Электрические машины и трансформаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрические машины и трансформаторы



Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Электроэнергия, вырабатываемая генераторами электростанций, при передаче к потребителям претерпевает многократную трансформацию в повышающих и понижающих трансформаторах. Поэтому установленная мощность трансформаторов в энергосистеме превышает мощность генераторов в 4 - 5раз.

Применяют:

- однофазные и трехфазные трансформаторы;

- двухобмоточные и трехобмоточные трансформаторы;

- автотрансформаторы.

Трехфазные трансформаторы по сравнению с однофазными экономичней (на 20 - 25% меньше стоимость, на 12 - 15% меньше потери) и проще в эксплуатации. Поэтому в основном применяют 3-х фазные трансформаторы. Группы из трех однофазных трансформаторов применяют при больших мощностях (более 100 МВА) по условиям изготовления или по условиям транспортировки.

Двухобмоточные трансформаторы (35/6-10 кВ; 110/6-10 кВ) применяются в тех случаях, когда на подстанции нужно иметь одно вторичное напряжение. Если требуется получить два вторичных напряжения, применяются трехобмоточные трансформаторы (220/110/6-10 кВ, 110/35/6-10 кВ). В них суммарная мощность обмоток среднего и низшего напряжений может быть равна мощности обмотки высшего напряжения или все обмотки рассчитаны на одинаковую мощность.

Разновидностью трехобмоточного трансформатора является трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения (110/10/10 кВ; 110/6/6 кВ или 110/10/6 кВ). Обмотка низшего напряжения (НН) состоит из двух ветвей, расположенных симметрично обмотке высшего напряжения. Каждая ветвь рассчитана на 0,5 . Трансформаторы с расщепленной обмоткой имеют большое сопротивление, что позволяет ограничить токи короткого замыкания на стороне НН.

В электроустановках 220-500 кВ применяют силовые автотрансформаторы (АТ). Если в трансформаторах, имеющих самостоятельные обмотки первичного и вторичного напряжения, уложенные на общиймагнитопровод, передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется электромагнитным путем, то в автотрансформаторах имеет место и электрическая связь между обмотками.

Для силовых трансформаторов и АТ применяют буквенно-цифровые обозначения, установленные ГОСТом.

В типе трансформаторов последовательно указывают:

1. Т - трехфазный;

О - однофазный.

2. С - естественное воздушное охлаждение;

М - естественное масляное охлаждение;

Д - масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла;

ДЦ - масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла;

Ц - масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла.

3. Т - трехобмоточный;

Р - с расщепленной вторичной обмоткой;

без обозначения - двухобмоточный.

Буква А перед обозначением обозначает автотрансформатор.

Буква Н после обозначения обозначает наличие устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

Примеры: ТДТН - трансформатор трехфазный с масляным охлаждением с дутьем трехобмоточный с РПН; ТРДН - трансформатор трехфазный с масляным охлаждением, с дутьем, с расщепленной вторичной обмоткой, с РПН; ТДН - трансформатор трехфазный с масляным охлаждением, с дутьем, двухобмоточный, с РПН; АТДЦТН - автотрансформатор трехфазный с масляным охлаждением, с дутьем и принудительной циркуляцией масла, трехобмоточный, с РПН.

Номинальные параметры трансформаторов

Номинальным называется режим работы трансформатора, для которого он предназначен заводом-изготовителем. Условиями, определяющими номинальный режим работы, являются:

- номинальная мощность, , кВА, МВА;

- номинальное напряжение, , кВ;

- номинальный ток, , А;

- номинальные условия охлаждающей среды;

- напряжение короткого замыкания, ;

- ток холостого хода, ;

- потери холостого хода, ;

- потери короткого замыкания, .

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в паспорте значение полной мощности, на которую трансформатор может быть нагружен непрерывно в номинальных условиях установки и охлаждающей среды при номинальной частоте и напряжении. Если обмотки трансформатора имеют разные мощности, то за номинальную принимают наибольшую (обычно ВН). За номинальную мощность АТ принимается номинальная мощность сторон, имеющих автотрансформаторную связь. Ее называют "проходной" мощностью.

