1.2. Основные определения

          Трансформатор представляет собой статическое электромагнит­ное устройство, имеющее две или большее количество индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования, посред­ством электромагнитной индукции одной или нескольких систем пе­ременного тока в одну или несколько других систем переменного то­ка, в том числе для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия (напря­жение) преобразуемого переменного тока, называется первичной об­моткой трансформатора. Обмотка трансформатора, от которой от­водится энергия преобразованного переменного тока, называется вторичной обмоткой трансформатора. Трансформаторы подразделяют на стандартные классы, напря­жения. Обмотка трансформатора, к которой подводится энергия преобразуемого или от которой отводится энергия преобразованно­го переменного тока, называется основной. Силовой трансформатор имеет не менее двух основных обмоток.

Основная обмотка трансформатора, имеющая наибольшее номи­нальное напряжение, называется обмоткой высшего напряжения ВН, наименьшего — низшего напряжения НИ, а промежуточное между ними — среднего напряжения СИ. Трансформатор с двумя гальванически не связанными обмотками называется двухобмоточным, с тремя — трехобмоточным. Мощные силовые трансформаторы часто выполняют трехобмоточны­ми — с обмотками ВН, СН и НН. Одна из этих обмоток является первичной, две другие – вторичными. Если у трансформатора первичной является обмотка НН, его   называют   повышающим,   если ВН – понижающим.

Отношение напряжений на зажимах двух обмоток в режиме хо­лостого хода называется коэффициентом трансформации (k) транс­форматора. В двухобмоточном трансформаторе коэффициент трансформации равен отношению высшего напряжения к низшему; в трехобмоточном трансформаторе три коэффициента трансформа­ции, равные отношению высшего к низшему, высшего к среднему, среднего к низшему напряжениям.

Для двух обмоток силового трансформатора, расположенных па одном стержне, коэффициент трансформации принимается равным отношению чисел их витков. Поэтому если, например, первичная об­мотка с числом витков W₁ является обмоткой высшего напряжения, а вторичная с числом витков W₂—низшего напряжения, то k  = U_l/U_i = Wi/W₂, откуда U₁=kU₂, W₁=kW_2.  Таким образом, зная коэффициент трансформации и напряжение на вторичной стороне трансформатора, легко определить напряже­ние на первичной, и наоборот. Это относится также и к числам вит­ков.  Трансформатор,  в магнитной системе  которого  создается  од­нофазное магнитное поле, называется однофазным, трехфазное — трехфазным. Для улучшения электрической изоляции токопроводящих частей и условий охлаждения    трансформатора    обмотки вместе с магнитной системой погружают в бак с трансформатор­ным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненны­ми или масляными.    Некоторые    трансформаторы    специального   назначения   вместо   масла   наполняют   негорючей    синтетической  жидкостью — совтолом.    Трансформаторы,   у    которых   основной изолирующей средой служит воздух, газ или твердый диэлектрик, а охлаждающей средой атмосферный воздух, называются сухими. Каждый трансформатор имеет   табличку, в которой    указаны его номинальные величины, т. е. величины, на которые он рассчи­тан  (мощность, высшее и низшее напряжение,    токи,    частота и др.).   Номинальная   мощность трансформаторов  выражается  пол­ной электрической мощностью в киловольт-амперах  (кВА)   или мегавольт-амперах   (MBА).    Номинальное    первичное    напряже­ние – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное    вторичное, – получающееся на за­жимах вторичной обмотки при холостом    ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки /3/. 

1.3. Основные режимы работы трансформаторов

1.3.1. Холостой ход, токи и потери холостого хода.

Если к зажимам одной из обмоток трансформатора подведено переменное номинальное напряжение, а другие обмотки не замкнуты на внешние це­пи, такой режим работы называется режимом холостого хода транс­форматора. Ток, проходящий в обмотке трансформатора при холостом хо­де, называется током холостого хода. Для трансформаторов малой мощности Он составляет 2—3,5%    номинального,    для   мощных 0,5-1,5%. Потребляемая при холостом ходе трансформатора активная мощность тратится на тепловые потери в магнитной системе и частично в первичной обмотке. Эти суммарные потери называют потерями холостого хода трансформатора. В активном сопротивлении обмоток при холостом ходе потери незначительны из-за малого тока, поэтому ими пренебрегают, счи­тая, что мощность, потребляемая трансформатором, расходуется только на потери в стали магнитной системы. Эти потери вызваны периодическим перемагничиванисм (гистерезисом) стали и, вихре­выми токами. Перемагничивание связано с выделением тепла и, как любой другой вид работы, требует затраты энергии. Магнитная система находится в переменном магнитном поле, поэтому согласно закону электромагнитной индукции в ней индук­тируются токи, которые проходят в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и называются вихревыми. Чем тол­ще пластины, из которых собрана магнитная система, и меньше их удельное электрическое сопротивление, тем больше вихревые токи. Вихревые токи являются паразитными, так как, замыкаясь в стали магнитной системы, они нагревают ее и вызывают бесполез­ные потери энергии. Для уменьшения потерь от вихревых токов магнитную систему трансформаторов собирают из тонких пластин, изготовленных из специальной стали и изолированных друг от друга /4/.

