимости от конструкции). По сути, регуляторы добавляют, либо уменьшают в обмотке количество ее витков.

Силовые трансформаторы могут быть оснащены дополнительным навесным оборудованием:

Газовое реле – устройство с функцией защиты. Если трансформатор работает нестабильно, масло разлагается на составляющие с выделением газа. Газовое реле либо отключает трансформатор, либо оповещает предупреждающими сигналами;

Индикаторы температуры – датчики, производящие замеры температуры масла;

Влагопоглотители – устройства, поглощающие образуемый под защитной крышкой конденсат, тем самым предотвращая его попадание в масло;

Система регенерации масла;

Автоматическая система защиты от повышения давления охладителя;

Индикатор уровня масла.

Параметры силового трансформатора

Номинальная мощность. Для трансформатора с двумя обмотками параметр равен мощности каждой из них. Для трехобмоточного варианта с разной мощностью обмоток параметр равен большему из показателей;

Номинальное напряжение обмоток – характерный параметр для холостой работы;

Номинальный ток – показатель, при котором разрешается длительная эксплуатация устройства;

Напряжение короткого замыкания — характеристика полного сопротивления обмоток.

Потери короткого замыкания;

Ток холостого хода – потери материала магнитопровода (реактивные и активные);

Потери тока холостого хода;

Как выбрать силовой трансформатор

Выбор силового трансформатора для эксплуатации на предприятиях основан на подборе мощности, а также в соответствии с требованиями к надежности питания. Чтобы обеспечить бесперебойное питание, в некоторых случаях требуется установка нескольких трансформаторов. Мощность каждого устройства подбирается таким образом, чтобы при выходе его из строя, другие устройства были способны взять на себя функции этого недостающего звена, с учетом возможных перегрузок.

Еще один важный критерий – наличие защиты:

От внутренних повреждений. Обеспечивается устройствами, контролирующими наличие газов, температуру, давление и уровень масляного охладителя;

От перегрузок. Используется так называемая дифференциальная защита, когда на каждой фазе установлены трансформаторы тока.

Ремонт и техническое обслуживание

Надежность силовых трансформаторов напрямую зависит от качества и своевременности их обслуживания. Устройства, установленные в помещениях, где работает персонал предприятия, подвергаются ежедневному осмотру с контролем показателей уровня масла, состояния поглотителя и устройств регенерации. Кроме того, проверяется целостность корпуса и основных элементов. Трансформаторы в помещениях без персонала осматриваются раз в месяц, а трансформаторные пункты – дважды в год.

Внеплановый осмотр силового трансформатора и его систем защиты проводится при резком изменении температуры окружающего воздуха, а также при аварийных режимах. Периодическому обслуживанию подвергаются и устройства регулировки напряжения. Причина – окисление контактных групп, что приводит к возрастанию их переходного сопротивления. Перед сезонными изменениями нагрузки (обычно дважды в год) устройство отключается от потребителей и питания, после чего регулятор напряжения переводится последовательно во все возможные положения. Процедура способствует разрушению пленки окислов.

Лабораторный анализ масла производится каждый год при капитальном ремонте. Если масло не удовлетворяет требованиям при визуальном осмотре (цвет) или по данным обследования, производится его замена или доливка.

Устройство и принцип работы силового трансформатора

Электроэнергия является одним из необходимых ресурсов. Без нее жизнь человека была бы лишена многих удобных вещей. Но напряжение в магистральных сетях не всегда соответствует требуемому потребителем. Поэтому на распределительных станциях используется специальное оборудование, работа которого заключается в изменении параметров и передаче электроэнергии пользователям.

Одними из таких приборов являются трансформаторы. Они бывают нескольких типов и способны решать различные задачи. В этой статье будет рассмотрен один из самых распространенных – силовой. Что представляет собой устройство силового трансформатора и где он применяется? Для решения каких задач он необходим? Вот что следует узнать, прежде чем приобретать такое оборудование.

Область применения

Современная электроэнергетика не сможет обходиться без приборов, используемых для преобразования энергии в магистральных сетях и установках, занимающихся ее приемом и распределением. Благодаря их появлению удалось значительно сократить расход цветных металлов и снизить потери. Но чтобы оборудование работало эффективно необходимо предварительно выполнить расчет потерь в силовом трансформаторе. Сделать это можно как самостоятельно, так и при помощи специалистов.

Силовые трансформаторы применяются на высоковольтных линиях и распределительных станциях. Они стали необходимым элементом во многих отраслях промышленности, где необходимо преобразование или распределение электроэнергии:

• В схемах включения вентилей;
• Для сварки;
• Для питания электротермических установок;
• Для цепей с электроизмерительными и другими приборами.

