Расчёт силового трансформатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление.

 

 

Введение

В настоящее время электрическая  энергия для промышленных целей  и электроснабжения городов производится на крупных тепловых или гидроэлектростанциях в виде трехфазной системы переменного  тока частотой 50 Гц. Напряжения генераторов, установленных на электростанциях, стандартизованы и могут иметь значения 6600, 11 000, 13 800, 15 750, 18 000 или 20 000 в (ГОСТ 721-62). Для передачи электроэнергии на большие расстояния это напряжение необходимо повышать до 110, 220, 330 или 500 кв в зависимости от расстояния и передаваемой мощности. Далее, на распределительных подстанциях напряжение требуется понижать до 6 или 10 кв (в городах и промышленных объектах) или до 35 кв (в сельских местностях и при большой протяженности распределительных сетей). Наконец, для ввода в заводские цеха и жилые квартиры напряжение сетей должно быть понижено до 380, 220 или 127 в. В некоторых случаях, например, для освещения котельных или механических цехов и сырых помещений, напряжение должно быть понижено до безопасной для жизни величины - 12, 24 или 36 в.

Повышение и понижение напряжения переменного тока и выполняют  силовые трансформаторы. Трансформаторы сами электрическую энергию не производят, а только ее трансформируют, т. е. изменяют величину электрического напряжения. При этом трансформаторы могут быть повышающими, если они предназначены для повышения напряжения, и понижающими, если они предназначены для понижения напряжения. Но принципиально каждый трансформатор может быть использован либо как повышающий, либо как понижающий в зависимости от его назначения, т. е. он является обратимым аппаратом. Силовые трансформаторы обладают весьма высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), значение которого составляет от 95 до 99,5%, в зависимости от мощности. Трансформатор большей мощности имеет соответственно и более высокий к. п. д.)

Трансформатором называется статический  электромагнитный аппарат, предназначенный  для преобразования одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную), имеющую другие характеристики. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции, открытом английским физиком Фарадеем в 1831 г. Явление электромагнитной индукции состоит в том, что если внутри замкнутого проводникового контура изменяется во времени магнитный поток, то в самом контуре наводится (индуктируется) электродвижущая сила (э. д. с.) и возникает индукционный ток. Чтобы уменьшить сопротивление по пути прохождения магнитного потока и тем самым усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками или, как их более принято называть, обмотками, последние должны быть расположены на замкнутом железном

 

 

 

 

 

(стальном) сердечнике (магнитопроводе). Применение замкнутого стального  магнитопровода значительно снижает  относительную величину потока  рассеяния, так как проницаемость применяемой для магнитопроводов стали в 800-1000 раз выше, чем у воздуха (или вообще у диамагнитных материалов).

Таким образом, две (или более) обмотки, насаженные на замкнутый стальной магнитопровод, представляют собой трансформатор. Из этого определения следует, что основными принципиальными частями трансформатора являются первичная и вторичная обмотки и магнитопровод. Коэффициентом трансформации называется отношение индуктируемых в первичной и вторичной обмотках э. д. с., равное отношению чисел витков этих обмоток.

Трансформатор состоит из магнитопровода и насаженных на него обмоток. Кроме  того, трансформатор состоит из целого ряда чисто конструкционных узлов  и элементов, представляющих собой  конструктивную его часть. Элементы конструкции служат главным образом для удобства применения и эксплуатации трансформатора. К ним относятся изоляционные конструкции, предназначенные для обеспечения изоляции токоведущих частей, отводы и вводы - для присоединения обмоток к линии электропередачи, переключатели - для регулирования напряжения трансформатора, баки - для заполнения их трансформаторным маслом, трубы и радиаторы - для охлаждения трансформатора и др.

Магнитопровод трансформатора представляет собой замкнутую магнитную цепь, предназначенную для прохождения главного магнитного потока, сцепленного с обеими обмотками. Для силовых трансформаторов преимущественно применяются магнитопроводы стержневого типа. Однофазные трансформаторы имеют магнитопроводы с двумя стержнями, несущими обмотки, а трехфазные - три стержня. Стержни соединены верхним и нижним ярмами. Магнитопровод трансформатора собирается из пластин листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины изолируются друг от друга нанесением лаковой или химической изоляционной пленки. Так как магнитопроводы собираются из пластин прямоугольной формы, то их сборка производится впереплет (такая сборка называется шихтовкой). При этом образующиеся стыки пластин одного слоя перекрываются пластинами соседнего слоя. Сборка встык применяется редко. Сборка магнитопроводов способом шихтовки преследует две цели: во-первых, уменьшение намагничивающего тока трансформатора и, во-вторых, увеличение механической прочности собранного магнитопровода. Сечению стержней магнитопровода, на которые насаживаются обмотки, придают форму, близкую к кругу (вписанную в окружность). Число ступеней выбирается в зависимости от мощности трансформатора: чем больше мощность (а следовательно, и диаметр круга), тем больше берется число ступеней.

