Содержание
Предыдущий § Следующий

Раздел второй ТРАНСФОРМАТОРЫ

Основные сведения. Намагничивание сердечников. Схема замещения. Работа под нагрузкой. Несимметричная нагрузка. Переходные процессы. Разновидности трансформаторов.

Глава двенадцатая ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНСФОРМАТОРАХ

§ 12-1. Принцип действия и виды трансформаторов Принцип действия.

Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток Другого напряжения той же частоты.

В простейшем случае (рис. 12-1) трансформатор имеет одну первичную обмотку /, к которой подводится электрическая энергия, и одну вторичную обмотку 2, от которой энергия отводится к потребителю (нагрузке). Передача энергии из одной обмотки в другую производится путем электромагнитной индукции. Для усиления электромагнитной связи между обмотками последние обычно располагаются на замкнутом ферромагнитном сердечнике 3. При частоте / < 150 гц сердечник изготовляется из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,50 мм. При более высоких частотах применяется более тонкая листовая сталь. При частоте порядка 100 000 гц и выше потери на гистерезис и вихревые токи в подобном сердечнике становятся чрезвычайно большими, и в этом

Рис. 12-1. Принцип устройства трансформатора

Г — генератор переменного тока, Z_Hr — сопротивление нагрузки

случае применяются трансформаторы без ферромагнитного сердечника (так называемые воздушные трансформаторы). Высококачественные трансформаторы весьма малой мощности для радиотехнических, счетно-решающих и других устройств изготовляются также с сердечниками из ферритов, которые представляют собой особый вид магнитодиэлектриков с малыми магнитными потерями.

При подключении первичной обмотки трансформатора (рис. 12-1) к сети с синусоидальным напряжением и_х в обмотке возникает ток /₁₍ который создает синусоидально изменяющийся магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. Поток Ф индуктирует э. д. с. как в первичной, так и во вторичной обмотке. При подключении к вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает вторичный ток /₂ и на ее зажимах устанавливается некоторое напряжение £/₂. Результирующий магнитный поток сердечника Ф_с создается током обеих обмоток.

Электрические соотношения в идеальном трансформаторе. Назовем идеальным такой трансформатор, в котором' 1) отсутствуют потери энергии (сопротивления обмоток и потери в стали сердечника равны нулю), 2) магнитная проницаемость стали сердечника [i_c = оо и в листах стали сердечника нет разъемов и стыков; 3) все линии магнитной индукции проходят целиком по сердечнику и каждая линия сцепляется со всеми витками первичной (w^ и вторичной (ш₂) обмоток. Отметим, что при соблюдении последнего условия электромагнитная связь между первичной и вторичной цепями является полной и коэффициент электромагнитной связи обмоток трансформатора

равен единице. Здесь L_n и L₂₂ — собственные индуктивности, а М — взаимная индуктивность обмоток.

Э. д с. первичной и вторичной обмоток такого трансформатора при синусоидальных переменных токах соответственно равны

Таким образом, в идеальном трансформаторе первичное и вторичное напряжения прямо пропорциональны, а первичный и вторичный токи обратно пропорциональны числам витков соответствующих обмоток, В реальном трансформаторе полученные соотношения несколько нарушаются, однако в трансформаторах с ферромагнитными сердечниками эти отклонения при нагруаках, близких к номинальным, относительно малы.

Виды трансформаторов. Трансформатор с одной первичной и с одной вторичной обмоткой называется двухобмоточ-н ы м. Во многих случаях применяются трансформаторы с несколь^ кими первичными или вторичными обмотками. Такие трансформаторы называются многообмоточными. Ниже в первую очередь рассматриваются двухобмотбчные трансформаторы.

Чаще всего применяются однофазные и трехфазные трансформаторы. Трансформаторы с другим числом фаз используются в специальных устройствах.

В зависимости от назначения трансформаторы имеют некоторые особенности в конструкции и режимах работы.

Трансформаторы, служащие для преобразования энергии переменного тока в электрических сетях энергетических систем (на электростанциях н подстанциях, промышленных предприятиях» в городских сетях, в сельском хозяйстве и т. д.), называются силовыми. Частота тока силовых трансформаторов в СССР равна 50 гц, а в США и в некоторых других странах 60 гц. Силовые трансформаторы представляют собой наиболее распространенный и наиболее важный класс трансформаторов. Кроме этого, имеется целый ряд трансформаторов специального назначения: выпрямительные, сварочные, измерительные и др.

