Ремонт и обслуживание трансформаторов

Для повышения электрической  прочности при воздействии атмосферных  напряжений две первые и две последние  катушки первичной (высоковольтной) обмотки обычно выполняют с усиленной  изоляцией. Усиление изоляции ухудшает охлаждение, поэтому площадь сечения  проводов этих катушек берут большей, чем для остальных катушек  первичной обмотки.

Винтовую параллельную обмотку  используют в качестве нерегулируемой части вторичной обмотки. Ее витки  наматывают по винтовой линии в осевом направлении подобно резьбе винта. Обмотку выполняют из нескольких параллельных проводов прямоугольного сечения, прилегающих друг к другу  в радиальном направлении. Между  отдельными витками и группами проводов располагают каналы для прохода  охлаждающей жидкости.

 

Рис. 7. Непрерывная спиральная (а) и винтовая (б) обмотки мощных трансформаторов электрического подвижного состава: 1 — выводы; 2,6 — каналы для  прохода охлаждающей жидкости; 3 — катушки; 4 — опорные кольца; 5 — рейки; 7 — бакелитовый цилиндр; 8 — проводники обмотки

Главная особенность силовых  трансформаторов - использование бумажно-масляной изоляции с охлаждением циркулирующим  маслом в баке, защищенном от I окружающего воздуха. Большие мощности трансформаторов и их классы напряжения определяют высокую степень использования активных материалов, способных выдерживать опасные тепловые воздействия и высокие напряженности электрического и магнитного полей, а также большие механические воздействия при КЗ в сети, от которых трансформатор, в отличие от генератора, не защищен предвключенным реактивным сопротивлением.

Отсюда при эксплуатации возникает необходимость учета  неизбежного старения бумажной изоляции, жесткого контроля, ведущего к быстрому старению и нагреву изоляции, периодической  подпрессовке обмоток, тщательного  изолирования масла от воздействия  окружающего воздуха (защита от увлажнения). И все это - при недоступности  активной части трансформатора.

По основным видам конструкции (форме сердечника) трансформаторы делятся на стержневые (охватываемые обмоткой) и броневые (охватывающие обмотку). Трансформаторы броневого  типа широко применяются за рубежом.

По видам изоляции и  хладагента основную часть занимают силовые трансформаторы с бумажно-масляной изоляцией и охлаждением с  естественной или принудительной, направленной циркуляцией масла. Для размещения в пожароопасных зонах используются трансформаторы с полимерной (сухой) изоляцией и воздушным охлаждением, с элегазовой изоляцией и, в самое  последнее время, с обмоткой кабельного типа, имеющей полиэтиленовую изоляцию.

 

 

1.3  Принцип работы трансформаторов

Принцип работы трансформатора связан с принципом электромагнитной индукции. Ток поступающий на первичную  обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной  обмоткой подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной  обмотке переменный ток создаёт  переменный магнитный поток в  магнитопроводе, сдвинутый по фазе, при синусоидальном токе, на 90° по отношению к току в первичной  обмотке. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток  в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в  первичной, ЭДС индукции пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой  на 90° по отношению к магнитному потоку. Когда вторичные обмотки  ни к чему не подключены (режим холостого  хода), ЭДС индукции в первичной  обмотке практически полностью  компенсирует напряжение источника  питания, поэтому ток через первичную  обмотку невелик, и определяется в основном её индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей  обмотки w2 к числу витков первичной  обмотки w1: U2=U1w2/w1.

При подключении вторичной  обмотки к нагрузке, по ней начинает течь ток. Этот ток также создаёт  магнитный поток в магнитопроводе, причём он направлен противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной  обмоткой. В результате, в первичной  обмотке нарушается компенсация  ЭДС индукции и ЭДС источника  питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке, до тех  пор, пока магнитный поток не достигнет  практически прежнего значения. В  этом режиме отношение токов первичной  и вторичной обмотки равно  обратному отношению числа витков обмоток (I1=I2w2/w1,) отношение напряжений в первом приближении также остаётся прежним.

Схематично, выше сказанное  можно изобразить следующим образом:

U1 > I1 > I1w1 > Ф > ε2 > I2.

Магнитный поток в магнитопроводе трансформатора сдвинут по фазе по отношению к току в первичной  обмотке на 90°. ЭДС во вторичной  обмотке пропорциональна первой производной от магнитного потока. Для синусоидальных сигналов первой производной от синуса является косинус, сдвиг фазы между синусом и  косинусом составляет 90°. В результате, при согласном включении обмоток, трансформатор сдвигает фазу приблизительно на 180°. При встречном включении  обмоток прибавляется дополнительный сдвиг фазы на 180° и суммарный  сдвиг фазы трансформатором составляет приблизительно 360°.

Трансформаторы имеют  магнитопроводящие сердечники и  токопроводящие обмотки. Для лучшего  охлаждения сердечники и обмотки  мощных трансформаторов погружаются  в бак, наполненный маслом. Сердечники трансформаторов состоят из стержней, на которых размещаются обмотки, и ярм, которые служат для проведения потока между стержнями. Различают  два вида сердечников: стержневой и  броневой.

Броневой сердечник имеет  разветвлённую магнитную систему, вследствие этого поток в ярме составляет половину от потока стержня, на котором расположены обмотки.

Трёхфазные трансформаторы выполняются обычно стержневыми. Их сердечники состоят из расположенных  в одной плоскости трёх стержней, соединённых ярмами. Магнитная система  таких трансформаторов несколько  несимметрична, так как магнитная  проводимость потока крайних стержней и среднего – является неодинаковой.

