ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

Трансформатором называется электромагнит¬ное статическое устройство, предназначенное для преобра¬зования посредством электромагнитной индукции электри¬ческой энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Это уст¬ройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) взаимно неподвижных электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнит¬ном магнитопроводе. Обмотки имеют между со-

Принцип устройства трансформатора
собой магнитную связь, осуществляемую переменным маг¬нитным полем. Ферромагнитный магнитопровод пред¬назначен для усиления магнитной связи между обмотками. Иногда в трансформаторах ферромагнитный сердечник может отсутствовать. Такие трансформаторы называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты.
Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной обмоткой.
Обмотки трансформатора подключаются к сетям с раз¬ными напряжениями. Обмотка, предназначенная для при¬соединения к сети с более высоким напряжением, называ¬ется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоеди¬няемая к сети с меньшим напряжением, — обмоткой низ¬шего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется пони¬жающим, а если больше — повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансфор¬матор может быть как повышающим, так и понижающим.
Трансформаторы с двумя обмотками называются двух-обмоточными. Изготовляются трансформаторы, у ко¬торых имеются три или более электрически не связанных обмоток. Такие трансформаторы называются трех- или многообмоточными. Многообмоточные трансформа¬торы имеют несколько вторичных или первичных обмоток. В зависимости от числа фаз трансформаторы подразделя¬ются на однофазные, трехфазные и многофаз¬ные.
Трансформаторы находят самое широкое применение. Существует много разнообразных их типов, различающихся как по назначению, так и по выполнению. Здесь, в первую очередь, следует выделить группу силовых трансформато¬ров, предназначенных для передачи и распределения элект¬роэнергии, вырабатываемой на электростанциях.
Установленные на электрических станциях генераторы вырабатывают электрическую энергию относительно не¬высокого напряжения (до 32 кВ). Для передачи ее к пот¬ребителям, расположенным на расстоянии в несколько со¬тен или даже тысяч километров, для уменьшения сечения проводов линии и потерь в ней целесообразно эту энергию преобразовать, уменьшив ток в линии путем соответствую¬щего повышения напряжения. Напряжение в начале линии передачи принимают тем выше, чем больше длина линии и передаваемая мощность. В современных сетях энергия передается при напряжениях 500−750 кВ. Повышение на¬пряжения на электростанциях осуществляется с помощью повышающих трансформаторов. В конце линии передачи устанавливаются трансформаторы, которые понижают на¬пряжение, так как для распределения энергии по заводам, фабрикам, жилым домам и колхозам необходимы сравни¬тельно низкие напряжения,
При передаче электрической энергии от места ее произ¬водства до места потребления требуется многократная ее трансформация. Поэтому мощность всех трансформаторов, установленных в сети, в 7−8 раз и более превышает об¬щую мощность генераторов. Мощность силовых трансфор¬маторов колеблется от нескольких киловольт-ампер до со¬тен мегавольт-ампер. В дальнейшем изложении главное внимание будет уделяться этому виду трансформаторов.
Наряду с силовыми трансформаторами широкое рас¬пространение получили специальные трансформаторы (сварочные, для питания электродуговых печей, измери¬тельные и др.). Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты'.
Трансформаторы небольших мощностей находят широ¬кое применение в устройствах связи, радио, телевидения, системах автоматики и др.

О. Принцип действия трансформатора
Принцип действия трансформатора основан явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения (см. рис. 1.1), то по этой обмотке потечет переменный ток, ко¬торый создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число вит¬ков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по зна¬чению. В той обмотке, которая имеет большее число вит¬ков w, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков.
Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно рав¬на приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке, под действием индуцированной в ней ЭДС возникнет ток /2, а на ее выводах установится напряжение U2. которые будут отличаться от тока 11 и напряжения U1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит из¬менение параметров энергии: подводимая к первичной об¬мотке от сети электрическая энергия с напряжением U1 и током I1 посредством магнитного поля передается во вторичную обмотку с напряжением U2 и током /2.
Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока. В этом случае магнитный поток в нем будет неизмен¬ным во времени и, следовательно, не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно не¬большим активным сопротивлением обмотки. Во избежа¬ние перегорания обмотки протекание такого тока допус¬кать нельзя.

