Лекция № 3 Трансформаторное оборудование

Дисциплина: Электрическое оборудование электроэнергетических систем и сетей зарубежных стран

Лекция № 3 Трансформаторное оборудование

Оглавление

3.1 Общие вопросы.. 1

3.2 Принцип работы и устройство трансформатора. 2

3.3. Автотрансформаторы.. 9

3.4. Конструкция трансформатора. 10

3.5. Изоляция в трансформаторах. 13

3.6 Потери и коэффициент полезного действия трансформатора. 17

3.7. Структура условного обозначения типа трансформатора. 18

3.8. Современное состояние, тенденции развития. 19

 

3.1 Общие вопросы

Для связи с энергосистемой и потребителями, а также для питания собственных потребителей станции (собственных нужд) на электрических станциях и подстанциях устанавливают повышающие и понижающие трансформаторы. В связи с тем что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, количество трансформаторов и их мощность в несколько раз превышают число и установленную мощность генераторов. Следует заметить, что на каждый установленный киловатт генераторной мощности приходится 7—8 кВА трансформаторной мощности, а на вновь вводимый — до 12—15 кВА. На крупных электростанциях для связи двух высших напряжений, как правило, применяются

автотрансформаторы, обладающие существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с обычными трансформаторами. Стоимость автотрансформатора, потери энергии при эксплуатации значительно ниже, чем у обычных трансформаторов той же мощности. На подстанциях 35—750 кВ энергосистем России работает около 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью более 570 тыс. MBА, что почти втрое больше установленной мощности электростанций. Распределение трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 120 MBА и более по классам напряжения и их доля в общей мощности представлены в таблице 1 и диаграмме 1.

Таблица 1 Распределение трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 120 MBА и более по классам напряжения и их доля в общей мощности

Класс напряжения кВ	Доля общей мощности
	12,5
	1,5

Диаграмма 1 Распределения мощности трансформаторов и

автотрансформаторов

Напряжение 1150 кВ отечественных трансформаторов является наивысшим в мире.

Автотрансформаторы

Для передачи электрической энергии с незначительным изменением напряжения и тока применяются автотрансформаторы, у которых, в отличие от обычного трансформатора, обмотки имеют не только магнитные, но и электрические связи. Автотрансформатор, как и трансформатор, может быть понижающим или повышающим (см.рисунок 8).

Рис. 8 0днофазный понижающий (а) и повышающий (б) автотрансформаторы

Электромагнитная (расчётная) мощность автотрансформатора меньше расчётной мощности двухобмоточного трансформатора вследствие того, что часть мощности передаётся во вторичную сеть за счёт непосредственной электрической связи обмоток. За счёт уменьшения массы металла обмоток и стали магнитопровода КПД автотрансформатора выше по сравнению с трансформатором такой же номинальной мощности. К числу недостатков автотрансформаторов, ограничивающих их применение, относится усложнение их релейной защиты и регулирования напряжения, а также повышенная опасность атмосферных перенапряжений из-за электрической связи обмоток. Автотрансформатор имеет, кроме того, повышенные токи короткого замыкания. Автотрансформаторы используются для соединения электрических сетей высокого напряжения, пуска двигателей переменного тока большой мощности и т.д.

Конструкция трансформатора

Трансформатор кроме активной части — магнитопровода и обмоток — включает и конструктивную часть (см. рисунок 9).

 

Рис. 9 Трёхфазный трансформатор

1 – магнитопровод; 2 – обмотка низкого напряжения НН; 3 - обмотка высокого напряжения ВН; 4 – ввод ВН; 5 – ввод НН; 6 – бак; 7 – радиаторы; 8 – расширитель; 9 – переключатель обмотки ВН

В мощных силовых трансформаторах в качестве обмоток низшего напряжения в основном применяют винтовые обмотки (см.рисунок 10). Они могут иметь от 4 до 20 (и более) параллельных проводов.

 

Рис. 10 Винтовая обмотка Рис. 11 Непрерывная обмотка.

а - общий вид; б, в - расположение концов непрерывной обмотки

при чётном числе катушек

 

В качестве обмоток высшего и низшего напряжения широко используются непрерывные катушечные обмотки ввиду их большой механической прочности и надежности (см. рисунок 11).

