Устройство трансформатора
Масляный трансформатор типа ТМ (см. рис.3 ниже) состоит из магнитопровода с размещенными на нем обмотками высокого напряжения (ВН) и низкого напряжения (НН), переключателя ответвлений, бака с арматурой, крышки с ВН, НН — вводами, защитных и контрольно-измерительных устройств.
1 – бак, 2 – расширитель, 3 – термосифонный фильтр, 4 – радиаторы охлаждения, 5 – вводы ВН, 6 — вводы НН, 7– выхлопная труба, 8 – газовое реле, 9 – переключатель ответвлений
Рис. 3 — Общий вид силового трансформатора
Магнитопровод
В трехфазных трансформаторах I—II габаритов наибольшее распространение получили несимметричные магнитопроводы трехстержневого шихтованного типа. Магнитопровод собран из отдельных тонких пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга пленкой специального жаростойкого покрытия или лака КФ-965. Шихтовка — сборка пластин в переплет (рисунок 4), получается при чередовании слоев: пластины стержней переходят в ярма, а пластины ярм — в стержни. Поперечное сечение стержней — многоступенчатое, приближающееся по форме к кругу для лучшего использования пространства внутри обмоток (рисунок 5). Сечение ярм может применяться разное: многоступенчатое (повторяющее форму стержней), прямоугольное (рисунок 6,а), Т-образное (рисунок 6,б) и крестообразное (рисунок 6,в).
Рис. 4 — Сборка пластин магнитопровода в переплет и Рис. 5 — Форма поперечного сечения стержней магнитопровода, где D0 — диаметр описанной окружности стержня
Рис. 6 — Поперечные сечения ярм магнитопроводов
Пластины ярм как верхнего, так и нижнего скрепляют ярмовыми балками, стянутыми тремя горизонтальными прессующими шпильками. Шпильки изолируют от стали ярма бумажно-бакелитовыми трубками и изоляционными шайбами. Активную сталь магнитопровода заземляют луженой медной лентой 2 (рисунок 7), вставленной одним концом между пластинами первого пакета, а другим — между электрокартонной прокладкой и ярмовой балкой стороны низшего напряжения (НН).
Рис. 7 — Установка заземления магнитопровода
Обмотки трансформаторов
Трансформаторы I—II габаритов имеют в основном цилиндрические двух- и многослойные обмотки (рисунок 8). Обмотки НН наматывают проводом прямоугольного сечения, а ВН — круглого. Сечение витка обмотки НН значительно больше, чем ВН, так как число витков у обмотки НН меньше, а ток в ней больше (отношение токов в обмотках НН и ВН связано с отношением их напряжений и в зависимости от схемы и группы соединений обмоток входит в определение коэффициента трансформации). Виток обмотки НН с низким номинальным напряжением (230 В), изображенной на рисунке 6, состоит из двух параллельных проводов. Провода изолируют бумажной изоляцией, которая достаточна для изоляции между витками. Соседние слои изолируют дополнительно кабельной бумагой. Число слоев зависит от мощности трансформатора. Начиная с мощности 100 кВА все слои каждой обмотки разделяют на две части охлаждающим каналом, образуемым деревянными или электрокартонными рейками.
