Transformatory mocy — urządzenie i zasada działania

Podczas przesyłania energii elektrycznej na duże odległości stosowana jest zasada transformacji w celu zmniejszenia strat. W tym celu energia elektryczna wytwarzana przez generatory jest dostarczana do podstacji transformatorowej. Zwiększa amplitudę napięcia wchodzącego do linii elektroenergetycznej.

Drugi koniec linii transmisyjnej jest podłączony do wejścia zdalnej podstacji. Na nim napięcie jest redukowane w celu dystrybucji energii elektrycznej między odbiorcami.

W obu podstacjach w transformację energii elektrycznej dużej mocy zaangażowane są specjalne urządzenia zasilające:

1. transformatory;

2. autotransformatory.

Mają wiele wspólnych cech i cech, różnią się jednak pewnymi zasadami działania. W artykule opisano tylko pierwsze konstrukcje, w których przekazywanie energii elektrycznej pomiędzy poszczególnymi cewkami odbywa się na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. W tym przypadku harmoniczne prądu i napięcia o różnej amplitudzie zachowują częstotliwość oscylacji.

Transformatory służą do przekształcania prądu przemiennego niskiego napięcia na wyższe napięcie (transformatory podwyższające napięcie) lub wyższe napięcie na niższe (transformatory obniżające napięcie). Najbardziej rozpowszechnione są transformatory mocy ogólnego zastosowania w liniach przesyłowych i sieciach dystrybucyjnych. Transformatory mocy w większości przypadków budowane są jako trójfazowe przekładniki prądowe.

Charakterystyka urządzenia

Transformatory mocy w elektryczności są instalowane na wstępnie przygotowanych stacjonarnych miejscach z mocnymi fundamentami. Gąsienice i rolki można zainstalować do postawienia na ziemi.

Ogólny widok jednego z wielu typów transformatorów mocy współpracujących z układami napięciowymi 110/10 kV io łącznej mocy 10 MVA przedstawiono na poniższym rysunku.

Niektóre poszczególne elementy jego konstrukcji opatrzone są sygnaturami. Bardziej szczegółowo rozmieszczenie głównych części i ich wzajemne rozmieszczenie pokazano na rysunku.

Wyposażenie elektryczne transformatora umieszczone jest w metalowej obudowie wykonanej w postaci szczelnego zbiornika z pokrywą. Wypełniony jest specjalną klasą oleju transformatorowego, który posiada wysokie właściwości dielektryczne, a jednocześnie służy do odprowadzania ciepła z części poddanych dużym obciążeniom prądowym.

Wewnątrz zbiornika zainstalowany jest rdzeń 9, na którym umieszczone są uzwojenia z uzwojeniami niskiego napięcia 11 i wysokiego napięcia 10. Przednia ściana transformatora to 8. Zaciski uzwojenia wysokiego napięcia są podłączone do wejść przechodzących przez izolatory porcelanowe 2.

Uzwojenia dla uzwojenia niskiego napięcia są również połączone z przewodami przechodzącymi przez izolatory 3.Pokrywa jest przymocowana do górnej krawędzi zbiornika, a między nimi umieszczona jest gumowa uszczelka zapobiegająca przedostawaniu się oleju do złącza między zbiornikiem a pokrywą. W ścianie zbiornika wiercone są dwa rzędy otworów, w które wspawane są cienkościenne rury 7, przez które przepływa olej.

Na pokrywie znajduje się pokrętło 1. Kręcąc nim można przełączać zwoje cewki wysokiego napięcia w celu regulacji napięcia pod obciążeniem. Do pokrywy przyspawane są zaciski, na których osadzony jest zbiornik 5, zwany ekspanderem.

Posiada wskaźnik 4 ze szklaną rurką do monitorowania poziomu oleju oraz korek z filtrem do komunikacji z otaczającym powietrzem 6. Transformator porusza się na rolkach 12, których osie przechodzą przez belki przyspawane do dna zbiornika .

