Режимы работы трансформатора

СОДЕРЖАНИЕ:

Режимы работы трансформаторов — Эксплуатация силовых масляных трансформаторов 35-110 кВ

Оглавление
Эксплуатация силовых масляных трансформаторов 35-110 кВ
Общие требования к трансформаторным установкам
Меры безопасности при эксплуатации трансформаторов
Подготовка и включение в работу
Режимы работы трансформаторов
Аварийные режимы, неисправности
Техническое обслуживание трансформаторов
Устройства переключения отпаек
Эксплуатация трансформаторного масла
Ремонт трансформаторов
Объем и периодичность работ по техобслуживанию трансформаторов

7. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

7.1. Нормальные режимы

7.1.1. Нормальными режимами работы считаются такие, на которые рассчитан трансформатор и при которых он может длительно работать при допустимых стандартами или техническими условиями отклонениях основных параметров (напряжение, ток, частота, температура отдельных элементов) и нормальных условиях работы (климат, высота установки над уровнем моря).
Номинальные значения основных параметров трансформатора указаны на его щитке и в паспорте.
7.1.2. Эксплуатация трансформатора допускается только при условии защиты его обмоток вентильными разрядниками или ограничителями перенапряжения, постоянно подключенными к обмоткам согласно требований “Правил устройства электроустановок”.
7.1.3. Неиспользуемые обмотки стороны НН (СН) трехобмоточного трансформатора при эксплуатации должны быть соединены в треугольник. При этом все три фазы должны быть защищены вентильными разрядниками или ограничителями перенапряжения соответствующего класса напряжения.
7.1.4. Нейтрали обмоток высшего напряжения трансформаторов напряжением 110 кВ, с неполной изоляцией со стороны нейтрали, должны быть заземлены наглухо, за исключением случаев, обусловленных в п.7.1.5. Трансформаторы напряжением до 35 кВ могут работать с изолированной нейтралью, заземленной через дугогасящую катушку (дугогасительный реактор).
При суммарном токе дугогасящих катушек более 100 А присоединять их к одному трансформатору следует по согласованию с заводом – изготовителем.
7.1.5. Допускается работа трансформаторов напряжением 110кВ, которые имеют испытательное напряжение нейтрали 110кВ с разземленной нейтралью при условии присоединения к выводу нейтрали вентильного разрядника соответствующего класса изоляции. В этом случае необходимо принять соответствующие меры (при помощи устройств релейной защиты и автоматики, оперативные мероприятия и др.), которые бы исключали бы вероятность работы трансформатора в нормальном режиме на участок сети с изолированной нейтралью.
Работа с разземленной нейтралью трансформаторов на напряжение 110 кВ с испытательным напряжением нейтрали 85 кВ допускается при обосновании необходимыми расчетами.
7.1.6. Длительная работа трансформатора допускается при мощности не более номинальной при превышении напряжения, подводимого к любому ответвлению обмотки ВН, СН и НН, на 10 % сверх номинального напряжения данного ответвления обмотки.
При этом напряжение на какой – либо обмотке трансформатора на должно превышать наибольшего рабочего напряжения для данного класса напряжения, указанного в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Наибольшее рабочее напряжение

Класс напряжения

Наибольшее рабочее напряжение, кВ

7.1.7. Допускается длительная работа трансформатора, оборудованных устройством РПН с нагрузкой, которая равна номинальной мощности его обмоток на всех ответвлениях, кроме отдельных ответвлений обмотки ниже минус 5 % номинальной мощности.
Во время работы на ответвлениях ниже минус 5 % номинального напряжения мощность обмотки должна соответствовать неизменному для всех этих ступеней току ответвления ступени РПН минус 5 % номинального напряжения, а при отсутствии такого ответвления — ближайшему большему току (например, при диапазоне ± (6 х 2) % — номинальному току ответвления минус (3 х 2) %).
7.1.8. Допускается длительная перегрузка одной или двух обмоток трансформатора током, превышающим на 5 % номинальный ток ответвления, на которое включена соответствующая обмотка, если напряжение ни на одной из обмоток не превышает номинального напряжения соответствующего ответвления.
При этом для обмотки с ответвлением нагрузка не должна превышать 1,05 номинального тока ответвления, если напряжение на нем не превышает номинальное. Ток в общей обмотке трансформатора не должен превышать значения, указанного в паспорте.
7.1.9. Трехобмоточный трансформатор допускает любое распределение продолжительных нагрузок по его обмоткам при условии, что ни одна из трех обмоток не будет нагружена током, превышающим допустимый согласно 7.1.8.
7.1.10. Для трансформаторов с расщепленной обмоткой допускаются такие же перегрузки каждой ветви, отнесенные к ее номинальной мощности, как и для трансформаторов с нерасщепленной обмоткой.
Дополнительные перегрузки одной ветви за счет длительной недогрузки другой допускаются по согласованию с заводом – изготовителем.
7.1.11. В случае неравномерной нагрузки трансформатора по фазам значения перегрузок относятся к наиболее нагруженной обмотке наиболее нагруженной фазы.
7.1.12. Допустимые перегрузки трансформаторов с охлаждением вида “Д” при отключенных вентиляторах определяется по отношению к мощности (согласно с паспортом трансформатора), которую они имеют без дутья. (с охлаждением “М”).
7.1.13. Работа трансформаторов с охлаждением вида “Д” с отключенным дутьем допускается при следующих условиях:
— если нагрузка менее номинальной и температура верхних слоев масла не превышает плюс 55 °С;
— при минусовых температурах окружающего воздуха и при температуре верхних слоев масла не выше плюс 45 °С (вне зависимости от нагрузки).
7.1.14. Температура верхних слоев масла при нормальной нагрузке трансформатора и реактора и максимальной температуре охлаждающей среды (среднесуточная температура охлаждающего воздуха 30 °С) не должна превышать 95 °С для трансформаторов с охлаждением вида “М” и “Д”.
Температура верхних слоев масла трансформаторов зарубежного производства не должна превышать значений, указанных фирмой – производителем, а при их отсутствии — значений, установленных на основании тепловых испытаний либо данной инструкции.
Превышение указанного значения температуры свидетельствует о неисправности трансформатора, которую необходимо выявить и устранить.
7.1.15. Допускается параллельная работа двух — и трехобмоточных трансформаторов на всех обмотках, а также двухобмоточных с трехобмоточными, если ни одна из обмоток параллельно включенных трансформаторов не нагружена более ее допустимой нагрузочной способности. Параллельная работа трансформаторов с соотношением номинальных мощностей более трех не рекомендуется.
Условия параллельной работы трансформаторов:
— номинальные напряжения и коэффициенты трансформации обмоток должны быть одинаковыми. Допускаются различия для трансформаторов с коэффициентом трансформации меньше или равным 3 в пределах ± 1 %; для всех остальных — ± 0,5 %.
— значения напряжения короткого замыкания не должны отличаться более чем на ±10 %;
— группы соединения трансформаторов должны быть одинаковыми.

7.2. Нагрузочные режимы трансформаторов

7.2.1. В зависимости от характера суточного или годового графика нагрузки и температуры охлаждающей среды допускаются систематические и аварийные перегрузки трансформатора.
Допустимые систематические перегрузки превышают номинальную нагрузку трансформатора, однако они не вызывают сокращение срока его службы, так как при этом износ витковой изоляции не превышает нормального.
Допустимые аварийные перегрузки трансформатора вызывают повышенный, в сравнении с нормальным, износ витковой изоляции, что может привести к сокращению установленного срока службы трансформатора, если повышенный износ со временем не будет компенсирован нагрузкой с износом витковой изоляции ниже нормального.
7.2.2. Значения и длительность допустимых систематических и аварийных перегрузок определяются для прямоугольного двухступенчатого или многоступенчатого графика нагрузки, в которые должны быть преобразованы фактические графики нагрузок согласно с ГОСТ 14209 – 97, а для сухих трансформаторов – согласно с ДСТУ 2767 – 94.
Параметры реального графика нагрузки определяются по данным измерительных приборов, которыми оснащен трансформатор.
Нагрузка трансформатора сверх его номинальной мощности допускается только при исправной и полностью включенной системе охлаждения трансформатора.
7.2.3. Допустимые перегрузки трансформаторов, изготовленных по ГОСТ 401 – 41 устанавливаются по ГОСТ 14209 – 69, но эквивалентная температура принимается на 5 °С выше расчетной для данной местности. Не допускаются перегрузки этих трансформаторов при среднесуточной температуре охлаждающего воздуха выше 30 °С.
7.2.4. При определении допустимых систематических перегрузок температуру охлаждающей среды за период действия графика нагрузки принимают такой, которая равна среднему значению, если при этом температура положительная и не изменяется более чем на 12 °С. Если температура охлаждающей среды изменяется более чем на 12 °С или если значение температуры охлаждающей среды отрицательное, необходимо использовать эквивалентные значения температуры, рассчитанные согласно с ГОСТ 14209 – 97.
При определении допустимых нагрузок температуру охлаждающей среды принимают согласно с ее измеренным значением во время возникновения аварийной перегрузки.
7.2.5. Для трехобмоточного трансформатора допустимые перегрузки определяют для наиболее нагруженной фазы наиболее нагруженной обмотки.
7.2.6. Для суточного двухступенчатого прямоугольного графика нагрузки допустимые систематические нагрузки и аварийные перегрузки масляного трансформатора определяют согласно ГОСТ 14209 – 97, а для сухого трансформатора – согласно ДСТУ 2767 – 94.
7.2.7. Допустимые по величине и продолжительности аварийные перегрузки трансформатора указаны в приложении Е.
7.2.8. Граничные значения параметров, которые контролируются во время эксплуатации и ограничивают допустимые и аварийные перегрузки трансформаторов, приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 — граничные значения температуры и тока для режимов нагрузки трансформаторов, которая не превышает номинальную

Тип нагрузки

Трансформаторы мощностью до 2,5 МВ*А

Трансформаторы средней мощностью до 100 МВ*А

Режимы работы трансформатора

Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы средней школы (профильного и углубленного уровней).

Компьютерная программа иллюстрирует принцип действия трансформатора.

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы . Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная. Различают два режима работы трансформатора.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях. В режиме холостого хода , то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

Если полную ЭДС индукции, возникающую в первичной обмотке (имеющей витков) обозначить как , а полную ЭДС индукции, возникающую во вторичной обмотке ( витков) как , то имеет место следующее соотношение:

Активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах катушки приблизительно равен модулю ЭДС индукции.

Величина называется коэффициентом трансформации. При трансформатор является понижающим, а при – повышающим.

Если к концам вторичной обмотки присоединить нагрузку, потребляющую электроэнергию, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно уменьшить и ЭДС индукции в первичной обмотке. Но это невозможно, так как модуль напряжения на зажимах первичной катушки по прежнему приблизительно равен модулю ЭДС индукции. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи:

Таким образом, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

Компьютерная программа моделирует два режима работы трансформатора.

  • Трансформатор на холостом ходу (ненагруженный).
  • Нагруженный трансформатор.

В режиме холостого хода модель позволяет проводить эксперимент, изменяя число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора, напряжение на первичной обмотке (напряжение на вторичной обмотке изменяется автоматически, в соответствии с выбранными пользователем параметрами).

В режиме нагруженного трансформатора можно изменять число витков первичной и вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотке, сопротивление нагрузки. Выводятся значения напряжения на вторичной обмотке, а также силы тока в первичной и вторичной обмотках.

Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала в 11 классе по теме «Трансформатор». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися принцип действия трансформатора, его работу на холостом ходу и с нагрузкой.

Цель урока: рассмотреть принцип действия трансформатора, ввести понятие холостого хода трансформатора, коэффициента трансформации.

Режимы работы трансформатора — Тепловая диаграмма трансформатора

Содержание материала

Тепловой режим трансформатора, находящегося под нагрузкой, характеризуется тепловой диаграммой, которая наглядно показывает изменение температуры масла и обмотки по высоте трансформатора.