Силовые трансформаторы бывают масляные и сухие. В масляных трансформаторах сердечник с обмотками помещают в бак с трансформаторным маслом, которое выполняет одновременна роль электрической изоляции и охлаждающего агента. Одяакй трансформаторное масло является горючим, в связи с чем при аварии таких трансформаторов существует определенная опасность возникновения пожара. Поэтому в общественных и жилых зданиях, а также в ряде других случаев применяются сухие трансформаторы, охлаждение которых осуществляется воздухом. В цас-портных табличках силового трансформатора указываются следующие данные: 1} номинальная полная мощность 5_Н (/се -а); 2) номинальные линейные напряжения обмоток £/_л.„(б,/с8);3) номинальные линейные токи 1_{Л и} (а); Ь) номинальная частота / (гц); 5) число фаз от; 6) схема и группа соединения обмоток (см. § 12-4); 7) напря-, жение короткого замыкания и_к (см. § 14-5); 8) режим работ» (длительный, кратковременный); 9) способ охлаждения (см, § 12-5)

К настоящему времени построены силовые трансформаторы единичной мощностью до 1300 Мв-а и напряжением до 760 кв.

Основные вопросы теории являются общими для всех видов трансформаторов. Однако в последующих главах вопросы конструкции, теории и эксплуатации трансформаторов рассматриваются прежде всего применительно к силовым трансформаторам. Об особенностях других трансформаторов говорится вкратце отдельно.

§ 12-2. Магнитопроводы трансформаторов

Виды магнитопроводов.

I По конструкции магнитопровода трансформаторы подраз-| деляются на стержневые и броневые.

Магнитопровод, или сердечник, однофазного стержневого трансформатора (рис. 12-2, а) имеет два стержня С, на которых размещаются обмотки, и два ярма Я, которые служат для создания замкнутого магнитопровода. Каждая из двух обмоток (/ и 2) состоит из двух частей, расположенных на двух стержнях, причем эти части соединяются либо последовательно, Либо параллельно. При таком расположении первичная и вторичная обмотки находятся близко друг от друга, что приводит к увеличению коэффициента электромагнитной связи [см. равенство (12-1)1.

Однофазный трансформатор броневой конструкции (рис. 12-2, б) имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно «броне».

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рис. 12-3), обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз сердечником, так как такие трансформаторы компактнее и дешевле.

Рис. 12-2. Устройство однофазного стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов

Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана на рис. 12-4. Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие

то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рис. 12-4, а) также соблюдается условие

Поэтому, если объединить три стержня 1, 2 яЗ (рис. 12-4, а) в общий стержень, то поток в этом стержне будет равен нулю и этот стер-

Рис. 12-3. Трехфазная трансформаторная группа

Рис. 12-4. Идея образования трехфазного трехстержневого трансформатора

жень можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор, показанный на рис. 12-4, б. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости (рйс. 12-4, в). Эта последняя конструкция была предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 г. и получила всеобщее распространение. Такой сердечник не вполне симметричен, так как длина магнитопровода для средней фазы несколько короче, чем для крайних, однако влияние этой несимметрии весьма незначительно.

Трехфазный броневой трансформатор (рис. 12-5) можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленные рядом или друг над другом. При этом средняя фаза имеет

обратное включение относительно крайних, чтооы в соприкасающихся частях магнитной системы потоки фаз складывались, а не

вычитались. Так как -т-²—_г^- = 1/"3, то при таком включении

средней фазы поток в соприкасающихся частях магнитной системы

уменьшается в j^3 раза, и во столько

же раз можно уменьшить сечение

этих частей сердечника. При этом

потоки во всех частях ярма равны

половине потока стержней.

В броневых трансформаторах коэффициент электромагнитной связи между обмотками несколько больше, чем в стержневых, и поэтому броневые трансформаторы в электромагнитном отношении несколько совершеннее. Однако это преимущество не имеет большого значения. Поскольку броневые трансформаторы сложнее по конструкции, в СССР силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.

