Глава VI
УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор представляет собой статический (без движущихся частей) электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты другого напряжения. Трансформатор имеет не менее двух обмоток, которые пронизывает общий магнитный поток. Для улучшения (усиления) магнитной связи между обмотками последние выполняются на общем магнитопроводе, изготовленном из электротехнической стали.
Рис. 26. Схема подключения силового трансформатора
Для пояснения принципа работы трансформатора обмотки на рис. 26 показаны на различных стержнях магнитопровода, хотя для уменьшения потоков рассеяния (охватывающих только одну катушку) одна обмотка охватывает другую или одна располагается внутри другой. Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия передается приемнику,— вторичной. Обычно напряжения обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим; если первичное больше вторичного, — понижающим. В зависимости от способа подключения обмоток трансформатор может работать понижающим или повышающим.
Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать ток изменяющийся с частотой сети. Этот ток возбудит в сердечнике переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуцировать (наводить) в ней ЭДС. Если вторичную обмотку замкнуть (создать замкнутую сеть), то по ней будет протекать ток I2. Таким образом, передача энергии с первичной обмотки во вторичную происходит благодаря явлению взаимоиндукции.
Намагничивающая сила (МДС) вторичной обмотки в соответствии с законом Ленца направлена противоположно МДС первичной обмотки. В результате взаимодействия МДС обеих обмоток создается МДС холостого хода, которая и поддерживает постоянным магнитный поток в сердечнике трансформатора. Это происходит за счет того, что с увеличением вторичного тока возрастает первичный ток, его уравновешивающий, а ток холостого хода остается неизменным. При полной нагрузке ток холостого хода составляет несколько процентов первичного тока; пренебрегая им, можно считать, что отношение первичного тока ко вторичному равно величине, обратной коэффициенту трансформации трансформатора: I1/I2= ω2/ω1= I/КТ,
Каждый трансформатор рассчитывают на определенный режим работы, называемый номинальным, когда при длительной работе перегрев всех частей трансформатора не превышает допустимых нормами температур. Мощность вторичной цепи, соответствующая номинальным значениям напряжений и токов, называется номинальной и выражается в вольт-амперах (В- А) или киловольт-амперах (кВ.А). На щитке трансформатора указываются его номинальные данные: номинальная мощность, номинальные значения токов и напряжений первичной и вторичной обмоток, коэффициент полезного действия (КПД) и группа соединения обмоток.
Область применения трансформаторов чрезвычайно широка. Основные типы трансформаторов: силовые, измерительные и специальные (например, сварочные, печные). Из них первые получили наибольшее распространение.
Основные параметры силового трансформатора можно получить из двух искусственно создаваемых режимов; холостого хода (х.х) и короткого замыкания (КЗ).
В режиме х.х на первичную обмотку подается номинальное напряжение U1н; вторичная обмотка разомкнута, и на ее зажимах возникает напряжение, равное номинальному вторичному U2н. В этом случае коэффициент трансформации трансформатора Кт= W1/W2=U1н/U2н. В режиме холостого хода ток проходит только по первичной обмотке и составляет 0,5 —4,5% номинального тока в зависимости от типа и мощности трансформатора. Ток холостого хода Iх , выраженный в процентах, характеризует собой потери в стали трансформатора Рст, так как вся энергия идет на намагничивание. Потери в стали практически равны потерям холостого хода, т. е. Рсх≈ Рх х. Значительное отклонение Ixx от паспортной величины служит признаком неисправности трансформатора.
В режиме короткого замыкания (КЗ) вторичная обмотка замкнута накоротко (без сопротивления нагрузки), а на первичную обмотку, подается такое напряжение, которое обеспечивает протекание номинальных токов в обеих обмотках. Это напряжение, называемое напряжением короткого замыкания Uкз, выражается в процентах от номинального и составляет 4,5—12 % для наиболее широко применяемых трансформаторов. У силовых трансформаторов активное сопротивление мало и им можно пренебречь, считая полное сопротивление г равным индуктивному х (z= х), тогда напряжение короткого замыкания Uк з≈ х ≈z (в процентах).
В режиме КЗ практически вся мощность расходуется на нагрев обмоток трансформатора. Потери в стали из-за малого напряжения пренебрежимо малы, потери в обмотках (меди) Рм равны потерям короткого замыкания Ркз, т. е. Рм= Ркз·
Коэффициент полезного действия трансформатора (в процентах)
Для современных трансформаторов η = 97 ...99 %.
Потери в стали при неизменном напряжении на зажимах трансформатора не зависят от нагрузки. Потери в меди зависят от нагрузки:
где S — текущая мощность при данной нагрузке; Sн — номинальная мощность трансформатора; Рмн — потери при номинальной нагрузке.
Для увеличения передаваемой мощности, повышения надежности и обеспечения экономичности электроснабжения потребителей несколько (обычно два- три) трансформаторов подсоединяют к общим сборным шинам как со стороны первичной, так и со стороны вторичной обмоток, т. е. соединяют параллельно. Для правильного распределения нагрузок между параллельно работающими трансформаторами необходимо соблюдать следующие условия.
