Применение силовых трансформаторов

Трансформаторы – электроустановки для преобразования напряжения без изменения частоты. Высоковольтные устройства применяют в сетях и оборудовании свыше 1000 В. Рассмотрим принцип действия, конструкцию, области применения трансформаторов.

Принцип действия

Простейшая модель трансформатора представляет собой сердечник из ферримагнитного материала с двумя обмотками из изолированного токопроводящего материала. При подаче переменного напряжения на одну из них, в другой возникает напряжение под влиянием переменного магнитного поля.

Величина напряжения во вторичной обмотке пропорциональна количеству витков. Если в первичной обмотке витков больше, напряжение во вторичной будет меньше, если наоборот – то напряжение во вторичной обмотке будет выше.

Таким образом, основная область применения электроустановок – преобразование напряжения. Специальные устройства также позволяют изменять частоту, форму и фазу напряжения.

Конструкция высоковольтных трансформаторов

Главные части трансформатора – магнитопровод и обмотки. Первый набирают из листов электротехнической стали, это необходимо для ограничения круговых токов и снижения потерь холостого хода. Обмотки выполняют из алюминиевых или медных проводов (лент) с тонкой изоляцией. При намотке между слоями провода или ленты также укладывают слой изолирующего материала.

Различают:

• Масляные трансформаторы. В устройствах такого типа обмотки на сердечнике помещены в бак, заполненный маслом. Жидкость служит для отвода тепла и дополнительной изоляции, трансформаторы устойчивы к длительным перегрузкам. К недостаткам масляных высоковольтных трансформаторов относят повышенную пожароопасность.
• Сухие трансформаторы. Изоляция электроустановок такого типа литая. Обычно это эпоксидная смола или полиэфир. Выпускают также устройства с газовой изоляцией. Охлаждение осуществляется окружающим воздухом. Габариты сухих трансформаторов меньше масляных электроустановок аналогичной мощности, устройства также отличат пожарообезопасность. К недостаткам относят чувствительность к перегрузкам.

Сухие трансформаторы рассчитаны на напряжение до 35 кВ и среднюю мощность. Для преобразования напряжения от 35 кВ используют масляные электроустановки.

Кроме основных частей, конструкция трансформаторов включает навесные и дополнительные элементы.

Навесное оборудование трансформаторов

Вводы – устройства для подключения питающего напряжения и линии нагрузки. Комплектующие служат для изоляции корпуса электроустановки от токоведущих частей. Различают следующие виды устройств:

• Герметичные. Токоведущие части герметично изолированы литым полимером, элегазом или другим материалом.
• Негерметичные. Изолирующая жидкость таких устройств контактирует с окружающей средой.
• Маслоподпорные. Заполняющая ввод жидкость связана с системой циркуляции трансформатора.

Вводы различают также по классу напряжения, допустимому току, материалу изоляции.

Устройства для регулирования напряжения позволяют включать и отключать определенное количество витков для регулирования напряжения.

Различают 2 типа устройств:

• Переключатели без возбуждения (ПБВ). Аппараты предназначены для регулирования напряжения при отключенном трансформаторе. Это необходимо при сезонном увеличении или уменьшении потребления электроэнергии для компенсации снижения или повышения напряжения.
• Регуляторы напряжения под нагрузкой. Устройства служат для изменения напряжения при переменной мощности нагрузки. Регулирование может осуществляться непрерывно или ступенчато.

РПН оснащаются механическим или электрическим приводом, возможно дистанционное или автоматическое управление напряжением на выходе высоковольтного трансформатора. Ряд устройств оснащены защитой от неправильного подключения с нарушением порядка чередования фаз, функцией пропуска обесточенных позиций.

Системы регенерации трансформаторного масла предназначены для удаления влаги и посторонних частиц из охлаждающе-изолирующей жидкости. Различают 2 типа устройств:

• Термосифонные.
• Адсорбционные.

Принцип действия систем основан на поглощении примесей фильтрующим веществом. Адсорбционные свойства отработанного реагента можно восстанавливать.

Устройства защиты от повышения давления масла служат для компенсации объема охлаждающе-изолирующей жидкости, аварийного сброса. Для этого применяют расширительный бак, устройства типа «выхлопная труба», клапана различной конструкции. Первый позволяет не допустить увеличения давления при температурном расширении масла. При его повышении жидкость уходит в резервуар. При снижении давления масло вытесняется упругой подушкой, размещенной в баке обратно в систему.

Устройства типа «выхлопная труба» и клапаны служат для защиты от резкого повышения давления, вызванного коротким замыканием с интенсивным газообразованием. Элементы конструкции высоковольтных трансформаторов позволяют сбросить газообразные продукты испарения и разложения масла при возникновении электрической дуги или коротком замыкании.

Системы защиты могут дополнительно оснащаться газовым реле и датчиками температуры. Первые реагируют на появление продуктов распада масла, при незначительной их концентрации подается оповещение на диспетчерский пункт, при интенсивном образовании газа реле отключает напряжение на вводе трансформатора.

