Размещено на http://www.allbest.ru/

Высоковольтные испытательные трансформаторы

Введение

Изобретателем трансформатора является русский ученый П.Н.Яблочков. В 1876г. Яблочков использовал индукционную катушку с двумя обмотками в качестве трансформатора для питания изобретенных им электрических свечей. Трансформатор Яблочкова имел незамкнутый сердечник. Трансформаторы с замкнутым сердечником, подобные применяемым в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884г. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току, который до этого времени не применялся.

Выдающийся русский электротехник М.О.Доливо-Добровольский в 1889г. Предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трехфазного тока протяженностью 175 км; трехфазный генератор имел мощность 230 КВт при напряжении 95 В.

В дальнейшем начали применять масляные трансформаторы, так как было установлено, что масло является не только хорошей изоляцией, но и хорошей охлаждающей средой для трансформаторов.

Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки - вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Применив трансформатор с обратным соотношением витков, можно так же легко и просто получить пониженное напряжение.

С допустимой для практики точностью можно считать, что отношение числа витков первичной обмотки к вторичной равно отношению приложенного напряжения к выходному.

Это отношение, называемое коэффициентом трансформации, обычно сокращают на меньшее из чисел, и тогда коэффициент трансформации получают в виде отношения единицы к некоторому числу (1:4; 1:50) или, наоборот, некоторого числа к единице (4:1; 50:1).

В радиоаппаратуре трансформаторы используются в первую очередь в питающих устройствах, позволяющих питать приемники от осветительной сети переменного тока. Такие трансформаторы называются силовыми. Кроме того, трансформаторы используются для понижения и повышения напряжения различной частоты в усилителях и радиоприемниках. Для низких (звуковых) частот эти трансформаторы изготовляются с сердечниками из листовой стали. Для токов сравнительно высокой частоты трансформаторы, как и катушки индуктивности, делаются или совсем без стальных сердечников или с сердечниками из магнетита, альсифера, карбонильного железа и других специальных металлов.

Иногда для экономии провода и стали применяют трансформаторы, в которых одна обмотка является частью другой, то есть гальванической развязки между входной и выходной цепью нет. Такие трансформаторы, называют автотрансформаторами, они могут повышать напряжение, для чего обмотка, включаемая в сеть, должна составлять часть обмотки, дающей выходное напряжение, и понижать его, для чего обмотка, с которой снимается напряжение, должна составлять часть сетевой обмотки.

Применение автотрансформаторов в радиоприемниках связано с некоторыми неудобствами, поэтому в любительских и улучшенных промышленных радиоприёмниках автотрансформаторы широкого распространения не получили. В основном они нашли применение в дешевых массовых промышленных приемниках, а также в качестве устройств для поддержания необходимого напряжения при питании радиоприемников от осветительной сети, напряжение которой подвержено колебаниям.

высоковольтный испытательный трансформатор напряжение

1. Области применения трансформаторов

Трансформаторы широко используются для следующих целей:

Для передачи и распределения электрической энергии.

В настоящие время для высоковольтных линий электропередач применяются силовые трансформаторы с масляным охлаждением напряжением 330, 500 и 750 кВ, мощностью до 1200 - 1600 МВ*А.

Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на входе и выходе преобразователя.

Трансформаторы, применяются для этой цели, называются преобразовательными. Их мощность достигает тысячи киловольт-ампер, напряжение 110 кВ; они работают при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования.

Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питание электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает десятков тысяч киловольт-ампер при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

Трансформаторы, применяемые для этой цели, называются измерительными. Они имеют сравнительно большую мощность, определяемую мощность, потребляемой электроизмерительными приборами, реле и др.

Для питания различных цепей радио- и телевизионной аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

Трансформаторы, используемые в этих устройствах, обычно имеют малую мощность (от нескольких вольт-ампер до нескольких киловольт-ампер), невысокое напряжение, работают при частоте 50 Гц и более. Их выполняют двух-, трех- и многообмоточными; условия работы, предъявляемые к ним требования и принципы проектирования весьма специфичны.

Как правило, трансформаторы питания изготавливаются комбинированными, т.е. позволяющими снимать несколько напряжений; при этом первичная обмотка (сетевая) может быть выполнена в виде одной обмотки с двумя отводами или двух одинаковых обмоток с одним отводом в каждом из них. Во втором варианте первичная обмотка на различные напряжения (110, 127 или 220 В) переключается специальным сетевым переключателем.

Повышающая обмотка трансформатора питания выполняется со средним выводом при использовании двухполупериодного выпрямителя на двух диодах и без среднего вывода для мостовой схемы выпрямителя.