Рис. 8 — Обмотки трансформаторов I—II габаритов (а — обмотка НН — двухслойная с двумя параллельными проводами; б — обмотка ВН — многослойная)
Трансформаторные заводы изготовляют обмотки НН и ВН раздельно. Каждую обмотку наматывают на бумажно-бакелитовый цилиндр толщиной 1,5—2,5 мм, а затем в обмотку ВН с натягом впрессовывают обмотку НН (вместе с рейками, образующими канал между обмотками). Раньше собранные и проверенные обмотки пропитывали глифталевым лаком, а затем запекали в печах при атмосферном давлении и температуре 80—90° С. Обмотки становились жесткими, монолитными, что, как предполагалось, должно было предохранить их от механических повреждений. Однако специальными испытаниями было доказано, что механическая прочность обмоток благодаря пропитке повышается незначительно, но это создает некоторое удобство при сборке. Но динамическую устойчивость обмоток при коротких замыканиях в трансформаторе пропитка не повышает. Более действенными мерами, которые сейчас применяют как трансформаторные, так и электроремонтные заводы, являются: введение магнитосимметричных схем обмоток; пофазная намотка, при которой непосредственно на обмотку НН, не снимая ее со станка, наматывают обмотку ВН, и др. Следует также учитывать, что трансформаторное масло с применяемыми сейчас присадками с течением времени растворяет глифталевый лак, который уходит в шлам. Была изготовлена опытная партия трансформаторов с непропитанными обмотками, она успешно прошла серию специальных испытаний. И сейчас обмотки трансформаторов I—II габаритов не пропитывают. Некоторые трансформаторы старых серий имели обмотки других типов: винтовые (ТСМАН), непрерывные (типа ТМ-560/10). Внутренняя изоляция трансформатора состоит из главной изоляции обмоток, продольной изоляции обмоток, изоляции отводов и переключателя ответвлений относительно бака и других заземленных частей. Главная изоляция обмоток изолирует обмотки друг от друга и от заземленных частей (рисунок 9). Это, кроме цилиндров обмоток и масляных каналов между стержнем магнитопровода и обмоткой НН и между обмотками НН и ВН, междуфазная перегородка (между обмоткой ВН разных фаз) из листа электрокартона толщиной 2—3 мм, а также Ярмовая и уравнительная изоляция.
Рис. 9 — Главная изоляция обмоток (а — схема изоляции б — размещение деталей главной изоляции обмоток фазы А; обмоток в трансформаторе)
Ярмовая изоляция изолирует обмотки от ярма и располагается вверху и внизу между торцовой частью обмотки и уравнительной изоляцией. Последняя выравнивает плоскость ярмовых балок с горизонтальной плоскостью ярма. Конструкции ярмовой и уравнительной изоляции у трансформаторов I—II габаритов самые различные. На рисунке 10 изображена ярмовая изоляция, представляющая собой кольцеобразную шайбу из электрокартона толщиной 2—3 мм с прикрепленными по обеим сторонам подкладками. Уравнительную изоляцию изготовляют в виде настила из деревянных планок. Иногда этот настил служит одновременно и ярмовой и уравнительной изоляцией, а между обмоткой и ярмом устанавливают электрокартонные щитки.
Рис. 10 — Ярмовая изоляция
Продольная изоляция обмотки включает в себя витковую изоляцию и изоляцию между слоями обмотки. Изоляцией отводов и переключателя ответвлений относительно бака и других заземленных частей у трансформаторов I—II габаритов является только масляный промежуток, его величина зависит от напряжения и от формы заземленной и токоведущей частей: при заостренной форме масляный промежуток больше, а при плоской меньше. У трансформаторов 10 кВ обмотка ВН отстоит от стенки бака не менее чем на 25 мм; отвод с твердой изоляцией толщиной 2 мм на сторону — не менее чем на 10 мм. Отводы — это провода, соединяющие концы обмоток между собой, с вводами и с переключателем ответвлений. Отводы НН выполняют из алюминиевых шин. При напряжении до 525 В их не изолируют. Сечение отводов выбирают из расчета плотности тока не более 4,8 А/м м² . Отводы ВН выполняют из медных прутков или гибкого медного кабеля. Прутки диаметром до 5,2 мм изолируют кабельной бумагой, при большем диаметре на них насаживают бумажно-бакелитовые трубки. Для изолированных медных отводов допускаемая плотность тока составляет 2,5 А/м м² .
Переключатель ответвлений трансформатора
Все трансформаторы для распределительных сетей имеют устройства переключения ответвлений обмоток: либо под нагрузкой (устройства РПН), либо без возбуждения (устройства ПБВ). Устройства РПН для трансформаторов I—II габаритов практически не применяются. Устройства ПБВ применяются на стороне ВН для регулирования напряжения в диапазоне ±5% номинального значения. Устройство состоит из переключателя ответвлений, расположенного внутри трансформатора, на ярмовой балке магнитопровода или под крышкой бака, и ручного привода, выведенного наружу, на крышку бака. Переключатели ответвлений выполняют на три или на пять ступеней регулирования: «номинал» и два крайних положения или «номинал» и ±2X2,5%. На трансформаторах, выпущенных в разное время разными заводами, могут встретиться самые различные переключатели ответвлений. Это как «нулевые» так и строенные трехфазные системы. На рисунках 11—13 показаны наиболее распространенные переключатели трансформаторов I—II габаритов: ламельный «нулевой», сегментный «нулевой» и реечный строенный.
