Трансформаторы. Учебное пособие. Кислицын А.Л., 2001. Учебное пособие по курсу Электромеханика
 Скачать 1.35 Mb.
|
|
А.Л. Кислицын ТРАНСФОРМАТОРЫ Учебное пособие Ульяновск 2001 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ульяновский государственный технический университет А.Л. Кислицын Трансформаторы Учебное пособие по курсу «Электромеханика» Ульяновск 2001 УДК 621.3 (075) ББК 31.261.8я7 К44 Рецензент канд. техн. наук Петров В.М. Утверждено редакционно- издательским советом университета в качестве учебного пособия Кислицын А.Л. К44 Трансформаторы: Учебное пособие по курсу «Электромеханика» .- Ульяновск: УлГТУ, 2001. - 76 с. ISBN 5-89146-20(2-8 Составлено в соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по направлениям 55.13.00 «Электротехника, электромеханика и электротехнология» и 55.17.00 «Электроэнергетика» для студентов дневной и безотрывной форм обучения. Пособие выполнено в соответствии с программами курса «Электрические машины», «Электромеханика», является кратким конспектом основных разделов вышеназванных учебных дисциплин. Содержит контрольные вопросы для самопроверки и задачи с решениями и ответами. Работа подготовлена на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок». УДК 621.3(075) ББК 31.261.8я7 © А.Л. Кислицын, 2001 ISBN 5-89146-202-8 © Оформление.УлГТУ, 2001 Трансформаторы 3 ПРЕДИСЛОВИЕ В энергетической системе трансформатор является важнейшим элементом. Передача большой мощности на дальние расстояния практически может быть осуществлена только при относительно небольшом значении тока и, следовательно, при высоком напряжении. В начале линии электропередачи устанавливаются трансформаторы, повышающие напряжение переменного тока, вырабатываемого на электриче- ских станциях. В конце линии электропередачи устанавливаются понижающие напряжение трансформаторы, так как для распределения энергии по по- требителям необходимы сравнительно низкие напряжения. Благодаря промышленному освоению новых магнитных и конструкци- онных материалов, применению интенсивных систем охлаждения, совершен- ствованию технологии электромашиностроения заметно улучшаются массо- габаритные и энергетические показатели трансформаторов. В предлагаемом учебном пособии с единых методических позиций из- ложены общие вопросы теории трансформатора, рассмотрены основные фи- зические законы и процессы в установившихся и переходных режимах. В связи с тенденцией дальнейшего сокращения объема аудиторных часов автор считает, что данное учебное пособие должно быть использовано студентами при подготовке к лекционным и практическим занятиям, а также при самостоятельной работе. Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признатель- ность доценту кафедры ТОЭ УлГТУ Петрову В.М. за обстоятельный разбор материала, советы и рекомендации, способствующие улучшению содержания учебного пособия. Автор приносит искреннюю благодарность студенту энергетического факультета УлГТУ Бугрову А.В. за большую помощь в подготовке этого учебного пособия, выразившуюся в подборе материалов, составлении и ре- шении типовых задач, отборе вопросов самоконтроля, а также техническом оформлении. 4 Трансформаторы ВВЕДЕНИЕ Восьмидесятые годы прошлого столетия вошли в историю техники под названием периода «трансформаторных битв». Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из силь- нейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой цен- трализованного производства электроэнергии и передачей её на большие рас- стояния. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока. В 1836 году ирландский физик Николас Каллан изобрел индукционную катушку. В 1838 году это изобретение повторил американский изобретатель Чарльз Пейдж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф, именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку. П.Н. Яблочков отчетливо понял роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы «дробления света» во многих странах он так подчер- кивал важность нового предложения. Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, стальной сер- дечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматы- вались обмотки. Становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение ПО В. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. И основным направлением развития электроэнергетики становилась система переменного тока. Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сер- дечником для распределения электроэнергии явилась «система распределения электричества для производства света и двигательной силы», запатентованная во Франции в 1882 году Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, то есть имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с ра- зомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лон- донского метрополитена, а 1884 году - в Турине (Италия). Трансформаторы 5 Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора набран был из стальных полос или проволок, разде- ленных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжения. Впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 году получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С.Ц. Ферранти. Передача электрической энергии переменным током высокого напря- жения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой. Такой трансформатор в нескольких модифи- кациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 году вен- герскими электротехниками М. Дерри, О. Блати и К. Циперновским, впервые предложившими и сам термин трансформатор. Венгерские инженеры нашли оптимальное соотношение между расходом меди и стали в трансформаторах. Русский инженер Доливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи и эксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного тока. Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии система трехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является более экономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел «в превосходных качествах» разработанных им трехфазных асинхронных двигателей. В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал, что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающееся магнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основные модификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этим Доливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора сначала,в 1890 г., с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем с обычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. А так как,кроме этого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета и конструирования электрических машин, то можно сказать, что он разработал собственно все элементы трехфазной системы. Предложенная Доли-во- Добровольским система трехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместное внимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настолько велики и очевидны, что уже в бли- жайшее время она заняла ведущее место в ряду других систем. 1. Основные определения, принцип действия и классификация трансформаторов Трансформатором называют статическое электромагнитное устрой- ство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназ- наченное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока. В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину пере- менного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными. Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода (сер- дечника, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток, расположенных на стержнях маг- нитопровода (рис. 1). Одна из обмоток присоединена к источнику переменного тока Г на напряжение и\), эту обмотку называют первичной. К другой обмотке подключен потребитель Z H , ее называют вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной ин- дукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток /j, который создает в маг- нитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индук- тирует в них ЭДС: где Щ и W 2 — число витков в первичной и вторичной обмотках трансфор- матора. При подключении нагрузки Z H к выводам вторичной обмотки транс- форматора под действием ЭДС е\ в цепи этой обмотки создается ток / 2 , а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U 2 . В повышающих трансформаторах U 2 > C/j , а в понижающих U 2 Трансформаторы ( П Трансформаторы 7 Из (1} и (2J следует, что ЭДС е\ и £ 2 отличаются друг от друга числом витков обмоток, в которых они наводятся. Поэтому, применяя обмотки с тре- буемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений. Рис. 1. Конструктивная (а) и принципиальная (б) схемы однофазного двухобмоточного трансформатора Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким на- пряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотку, при- соединенную к сети меньшего напряжения, - обмоткой низшего напряжения (НН). Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и пони- жающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он является повышающим, либо понижающим Трансформатор — это аппарат переменного тока. Если же его пер- вичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по ве- личине, так и по направлению (d01 dt = 0). Поэтому в обмотках трансфор- матора не будет наводиться ЭДС. Конструкция трансформаторов в значительной степени зависит от их назначения, по этому признаку трансформаторы разделяют на следующие ос- новные виды: 1) силовые, применяемые: а) в системах передачи и распределения электро- энергии; б) для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми) при преобразовании переменного тока в посто- янный (выпрямители) или постоянного в переменный (инверторы); в) для в 8 Трансформаторы получения требуемых напряжений в цепях управления электроприводами и в цепях местного освещения; 2) силовые специального назначения — печные, сварочные т. п.; 3) измерительные — для включения электрических измерительных приборов в сети высокого напряжения или сильного тока; 4) испытательные — для получения высоких и сверхвысоких напряжений, необходимых при испытаниях на электрическую прочность электроизоля- ционных изделий; 5) радиотрансформаторы — применяемые в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, галь- ванического разделения цепей и др. Трансформаторы одного и того же назначения могут различаться: по виду охлаждения — с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением; по числу трансформируемых фаз — однофазные и многофазные; по форме магнитопровода — стержневые, броневые, бронестержне-вые, тороидальные; по числу обмоток — двухобмоточные и многообмоточные (одна пер- вичная и две или более вторичных обмоток); по конструкции обмоток — с концентрическими и чередующимися обмотками. 2. Устройство трансформаторов Основные части трансформатора — это магнитопровод и обмотки. Магнитопровод трансформатора выполняют из листовой электротехнической стали. Перед сборкой листы с двух сторон изолируют лаком. Такая конструкция магнитопровода дает возможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи. Часть магнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем. В стержневых трансформаторах имеются два стержня и соединяющих их два ярма (рис. 2, а). Броневые трансформаторы имеют разветвленный маг- нитопровод с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими («брони- рующими») обмотки (рис. 2, б). Ярмо Рис. 2. Однофазные трансформаторы стержневого (а) и броневого (б) типов Стержневая конструкция имеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой конст- рукции — простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения, простота ремонта. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще имеют броневую конструкцию, что позволяет уменьшить габариты трансформатора. Кроме того, боковые ярма защищают обмотку от механических повреждений; это важно для трансформаторов малой мощности, которые часто не имеют защитного кожуха и располагаются вместе с дру- гим электрооборудованием на общей панели или в общем шкафу. Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями (рис. 3). В трансформаторах большой мощности применяют бронестержневую конструкцию маг- нитопровода (рис. 4), которая хотя и требует не- сколько повышенного расхода электротехнической стали, но позволяет, уменьшить высоту Трансформаторы Стержень Ярмо б Рис.3. Трехфазный транс- форматор стержневого типа: 1 - магнитопровод; 2 - обмотки а б Рис. 4. Магнитопроводы бронестержневого трансформатора: однофазного (а); трехфазного (б) магнитопровода (Н БС < Н с }, а следовательно, и высоту трансформатора. Это имеет большое значение при его перевозке в собранном виде. По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые (рис. 5, а) и шихтованные (рис. 5, б). В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять только верхнее ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы (полосы) собирают «внахле- стку», воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление маг- нитопровода. Кроме того, механическая прочность шихтованного маг- нитопровода намного выше, чем стыкового. Все это привело к тому, что ших- тованные магнитопроводы получили основное применение. Листы магнито- провода стягивают посредством шпилек 4 и накладок 7, изолированных от листов изоляционными шайбами 2 и трубками 3 (рис. 6). а Рис. 5. Сборки магнитопровода Рис. 6. Изоляция шпильки, стяги- вающей листы магнитопровода 10 Трансформаторы В последнее время сборку листов (полос) магнитопровода в пакет вы- полняют наложением на стержни и ярма бандажа из стекловолоконной ленты. Форма поперечного сечения стержней зависит от мощности трансфор- матора: в небольших трансформаторах применяют стержни прямоугольного сечения (рис. 7, а), в трансформаторах средней и большой мощности — стержни ступенчатого сечения (рис. 7, б, в) с числом ступеней, возрастающим с увеличением мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование пло- щади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи между пакетами стали магнитопровода устраивают вентиляционные каналы (рис. 7, в). Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и пря- моугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки бывают цилинд- рические, располагаемые на стержнях, концентрические (рис. 8, а) и дисковые, располагаемые на стержнях в чередующемся порядке (рис. 8, б). Магнитопровод трансфор матора вместе с кожухом или ба ком заземляют, что обеспечивает безопасность обслуживания трансформатора в случае, если изоляция обмотки окажется про битой. Возможны два варианта взаимного расположения обмоток на стержнях магнитопроводов: раздельное расположение (на одном стержне обмотка ВН, а на другом 11 Трансформаторы Рис. 7. Форма сечения стержня Рис.8.Обмоткитрансформаторов НН) применяют весьма редко и только в высоковольтных транс- форматорах, так как это создает лучшие условия для надежной изоляции об- мотки ВН от обмотки НН; однако в этом случае наблюдается увеличение магнитного потока рассеяния; наиболее распространено равномерное концен- трическое расположение обмоток на всех стержнях магнитопровода (см. рис. 2, а), так как это обеспечивает малую величину магнитного потока рассеяния. При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку НН, так как она требует меньшей электрической изоляции от стержня (заземленного), затем укладывают слой изоляции из картона или бумаги и обмотку ВН. В трансформаторах с масляным охлаждением магнитопровод с обмот- ками помещен в бак, наполненный трансформаторным маслом (рис. 9). Омывая обмотки 2 и 3, магнитопровод 7, трансформаторное масло отбирает от них тепло и, обладая более высокой теп- лопроводностью, чем воздух, через стенки бака 9 и трубы радиатора 8 отдает его в окружающую среду. Наличие транс- форматорного масла обеспечивает более надежную работу высоковольтных трансформаторов, так как электрическая прочность масла намного выше, чем воздуха. Масляное охлаждение интенсивнее воздушного, поэтому габариты и вес масляных трансформаторов меньше, чем у сухих трансформаторов такой же мощности. В трансформаторах мощностью до 20 - 30 кВ . А применяют баки с гладкими стенками. У более мощных транс- форматоров для увеличения охлаждаемой поверхности стенки бака делают ребристыми или же применяют трубчатые баки, как это показано на рис. 9. Масло, нагреваясь, поднимается вверх и, охлаждаясь, опускается вниз. При этом масло циркулирует в трубах, что способствует более быстрому его охлаждению. Для компенсации объема масла при изменении температуры, а также для защиты масла трансформатора от окисления и увлажнения при контакте с воздухом в трансформаторах применяют расширитель 7, представляющий собой цилиндрический сосуд, установленный на крышке бака и сообщаю- щийся с ним. Колебания уровня масла с изменением его температуры проис- Трансформаторы 12 Рис. 9. Устройство трансформатора с масляным охлаждением: 1 - магнитопро- вод; 2 и 3 - обмотки ВН и НН; 6 - выхлопная труба; 7 - расширитель; 8 - радиаторные трубы; 9-бак Трансформаторы 1 3 ходят не в баке, который всегда заполнен маслом, а в расширителе, сооб- щающемся с атмосферой. В процессе работы трансформаторов не исключена возможность воз- никновения в них явлений, сопровождающихся бурным выделением газов, что ведет к значительному увеличению давления внутри бака, поэтому во из- бежание повреждения баков трансформаторы мощностью 1000 кВ • А и выше снабжают выхлопной трубой 6, которую устанавливают на крышке бака. Нижним концом труба сообщается с баком, а ее верхний конец заканчивается фланцем, на котором укреплен стеклянный диск. При давлении, превышающем безопасное для бака, стеклянный диск лопается,и газы выходят наружу. Трансформаторы средней и большой мощности снабжены газовым реле. При возникновении в трансформаторе значительных повреждений, сопро- вождаемых обильным выделением газов (например, при коротком замыкании между витками обмоток), газовое реле срабатывает и замыкает контакты цепи управления выключателя, который отключает трансформатор от сети. Об- мотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 4 и 5, выпол- няемыми обычно из фарфора. К баку трансформатора прикреплен щиток, на котором указаны: номинальная мощность - мощность на зажимах вторичной обмотки, кВ . А; номинальное первичное напряжение, кВ; номинальное вто- ричное напряжение — напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном первичном напряжении, кВ; номинальные токи трансформатора (первичный и вторичный), А. |