Введение в предмет 1 страница

В реальном трансформаторе эти соотношения несколько нарушаются, но при нагрузках близких к номинальным эти отклонения относительно малы.

Трансформатор на рис. 12-1 называется двухобмоточным. Во многих случаях применяются трансформаторы с несколькими первичными и вторичными обмотками – многообмоточные. Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. С другим числом фаз применяются в специальных устройствах.

Силовые трансформаторы служат для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем. Кроме того, имеются трансформаторы специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные, и др.

Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. Из-за пожароопасности масла, выполняющего роль электрической изоляции и охлаждающего агента, в общественных и жилых зданиях и в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы.

В паспортных табличках силовых трансформаторов указывается:

1. Номинальная полная мощность S_н, кВ×А;

2.Номинальные линейные напряжения обмоток U_л.н.,В; кВ;

3.Номинальные линейные токи I_л.н., А;

4.Номинальная частота переменного тока f_н, Гц;

5. Число фаз, m;

6. Схема и группа соединений обмоток;

7. Напряжение короткого замыкания U_k;

8. Режим работы (длительный, кратковременный)

9. Способ охлаждения.

§12-2 Магнитопроводы трансформаторов.

Виды магнитопроводов – подразделяются на стержневые и броневые. Магнитопровод однофазного стержневого трансформатора имеет два стержня С для размещения обмоток и два ярма Я.

рис 12.2. а) стержневой трансформатор.

б) броневой трансформатор

Каждая из двух обмоток 1 и 2 состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях, соединенных последовательно либо параллельно. Это приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи.

Броневой трансформатор имеет один стержень с двумя обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно броне.

При трансформации трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора – трансформаторную группу или групповой трансформатор. Однако чаще применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом они компактнее и дешевле.

Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие:

i_a + i_b + i_c =0,

то для синусоидальных токов трех трансформаторов также соблюдается условие:

Ф_а + Ф_b + Ф_с =0.

Поэтому если объединить три стержня 1, 2, 3 в общий стержень, то поток в нем будет равен нулю, и его можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости, что было предложено Доливо-Добровольским в 1889г. Эта конструкция получила всеобщее распространение. Влияние несимметрии магнитных линий (для средней фазы их длина несколько короче) весьма незначительно.

Броневые трансформаторы из-за сложности конструкции в нашей стране распространения не получили.

Рис.12.3 трансформаторная группа.

Рис. 12.4 идея образования трехфазного трехстержневого трансформатора.

По способу сочленения стержней с ярмами различаются трансформаторы со стыковыми и шихтованными магнитопроводами. Стыковые применяются редко из-за наличия немагнитных зазоров в местах стыков, вызывающих заметное увеличение магнитного сопротивления и вследствие этого намагничивающего тока.

Стержневые магнитопроводы имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность.

Рис.12.7 а) шихтованный; б) стыковой

Рис. 12.9.

Число стержней увеличивается с увеличением мощности (рис.12.9,б)

Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять требованиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостойкости.

В зависимости от номинального тока и напряжения, конструкции обмоток весьма разнообразны.

Обмотки изготавливаются из медных и алюминиевых проводов. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов 2 ¸ 4,5 А/мм², в сухих 1,2 ¸ 1,3 А/мм². В алюминиевых – на 40¸45% меньше. Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из нескольких параллельных проводников.

В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду(U), либо в треугольник(D).Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. Например, для сетей с напряжением 35кВ и более, выгодно соединять обмотку в звезду и заземлять нулевую точку, так как при этом напряжении выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли в раз меньше линейного, что снижает расход дорогостоящей электрической изоляции. Осветительные лампы накаливания более низкого напряжения имеют большую световую отдачу, а осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, питающих осветительные сети, соединяются обычно в звезду и осветительные лампы включаются на фазное напряжение – между линейными и нулевыми проводниками.

В ряде случаев, когда ток обмотки невелик, при соединении в звезду обмотки получаются более дешевыми, так как число витков при этом уменьшается в раза, а сечение проводов увеличивается также в раза, вследствие чего трудоемкость изготовления обмотки и стоимость обмоточного провода уменьшается.

С другой стороны, с точки зрения влияния высших гармоник, и поведения трансформатора при несимметричных нагрузках, целесообразно соединять одну из обмоток трансформатора в треугольник.