1, 9, 18, 26 — шайбы; 2 — винт; 3 — втулка; 4 — сальниковая набивка; 5 — гайка сальника; 6 — гайка фланца; 7 — болт; 8 — колпак; 10 — фланец; 11 и 12 — прокладки; 13, 21 — колпаки; 14 — корпус переключателя; 15 — неподвижный контакт; 16 — пружинная шайба; 17 — гайка; 19 — звезда; 20 — пружина; 22 — диск; 23 — контргайка; 24 — шплинт; 25 — вал
Рис. 11 — Переключатель ответвлений ламельный
а — внешний вид, б — схема контактов
1 — неподвижные контакты; 2 — цилиндр; 3 — коленчатый вал; 4 — подвижные контакты; 5 — приводной вал; 6 — фланец; 7 — колпак; 8 — стопорный болт; 9 — стрелка; 10 — ось
Рис. 12 — Переключатель ответвлений сегментный
1 — бумажно-бакелитовая трубка; 2 — неподвижный контакт: 3 —подвижный контакт; 4 — пружина; 5 — болт; 6 — рейка; 7 — винт; 8 — держатель; 9 — колпак; 10 — указатель ступеней; 11 — фиксатор; 12 — шестерня; 13, 15 — валы; 14 — бумажно-бакелитовая трубка; 16, 19 — втулки; 17 — сальниковая набивка; 18, 21 — гайки; 20, 22 — винты; 23 — кольцо
Рис.13 — Переключатель ответвлений реечный
Вводы трансформатора
Вводы служат для подключения трансформатора к сети. Вводы устанавливают в отверстиях на крышке или реже на боковой стенке бака. Существуют разные конструкции вводов, они зависят от электрических параметров (класса напряжения и величины тока), рода установки (внутренней или наружной) и от способа присоединения к обмоткам трансформатора. Токоведущий стержень или провод изолируют от крышки фарфоровыми изоляторами. Фарфор и металл крышки имеют разное объемное расширение при колебаниях температуры и поэтому жесткое крепление между ними не может обеспечить необходимой маслоплотности. Ранее применяли соединение изоляторов с металлическими деталями через специальную армировочную замазку. На рисунке 14 показан ввод ВН. Изолятор армирован в круглый фланец. Вводы НН рассчитаны на большие токи порядка сотен и тысяч ампер, и во избежание нагрева фланцев возникающими в них вихревыми токами, все три изолятора вводов НН (рисунок 15) армируют в обойму, которая крепится в общем отверстии крышки шпильками и гайками на уплотнении.
1 — фарфоровый изолятор; 2 — токоведущая шпилька: 3 — резиновая шайба: 4 — колпак; 5 — фланец; б — прокладка; 7 — электрокартонная шайба; 8— стальная шайба; 9— крышка трансформатора; 10 — армировочная замазка
Рис. 14 — Армированный ввод ВН
Рис. 15 — Установка вводов НН в обойме
Теперь все трансформаторные заводы перешли на изготовление съемных вводов, которые более технологичны в ремонте: для замены поврежденного фарфорового изолятора не требуется разборка трансформатора и отсоединение отводов внутри бака. Изолятор (рисунок 16) ввода ВН крепится к крышке через кулачки из алюминиевого сплава. Их фиксирует в строгом положении стальной фланец.
1 — контактный наконечник; 2 — болт с гайками и шайбами; 3 — болт наконечника; 4 — специальная гайка; 5 — латунная втулка; 6 — резиновое кольцо; 7 — латунный колпак; 8 — винт для выпуска воздуха; 9 — резиновая шайба; 10 — выступ шпильки: 11 — электрокартонная шайба; 12 — буртик шпильки; 13 — фарфоровый изолятор; 14 — токоведущая шпилька; 15 — установочная шпилька; 16 — гайка; 17 — фланец; 18 — кулачок; 19 — резиновая прокладка; 20 — крышка трансформатора; 21 — гетинаксовая втулка; 22 —медная шайба; 23 — гайка
Рис. 16 — Съемный ввод ВН
Отверстия в крышке для вводов НН соединяются прорезью, заваренной немагнитным металлом.
