Призначення, будова та принцип дії силового трьохфазного масляного трансформатора

Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше число індуктивно зв'язаних обмоток і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінного струму в одну або декілька інших систем змінного струму. Розрізняють двухобмоточні трансформатори з двома гальванічно не зв'язаними обмотками, а також трьох- і багатообмоточні трансформатори з трьома і більш гальванічно не зв'язаними обмотками. Передача енергії з первинного ланцюга трансформатора у вторинну відбувається за допомогою електромагнітного поля.

За призначенням трансформатори поділяються на силові, регулювальні, спеціальні, сигнальні та інші.

Трансформатор називається силовим, якщо використовується для перетворення електричної енергії в електричних мережах або для безпосереднього живлення приймачів енергії. Розрізняють силові трансформатори загального призначення, які слугують для живлення мереж або приймачів електричної енергії, що не відрізняються особливими умовами роботи, характером навантаження або режимом роботи, і трансформатори спеціального призначення, які слугують для живлення мереж або приймачів енергії, що відрізняються особливими умовами роботи, характером навантаження або режимом роботи.

Силовий трансформатор призначений для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої (вищої або нижчої) напруги (при незмінній частоті). Передача електричної енергії на великі відстані здійснюється, як відомо, на високій напрузі (6, 10, 35 кВ і вище) за допомогою трансформаторів і ліній електропередачі. У місці споживання електроенергії її напруга за допомогою трансформатора знижується до необхідної величини, відповідної напрузі електроустановок споживачів. Передача електроенергії високої напруги викликана прагненням максимально понизити втрати в передаючих мережах і перетин проводів ліній електропередачі. 





Силовий трансформатор – найважливіший елемент електричної установки, мережі і системи. Силові трансформатори розрізняють: по способу охолоджуючого середовища – масляні і сухі; по числу обмоток – двухобмоточні і трьохобмоточні; по кількості фаз – однофазні і трьохфазні.

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індук­ції. Якщо первинну обмотку трансформатора ввімкнути в мережу джерела змінного струму, то по ній протікатиме змінний струм, який збудить в осерді трансформатора змінний магнітний потік. Магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки трансформато­ра, індукує в ній ЕРС. Під дією цієї ЕРС по вторинній обмотці і че­рез приймач енергії протікатиме струм. Отже, електрична енергія, трансформуючись, передається з первинного кола у вторинне, але з іншою напругою, на яку розрахований приймач енергії, ввімкнений у вторинне коло.

Мал. 1. Силовий трьохфазний масляний трансформатор; НН - вводи обмоток низької напруги; ВН - вводи обмоток високої напруги

Щоб поліпшити магнітний зв'язок між первинною та вторинною обмотками, їх розміщують на сталевому магнітопроводі. Для змен­шення втрат від вихрових струмів магнітопроводи трансформаторів складають із тонких пластин (завтовшки 0,5 і 0,35 мм) трансформа­торної сталі з нанесеною ізоляцією (жаростійким лаком). Трансформа­торна сталь може бути гаряче- та холоднокатаною.

Обмотки. Використовувані в трансформаторах обмотки (мал. 2) розрізняються за конструкцією, способом намотування, наявністю паралельних про­водів у витку та схемах з'єднань окремих елементів обмотки. У сучасних трансформаторах використовують одно-, дво- і багатошарові цилінд­ричні обмотки, а також неперервні та гвинтові обмотки, виконані круг­лими або прямокутними проводами.

Мал. 2. Циліндричні обмотки силових трансформаторів: а - одношарова; б - двошарова; в - багатошарова; г - безперервна; д - гвинтова; 1 - витки з прямокутного провода; 2 - електрокартонна коробка для підсилення ізоляції крайніх витків обмотки; 3 - резервні вирівнюючі кільця, 4 - паперово-бакелітовий циліндр; 5 - кінець першого шару обмотки, 6 - вертикальні рейки; 7 - внутрішні відгалуження обмотки; 8 - опорне ізоляційні кільце; 9 - транспозиція витків обмотки

Магнітопровід є магнітною системою трансформатора, по якій замикається основний магнітний потік. Одночасно магнітопровід служить основою для установки і кріплення обмоток, відведень, перемикачів і інших деталей активної частини трансформатора.

Магнітопровід збирають з окремих тонких пластин електротехнічної сталі, ізольованих один від одного плівкою спеціального жаростійкого покриття або лаку. Жаростійке покриття зазвичай наносять безпосередньо на металургійному заводі, що виготовляє сталь; плівку лаку - на трансформаторному заводі після різання (штампування) пластин.

Магнітопроводи виконують двох типів: стержньового і броньового.