В некоторых случаях выполняют соединение обмоток по схеме зигзага, когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. При этом вторая половина обмотки подключается встречно первой, потому что при встречном соединении (см. рис. 12-22,б) э.д.с. фазы в раз больше, чем при согласном.

Рис. 12.22. соединение трехфазной обмотки зигзагом встречно.

.

Однако, при соединении обмоток зигзагом расход обмоточного провода на 15 % больше, поэтому это соединение применяется только при неравномерной нагрузке фаз с наличием токов нулевой последовательности.

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между э.д.с. первичной и вторичной обмоток. Поэтому введено понятие о группах соединения обмоток.

На рис. 12-23 а, показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому левыми, причем у обоих обмоток начала А, а находятся сверху, а концы Х, х – снизу. Будем считать э.д.с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу, а обмотки сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э.д.с. этих обмоток в каждый момент времени действует в одинаковых направлениях. Поэтому э.д.с. Е_А и Е_а совпадают по фазе.

Рис. 12.23. Группы соединения обмоток однофазного трансформатора.

Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 12.23, б), то направление э.д.с., изменится на обратное, и э.д.с. Е_А и Е_а будут иметь сдвиг на 180°. Такой же результат получится, если одну из обмоток выполнить «правой».

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э.д.с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку, направленную на цифру 12, а вектор э.д.с., обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 12.23,а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток называют группой 0. На рис. 12.23, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение обмоток называют группой 6. В этих случаях соединения обозначаются I/I-0 и I/I-6. В России (СССР) стандартизованы и изготавливаются однофазные трансформаторы только с соединением I/I-0.

В трехфазном трансформаторе при соединениях обмоток и э.д.с. как показано на рис. 12.24, а звезды фазных э.д.с. и треугольники линейных э.д.с., будут иметь вид на рис. 12.24 б. При этом одноименные векторы линейных э.д.с. (Е_АВ, Е_аb) направлены одинаково, т.е. совпадают по фазе. Поэтому схема соединений обозначается Y/Y-0.

Если на рис. 12.24 а, произвести перестановку фаз обмотки НН и разместить фазу «а» на среднем стержне, фазу «b» - на правом, а фазу «с» - на левом, то на векторной диаграмме НН (рис. 12-24, б) произойдет круговая перестановка фаз a, b, c по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной перестановке будет группа 8.

Рис. 12-24. Группа соединений Y/Y-0.

Рис. 12-24,г. Группа Y/Y – 4

Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10, 2. Таким образом, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений (0, 2, 4, 6, 8, 10), причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить по схеме D/D.

При соединении обмоток по схеме Y/D(рис. 12-25,а) векторные диаграммы э.д.с. обмоток ВН и НН будут иметь вид на рис. 12-25,б. При этом одноименные линейные э.д.с., например, `Е<sub>АВ</sub> и `Е_ab будут сдвинуты на 30° и расположатся на циферблате по рис. 12-25, b, это соединение обмоток обозначается Y/D-11.

При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток можно получить также другие нечетные группы 1, 3, 5, 7, 9.

Большой разнобой в схемах и группах соединений трансформаторов нежелателен.

Рис. 12-25. трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/D-11

.

Поэтому ГОСТ 11677-75 предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами: Y/Y₀ – 0; D/Y₀ – 11; Y/D - 11; Y₀/D - 11, а также Y – зигзаг – 11.

При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки. Обозначения начал и концов обмоток трансформаторов приводится в таблице 12-1.

Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются 0, 0_m, ₀

Таблица 12 – 1

Обозначение начал и концов обмоток	Наименование обмоток трансформатора
Трехфазные	Однофазные
A, B, C X, Y, Z   a, b, c x, y, z   Am, Bm, Cm Xm, Ym, Zm	А Х   а х   Аm Xm	Обмотки высшего напряжения: Начала Концы   Обмотки низшего напряжения: Начала Концы   Обмотки среднего напряжения: Начала Концы

§12-5 Элементы конструкции и способы охлаждения трансформаторов (масляных).

Трансформаторы мощностью S_н£ 20 кВ×А имеют гладкие баки. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: масло возле обмоток и магнитопровода, нагреваясь поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. Наибольшая допускаемая температура масла в верхних слоях £ 95°С.

У трансформаторов S_н>20 до 1800кВ×А к баку привариваются трубы для увеличения поверхности охлаждения бака.

