КАТУШКА С МАГНИТОПРОВОДОМ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 25 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 81Следующая ⇒

Выполнение первых двух условий предупреждает возникновение больших уравнительных токов в обмотках трансформаторов при холостом ходе вследствие несовпадения фаз или неравенства вторичных ЭДС.

При параллельном включении двух однофазных трансформаторов для правильного выбора вторичных выводов можно присоединить вольтметр параллельно разомкнутым контактам рубильника (рис. 9.23), который служит для включения второго трансформатора. Если выводы выбраны правильно, то стрелка вольтметра не отклоняется; в противном случае вольтметр показывает удвоенное значение вторичного напряжения трансформаторов.

Если не соблюдено первое условие при параллельном соединении двух трехфазных трансформаторов, то между вторичными линейными напряжениями получается сдвиг фаз, равный 30°. Поэтому в каждом контуре, образуемом двумя фазными обмотками (двух трансформаторов), будет действовать результирующая ЭДС. Так как сопротивление обмоток мало, то эта ЭДС создает в контуре очень большой ток, опасный для обмоток трансформаторов.

(9.25)

Третье условие должно выполняться для того, чтобы нагрузка распределялась между параллельно работающими трансформаторами пропорционально их номинальным полным мощностям. В упрощенной эквивалентной схеме замещения (см. рис. 9.16, а) трансформатор представлен цепью с комплексным сопротивлением короткого замыканияZ_K3(см. 9.7). Два параллельно работающих трансформатора могут быть изображены в общей эквивалентной схеме замещения двумя соединенными параллельно ветвями с комплексными сопротивлениями короткого замыканияZ_K3lиZ_K_з11 (рис. 9.24). При таком соединении действующие значения токов 1_и и 1_1П обратно пропорциональны полным сопротивлениям параллельных ветвей:

^11/h II — Дели/

Напряжение короткого замыкания трансформатора пропорционально произведению номинального первичного тока /_1пом трансфор
матора на его полное сопротивление короткого замыканияZ_{K 3}.Если эти напряжения у двух трансформаторов равны, то

Дс.з1-^Ином ⁼ Дс.з11^1Пном-

Так как первичные номинальные напряжения (U_lll0M)у трансформаторов при параллельном включении должны быть одинаковы, то при выполнении последнего соотношения получим

Т Л Т Я

^к.з11 _ ^х IIном _ ^w1ном* Ином _ ^Ihom

7 J ТТ J <7

^К.з1 ^х III ном ном-* III ном ^Нном

и по (9.25)

hi/hn⁼Z_K._3n .з1 — ^1ном/ ^11 ном»

т. е. токи распределяются между трансформаторами пропорционально их номинальным полным мощностям. Таким образом, равенство напряжений короткого замыкания обеспечивает распределение нагрузки между трансформаторами пропорционально их номинальной полной мощности.

9.13. Однофазные и трехфазные автотрансформаторы

В ряде случаев при передаче электроэнергии требуется соединить через трансформатор электрические цепи, отношение номинальных напряжений которых не превышает 2, например цепи высокого напряжения 110 и 220 кВ. В подобных случаях экономически целесообразно вместо трансформатора применить автотрансформатор, так как его КПД выше, а размеры меньше, чем у трансформатора той же номинальной мощности.

а б

Автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что имеет лишь одну обмотку — обмотку высшего напряжения, а обмоткой низшего напряжения служит часть обмотки высшего напряжения. Обмотка высшего напряжения автотрансформатора может быть первичной (рис. 9.25, а) или вторичной (рис. 9.25, б).

При заданном первичном напряжении автотрансформатора и числе витковw₁амплитуду магнитного потока Ф_ш в магнитопроводе можно считать вполне определенной, так как по (9.3а) и (8.4в)

U_x« 4,44МФ_Ш

(равенство получается для идеализированного трансформатора). Этот магнитный поток индуктирует в каждом витке обмотки ЭДС, практически не зависящую от тока в обмотке. Следовательно, постоянными поддерживаются и напряжения между отдельными частями обмотки.

Напряжения и токи автотрансформатора связаны теми же приближенными соотношениями, что и в трансформаторе [см. (9.12) и (9.19)]:

и_г/и₂ « w_l/w₂« 1₂/1_г.

Ток в общей части обмотки равен разности первичного и вторичногоi₂токов (рис. 9.25). Фазы этих токов, так же как у трансформатора (см. рис. 9.10), почти одинаковые, поэтому, пренебрегая влиянием намагничивающего тока /_1х, можно считать, что в общей части обмотки действующее значение тока равно разности \1_г — 1₂1.