Согласно действовавшему до 1985 г. ГОСТ 14209—69* для трансформаторов с различными системами охлаждения установлены нормированные значения:
температуры охлаждающей среды;
превышения температуры масла над температурой охлаждающей среды (в верхних слоях масла т>м и в средней по высоте части трансформатора);
превышения температуры обмотки в верхних слоях масла и в средней части трансформатора (средняя температура обмотки) Фобм.ср
температуры обмотки в наиболее нагретой точке и соответствующего превышения температуры;
превышения температуры в наиболее нагретой точке обмотки над средней температурой обмотки еср и над температурой обмотки в верхних слоях масла е;
градиент превышения температуры обмотки над температурой масла g.
ГОСТ 14209—85 сохраняет математическую модель расчета температуры масла в верхних слоях, температуры наиболее нагретой точки обмотки и относительного износа изоляции, установленную ГОСТ 14209—69. Сохранены шестиградусное правило старения изоляции, максимально допустимые температуры масла в верхних слоях при систематических нагрузках (95 °С) и при аварийных перегрузках (115 °С), нормированное (базовое) значение температуры обмотки в наиболее нагретой точке (98 °С). Сохранен также вид тепловой диаграммы трансформатора.
Установлены следующие ограничения на максимально допустимую температуру в наиболее нагретой точке обмотки:
160 °С — для аварийных перегрузок трансформаторов на 110 кВ и ниже;
140 °С — для аварийных перегрузок трансформаторов на 110 кВ и выше;
140 °С — для систематических нагрузок.
Максимально возможные систематические перегрузки — 1,5, аварийные — 2,0. Максимально допустимые систематические нагрузки и аварийные перегрузки трансформаторов определяются по таблицам в зависимости от времени (длительности) перегрузки и соотношения начальной и повышенной нагрузок.
Тепловые диаграммы для трансформаторов с системами охлаждения М и Д, ДЦ и Ц при номинальных условиях даны на рис. 1.
При отклонении режима трансформатора от номинального возникает необходимость расчета температур обмотки и масла.
* ГОСТ 14209—85, введенный в действие (с I июля 1985 г.), несколько изменил методику определения допустимых нагрузок силовых масляных трансформаторов общего назначения.

Рис. 1. Тепловые диаграммы трансформаторов с различными системами охлаждения: а — с системами М и Д; б — с системами ДЦ и Ц

Согласно ГОСТ 14209—69 и рекомендациям МЭК при расчетах нагрузочной способности трансформаторов принимают d= 5. Согласно рекомендациям МЭК в (4.2) можно принимать т = 0,9 для трансформаторов с системами охлаждения М и Д и т = 1 для трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц.

Согласно рекомендациям МЭК п = 0,8 для трансформаторов с системами охлаждения МиДия = 0,9 для трансформаторов с системами охлаждения ДЦ и Ц.

Режимы работы трансформатора

страница 1/5
Дата 01.03.2020
Размер 74.82 Kb.
Название файла 1_29_Режимы_Трансформаторы.doc
Тип Конспект

    Навигация по данной странице:
  • Режимы работы трансформатора 1. Режим холостого хода
  • Нагрузочный режим
  • Режим короткого замыкания
Конспект лекций
1.7. Трансформаторы
Режимы работы трансформатора. Потери энергии и КПД трансформатора. Типы трансформаторов, в т.ч. специальные трансформаторы

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода – это такой режим трансформатора, когда его вторичная обмотка незамкнута, т.е. нагрузка отсутствует.

Т.к. при х.х трансформатора во вторичной обмотке ток не протекает, то согласно закону Ома для полной цепи (U=Е-Ir), напряжении на зажимах вторичной обмотки равно U2. С другой стороны, I1 мал, с достаточной точностью можно считать, что U1≈ Е1. П оэтому отношение ЭДС можно заменить отношением напряжений:

Коэффициентом трансформации называется отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора.

С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также магнитные потери (потери в сердечнике).

Ток холостого хода I силовых трансформаторов составляет (2-10)% от номинального значения, а во вторичной обмотке I2=0. Потери энергии в меди незначительны. Мощность холостого хода характеризует потери электрической энергии в сердечнике.

Поэтому потери, определенные в опыте х.х., называют потерями в стали. Эти потери обусловлены гистерезисом и вихревыми токами.

2. Нагрузочный режим . Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепью трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Структурно-логическая схема физических процессов трансформатора при нагрузке

Переменное напряжение U1 на входе трансформатора создает переменный ток I1, образующий МДС первичной обмотки F1= I1 w1, действующую по контуру магнитной цепи и создающую переменный магнитный поток Ф. Этот поток, с одной стороны, индуцирует в первичной обмотке эдс самоиндукции Е1, которая по закону Ленца, уравновешивает действие напряжения U1. С другой стороны, переменный магнитный поток индуцирует эдс Е2 во вторичной обмотке трансформатора. Эта эдс создает ток I2, который образует МДС вторичной обмотки F2= I2 w2. По правилу Ленца, F2 противодействует магнитному потоку Ф, вызывающему эту МДС, т.е. противодействует МДС F1.При этом значение тока I1 строго определенное – такое, чтобы вызвать эдс Е1, уравновешивающую действие U1 полностью.

Таким образом, с увеличением тока I2 возрастает МДС F2= I2 w2, стремящаяся уменьшить магнитный поток Ф. Но уменьшение Ф приводит к уменьшению Е1 (по формуле ) и нарушению равновесия между U1 и Е1, вызывающему увеличение тока I1 до такого значения, чтобы восстановить прежнее значение магнитного потока и эдс Е1. Итак, при изменении нагрузки трансформатора значение магнитного потока практически не изменяется.

3. Режим короткого замыкания . Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко.

С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение небольшой величины (0,05-0,1)U1ном, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчетному) току трансформатора. Поэтому магнитный поток, а значит и магнитные потери невелики, Рм≈0. Следовательно показание ваттметра будет равно номинальной мощности электрических потерь.

Назначение, устройство и принцип действия трансформатора. Однофазный трансформатор и режимы его работы.

Трансформатором называют электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы широко применяются в системах передачи и распределения электрической энергии. Используются повышающие и понижающие трансформаторы.

Преобразование напряжение в трансформаторе осуществляется переменным магнитным потоком индуктивно – связанных между собой двух обмоток. Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной, другая обмотка, на которую включена нагрузка — вторичной. Если через транс форматор необходимо осуществить питание двух и более нагрузок с разным напряжением, то выполняется соответствующее число вторичных обмоток.

Для усиления индуктивной (магнитной) связи между обмотками их помещают на ферромагнитный сердечник, называемый магнитопроводом.

По назначению трансформаторы делятся на силовые и специального назначения (измерительные, сварочные, пиктрансформаторы, согласующие и др.).

Силовые трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, повышающие и понижающие. По способу охлаждения они делятся на воздушные и масляные

Основными частями трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод собирается из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, называют стержнями. Части магнитопровода замыкающие стержни, называют ярмом.

Однофазные трансформаторы в зависимости от формы магнитопровода и расположения обмоток подразделяются на стержне вые и броневые. Сечение стержней у маломощных трансформаторов выполняется прямоугольным, у мощных — в виде ступенчатой фигуры, вписанной в окружность.

В зависимости от значения сопротивления нагрузки различают три режима работы трансформатора: Zн, = ∞ — режим холостого хода; О

Действующие значения этих эдс, так же как и в катушке с ферромагнитным сердечником, равны:

Отношение называют коэффициентом трансформации.

Вследствие перемагничивания магнитопровода в нем возникают потери мощности, которые называют потерями холостого хода. Можно считать, что мощность Ро, потребляемая из сети трансформатором режиме х. х., идет в основном на покрытие потерь в магнитопроводе, так как потери в обмотке R1I 2 10 сравнительно малы. Ток холостого хода I10 содержит активную и реактивную составляющие , где

Режим короткого замыкания (к. з.) для силового трансформатора является аварийным. Однако некоторые специальные трансформаторы рассчитываются для работы в режиме, близком к короткому замыканию. Это сварочные трансформаторы, измерительные трансформаторы тока и др.

При работе трансформатора в режиме нагрузки (Zн ≠ 0) во вторичной цепи под воздействием Е2 появится ток I2. Основной магнитный поток Ф создается совместным действием мдс первичной и вторичной обмоток. Результирующая мдс равны их геометрической сумме:

Последнее изменение этой страницы: 2020-12-10; Нарушение авторского права страницы

Режимы работы трансформаторов тока

а)Работа ТТ при КЗ в контролируемой сети.Трансформаторы тока являются одним из основных звеньев релейной защиты. Поэтому они должны быть термически и динамически стойкими и обладать погрешностью, обеспечивающей нормальную работу релейной защиты. При больших кратностях первичного тока магнитопровод ТТ насыщается и погрешность резко растет.

Практика показала, что если полная погрешность достигла 10 %, то при дальнейшем возрастании первичного тока она столь быстро увеличивается, что нормальная работа релейной защиты невозможна. Поэтому номинальная предельная кратность ТТ должна быть выше отношения тока КЗ к номинальному. Типичная зависимость номинальной предельной кратности от сопротивления нагрузки показана на рис. 8.1.2. Уменьшая сопротивление нагрузки, можно увеличивать и номинальную предельную кратность.

Рис. 8.1.2. Зависимость номинальной предельной кратности от сопротивления нагрузки

Трансформаторы, предназначенные для дифференциальной защиты, выбираются с одинаковой номинальной предельной кратностью. При этом ток небаланса защиты, равный разности вторичных токов трансформаторов (при одинаковом первичном токе), получается небольшим.

При КЗ вследствие насыщения магнитопровода кривая вторичного тока резко отличается от синусоиды. Приближенно максимальную кратность вторичного тока можно найти по формуле

где Bs индукция насыщения (для электротехнической’ стали Bs 2Тл); BтН0М — амплитуда индукции при номинальном первичном токе.

Трансформаторы с многовитковой первичной обмоткой при КЗ в контролируемой сети подвергаются повышенной электрической нагрузке. Индуктивное сопротивление такой обмотки соизмеримо с сопротивлением остальной короткозамкнутой цепи. При этом на обмотку может ложиться существенная часть напряжения сети, вследствие чего возможен пробой междувитковой изоляции.

б) Работа ТТ при наличии в токе КЗ апериодической составляющей. При установившемся режиме в первичной обмотке протекает синусоидальный ток неизменной амплитуды. В действительности начало КЗ характеризуется переходным процессом при наличии апериодической составляющей тока. Наиболее тяжёлый случай для ТТ возникает, когда начальное значение апериодической составляющей равно амплитуде переменной составляющей. Рассмотрим изменение токов ТТ в переходном режиме.

На рис.8.1.3 показано изменение во времени апериодических составляющих первичного тока i’1апер, вторичного тока i2апер и намагничивающего тока

i’0апер. В момент t , когда составляющая i’0апер проходит через максимум, апериодическая составляющая вторичного тока i2апер проходит через нуль. Из-за наличия апериодической составляющей i’0апер кривая i2апер идет ниже кривой i’1апер При этом происходит насыщение магнитопровода и возникают большие погрешности по току и углу, осложняющие работу релейной защиты. Для снижения погрешностей ТТ выполняются с немагнитным зазором, наличие которого предотвращает насыщение магнитопровода под воздействием апериодической составляющей индукции.

Рис. 8.1.3. Изменение токов ТТ в переходном режиме:

i’1апер, i2апер, i’0апер – кривые апериодической составляющей первичного, вторичного тока и апериодической составляющей намагничивающего тока

в) Работа ТТ при разомкнутой вторичной обмотке.При эксплуатации ТТ возможны случаи, когда вторичная обмотка( ) оказывается разомкнутой. В нормальном режиме:МДС IQw1 составляет проценты или даже доли процента МДС F1. Амплитуда магнитной индукции составляет 0,06—0,1 Тл.

При размыкании вторичной обмотки F2 = 0 и размагничивающее действие вторичной МДС прекращается. Ток в первичной цепи остается неизменным, и первичная МДС целиком идет на намагничивание магнитопровода. Это приводит к его насыщению и появлению высокой ЭДС на разомкнутой вторичной обмотке.

Рис. 8.1.4. Изменение индукции В и вторичной ЭДС е2 во времени при разомкнутой вторичной обмотке

Примерные кривые изменения индукции В и вторичной ЭДС е2 показаны на рис.8.1.4. Чем больше первичная номинальная МДС I1НОМw1, тем больше амплитудное значение е2, которое может достигать десятка киловольт. Такое напряжение опасно для изоляции трансформатора и обслуживающего персонала.

При насыщении магнитопровода в нем резко возрастают активные потери,

за счет которых температура изоляции может существенно превысить допустимые значения.

Режим разомкнутой вторичной обмотки является для трансформатора тока аварийным, что необходимо предусматривать при проектировании цепей релейной защиты. Обычно вторичная обмотка выводится на дополнительные контакты К с перемычкой (см. рис. 8.1.5). Перед отключением от вторичной обмотки измерительного прибора она вначале шунтируется этой перемычкой.

Рис. 8.1.5. Схема включения трансформатора тока

Дата добавления: 2020-05-02 ; просмотров: 3005 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Трансформатор

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты [1] [2] .

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнитомягкого материала.