2. Общее устройство и назначение трансформаторов

Общее устройство трансформатора видно из представленного рисунка - это магнитопровод, набранный из отдельных пластин; обмотки, выполненные проводом; каркас из изоляционного материала, на котором намотаны обмотки.

Рисунок 1 - Общее устройство трансформатора

Трансформатор, входящий в состав выпрямителя и предназначенный для питания лампового радиоприёмника, имеет следующие обмотки:

первичную, включаемую в сеть;

вторичную повышающую, дающую выпрямляемое напряжение;

вторичную понижающую, дающую напряжение для накала кенотрона;

вторичную понижающую, дающую напряжение для накала усилительных ламп радиоприёмника.

Иногда между первичной и вторичной обмотками помещается ещё экранная обмотка, предназначенная для защиты приемника от проникновения в него из сети всевозможных помех. Один конец этой обмотки заземляется, а другой изолирован и никуда не включается.

Первичная обмотка делается из нескольких секций, позволяющих включать трансформатор в сеть с различным напряжением.

Напряжение сети нередко колеблется под влиянием изменения нагрузки. Днем оно бывает нормальным, например 220 В, а вечером падает до 180-190 В, ночью и ранним утром повышается до 230-240 В. В таких случаях первичную обмотку иногда разбивают на ещё более мелкие секции (делают отводы, рассчитанные на напряжение 90, 100, 110, 120, 130, 180, 200, 220 и 240 В). Такая секционированная первичная обмотка позволяет подключать к сети количество витков, соответствующее фактическому напряжению, и таким образом обеспечивает нормальные напряжения для работы приемника.

Если от сети с колеблющимся напряжением питается радиоприемник или какое-либо другое радиоустройство, трансформатор которого не имеет подобных мелкосекционированных обмоток, приходится прибегать к помощи автотрансформатора. Последний специально изготовляется с большим числом отводов, переключая которые можно регулировать напряжение, подводимое к приемнику.

Вторичная повышающая обмотка силового трансформатора при однополупериодном выпрямлении состоит из одной секции без всяких отводов, а при двухполупериодном выпрямлении она рассчитывается на вдвое большее напряжение и имеет отвод от средней точки.

На качество изготовления вторичной обмотки должно быть обращено особое внимание, так как в ней получаются высокие напряжения. Для получения хорошего сглаженного тока при двухполупериодном выпрямлении обе половины повышающей обмотки должны быть совершено одинаковы. Поэтому их лучше наматывать не одну поверх другой, а располагать в соседних секциях каркаса.

Накальные обмотки трансформаторов наматываются из относительно толстого провода (1-2 мм). Обмотка накала кенотрона в схеме выпрямителя соединена с плюсом высокого напряжения, поэтому она должна быть особенно тщательно изолирована от сердечника трансформатора, других его обмоток и экрана.

Все обмотки трансформатора для лучшего использования его объема и для предохранения от пробоя изоляции проводов следует наматывать аккуратно, виток к витку. Слои обмоток нужно отделить один от другого тонкой пропарафинированной бумагой, а между обмотками прокладывать слой изолировочной ленты, тонкого электрокартона или два-три слоя лакоткани (специально изоляционной ткани, пропитанной лаком).

Чтобы крайние витки сползали в щель между щечкой каркаса и краем обмотки и верхние витки не касались нижних, находящихся под большим напряжением один относительно другого, прокладки следует делать на 6-8 мм шире длины каркаса, а края этой прокладки надрезаны и загнуты.

Каркас для намотки трансформатора обычно изготовляется из специального электрокартона или обычного плотного картона. Размеры каркаса определяются размерами стального сердечника трансформатора.

Сердечник трансформатора для уменьшения в нем вихревых токов изготовляется из тонких листов (0,35-0,5 мм) специальное трансформаторной стали. Каждая пластина трансформатора с одной стороны оклеивается тонкой папиросной бумагой или покрывается слоем изолирующего лака. Используемые в настоящее время трансформаторные пластины чаще всего имеют Ш-образную форму. Применяются также пластины Г-образной формы.

3. Трансформатор высоковольтный испытательный

Электрический однофазный трансформатор, предназначенный для испытания электрической прочности изоляции электрических машин, силовых и измерительных трансформаторов, выключателей, изоляторов и оборудования электрических установок с напряжением промышленной частоты. Трансформатор высоковольтный испытательный имеет высокопрочную изоляцию (масляную, реже воздушную) вторичной (высоковольтной) обмотки и обеспечивает сохранение в заданных пределах синусоидальной формы вторичного напряжения при изменении первичного синусоидального напряжения. Один трансформатор высоковольтный испытательный обеспечивает напряжение порядка 750 - 1000 кВ; более высокие испытательные напряжения получают при каскадном включении нескольких трансформатор высоковольтный испытательный статическое (не имеющее подвижных частей) устройство, преобразующее переменный ток одного порядка в переменный ток другого порядка (при неизменной частоте).