Если коэффициент трансформации п₁₂ =w_l/w₂лишь немного отличается от единицы, то действующие значения токов 1₂ и 1_г почти одинаковые и их разность \1₂ — 1_Х\ мала по сравнению с каждым из них. Поэтому общую часть первичной и вторичной обмоток можно сделать из значительно более тонкого провода, т. е. стоимость обмотки автотрансформатора меньше, чем обмоток трансформатора, и для ее размещения требуется меньше места.

Размеры трансформатора зависят от его расчетной полной мощности

S_T= и_г1_г « и₂1₂,

т. е. номинальной полной мощности в сопротивлении нагрузки трансформатора, а у автотрансформатора его расчетная полная мощность £_ат меньше полной мощности в сопротивлении нагрузки.

Расчетная полная мощность общей части обмотки автотрансформатора (рис. 9.25, а)

S^f« U₂(I₂-/i)« U₂I₂(1 -w₂/_wl); расчетная полная мощность остальной части обмотки S" и (U_x- U₂)I_X= ВД1 - w₂/w_x\

а так как приближенноU₂I₂« и_г1_ь тоS' « S" « 5_ат.

Расчетная полная мощность каждой из обмоток обычного трансформатора

Следовательно, при одной и той же полной мощности в сопротивлении нагрузки получается следующее соотношение между расчетными полными мощностями автотрансформатора и трансформатора:

?в

6 a 6b 6 с

S„/S_T= 1 - w₂/w_lf

Рис. 9.26 ^те-^чем меньше различаются числа витковw₂иw_bтем выгоднее применение автотрансформатора.

Итак, преимущества автотрансформатора уменьшаются с увеличением коэффициента трансформации. Кроме того, только при высшем и низшем напряжениях одного порядка электрическое соединение цепей высшего и низшего напряжений не встречает препятствий. Но автотрансформатор нельзя применить, например, для питания распределительной сети 220 В от сети высокого напряжения 6000 В. При таком автотрансформаторе не только пришлось бы рассчитать изоляцию распределительной сети на 6000 В, что чрезвычайно увеличило бы ее стоимость, но и пользоваться такой распределительной сетью было бы опасно для жизни.

Изменением положения точки а на обмотке автотрансформатора (см. рис. 9.25) можно плавно регулировать вторичное напряжение, например в лабораторных автотрансформаторах (JIATP), у которых одним из выводов вторичной цепи служит подвижный контакт.

Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяются звездой с выведенной нейтральной точкой или без нее (рис. 9.26).

9.14. Многообмоточные трансформаторы

Во многих электрических установках желательна энергетическая связь нескольких цепей с различными номинальными напряжениями. Такую связь можно реализовать с помощью многообмоточного трансформатора, имеющего одну или несколько первичных обмоток и несколько вторичных обмоток. Простейший из многообмоточных трансформаторов — трехобмоточный — широко применяется в современных сетях высокого напряжения.

Трехобмоточный трансформатор имеет три электрически не связанные между собой обмотки: высшего напряжения (ВН) с числом витковw_bсреднего напряжения (СН) с числом витковw₂и низшего напряжения (НН) с числом витковw₃, например ВН — 220 кВ, СН — 38,5 кВ, НН — 11 кВ (рис. 9.27, а). Эти три обмотки трансформатора (одна первичная и две вторичные) размещены на одном общем магнитопроводе, который ничем не отличается от магнитопровода двухобмоточного трансформатора. Намагничивающий ток первичной обмотки трехобмоточного трансформатора возбуждает в маг-
б

Рис. 9.27

нитопроводе магнитный поток, который индуктирует во всех обмотках ЭДС, пропорциональные числам витков обмоток. Если вторичные обмотки нагружены токами /₂, и /₃, то МДС первичной обмотки должна уравновешивать размагничивающее действие МДС этих токов и, кроме того, иметь намагничивающую составляющую МДС. Поэтому, аналогично (9.4),

i_xw_x= i₂w₂+ i_sw₃+ i_lxw_b (9.26)

и первичный ток трансформатора можно рассматривать как сумму приведенных токов второй и третьей обмоток и намагничивающего тока (9.10а):

Л = /£ + /£ + Лх, (9.27)

где Р₂ = (w₂/w_l)i₂; Р₃ = {w₃/w_x)i₃.

Таким образом, в трехобмоточном трансформаторе происходит передача энергии одновременно в две вторичные цепи второй и третьей обмоток.

