Призначення та конструкція трансформатора і його складових частин

Силовий трансформатор – це складний пристрій, що має багато вузлів, деталей та металоконструкцій, який зображено на рисунку 1. Основними частинами трансформатора є магнітна система (кістяк) та обмотки.

Магнітопровід у трансформаторі виконує подвійну функцію: по-перше, він

складає магнітне коло, по якому замикається магнітний потік, а по-друге, на ньому кріпляться обмотки, відводи, перемикачі та інші деталі і вузли.

1– бак; 2 – затискач заземлення; 3 – вентиль; 4 – гофри; 5 – перемикач; 6 – повітроосушник; 7 – газове реле; 8 – розширник; 9 – масловказівник; 10 – вивід ВН; 11 – пристрій регулювання напруги; 12 – вивід НН; 13 – нейтральний провід; 14 – крюк для піднімання; 15 – відвід НН; 16 – кістяк; 17 – ярмова балка кістяка (верхня та нижня); 18 – відвід ВН; 19 – регулювальні відгалуження обмоток ВН; 20 – обмотка ВН та НН; 21 – коток візка

Рисунок 1 – Побудова силового трансформатора потужністю 250 кВ_*А, класу напруги 35 кВ

Магнітопровід має шихтовану конструкцію, тобто набирається із окремих пластин електротехнічної сталі товщиною від 0,28 до 0,35 мм, ізольованих одна від одної ізоляційною плівкою. Така конструкція дозволяє знизити втрати від

вихрових струмів, а якість сталі від гістерезисну, що, в кінцевому результаті, підвищує коефіцієнт корисної дії трансформатора.

Обмотки трансформаторів виконуються із обмоткових дротів круглого чи прямокутного перерізу, ізольованих бавовняною пряжею або кабельним папером і призначені для створення ЕРС. Як правило, обмотки намотуються на паперово-бакелітові циліндри і насаджуються концентрично одна другій на стрижень осердя, при цьому, для зниження ізоляційних проміжків, обмотка НН розташовується безпосередньо на стрижні, а обмотка ВН на ній, зовні. За конструктивно-технологічними ознаками обмотки бувають: циліндричні багатошарові, безперервні, гвинтові, дискові та переплетені.

Відводи служать для з'єднання обмоток із виводами і перемикаючим пристроєм, а перемикаючий пристрій – для регулювання напруги трансформатора.

Активна частина трансформатора поміщається в бак, заповнений трансформаторним маслом. Трансформаторне масло служить для відводу тепла від активної частини трансформатора.

Крім того, трансформаторне масло, як гарний діелектрик, забезпечує високу електричну міцність.

У трансформаторів незначної потужності до 20...30 кВ_*А застосовуються баки з гладкими стінками. У більш потужних – трубчасті баки або баки з навісними радіаторами.

Призначення основних елементів трансформатора:

– відводи ВН та НН з’єднання обмоток трансформатора з мережею та навантаженням;

– перемикач, призначений для ступінчастої зміни числа витків в обмотці, як правило, ВН;

– розширник, яким компенсується об’єм масла при зміні температури і зменшується площа дотику масла до повітря;

– масловказівник – скляна трубка, що з’єднана обома кінцями з розширником та вказує на рівень масла при фіксованій температурі;

– газове реле призначене для подачі сигналу і відмикання трансформатора від мережі при аварійних режимах, які супроводжуються виділенням газу з масла; з цією метою газове реле має дві пари контактів, розміщених в спеціальних поплавках;

– викидна труба забезпечує захист трансформаторів, потужність яких 1000 кВ_*А і більше, від розриву бака при зростанні тиску в середині бака у аварійних випадках; з цією метою викидна труба закінчується фланцем зі скляним диском, який лопається при зростанні тиску;

– термосифонний фільтр призначений для регенерації (очищення) трансформаторного масла та сполучається з баком патрубками, які заповненні крупним пористим силікагелем (КСК);

– повітроосушник застосовується для запобігання окислення та передчасного старіння масла;

– радіатори – для штучного збільшення поверхні охолодження.

