Лекция 5 Преобразовательное оборудование Электрооборудование высокого напряжения для преобразования электрической энергии

2 В современной энергетике возникает необходимость в преобразовании электрической энергии переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения той же частоты. Такое преобразование осуществляется при помощи электрических машин, которые называют трансформаторами.

3 Преобразование электрической энергии в трансформаторе основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор имеет две основные части: 1) магнитную обычно в виде магнитной системы из ферромагнитного материала и 2) электрическую в виде двух или нескльких обмоток.

4 Причем, в трансформаторе, как и во всякой электрической машине магнитная и электрическая часть взаимно связаны.

5 Типы трансформаторов 1) силовые трансформаторы, преобразующие электроэнергию с одного класса напряжения в другой (мощность от 5 кВА до 200 тыс. кВА); 2) трансформаторы для преобразования числа фаз переменного тока; 3) трансформаторы для импульсных сигналов (радио, телевидение, импульсная техника); 4) трансформаторы для выпрямительных установок;

6 5) измерительные трансформаторы (трансформаторы напряжения и трансформаторы тока); 6) трансформаторы для получения весьма значительных величин тока (питание дуговых электрических печей печные трансформаторы) и напряжения (испытательные трансформаторы); 7) трансформаторы для плавного регулирования напряжения.

7 По числу фаз обмоток трансформаторы различают одно-, трех- и многофазные. По числу систем фазных обмоток двухобмоточные и многообмоточные трансформаторы. Фазные обмотки, получающие энергию из сети, называют первичными, а обмотки, отдающие энергию, вторичными. Если первичное напряжение больше вторичного, трансформатор называют понижающим, если первичное напряжение меньше вторичного повышающим.

8 Трансформаторы, у которых сердечник вместе с обмотками помещен в трансформаторное масло, называют масляными. Трансформаторы, не погруженные в жидкую среду, называют сухими.

9 Устройство силовых трансформаторов Основой силового трансформатора является сердечник. По конструкции сердечника трансформаторы делятся на два вида: стержневые, у которых ярма не охватывают обмоток, и броневые, у которых ярма охватывают обмотки.

10 Стержневые (а) и броневые сердечники трехфазных трансформаторов. 1 стержень; 2 ярмо; з обмотки.

11 Наша электропромышленность в основном выпускает стержневые трансформаторы.

12 Сердечники набирают из листов специальной трансформаторной стали с повышенным содержанием кремния толщиной 0,35 или 0,5 мм. В поперечном сечении стержни представляют собой либо квадрат, либо многоступенчатую фигуру, приближающуюся к окружности. Сечение ярем делают на 5-15% больше сечений стержней. Это позволяет уменьшить индукцию в этой части магнитопровода и тем самым уменьшают намагничивающий ток и потери в стали. Аналогичное увеличение сечения стержней не рационально, т. к. это приведет к увеличению диаметра витков обмоток и, как следствие, к увеличению расхода меди.

13

14 Вторым составным элементом трансформатора являются обмотки. Основные требования, которым должны удовлетворять обмотки. 1) Механическая прочность. 2) Электрическая прочность. Электрическая прочность при длительном воздействии наибольшего рабочего напряжения и перенапряжения (коммутационные и грозовые).

15 3) Технологичность. Изготовление обмоток должно быть простым и недорогим. 4) Нагревостойкость. 5) Экономичность. Электрические потери в обмотках не должны превосходить установленные нормы. В конструктивном отношении обмотки очень разнообразны. Проводники, которые используются для обмоток, бывают круглого сечения (0,02 10 мм 2 ) и прямоугольного (6 80 мм 2 ).

16 Плотность тока, допустимая для обмоток, работающих в масле, составляет 24,5 А/мм 2, в сухих трансформаторах 1,02,5 А/мм 2. Это значит, что при круглой форме сечения проводника в сухих трансформаторах ток в проводнике будет не больше 25 А, а в масляном трансформаторе не больше 45 А; при прямоугольной форме сечения проводника в сухих трансформаторах ток в проводнике будет не больше 200 А, а в масляном трансформаторе не больше 360 А.