Конструктивные части трансформатора. Основным ти¬пом силового трансформатора является масляный транс¬форматор. Сухие трансформаторы применяются в установ¬ках производственных помещений, жилых и служебных зданий, т. е. там, где применение масляных трансформато¬ров вследствие их взрыво- и пожароопасности недопусти¬мо. В сухих трансформаторах охлаждающей средой служит проникающий к обмоткам и магнитопроводу атмосферный воздух.
У масляного трансформатора выемная его часть, является по существу собственно трансформатором, погружается в бак с маслом. К выемной части относится остов с обмотками и отводами, а в некоторых конст¬рукциях также и крышка бака. Масло, заполняющее бак, имеет двойное назначение. Оно имеет более высокую диэлектрическую прочность, чем воздух, благодаря чему мож¬но уменьшить изоляционные расстояния между токоведу-щими и заземленными частями, а также между обмотками. Кроме того, трансформаторное масло является лучшей охлаждающей средой, чем воздух. Поэтому в трансформато¬ре, заполненном маслом, можно увеличить электрические и магнитные нагрузки. Все это приводит к уменьшению расхода обмоточных проводов и электротехнической стали на изготовление трансформатора и уменьшению его габа¬ритов.
Бак трансформатора обычно имеет овальную форму и для удобства транспортировки располагается на тележ¬ке с катками. С ростом мощности трансформатора конст¬рукция бака видоизменяется. С возрастанием мощности потери, которые вызывают нагрев частей трансформатора, растут быстрее, чем растет поверхность охлаждения. По¬этому с увеличением мощности трансформатора приходит¬ся искусственно увеличивать поверхность охлаждения.
У трансформаторов мощностью до 40 кВ-А применя¬ются баки с гладкими стенками. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: нагреваясь от обмоток и сердечника, оно поднимается вверх, а у стенок бака ох¬лаждается и опускается вниз. От стенок бака тепло рас¬сеивается в окружающее пространство путем излучения и конвекции. При мощностях от 40 до 1600 кВ-А для уве¬личения поверхности охлаждения в стенки бака вварива¬ют трубы диаметром 30−60 мм, располагаемые в один — три ряда. Процесс охлаждения трансформатора протекает так же, как и в предыдущем случае.
В трансформаторах мощностью свыше 1000 кВ-А ис¬пользуются гладкие баки с подвешенными к ним трубча¬тыми охладителями (рис. 1.28), которые присоединяются к верхней и нижней частям бака с помощью фланцев. От¬носительно стенок бака охладители располагаются ради-ально. Циркуляция масла в охладителе совершается есте¬ственной конвекцией. В последнее время трубчатые охла¬дители стали применять и в трансформаторах меньшей мощности.
При мощностях свыше 10 000 кВ-А периметр гладкого бака оказывается недостаточным для размещения необхо¬димого количества охладителей. Тогда для более интен¬сивного отвода от охладителей применяется их обдув с по¬мощью вентиляторов, что дает увеличение теплоотдачи на 50−60%. В мощных трансформаторах применяется фор¬сированное охлаждение масла. Масло из бака откачива¬ется насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное вновь возвращается в бак трансформатора.
Иногда в целях пожарной безопасности бак трансформатора
заполняется негорючим и не окисляющимся жидким
диэлектриком — совтолом. Электрическая прочность
и охлаждающие свойства этого диэлектрика практически
не отличаются от таких же свойств масла. Применение совтола
ограничивается более высокой по сравнению с мас¬лом стоимостью и токсичностью его паров.

Расширитель, газовое реле и выхлопная труба. Расширитель соединяется патрубком с баком трансформатора и обеспечивает заполнение его маслом при изменениях объема масла вследствие колебаний температур. Кроме того, трансформатор с расширителем имеет меньшую площадь открытой поверхности масла, соприкающегося с воздухом, что уменьшает степень окисления, увлажнения и загрязнения масла. Объем расширителя составляет 9,5−10% объема масла в трансформаторе и системе охлаждения. Наличие масла в расширителе контролируется по маслоуказателю, на шкале которого нанесены контрольные риски — уровень масла в неработающем трансформаторе при температуре -40. +15 +40°С, Расширители мощных трансформаторов снаб¬жаются поплавковыми реле уровня масла. В трубопро¬вод, соединяющий расширитель с баком, встраивается газовое реле, реагирующее на внутренние повреждения, сопровождающиеся выделением газов, а также на пони¬жения, уровня масла.