При S_н ³ 1800 кВ×А используются гладкие баки с подвешенными к ним трубчатыми охладителями(рис. 12- 26), которые сообщаются с внутренней полостью бака в ее верхней и нижней частях. Циркуляция масла в охладителе также совершается в результате естественной конвекции. При S_н=10¸60 МВ×А для более интенсивного отвода тепла от охладителей применяется их обдувание вентиляторами. При этом теплоотдача увеличивается на 50¸60%.

Еще более интенсивным является водяное охлаждение через водяные охладители (теплообменники).

На крышке трансформатора устанавливаются выводы для соединения с внешней сетью.

Трансформаторы с S_н> 75 кВ×А снабжаются расширителями, представляющими собой сосуд, соединенный при помощи патрубка с баком. Открытая поверхность масла, при колебаниях температуры окружающей среды и нагрузки трансформатора, всегда должна оставаться в пределах расширителя, что уменьшает открытую поверхность масла и его окисление.

Для предотвращения повреждения бака в случаях аварии и бурного разложения масла и выделения газа на крышке трансформатора устанавливается выхлопная труба.

Между расширителями и баком при S_н> 500 кВ×А устанавливается газовое реле, которое в случае аварии дает сигнал на отключение трансформатора от сети.

Глава 13. Намагничивание магнитопроводов трансформаторов.

§13-1 Явления, возникающие при намагничивании магнитопроводов.

При намагничивании магнитопроводов вследствие насыщения магнитной цепи возникают явления, требующие отдельного изучения. Рассмотрим режим холостого хода, когда первичная обмотка подключается на синусоидальное напряжение, а вторичная разомкнута.

При холостом ходе однофазного трансформатора для первичного напряжения действительно уравнение:

т. е. напряжение U расходуется на падение напряжения в обмотке r×i и уравновешивание э.д.с. – е. Если пренебречь незначительным падением напряжения r×i, то (ri=0)

Поэтому, если напряжение синусоидально u = U_m × sin wt,то поток Ф также должен изменятся по синусоидальному закону Ф = Ф_m sin (wt - p/2). Если пренебречь потерями в стали, то потребляемый из сети ток холостого хода i = i₀ является чисто реактивным намагничивающим током (i₀ =i_0r). Этим током создается синусоидальный поток Ф.

Рис. 13-1 определение реактивной составляющей намагничивающего тока.

Рис. 13-2 гармоники намагничивающего тока.

Но так как при появлении насыщения стали пропорциональность между Ф и i_0r нарушается, то при синусоидальном потоке Ф ток i_0r уже не будет синусоидальным.

На рис. 13-1 в левом квадранте представлена синусоидальная кривая потока Ф = f(t) в функции времени, а в правом квадранте - кривая потока в функции намагничивающего тока Ф = f(i_0r). В нижнем квадранте: i_0r = f(t) – несинусоидальная кривая намагничивающего тока, которая содержит все нечетные гармоники (n = 1, 3, 5….), из которых наряду с первой или основной (n = 1), наиболее сильной будет третья гармоника, которая при В = 1,4Т составляет 30%, пятая 15% от основной.

Кроме реактивной составляющей i_0r, ток холостого хода i₀ содержит также относительно малую активную составляющую i_0а, которая синусоидальна и вызвана магнитными потерями в магнитопроводе. Полный намагничивающий ток

i₀ = i_0а + i_0r

имеет несимметричную форму.

У трехфазного трансформатора с соединением обмоток U/D намагничивающие токи фаз i_0rа, i_0rb, i_0rc, как и y однофазного будут содержать нечетные гармоники. В каждой фазе высшие гармоники тока будут распологаться относительно основной гармоники тока идентичным образом, как и у однофазного. Все четные гармоники отсутствуют (см. ТОЭ, Ф. Е. Евдокимов, с. 427).

Однако в то время как основные гармоники отдельных фаз будут сдвинуты относительно друг друга на 120°, то третьи на 3×120°= 360° или 0°, пятые на 5×120°=600° или на 240°, седьмые на 7×120°=840° или на 120°, девятые на 9×120°=3×360° или на 0° и т. д.

Таким образом, гармоники кратные 3 (n = 3, 9, 15…) в отдельных фазах обмотки будут совпадать по фазе. По этой причине в линейных токах, которые представляют собой разность токов соответствующих фаз, гармоники, гармоники кратные трем, будут отсутствовать (см. ТОЭ с. 439).

