Элементы конструкции силовых трансформаторов

Мощный трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, вводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.

В магнитной системе проходит магнитный поток трансформатора (отсюда название «магнитопровод»). Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком с толщиной слоя 0,01 мм. Изоляция листов существенно снижает потери мощности от вихревых токов в магнитопроводе. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе на перемагничивание.

Магнитопровод и его конструктивные детали составляют остов трансформатора. На остове устанавливают обмотки и крепят проводники, соединяющие обмотки с вводами, составляя активную часть.

Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися. В первом случае обмотки НН и ВН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 6.6, а). Такое выполнение принято в большинстве силовых трансформаторов. Во втором случае обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми диаметрами и располагаются на стержне одна над другой, поочередно (рис. 6.6, б).

Обмотки трансформаторов должны обладать достаточной электрической и механической прочностью. Изоляция обмоток и отводов от нее должна без повреждений выдерживать коммутационные и атмосферные перенапряжения. Обмотки должны выдерживать электродинамические усилия, которые появляются при протекании токов КЗ. Необходимо предусмотреть надежную систему охлаждения обмоток, чтобы не возникал недопустимый перегрев изоляции.

Для проводников обмотки используется медь и алюминий. Как известно, медь имеет малое электрическое сопротивление, легко поддается пайке, механически прочна, что и обеспечивает широкое применение меди для обмоток трансформаторов. Алюминий дешевле, обладает меньшей плотностью но большим удельным сопротивлением.

Рис. 6.6 Обмотки трансформатора:

а -коцентрическая; б -чередующаяся.

 

В настоящее время трансформаторы с алюминиевой обмоткой изготовляются на мощность до 6300 кВ • А.

В современных трансформаторах для обмотки применяется транспонированный провод, в котором отдельные проводники в параллельном пучке периодически изменяют свое положение. Это выравнивает сопротивление элементарных проводников, увеличивает механическую прочность, уменьшает толщину изоляции и размеры магнитопровода.

Изоляция трансформатора является ответственной частью, так как надежность работы трансформатора определяется в основном надежностью его изоляции.

В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в сочетании с твердыми диэлектриками: бумагой, электрокартоном, гетинаксом, деревом (маслобарьерная изоляция).

В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изолирующих материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.

Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения помещают в бак. Основные части бака — стенки, дно и крышка. Крышку используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака укрепляют охладительные устройства — радиаторы.

В трансформаторах небольшой мощности бак выполняется с верхним разъемом: при ремонтах необходимо снять крышку трансформатора, а затем поднять активную часть из бака.

Если масса активной части более 25 т, то она устанавливается на донную часть бака, а затем накрывается колоколообразной верхней частью бака и заливается маслом. Такие трансформаторы с нижним разъемом не нуждаются в тяжелых грузоподъемных устройствах для выемки активной части, так как при ремонтах после слива масла поднимается верхняя часть бака, открывая доступ к обмоткам и магнитопроводу.

Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами из электротехнической стали или пластинами из немагнитных, хорошо проводящих материалов (медь, алюминий).

Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Бак трансформатора полностью залит маслом, изменение объема масла при нагреве и охлаждении приводит к колебанию уровня масла в расширителе; при этом воздух вытесняется из расширителя или всасывается в него. Масло очень гигроскопично, и если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикогелевый воздухоосушитель. Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Чтобы избежать это, применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки-мембраны на границе масло—воздух. Осушение воздуха в расширителе осуществляют термовымораживателями.

К баку трансформатора крепится т е р м о с и ф о н н ы й фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит его непрерывная регенерация.

Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относят маслоуказатель и термометры. Маслоуказатель устанавливается на расширителе, термометр — на крышке бака. К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.

На мощных трансформаторах 330—750 кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.

Основные конструктивные узлы трансформаторов показаны на рис. 6.7.

