Трансформатори: призначення і класифікація

Трансформатор являє собою статичний електромагнітний апарат з двома ( або більше ) обмотками, призначений найчастіше для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги.

Перетворення енергії в трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатори широко застосовуються при передачі електричної енергії на великі відстані, розподіл її між приймачами, а також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.
  
При передачі електричної енергії від електростанції до споживачів сила струму в лінії обумовлює втрати енергії в цій лінії і витрата кольорових металів на її пристрій. Якщо при одній і тій же переданої потужності збільшити напругу, то сила струму в такій же мірі зменшиться, а отже, можна буде застосувати дроти з меншим поперечним перерізом. Це скоротить витрати кольорових металів при влаштуванні лінії електропередачі і знизить втрати енергії в ній.
  
Електрична енергія виробляється на електростанціях синхронними генераторами при напрузі 11-20 кВ; в окремих випадках застосовують напруга 30-35 кВ. Хоча такі напруги є надто високими для їх безпосереднього використання у виробництві і для побутових потреб, вони недостатні для економічної передачі електроенергії на великі відстані. Подальше підвищення напруги в лініях електропередачі ( до 750 кВ і більше ) здійснюють підвищують трансформаторами.
  
Приймачі електричної енергії ( лампи розжарювання, електродвигуни тощо ) з міркувань безпеки розраховують на більш низьку напругу ( 110-380 В ). Крім того, виготовлення електричних апаратів, приладів і машин на високу напругу пов'язано зі значними конструктивними труднощами, так як струмоведучі частини цих пристроїв при високій напрузі вимагають посиленої ізоляції. Тому висока напруга, при якому відбувається передача енергії, не може бути безпосередньо використане для живлення приймачів і підводиться до них через знижувальні трансформатори.
  
Електричну енергію змінного струму по шляху від електростанції, де вона виробляється, до споживача доводиться трансформувати 3-4 рази. У розподільних мережах понижуючі трансформатори навантажуються неодночасно і не на повну потужність. Тому повна потужність трансформаторів, які використовуються для передачі і розподілу електроенергії, у 7-8 разів більше потужності генераторів, що встановлюються на електростанціях.
Перетворення енергії в трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем з використанням магнітопровода.
  
Напруги первинної і вторинної обмоток, як правило, неоднакові. Якщо первинне напруга менше вторинного, трансформатор називається підвищувальним, якщо більше вторинного — знижувальним. Будь трансформатор може бути використаний і як підвищувальний, і як знижуючий. Підвищувальні трансформатори застосовують для передачі електроенергії на великі відстані, а понижуючі — для її розподілу між споживачами.

  
Залежно від призначення розрізняють силові трансформатори, вимірювальні трансформатори напруги і трансформатори струму.
  

Силові трансформатори перетворюють змінний струм однієї напруги в змінний струм іншої напруги для живлення електроенергією споживачів. Залежно від призначення вони можуть бути підвищують або зменшують. У розподільних мережах застосовують, як правило, трифазні двухобмоточные понижуючі трансформатори, що перетворюють напругу 6 і 10 кВ в напругу 0,4 кВ.
Вимірювальні трансформатори напруги – це проміжні трансформатори, через які включаються вимірювальні прилади при високих напругах.Завдяки цьому вимірювальні прилади виявляються ізольованими від мережі, що робить можливим застосування стандартних приладів (з переградуированием їх шкали) і тим самим розширює межі вимірюваних напруг.
  
Трансформатори напруги використовуються як для вимірювання струму, напруги, потужності, енергії, так і для живлення ланцюгів автоматики, сигналізації і релейного захисту ліній електропередачі від замикання на землю.
  
У ряді випадків трансформатори напруги можуть бути використані як малопотужні силові понижуючі трансформатори або як підвищувальні випробувальні трансформатори (для випробування ізоляції електричних апаратів).
  
Трансформатор струму являє собою допоміжний апарат, в якому вторинний струм практично пропорційний первинного струму і призначений для живлення вимірювальних приладів і реле в електричні кола змінного струму.
  
