Трансформаторы контроля изоляции 6-10кВ

Трансформаторы напряжения (ТН) в электрических сетях 6–10 кВ обеспечивают безопасность измерений, питание средств учета электроэнергии, контроль изоляции оборудования, питание оперативных цепей, цепей сигнализации, автоматики и релейной защиты. Большинство расчетных счетчиков смонтировано на присоединениях 6–10 кВ. Поэтому для обеспечения надежности и точности работы к ТН 6–10 кВ предъявляются повышенные требования. В первую очередь это относится к ТН контроля изоляции (ТНКИ), которые, кроме всех перечисленных функций, должны обеспечивать защиту от повреждений при феррорезонансных процессах. Выполнение всех этих требований ведет к увеличению габаритов ТНКИ и к сложностям компоновки в малогабаритных ячейках КРУ. Надежда на повышение точности учета энергии за счет применения электронных счетчиков и автоматизированных измерительных систем не оправдалась из-за высоких систематических погрешностей. Во многом это относится к ТНКИ, условием работы которых является заземление нейтрали обмотки ВН. Ее разземление устранило бы основную причину их повреждения (протекание значительных токов через обмотки ВН на землю) и уменьшило погрешности.

Задача, требующая решения

  В течение длительного времени разрабатывались устройства защиты , многие из которых были неэффективны. Так, применение ТНКИ НТМИ-6-10, выполненных в соответствии с ГОСТ 1983-2001, ограничено из-за многих недостатков:
  1. Частые повреждения при феррорезонансных явлениях в электрической сети. Включение резисторов в цепь разомкнутого треугольника R=25 Ом или в нулевой вывод обмотки ВН резисторов R<10 кОм не обеспечивает его защиту от повреждения*. Постоянное включение в нулевой вывод ВН как активных, так и индуктивных сопротивлений более 10 кОм обеспечивает его защиту, но в этом случае увеличивается погрешность измерения пропорционально с увеличением значения сопротивления;
  2. При однофазном замыкании на землю в сетях 6-10 кВ обмотка ВН замкнувшейся фазы ТН шунтируется и его схема соединения становится аналогичной схеме открытого треугольника. Известно, что в этом случае при подключенной нагрузке к выводам фаз А и С обмотки НН возникают недопустимые погрешности. Это относится к двум трансформаторам напряжения, включенным по схеме открытого треугольника, и к трансформатору НАМИ-10/6, где также используются два ТН;
  3. Малая номинальная мощность трансформатора позволяет подключить не более четырех присоединений 6–10 кВ, где используются индукционные счетчики.

Таким образом, наиболее актуальной задачей являлось создание ТНКИ, не имеющего всех перечисленных выше недостатков, а самой сложной оказалась проблема защиты ТН от феррорезонансных процессов.  Думаем, что на данный момент наиболее надежным и эффективным оказалось устройство, разработанное в 1985 году и имеющее авторское свидетельство на изобретение N1319158 СССР, МКИ3 НО2Н9/04 (Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью / Ю.А. Степанов, А.П. Кузнецов, М.Н. Игнатьев // Открытия. Изобретения. – 1987, N 23).   В этом устройстве был использован индуктивный элемент, выполненный в виде однофазного трансформатора напряжения нулевой последовательности (ТНП), первичная и вторичная обмотки которого подключаются соответственно между нейтралями первичной и вторичной обмоток трехфазного трансформатора напряжения и землей.

До идеала еще далеко

У трансформаторов серии НАМИ 6-10-35 кВ и НАМИ-10/6-95 (выпускаются с 1995 года на Раменском электротехническом заводе) в качестве индуктивного элемента также используется трансформатор нулевой последовательности, включенный аналогично схеме описанного выше устройства. Отличие состоит в том, что дополнительная вторичная обмотка 3U0 расположена на стержне трансформатора нулевой последовательности. На трех стержнях первого трансформатора помещается компенсационная обмотка, соединенная в замкнутый треугольник без внешних выводов, что противоречит ГОСТ 1983-2001. Эти отклонения от схемы, предложенной в указанном авторском свидетельстве, снижают эффективность ТНКИ, а также определяют увеличение погрешностей как в нормальном режиме, так и в режиме однофазного замыкания.