Содержание

История [ править ]

Для создания трансформаторов необходимо было изучение свойств материалов: неметаллических, металлических и магнитных, создания их теории [3] .

В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества. 29 августа 1831 года Фарадей описал в своем дневнике опыт, в ходе которого он намотал на железное кольцо диаметром 15 см и толщиной 2 см два медных провода длиной 15 и 18 см. При подключении к зажимам одной обмотки батареи гальванических элементов, начинал отклоняться гальванометр на зажимах другой обмотки. Так как Фарадей работал с постоянным током, то при достижении в первичной обмотке максимального значения тока, ток во вторичной обмотке исчезал и для возобновления эффекта трансформации требовалось отключить и снова подключить батарею к первичной обмотке.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах М. Фарадея и Д. Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока [4] .

В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора [3] .

Столетов Александр Григорьевич (профессор Московского университета) сделал первые шаги в этом направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1872 год).

30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем [5] , считается датой рождения первого трансформатора переменного тока. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.

Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон [4] . В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов.

Братья Гопкинсон разработали теорию электромагнитных цепей [3] . В 1886 году они научились рассчитывать магнитные цепи.

Эптон, сотрудник Эдисона, предложил делать сердечники наборными, из отдельных листов, чтобы ограничить вихревые токи.

Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д. Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток [6] .

С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трёхфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка» и трёхфазной обмоткой на роторе (трёхфазный асинхронный двигатель изобретён Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 кВ.

1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод) [7] .

В начале 1900-х английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния [8] .

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз [8] .

Базовые принципы действия [ править ]

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

  1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
  2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Форма напряжения во вторичной обмотке связана с формой напряжения в первичной обмотке довольно сложным образом. Благодаря этой сложности удалось создать целый ряд специальных трансформаторов, которые могут выполнять роль усилителей тока, умножителей частоты, генераторов сигналов и т. д.

Исключение — силовой трансформатор . В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Закон Фарадея [ править ]

ЭДС, создаваемая во вторичной обмотке, может быть вычислена по закону Фарадея, который гласит: где

— напряжение на вторичной обмотке, — число витков во вторичной обмотке, — суммарный магнитный поток, через один виток обмотки. Если витки обмотки расположены перпендикулярно линиям магнитного поля, то поток будет пропорционален магнитному полю и площади через которую он проходит.

ЭДС, создаваемая в первичной обмотке, соответственно:

— мгновенное значение напряжения на концах первичной обмотки, — число витков в первичной обмотке.

Поделив уравнение на , получим отношение [9] :

Уравнения идеального трансформатора [ править ]

Идеальный трансформатор — трансформатор, у которого отсутствуют потери энергии на гистерезис и вихревые токи и потоки рассеяния обмоток [11] . В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и затем в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия равна преобразованной энергии:

— мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, которая возникает в первичной цепи, — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь.

Соединив это уравнение с отношением напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора:

Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки , уменьшается ток вторичной цепи .

Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения [12] . Например, сопротивление подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для первичной цепи: . Формально идеальный трансформатор описывается с помощью модели четырёхполюсника.

Модель реального трансформатора [ править ]

В модели идеального трансформатора для упрощения не учитываются некоторые явления, наблюдаемые на практике и которыми не всегда можно пренебречь:

Наличие ненулевого тока холостого хода [ править ]

В общем случае для магнитоэлектрической системы, которой является и реальный трансформатор, циркуляция вектора напряжённости магнитного поля по контуру равна полному току, находящемуся внутри контура.

Математически описание этого явления производится с помощью уравнения полного тока. В системе СИ оно будет иметь следующий вид: , где

— вектор напряжённости магнитного поля, [А/м]; — элементарный участок контура интегрирования (векторная величина), [м]; — суммарный ток, охватываемый контуром интегрирования. — токи переходных процессов, возникающие в трансформаторе.

Применительно к двухобмоточному трансформатору под нагрузкой закон полного тока можно упрощённо записать как:

— напряжённость магнитного поля в магнитопроводе (полагается постоянной); — длина средней линии магнитопровода; — магнитодвижущая сила (далее МДС) первичной обмотки; — МДС вторичной обмотки; — токи протекающие по обмоткам; — количество витков в обмотках.

Для холостого хода, то есть при получаем , откуда и тогда из при получится соотношение для идеального трансформатора тока: .

В ряде случаев учёт тока холостого хода обязателен:

  • Включение трансформатора под напряжение. При этом на первичной обмотке трансформатора будут наблюдаться кратковременные всплески тока, достигая величины (в пике) в несколько раз больше номинального первичного тока. Высота пиков зависит от нагрузки, момента включения (наибольшая величина при включении ненагруженного трансформатора, в момент, когда мгновенное значение сетевого напряжения равно нулю), мощности, конструкционных параметров трансформатора. Явление всплесков первичного тока учитывается при расчёте токовых защит трансформатора, выборе коммутационной аппаратуры, питающих линий и пр.
  • Наличие тока холостого хода приводит к тому, что токи в первичной и вторичной обмотках не сдвинуты друг относительно друга на 180°. Разница между действительным и идеальным углами взаимного сдвига называется «углом погрешности» . Кроме того, соотношение токов по модулю не будет составлять . Разница между действительным соотношением токов и идеальным называется «погрешностью по величине». Погрешности по углу и величине учитываются в виде нормирования по классам точности при изготовлении трансформаторов тока (особенно в цепях учёта электроэнергии). Для трансформаторов тока, предназначенных для защит вводится величина общей погрешности (получающаяся как разница между векторами первичного и вторичного тока), учитывающее погрешности как по величине так и по углу — для правильного действия защиты должна быть не более 10 % (при максимально возможном токе короткого замыкания).

Наличие межобмоточной, межслоевой и межвитковой ёмкостей [ править ]

Наличие проводников, разделённых диэлектриком приводит к возникновению паразитных ёмкостей между обмотками, слоями и витками. Моделирование этого явления производится введением т. н. продольных и поперечных ёмкостей. К поперечным относят межслоевую и межобмоточные ёмкости. К продольным — межвитковые и межкатушечные. Через ёмкости могут из первичной во вторичную обмотку проникать высокочастотные помехи, что нежелательно для некоторых применений трансформатора (устраняется межобмоточным заземляемым экраном). Данные эквивалентные ёмкости только в первом приближении можно считать сосредоточенными; в действительности эти величины являются распределёнными. Распределёнными являются и индуктивности рассеяния. В нормальном режиме эксплуатации напряжение равномерно распределяется по обмоткам, линейно изменяясь по виткам и слоям (для заземлённых обмоток — от фазного значения до нуля). При различных переходных процессах, связанных с резким изменением напряжения на обмотке начинаются волновые процессы, обусловленные распределёнными ёмкостями. Особенно ярко это проявляется при грозовых и коммутационных перенапряжениях с очень крутым (порядка нескольких микросекунд для грозовых импульсов и несколько десятков микросекунд для коммутационных импульсов) передним фронтом, такие помехи имеют спектр с высокочастотными гармониками большой амплитуды. При этом распределение напряжения в начальный момент времени по обмоткам становится крайне неравномерным и большая часть напряжения падает на витках и слоях, расположенных ближе к фазным выводам, эти части обмотки подвергаются наибольшей опасности пробоя, что должно учитываться в конструкции трансформаторов (в основном силовых высоковольтных). Кроме того наличие распределённых (продольных и поперечных) ёмкостей и индуктивностей приводит к созданию в трансформаторе паразитных колебательных контуров и при импульсах напряжения, проникающих в обмотку трансформатора происходит высокочастотный затухающий колебательный процесс (в начальный период напряжение будет прикладываться к начальным виткам обмотки, затем распределение на обмотке меняется на противоположное и большая часть уже прикладывается к конечным виткам и т. д.). Данный эффект должен также учитываться для некоторых конструкций трансформаторов» [13]

Кроме того, реактивные параметры обмоток, а также частотные свойства сердечника реального трансформатора определяют диапазон его рабочих частот, в котором коэффициент трансформации, фазовый сдвиг и форма выходного напряжения мало зависят от частоты (важно для разделительных и согласующих трансформаторов в сигнальных цепях).

Наличие нелинейной кривой намагничивания [ править ]

В большинстве трансформаторов применяются ферромагнитные сердечники для большего значения ЭДС, индуктируемого во вторичных обмотках. Ферромагнетики имеют крайне нелинейную характеристику намагничивания с насыщением и неоднозначностью (гистерезисом), которой обусловливается характер напряжений и токов в трансформаторе: при глубоком насыщении трансформатора первичный ток резко возрастает, его форма становится несинусоидальной: в нём появляются составляющие третьей гармоники. Нелинейная индуктивность (связанная с наличием нелинейной кривой намагничивания) в сочетании с внешней ёмкостной нагрузкой (трансформатор и ёмкость сети) могут создать феррорезонансный режим с опасностью выхода из строя трансформатора (особенно к этому чувствительны трансформаторы напряжения). Гистерезис обусловливает дополнительные потери в сердечнике и остаточную намагниченность. Потери на нагрев в сердечнике обуславливаются эффектом вихревых токов, для уменьшения которых приходится производить магнитопроводы, состоящие из пластин (шихтование) и использовать ферромагнетики с высоким удельным сопротивлением (кремнистая трансформаторная сталь, ферриты).

Режимы работы трансформатора [ править ]

1. Режим холостого хода . Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т. н. «потери в стали»).

2. Режим нагрузки . Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенным источником в первичной, и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. Во вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

3. Режим короткого замыкания . Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода [ править ]

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Векторная диаграмма напряжений и токов в трансформаторе на холостом ходу при согласном включении обмоток приведена в [14] на рис.1.8 б).

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания [ править ]

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Напряжение короткого замыкания (определяется в % от номинального напряжения), полученное с помощью опыта короткого замыкания является одним из важных параметров трансформатора. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания .

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки [ править ]

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом:

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке. Векторная диаграмма напряжений и токов в трансформаторе с нагрузкой при согласном включении обмоток приведена в [14] на рис.1.6 в).

Теория трансформаторов [ править ]

Уравнения линейного трансформатора [ править ]

Пусть , — мгновенные значения тока в первичной и вторичной обмотке соответственно, — мгновенное напряжение на первичной обмотке, — сопротивление нагрузки. Тогда

Здесь , — индуктивность и активное сопротивление первичной обмотки, , — то же самое для вторичной обмотки, — взаимная индуктивность обмоток. Если магнитный поток первичной обмотки полностью пронизывает вторичную, то есть если отсутствует поле рассеяния, то . Индуктивности обмоток в первом приближении пропорциональны квадрату количества витков в них.

Мы получили систему линейных дифференциальных уравнений для токов в обмотках. Можно преобразовать эти дифференциальные уравнения в обычные алгебраические, если воспользоваться методом комплексных амплитуд.

Для этого рассмотрим отклик системы на синусоидальный сигнал ( , где — частота сигнала, — мнимая единица).

Тогда и т. д., сокращая экспоненциальные множители получим

Метод комплексных амплитуд позволяет исследовать не только чисто активную, но и произвольную нагрузку, при этом достаточно заменить сопротивление нагрузки её импедансом . Из полученных линейных уравнений можно легко выразить ток через нагрузку, воспользовавшись законом Ома — напряжение на нагрузке, и т. п.

Т-образная схема замещения трансформатора [ править ]

На рисунке показана эквивалентная схема трансформатора с подключенной нагрузкой, как он видится со стороны первичной обмотки.

Здесь — коэффициент трансформации, — «полезная» индуктивность первичной обмотки, , — индуктивности первичной и вторичной обмотки, связанные с рассеянием, , — активные сопротивления первичной и вторичной обмотки соответственно, — импеданс нагрузки.

Потери в трансформаторах [ править ]

Потери в сердечнике [ править ]

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные стальные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.

Потери в обмотках [ править ]

Кроме «потерь в железе», в трансформаторе присутствуют «потери в меди», обусловленные ненулевым активным сопротивлением обмоток (которое зачастую невозможно сделать пренебрежимо малым , потому что требует увеличения сечения провода, что приводит к увеличению необходимых габаритов сердечника). Это приводит к нагреву обмоток при работе под нагрузкой и нарушению соотношения между количеством витков и напряжением обмоток, верного для идеального трансформатора:

Габаритная мощность [ править ]

Габаритная мощность трансформатора описывается следующей формулой:

  • — первичной обмотки
  • — вторичной обмотки

Габаритная мощность, как следует из названия, определяется габаритами сердечника и материалом, его магнитными и частотными свойствами.

КПД трансформатора [ править ]

КПД трансформатора находится по следующей формуле:

— потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку — относительная степень нагружения (при номинальном токе ).