Активная часть
Магнитопровод с обмотками, внутренней изоляцией, переключателем ответвлений и отводами в собранном виде называют активной частью трансформатора. Активную часть устанавливают в баке трансформатора, закрывают крышкой и заливают трансформаторным маслом. Существуют две принципиально различные конструкции установки активной части в баке. В трансформаторах старых выпусков активная часть механически связана с крышкой при помощи вертикальных шпилек. После установки крышки производят полную сборку деталей и частей, компонуемых на ней: привода переключателя и вводов во фланцах или в обоймах. Затем активную часть вместе с крышкой опускают в бак, от перемещений она удерживается деревянными планками и раскосами. Такая конструкция имеет ряд недостатков. Требуется очень тщательная подгонка длины шпилек по месту; изменение размеров баков и магнитопроводов даже в пределах допусков ведет либо к вспучиванию крышки, либо к появлению зазора между активной частью и дном бака. В обоих случаях трансформатор при транспортировке может выйти из строя. Другим недостатком является необходимость уплотнять соединения шпилек с крышкой, что создает дополнительные возможности для просачивания масла. Теперь у всех трансформаторов I—II габаритов активную часть механически с крышкой не связывают; она крепится в баке двумя или четырьмя крюками. Бак закрывают крышкой и только затем собирают все наружные элементы.
Бак с арматурой
Бак трансформатора выполняет много функций. Это, во-первых, механическая основа, на ней внутри и снаружи крепятся все элементы трансформатора; это также и элемент охлаждения, передающий в окружающий воздух тепловые потери, и резервуар для масла, обладающий достаточной маслоплотностью. Ранее изготовлялись волнистые и трубчатые баки. Теперь все баки гладкие, овальной или прямоугольной формы. Бак состоит из обечайки 3, дна 4, рамы 2 и крышки 1 (см. рис. 17) с отверстиями для крепления болтами к раме.
Рис. 17 — Основные части бака трансформатора
Крышка закрывает бак и одновременно является основанием для установки расширителя, вводов, приводов переключающих устройств, подъемных колец и других устройств (см. рис.18). Место разъема крышки с баком соединяют уплотнительной резиной, укладываемой на раму в уступ между выступающим торцом обечайки и отверстиями в раме. Для перемещения трансформаторов под днищем установлены катки; для подъема трансформатора на стенках бака установлены крюки; для крепления радиаторов и фильтров – патрубки с фланцами; для заполнения трансформаторов маслом имеются вентили.
1 — фланец для соединения с расширителем, 2 — рым, 3 — ввод ВН, 4 — переключатель, 5 — кран, 6 — термометр, 7 — пробивной предохранитель, 8 — ввод нейтрали НН, 9 — линейный ввод НН, 10 — крышка, 11 — место установки расширителя
Рис. 18 — Крышка трансформатора (вид сверху)
Расширитель служит для локализации (компенсации) колебаний уровня масла в трансформаторе при изменении температуры (см. рис.19). Кроме того, он уменьшает площадь соприкосновения воздуха с маслом, и, следовательно, защищает масло от преждевременного окисления. Объем расширителя выбирают таким образом, чтобы при всех режимах работы трансформатора от отключенного состояния до номинальной нагрузки и при колебаниях температуры окружающего воздуха от – 45С до + 45С в нем было масло (обычно 8-10% объема масла, находящегося в трансформаторе). На рисунке 19 видно, что при нагревании масло из бака трансформатора по трубе, соединяющей его с патрубком 7, вытесняется в расширитель; при снижении температуры оно обратно поступает в бак. На торцевой стенке корпуса 2 расширителя установлен маслоуказатель 1, на котором нанесены 3 деления с контрольными цифрами: -45, +15, +45. Это означает, что в неработающем трансформаторе уровни масла, отмеченные делениями, должны соответствовать указанным температурам окружающего воздуха. Для сбора и удаления осадков и влаги со дна расширителя предназначен отстойник 10 с отверстием, закрываемым пробкой 9 и служащим также для слива масла из расширителя. Изменение в расширителе уровня масла, а следовательно, его объема, компенсируется атмосферным воздухом, поступающим в расширитель из окружающей среды через осушитель, подсоединяемый к патрубку 6. Отверстие с пробкой 5 предназначено для заполнения расширителя маслом, кольца 3 — для подъема, патрубок 4 — для соединения с предохранительной трубой. Чтобы осадки не попадали в трансформатор со дна расширителя, конец патрубка 7 выступает внутри расширителя на 50-60 мм. Расширитель устанавливают немного выше уровня крышки 8 бака трансформатора с помощью опорных пластин 12, которые приварены к кронштейнам 11, закрепленным на крышке болтами.