Сучасний трансформатор – складний пристрій, який складається із багатьох вузлів, деталей та металоконструкцій. Основними частинами трансформатора є магнітна система і обмотки. Магнітна система призначена для локалізації в ній основного магнітного поля трансформатора. Зібрана конструкція, що складається з магнітної системи з усіма деталями для її складання та кріплення обмоток називається кістяком.

Магнітна система плоска, тобто осі всіх стрижнів та ярем розташовані в одній площині і складається із стрижнів та ярем. Стрижні призначені для розташування обмоток трансформатора. Ярма призначені для сполучення стрижнів. Стяжка стрижнів виконується склобандажами, ярем – ярмовими балками. Магнітна система виконується із легованої електротехнічної сталі товщиною від 0,28 до 0,35 мм.

Обмотка – сукупність витків, що утворюють електричне коло.

Відводи – електричні провідники, призначені для сполучення обмоток трансформатора із струмопровідними частинами (виводами та пристроєм регулювання напруги).

Кістяк трансформатора разом із обмотками, відводами, елементами пристрою перемикання відгалужень обмотки ВН і деталями для їх механічного закріплення складають активну частину трансформатора.

Відгалуження призначені для ввімкнення певної кількості витків в обмотці ВН. В трансформаторі з регулюванням напруги без навантаження передбачаються відгалуження в межах ±5% від номінальної напруги.

Активна частина трансформатора розташовується у баці овальної форми. Бак складається із дна, стінок, кришки.

На стінках бака розташовують радіатори, привідний механізм, термосифонний фільтр, коробки контактних сполучень для пристроїв контролю та сигналізації. Кришку бака застосовують для встановлення виводів, розширника, запобіжної труби, патрубка для заповнення маслом.

Бак заповнюється трансформаторним маслом, яке служить охолоджуючим та ізолюючим середовищем. Масло відводить тепло, яке утворюється в магнітній системі та обмотках, і віддає через стінки, кришку бака, а також підвищує ізоляцію між струмопровідним частинами і заземленим баком.

Сигналізаційний термометр призначений для вимірювання температури масла, захисту трансформатора в разі пошкоджень, що супроводжуються неприпустимим нагріванням масла. Встановлюється на боковій стінці бака на висоті 1,5 м від дна трансформатора.

1.3 Призначення та конструктивні особливості активної частини трансформатора

Враховуючи, що в технологічній частині проекту згідно завдання будуть розроблятися технологія приймально-здавальних випробувань є необхідність

більш детально розглянути саме ту частину трансформатора, що до випробувань відноситься, а саме – активну частину, що складається, як уже зазначалось, із магнітної системи та обмоток.

В сучасних силових трансформаторах, використовується конструкція магнітних систем з косими та з комбінованими (частково прямі стики, частково косі) стиками при шихтуванні, що дозволяє знизити втрати в стиках від анізотропії сталі. Стрижні системи опресовуються і стягуються склобандажами, а ярма – балками, що з’єднуються шпильками і металевими напівбандажами.

В залежності від взаємного розташування стрижнів, ярем і обмоток магнітопроводи поділяють на стрижневі (рисунок 2, а), броньові (рисунок 2, б) та бронестрижневі (рисунок 2, в). У стрижневій конструкції ярма 1 обхвачують тільки торцеві поверхні обмоток 2 (така конструкція прийнята в проекті), в броньовій – ярма розташовуються так, що обхвачують обмотки і з торців, і з боків, буцім закриваючи їх бронею. У бронестрижневій конструкції має місце поєднання броньової та стрижневої конструкції, тобто обмотка обхвачується ярмами тільки на половину.

Найчастіше бронестрижнева конструкція використовується у трансформаторах великої потужності для зниження висоти магнітної системи, що забезпечує вписування такого трансформатора у залізничний габарит.

1 – магнітопровід; 2 – обмотки

Рисунок 2 – Стрижнева (а), броньова (б) та бронестрижнева (в) магнітні системи трансформаторів

Крім шихтованої конструкції магнітні системи можуть виконуватися витими, тобто навиватися із стрічки електротехнічної сталі безпосередньо в обмотку на спеціальному обладнанні. Частіше (для малопотужних трансформаторів) після навивання магнітопроводи розрізаються для подальшого насаджування обмоток, в цьому випадку вони називаються стиковими.