Номинальное напряжение обмоток - это напряжение первичной и вторичных обмоток при холостом ходе (линейные - для 3-хфазных или - для однофазных трансформаторов Номинальным коэффициентом трансформации для 2-х обмоточных трансформаторов называют

.

Для 3-хобмоточных трансформаторов определяют коэффициент трансформации каждой пары обмоток.

Номинальными токами обмоток трансформатора называют токи, определяемые по их номинальным мощностям и номинальным напряжениям. Под номинальной нагрузкой понимают нагрузку, равную номинальному току.

Напряжение короткого замыкания () - это напряжение в процентах от номинального, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора в замкнутой накоротко другой обмотке ток равен номинальному. Оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора. Для 3-х обмоточных трансформаторов и АТ приводится для каждой пары обмоток (при разомкнутой третьей).

Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери в стали и выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода и короткого замыкания определяют экономичность работы трансформатора. Они характеризуют потери в стали (на вихревые токи и гистерезис) и потери в обмотках при протекании по ним токов нагрузки.

Схемы и группы соединения обмоток

Обмотки обычно имеют схемы соединений: звезда ; звезда с выведенной нейтралью; треугольник Размещено на http://www.allbest.ru/

.

Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток выражают группой соединений. При разных схемах соединений обмоток может быть получено 12 групп соединений.

При схемах Y / Y - группы: 2, 4, 6, 8, 10, 0.

При схемах /Y или Y/ - группы: 1, 3, 5, 7, 11.

Обмотку ВН обычно соединяют в Y , что позволяет экономить изоляцию , а обмотку НН - в, так как при этом ток в фазе будет , что позволяет снизить расход меди.

Соединение обмоток вс выведенной нулевой точкой применяется в том случае, когда нейтраль обмотки заземляется. Эффективное заземление нейтралей обязательно в трансформаторах 300 кВ и выше и во всех АТ. Системы 110 - 220 кВ, как правило, работают с эффективно-заземленной нейтралью. Однако для уменьшения токов однофазного короткого замыкания часть трансформаторов может работать с изолированнойнейтралью. При этом в режиме разземленнойнейтрали последняя защищается от перенапряжений, так как изоляция нулевых выводов не рассчитана на полное напряжение.

Элементы конструкции трансформаторов

Основными элементами конструкции являются:

- магнитопровод;

- обмотки;

- изоляция;

- выводы;

- бак;

- охлаждающие устройства;

- устройства регулирования напряжения;

- защитные и измерительные устройства;

- тележка (каретка с катками).

Магнитопроводсоставляет остов трансформатора. Он выполняется из листов электротехнической стали, изолируемых бумагой.или лаком. Стержни магнитопровода стягиваются стеклобандажами а ярма - стальными бандажами.

На остове магнитопровода устанавливают обмотки - концентрические или чередующиеся. Чаще применяются концентрические обмотки, чередующиеся - только в специальных трансформаторах (печных, сухих).

Для проводников обмоток используют алюминий (при мощности трансформаторов до 6300кВА) или медь.

Для изоляции масляных трансформаторов используются:

- масло и твердые диэлектрики;

- масло и бумага;

- масло и электрокартон;

- масло и гетинакс;

- масло и дерево.

Масло заполняет бак трансформатора, обеспечивая междуфазную изоляцию и изоляцию от заземленного бака.

В сухих трансформаторах применяются изолирующие материалы на основе кремнийорганических соединений.

Магнитопровод вместе с обмотками и отводами от них к вводам составляют активную часть.

Активную часть помещают в бак. Крышку бака используют для установки вводов, расширителя, термометров. На стенках бака укрепляют охлаждающие устройства - радиаторы. В трансформаторах небольшой мощности бак выполняют с верхним разъемом. При ремонтах снимают крышку и поднимают активную часть из бака. Если масса активной части больше 25 тонн, она устанавливается на донную часть бака, а затем накрывается колоколообразной верхней частью бака. При ремонтах не требуется выемки активной части. Баки экранируются пакетами электротехнической стали или немагнитными материалами.

Расширитель представляет собой цилиндрический бак, соединенный трубками с баком. В него вытесняется масло при повышении его уровня в баке при нагреве. При понижении уровня масла в расширитель всасывается воздух через силикагелевый фильтр. Фильтр осушает воздух, чтобы влажный воздух не вызывал снижения диэлектрических свойств масла. Так как силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух (особенно при резких колебаниях нагрузки), в современной энергетике широкое применение получают герметичные баки с заполнением свободного пространства под крышкой инертным газом.

