Высоковольтная техника
Трансформаторы: их назначение и классификация
Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям сила тока в линии обуславливает потери энергии в этой линии и расход цветных металлов на ее устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а следовательно, можно будет применить провода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цветных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11—20 кВ; в отдельных случаях применяют напряжение 30—35 кВ. Хотя такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования в производстве и для бытовых нужд, они недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляют повышающими трансформаторами.
Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических аппаратов, приборов и машин на высокое напряжение связано со значительными конструктивными сложностями, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжении требуют усиленной изоляции. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может быть непосредственно использовано для питания приемников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.
Электрическую энергию переменного тока по пути от электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4 раза. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременно и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, используемых для передачи и распределения электроэнергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростанциях.
Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем с использованием магнитопровода.
Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие — для ее распределения между потребителями.
В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока
Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения для питания электроэнергией потребителей. В зависимости от назначения они могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют, как правило, трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжение 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ. (Основные типы трансформаторов ТМГ, ТМЗ, ТМФ, ТМБ, ТМЭ, ТМГСО, ТМ, ТМЖ, ТДТН, ТРДН, ТСЗ, ТСЗН, ТСЗГЛ и другие.)
Измерительные трансформаторы напряжения – это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкалы) и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений.
Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю.
В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).
На рынке России представлены следующие виды трансформаторов напряжения:
3НОЛ.06, ЗНОЛП, ЗНОЛПМ, ЗНОЛ.01ПМИ, 3хЗНОЛ.06, 3хЗНОЛП, 3хЗНОЛПМ, НОЛ.08, НОЛ.11-6.О5, НОЛ.12 ОМ3, ЗНОЛ.06-35 (ЗНОЛЭ-35), ЗНОЛ 35, НОЛ 35, НОЛ-35 III, НАМИТ-10 , ЗНИОЛ, ЗНИОЛ-10-1, ЗНИОЛ-10-П, ЗНИОЛ-20, ЗНИОЛ-20-П, ЗНИОЛ-35, ЗНИОЛ-35-П, ЗНИОЛ-35-1, НИОЛ -20, НИОЛ-35, НОЛ-СЭЩ -10, НОЛ-СЭЩ -10-1, НОЛ-СЭЩ-6, НОЛ-СЭЩ-6-1, НОЛ-СЭЩ-20, НОЛ-СЭЩ-35, 3хЗНОЛ-СЭЩ- 6, 3хЗНОЛ-СЭЩ -10, НАЛИ-СЭЩ-10, НАЛИ-СЭЩ-6, НТМИ 6, НТМИ 10, НАМИ 6, НАМИ 10, НАМИ 35, НАМИ 110, ЗНАМИТ-6, ЗНАМИТ-10, ЗНОМП 35, НОМ 6, НОМ 10, НОМ 35, НКФ 110, НКФ 150, НКФ 220 и другие.
-у измерительных трансформаторов напряжения первичная обмотка 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 66000/√3, 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3, а вторичная 100/√3 или 110/√3.
Трансформатор тока представляет собой вспомогательный аппарат, в котором вторичный ток практически пропорционален первичному току и предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока.
Поставляются с классом точности : 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S.
Трансформаторы тока служат для преобразования тока любого значения и напряжения в ток, удобный для измерения стандартными приборами (5 А), питания токовых обмоток реле, отключающих устройств, а также для изолирования приборов и обслуживающего их персонала от высокого напряжения.
ВАЖНО! Измерительные трансформаторы тока поставляются со следующими коэффициентами трансформации: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000/5, 10000/5.
