Принцип действия трансформаторов

Роль и значение трансформаторов

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения, а также для преобразования числа фаз и частоты. Это устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных и электрически не связанных между собой обмоток, располагаемых на ферромагнитном магнитопроводе (рис. 1). Обмотки имеют между собой магнитную связь, осуществляемую переменным магнитным полем. Ферромагнитный магнитопровод предназначен для усиления магнитной связи между обмотками.

Иногда в трансформаторах ферромагнитный магнитопровод может отсутствовать. Такие трансформаторы называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты.

Обмотка трансформатора, принимающая энергию из сети, называется первичной (обмотка 1 на рис. 1), а обмотка, отдающая энергию в сеть, - вторичной (обмотка 2 на рис. 1).

Обмотки трансформатора рассчитываются для подключения к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением - обмоткой низшего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше - повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим. Трансформаторы с двумя обмотками называются двухобмоточными. Изготовляются также трансформаторы, у которых имеется три или более электрически не связанных обмоток. Такие трансформаторы называются трех- или многообмоточными. Многообмоточные трансформаторы имеют несколько вторичных или первичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделяются на однофазные, трехфазные  и многофазные.

Трансформаторы находят самое широкое применение. Существует очень много их типов, различающихся как по назначению, так и по выполнению. Здесь в первую очередь следует выделить группу силовых трансформаторов, используемых при передаче и распределении электроэнергии, производимой на электростанциях.

Установленные на электрических станциях генераторы производят электрическую энергию относительно невысокого напряжения (до 15,75-24 кВ). При передаче ее к потребителям, расположенным на расстоянии в несколько сотен или даже тысяч километров, для уменьшения сечений проводов линии и потерь энергии в них целесообразно эту энергию преобразовать, уменьшив ток в линии путем соот­ветствующего повышения напряжения. Напряжение линии электропередачи принимают тем выше, чем больше длина линии и передаваемая мощность. В современных электри­ческих сетях энергия передается при напряжениях до 750 - 1150 кВ. Повышение напряжения на электростанциях осуществляется с помощью повышающих трансформаторов. В конце линии электропередачи устанавливаются трансформаторы, которые понижают напряжение, так как для распределения энергии по заводам, фабрикам, жилым домам и т. п. необходимы сравнительно низкие напряжения.

При передаче электрической энергии от места ее производства до места потребления требуется многократная ее трансформация. Поэтому мощность всех трансформаторов, установленных в электрической сети, в 7 - 8 раз превышает общую мощность генераторов. Единичная мощность силовых трансформаторов колеблется от нескольких киловольт-ампер до сотен тысяч киловольт-ампер. В дальнейшем изложении главное внимание будет уделяться силовым трансформаторам.

Наряду с силовыми трансформаторами широкое распространение получили специальные трансформаторы (сварочные, для питания электродуговых печей, измерительные и др.). Трансформаторы небольших мощностей находят широкое применение в устройствах связи, радио, телевидения, системах автоматики и др.

По способу охлаждения в зависимости от охлаждающей среды трансформаторы подразделяются на сухие (с воздушным охлаждением), масляные и с заполнением негорю­чим жидким диэлектриком.

Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (рис. 1), то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Этот магнитный поток, сцепленный как с одной, так и с другой обмоткой, изменяясь, будет индуктировать в обмотках ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то значения индуктируемых в них ЭДС будут неодинаковы. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуктируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.

Индуктируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. При подключении нагрузки в этой обмотке под действием индуктированной в ней ЭДС возникнет ток I₂, а на ее выводах установится напряжение U₂, которые будут отличаться от тока I₁ и напряжения U₁ первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке из электрической сети электрическая энергия с напряжением U₁ и током I₁ преобразуется в электрическую   энергию с напряжением U₂ и током I₂.

Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока, так как при подключении трансформатора к сети постоянного тока магнитный поток в нем будет неизменным во времени и, следовательно, не будет индуктировать ЭДС в обмотках; вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Этот ток может вызвать недопустимый нагрев обмотки и даже ее перегорание.

