Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Для транспорта электрической энергии на значительное расстояние, уменьшения технических потерь используются высоковольтные силовые трансформаторы (СТ). Они работают на принципе трансформации, преобразуя электрическую энергию 1 параметра в другую размерность путём электромагнитной индукции. С этой целью электрическая энергия, полученная со щёточного устройства генераторов по шинам подаётся в трансформаторы для повышения и дальнейшей передачи.

Силовой трансформатор 500 МВА

Конструкция

Силовые трансформаторы делаются масляными, сухими. Высоковольтный аппарат представляет собой сложное инженерное оборудование.

В аппарат входит:

• Станина установки.
• Прямоугольный масляный бак.
• Термосифонный фильтр.
• Магнитопроводы.
• Обмотки низкого потенциала (2-слойная цилиндрическая).
• Обмотки высокой амплитуды.
• Вводные проходные изоляторы 2 классов амплитуды.
• Расширительная ёмкость.
• Газовое реле.
• Переключающее устройство РПН.
• Моторный привод.
• Радиаторы с вентиляторами, охладителями.
• Привод переключающего устройства.
• Запорная арматура по маслу, воде, газу.

По количеству фаз трансформаторы выпускают: однофазные, трёхфазные.

Схема

Схема силового трансформатора включает в себя несколько основных элементов. К ним относятся:

• Сердечник (магнитопривод).
• Остов с балками (нижняя и верхняя).
• Низковольтная и высоковольтная обмотки.
• Отводы.
• Регулировочные ответвления.
• Нижняя часть вводов.

На основе с балками закрепляются все составные детали. Магнитопривод необходим для снижения потерь при прохождении магнитного потока через контуры. Он изготавливается из электротехнической стали.

В сердечнике магнитопривода листы металла собирают по определенной схеме. Стержни с обмотками должны приближаться по форме к кругу. Подобная конфигурация позволяет облегчить намотку проводников. Стыки между отдельными пластинами сердечника перекрываются цельными листами.

Обмотка выполняется из проводов круглой или прямоугольной формы сечения. Между слоями и самими обмотками оставляются зазоры для циркуляции охладительного компонента.

Принцип работы

Работа СТ осуществляется на законах электротехники. СТ ничем не отличаются от обыкновенного трансформатора. Проходящий в первичной обмотке ток изменяется во временном диапазоне гармониками. Он создаёт в магнитопроводах мощный поток магнитных полей. Индукция проникает сквозь витки вторичной обмотки, создаётся электродвижущая сила.

Принцип работы трансформатора

Съём нагрузок происходит с проходных изоляторов вторичной обмотки на крыше трансформатора. Параметры тока вторичной обмотки держат не выше расчётной величины. В таком состоянии силовые установки работают месяцами, продолжительное время. Преобразуется 1 потенциал амплитуды низкого потенциала (6 – 10 кВ) электричества в высокий класс амплитуды (35, 110, 220, 500, 1100 кВ).

В рабочем режиме СТ подключён шинами РУ, линией электропередачи на нагрузку потребителей энергии. Без отбора мощности происходит повышение частоты электрического тока. СТ работающие в группе разгружены, близки к режимам работы на холостом ходу. При отборе мощности потребителями уменьшается частота электрического тока, трансформатор грузится на 100 – 140% мощность. При стабилизации частоты 50 + (0,5-1%) силовые установки переводятся на стабильный номинальный режим работы. В период испытаний он кратковременно включается на режимы коротких замыканий. Проверяются 99,99% электрических характеристик агрегата, проводится наладка режимов его работы.

Также читайте: Измерительный трансформатор тока

Режим короткого замыкания

Трансформаторы бывают повышающие и понижающие, что бы это определить нужно узнать коэффициент трансформации, с его помощью можно узнать какой трансформатор. Если коэффициент меньше 1 то трансформатор повышающий(также это можно определить по значениям если во вторичной обмотке больше чем в первичной то такой повышающий) и наоборот если К>1, то понижающий(если в первичной обмотке меньше витков чем во вторичной).

