Устройство трансформатора
Магнитопровод. Трансформаторы могут быть трех видов: стержневые, броневые и тороидальные, принадлежность к одной из групп определяет конфигурация магнитопровода.
На рис. 1а изображен стержневой трансформатор. Стержни магнитопровода 1 охватывают обмотки 2. В броневом трансформаторе, который изображен на рис. 1б, наоборот, обмотки 2 частично охвачены магнитопроводом 1, который как бы служит броней обмоткам. Обмотки в трансформаторе тороидального типа (рис. 1в) равномерно распределены по окружности магнитопровода 1.
Рис. 1. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов
Трансформаторы, имеющие среднюю и большую мощность, как правило, изготавливают стержневыми. Их конструкция наиболее простая, что облегчает процессы осуществления изоляции и ремонтные работы на обмотках. Их плюсами можно назвать лучшее охлаждение, поэтому обмоточных проводов расходуется меньше. Маломощные однофазные трансформаторы изготавливают броневого или тороидального типа, их вес и стоимость меньше, по сравнению со стержневыми, так как уменьшается число катушек и упрощается их изготовление и сборка. Тяговые трансформаторы, в которых регулировка осуществляется на той стороне, где сопротивление меньше, делают стержневыми, если же регулировка осуществляется на стороне большего напряжения — броневыми.
Для изготовления магнитопроводов трансформаторов используется листовая электротехническая сталь с целью уменьшения потерь, вызываемых вихревыми токами (рис. 2). Берут лист, толщина которого не превышает 0,35-0,5 мм.
Рис. 2. Магнитопроводы однофазного тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные шпильки; 4 — основание для установки катушек; 5 — ярмо
В основном, используют горячекатаную сталь с большим содержанием кремния, также может использоваться холоднокатаная сталь. Листы изолируются с использованием лака или тонкой бумаги. У среднемощного трансформатора стержни магнитопровода могут иметь сечение в виде квадрата или креста, у самых мощных сечение ступенчатое, почти круглой формы (рис. 3, а). Такое сечение позволяет сделать периметр стержня минимальным при заданной величине площади поперечного сечения, это дает возможность уменьшить длину витков обмоток и, соответственно, минимизировать расход обмоточных проводов. В наиболее мощных трансформаторах делают каналы между стальными пакетами, из которых состоят стержни.
Ширина таких каналов варьируется в пределах 5—6 мм, в них происходит циркуляция охлаждающего масла. Сечение ярма, соединяющего стержни, обычно имеет прямоугольную форму, а его площадь должна быть на 10—15% больше, чем площадь сечения стержней. Благодаря этому сталь нагревается меньше, минимизируются потери мощности.
Собирается магнитопровод для силовых трансформаторов из листов, имеющих прямоугольную форму. Ярмо и стержни сочленяются так, чтобы их листы перекрывались внахлест. Для этого листы смежных слоев сердечника собирают таким образом (рис. 3, б, г): листами ярма 3, 4 и стержней 1, 3 последующих слоев перекрываются стыки в соответствующих листах слоя предыдущего. Тем самым в местах сочленения магнитное сопротивление значительно снижается. Финишная сборка магнитопровода осуществляется после того, как катушки установлены на стержни (рис. 3 в).
В маломощных устройствах сборочный процесс магнитопроводов производится из штампованных стальных листов, имеющих Ш- и П-образную форму, либо берут штампованные кольца (рис. 4 а—в).
Широко распространены и магнитопроводы (рис. 4, г—ж), навивка которых осуществляется узкой лентой из электротехнической стали (холоднокатаной) либо из сплавов железа и никеля.
Обе обмотки, первичная и вторичная, с целью улучшить магнитную связь, располагают на самом малом допустимом расстоянии друг от друга, при этом на каждый стержень магнитопровода ставят одну или две обмотки 2 и 3.
Рис. 3 Формы поперечного сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)
Рис. 4. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)
Обмотки размещаются концентрически одна сверху другой (рис. 5, а). Возможно и выполнение обмоток 2 и 3 как перемежающихся секций из дисков — катушек (рис. 5, б). Для первого случая обмотки именуются концентрическими, во втором варианте — чередующимися (дисковыми). В основном, в силовых трансформаторах применяются концентрические обмотки, ближе к стержням расположена низковольная обмотка, которой требуется меньшая изоляция от магнитопровода трансформатора, высоковольтная обмотка расположена снаружи.
Бывает и так, что в трансформаторах броневого вида применяются дисковые обмотки. Тогда по краям стержня ставят катушки от низковольтной обмотки. Соединяться отдельные катушки могут последовательно или параллельно. В трансформаторах ЭПС у вторичной обмотки имеется несколько выводов, служащих для изменения напряжения, которое подается к тяговым двигателям, тогда на каждый стержень ставятся по три концентрические обмотки (рис. 5, в). Нерегулируемую часть 4 обмотки вторичной размещают ближе к стержню, а в центре размещают первичную обмотку 5 большего напряжения, над ней располагается регулируемая часть 6 вторичной обмотки. Так как регулируемая часть данной обмотки размещена снаружи, выполнение выводов от ее витков значительно упрощается.
В трансформаторах небольшой мощности применяют многослойные обмотки, провод имеет сечение круглой формы, изоляция может быть эмалевой или хлопчатобумажной. Провод накручивают на каркас, сделанный из электрокартона. Изоляция слоев производится прокладками, сделанными из специальной бумаги, также используется пропитанная лаком ткань.