Конструкция трансформатора

Конструкция магнитопровода. Магнитопровод является конструктивной основой трансформатора. Он служит для проведения основного магнитного потока. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока и, следовательно, уменьшения намагничивающего тока магнитопровод выполняется из специальной электротехнической стали. Так как магнитный поток в трансформаторе изменяется во времени, то для уменьшения потерь от вихревых токов в магнитопроводе он собирается из отдельных электрически изолированных друг от друга листов стали. Толщина листов выбирается тем меньше, чем выше частота питающего напряжения. При частоте 50 Гц толщина листов стали принимается равной 0,35 - 0,5 мм. Изоляция листов осуществляется чаще всего лаковой пленкой, которая наносится с двух сторон каждого листа.

В магнитопроводе различают стержни и ярма. Стержень - это та часть магнитопровода, на которой располагаются обмотки, а ярмо - часть, не несущая обмоток и служащая для замыкания магнитной цепи (рис. 1).

В зависимости от взаимного расположения стержней, ярм и обмоток магнитопроводы делятся на стержневые и броневые. В стержневых магнитопроводах ярма прилегают к торцевым поверхностям обмоток, не охватывая их боковых поверхностей. В броневых магнитопроводах ярма охватывают не только торцевые, но и боковые поверхности обмоток, как бы закрывая их броней.

Магнитопроводы однофазных трансформаторов показаны на рис. 2 и 3. В броневом магнитопроводе (рис. 2) имеются один стержень и два ярма, охватывающие обмотки.

По каждому ярму замыкается половина магнитного потока стержня, поэтому площадь поперечного сечения каждого ярма в 2 раза меньше площади сечения стержня. В стержневом магнитопроводе (рис. 3) имеются два стержня, на каждом из которых располагается по половине обмоток 1 и 2. Половины каждой из обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно. При таком расположении обмоток уменьшаются магнитные потоки рассеяния и улучшаются характеристики трансформатора. В трехфазных цепях могут применяться три однофазных трансформатора, обмотки которых соединяются по трехфазной схеме (рис. 4). Такой трансформатор называется трехфазной группой однофазных трансформаторов.

Однако чаще применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой для всех фаз. Броневая конструкция магнитопровода трехфазного трансформатора показана на рис. 5. Ее можно рассматривать как три броневых магнитопровода для однофазных трансформаторов, поставленных друг на друга.

Трехфазные трансформаторы часто имеют три стержня и два ярма (рис. 6). Возможность применения такого магнитопровода для трансформации в трехфазных цепях видна из рис. 7.

Если расположить три однофазных трансформатора, как показано на рис. 7, а, то три стержня 1 - 3 можно конструктивно объединить в один. Но так как в симметричной трехфазной системе геометрическая сумма магнитных потоков трех фаз равна нулю, т. е. Ф_A+Ф_B+Ф_C=0, то этот стержень можно удалить и получить конструктивную схему 7, б. Если уменьшить длину ярм магнитопровода фазы В, то получим магнитопровод со стержнями, расположенными в одной плоскости (рис. 7, а). По сравнению со схемой на рис. 7, б магнитопровод, показанный на рис. 7, в, имеет некоторую магнитную несимметрию, так как магнитопровод в этом случае представляет собой магнитную цепь, имеющую два узла и три ветви, из которых средняя короче крайних. Как показывает практика, существенного значения такая несимметрия не имеет.

На каждом стержне трехфазного стержневого магнитопровода располагаются обе обмотки одной фазы. В стержневых магнитопроводах магнитный поток ярма равен магнитному потоку стержня и площадь поперечного сечения стали в ярме должна быть равна или несколько больше (для уменьшения магнитных потерь) площади сечения стали в стержне. Наибольшее распространение получили магнитопроводы стержневого типа (рис. 6). Иногда в трансформаторах большой мощности для уменьшения их габаритов по высоте до размеров, при которых возможна перевозка трансформаторов в собранном виде по железной дороге, применяют бронестержневые магнитопроводы (рис. 8 и 9).

Снижение высоты у этих трансформаторов происходит за счет ярм, которые по сравнению с ярмами стержневых магнитопроводов имеют высоту в 2 раза меньшую для однофазных трансформаторов и в √3 раза меньшую для трехфазных. На рис. 8 и 9 для сопоставления показаны высоты стержневого h_С и бронестержневого h_БС магнитопроводов. На этих рисунках обмотки показаны условно (без подразделения на обмотки НН и ВН).