Gdy płyną duże prądy, na uzwojenia transformatora działają siły, które mają tendencję do ich deformacji. Aby zwiększyć wytrzymałość uzwojeń, są one nawijane na cylindry izolacyjne. Jeśli kwadratowy pasek zostanie umieszczony w kole, obszar koła nie jest w pełni wykorzystany. Dlatego pręty transformatorowe wykonuje się ze schodkowym przekrojem poprzez montaż z blach o różnych szerokościach.

Schemat hydrauliczny transformatora

Zdjęcie przedstawia uproszczoną kompozycję i interakcję jej głównych elementów.

Do napełniania/spuszczania oleju służą specjalne zawory i śruba, a zawór odcinający znajdujący się na dnie zbiornika służy do pobierania próbek oleju, a następnie przeprowadzania jego analizy chemicznej.

Zasady chłodzenia

Transformator mocy ma dwa obwody obiegu oleju:

1. zewnętrzny;

2. wewnętrzny.

Pierwszy obieg reprezentowany jest przez grzejnik składający się z kolektorów górnego i dolnego połączonych systemem metalowych rurek. Przechodzi przez nie podgrzany olej, który będąc w przewodach czynnika chłodniczego, ochładza się i wraca do zbiornika.

Obieg oleju w zbiorniku można wykonać:

• w naturalny sposób;

• wymuszony z powodu wytworzenia ciśnienia w układzie przez pompy.

Często powierzchnia zbiornika jest zwiększana poprzez tworzenie pofałdowań — specjalnych metalowych płyt, które poprawiają wymianę ciepła między olejem a otaczającą atmosferą.

Pobieranie ciepła z grzejnika do atmosfery może odbywać się poprzez przedmuchanie układu wentylatorami lub bez nich dzięki swobodnej konwekcji powietrza. Wymuszony przepływ powietrza skutecznie zwiększa odprowadzanie ciepła z urządzeń, ale zwiększa zużycie energii potrzebnej do obsługi systemu. Mogą zmniejszyć Charakterystyka obciążenia transformatora do 25%.

Energia cieplna uwalniana przez nowoczesne transformatory dużej mocy osiąga ogromne wartości. Jego wielkość można przypisać faktowi, że teraz na jego koszt zaczęli realizować projekty ogrzewania budynków przemysłowych zlokalizowanych obok stale działających transformatorów. Utrzymują optymalne warunki pracy sprzętu nawet zimą.

Kontrola poziomu oleju w transformatorze

Niezawodna praca transformatora zależy w dużej mierze od jakości oleju, którym napełniony jest jego zbiornik. Podczas eksploatacji wyróżnia się dwa rodzaje oleju izolacyjnego: czysty olej suchy, który wlewa się do kadzi oraz olej roboczy, który znajduje się w kadzi podczas pracy transformatora.

Specyfikacja oleju transformatorowego określa jego lepkość, kwasowość, stabilność, popiół, zawartość zanieczyszczeń mechanicznych, temperaturę zapłonu, temperaturę krzepnięcia, przezroczystość.

Wszelkie nienormalne warunki pracy transformatora od razu wpływają na jakość oleju, dlatego jego kontrola jest bardzo ważna w eksploatacji transformatorów. Komunikując się z powietrzem, olej jest zwilżony i utleniony. Wilgoć można usunąć z oleju poprzez czyszczenie za pomocą wirówki lub prasy filtracyjnej.

Kwasowość i inne naruszenia właściwości technicznych można usunąć tylko poprzez regenerację oleju w specjalnych urządzeniach.

Awarie wewnętrzne transformatora, takie jak uszkodzenia uzwojeń, uszkodzenia izolacji, miejscowe nagrzewanie lub „pożar w żelazie” itp. prowadzą do zmian jakości oleju.

Olej w zbiorniku krąży w sposób ciągły. Jego temperatura zależy od całego zespołu czynników wpływających. Dlatego jego objętość zmienia się cały czas, ale utrzymuje się w pewnych granicach. Zbiornik wyrównawczy służy do kompensacji odchyleń objętości oleju. Wygodnie jest monitorować w nim aktualny poziom.

Służy do tego wskaźnik oleju. Najprostsze urządzenia są wykonane zgodnie ze schematem naczyń komunikacyjnych z przezroczystą ścianą, wstępnie sklasyfikowanymi w jednostkach objętości.