На крышке бака размещают защитные и измерительные устройства: маслоуказатель, термометры, реле понижения уровня масла.

Системы охлаждения силовых трансформаторов

Большинство трансформаторов имеют масляное охлаждение. Охлаждение масляных трансформаторов выполняют:

- естественным масляным;

- естественным масляным с искусственным воздушным;

- масловодяным;

- масловоздушным.

При естественном масляном (М) охлаждении тепло от обмоток и магнитопровода передается маслу, а от него через стенки и крышку бака - окружающему воздуху. При этом происходит естественная циркуляция масла в баке. Трансформаторы малой мощности имеют гладкие стенки бака, трансформаторы средней мощности - трубчатые или снабженные трубчатыми радиаторами.

Приестественном масляном с принудительным воздушным дутьем (Д) охлаждение осуществляется обдувом трубчатых радиаторов от двигателей - вентиляторов, размещенных внутри радиаторов. При этом масло проникает в радиаторы естественным образом. Пуск и остановка всех или части вентиляторов в зависимости от температуры может осуществляться вручную или автоматически.

При масловодяном (Ц)охлаждении (рис. 3.1)центробежный насос (1) забирает горячее масло из верхней части бака, прогоняет его черезводяной охладитель (2) и возвращает в нижнюю часть бака через воздухоотделитель (3).

Рис. 3.1. Схема масловодяного охлаждения

Трансформаторы с масловодяным охлаждением имеют гладкие стенки бака, а так как масловодяное охлаждение применяют только для мощных трансформаторов, даже на холостом ходу система циркуляции должна быть включена. силовой трансформатор обмотка нагрузка

При масловоздушном (ДЦ, НДЦ)охлаждениимасло насосами прогоняется через воздушные охладители.

Масловодяное и масловоздушное охлаждение применяются для трансформаторов большой мощности. Маслоохладители могут быть установлены на стенках бака или выносными.

Сухие трансформаторы имеют воздушное охлаждение (С). Применяется для трансформаторов небольшой мощности, если по условиям пожароопасности невозможна установка масляного трансформатора (в производственных помещениях, общественных зданиях). Воздушное охлаждение выполняется в разных исполнениях:

- С - открытом;

- СЗ - защищенном;

- СГ - герметизированном;

- СД - с принудительной циркуляцией воздуха.

Нагрузочная способность трансформаторов

Для силовых трансформаторов кроме номинальной мощности используется понятие "нагрузочной способности", критерием которой является срок службы трансформатора.

В процессе эксплуатации трансформатор, мощность которого выбрана по максимальной нагрузке, часть суток может быть недогружен. В результате уменьшается износ изоляции, а срок службы увеличивается и трансформатор по своим техническим показателям устареет раньше, чем износится изоляция. Поэтому в эксплуатации считают возможным превышать номинальную нагрузку, но при этом срок службы был не менее 20 - 25 лет.

Нагрузочная способность трансформатора - это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.

Допустимая нагрузка - это длительная нагрузка, при которой износ изоляции обмоток не превосходит износ при номинальном режиме.

Перегрузка - режим, при котором износ изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Систематические перегрузки трансформатора возможны за счет неравномерности его нагрузки в течение суток. Максимальная допустимая систематическая нагрузка определяется при условии, что наибольшая температура обмотки не превышает 140^ОС, а наибольшая температура масла в верхних слоях - 95⁰ С. Для определения допустимой систематической перегрузки используются графики нагрузочной способности трансформаторов.

ГОСТ 14209-85 содержит 36 графиков (рис. 3.2) нагрузочной способности (для разных систем охлаждения, значений постоянной времени нагрева трансформаторов и эквивалентной температуры окружающей среды).



Рис. 3.2. График нагрузочной способности трансформаторов

На графиках:

К₁ - коэффициент начальной нагрузки (предшествующей перегрузке);

К₂ - коэффициент допустимого превышения нагрузки.

Кривые построены для разных продолжительностей t перегрузки.