17 концентрические дисковые чередующиеся По взаимному расположению обмоток высшего и низшего напряжений и способу их размещения на стержнях различают обмотки концентрические и дисковые чередующиеся. Концентрические простые

18 Концентрические двойные

19 Дисковые чередующиеся обмотки. Дисковые чередующиеся обмотки имеют меньшее магнитное рассеяние, но при высоких напряжениях изоляция таких обмоток сложнее из-за большого количества промежутков между катушками высшего и низшего напряжений.

20 Двойная дисковая катушка.

21 Элементами каждой обмотки являются виток и катушка или слой. Виток состоит из одного или нескольких рядом расположенных параллельных проводников, изолированных друг от друга.

22

23

24 Концентрические обмотки 1. Цилиндрические однослойные и многослойные. Многослойные цилиндрические обмотки выполняются обычно из круглых проводников, которые размещаются вдоль всего стержня в несколько слоев. При большом числе слоев обмотка выполняется из двух катушек, меду которыми имеется охлаждающий канал. Между слоями катушек прокладывается изоляция из кабельной бумаги.

25 Пример конструкции цилиндрической многослойной обмотки. 1 цилиндр, 2 внутренняя рейка, 3 обмоточный провод, 4 прокладка, 5 наружные переходы проводов.

26 Многослойные цилиндрические обмотки применяются главным образом в качестве обмоток высшего напряжения (до 35 кВ). Они просты в производстве, но имеют слабую механическую прочность в осевом направлении. 2. Цилиндрические многослойные, намотанные параллельными проводниками. Такие обмотки просты в производстве, но недостаточно устойчивы при воздействии токов короткого замыкания. Используются при номинальных токах до 800 А и могут иметь до четырех-шести параллельных проводников.

27 Цилиндрическая двухслойная обмотка.

28 Укладываются по винтовой линии, имеющей один или несколько ходов. Для равномерного распределения тока между проводниками в винтовых обмотках требуется перекладка (транспозиция) проводников, образующих один виток. При перекладке стремятся, чтобы каждый проводник попеременно занимал все положения, возможные в пределах одного витка. 3. Винтовые одно- и многоходовые.

29 Винтовая обмотка. а из четырех параллельных проводников; б из восьми параллельных проводников, намотанных по двухходовой винтовой линии.

30 Одноходовая винтовая обмотка.

31 Винтовые обмотки используются в качестве обмоток низшего напряжения при токах более 300 А и могут иметь от 4 до 20 и более параллельных проводников. Они обладают хорошей механической прочностью.

32 4. Катушечные многослойные цилиндрические обмотки. Состоят из ряда последовательно соединенных катушек, намотанных из круглого проводника. Между слоями в качестве изоляции прокладывается кабельная бумага или картон. Иногда между катушками делают охлаждающие каналы. Такие обмотки просты в производстве, используют их в качестве обмоток высшего напряжения в трансформаторах до 35 кВ.

33 5. Непрерывные катушечные спиральные обмотки.

34 Это самые трудоемкие и сложные катушки. Применяется широко в трансформаторах в качестве обмоток высшего и низшего напряжений ввиду их высокой механической прочности и надежности. Обмотки выполняются из прямоугольного провода в виде нескольких десятков дисковых катушек, намотанных по спирали и соединенных без пайки. Между катушками имеются каналы для их охлаждения.

35

Вопросы изоляции силовых трансформаторов С точки зрения высоковольтной изоляции силовой трансформатор это комплексное электротехническое сооружение, в нем изоляция состоит из ряда различных по конструкции элементов, работающих в существенно разных условиях и имеющих разные характеристики. Прежде всего изоляция любых трансформаторов подразделяется на внешнюю (наружную) и внутреннюю.

37 Внешняя изоляция Внешняя изоляция трансформаторов состоит из воздушных промежутков (это изоляция между выводами трансформатора и корпусом, между выводами отдельных обмоток) и из фарфоровых покрышек вводов. Выбор внешней изоляции аналогичен выбору соответствующей изоляции любого другого подстанционного электрооборудования.