Газовые реле применяются двух типов: поплавковое ПГ-22 и чашечное РГЧЗ-66.

Выхлопная (предохранительная) труба на крышке бака защищает его от разрыва при интенсивном выделе¬нии газа во время крупных повреждений внутри транс¬форматора. Верхний конец выхлопной трубы герметично закрывается диафрагмой из стекла или медной фольги. При взрывообразных выделениях газа диафрагма вы¬давливается и газы выбрасываются наружу, что предо¬храняет бак от деформации. Верхняя полость выхлопной трубы и воздушное пространство над поверхностью мае¬та в расширителе соединены между собой трубкой. Это необходимо для выравнивания давлений с обеих сторон диафрагмы при изменении объема масла в нормальных эксплуатационных условиях.

Вводы
Отводы от обмоток выводятся наружу с помощью вводов. Вводы состоят из сплошного токоведущего стержня (или полого стержня внутри которого проходит гибкий провод), фарфорового изолятора и фланца, предназначенного для установки ввода.
В современных конструкциях трансформаторов напряжениях 35 кВ и ниже применяются съемные вводы. Фарфоровый изолятор крепится к крышке трансформатора накидным фланцем с кулачками. Внутреннюю полость изолятора заполняет масло из бака. Уплотнение верхней торцевой части изолятора производится резиновым кольцом и резиновой шайбой. Основное достоинство съемных вводов заключается в том, что для замены фарфорового изолятора не требуется отсоединения стержня внутри бака, что обычно связано с подъемом активной части .

7−4. ОХЛАЖДЕНИЕ
Тепловая энергия, выделяющаяся в обмотках и маг-нитопроводе работающего трансформатора, рассеивает¬ся в окружающую среду. Переход тепла с поверхности обмоток и магнитопровода к охлаждающему маслу происходит вследствие разности температур между ни¬ми. Эта разность обеспечивается непрерывной естествен¬ной или принудительной циркуляцией масла внутри трансформатора. Естественное движение нагретых и хо¬лодных слоев масла объясняется их разной плотностью. В окружающую среду тепло отводится конвекционными потоками воздуха у стенок бака и излучением, Теплопе¬редача конвекцией происходит со всей поверхности бака, труб и охладителей и зависит от разности температур бака и воздуха, от конфигурации и площади охлаждае¬мых поверхностей. Чем свободнее доступ воздуха к ох¬лаждаемой поверхности, тем интенсивнее теплопередача.
Теплопередача путем излучения (а она составляет для трансформаторов с гладкими стенками баков около 50% общей теплопередачи) зависит от температуры из¬лучающей поверхности и ее состояния. С закрытой тру¬бами и охладителями поверхности излучения не проис¬ходит, что связано с прямолинейным распространением лучистой энергии.
Системы охлаждения и их эксплуатация. Предусмот¬рены следующие системы охлаждения масляных транс¬форматоров и условные обозначения:
масляное охлаждение с естественной циркуляцией масла внутри бака и воздуха снаружи — М;
масляное дутьевое охлаждение с естественной цир¬куляцией масла — Д;
масляное дутьевое охлаждение с принудительной циркуляцией — ДЦ;
масляное водяное охлаждение с принудительной цир¬куляцией масла и воды — Ц.
Трансформаторы с естественным масляным охлаж¬дением при очень малой мощности (не превышающей 25 кВ-А) выпускаются с гладкими баками. Поверхность баков таких трансформаторов достаточна для отвода тепла. С ростом мощности трансформаторов появляется необходимость искусственного увеличения площади охлаждающих поверхностей. Одним из конструктивных решений является применение баков с охлаждающими трубами.
Стальные трубы (предварительно согнутые) распо¬лагают вертикально, параллельно стенке бака, и при¬варивают изнутри бака. Трубчатые баки имеют транс¬форматоры мощностью 1600 кВ-А включительно.
Для трансформаторов мощностью 1600−16 000 кВ-А применяют гладкие баки с подвесными трубчатыми ох¬ладителями (радиаторами), позволяющими получать значительно большие поверхности охлаждения, чем у баков с охлаждающими трубами. Схема естественной циркуляции масла в трансформаторе с радиаторами по¬казана на рис. 7−7. Каждый радиатор представляет со¬бой самостоятельный узел, присоединяемый своими па¬трубками к патрубкам бака. Между фланцами патруб¬ков устанавливаются плоские краны. Кранами пользу¬ются в том случае, когда радиатор снимается в ремонт с трансформатора, заполненного маслом. После снятия радиатора на краны ставят стальные заглушки.