Вероятность одновременной номинальной нагрузки обеих вторичных обмоток, при которой, кроме того, токи нагрузки /₂ и /₃ совпадают по фазе, мала. Поэтому первичная обмотка обычно рассчитывается на номинальную мощность меньшую, чем сумма номинальных мощностей вторичных обмоток. Номинальной мощностью трехобмоточного трансформатора считается полная мощность обмотки наибольшей мощности.

У трехобмоточного трансформатора различают три коэффициента трансформации

П21 = Щ/Щ\ Щг = w₃/wi_f n_2S= w₂/w₃=n₁₃/n₁₂,

а

которые определяются отношением соответствующих напряжений при холостом ходе, как и для двухобмоточных трансформаторов (см. (9.13)].

На рис. 9.27, б приведена схема замещения идеализированного трехобмоточного трансформатора, подобная схеме замещения на рис. 9.6, где

— приведенные комплексные сопротивления цепей нагрузки.

В последние годы вместо трехобмоточных трансформаторов во многих случаях применяются трансформаторы, у которых обмотки ВН и СН имеют автотрансформаторную связь, а трансформаторная связь остается лишь для обмотки НН, изолированной от обмоток ВН и СН.

9.15. Конструкции магнитопроводов и обмоток

Условия работы трансформатора определяют ряд особенностей в конструкции основных частей трансформатора: магнитопровода, обмоток и бака с маслом у трансформаторов с масляным охлаждением.

Магнитопровод трансформатора набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, содержащей для уменьшения мощности потерь от вихревых токов до 4 — 5 % кремния. Для получения изоляции между листами их перед сборкой магнитопровода покрывают изоляционным лаком. Листы стягивают в пачки стальными шпильками, изолированными от листов, чтобы не образовались короткозамкнутые витки. В зависимости от положения магнитопровода по отношению к обмоткам принято различать стержневые трансформаторы (рис. 9.28), у которых обмотки охватывают стержни магнитопровода, и броневые (рис. 9.29), у которых магнитопровод частично охватывает обмотки. Те и другие магнитопроводы могут быть как у однофазных (см. рис. 9.28, а), так и у трехфазных (см. рис. 9.28, б) трансформаторов.

Стержневой магнитопровод составляют стержни, на которых размещаются обмотки, и два ярма, замыкающие магнитную цепь. Он проще по конструкции, чем броневой, и облегчает получение необходимой изоляции обмоток. По этим причинам у большинства трансформаторов применяются стержневые магнитопроводы.

В трансформаторах средней и большой мощности для лучшего охлаждения между отдельными пакетами пластин магнитопровода предусмотрены каналы для масла. Ярмо стержневого магнитопровода имеет ступенчатую или прямоугольную форму поперечного сечения. Некоторым преимуществом броневого магнитопровода можно считать частичную защиту обмоток от механических повреждений. Броневой магнитопровод применяется для сухих трансформаторов малой мощности.

Для уменьшения магнитного сопротивления стыков отдельных листов магнитопровода листы в стыках обычно шихтуются (рис. 9.30), т. е. укладываются впереплет.

Обмотки ВН и НН в зависимости от их взаимного расположения подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки применяются в большинстве трансформаторов. Простейшая из них — цилиндрическая обмотка, катушки которой имеют форму двух коаксиальных цилиндров (ВН и НН на рис. 9.28). Ближе к стержню располагается обмотка НН, так как ее проще изолировать от магнитопровода. Обмотка ВН охватывает обмотку НН.

Обмотки отделяются друг от друга изолирующим цилиндром из специального картона или бумаги, пропитанной бакелитом.

Относительно редко, преимущественно в броневых трансформаторах, применяются чередующиеся обмотки, в которых чередуются положенные друг на друга дискообразные катушки НН и ВН (рис. 9.29), причем крайние катушки, прилегающие к ярму, должны относиться к обмотке НН.

9.16. Тепловой режим трансформаторов

Мощность потерь в трансформаторе относительно номинальной мала, но ее значение в трансформаторах большой мощности может быть велико, поэтому одной из важнейших задач при конструировании трансформаторов является обеспечение отвода в окружающую среду теплоты, нагревающей обмотки и магнитопровод. Задача эта тем сложнее, чем больше мощность трансформатора. При заданных индукции в магнитопроводе и плотности тока в обмотках мощность потерь возрастает пропорционально увеличению объема трансформатора, т. е. пропорционально кубу увеличения его линейных размеров, а поверхность теплоотдачи увеличивается лишь пропорционально квадрату увеличения линейных размеров. Следовательно, с увеличением мощности трансформатора приходится искусственно увеличивать поверхность охлаждения и усиливать теплоотдачу с этой поверхности. Ухудшение условий теплоотдачи с ростом мощности наблюдается в большинстве электрических машин и аппаратов.