Трансформатори струму служать для перетворення струму будь-якого значення і напруги в струм, зручний для вимірювання стандартними приладами (5 А), живлення струмових обмоток реле, вимикаючих пристроїв, а також для ізолювання приладів і обслуговуючого їх персоналу від високої напруги.

 
Класифікація трансформаторів напруги

 
Трансформатори напруги різняться:
  
а) за кількістю фаз — однофазні і трифазні;
б) за кількістю обмоток — двухобмоточные і трехобмоточные;
в) за класом точності, тобто за типовим значенням похибок;
г) за способом охолодження — трансформатори з масляним охолодженням (масляні), з природним повітряним охолодженням (сухі та з литою ізоляцією);
д) за родом установки — для внутрішньої установки, для зовнішньої установки і для комплектних розподільних пристроїв (КРУ).
    
Для напруг до 6 кВ трансформатори напруги виготовляють сухими, тобто з природним повітряним охолодженням. Для напруг вище 6 кВ застосовують масляні трансформатори напруги.
  
Трансформатори внутрішньої установки призначені для роботи при температурі навколишнього повітря від -40 до + 45°с З відносною вологістю до 80 %.
 
В однофазних трансформаторів напруги на 6 до 10 кВ переважно застосовується лита ізоляція. Трансформатори з литою ізоляцією повністю або частково (одні обмотки) залиті ізоляційною масою (епоксидною смолою). Такі трансформатори, призначені для внутрішньої установки, вигідно відрізняються від олійних: мають менші масу і габаритні розміри і майже не вимагають догляду в експлуатації.
  
Трифазні двухобмоточные трансформатори напруги мають звичайні трехстержневые магнітопроводи, а трехобмоточные — однофазні броньові. Трифазний трехобмоточный трансформатор являє собою групу з трьох однофазних однополюсних одиниць, обмотки яких з'єднані за відповідною схемою. Трифазні трехобмоточные трансформатори напруги старої серії (до 1968-1969 рр.) мали бронестержневые магнітопроводи. Трифазний трансформатор менше по масі і габаритам, ніж група з трьох однофазних трансформаторів. При роботі трифазного трансформатора для резерву потрібно мати інший трансформатор на повну потужність
  
У масляних трансформаторах основним ізолюючим і охолоджуючим середовищем є трансформаторне масло.
  
Масляний трансформатор складається з магнітопровода, обмоток, бака, кришки з вводами.Магнітопровід збирають з ізольованих один від одного (для зменшення втрат на вихрові струми) листів холоднокатаної електротехнічної сталі. Обмотки виготовляють з мідного або алюмінієвого дроту. Для регулювання напруги обмотка ВН має відгалуження, що з'єднуються з перемикачем. У трансформаторах передбачено два види перемикання відгалужень: під навантаженням — РПН (регулювання під навантаженням і без навантаження, після відключення трансформатора від мережі — ПБЗ (перемикання без збудження). Найбільш поширений другий спосіб регулювання напруги як найбільш простий.
 
Крім зазначених трансформаторів з масляним охолодженням (ТМ) выпускаютсятрансформаторы в герметичному виконанні (ТМГ), в яких масло не повідомляється з повітрям і, отже, виключається його прискорене окислення і зволоження. Масляні трансформатори в герметичному виконанні повністю заповнені трансформаторним маслом і не мають розширника, а температурні зміни його об'єму при нагріванні і охолодженні компенсуються зміною обсягу гофрів стінок бака. Ці трансформатори заповнюються маслом під вакуумом, внаслідок чого підвищується електрична міцність ізоляції.
  
Сухий трансформатор, так само як і масляний, складається з магнітопровода, обмоток ВН і НН, укладених в захисний кожух. Основним ізолюючим і охолоджуючим середовищем є атмосферне повітря. Однак повітря є менш досконалою ізолюючим і охолоджуючим середовищем, ніж трансформаторне масло. Тому в сухих трансформаторах всі ізоляційні проміжки і вентиляційні канали роблять більшими, ніж у масляних.
  
