Введение
Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Принято различать трансформаторы малой мощности с выходной мощностью 4 кВ·А и ниже для однофазных сетей и 5 кВ·А и ниже для трехфазных сетей и трансформаторы силовые мощностью от 6,3 кВ·А и более для трехфазных и от 5 кВ·А и более для однофазных сетей.
Назначение силовых трансформаторов – преобразование электрической энергии в электрических сетях и установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии. Силовые трансформаторы подразделяются на два вида. Трансформаторы общего назначения предназначены для включения в сеть, не отличающуюся особыми условиями работы. Трансформаторы специального назначения предназначены для непосредственного питания потребительской сети или приемников электрической энергии, если эта сеть или приемники отличаются особыми условиями работы.
Силовой трансформатор является одним из важнейших элементов каждой электрической сети. Передача электрической энергии на большие расстояния от места ее производства до места потребления требует в современных сетях не менее чем пяти - шестикратной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.
Особо важными задачами являются повышение качества трансформаторов, использование прогрессивной технологии производства, экономия материалов при их производстве и возможно низкие потери энергии при их работе в сети.
К силовым трансформаторам предъявляют жесткие технико-экономические требования вследствие их особой роли в процессе передачи электроэнергии. Экономичность трансформаторов в эксплуатации определяется потерями мощности холостого хода и короткого замыкания, регламентированными ГОСТ. Заданные потери можно получить при рациональном соотношении основных размеров трансформатора; использовании современных магнитных, проводниковых и изоляционных материалов; грамотном выборе удельных нагрузок активных материалов.
Проектирование трансформатора включает проработку проектного задания, электромагнитный и тепловой расчеты, разработку конструкции по результатам расчетов. В процессе курсового проектирования студенты знакомятся с методиками расчетов, получают представление об основах инженерного проектирования силовых трансформаторов, изучают применяемые в трансформаторостроении материалы и их свойства. Это позволяет уяснить влияние основных размеров, электромагнитных нагрузок, свойств применяемых активных материалов на технические характеристики трансформатора.
1 Общая характеристика сухих трансформаторов
1.1 Назначение и преимущества сухих трансформаторов
Сухие трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения в электроэнергию другого напряжения. Особенность оборудования - возможность эксплуатации в умеренно холодных климатических условиях. Нормальная работа такого устройства возможна при поддержании температуры окружающей среды от +1 до +35С. Сухой трансформатор не предназначен для функционирования в условиях повышенной вибрации, а так же в помещениях с сильной запыленностью, в агрессивных или взрывоопасных средах.
Преимущества сухих трансформаторов:
1. Экологическая безопасность. Отсутствие в сухом трансформаторе масла устраняет угрозу загрязнения окружающей среды при его утечке. В случае пожара не выделяются токсичные и едкие газы. Таким образом, исключается угроза загрязнения окружающей среды.
2. Безопасность при эксплуатации. Обмотки сухих трансформаторов не горючи и не могут стать источниками пожара; А в случае пожара от внешнего источника, смола не поддержит горение и обеспечит противопожарный эффект.
3. Не требуется дополнительных мер противопожарной безопасности в местах установки сухого трансформатора.
4. Небольшие габаритные размеры, что обеспечивает возможность установки сухого трансформатора большей мощности в существующем трансформаторном отсеке, например при реконструкции подстанции.
5. Устойчивость к воздействию сырости и влаги.
6. Минимальные эксплуатационные затраты, так как отсутствует необходимость в периодической проверке и замене диэлектрической жидкости.
7. Высокая надежность оборудования.
8. Сухие трансформаторы более компактны, удобны и легки в эксплуатации.
9. Низкий уровень шума и вибрации.
1.2 Основные характеристики сухих трансформаторов
К основным характеристикам сухих трансформаторов относятся:
- мощность;
- номинальное напряжение первичной обмотки;
- напряжение короткого замыкания;
- потери мощности холостого хода;
- потери мощности короткого замыкания.