С увеличением мощности трансформаторов возрастают их размеры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому

Рис. 12-5. Устройство трехфазного броневого трансформатора

Рис. 12-6. Устройство ^ронестержневых трансформаторов

в трансформаторах мощностью S_H > 80 -т- 100 тыс. кв -а на фазу и напряжением 220—500 кв применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Такие конструкции получаются, если у трансформаторов вида показанных на рис. 12-2, а и 12-4, б добавить слева и справа по одному боковому ярму (рис. 12-6). При этом магнитный поток в верхнем и нижнем ярмах разветвляется и в случае, изображенном на рис. 12-6, а, уменьшается в два раза, а в случае на рис. 12-6, б — в У^Граза по сравнению с рис. 12-2, а и 12-4, б. Во столько же раз можно уменьшить сечение этих ярем, в результате чего высота сердечников уменьшается.

Преимущественно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой. Трехфазные группы однофазных трансформаторов используются, во-первых, при весьма больших мощностях (5_Н > 300 тыс. кв -а), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невозможным, и, во-вторых, иногда при S_a > 30 тыс. кв -а, когда применение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резервную мощность на случай аварии и ремонта.

Конструкция сердечников. По способу сочленения стержней с ярмами различаются трансформаторы со стыковыми (рис. 42-7, а, б) и шихтованными (рис. 12-8) сердечниками. В первом сдучае стержни и ярма собирается отдельно и крепятся друг с другом с помощью стяжных шпилек, й в места, стыков во избежание замыкания Листов и возникновения значительных вихревых токов ставятся изоляционные прокладки. Во втором случае стержни и ярма собираются вместе как цельная конструкция, причем Листы стержней и ярем отдельных слоев собираются в переплет. При стыковой конструкции наличие не-адагниедш зазоров в местах стыков адаывзет заметнее увеличение магнитного сопротивления еердечник? н вследствие этого увеличение намагничивающею твка. Кроме того, наличие изоляционных прокладок не дает

полной гарантии от возможности замыкания листов стали. Поэтому стыковые Сердечники применяются редко.

У броневых сердечников сечения стержней прямоугольные, а стержневые и бронестержневые сердечники имеют в сечении вид многоугольника, вписанного в окружность (12-9, а, б). В последнем случае обмотки имеют вид круговых цилиндров и вследствие ступенчатого сечения сердечника коэффициент заполнения сталью полости обмотки получается ^бльшим. Такая конструкции с точки зрения расхода материалов, уменьшения габаритов и стоимости изготовления трансформатора, а также механической проч-ноети обмоток является наиболее рациональной. Число ступеней сердечника увеличивается с увеличением мощности. В мощных трансформаторах в сечении сердечника предусматриваются каналы

Рис. 12-S. У?«ладка л исто р стали ? слоях шихтованивд сердечников одаефазрлх (_а) и треж-фаз^ых Щ т^аясфориагоров

для его охлаждения циркулирующим трансформаторным маслом (рис. 12-9, б).

Для упрощения технологии изготовления ярем их се'чение берется прямоугольным или с небольшим числом ступеней

Рие. 12-9. Формы сечения стержней трансформаторов

Рис. 12-10. Формы сечения ярем трансформаторов

(рис. 12-10). Форма сечения ярма и его сочленение со стержнем выбираются с учетом обеспечения равномерного распределения магнитного потока в сечении сердечника. Площади сечения ярем

Рис. 12-11. Стяжка стержней трансформаторов средней мощности

1 — деревянная планка, 2 —

изоляционный цилиндр,

3 — деревянный стержень

Рис 12-12. Стяжка стержней трансформаторов большой мощности

/ — стальная шпилька; 2 — трубка из <5аке-

лизированной бумаги, 3 и 5 — шайбы из

электротехнического картона, 4 — стальная

шайба

выбираются так, чтобы индукция в них была на 10—15% меньше, чем в стержнях. Стяжка стержней трансформаторов средней (до 800—1000 /оз-а) и большой мощности показана на рис. 12-11 и 12-12. Ярма трансформаторов стягиваются с йомощью деревянных или стальных балок. Для весьма мощных трансформатороа применяются и более сложные конструкции сердечников.

