3-Б курс, 6-ти летки Калинина Т.В 2 / МУ для выполнения КР ЭиЭ

Учитывая высокий КПД трансформатора, можно полагать, что S1 ≈ S2, где S1=U1I1 мощность, потребляемая из сети; S2 = U2I2 мощность, отдаваемая в нагрузку.

Таким образом, U1 I1≈ U2I2 , откуда
	I2		U1	k
	I1		U2

Классификация трансформаторов

Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам:

По назначению:

Силовые общего назначения, применяемые в линиях передачи и распределения электроэнергии;

Силовые специального назначения: для питания сварочных аппаратов,

электропечей и других потребителей особого назначения, автотрансформаторы;

Трансформаторы для устройств автоматики (импульсные, пик-

трансформаторы, преобразователи частоты).

Измерительные трансформаторы (тока и напряжения) для изоля-

ции устройств РЗиА от цепи высокого напряжения, расширения пределов измерения измерительных приборов.

Разделительные для повышения безопасности электросетей, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции

Испытательные для питания испытательных схем, используемых при метрологической поверке измерительных трансформаторов тока, при настройке релейных защит, испытания устройств высоким напряжением и т.д.

По виду охлаждения с воздушным (сухие трансформаторы), масляным (масляные трансформаторы) охлаждением, трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком (совтолом);

По числу трансформируемых фаз однофазные и трехфазные;

По форме магнитопровода стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные;

По числу обмоток на фазу двухобмоточные, трехобмоточные, многообмоточные (более трех обмоток, например, одна первичная, и три вторичные обмотки). Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называют трансформаторами с расщепленными обмотками, они обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору.

По частоте: пониженной частоты (ниже 50 Гц), нормальной, или промышленной частоты 50 Гц, повышенной частоты от 100 до 10 000 Гц, высокой частоты свыше 10 000 Гц.

Также различают повышающие трансформаторы (U2>U1), предназначенные для повышения напряжения переменного тока до нужного значения, и понижающие (U2<U1), которые понижают напряжение до требуемой величины.

70

Существует особый тип трансформаторов – автотрансформатор. Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и электрическую связь.

Особенности трехфазных трансформаторов

Трансформирование электроэнергии трехфазного тока можно осуществить тремя однофазными трансформаторами или одним трехфазным трансформатором. В установках мощностью примерно до 60 000 кВ·А обычно применяют трехфазные трансформаторы. На каждом из трех стержней трансформатора размещается по две обмотки, принадлежащие одной фазе, одна из которых является первичной, другая - вторичной. Начала первичных обмоток обозначают буквами А, В, С, их концы – X, Y, Z; для вторичных обмоток их начала обозначаю буквами а, b, с; концы – x, y, z (рис. 5.2, а). Ввод нулевого провода располагают слева от ввода а и обозначают О.

Рис. 5.2. Трехфазный трансформатор:

а) конструкция; б) схема соединения обмоток (звезда-треугольник)

Физические процессы, происходящие в каждой фазе трехфазного трансформатора, ничем не отличаются от аналогичных, рассмотренных ранее в однофазном трансформаторе.

Обмотки трехфазных трансформаторов принято соединять по следующим схемам: звезда; звезда с нулевым выводом; треугольник; зигзаг с нулевым выводом (табл. 5.1). Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например, в трансформаторах для выпрямителей.

Схема соединения обмоток трансформатора обозначается в виде дроби, в числителе которой указан способ соединения первичной обмотки, а в знаменателе

– вторичной. Например, Y/∆ означает, что первичная обмотка соединена звездой, а вторичная треугольником. При соединении обмоток звездой линейное напря-

жение больше фазного (Uл= 3 Uф), а при соединении обмоток треугольником линейное напряжение равно фазному (Uл=Uф ). Тогда соединение обмотки ВН в звезду позволяет выполнить внутреннюю изоляцию из расчета фазной ЭДС, в √3 раз меньше линейной. Обмотки НН преимущественно соединяются в треугольник, что позволяет уменьшить сечение обмотки, рассчитав ее на фазный ток I/√3 раз.

