Трансформаторы

В основе действия электрических трансформаторов лежит явление электромагнитной индукции. Электрический трансформатор состоит из одной первичной обмотки, одной или несколько вторичных обмоток и ферромагнитного сердечника (магнитопровода), обычно замкнутой формы

3.1. Схема простейшего трансформатора: 1 и 2 – первичная и вторичная обмотки соответственно с числом витков W₁ и W₂; 3 – сердечник; Ф_о – основной магнитный поток; Ф₁ и Ф₂ – потоки рассеяния; J₁ и J₂ – токи в первичной и вторичной обмотках; U₁ – напряжение на первичной обмотке; R_H – сопротивление нагрузки.

Все обмотки расположены на магнитопроводе и индуктивно связаны между собой. Иногда вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки (или наоборот); такие трансформаторы называют автотрансформаторами. Основной поток создает (при подключенном в сеть трансформаторе) в обоих обмотках ЭДСи:и, гдеи– число витков в соответствующих обмотках. Отношениеназывается коэффициентом трансформации.

Напряжение, токи и ЭДС в обмотках (без учета ЭДС, наводимых потоками рассеяния) связаны соотношениями:

, (3.1)

, (3.2)

где и,и,и– активные сопротивления обмоток, напряжения и токи в них. Если напряжение, приложенное к первичной обмотке, синусоидальное, то магнитный потоки ЭДСи будут также синусоидальными, поэтому при анализе работы трансформатора удобно рассматривать действующие значения ЭДС и, напряженийии токови.

Если трансформатор нагружен, как на рис. 3. 1. за счет сопротивления , магнитодвижущая сила вторичной обмотки (произведение) компенсируется соответствующим увеличением магнитодвижущей силы первичной обмотки () и величина основного магнитного потока остается практически такой же, как и в режиме холостого хода (т. е. сохраняется условие). Отсюда, пренебрегая током холостого хода, имеем.

Основной вид трансформаторов - силовые трансформаторы, являются главной базой системы электроснабжения крупных и средних предприятий, имеющих в своем составе главные понижающие подстанции – ГПП и распределительные подстанции – РП на 6; 10 кВ с разветвленными высоковольтными сетями и несколькими трансформаторными подстанциями – ТП тоже на 6; 10 кВ.

Производственная деятельность мелких предприятий, как правило, имеющих в своем составе одну – две ТП на 6; 10/0,4 кВ, во многом зависит от надежной работы силовых трансформаторов (щитов и шкафов, распределительных пунктов РП на 0,4 кВ).

Однако наиболее представительную группу составляют двух обмоточные силовые трансформаторы, устанавливаемые на линиях электропередач (ЛЭП). Такие трансформаторы повышают напряжение тока, вырабатываемого генераторами электростанций, с 10-15 кВ до 220-750 кВ, что позволяет передавать электроэнергию по воздушным ЛЭП на несколько тысяч километров.

Высшее напряжение трансформаторов ГПП в России 35, 110, 154, 220, 330 кВ; питание производится по воздушным и кабельным линиям электропередач. Отходящие от ГПП высоковольтные распределительные сети, рассчитанные на 6; 10 кВ, называют межцеховыми (заводскими). Обычный ряд мощностей ГПП: 10, 16, 25, 40, 63, 80, 100, 125 МВ А, а в отдельных случаях и выше.

Многократное преобразование электроэнергии требует большого количества силовых трансформаторов, поэтому их суммарная мощность в энергосистеме в несколько раз превышает мощность источников и потребителей энергии. Мощные силовые трансформаторы имеют КПД 98-99%. Их обмотки изготовляют, как правило, из меди, магнитопроводы – из листов холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм, имеющей высокую проницаемость и малые потери на гистерезис и вихревые токи. Магнитопровод и обмотки силового трансформатора обычно помещают в бак, заполненный минеральным маслом, которые используются для изоляции и охлаждения обмоток. Такие трансформаторы обычно устанавливают на открытом воздухе, что требует лучшей изоляции выводов и лучшей герметичности бака. Трансформаторы без масляного охлаждения называют сухими. Для лучшего отвода тепла трансформаторы снабжают трубчатыми радиаторами, омываемые воздухом или водой.

Обозначение масляных трансформаторов:

ТМ – трансформатор масляный трехфазный;

О – однофазный;

Н – возможность регулировать напряжения под нагрузкой;

Р – наличие расщепленной обмотки;

Д – масляное охлаждение с дутьем (обдув радиаторов трансформатора вентиляторами);

Ц – циркуляционное охлаждение масла путем его откачивания из бака и охлаждения воздухом (водой).

После буквенных обозначений следуют цифры, обозначающие мощность и первичное напряжение. Например, ТРДЦН-80 000/110 – масляный трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой, с циркуляционным охлаждением масла, с возможностью регулирования напряжения трансформатора мощностью 80 00 кВ∙А, 110 кВ.

Трансформаторы сухого исполнения обозначаются:

ТСЗ – трансформатор сухого защищенного исполнения.

Сухие трансформаторы имеют ограниченное применение, так как они дороже масляных и имеют следующие недостатки:

• боятся грозовых перенапряжений;

• создают при работе повышенный шум по сравнению с масляными;

• требуют установки в сухих помещениях с относительной влажностью не более 15% (56).

Трансформаторы с естественным негорючим жидким диэлектриком-совтолом (Н) изготовляют мощностью до 2500 кВ∙А включительно. Обозначение – ТНЗ. Буква З означает, что трансформатор без расширителя и защита масла осуществляется, с помощью азотной подушки.

В качестве трансформаторных масел применяют нефтяные или синтетические масла. Масла нефтяные получают очисткой соответствующих нефтяных дистиллятов с помощью селективных растворителей, серной кислоты, адсорбентов или гидрированием. Из синтетических продуктов в качестве трансформаторных масел наибольшее распространение получили жидкости на основе хлорированных дифенилов и трихлорбензола (гексол, совтолы). В некоторых видах специальных трансформаторов применяются также углеродные, кремнийорганические и фосфорные синтетические жидкости.

В зависимости от назначения и от величины первичного и вторичного напряжений понизительные силовые трансформаторы подразделяются на районные, трансформаторы ГПП и местные (цеховые). Районные в этом случае принимают электроэнергию непосредственно от высоковольтных ЛЭП и передают ее на ГПП, а те (понизив напряжение 6, 10 или 35 кВ) – на местные и цеховые подстанции, на которых осуществляется последняя ступень трансформации и распределения электроэнергии между потребителями.

Следует указать, что окончательная схема районной энергосистемы и схема присоединения данного предприятия к ней решается проектной организацией с учетом всех особенностей инфраструктуры как объекта, так и районных сетей и в соответствии с действующими условиями присоединения мощностей.