Для вычисления и исходный суточный график (на рис. 3.3 показан пунктиром) приводят к эквивалентному двухступенчатому графику с нагрузками

Рис. 3.3. Двухступенчатый график нагрузки

,

,

где - нагрузка i- й ступени графика нагрузки;

- продолжительность i-й ступени;

- номинальная мощность трансформатора;

- число ступеней, где нагрузка меньше ;

- число ступеней, где нагрузка больше .

Нагрузка определяется за интервал времени 10 часов, предшествующий началу наибольшей перегрузки. Затем вычисляют:

; и .

Если , принимают

Если , принимают .

После вычисления К₁и К₂по графику нагрузочной способности определяют продолжительность допустимого превышения нагрузки t. Если , такая перегрузка допустима.

Если зимние и летние графики нагрузки совпадают, то принимают годовую эквивалентную температуру охлаждающей среды. Если графики различаются, расчет делают отдельно для зимнего и летнего графиков.

Нагрузки более 1,5· допустимы только по согласованию с заводом-изготовителем, более 2· - не разрешаются.

Аварийная перегрузка определяется предельно допустимой температурой обмоток +140^ОС и температурой масла +115^ОС. Такая перегрузка допускается в аварийных ситуациях.

Величина допустимой аварийной перегрузки определяется ГОСТ 14209-85 в зависимости от (коэффициента начальной нагрузки), температуры охлаждающей среды в момент аварии и длительности перегрузки. Точный расчет систематических нагрузок и аварийных перегрузок производится на основании расчета его температурного режима (теплового расчета).

Тепловой расчет трансформаторов

Тепловой расчет заключается в вычислении температуры масла и обмоток трансформатора в течение суток.

Превышение температуры масла (в верхних слоях) над температурой окружающей среды.

,

где - превышение температуры масла, соответствующее коэффициенту начальной нагрузки .

;

- превышение температуры масла, соответствующее .

;



где - превышение температуры масла при номинальной нагрузке;

- отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода

;

где - постоянная времени нагрева трансформатора;

- показатель степени, который зависит от системы охлаждения.

Превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды

,

где - суммарный перепад температур между наиболее нагретой точкой изоляции и верхними слоями масла при номинальной нагрузке.

Температуры масла и обмоток:

; ,

где - температура окружающей среды.

Износ изоляции характеризуется величиной относительного износа - отношением суточного износа изоляции в рассматриваемом режиме к номинальному (в условиях, когда температура обмотки в наиболее нагретой точке постоянна и равна 98С). Величина L определяется в соответствии с "шестиградусным правилом" (при увеличении температуры на 6С срок службы изоляции уменьшается в два раза):

,

где m - показатель степени, равный:

.

Особенности автотрансформаторов

Однофазный трансформатор имеет две независимые обмотки, уложенные на общий магнитопровод.

Автотрансформатор (рис. 3.4) имеет одну обмотку, к концам которой (АХ) приложено напряжение , а между средней точкой и одним из концов (аX) - снимается напряжение

Под действием в части обмотки Аа (последовательной) течет ток , создавая магнитный поток, который наводит ЭДС и ток во второй части обмотки аХ (общей)

Во вторичную цепь () течет ток (благодаря наличию электрической связи) и ток (благодаря магнитной связи)

.

Ток в общей обмотке

.



Рис. 3.4. Схема однофазного автотрансформатора

Полная мощность, передаваемая с первичной на вторичную обмотку (если пренебречь потерями)

.

Если преобразовать это выражение, получим:

.

Следовательно, полная передаваемая мощность имеет две составляющие:

- мощность, передаваемая магнитным путем или трансформаторная мощность ;

- мощность, передаваемая электрическим путем или электрическая мощность.().

В номинальном режиме полная мощность , которую называют проходной, является номинальной мощностью., а трансформаторная мощность - типовой мощностью. .

Изрис 3.4 следует, что мощность последовательной обмотки

.

Мощность общей обмотки

.

Трансформаторная мощность определяет размеры магнитопровода, а отношение

,

где - коэффициент трансформации.

- коэффициент выгодности автотрансформатора по сравнению с обычным трансформатором или коэффициент типовой мощности.

Если через выразить мощность общей обмотки

.

Таким образом, мощности последовательной и общей обмоток не превышают типовой мощности.

