Transformatoare de putere - dispozitiv și principiu de funcționare

La transportul energiei electrice pe distanțe lungi, se folosește principiul transformării pentru a reduce pierderile. În acest scop, energia electrică generată de generatoare este alimentată la stația de transformare. Mărește amplitudinea tensiunii care intră în linia de alimentare.

Celălalt capăt al liniei de transmisie este conectat la intrarea substației de la distanță. Pe ea, tensiunea este redusă pentru a distribui energia electrică între consumatori.

În ambele substații, dispozitivele speciale de alimentare cu energie sunt implicate în transformarea energiei electrice de mare putere:

1. transformatoare;

2. autotransformatoare.

Au multe trăsături și caracteristici comune, dar diferă în anumite principii de funcționare. Acest articol descrie doar primele modele în care transferul de electricitate între bobine individuale se datorează inducției electromagnetice. În acest caz, armonicile de curent și tensiune care variază în amplitudine păstrează frecvența de oscilație.

Transformatoarele sunt folosite pentru a converti curentul alternativ de joasă tensiune într-o tensiune mai mare (transformatoare step-up) sau o tensiune mai mare la o tensiune mai mică (transformatoare step-down). Cele mai răspândite sunt transformatoarele de putere pentru aplicare generală pentru liniile de transport și rețelele de distribuție. Transformatoarele de putere în majoritatea cazurilor sunt construite ca transformatoare de curent trifazate.

Caracteristicile dispozitivului

Transformatoarele de putere în energie electrică sunt instalate pe locuri staționare pregătite în prealabil, cu fundații puternice. Senile și rolele pot fi instalate pentru a fi plasate pe sol.

O vedere generală a unuia dintre numeroasele tipuri de transformatoare de putere care funcționează cu sisteme de tensiune 110/10 kV și cu o putere totală de 10 MVA este prezentată în imaginea de mai jos.

Unele elemente individuale ale construcției sale sunt prevăzute cu semnături. Mai detaliat, aranjarea părților principale și aranjarea lor reciprocă este prezentată în desen.

Echipamentul electric al transformatorului este adăpostit într-o carcasă metalică realizată sub forma unui rezervor etanș cu capac. Este umplut cu o clasă specială de ulei de transformator, care are proprietăți dielectrice ridicate și, în același timp, este folosit pentru a îndepărta căldura din piesele supuse la sarcini de curent ridicate.

În interiorul rezervorului este instalat un miez 9, pe care sunt amplasate înfășurările cu înfășurări de joasă tensiune 11 și de înaltă tensiune 10. Peretele frontal al transformatorului este 8. Bornele înfășurării de înaltă tensiune sunt conectate la intrările care trec prin izolatori din porțelan. 2.

Înfășurările pentru înfășurarea de joasă tensiune sunt, de asemenea, conectate la firele care trec prin izolatoarele 3.Capacul este atașat de marginea superioară a rezervorului și o garnitură de cauciuc este plasată între ele pentru a preveni scurgerea uleiului în îmbinarea dintre rezervor și capac. Două rânduri de găuri sunt forate în peretele rezervorului, țevile cu pereți subțiri 7 sunt sudate în ele, prin care curge ulei.

Pe capac se află un buton 1. Prin rotirea acestuia, puteți comuta spirele bobinei de înaltă tensiune pentru a regla tensiunea sub sarcină. Clemele sunt sudate pe capac, pe care este montat un rezervor 5, numit expandor.

Are un indicator 4 cu tub de sticlă pentru monitorizarea nivelului uleiului și un dop cu filtru pentru comunicarea cu aerul din jur 6. Transformatorul se deplasează pe role 12, ale căror axe trec prin grinzile sudate pe fundul rezervorului. .

Când curg curenți mari, înfășurările transformatorului sunt supuse unor forțe care tind să le deformeze. Pentru a crește rezistența înfășurărilor, acestea sunt înfășurate pe cilindri izolatori. Dacă o bandă pătrată este plasată într-un cerc, atunci aria cercului nu este utilizată pe deplin. Prin urmare, tijele transformatorului sunt realizate cu o secțiune transversală în trepte prin asamblare din foi de diferite lățimi.

Schema hidraulică a transformatorului

Imaginea prezintă o compoziție simplificată și interacțiunea elementelor sale principale.

Supape speciale și un șurub sunt folosite pentru a umple/scurge uleiul, iar supapa de închidere situată în partea de jos a rezervorului este proiectată pentru a preleva probe de ulei și apoi a efectua analiza chimică a acestuia.

Principii de răcire

Transformatorul de putere are două circuite de circulație a uleiului:

1. extern;

2. intern.

Primul circuit este reprezentat de un radiator format din colectoare superioare și inferioare conectate printr-un sistem de țevi metalice. Prin ele trece uleiul încălzit care, aflându-se în liniile de agent frigorific, se răcește și revine în rezervor.