Елементами електричних кіл трансформатора є обмотки. Обмотки трансформаторів виконуються із мідних або алюмінієвих обмоткових дротів круглого чи прямокутного перерізу, ізольованих лаковим покриттям, бавовняною пряжею або кабельним папером. Як правило, обмотки намотуються на паперово-бакелітові циліндри і насаджуються концентрично одна другій на стрижень осердя, при цьому обмотка НН розміщується безпосередньо на стрижень, а обмотка ВН – на ній, зовні. Таке розміщення дозволяє суттєво знизити ізоляційні проміжки між стрижнями і обмотками, а отже і габарити трансформатора в цілому. Крім концентричних обмоток можуть використовуватися обмотки, що чергуються. В таких обмотках котушки ВН чергуються з котушками НН по висоті стрижня, що дозволяє знизити магнітне розсіювання, але суттєво ускладнює ізоляцію.

В силових трансформатора переважно використовуються концентричні обмотки, які за характером намотування можна поділити на циліндричні (рисунок 3, а), безперервні котушкові (рисунок 3, б) та гвинтові (рисунок 3, в). В залежності від номінального струму та класу напруги, циліндричні обмотки трансформаторів поділяються на одношарові, двошарові та багатошарові. Ці та безперервні обмотки можуть використовуватись і як обмотки ВН, і як НН, а гвинтові – лише як обмотки НН зі значними струмами. В технологічному відношенні найпростішими, а отже і найдешевшими, є циліндричні обмотки, але використання таких обмоток обмежується їх гіршими електродинамічними властивостями. Безперервна обмотка виконується у вигляді окремих сполучених між собою котушок. Завдяки каналам між котушками, така обмотка добре охолоджується, але необхідність перекладання котушок для забезпечення безперервності значно ускладнює її виготовлення.

Гвинтова обмотка навивається у вигляді гвинтової лінії з витків, складених із кількох (від 4 до 20) паралельних провідників прямокутного перерізу одним, двома чи більше ходами. Значна кількість паралельних провідників, концентрично розміщених відносно один одного, вимагає їх перекладання (виконання транспозиції) при намотуванні щоб вирівняти довжину кожного окремого провідника і створити для кожного з них однакові умови щодо поля розсіювання, а це утрудняє процес виготовлення і підвищує собівартість гвинтової обмотки.

а – багатошарова циліндрична; б – гвинтова; в – безперервна

Рисунок 3 – Обмотки трансформаторів

В проекті прийняті обидві обмотки багатошарові із алюмінієвого прямокутного проводу марки АПБ.

1.4 Вихідні дані для проектування

Дані для проектування визначені завданням на проектування і частково зібрані під час проходження переддипломної практики на ВАТ ЗТР:

– номінальна потужність S_ном, кВ_*А – 250

– число фаз m – 3

– частота f, Гц – 50

– напруга обмотки ВН U_ВН, кВ – 6 ± (2х2,5%)

– напруга обмотки НН U_НН, кВ – 0,69

– схема і група сполучення обмоток – УУ – 0

– напруга КЗ u_к, відсотки – 4,5

– втрати КЗ Р_к, кВт – 3,7

– втрати НХ Р₀, кВт – 0,74

– струм НХ і₀, відсотки – 2,3

– маса активної частини М_а.ч, кг – 550

– маса масла М_м, кг – 450

– маса трансформатора М_тр, кг – 1100;

– річна норма випуску N_вип, шт – 14000

– коефіцієнт витрат на утримання та експлуатацію обладнання К_в.у.о – 1,1;

– коефіцієнт загально виробничих витрат К_з.в.в – 1,5;

– коефіцієнт адміністративних витрат К_адм. – 2,5;

– коефіцієнт витрат на збут К_в.зб. – 0,02;

– коефіцієнт прибутку К_приб – 0,01.

Крім зазначених величин в проекті можуть використовуватись інші дані, що обмежуються державними стандартами, технічними вимогами тощо.