Формула по вычислению коэффициента трансформации

где:

• U1 и U2 – ВН и НН напряжения,
• N1 и N2 – количество витков в первичной и вторичной обмотке,
• I1 и I2 – ток в первичной и вторичной обмотки.

Система отвода тепла

В процессе преобразования электроэнергии часть потерь выделяется в виде тепла, поэтому система его отвода неизменно присутствует в любом СТ. Мощные аппараты снабжены для этого специальной двухконтурной системой, охлаждение масла в которой производится следующими способами:

• Посредством радиаторов (см. Е на рис. 4), обеспечивающих отвод тепла во вторичную или внешнюю среду.
• Бак-корпус с гофрированной поверхностью (применяется в маломощных аппаратах).
• Установка вентиляционного оборудования. Такое решение позволяет увеличить производительность на четверть.

  
  Вентиляторы принудительной системы охлаждения СТ

• Дополнительные системы водяного охлаждения. Это один из самых простых и эффективных способов отвода тепла.
• Применение специальных насосов, обеспечивающих циркуляцию масла в системе отвода тепла.

Устройства управления рабочим напряжением

В некоторых случаях возникает необходимость повысить или понизить напряжение нагрузки СТ, для этой цели в большинстве конструкций предусмотрено специальный переключатель. По сути, он меняет коэффициент трансформации путем переключения на большее или меньшее число витков в катушках.

Как правило, такие манипуляции выполняются при снятой нагрузке, но существуют устройства позволяющие изменять КТ без отключения потребителей.

Виды дополнительного оборудования

Для обеспечения стабильной работы и обслуживания СТ их конструкция может включать следующие устройства, именуемые навесным или дополнительным оборудованием:

• Реле давления газа, представляет собой защитную систему. Если СТ переходит в нештатный режим работы, то в результате большого выделения тепла происходит разложение масла. Данный процесс сопровождается выделением газа. При его быстром образовании срабатывает защита, отключающая аппарат от питания и нагрузки. Если процесс газообразования протекает медленно, включается оповещение.
• Термоиндикаторы, показывают нагрев масла в различных узлах системы отвода тепла.

  
  Индикатор температуры масла

• Влагопоглотители. Применяются в негерметичных масляных системах отвода тепла, препятствуют образованию водяного конденсата.
• Системы маслорегенерации.
• Датчики давления, если оно превышает определенный порог, автоматически включается устройство сброса для нормализации.
• Датчик уровня заполнения масла в системе отвода тепла.

Основное назначение

Промышленный СТ производят на крупных электротехнических заводах страны. Промышленность выпускает установки мощностью свыше 1 млн. кВА. Амплитуда классов промышленных напряжений достигает 1,15 – 1,5 мегавольт. СТ с генераторов ТЭС снимает со щёточных аппаратов ток амплитудой до 24 кВ. Дальнейшее повышение амплитуды происходит в СТ до классов: 110 – 1150 кВ. По территории России ЛЭП работают амплитудой: 10 – 1050 кВ. Потребителям по ВЛ понижающими устройствами ток подаётся амплитудой: 0,4 -10 кВ промышленного назначения, 220 – 380 В сферы ЖКХ, населению МКД, частных секторов.

Схема передачи электроэнергии

В сетях подстанций происходит многократного цикла трансформация электричества. Она меняется регулярно мощными СТ. Их потенциал, амплитуды в 30 раз выше, снятой со щёточных аппаратов генераторов ТЭС, ГЭС, АЭС, ВЭС. Промышленный СТ поддерживает постоянной частоту тока 50 (+/- 1%) Гц. Предел отклонения по ПУЭ держат 1% по причине выхода из строя всех установок потребителей. СТ промышленного применения делают 3-фазного исполнения. Для 1-фазной сети производят 1-фазные устройства.