По способу сочленения стержней с ярмами различают трансформаторы со стыковыми (рис. 10) и шихтованными в переплет (рис. 11) магнитопроводами.

В первом случае стержни и ярма выполняются и скрепляются раздельно и при сборке магнитопровода стержни с размещенными на них обмотками устанавливаются встык с ярмами и стягиваются специальными конструкциями.

В местах стыка во избежание замыкания листов (рис. 12) и возникновения больших вихревых токов, вызывающих увеличение потерь и чрезмерное повышение температуры стали, устанавливаются изоляционные прокладки.

Сборка магнитопровода в переплет ведется путем чередования слоя листов, разложенных по положению 1 (рис. 11,а,б), со слоем листов, разложенных по положению 2. В результате такой сборки после стяжки ярм прессующими балками и стержней бандажами из стеклоленты получается остов трансформатора, не требующий каких-либо добавочных креплений (рис. 13). Остовом трансформатора называется магнитопровод вместе со всеми конструкциями и деталями, служащими для скрепления его отдельных частей. Листы, из которых собирается шихтованный магнитопровод, имеют прямоугольную форму (рис. 11), если они штампуются из горячекатаной электротехнической стали.

В настоящее время магнитопроводы трансформаторов изготовляются из холоднокатаной электротехнической стали, так как она обладает низкими удельными потерями и повышенной магнитной проницаемостью.

При применении этой стали оказалось возможным повысить магнитную индукцию в стержне масляного трансформатора до 1,6- 1,7 Тл (вместо 1,4-1,5 Тл у горячекатаной), что дало уменьшение его поперечного сечения и, следовательно, сокращение массы металла - стали и обмоток трансформатора. Кроме того, при этом уменьшаются потери в стали и намагничивающий ток трансформатора. Однако вследствие резко выраженной анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали улучшение ее характеристик наблюдается только при совпадении силовых линий магнитной индукции с направлением проката. При их несовпадении происходит резкое ухудшение характеристик. Поэтому при сборке магнитопровода из этой стали листы штампуются и укладываются так, чтобы магнитный поток проходил в них по направлению проката. Если листы имеют прямоугольную форму (как на рис. 11), то в местах, где линии магнитного поля поворачиваются на 90° (заштрихованный участок на рис. 14), наблюдается увеличение потерь и падения магнитного напряжения, что приводит к некоторому ухудшению характеристик трансформатора. Во избежание этого при сборке магнитопровода из холоднокатаной стали применяют косые стыки, как показано на рис. 15. Там же показана форма пластин, из которых собирается магнитопровод.

После сборки шихтованного впереплет магнитопровода листы верхнего ярма вынимаются (расшихтовываются), на стержнях размещаются обмотки, а затем ярмо снова зашихтовывается.

Наиболее широкое распространение в трансформаторостроении получили магнитопроводы, шихтованные впереплет. Стыковая конструкция применяется значительно реже, так как наличие немагнитных зазоров в местах стыков увеличивает магнитное сопротивление на пути магнитного потока. Это приводит к возрастанию намагничивающего тока трансформатора.

Стержни магнитопровода трансформаторов в поперечном сечении имеют форму ступенчатой фигуры или прямоугольника. Поперечные сечения стержневых и бронестержневых трансформаторов имеют форму ступенчатой фигуры, вписанной в окружность с диаметром D₀ (рис. 16). Число ступеней фигуры увеличивается с возрастанием мощности трансформатора. Увеличение числа ступеней приводит к более полному заполнению площади круга площадью ступенчатой фигуры, но одновременно сопровождается увеличением числа типов пластин, необходимых для сборки стержня. У мощных трансформаторов в магнитопроводе предусматриваются каналы для его охлаждения.

При стержнях, имеющих поперечное сечение, приближающееся к кругу, обмотки имеют вид полых цилиндров. При такой конструктивной форме обмотки (по сравнению с прямоугольной) сокращается расход материалов на ее изготовление и увеличивается электрическая и механическая прочность. Прямоугольное сечение стержней применяется иногда в трансформаторах броневого типа и трансформаторах небольшой мощности.

Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении магнитопровода. Неравномерность распределения магнитного потока между отдельными пакетами магнитопровода приводит к увеличению потерь в стали и возрастанию намагничивающего тока.

Равномерное распределение магнитного потока между пакетами можно получить, если обеспечить одинаковое число ступеней у ярма и у стержня. Для упрощения технологии изготовления ярм иногда число ступеней у них принимается меньшим, чем у стержней.

Конструкция обмоток. По способу расположения на стержне обмотки трансформатора делятся на концентрические (рис. 17) и чередующиеся (рис. 18). Концентрические обмотки выполняются каждая в виде цилиндра и располагаются на стержне концентрически относительно друг друга. Высота обеих обмоток, как правило, одинакова. В трансформаторах высокого напряжения ближе к стержню располагается обмотка НН, так как это позволяет уменьшить изоляционное расстояние между стержнем и этой обмоткой. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Эти обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние.

Однако при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками ВН и НН.

В силовых трансформаторах нашли применение главным образом концентрические обмотки, которые по характеру намотки можно разделить на цилиндрические, винтовые и спиральные.

Цилиндрической обмоткой называется обмотка, витки которой состоят из одного или нескольких параллельных проводников, причем витки наматываются вдоль стержня впритык друг к другу (рис. 19,а). При большом числе витков обмотку делят на две концентрические катушки,

между которыми оставляют канал для охлаждения (рис. 19,6). Общий вид двухслойной цилиндрической обмотки, витки которой составлены из двух проводников, показан на рис. 20. Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки применяют главным образом в качестве обмоток НН при номинальных токах до 800 А.

Наряду с этими обмотками находят применение многослойные цилиндрические обмотки, у которых число слоев в радиальном направлении более двух. Такие обмотки изготовляют чаще всего из проводников круглого сечения (рис. 21) и используют главным образом для обмоток ВН при U_ном ≤ 35 кВ.

Винтовая обмотка состоит из витков, которые составлены из нескольких (от 4 до 20) параллельных проводников прямоугольного сечения, расположенных в радиальном направлении относительно друг друга. Намотку витков этой обмотки осуществляют, как и у цилиндрической обмотки, по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов, но при этом между соседними по высоте витками оставляют канал для охлаждения (рис. 22).

В отдельных случаях для экономии места по высоте радиальные охлаждающие каналы могут быть сделаны через один виток. Общий вид одноходовой винтовой обмотки дан на рис. 23.

Так как проводники, образующие виток, располагаются концентрически относительно друг друга, то их длина и, следовательно, активное сопротивление различны. Кроме того, они находятся не в одинаковых условиях по отношению к потоку рассеяния, замыкающемуся в пространстве, занимаемом обмотками, вследствие чего в них наводятся равные ЭДС.

По этим причинам ток по параллельным проводникам, образующим виток, распределяется неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Во избежание этого в винтовых обмотках требуется перекладка (транспозиция) проводников витка. При перекладке стремятся, чтобы каждый проводник попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка. Часто производится только частичная перекладка проводников (рис. 24). Перекладка осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовые обмотки имеют большую механическую прочность, чем цилиндрические, и применяются в качестве обмоток НН в мощных трансформаторах (при токах более 300 А).

Спиральной катушечной обмоткой называется обмотка, составленная из ряда расположенных по высоте стержня и соединенных последовательно катушек, намотанных по плоской спирали, с радиальными охлаждающими каналами между всеми или частью катушек (рис. 25). Если виток состоит из одного проводника, то обмотка называется простой, а если он составлен из ряда параллельных проводников, - параллельной. В параллельных спиральных обмотках необходимо применять перекладку (транспозицию) проводников. Катушки спиральных обмоток наматываются из прямоугольного провода и могут иметь целое и дробное число витков.

Характерной особенностью спиральных обмоток является то, что ее катушки наматываются без разрыва провода; это достигается особым способом перекладки одной из катушек в каждой их паре. По этой причине они иногда называются непрерывными. Общий вид спиральной обмотки показан на рис. 26. Обмотки этого типа используются в качестве обмоток ВН и НН в широком диапазоне напряжений (до 220 кВ и выше).