1.3.2. Короткое замыкание. Напряжение и потери короткого замыка­ния.

Коротким замыканием трансформатора называют режим ра­боты, при котором одна из обмоток замкнута накоротко, а вторая находится под напряжением. Если короткое замыкание происхо­дит в процессе эксплуатации трансформатора при номинальных напряжениях, в обмотках возникают токи короткого замыкания, в 5—20 раз (и более) превышающие поминальные. При этом рез­ко повышается температура обмоток и в них возникают большие механические усилия. Такое замыкание является аварийным и тре­бует специальной защиты, которая должна отключить трансформа­тор в течение долей секунды. Если замкнуть накоротко одну из обмоток трансформатора, а к другой подвести пониженное напряжение и постепенно его по­вышать, то при определенном значении напряжения Uк.з,_. называе­мом напряжением короткого замыкания, в обмотках будут прохо­дить токи, равные номинальным. Напряжение короткого замыкания является одной из важных характеристик трансформатора и выражается в процентах номинального напряжения:

Uк.з.=Uк.з./Uн*100

где Uк.з. — напряжение короткого замыкания, %; Uк.з. — напряже­ние короткого замыкания, В; Uн — номинальное напряжение об­мотки трансформатора, В. Равенство напряжений короткого замыкания трансформато­ров — одно из условий их параллельной работы. Напряжение Uк.з. указывают в табличке каждого трансформатора. Его величина оп­ределена стандартами в зависимости от типа и мощности транс­форматора: для силовых трансформаторов малой и средней мощ­ности она составляет 5 –7%, для мощных трансформаторов 6 – 17% и более. При опыте короткого замыкания в магнитной системе создает­ся незначительное магнитное поле, обусловленное малым подве­денным напряжением. Кроме того, проходящие по первичной и вто­ричной обмоткам номинальные токи создают поле рассеяния, замыкающееся через воздух и металлические детали трансформа­тора. Поле рассеяния создает индуктивное сопротивление, которое при коротком замыкании ограничивает ток в обмотках, предохра­няя их от чрезмерного нагрева и разрушения. Падение напряже­ния в индуктивном сопротивлении обмоток в основном определя­ет значение напряжения короткого замыкания трансформатора. Чем выше Uк.з., тем меньше опасность разрушения обмоток при аварийных коротких замыканиях. Однако величину Uк.з. ограничивают до определенного значения, в противном случае, создавая значительное индуктивное сопротив­ление, поля рассеяния вызовут недопустимо большое реактивное падение напряжения во вторичной обмотке, в результате чего снизятся вторичное напряжение и соответственно мощность, полу­чаемая приемником электроэнергии. Кроме того, поля рассеяния, замыкаясь через металлические детали, вызывают в них добавоч­ные потери от вихревых токов и перемагничивания, снижая кпд трансформатора. Поля рассеяния ограничивают до оптимальной величины, размещая первичную и вторичную обмотки на одном стержне концентрически, (чем ближе обмотки друг к другу, тем меньше поле рассеяния). При опыте короткого замыкания напряжение Uк.з, подводимое к трансформатору, в зависимости от его типа в 5—20 раз меньше номинального. В этом случае магнитное поле, замыкающееся через магнитную систему, составляет не более 5% основного. Поэтому потерями в стали пренебрегают, считая, что мощность Рк.з. потреб­ляемая трансформатором при коротком замыкании, полностью рас­ходуется на потери в активном сопротивлении первичной и вторич­ной обмоток и на добавочные потери от полей рассеяния в сталь­ных деталях трансформатора (стенках бака, ярмовых балках и др.). Токи и потери при опыте короткого замыкания, по величине такие же, как и при номинальной нагрузке   трансформатора,   поэтому их часто называют нагрузочными потерями (они нормируют­ся стандартом).

1.3.3. Кпд трансформатора.

При работе трансформатора под нагруз­кой происходят потери энергии в стали и обмотках (нагрузочные и холостого хода). Зная эти потери и мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить его кпд в процентах.

n=P₂/(P₂+Pк.з.+Pх)*100;

где P₂ – мощность,   выдаваемая   трансформатором   в сеть,   кВт;  Рк.з. – потери короткого замыкания  (нагрузочные), кВт; Рх – по­тери холостого хода, кВт. Трансформаторы имеют   сравнительно    высокий    кпд    (98,5— 99,3% и более).