На рынке России трансформаторы тока представлены следующими моделями:
ТОП-0,66, ТШП-0,66, ТОП-0,66-I, ТШП-0,66-I, ТШЛ-0,66, ТНШЛ-0,66, ТНШ-0,66, ТОЛ-10, ТЛО-10, ТОЛ-10-I, ТОЛ-10-М, ТОЛ-10-8, ТОЛ-10-IM, ТОЛ-10 III, ТШЛ-10, ТЛШ-10, ТПЛ-10-М, ТПОЛ-10, ТПОЛ-10М, ТПОЛ-10 III, ТЛ-10, ТЛ-10-М, ТПЛК-10, ТОЛК-6, ТОЛК-6-1, ТОЛК-10, ТОЛК-10-2, ТОЛК-10-1, ТОЛ-20, ТШЛ-20-I, ТПЛ-20, ТПЛ-35, ТОЛ-35, ТОЛ-35-III-IV, ТОЛ-35 II-7.2, ТЛК-35, ТВ, ТЛК-10, ТПЛ-10С, ТЛМ-10, ТШЛП-10, ТПК-10, ТВЛМ-10, ТВК-10, ТВЛМ-6, ТЛК-20, ТЛК-35-1, ТЛК-35-2, ТЛК-35-3, ТОЛ-СЭЩ 10, ТОЛ-СЭЩ-20, ТОЛ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ 0,66, трансформаторы Ritz, ТПЛ-СЭЩ 10, ТЗЛК(Р)-СЭЩ 0,66, ТВ-СЭЩ-10, ТВ-СЭЩ-20, ТВ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ-10, ТШЛ-СЭЩ-20, ТЗЛВ-СЭЩ-10 и другие.
Классификация трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения различаются:
а) по числу фаз — однофазные и трехфазные;
б) по числу обмоток — двух-обмоточные, трех-обмоточные, четырех-обмоточные.
Пример 0,5/0,5S/10Р;
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки — для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).
Для напряжений до 6-10 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6-10 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения.
Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %.
В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяется литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.
Трехфазные двух-обмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трех-стержневые магнитопроводы, а трех-обмоточные — однофазные броневые.
Трехфазный трех-обмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трех-обмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968—1969 г.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность
В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло.
Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами. Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети — ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.
Кроме указанных трансформаторов с масляным охлаждением (Трансформатор ТМ) выпускаются трансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции.
Сухой трансформатор, так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.
Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.
Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (трансформатор ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.
Классификация трансформаторов тока
Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:
1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные (ТОЛ-СЭЩ-10, ТЛМ-10), защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а так же со многими коэффициентами трансформации).
2. По роду установки различают трансформаторы тока:
а) для наружной установки, устанавливаются в открытых распределительных устройствах (ТЛК-35-2.1 УХЛ1);
б) для внутренней установки;
в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
г) накладные - одевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).
3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся:
а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой);
б) одновитковые (стержневые);
в) шинные (ТШ-0,66).
4. По способу установки трансформаторы тока для внутренней и наружной установки разделяются:
а) проходные (ТПК-10, ТПЛ-СЭЩ-10);
б) опорные (ТЛК-10, ТЛМ-10).
5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы:
а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
в) с заливкой компаундом.
6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:
а) одноступенчатые;
б) двухступенчатые (каскадные).
7. По рабочему напряжению различают трансформаторы:
а) на номинальное напряжение выше 1000 В;
б) на номинальное напряжение до 1000 В.
Сочетание различных классификационных признаков вводится в обозначение типа трансформаторов тока, состоящее из буквенной и цифровой частей.
Трансформаторы тока характеризуются номинальным током, напряжением, классом точности и конструктивным исполнением. На напряжении 6—10 кВ их изготовляют опорными и проходными с одной и двумя вторичными обмотками классов точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Класс точности указывает предельную погрешность, вносимую трансформатором тока в результаты измерений. Трансформаторы классов точности 0,2, имеющие минимальную погрешность, используют для лабораторных измерений, 0,5 — для питания счетчиков, 1 и 3 — для питания токовых обмоток реле и приборов технических измерений. Для безопасной эксплуатации вторичные обмотки должны быть заземлены и не должны быть разомкнуты.
При монтаже распределительных устройств напряжением 6—10 кВ применяют трансформаторы тока с литой и фарфоровой изоляцией, а при напряжении до 1000 В — с литой, хлопчатобумажной и фарфоровой.
Примером может служить ТОЛ-СЭЩ-10 опорный 2-х обмоточный трансформатор тока с литой изоляцией на номинальное напряжение 10 кВ конструктивного варианта исполнения 11, c вторичными обмотками:
- для подключения цепей измерения, с классом точности 0,5 и нагрузкой 10 ВА;
- для подключения цепей защиты, с классом точности 10Р и нагрузкой 15 ВА;
на номинальный первичный ток 150 Ампер, номинальный вторичный ток 5 Ампер, климатического исполнения «У» категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69 при размещении заказа на производство у ЗАО «ВолгаЭнергоКомплект:
ТОЛ-СЭЩ-10-11-0,5/10Р-10/15-150/5 У2 - с номинальным первичным током - 150А, вторичным - 5А.