71

Таблица 5.1

Особенностью трехфазного трансформатора также является зависимость коэффициента трансформации линейных напряжений от способа соединения обмоток. Коэффициент трехфазного трансформатора при соединении Y/Y вычисляется как отношение линейных напряжений, при соединении Y/ ∆ как отношение фазных напряжений.

Конструкция силового трехфазного трансформатора

Силовой 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.

При работе трансформатора за счет токов в обмотках, а также вследствие перемагничивания магнитопровода и вихревых токов выделяется теплота. Трансформаторы небольшой мощности (до 10 кВА), для которых достаточно воздушного охлаждения, называют сухими.

В мощных трансформаторах применяют масляное охлаждение. Магнитопровод с обмотками размещается в баке, заполненном минеральным (трансформаторным) маслом. Масляные трансформаторы надежны в работе и имеют меньшие размеры и массу по сравнению с сухими трансформаторами той же мощности. В трансформаторах мощностью до 20-30 кВА применяют баки с гладкими стенками. У более мощных трансформаторов стенки бака делают ребристыми или применяют трубчатые баки.

На рис. 5.4 приведено устройство трехфазного трансформатора с масляным охлаждением.

Трансформаторы выпускают с различными системами регулирования напряжения: без регулирования напряжения, с регулированием напряжения путем переключения числа витков обмоток без возбуждения (система ПБВ, предполагает отключение трансформатора от сети при переключениях), с регулированием напряжения под нагрузкой (система РПН).

72

12

Рис. 5.4. Устройство трехфазного трансформатора:

1 – магнитопровод; 2 – обмотка НН в разрезе; 3 – обмотка ВН; 4 – выводы обмотки ВН; 5 – выводы обмотки НН; 6 – трубчатый бак для масляного охлаждения; 7 – кран для заполнения маслом; 8 – выхлопная труба для газов; 9 – газовое реле; 10 – расширитель для масла;

11 – кран для спуска масла; 12 – рукоятка для переключателя напряжений.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, трансформатор оборудую устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), которое представляет собой скользящий контакт для изменения числа витков обмотки (примерно так же, как это делается в ползунковых реостатах). Скользящий контакт широко используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах.

Кпаспортным данным трансформатора относятся следующие величины:

1)номинальная полная мощность Sном – указанная в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении;

2) номинальные напряжения обмоток U1ном и U2ном это напряжения пер-

вичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора (его линейное (междуфазное) напряжение;

3)номинальные токи трансформатора I1ном и I2ном – указанные в заво-

дском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора;

4)напряжение короткого замыкания uк, выражаемое в процентах – это на-

пряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному (характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора);

5)ток холостого хода I0 , выраженный в процентах номинального тока

трансформатора (характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции);

73

6)мощность потерь холостого хода Рх и короткого замыкания Рк опреде-

ляют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструкциях трансформатора;

7)частота;

8)число фаз;

9)габариты и масса трансформатора.

Диапазон мощностей силовых трансформаторов от 10 кВА до 630000 кВА, сухого использования – от единиц ВА до 1600 кВА. Силовые трансформаторы однофазные мощностью 4 кВА и ниже и трехфазные – 5 кВА и ниже относят к трансформаторам малой мощности. Такие трансформаторы широко используются в преобразовательной, бытовой технике, радиоэлектронной аппаратуре.

Условные графические и буквенные обозначения силовых трансформаторов

Согласно ГОСТ 2.723 68 устанавливаются три способа построения условных графических обозначений для трансформаторов и автотрансформаторов:

упрощенный однолинейный; упрощенный многолинейный (форма I); развернутый (форма II).

В упрощенных однолинейных обозначениях обмотки трансформаторов и автотрансформаторов изображают в виде окружностей. Выводы обмоток показывают одной линией с указанием на ней количества выводов в соответствии с требованиями ГОСТ 2.721(рис. 5.5, а). В автотрансформаторах сторону высшего напряжения изображают в виде развернутой дуги (рис. 5.5, б, г). В упрощенных многолинейных обозначениях обмотки трансформаторов (рис. 5.5, в) и автотрансформаторов (рис. 5.5, г) изображают аналогично упрощенным однолинейным обозначениям, показывая выводы обмоток. Две косые черты на линии электропередачи обозначают однофазный трансформатор, три косые черты – трехфазный трансформатор.