1.4. Требования, предъявляемые к трансформаторам

Силовые трансформаторы должны отвечать ряду технических требований: удовлетворять условиям параллельной работы; не пе­регреваться выше допустимых пределов; выдерживать превышения напряжения в допустимых пределах и внеш­ние короткие замыкания при обусловлен­ных значениях кратности и длительности тока; обеспечивать регулирование напряже­ния. Под параллельной работой трансформа­торов понимают работу нескольких транс­форматоров на общую сеть при параллель­ном соединении их первичных и вторичных обмоток. Такая работа более экономична, чем раздельная, и создает некоторый резерв мощности. Чтобы трансформаторы могли работать параллельно, они должны отве­чать ряду технических требований, основ­ными из которых являются: равенство пер­вичных и вторичных напряжений, а следо­вательно, и коэффициентов трансформации; равенство напряжений короткого замыкания, одинаковые группы соединения обмоток. Повышение температуры трансформатора и его отдельных частей сверх допустимой приводит к сокращению срока службы, а в от­дельных случаях  к аварийному выходу трансформатора из работы. Для обеспечения надежной работы трансформатора в течение срока службы, на который он рассчитан (25 лет), ГОСТ 11677-75 установлены следующие допустимые превышения температуры от­дельных его частей над температурой охлаждающей среды, °С:

Для обмоток – 65 °С. Для магнитной системы (на поверхности) и конструктивных элементов – 75 °С. Для масла (в верхних слоях), если оно полностью защищено от соприкосновения с окружающим воздухом (герметизированные трасформаторы, трансформаторы с защитным устройством) – 60 °С. В остальных случаях – 55 °С.

В сухих трансформаторах наибольшее превышение температуры обмоток над температурой охлаждающей среды при применении изоляционных материалов классов нагревостойкости А, Е, В, F и Н не должно быть больше соответственно 60, 75, 80, 100, 125° С. Допустимые превышения температуры приняты при условии, что максимальная температура окружающего воздуха не должна превышать 40°С. Если охлаждающей средой служит вода, ее тем­пература у входа в охладитель трансформатора не должна превы­шать 25° С. Исходя из наибольших допустимых превышений темпе­ратуры, за наивысшую расчетную температуру обмоток масляных трансформаторов принимают 65° + 40°= 105° С, магнитной системы (на поверхности) – 75°+40°= 115° С, верхних слоев масла – 55° +40°=95° С. Повышение напряжения на зажимах трансформатора до величи­ны, опасной для его изоляции, называют перенапряжением. Пере­напряжения делят на внутренние и внешние. К внутренним, или коммутационным,   относят перенапряжения, возникающие при изменении режима работы; трансформатора или, системы, в которой он работает, например при дуговом замыкании на землю, отключении и включении трансформаторов, линий с боль­шой индуктивностью и емкостью и т. д. К внешним относят атмосферные перенапряжения, возникающие в результате действия грозовых разрядов. Если грозовой разряд происходит в непосредственной близости от трансформатора или линии, к которой он подключен, то перенапряжение возникает из-за индуктивного влияния тока и заряда молнии. Такое перенапряже­ние называют индуктированным. Каждый трансформатор в зависимости от его номинального нап­ряжения и условий работы должен выдерживать  некоторое пере­напряжение. Отечественные   трансформаторы   имеют стандартные классы напряжения: 3, 6, 10, 20. 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Величина (уровень) допускаемых перенапряжений на зажимах обмоток трансформатора определяется его классом напряжения. Помимо перенапряжений при изменении режимов работы и осо­бенно при внезапных коротких замыканиях в обмотках трансформаторов возникают токи, которые во много раз превышают рабочие. В момент включения трансформатора в сеть на холостую рабо­ту ток может превысить номинальный в 6—8 раз. При прохож­дении такого тока по обмоткам возникают опасные механические усилия. Между витками в каждой обмотке действуют силы притяжения, так как токи в витках имеют одинаковое направление. Силы F, дей­ствующие между концентрически расположенными обмотками разных напряжений, направлены радиально. Так как пер­вичный и вторичный токи в обмотках направлены противоположно, эти силы стремятся оттолкнуть обмотки друг от друга; наружная обмотка будет растягиваться, стремясь разорваться, внутренняя – сжиматься. Кроме радиальных на обмотки действуют осевые силы, которые меньше радиальных, но при аварийных режимах опасны. Одну из обмоток они стремятся разорвать вдоль оси, другую — сжать.

           Известно, что магнитодвижущие силы, а следовательно, меха­нические усилия первичной и вторичной обмоток, должны уравно­вешивать друг друга. В случае же осевой асимметрии обмоток такое равновесие нарушается /5/.