Принцип действия и устройство трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней электродвижущую силу ( ЭДС ). Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой ЭДС по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток.
Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения ( ВН ), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения ( НН ). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.
В трех-обмоточных трансформаторах на магнитопровод помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор, питаемый со стороны одной из обмоток, дает возможность получать два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Кроме обмоток высшего и низшего напряжения трех-обмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения ( СН ).
Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения.
Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.
Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Такую же изолирующую прокладку помещают между обмотками высшего и низшего напряжения.
При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня.
Однако стержни круглого сечения изготовлять сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов, и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 15-17. Количество ступеней сечения стержня определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах, а также в обмотках мощных трансформаторов устраивают вентиляционные каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.
В трансформаторах малой мощности площадь сечения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное сечение.
Номинальные данные трансформатора
Полезная мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, т. е. мощность его вторичной обмотки при полной ( номинальной ) нагрузке называется номинальной мощностью трансформатора. Эта мощность выражается в единицах полной мощности — в вольтамперах ( ВА ) или киловольт-амперах (кВА). В ваттах или киловаттах выражается активная мощность трансформатора, т. е. та мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д. Сечения проводов обмоток и всех частей трансформатора, так же как и любого электротехнического аппарата или электрической машины, определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим по проводнику и, следовательно, полной мощностью. Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан, также называются номинальными.
Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора указаны следующие данные:
1. Марка завода-изготовителя.
2. Год выпуска.
3. Заводской номер.
4. Обозначение типа.
5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.
6. Номинальная мощность ( кВА ). (Для трехобмоточных указывают мощность каждой обмотки. )
7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток ( В или кВ ).
8. Номинальные токи каждой обмотки ( А ).
9. Число фаз.
10. Частота тока ( Гц ).
11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.
12. Напряжение короткого замыкания ( % ).
13. Род установки ( внутренняя или наружная ).
14. Способ охлаждения.
15. Полная масса трансформатора ( кг или т ).
16. Масса масла ( кг или т ).
17. Масса активной части ( кг или т ).
18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.
Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода. Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее:
Т - трехфазный,
О - однофазный,
М - естественное масляное охлаждение,
Д - масляное охлаждение с дутьем ( искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла ),
Ц - масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель,
ДЦ - масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла,
Г - грозоупорный трансформатор,
Н в конце обозначения - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой,
Н на втором месте - заполненный негорючим жидким диэлектриком,
Т на третьем месте - трехобмоточный трансформатор.
Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность ( кВА ), второе число - номинальное напряжение обмотки ВН ( кВ ). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВА и напряжением обмотки ВН 35 кВ. Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной ( обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная ), букву А ставят первой, если автотрансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.
При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям сила тока в линии обуславливает потери энергии в этой линии и расход цветных металлов на ее устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а следовательно, можно будет применить провода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цветных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11—20 кВ; в отдельных случаях применяют напряжение 30—35 кВ. Хотя такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования в производстве и для бытовых нужд, они недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляют повышающими трансформаторами.
Приемники электрической энергии (лампы накаливания, электродвигатели и т. д.) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических аппаратов, приборов и машин на высокое напряжение связано со значительными конструктивными сложностями, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжении требуют усиленной изоляции. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может быть непосредственно использовано для питания приемников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.
Электрическую энергию переменного тока по пути от электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4 раза. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременно и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, используемых для передачи и распределения электроэнергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростанциях.
Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем с использованием магнитопровода.
Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие — для ее распределения между потребителями.
В зависимости от назначения различают силовые трансформаторы, измерительные трансформаторы напряжения и трансформаторы тока
Силовые трансформаторы преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения для питания электроэнергией потребителей. В зависимости от назначения они могут быть повышающими или понижающими. В распределительных сетях применяют, как правило, трехфазные двухобмоточные понижающие трансформаторы, преобразующие напряжение 6 и 10 кВ в напряжение 0,4 кВ. (Основные типы трансформаторов ТМГ, ТМЗ, ТМФ, ТМБ, ТМЭ, ТМГСО, ТМ, ТМЖ, ТДТН, ТРДН, ТСЗ, ТСЗН, ТСЗГЛ и другие.)
Измерительные трансформаторы напряжения – это промежуточные трансформаторы, через которые включаются измерительные приборы при высоких напряжениях. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкалы) и тем самым расширяет пределы измеряемых напряжений.