а)

б)

в)

г)

Рис. 5.5. Условные графические обозначения:

а) двухобмоточного трансформатора в однолинейной схеме; б) автотрансформатора в однолинейной схеме; в) двухобмоточного трансформатора в многолинейной схеме;

г) автотрансформатора в многолинейной схеме

В развернутых обозначениях обмотки трансформаторов и автотрансформаторов изображают в виде цепочек полуокружностей. Внутри окружности допускается помещать квалифицирующие символы и дополнительную информа-

74

цию. Обозначения	трансформаторов и					автотрансформаторов	приведены в
табл. 5.2.
								Таблица 5.2
Наименование				Обозначение графическое				Буквенный
элемента схемы		Форма I				Форма II		код
1		2				3		4
Трансформатор силовой
однофазный. Общее обо-								T
значение
Трансформатор (авто-
трансформатор) силовой.
Общее обозначение
Трансформатор и авто-
трансформатор с РПН с								T
указанием группы соеди-
нения обмоток
Трансформатор силовой,
трехобмоточный. Общее								T
обозначение
Трансформатор силовой
трехобмоточный с РПН с
указанием группы соеди-								Т
нения обмоток
Трансформатор силовой,
двухобмоточный с расщеп-								T
лением обмотки НН на две,
с РПН
Трансформатор напряже-
ния измерительный								TV
Трансформатор тока (с од-
ной вторичной обмоткой)								TA

Для трансформаторов и автотрансформаторов установлены условные обозначения, в которых последовательно (слева направо) приводится следующая информация:

1) вид электротехнического устройства (А – автотрансформатор, без обозначения – трансформатор);

2) число фаз Т трехфазный трансформатор, О – однофазный;

3)наличие расщепленной обмотки низшего напряжения – Р;

4)условное обозначение видов охлаждения:

75

сухие трансформаторы: С – естественное воздушное охлаждение; СД – естественное воздушное охлаждение с принудительной циркуляцией воздуха (с воздушным дутьем);

масляные трансформаторы: М – естественная циркуляция воздуха и масла; Д – принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла; ДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла; НДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла; Ц – принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла;

трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком: Н – естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком; НД – охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха; ННД - охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и с направленным поток жидкого диэлектрика.

5) число обмоток (без обозначения – двухобмоточный; Т трехобмоточный);

6)наличие системы регулирования напряжения – Н;

7)исполнение (З – защищенное; Г – грозоупорное; У - усовершенствованное; Л – с литой изоляцией);

8)специфическая область применения (С – для систем собственных нужд электростанций; Ж – для электрификации железных дорог);

9)номинальная мощность, кВА;

10)класс напряжения обмотки ВН, кВ;

11)климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69;

12)категория размещения по ГОСТ 15150-69.

Например, расшифруем марку трансформатора типа: ТРДНС 63000/35 – трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой НН, масляное охлаждение с принудительной циркуляцией воздуха и естественной циркуляцией масла, двухобмоточный, наличие устройства РПН, для систем собственных нужд электростанций, Sном – 63000 кВА, напряжение обмотки ВН – 35 кВ.

Наряду с силовыми в практической электротехнике широко используются измерительные трансформаторы тока и напряжения. Обозначение типов данных трансформаторов можно посмотреть в справочной литературе.

Приведение обмоток трансформатора

Коэффициент трансформации трансформаторов относительно велик, поэтому для удобства анализа работы трансформатора с помощью векторной диаграммы осуществляют приведение вторичной обмотки к числу витков первичной, т.е. при построении диаграммы и расчетах заменяют реальный трансформатор с k=w1/w2 приведенным трансформатором, у которого k=1. Приведенные величины обозначаются штрихом сверху: . Формулы для приведения вели-

чин приведены в табл. 5.3.