38 Внутренняя изоляция Внутренняя изоляция силовых трансформаторов общего назначения отечественного производства выполняется, как правило, маслобарьерного типа. Бак трансформатора, в котором находятся активные части (магнитопровод и обмотки), отводы и вспомогательные устройства, заполняется минеральным трансформаторным маслом.

39 Трансформаторное масло в данном случае выполняет двойную роль, оно изолирует и отводит тепло от активных частей. К внутренней изоляции относится изоляция обмоток, изоляция отводов и вспомогательных устройств (переключателей).

40 Компоновка основных элементов силового трансформатора.

41 В свою очередь изоляция обмоток разделяется на главную и продольную. К главной изоляции относится: 1) изоляция между обмоткой и ярмом магнитопровода (ярмовая), 2) изоляция между обмоткой и стержнем магнитопровода, 3) изоляция между двумя соседними обмотками разных фаз, 4) изоляция между обмоткой высокого и низкого напряжений и 5) изоляция от стенки бака.

42 В продольной изоляции различают витковую и межкатушечную изоляцию.

43 Требования к электрической прочности отдельных элементов Специфика требований к изоляции трансформатора определяется прежде всего особенностями переходного процесса в трансформаторе при воздействии на него импульсных напряжений. Рассмотрев переходные процессы в обмотках трансформатора, можно сделать следующие основные выводы.

44 1. При заземленной нейтрали трансформатора наибольшее импульсное напряжение на главной изоляции имеет место на расстоянии приблизительно 1/3 длины обмотки от начала и может на 20 30% превышать воздействующее напряжение. Распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора в различных режимах при глухом заземлении нейтрали.

45 2. При изолированной нейтрали наибольшее напряжение наблюдается на конце обмотки и может в 1,5 1,8 раза превышать напряжение в начале (при бесконечно длинном импульсе с крутым фронтом). Распределение напряжения вдоль обмотки трансформатора в различных режимах при изолированной нейтрали.

46 3. Если импульс имеет крутой фронт, то на продольной изоляции могут возникать напряжения, которые в 10 раз превышают напряжения нормального режима. При пологих импульсах (например, коммутационные импульсы) напряжение на продольной изоляции резко снижается.

47 4. Наибольшее напряжение на продольной изоляции возникает при срезах, т. е. при пробое какого-либо промежутка, расположенного поблизости от трансформатора. Из-за индуктивности присоединительных проводов напряжение на трансформаторе при срезе имеет колебательный характер, причем максимум напряжения в отрицательный полупериод может составить около 0,6 от напряжения среза.

48 Воздействие такого импульса на обмотку трансформатора приблизительно эквивалентно воздействию полного импульса, равного 1,6U ср Вид срезанной волны, воздействующей на изоляцию трансформатора

49 Изоляция трансформаторов 3 35 кВ Трансформаторы с высшим напряжением 6, 10 и 35 кВ имеют аналогичную по конструкции маслобарьерную главную изоляцию, которая отличается только некоторыми изоляционными размерами.

50 Главная изоляция между обмотками низшего (НН) и высшего (ВН) напряжения трансформаторов 3 35 кВ состоит из масляного промежутка разделенного на две части барьером бакелитовым цилиндром. Значение главного изоляционного расстояния между НН и ВН обычно определяется не столько требованиями электрической прочности и надежности, сколько конструктивными соображениями и составляет обычно мм. Аналогичная ситуация и с ярмовой и остальной главной изоляцией.

51 Конструктивная компоновка изоляции силового трансформатора на напряжение 35 кВ.

52 Некоторые трансформаторы напряжением до 35 кВ специального назначения (электровозные, шахтные и др.) по соображениям пожарной безопасности выполняются сухими. В этом случае изоляционной и охлаждающей средой является газ, как правило, воздух и иногда элегаз.

53 Обмотки трансформаторов изготавливаются из медного или алюминиевого провода прямоугольного сечения. Продольную изоляцию (изоляцию между витками и/или катушками), т. е. изоляцию самого провода выполняют из повивов бумажной ленты толщиной 0,12 мм (бумага К- 12) и имеет толщину на обе стороны провода около 0,5 мм.