Известно, что в любом случае, когда у обмотки ВН нейтраль заземлена, могут возникать феррорезонансные процессы. Примером их проявления могут служить ситуации, сложившиеся с трансформаторами НАМИ-6 на Самарской ТЭЦ и НТМИ-6–10 на двух понижающих подстанциях 35/6 и 110/10 кВ Самарской области.

Процессы происходили при симметричном режиме, но без подключенных к шинам линий электропередачи 6-10 кВ. Они сопровождались ложным сигналом о замыкании на землю, сильным нагревом резисторов, подключенных к обмотке 3U0 у трансформаторов НТМИ-6-10 (у трансформатора НАМИ резистор не устанавливается), повышением фазных напряжений у НТМИ-6–10 до 125 В, а 3U0 до 220 В. Значения линейных напряжений 100 В оставались без изменений, ток феррорезонанса в этом случае меньше номинального тока высоковольтной обмотки ТН. После отключения резисторов, реле и аппаратов (включенных на Uф или 3U0) с Uн меньшими, чем напряжения 125 или 220 В, трансформаторы длительное время работали нормально и при повышенных значениях напряжения. При этом не представлялась возможность фазировки с другими секциями.

трансформатор контроля изоляции-схема соединения

Феррорезонанс прекращался после включения одной из линий электропередачи, хотя согласно методу, описанному в авторском свидетельстве, для прекращения феррорезонанса достаточно было бы шунтировать или дешунтировать вторичную обмотку трансформатора нулевой последовательности ТНП.

В 1985–1990 гг. на семи подстанциях 35/10 кВ ОАО «Самараэнерго» с суммарной длиной воздушных линий 10 кВ 40–60 км на секцию, где при однофазных замыканиях повреждались трансформаторы НТМИ-10, были установлены ТНП, включенные по схеме, описанной в авторском свидетельстве. В качестве ТНП применялись трансформаторы напряжения НОМ-6. При этом использовалась автоматическая схема оперативных цепей. После установки антирезонансного устройства феррорезонансные явления практически мгновенно устранялись и повреждения ТНКИ прекратились.

Возвращаясь к уже рассмотренным трансформаторам НАМИ-6-10-35 кВ (см. рис. 1) и НАМИ-10/6-95, надо отметить, что у них ток компенсационной обмотки, соединенной в замкнутый треугольник, оказывает существенное влияние на увеличение его погрешностей во всех случаях появления напряжения небаланса этой обмотки.

Нулевая рабочая точка вторичной обмотки, собранной в звезду, перенесена на точку вторичной обмотки нулевой последовательности – ТНП. Вследствие этого класс точности, согласно заводским данным, при измерении фазных напряжений снижается до класса точности 3.
Отсутствие выводов вторичной обмотки замкнутого треугольника не позволяет оценить ее техническое состояние в процессе эксплуатации, определить сопротивление изоляции, сопротивление обмоток постоянному току, проверить отсутствие витковых коротких замыканий и обрыва цепи обмоток.

  Это является нарушением «Норм испытания электрооборудования». Например, отсутствует возможность обнаружения виткового замыкания в процессе наладки и эксплуатационных проверок, что увеличивает риск возгорания ТН.

Трансформаторы напряжения НАМИ-10/6-95 отличаются от НАМИ-6-10-35 кВ наличием на стороне ВН дополнительной компенсационной обмотки, схема включения которой аналогична схеме соединения обмоток ВН трансформатора напряжения типа НТМК. Чтобы исключить возможности повреждения трансформатора НТМК нейтраль его обмоток ВН согласно ГОСТ 1983-2001 не заземляется, а у НАМИ-10/6-95 заземлена. При нарушении порядка чередования фаз с высокой стороны ТН компенсационные обмотки будут не уменьшать, а увеличивать погрешность. Следует отметить также, что в заводской схеме НАМИ-10/6-95 не отображена схема соединения компенсационной обмотки, соединенной в звезду.