Podłączenie takiego manometru równolegle ze zbiornikiem wyrównawczym wystarczy do monitorowania pracy. W praktyce istnieją inne wskaźniki oleju, które różnią się od tej zasady działania.

Ochrona przed wnikaniem wilgoci

Ponieważ górna część zbiornika wyrównawczego styka się z atmosferą, zainstalowano w nim osuszacz powietrza, który zapobiega przenikaniu wilgoci do oleju i zmniejsza jego właściwości dielektryczne.

Ochrona przed uszkodzeniami wewnętrznymi

Jest ważnym elementem układu olejowego przekaźnik gazu… Montuje się go wewnątrz rurociągu łączącego kadź transformatora głównego z naczyniem wzbiorczym. Dlatego wszystkie gazy uwalniane podczas ogrzewania przez izolację olejową i organiczną przechodzą przez pojemnik z czułym elementem przekaźnika gazowego.

Ten czujnik jest ustawiony od pracy na bardzo małe, dopuszczalne tworzenie się gazu, ale jest wyzwalany, gdy wzrasta w dwóch etapach:

1. wydać personelowi serwisowemu sygnał ostrzegawczy świetlno-dźwiękowy o wystąpieniu usterki po osiągnięciu ustawionej wartości pierwszej wartości;

2. wyłączyć wyłączniki zasilania ze wszystkich stron transformatora, aby uwolnić napięcie w przypadku gwałtownego zagazowania, co wskazuje na początek potężnych procesów rozkładu izolacji olejowej i organicznej, które rozpoczynają się zwarciami wewnątrz zbiornika.

Dodatkową funkcją przekaźnika gazowego jest monitorowanie poziomu oleju w kadzi transformatora. Gdy spadnie do wartości krytycznej, zabezpieczenie gazowe może zadziałać w zależności od ustawienia:

• tylko sygnał;

• wyłączyć sygnałem.

Zabezpieczenie przed awaryjnym wzrostem ciśnienia wewnątrz zbiornika

Rura spustowa jest zamontowana na pokrywie transformatora w taki sposób, że jej dolny koniec komunikuje się z pojemnością zbiornika, a olej wpływa do wnętrza do poziomu w ekspanderze. Górna część tuby unosi się nad ekspanderem i cofa się na bok, lekko pochylona w dół.Jego koniec jest hermetycznie zamknięty przez szklaną membranę bezpieczeństwa, która pęka w przypadku awaryjnego wzrostu ciśnienia w wyniku wystąpienia nieokreślonego nagrzania.

Inna konstrukcja takiego zabezpieczenia polega na zamontowaniu elementów zaworowych, które otwierają się przy wzroście ciśnienia i zamykają po zwolnieniu.

Innym rodzajem jest zabezpieczenie syfonowe. Polega na szybkim ściśnięciu skrzydeł z gwałtownym wzrostem gazu. W rezultacie zamek trzymający strzałę, który w swoim normalnym położeniu znajduje się pod wpływem ściśniętej sprężyny, zostaje przewrócony. Wypuszczona strzała rozbija szklaną membranę i zmniejsza w ten sposób ciśnienie.

Schemat podłączenia transformatora mocy

Wewnątrz obudowy zbiornika znajdują się:

• szkielet z belką górną i dolną;

• obwód magnetyczny;

• cewki wysokiego i niskiego napięcia;

• regulacja krętych gałęzi;

• krany niskiego i wysokiego napięcia

• dolnej części przepustów wysokiego i niskiego napięcia.

Rama wraz z belkami służy do mechanicznego mocowania wszystkich elementów.

Projektowanie wnętrz

Obwód magnetyczny służy do zmniejszenia strat strumienia magnetycznego przechodzącego przez cewki. Wykonany jest z gatunków stali elektrotechnicznej metodą laminowaną.

Prąd obciążenia przepływa przez uzwojenia fazowe transformatora. Jako materiał do ich produkcji wybiera się metale: miedź lub aluminium o przekroju okrągłym lub prostokątnym. Do izolacji zwojów stosuje się specjalne marki papieru kablowego lub przędzy bawełnianej.