Вследствие изменения  потока, в контурах стали сердечника индуктируется ЭДС, вызывающая вихревые потоки, которые стремятся замкнуться по контуру стали, расположенному в  поперечном сечении стержня. Для  уменьшения вихревых токов, сердечники трансформатора набираются из изолированных  прямоугольных пластин электротехнической стали толщиной 0,5мм или 0,35мм. Для  уменьшения зазоров в местах стыков, слои сердечника, набранные различными способами, чередуются через один. После сборки, листы верхнего ярма вынимаются и на стержнях устанавливаются обмотки, после чего ярмо вновь заштыховывается. Листы сердечника изолируются лаком или бумагой, имеющей толщину 0,33мм, и стягиваются при помощи изолированных шпилек.

В большинстве случаев  в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические  обмотки, имеющие вид размещённых  концентрически полых цилиндров. Обычно ближе к сердечнику размещается  обмотка низшего напряжения, требующая  меньшей толщины изоляции сердечника.

По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные, обмотки которых погружены в  масло и сухие, охлаждаемые воздухом. Мощные силовые трансформаторы имеют  масляное охлаждение. Трансформатор  в большинстве случаев не является твёрдым телом, а содержит большое  количество жидкого масла, которое  оказывает значительное влияние  на теплопередачу.

В большинстве случаев  в трансформаторах электропередач применяются так называемые концентрические  обмотки, которые имеют вид размещенных  концентрически полных  цилиндров (одна в другой). Обычно ближе к сердечнику размещается обмотка низшего  напряжения, требующая меньшей толщины  изоляции сердечника.

В трансформаторах мощностью  до 560 кВ·А концентрическая обмотка  выполняется по типу цилиндрической обмотки, а в большинстве случаев  имеющей два слоя. Слои обмотки  выполняются из провода круглого или прямоугольного сечения. Провод наматывается впритык по винтовой линии  вдоль образующей цилиндра.

В трансформаторах больших  мощностей концентрическая обмотка  низшего напряжения выполняется  по типу винтовой, в которой между  двумя соседними по высоте витками  оставляется канал.

В трансформаторах на напряжение 35 кВ и более применяют концентрическую  обмотку, выполненную по типу непрерывной, в которой, в отличие от винтовой, каждый виток состоит из нескольких концентрически намотанных витков обмотки. Катушки этой обмотки наматываются непрерывно одним проводом без пайки. При воздействии осевых сжимающих  усилий, возникающих при внезапных  коротких замыканиях, наиболее надежными  являются непрерывные обмотки.

 

 

1.4  Опыт холостого хода 

 

Для испытания трансформатора служит опыт холостого хода и опыт короткого замыкания.

При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка  разомкнута и тока в этой обмотке  нет (/2—0).

Если первичную обмотку  трансформатора включить в сеть источника  электрической энергии переменного  тока, то в этой обмотке будет  протекать ток холостого хода I0, который представляет собой малую  величину по сравнению с номинальным  током трансформатора. В трансформаторах  больших мощностей ток холостого  хода может достигать значений порядка 5— 10% номинального тока. В трансформаторах  малых мощностей этот ток достигает  значения 25—30% номинального тока. Ток  холостого хода I0 создает магнитный  поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами.

Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно  больше активной мощности, то коэффициент  мощности cos φ его весьма мал и  обычно равен 0,2-0,3.

По данным опыта холостого  хода трансформатора определяется сила тока холостого хода I0, потери в стали  сердечника Рст и коэффициент  трансформации К.

Силу тока холостого хода I0 измеряет амперметр, включенный в  цепь первичной обмотки трансформатора.

При испытании трехфазного  трансформатора определяется фазный ток  холостого хода.

О потерях в стали сердечника Pст судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной  обмотки трансформатора.

Коэффициент трансформации  трансформатора равен отношению  показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной  обмоток.

 

1.5  Схема трансформатора на холостом ходу

 

 

 

 

Рис. 8. – Схема однофазного  трансформатора

Холостым ходом трансформатора называется режим работы, когда к  первичной обмотки трансформатора приложено напряжение, а вторичная  обмотка находится в разомкнутом  состоянии, следовательно, ток в  первичной обмотке является намагничивающим, при этом величина его незначительна  и составляет 5–8% от величины номинального тока. При холостом ходе трансформатора, не обращая внимания на падение напряжения в первичной обмотке трансформатора I01·z1, можно принять, что э.д.с. в  обеих обмотках трансформатора численно равны напряжениям на их зажимах:

E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02.

Разделим э.д.с. первичной  обмотки на э.д.с. вторичной обмотки, получим:

E1/E2=W1/W2, следовательно, э.д.с., индуктируемые в обмотках трансформатора, пропорциональны числам витков  обмоток.

Так как при холостом ходе E1 ≈ U01 и E2 ≈ U02, то можно записать:

E1/E2 ≈ U01/U02=W1/W2.

Значит, и напряжение на первичной  стороне U1, а также и на вторичной  стороне U2 трансформатора пропорциональны  числам витков обмоток трансформатора.

 

1.6  Опыт холостого короткого замыкания трансформатора

 

 

При коротком замыкании вторичной  обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого  замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток  вызывает сильный нагрев обмоток  трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его  при коротких замыканиях.

При опыте короткого замыкания  вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно  нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.

По данным опыта короткого  замыкания определяют величину потерь в меди Ям, т. е. потерь на нагрев обмоток. Чаще проводят опыт трехфазного короткого  замыкания, при котором подводимое напряжение снижается до 10—20% от U ном  для электродвигателей с фазным ротором и до 20—30% для электродвигателей  с коротко- замкнутым ротором. Можно  также проводить опыт короткого  замыкания при однофазном токе, подводя  напряжение поочередно к двум выводам  статорной обмотки (ротор заторможен).