Мал. 3. Основні типи конструкцій магнітопроводів: а - стержньова; б - броньова; 1 - стержень; 2 - обмотки; 3 – ярмо

Бак служить для установки в ньому активної частини трансформатора і заливки мастила. Кришка закриває бак і одночасно є підставою для установки розширювача, вводів, приводів перемикаючих пристроїв, балона термосигналізатора, підйомних кілець і інших деталей. Місце роз'єму кришки з баком ущільнюють гумовою смугою, що укладається на раму в уступ між виступаючим торцем обичайки і отворами в рамі.

До деталей трансформатора належать розширювач, запобіжна тру­ба, газові реле, перемикач, вводи, пробивний запобіжник і термосифон­ний фільтр. Ці деталі розміщені на кришці трансформатора.

Мал. 4. Деталі силового трансформатора: а - пристрій розширювача і запобіжної труби; б - пристрій газового реле ПГ-22; в - перемикач ТПСУ-9-120/10; г - знімальний ввід; 1 - маслопровод; 2 - газове реле; 3 - пробковий кран; 4 - відстійник; 5 - маслопокажчик; 6 - розширювач; 7 - запобіжна труба; 8 - пробка маслоналивного отвору; 9 - корпус реле; 10 - фланець; 11 - оглядове вікно; 12 - кришка; 13 - кран для випуску накопичених в реле газів; 14 - коробка затисків; 15 - затискачі кола сигналізації; 16 - затискачі кола вимикання; 17 і 19 - ртутні контакти кола вимикання і сигналізації; 18 і 20 - нижній і верхній поплавки; 21 - паперово-бакелітовий циліндр; 22 - кришка трансформатора; 23 - ковпак привода; 24 - покажчик знаходження перемикача; 25 - паперово-бакелітова трубка; 26 - сегментний контакт; 27 - нерухомий контакт з болтом; 28 - струмопровідний стержень; 29 - фарфорова деталь вводу; 30 - шпилька кріплення вводу до кришки трансформатора.

Розширювач 6 (мал. 4, а) служить для забезпечення постійного заповнення бака трансформатора маслом, а також для зменшення по­верхні дотику масла з повітрям і захисту таким чином його від зволожен­ня і окислення. Крім того, розширювач компенсує зміну об'єму масла в бакові при коливаннях температури. Під час нагрівання масла і збільшенні його об'єму надлишок масла переходить із бака в розширювач, а потім, зі зниженням температури і зменшенням об'єму масла в баку, повертається знов у бак трансформатора. Встановлено, що зміна температури масла у межах від -35 до +70°С викликає зміну його об'єму близько на 8%, тому об'єм розширювача розраховують на цей надлишок масла. Зміна об'єму масла особливо відчутна в потужних трансформаторах, кількість масла в яких досягає декількох тонн.

Розширювач має циліндричний корпус, який кріпиться до кришки трансформатора за допомогою двох сталевих кронштейнів. Розширювач з'єднаний з боком трансформатора маслопроводом 1, кінець якого на 50-70 мм виступає всередину розширювача, для того, щоб забруднене масло, що осіло на дно розширювача не могло потрапити в бак.

У процесі роботи трансформатора із-за постійної зміни об'єму у баку повітря то витісняється з розширювача, то знову засмоктується в нього, тому кажуть що трансформатор "дихає". При "диханні" транс­форматора волога, що потрапила разом з атмосферним повітрям в роз­ширювач, конденсується, поступаючи в його нижню частину, а звідти в спеціальний відстійник 4. Для спускання води і забрудненого масла на дні відстійника є спеціальна пробка. У деяких трансформаторів розширювачі не мають відстійника і для спускання бруду служить пробка, що закручена в дно розширювача.

Рівень масла в розширювачі контролюють за допомогою маслопокажчика 5, який складається з скляної трубки, що розміщена в металевому корпусі, і закріплений на торцевій частині розширювача за допомогою кутників і патрубків.

Діє він згідно з законом сполучених посудин. На склі та корпусі маслопокажчика червоною фарбою нанесені риски, що відмічають допустимі верхні та нижні межі рівня масла в розширювачі.

На торці розширювача (рядом з маслопокажчиком) нанесені цифри, що показують нормальний рівень масла в розширювачі при різних тем­пературах навколишнього повітря.

Запобіж­на труба 7 (мал. 4, а) встановлюється на силових трансформаторах по­тужністю 1000 кВА і більше. Це сталевий циліндр, що з'єднаний з баком трансформатора. Верхній кінець запобіжної труби закритий скляним диском (діафрагмою), а нижній – з фланцем, що прикріплений болтами до кришки трансформатора.

Запобіжна труба служить для запобігання вибуху бака трансформа­тора при недопустимому підвищенні в ньому тиску внаслідок внутрішніх аварійних процесів, викликаних розкладанням масла та інтенсивним утворенням газів. Якщо тиск досягає небезпечної величини, то діафрагма запобіжної труби руйнується і таким чином забезпечує викид газів і масла назовні.