По этой причине при несинусоидальных напряжениях

Поэтому токи этих гармоник будут циркулировать внутри замкнутого треугольника (рис. 13-3, а), причем будучи равными по значению и совпадая по фазе, они образуют общий замкнутый циркуляционный ток.

Рис. 13-3. Питание трансформатора с соединением обмоток Y/D на холостом ходе:

а) – со стороны обмотки, соединенной в треугольник;

б) – со стороны обмотки, соединенной в звезду.

Если трансформатор с соединением обмоток Y/D питать на холостом ходу со стороны обмотки Y (рис. 13.3, б), то гармоники, кратные трем, в фазных токах существовать не могут, поскольку они должны совпадать по фазе и в то же время их сумма должна равнятся нулю, так как из нулевой точки выхода нет (а ток должен замкнуться, как и магнитный поток).

Однако при наличии насыщения для получения синусоидального изменяющегося магнитного потока в однофазном трансформаторе намагничивающий ток i₀ должен содержать гармоники, кратные трем. Поскольку в рассматриваемом случае трехфазного трансформатора наличие таких гармоник тока невозможно, то поток будет несинусоидальным, а ток i₀ будет близок к синусоидальному, т. к. гармоники n = 5, 7, 11… относительно малы. При такой форме тока i_0r, кривая потока Ф_Y вследствие насыщения будет иметь уплощенную или затупленную форму сверху (рис. 13-4,а)

Рис. 13-4. Формы кривой потока, при синусоидальном намагничивающем токе (а) и векторная диаграмма потока токов третьей гармоники (б).

Такая кривая потока наряду с основной гармоникой Ф_1Y будет содержать также относительно сильную третью гармонику Ф_3Y. Третьи гармоники Ф_3Y всех трех фаз совпадают по фазе и будут индуктировать во вторичной обмотке, соединенной треугольником, три равные по значению и совпадающие по фазе э. д. с.Е_3D (рис. 13-4,б). Складываясь в контуре треугольника, эти э.д.с. создают в этом контуре ток I_3D, который вследствие преобладания индуктивного сопротивления будет почти чисто индуктивным. Создаваемые этим током потоки Ф_3D будут почти полностью компенсировать поток Ф_3Y. Поэтому результирующие потоки фаз будут практически синусоидальными.

Таким образом, по сравнению с питанием со стороны обмотки, соединенной треугольником, разница заключается практически только в том, что третья и кратные ей гармоники намагничивающего тока i₀ возникают на вторичной стороне (рис. 13-3,б).

Из изложенного следует, что в случае соединения одной из обмоток трансформатора в треугольник(рис. 13-3 а, б) магнитные потоки Ф, э.д.с. и напряжения фаз остаются синусоидальными. Это обстоятельство составляет существенное преимущество трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена в треугольник.

Трансформатор с соединением обмоток Y/Y.

В нем кратные трем гармоники в намагничивающих токах первичной и вторичной обмоток существовать не могут. Однако, при этом магнитные потоки фаз наряду, с основной гармоникой Ф₁ содержат еще третьи гармоники Ф₃. Поэтому характерной особенностью соединения Y/Y является наличие третьих гармоник потока Ф₃, которые во всех трех фазах магнитопровода совпадают по фазе. В результате этого фазные э.д.с. и напряжения несинусоидальны и содержат третьи гармоники э.д.с. Е₃. Величина этих гармоник может быть значительной – до 30% от первой гармоники э.д.с. Е₁. Однако линейные э.д.с. и напряжения синусоидальны, так как в разности э.д.с. двух фаз Е₃ исчезают.

Таким образом, в трехфазных трансформаторах с соединением Y/Y возникают неблагоприятные явления:

- Искажения кривых фазных напряжений.

- В трехстержневых трансформаторах также добавочные потери от вихревых токов.

Поэтому такие трансформаторы, как правило, не строят.

Расчет магнитной цепи трансформатора производится также, как и у электрических машин и других электромагнитных устройств – по закону полного тока для средней магнитной линии

,

Где Н – напряженность магнитного поля;dl – элементы длины магнитных линий по участкам; åi – полный ток, охватываемый магнитной линией.

Глава 14. Схема замещения трансформатора и ее параметры

§14-1. Индуктивности обмоток и электромагнитное рассеяние.