Классификация

Трансформаторы ТМФ можно классифицировать по следующим параметрам:

• количество обмоток – две и более;
• климатическое исполнение – наружная и внутренняя установка;
• мощность трансформатора – от 250 кВ×А и выше;
• класс номинального напряжения первичной обмотки ВН – от 6 до 10 кВ;
• назначение – устанавливаются на понизительных либо повышающих подстанциях;
• возможность регулировки выходного напряжения – регулируемые и нерегулируемые.

Расшифровка маркировки

Расшифровка маркировки, для увеличения схемы нажмите на неё

Для увеличения таблицы нажмите на неё

По числу и схеме соединения обмотки

СТ состоят из 2 или нескольких обмоток. Они индуктивно связаны внутри аппарата. Передающие силовые обмотки электрическую мощность потребителям, называют вторичной обмоткой. Многофазного типа силовая установка обмотками соединяется в звезду многими лучами. 3-фазные трансформаторы соединяются 3-лучевой схемой звезды, треугольник.

Как выбрать

Показатели характерные СТ для строительства, монтажа ТЭС, ГЭС, АЭС, ДЭС являются: мощность, надёжность электрического питания. По отдельным категориям потребителей электричества важным фактором является надёжность электроснабжения. При подборе устройств уделяют внимание защите ЛЭП. Высокая степень финансовой эффективности СТ – проектирование оптимальной сети распределительных устройств: ОРУ, ЗРУ, ВРУ по передаче электроэнергии.

К затратам покупки, обслуживания трансформаторов относят устройства преобразования электроэнергии. Предприятие на перспективу развивает, проводит реконструкцию производства. Меняются требования по технической оснащённости электрических сетей характеристики силовых трансформаторов.

Обеспечение бесперебойного питания предприятия делается установкой второго СТ. 1-ый находится постоянно в работе. 2-ый считается резервным. Периодически 1 из 2 аппаратов выводят в капитальный, средний, текущий ремонт, наладку, на испытания сетей, оборудования. На предприятии устанавливают 2 агрегата с условием работы каждого аппарата с коэффициентом загрузки мощности 0,7 от номинального параметра. При выходе из строя 1 работающего аппарата из 2. Один аппарат постоянно переводится в режим резерва. При эксплуатации возникают: неисправности, проблемы с защитами, нарушения в работе оборудования РУ, подстанции. 2 работающий агрегат становится под перегруз мощности в 1,4 раза, т.е второй трансформатор можно перегружать только на 40%.

Защиты трансформатора

Ставятся стандартного типа защиты по ПУЭ:

1. Токовая защита нулевой последовательности от внешних замыканий на землю п.3.2.63.
2. Защиту от токов, вызванных внешними КЗ п.3.2.64.
3. Оперативное ускорение защиты от токов, обусловленных внешними КЗ с выдержкой времени 0,5 сек п.3.2.65 (АТ подстанций, блок-генератор СТ).
4. Газовая защита добавочного трансформатора п.3.2.71.
5. Защита контактного устройства РПН с реле давления, отдельным газовым реле п.3.2.71.
6. Дифференциальная токовая защита цепей стороны низшего напряжения (АТ) п.3.2.70 – 3.2.71.
7. Дифференциальная защита перегруза фаз.
8. От внутренних повреждений: уровень + давление масла, температура обмотки, стали сердечника, наличию газов.

Панель защит СТ:

Условия эксплуатации

СТ требуется высокая степень надёжности с большими значениями напряжения, мощности. Это влияет на качество эксплуатации, профилактику. Делаются регламентные работы правильного, полного технического обслуживания, ремонта, испытаний, наладки. Трансформаторы и оборудование находятся в месте постоянного дежурства персонала. Графиками ежедневного осмотра, приборами контроля, измерения проверяется состояние работы электрической сети, трансформаторов.