 

 

Рис.6.7. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН - 16000/110-80У1:

1 — бак; 2 — шкаф автоматического управления дутьем; 3 — термосифонный фильтр; 4 — ввод ВН; 5 — ввод НН; 6 — ввод СН; 7 — установка трансформаторов тока 110 кВ; 8 — установка трансформаторов тока 35 кВ; 9 — ввод 0 ВН; 10 — ввод 0 СН; 11 — расширитель; 12 — маслоуказатель стрелочный; 13 — клапан предохранительный; 14 — привод регулятора напряжения; 15 — вентилятор системы охлаждения; 16 — радиатор; 17 — каретка с катками

 

Синхронные компенсаторы.

Потребители электрической энергии, кроме активной мощности, потребляют от генераторов системы реактивную мощность, которая затрачивается на создание магнитных полей, необходимых для работы асинхронных двигателей, индукционных печей, трансформаторов и других электроприемников.

На создание реактивной мощности механическая энергия турбины практически не расходуется. Однако передача реактивной мощности от генераторов к потребителям связана с дополнительными потерями (мощности и напряжения) в трансформаторах и линиях. Потери напряжения приводят к снижению качества энергии, получаемой электроприемниками. Поэтому для получения реактивной мощности экономически выгодно устанавливать источники реактивной мощности вблизи потребителей, на подстанциях. Такими источниками являются синхронные и статические компенсаторы.

Синхронный компенсатор (СК) — это синхронная машина, работающая в двигательном режиме без нагрузки на валу при изменяющемся токе возбуждения. В зависимости от тока возбуждения синхронный компенсатор может работать в режимах перевозбуждения и недовозбуждения, и соответственно генерировать или потреблять реактивную мощность. Регулирование тока возбуждения осуществляется специальными схемами АРВ.

В перевозбужденном режиме ЭДС обмотки статора Е_к1 больше напряжения сети U_K (рис.7.1)).

 

Рис.7.1 Векторная диаграмма синхронного компенсатора в перевозбужденном

и недовозбужденном режимах

 

Под действием разности напряжений ΔU= Е_к1 - U_K в статоре СК возникает ток I _к1, отстающий от вектора Δ U₁ на 90°. Компенсатор в этом режиме отдает реактивную мощность в сеть. В недовозбужденном режиме Е_к2< U_K, в статоре СК возникает ток I _к2, опережающий вектор ΔU₂ на 90°, т.е. СК будет потреблять реактивную мощность из сети. Синхронные компенсаторы не несут активной нагрузки на валу, поэтому их конструкция облегчена. Компенсаторы выполняются тихоходными (750—1000 об/мин) с горизонтальным валом и явнополюсным ротором (Рис. 5.2).

Синхронный компенсатор характеризуется номинальной реактивной мощностью, напряжением, током статора, частотой и номинальным током ротора. Номинальное напряжение синхронного компенсатора на 5 —10 % выше номинального напряжения сети.

СК небольшой мощности включаются в сеть методом прямого асинхронного пуска, когда СК подключают к сети без возбуждения. Разворот компенсатора происходит за счет асинхронного момента. Когда частота вращения приблизится к синхронной, подается возбуждение и компенсатор втягивается в синхронизм.

Мощные СК (10000 кВ-А и выше) включаются в сеть через реактор для ограничения пусковых токов и посадки напряжения на шинах (рис. 7.2).

Параметры реактора выбираются так, чтобы в момент пуска напряжение на шинах подстанции не падало ниже (80 — 85 %) U_H0M, а напряжение на СК было (30 — 65 %) U_H0M, при этом ток не превышает (2 — 2,8) I _ном.

При пуске выключатель Q1 отключен, а Q2 включен. Разворот компенсатора происходит за счет асинхронного момента. Когда частота вращения приблизится к синхронной, подается возбуждение и компенсатор втягивается в синхронизм. Регулируя ток возбуждения, устанавливают минимальный ток статора и включают выключатель Q1, шунтируя реактор и включая СК в сеть.

 

Рис. 7.2 Схема реакторного пуска синхронного компенсатора

 

(Синхронные генераторы могут работать в режиме синхронного компенсатора, если закрыть доступ пара (или воды) в турбину. В таком режиме перевозбужденный турбогенератор начинает потреблять небольшую активную мощность из сети для своего вращения и отдает реактивную мощность в сеть.

Перевод гидрогенераторов в режим синхронных компенсаторов производится без остановки агрегатов, достаточно освободить камеру гидротурбины от воды.)