Circulația uleiului în rezervor se poate face:

• într-un mod natural;

• forțat din cauza creării de presiune în sistem de către pompe.

Adesea, suprafața rezervorului este mărită prin crearea de ondulații - plăci metalice speciale care îmbunătățesc transferul de căldură între ulei și atmosfera înconjurătoare.

Aportul de căldură de la calorifer în atmosferă se poate realiza prin suflarea sistemului de către ventilatoare sau fără acestea datorită convecției libere a aerului. Fluxul de aer forțat mărește în mod eficient eliminarea căldurii din echipament, dar crește consumul de energie pentru operarea sistemului. Se pot reduce caracteristica de sarcină a transformatorului până la 25%.

Energia termică eliberată de transformatoarele moderne de mare putere atinge valori enorme. Dimensiunea sa poate fi atribuită faptului că acum, pe cheltuiala sa, au început să implementeze proiecte de încălzire a clădirilor industriale situate lângă transformatoare care funcționează constant. Acestea mențin condiții optime de funcționare ale echipamentului, chiar și iarna.

Controlul nivelului de ulei în transformator

Funcționarea fiabilă a transformatorului depinde în mare măsură de calitatea uleiului cu care este umplut rezervorul acestuia. În funcționare, se disting două tipuri de ulei izolator: ulei uscat pur, care este turnat în rezervor și ulei de lucru, care se află în rezervor în timpul funcționării transformatorului.

Specificația uleiului de transformator determină vâscozitatea, aciditatea, stabilitatea, cenușa, conținutul de impurități mecanice, punctul de aprindere, punctul de curgere, transparența.

Orice condiții de funcționare anormale ale transformatorului afectează imediat calitatea uleiului, prin urmare controlul acestuia este foarte important în funcționarea transformatoarelor. Comunicând cu aerul, uleiul este umezit și oxidat. Umiditatea poate fi îndepărtată din ulei prin curățare cu o centrifugă sau cu filtru presă.

Aciditatea și alte încălcări ale proprietăților tehnice pot fi îndepărtate numai prin regenerarea uleiului în dispozitive speciale.

Defecțiunile interne ale transformatorului, cum ar fi defecte de înfășurare, defecțiuni de izolație, încălzire locală sau „foc în fierul de călcat” etc. duc la modificări ale calității uleiului.

Uleiul circulă continuu în rezervor. Temperatura sa depinde de un întreg complex de factori de influență. Prin urmare, volumul acestuia se modifică tot timpul, dar este menținut în anumite limite. Un vas de expansiune este utilizat pentru a compensa abaterile de volum ale uleiului. Este convenabil să monitorizați nivelul actual din acesta.

Pentru aceasta este folosit un indicator de ulei. Cele mai simple dispozitive sunt realizate după schema vaselor de comunicații cu perete transparent, pre-gradate în unități de volum.

Conectarea unui astfel de manometru în paralel cu rezervorul de expansiune este suficientă pentru a monitoriza funcționarea. În practică, există și alți indicatori de ulei care diferă de acest principiu de acțiune.

Protecție împotriva pătrunderii umezelii

Deoarece partea superioară a rezervorului de expansiune este în contact cu atmosfera, în acesta este instalat un uscător de aer, care împiedică umiditatea să pătrundă în ulei și reduce proprietățile dielectrice ale acestuia.

Protecție împotriva daunelor interne

Este un element important al sistemului de ulei releu de gaz… Este instalat în interiorul conductei care conectează rezervorul principal al transformatorului la rezervorul de expansiune. Prin urmare, toate gazele eliberate atunci când sunt încălzite de ulei și de izolația organică trec prin recipientul cu elementul sensibil al releului de gaz.

Acest senzor este setat din funcțiune pentru o formare de gaz foarte mică, permisă, dar este declanșat atunci când crește în două etape:

1. să emită un semnal luminos/sonor de avertizare personalului de service pentru apariția unei defecțiuni atunci când se atinge valoarea setată a primei valori;

2. de a opri întreruptoarele de putere de pe toate părțile transformatorului pentru a elibera tensiunea în caz de gazare violentă, ceea ce indică începutul unor procese puternice de descompunere a uleiului și a izolației organice, care încep cu scurtcircuite în interiorul rezervorului.

O funcție suplimentară a releului de gaz este de a monitoriza nivelul uleiului din rezervorul transformatorului. Când scade la o valoare critică, protecția împotriva gazului poate funcționa în funcție de setare:

• numai semnal;

• pentru a opri cu un semnal.