Устройство и принцип действия

Чтобы понять, как работает такой прибор необходимо изучить его комплектацию. В устройство силового трансформатора включены как основные части, так и дополнительные детали.

К первым относятся:

• Магнитопровод;
• 2 или 3 обмотки;
• Расширитель;
• Корпус;
• Входы;
• Изоляционные элементы.

Магнитопровод представлен как система, выполненная из электромеханической стали. Эта часть устройства силового трансформатора служит основой для крепления различных деталей. Обмотки – это часть электроцепи. Они изготавливаются из провода и изоляции. Кабель может быть медном или алюминиевым. В конструктивном плане обмотки – это последовательные катушки. Их фазы допускается соединять двумя способами:

Магнитопровод с обмотками находится в баке с минеральным маслом. Эта конструкция называется силовым трансформатором. Она может оснащаться радиатором, предназначенным для отвода тепла. Некоторые модели таких устройств имеют в своей конструкции также защитные системы. Обычно оборудование этого класса устанавливаются на улице.

Принцип действия силового трансформатора базируется на физическом законе электромагнитной индукции. Он заключается в следующем. Подсоединение обмотки устройства к электросети приводит к образованию магнитного потока. Он индуцирует ЭДС в другой обмотке прибора. Такой принцип работы объясняется наличием магнитной связи в приборе.

Классификация установок

Деление оборудования на классы зависит от различных параметров.

Оно может осуществляться по:

1. Назначению;
2. Способу установки;
3. Числу ступеней;
4. Типу изоляции;
5. Номинальному напряжению.

Исходя из особенностей использования приборы бывают:

Причем первые подразделяются на трансформаторы тока и напряжения.

Смотрим видео, принцип работы и виды трансформаторов:

Что касается установки, то такое оборудование может быть расположено не только в закрытых помещениях, но и на улице. Поэтому исходя из этого параметра различают приборы следующих типов:

Изоляция обмоток у трансформаторов может быть, как сухой, так и бумажно-масляной или компаундной. Имеются отличия и в числе ступеней. В зависимости от этого параметра устройства делятся на:

Еще одной отличительной чертой различных моделей может быть номинальное напряжение. Согласно его значению, трансформаторы классифицируются на низко- и высоковольтные.

Кроме того, силовые устройства могут подключаться к одно или трехфазным электросетям.

Высоковольтные трансформаторы чаще всего имеют масляное охлаждение. Приборы этой серии отличаются высоким КПД и хорошими показателями защиты от перегрева. Они требуют минимального обслуживания в процессе эксплуатации.

По конструктивному исполнению силовые трансформаторы делятся на имеющие следующие типы вводов:

• С главной изоляцией фарфоровой покрышки;
• С маслобарьерной;
• С бумажно-масляной;
• С полимерной.
• Конденсаторные проходные;

Характеристики и расчет трансформатора

Обычно основные параметры прибора указываются в технической документации, входящей в его комплектацию. Для трансформаторов таковыми являются:

• Мощность и напряжение (номинальные);
• Максимальный ток обмотки;
• Габариты;
• Масса.

Рассмотрим более подробно, что они обозначают. Номинальная мощность устройства рассчитывается и указывается производителем. Она выражается в киловольт-амперах.

Номинальное напряжение состоит из первичного, на которое рассчитана соответствующая обмотка и вторичного, измеряемого на зажимах. Величина этого параметра может изменяться до 5% в сторону уменьшения или увеличения. Определить ее можно выполнив упрощенный расчет силового трансформатора.

Смотрим видео, делаем правильный расчет:

Номинальные мощность и ток прибора должны соответствовать существующим ГОСТам. Сегодня выпускаются сухие модели, у которых этот показатель может иметь следующее значение:

Мощность прибора обычно указывается в паспорте прибора, а зная ее можно вычислить номинальное значение тока. Для этого используется следующая формула:

I=S√3U, где величины S и U обозначают номинальную мощность и напряжение.

Исходя из того для какой из обмоток рассчитывается значение тока будут изменяться и входящие в формулу величины. Расчет мощности силового трансформатора по нагрузке лучше доверить специалистам. Это позволит избежать неприятных моментов в процессе эксплуатации.

Кроме этого номинальными напряжениями считают значение линейной величины при холостом ходе на обеих обмотках. Значения токов рассчитываются по мощности прибора. Выбирая оборудование следует учитывать, что расчет силового тороидального трансформатора будет несколько отличаться от приведенного выше. Найти информацию по этому вопросу можно в сети.