трансформатор трансформатор расчет напряжениятаблица расчета трансформатора

Режимы. Вопросов много

На рис. 2 показана электрическая схема соединений трансформатора контроля изоляции типа НАМИ-10/6. Этот трансформатор является антирезонансным только для обмоток фаз А и С, включенных по схеме открытого треугольника, так как эти высоковольтные обмотки не имеют заземления. Однако известно, что рассматриваемая схема исключает возможность подключения нагрузки к выводам а-с из-за возникновения недопустимых погрешностей. Работа же ТНКИ с незагруженными выводами а-с практически нереальна.

При использовании схемы открытого треугольника невозможен контроль состояния изоляции высоковольтной электрической сети. Для исключения этого недостатка в корпусе трансформатора установлен дополнительный трансформатор, высоковольтная обмотка которого подключена к фазе В, а второй ее вывод заземлен.

Низковольтные обмотки разомкнутого треугольника собраны так, чтобы в нормальном режиме геометрическая сумма вторичных напряжений равнялась нулю. Это достигается тем, что напряжения на обмотках ах и cz равняются соответственно: Uаb/3 и Ucb/3, а на обмотку by подается напряжение Ubo. Причем полярность обмотки треугольника cz изменена. Вследствие этого векторная диаграмма трансформатора напряжения НАМИ-10 примет вид, где сумма напряжений равна нулю: Uаb/3 + Ucb/3 + Ubo= 0.

При замыкании на землю любой из фаз А, В, С из этой формулы исключается одно из слагаемых и на выводах разомкнутого треугольника появится напряжение, равное геометрической сумме векторов оставшихся двух слагаемых фаз.

Возникновение феррорезонансных явлений в нормальном режиме и режиме замыкания на землю фаз А или С – значительный, на наш взгляд, недостаток трансформатора НАМИ-10.

В нормальном режиме при равенстве индуктивного сопротивления обмотки фазы В и суммарного емкостного сопротивления электрической сети возникает феррорезонансный процесс, который из-за малых токов не вызывает повреждений трансформатора напряжения, но предопределяет недопустимое повышение фазных напряжений и напряжения 3U0 разомкнутого треугольника** и появление ложного сигнала о замыкании на землю в электрической сети. При замыкании на землю фазы А или С при равенстве индуктивного сопротивления обмотки фазы В и емкостного сопротивления между фазами АВ или СВ возникает феррорезонанс с возможным повреждением трансформатора.

Кроме того, следует отметить, что векторы фазных напряжений Uао и Uсо получены искусственным путем – сложением двух векторов других фаз, а именно: Uао= Ubo+ Uab и Uсо= Ubo+ Ucb. Вследствие этого Uао и Uсо не будут соответствовать своим истинным параметрам. Погрешности ТНКИ НАМИ-10 в нормальном режиме и при нормальной нагрузке представлены в таблице. Для класса точности 0,5 предел допускаемой погрешности напряжения +0,5%, угловой +20’.

Модель, отвечающая условиям задачи

В точном соответствии с авторским свидетельством на указанное выше изобретение выпускается трехфазный антирезонансный ТНКИ марки НАМИТ-10-2 (производятся с 1997 г. в ОАО «Самарский трансформатор»). На рис. 3 представлена схема соединения НАМИТ-10-2, а на рис. 4 – автоматическая схема оперативных цепей.

Нормальный режим работы ТНКИ осуществляется при замкнутой вторичной обмотке ТНП посредством переключателя SA или при автоматическом режиме контактами реле KL. В этом режиме обмотка высокого напряжения ТНП имеет только активное сопротивление порядка 6 кОм, что обеспечивает снижение указанного выше негативного эффекта работы ТНКИ в режиме открытого треугольника при однофазном замыкании в электрической сети.