В однофазных трансформаторах весьма малой мощности (до 150—200 в-а) применяется броневая конструкция сердечников. При этом стремятся к наибольшему упрощению их изготовления и сборки, а также к уменьшению отходов листовой стали. Обычно штамповка листов сердечника производится по одному из вариантов, изображенных на рис. 12-13 и 12-14. В первом случае лист вырубается одним ударом штампа и имеет прорезь п; при сборке средний лепесток временно отгибается и вводится внутрь катушки обмотки, лепесток последующего листа вводится внутрь катушки с противоположного, торцового, ее конца и т. д. Во втором случае одновременно вырубаются Ш-образные листы Ш1 и Ш2 и ярмовые листы fll и fl2 (рис. 12-14, а), из которых составляются два слоя листов сердечника (рис. 12-14, б). При этом листы вводятся внутрь катушки также поочередно с одного и второго ее конца.

Сердечники силовых трансформаторов собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм марок Э41, Э42, Э43 или Э310, Э320, ЭЗЗО. Применение холоднокатаной стали в последние годы все больше расширяется.

Межлистовая изоляция осуществляется путем односторонней оклейки листов стали изоляционной бумагой толщиной 0,03 мм или двустороннего покрытия изоляционным масляным лаком.

Индукции в стержнях трансформаторов мощностью 5 кет и выше находятся в пределах 1,2— 1,45 тл для горячекатаных сталей и 1,5—1,7 тл для холоднокатаных сталей у масляных трансформаторов и соответственно 1,0—1,2/шг и 1,1—1,5 тл у сухих трансформаторов.

Рис. 12-13. Сердечник трансформатора небольшой мощности

Рис. 12-14. Раскрой листов (а) и укладка сердечника (б) трансформатора небольшой мощности

§ 12-3. Обмотки трансформаторов

Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также нагревостой-кости. Кроме того, технология изготовления обмоток должна быть по возможности простой и недорогой, а электрические потери в обмотках должны находиться в установленных пределах. Конструкции обмоток в зависимости от номинального тока и номинального напряжения обмотки весьма разнообразны.

Обмотки изготовляются из медного, а в последнее время часто также из алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2—4,5 а/мм², а в сухих трансформаторах 1,2—3,0 а/мм². Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40—45% меньше. Для изготовления обмоток применяются круглые провода сечением 0,02—10 мм² и прямоугольные сечением 6—60 мм². Во многих случаях витки и катушки обмоток наматываются из определенного количества параллельных проводников.

Обмотки масляных трансформаторов изготовляются из проводов с эмалевой и хлопчатобумажной изоляцией (круглые сечения)

Рис. 12-15. Концентрические (а) и чередующиеся-(б) обмотки

и из проводов, изолированных двумя слоями кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряжей (прямоугольные сечения). В сухих силовых трансформаторах применяются провода с нагревостойкой изоляцией из стекловолокна.

По способу расположения на стержнях и по взаимному расположению обмоток высшего напряжения ВН и низшего напряжения НН обмотки разделяются на концентрические (рис. 12-15, а) и чередующиеся (рис. 12-15, б). В первом случае обмотки ВН и НН

расположены относительно друг друга и вокруг стержня концентрически, причем ближе к стержню обычно находится обмотка НН, так как изоляция обмотки от стержня при этом облегчается. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН чередуются вдоль стержня по высоте. Чередующиеся обмотки имеют более полную электромагнитную связь, однако они сложнее в изготовлении и в случае высоких напряжений изоляция обмоток друг от друг усложняется. Поэтому в силовых трансформаторах обычно применяются концеЁтрические обмотки, разновидности которых кратко рассматриваются ниже.

Многослойные цилиндрические обмотки (рис. 12-16) изготовляются из круглых или прямоугольных проводников, которые размещаются вдоль стержня в несколько слоев, причем между слоями прокладывается изоляция из кабельной бумаги. При большом количестве слоев обмотка подразделяется на две концентрические катушки, между которыми оставляется канал для охлаждения. Эти обмотки применяются при мощностях на стержень 5_СТ «g; 200 т -а, при токе на обмотку стержня /_ст =^ 135 а и напряжения (/_л „ ==^ 35 кв,

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рис, 12-17) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при 5_СТ ^ 335 кв -а, /_ст =sc 45 а и и_{я- н} «^ 35 кв.

