Силовые трансформаторы, преобразуя переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, предназначены для передачи и распределения электрической энергии.
Работа трансформатора основана на законе электромагнитной индукции. К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение. По этой обмотке проходит переменный ток, который создает в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток, пронизывающий первичную и вторичную обмотки, и индуктирует в них электродвижущие силы (ЗДС), причем ЭДС в первичной и вторичной обмотках будут различны из-за различия числа витков в них. Это обстоятельство используется для получения любого вторичного напряжения, необходимо только изменить соотношение витков между первичной и вторичной обмотками.
В зависимости от назначения трансформаторы могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжения 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения ВН, более низкого — обмоткой низшего напряжения НН.
В зависимости от изолирующей и охлаждающей среды различают масляные трансформаторы ТМ и сухие ТС. В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло, в сухих — воздух или твердый диэлектрик. Для заполнения трансформаторов применяют также негорючую жидкость — совтол.
Трехфазные трансформаторы в соответствии с ГОСТ 9680-77Е выпускают следующих номинальных мощностей: 10, 16, 25, 40, 63 кВ-А и кратные десяти от указанных величин, т. е. 100, 160, 250, 400, 630, 1000 кВ-А и т. д. Трансформаторы до 35 кВ и мощностью до 100 кВ-А относят к I габариту, от 160 до 630 кВА — ко II от 1000 до 6300 кВ-А —к III.
Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от +40 до —45 °С с относительной влажностью до 80 % в установках на высоте не выше 1000 м над уровнем моря.
Наибольшее распространение получили масляные трансформаторы. Масляный трансформатор (рис. 1) состоит из магнитопровода 1, обмоток 2, бака 3, крышки с вводами 4. Магнитопровод собирается из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали.
Рис. 1. Трансформатор масляный TM-250/6-10:
а — общий вид; б — выемная часть трансформатора
Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, которые соединяют с переключателем. В трансформаторах используется два вида переключения ответвлений: под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети — ПБВ (переключение без возбуждения). Наибольшее распространение получил второй способ регулирования напряжения как наиболее простой. В этом случае обмотка ВН имеет пять ответвлений: положение I (+5%) соответствует максимальному напряжению, положение II (+2,5%), III — номинальному, положение IV (—2,5%) и V (—5%) — минимальному напряжению на стороне высшего напряжения.
Концы обмоток выводят из бака через вводы (фарфоровые изоляторы) 4, расположенные на крышке бака. Бак трансформатора имеет радиаторные охладители, болт заземления 5 и пробку для отбора проб и слива масла 6.
Для непрерывной очистки масла от продуктов старения трансформаторы оборудуются термосифонными фильтрами 7, заполненными силикагелем — веществом, обладающим свойством адсорбировать (осаждать) продукты старения масла и влагу. Масло, соприкасаясь с воздухом, окисляется и увлажняется. Для уменьшения поверхности соприкосновения и компенсации изменения объема масла при его нагревании и охлаждении служит расширитель 8. Контроль уровня масла осуществляется с помощью маслоуказателя 9, возле которого на торцевой стенке расширителя наносятся три контрольные черты, соответствующие значениям температуры масла — 45, + 15 и +40 °С.
Во избежание попадания в трансформатор влаги и пыли расширитель снабжают воздухоосушителем 10, заполняемым силикагелем. Для контроля его состояния имеется прозрачный колпачок, который заполняется индикаторным силикагелем. Замена силикагеля в воздухоосушительных фильтрах производится при изменении окраски зерен индикаторного силикагеля на розовый цвет, а в термосифонных фильтрах — при потере адсорбционной способности (повышении кислотного числа, кислой реакции и др.).
Трансформаторы допускают систематические перегрузки (в зависимости от характера суточного графика нагрузки, температуры охлаждающей среды и недогрузки в летнее время) и аварийные кратковременные перегрузки независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки и температуры охлаждающей среды.
Контроль за температурой масла осуществляется с помощью ртутного термометра 11, устанавливаемого на крышке трансформатора. Разница температур масла в верхних слоях и окружающего воздуха не должна превышать 55 °С. Таким образом при допустимой температуре окружающей среды +40 °С температура верхних слоев масла при номинальной нагрузке не должна превышать +95 °С. Необходимо учитывать, что при увеличении температуры изоляции обмоток на 6°С срок службы ее уменьшается вдвое.