Конструкция [ править ]

Основными частями конструкции трансформатора являются:

  • магнитопровод;
  • обмотки;
  • каркас для обмоток;
  • изоляция;
  • система охлаждения;
  • прочие элементы (для монтажа, доступа к выводам обмоток, защиты трансформатора и т. п.).

В практичной конструкции трансформатора производитель выбирает между тремя различными базовыми концепциями:

Любая из этих концепций не влияет на эксплуатационные характеристики или эксплуатационную надёжность трансформатора, но имеются существенные различия в процессе их изготовления. Каждый производитель выбирает концепцию, которую он считает наиболее удобной с точки зрения изготовления, и стремится к применению этой концепции на всём объёме производства.

В то время как обмотки стержневого типа заключают в себе сердечник, сердечник броневого типа заключает в себе обмотки. Если смотреть на активный компонент (т. e. сердечник с обмотками) стержневого типа, обмотки хорошо видны, но они скрывают за собой стержни магнитной системы сердечника. Видно только верхнее и нижнее ярмо сердечника. В конструкции броневого типа сердечник скрывает в себе основную часть обмоток.

Ещё одно отличие состоит в том, что ось обмоток стержневого типа, как правило, имеет вертикальное положение, в то время как в броневой конструкции она может быть горизонтальной или вертикальной.

Магнитная система (магнитопровод) [ править ]

Магнитная система (магнитопровод) трансформатора выполняется из электротехнической стали, пермаллоя, феррита или другого ферромагнитного материала в определённой геометрической форме. Предназначается для локализации в нём основного магнитного поля трансформатора. Магнитопровод в зависимости от материала и конструкции может набираться из пластин, прессоваться, навиваться из тонкой ленты, собираться из 2-х, 4-х и более «подков». Магнитная система в полностью собранном виде совместно со всеми узлами и деталями, служащими для скрепления отдельных частей в единую конструкцию, называется остовом трансформатора.

Часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки трансформатора, называется стержень.
Часть магнитной системы трансформатора, не несущая основных обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи, называется ярмо [1]

В зависимости от пространственного расположения стержней, выделяют:

  1. Плоская магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости
  2. Пространственная магнитная система — магнитная система, в которой продольные оси стержней или ярм, или стержней и ярм расположены в разных плоскостях
  3. Симметричная магнитная система — магнитная система, в которой все стержни имеют одинаковую форму, конструкцию и размеры, а взаимное расположение любого стержня по отношению ко всем ярмам одинаково для всех стержней
  4. Несимметричная магнитная система — магнитная система, в которой отдельные стержни могут отличаться от других стержней по форме, конструкции или размерам или взаимное расположение какого-либо стержня по отношению к другим стержням или ярмам может отличаться от расположения любого другого стержня

Обмотки [ править ]

Основным элементом обмотки является виток — электрический проводник, или ряд параллельно соединённых таких проводников (многопроволочная жила), однократно обхватывающий часть магнитной системы трансформатора, электрический ток которого совместно с токами других таких проводников и других частей трансформатора создаёт магнитное поле трансформатора и в котором под действием этого магнитного поля наводится электродвижущая сила.

Обмотка — совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведённые в витках. В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток одного напряжения трёх фаз, соединяемых между собой.

Сечение проводника обмотки в силовых трансформаторах обычно имеет квадратную форму для наиболее эффективного использования имеющегося пространства (для увеличения коэффициента заполнения в окне сердечника). При увеличении площади сечения проводника он может быть разделён на два и более параллельных проводящих элементов с целью снижения потерь на вихревые токи в обмотке и облегчения функционирования обмотки. Проводящий элемент квадратной формы называется жилой.

Каждая жила изолируется при помощи либо бумажной обмотки, либо эмалевого лака. Две отдельно изолированных и параллельно соединённых жилы иногда могут иметь общую бумажную изоляцию. Две таких изолированных жилы в общей бумажной изоляции называются кабелем.

Особым видом проводника обмотки является непрерывно транспонированный кабель. Этот кабель состоит из жил, изолированных при помощи двух слоёв эмалевого лака, расположенных в осевом положении друг к другу, как показано на рисунке. Непрерывно транспонированный кабель получается путём перемещения внешней жилы одного слоя к следующему слою с постоянным шагом и применения общей внешней изоляции [15] .

Бумажная обмотка кабеля выполнена из тонких (несколько десятков микрометров) бумажных полос шириной несколько сантиметров, намотанных вокруг жилы. Бумага заворачивается в несколько слоёв для получения требуемой общей толщины.

Обмотки разделяют по:

  1. Назначению
    • Основные — обмотки трансформатора, к которым подводится энергия преобразуемого или от которых отводится энергия преобразованного переменного тока.
    • Регулирующие — при невысоком токе обмотки и не слишком широком диапазоне регулирования, в обмотке могут быть предусмотрены отводы для регулирования коэффициента трансформации напряжения.
    • Вспомогательные — обмотки, предназначенные, например, для питания сети собственных нужд с мощностью существенно меньшей, чем номинальная мощность трансформатора, для компенсации третьей гармонической магнитного поля, подмагничивания магнитной системы постоянным током, и т. п.
  2. Исполнению
    • Рядовая обмотка — витки обмотки располагаются в осевом направлении во всей длине обмотки. Последующие витки наматываются плотно друг к другу, не оставляя промежуточного пространства.
    • Винтовая обмотка — винтовая обмотка может представлять собой вариант многослойной обмотки с расстояниями между каждым витком или заходом обмотки.
    • Дисковая обмотка — дисковая обмотка состоит из ряда дисков, соединённых последовательно. В каждом диске витки наматываются в радиальном направлении в виде спирали по направлению внутрь и наружу на соседних дисках.
    • Фольговая обмотка — фольговые обмотки выполняются из широкого медного или алюминиевого листа толщиной от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных трансформаторов [ править ]

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

  • -соединение («звезда»), где каждая обмотка соединена одним из концов с общей точкой, называемой нейтральной. Различают «звезду» с выводом от общей точки (обозначение или ) и без него ( )
  • -соединение («треугольник»), где три фазных обмотки соединены последовательно
  • -соединение («зигзаг»). При данном способе соединения каждая фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей, размещенных на разных стержнях магнитопровода и соединенных последовательно, встречно. Полученные три фазные обмотки соединяются в общей точке, аналогично «звезде». Обычно применяется «зигзаг» с отводом от общей точки ( )

Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше, в любых комбинациях. Конкретный способ и комбинация определяются назначением трансформатора.

-соединение обычно применяется для обмоток, работающих под высоким напряжением. Это объясняется многими причинами:

  • обмотки трёхфазного автотрансформатора могут быть соединены только «звездой»;
  • когда вместо одного сверхмощного трёхфазного трансформатора применяют три однофазных автотрансформатора соединить их иным способом невозможно;
  • когда вторичная обмотка трансформатора питает высоковольтную линию, наличие заземленной нейтрали снижает перенапряжения при ударе молний. Без заземления нейтрали невозможна работа дифференциальной защиты линии, в части утечки на землю. При этом первичные обмотки всех принимающих трансформаторов на этой линии не должны иметь заземленной нейтрали;
  • существенно упрощается конструкция регуляторов напряжения (переключателей отпаек). Размещение отпаек обмотки с «нейтрального» конца обеспечивает минимальное количество групп контактов. Снижаются требования к изоляции переключателя, так как он работает при минимальном напряжении относительно Земли;
  • это соединение наиболее технологично и наименее металлоемко.

Соединение в «треугольник» применяется в трансформаторах, где одна обмотка уже соединена «звездой», в особенности с выводом нейтрали.

Эксплуатация все ещё широко распространённых трансформаторов со схемой Y/Y оправдана, если нагрузка на его фазы одинаковая (трёхфазный двигатель, трёхфазная электропечь, строго рассчитанное уличное освещение и пр.) Если же нагрузка несимметричная (бытовая и прочая однофазная), то магнитный поток в сердечнике выходит из равновесия, а нескомпенсированный магнитный поток (так называемый «поток нулевой последовательности») замыкается через крышку и бак, вызывая их нагрев и вибрацию. Первичная обмотка не может этот поток скомпенсировать, так как её конец соединен с виртуальной нейтралью, не соединенной с генератором. Выходные напряжения будут искажены (возникнет «перекос фаз»). Для однофазной нагрузки такой трансформатор по сути является дросселем с разомкнутым сердечником, и полное его сопротивление велико. Ток однофазного короткого замыкания будет сильно занижен по сравнению с расчётным (для трёхфазного короткого замыкания), что делает ненадежной работу защитной аппаратуры.

Если же первичная обмотка соединена треугольником (трансформатор со схемой Δ/Y), то обмотки каждого стержня имеют два вывода как к нагрузке, так и к генератору, и первичная обмотка может подмагничивать каждый стержень в отдельности, не влияя на два других и не нарушая магнитное равновесие. Однофазное сопротивление такого трансформатора будет близко к расчётному, перекос напряжения практически устранён.

С другой стороны, у обмотки треугольником усложняется конструкция переключателя отпаек (контакты под высоким напряжением).

Соединение обмотки треугольником позволяет циркулировать третьей и кратным ей гармоникам тока внутри кольца, образованного тремя последовательно соединёнными обмотками. Замыкание токов третьей гармоники необходимо для снижения сопротивления трансформатора несинусоидальным токам нагрузки (нелинейная нагрузка)и поддержания его напряжения синусоидальным. Третья гармоника тока во всех трёх фазах имеет одинаковое направление, данные токи не могут циркулировать в обмотке, соединённой звездой с изолированной нейтралью.

Недостаток троичных синусоидальных токов в намагничивающем токе может привести к значительным искажениям наведённого напряжения, в случаях, если у сердечника 5 стержней, или он исполнен в броневом варианте. Соединённая треугольником обмотка трансформатора устранит данное нарушение, так как обмотка с соединением треугольником обеспечит затухание гармонических токов. Иногда в трансформаторах предусмотрено наличие третичной Δ-соединённой обмотки, предусмотренной не для зарядки, а для предотвращения искажения напряжения и понижения полного сопротивления нулевой последовательности. Такие обмотки называются компенсационными. Распределительные трансформаторы, предназначенные для зарядки, между фазой и нейтралью на стороне первого контура, снабжены обычно соединённой треугольником обмоткой. Однако ток в соединённой треугольником обмотке может быть очень слабым для достижения минимума номинальной мощности, а требуемый размер проводника обмотки чрезвычайно неудобен для заводского изготовления. В подобных случаях высоковольтная обмотка может быть соединена звездой, а вторичная обмотка — зигзагообразно. Токи нулевой последовательности, циркулирующие в двух отводах зигзагообразно соединённой обмотки будут балансировать друг друга, полное сопротивление нулевой последовательности вторичной стороны главным образом определяется полем рассеяния магнитного поля между двумя разветвлениями обмоток, и выражается весьма незначительной цифрой.

При использовании соединения пары обмоток различными способами возможно достигнуть различных степеней напряжения смещения между сторонами трансформатора.

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 Yd11 означает, например, наличие 30º смещения нейтрали между напряжениями двух сторон

Этот раздел статьи ещё не написан.
Каждый электрик должен знать:  Разрешается ли прокладывать интернет кабель скрыто
Схемы и группы соединения обмоток трёхфазных двухобмоточных трансформаторов [16] [17] (не закончена, в работе)

Схема соединения обмоток Диаграмма векторов напряжения
холостого хода Прим.1
Условное
обозначение
ВН НН
Файл:Соединение Y-ВН.svg Файл:Соединение Д-НН.svg Файл:Диаграмма векторов напряжения холостого хода YД-11.svg У/Д-11

Примечание: на диаграмме зелёным цветом обозначены векторы обмотки «Звезда», синим — «Треугольник», красным — смещение вектора AB.

Каждый электрик должен знать:  Как подключить провода в распределительной коробке на розетку, люстру и выключатели

В железнодорожных трансформаторах также встречается группа соединений «разомкнутый треугольник — неполная звезда».

Бак [ править ]

Бак в первую очередь представляет собой резервуар для трансформаторного масла, а также обеспечивает физическую защиту для активного компонента. Он также служит в качестве опорной конструкции для вспомогательных устройств и аппаратуры управления.

Перед заполнением маслом бака с активным компонентом, из из него выкачивается весь воздух, который может подвергнуть опасности диэлектрическую прочность изоляции трансформатора (поэтому бак предназначен для выдерживания давления атмосферы с минимальной деформацией).