Protecție împotriva creșterii presiunii de urgență în interiorul rezervorului

Conducta de scurgere este montata pe capacul transformatorului in asa fel incat capatul inferior al acestuia sa comunice cu capacitatea rezervorului, iar uleiul curge in interior pana la nivelul din expandor. Partea superioară a tubului se ridică deasupra expandorului și se retrage în lateral, ușor îndoită în jos.Capătul său este etanșat ermetic de o membrană de siguranță din sticlă, care se sparge în cazul unei creșteri de urgență a presiunii din cauza apariției unei încălziri nedefinite.

Un alt design al unei astfel de protecție se bazează pe instalarea unor elemente de supapă care se deschid atunci când presiunea crește și se închid atunci când sunt eliberate.

Un alt tip este protecția cu sifon. Se bazează pe comprimarea rapidă a aripilor cu o creștere bruscă a gazului. Ca urmare, încuietoarea care ține săgeata, care în poziția sa normală se află sub influența unui arc comprimat, este doborâtă. Săgeata eliberată sparge membrana de sticlă și astfel eliberează presiunea.

Schema de conectare a transformatorului de putere

În interiorul carcasei rezervorului sunt amplasate:

• schelet cu fascicul superior și inferior;

• circuit magnetic;

• bobine de înaltă și joasă tensiune;

• reglarea ramurilor înfăşurate;

• robinete de joasă și înaltă tensiune

• partea inferioară a bucșelor de înaltă și joasă tensiune.

Cadrul, împreună cu grinzile, servește la fixarea mecanică a tuturor componentelor.

Design interior

Circuitul magnetic servește la reducerea pierderilor de flux magnetic care trece prin bobine. Este fabricat din clase de oțel electric folosind metoda laminată.

Curentul de sarcină trece prin înfășurările de fază ale transformatorului. Metalele sunt alese ca materiale pentru producerea lor: cupru sau aluminiu cu secțiune rotundă sau dreptunghiulară. Pentru izolarea spirelor se folosesc mărci speciale de hârtie de cablu sau fire de bumbac.

În înfășurările concentrice utilizate la transformatoarele de putere, o înfășurare de joasă tensiune (LV) este de obicei plasată pe miez, care este înconjurată de o înfășurare de înaltă tensiune (HV) la exterior.Această aranjare a înfășurărilor, în primul rând, face posibilă mutarea înfășurării de înaltă tensiune din miez și, în al doilea rând, facilitează accesul la înfășurările de înaltă tensiune în timpul reparațiilor.

Pentru o răcire mai bună a bobinelor, între ele se lasă canale formate din distanțiere izolatoare și garnituri între bobine. Prin aceste canale circulă uleiul care, la încălzire, se ridică și apoi coboară prin conductele rezervorului, în care sunt răcite.

Bobinele concentrice sunt înfășurate sub formă de cilindri amplasați unul în celălalt. Pentru partea de înaltă tensiune se creează o înfășurare continuă sau multistrat, iar pentru partea de joasă tensiune, o înfășurare spirală și cilindrică.

Înfășurarea LV este plasată mai aproape de tijă: acest lucru facilitează realizarea unui strat pentru izolarea acesteia. Apoi, pe el este montat un cilindru special, care asigură izolarea între părțile de înaltă și joasă tensiune, iar înfășurarea HV este montată pe el.

Metoda de instalare descrisă este prezentată în partea stângă a imaginii de mai jos, cu dispunerea concentrică a înfășurărilor tijei transformatorului.

Partea dreaptă a imaginii arată cum sunt plasate înfășurările alternative, separate printr-un strat izolator.

Pentru a crește rezistența electrică și mecanică a izolației înfășurărilor, suprafața acestora este impregnată cu un tip special de lac gliftalic.

Pentru a conecta înfășurările pe o parte a tensiunii, se folosesc următoarele circuite:

• stele;

• triunghi;

• zigzag.

În acest caz, capetele fiecărei bobine sunt marcate cu litere ale alfabetului latin, așa cum se arată în tabel.

Tip transformator Partea înfășurării Tensiune joasă Tensiune medie Tensiune înaltă Sfarsit de pornire Neutru Sfarsit de pornire Neutru Sfarsit de pornire Neutru de sfarsit Monofazat a x — La Ht — A x — Doua infasurari trei faze a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y cu G°C Z Trei înfășurări trei faze a x La Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z

Bornele înfășurărilor sunt conectate la conductoarele de coborâre corespunzătoare care sunt montate pe șuruburile izolatoare ale bucșei situate pe capacul rezervorului transformatorului.

Pentru a realiza posibilitatea de reglare a valorii tensiunii de iesire se realizeaza ramificatii pe infasurari. Una dintre variantele ramurilor de control este prezentată în diagramă.

Sistemul de reglare a tensiunii este proiectat cu capacitatea de a modifica valoarea nominală în ± 5%. Pentru a face acest lucru, parcurgeți cinci pași a câte 2,5% fiecare.