Рис. 5. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических трехслойных (в) обмоток трансформатора
В мощных трансформаторах, стоящих на ЭПС, тяговых подстанциях и т.п., применяют обмотки спиральные непрерывные (рис. 6, а) и параллельные винтовые (рис. 6, б), характеризующиеся высокой надежностью и большой механической прочностью. Непрерывная обмотка в виде спирали служит первичной (высокого напряжения) и регулируемой частью вторичной обмотки (низкого напряжения). Составляет такую обмотку ряд плоских катушек, имеющих один и тот же размер и соединенных последовательно между собой. При этом расположены они одна над другой. Разделяют их прокладки и рейки, сделанные из электрокартона. Этими деталями образованы каналы (горизонтальные и вертикальные), по каналам идет масло (охлаждающая жидкость).
Чтобы повысить электрическую прочность при воздействиях атмосферного напряжения, первые и последние пары катушек первичной (высоковольтной) обмотки изготавливают с усиленной изоляцией. Фактор усиленной изоляции ухудшает охлаждение. Чтобы избежать этого, провода этих катушек должны иметь площадь сечения больше, чем у иных катушек высоковольтной обмотки (первичной).
Винтовую параллельную обмотку применяют как нерегулируемую часть вторичной обмотки. Витки этой обмотки наматывают в направлении оси аналогично винтовой резьбе. Обмотка делается из определенного числа параллельных проводов, сечением прямоугольной формы. Эти провода друг к другу прилегают в радиальном направлении. Разделяют отдельные витки и целые группы проводов каналы с циркулирующей по ним охлаждающей жидкостью.
Рис. 6. 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
Рис. 7. Устройство трансформаторов общего назначения (а) и тягового (б) с масляным охлаждением: 1— термометр; 2 — выводы обмотки высшего напряжения; 3—выводы обмотки низшего напряжения; 4, 6 — пробки для заливки масла; 5 — масломерное стекло; 7 — расширитель; 8 — сердечник; 9, 10 — обмотки высшего и низшего напряжений; 11 — пробка для спуска масла; 12 —бак для охлаждения масла; 13 — трубы для охлаждения масла; 14 — теплообменник; 15 — воздуховоды; 16, 18 — стойки для установки переключателя выводов трансформатора; 17 — заводской щиток; 19 — насос для циркуляции масла; 20 — опорные балки
Количество параллельных проводов зависит от величины тока, который будет проходить по обмотке.
Охлаждающая система. Применяемый способ охлаждения трансформатора определяет его номинальная мощность. Чем она больше, тем интенсивнее должно производиться охлаждение трансформатора.
В трансформаторах небольшой мощности обычно применяют естественное охлаждение воздухом, называются такие устройства «сухими». Тепло от нагреваемых поверхностей магнитопровода и обмоток в них отводится прямо в окружающий воздух. Иногда маломощные трансформаторы находятся в корпусе, который заполняют термореактивными компаундами, основа которых - эпоксидные смолы либо подобные материалы.
В трансформаторах, мощность которых средняя или большая, сердечник и обмотки полностью погружены в бак с минеральным маслом (трансформаторным), его подвергают тщательной очистке (рис. 7, а). Такой способ теплоотвода называется естественное масляное охлаждение. Трансформаторному маслу свойственна более высокая теплопроводность, чем воздуху, оно лучше отводит тепло к стенкам бака от сердечника и обмоток. Площадь охлаждения у бака больше, нежели у трансформатора. А еще погружение трансформатора в бак, заполненный маслом, позволяет повысить электрическую прочность изоляции обмоток и уменьшить ее старение под воздействием атмосферных явлений. Баки для трансформаторов, имеющих мощность 20-30 кВА, изготавливают с гладкими стенками. Для трансформаторов большей мощности (к примеру, стоящих на тяговых подстанциях), с целью повысить теплоотдачу, площадь охлаждения увеличивают, используя трубчатые баки или баки с ребристыми стенками. Масло, нагревающееся в баке, поднимается вверх, а масло, охлаждающееся в трубах, спускается вниз. Создается естественная циркуляция, которая улучшает охлаждение трансформатора.
На ЭПС переменного тока ставят трансформаторы масляного охлаждения, циркуляция масла в них – принудительная, оно идет через теплообменник, который охлаждается воздухом (рис. 7, б). Подобная система охлаждения позволяет увеличить индукцию в сердечнике, в обмотках - плотность тока, таким образом уменьшают массу и размеры трансформатора. В охлаждающую систему обычно ставят струйное реле, чтобы не дать трансформатору включиться, когда в нем нет циркуляции масла.
При работающем трансформаторе масло нагревается, его объем увеличивается. Когда нагрузка уменьшается, оно остывает, и объем становится прежним. Из-за этого масляные трансформаторы комплектуют дополнительным баком — это расширитель, который соединен с внутренней частью основного бака. Как только трансформатор нагревается, масло переходит в расширитель. Использование расширителя ведет к уменьшению площади соприкосновения масла с воздухом, уменьшается загрязнение и увлажнение масла.
Когда трансформатор работает, нагретое масло разлагается и загрязняется, поэтому оно требует периодической очистки и замены. Чтобы избежать взрыва и пожара, масляные трансформаторы стоят в огражденных помещениях. Максимум допустимой температуры для обмоток - 105°С, сердечника — 110°С, верхнего слоя масла - 95°С.
Чтобы предотвратить аварийные ситуации, устройства большой и средней мощности оснащают газовыми реле, их ставят прямо в трубопроводе, между расширителем и главным баком. Если взрывоопасные газы, которые образуются при разложении масла, собираются в большом количестве, такое газовое реле выключит трансформатор в автоматическом режиме, предотвращая возможность аварии. На трансформаторы, мощность которых составляет более 1000 кВА, ставят и выхлопную трубу, закрываемую мембраной из стекла. Большое количество газов выдавит мембрану и выйдет в атмосферу, это исключает деформирование бака.
Рис. 8. Схемы двухобмоточного (а) и многообмоточного (б) трансформаторов
Создание сайта — интернет-агентство