Автотрансформаторы 220 - 500 кВ, как правило, имеют третичную обмотку напряжением 6 (10) кВ, которая не связана электрически с первичной и вторичной. Третья обмотка используется для подключения источников мощности (генераторов и синхронных компенсаторов) на электростанциях, питания близлежащих потребителей или потребителей собственных нужд подстанций и электростанций. Мощность третьей обмотки не может быть больше , так как магнитопровод, через который передается энергия из первичной обмотки в третью, рассчитан на типовую мощность.

Автотрансформаторы могут работать в разных режимах (рис. 3.5):

а, б) Автотрансформаторные режимы. Мощность может передаваться в обоих направлениях - при этом общая и последовательная обмотки нагружены мощностью , на которую и рассчитаны.

в, г) Трансформаторные режимы. Мощность третьей обмотки равна , поэтому может быть передана мощность .В случае в) мощность общей обмотки равна типовой и она загружена на всю передаваемую мощность , поэтому передать на сторону СН какую-то дополнительную мощность со стороны ВН невозможно, хотя последовательная обмотка и не загружена полностью. В режиме г) общая и последовательная обмотка вместе нагружены на . Поэтому еще некоторая мощность может быть передана со стороны СН на сторону ВН. д,е,ж,з) - Комбинированные режимы. В режиме д) в общей обмотке суммируются токи, передаваемые автотрансформаторным и трансформаторным способом. Поэтому режим д) допускается при условии, что . В режиме е) в последовательной обмотке суммируются токи, передаваемые автотрансформаторным и трансформаторным путем. Следовательно, режим г) допустим, если .

В случаях ж) и з) соотношения и условия д) и е) остаются такими же.

Рис. 3.5. Режимы работы автотрансформаторов

Для трехфазного автотрансформаторасправедливы все полученные соотношения.

Схема трехфазногоавтотансформатора приведена на рис 3.6.Нейтральная точка, общая для обмоток ВН и СН, должна быть заземлена.

Рис. 3.6. Схема трехфазного трансформатора

Регулирование напряжения трансформаторов

Регулирование напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента трансформации

Если обмотки трансформатора выполнить с отпайками (ответвлениями), то можно изменять число витков (коэффициент трансформации) и вторичное напряжение.

Переключение ответвлений может производиться при отключенном от сети состоянии (ПБВ - переключение без возбуждения) или в процессе работы трансформатора автоматически (РПН - регулирование под нагрузкой).

Устройства ПБВ обеспечивают регулирование напряжения в пределах . Для этого обмотки со стороны ВН имеют 2 или 4 ответвления. Переключатель осуществляет регулирование одновременно в трех фазах или в каждой фазе отдельно. Принцип действия устройства ПБВ показан на рис. 3.7.

Если трансформатор работал на основном выводе (Х₂ У₂ Z₂), то переключают ответвления на Х₁ У₁ Z₁ уменьшая . Коэффициент трансформации увеличивается и повышается вторичное напряжение .

Переключения ПБВ вручную производятся несколько раз в год, осуществляя сезонное регулирование напряжения.

Рисунок 3.7. Принцип действия устройства ПБВ



Зимой нагрузки увеличиваются, увеличиваются потери напряжения в сетях и понижается напряжение у потребителей. Поэтому ПБВ переключают на крайнюю отпайку - 5%. Летом - на отпайку + 5%. Могут быть промежуточные положения (при четырех отпайках).

Устройства РПН позволяют регулировать напряжение ступенями ). Отпайки выполняют на стороне ВН.

Переключатель (П) обеспечивает грубую регулировку (добавляется или исключается сразу несколько витков bc).

Избиратель (И) тонкой регулировки добавляет или убирает по одному витку. Переключение регулировочной обмотки de должно осуществляться без разрыва цепи и замыкания накоротко витков, Для этого применяются специальные переключающие устройства с реакторами или резисторами, включающимися в моменты перехода с одной отпайки на другую. Переключения резисторов осуществляется контакторами. В современных устройствах РПН применяют бесконтактные тиристорные переключатели.

На автотрансформаторах ответвления выполняют вблизи нейтральной точки или на конце обмотки общей обмотки. На стороне третичной обмотки дополнительно устанавливается регулировочный трансформатор.

Размещено на Allbest.ru