54 Изоляция трансформаторов кВ Основными элементами главной маслобарьерной изоляции трансформаторов 110 кВ и выше являются цилиндрические барьеры и угловые шайбы из электрокартона, разделяющие изоляционные промежутки между обмотками или между обмоткой и заземленными частями на несколько масляных каналов.

55 Количество картонных барьеров, их толщина и расположение разные в зависимости от напряжения и конструкции трансформатора. В результате изоляционного промежутка на несколько меньших электрическая прочность изоляции в целом увеличивается.

56 Конструктивная компоновка изоляции трансформатора 110 кВ. ПК заземленное прессующее кольцо; ЕК1 и ЕК2 емкостные кольца; А и В катушки входной зоны.

57 Наибольший эффект увеличения имеет место тогда, когда барьер располагается на эквипотенциальной линии, благодаря чему отсутствует тангенциальная составляющая напряженности поля вдоль поверхности картона. При конструировании трансформатора это учитывается, с одной стороны, соответствующим размещением барьера, с другой стороны, приданием токоведущим и заземленным частям таких форм, которые уменьшают неравномерность поля и тем самым обеспечивают более простые очертания эквипотенциальных поверхностей.

58 Наиболее ответственное место, с точки зрения изоляции, в трансформаторах 110 кВ и выше это устройство высоковольтного отвода от катушки, т. е. высоковольтного вывода конца обмотки. Обычно отвод выполняется гибким медным проводом, на который наносится бумажная изоляция. Отвод припаивается к внутреннему емкостному кольцу и проходит через разрез во внешнем емкостном кольце. Места пайки изолируются бумажной лентой.

59 Обмотка ВН трансформатора 110 кВ и выше изготавливается из медного провода прямоугольного сечения с толщиной изоляции от 0,95 до 4,4 мм на обе стороны провода. Часть обмотки, прилегающей к высоковольтному выводу, имеет усиленную продольную изоляцию и образует входную зону в виде двух катушек А и В.

60 Известно, что по сравнению с маслобарьерной изоляцией более высокой электрической прочностью обладает бумажно-масляная изоляция, которая позволяет увеличить электрическую прочность конструкции в тех же габаритах на 40-60%. Это дает возможность при одном и том же напряжении значительно уменьшить изоляционные промежутки.

61 В связи с этим в последние годы интенсивно изучается возможность использования бумажно- масляной изоляции в качестве главной изоляции трансформаторов с тем, чтобы уменьшить габариты изоляции и трансформатора в целом. Последнее обстоятельство имеет важно для наиболее мощных трансформаторов, габариты которых затрудняют их транспортировку. Основная трудность применения бумажно- масляной изоляции в силовых трансформаторах охлаждение обмотки.

62 Бумажно-масляная изоляция применяется многими зарубежными фирмами. В России предпочтение отдается маслобарьерной изоляции, т. к. она проще в изготовлении и значительно дешевле.

63 Испытания трансформаторов Трансформаторы после изготовления перед выпуском с завода подвергаются испытаниям с целью проверки качества и выяснения, в какой мере их характеристики соответствуют техническим требованиям. Каждый трансформатор, выпускаемый с завода, проходит следующие контрольные испытания:

64 1) определение коэффициента трансформации; 2) проверка группы соединения; 3) измерение электрического соединения обмоток; 4) испытание электрической прочности изоляции; 5) измерение тока и потерь холостого хода (опыт х. х.); 6) измерение напряжения короткого замыкания (опыт к. з.); 7) испытание прочности бака.

65 Кроме того, каждая создаваемая конструкция трансформатора подвергается на заводе- изготовителе испытанию на нагрев. Порядок проведения испытаний устанавливает ГОСТ

66 Испытание изоляции обмоток На заводе-изготовителе испытание изоляции трансформаторов производится в соответствии с ГОСТ

67 Изоляция всех трансформаторов испытывается повышенным переменным напряжением промышленной частоты в течение 1 мин. Испытательное напряжение прикладывается между испытуемой обмоткой, которая закорачивается, и заземленным баком, с которым соединяется магнитная система и все прочие обмотки.