При увеличении номинальной мощности трансформатора воздействие больших токов внутри и снаружи трансформатора оказывает влияние на конструкцию. То же самое происходит с магнитным потоком рассеяния внутри бака. Вставки из немагнитного материала вокруг сильноточных проходных изоляторов снижают риск перегрева. Внутренняя облицовка бака из высокопроводящих щитков не допускает попадания потока через стенки бака. С другой стороны, материал с низким магнитным сопротивлением поглощает поток перед его прохождением через стенки бака.

Ещё одним явлением, учитываемым при проектировании баков, является совпадение звуковых частот, вырабатываемых сердечником трансформатора, и частот резонанса деталей бака, что может усилить шум, излучаемый в окружающую среду.

Конструкция бака допускает температурно-зависимое расширение масла. Исходя из этого трансформаторные баки делятся по конструктивному исполнению:

  1. Трансформаторы с гладким баком без расширителя (такая конструкция применяется для мощностей вплоть до 10кВА), выводы смонтированы на крышке. Температурная компенсация расширения масла производится за счёт неполного заполнения бака и создания в верхней части воздушной подушки.
  2. Трансформаторы с расширительным баком (вплоть до 63 кВА), выводы расположены на крышке.
  3. Трансформаторы с расширительным баком и радиаторами, выводы расположены на крышке. В старых конструкциях радиаторы выполнялись в виде гнутых труб, приваренных к баку — т. н. «трубчатый бак».
  4. Трансформаторы с расширительным баком, радиаторами и выводами на стенках бака на специальных фланцах (фланцевое крепление). Этот тип трансформатора имеет в обозначении литеру «Ф» и предназначается для непосредственной установки в производственном помещении («цеховое исполнение»).
  5. Трансформаторы с радиаторами, без расширителя, фланцевого крепления. Компенсация температурного расширения масла производится созданием в верхней части газовой подушки из инертного газа — азота (для исключения окисления масла воздухом). Такие трансформаторы также относятся к типу цеховых и имеют в обозначении литеру «З» — защищённое исполнение. Аварийный сброс давления производится специальным клапаном.
  6. Трансформаторы без расширителя, без радиаторов с гофробаком. Наиболее современная конструкция. Компенсация температурного изменения объёма масла происходит с помощью специальной конструкции бака с гофрированными стенками из тонкой стали (гофробак). Расширение масла сопровождается раздвиганием гофр бака. Аварийный сброс давления масла (например при внутренних повреждениях) производится специальным клапаном. Такие трансформаторы имеют в обозначении литеру «Г» — герметичное исполнение.

Виды трансформаторов [ править ]

Силовой трансформатор [ править ]

Силовой трансформатор переменного тока — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Слово «силовой» отражает работу данного вида трансформаторов с большими мощностями [18] . Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различной величиной рабочих напряжений ЛЭП (35-750 кВ), городских электросетей (как правило 6,10 кВ), напряжения, подаваемого конечным потребителям (0,4 кВ, они же 380/220 В) и напряжения, требуемого для работы электромашин и электроприборов (самые различные от единиц вольт до сотен киловольт).

Силовой трансформатор переменного тока используется для непосредственного преобразования напряжения в цепях переменного тока. Термин «силовой» показывает отличие таких трансформаторов от измерительных и специальных трансформаторов.

Автотрансформатор [ править ]

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно.

Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4. Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость.

Трансформатор тока [ править ]

Трансформа́тор то́ка — трансформатор, первичная обмотка которого питается от источника тока. Типичное применение — для снижения тока первичной обмотки до удобной величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации, кроме того, трансформатор тока осуществляет гальваническую развязку (в отличие от шунтовых схем измерения тока). Обычно номинальное значение тока вторичной обмотки распространённых трансформаторов 1 А или 5 А. Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с нагрузкой, переменный ток в которой необходимо контролировать, а во вторичную обмотку включаются измерительные приборы или исполнительные и индикаторные устройства, например, реле.

Вторичная обмотка токового трансформатора должна работать в режиме, близком к режиму короткого замыкания. При случайном или умышленном разрыве цепи вторичной обмотки на ней наводится очень высокое напряжение, которое может вызвать пробой изоляции, повреждение подключённых устройств.

При работе вторичной обмотки в режиме короткого замыкания отношение токов обмоток близко к (в идеальном случае равно) коэффициенту трансформации.

Трансформатор напряжения [ править ]

Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор [ править ]

Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса [19] . Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор [ править ]

Разделительный трансформатор — трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции [20] . Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор [ править ]

Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор [ править ]

Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель [ править ]

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) — конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор [ править ]

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.

Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации [21] [22] . Основное отличие от обычного трансформатора — это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

Вращающийся трансформатор [ править ]

Применяется для передачи сигнала на вращающиеся объекты, например на барабан блока магнитных головок в видеомагнитофонах [23] . Состоит из двух половин магнитопровода, каждая со своей обмоткой, одна из которой вращается относительно другой с минимальным зазором. Позволяет реализовать большие скорости вращения, при которых контактный способ съёма сигнала невозможен.

Обозначение на схемах [ править ]

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2 и 3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

При обозначении трансформатора жирной точкой около вывода могут быть указаны начала катушек (не менее чем на двух катушках, знаки мгновенно действующей ЭДС на этих выводах одинаковы). Применяется при обозначении промежуточных трансформаторов в усилительных (преобразовательных) каскадах для подчёркивания син- или противофазности, а также в случае нескольких (первичных или вторичных) обмоток, если соблюдение «полярности» их подключения необходимо для правильной работы остальной части схемы или самого трансформатора [24] . Если начала обмоток не указаны явно, то предполагается, что все они направлены в одну сторону (после конца одной обмотки — начало следующей).

В схемах трёхфазных трансформаторов «обмотки» располагают перпендикулярно «сердечнику» (Ш-образно, вторичные обмотки напротив соответствующих первичных), начала всех обмоток направлены в сторону «сердечника».

Применение [ править ]

Наиболее часто трансформаторы применяются в электросетях и в источниках питания различных приборов.

Поскольку потери на нагревание провода пропорциональны квадрату тока, проходящего через провод, при передаче электроэнергии на большое расстояние выгодно использовать очень большие напряжения и небольшие токи. Из соображений безопасности и для уменьшения массы изоляции в быту желательно использовать не столь большие напряжения. Поэтому для наиболее выгодной транспортировки электроэнергии в электросети многократно применяют силовые трансформаторы: сначала для повышения напряжения генераторов на электростанциях перед транспортировкой электроэнергии, а затем для понижения напряжения линии электропередач до приемлемого для потребителей уровня.

Поскольку в электрической сети три фазы, для преобразования напряжения применяют трёхфазные трансформаторы, или группу из трёх однофазных трансформаторов, соединённых в схему звезды или треугольника. У трёхфазного трансформатора сердечник для всех трёх фаз общий.

Несмотря на высокий КПД трансформатора (для трансформаторов большой мощности — свыше 99 %), в очень мощных трансформаторах электросетей выделяется большая мощность в виде тепла (например, для типичной мощности блока электростанции 1 ГВт на трансформаторе может выделяться мощность до нескольких мегаватт). Поэтому трансформаторы электросетей используют специальную систему охлаждения: трансформатор помещается в баке, заполненном трансформаторным маслом или специальной негорючей жидкостью. Масло циркулирует под действием конвекции или принудительно между баком и мощным радиатором. Иногда масло охлаждают водой. «Сухие» трансформаторы используют при относительно малой мощности.

Применение в источниках электропитания [ править ]

Для питания разных узлов электроприборов требуются самые разнообразные напряжения. Блоки электропитания в устройствах, которым необходимо несколько напряжений различной величины, содержат трансформаторы с несколькими вторичными обмотками или содержат в схеме дополнительные трансформаторы. Например, в телевизоре с помощью трансформаторов получают напряжения от 5 вольт (для питания микросхем и транзисторов) до нескольких киловольт (для питания анода кинескопа через умножитель напряжения).

В прошлом в основном применялись трансформаторы, работающие с частотой электросети, то есть 50-60 Гц.

В схемах питания современных радиотехнических и электронных устройств (например в блоках питания персональных компьютеров) широко применяются высокочастотные импульсные трансформаторы. В импульсных блоках питания переменное напряжение сети сперва выпрямляют, а затем преобразуют при помощи инвертора в высокочастотные импульсы. Система управления с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) позволяет стабилизировать напряжение. После чего импульсы высокой частоты подаются на импульсный трансформатор, на выходе с которого, после выпрямления и фильтрации получают стабильное постоянное напряжение.

В прошлом сетевой трансформатор (на 50-60 Гц) был одной из самых тяжёлых деталей многих приборов. Дело в том, что линейные размеры трансформатора определяются передаваемой им мощностью, причём оказывается, что линейный размер сетевого трансформатора примерно пропорционален мощности в степени 1/4. Размер трансформатора можно уменьшить, если увеличить частоту переменного тока. Поэтому современные импульсные блоки питания при одинаковой мощности значительно легче.

Трансформаторы 50-60 Гц, несмотря на их недостатки, продолжают использовать в схемах питания, в тех случаях, когда надо обеспечить минимальный уровень высокочастотных помех, например при высококачественном звуковоспроизведении.

Другие применения трансформатора [ править ]

  • Разделительные трансформаторы (трансформаторная гальваническая развязка). Нейтральный провод электросети может иметь контакт с «землёй», поэтому при одновременном касании человеком фазового провода (а также корпуса прибора с плохой изоляцией) и заземлённого предмета тело человека замыкает электрическую цепь, что создаёт угрозу поражения электрическим током. Если же прибор включён в сеть через трансформатор, касание прибора одной рукой вполне безопасно, поскольку вторичная цепь трансформатора никакого контакта с землёй не имеет.
  • Импульсные трансформаторы (ИТ). Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ, заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.
  • Измерительные трансформаторы. Применяют для измерения очень больших или очень маленьких переменных напряжений и токов в цепях РЗиА.
  • Измерительный трансформатор постоянного тока. На самом деле представляет собой магнитный усилитель, при помощи постоянного тока малой мощности управляющий мощным переменным током. При использовании выпрямителя ток выхода будет постоянным и зависеть от величины входного сигнала.
  • Измерительно-силовые трансформаторы. Имеют широкое применение в схемах генераторов переменного тока малой и средней мощности (до мегаватта), например, в дизель-генераторах. Такой трансформатор представляет собой измерительный трансформатор тока с первичной обмоткой, включённой последовательно с нагрузкой генератора. Со вторичной обмотки снимается переменное напряжение, которое после выпрямителя подаётся на обмотку подмагничивания ротора. (Если генератор — трёхфазный, обязательно применяется и трёхфазный трансформатор). Таким образом, достигается стабилизация выходного напряжения генератора — чем больше нагрузка, тем сильнее ток подмагничивания, и наоборот.
  • Согласующие трансформаторы. Из законов преобразования напряжения и тока для первичной и вторичной обмотки видно, что со стороны цепи первичной обмотки всякое сопротивление во вторичной обмотке выглядит в раз больше. Поэтому согласующие трансформаторы применяются для подключения низкоомной нагрузки к каскадам электронных устройств, имеющим высокое входное или выходное сопротивление. Например, высоким выходным сопротивлением может обладать выходной каскад усилителя звуковой частоты, особенно, если он собран на лампах, в то время как динамики имеют очень низкое сопротивление. Согласующие трансформаторы также исключительно полезны в высокочастотных линиях, где различие сопротивления линии и нагрузки привело бы к отражению сигнала от концов линии, и, следовательно, к большим потерям.
  • Фазоинвертирующие трансформаторы. Трансформатор передаёт только переменную компоненту сигнала, поэтому даже если все постоянные напряжения в цепи имеют один знак относительно общего провода, сигнал на выходе вторичной обмотки трансформатора будет содержать как положительную, так и отрицательную полуволны, причём, если центр вторичной обмотки трансформатора подключить к общему проводу, то напряжение на двух крайних выводах этой обмотки будет иметь противоположную фазу. До появления широкодоступных биполярных транзисторов с n-p-n типом проводимости фазоинвертирующие трансформаторы применялись в двухтактных выходных каскадах усилителей, для подачи противоположных по полярности сигналов на базы двух транзисторов каскада. К тому же, из-за отсутствия «ламп с противоположным зарядом электрона», фазоинвертирующий трансформатор необходим в ламповых усилителях с двухтактным выходным каскадом.