Важным элементом конструкции обмоток является их изоляция. Различают главную и продольную изоляцию.

Главной изоляцией называется изоляция данной обмотки от остова, бака и соседних обмоток. Осуществляется она посредством комбинации изоляционных промежутков и барьеров в виде электроизоляционных цилиндров и шайб.

Продольная изоляция является изоляцией между различными точками данной обмотки, т. е. между витками, слоями и катушками.

Изоляция между витками обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции применяется кабельная бумага, укладываемая в несколько слоев. Межкатушечная изоляция обычно осуществляется радиальными каналами.

С увеличением напряжения обмотки ВН конструкция изоляции усложняется и существенно возрастает стоимость трансформатора. Для трансформаторов напряжением 220 - 500 кВ стоимость изоляции достигает 25 % стоимости всего трансформатора. При небольших мощностях и низких напряжениях обмотки, намотанные на каркас, надеваются непосредственно на стержень магнитопровода.

Для выполнения обмоток трансформатора широкое применение находят как медные, так и алюминиевые провода.

Конструктивные части трансформатора. Основным видом силового трансформатора является масляный трансформатор. Сухие трансформаторы применяются в электроустановках производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где применение масляных трансформаторов вследствие их взрыво- и пожароопасности недопустимо. В сухих трансформаторах охлаждающей средой служит проникающий к обмоткам и магнитопроводу атмосферный воздух.

У масляного трансформатора выемная его часть, являющаяся по существу собственно трансформатором, погружается в бак с маслом (рис. 27). К выемной части относится остов с обмотками и отводами, а в некоторых конструкциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двойное назначение. Как изолирующая среда оно имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух, благодаря чему позволяет уменьшить изоляционные расстояния между токоведущими и заземленными частями, а также между различными обмотками.

Кроме того, трансформаторное масло является лучшей охлаждающей средой, чем воздух. Поэтому в трансформаторе, заполненном маслом, можно увеличить электрические и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода обмоточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и уменьшению его габаритов. Трансформаторное масло является минеральным нефтяным маслом и имеет при температуре 20 °С следующие технические данные:

Бак трансформатора обычно имеет овальную форму и для удобства транспортировки располагается на тележке с катками. С увеличением мощности трансформатора конструкция бака видоизменяется, так как при этом потери, которые вызывают нагрев частей трансформатора, растут быстрее, чем поверхность охлаждения. Поэтому с увеличением мощности трансформатора приходится искусственно увеличивать поверхность охлаждения.

У трансформаторов мощностью до 25 - 40 кВ·А применяются баки с гладкими стенками. Внутри бака возникает естественная циркуляция масла: нагреваясь от обмоток и магнитопровода, оно поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. От стенок бака тепло рассеивается в окружающее пространство путем излучения и конвекции. При мощностях трансформаторов от 40 до 1600 кВ·А для увеличения поверхности охлаждения в стенки бака вваривают трубы диаметром 30 - 60 мм, располагаемые в 1 - 3 ряда. Процесс охлаждения трансформаторов протекает, как и в предыдущем случае.

В трансформаторах мощностью выше 1000 - 1600 кВ А используются гладкие баки, но к ним подвешиваются трубчатые охладители (рис. 28); последние присоединяются к верхней и нижней частям бака с помощью фланцев. Относительно стенок бака охладители располагаются радиально. Циркуляция масла в охладителе происходит в результате естественной конвекции. В последнее время трубчатые охладители стали применять и в трансформаторах меньшей мощности.

При мощностях трансформаторов от 10000 до 16000 кВ·А периметр гладкого бака оказывается недостаточным для размещения необходимого количества охладителей.

Для более интенсивного отвода тепла от охладителей производят их обдув с помощью вентиляторов; это дает увеличение теплоотдачи на 50 - 60 %. В мощных трансформаторах применяется форсированное охлаждение масла: масло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и, охлажденное, вновь возвращается в бак трансформатора.

Иногда в целях пожарной безопасности бак трансформатора заполняется негорючим и не окисляющимся жидким диэлектриком - совтолом. Электрическая прочность и охлаждающие свойства этого диэлектрика практически не отличаются от подобных свойств масла. Применение совтола ограничивается более высокой по сравнению с маслом стоимостью и токсичностью его паров.