Таблица 1 – Технические данные
Параметры
|
ТЛС-10
|
ТЛС-16
|
ТЛС-25
|
ТЛС-40
|
ТЛС-63
|
Мощность, кВА
|
10
|
16
|
25
|
40
|
63
|
Номинальная частота, Гц
|
50
|
50
|
50
|
50
|
50
|
Напряжение ВН, кВ
|
6; 6,3; 10; 10,5
|
6; 6,3; 10; 10,5
|
6; 6,3; 10; 10,5
|
6; 6,3; 10; 10,5
|
6; 6,3; 10; 10,5
|
Напряжение НН, В
|
400
|
400
|
400
|
400
|
400
|
Схема и группа соединения
|
Д/Ун-11; У/Ун-0
|
Д/Ун-11; У/Ун-0; Y/Zн-11
| |||
Напряжение кор. замыкания, %
|
4,4
|
3,3
|
2,8
|
2,8
|
2,1
|
Потери кор. замыкания, Вт
|
280
|
320
|
470
|
650
|
800
|
Ток холостого хода, %
|
4,9
|
4,8
|
2
|
1,8
|
1,5
|
Потери холостого хода, Вт
|
95
|
135
|
150
|
200
|
350
|
Масса, кг
|
150
|
180
|
240
|
300
|
500
|
Таблица 2 - Электрические характеристики сухих трансформаторов мощностью 100-2500 кВА
Мощность, кВА
|
Uh1, кВ
|
Потери, Вт
|
Ток холостого хода, Io, %
|
Uкз, %
|
Вес, кг
| |
Рхх
|
Рк.з.(115°С)
| |||||
100
|
6 или 10
|
390
|
1620
|
0,8
|
6
|
670
|
160
|
6 или 10
|
550
|
2300
|
0,6
|
6
|
930
|
250
|
6 или 10
|
800
|
3220
|
0,6
|
6
|
1330
|
400
|
6 или 10
|
950
|
5300
|
0,5
|
6
|
1400
|
630
|
6 или 10
|
1300
|
6800
|
0,5
|
6
|
1740
|
1000
|
6 или 10
|
1700
|
9500
|
0,4
|
6
|
2680
|
1250
|
6 или 10
|
1900
|
11000
|
0,4
|
6
|
3200
|
1600
|
6 или 10
|
2400
|
12500
|
0,35
|
6
|
3700
|
2500
|
6 или 10
|
4000
|
18500
|
0,35
|
6
|
5500
|
2 Расчет основных электрических величин трансформатора
Для электромагнитного расчета трансформатора необходимо определить основные электрические величины: мощность на одну фазу и стержень, номинальные токи и напряжения, составляющие напряжения короткого замыкания, испытательные напряжения обмоток.
Мощность одного стержня (фазы) трансформатора,
S' = SФ = SН / m , (1)
где SН - номинальная полная мощность, кВ×А;
m - число фаз трансформатора.
Номинальный линейный ток обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора,
I = SН (√3UН), (2)
где UН - номинальное линейное напряжение обмотки, кВ.
Фазные токи и напряжения, для обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора:
- при соединении обмоток в "звезду"
IФ = I, (3)
UФ = UН / √3; (4)
- при соединении обмоток в "треугольник"
IФ = I / √3, (5)
UФ = UН. (6)
Активная составляющая напряжения короткого замыкания, %,
uа = PК / (10×SН), (7)
где РК - потери короткого замыкания, Вт;
SН - номинальная полная мощность трансформатора, кВ×А.
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания при заданном uК, %,
uР = √uК2 – uА2. (8)
Таблица 3 - Испытательные напряжения для сухих трансформаторов
Класс напряжения, кВ
|
до 1
|
3
|
6
|
10
|
15
|
20
|
35
|
Наибольшее рабочее напряжение, кВ
|
1,2
|
3,6
|
7,2
|
12
|
17,5
|
24
|
40,5
|
Испытательное напряжение частотой 50 Гц, кВ
|
5
|
18
|
25
|
35
|
45
|
55
|
85
|
Классом напряжения трансформатора считают класс напряжения обмотки ВН. Классом напряжения обмотки называют ее длительно допустимое рабочее напряжение, которое равно номинальному напряжению сети, в которую включается обмотка. Каждому классу напряжения соответствуют испытательные напряжения при 50 Гц и импульсное. Для определения размеров главной изоляции следует выбрать испытательные напряжения обмоток НН и ВН по табл. 3.
3 Потери сухого трансформатора
3.1 Потери холостого хода
Потери холостого хода сухого трансформатора в первую очередь зависят от технологии изготовления сердечника. Итальянские, азиатские и российские заводы-производители применяют холоднокатаную электротехническую сталь с ориентированной зернистой структурой, обладающую низкими потерями и низкой намагничиваемостью. Электротехническая сталь представляет собой сплав железа и углерода с небольшим количеством кремния (0,8–4,8%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость стали в слабых магнитных полях и повышает ее электрическое сопротивление, вследствие чего уменьшаются потери на вихревые токи.
