Устройство трансформаторов

Трансформатор состоит из различных конструк­тивных элементов:

магнитопровода, обмоток, вводов, бака и др.

Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками со­ставляет активную часть трансформатора. Остальные элементы трансформатора называют неактивными (вспомогательными) частями.

Магнитопровод. Магнитопровод служит для замыкания основного магнитного потока трансформатора, а также для крепления обмоток, отводов, переключателей.

Рис. 1.2. Магнитопровод трехфазного трансформатора стержне­вого типа с обмотками

Магнитопровод состоит из тонких (обычно толщиной 0,5 мм) стальных пластин, покрытых с двух сторон изолирующей пленкой (например, лаком). Такая конструкция магнитопровода позволяет ослабить вихревые токи, наводимые в нем переменным магнитным потоком, а следовательно, умень­шить величину потерь энергии в трансформаторе.

Силовые трансформаторы выполняются с магнитопроводами трех типов:

• стержневого,
• броневого и
• бронестержневого.

Рис. 1.5. Магнитопроводы бронестержневых трансформаторов: а — однофазного; б — трехфазного трансформатора

Рис. 1.10. Концентрическая (а) и дисковая (б) обмотки трансформаторов

Рис. 1.9. Ленточные раз­резные магнитопроводы

Обмотки. Обмотки трансформаторов средней и большой мощ­ности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямо­угольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой.

В трансформаторах с масляным охлажде­нием магнитопровод с об­мотками помещен в бак, напол­ненный трансформаторным маслом (рис. 1.13). Трансфор­маторное масло, омывая об­мотки 2 и 3 и магнитопровод 1, отбирает от них тепло­ту и, обладая более высокой теплопроводностью, чем воздух, через стенки бака 4 и трубы радиатора 5 отдает ее в окружаю­щую среду.

Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла от окисления и увлажнения при кон­такте с воздухом в трансформаторах служит расширитель 9, он представляет собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним.

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

В трубопровод, соединяющий бак масляного трансформатора с расширителем, помещено газовое реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопровождаемых обильным выделением газов (например, при коротком замыка­нии между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замы­кает контакты цепи управления выключателя, который отклю­чает трансформатор от сети. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. В масляных трансформаторах для вводов обычно используют проходные фарфоровые изоля торы. Такой ввод снабжен металлическим фланцем, посредством которого он крепится к крышке или стенке бака. К дну бака прикреплена тележка, позволяющая перемещать трансформатор в пределах подстанции'. На крышке бака расположена рукоятка переключателя напряжений 6 (см. § 1.15).

Номинальные параметры трансформатора:

1) номинальное первичное линейное напряжение (У,„ом, В или кВ;

2) номинальное вторичное линейное напряжение ^2ном (напряжение на выводах вторичной обмотки при отклю­ченной нагрузке и номинальном первичном напряжении), В или кВ;

3) номинальные линейные токи в первичной /|„ом и вторич­ной /2ном обмотках, А;

4) номинальная полная мощность S„0M, кВ-А (для однофазного трансформатора S„0„ = UiH0MJiH0M, для

трехфазного — S„0M = V3 ^ЛномЛном).

Ф

Рис. 1.15. Режимы холостого хода (а) и нагрузки (б) в однофазном транс­форматоре

ь

Составляющая IoWi наводит в магнитопроводе трансформа­тора основной магнитный поток Ф, а составляющая — /2Ш2 урав­новешивает МДС вторичной обмотки l2w2.

Воздействие МДС вторичной обмотки трансформатора /2ш2 на основной магнитный поток Ф можно объяснить с помощью правила Ленца. В соответствии с этим правилом наведенная в обмотке ЭДС создает в этой обмотке такой ток, который своим магнитным действием направлен против причины, вызвавшей появление этой ЭДС. Причиной наведения ЭДС Е2 во вторичной обмотке трансформатора является основной магнитный поток Ф, поэтому ток во вторичной обмотке /2 создает МДС /2ау2, направ­ленную встречно потому Ф, т. е. находящуюся с ним в противо- фазе и стремящуюся ослабить этот поток. Если бы обмотка вд2 была замкнута накоротко или на чисто индуктивное сопротивле­ние и при этом не обладала активным сопротивлением, то ток /2 отставал бы по фазе от ЭДС Ё2 на угол г|)2=90° и вся МДС/2да2 оказывала бы на магнитопровод размагничивающее действие. Но в реальных условиях вторичная обмотка замкнута на сопротивление нагрузки Z„ = r9±jxB, да к тому же она сама обладает активным сопротивлением г2. Поэтому фазовый сдвиг тока 12 от ЭДС £2 отличается от 90° и с основным магнитным потоком Ф взаимодействует не вся МДС /2Ш2, а лишь ее реактивная состав­ляющая.

При активно - индуктивной нагрузке, когд; Z„ = r„ + jxн и ток нагрузки h отстает по фазе от ЭДС вторично

5) 1ищ

о)

1грьх2

max

max

ф.

обмотки Е2 на угол МД< /2го2 своей реактивной (индук тивной) составляющей l2pw оказывает на магнитопрово; трансформатора размагничива ющее действие:

ihpW2 = I2W2 sin 0|52, где /2р = /2sin\|)2 — реактивная составляющая тока нагрузки.