Газове реле 2 встановлюють у розсічку маслопровода (мал. 4, а), що з'єднує розширювач з баком трансформатора. Воно служить для сигна­лізації і вимикання силового трансформатора при виникненні внутрішніх пошкоджень, які викликають місцеві нагрівання. Унаслідок цього розкладається масло або ізоляція проводів й утворюються гази. До таких пошкоджень належать виткові замикання, міжфазні короткі замикання, "пожежа" сталі магнітопровода тощо.

У трансформаторах найчастіше використовують газові реле ПГ-22, загальний вигляд і внутрішня будова яких показано на мал. 4, б. Всере­дині металевого корпуса 9 реле розміщені рухомі герметично запаяні металеві циліндри поплавки 18 і 20. На поплавках закріплені скляні колбочки, в яких вмонтовані контакти і налито небагато ртуті. Контакти - колбочки верхнього поплавка служать для замикання кола звукового сигналу, а нижнього – для замикання кола вимикання трансформатора.

Під час нормального режиму роботи трансформатора резервуар реле заповнений трансформаторним маслом, поплавки 18 і 20 підняті, контакти 17 і 19 у колбочках з ртуттю не замкнуті. При слабому газоутворенні, що характеризує незначне пошкодження всередині бака трансформатора, гази повільно піднімаються вгору і, накопичуючись у резервуарі, витісняють з нього масло. Рівень масла в реле понижується, внаслідок чого верхній поплавок опускається. При цьому ртуть в його колбочці переливається і замикає контакти кола сигналу, викликаючи дію захисту "на сигнал". Якщо газоутворення значне, що свідчить про серйозні пошкодження всередині трансформатора, то виникає сильний рух масла з бака транс­форматора у розширювач. Потік масла, проходячи через реле, перекидає нижній поплавок, ртуть в його колбочці замикає коло вимикання і захист вимикає трансформатор від мережі. Газове реле спрацьовує і при зни­женні рівня масла в баку, що приводить до виходу масла з реле.

Перемикачі. Для регулювання напруги трансформатори комплектуються переми­качами.

Перемикач – це контактний пристрій, за допомогою якого здійснюєть­ся перемикання відгалужень обмоток на стороні ВН і зміна таким чином коефіцієнта трансформації.

Трансформатори потужністю до 1000 кВА мають три ступені регулювання напруги (+5% і -5%).

У трансформаторах потужністю 100-1000 кВА напругою (на стороні ВН) 10 кВ використовують перемикачі ТПСУ-9-120/110.

Перемикач ТПСУ-9-120\10 (мал. 4, в) складається з паперово-бакелітового циліндра 21, в якому закріплені нерухомі контакти 27 і паперово-бакелітова трубка 25 з встановленими на ній рухомими сегментними контактами 26. Кінець трубки виведений за межі кришки 22 трансформа­тора і з'єднаний з ковпаком 23, що має покажчик положення перемикача 24 з стопорним болтом, який фіксує положення перемикача. Щоб виконати перемикання, необхідно викрутити стопорний болт і повернути ковпак 23 на 120°.

У трансформаторах використовують перемикачі інших типів; однак дія всіх перемикачів ґрунтується на одному принципі і відрізняються вони головним чином конструкцією окремих деталей.

Вводи силових трансформаторів (мал. 4, г) служать для ізоляції кінців обмо­ток, що виходять з бака і приєднання їх до різних елементів електроуста­новки. Вводи характеризуються великою різноманітністю форм, конст­рукцій і розмірів, що залежать від напруги, потужності та установки (зовнішньої або внутрішньої) трансформатора. Ізолюючим елементом вводу служить фарфоровий ізолятор. Ізолятор вводу трансформатора внутрішньої установки має гладку або дрібно ребристу поверхню, а вво­ду трансформатора зовнішньої установки – великі ребра парасолько подібної форми. Це набагато збільшує розрядні відстані, що навіть при сильному дощі та великому забрудненні ізолятора дає змогу уникати розрядів по його поверхні.

Термосифонний фільтр служить для неперервного відновлення (регенерації) трансформаторного масла, що наявне у баку або розширювачі трансформатора. Це сталевий циліндр, що заповнений спеціальною поглинаючою речовиною (сорбентом), в якості якого використовують переважно силікагель. Циркулюючи через термосифонний фільтр, масло очищується, а його початковий склад, якість і властивості відновлюються шляхом поглинання силікагелем продуктів старіння масла, що особливо інтенсивно утворюється при тривалій роботі трансформатора в режимі частих перевантажень.

Системи охолодження трансформаторів.

Система М (ONAN) 

Система Д

Система ДЦ (OFAF)

Система Ц (OFWF)

М – природнє масляне охолодження до 16 000 кВт

Д – масляне охолодження дуттям і природною циркуляцією масла до 80 000 кВт

ДЦ - масляне охолодження дуттям і примусовою циркуляцією масла 63 000 кВт і вище

Ц – масляно-водяне охолодження з примусовою циркуляцією масла 160 000 кВт і вище