В трансформаторах со стальным магнитопроводом m ¹ const, поэтому L и М ¹ const, как и в остальных электромагнитных системах, магнитная проницаемость стали m во время цикла перемагничивания непостоянна, поэтому в течение этого цикла непостоянны также собственные индуктивности L и взаимная индуктивность М обмоток трансформатора. В результате при подключении трансформатора к сети с синусоидальным напряжением в его намагничивающем токе i₀ возникают высшие гармоники.

Рис. 14-1. Магнитные потоки трансформатора при одностороннем намагничивании (i₁¹0, i₂ =0).

Но при работе трансформатора на ток i₀ накладывается ток нагрузки, по отношению к которому ток i₀ и, в особенности, его высшие гармоники малы и ими можно пренебречь, а учитывать только основную гармонику тока i₀. При этом можно полагать, что для данного режима работы m, L и М постоянны, а все силовые линии полностью замыкаются по магнитопроводу и поэтому сцепляются со всеми витками первичной и вторичной обмоток.

Пусть поток Ф_с создается током первичной обмотки i₁ при i₂ = 0. Тогда собственная индуктивность первичной обмотки от потока в магнитопроводе

L_c1 = w₁Ф_с/ i₁ (14.1)

Величину L_c1 можно выразить также через магнитное сопротивление магнитопровода

, (14-2)

где l_k, S_k и m_k соответственно означают длину, площадь сечения и магнитную проницаемость k-го участка магнитной цепи. При этом

Ф_с = F₁/ R_mc = w₁× i₁ / R_mc (14-3)

и после подстановки этого значения Ф_с в (14-1) получим:

(14-4)

Значение R_mс может быть определено по данным расчета магнитной цепи или опытным путем:

, где l_k, m_k, S_k – длина, магнитная проницаемость и площадь сечения k-го участка.

Аналогично индуктивность вторичной обмотки от потока магнитопровода Ф_с

(14-5)

а взаимная индуктивность от потока:

М_с = w₁×w₂ / R_mс (14-6)

Магнитное сопротивление потоку Ф_с одинаково для поля обеих обмоток и тогда

, (14-7)

Кроме потока Ф_с, током i₁ создается также поток Ф _{в 1}, силовые линии которого частично замыкаются по воздуху. Потокосцеплениям этого потока y _{в 1} и y _{в 2} c первичной и вторичной обмотками соответствует собственная индуктивность первичной обмотки и взаимная индуктивность обмоток:

и взаимная индуктивность двух обмоток М_в12 = y _{в 12} / i₁

При питании вторичной обмотки током i₁ создается поток Ф_в2, замыкающийся частично по воздуху. Потокосцеплениям ψ_B1 и ψ_B21 этого потока с первичной и вторичной обмотками соответствует собственная индуктивность вторичной обмотки

L _{в 2} = ψ _{в 2} / i₂

и взаимная индуктивность двух обмоток M _{в 21} = ψ _{в 21} / i₂. При этом, согласно принципу взаимности, M _{в 12} = M _{в 21} = M _в. Для потоков Ф_в1 и Ф_в2 имеют более сложный характер, чем поле потока Ф_с, поэтому

(14-8)

Полные собственные индуктивности обмоток:

(14-9)

и полная взаимная индуктивность

M = Mc + M в, (14-10)

где L_с1, L_с2 и М_с >>> L _{в 1}, L _{в 2}, и M _в, так как обмотки через воздух относительно малы.

Понятие об электромагнитном рассеянии.

Полнота электромагнитной связи двух индуктивно связанных цепей характеризуется коэффициентом связи этих цепей

< 1, (14-11)

что обусловлено наличием потоков Ф _{в 1} и Ф _{в 2}. Явление неполной электромагнитной связи называется электромагнитным рассеянием, поэтому, наряду с «С» введено понятие коэффициента электромагнитного рассеяния

(14-12)

Степень неполноты электромагнитной связи (рассеяние) оказывает большое влияние на многие технические показатели и характеристики трансформаторов и вращающихся электрических машин.

В трансформаторах с ферромагнитным магнитопроводом электромагнитная связь чрезвычайно высока, а рассеяние мало: с = 0,998 ¸ 0,995; s = 0,001 ¸0,004; поэтому определить s расчетом или опытом трудно и возникает необходимость в непосредственном определении параметров, характеризующих электромагнитное рассеяние.