Эксплуатация [ править ]

Срок службы [ править ]

Срок службы трансформатора может быть разделён на две категории:

  1. Экономический срок службы — экономический срок службы заканчивается, когда капитализированная стоимость непрерывной работы существующего трансформатора превысит капитализированную стоимость доходов от эксплуатации этого трансформатора. Или экономический срок жизни трансформатора (как актива) заканчивается тогда, когда удельные затраты на трансформацию энергии с его помощью становятся выше удельной стоимости аналогичных услуг на рынке трансформации энергии.
  2. Технический срок службы

Работа в параллельном режиме [ править ]

Параллельная работа трансформаторов нужна по очень простой причине. При малой нагрузке мощный трансформатор имеет большие потери холостого хода, поэтому вместо него подключают несколько трансформаторов меньшей мощности, которые отключаются, если в них нет необходимости.

При параллельном подключении двух и более трансформаторов требуется следующее [25] :

  1. Параллельно могут работать только трансформаторы, имеющие одинаковую угловую погрешность между первичным и вторичным напряжениями.
  2. Полюса с одинаковой полярностью на сторонах высокого и низкого напряжения должны быть соединены параллельно.
  3. Трансформаторы должны иметь примерно тот же самый коэффициент передачи по напряжению.
  4. Напряжение полного сопротивления короткого замыкания должно быть одинаковым, в пределах ±10 %.
  5. Отношение мощностей трансформаторов не должно отклоняться более чем 1:3.
  6. Переключатели числа витков должны стоять в положениях, дающих коэффициент передачи по напряжению как можно ближе.

Другими словами, это значит, что следует использовать наиболее схожие трансформаторы. Одинаковые модели трансформаторов являются лучшим вариантом. Отклонение от вышеприведенных требований возможны при использовании соответствующих знаний.

Частота [ править ]

При одинаковых напряжениях первичной обмотки трансформатор, разработанный для частоты 50 Гц, может использоваться при частоте сети 60 Гц]], но не наоборот. При этом необходимо принять во внимание, что возможно потребуется заменить навесное электрооборудование. При частоте меньше номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что может повлечь его насыщение и как следствие резкое увеличение тока холостого хода и изменение его формы. При частоте больше номинальной повышается величина паразитных токов в магнитопроводе, повышенный нагрев магнитопровода и обмотки, приводящие к ускоренному старению и разрушению изоляции.

Регулирование напряжения трансформатора [ править ]

В зависимости от нагрузки электрической сети меняется её напряжение. Для нормальной работы электроприёмников потребителей необходимо, чтобы напряжение не отклонялось от заданного уровня больше допустимых пределов, в связи с чем применяются различные способы регулирования напряжения в сети [26] .

Диагностика причин неисправности [ править ]

Вид неисправности Причина
Перегрев Перегрузка
Перегрев Низкий уровень масла
Перегрев Замыкания
Перегрев Недостаточное охлаждение
Пробой Перегрузка
Пробой Загрязнение масла
Пробой Низкий уровень масла
Пробой Старение изоляции витков
Обрыв Плохое качество пайки
Обрыв Сильные электромеханические деформации при коротком замыкании
Повышенное гудение Ослабление прессовки шихтованного магнитопровода
Повышенное гудение Перегрузка
Повышенное гудение Несимметричная нагрузка
Повышенное гудение Короткое замыкание в обмотке
Появление воздуха в газовом реле (с термосифонным фильтром) Заглушен термосифонный фильтр, воздух появляется в газовом реле через заглушку

Перенапряжения трансформатора [ править ]

В процессе использования трансформаторы могут подвергаться напряжению, превосходящему рабочие параметры. Данные перенапряжения классифицируются по их продолжительности на две группы:

  • Кратковременное перенапряжение — напряжение промышленной частоты относительной продолжительности, колеблющейся в пределах менее 1 секунды до нескольких часов.
  • Переходное перенапряжение — кратковременное перенапряжение в пределах от наносекунд до нескольких миллисекунд. Период нарастания может колебаться от нескольких наносекунд до нескольких миллисекунд. Переходное перенапряжение может быть колебательным и неколебательным. Они обычно имеют однонаправленное действие.

Трансформатор также может быть подвергнут комбинации кратковременных и переходных перенапряжений. Кратковременные перенапряжения могут следовать сразу за переходными перенапряжениями.

Перенапряжения классифицируются на две основные группы, характеризующих их происхождение:

  • Перенапряжения, вызванные атмосферными воздействиями. Чаще всего переходные перенапряжения возникают вследствие грозовых разрядов вблизи высоковольтных линий передач, подсоединенных к трансформатору, однако иногда грозовой импульс может поразить трансформатор или саму линию передачи. Пиковая величина напряжения зависит от тока грозового импульса, является статистической переменной. Зарегистрированы токи грозового импульса свыше 100 кА. В соответствии с измерениями, проведенными на высоковольтных линиях электропередач в 50 % случаях пиковая величина токов грозового импульса находится в пределах от 10 до 20 кА. Расстояние между трансформатором и точкой воздействия грозового импульса влияет на время нарастания импульса, поразившего трансформатор, чем короче расстояние до трансформатора, тем короче время.
  • Перенапряжения, сформированные внутри силовой системы. Данная группа охватывает как кратковременные так и переходные перенапряжения, возникшие вследствие изменения условий эксплуатации и обслуживания силовой системы. Данные изменения могут быть вызваны нарушением процесса коммутации или поломкой. Временные перенапряжения вызваны коротким замыканием на землю, сбросом нагрузки или феноменом низкочастотного резонанса. Переходные перенапряжения возникают в случаях, когда часто отключаются или подключаются к системе. Также они могут возникнуть при возгорании внешней изоляции. При переключении реактивной нагрузки, переходное напряжение может возрасти до 6-7 крат вследствие многочисленных прерываний тока переходного процесса в автоматическом прерывателе с временем нарастания импульса до нескольких долей микросекунд.

Способность трансформатора выдерживать перенапряжения [ править ]

Трансформаторы должны пройти определённые испытания электрической прочности изоляции перед выпуском с завода. Прохождение данных испытаний свидетельствуют о вероятности бесперебойной эксплуатации трансформатора.

Испытания описаны в международных и национальных стандартах. Трансформаторы, прошедшие испытания, подтверждают высокую надёжность эксплуатации.

Дополнительным условием высокой степени надёжности является обеспечение приемлемых ограничений перенапряжения, так как трансформатор в процессе эксплуатации может быть подвергнут более серьёзным перенапряжениям по сравнению с условиями тестовых испытаний.

Необходимо подчеркнуть чрезвычайную важность планирования и учёта всех типов перенапряжений, которые могут возникнуть в силовой системе. Для нормального выполнения данного условия необходимо понимание происхождения различных типов перенапряжений. Величина различных типов перенапряжений является статистической переменной. Способность изоляции выдерживать перенапряжения также является статистической переменной.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Режим — работа — трансформатор — ток

Режим работы трансформаторов тока близок к короткому замыканию, так как сопротивление нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке, мало. [2]

Режим работы трансформатора тока является по существу режимом короткого замыкания. [3]

Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложенное напряжение. [4]

Режим работы трансформатора тока существенно отличен от режима работы обычного трансформатора. В обычном трансформаторе при изменении нагрузки магнитный поток в сердечнике остается практически неизменным, если постоянно приложено напряжение. [5]

Такой режим работы трансформатора тока в соответствии с терминологией, принятой для силовых трансформаторов, является режимом холостого хода. Однако своеобразие заключается в том, что трансформатор тока включен в цепь последовательно. [6]

Чем отличается режим работы трансформатора тока от режима работы трансформатора напряжения. [8]

В книге рассматриваются режимы работы трансформаторов тока , характерные большими кратностями тока по отношению к номинальному, большими погрешностями и заметными изменениями формы кривой тока. [9]

Все это значительно усложняет анализ режимов работы трансформаторов тока в схемах релейной защиты. [10]

В § 14 — 3 указывалось что режим работы трансформатора тока при разомкнутой вторичной обмотке ( если обмотка wl под током) является аварийным. [12]

Когда & Ыя, один из сердечников насыщается, а второй попадает в режим работы трансформатора тока . Появляется напряжение ывых, заставляющее протекать ток через рабочие обмотки. По величине этот ток приблизительно равен / нагр вследствие влияния большой индуктивности. Во второй полупериод напряжения питающей сети ( яи 2л) сердечники меняются ролями. [13]

Когда ftl ( utn, один из сердечников насыщается, а второй попадает в режим работы трансформатора тока . Появляется напряжение ывых, заставляющее протекать ток через рабочие обмотки. По величине этот ток приблизительно равен / Нагр вследствие влияния большой индуктивности. Во второй полупериод напряжения питающей сети ( я ( 0 / 2я) сердечники меняются ролями. [14]

Каждый электрик должен знать:  Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

Обслуживание силовых трансформаторов Предисловие

Название Обслуживание силовых трансформаторов Предисловие
страница 6/16
Тип Документы

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Документы

8. Контроль режима работы трансформаторов.

Порядок включения, отключения и регулирования напряжения

Контроль режима работы трансформаторов обеспечивается работой защиты и контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на трансформаторе. В общем случае режим работы трансформатора определяется по значениям тока, активной и реактивной мощности каждой из обмоток, а также по уровню напряжения на выводах трансформатора или не связанных с этими выводами шинах. Тепловой режим трансформатора контролируется работой термосигнализаторов.

Нагрузочный режим трансформатора в зависимости от характера нагрузки изменяется в течение суток. Допускаются систематические перегрузки, определяемые характером суточного графика нагрузки, температурой охлаждающей среды и недогрузкой в летнее время. Особенно внимательно контролируется режим нагрузки у автотрансформаторов, имеющих электрическую связь обмоток ВН, СН. У автотрансформаторов в режиме компенсированной нагрузки мощность передается от двух обмоток к одной. При таком режиме мощность обмотки НН может передаваться в направлении обмотки СН. Это произойдет, если к обмотке НН присоединить генераторы или синхронные компенсаторы. В этом режиме может возникнуть перегрузка обмоток СН. Поэтому режим нагрузки автотрансформаторов следует контролировать в таких случаях по амперметру, включенному на сумму линейных токов сторон ВН и СН. Подобный контроль у однофазных автотрансформаторов можно осуществлять по амперметру, включенному (через трансформатор тока) в нейтраль одной из фаз [8].

В инструкциях по эксплуатации автотрансформатора указаны допустимое распределение нагрузок в различных режимах или предельные значения токов для каждой из обмоток (включая ток линейного вывода СН). У трехобмоточных трансформаторов распределение длительных нагрузок по обмоткам в любых режимах должно соответствовать условию, что ни одна из обмоток не будет нагружена током, превышающим номинальный.

Тепловой режим трансформатора контролируется по температуре верхних слоев масла и по нагрузке. Нормируется температура верхних слоев масла, а износ бумажной изоляции зависит от температуры наиболее нагретой точки, допустимое значение которой принимается в зависимости от вида охлаждения трансформатора. При оценке теплового состояния трансформатора необходимо учитывать, что установившееся тепловое состояние обмотки наступает через 30-40 мин после установления значения тока нагрузки. Температура верхних слоев масла достигает нового значения у трансформаторов с естественной циркуляцией масла через 10-16 ч. Поэтому при кратковременных перегрузках судить по температуре верхних слоев масла о действительном тепловом режиме трансформатора нельзя. Эксплуатационный персонал, изучивший работу трансформатора, по температуре масла определяет также отклонения в работе системы охлаждения. При неполадках в системе охлаждения нарушается соответствие между температурой верхних слоев масла и нагрузкой. В электроустановках с постоянным дежурным персоналом ведется контроль нагрузки с записью показаний амперметра в ведомость с периодичностью, устанавливаемой местными инструкциями. При работе трансформатора с перегрузкой измерение нагрузки необходимо производить чаще, и при достижении допустимого предела длительности перегрузки необходимо принять меры по разгрузке трансформатора. В электроустановках без постоянного дежурного персонала контроль нагрузки производится с периодичностью, определяемой местными инструкциями, но не реже 1-2 раз в год во время максимальной нагрузки [1].

Контроль напряжения необходим, так как первичное напряжение постоянно изменяется в процессе эксплуатации в зависимости от нагрузки, режима работы электрической сети или напряжения генератора (при работе трансформатора в блоке с генератором). Снижение напряжения нежелательно, так как приводит к различным нарушениям у потребителей электроэнергии, хотя и безопасно для трансформатора. Повышение напряжения выше нормируемых значений также нежелательно как для потребителей электроэнергии, так и для самого трансформатора, так как приводит к увеличению индукции в магнитопроводе и, следовательно, к недопустимому перегреву активной стали. Кроме того, при недопустимом превышении напряжение становится опасным для изоляции обмоток. Чем выше подводимое напряжение, тем большее число витков должно быть включено в работу. Поэтому, исходя из режима работы электроустановок, автоматически или дистанционно изменяется число витков первичной обмотки.