Рис. 19 — Устройство расширителя
Термосифонный фильтр (рис.20) служит для непрерывной регенерации масла в процессе работы трансформатора и представляет собой металлический сосуд 4, заполненный силикагелем 3, и присоединенный трубами 6 и 7 к верхнему и нижнему патрубку бака. Силикагель загружают в него через бункер 5, а отработанный высыпают через бункер 1. В бункерах установлены металлические решетки с сетками, предотвращающие попадание силикагеля в бак трансформатора. Циркуляция масла через фильтр основана на конвекции за счет разности температур верхнего и нижнего слоев масла. Об увлажнении и необходимости замены сорбента или его восстановления свидетельствует изменение цвета с голубого на розовый индикаторного силикагеля, засыпанного в прозрачный колпак воздухоосушителя. У современных трансформаторов воздухоосушитель встраивают в расширитель.
Рис. 20 — Термосифонный фильтр
При работе трансформаторов теплота, выделяемая магнитной системой, обмотками и другими частями, подверженными нагреву, передается маслу. Масло конвекцией передает теплоту стенкам бака, а стенки – окружающему воздуху. Каждый квадратный метр поверхности бака при естественной циркуляции масла способен отвести 400-450 Вт. Если тепловая нагрузка поверхности бака будет больше, то температура активной части и трансформатора может превысить допустимую. В трансформаторах небольшой мощности (25-40 кВА) потери энергии сравнительно невелики, для ее отвода достаточно гладкой поверхности бака. В трансформаторах мощностью более 40 кВА применяют навесные радиаторы с трубами овальных и круглых форм (см.рис.21). Их крепят болтами к патрубкам бака, уплотняя резиновыми прокладками. Радиаторы могут быть съемными или вваренными. Съемные радиаторы легче ремонтировать, но от вибрации в их уплотнениях часто возникает течь масла.
1 — патрубок с фланцем, 2 — коробка (коллектор), 3 — овальная труба, А — расстояние между центрами патрубков (основной монтажный размер радиаторов)
Рис. 21 — Прямотрубный двухрядный радиатор
Защитные и контрольно-измерительные устройства
Защитные и контрольно-измерительные устройства — несложные, но весьма ответственные; от их исправности зависят надежность работы трансформатора и безопасность людей, находящихся в непосредственной близости от подстанции.
— Газовое реле
Газовое реле защищает трансформатор при внутренних повреждениях, связанных с выделением газа, а также при утечке масла из-за неплотности. Повреждениями могут быть: разложение изолирующих материалов под воздействием повышенной температуры отдельных мест; замыкание параллельных проводов или витков в обмотках; некачественное соединение отводов; пробой изоляции; неисправность в магнитной системе.
Реле встраивают в рассечку трубы, соединяющей бак трансформатора с расширителем. При понижении уровня масла в трансформаторе, попадании в реле газа или выбросе масла через него в расширитель под большим давлением газов, реле срабатывает – замыкает контакты цепи сигнализации или отключения трансформатора. Таким образом газовое реле предохраняет трансформатор от разрушения; анализ газа, взятого из реле, позволяет судить о характере повреждения. В трансформаторах применяют газовое реле двух типов – поплавковое и чашечное.
Работа поплавкого реле основана на всплывании и опускании металлических поплавков, чашечного – на всплывании и погружении чашечек с маслом; всплытие или погружение поплавков (чашечек) сопровождается размыканием или замыканием контактов цепей тока, работающих на сигнал или отключение трансформатора. В настоящее время наибольшее распространение получили поплавковые газовые реле Бухгольца.