Сухі трансформатори виготовляють з обмотками з стеклоизоляцией класу нагрівостійкості В (ТСЗ), а також з ізоляцією на кремнійорганічних лаках класу Н (ТСЗК). Для зменшення гігроскопічності обмотки просочують спеціальними лаками. Застосування в якості ізоляції обмоток скловолокна або азбесту дозволяє значно підвищити робочу температуру обмоток і отримати практично пожежобезпечну установку. Це властивість сухих трансформаторів дає можливість застосовувати їх для установки всередині сухих приміщень в тих випадках, коли забезпечення пожежної безпеки установкиявляется вирішальним фактором. Іноді сухі трансформатори замінюють більш дорогими і складними у виготовленні совтоловыми.
  
Сухі трансформатори мають великі габаритні розміри і масу (ТСЗ) і меншу перевантажувальну здатність, ніж масляні, і використовуються для роботи в закритих приміщеннях з відносною вологістю не більш 80%. До переваг сухих трансформаторів відносять їх пожежобезпечність (відсутність масла), порівняльну простоту конструкції і відносно малі витрати на експлуатацію.

  
Класифікація трансформаторів струму

  
Трансформатори струму класифікуються за різними ознаками:
  
1. За призначенням трансформатори струму можна розділити на вимірювальні, захисні, проміжні (для включення вимірювальних приладів в струмові ланцюги релейного захисту, для вирівнювання струмів в схемах диференціальних захистів і т. д.) і лабораторні (високої точності, а такжесо багатьма коефіцієнтами трансформації).
  
2. За родом установки розрізняють трансформатори струму:
  
а) для зовнішньої установки (у відкритих розподільних пристроях);
б) для внутрішньої установки;
в) вбудовані в електричні апарати та машини: вимикачі, трансформатори, генератори і т. д.;
г) накладні — одягаються зверху на прохідний ізолятор (наприклад, на високовольтний ввід силового трансформатора);
д) переносні (для контрольних вимірів і лабораторних випробувань).
  
3. По конструкції первинної обмотки трансформатори струму діляться на:
  
а) багато виткові (котушкові, з петлевою обмоткою і з восьмерочной обмоткою);
б) одновіткові (стрижневі);
в) шинні.
  
4. За способом установки трансформатори струму для внутрішньої і зовнішньої установки поділяються на:
  
а) прохідні;
б) опорні.
  
5. За виконання ізоляції трансформатори струму можна розбити на групи:
а) з сухою ізоляцією (фарфор, бакеліт, лита епоксидна ізоляція тощо);
б) з паперово-масляною ізоляцією і з конденсаторної паперово-масляною ізоляцією;
в) залитого компаундом.
  
6. За кількістю ступенів трансформації є трансформатори струму:
  
а) одноступінчаті;
б) двоступеневі (каскадні).
  
7. За робочою напругою розрізняють трансформатори:
  
а) на номінальну напругу вище 1000 В;
б) на номінальну напругу до 1000 В.
  
Поєднання різних класифікаційних ознак вводиться позначення типу трансформаторів струму, що складається з буквеної і цифрової частин.
  
Трансформатори струму характеризуються номінальним струмом, напругою, класом точності і конструктивним виконанням. На напрузі 6-10 кВ їх виготовляють опорними і прохідними з однією і двома вторинними обмотками класів точності 0,2; 0,5; 1 і 3. Клас точності вказує граничну похибку, внесену трансформатором струму в результати вимірювань. Трансформатори класів точності 0,2, що мають мінімальну похибку, використовують для лабораторних вимірювань, 0,5 — для живлення лічильників, 1 і 3 — для живлення струмових обмоток реле і приладів технічних вимірювань. Для безпечної експлуатації вторинні обмотки повинні бути заземлені і не повинні бути розімкнуті.
  