2. Устройство трансформатора

Полностью собранный однофазный трансформатор мощно­стью 2500кВА показан на рис. 1. На баке 1 трансформатора установлен термосифонный фильтр 2 с патрубком 3 и плоским краном 22. Приводной механизм 4 устройства РПН связан вер­тикальным валом 6 (с муфтой 5) с контакторами, закрытыми кожухом 7. Кожух контакторов имеет свой маслоуказатель 9 со стеклянной пластиной и реле давления 8. На крышке 10 кожуха контакторов находится пробка 11 для выхода воздуха. Расшири­тель 12 со стенкой 16 снабжен воздухоосушителем, патрубок 13 которого виден на рисунке. Предохранительная труба 14 связана газоотводным патрубком 15 с расширителем, на съемной боковой стенке которого установлен маслоуказатель 17 со стеклянной трубкой. На крышке трансформатора разме­щены вводы высшего 19 и низшего 18 напряжений. Для подъема крышки с активной частью служат кольца 20, для подъема пол­ностью собранного трансформатора - крюки 21. Охлаждение трансформатора  естественное масляное, осуществляется с по­мощью прямотрубных радиаторов 25, укрепленных на патруб­ках 23. Для повышения механической прочности радиаторов при транспортировании служат специальные угольники 24, с плас­тинами, связывающие радиаторы.

Рис. 1. Однофазный трансформатор.

2.1. Остов и магнитная система трансформаторов

Конструкция, включающая в собранном виде магнитную систему со всеми деталями, служащими для ее соединения и крепления обмоток, называется остовом трансформатора. Комплект пластин, изготовленных из электротехнической стали и собранных в определенной геометрической форме, предназначенной для концентрации основного магнитного поля трансформатора, называется магнитной системой трансформатора. Магнитная система состоит из стержней, на которых расположены обмотки, и ярм, замыкающих магнитную цепь. Поверхность пластин покрыта жаростойкой пленкой или лаком, либо сочетанием жаростойкой и лаковой пленок, обеспечивающих изоляцию между ними. По устройству различают броневые, бронестержневые и стержневые магнитные системы. Магнитная система, в которой оба конца каждого стержня со­единены двумя (и более) боковыми ярмами, называется броневой. Магнитный поток в такой системе при выходе из стержня развет­вляется на две части, поэтому площадь поперечного сечения ярма в два раза меньше площади сечения стержня. Броневую магнитную систему применяют в однофазных трансформато­рах: бытовых, специального на­значения (некоторых), иногда мощных силовых. Магнитная система, у кото­рой часть стержней имеет бо­ковые ярма или каждый стер­жень не более чем одно боко­вое ярмо, называется бронестержневой. Такая конструк­ция позволяет уменьшить габа­рит трансформатора по высоте и применяется в однофазных и трехфазных трансформаторах. Магнитная система, в которой ярма соединяют разные стержни и нет боковых ярм, называется стержневой. Такая конструкция получила наибольшее применение в трансформаторах. По способу сборки магнитные системы подразделяются на сты­ковые и шихтованные. Магнитная система, в которой стержни и ярма, собранные и скрепленные раздельно, при сборке системы устанавливаются встык, называется стыковой. Стыковые магнит­ные системы отличаются простотой сборки пластин, но имеют ряд существенных недостатков. В настоящее время их можно встретить только в трансформаторах старых выпусков. В отечественном трансформаторостроении в основном применя­ет шихтованную магнитную систему, в которой стержни и ярма собирают впереплет. Укороченные   пластины   стержней стыкуют с удлиненными пластинами ярм. Затем, перекрывая стык внахлест, удлиненные пластины стержней стыкуют с укороченны­ми пластинами ярм. Укладывая слой за слоем, набирают магнитную систему до необходимой толщины. Такое сопряжение стержней с ярмами называют шихтовкой с прямым стыкованием пластин. Обычно для ускорения процесса сборки в каждый    слой при шихтовке укладывают не по одной, а по две-три пластины, поэтому сборку называют шихтовкой в две пластины или соответственно шихтовкой в три пластины. При такой сборке нет сплошных стыков, как в стыковой системе, так как места соединений одного слоя  перекрываются пластинами следующего. Шихтовка с косыми стыками усложняет заготовку пластин и затрудняет сборку магнитной системы, поэтому иногда прибегают к некоторым упрощениям: сборку делают с четырьмя косыми (по углам)   и двумя прямыми стыками или   комбинированную – первый слой с косыми стыками, второй – с прямыми. Для трансформаторов I и II габаритов применяют также конструкцию пространственной стыковой магнитной системы с сим­метричным расположением стержней. Она состоит из двух намо­танных из ленточной электротехнической стали ярм треугольной формы, между которыми по углам расположены три стержня ступенчатой формы, собранные из пластин одинаковой длины. Ос­новным достоинством такой магнитной системы является простота конструкции, позволяющая широ­ко механизировать и автомати­зировать технологические процес­сы изготовления; одновременно достигается симметричность магнитной системы. Для трансформаторов I габа­рита применяют также витую магнитную систему, в которой стержни и ярма образуют цель­ную конструкцию. Особенность сборки трансформаторов с маг­нитной системой такого вида за­ключается в том, что обмотки наматывают непосредственно на стержни. Пластины магнитных систем старых выпусков покрывали с двух сторон изоляционным лаком № 202 или К.Ф-965. В настоя­щее время заводы используют рулонную трансформаторную сталь с жаропрочным изоляционным покрытием (оксидным и магниево-фосфатным), не требующую дополнительного изолирования лаком. Поперечное сечение стержней и ярм делают многоступенчатым с таким расчетом, чтобы по форме оно было близко к кругу. Ступен­чатое сечение получается благодаря применению пластин разной ширины. (Ярма магнитных систем более ранних выпусков имели прямоугольную Т-образную я крестообразную форму сечения.). Для получения монолитной конструкции стержни и ярма маг­нитных систем стягивают. У трансформаторов мощностью до 630 кВ-А стержни при насадке обмоток временно стягивают струб­цинами. Необходимое усилие прессовки стержней после насадки обмоток обеспечивается расклиновкой буковыми стержнями. По способу стяжки магнитные системы делят на шпилечные и бес шпилечные. Шпилечный способ заключается в том, что в пла­стинах стержней и ярм штамповкой пробивают отверстия, в ко­торые после сборки магнитной системы вставляют сквозные сталь­ные шпильки, изолированные от активной стали и ярмовых балок бумажно-бакелитовыми трубками и изоляционными шайбами (электрокартонными и гетинаксовыми). Такой способ применялся и в магнитных системах, собранных из пластин горячекатаной стали.