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рис. 12-18) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных

Рис 12-16. Многослойная цилиндрическая обмотка

Рис. 12-17. Многослойная цилиндрическая катушечная обмотка

прямоугольных проводников и применяются при S_CT«s200 ква, /_ст < 800 а и и_я н =s£ 6 кв.

Винтовые обмотки (рис. 12-19) наматываются из ряда параллельных прямоугольных проводников (от 4 до 20), прилегающих друг к другу в радиальном направлении. При большом количестве параллельные проводники могут располагаться также в каждом витке в несколько слоев в аксиальном направлении или же обмотка выполняется многоходовой, т. е. параллельные проводники разбиваются на 2—4 группы и каждая группа образует самостоятельный винтовой ход обмотки.

Когда в радиальном направлении рядом располагается несколько параллельных проводников, то ток распределяется между ними Неравномерно, что вызывает увеличение потерь. Причиной неравномерного распределения тока является то, что такие элементарные витки, состоящие из одного параллельного проводника, сцепляются с разными по величине магнитными потоками и в них индуктируются разные э, д. с. Такая разница в потокосцеплениях

обусловлена магнитными потоками рассеяния (см. § 14-1 и 14-4), которые проходят в пространстве, занимаемом обмотками. Иными словами, можно сказать, что причиной увеличения потерь являются вихревые токи, индуктируемые магнитным полем в про-

Рис 12-18 Двухслойная цилиндрическая обмотка

Рис 12-19 Винтовая обмотка

водниках обмотки и вызывающие явление поверхностного эффекта. Вследствие этого активное сопротивление обмотки увеличивается.

Для обеспечения достаточно равномерного распределения тока между проводниками необходимо произрести транспозицию (перекладку) параллельных проводников, образующих виток (рис. 12-20). При полной транспозиции каждый проводник занимает в радиальном направлении поочередно все положения воз- _Рис ,_{т Схемы ц}_ можные в пределах одного витка. Часто _{ной тра}нспозиции парал-производится только частичная транс- дельных проводников позиция проводников. Транспозиция осуществляется в нескольких местах по высоте стержня.

Винтовыми выполняются обмотки низшего напряжения при S_CT ^ 45 кв -а и /_ст Ss 300 а.

Непрерывная спиральная катушечная обмотка (рис. 12-21) выполняется из прямоугольного провода и состоит из нескольких десятков дискообразных катушек, причем катушки наматываются по спирали и соединяются друг с другом без пайки. Если виток состоит из нескольких параллельных, проводников, то производится их транспозиция. Такие обмотки применяются при S_CT Ss 60 к» -а, /_ст S& 20 а, £/_л._н Sa 2 кв. Последние два типа обмоток являются в механическом отношении наиболее устойчивыми и способны выдерживать значительные осевые усилия, так как состоят из дискообразных элементов, имеющих в радиальном направлении достаточные размеры.

Радиальные и аксиальные каналы между катушками и слоями обмотки образовываются путем установки прокладок и реек, склеенных и спрессованных из электротехнического картона. При небольших мощностях и невысоких напряжениях цилиндриче-, ские обмотки надеваются на стержень сердечника и крепятся относительно его деревян* ными клиньями и планками, которые играют также роль изоляции. В остальных случаях применяются мягкие изоляционныегцилиндры' из листов электротехнического картона или жесткие цилиндры из рулонного электротехнического картона на бакелитовом лаке. Наружная и внутренняя обмотки также крепятся относительно друг друга с помощью реек. Изоляция между обмоткой и ярмом выполняется из колец, шайб и прокладок, изготовляемых из электротехнического картона. При высоких напряжениях в случае надобности между обмотками и баком трансформатора ставятся изоляционные барьеры из электротехнического картона.

В весьма мощных трансформаторах применяются также более сложные виды обмоток.

§ 12-4. Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов

Обозначения начал и концов обмоток трансформаторов приводятся в табл. 12-1.

Зажимы нулевой точки при соединении в звезду обозначаются О, О_т. о.

Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов. В большинстве случаев обмотки трехфазных трансформаторов соединяются либо в звезду (К), либр в треугольник (Д),

Рис. 12-21. Непрерывная спиральная катушечная обмотка

Таблица 12-1 Обозначения начал и концов обмоток трансформатора

Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин. Например, для сетей с напряжением 35 w и более выгодно соединить обмотку трансформатора в звезду и заземлить нулевую точку, так как при этом напряжение выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли будет всегда в ]/3 раза меньше линейного, что приводит к снижению стоимости изоляции. Осветительные лампы накаливания более низкого напряжения имеют большую световую отдачу, а осветительные сети выгодно строить на более высокое напряжение. Поэтому вторичные обмотки трансформаторов, питающих осветительные сети, соединяются обычно в звезду и осветительные лампы включаются на фазное напряжение — между линейными и нулевыми проводниками. В ряде случаев, когда ток обмотки невелик, при соединении в звезду обмотки получаются более дешевыми, так как количество витков при этом уменьшается в |^3 раза, а сечение проводов увеличивается также в ]/3 раза, вследствие чего трудоемкость изготовления обмотки. и стоимость обмоточного провода уменьшаются. С другой стороны, с точки зрения влияния высших гармоник (см. § 13-1) и пов'едения трансформатора при несимметричных нагрузках (см. § 16-2) целесообразно соединять одну из обмоток трансформатора в треугольник.

В некоторых случаях применяется также соединение обмоток по схеме зигзага (рис. 12-22), когда фаза обмотки разделяется на две части, которые располагаются на разных стержнях и соединяются последовательно. При этом вторая половина обмотки подключается по отношению к первой встречно (рис. 12-22, а), так как в этом случае э. д. с. фазы будет в ]/3 раза больше (рис. 12-22,6), чем при согласном включении (рис. 12-22, в). Однако при встречном включении половин обмотки ее э. д. с. (]^3 £_х) будет все же в 2/]/з=1,15 раза меньше, чем при расположении обеих половин

на одном стержне {2Eij. Поэтому расход обмоточного провода при соединении зигзагом увеличивается на 15%. Вследствие этого соединение зигзагом используется только в специальных случаях, когда возможна неравномерная нагрузка фаз с наличием токов нулевой последовательности (см. § 16-2). Группы соединений обмбток.

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между э. д. с первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединений обмоток.

Рис 12-22 Соединение трехфазной обмотки зигзагом

Рис 12-23 Группы соединений однофазного трансформатора

На рис. 12-23, а показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому «левыми», причем у обеих обмоток начала А, а находятся сверху, а концы X, х — снизу. Будем считать э. д. с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу. Обмотки на рис. 12-23, а сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э. д. с. этих обмоток в каждый момент времени действуют в одинаковых направлениях — от концов к началам или наоборот, т. е. они одновременно положительны или отрицательны. Поэтому э. д. с. Еа и Е_а совпадают по фазе, как показано на рис. 12^23, а. Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рис. 12-23, б), то направление ее э. д. с, действующей от конца к началу, изменится на обратное и э- Д- с. Еа и Е_а будут иметь сдвиг 180°. Такой же результат получится, если на рис. 12-23, а одну из обмоток выполнить «правой».

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э. д. с. уподобляют стрелкам часового циферблата,

причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку и считают, что на циферблате часов она направлена на цифру 12, а вектор обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рис. 12-23, а часы будут показывать 0 или 12 ч, и такое соединение обмоток поэтому называется группой 0 (ранее в этом случае применялось название «группа 12»). На рис. 12-23, б часы будут показывать 6 ч, и такое соединение называется группой 6. Соответственно соединение обмоток однофазных трансформаторов согласно рис 12-23, а обозначается 1/1-0, а согласно рис. 12-23, б — I/I-6. В СССР стандартизованы и изготовляются однофазные трансформаторы только с соединением 1/1-0.

Рис 12-24 Трехфазный трансфер- Рис 12-25 Трехфазный трансформатор матор со схемой и группой соеди- со схемой и группой соединений Y/Д-П нений Y/Y-0

Рассмотрим теперь трехфазный трансформатор с соединением обмоток ВН и НН в звезду, причем предположим, что 1) обмотки ВН и НН имеют одинаковую намотку (например, «правую»); 2) начала и концы обмоток расположены одинаково (например, концы снизу, а начала сверху и 3) одноименные обмотки (например А и а, а также В и Ь, С и с) находятся на общих стержнях (рис. 12-24, а). Тогда звезды фазных э. д. с* и треугольники линейных э. д. с. будут иметь вид, показанный на рис. 12-24, б. При этом одноименные векторы линейных э. д. с. (например, Еав и Е_аЬ) направлены одинаково, т. е. совпадают по фазе, и при расположении их на циферблате часов, согласно изложенному правилу, часы будут показывать 0 ч (рис. 12-24, в). Поэтому схема и группа соединений такого трансформатора обозначается Y/Y-0.