76

Таблица 5.3

Наименование величины	Формула
ЭДС
Напряжение
Ток
Активное сопротивление
Реактивное сопротивление

Схема замещения трансформатора

Исследование работы трансформатора упрощается, если реальный трансформатор заменить эквивалентной электрической схемой замещения (рис. 5.6), в которой магнитная связь между обмотками заменена электрической. В основном при расчетах используют Т-образную схему замещения (рис. 5.6, а).

а	б
Рис. 5.6. Схемы замещения трансформатора:
а) Т-образная; б) Г-образная (упрощенная)

Схема замещения трансформатора представляет собой совокупность трех ветвей: первичной, характеризующейся сопротивлением первичной обмотки

и током	; вторичной с двумя сопротивлениями
cопротивлением собственно вторичной цепи		и сопротивлением
нагрузки	и током ; намагничивающей	–	сопротивлением
и током .
Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток			и	характе-

ризуют потери в обмотках трансформатора на выделение тепла в связи с проте-

канием по ним токов (потери в меди обмоток);	индуктивные сопротивления
рассеяния первичной и вторичной обмоток и	характеризуют потери, свя-

занные с возникновением в обмотках магнитных потоков рассеяния Ф 1 и Ф 2. Сопротивления ветви намагничивания R0 и X0 определяются током холостого хода (Iх) и обусловлены магнитными потерями в трансформаторе (потери в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи). Изменением сопротив-

77

ления нагрузки на схеме замещения могут быть воспроизведены все режимы работы трансформатора. Все параметры схемы замещения, за исключением ,

являются постоянными для данного трансформатора и могут быть определены их опытов холостого хода и короткого замыкания.

Опыты холостого хода и короткого замыкания

Для определения величин, характеризующих работу трансформатора, используют опыты холостого хода и короткого замыкания. Подробно методика проведения данных опытов приведена в [3]. Остановимся кратко на расчетных формулах величин трансформатора, определяемых в данных опытах и необходимых для выполнения расчетно-графической работы №6.

Опыт холостого хода. Его проводят при подведении к первичной обмотке номинального напряжения трансформатора и разомкнутой вторичной обмотке.

Тогда Zн=∞, I2=0, Е1≈U1, Е2 =U2 (рис. 5.7). В данном опыте определяют:

1. Коэффициент трансформации k (по показаниям вольтметров контролируют номинальное напряжение первичной обмотки и измеряют соответствующее напряжение вторичной обмотки):

где U1н и U2н – номинальные напряжения обмоток, соответствующие номинальному (расчетному) режиму работы трансформатора; U20 – напряжение вторичной обмотки.

а б Рис. 7.7. Схема включения трансформатора при опыте холостого хода:

а) схема включения измерительных приборов; б) схема замещения

2.Ток холостого хода Iх (по показанию амперметра) в процентах номинального тока первичной обмотки:

3.Потери в стали сердечника на гистерезис и вихревые токи Р0 (магнитные потери) (по показаниям ваттметра, т.к. мощность обмотки, потребляемая трансформатором из сети и измеряемая ваттметром, расходуется на покрытие потерь в первичной обмотке трансформатора).

4.Параметры намагничивающего контура схемы замещения R0, X0 (рис.

5.7, б):

78

тогда

отсюда

.

5.Коэффициент мощности холостого хода:

6.Угол магнитных потерь :

.

Опыт короткого замыкания. Опыт производится при понижении первичного напряжения трансформатора до величины U1к, при которой токи в обмотках равны номинальным (рис. 5.8). Тогда Zн=0, U2=0. При опыте к.з. потери в стали на гистерезис незначительны и ими пренебрегаем. Считаем, что вся мощность, потребляемая из сети, расходуется в сопротивлениях первичной и вторичной обмоток и .

а б Рис. 5.8. Схема включения трансформатора при опыте

короткого замыкания:

а) схема включения измерительных приборов; б) схема замещения

В этом опыте определяют:

1.Потери в обмотках Рк при номинальных токах (ваттметром).

2.Параметры схемы замещения (рис. 5.8, б):

;

;

.

Так как k=1, то

79