При монтажі розподільних пристроїв напругою 6-10 кВ застосовують трансформатори струму з литою і фарфоровою ізоляцією, а при напрузі до 1000 В — з литої, бавовняної і порцелянової.

 Принцип дії і пристрій трансформатора
  
Дія трансформатора ґрунтується на явищі взаємної індукції. Якщо первинну обмотку трансформатора включити в мережу джерела змінного струму, то по ній буде проходити змінний струм, який створить в сердечнику трансформатора змінний магнітний потік. Цей магнітний потік, пронизуючи витки вторинної обмотки, буде индуктировать в ній електрорушійну силу ( ЕРС ). Якщо вторинну обмотку замкнути на який-небудь приймач енергії, то під дією индуктируемой ЕРС по цій обмотці і через приймач енергії почне протікати струм.
  
Одночасно в первинній обмотці також з'явиться навантажувальний струм. Таким чином, електрична енергія, трансформуючись, передається з первинної мережі у вторинну при напрузі, на яку розрахований приймач енергії, включений у вторинну мережу.
  
В цілях поліпшення магнітної зв'язку між первинною і вторинною обмотками їх поміщають на сталевий магнітопровід. Обмотки ізолюють один від одного, так і від магнітопроводу. Обмотка вищої напруги називається обмоткою вищої напруги ( ВН ), а обмотка нижчої напруги - обмотку нижчої напруги ( НН ). Обмотка, включена в мережу джерела електричної енергії, називається первинною; обмотка, від якої енергія подається до приймача, - вторинною.
  
Зазвичай напруги первинної і вторинної обмоток неоднакові. Якщо первинне напруга менше вторинного, трансформатор називається підвищувальним, якщо більше вторинного - знижувальним. Будь трансформатор може бути використаний і як підвищувальний, і як знижуючий. Підвищувальні трансформатори застосовують для передачі електроенергії на великі відстані, а понижуючі - для її розподілу між споживачами.
  
У трехобмоточных трансформаторів на магнітопровід поміщають три ізольовані один від одного обмотки. Такий трансформатор, що живиться з боку однієї з обмоток, дає можливість отримувати два різні напруги і забезпечувати електричною енергією дві різні групи приймачів. Крім обмоток вищої і нижчої напруги трехобмоточный трансформатор має обмотку середньої напруги ( СН ).
  
Обмотках трансформатора надають переважно циліндричну форму, виконуючи їх при малих струмах з круглого мідного ізольованого проводу, а при великих струмах - з мідних шин прямокутного перерізу
  
Ближче до магнітопроводу мають обмотку нижчої напруги, так як її легше ізолювати від нього, ніж обмотку вищої напруги.
  
Обмотку нижчої напруги ізолюють від стрижня прошарком з якого-небудь изолировочного матеріалу. Таку ж ізолюючу прокладку поміщають між обмотками вищої і нижчої напруги.
  
При циліндричних обмотках поперечному перерізу стержня магнітопроводу бажано надати круглу форму, щоб площі, охоплюваній обмотками, не залишалося немагнітних проміжків. Чим менше немагнітні проміжки, тим менше довжина витків обмоток, а отже, і маса міді при заданій площі перерізу сталевого стрижня.
  
Однак стержні круглого перерізу виготовляти складно. Магнітопровід набирають з тонких сталевих листів, і для отримання стрижня круглого перерізу знадобилася б велика кількість сталевих листів різної ширини, а це вимагало б виготовлення безлічі штампів. Тому в трансформаторах великої потужності стрижень має ступеневу поперечний переріз з числом ступенів не більше 15-17. Кількість ступенів перерізу стержня визначається числом кутів в одній чверті кола. Ярмо магнітопровода, тобто та його частина, яка з'єднує стрижні, має також ступеневу розтин.
  
Для кращого охолодження в магнітопроводах, а також в обмотках потужних трансформаторів влаштовують вентиляційні канали в площинах, паралельних і перпендикулярних площині сталевих листів.
  