Рисунок 2 - ТИОГ-250 Трансформатор испытательный однофазный газонаполненный

Испытательные трансформаторы в зависимости от мощности, потребляемой объектами испытания, могут быть разделены на две группы (табл. 8 и 9): трансформаторы, применяемые для испытания изоляции подстанционного оборудования, т. е. объектов с емкостью до 10 000 пФ и с номинальным напряжением 6, 10, 35 кВ и более; трансформаторы, применяемые для испытания изоляции вращающихся машин, номинальное напряжение которых не превышает 24 кВ, но емкость весьма значительна.

Трансформаторы ИОМ-100/25 выполняются с гладким баком, снабжены расширителем, располагаемым на крышке, и предназначены для работы с глухим заземлением одного конца обмотки ВН. Обмотки ВН трансформаторов выполняются с изоляцией одного (линейного) конца на полное номинальное напряжение; другой (нулевой) конец обмотки выводится на крышку бака через проходной изолятор 3 6 кВ. Трансформаторы допускают работу с возбуждением до полного номинального высшего напряжения в течение 30 мин. При напряжении, равном 2/3 номинального, трансформаторы могут работать длительно. Трансформаторы допускают следующие нагрузки: /ном -- 30 мин, 0,6 /ном -- неограниченное время. При возбуждении трансформаторов выше 0,6Сном они должны защищаться шаровыми разрядниками, установленными на напряжение не выше 1,2Uном.

Таблица 1. Однофазные и трехфазные силовые трансформаторы, используемые в качестве испытательных

*В числителе приведено напряжение при последовательном соединении ветвей обмотки ВН, в знаменателе -- при параллельном. Примечание. По требованию заказчика трансформаторы изготовляются на одно из указанных значений номинального напряжения обмотки НН.

Таблица 2. Специальные испытательные трансформаторы

С тем чтобы иметь возможность производить испытание трансформатором ИОМ-100/25 объектов большой емкости при напряжении ниже номинального, в ПНУ треста «Спецэлектромонтаж» было осуществлено секционирование катушек обмотки ВН трансформатора. Конструктивно обмотка ВН разделена на восемь катушек (1 8), каждая из которых рассчитана на рабочее напряжение 12,5 кВ (рис. 3,'а)

Рисунок 3 - Схемы реконструкции обмоток ВН испытательных трансформаторов ИОМ-100/20 и ИОМ-100/25: а -- при соединении катушек обмотки ВН (до реконструкции); б -- при получении испытательного напряжения 25 и 75 кВ; в -- при получении испытательного напряжения 50 и 100 кВ; 1--8 -- катушки обмотки ВН; 9 -- крышка трансформатора с дополнительными выводами

Меняя схему соединения катушек и сочетание их, можно получать от испытательного трансформатора рабочий ток от 2 А при напряжении 12,5 кВ до 0,25 А при напряжении 100 кВ. Для этого необходима установка на крышке бака трансформатора нескольких дополнительных проходных изоляторов. На крышку бака трансформатора выведены отводы от катушек 6,4 и 7. Пересоединение этих отводов позволяет получить от испытательного трансформатора значения напряжений: 100, 75, 50 и 25 кВ (рис. 3, б, в), что обеспечивает с его помощью испытание напряжением промышленной частоты объектов емкостью до 0,3 мкФ (рис. 4).

*При кратковременном режиме работы не более 1 ч. Примечания: 1. Обозначения регуляторов напряжения расшифровываются следующим образом: первая буква указывает вид изделия (А-автотрансформатор), вторая - число фаз (О - однофазный), третья - систему охлаждения (С - сухой, М -масляный), четвертая - систему регулирования напряжения; 20 или 40 -номинальный ток нагрузки; 220 - номинальное первичное напряжение: ЛATP - лабораторный автотрансформатор.

2. Обозначения регулировочных трансформаторов расшифровываются следующим образом: первая буква указывает вид трансформатора (Р - регулировочный), вторая - число фаз (О - однофазный), третья буква Т - трансформатор, четвертая - систему охлаждения (М - масляный); цифра в числителе - номинальная мощность: цифра в знаменателе - класс изоляции вторичного напряжения.

Конструктивно регуляторы состоят из тороидального или стержневого типа, на который намотана однослойная обмотка с эмалевой или бумажной изоляцией.