Если на рис. 12-24, а произвести круговую перемаркировку (или перестановку) фаз обмотки НН и разместить фазу а на среднем стержне, фазу b — на правом и с — на левом, то на векторной Диаграмме НН (рис. 12-24, б) произойдет круговая перестановка букв а, Ь, с по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной круговой перестановке будет группа

соединений 8. Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10 и 2. Значит, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений, причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить при схеме соединений А/А.

Допустим теперь, что обмотки соединены по схеме Y/A, как показано на рис. 12-25, а, и соблюдены те же условия, которые были оговорены для рис. 12-24, а. Тогда векторные диаграммы э. д. с. обмоток ВН и НН будут иметь вид, показанный на рис. 12-25, б. При этом одноименные линейные э. д. с. (например, Еав и Е_аЬ) будут сдвинуты на 30° и расположатся на циферблате часов, как показано на рис. 12-25, в. Соединение обмоток такого трансформатора обозначается Y/A-11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток (или при установке вместо перемычек ay, bz, сх в треугольнике на рис. 12-25, а перемычек az, Ьх, су) можно получить также другие нечетные группы: 1, 3, 5, 7 и 9.

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен. Поэтому ГОСТ 11677—65 предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток; Y/Y₀-0, A/Y₀-ll, Y/A-11 и Y₀/A-ll, а также звезда-зигзаг-11. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым — соединение обмотки НН, а индекс «0» указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки.

§ 12-5. Элементы конструкции и способы охлаждения масляных трансформаторов

Конструкция бака масляного трансформатора зависит от его мощности.

Трансформаторы мощностью до S_H — 20 кв -а имеют гладкие баки. Внутри бака возникает естественная конвекция масла: масло возле обмоток и сердечника нагревается и поднимается вверх, а у стенок бака охлаждается и опускается вниз. Стенка бака отдает тепло в окружающую среду путем лучеиспускания и конвекции воздуха. Наибольшая допустимая температура масла в верхних" слоях 95 °С.

При 5_Н > 20 кв -а поверхность гладкого бака недостаточна для отвода тепла с необходимой интенсивностью. Поэтому у трансформаторов мощностью 5_Н = 20 -f- 1800 кв -а к баку привариваются трубы (рис. 12-26), по которым вследствие естественной конвекции сверху вниз циркулирует масло. Вместо трубчатых баков в некоторых странах применяются волнистые баки, однако они менее прочны и более трудоемки в изготовлении.

Рис 12 26 Трансформатор с трубчатьйи баком

¹ — обмотка ВН, 2 — обмотка НН, 3 — переключатель регулировочных отводов об мотки ВН, 4 — банка, прессующая ярмо, 5 — шихтованный магнитопровод, б — отводы ВН 7 — отводы НН, 8 — патрубок для присоединения вакуумного насоса, 9 — кольцо Дтя подъема выемной части, 10 — кран для заливки масла // — ввод (изолятор) ВН, ¹² — ввод (изолятор НН), I? — привод переключателя, 14 — выхлопная труба, JS — гчадвое реле, 16 — расширитель, 17 — трубчатый бак, 18 — кран для спуска марла, " — транспортный ролик, 20 — вертикальная шпилька для стягивания прессующих балок ярем, 21 — упорный угольник на дне 0ака

В трансформаторах мощностью выше 1800 кв-а используются гладкие баки с подвешенными к ним трубчатыми охладителями (рис. 12-27), которые сообщаются с внутренней полостью бака в его верхней и нижней частях. Циркуляция масла в охладителе также совершается в результате естественной конвекции. При 5„ — = 10 000 ■*- 60 000 кв -а для более интенсивного отвода тепла от охладите-

12-27. Трубчатый охладитель с вентилятором

Рис 12-28 Маслонаполненный ввод трансформатора для напряжения ПО я»