Особенности монтажа и эксплуатации

Большинство моделей силового оборудования имеют значительный вес. Поэтому на место установки они доставляются специальным транспортом. Причем поставка оборудования осуществляется в собранном виде и полностью готовым к включению.

Смотрим видео, запуск и диагностика оборудования:

Монтаж прибора осуществляется на заранее подготовленный фундамент или в специальное помещение. Чтобы при установке устройства не образовывались воздушные мешки под крышкой бака со стороны расширите под катки укладывают стальные пластинки. Их толщина должна быть такой, чтобы получился подъем в 1% по узкой и 1,5% по широкой стороне трансформатора. Длина прокладок начинает от 150 мм. Если вес прибора не превышает 2 тонн, то он устанавливается непосредственно на фундамент. Его корпус при этом обязательно присоединяется к сети заземления.

Однако, следует помнить, что перед установкой прибор проходит испытания в лабораторных условиях. В процессе проведения этих работ производят измерение коэффициента трансформации, проверку качественного выполнения соединений. А также испытывают устройство повышенным напряжением изоляции, проверяют соответствие трансформаторного масла.

После доставки на объект прибор подвергается внешнему осмотру. При этом обращают внимание на отсутствие протечки масла, посторонних шумов в процессе работы. Проверяется состояние проходных изоляторов и контактных соединений на предмет из нагрева.

После запуска трансформатора необходимо периодически осуществлять контроль температуры. Измерения выполняют при помощи стеклянных термометров. Они погружаются в специальную гильзу, расположенную на крышке прибора. Температура здесь не должна превышать 95°C.

Чтобы избежать аварийных ситуаций в работе трансформатора необходимо регулярно замерять нагрузки. Это позволит определить перекосы по фазам, ведущие к искажению напряжений. Осмотр оборудования без его отключения должен выполняться каждый полгода. Но в зависимости от состояния прибора сроки могут изменяться.

Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение

Может быть, кто-то думает, что трансформатор – это что-то среднее между трансформером и терминатором. Данная статья призвана разрушить подобные представления.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного электрического тока одного напряжения и определенной частоты в электрический ток другого напряжения и той же частоты.

Работа любого трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Назначение трансформаторов

Разные виды трансформаторов используются практически во всех схемах питания электрических приборов и при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электростанции вырабатывают ток относительно небольшого напряжения – 220, 380, 660В. Трансформаторы, повышая напряжение до значений порядка тысяч киловольт, позволяют существенно снизить потери при передаче электроэнергии на большие расстояния, а заодно и уменьшить площадь сечения проводов ЛЭП.

Непосредственно перед тем как попасть к потребителю (например, в обычную домашнюю розетку), ток проходит через понижающий трансформатор. Именно так мы получаем привычные нам 220 Вольт.

Самый распространенный вид трансформаторов – силовые трансформаторы. Они предназначены для преобразования напряжения в электрических цепях. Помимо силовых трансформаторов в различных электронных приборах применяются:

• импульсные трансформаторы;
• силовые трансформаторы;
• трансформаторы тока.

Принцип работы трансформатора

Трансформаторы бывают однофазные и многофазные, с одной, двумя или большим количеством обмоток. Рассмотрим схему и принцип работы трансформатора на примере простейшего однофазного трансформатора.

Кстати, в других статьях можно почитать, что такое фаза и ноль в электричестве.

Из чего состоит трансформатор? Во простейшем случае из одного металлического сердечника и двух обмоток. Обмотки электрически не связаны одна с другой и представляют собой изолированные провода.

Одна обмотка (ее называют первичной) подключается к источнику переменного тока. Вторая обмотка, называемая вторичной, подключается к конечному потребителю тока.

Когда трансформатор подключен к источнику переменного тока, в витках его первичной обмотки течет переменный ток величиной I1. При этом образуется магнитный поток Ф, который пронизывает обе обмотки и индуцирует в них ЭДС.

Бывает, что вторичная обмотка не находится под нагрузкой. Такой режимы работы трансформатора называется режимом холостого хода. Соответственно, если вторичная обмотка подключена к какому-либо потребителю, по ней течет ток I2, возникающий под действием ЭДС.

Величина ЭДС, возникающей в обмотках, напрямую зависит от числа витков каждой обмотки. Отношение ЭДС, индуцированных в первичной и вторичной обмотках, называется коэффициентом трансформации и равно отношению количества витков соответствующих обмоток.

Путем подбора числа витков на обмотках можно увеличивать или уменьшать напряжение на потребителе тока с вторичной обмотки.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд — ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!