Регулирование напряжения обеспечивается работой устройств ПБВ или РПН. Трансформаторы с устройством РПН, как правило, оснащены блоками автоматического регулирования напряжения типа АРНТ. Допускается в отдельных случаях перевод трансформатора на дистанционное регулирование напряжения. Если дистанционное регулирование неработоспособно, допускается временно, до устранения неисправности, осуществлять местное управление приводным механизмом устройства. Работа устройств РПН, не имеющих прогрева, при температурах -20 °С и ниже не допускается. Как было отмечено ранее, при низких температурах резко возрастает вязкость трансформаторного масла и подвижные элементы устройства РПН (особенно контактора), встречая большое сопротивление вязкого трения, могут повредиться. Поэтому устройство РПН включенного в сеть трансформатора автоматически вводится в работу только после предварительного прогрева трансформатора в режиме холостого хода или после некоторой работы с неполной нагрузкой.

У понижающих автотрансформаторов с встроенным регулятором напряжения, установленным в нейтрали, не допускается режим, вызывающий перевозбуждение и перегревы магнитопровода. Перевозбуждение стержня магнитопровода контролируется по показаниям щитового киловольтметра обмотки НН. Превышение рабочего напряжения над номинальным напряжением обмотки НН в процентах равно с приемлемой точностью значению перевозбуждения стержня, а превышение разности показаний щитовых киловольтметров обмотки ВН и СН над ее номинальным значением в процентах примерно равно значению перевозбуждения ярма.

На трансформаторах, изготовленных по ГОСТ 11677-65, допускается повышение напряжения сверх номинального:

  1. длительно — на 5 % при нагрузке не выше номинальной и на 10 % при нагрузке не выше 0,25 номинальной;
  2. кратковременно:
    1. до 6 ч в сутки — на 10 % при нагрузке не выше номинальной (на трансформаторах не выше 330 кВ);
    2. не более 20 мин — на 15 %;
    3. на 20 с — на 30 %.

Для трансформаторов, изготовленных по ГОСТ 11677-75 и ГОСТ 11677-85*, нормы допустимого длительного превышения напряжения немного больше.

В трансформаторе, длительно находящемся в резерве, при низких температурах недопустимо резко снижается подвижность трансформаторного масла. При его включении нарушается теплообмен, что может привести к перегреву и нежелательному старению изоляции токопроводящих элементов конструкции активной части трансформатора.

Порядок включения и отключения трансформатора. Включение вновь прибывшего и прошедшего монтаж трансформатора, особенно головного образца, производится с особой тщательностью и вниманием. Блочные повышающие трансформаторы опробуются постепенным подъемом напряжения генератора от нуля. Это дает возможность обнаружить возможный дефект на ранней стадии его развития и тем самым предупредить значительные повреждения трансформатора. Подъем напряжения с нуля производится плавно сначала до 50-60 % номинального напряжения в течение 1-2 мин, а затем ступенями по 20-15 % с выдержкой на каждой ступени 1-2 мин, чтобы иметь возможность прослушать и зафиксировать повреждения. После выдержки под номинальным напряжением производят постепенный подъем напряжения до 1,3 номинального значения с выдержкой в течение 1 мин (для трансформаторов бесшпилечной конструкции магнитопровода).

На подстанциях такой способ включения трансформатора в работу невозможен, и поэтому ненагруженный трансформатор включают толчком на полное напряжение сети. Для отстройки дифференциальной защиты от бросков намагничивающего тока трансформаторы в том числе блочные, включают толчком несколько раз (3-4 раза).

Включенные трансформаторы продолжают работать на холостом ходу примерно 2 ч, при этом трансформаторы прослушивают, фиксируют отсутствие потрескивания разрядов. В исправном трансформаторе должен быть слышен равномерный гул, без повышенных местных тонов и посторонних звуков. Треск может быть вызван разрядами на различных поврежденных участках изоляции активной части, недопустимыми отклонениями в изоляционных промежутках активной части (отводов), нарушением схемы заземления и др.

При первом включении под напряжение трансформатора с устройством РПН проверяется действие дистанционного управления приводом переключающего устройства согласно заводской инструкции.

После завершения опробования трансформатора рабочим напряжением производится его фазировка, т.е. проверка соответствия фаз напряжения на всех обмотках трансформатора фазам соответствующих элементов схемы подстанции, тем самым подтверждается его готовность к включению под нагрузку (длительную работу). При фазировке проверяется допустимость параллельной работы трансформаторов как между собой, так и с энергосистемой.

Отключение и включение трансформатора производится в полном соответствии с указаниями действующей «Типовой инструкции по переключениям в электроустановках» (ТИ 39-70-040-85), а также с указаниями местных инструкций энергопредприятий, учитывающих особенности рабочих и ремонтных схем электрических соединений, конструктивное выполнение распределительных устройств и организацию оперативного обслуживания. Переключения выполняются в строгой последовательности и, как правило, по бланкам переключений, утвержденным главным инженером энергопредприятия. В бланках переключений записываются все операции с коммутационными аппаратами и цепями оперативного тока, операции с устройствами релейной защиты и автоматики (а также с цепями питания этих устройств), по включению и отключению заземляющих ножей, наложению и снятию переносных заземлений, по фазировке оборудования, операции с устройствами телемеханики и другие в очередности их выполнения.

Отключения и включения трансформатора в зависимости от схемы присоединения производятся различными коммутационными аппаратами. Обычно для снятия нагрузки или включения под нагрузку применяют выключатель. Однако в тех схемах соединения, где отсутствует выключатель, снятие и подачу напряжения на трансформатор можно производить разъединителями (отделителями), при этом следует учитывать намагничивающий ток трансформатора и расстояние между полюсами установки. Кроме того, необходимо помнить, что намагничивающий ток можно снижать у трансформаторов с устройствами РПН: путем переключения переключателя в положение, при котором напряжение соответствующего ответвления будет выше, чем подводимое напряжение сети, достигается снижение возбуждения магнитопровода.

На присоединениях, имеющих в одной цепи отделитель и разъединитель, рекомендуется включать трансформатор под напряжение разъединителями, а отключать отделителями. Вызвано это тем, что пружинный привод отделителя обеспечивает сравнительно быстрое его срабатывание. Отключение и включение ненагруженных трансформаторов могут сопровождаться перенапряжениями. Безопасный для изоляции трансформатора процесс коммутации обеспечивается предварительным заземлением нейтрали при отключении отделителем намагничивающего тока трансформатора 110-220 кВ, а также при коммутациях с помощью выключателей 110 кВ, не имеющих шунтирующих сопротивлений (при наличии сопротивлений возможно возникновение значительных перенапряжений).

Отключать и включать ненагруженный трансформатор, к нейтрали которого подключен дугогасящий реактор, во избежание появления перенапряжений необходимо после отключения дугогасящего реактора.

Режимы работы трансформатора

Трехфазные и двухфазные КЗ на стороне ВН . Короткие замыкания, называемые междуфазными, могут происходить между наружными выводами об­моток ВН или НН, расположенными на крышке бака (корпуса) трансформатора или между обмотками внутри бака, причем последние случаются сравни­тельно редко, особенно трехфазные КЗ внутри бака. Наиболее опасными для самого трансформатора и для электроприемников прилегающей электрической сети являются трехфазные КЗ па выводах обмотки ВН, поскольку они сопровождаются большими токами КЗ и могут вызывать глубокие понижения напряжения на зажимах других электроприемников. При этом у асинхронных электродвигателей (двигатели М на рис. 1,а) снижается частота вращения и, если КЗ не будет быстро отключено, двигатели остановятся, что вызовет нарушение работы предприятия.

Значение тока при трехфазном КЗ на выводах трансформатора 10 кВ (трансформатор Т2 на рис. 1), если он установлен вблизи питающей подстанции 110/10 кВ, равно значению тока КЗ на шинах 10 кВ этой подстанции. Если трансформатор 10 кВ питается по воздушной или кабельной линии 10 кВ, при расчете тока трехфазного КЗ необходимо учесть сопротивле­ние этой линии. При значительной мощности электро­двигателей (двигатели М на рис. 1,а) следует учитывать возможность существенного увеличения тока в месте КЗ за счет кратковременной подпитки от элек­тродвигателей.

Рис. 1. Распределение токов (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при металлическом трехфазном (б) и двухфазном (в, г] КЗ на выводах понижающего трансформатора со стороны питания.

При трехфазном КЗ токи в месте КЗ одинаковы по значению во всех трех фазах, их векторы сдвинуты относительно друг друга на 120° (рис. 1,а,б). На­пряжения всех трех фаз в месте трехфазного КЗ равны нулю.

При двухфазном КЗ токи проходят только в двух замкнувшихся фазах (например, В и С). Их значения равны между собой, а векторы сдвинуты на 180° (рис. 1,в). Значения токов в месте двухфазного КЗ в распределительных электросетях можно, приближен­но считать на 15% меньшими, чем значения токов при трехфазном КЗ в той же точке. Ток в неповрежденной фазе считается равным нулю. Напряжение непо­врежденной фазы при КЗ между фазами В и С) сохраняется равным номинальному фазному (на рис. 1,г U к А = U ф ), а фазные напряжения замкнув­шихся фаз уменьшаются в 2 раза по сравнению с но­минальным. Междуфазное напряжение U мф повреж­денных фаз в месте КЗ равно нулю ( U к В-С на рис. 1,г), а два других междуфазных напряжения в 1,5 раза превышают фазное, т. е. каждое из них всего лишь примерно па 15% ниже номинального между­фазного напряжения сети. При этом электродвигатели продолжают работать и можно было бы не спешить с отключением двухфазного КЗ, но из опыта хорошо известно, что двухфазное КЗ быстро переходит в трех­фазное и вызывает дополнительные разрушения. По­этому все междуфазные КЗ на выводах ВН и внутри трансформатора должны отключаться мгновенно или, в крайнем случае, с минимальным замедлением (до 0,5 с), если это замедление необходимо и обоснованно.

Однофазное замыкание на землю (на корпус) на стороне ВН . В сетях 10 кВ, так же как и 3; 6; 20 и 35 кВ, работающих в нашей стране с изолирован­ной или компенсированной нейтралью, токи при одно­фазном замыкании на землю не превышают несколь­ких ампер: например, для сетей 10 кВ они составляют 20 А [2]. Специальная защита от этого вида повреж­дения на трансформаторах 10 кВ не предусматрива­ется, но на кабельной или кабельно-воздушной линии 10 кВ, по которой получают питание один или не­сколько трансформаторов, устанавливается защита (сигнализация) однофазных замыканий на землю [3, 4].

Витковые замыкания. Замыкания между витками одной фазы обмотки трансформатора, как правило, не сопровождаются большими токами, как это проис­ходит при междуфазных КЗ. При малой доле зам­кнувшихся витков (по отношению к общему числу витков обмотки) ток этого вида повреждения может быть значительно меньше номинального тока транс­форматора и это повреждение трудно обнаружить с помощью максимальных токовых защит, реагирующих на увеличение тока сверх номинального. Из сущест­вующих типовых защит трансформаторов только га­зовая защита масляных трансформаторов реагирует на витковые замыкания, так как они сопровождаются горением электрической дуги и местным нагревом, что вызывает разложение трансформаторного масла и изоляционных материалов и образование летучих га­зов. Газы вытесняют масло из бака трансформатора в расширитель и вызывают действие газового реле (§ 10). В соответствии с ГОСТ 11677—85 все масля­ные трансформаторы мощностью 1 MB -А и более с расширителем должны быть снабжены газовым реле. Для внутрицеховых трансформаторов газовая защита обязательна при мощности трансформатора 630 кВ-А и более [1].

Рис. 2. Распределение токов и векторные диаграммы полных токов при двухфазном КЗ за трансформаторами 10/0,4 кВ со схемами соединения обмоток Y / Y -0 (а, 6, в) и ∆/ Y -11 (г, д, е) при условно принятом коэффициенте трансформации трансфор­матора N = 1

Междуфазные КЗ за трансформатором. Эти по­вреждения могут происходить на выводах обмотки НН трансформатора, на сборных шинах НН и на от­ходящих элементах питаемой сети НН. Наибольшее значение тока соответствует трехфазному КЗ, причем во всех трех фазах токи равны между собой, как на стороне НН, так и на стороне ВН (см. рис. 1,6).

При двухфазном КЗ на стороне НН векторная диаграмма токов в месте КЗ аналогична рис. 1,6. А распределение токов в обмотке ВН при этом зави­сит от схемы и группы соединения обмоток трансфор­матора. У трансформатора со схемой соединения об­моток Y / Y -0 или Y / Y -0 распределение токов и век­торные диаграммы токов одинаковы для сторон НН и ВН(рис.2,а—в). Для удобства сравнения векторных диаграмм токов в обмотках НН и ВН коэффициент трансформации трансформатора принят равным еди­нице: N = 1, что соответствует трансформатору, на­пример 10/10 кВ.