68 А также испытывается внутренняя и внешняя изоляция полным и срезанным стандартными грозовыми импульсами. Серьезной проблемой при импульсных испытаниях трансформаторов является обнаружение повреждения продольной изоляции, которое обычно имеет характер небольших проколов, не оказывающих влияния на сопротивление обмотки. Наиболее распространенным методом обнаружения этих дефектов является контроль токов нулевой последовательности в нейтрали трансформатора.

69 Если изоляция нейтрали и линейного вывода трансформатора одинакова, то испытания внутренней изоляции напряжением промышленной частоты производится от постороннего источника, причем оба конца испытуемой обмотки изолируются относительно земли и вся обмотка находится под одним и тем же напряжением.

70 Если трансформатор имеет сниженный уровень изоляции нейтрали, то эти испытания проводятся индуктированным напряжением повышенной частоты, но не выше 400 Гц. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение такой амплитуды, чтобы за счет трансформации на испытуемой обмотке напряжение было равно испытательному. Нейтраль трансформатора при этом испытании заземляется.

71 Повышенная частота выбирается потому, что на первичную обмотку при таких испытаниях необходимо подавать напряжение, приблизительно равное двойному номинальному напряжению трансформатора, и при промышленной частоте индукция в сердечнике трансформатора, а следовательно, и ток намагничивания достигли бы недопустимо больших значений. При повышенной частоте индукция оказывается близкой к номинальной.

72 Кроме испытаний повышенным напряжением для каждого трансформатора измеряются, сопротивление изоляции и емкостные характеристики обмотки, причем полученные на заводе значения в эксплуатации используются в качестве характеристик исходного состояния. В последние годы производят измерения характеристик частичных разрядов.

73 Силовые трансформаторы большой мощности обычно отправляют с завода потребителю без масла в баках, заполненных сухим воздухом, азотом или углекислым газом. На месте эксплуатации трансформатор заполняется трансформаторным маслом.

74 Перед первым включением трансформатора под напряжение проводятся следующие испытания: изиерение сопротивления изоляциии токоведущих частей при помощи мегаомметра; определяется пробивное напряжение масла при частоте 50 Гц; измеряется сопротивление изоляции обмоток при временах 60 и 15 с и коэффициент абсорбции, который должен быть не меньше 1,3; измеряются емкости при частоте 2 Гц, 50 Гц при температуре 20°С, находится их отношение, которое не должно быть больше 1,1-1,3; измеряется при различных температурах, сравнивают с заводскими значениями.

75 Перечень и порядок испытаний устанавливаются инструкцией по эксплуатации трансформатора. Во время профилактических испытаний изоляции трансформаторов в эксплуатации проводятся те же измерения, что и при первом включении трансформатора в работу. При этом значения испытательного напряжения снижают до уровня 0,85-0,9 от значений испытательного напряжения при заводских испытаний.

76

77 Классификация и основные параметры 1. По типу соединения первичной и вторичной обмотки: трансформаторы с магнитной связью между обмотками и трансформаторы с магнитной и гальванической связью между обмотками – автотрансформаторы. 2. По количеству фаз: трехфазные и однофазные. 3. По количеству обмоток: двухобмоточные, трехобмоточные, многообмоточные. 4. По способу охлаждения: а) естественное охлаждение; б) принудительное охлаждение воздухом (система Д); в) принудительная циркуляция масла в совокупности с принудительным охлаждением воздухом (система ДЦ); г) принудительная циркуляция масла с в совокупности с охлаждением водой. 5. По способу соединения обмоток (группы соединения обмоток).

78 К основным характеристикам силового трансформатора относятся: 1. Номинальная мощность в МВА. 2. Номинальное напряжение обмоток (ВН, СН, НН). 3. Группа соединения обмоток (Y0/ – 11; Y0/ Y0/ – 12-11; Y0/ Y0 – 12; / – 12; / / – 12-12). 4. Ток холостого хода (обычно в процентах). 5. Активные потери холостого хода. 6. Напряжение короткого замыкания (в процентах).