Рис. 1.16. Векторные диаграммы МДС трансформатора при активно-индуктив­ной (а) и активно-емкостной (б) на­грузках

На рис. 1.16, а представ­лена векторная диаграмма МДС для случая активно-ин­дуктивной нагрузки трансфор­матора. На диаграмме вектор ЭДС вторичной обмотки Ё2 от­стает по фазе от вектора основного магнитного потока ФШах на угол 90°, а вектор МДС вторичной обмотки /2ш2 отстает по фазе от ЭДС Ё2 на угол я|з2 (рис. 1.16, а). Из выполненных на этой диаграмме построений видно, что реактивная (индуктивная) сос­тавляющая МДС вторичной.обмотки /2рw2 находится в противо фазе с основным магнитным потоком Фтах, т. е. оказывает на магнитопровод трансформатора размагничивающее действие.

Анализируя работу трансформатора, необходимо отметить что при нагрузке трансформатора в пределах номинального зна­чения основной магнитный поток Ф изменяется весьма незначи­тельно и принятое ранее положение Ф яз const вполне допустимо..Происходит это потому, что МДС торичной обмотки I2W2, реак­тивная составляющая которой оказывает на магнитопровод раз­магничивающее действие, компенсируется составляющей первич­ной МДС:

(— I2w2) = hw\ — hw\. (1-22)

При колебаниях нагрузки трансформатора /2 изменяется МДС вторичной обмотки I2W2, а это вызывает соответствующие изме­нения МДС первичной обмотки t\W\ за счет ее составляющей — }2w2. Что же касается составляющей МДС холостого хода /0wu то ее значение остается практически неизменным, достаточным для создания в магнитопроводе трансформатора основного маг­нитного потока Ф ж const.

При активно-емкостной нагрузке трансформа­тора, когда Z„ = r„— jx„ и ток нагрузки /2 опережает по фазе ЭДС Ё2 на угол х|?2> реактивная (емкостная) составляющая МДС

вторичной обмотки l2pw2 совпадает по фазе с основным магнит­ным потоком Фтах и подмагничивает магнитопровод трансформа­тора (рис. 1.16,6). В этом случае, так же как и при активно- индуктивной нагрузке, составляющая первичной МДС — I2w2 — — /1ДО1 — /0ДО1 компенсирует действие вторичной МДС /2ш2. е Разделив уравнение МДС (1.21) на число витков w 1, получим

5 /„ = /, + I2w2/w и или /о = /1 + /2, (1.23)

?де i2 = l2w2/w\—ток нагрузки (вторичный ток), приведенный!«числу витков первичной обмотки.

} Другими словами, это такой ток, который в обмотке с числом зитков w 1 создает такую же МДС, что и ток /2 во вторичной об­мотке w2, т. е. I'2w 1 = I2(w2/w\) w 1 = I2w2.

Преобразовав выражение (1.23), получим уравнение токов трансформатора:

/, = /„ +(-/5). (1.24)

Из этого уравнения следует, что первичный ток /1 можно рас­сматривать как сумму двух составляющих: составляющую /0, создающую МДС/offiJi, необходимую для наведения в магнито­проводе основного магнитного потока Ф, и составляющую —/2, которая, создавая МДС —l'2w 1, компенсирует МДС вторичной обмотки I2w2 трансформатора. Такое действие составляющих первичного тока приводит к тому, что любое изменение тока на­грузки /2 сопровождается изменением первичного тока h за счет изменения его составляющей —/2, находящейся в противофазе с током нагрузки 12.

Основной магнитный поток Ф является переменным, а поэто­му магнитопровод трансформатора подвержен систематическому перемагничиванию. Вследствие этого в магнитопроводе транс­форматора имеют место магнитные потери от гистерезиса и вих­ревых токов, наводимых переменным магнитным потоком в плас­тинах электротехнической стали. Мощность магнитных потерь эквивалентна активной составляющей тока х.х. Таким образом, ток х.х. имеет две составляющие: реактивную /оР, представляю­щую собой намагничивающий ток, и активную /оа, обусловлен­ную магнитными потерями:

/о = д//о2а+/ор • (1.25)

Обычно активная составляющая тока х.х. невелика и не пре­вышает 0,10 от /о, поэтому она не оказывает заметного влияния на ток х.х.

I На рис. 1.17 представлена векторная диаграмма, на которой i показаны векторы тока х.х. /о и его составляющих /0а и /0р. Угол {б, на который вектор основного магнитного потока Фтах отстает чпо фазе от тока /0, называют углом магнитных потерь. Нетрудно заметить, что этот угол увеличивается с ростом активной состав­ляющей тока х.х. /0а, т. е. с ростом магнитных потерь в магнито­проводе трансформатора.

Сила тока х.х. в трансформаторах большой и средней мощ­ности соответственно составляет 2—10% от номинального пер­вичного тока. Поэтому при нагрузке, близкой к номинальной, пренебрегая током /0 и преобразуя (1.22), получим

h/h=w2/wu (1.26)

т. е. токи в обмотках трансформатора об­ратно пропорциональны числам витков этих обмоток: ток больше в обмотке с меньшим числом витков и меньше в об- Фтах мотке с большим числом витков. Поэтому обмотки НН выполняют проводом боль­шего сечения, чем обмотки ВН, имеющие

большее число витков.

t I

Рис. 1.17. Разложение то­ка х. х. на составляющие

Поиск по сайту: