Výkonové transformátory — zařízení a princip činnosti

Při přepravě elektřiny na velké vzdálenosti se pro snížení ztrát využívá principu transformace. Za tímto účelem je elektřina generovaná generátory přiváděna do transformovny. Zvyšuje amplitudu napětí vstupujícího do elektrického vedení.

Druhý konec přenosového vedení je připojen ke vstupu vzdálené rozvodny. Na něm je napětí sníženo, aby se elektřina distribuovala mezi spotřebitele.

V obou rozvodnách se na transformaci vysoce výkonné elektřiny podílejí speciální napájecí zařízení:

1. transformátory;

2. autotransformátory.

Mají mnoho společných vlastností a vlastností, ale liší se v určitých principech fungování. Tento článek popisuje pouze první návrhy, kde je přenos elektřiny mezi jednotlivými cívkami způsoben elektromagnetickou indukcí. V tomto případě proudové a napěťové harmonické s měnící se amplitudou zachovávají kmitočet oscilací.

Transformátory se používají k přeměně střídavého proudu nízkého napětí na vyšší napětí (zvyšovací transformátory) nebo vyššího napětí na nižší napětí (snižovací transformátory). Nejrozšířenější jsou výkonové transformátory pro všeobecné použití pro přenosová vedení a distribuční sítě. Výkonové transformátory jsou ve většině případů konstruovány jako třífázové transformátory proudu.

Vlastnosti zařízení

Výkonové transformátory v elektřině jsou instalovány na předem připravených stacionárních místech se silnými základy. Pásy a válečky lze nainstalovat tak, aby byly umístěny na zemi.

Celkový pohled na jeden z mnoha typů výkonových transformátorů pracujících s napěťovými soustavami 110/10 kV a s celkovým výkonem 10 MVA je na obrázku níže.

Některé jednotlivé prvky jeho konstrukce jsou opatřeny signaturami. Podrobněji je uspořádání hlavních částí a jejich vzájemné uspořádání znázorněno na výkrese.

Elektrická výzbroj transformátoru je umístěna v kovové skříni vyrobené ve formě utěsněné nádrže s víkem. Je naplněn speciální třídou transformátorového oleje, který má vysoké dielektrické vlastnosti a zároveň slouží k odvodu tepla z dílů vystavených vysokému proudovému zatížení.

Uvnitř nádrže je instalováno jádro 9, na kterém jsou umístěna vinutí s nízkonapěťovým vinutím 11 a vysokonapěťovým 10. Přední stěna transformátoru je 8. Svorky vysokonapěťového vinutí jsou připojeny ke vstupům procházejícím porcelánovými izolátory 2.

Vinutí pro nízkonapěťové vinutí jsou také připojena k drátům procházejícím izolátory 3.Víko je připevněno k hornímu okraji nádrže a mezi ně je umístěno pryžové těsnění, aby nedocházelo k úniku oleje do spáry mezi nádrží a víkem. Ve stěně nádrže jsou vyvrtány dvě řady otvorů, do nich jsou přivařeny tenkostěnné trubky 7, kterými protéká olej.

Na krytu je knoflík 1. Jeho otáčením můžete přepínat otáčky vysokonapěťové cívky a upravovat tak napětí pod zátěží. Svorky jsou přivařeny ke krytu, na kterém je namontována nádrž 5, nazývaná expandér.

Má indikátor 4 se skleněnou trubicí pro sledování hladiny oleje a zátku s filtrem 6 pro komunikaci s okolním vzduchem Transformátor se pohybuje na kladkách 12, jejichž osy procházejí nosníky přivařenými ke dnu nádrže .

Když protékají velké proudy, vinutí transformátoru je vystaveno silám, které mají tendenci je deformovat. Pro zvýšení pevnosti vinutí jsou navinuty na izolační válce. Pokud je čtvercový pás umístěn v kruhu, pak není oblast kruhu plně využita. Proto se tyče transformátoru vyrábějí se stupňovitým průřezem sestavováním z plechů různých šířek.

Hydraulické schéma transformátoru

Obrázek ukazuje zjednodušenou kompozici a interakci jejích hlavních prvků.

K plnění / vypouštění oleje se používají speciální ventily a šroub a uzavírací ventil umístěný ve spodní části nádrže je určen k odběru vzorků oleje a následnému chemickému rozboru.

Principy chlazení

Výkonový transformátor má dva okruhy cirkulace oleje:

1. vnější;

2. vnitřní.

První okruh představuje radiátor skládající se z horních a spodních kolektorů spojených soustavou kovových trubek. Prochází jimi ohřátý olej, který se v chladivovém potrubí ochlazuje a vrací se do nádrže.

Cirkulaci oleje v nádrži lze provést:

• přirozeným způsobem;

• nucené kvůli vytváření tlaku v systému čerpadly.

Povrch nádrže se často zvětšuje vytvořením zvlnění — speciálních kovových desek, které zlepšují přenos tepla mezi olejem a okolní atmosférou.

Přívod tepla z radiátoru do atmosféry lze provádět profukováním systému ventilátory nebo bez nich z důvodu volné konvekce vzduchu. Nucené proudění vzduchu účinně zvyšuje odvod tepla ze zařízení, ale zvyšuje spotřebu energie na provoz systému. Mohou snížit zatěžovací charakteristika transformátoru až 25 %.

Tepelná energie uvolněná moderními vysokovýkonnými transformátory dosahuje obrovských hodnot. Jeho velikost lze přičíst skutečnosti, že nyní na jeho náklady začali realizovat projekty vytápění průmyslových objektů umístěných vedle neustále pracujících transformátorů. Udržují optimální provozní podmínky zařízení i v zimě.

Kontrola hladiny oleje v transformátoru

Spolehlivý provoz transformátoru závisí do značné míry na kvalitě oleje, kterým je jeho nádrž naplněna. V provozu se rozlišují dva typy izolačního oleje: čistý suchý olej, který se nalévá do nádrže, a pracovní olej, který je v nádrži při provozu transformátoru.

Specifikace transformátorového oleje určuje jeho viskozitu, kyselost, stabilitu, popel, obsah mechanických nečistot, bod vzplanutí, bod tuhnutí, průhlednost.

Jakékoli abnormální provozní podmínky transformátoru bezprostředně ovlivňují kvalitu oleje, proto je jeho kontrola při provozu transformátorů velmi důležitá. Při komunikaci se vzduchem se olej zvlhčuje a oxiduje. Vlhkost lze z oleje odstranit čištěním odstředivkou nebo kalolisem.

Kyselost a jiná porušení technických vlastností lze odstranit pouze regenerací oleje ve speciálních zařízeních.

Vnitřní poruchy transformátoru, jako jsou poruchy vinutí, porucha izolace, lokální zahřívání nebo „požár v žehličce“ atd. vedou ke změnám kvality oleje.

Olej nepřetržitě cirkuluje v nádrži. Jeho teplota závisí na celém komplexu ovlivňujících faktorů. Proto se jeho objem neustále mění, ale je udržován v určitých mezích. Pro vyrovnání objemových odchylek oleje slouží expanzní nádrž. Je vhodné v něm sledovat aktuální úroveň.

K tomu slouží indikátor oleje. Nejjednodušší zařízení jsou vyrobena podle schématu komunikačních nádob s průhlednou stěnou, předem odstupňovaných v jednotkách objemu.

Pro sledování provozu postačí paralelní připojení takového tlakoměru k expanzní nádobě. V praxi existují další indikátory oleje, které se liší od tohoto principu činnosti.

Ochrana proti pronikání vlhkosti

Vzhledem k tomu, že horní část expanzní nádrže je v kontaktu s atmosférou, je v ní instalován vysoušeč vzduchu, který zabraňuje pronikání vlhkosti do oleje a snižuje jeho dielektrické vlastnosti.

Vnitřní ochrana proti poškození

Je to důležitý prvek olejového systému plynové relé… Instaluje se do potrubí spojujícího hlavní nádobu transformátoru s expanzní nádobou. Všechny plyny uvolněné při zahřívání olejem a organickou izolací proto procházejí nádobou s citlivým prvkem plynového relé.

Tento snímač je nastaven z provozu na velmi malou, přípustnou tvorbu plynu, ale spouští se, když se zvyšuje ve dvou fázích:

1. vydat světelný / zvukový varovný signál servisnímu personálu při výskytu poruchy při dosažení nastavené hodnoty první hodnoty;

2. vypnout výkonové jističe na všech stranách transformátoru, aby se uvolnilo napětí v případě prudkého plynování, které indikuje začátek mohutných procesů rozkladu ropy a organické izolace, které začínají zkraty uvnitř nádrže.

Další funkcí plynového relé je sledování hladiny oleje v nádrži transformátoru. Když klesne na kritickou hodnotu, ochrana proti plynu může fungovat v závislosti na nastavení:

• pouze signál;

• pro vypnutí signálem.

Ochrana proti nouzovému nárůstu tlaku uvnitř nádrže

Odtoková trubka je namontována na víku transformátoru tak, že její spodní konec komunikuje s kapacitou nádrže a olej stéká dovnitř do hladiny v expandéru. Horní část trubky se zvedne nad expandér a stáhne se do strany, mírně ohnutá dolů.Jeho konec je hermeticky uzavřen skleněnou bezpečnostní membránou, která se při havarijním zvýšení tlaku v důsledku vzniku nedefinovaného ohřevu protrhne.

Další návrh takové ochrany je založen na instalaci ventilových prvků, které se otevírají při zvýšení tlaku a uzavírají při jejich uvolnění.

Dalším typem je ochrana sifonu. Je založen na rychlém stlačení křídel s prudkým vzestupem plynu. V důsledku toho je zámek, který drží šíp, který je ve své normální poloze pod vlivem stlačené pružiny, sražen dolů. Uvolněná šipka rozbije skleněnou membránu a tím uvolní tlak.

Schéma zapojení výkonového transformátoru

Uvnitř krytu nádrže jsou umístěny:

• kostra s horním a spodním nosníkem;

• magnetický obvod;

• vysokonapěťové a nízkonapěťové cívky;

• úprava navíjecích větví;

• nízkonapěťové a vysokonapěťové odbočky

• spodní části průchodek vysokého a nízkého napětí.

Rám spolu s nosníky slouží k mechanickému upevnění všech součástí.

Vzhled interiéru

Magnetický obvod slouží ke snížení ztrát magnetického toku procházejícího cívkami. Vyrábí se z jakostní elektrooceli laminovanou metodou.

Zatěžovací proud protéká fázovými vinutími transformátoru. Jako materiály pro jejich výrobu se volí kovy: měď nebo hliník s kulatým nebo obdélníkovým průřezem. K izolaci závitů se používají speciální značky kabelového papíru nebo bavlněné příze.

U soustředných vinutí používaných ve výkonových transformátorech je obvykle na jádře umístěno vinutí nízkého napětí (NN), které je zvenčí obklopeno vinutím vysokého napětí (VN).Toto uspořádání vinutí jednak umožňuje přesunout vysokonapěťové vinutí z jádra a jednak usnadňuje přístup k vysokonapěťovým vinutím při opravách.

Pro lepší chlazení cívek jsou mezi cívkami ponechány kanály tvořené izolačními distančními vložkami a těsněními mezi cívkami. Těmito kanály cirkuluje olej, který po zahřátí stoupá a poté klesá potrubím nádrže, ve které se ochlazuje.

Soustředné cívky jsou navinuty ve formě válců umístěných jeden uvnitř druhého. Pro stranu vysokého napětí vzniká průběžné nebo vícevrstvé vinutí a pro stranu nízkého napětí spirálové a válcové vinutí.

LV vinutí je umístěno blíže k tyči: to usnadňuje vytvoření vrstvy pro jeho izolaci. Poté je na něj namontován speciální válec, který zajišťuje izolaci mezi vysokonapěťovou a nízkonapěťovou stranou, a na něj je namontováno vinutí VN.

Popsaný způsob instalace je znázorněn na levé straně níže uvedeného obrázku se soustředným uspořádáním vinutí tyče transformátoru.

Pravá strana obrázku ukazuje, jak jsou umístěna alternativní vinutí, oddělená izolační vrstvou.

Pro zvýšení elektrické a mechanické pevnosti izolace vinutí je jejich povrch impregnován speciálním typem glyftalového laku.

Pro připojení vinutí na jedné straně napětí se používají následující obvody:

• hvězdy;

• trojúhelník;

• cikcak.

V tomto případě jsou konce každé cívky označeny písmeny latinské abecedy, jak je uvedeno v tabulce.

Typ transformátoru Strana vinutí Nízké napětí Střední napětí Vysoké napětí Start konec neutrál Start konec neutrál Start konec neutrál Jednofázové a x — Při Ht — A x — Dvě vinutí tři fáze a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y s G ° C Z Tři vinutí tři fáze a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z

Svorky vinutí jsou připojeny k odpovídajícím svodům, které jsou namontovány na šroubech průchodkového izolátoru umístěných na víku nádrže transformátoru.

Aby byla realizována možnost úpravy hodnoty výstupního napětí, jsou na vinutích provedeny odbočky. Jedna z variant řídicích větví je znázorněna na schématu.

Systém regulace napětí je navržen s možností změny jmenovité hodnoty v rozmezí ± 5 %. Chcete-li to provést, proveďte pět kroků po 2,5 %.

U výkonových transformátorů s vysokým výkonem se regulace obvykle vytváří na vysokonapěťovém vinutí. To zjednodušuje konstrukci kohoutkového spínače a umožňuje zlepšit přesnost výstupních charakteristik poskytnutím více otáček na této straně.

U vícevrstvých válcových cívek jsou regulační větve vytvořeny na vnější straně vrstvy na konci cívky a jsou umístěny symetricky ve stejné výšce vzhledem k třmenu.

Pro jednotlivé projekty transformátorů jsou ve střední části provedeny odbočky. Při použití reverzního obvodu je jedna polovina vinutí provedena s pravou cívkou a druhá s levou cívkou.

Pro spínání kohoutků se používá třífázový spínač.

Má systém pevných kontaktů, které jsou připojeny k větvím cívek, a pohyblivých, které spínají obvod a vytvářejí různé elektrické obvody s pevnými kontakty.

Pokud jsou větve provedeny v blízkosti nulového bodu, pak jeden spínač ovládá činnost všech tří fází najednou. To lze provést proto, že napětí mezi jednotlivými částmi spínače nepřesahuje 10 % lineární hodnoty.

Když jsou odbočky provedeny ve střední části vinutí, pak se pro každou fázi používá vlastní, individuální spínač.

Způsoby úpravy výstupního napětí

Existují dva typy přepínačů, které umožňují změnit počet závitů na každé cívce:

1. se snížením zátěže;

2. pod zátěží.

První metoda trvá déle a není populární.

Přepínání zátěže umožňuje snadnější správu elektrických sítí poskytováním nepřerušovaného napájení připojeným spotřebitelům. K tomu však musíte mít komplexní design přepínače, který je vybaven dalšími funkcemi:

• provádění přechodů mezi větvemi bez přerušení zatěžovacích proudů spojením dvou sousedních kontaktů při přepínání;

• omezení zkratového proudu uvnitř vinutí mezi připojenými odbočkami při jejich současném sepnutí.

Technickým řešením těchto problémů je vytvoření dálkově ovládaných spínacích zařízení s využitím proudově omezujících tlumivek a rezistorů.

Na fotografii na začátku článku používá výkonový transformátor automatické nastavení výstupního napětí při zatížení vytvořením konstrukce AVR, která kombinuje reléový obvod pro ovládání elektromotoru s akčním členem a stykači.

Princip a způsoby činnosti

Provoz výkonového transformátoru je založen na stejných zákonech jako v konvenčním:

• Elektrický proud procházející vstupní cívkou s časově proměnnou harmonickou kmitů indukuje proměnlivé magnetické pole uvnitř magnetického obvodu.

• Měnící se magnetický tok pronikající do závitů druhé cívky v nich indukuje EMF.

Provozní režimy

Během provozu a testování může být výkonový transformátor v provozním nebo nouzovém režimu.

Provozní režim vytvořený připojením zdroje napětí k primárnímu vinutí a zátěže k sekundárnímu. V tomto případě by hodnota proudu ve vinutí neměla překročit vypočtené přípustné hodnoty. V tomto režimu musí výkonový transformátor dlouhodobě a spolehlivě napájet všechny k němu připojené spotřebiče.

Variantou provozního režimu jsou zkoušky naprázdno a nakrátko pro kontrolu elektrických charakteristik.

Bez zátěže vzniká otevřením sekundárního okruhu, aby se v něm zastavil tok proudu. Používá se k určení:

• Účinnost;

• transformační faktor;

• ztráty v oceli v důsledku magnetizace jádra.

Pokus o zkrat vzniká zkratováním svorek sekundárního vinutí, ale s podhodnoceným napětím na vstupu transformátoru na hodnotu schopnou vytvořit sekundární jmenovitý proud, aniž by jej překročil.Tato metoda se používá ke stanovení ztrát mědi.

Do nouzových režimů transformátor zahrnuje jakékoli narušení jeho provozu, které vede k odchylce provozních parametrů mimo meze jejich přípustných hodnot. Zkrat uvnitř vinutí je považován za zvláště nebezpečný.

Nouzové režimy vedou k požárům elektrických zařízení a rozvoji nevratných následků. Jsou schopny způsobit masivní poškození energetického systému.

Proto, aby se takovým situacím předešlo, jsou všechny výkonové transformátory vybaveny automatickými, ochrannými a signalizačními zařízeními, které jsou určeny k udržení normálního provozu primární smyčky a jejímu rychlému odpojení ze všech stran v případě poruchy.