Глава пятая
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
5.1. Принципы регулирования
Наиболее распространенным способом регулирова¬ния напряжения является изменение ступенями числа витков обмоток трансформаторов. С этой целью у обмо¬ток предусматриваются дополнительные ответвления, при помощи которых изменяют число включенных, вит¬ков и тем самым коэффициент трансформации.

Откуда следует, что для регулирования вторичного напря¬жения требуется изменить число витков у одной из обмо¬ток. Для этой цели обмотка выполняется с рядом ответв¬лений. Переключение ответвлений обмоток производится специальными переключателями, встроенными в трансфор¬матор. Регулирование напряжения встречает трудности, связанные с тем, что при переключении с одного ответвле¬ния к другому нельзя разрывать цепь тока, и в то же вре¬мя недопустимо, чтобы контакты переключателя замыка¬ли накоротко два соседних отвода, так как при этом будет короткое замыкание части обмотки, включенной между этими отводами. В закороченной части обмотки возникнут большие токи, которые могут вызвать ее повреждение.
Существует два вида переключения ответвлений обмо¬ток трансформаторов:
переключение ответвлений обмотки трансформатора без возбуждения (ПБВ), т. е. после отключения всех его об¬моток от сети;
переключение ответвлений обмотки без перерыва на¬грузки (РПН).
Трансформаторы с переключением ответвлений без возбуждения
В силовых трансформаторах с таким способом переклю¬чения ответвлений напряжение регулируется на ±5% от¬носительно номинального. В таких трансформаторах небольшой и средней мощности имеется пять ответвлений: +5; +2,5; 0: -2,5; -5%. Обычно ответвления выполняют¬ся у обмотки ВН, так как ток в ее цепи меньше и поэтому отводы и переключатель получаются более компактными. Кроме того, число витков обмотки ВН больше, чем НН, вследствие чего изменение числа витков на ±2,5 можно выполнить более точно.
Изменение числа витков обмотки осуществляется при по¬мощи располагаемого внутри бака трансформатора кон¬тактного переключателя, имеющего систему неподвижных и движущихся контактов. К неподвижным контактам под¬соединяются ответвления от обмотки. Перевод переключа¬теля из одного положения в другое осуществляется при помощи рукоятки, устанавливаемой на крышке или стенке бака трансформатора.