номинальные нагружения должны быть равны (допустимое отклонение по коэффициенту трансформации в пределах ± 0,5 %); напряжения короткого замыкания должны быть равны (допустимое отклонение ± 10 %);
соотношение номинальных мощностей не должно превышать 1/3 или мощности трансформаторов не должны отличаться больше чем в 3 раза;
группы соединения обмоток должны быть одинаковы.
Соответственно роду тока трансформаторы изготовляют одно-, трех- и многофазные; по числу обмоток —двух-, трехобмоточные и с расщепленной обмоткой.
В табл. 34 приведены схемы и группы соединения обмоток трехфазных двух- и трехобмоточных трансформаторов, где знак Υ означает «звезда», а Δ — «треугольник». Цифры возле обозначения группы соединения показывают угловые смешения векторов линейных напряжений (ЭДС) обмотки низшего напряжения (НН) по отношению к векторам обмотки высшего напряжения (ВН). При умножении этого числа на 30° получают угол отставания вектора. Haпримеp, группа соединения 11 обозначает, что векторы линейных ЭДС обмоток НИ смещены относительно линейных ЭДС обмотки ВН на 330о (30°·11 = 330 о)
Группу соединения обмоток трансформатора определяют с помощью фазометра (рис. 27). К первичной обмотке подводится пониженное напряжение, обеспечивающее работу фазометра, показания которого соответствуют углу сдвига между подводимым напряжением и напряжением вторичной цепи. На практике удобно пользоваться четырехквадрантным фазометром с градуировкой по циферблату часов.
34. Соединение обмоток трехфазных трансформаторов
Конструкция трансформатора зависит от мощности, способа охлаждения, режима работы, величины и формы подводимого напряжения, назначения. Конструктивные изменения претерпевают основные части трансформатора: сердечник, обмотки, кожух, первичные и вторичные выводы.
Рис. 27. Схема подключения фазометра
Сердечники силовых трансформаторов бывают стержневыми и броневыми. У трансформаторов со стержневыми сердечниками обмотки охватывают стержни сердечника; у броневых — обмотки частично охватываются сердечником и располагаются на среднем стержне, сечение которого в 2 раза больше сечения крайних стержней. Стержневые сердечники получили наибольшее распространение, броневые сердечники часто применяют в однофазных трансформаторах малой мощности и в специальных (сварочных).
Обмотки трансформаторов выполняют концентрическими и чередующимися. Стержневые трансформаторы изготовляют с концентрическими обмотками, которые в поперечном сечении представляют ряд окружностей. Для усиления магнитной связи витки первичной и вторичной обмоток располагают концентрически на обоих стержнях. Ближе к стержню обычно располагают обмотку низшего напряжения. В броневых трансформаторах используют чередующиеся обмотки дискового типа, представляющие собой цилиндры (катушки) небольшой высоты. Для уменьшения потоков рассеяния диски первичной и вторичной обмоток чередуют.
По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и масляные (масляная система охлаждения).
Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение или обдуваются с помощью вентиляторов (трансформаторы мощностью до 20 кВ-А).
У масляных трансформаторов масло заполняет бак не полностью: между маслом и крышкой остается воздушная подушка, которая необходима для предотвращения взрыва бака при бурном выделении газов и для обеспечения колебания уровня масла при изменении температуры. У более мощных трансформаторов для этого имеется расширитель, представляющий собой цилиндр.
Его устанавливают на крышке трансформатора и соединяют трубопроводом с баком. Для усиления охлаждения применяют обдув бака воздухом с помощью вентиляторов; к стенкам бака приваривают специальные ребра, а у более мощных силовых трансформаторов — специальные многорядные трубчатые охладители, по которым циркулирует охлаждаемое масло.
Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что у него имеется одна обмотка, разделенная на две части, и мощность передается электромагнитным и электрическим путями. Если коэффициент трансформации автотрансформатора близок к единице,то первичный и вторичный токи мало отличаются друг от друга. Это позволяет выполнить общую часть обмотки значительно меньшего сечения, чем для трансформатора такой же мощности. Уменьшаются объем, занимаемый обмоткой, размеры сердечника и всего автотрансформатора. С увеличением коэффициента трансформации преимущества автотрансформатора уменьшаются; так как цепи высшего и низшего напряжения соединены электрически, изоляцию цепей низшего напряжения приходится выполнять на более высокое напряжение. Поэтому автотрансформаторы применяют там, где требуются небольшие изменения напряжения: при высоких напряжениях не более чем в 1,5—2 раза, при низких·—не более чем в 3 раза.
Тип трансформаторов и автотрансформаторов обозначается буквами, имеющими следующие значения: первая буква —число фаз (Т — трехфазный, О — однофазный); вторая — система охлаждения (С — естественное воздушное, изоляция сухая, М —масляное естественное, Д — масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла, ДЦ — масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла, Ц — масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла); число обмоток (напряжений) — двухобмоточные не имеют специального обозначения, Т — трехобмоточный; автотрансформаторы обозначаются АТ и АО (трехфазные и однофазные). После букв, обозначающих тип трансформатора, ставятся цифры, обозначающие его мощность в мегавольт-амперах (МВ·А).