W uzwojeniach koncentrycznych stosowanych w transformatorach mocy uzwojenie niskiego napięcia (NN) jest zwykle umieszczone na rdzeniu, który jest otoczony na zewnątrz uzwojeniem wysokiego napięcia (WN).Takie rozmieszczenie uzwojeń, po pierwsze, umożliwia odsunięcie uzwojenia wysokiego napięcia od rdzenia, a po drugie, ułatwia dostęp do uzwojeń wysokiego napięcia podczas napraw.

Dla lepszego chłodzenia cewek, między cewkami pozostawiono kanały utworzone przez przekładki izolacyjne i uszczelki między cewkami. Olej krąży w tych kanałach, które po podgrzaniu unoszą się, a następnie opadają przez rury zbiornika, w którym są chłodzone.

Cewki koncentryczne nawinięte są w postaci walców umieszczonych jeden w drugim. Po stronie wysokiego napięcia tworzy się uzwojenie ciągłe lub wielowarstwowe, a po stronie niskiego napięcia uzwojenie spiralne i cylindryczne.

Uzwojenie NN jest umieszczone bliżej pręta: ułatwia to wykonanie warstwy na jego izolację. Następnie montuje się na nim specjalny cylinder, który zapewnia izolację między stroną wysokiego i niskiego napięcia, a na nim montuje się uzwojenie WN.

Opisany sposób montażu przedstawiono po lewej stronie poniższego rysunku, z koncentrycznym ułożeniem uzwojeń pręta transformatora.

Prawa strona rysunku pokazuje, jak rozmieszczone są uzwojenia naprzemienne, oddzielone warstwą izolacyjną.

W celu zwiększenia wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej izolacji uzwojeń ich powierzchnia jest impregnowana specjalnym rodzajem lakieru gliftalowego.

Aby połączyć uzwojenia po jednej stronie napięcia, stosuje się następujące obwody:

• gwiazdy;

• trójkąt;

• zygzak.

W tym przypadku końce każdej cewki są oznaczone literami alfabetu łacińskiego, jak pokazano w tabeli.

Typ transformatora Strona uzwojenia Niskie napięcie Średnie napięcie Wysokie napięcie Początek koniec neutralny Początek koniec neutralny Początek koniec neutralny Jednofazowy a x — At Ht — A x — Dwa uzwojenia trzy fazy a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y z G ° C Z Trzy uzwojenia trzy fazy a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z

Zaciski uzwojeń są podłączone do odpowiednich przewodów odprowadzających, które są zamocowane na śrubach izolatora przepustów znajdujących się na pokrywie kadzi transformatora.

Aby zrealizować możliwość regulacji wartości napięcia wyjściowego, na uzwojeniach wykonuje się odgałęzienia. Jeden z wariantów gałęzi sterujących pokazano na schemacie.

Układ regulacji napięcia zaprojektowany jest z możliwością zmiany wartości nominalnej w granicach ± ​​5%. Aby to zrobić, wykonaj pięć kroków po 2,5%.

W przypadku transformatorów mocy dużej mocy regulacja jest zwykle tworzona na uzwojeniu wysokiego napięcia. Upraszcza to konstrukcję przełącznika zaczepów i pozwala poprawić dokładność charakterystyki wyjściowej poprzez zapewnienie większej liczby obrotów po tej stronie.

W wielowarstwowych cewkach cylindrycznych odgałęzienia regulacyjne są wykonane na zewnątrz warstwy na końcu cewki i są rozmieszczone symetrycznie na tej samej wysokości względem jarzma.

Dla indywidualnych projektów transformatorów odgałęzienia wykonuje się w części środkowej. Podczas korzystania z obwodu odwrotnego jedna połowa uzwojenia jest wykonywana za pomocą prawej cewki, a druga za pomocą lewej cewki.

Do przełączania kranów służy przełącznik trójfazowy.

Posiada system styków stałych, które są połączone z gałęziami cewek, oraz ruchomych, które przełączają obwód, tworząc różne obwody elektryczne ze stykami stałymi.

Jeśli gałęzie są wykonane w pobliżu punktu zerowego, wówczas jeden przełącznik steruje działaniem wszystkich trzech faz jednocześnie. Można to zrobić, ponieważ napięcie pomiędzy poszczególnymi częściami przełącznika nie przekracza 10% wartości liniowej.