Трансформаторы с переключением ответвлений без перерыва мштр^жи
Трансформаторы с РПН, выпускаемые отечественной промышленностью, позволяют регулировать напряжение ±9- ±16%. Регулирование осуществляется в шесть — девять ступеней. При переходе с одной ступени на дру¬гую, для того чтобы не было разрыва тока, контакты при¬меняемого в этом случае переключающего устройства в промежуточном положении должны замыкать два сосед¬них ответвления (и часть обмотки, включенной между ни¬ми). Для ограничения тока короткого замыкания здесь применяются более сложные переключающие устройства, содержащие резисторы или реакторы (индуктивности).
На рис. 5.2 показана принципиальная схема переклю¬чающего устройства с токоограничивающими резисторами. Переключение осуществляется быстродействующим пере¬ключателем S и переключателями 5Ь* 52. Переключатель S вместе с резисторами R{ и R2 монтируется в специаль¬ном масляном баке. Переключатели S{ и 52 переводятся из одного положения в другое при отсутствии тока. При показанном на рис. 5.3 положении переключателей транс¬форматор работает на ответвлении Х2. Для перехода насоседнее ответвление, например на Х\, переключатель S\ переводится на ответвление X". Затем переключатель S, по¬ворачиваясь по часовой стрелке, разрывает контур 3 (см, рис. 5.2), соединяет между собой контакты 4 и 7, при этом последовательно с частью обмотки между ответвле¬ниями Х2 и Xi включаются токоограничивающие резисто¬ры R2 и Ri. При дальнейшем повороте переключателя за¬мыкаются между собой контакты 1, 2 к разрывается кон¬такт 4. В этом положении переключателя трансформатор будет работать на ответвлении Х\. Резистор Ri при этом закорочен, и ток через него проходить не будет. Весь про¬цесс переключения автоматизирован и происходит в тече¬ние сотых долей секундъь
Схема переключателя токоограничивающим и последовательность его работы приведена на рис. 5 5. Переключение осуществляется переключателями Si, S2 и выключателями Qi и Q2. Размыканию контактов пе¬реключателей Si, S2 предшествует их отключению от сети выключателями Qb Q2. Переключатели Si, S2 и реактор размещаются в масляном баке трансформатора, а выклю¬чатели Qi, Q2 во избежание загрязнения масла — вне трансформатора.
Позиция на рис. 5,3. а соответствует работе трансфор¬матора на ответвлении позиция на рис. 5.3: заносят в ведомость объема работ. Затем из транс-: рматора сливают часть масла, демонтируют приборы * >нтроля, защиты, автоматики и управления системой лаждения. Снятые приборы сдают в лабораторию на ~: эверку. Далее снимают расширитель, предохранитель-- ;-э трубу, термосифонный фильтр и охладители. Сле-:ующими операциями являются строповка и выемка тивной части из бака. У трансформаторов И-IV габа-тов на крышке имеются подъемные кольца, с по¬лью которых крышка поднимается над баком вместе
247
с активной частью и устанавливается для ремонта на специальный противень. У мощных трансформаторов V-VII габаритов со съемным кожухом, имеющим разъ¬ем у основания трансформатора, активная часть обна¬жается при поднятии верхней части бака-колокола. Но для этого необходимо предварительно слить масло, снять болты с контактной части вводов, отвести отводы в сторону и снять вводы. Снятие вводов НН с армирован¬ными фланцами производят после отсоединения демпфе¬ров отводов НН через специальные люки. После снятия вводов активная часть осматривается в баке и проверя¬ются крепления. Вскрытие активной части (подъем ко¬локола) осуществляют с большой осторожностью, чтобы не задеть и не повредить активную часть. Ремонт актив¬ной части производят на выровненном настиле или на поддоне бака.

В объем работ при капитальном ремонте трансфор¬матора входят;
осмотр и чистка магнитопровода, промывка активной части струей горячего масла с целью удаления отложе¬ний и шлама, проверка и восстановление изоляции стяж¬ных шпилек и ярмовых балок, подтяжка доступных стяжных шпилек. Проверка заземления магнитопровода и прессующих деталей;
осмотр и чистка обмоток и отводов. Проверка состоя¬ния изоляции обмоток. Проверка качества прессовки, отсутствия деформаций и смещений обмоток относитель¬но их нормального положения. Подпрессовка обмоток с помощью нажимных винтов и прессующих колец (у трансформаторов, не имеющих прессующих колец, под¬прессовка производится способом расклинивания обмо¬ток). Проверка и ремонт ярмовой изоляции и изоляции отводов;
осмотр и проверка переключателя ответвлений. Проверка исправности всех механизмов переключателя РПН;
осмотр, очистка и ремонт бака, расширителя, вы¬хлопной трубы, радиаторов, термосифонного фильтра и воздухоосушителя с заменой в них сорбента. Окраску бака;
осмотр, чистка и ремонт вводов, замена масла во вводах;
осмотр, чистка и ремонт системы охлаждения (насо¬сов, вентиляторов, охладителей, арматуры);
248