Элементы конструкции трансформаторов

Основными элементами конструкций масляных трансформаторов и автотрансформаторов являются: магнитопровод, обмотки с отводами и элементами изоляции, бак с расширителем.

Кроме того, трансформаторы снабжаются различными вспомогательными устройствами: охлаждения, переключение ответвлений, защита масла от воздействий окружающей среды, контроля и сигнализации, а также вводами.

Магнитопровод трансформатора выполняет функции магнитной системы и одновременно его конструктивной и механической основы. В конструкции магнитопровода различают активную часть, непосредственно проводящая магнитный поток, и неактивную часть, придающую магнитному проводу необходимую жесткость и являющуюся остовом для установки и крепления на нём различных деталей.

В современных трансформаторах применяется холоднокатаная электрическая сталь марок 3413, 3416, обладающая более низкими удельными потерями и повышенной проницаемостью, что позволило увеличить индукцию в стали и уменьшить в несколько раз потери и ток холостого хода (ХХ).

Для снижения потерь от вихревых токов листы стали, толщина которых выбирается в пределах 0.35−0.5 мм, изолируются друг от друга жаростойкими покрытиями, или лаковыми плёнками, или тем и другим одновременно. Толщинам электроизоляционных покрытий 4−5 мкм вместо 20−30 мкм в прошлом, когда поверхность пластин оклеивалась бумагой.

Магнитная цепь магнитопровода состоит из вертикальных стержней и перекрывающих их сверху и снизу ярм.

Неактивная часть магнитопровода состоит из деталей и узлов, обеспечивающих в процессе работы трансформатора плотное прилегание листов стали друг к другу и разрушающих активную часть от внешних механических нагрузок.

Для разгрузки активной части от внешних механических нагрузок верхние и нижние ярмовые балки связывают между собой шпильками или пластинами. Благодаря этим шпилькам (пластинам) механические нагрузки, например, при подъёме и транспортировке магнитопровода воспринимаются ярмовыми балками и не воздействуют на активную часть магнитопровода.

При работе трансформатора на механических частях его магнитопровода наводятся электрические заряды. Чтобы избежать разрядов внутри бака, активная сталь и ярмовые балки заземляются при помощи медной ленты, соединяющей крайний пакет активной стали с ярмовой балкой и проходящей далее к заземляющему баку.

Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняются из медного провода прямоугольного сечения, изолированного кабельной бумагой. Они имеют цилиндрическую форму и располагаются на стержнях магнитопровода концентрически (рисунок 5).

Рисунок 5. Концентрическое расположение обмоток на стержне магнитопровода.

Обмотки трансформаторов должны обладать необходимой:

электрической плотностью;

термической плотностью;

механической плотностью.

Это требование вызвано тем, что при прохождении по концентрическим обмоткам токов КЗ они испытывают большие радиальные усилия, стремящиеся растянуть радиально наружную и, наоборот, сжать внутреннюю обмотку (рисунок 6).

Рисунок 6. Растягивающие и сжимающие радиальные усилия, действующие на обмотки при их концентрическом расположении.

Кроме того, в осевом направлении концентрические обмотки также испытывают усилия, сжимающие обмотки по их высоте. В симметричных обмотках усилия малы. Однако при несимметрии (неодинаковой высоте обмотки и неравномерном распределении витков с током по высоте) снижающие усилия могут достичь опасных значений. Для придания обмоткам механической прочности их расклинивают в радиальном направлении деревянными планками, рейками, прокладками. В осевом направлении обмотки прессуют прессующими кольцами. Прессующие кольца изолируются от обмотки.

По характеру намотки провода концентрированные обмотки делят на:

1/ цилиндрические — ее витки плотно прижаты друг к другу (показана на рисунке 7).

Рисунок 7. Винтовая однозаходная обмотка.

• 1 — наружной слой обмотки;
• 2 — охлаждающий масляный канал;
• 3 — выравнивающие бумажно-бакелитовые опорные кольца с торцов обмотки;
• 4 — внутренний слой обмотки;
• 5 — буковая рейка

Она намотана на бумажно-бакелитовом цилиндре. Наружный слой 1 переходит во внутренний слой 4 снизу. Между слоями обмотка имеется масляный канал, образованный при помощи реек 5 и обеспечивающий как дополнительную изоляцию, так и доступ к обмотке охлаждающего масла. По своим конструктивным данным обмотка недостаточно стойка к токам КЗ, поэтому применение ее ограничено трансформаторами небольшой емкости.

2/ винтовые — состоят из ряда витков, которые следуют одни за другими по винтовой линии, как в однозаходном винте (рисунок 8, а).

Рисунок 8. Двухслойная цилиндрическая обмотка с двумя параллельными вводами.

а — виток обмотки из одного провода; б — обмотка из восьми параллельных проводов;

1 — витки обмотки; 2 — сегмент; 3 — торцевое опорное кольцо; 4 — буковая рейка; 5 — бумажно-бакелитовый цилиндр; 6 — вывод проводников обмотки; 7 — изолирующая прокладка Между витками установлены изоляционные (дистанционные) прокладки. Механическую прочность в радиальном направлении придают обмотке деревянные расклинивающие рейки, идущие по всей ее высоте. Наличие масляных каналов между витками обеспечивает высокую электрическую прочность обмотки.