2.2. Обмотки трансформаторов

Обмотки масляных силовых трансформаторов III—VIII габаритов выполняют преимущественно из медных обмоточных проводов ПБ, I и II—из алюминиевых АПБ. Для обмоток сухих силовых трансформаторов используют провода ПСД. Толщину изоляции обмоточных проводов принято указывать на обе стороны. Ее выбирают в зависимости от напряжения: для обмоток трансформаторов с напряжением до 35 кВ обычно берут 0,45—0,55 мм (нормальную толщину изоляции), для 110 кВ—1,2—1,35 мм, для более высоких напряжений—1,92—5,76 мм. Толщина изоляции провода ПСД равна 0,27—0,4 мм. Кроме проводов в устройстве обмоток входят изоляционные детали и материалы. Обмотки отличаются друг от друга типом, количеством витков, поперечным сечением и маркой провода, направлением намотки, изоляционными расстояниями и толщиной, витковой изоляции. Чем больше напряжение трансформатора, тем больше количество вит­ков; с увеличением мощности возрастают сечения проводов и размеры  обмоток. Плотность тока в обмотках выбирают по условиям нагрева в пределах 2,5—4,5 А/мм² в зависимости от мощности и конструктивного исполнения трансформатора. Существуют однослойные и многослойные, дисковые спиральные одинарные катушки, дисковые спиральные парные катушки обмотки намоток. Следует строго различать направление намотки обмоток. Обмотки, намотанные в один слой, — однослойные, независимо от того, какой конец считать началом (верхний или ниж­ний), имеют то направление, какое было получено при намотке. В многослойных обмотках, состоящих из нескольких слоев с пере­ходами из слоя в слой, направление намотки череду­ется. У таких обмоток за направление намотки принимают направление того слоя, у которого входной конец принят за на­чало. Дисковые катушки, имеющие форму плоской спирали, считаются левыми или правыми в зависимости от того, какой конец выбран началом – внутренний или наружный. Для придания обмоткам большей механической прочности и повышения влагостойкости их сушат, затем пропитывают лаком МЛ-92 или ГФ-95 и запекают в термошкафах при 100 –110 ⁰С. Усовершенствование конструкции обмоток,  технологии их изготовления и установки на магнитной системе при сборке трансформаторов позволяет отказаться от пропитки и запекания. Это значительно удешевляет изготовление  обмоток  и  освобождает  производственную площадь. Обмотка, сечение витка которой состоит из одного или нескольких параллельных проводов, а сами витки расположены в один ряд (слой) без интервалов на цилиндрической поверхности в ее осевом направлении, называется простой цилиндрической обмоткой, ее часто называют также однослойной. У однослойной обмотки начало и конец находятся на противоположных торцах. Витки идут по наклонной линии, поэтому для придания торцам обмоток горизонтальной опорной поверхности к крайним виткам киперной лентой прикрепляют выравнивающие разрезные кольца. Кольца вырезают из бумажно-бакелитового цилиндра или свертывают в кольцо клин, состоящий из нескольких слоев электрокартона. Обмотка, состоящая из двух концентрически расположенных простых цилиндрических обмоток (слоев), называется двухслойной цилиндрической обмоткой. Как и в однослойной обмотке, витки каждого слоя уложены по винтовой линии, плотно прилегают друг к  другу и состоят из одного или нескольких параллельных проводов. Многослойную цилиндрическую обмотку наматывают проводом круглого сечения марок ПБ или АПБ (за исключением алюминие­вых обмоток напряжением 6 кВ и ниже для трансформаторов мощностью от 400 кВА и выше, которые обычно наматывают прямоугольным проводом АПБ). Остовом обмотки служит бумаж­но-бакелитовый цилиндр, па котором намотан пер­вый слой обмотки, а последующие – на бумажных цилиндрах, состоящих из нескольких слоев кабельной бумаги, служащей меж­слоевой изоляцией.