По наружной, зачищенной от изоляции, стороне обмотки перемещается один или два (в зависимости от количества регулируемых цепей) токосъемных контактных ролика. Исследования нагрузочной способности выпускавшегося ранее регулятора РНО-250-10, проведенные б. ОРГРЭС, показали, что последний в заводском исполнении допускает кратковременную одноминутную перегрузку до 4,5 /ном, т. е. 180 А. Усиление контактной системы, заключающееся в удвоении количества токосъемных угольных роликов, позволяет увеличить нагрузочную способность регулятора этого типа до 6,5 /ном, т. е. до 250--260 А. При этом работа с регулятором требует соблюдения следующих условий: продолжительность повышения напряжения и время испытания не должны превышать соответственно 0,5 и 1 мин; пауза между первыми двумя испытаниями при естественном охлаждении регулятора должна составлять не менее 10 мин, между вторым и третьим -- не менее 20 мин, а перед следующим циклом, состоящим также из трехразового повышения напряжения, -- не менее 2 ч; все контактные соединения должны быть тщательно поджаты и находиться в масле; соединительные провода должны присоединяться к зажимам с помощью латунных шайб или иметь наконечники; контактные ролики должны обладать достаточной твердостью; каждый контактный ролик должен иметь контактное давление 25--40 Н, причем у каждой контактной пары роликов оно должно быть одинаково. Для усиления контактной системы регулятора РНО-250-10 необходимо изготовить две новые детали: ось и скобу. Два дополнительных ролика могут быть демонтированы из обычно неиспользуемой второй контактной системы. Крепление реконструированной контактной системы к траверсе не изменяется. Для создания необходимого контактного давления на каждом конце траверсы устанавливается по две пластинчатые пружины, которые перед установкой подгоняются (укорачиваются на 2-3 мм). После сборки контактной системы динамометром измеряется контактное давление, которое определяется по усилию, необходимому для отрыва роликов от обмотки.

Регулирование напряжения автотрансформаторами серии РОТМ осуществляется за счет изменения индуктивной связи обмоток, расположенных на магнитопроводе, путем перемещения вдоль обмоток подвижной короткозамкнутой катушки. При перемещении короткозамкнутой катушки напряжение изменяется от нуля до номинального значения. Верхнее положение катушки соответствует минимальному значению регулируемого напряжения, нижнее -- максимальному (рис. 4). Для перемещения катушки автотрансформаторы имеют электропривод и ручной привод.

Рисунок 4 - Регулирование напряжения автотрансформатором РОТМ: а - верхнее положение катушки; б - среднее положение катушки; в - нижнее положение катушки; 1 - сердечник; 2 - вторичная обмотка; 3 - первичная обмотка

Продолжительность перемещения подвижной катушки от нижнего крайнего положения до верхнего с помощью электропривода - около 1 мин. Асимметрия по фазам отрегулированного напряжения не превышает 2 %. По мере понижения регулируемого вторичного напряжения мощность автотрансформатора пропорционально уменьшается, а индуктивное сопротивление увеличивается (рис. 5). По данным Московского электрозавода им. В. В. Куйбышева, кратковременная перегрузка автотрансформаторов, работающих в цикле одна минута работы -- три минуты перерыв, может достигать двукратного значения.

В связи с отсутствием стандартных регуляторов напряжения мощностью 20 кВ-А, необходимых для питания испытательных трансформаторов при испытаниях большим током, прожигании кабелей и других работах, в ряде организаций разработаны свои конструкции регулировочных устройств. Одна из конструкций тиристорного регулятора разработана СКТБ ВКТ Мосэнерго и предназначена для регулирования и автоматического поддержания в заданных пределах тока прожигания. Регулятор питается от сети 220 В и обеспечивает на выходе регулирование напряжения в пределах 0--210 В. Длительный ток нагрузки 60 А, ток нагрузки в течение одного часа 80 А. Структурная схема устройства приведена на рис. 6. Устройство состоит из силового блока, блока формирования импульсов, блока ограничения тока, блока пуска и блока питания. Силовой блок предназначен для регулирования напряжения, приложенного к первичной обмотке прожигательного трансформатора, и представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора. Блок управления предназначен для формирования управляющих импульсов. В нем применен однополупериодиый магнитный усилитель. Блок ограничения тока предназначен для стабилизации тока прожигания, осуществляемой по принципу обратной связи по току. Блок пуска предназначен для снятия броска тока в момент включения устройства, а также обеспечивает регулирование тока прожигания только с нулевого значения. Для визуального контроля тока прожигания устройство снабжено стрелочным измерительным прибором.