Pentru transformatoarele de putere mare, reglarea este de obicei creată pe o înfășurare de înaltă tensiune. Acest lucru simplifică designul comutatorului de robinet și permite îmbunătățirea acurateței caracteristicilor de ieșire, oferind mai multe rotații pe acea parte.

În bobinele cilindrice multistrat, ramurile de reglare sunt realizate pe exteriorul stratului de la capătul bobinei și sunt situate simetric la aceeași înălțime față de jug.

Pentru proiectele individuale de transformatoare, ramurile sunt realizate în partea de mijloc. Când se folosește un circuit invers, o jumătate a înfășurării se face cu bobina din dreapta și cealaltă cu bobina din stânga.

Un comutator trifazat este folosit pentru a comuta robinetele.

Are un sistem de contacte fixe, care sunt conectate la ramurile bobinelor, și mobile, care comută circuitul, creând diferite circuite electrice cu contacte fixe.

Dacă ramurile sunt făcute în apropierea punctului zero, atunci un comutator controlează funcționarea tuturor celor trei faze simultan. Acest lucru se poate face deoarece tensiunea dintre părțile individuale ale comutatorului nu depășește 10% din valoarea liniară.

Când robinetele sunt făcute în partea de mijloc a înfășurării, atunci se folosește un comutator propriu individual pentru fiecare fază.

Metode de reglare a tensiunii de ieșire

Există două tipuri de comutatoare care vă permit să schimbați numărul de spire pe fiecare bobină:

1. cu reducerea sarcinii;

2. sub sarcină.

Prima metodă durează mai mult și nu este populară.

Comutarea sarcinii permite gestionarea mai ușoară a rețelelor electrice prin furnizarea de energie neîntreruptă consumatorilor conectați. Dar pentru a face acest lucru, trebuie să aveți un design complex al comutatorului, care este echipat cu funcții suplimentare:

• efectuarea tranzițiilor între ramificații fără întrerupere a curenților de sarcină prin conectarea a două contacte adiacente în timpul comutării;

• limitarea curentului de scurtcircuit din interiorul înfășurării dintre robinetele conectate în timpul pornirii lor simultane.

Soluția tehnică la aceste probleme este crearea de dispozitive de comutare operate prin telecomandă, folosind reactoare și rezistențe limitatoare de curent.

În fotografia prezentată la începutul articolului, transformatorul de putere folosește reglarea automată a tensiunii de ieșire sub sarcină prin crearea unui design AVR care combină un circuit releu pentru a controla un motor electric cu un actuator și contactori.

Principiul și modurile de funcționare

Funcționarea unui transformator de putere se bazează pe aceleași legi ca și în cazul unui transformator convențional:

• Un curent electric care trece prin bobina de intrare cu o armonică variabilă în timp a oscilațiilor induce un câmp magnetic variabil în interiorul circuitului magnetic.

• Fluxul magnetic schimbător care pătrunde în spirele celei de-a doua bobine induce un EMF în ele.

Moduri de operare

În timpul funcționării și testării, transformatorul de putere poate fi în modul de funcționare sau de urgență.

Mod de funcționare creat prin conectarea unei surse de tensiune la înfășurarea primară și a sarcinii la secundar. În acest caz, valoarea curentului în înfășurări nu trebuie să depășească valorile admisibile calculate. În acest mod, transformatorul de putere trebuie să alimenteze toți consumatorii conectați la acesta pentru o lungă perioadă de timp și în mod fiabil.

O variantă a modului de funcționare este testele în gol și scurtcircuit pentru verificarea caracteristicilor electrice.

Fără sarcină creată prin deschiderea circuitului secundar pentru a opri fluxul de curent din acesta. Este folosit pentru a determina:

• Eficienţă;

• factor de transformare;

• pierderi în oțel datorate magnetizării miezului.

O încercare de scurtcircuit este creată prin scurtcircuitarea bornelor înfășurării secundare, dar cu o tensiune subestimată la intrarea transformatorului la o valoare capabilă să creeze un curent nominal secundar fără a-l depăși.Această metodă este utilizată pentru a determina pierderile de cupru.

În modurile de urgență, un transformator include orice încălcări ale funcționării sale, ceea ce duce la o abatere a parametrilor de funcționare în afara limitelor valorilor lor admise. Un scurtcircuit în interiorul înfășurărilor este considerat deosebit de periculos.

Modurile de urgență duc la incendii ale echipamentelor electrice și la dezvoltarea unor consecințe ireversibile. Ele sunt capabile să provoace daune masive sistemului de alimentare.

Prin urmare, pentru a preveni astfel de situații, toate transformatoarele de putere sunt echipate cu dispozitive automate, de protecție și de semnalizare, care sunt concepute pentru a menține funcționarea normală a buclei primare și a o deconecta rapid din toate părțile în cazul unei defecțiuni.