2.3. Переключающие устройства

Напряжение силовых трансформаторов регулируют изменением числа витков в обмотках переключением регулировочных ответв­лений в зависимости от мощности, напряжения и схемы обмоток трансформатора применяют переключающие устройства различных конструкций и типов. Переключающие устройства, предназначен­ные для переключения ответвлений обмотки одной фазы, называют однофазными. Если переключение ответвлений трехфазного транс­форматора осуществляется одним переключающим устройством, его называют трехфазным. Основными конструктивными частями переключающего устрой­ства без возбуждения ПБВ являются: переключатель ответвлений, представляющий собой систему неподвижных контактов, к которым подключены регулировочные ответвления обмоток, и подвиж­ных контактов, соединяющих в одну цепь соответствующие непод­вижные контакты; привод, с помощью которого переключатель приводится в действие; остов, на котором собраны и закреплены части переключателя. Устройства ЛБВ в соответствии с конструктивным исполнением имеют следующие буквенные обозначения: П и ПТ — однофазные и трехфазные барабанного типа с кольцевым контактом; ПС и ПТС — то же, с сегментным контактом; ПЛ, ПТЛ и ПР, ПТР — то же, с ламельным контактом. При размещении нескольких устройств на одном валу (рейке) указывают их количество. Для трехфазных устройств ПБВ с сое­динением фаз в звезду после буквенного обозначения через тире ставят цифру 0, а в конце обозначения — год утверждения техни­ческого проекта на устройство ПБВ. Например, П6-35/160 X 3—73 расшифровывается так: устройство барабанного типа с кольцевым контактом, шестью зажимами, номинальным напряжением 35 кВ и током 160 А, тремя устройствами ПБВ на одном валу. Находящиеся в эксплуатации и выпускаемые в настоящее время отечественными и зарубежными заводами трансформаторы снаб­жены различными по конструкции переключающими устройствами РПН. Однако все они подразделяются на устройства замедленного Действия с токоограничивающими реакторами и быстродействую­щие с токоограничивающими резисторами. Устройства РПН в соответствии с конструктивным исполнением имеют следующие буквенные обозначения: РНО и РНТ — одно­фазные и трехфазные без токоограничивающего резистора; РНОР к РНТР —то же, с токоограничивающим реактором; РНОА и РНТА —то же, с токоограничивающим резистором. Для трехфазных устройств РПН с соединением фаз в звезду после буквенного обозначения через тире ставят цифру 0. Харак­теристика контактора обозначается буквой после дроби., указыва­ющей напряжение и ток устройства РПН (буква А — контактор с разрывом дуги в воздухе, Г — в газе, В — в вакууме, П—контактор, в котором для переключения без разрыва дуги применяют полупроводники; контактор с разрывом дуги в масле буквы после дроби не имеет) /7/.

2.4. Отводы

           Для соединения концов обмоток между собой и с вводами, под­ключения регулировочных ответвлений к переключателям и дру­гих соединений внутри трансформатора применяют проводники, называемые отводами. Отводы, служащие для соединения обмоток с вводами, называют линейными или основными; соединяющие пе­реключатель с обмотками — регулировочными. Отводы изготовля­ют из медных и алюминиевых проводников, которые бывают в ви­де шин, прутков и гибкого провода. В трансформаторах I—III габаритов напряжением до 690. В от­воды, как правило, не изолируют. Отводы диаметром до 5,2 мм для напряжений б—35 кВ изолируют кабельной бумагой. При большем диаметре на него надевают бумажно-бакелитовую трубку. В тран­сформаторах IV—VIII габаритов для отводов напряжением 6—35 кВ применяют гибкий провод ПБОТ. Для напряжения 110 кВ и более отводы изолируют лакотканью и крепированной бумагой. Площадь поперечного сечения отводов выбирают в зави­симости от рабочего тока, толщины изоляции и условий охлажде­нии. Для изолированных отводов допускаемая плотность тока нес­колько меньше, чем для неизолированных; в среднем 2,5—4,8 А/мм³. Если изолированные отводы закрыты крепежными деталями, допускаемый в них ток уменьшают. При размещении отводов в трансформаторе выдерживают определенные изоляционные расстояния, зависящие от напряжения, толщины изоляции отводов и среды, в которой они находятся (в масле или в воздухе). Основными изоляционными промежутками для отводов являются: расстояние от отводов до ближайшей заземленной части, от отвода до обмотки, между отводами разных напряжений, от регулировочных отводов и переключателей до заземленных частей. Отводы соединяют с обмотками и между собой пайкой, у некоторых трансформаторов применяют болтовые соединения. Для подключения отводов к вводам и переключателям концы отводов загибают в петлю или используют специальные гибкие окончания из набора медных лент. Такие устройства называют компенсаторами или демпферами.