Винтовые обмотки чаще всего изготавливаются из нескольких параллельных проводов в витке (рисунок 8, б).

Параллельные провода обмотки, расположенные концентрически (на разном расстоянии от оси обмотки), имеют разные активные и индуктивные сопротивления. Для равномерного распространения тока между параллельными проводами их сопротивления выравнивают транспозицией, то есть перекладкой проводов, в результате которой каждый провод попеременно занимает различные положения. У винтовой обмотки обычно делают одну общую и две групповые транспозиции.

3/ непрерывные спиральные — составляются из ряда последовательно соединительных дисков (катушек), намотанных по спирали (рисунок 9).

Рисунок 9. Непрерывная спиральная обмотка.

Переход провода из одной катушки в другую выполняется без нарушения его целостности, без паек. Между катушками устанавливаются прокладки из электрокартона. Обмотка обладает высокой электрической и механической прочностью, хорошим охлаждением. Они применяются в трансформаторах напряжением до 220кВ.

4/ переплетенные (петлевые) — применяется в трансформаторах напряжением 500кВ и выше. В процессе ее намотки витки смежных катушек (секций) переплетаются между собой, что обеспечивает необходимый уровень импульсной прочности изоляции и высокую динамическую стойкость обмотки при КЗ.

Отводы от обмоток. Напряжение трансформаторов регулируют переключением регулирующих ответвлений от обмоток. При расположении ответвлений с наружной стороны обмотки их выполняют в виде петель из того же провода, что и витки обмотки. Внутреннее ответвление выполняют из полос ленточной меди, припаиваемых к проводам обмотки.

Ответвления соединяются с переключателями и вводами трансформаторов при помощи отводов, изготовляемых из гибкого медного провода и медных стержней.

Отводы надежно изолируются от бака, ярмовых балок, обмоток и других отводов. При ремонтах не допускается нарушение установленных расстояний отводов от заземленных частей и собственной обмотки.

Отводы надежно изолируются от бака, ярмовых балок, обмоток и других отводов. При ремонтах не допускается нарушение установленных расстояний отводов от заземленных частей и собственной обмотки.

Изоляция является важным элементов конструкция масляных трансформаторов. Различают внутреннюю и внешнюю изоляцию трансформатора. Внутренняя изоляция (изоляция токоведущих частей, находящихся в баке) подразделяется на:

главную изоляцию — изоляцию обмоток от заземленных частей и других обмоток;

продольную изоляцию — изоляцию между витками, слоями и катушками одной и той же обмотки, изоляцию отводов и переключателей.

Продольная изоляция обмоток между витками обеспечивается изоляцией самого обмоточного провода. Усиление этой изоляции производится только на входных витках катушек фазных обмоток.

Междуслойная изоляция выполняется из кабельной бумаги, электрокартона или путем оставления между слоями обмотки масляного канала.

Междукатушечная изоляция выполняется с помощью электрокартонных шайб и радиальных масляных каналов.

К внешней изоляции трансформатора относят наружную изоляцию — вводы и воздушные промежутки, отделяющие вводы друг от друга и от заземленных частей. Вводы служат для подачи напряжения к обмоткам трансформатора. На напряжение 35кВ и ниже применяются съемные вводы (рисунок 10).

Рисунок 10. Съемный ввод на напряжение 35кВ: 1 — фарфоровый изолятор; 2 — токоведущий стержень; 3 — гайка; 4 — втулка; 5 — резиновое кольцо; 6 — колпак; 7 — болт, закрывающий отверстие для выхода воздуха; 8 — резиновая шайба; 9 — уплотнение; 10 — кулачок; 11 — шпилька; 12 — накидной фланец; 13 — крышка бака; 14 — отвод.

Отвод 14 проходит внутри фарфорового изолятора 1, который крепится к крышке бака 13 накидным фланцем 12 с кулачками 10. Внутреннюю полость изолятора заполняет масло из бака. Верхняя торцевая часть изолятора уплотняется резиновым кольцом 5 и шайбой 8. Достоинство съемных вводов состоит в удобстве замены фарфоровых изоляторов при их повреждениях. Для этого достаточно снять колпак 6 и кулачки 10.

На напряжение 110кВ и выше применяются маслонаполненные герметические, негерметические и маслоподпорные вводы. На рисунке 10 показан маслонаполненный ввод герметичный ввод 110кВ. Токоведущая система ввода представляет собой соединительную трубу 3 (при помощи соединительной трубы стягиваются основные части ввода) с контактным зажимом 1 сверху и экранированным узлом снизу. Внутри трубы проходит гибкий отвод от обмотки.