/ — алюминиевый э«ран, 2 — чугунный стакан, 3 — медная токоведущая труба. 4 — опорный изоляционный бумажно бакелитовый цилиндр, S — геткнаксовая шайба; -6 — нижняя фарфоровая покрыщ-ка, 7 — уйлотняклвдя шайба, 8 — соединительная чугунная втулка, 9 — устрой-cfeo дия взятия пробы масла, 10 — зажим с изолятором для измерения тангенса угле потерь изоляция ввода, // — изоляцион-1 ный сердечник из пропитанной маслом бумаги, 12 — верхняя фарфоровая нокрыш ка, 13 — поддон. It — пружина /5 — по плавок, 16 -гт- маслорасшнритель с масляным затвором, IT — стеклянный масло-указатель, 18 — уплотняющая втулка,

19               — латунный наконечник для кабеля,

20                — контактный зажим, Л — рым для

подъема ввода (4 штуки)

лей применяется их обдувание с помощью вентиляторов. При этом теплоотдача увеличивается на 50—60%.

Еще более интенсивным является водяное охлаждение. При-этом масло откачивается из верхней части бака насосом, проходит через водяные охладители (теплообменники) и поступает в нижнюю

часть бака. Иногда водяные охладители помещают внутри бака трансформатора. Водяное охлаждение применяется для самых мощных трансформаторов.

На крышке трансформатора устанавливаются вводы (рис. 12-26 и 12-28). Проходящий через ввод токоведущий медный стержень или медная труба служат для соединения трансформатора с внешней сетью.

Трансформаторы мощностью более 75 кв -а снабжаются расширителями (рис. 12-26 и 12-29). Расширитель представляет собой

Рис. 12-29. Расширитель и выхлопная труба трансформатора

/ — указатель уровня масла; 2 — труба для свободного обмена воздуха;

з — пробка для заливки масла; 4 -~ грязеотстойник; 5 — газовое реле; 6 — кран

для отсоединения расширителя

цилиндрический стальной сосуд и соединяется при помощи патрубка с баком. Открытая поверхность масла при колебаниях температуры окружающей среды и нагрузки трансформатора всегда должна оставаться в пределах расширителя. Тем самым открытая поверхность масла уменьшается, что ограничивает его окисление. Для предотвращения повреждения бака в случае бурного разложения масла и выделения газа в результате аварии на крышке трансформатора устанавливается также выхлопная труба (рис. 12-26 и 12-29). Труба закрыта стеклянной мембраной, которая при повышении давления внутри бака лопается.

Между расширителями и баком трансформатора мощностью более 560 кв-а устанавливается газовое реле (рис. 12-29). Если в результате каких-либо местных нагревов (замыкание листов

сердечника, плохие контакты и т. д.) начнется разложение изоляции или масла, то газы начнут накапливаться внутри газового реле, под его крышкой, выжимая из него масло. При этом опрокидывается поплавок газового реле и замыкаются сигнальные контакты. При бурном выделении газов замыкается вторая пара контактов газового реле, в результате чего замыкается цепь на отключение трансформатора из сети.

В процессе работы трансформатора происходит окисление, увлажнение и загрязнение масла, что сопровождается ухудшением его изоляционных свойств. Поэтому производится регулярный отбор проб масла, а также периодическая его сушка, очистка, восстановление или замена новым. В необходимых случаях производится также вакуумная сушка сердечника и обмоток трансформатора. Для этих"целей предусматриваются краны и другая арматура.

Трансформаторы мощностью до 1800 кв -а перевозятся в собранном виде на нормальных железнодорожных платформах. С трансформаторов мощностью более 1800 кв -а и до 5600 кв -а по условиям железнодорожных габаритов приходится снимать радиаторы, расширитель, выхлопную трубу и вводы на напряжение 110 к» и выше.

Трансформаторы мощностью более 5600 кв -а, весом более 50—60т необходимо перевозить на специальных железнодорожных транспортерах, имеющих низкую нагрузочную платформу. При этом у трансформаторов больших мощностей приходится не только снимать выступающие части, но применять разъемный бак с временной транспортной крышкой небольшой высоты или даже транспортный бак с предельно уменьшенными размерами во всех трех направлениях.

Трансформаторы мощностью 200—300 Мв -а имеют вес около 1 кг на 1 кв -а мощности.

Содержание
Предыдущий § Следующий