2.4. Вводы

Для вывода концов обмоток из трансформатора наружу и пoдключения к сети служат вводы — фарфоровые изоляторы, через внутреннюю полость которых проходит токопроводящий стержень. Вводы устанавливают на крышке или, реже, на боковой стенке бака. Внутри трансформатора ввод соединяют с отводами от обмоток, снаружи верхний конец ввода имеет зажим для присоединения к сети. Внешняя конфигурация и размеры вводов зависят oт напряжения, тока и места установки. Вводы для внутренней установки имеют гладкую наружную поверхность и небольшие размеры Вводы для наружной установки, работающие в тяжелых атмосферных условиях (под дождем, снегом, в загрязненном воздухе), отличаются от вводов для внутренней более развитой наружной поверхностью. Благодаря зонтообразным ребрам (юбкам) путь поверхностного разряда по фарфору возрастает, вследствие чего увеличивается электрическая прочность ввода. В настоящее время на всех силовых трансформаторах устанавливают вводы наружной установки. Вводы изготовляют на напряжения: 0,5; 1; 3; 6—10; 20; 35; 110; 220; 330; 500 и 750 кВ. В силовых трансформаторах па напряжения 3 и 6 кВ применяют вводы 10 кВ. Армированные вводы. У армированного ввода фланец, предназначенный для его крепления к крышке трансформатора, и колпак, через который выходит наружу токопроводящий стержень, скреплены с фарфоровым изолятором глетоглицериновой или магнезитовой армировочной замазкой. Армированные вводы трудоемки в изготовлении и при ремонте, а также ненадежны в эксплуатации из-за сравнительно быстрого старения замазки. Для их замены приходится сливать из бака значительную часть масла. На крышке трансформатора должны быть специальные люки; если их нет (трансформаторы I – III габаритов) и крышка скреплена с активной частью, приходится активную часть вынимать из бака. Армированные вводы на напряжение 35 кВ встречаются на трансформаторах старых выпусков. Герметичные вводы. В последние годы получили широкое применение герметичные вводы на напряжения 110 кВ и выше. Основное отличие этих вводов от вводов БМТ заключается в том, что находящееся в них масло герметически изолировано от атмосферного воздуха, они не имеют расширителя и гидравлического затвора. Их внутренняя изоляция вместе с остовом помещена в фарфоровые покрышки, заполненные дегазированным трансформаторным маслом, находящимся под давлением.

Для компенсации температурных изменений объема масла служат выносные баки давления, заполненные трансформаторным маслом и соединенные с вводом гибкими металлическими трубка­ми из отожженной меди. Компенсации температурных изменения объемов масла во вводе и баке давления достигают установкой в баке компенсирующих элементов (сильфонов). Компенсаторы имеют форму пустотелых дисков из тонкой белой жести и заполнены инертным газом - азотом или аргоном. При повышении температуры увеличивается объем масла в баке и дис­ки под давлением окружающего масла несколько сплющиваются при понижении температуры объем масла в баке уменьшается диски увеличиваются за счет разности давлений газа внутри дисков и окружающего масла в баке давления. В настоящее время многие герметичные вводы на напряжения 110—750 кВ выпускают без отдельных выносных баков, давления; компенсирующее устройство у них вынесено на головку плода, они надежны в работе, предназначены для нормальных условии и тропического климата.

2.6. Изоляция трансформаторов

Изоляцию маслонаполненных трансформаторов деляг на внут­реннюю и внешнюю. К внутренней относят изоляцию, расположенную внутри бака, к внешней — изоляцию, находящуюся вне бака. В свою очередь, внутреннюю изоляцию подразделяют на глав­ную и продольную изоляции обмоток. Главная изолирует обмотки друг от друга и от остова, продольная — отдельные части самой обмотки.

2.7. Бак, охладители, расширитель, термосифонный фильтр и др. вспомогательные устройства трансформаторов