Расширитель представляет собой цилиндрический резервуар, располагаемый выше крышки бака масляного трансформатора и соединенный трубкой с баком (рис. 29). Внутренний объем расширителя, равный примерно 10 % объема бака трансформатора, заполняется маслом с таким расчетом, чтобы при всех возможных колебаниях температуры оно полностью заполняло бак.

Кроме того, при наличии расширителя поверхность масла, соприкасающаяся с воздухом, уменьшается, что ограничивает его окисление и увлажнение. Этим достигается защита масла и изоляции трансформатора. У трансформаторов мощностью более 1000 кВ·А между расширителем и баком устанавливается газовое реле, которое сигнализирует о повреждениях, сопровождающихся нагревом отдельных частей. В результате выделения тепла происходит разложение масла и изоляции, сопровождаемое выделением газов. Газы, поднимаясь вверх, по пути в расширитель проходят через газовое реле и вытесняют из него масло, при этом реле срабатывает. По заказу потребителей газовыми реле могут быть снабжены также трансформаторы мощностью 400 и 630 кВ·А. Расширители устанавливаются у всех трансформаторов, начиная с мощности 63 кВ·А при напряжении выше 6.3 кВ. Для трансформаторов меньшей мощности допускается колебание уровня масла внутри бака.

Выхлопная труба (рис. 29) устанавливается на всех трансформаторах мощностью 1000 кВ·А и выше и предназначается для предохранения бака трансформатора от деформации, которая может возникнуть при резком повышении давления из-за интенсивного образования газов (например, при коротком замыкании).

Она представляет собой стальной наклонный полый цилиндр диаметром 150 мм и больше. Внизу труба прикрепляется к крышке бака трансформатора и имеет сообщение с баком. Сверху труба закрывается стеклянной мембраной. При интенсивном газообразовании мембрана выдавливается раньше, чем произойдет повреждение бака.

Вводы. Начала и концы обмоток выводятся из бака трансформатора наружу. Для этого используются проходные фарфоровые изоляторы, внутри которых располагается токоведущий медный стержень. Такие изоляторы закрепляются на крышке бака и называются вводами. С увеличением напряжения трансформатора размеры вводов увеличиваются, а их конструкция усложняется (рис. 30). Вводы для трансформаторов, устанавливаемых внутри помещения, обычно имеют гладкую внешнюю поверхность, а для трансформаторов, устанавливаемых снаружи, - ребристую.

Контроль температуры в верхних слоях масла в баке производится термометрами различного типа. В трансформаторах мощностью до 1000 кВ·А используются стеклянные ртутные термометры, устанавливаемые на крышке бака в специальной металлической оправе. На крышках трансформаторов мощностью 1000 кВ·А и выше вместо стеклянного термометра устанавливается дистанционный манометрический сигнальный термометр. Наибольшая допустимая температура масла в верхних слоях составляет 95 °С.

Для изменения числа витков обмотки ВН с целью регулирования напряжения предусматривается переключатель, размещенный внутри бака. Рукоятка этого переключателя выводится на крышку или стенку бака трансформатора.

На крышке и стенках бака устанавливаются различные пробки и краны, предназначенные для заливки, спуска и отбора пробы масла.

Схемы соединений обмоток трансформатора

Выводы начала обмоток однофазных трансформаторов согласно ГОСТ обозначают буквами А, а, а концы - X, х. Прописные буквы относятся к обмоткам ВН, а строчные - к обмоткам НН.

Начала и концы обмоток фаз (фазных обмоток) трехфазных трансформаторов соответственно обозначают: А, В, С, X, Y, Z — для обмоток ВН и а, b, с, х, у, z - для обмоток НН. При наличии третьей обмотки (среднего напряжения) применяют обозначения: А_т, Х_т - для однофазных трансформаторов и А_т, В_т, С_т, Х_т, Y_m, Z_m - для трехфазных. Нулевой вывод обозначают 0, 0_m.