В тех случаях, когда затруднительно выполнить обмотку непрерывной (по условиям сборки или изоляции обмоток), применяется дисковая обмотка, собираемая из комплекта отдельно намотанных двойных катушек. Обмотку выполняют дисковой, если ее катушки имеют дополнительную изоляцию для всех витков катушки

В трансформаторах классов напряжения 150 кВ и выше применяют переплетенные обмотки. Схема соединения витков переплетенной обмотки представлена на рисунке 12. В процессе намотки обеспечивается переплетение витков соседних катушек, что приводит к равномерному ёмкостному распределению напряжения.

 

б)

Рис. 12. Расположение витков в паре соседних катушек переплетённой обмотки (а) в витках (б)

Соединение различных частей обмоток между собой, с вводами и переключателями называют отводами трансформатора. При работе трансформатора, а также при испытаниях отдельные части (обмотки, отводы и др.) находятся под высоким напряжением относительно магнитопровода, бака, крышки и других заземленных частей. При этом должна быть обеспечена электрическая прочность всей конструкции трансформатора. Изоляционные детали выполняют из различных твердых электроизолирующих материалов - электроизоляционного картона, бумаги, дерева и т.п. Кроме того, для изоляции большинства силовых трансформаторов используются жидкие электроизоляционные материалы, главным образом трансформаторное (минеральное) масло. При эксплуатации трансформаторов возникает необходимость изменения их коэффициента трансформации — регулирования напряжения, которое обеспечивается либо при отключенном от сети трансформаторе, осуществляемом переключателями без возбуждения (ПБВ) для подсоединения к различным отпайкам обмотки, либо регулированием под нагрузкой (РПН), которое осуществляется при помощи специальной аппаратуры, состоящей из переключателя (избирателя отпаек), контактора, приводного механизма и других элементов (для отсоединения и присоединения выбранной отпайки при номинальном токе обмотки). Устройство для регулирования напряжения представляет собой самостоятельный конструктивный узел, устанавливаемый на трансформаторе. Для присоединения обмоток к сети служат вводы, состоящие из токоведущей части, фарфоровой оболочки и опорного фланца. Вводы устанавливаются на крышке или стенке бака. При этом нижняя их часть находится внутри бака трансформатора в масле, а верхняя — вне бака в воздухе. Активная часть с отводами и переключающим устройством помещается в бак, служащий резервуаром для трансформаторного масла. Крышку бака используют для установки вводов, крепления расширителя, термометров, переключающего устройства (ПБВ) и других конструктивных деталей. Расширитель служит для компенсации колебаний уровня масла при всех возможных в эксплуатации колебаниях температуры и предохраняет масло в баке от непосредственного соприкосновения с окружающим воздухом. На стенке бака укрепляют охладительные устройства трансформатора — радиаторы или охладители, контакторы устройства регулирования напряжения под нагрузкой и т.п. В некоторых конструкциях радиаторы устанавливают на отдельном фундаменте рядом с трансформатором.

Изоляция в трансформаторах

Изоляция в трансформаторах определяет срок его службы. Она обеспечивается правильным выбором соответствующих изоляционных промежутков, которые могут выполнять в трансформаторе роль охлаждающих каналов. Изоляция в трансформаторах должна без повреждений выдерживать электрические, тепловые, механические и другие воздействия, которым она подвергается в процессе эксплуатации. Трансформатор постоянно находится в процессе эксплуатации во включенном состоянии, и на его изоляцию длительно воздействует электрическое поле, соответствующее номинальному рабочему напряжению. Это воздействие изоляция должна выдерживать неограниченно длительное время. При работе трансформатора в энергосистеме возможны кратковременные повышения напряжения (перенапряжения), возникающие вследствие нормальных коммутационных процессов в сети (включение и отключение больших мощностей) или процессов аварийного характера, а также импульсные волны перенапряжения, возникающие из-за грозовых атмосферных разрядов. Обмотки трансформатора и все его токоведущие части при работе нагреваются. Воздействие высоких температур приводит к старению изоляции, вследствие чего она теряет эластичность, становится хрупкой, снижается ее электрическая прочность. В правильно спроектированном трансформаторе и при правильной эксплуатации изоляция может служить 20—25 лет и более. Теплостойкость изоляции, позволяющая обеспечить безаварийную работу трансформатора, достигается применением изоляционных материалов соответствующего класса, а также конструкцией обмоток и деталей изоляции, обеспечивающей их нормальное охлаждение. В результате контакта изоляции со средой, охлаждающей обмотку (трансформаторным маслом или другим заполнителем), возможны неблагоприятные воздействия на нее, особенно при наличии в изоляции посторонних примесей, в частности влаги. Поэтому одной из важнейших технологических операций обработки изоляции является вакуумная сушка трансформатора после окончания сборки перед заливкой трансформатора маслом, а также защита от увлажнения при эксплуатации.