Трансформаторы напряжения используются как для измерения напряжения, мощности, энергии, так и для питания цепей автоматики, сигнализаций и релейной защиты линий электропередачи от замыкания на землю.
В ряде случаев трансформаторы напряжения могут быть использованы как маломощные понижающие силовые трансформаторы или как повышающие испытательные трансформаторы (для испытания изоляции электрических аппаратов).
На рынке России представлены следующие виды трансформаторов напряжения:
3НОЛ.06, ЗНОЛП, ЗНОЛПМ, ЗНОЛ.01ПМИ, 3хЗНОЛ.06, 3хЗНОЛП, 3хЗНОЛПМ, НОЛ.08, НОЛ.11-6.О5, НОЛ.12 ОМ3, ЗНОЛ.06-35 (ЗНОЛЭ-35), ЗНОЛ 35, НОЛ 35, НОЛ-35 III, НАМИТ-10 , ЗНИОЛ, ЗНИОЛ-10-1, ЗНИОЛ-10-П, ЗНИОЛ-20, ЗНИОЛ-20-П, ЗНИОЛ-35, ЗНИОЛ-35-П, ЗНИОЛ-35-1, НИОЛ -20, НИОЛ-35, НОЛ-СЭЩ -10, НОЛ-СЭЩ -10-1, НОЛ-СЭЩ-6, НОЛ-СЭЩ-6-1, НОЛ-СЭЩ-20, НОЛ-СЭЩ-35, 3хЗНОЛ-СЭЩ- 6, 3хЗНОЛ-СЭЩ -10, НАЛИ-СЭЩ-10, НАЛИ-СЭЩ-6, НТМИ 6, НТМИ 10, НАМИ 6, НАМИ 10, НАМИ 35, НАМИ 110, ЗНАМИТ-6, ЗНАМИТ-10, ЗНОМП 35, НОМ 6, НОМ 10, НОМ 35, НКФ 110, НКФ 150, НКФ 220 и другие.
-у измерительных трансформаторов напряжения первичная обмотка 3000/√3, 6000/√3, 10000/√3, 13800/√3, 18000/√3, 24000/√3, 27000/√3, 35000/√3, 66000/√3, 110000/√3, 150000/√3, 220000/√3, 330000/√3, 400000/√3, 500000/√3, а вторичная 100/√3 или 110/√3.
Трансформатор тока представляет собой вспомогательный аппарат, в котором вторичный ток практически пропорционален первичному току и предназначенный для включения измерительных приборов и реле в электрические цепи переменного тока.
Поставляются с классом точности : 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S.
Трансформаторы тока служат для преобразования тока любого значения и напряжения в ток, удобный для измерения стандартными приборами (5 А), питания токовых обмоток реле, отключающих устройств, а также для изолирования приборов и обслуживающего их персонала от высокого напряжения.
ВАЖНО! Измерительные трансформаторы тока поставляются со следующими коэффициентами трансформации: 5/5, 10/5, 15/5, 20/5, 30/5, 40/5, 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 1500/5, 2000/5, 2500/5, 3000/5, 5000/5, 8000/5, 10000/5.
На рынке России трансформаторы тока представлены следующими моделями:
ТОП-0,66, ТШП-0,66, ТОП-0,66-I, ТШП-0,66-I, ТШЛ-0,66, ТНШЛ-0,66, ТНШ-0,66, ТОЛ-10, ТЛО-10, ТОЛ-10-I, ТОЛ-10-М, ТОЛ-10-8, ТОЛ-10-IM, ТОЛ-10 III, ТШЛ-10, ТЛШ-10, ТПЛ-10-М, ТПОЛ-10, ТПОЛ-10М, ТПОЛ-10 III, ТЛ-10, ТЛ-10-М, ТПЛК-10, ТОЛК-6, ТОЛК-6-1, ТОЛК-10, ТОЛК-10-2, ТОЛК-10-1, ТОЛ-20, ТШЛ-20-I, ТПЛ-20, ТПЛ-35, ТОЛ-35, ТОЛ-35-III-IV, ТОЛ-35 II-7.2, ТЛК-35, ТВ, ТЛК-10, ТПЛ-10С, ТЛМ-10, ТШЛП-10, ТПК-10, ТВЛМ-10, ТВК-10, ТВЛМ-6, ТЛК-20, ТЛК-35-1, ТЛК-35-2, ТЛК-35-3, ТОЛ-СЭЩ 10, ТОЛ-СЭЩ-20, ТОЛ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ 0,66, трансформаторы Ritz, ТПЛ-СЭЩ 10, ТЗЛК(Р)-СЭЩ 0,66, ТВ-СЭЩ-10, ТВ-СЭЩ-20, ТВ-СЭЩ-35, ТШЛ-СЭЩ-10, ТШЛ-СЭЩ-20, ТЗЛВ-СЭЩ-10 и другие.