Рисунок 5 - Зависимость реактивного сопротивления автотрансформатора от значения регулируемого напряжения

Рисунок 6 - Структурная схема тиристорного регулятора: 1 - блок питания: 2 - силовой блок: 3 - блок управления; 4 - блок ограничения тока; 5 - блок пуска; 6 - блок трансформаторов; 7 - прожигательный трансформатор

В качестве нагрузочных или регулировочных устройств активной мощности при испытании электрооборудования иногда применяют одно- или трехфазные жидкостные реостаты. Жидкостные реостаты состоят из сосуда с пресной, подкисленной или подсоленной водой, в котором расположены металлические электроды, выполненные из меди, латуни, оцинкованной стали и т. д. Нагрузка регулируется изменением или площади электродов, погружаемых в электролит, или расстояния между подвижным и неподвижным электродами (рис. 7).

Рисунок 7 - Конструкции жидкостных реостатов: г, б - с регулированием нагрузки изменением площади соответственно серповидного и сферического электродов; в - с изменением расстояния между электродами; 1 - подвижный электрод; 2 - неподвижный электрод; 3 - изолирующая подставка

Жидкостные реостаты при относительно небольших габаритах имеют простую и дешевую конструкцию, способны поглощать значительную мощность и обеспечивать плавное регулирование нагрузки. Одним из основных недостатков реостатного регулирования является зависимость внутреннего сопротивления реостата от температуры электролита. Жидкостные реостаты обычно изготовляются кустарным путем. Расчет жидкостного реостата сводится к определению площади электродов, удельного сопротивления и количества электролита. Площадь электродов, см2, погружаемых в электролит, определяется по формуле

где J -- плотность тока, А/см*; Рис„ -- нагрузка испытательной установки, В-А; (У„с„ -- напряжение на стороне НН испытательной установки, В. Плотность тока принимается 0,5--1,5 А/см2 соответственно для загрязненной и чистой воды.

Удельное сопротивление электролита, Ом * см,

где i/n„T -- напряжение питающей сети, В; L -- расстояние между электродами, см.

Расстояния между электродами принимаются равными 1--10 см, причем меньшее расстояние относится к жидкостным реостатам с пресной водой, а большее -- с подкисленной или подсоленной водой. Минимальное количество электролита, л, в реостате определяется по формуле

где т -- продолжительность нагрузки, мин; At -- повышение температуры электролита в реостате за время его работы, °С.

Таблица 3. Удельное сопротивление раствора углекислой соды

Рабочая температура электролита в реостате не должна превышать 60 °С.В качестве электролитов находят применение растворы поваренной соли или углекислой соды.

Удельные сопротивления электролитов при разных температурах в зависимости от концентрации соды приведены в табл. 3.

Удельные сопротивления раствора поваренной соли, в зависимости от концентрации, приведены ниже:

4. Испытательные трансформаторы для испытания повышенным выпрямленным напряжением

Ток, проходящий через исправную изоляцию испытуемого объекта при его испытании выпрямленным напряжением, обычно не превышает 5--10 мА, что и определяет требование к мощности трансформатора. Напряжение трансформатора выбирается в соответствии с наивысшим испытательным напряжением, принятым для испытуемых объектов.Значения испытательных напряжений в зависимости от номинального напряжения электрооборудования или кабелей приведены в табл. 15.

Таблица 4. Предельные значения испытательных напряжений

Регулировочные устройства должны обеспечивать плавное регулирование напряжения на трансформаторе от нуля до полного испытательного напряжения. Ступень регулирования напряжения не должна превышать 1--1,5 % значения номинального напряжения обмотки трансформатора, что обеспечивается регулировочными устройствами, например РНО или ему подобными (табл. 16).

Таблица 5. Технические данные однофазных регуляторов напряжения

* Наибольшее значение приведено для кратковременного режима работы регулятора не более 1 ч.

Параметры регулировочного устройства (по току и мощности) определяются испытательным трансформатором, работающим в режиме, близком к холостому ходу.

Заключение

Электрический высоковольтный испытательный трансформатор, предназначенный для испытания электрической прочности изоляции электрических машин, силовых и измерительных трансформаторов, выключателей, изоляторов и оборудования электрических установок с напряжением промышленной частоты.

Список литературы:

1. Справочник по проектированию электрических сетей / под редакцией Д.Л. Файбисовича. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. - 320 с. ил.

2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. Т.1. Высшая школа. М., 1987.

3. Китаев В.Е. Трансформаторы. Москва, «Высшая школа», 1974

4. http://forca.ru

Размещено на Allbest.ru