В последнее время в конструкции сердечников вместо прямоугольных часто применяют пластины, узкие стороны которых срезаны под углом 45°. Данная технология сборки обеспечивает снижение потерь холостого хода трансформатора и уменьшает уровень шума при его работе. Пластины режутся на автоматизированной линии, обеспечивающей их последовательный раскрой с автоматической шихтовкой, при этом обеспечивается высокая точность и необходимые перекрытия пластин одна относительно другой для использования сборки «step-lap».
К сожалению, не все заводы указывают в своих каталогах технологию сборки. Но по информации из открытых источников можно сказать, что сборка сердечников трансформаторов категории В максимально автоматизирована и производится непосредственно на заводе, в то время как ряд производителей трансформаторов категории А либо собирают сердечники вручную, либо закупают готовые сердечники у заводов, специализирующихся именно на изготовлении сердечников.
Каждый магнитопровод после сборки подвергают испытаниям с целью определения его качества. При испытаниях проверяются сопротивление его изоляции, значения потерь и тока холостого хода на соответствие расчету и требованиям стандарта. Увеличение потерь уменьшает КПД трансформатора и вызывает повышенный нагрев магнитопровода, снижая тем самым срок службы трансформатора.
Развитие технологии снижения потерь холостого хода в будущем связано с изготовлением магнитопровода из аморфной стали. За счет лучшей электро- и теплопроводности уровень потерь холостого хода для трансформаторов снизится в 4–5 раз. Первые экземпляры такого вида оборудования в данный момент проходят испытания, однако цена трансформатора будет очень высока, что пока с экономической точки зрения не оправдает затраты.
3.2 Потери короткого замыкания
Ценовое отличие трансформаторов также связано с применяемым материалом обмоток. В качестве материала обмоток используется алюминий или медь.
Обмотки трансформаторов ценовой категории А изготавливаются из алюминиевой фольги. Обмотка низкого напряжения изготавливается из цельного листа фольги, ширина которой равна высоте обмотки. Обмотка среднего напряжения изготавливается из последовательно соединенных секций высотой 80–100 мм. Намотка производится одновременно с наложением межвитковой изоляции с последующей вакуумной заливкой.
Обмотки трансформаторов ценовой категории В изготавливаются из медной фольги и медного провода. Обмотка низкого напряжения изготавливается из цельного листа фольги, намотка производится одновременно с наложением многослойной изолирующей пленки. Обмотка среднего напряжения изготавливается из медного провода, в качестве первичной изоляции которого использован либо из полиэфироимидный лак высокой нагревостойкости, либо плёнка Nomex.
Медь имеет сравнительно высокую электропроводность, т. е. малое удельное электрическое сопротивление постоянному току при 20 °С равно 0,01724 Ом·мм2/м. Алюминий же по электропроводности уступает меди – его удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно 0,0283 Ом·мм2/м. Медь на сегодняшний день дороже алюминия примерно в 4 раза, поэтому цена трансформаторов с медными обмотками существенно выше.
4 Стандарты, испытания и установка сухого трансформатора
4.1 Стандарты сухих силовых трансформаторов
Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ от 9 апреля 2007 года № 60-ст утвержден и введен в действие с 1 января 2008 года ГОСТ Р 52719-2007. Этот национальный стандарт разработан с учетом основных нормативных положений МЭК 60076-1 (в части основных понятий и определений) и МЭК 60076-2, МЭК 60076-3 и МЭК 60076-5 (в части технических требований по нагреву, электрической прочности и стойкости при коротких замыканиях).
Все трансформаторы, представленные на российском рынке, должны иметь сертификат соответствия требованиям нормативных документов, в том числе и стандарту ГОСТ Р 52719-2007. Сертификат соответствия выдается на основании протоколов испытаний оборудования, проведенных в специальных сертифицированных лабораториях (ВЭИ, НИЦ ВВА, CESI, KEMA и т.д.).
Европейские производители проектируют и изготавливают сухие трансформаторы в соответствии со стандартом МЭК 60076-11, по которому в части климатического исполнения оборудование соответствует классу С2, то есть сухие трансформаторы могут эксплуатироваться при минимальной температуре –25 °С.
Однако, учитывая холодные условия России и требования стандарта ГОСТ 52719-2007 к климатическому исполнению «У» (аналог класса С2 по МЭК), в каталогах ряда производителей можно найти информацию по температурным режимам работы и транспортировке трансформаторов до –50 °C, которые достигаются за счет применения специальных добавок, улучшающих эластичность компаунда обмоток. В любом случае при необходимости транспортировки или хранения оборудования при температуре ниже –25 °C стоит уточнить эту информацию у поставщика при заказе.