Электрическая прочность изоляции — один из основных показателей, определяющих пригодность трансформатора к эксплуатации. Требование электрической прочности состоит в том, что трансформатор должен выдерживать неограниченно длительное воздействие напряжения промышленной частоты и импульсные перенапряжения, которые могут превышать рабочее напряжение в несколько раз.

Проверка электрической прочности изоляции осуществляется в процессе испытаний, включающих, в частности, испытания напряжением промышленной частоты, а также импульсные испытания, имеющие целью проверку прочности в условиях эксплуатации при перенапряжениях, вызываемых атмосферными перенапряжениями. (Нормы и методы испытаний, формы и амплитуды испытательных напряжений устанавливаются соответствующими стандартами.) Трансформаторы классов напряжения 150 кВ и выше проходят испытания при длительных (0,5—1 ч) приложениях напряжения промышленной частоты (1,3—1,5 номинального напряжения) при одновременном измерении уровня частичных разрядов в изоляции. Эти испытания имеют целью выявить частичные повреждения в изоляции, которые могут возникнуть в процессе испытаний, а также дефекты изоляции, которые не выявлены при испытании напряжением промышленной частоты. Уровень перенапряжения на зажимах обмоток трансформатора определяется степенью электрической защиты, осуществляемой разрядниками (или другими видами защиты, нпример ОПН), а также тем, заземлена или изолирована нейтраль электрической сети, в которой работает трансформатор

Рис. 13 Воздействие на трансформатор волны перенапряжения

На рисунке 13 приведена схема защиты трансформатора при воздействии перенапряжения атмосферного характера. Для снижения перенапряжения трансформатор защищают разрядниками Р, которые пробиваются при напряжении U_{m 0}. Таким образом, если до разрядника волна имеет большую амплитуду, то после разрядника напряжение, достигающее обмотки трансформатора Т_р, оказывается сниженным до U_m. Перенапряжения распространяются вдоль линии электропередачи со скоростью, близкой к скорости света. Воздействие волны перенапряжения может быть представлено как колебательный процесс весьма высокой частоты. В этом случае можно считать, что токи не протекают по виткам катушки вследствие их большого индуктивного сопротивления. Ток протекает только по емкостным сопротивлениям, обусловленным емкостными связями между элементами обмоток (продольные емкости C'_d) и между элементами обмоток и заземленными частями (поперечные емкости C'_q) (см. рисунок 14). Следовательно, в первый момент для набегающей волны трансформатор является некоторой емкостью, называемой входной.

Рис. 14 Ёмкостная цепь обмотки

При переходе волны напряжения из цепи с меньшим волновым сопротивлением (линия) в цепь с большим сопротивлением (трансформатор) напряжение на зажимах трансформатора увеличивается и в пределе повышается до двукратного значения 2 U_m ее амплитуды. При заземленном конце Х обмотки (U_x = 0) начальное распределение напряжения (при t = 0) весьма неравномерно. Конечное распределение напряжения (при t = ∞) в этом случае будет линейным.

Рис. 15 Распределение напряжения вдоль обмотки с заземлённым концом в переходном режиме.