Обмотки трехфазных трансформаторов в большинстве случаев соединяются по схеме звезды (обозначение Y или У) (рис. 31), либо по схеме треугольника (обозначение Δ или Д) (рис. 32). При соединении обмоток в звезду линейное напряжение U_л в √3 раз больше фазного U_ф (U_л = √3 U_ф), а линейный ток I_л равен фазному I_ф (I_л = √3 I_ф). При соединении обмоток в треугольник U_л = U_ф и I_л = √3 I_ф. Эти соотношения справедливы при симметричном режиме.

Схемы соединений обмоток трансформатора обозначаются в виде дроби Y/Y, Y/Δ или У/У, У/Д и т.д. Числитель этой дроби указывает схему соединений обмотки ВН, а знаменатель - обмотки НН. При выборе схемы соединений обмотки учитывается ряд обстоятельств. При высоких напряжениях предпочитают обмотку соединять в звезду и заземлять ее нулевую точку. При этом напряжение выводов и проводов линии электропередачи относительно земли уменьшается в √3 раз, что приводит к снижению стоимости изоляции. Обмотки НН соединяют в звезду и выводят нулевую точку (обозначение Y или У_н) в том случае, если от этой обмотки предполагается питание осветительной или смешанной осветительно-силовой нагрузки. Тогда осветительные лампы включают между одним из линейных проводов и нулевым проводом (на фазное напряжение), а трехфазные двигатели - к трем фазам на линейное напряжение.

При номинальном напряжении обмотки НН выше 400 В предпочитают соединять в треугольник, так как при этом улучшаются условия работы трансформатора при несимметричной нагрузке и уменьшается влияние высших гармоник.

Иногда в специальных трансформаторах применяется также соединение обмоток по схеме зигзага (обозначение Z) (рис. 33). В этой схеме обмотка каждой фазы состоит из двух равных частей, размещенных на разных стержнях и соединенных между собой последовательно и встречно. При встречном включении частей ЭДС обмотки фазы увеличивается в √3 раз по сравнению с согласным их включением и будет во столько же раз больше ЭДС каждой части (рис. 34). Соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при такой схеме получаются такими же, как и при соединении в звезду.

Если предположить, что при соединении в звезду обмотка каждой фазы состоит из двух половин, расположенных на одном стержне, то фазное напряжение в этом случае будет в 2 раза больше напряжения каждой половины и, следовательно, в 2/√3 раз больше, чем при соединении по схеме зигзага. Поэтому при одних и тех же значениях фазного и линейного напряжений расход обмоточного провода для схемы зигзаг в 2/√3 раз больше, чем при соединении в звезду.

Номинальные величины

Величины, соответствующие продолжительному режиму работы трансформатора, для которого он предназначен заводом-изготовителем, называются номинальными. Они указываются в каталогах и на табличке, прикрепленной к трансформатору.

Номинальной мощностью трансформатора является полная мощность, равная для однофазного трансформатора S_hom=U _1ном I _1ном, а для трехфазного S_hom=√3U _{1л, ном}×I _{1л, ном}. Так как КПД трансформаторов сравнительно высок, то принимают, что у двухобмоточного трансформатора мощности обеих обмоток равны:

S _2hom = S_hom=√3U _{2л, ном}×I _{2л, ном}.

Под номинальными напряжениями понимают соответствующие линейные напряжения каждой из обмоток. При U _{1л, ном} =const напряжение вторичной обмотки при номинальной мощности зависит от характера нагрузки. Поэтому чтобы избежать неопределенности, за номинальное вторичное напряжение принимается напряжение при холостом ходе, т. е. когда ток этой обмотки I₂=0.

Номинальными токами трансформатора - первичным I _{1л, ном} и вторичным I _{2л, ном} - называются линейные токи, указанные на табличке и соответствующие номинальным значениям мощности и напряжений. Кроме номинальных значений мощности, напряжений и токов на табличке указываются: частота подводимого напряжения, число фаз, схема и группа соединений обмоток, напряжение короткого замыкания, режим работы (продолжительный, кратковременный), способ охлаждения, масса.

• Современные силовые трансформаторы
• ПИК-Трансформаторы
• Трансформаторы для преобразования числа фаз
• Трансформаторы для дуговой электросварки
• Машины постоянного тока