При таком же двухфазном КЗ, но за трансформа­тором со схемой соединения обмоток ∆/ Y -11, рас­пределение токов и векторная диаграмма токов на стороне ВН имеют другой вид (рис. 2,г—е). Харак­терно, что на стороне ВН токи проходят во всех трех фазах и один из фазных токов в два раза больше двух других, причем этот больший из токов по значе­нию равен току трехфазного КЗ, если бы оно про­изошло в том же месте, где двухфазное КЗ (рис. 2).

Рис. 3. Распределение токов (а) и векторные диаграммы (б и в ) токов прямой и обратной последовательности и полных токов на сторонах ВН и НН при двухфазном КЗ за трансформатором со схемой соединения Y /∆-11.

При таком же двухфазном КЗ, но за трансформа­тором со схемой соединения обмоток Y /∆-11 (рис. 3), векторная диаграмма токов на стороне ВН оказалась повернутой па угол 180° по сравнению с диаграммой на рис. 2, д. На рис. 3, 6 ,в показано с помощью из­вестного метода симметричных составляющих, каким образом происходит трансформация симметричных составляющих токов прямой и обратной последова­тельности со стороны НН (∆) на сторону ВН ( Y ) и каким образом получены векторные диаграммы пол­ных токов на сторонах ВН и НН трансформатора.

В соответствии с этим методом векторная диа­грамма токов в месте двухфазного КЗ (например, между фазами В и С), состоящая из двух векторов, т. е. несимметричная по сравнению с диаграммой трех фазных токов, может быть представлена двумя сим­метричными векторными диаграммами токов прямой и обратной последовательности (рис. 3,в). Для про­верки правильности этих диаграмм произведем гео­метрическое сложение векторов токов прямой и об­ратной последовательностей каждой фазы:

В результате этого геометрического сложения по­лучается исходная векторная диаграмма полных то­ков в месте двухфазного КЗ между фазами В и С (рис. 3, б). Аналогичные диаграммы токов соответ­ствуют двухфазным КЗ между другими фазами, на­пример А и В (отсутствует ток в фазе С). В распре­делительных сетях (без учета электродвигателей и генераторов местных электростанций) значения векто­ров токов прямой и обратной последовательности I 1 и I 2 равны между собой и составляют половину фазного тока при трехфазном КЗ, т. е.

Значения полных токов в поврежденных фазах и С на рис. 3,в) в 1,73 раза больше, т. е

Таким образом, ток при двухфазном КЗ несколько (примерно на 15%) меньше, чем при трехфазном КЗ, о чем уже упоминалось выше.

Для построения векторной диаграммы полных то­ков на стороне ВН ( Y ) трансформатора со схемой и группой соединения обмоток Y /∆-11 при двухфазном КЗ на стороне НН (∆) необходимо выполнить сле­дующее:

векторную диаграмму токов прямой последова­тельности на стороне НН повернуть на угол —30° (по часовой стрелке);

векторную диаграмму токов обратной последова­тельности на стороне НН повернуть на угол +30 о (против часовой стрелки).

Повороты векторов тока объясняются наличием фа­зового сдвига между токами на сторонах ВН и НН, равного 30° (группа соединения обмоток этого транс­форматора потому и называется «одиннадцатой» или «одиннадцатичасовой», что угол фазового сдвига между векторами токов на сторонах ВН и НН равен углу между часовой и минутной стрелками часов, когда они показывают 11 часов). После построения векторных диаграмм токов прямой и обратной после­довательности на стороне ВН (рис. 3,6) производится геометрическое сложение векторов токов прямой и обратной последовательности каждой фазы. В результате этого сложения получается векторная диаграмма полных токов на стороне ВН. Так же как и при двух­фазном КЗ за трансформатором ∆/ Y -11 (рис. 2, г—е), на стороне ВН трансформатора Y /∆-11 токи КЗ про­ходят во всех трех фазах и один из фазных токов в два раза больше двух других, причем этот больший из токов по значению равен току трехфазного КЗ (по­скольку каждая из составляющих тока, прямой и обратной последовательности, равна половине фаз­ного тока при трехфазном КЗ). Различие во взаимном расположении и наименовании фаз токов на сторонах ВН (рис. 2,д н 3,6) объясняется тем, что при транс­формации симметричных составляющих через транс­форматор ∆/ Y -11 со стороны Y на сторону ∆ век­торная диаграмма токов прямой последовательности поворачивается па угол +30° (против часовой стрел­ки), а векторная диаграмма токов обратной последо­вательности— на угол —30° (по часовой стрелке). Эту особенность трансформаторов со схемами соеди­нения обмоток Y /∆-11 и ∆/ Y -11 учитывают при вы­полнении их максимальной токовой защиты на сто­роне ВН, устанавливая три токовых реле для того, чтобы при любом виде двухфазного КЗ за трансфор­матором в одном из реле проходил больший из токов, равный току трехфазного КЗ (§ 8).

Однофазные КЗ за трансформатором. Эти по­вреждения характерны для трансформаторов, у ко­торых обмотка НН соединена в звезду с выведенной нейтралью и эта нейтраль имеет глухое заземление (рис. 4 и 5). Есть основания считать, что большинство коротких замыканий в сетях 0,4 кВ с глухо заземлен­ной нейтралью начинается с однофазного и, если быстро не отключить однофазное КЗ, оно переходит в более тяжелое — междуфазное КЗ, чаще всего в трехфазное, которое сопровождается большими тока­ми и которое должно отключаться максимальными токовыми защитами от междуфазных КЗ, менее чув­ствительными и менее быстродействующими, чем за­щиты нулевой последовательности от КЗ на землю на стороне НН (§ 9). Полезно знать и токораспределение, и значения токов на стороне ВН трансформатора при КЗ на землю на стороне НН. Векторные диа­граммы токов на стороне ВН зависят от схемы и группы соединения трансформатора и различны для трансформаторов Y / Y -0 и ∆/ Y -11 (рис. 4, 5).

Рис. 4. Распределение токов (а) и векторные диаграммы и в) токов прямой, обратной и нулевой последовательности и полных токов на сторонах ВН и НН при однофазном КЗ на землю за трансформатором со схемой соединения обмоток Y / Y -0

Рис. 5. Распределение токов (о) и векторные диаграммы (б и s ) токов прямой, обратной и нулевой последовательности и полных токов на сторонах ВН и НН при однофазном КЗ па землю за трансформатором со схемой соединения обмоток ∆/ Y -11.

Векторная диаграмма тока в месте однофазного КЗ на стороне НН состоит из одного вектора тока замкнувшейся фазы, например фазы А, вне зависи­мости от того, питается сеть НН через трансформа­тор Y / Y или ∆/ Y . Эта несимметричная векторная диаграмма может быть представлена тремя симметричными векторными диаграммами токов прямой, обратной и нулевой последовательности, которые по­казаны на рис. 4, б и 5,б. Для проверки следует про­извести геометрическое сложение симметричных со­ставляющих токов каждой из трех фаз:

Все симметричные составляющие имеют равные значения: I к НН/ 3. Ток однофазного КЗ часто обозна­чают 3 I и называют утроенным током нулевой после­довательности.

Токораспределение и векторная диаграмма токов на стороне ВН трансформатора со схемой соединения Y / Y -0 показаны на рис. 4, а, б. Фазового сдвига между токами обмоток ВН и НН здесь нет, но со­ставляющие нулевой последовательности не транс­формируются на сторону ВН, поскольку токи одного направления не могут проходить по фазным обмоткам ВН, соединенным в звезду без выведенной и зазем­ленной нейтрали (как на стороне НН). Поэтому на сторону ВН трансформируются симметричные состав­ляющие только прямой и обратной последователь­ности. Поскольку в учебных целях принято, что коэф­фициент трансформации трансформатора N =1, век­торные диаграммы токов этих последовательностей одинаковы на сторонах ВН и НН. Складывая гео­метрически векторы токов этих последовательностей на стороне ВН, получаем векторную диаграмму пол­ных токов, по которой видно, что в одной из фаз (поврежденной фазе А) проходит ток, в 2 раза боль­ший, чем в двух других, а значение этого большого тока равно 2/3 тока однофазного КЗ, проходящего на стороне НН (при N = 1). Если коэффициент транс­формации трансформатора не равен 1, например 10/0,4 = 25, то значение тока КЗ на стороне ВН сле­дует поделить еще на 25 (§ 3). В двух других фазах ВН проходят токи, в 3 раза меньшие, чем ток одно­фазного КЗ на стороне НН (при N =1). Это явля­ется одной из причин недостаточной, как правило, чувствительности максимальной токовой защиты на стороне ВН трансформаторов Y / Y -0 при однофазных КЗ на землю на стороне НН. И это же указывает на необходимость выполнения на стороне НН специаль­ной токовой защиты нулевой последовательности от однофазных КЗ на землю (§ 9).

На рис. 5,6 показано построение векторной диа­граммы полных токов на стороне ВН трансформатора со схемой соединения обмоток ∆/ Y при однофазном КЗ на стороне НН. При трансформации векторная диаграмма токов прямой последовательности повора­чивается на угол +30° (против часовой стрелки), а векторная диаграмма токов обратной последователь­ности— на угол —30° (по часовой стрелке). Токи нулевой последовательности I 0 также трансформиру­ются на сторону ВН, но замыкаются в обмотке ВН, соединенной в треугольник, и поэтому отсутствуют в полных линейных токах на этой стороне трансформа­тора. Геометрически складывая токи прямой и обрат­ной последовательности каждой фазы, получаем век­торную диаграмму полных токов, которая состоит из двух векторов, направленных в противоположные сто­роны. Поскольку каждая из симметричных составляю­щих равна I k . нн/3, то значение полных токов на сто­роне ВН

таким образом, при однофазном КЗ на землю за трансформатором ∆/ Y -11 на стороне ВН (∆) токи КЗ проходят в двух фазах, их векторы сдвинуты на 180°, а значение равно

Сверхтоки при перегрузках. Перегрузкой назы­вается ненормальный режим работы трансформа­тора, при котором ток через трансформатор более чем на 5 % превышает номинальное паспортное значение тока при соответствующем ответвлении обмотки ВН. Различают перегрузки, вызванные неравномерностью графика нагрузки и аварийными ситуациями. Ава­рийные перегрузки допускаются в исключительных случаях, например при отключении одного из транс­форматоров двухтрансформаторной подстанции, когда в результате срабатывания устройства АВР к рабо­тающему трансформатору подключается дополнитель­ная нагрузка. Допустимые перегрузки указываются в соответствующих стандартах и директивных мате­риалах. В ГОСТ 14209—85 для масляных трансфор­маторов (М) классов напряжения до 110 кВ вклю­чительно при температуре охлаждающего воздуха от —20 °С и ниже и до +30 °С допускаются следующие аварийные перегрузки (без учета предшествующей нагрузки): от 2 до 1,9 номинального тока трансфор­матора в течение 30 мин и от 2 до 1,7 — в течение 1 ч; при +40°С— соответственно 1,7 и 1,4. Перегрузки длительностью 24 ч допускаются от 1,6 при —20°С и ниже и до 1,2 при +30 = С и 1,1 номинального тока трансформатора при +40 °С. Для конкретных масля­ных трансформаторов серий ТМ и ТМВМ напряже­нием 6 и 10 кВ мощностью до 630 кВ-Л, установлен­ных в распределительных электрических сетях и питающих коммунально-бытовую нагрузку, производ­ственные, смешанные (производственные и комму­нально-бытовые) и другие виды нагрузок, допускают­ся перегрузки, указанные в табл. 1 в долях номи­нальной мощности трансформатора [5]. Такие же перегрузки допускаются и по току. Трансформаторы масляные герметичной серии (ТМГ) рассчитаны на систематические перегрузки до 1,5 номинального тока. Для сухих трансформаторов, устанавливаемых в КТП, допускаются аварийные перегрузки на 30 % сверх номинального тока не более чем на 3 ч в сутки. Указанные возможные максимальные перегрузки не­обходимо учитывать при расчете параметров защиты для того, чтобы предотвратить излишние отключения трансформатора плавкими предохранителями (§ 4) или максимальной токовой защитой от токов КЗ (§ 8) во время его работы с допустимыми превышениями номинального тока.

Таблица 1. Допустимые перегрузки трансформаторов серий ТМ и ТМВМ [5]

Добавить комментарий