Для охлаждения трансформатора применяются: естественное воздушное охлаждение, естественное масляное охлаждение, масляное охлаждение с принудительным воздушным охлаждением, масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла.

Естественное воздушное охлаждение применяется в сухих трансформаторах: теплота, выделяющаяся в трансформаторе, отдается непосредственно окружающему воздуху. Вследствие плохой теплоотдачи распределение температуры в сухом трансформаторе может быть весьма неравномерным. Кроме того, низкая электрическая прочность воздуха (2,1 МВ/м) ухудшает условия изоляции в сухом трансформаторе; приходится считаться и с тем, что пыль, оседая на обмотках, существенно ухудшает их изоляцию. По этим причинам воздушное охлаждение применяется преимущественно в трансформаторах малой мощности и низкого напряжения.

Основное значение в настоящее время имеют масляные трансформаторы, у которых магнитопровод с обмотками помещен в стальной бак, наполненный тщательно очищенным минеральным маслом. Последнее, нагреваясь, циркулирует в баке и, омывая обмотки и магнитопровод, охлаждает их (конвекция). Электрическая прочность масла в несколько раз выше, чем воздуха (см. табл. 2.2), что позволяет значительно уменьшить расстояния от обмоток до магнитопровода.

В трансформаторах мощностью до 20 — 30 кВ • А достаточную поверхность охлаждения дает гладкий бак. С увеличением мощности трансформаторов до 15 — 20 тыс. кВ - А применяются трубчатые (см. рис. 9.3) или радиаторные баки с естественным или принудительным воздушным охлаждением их поверхности. Для трансформаторов больших мощностей (примерно от 90 MB - А) применяются принудительные циркуляция масла и воздушное охлаждение радиаторов.

Объем масла в баке трансформатора во время работы значительно изменяется при нагревании и охлаждении. Когда масло сжимается, внутрь бака проникает влажный воздух и отдает влагу весьма гигроскопичному маслу. В результате на дне бака собирается слой воды, а электрическая прочность масла резко уменьшается. Кроме того, кислород воздуха вызывает процессы окисления в масле, также снижающие его электрическую прочность. Чтобы защитить масло от соприкосновения с воздухом, баки трансформаторов большой мощности наполняют маслом доверху, а резервуаром для избытка нагретого масла служит расширитель (см. рис. 9.3) — цилиндр из листовой стали. Он укрепляется на крышке трансформатора и соединяется с баком трубопроводом, который заканчивается в расширителе несколько выше его дна. Объем расширителя составляет примерно 10 % объема бака. Влага воздуха и осадки в большей части оседают на дне расширителя, откуда периодически удаляются через спусковой кран. Поверхность соприкосновения масла с воздухом в расширителе значительно меньше, чем в баке без расширителя; кроме того, масло здесь более низкой температуры и меньше окисляется.

Недостатком масляного охлаждения является горючесть масла (температура возгорания масла около 160 °С), оно пожаро- и взрывоопасно. Газы, образующиеся при возгорании масла, могут сорвать крышку трансформатора, и масло будет выброшено из бака. Для предупреждения деформации бака при образовании газов трансформаторы мощностью 1000 кВ- А и больше имеют выхлопную трубу (см. рис. 9.3), которая закрывается стеклянной пластинкой — мембраной. При образовании большого объема газов они выдавливают мембрану и выходят в атмосферу.

Для особо ответственных установок применяются трансформаторы, баки которых заполняются кристаллическим кварцевым песком или негорючей синтетической жидкостью (совтолом); эта жидкость и ее пары ядовиты.

Применение жидких хладагентов существенно осложняет эксплуатацию трансформаторов, так как необходимы постоянный надзор за состоянием этих охладителей и периодическая их очистка или замена.

9.17. Трансформаторы напряжения и тока

Трансформаторы напряжения и тока применяются, во-первых, для изоляции измерительных приборов и аппаратов автоматической защиты от цепи высокого напряжения, чем достигается безопасность измерения, и, во-вторых, для расширения пределов измерения измерительных приборов.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 350; Мы поможем в написании вашей работы!
Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 20 21 22 23 242526 27 28 29 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!