Изоляция ввода состоит из двух фарфоровых покрышек 4 и 9, закрепленных на металлической втулке 7, изоляционного остова 5, намотанного из бумаги, и заполняющего ввод масла. Между слоями бумаги остова проложены уравнительные обкладки из фольги для выравнивания электрического поля внутри ввода и на его поверхности. Две последние обкладки используются в качестве измерительных конденсаторов. К ним подключаются приспособления для измерения напряжения (ПИН). Масло в герметичных вводах не имеет сообщения с окружающей средой. Компенсация температурных изменений объема масла осуществляется компенсатором давления 2, внутри которого размещены сильфоны. Давление во вводе контролируется при помощи манометра, подключаемого к вентилю 8. Негерметичные ввода вводы имеют маслорасширители. Заполняющее вводы масло сообщается с окружающей средой через масляный затвор и осушитель воздуха.

Защита оболочек трансформаторов от атмосферных перенапряжений выполняется различными устройствами емкостной защиты. К таким устройствам относят экраны, емкостные кольца и экранирующие витки.

Экраны (незамкнутые цилиндры из немагнитного металла) укладывают под внутренний слой обмотки ВН и подключают к линейному вводу. Экранами снабжаются трансформаторы напряжением 35кВ и ниже.

Трансформаторы напряжением 110−220кВ имеют устройство емкостной защиты. В схему входят незамкнутое металлическое изолированное кольцо, расположенное с торца обмотки, и несколько незамкнутых экранирующих витков.

Бак масляного трансформатора представляет собой резервуар, внутри которого устанавливается активная часть. Баки трансформаторов малой и средней мощности закрываются сверху крышками. Крышка служит основанием для установки на ней вводов, расширителя, выхлопной трубы, контрольно-сигнальных и других устройств. На стенке бака укрепляют охлаждающие устройства — радиаторы.

В бак помещают активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения.

Конструкция бака с нижним разъемом обеспечивает доступ к активной части трансформатора при снятии колокола, исключая тем, самым подъем самой активной части.

Основные конструктивные узлы трансформаторов показаны на рисунке 12.

Расширитель (рисунок 13) соединяется с баком трансформатора и обеспечивает заполнение его маслом при изменениях объема масла вследствие колебаний температуры. Объем расширителя составляет 9,5−10% объема масла в трансформаторе и системе охлаждения.

Расширитель представляет собой цилиндрический сосуд, служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Сообщение внутреннего объема расширителя с атмосферой осуществляется через трубу 14, заканчивающуюся силикагелевым воздухоосушителем 15 (предназначен для предотвращения резкого снижения изоляционных свойств масла).

Рисунок 11. Маслонаполненный герметичный ввод 110кВ.

1 — контактный зажим; 2 — компенсатор давления; 3 — соединительная труба; 4, 9 — верхняя и нижняя фарфоровые покрышки; 5 — изоляционный остов; 6 — измерительный вывод; 7 — соединительная втулка; 8 — вентиль к манометру; 10 — бумажно-бакелитовый цилиндр; 11 — гетинаксовая шайба; 12 — кольцевая резиновая прокладка; 13 -латунный стакан; 14 — экран Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. При резких колебаниях нагрузки силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяются герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняется инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей. Возможно применение специальной пленки — мембраны на границе масло — воздух. К расширителю приварен отстойник 16, в котором накапливаются вода и осадки, попадающие в масло. Расширитель связан газоотводными трубами с высоко расположенными точками колокола для отвода газов, которые могут там накапливаться.

Рисунок 12. Трансформатор трехфазный трехобмоточный ТДТН — 16 000/110 — 80У1.

1 — бак; 2 — шкаф автоматического управления дутьем; 3 — термосифонный фильтр; 4 — ввод ВН; 5 — ввод НН; 6 — ввод СН; 7 — установка трансформаторов тока 110кВ; 8 — установка трансформаторов тока 35кВ; 9 — ввод 0 ВН; 10 — ввод 0 СН; 11 — расширитель; 12 — маслоуровень стрелочный; 13 — клапан предохранительный; 14 — привод регулятора напряжения; 15 — элетродвигатель системы охлаждения; 16 — радиатор; 17 — каретка с катками.

Рисунок 13. Расширитель и выхлопная труба трансформатора: 1 — расширитель; 2 — опорные пластины; 3 — крепящие уголки; 4 — крышка; 5 — маслопровод; 6 — газовое реле; 7 — плоский кран; 8 — выхлопная труба; 9 — патрубок для присоединения воздухоосушителя; 10 — газоотводные трубы; 11 — пробка; 12 — кольцо для подъема расширителя; 13 — маслоуказатель; 14 — труба для подключения воздухоосушителя; 15 — воздухоосушитель; 16 — отстойник; 17 — пробка или вентиль для спуска и заливки масла.

К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр, заполненный силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит непрерывная регенерация его. В маслопровод, соединяющий расширитель с баком, встраивается газовое реле 6, реагирующее на внутренние повреждения, сопровождающиеся выделением газов, а также на понижение уровня масла. Газовые реле применяются двух типов: поплавковые и чашечные. Для контроля за работой трансформатора предусматриваются контрольно-измерительные и защитные устройства. К контрольным устройствам относятся:

• — маслоуказатель — устанавливается на расширителе;
• — термометр — устанавливается на крышке бака.

К защитным устройствам относятся реле понижения уровня масла и газовое реле.

На мощных трансформаторах 330 — 750кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов (КИВ) и манометры, контролирующие давление масла в герметичных вводах ВН.