Контролируют показания датчиков приборов, измеряют:

• Температуру.
• Давление.
• Уровень масла.
• Степень истощённости влагопоглотителей.
• Состояние регенераторов масла.

Также читайте: Измерительный трансформатор тока — ТШП

Проверяется потёки масла в каре трансформатора, ОРУ, ЗРУ, механические повреждения в корпусе, фланцевых местах соединений (масла, охлаждающей жидкости), радиаторов, вентиляторов, участков труб. Контролируется число работающих вентиляторов, уровень масла в газоанализаторе при определённой нагрузке трансформатора. Для каждого режима даётся своё количество работающего оборудования, параметры охлаждающей среды, газа, воды, масла. В устройствах с постоянным дежурством персонала, осмотры делаются реже: 1 раз в 30 дней. Не реже 1 раза в ½ года делается осмотр ОРУ, ВРУ, ЗРУ, трансформаторных пунктов.

По графику обслуживания, при ТО доливается масло, смена непригодного трансформаторного масла новым составом. Определяется качество масла химическим лабораторным анализом. В ПУЭ, инструкции трансформаторов, оборудования даются критерии к требованиям масел, визуальному осмотру, цвету. При аварийных режимах, резкой смене температуры наружного воздуха делаются внеплановые осмотры.

Проверке подлежит защита. 1 раз в 365 дней, капитальный ремонт берут на лабораторный анализ масло. Периодичность ТО устройств регулирования напряжения силовых трансформаторов связана с проверкой контактов меди, латуни окисляемости. Делается им профилактика, зачистка, смазка, переборка, подтяжка динамометрическим ключом для уменьшения переходного сопротивления в контактном узле.

С целью смены плёнки окислов 2 раза в 365 дней отключают трансформаторы от электроэнергии, снимают их нагрузку на 0, переключатели ставят во всевозможные регулируемые положения по нескольку раз. Методы смены положений делают в переходный осенний зимний период до максимального набора нагрузки.

Требования к распределительным устройствам: ОРУ, ЗРУ, ВРУ

ЛЭП подключается с ввода удалённой подстанции. Распределительные устройства: ОРУ, ВРУ, ЗРУ рассчитывают на протяжённость участка линии. СТ, ВЛ в РУ защищают от перенапряжения, токов короткого замыкания. Между РУ генерации электроэнергии и потребителем ставятся системы понижения напряжения. На 2 узлах: РУ, электрической подстанции ставятся мощные сивые установки. Они занимаются трансформацией электроэнергии большой мощности.

К промышленным относят мощные установки:

1. Силовые трансформаторы.
2. Автотрансформаторы.

Транспорт электрической энергии на далёкие расстояния требует уменьшать потери в РУ, оборудовании, магистральной сети. Применяется метод трансформации электричества. С генераторов электрический ток подаётся в СТ. Повышается напряжение до амплитуды ЛЭП.

Также вы можете прочитать информацию в книге, со страницы 55 до 76:Открыть книгу для чтения

Принцип действия

Работа устройства, преобразующего ток, основывается на принципе электромагнитной индукции. Ток переменного напряжения поступает на обмотку, создавая переменное магнитное поле. Последнее способствует дальнейшему образованию электрического тока.

Масло, обладающее высокими диэлектрическими свойствами, заливается в бак, оснащённый задвижками и вкручивающейся пробкой. Находящееся в нижней части запорный вентиль позволяет производить отбор проб масла для анализа. Для увеличения поверхности бака могут использоваться пластины из металла, ускоряющие процедуру теплообмена между маслом и внешним воздушным слоем.

Попадая в бак, масло начинает движение по внутреннему и внешнему кругу. Функцию первого круга выполняют два коллектора, образующих радиатор.

Температура радиатора может понижаться естественным способом либо с помощью специально предусмотренной вентиляционной системы. Такая система, с одной стороны, эффективно охлаждает оборудование, с другой — сокращает его нагрузочные показатели в среднем на 25%.