Классификация трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения различаются:
а) по числу фаз — однофазные и трехфазные;
б) по числу обмоток — двух-обмоточные, трех-обмоточные, четырех-обмоточные.
Пример 0,5/0,5S/10Р;
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки — для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).
Для напряжений до 6-10 кВ трансформаторы напряжения изготовляют сухими, т. е. с естественным воздушным охлаждением. Для напряжений выше 6-10 кВ применяют масляные трансформаторы напряжения.
Трансформаторы внутренней установки предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от -40 до + 45°С с относительной влажностью до 80 %.
В однофазных трансформаторах напряжения на 6 к 10 кВ преимущественно применяется литая изоляция. Трансформаторы с литой изоляцией полностью или частично (одни обмотки) залиты изоляционной массой (эпоксидной смолой). Такие трансформаторы, предназначенные для внутренней установки, выгодно отличаются от масляных: имеют меньшие массу и габаритные размеры и почти не требуют ухода в эксплуатации.
Трехфазные двух-обмоточные трансформаторы напряжения имеют обычные трех-стержневые магнитопроводы, а трех-обмоточные — однофазные броневые.
Трехфазный трех-обмоточный трансформатор представляет собой группу из трех однофазных однополюсных единиц, обмотки которых соединены по соответствующей схеме. Трехфазные трех-обмоточные трансформаторы напряжения старой серии (до 1968—1969 г.) имели бронестержневые магнитопроводы. Трехфазный трансформатор меньше по массе и габаритам, чем группа из трех однофазных трансформаторов. При работе трехфазного трансформатора для резерва нужно иметь другой трансформатор на полную мощность
В масляных трансформаторах основной изолирующей и охлаждающей средой является трансформаторное масло.
Масляный трансформатор состоит из магнитопровода, обмоток, бака, крышки с вводами. Магнитопровод собирают из изолированных друг от друга (для уменьшения потерь на вихревые токи) листов холоднокатаной электротехнической стали. Обмотки изготовляют из медного или алюминиевого провода. Для регулирования напряжения обмотка ВН имеет ответвления, соединяющиеся с переключателем. В трансформаторах предусмотрено два вида переключении ответвлений: под нагрузкой — РПН (регулирование под нагрузкой) и без нагрузки, после отключения трансформатора от сети — ПБВ (переключение без возбуждения). Наиболее распространен второй способ регулирования напряжения как наиболее простой.
Кроме указанных трансформаторов с масляным охлаждением (Трансформатор ТМ) выпускаются трансформаторы в герметичном исполнении (ТМГ), в которых масло не сообщается с воздухом и, следовательно, исключается его ускоренное окисление и увлажнение. Масляные трансформаторы в герметичном исполнении полностью заполнены трансформаторным маслом и не имеют расширителя, а температурные изменения его объема при нагревании и охлаждении компенсируются изменением объема гофров стенок бака. Эти трансформаторы заполняются маслом под вакуумом, вследствие чего повышается электрическая прочность их изоляции.
Сухой трансформатор, так же как и масляный, состоит из магнитопровода, обмоток ВН и НН, заключенных в защитный кожух. Основной изолирующей и охлаждающей средой является атмосферный воздух. Однако воздух является менее совершенной изолирующей и охлаждающей средой, чем трансформаторное масло. Поэтому в сухих трансформаторах все изоляционные промежутки и вентиляционные каналы делают большими, чем в масляных.
Сухие трансформаторы изготовляют с обмотками со стеклоизоляцией класса нагревостойкости В (ТСЗ), а также с изоляцией на кремнийорганических лаках класса Н (ТСЗК). Для уменьшения гигроскопичности обмотки пропитывают специальными лаками. Применение в качестве изоляции обмоток стекловолокна или асбеста позволяет значительно повысить рабочую температуру обмоток и получить практически пожаробезопасную установку. Это свойство сухих трансформаторов дает возможность применять их для установки внутри сухих помещений в тех случаях, когда обеспечение пожарной безопасности установки является решающим фактором. Иногда сухие трансформаторы заменяют более дорогими и сложными в изготовлении совтоловыми.
Сухие трансформаторы имеют несколько большие габаритные размеры и массу (трансформатор ТСЗ) и меньшую перегрузочную способность, чем масляные, и используются для работы в закрытых помещениях с относительной влажностью не более 80%. К преимуществам сухих трансформаторов относят их пожаробезопасность (отсутствие масла), сравнительную простоту конструкции и относительно малые затраты на эксплуатацию.
Классификация трансформаторов тока
Трансформаторы тока классифицируются по различным признакам:
1. По назначению трансформаторы тока можно разделить на измерительные (ТОЛ-СЭЩ-10, ТЛМ-10), защитные, промежуточные (для включения измерительных приборов в токовые цепи релейной защиты, для выравнивания токов в схемах дифференциальных защит и т. д.) и лабораторные (высокой точности, а так же со многими коэффициентами трансформации).
2. По роду установки различают трансформаторы тока:
а) для наружной установки, устанавливаются в открытых распределительных устройствах (ТЛК-35-2.1 УХЛ1);
б) для внутренней установки;
в) встроенные в электрические аппараты и машины: выключатели, трансформаторы, генераторы и т. д.;
г) накладные - одевающиеся сверху на проходной изолятор (например, на высоковольтный ввод силового трансформатора);
д) переносные (для контрольных измерений и лабораторных испытаний).
3. По конструкции первичной обмотки трансформаторы тока делятся:
а) многовитковые (катушечные, с петлевой обмоткой и с восьмерочной обмоткой);
б) одновитковые (стержневые);
в) шинные (ТШ-0,66).
4. По способу установки трансформаторы тока для внутренней и наружной установки разделяются:
а) проходные (ТПК-10, ТПЛ-СЭЩ-10);
б) опорные (ТЛК-10, ТЛМ-10).
5. По выполнению изоляции трансформаторы тока можно разбить на группы:
а) с сухой изоляцией (фарфор, бакелит, литая эпоксидная изоляция и т. д.);
б) с бумажно-масляной изоляцией и с конденсаторной бумажно-масляной изоляцией;
в) с заливкой компаундом.
6. По числу ступеней трансформации имеются трансформаторы тока:
а) одноступенчатые;
б) двухступенчатые (каскадные).
7. По рабочему напряжению различают трансформаторы:
а) на номинальное напряжение выше 1000 В;
б) на номинальное напряжение до 1000 В.
Сочетание различных классификационных признаков вводится в обозначение типа трансформаторов тока, состоящее из буквенной и цифровой частей.
Трансформаторы тока характеризуются номинальным током, напряжением, классом точности и конструктивным исполнением. На напряжении 6—10 кВ их изготовляют опорными и проходными с одной и двумя вторичными обмотками классов точности 0,2; 0,5; 1 и 3. Класс точности указывает предельную погрешность, вносимую трансформатором тока в результаты измерений. Трансформаторы классов точности 0,2, имеющие минимальную погрешность, используют для лабораторных измерений, 0,5 — для питания счетчиков, 1 и 3 — для питания токовых обмоток реле и приборов технических измерений. Для безопасной эксплуатации вторичные обмотки должны быть заземлены и не должны быть разомкнуты.
При монтаже распределительных устройств напряжением 6—10 кВ применяют трансформаторы тока с литой и фарфоровой изоляцией, а при напряжении до 1000 В — с литой, хлопчатобумажной и фарфоровой.
Примером может служить ТОЛ-СЭЩ-10 опорный 2-х обмоточный трансформатор тока с литой изоляцией на номинальное напряжение 10 кВ конструктивного варианта исполнения 11, c вторичными обмотками:
- для подключения цепей измерения, с классом точности 0,5 и нагрузкой 10 ВА;
- для подключения цепей защиты, с классом точности 10Р и нагрузкой 15 ВА;
на номинальный первичный ток 150 Ампер, номинальный вторичный ток 5 Ампер, климатического исполнения «У» категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69 при размещении заказа на производство у ЗАО «ВолгаЭнергоКомплект:
ТОЛ-СЭЩ-10-11-0,5/10Р-10/15-150/5 У2 - с номинальным первичным током - 150А, вторичным - 5А.