 

 

 

 

 

Внутри магнитопроводов трансформаторов  большой мощности для лучшего  отведения тепла, возникающего от потерь в стали, устраиваются охлаждающие  каналы, по которым циркулирует масло  или воздух (у «сухих» трансформаторов).

Ярмо магнитопровода имеет в сечении также ступенчатую форму. Однако у трансформаторов меньшей мощности с целью некоторого упрощения конструкции число ступеней сечения ярма часто берут меньшим, чем у сечения стержня, или иногда ярмо делают прямоугольного сечения. В последних случаях для уменьшения тока холостого хода и потерь в стали сечение ярма выбирают на 5-10% больше сечения стержня.

Обмотки силовых трансформаторов  обычно подразделяют на обмотки высшего  и низшего напряжения (ВН и НН), а не на первичную и вторичную, так как любая из обмоток может быть первичной или вторичной в зависимости от того, которая из них включается в питающую сеть. Обмотка трансформатора представляет собой часть электрической цепи (первичной или вторичной), в связи с чем она состоит из проводникового материала (обмоточная медь или алюминий) и изоляционных деталей. В комплект обмотки входят также выводные концы, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной защиты от перенапряжений. Обмотки выполняются цилиндрическими двух- или многослойными, катушечными, винтовыми или непрерывными. Выбор типа обмоток зависит от числа витков, размера и числа параллельных проводов, способа охлаждения, мощности трансформатора и других факторов.

Магнитопровод и обмотки вместе с крепежными деталями образуют активную часть силового трансформатора.

Трансформатор во время своей работы вследствие возникающих в нем  потерь нагревается. Чтобы температура  нагрева трансформатора (в основном его изоляции) не превышала допустимого значения, необходимо обеспечить достаточное охлаждение обмоток и магнитопровода. Для этого в большинстве случаев трансформатор (активную часть) помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. При нагревании масло начинает циркулировать и отдает тепло стенкам бака, а от последних тепло рассеивается в окружающем воздухе.

Материалы, применяемые для изготовления трансформаторов, могут быть разделены  на:

-активные, к которым относятся  электротехническая сталь магнитопровода  и обмоточные провода;

-электроизоляционные, которые  необходимы для электрической  изоляции обмоток и других  токоведущих частей трансформатора, например, электроизоляционный картон, кабельная и телефонная бумага, лакоткань, гетинакс, фарфор, трансформаторное  масло и др.;

-конструкционные, требующиеся для изготовления деталей остова, бака, охладительных устройств, различных крепежных деталей и т. д. и другие материалы, полуфабрикаты и аппараты.

 

 

 

 

 

 

Для изготовления магнитопроводов  применяется тонколистовая легированная электротехническая сталь. Эта сталь бывает горяче- и холоднокатаная. Первоначально применялась горячекатаная сталь, допускавшая индукцию В до 1,4-1,45 Тл. Холоднокатаная сталь имеет удельные потери, в 1,5-2 раза меньшие, чем у горячекатаной стали, и значительно большую магнитную проницаемость. Она позволила повысить индукцию до 1,6-1,7 Тл.

Основным материалом для изготовления обмоток трансформаторов является обмоточная медь (или алюминий), представляющая собой изолированный медный (или  алюминиевый) провод круглого или прямоугольного сечения.