1 – корпус, 6 –крышка, 13 – реагирующие элементы, 14 – штуцер, 15 – магнитоуправляемые контакты «герконы», 16 — поплавки
Рис. 22 — Газовое реле Бухгольца
— Выхлопная труба
Повреждение внутри трансформатора, сопровождаемое электрической дугой, приводит к интенсивному разложению масла с образованием большого количества газа и, как следствие, резкому повышению давления внутри бака, при этом может разорваться бак и возникнуть пожар. Для локализации давления внутри бака устанавливают выхлопную трубу. При повышении давления внутри бака стекло лопается и газы вместе с маслом выбрасываются наружу.
1 – фланец крепления к крышке бака трансформатора, 2 – корпус, 3 – диафрагма, 4 – болты, 5 – фланец для подсоединения тубы к верхней части расширителя, 6 – стеклянный диск, 7,8,9 – фланцы крепления, 10, 11 – прокладки
Рис. 23 — Выхлопная труба: а – общий вид, б – устройство диафрагмы
— Пробивной предохранитель
При повреждении внутри трансформатора, например пробое изоляции между обмотками или отводами, цепь обмотки ВН1 может соединиться с токоведущей частью обмотки НН2, при этом сторона низшего напряжения окажется под высоким напряжением, опасным для обслуживающего персонала и аппаратуры. Во избежание появления высокого потенциала на стороне НН у трансформаторов устанавливают пробивной предохранитель. При появлении на стороне НН опасного напряжения воздушные промежутки слюдяной прокладки пробиваются образовавшейся электрической дугой, обмотка НН соединяется с землей и таким образом приобретает потенциал, равный 0.
1 — обмотка ВН; 2 — обмотка НН; 3 — болт крепления крышки бака; 4 — перемычка; 5 — скоба; 6 — верхняя часть контактной головки; 7 — цокольный контакт; 8 — слюдяная прокладка с искровыми промежутками; 9 — нижняя часть контактной головки; 10 — центральный контакт; 11 — нулевой ввод; 12 — стенка бака; 13 — заземление бака
Рис. 24 — Пробивной предохранитель
— Маслоуказатель
Маслоуказатель (см. рисунок 25) у современных трансформаторов выполнен почти заподлицо со съемным дном расширителя. На масломерном стекле или на дне расширителя имеются три риски, соответствующие нормальному уровню масла в расширителе (при +15°С), минимальному (при —45° С) и максимальному (при +40° С). У трансформаторов старых выпусков маслоуказатели делались трубчатые. Риски на дне расширителя соответствовали другим минимальному и максимальному значениям температуры: —35 и +35° С.
1 — продольное окно в дне расширителя; 2 — плоский фасонный фланец; 3 — резиновая прокладка; 4 — плоское стекло; 5 — шпилька; 6 — гайка; 7 — шайба
Рис. 25 – Маслоуказатель трансформаторов
— Стеклянный термометр
Термометр, показывающий температуру масла под крышкой трансформатора, устанавливают в специальной гильзе, пропущенной через крышку внутрь бака. Дно гильзы завальцовывают. Ранее допускалось применение ртутных термометров. Однако в связи со случаями их поломки и попаданием ртути внутрь бака на токоведущие части, что являлось причиной аварий трансформаторов, в настоящее время применяют только спиртовые термометры или электронные датчики.
— Манометрический термометр
Принцип действия манометрического термометра основан на зависимости давления насыщенных паров заполнителя термосистемы (капилляра, баллона) от измеряемой температуры среды (масла). При повышении температуры давление паров в термобаллоне 5, соединенном с корпусом 1 капиллярной трубкой 4 увеличивается, при этом специальное устройство в корпусе термосигнализатора действует на стрелку, которая показывает на шкале температуру масла. При достижении предельно допустимой температуры контактная система замыкает цепь тока на сигнал. Дальнейшее увеличение температуры приводит к замыканию контактов цепи отключения трансформатора. Термобаллон устанавливают в специальную гильзу, пропущенную внутрь бака трансформатора и закрепленную на крышке, а корпус прибора крепят к стенке.
1 – корпус, 2 – указатели установки пределов на сигнал и отключение, 3 – штуцер, 4 – капиллярная трубка, 5 – термобаллон, 6 – зажимы для подключения электропитания, 7 – скоба для крепления
Рис. 26 — Манометрический термометр