Для повышения уровня безопасности в систему защиты может вводиться детектор горючих газов. Устройство обладает большей чувствительностью, чем газовое реле. Функция детектора – формировать и отправлять оповещения об образовании горючих газов.

Датчики температуры позволяют отслеживать температуру охлаждающей жидкости в разных точках масляного бака и передавать данные на удаленный пункт диспетчера.

Встроенные измерительные трансформаторы служат для преобразования высокого напряжения и больших токов в значения, соответствующие номиналам измерительных приборов. Устройства позволяют значительно удешевить средства измерения электрических характеристик, упростить их конструкцию.

Область применения высоковольтных трансформаторов

Электроустановки применяют в электроэнергетике в следующих целях:

• Для повышения напряжения на электростанциях. Для снижения потерь, электроэнергия от генерирующих объектов передается высоким напряжением 750 кВт и выше.
• Для уменьшения напряжения при распределении электроэнергии. От линий 750 кВ электроэнергия поступает в региональные распределительные сети 330, 220, 110, 35, 10, 6 кВ.
• Для понижения напряжение перед конечными потребителями. Перед абонентами напряжение 35, 10, 6 кВ снижается до 0,66 и 0,4 кВ.

Высоковольтные трансформаторы также входят в состав систем управления электроприводами 6 или 10 кВ. Например электроустановки в частотных преобразователях более 1000 В служат для развязки или снижения/увеличения напряжения до и после ПЧ.

Классификация высоковольтных трансформаторов

Самая большая группа высоковольтных трансформаторов – силовые электроустановки. Устройства применяют для преобразования напряжения в линиях электропередач, городских и сельских электросетях, системах энергоснабжения объектов.

Силовые высоковольтные установки делятся:

• На повышающие. Напряжение на вторичной обмотке такого оборудования выше, чем на первичной. Повышающие трансформаторы обычно применяют для увлечения напряжения для последующей передачи электроэнергии на большие расстояния.
• На понижающие. Устройства используют для умещения напряжения до номинала распределительных и абонентских сетей или систем электроснабжения.

К силовым электроустановкам также относятся автотрансформаторы. Устройства отличает наличие гальванической связи между первичной и вторичной обмоткой. Это позволяет регулировать напряжение в периоды возрастания или снижения потребления электроэнергии. Высоковольтные автотрансформаторы также отличают относительно небольшие габариты и увеличенный к.п.д. К недостаткам электроустановок относят возможность применения только в сетях с заземленной нейтралью из-за высокого тока короткого замыкания.

По габаритам согласно классификатору продукции ОК 005-93 различают 9 групп электроустановок:

1. Мощностью от 4 до 100 кВА напряжением до 6, 10, 35 кВ.
2. Мощностью от 100 до 1000 кВА напряжением 6, 10, 35 кВ.
3. Мощностью от 1000 до 6300 кВА напряжением 6, 10, 35 кВ.
4. Мощностью 6300 кВА напряжением 6, 10, 35 кВ.
5. Мощностью от 4 до 32 тыс кВА, напряжением до 110 кВ.
6. Мощностью от 32 тыс до 80 тыс кВА, напряжением 110, 330 кВ.
7. Мощностью от 80 тыс кВА до 200 тыс кВА, напряжением до 330 кВ.
8. Мощностью от 200 тыс кВА и выше, напряжением 330 кВа
9. Мощностью выше 200 тыс кВА, напряжением свыше 330 кВА.

По исполнению и типу системы охлаждения различают электроустановки с воздушным и жидкостным отводом тепла. Первые могут охлаждаться естественным путем или вентиляторами, нагнетающими воздух.

Трансформаторы с жидкостным охлаждением разделяются:

• На электроустановки с естественным охлаждением. Тепло от обмоток и магнитопровода передается маслу, охлаждающая жидкость в свою очередь остывает естественным образом. Для ускорения отдачи тепла баки выполняют гофрированными, комплектуют радиаторами. Такой тип охлаждения имеют трансформаторы до 16 тыс кВА.
• На устройства естественного охлаждения с обдуванием. Конструкция системы охлаждения аналогична предыдущей, разница – в наличии вентилятора. Воздушный поток направлен на наиболее нагретую часть электроустановки. Дутье может отключаться при малой нагрузке и слабом нагреве трансформатора.
• Электроустановки с принудительным масляным охлаждением. Обмотки и сердечник охлаждаются направленным потоком масла, нагнетаемы насосом. При этом горячая жидкость отводится в радиаторы, где остывает.
• Трансформаторы с принудительным жидкостным охлаждением с дутьем. Конструкция охлаждения похожа на предыдущую. Система содержит вентилятор для ускорения остывания масла.
• Электроустановки с принудительным масляно-водяным охлаждением. Активная часть трансформатора охлаждается потоком жидкости. Для отвода тепла от масла в баке размещаются трубки, по которым циркулирует вода.

Трансформаторы также различают по количеству обмоток, климатическому исполнению, классу номинального напряжения и мощности, степени защиты от влаги и пыли, другим параметрам и особенностям.