У трансформаторах малої потужності площу перерізу проводу мала і виконання обмоток спрощується. Магнітопроводи таких трансформаторів мають прямокутний перетин.
    
Номінальні дані трансформатора
  

Корисна потужність, на яку розрахований трансформатор за умовами нагрівання, тобто його потужність вторинної обмотки при повною ( номінальною ) навантаженні називається номінальною потужністю трансформатора. Ця потужність виражається в одиницях повної потужності — у вольтамперах ( ВА ) або кіловольт-амперах (кВА). У ватах або кіловатах виражається активна потужність трансформатора, тобто та потужність, яка може бути перетворена з електричної в механічну, теплову, хімічну, світлову і т. д.
  
Перерізу проводів обмоток і всіх частин трансформатора, так само як і будь-якого електротехнічного апарату або електричної машини, визначаються не активної складової струму або активною потужністю, а повним струмом, що протікає по провіднику і, отже, повною потужністю. Всі інші величини, що характеризують роботу трансформатора в умовах, на які він розрахований, також називаються номінальними.
  
Кожен трансформатор забезпечений щитком з матеріалу, що не піддається атмосферним впливам. Щиток прикріплений до баку трансформатора на видному місці і містить його номінальні дані, які нанесені травленням, гравіюванням, вибиванням або іншим способом, що забезпечує довговічність знаків. На щитку трансформатора вказані наступні дані:
  
1. Марка заводу-виготовлювача.
2. Рік випуску.
3. Заводський номер.
4. Позначення типу.
5. Номер стандарту, якому відповідає виготовлений трансформатор.
6. Номінальна потужність ( кВА ). (Для трехобмоточных трансформаторів указують потужність кожної обмотки. )
7. Номінальні напруги і напруги відгалужень обмоток ( або кВ ).
8. Номінальні струми кожної обмотки ( А ).
9. Число фаз.
10. Частота струму ( Гц ).
11. Схема і група з'єднання обмоток трансформатора.
12. Напруга короткого замикання ( % ).
13. Рід установки ( внутрішня або зовнішня ).
14. Спосіб охолодження.
15. Повна маса трансформатора ( кг або т ).
16. Маса олії ( кг або т ).
17. Маса активної частини ( кг або т ).
18. Положення перемикача, позначені на його приводі.
  
Для трансформатора з штучним повітряним охолодженням додатково вказана потужність його при відключеному охолодженні. Заводський номер трансформатора також вибитий на баку під щитком, на кришці близько введення ВН фази А і на лівому кінці верхньої полиці ярмовой балки магнітопровода.
  
Умовне позначення трансформатора складається з буквеної і цифрової частин. Літери означають наступне: Т - трифазний трансформатор, Про - однофазний, М - природне масляне охолодження, Д - масляне охолоджування з дуттям ( штучне повітряне і з природною циркуляцією масла ), Ц - масляне охолодження з примусовою циркуляцією масла через водяний охолоджувач, ДЦ - масляне з дуттям і примусовою циркуляцією масла, Р - грозоупорный трансформатор, Н в кінці позначення - трансформатор з регулюванням напруги під навантаженням, Н на другому місці - заповнений негорючим рідким діелектриком, Т на третьому місці - трехобмоточный трансформатор.
 
Перше число, що стоїть після буквеного позначення трансформатора, показує номінальну потужність ( кВА ), друге число - номінальна напруга обмотки ВН ( кВ ). Так, тип ТМ 6300/35 означає трифазний двохобмотувальний трансформатор з природним масляним охолодженням потужністю 6300 кВА і напругою обмотки ВН 35 кВ.
  
Буква А в позначенні типу трансформатора означає автотрансформатор. В позначенні трехобмоточных автотрансформаторів букву А ставлять або першої або останньої. Якщо автотрансформаторная схема є основною ( обмотки ВН і СН утворюють автотрансформатор, а обмотка НН додаткова ), букву А ставлять першою, якщо автотрансформаторная схема є додатковою, букву А ставлять останньої.