Gdy odczepy są wykonane w środkowej części uzwojenia, wówczas dla każdej fazy używany jest własny, indywidualny przełącznik.

Metody regulacji napięcia wyjściowego

Istnieją dwa rodzaje przełączników, które umożliwiają zmianę liczby zwojów na każdej cewce:

1. z redukcją obciążenia;

2. pod obciążeniem.

Pierwsza metoda zajmuje więcej czasu i nie jest popularna.

Przełączanie obciążenia umożliwia łatwiejsze zarządzanie sieciami elektrycznymi poprzez dostarczanie nieprzerwanego zasilania podłączonym odbiorcom. Ale aby to zrobić, musisz mieć złożony projekt przełącznika, który jest wyposażony w dodatkowe funkcje:

• wykonywanie przejść między gałęziami bez przerywania prądów obciążenia poprzez połączenie dwóch sąsiednich styków podczas przełączania;

• ograniczenie prądu zwarciowego wewnątrz uzwojenia pomiędzy podłączonymi zaczepami podczas ich jednoczesnego załączania.

Technicznym rozwiązaniem tych problemów jest stworzenie urządzeń przełączających sterowanych zdalnie, wykorzystujących dławiki i rezystory ograniczające prąd.

Na zdjęciu pokazanym na początku artykułu transformator mocy wykorzystuje automatyczną regulację napięcia wyjściowego pod obciążeniem, tworząc konstrukcję AVR, która łączy obwód przekaźnika do sterowania silnikiem elektrycznym z siłownikiem i stycznikami.

Zasada i tryby działania

Działanie transformatora mocy opiera się na tych samych prawach, co w przypadku konwencjonalnego:

• Prąd elektryczny przepływający przez cewkę wejściową ze zmienną w czasie harmoniczną oscylacji indukuje zmienne pole magnetyczne wewnątrz obwodu magnetycznego.

• Zmieniający się strumień magnetyczny przenikający zwoje drugiej cewki indukuje w nich pole elektromagnetyczne.

Tryby działania

Podczas eksploatacji i testowania transformator mocy może znajdować się w trybie pracy lub awaryjnym.

Tryb działania tworzony przez podłączenie źródła napięcia do uzwojenia pierwotnego i obciążenia do uzwojenia wtórnego. W takim przypadku wartość prądu w uzwojeniach nie powinna przekraczać obliczonych dopuszczalnych wartości. W tym trybie transformator mocy musi długo i niezawodnie zasilać wszystkich podłączonych do niego odbiorników.

Wariantem trybu pracy są testy bez obciążenia i zwarcia w celu sprawdzenia charakterystyk elektrycznych.

Brak obciążenia utworzony przez otwarcie obwodu wtórnego w celu odcięcia w nim przepływu prądu. Służy do określenia:

• Efektywność;

• współczynnik transformacji;

• straty w stali spowodowane namagnesowaniem rdzenia.

Próbę zwarcia tworzy się przez zwarcie zacisków uzwojenia wtórnego, ale przy niedoszacowanym napięciu na wejściu transformatora do wartości zdolnej do wytworzenia znamionowego prądu wtórnego bez jego przekroczenia.Ta metoda służy do określania strat miedzi.

Do trybów awaryjnych transformator zalicza wszelkie naruszenia jego działania, prowadzące do odchylenia parametrów pracy poza granice ich dopuszczalnych wartości. Za szczególnie niebezpieczne uważa się zwarcie wewnątrz uzwojeń.

Tryby awaryjne prowadzą do pożarów urządzeń elektrycznych i rozwoju nieodwracalnych konsekwencji. Są w stanie spowodować ogromne uszkodzenia systemu elektroenergetycznego.

Dlatego też, aby zapobiec takim sytuacjom, wszystkie transformatory mocy wyposaża się w urządzenia automatyczne, zabezpieczające i sygnalizacyjne, których zadaniem jest utrzymanie normalnej pracy pętli pierwotnej oraz szybkie odłączenie jej ze wszystkich stron w przypadku awarii.