На рис. 1 показан трансформатор с плоской магнитной системой, в которой продольные оси всех стержней и ярма магнитопровода расположены в одной плоскости. В последнее время появились трансформаторы с пространственной магнитной системой (рис. 2), т. е. системой, в которой продольные оси стержней располагаются в разных плоскостях. Баки этих трансформаторов имеют в плане форму треугольника. Указанная компоновка позволяет уменьшить габариты и вес трансформатора.
В соответствии с ГОСТ 11677-75 трехфазные трансформаторы выполняют с различными схемами и группами соединения обмоток. Группой соединения называют угловое смещение векторов линейных ЭДС обмотки НН по отношению к векторам соответствующих линейных ЭДС обмотки ВН. Группа соединения обозначается числом, которое, будучи умножено на 30° (угловое смещение, принятое за единицу, его иногда называют «часом»), дает угол отставания в градусах; число 11 указывает отставание в 330°, а число 0— угловое отставание (смещение) 0°.
Рис. 2. Трансформатор масляный ТМ-250/6-10 с пространственной магнитной системой:
а — общий вид: б — магнитопровод; 1 — стержень; 2 — ярмо; 3 — шпилька; 4 — трубка изолирующая; 5 — балка опорная
Четные группы соединения получаются, если обмотки ВН и НН имеют одинаковые схемы соединения — обе обмотки соединены либо в звезду, либо в треугольник. Если же одна обмотка соединена в звезду, а другая— в треугольник, то получаются нечетные группы соединения. Без перепайки внутри трансформатора нельзя перейти от нечетной группы к четной, и наоборот. Циклическое перемещение (перемаркировка) всех трех фаз на любой стороне приводит к изменению группы на 4 единицы. Двойная перестановка двух фаз, т. е. одновременная перестановка на первичной и вторичной сторонах двух любых фаз, приводит для нечетных групп к изменению группы на ±2 единицы, а для четных — на ±4 единицы.
Таким образом, при пересоединении концов на крышке трансформатора можно преобразовать друг в друга группы следующих трех рядов с обозначениями: либо 12, 4, 8; либо 6, 10, 2; либо все нечетные группы. Переход от одного ряда в другой простыми пересоединениями на крышке трансформатора осуществить нельзя.
Схемы соединения трансформаторов Д/Ув-11 и У/Zh-11 имеют преимущество перед схемой У/Ун-0. Схема соединения обмоток У/Ув-0 не всегда обеспечивает требуемую кратность однофазного тока короткого замыкания по отношению к номинальному току релейной защиты у электроприемников потребителей. Кроме того, при схеме соединения У/Ун-0 и несимметрии нагрузок появляются значительные искажения фазных напряжений. Поэтому в целях улучшения эксплуатационных характеристик силовых трансформаторов и повышения электробезопасности рекомендуется установка силовых трансформаторов при мощности 400 кВ-А и выше со схемой соединения Д/Ув-11, а при мощности 250 кВ-А и ниже— со схемой соединения У/Zh-11.
Для определения группы соединения на практике пользуются следующим способом: соединяют выводы А и а трансформатора и измеряют напряжение между остальными первичными и вторичными выводами, т. е. между выводами В и b, В и с, С и с, С и b. При этом измерении на трансформатор подается трехфазное пониженное напряжение. В зависимости от группы соединения напряжения между выводами В и b, В и с, С и с, с и b будут иметь разные значения. Входящая в эти формулы величина k есть коэффициент трансформации, т. е. к=UАB/Uab.
Группу соединения можно определить также при помощи фазометра, специально для этой цели проградуированного. На рис. 3 показана принципиальная схема включения фазометра для определения группы соединения. Для этой цели применяют однофазный двух- или четырехквадрантный фазометр, более тонкая обмотка которого включается со стороны питания. К вторичным зажимам испытуемого трансформатора присоединяют последовательную большего сечения обмотку, допустимый ток которой равен 5 А. Исходя из этого следует заранее определить необходимое значение шунта на вторичной стороне. При этих измерениях следует обращать внимание на правильное присоединение одноименных зажимов трансформатора к соответствующим зажимам прибора, помеченным звездочкой.
Рис. 3. Схема включения фазометра
Рис. 4. Схема фазировки трансформаторов
Для более экономичной работы, т. е. уменьшения потерь, трансформаторы включают на параллельную работу, при которой одноименные зажимы как на первичной, так и на вторичной стороне соединены между собой. Для параллельной работы необходимо соблюдать следующие условия: тождественность групп соединения обмоток, равенство коэффициентов трансформации и напряжений короткого замыкания.