Электроизоляционные материалы, применяемые  в трансформаторостроении, должны обладать определенными свойствами, из которых  наиболее важными являются электрическая  и механическая прочность, гигроскопичность и нагревостойкость. Одним из основных изоляционных материалов является электрокартон толщиной от 0,5 до 3 мм. Он обладает хорошими электрическими характеристиками, повышенной масловпитываемостью и механической прочностью. Электрокартон применяется для изготовления различных изоляционных деталей. Кабельная бумага толщиной 0,12 мм применяется как изоляция между слоями обмоток и для изолирования концов обмоток и отводов. Лакоткань шелковая и хлопчатобумажная применяется для изолирования концов обмоток и отводов, а также для усиления изоляции отдельных мест обмоток, например в местах паек проводов. Хлопчатобумажные ленты, киперная и тафтяная, применяются для механической защиты изоляции и вообще как вспомогательный крепежный материал. Бумажно-бакелитовые цилиндры и трубки применяются в качестве каркасов для намотки обмоток (цилиндры) и для изолирования стяжных шпилек магнитопроводов и отводов (трубки). Гетинакс листовой толщиной до 50 мм используется для изготовления изолирующих досок и панелей, а также деталей конструкции переключающих устройств. Фарфор применяется для изготовления проходных изоляторов (вводов) и некоторых изоляционных деталей сухих трансформаторов. К электроизоляционным материалам относятся также различные лаки и эмали.

Трансформаторное масло служит одновременно двум целям: для повышения электрической прочности изоляции трансформатора и для улучшения условий его охлаждения. Применение трансформаторного масла дало возможность, с одной стороны, повысить электромагнитные нагрузки (индукцию и плотность тока) на активные материалы и тем самым уменьшить их расход и, с другой стороны, строить трансформаторы большой мощности и на высокие напряжения.

Правильно спроектированный трансформатор, кроме того что он должен удовлетворять  определенным техническим требованиям, должен быть и возможно более дешевым. Стоимость трансформатора зависит от его размеров и веса, и в первую очередь от веса активных материалов как

 

 

 

 

 

более дорогих. Основными размерами, определяющими в конечном итоге  вес активных материалов, являются размеры магнитопровода.

Чтобы правильно выбрать основные размеры магнитопровода, надо в первую очередь выяснить зависимость этих размеров от номинальной мощности трансформатора. Как будет видно далее, вместе с ростом мощности трансформатора должны возрастать и его линейные геометрические размеры. При определении зависимости размеров от мощности необходимо предположить, что трансформаторы разных мощностей должны быть геометрически подобны, т. е. отношения всех трех линейных размеров должны сохраняться одинаковыми, и что электромагнитные нагрузки на активные материалы, т. е. индукция и плотность тока в обмотках, должны также оставаться одинаковыми. Вес активных материалов (стали и меди) трансформатора пропорционален их объемам или линейным размерам в третьей степени. Отсюда следует, что вес активных материалов будет пропорционален мощности в степени 3/4. С ростом мощности уменьшается удельный расход активных материалов, выраженный в кг/ква. Поэтому более мощные трансформаторы имеют относительно меньшую стоимость. Мощные трансформаторы также экономичнее и в эксплуатации, так как они имеют относительно меньшие потери, и, следовательно, более высокий коэффициент полезного действия (к. п. д.).

Силовые трансформаторы общего назначения в зависимости от напряжения и  мощности условно подразделяются на группы или габариты. Трансформаторы мощностью от 25 до 100 ква включительно относятся к габариту I, мощностью от 160 до 630 ква - к габариту II, мощностью от 1000 до 6300 ква - к габариту III, мощностью 10000 ква и более с напряжением 35 кв и все трансформаторы с напряжением 110 кв обмотки ВН - к габариту IV, мощностью 40 000 ква и более с напряжением 220 кв обмоток ВН и выше - к габариту V и мощностью 10 0000 ква и выше - к габариту VI. Трансформаторы указанных выше мощностей чаще изготовляются масляными, т. е. с активной частью, опущенной с целью лучшего охлаждения и повышения прочности изоляции в бак с маслом. Однако трансформаторы мощностью до 1000 - 1600 ква и напряжением до 10 - 15 кв могут изготовляться также и сухими, т. е. с воздушным охлаждением.

Основные и эксплуатационные параметры  силовых трансформаторов обусловлены  в соответствующих стандартах, и  серийным производством выпускаются  лишь трансформаторы, удовлетворяющие  требованиям этих стандартов. Стандартизованные  сочетания номинальных линейных напряжений обмоток ВН и НН, схем и групп соединения для каждого значения номинальной мощности приведены в ГОСТ 12022-66 и ГОСТ 11920-66.

 

 

 

 

 

 

 

 

На стороне ВН силового трансформатора должна быть предусмотрена возможность  изменения коэффициента трансформации относительно номинального путем переключения ответвлений от обмотки. У силовых трансформаторов применяются два вида переключения ответвлений: ПБВ (переключение без возбуждения), т. е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети, и РПН (регулирование под нагрузкой).