Процесс проникновения волны в обмотку представляет собой переходный процесс от начального распределения к конечному (при t = ∞) и носит колебательный характер. Колебания постепенно затухают вследствие потерь в активных сопротивлениях. На рисунке 15 показаны огибающие максимальных напряжений, возникающих в процессе колебаний в различных элементах по длине обмотки. Вследствие колебательного процесса потенциалы отдельных точек обмотки могут оказаться больше амплитуды волны; перенапряжения вдоль обмотки (между соседними катушками и витками) могут значительно превышать рабочее напряжение. Для защиты трансформатора от перенапряжений необходимо не допускать воздействий на него напряжений с амплитудой, превышающей значение, установленное для данного класса напряжения обмотки. Это условие обеспечивается правильным выбором трассы линий электропередач, исключающей районы, особо подверженные грозам, а также защитой трансформаторных подстанций заземленными тросами и разрядниками. Одним из мероприятий для выравнивания начального распределения напряжения и сближения его с конечным является применение емкостных колец — электростатических экранов в виде разомкнутых шайбообразных колец. В современных трансформаторах для защиты обмоток от импульсных перенапряжений используют в сочетании с емкостными кольцами переплетенные катушечные обмотки. Переплетением проводов соседних витков и катушек достигается увеличение продольной емкости C_d, что приводит к равномерному начальному распределению напряжения

Для напряжения 110 кВ и выше может быть использована многослойная цилиндрическая экранированная обмотка, схематически показанная на рисунке 16.

Рис. 16 Схема соединения многослойной экранированной обмотки

Для выравнивания начального распределения напряжения вдоль обмотки применяют электростатические экраны, которые размещают у начального A и нейтрального X концов обмотки (см. рисунок 16) (благодаря большой поверхности слоев и близкому их расположению емкости между слоями больше, чем емкость на землю). Начальное распределение напряжения в этом случае получается близким к конечному. Главная изоляция силовых масляных трансформаторов (изоляция между обмотками разных напряжений и между обмотками и заземленными частями) имеет следующее исполнение:

1) маслобумажная барьерная изоляция, образующаяся при пропитке трансформаторным маслом бумажной изоляции обмоток и электроизоляционного картона и заполнении маслом изоляционных промежутков между элементами обмоток, остовом и баком;

2) бумажно-масляная, состоящая из бумаги, пропитанной маслом, которая является одним из перспективных видов изоляции, так как дает возможность значительно сократить изоляционные расстояния, что позволяет в итоге уменьшить массу и габариты активной части и трансформатора в целом (однако процесс изготовления обмоток с бумажно-масляной изоляцией значительно сложнее).

Дисциплина: Электрическое оборудование электроэнергетических систем и сетей зарубежных стран

Лекция № 3 Трансформаторное оборудование

Оглавление

3.1 Общие вопросы.. 1

3.2 Принцип работы и устройство трансформатора. 2

3.3. Автотрансформаторы.. 9

3.4. Конструкция трансформатора. 10

3.5. Изоляция в трансформаторах. 13

3.6 Потери и коэффициент полезного действия трансформатора. 17

3.7. Структура условного обозначения типа трансформатора. 18

3.8. Современное состояние, тенденции развития. 19

 

3.1 Общие вопросы

Для связи с энергосистемой и потребителями, а также для питания собственных потребителей станции (собственных нужд) на электрических станциях и подстанциях устанавливают повышающие и понижающие трансформаторы. В связи с тем что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, количество трансформаторов и их мощность в несколько раз превышают число и установленную мощность генераторов. Следует заметить, что на каждый установленный киловатт генераторной мощности приходится 7—8 кВА трансформаторной мощности, а на вновь вводимый — до 12—15 кВА. На крупных электростанциях для связи двух высших напряжений, как правило, применяются

автотрансформаторы, обладающие существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с обычными трансформаторами. Стоимость автотрансформатора, потери энергии при эксплуатации значительно ниже, чем у обычных трансформаторов той же мощности. На подстанциях 35—750 кВ энергосистем России работает около 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью более 570 тыс. MBА, что почти втрое больше установленной мощности электростанций. Распределение трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 120 MBА и более по классам напряжения и их доля в общей мощности представлены в таблице 1 и диаграмме 1.

Таблица 1 Распределение трансформаторов и автотрансформаторов мощностью 120 MBА и более по классам напряжения и их доля в общей мощности

Класс напряжения кВ	Доля общей мощности
	12,5
	1,5

Диаграмма 1 Распределения мощности трансформаторов и

автотрансформаторов

Напряжение 1150 кВ отечественных трансформаторов является наивысшим в мире.