Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уральский институт государственной противопожарной службы»
Кафедра «Пожарная безопасность в электроустановках» лекция
по дисциплине «Электротехника и электроника»
РАЗДЕЛ № 1.«Электротехника»
ТЕМА № 5.1. «Устройство и принцип действия трансформаторов»
Цели занятия:
учебные – формирование у курсантов знаний об истории создания трансформаторов, назначении, принципе действия, устройстве и области их применения, а также представления об их пожаровзрывоопасности;
воспитательная – развитие культуры речи и письма, поведения на занятиях;
развивающая – развитие навыков учебного труда (с опорным конспектом с элементами рабочей тетради, отвечать на поставленные вопросы), развитие познавательных интересов (внимания, памяти, воображения).
Методы, применяемые на занятии: лекция с элементами эвристической беседы, опорное конспектирование.
Время: 2 часа (90 мин.)
Место проведения: Л-II.
Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор, презентация лекции, опорный конспект с элементами рабочей тетради.
Литература, использованная при подготовке лекции:
Основная
Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд. С. 193–232.
Дополнительная
Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2008. С. 195-209.
Кацман М.М. Электрические машины: учеб. для учащ. электротехн. спец. техникумов. М.: Высш. шк., 1990. С. 13-83.
Электротехника и электроника: рабочая программа цикла по специальности 280104.65 – Пожарная безопасность». Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009. 25 с.
План лекции:
1.Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности курсантов (слушателей) к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие(время 5 мин.)
2. Введение (15 мин.).
Около ста тридцати лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии. Хотя современная электротехника и телекоммуникации немыслимы без него, оно остается одним из «невоспетых героев» в истории технического прогресса. Такие технические устройства, как телефон и телевизор, прочно вошли в нашу повседневную жизнь. А вот изобретение, благодаря которому мы получили доступ к электроэнергии, остается в тени, хотя играет в нашей жизни очень важную роль. Это устройство неприметно, оно не движется, работает практически бесшумно, и, как правило, скрыто от наших глаз в отдельных помещениях или в корпусе различных устройств. Речь идет о трансформаторе. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства, радиоприемники, распределительные устройства электроэнергии – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают и повышают напряжение.
Современные трансформаторы превосходят своих предшественников, созданных к началу XX века, по мощности в 500, а по напряжению в 15 раз, их масса из расчета на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а КПД близок к 99%.
Остановимся кратко на истории создания трансформатора:
Столетов Александр Григорьевич обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-гг.);
Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей;
В 1831 г. М.Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия трансформатора, и сформулировал закон электромагнитной индукции: если замкнутый контур пронизывает переменный магнитный поток, то в нем наводится электродвижущая сила электромагнитной индукции и индуцируется ток;
В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку;
30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. 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;
Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока, построил первый трёхфазный асинхронный двигатель и первый трёхфазный трансформатор;
1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (ныне — Московский электрозавод);
В начале 1900-х годов 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;
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.
С того времени трансформаторы получили широкое применение в системах передачи и распределения электроэнергии. Известно, что передача электроэнергии на дальние расстояния осуществляется при высоком напряжении (от 110 кВ и более). При передаче электроэнергии на напряжениях повышенного класса в сети уменьшаются токи, а соответственно потери электроэнергии, стоимость вложений в строительство и эксплуатацию линий электропередачи за счет уменьшения изоляции проводов и диаметра токоведущих частей.
Получить высокое напряжение на генераторе невозможно, т.к. в его устройстве присутствуют вращающиеся части. Поэтому электроэнергия после генератора подается на трансформатор, в котором напряжение повышается до необходимого значения. Это напряжение должно быть тем выше, чем больше протяженность линии и чем больше передаваемая по ней мощность. Например, при передаче электроэнергии мощность 1 000 000 кВт на расстояние 1000 км необходимо напряжение 500 кВ. В местах распределения электроэнергии между потребителями устанавливают понижающие трансформаторы, которые понижают напряжение до требуемого значения. И наконец, в местах потребления электроэнергии напряжение еще раз понижают посредством трансформатора до 220, 380 или 660 В. При этом напряжении электроэнергия подается непосредственно потребителям – на рабочие места предприятий и в жилые помещения. Таким образом, передаваемая электроэнергия подвергается трех-, а иногда и четырехкратному трансформированию (рис. 1). Помимо этого применения трансформаторы используются в различных электроустановках (нагревательных, сварочных), устройствах автоматики и связи.
Рис. 1. Схема передачи и распределения электроэнергии
Будущим инженерам пожарной безопасности необходимо знать, что трансформатор является пожаровзрывоопасным. Практически каждый год происходят взрывы трансформаторов, зачастую приводящие к человеческим жертвам. Приведем примеры аварий, связанных с трансформаторами.
15 января 2010 г. на Кольской АЭС взорвался трансформатор. Взрыв был такой силы, что механизм разнесло в клочья, а осколки разлетелись в радиусе 80 метров, повредив другое оборудование. Были отключены 2 высоковольтные линии.
Взрыв трансформатора по причине короткого замыкания в Бангладаше 4 июня 2010 г. привел к гибели более 100 человек, среди которых много женщин и детей. Трагедия произошла в старом густонаселенном квартале, огонь очень быстро распространился на жилые дома и магазины. Борьба с пожаром осложнялась близостью домов друг к другу, горючие химтовары на прилавках пылающих магазинов усугубили ситуацию.
Взрыв трансформатора на заводе «Сибинстрем» 30 октября 2010 г. в Красноярске не привел к жертвам, но на его тушение ушло 2 часа.
13 мая 2010 г. в результате взрыва воздушно-масляной смеси взорвался трансформатор в городе Набережные Челны в помещении турбинного цеха машинного зала Нижнекамской гидроэлектростанции, в результате чего погиб начальник цеха, еще десять сотрудников пострадали.
Неисправность измерительного трансформатора напряжения привела к взрыву на распредустройстве в Казани 31 августа 2010 г., что привело к обрушению 3 стен здания распредустройства. Причина взрыва - воспламенение воздушно-масляной смеси, образовавшейся в результате выброса масла из поврежденного трансформатора.
2 июня 2011 г. произошел взрыв на АЭС во Франциинедалеко от города Трикастен.
Все вышеизложенное подтверждает вывод о том, что будущим специалистам в области пожарной безопасности необходимо знать устройство, назначение, принцип действия и основные режимы работы этого вида электрооборудования.
Вопросы лекции:
Принцип действия трансформатора.
Классификация трансформаторов.
Устройство силового трехфазного трансформатора.
Особенности трехфазных трансформаторов.