Приведем перечень приемосдаточных испытаний в соответствии с ГОСТ Р 52719-2007, которым должен быть подвергнут каждый трансформатор:
- Проверка коэффициента трансформации и группы соединения обмоток.
- Испытание электрической прочности изоляции.
- Проверка потерь и тока холостого хода.
- Проверка потерь и напряжения короткого замыкания.
- Измерение сопротивления обмоток постоянному току.
- Измерение диэлектрических параметров изоляции.
Данный стандарт регламентирует необходимый состав испытаний оборудования, что позволяет покупателю по их итогам оценить оборудование на этапе приемки. При выборе оборудования стоит уделить особое внимание сравнению заявленных в каталоге характеристик с данными в протоколе испытаний оборудования, прилагаемом к паспорту на изделие.
4.2 Установка трансформатора
Трансформатор устанавливается на площадке, защищенной от таких вредных факторов внешнего воздействия, как смог, пар, высокие концентрации в воздухе агрессивных частичек пыли, излишней влажности или образования конденсата и выпадения капель воды.
Должна быть обеспечена хорошая вентиляция. На каждый киловатт нагрузки вентиляция должна обеспечить поток воздуха не менее 4 м3/мин.
Основание трансформатора должно быть закреплено в фундаменте или на рельсах (ролики должны быть удалены). Фундамент трансформатора и освещение внутри здания должны отвечать соответствующим нормам и стандартам.
Схема установки должна отвечать требованиям обеспечения безопасности людей и исключать контакт человека с токоведущими частями установки после подачи напряжения на трансформатор. Для трансформаторов без защитного кожуха необходимо поставить заземленное ограждение – забор вокруг трансформатора. На корпус трансформатора на видном месте следует нанести предупредительные таблички; такие же таблички должны быть вывешены на ограждении вокруг трансформатора.
В целях безопасности в местах установки трансформатора на площадках, расположенных на высоте выше 1000 м над уровнем моря, безопасное изоляционное расстояние между оголенными фазами, а также между фазами и землей должно быть не менее, чем указано в таблице ниже:
Напряжение, кВ
|
1
|
6
|
10
|
15
|
20
|
35
|
Безопасное изоляционное расстояние между фазами и между фазой и землей, мм
|
25
|
90
|
125
|
180
|
225
|
340
|
Расстояние между корпусом под напряжением и рабочей зоной оператора должно быть не менее:
Номинальное напряжение, кВ
|
менее 10
|
15-35
|
Расстояние при наличии ограждения, мм
|
350
|
600
|
Расстояние без наличия ограждения, мм
|
700
|
1000
|
Монтаж всех соединительных проводов должен быть выполнен правильно. Соединение кабелей и шин должно быть выполнено в соответствии с установленными стандартами и в соответствии с требованием к безопасному изоляционному расстоянию. Кабели и шины должны быть зафиксированы с помощью фиксаторов перед местами соединения с контактными зажимами с целью избежать передачи избыточных механических нагрузок и скручивающих усилий на зажимы.
Если контактные зажимы на основном корпусе необходимо соединить с помощью жестких проводников, следует использовать между ними мягкие элементы-переходники, предварительно натянутые и затем установленные с провисанием, чтобы избежать излишних нагрузок на зажимы.
Все соединения должны быть надежно закреплены. При соединении с помощью болтов необходимо затягивать болты с определенным усилием, чтобы не допустить их самопроизвольного ослабления, и принимать меры для защиты от коррозии. Рекомендуются следующие крутящие моменты затяжки болтов:
Тип болта, мм
|
М10
|
М12
|
М16
|
М20
|
М24
|
Крутящий момент затяжки, Нм
|
18-22
|
32-39
|
79-98
|
157-196
|
275-343
|
Для стальных крепежных элементов:
Тип болта, мм
|
М10
|
М12
|
М16
|
Крутящий момент затяжки, Нм
|
9-11
|
16-20
|
35-40
|
Болты заземления трансформатора/корпуса и ограждения вокруг трансформатора должны быть надежно соединены с системой защитного заземления и отвечать соответствующим нормам и стандартам.
Приборы контроля и регулирования температуры, а также контрольно-измерительные приборы для автоматических регуляторов напряжения с устройствами переключения ответвлений обмоток трансформатора под нагрузкой должны размещаться в местах, удобных для наблюдения за ними и для быстрого доступа к ним в случае необходимости изменения регулировок. Безопасное изоляционное расстояние между соединительными проводами и корпусами оборудования под напряжением должны соответствовать требованиям. Соединения должны быть выполнены правильно и надежно.