Напряжение короткого замыкания трансформатора UK — это напряжение в процентах от номинального, которое необходимо подвести к первичной обмотке при замкнутой накоротко вторичной обмотке, чтобы в обеих обмотках проходили номинальные токи.
Не рекомендуется параллельная работа трансформаторов с отношением номинальных мощностей более 3:1.
Перед включением на параллельную работу двух трансформаторов необходимо проверить для вторичных напряжений совпадение тех фаз, которые предполагается соединить между собой, т. е. убедиться в отсутствии напряжений между соединяемыми парами фаз вторичной стороны. На рис. 4 показана простейшая схема фазировки при помощи вольтметра.
Текущий ремонт трансформаторов (без выемки сердечника) проводят одновременно с ремонтом остального оборудования трансформаторных подстанций, но не реже 1 раза в 4 года, капитальный ремонт — в зависимости от состояния трансформатора и результатов его испытаний.
Периодический текущий ремонт масляного трансформатора заключается в наружном осмотре и устранении обнаруженных дефектов, чистке изоляторов, бака и радиаторов, спуске грязи из расширителя, доливке масла, проверке маслоуказателей, спускного крана и уплотнений, надежности контактных соединений, отборе проб масла, проведении испытаний и измерений.
При внешнем осмотре проверяют герметичность уплотнений. Если она нарушена и вызывает течь масла между крышкой и баком или во фланцевых соединениях, необходимо подтянуть гайки. Если это не поможет, уплотнения заменяют новыми из маслостойкой резины.
После спуска грязи из расширителя проверяют работу маслоуказателя. Расширители современных трансформаторов имеют съемную переднюю стенку, что позволяет тщательно промывать расширитель. Проверяют уровень масла в расширителе. При необходимости доливки масла в трансформатор следует помнить, что температура доливаемого масла не должна отличаться от температуры масла в трансформаторе более чем на 5°С.
Контролируют состояние воздухоосушителя. При розовой окраске индикаторного силикагеля осушитель должен быть заменен, для чего с расширителя снимают прозрачный колпачок и высыпают индикаторный силикагель и осушитель (гранулированный силикагель). Колпачок ставят на место и через внутреннюю трубку корпуса высыпают сначала 30 г индикаторного силикагеля голубого цвета, а затем 200 г осушителя белого или розового цвета. После заполнения силикагелем воздухоосушителя, перед установкой крышки, заливают в масляный фильтр трансформаторное масло до указанной на нем отметки.
Перезарядка термосифонного фильтра производится при значении кислотного числа масла 0,1. Для перезарядки сливают масло из расширителя, снимают крышку термосифонного фильтра и вынимают решетку с силикагелем. Бывший в употреблении силикагель заменяют на свежий. После установки крышки доливают масло в расширитель, предварительно выпустив воздух из фильтра через пробку на его крышке. Масло доливают до соответствующего уровня на маслоуказателе расширителя в зависимости от температуры, контроль за температурой масла в трансформаторе осуществляют термометром, устанавливаемым на крышке бака. Для правильной работы термометра в корпус его оправы заливают трансформаторное масло. При текущем ремонте проверяют надежность контактных соединений, заземление бака трансформатора и отбирают пробу масла для испытания, тщательно предохраняя его от загрязнения. При отборе проб краны и спускные отверстия тщательно вытирают тряпками, затем промывают, для чего медленно спускают около 2 л масла. После предварительной промывки отбирают пробу, для чего банку дважды ополаскивают отбираемым маслом, а затем заполняют им доверху и закрывают пробкой, промытой тем же маслом. После этого к горлышку банки прикрепляют сопроводительный ярлык для отправки в лабораторию на испытание.
При текущем ремонте сухого трансформатора необходимо снять кожух и убедиться в отсутствии механических повреждений обмоток, изоляторов и других частей трансформатора, проверить надежность контактных соединений и заземлений, тщательно продуть трансформатор чистым сухим воздухом и протереть изоляторы.
По окончании ремонта измеряют сопротивление изоляции обмоток трансформатора R60 и определяют коэффициент абсорбции (отношение R60/R15) мегаомметром на напряжение 2500 В.
Сопротивление изоляции измеряют между каждой обмоткой и корпусом (землей) и между обмотками. Наименьшее допустимое сопротивление изоляции для обмоток вновь вводимых силовых трансформаторов должно быть не менее 70 % величины, зафиксированной при заводском испытании, а отношение R60/R15 — не ниже 1,3. В эксплуатации величины сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции не нормируют, но учитывают при комплексном рассмотрении результатов испытаний.