Бак овальной или прямоугольной формы изготовляют из стальных листов способом электрической сварки. В баке размещают активную часть трансформатора с жидким диэлектриком (для некоторых сухих трансформаторов – с газо- или кварцевым наполнением). После изготовления бак проверяют избыточным давлением 0,05 МПа. В верхней части бака трансформатора имеется рама с отверстиями для крепления крышки, которая закрывает его и служит основанием для установки расширителя, вводов, привода переключателя, рымов и др. Для передвижения трансформаторов баки снабжают транспортными тележками или каретками. При ремонте трансформаторов приходится снимать крышку и вынимать из бака активную часть. При работе трансформатора тепло, выделяемое магнитной системой, обмотками и другими токопроводящими частями, подверженными нагреву, передается маслу, омывающему их. Масло конвекцией передает тепло стенкам бака, от поверхности которых оно рассеивается в окружающую среду. У трансформаторов небольшой мощности (25-40 кВА) абсолютная величина отводимых в виде тепла потерь сравнительно невелика, поэтому баки таких трансформаторов имеют гладкие стенки. Охлаждающую поверхность баков более мощных трансформаторов (63-1600 кВА) до недавнего времени искусственно увеличивали, вваривая в стенки бака стальные трубы. В настоящее время вместо сварки труб заводы перешли на навесные охладители. У трансформаторов мощностью выше 40 кВА охладителями служат навесные трубчатые радиаторы. Для навески на бак и крепления болтами радиаторы и баки снабжены патрубками с фланцами. Благодаря большой охлаждающей поверхности радиатора холодное масло опускается по трубам радиатора вниз, а на его место поступает из бака горячее масло. Из-за разности плотностей горячего и холодного масел оно непрерывно перемещается в радиаторе сверху вниз и на своем пути отдает тепло стенкам труб, которые, в свою очередь, отдают его окружающей среде – воздуху. В мощных силовых трансформаторах отвод тепла не обеспечивается поверхностью радиаторов с естественной циркуляцией масла, поэтому применяют искусственное дутьевое охлаждение. Расширитель – это металлический сосуд, соединенный с баком маслопроводом и служащий для локализации колебаний уровня масла в трансформаторе. Объем расширителя должен быть таким, чтобы при всех режимах работы трансформатора от отключенного состояния до номинальной нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха от –45 до +40 ⁰С в нем было масло. Объем расширителя должен составлять 8-10% объема масла, находящегося в баке трансформатора. Расширитель предохраняет масло трансформатора от непосредственного соприкосновения с воздухом, что защищает масло от преждевременного окисления. Маслоуказатель предназначен для ведения контроля за уровнем масла в трансформаторе. В последние годы вновь выпускаемые трансформаторы IV габарита и более имеют стрелочные магнитные маслоуказатели, отличающиеся более совершенной конструкцией и надежностью в работе. Термосифонный фильтр предотвращает порчу масла и позволяет частично очищать и регенерировать его в процессе работы трансформатора. Термосифонный фильтр представляет собой металлический бачок, заполненный силикагелем и присоединенный трубками к верхнему и нижнему патрубкам бака так же, как радиатор. Воздухосушитель – это сосуд, сообщающийся с одной стороны с надмасляной полостью расширителя или бака трансформатора, а с другой – с атмосферным воздухом; он предназначен для отделения влаги из воздуха, поступающего в расширитель или бак трансформатора. Отбор из трансформатора масла для испытания делают через специальное устройство, установленное внижней части на стенке бака.

2.8. Защитные и контрольно-измерительные устройства

            Предохранительная труба. Повреждения трансформатора часто сопровождаются образованием электрической дуги. Высокая температура дуги приводит к интенсивному разложению масла с образованием газа, который увеличивает давление внутри бака. При коротких замыканиях внутри трансформатора давление настолько велико, что может разорваться бак. Для предохранения бака от повреждения служит предохранительная труба. Газовое реле. При повреждениях внутри трансформатора обычно выделяются газы из-за разложения под действием повышенной температуры изолирующих материалов (масла, изоляции, дерева). Когда повреждение незначительное, газообразование происходит медленно, пузырьки постепенно перемещаются вверх и затем по маслопроводу, соединяющему трансформатор с расширителем, попадают в расширитель. Чтобы своевременно получить сигнал о повреждении трансформатора и быстро отключить его, в трубопровод, соединяющий бак с расширителем, встраивают газовое реле. Оно срабатывает при попадании в него газа или при быстром течении струи масла под давлением газов, а также при понижении уровня масла в трансформаторе ниже допустимого. Термометрический сигнализатор. Для наблюдения за температурой верхних слоев масла на крышке трансформаторов мощностью до 630 кВА включительно устанавливают стеклянный термометр. Азотная защита трансформаторов. Устройство, обеспечивающее постоянное наличие азота в расширителе, исключающее увлажнение внутренней изоляции трансформатора и насыщение ее кислородом, называется азотной защитой трансформатора. В настоящее время азотную защиту устанавливают в основном для мощных силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше. Пленочная защита трансформаторов. Она представляет собой эластичную пленку, уложенную внутри расширителя так, что повторяет его внутреннюю намасленную поверхность и воздух контактирует не с маслом, а находится над пленкой. Пленочная защита более совершенна, однако широкого распространения пока не получила /3/.     

3. Расчет силового трансформатора.

Расчет слагается из следующих этапов:

1.     В зависимости от назначения устройства, для питания которого рассчитывается силовой трансформатор, устанавливаются число обмоток трансформатора и их токи и напряжения. Затем подсчитывается суммарная полезная мощность трансформатора, для чего находятся мощность, отдаваемые каждой вторичной обмоткой трансформатора (путем перемножения величины тока на напряжение).

2.     Находится мощность, потребляемая от сети трансформатором. Как известно, при работе трансформатора в нем происходят потери (на вихревые токи, перемагничивание стали и нагрев обмоток), по этому мощность, потребляемая трансформатором от сети, будет примерно в 1,25 раз больше полезной отдаваемой мощности.

P_потр=1,25*P_пол                                                                                                                                                   (3.1)                                                                                              

3.    

График №1.