Когда трансформаторы устанавливаются для работы в параллельном режиме, должны быть выполнены следующие условия: они должны принадлежать к одной и той же группе соединений, должны быть одинаковые номинальные напряжения в контурах высокого (HV) и низкого (LV) напряжений с разницей коэффициента трансформации не более 1%, с расхождением полного сопротивления короткого замыкания не более 10% и с номинальным коэффициентом использования генерирующих мощностей 1/3—3.
4.3 Порядок работы трансформатора
С учетом первичного напряжения на участке установки необходимо прочно закрепить соединительную планку отвода с соответствующими клеммами отвода согласно указаниям на фирменной табличке. Сопротивление постоянному току обмотки необходимо измерить, чтобы убедиться, что контакт хороший и выполнен правильно.
Перед вводом в эксплуатацию трансформатора с переключателем ответвлений под нагрузкой необходимо выставить напряжение распределения электроэнергии с помощью автоматического регулятора напряжения.
Значения температур должны быть заранее установлены в регуляторе температуры в соответствии с инструкциями. (Их не следует переустанавливать без особой необходимости.)
Когда все устройства защиты установлены в состояние готовности, трансформатор не может выйти из строя, если на него подается питание при импульсе замыкания без нагрузки 5 раз (в течение 10-минутного интервала).
При эксплуатации нагрузка подается на трансформатор постепенно с одновременной проверкой на отсутствие аномальных акустических шумов. В любом случае избегайте включения большой нагрузки одномоментно!
После остановки трансформатор можно сразу же включать повторно. Однако если на поверхности трансформатора обнаруживается конденсат, следует вначале его просушить, и только затем включать вновь.
В первые 72 часа работы трансформатора частоту проверок следует увеличить.
Заключение
Особенностью силовых трансформаторов с системой воздушного охлаждения является возможность их эксплуатации в умеренно холодных климатических условиях. Его нормальная работа возможна при поддержании температуры окружающей среды от +1 до +35 градусов, однако такие трансформаторы не предназначены для функционирования в условиях повышенной вибрации, а также в помещениях с сильной запыленностью, в агрессивных и взрывоопасных средствах.
Преимуществами сухих трансформаторов являются:
- экологическая безопасность;
- безопасность при эксплуатации;
- отсутствие дополнительных мер противопожарной безопасности в местах установки;
- небольшие габаритные размеры;
- устойчивость к воздействию сырости и влаги;
- минимальные эксплуатационные затраты;
- высокая надежность оборудования;
- низкий уровень шума и вибрации.
Основными характеристиками сухих трансформаторов являются:
- мощность;
- номинальное напряжение первичной обмотки;
- напряжение короткого замыкания;
- потери мощности холостого хода;
- потери мощности короткого замыкания.
Многие заводы-производители в процессе изготовления сердечника сухого трансформатора применяют холоднокатаную электротехническую сталь с зернистой структурой, обладающую низкими потерями и низкой намагничиваемостью. Эта сталь представляет собой сплав железа и углерода с небольшим количеством кремния (0,8-4,8%). Кремний увеличивает магнитную проницаемость стали в слабых магнитных полях и повышает ее электрическое сопротивление, вследствие чего уменьшаются потери на вихревые токи.
Обмотки трансформаторов изготавливаются из алюминиевой или медной фольги и медного провода. Медь имеет сравнительно высокую электропроводность, т. е. малое удельное электрическое сопротивление постоянному току при 20 °С равно 0,01724 Ом*мм2/м. Алюминий же по электропроводности уступает меди – его удельное электрическое сопротивление при 20 °С равно 0,0283 Ом*мм2/м. Медь на сегодняшний день дороже алюминия примерно в 4 раза, поэтому цена трансформаторов с медными обмотками существенно выше.
Трансформаторы, представленные на российском рынке, должны иметь сертификат соответствия требованиям нормативных документов, в том числе и стандарту ГОСТ Р 52719-2007. Сертификат соответствия выдается на основании протоколов испытаний, проведенных в лабораториях.
Приемосдаточные испытания, которым подвергается трансформатор:
- проверка коэффициента трансформации и группы соединения обмоток;
- испытание электрической прочности изоляции;
- проверка потерь и тока холостого хода;
- проверка потерь и напряжения короткого замыкания;
- измерение сопротивления обмоток постоянному току;
- измерение диэлектрических параметров изоляции.
Благодаря итогам данных испытаний покупатель может оценить оборудование на этапе приемки.
Комментариев нет:
Отправить комментарий