Принцип действия и устройство трансформатора
Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки, будет индуктировать в ней электродвижущую силу ( ЭДС ). Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии, то под действием индуктируемой ЭДС по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток.
Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, передается из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную сеть.
В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения ( ВН ), а обмотка более низкого напряжения - обмоткой низшего напряжения ( НН ). Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной; обмотка, от которой энергия подается к приемнику, - вторичной.
Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для ее распределения между потребителями.
В трех-обмоточных трансформаторах на магнитопровод помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор, питаемый со стороны одной из обмоток, дает возможность получать два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Кроме обмоток высшего и низшего напряжения трех-обмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения ( СН ).
Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения.
Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку высшего напряжения.
Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Такую же изолирующую прокладку помещают между обмотками высшего и низшего напряжения.
При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня.
Однако стержни круглого сечения изготовлять сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов, и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности стержень имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 15-17. Количество ступеней сечения стержня определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.
Для лучшего охлаждения в магнитопроводах, а также в обмотках мощных трансформаторов устраивают вентиляционные каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскости стальных листов.
В трансформаторах малой мощности площадь сечения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное сечение.
Номинальные данные трансформатора
Полезная мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, т. е. мощность его вторичной обмотки при полной ( номинальной ) нагрузке называется номинальной мощностью трансформатора. Эта мощность выражается в единицах полной мощности — в вольтамперах ( ВА ) или киловольт-амперах (кВА). В ваттах или киловаттах выражается активная мощность трансформатора, т. е. та мощность, которая может быть преобразована из электрической в механическую, тепловую, химическую, световую и т. д. Сечения проводов обмоток и всех частей трансформатора, так же как и любого электротехнического аппарата или электрической машины, определяются не активной составляющей тока или активной мощностью, а полным током, протекающим по проводнику и, следовательно, полной мощностью. Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые он рассчитан, также называются номинальными.
Каждый трансформатор снабжен щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другим способом, обеспечивающим долговечность знаков. На щитке трансформатора указаны следующие данные:
1. Марка завода-изготовителя.
2. Год выпуска.
3. Заводской номер.
4. Обозначение типа.
5. Номер стандарта, которому соответствует изготовленный трансформатор.
6. Номинальная мощность ( кВА ). (Для трехобмоточных указывают мощность каждой обмотки. )
7. Номинальные напряжения и напряжения ответвлений обмоток ( В или кВ ).
8. Номинальные токи каждой обмотки ( А ).
9. Число фаз.
10. Частота тока ( Гц ).
11. Схема и группа соединения обмоток трансформатора.
12. Напряжение короткого замыкания ( % ).
13. Род установки ( внутренняя или наружная ).
14. Способ охлаждения.
15. Полная масса трансформатора ( кг или т ).
16. Масса масла ( кг или т ).
17. Масса активной части ( кг или т ).
18. Положения переключателя, обозначенные на его приводе.
Для трансформатора с искусственным воздушным охлаждением дополнительно указана мощность его при отключенном охлаждении. Заводской номер трансформатора выбит также на баке под щитком, на крышке около ввода ВН фазы А и на левом конце верхней полки ярмовой балки магнитопровода. Условное обозначение трансформатора состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают следующее:
Т - трехфазный,
О - однофазный,
М - естественное масляное охлаждение,
Д - масляное охлаждение с дутьем ( искусственное воздушное и с естественной циркуляцией масла ),
Ц - масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель,
ДЦ - масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла,
Г - грозоупорный трансформатор,
Н в конце обозначения - трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой,
Н на втором месте - заполненный негорючим жидким диэлектриком,
Т на третьем месте - трехобмоточный трансформатор.
Первое число, стоящее после буквенного обозначения трансформатора, показывает номинальную мощность ( кВА ), второе число - номинальное напряжение обмотки ВН ( кВ ). Так, тип ТМ 6300/35 означает трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением мощностью 6300 кВА и напряжением обмотки ВН 35 кВ. Буква А в обозначении типа трансформатора означает автотрансформатор. В обозначении трехобмоточных автотрансформаторов букву А ставят либо первой, либо последней. Если автотрансформаторная схема является основной ( обмотки ВН и СН образуют автотрансформатор, а обмотка НН дополнительная ), букву А ставят первой, если автотрансформаторная схема является дополнительной, букву А ставят последней.