При симметричном трехфазном напряжении за счет неидентичности полного сопротивления фаз А, В, С стороны ВН на выводах ад – хд возникает напряжение небаланса Uнб. При размыкании вторичной обмотки ТНП сопротивление его обмотки ВН увеличивается до » 300 кОм и, как следствие, из-за увеличения падения напряжения на ней повышается напряжение смещения нуля Uо обмотки ВН. Это вызовет рост напряжения Uнб на выводах ад – хд.

При возникновении феррорезонанса (XL=XC), автоматически размыкается вторичная обмотка ТНП. При этом сопротивление первичной обмотки увеличивается до 300 кОм, равенство XL=XC нарушается и феррорезонанс срывается.

При однофазном замыкании на землю при шунтировании и дешунтировании обмотки НН ТНП напряжение Uнб на выводах ад – хд равняется соответственно » 100 В и » 70-80 В. При шунтировании обмотки НН ТНП ток в ней достигает значения 7-8 А, что меньше допустимого значения тока этой обмотки. Однако этот ток не оказывает влияния на нагрузку ТНКИ, а следовательно, и на его погрешность. Оптимальным с точки зрения выполнения функциональных возможностей и требований к классу точности среди трансформаторов контроля изоляции в сети 6-10 кВ следует считать ТНКИ марки НАМИТ-10-2, изготовляемый в ОАО «Самарский трансформатор» в соответствии с Патентом N 1319158 на изобретение «Устройство для защиты от резонансных перенапряжений трансформатора напряжения в сети с изолированной нейтралью».

Авторы: Степанов Ю.А., Кузнецов А.П., Игнатьев М.Н. 

 К списку статей

10 факторов, которые надо учитывать при покупке трансформатора.

Наша команда разработчиков и производителей трансформаторов «Элста» хочет предложить в этой статье основные спецификации трансформаторов, которые интересуют заказчика — покупателя, технические характеристики, требования монтажа и условия эксплуатации.

выбор трансформаторов

Здесь приведен список наиболее важных вопросов, касающихся технических характеристик электрического трансформатора.

Сколько фаз требуется?

Перед тем как выбрать трансформатор, вам нужно определится, какой трансформатор вам требуется -однофазный или трехфазный. Это будет определяться параметрами оборудования, которое вы используете и параметрами вашей сети. Например, большинство людей в странах СНГ используют только одну фазу, поскольку это достаточно для большинства небольших устройств и машин, в то время трёхфазные трансформаторы являются более распространенными на промышленных предприятиях, а также используются в производственных циклах малого и среднего бизнеса.

При проектировании трансформатора вы должны знать входное и выходное (вторичное) напряжения. Это определяется параметрами сети, к которой подключен трансформатор и напряжением оборудования, которое вы используете. Например, входное (первичка) и выходное (вторичка) напряжения изменяются в зависимости от входного источника питания и потребляемой мощности. Например, одно и то же оборудование может подключаться как к американской сети на 110-120 В так и европейской 220-230 В, естественно, чтобы оно работало корректно необходим трансформатор, либо повышающий 110-220 В либо понижающий 220-110 В. Частота трансформатора, как правило, определяется частотой сети. Иногда входящая частота отличается от выходной. Обычно это делается с помощью преобразователя частоты на выходе трансформатора.

Например, большинство трансформаторов работает на частоте 50 Гц, однако, если оборудование импортируется из США частота будет 60 Гц. Здесь вам потребуется специально рассчитанный и изготовленный трансформатор.

Мощность трансформатора

Немаловажный фактор при выборе — трансформатора- это величина и характер нагрузки. Мощность трансформатора приблизительно определяется произведением напряжения и тока по первичной обмотке. Почему приблизительно? Нагрузка может быть активной (нагреватель, например), активно-реактивной ,как большинство потребителей-электродвигатели,и т.д. необходимо учитывать реактивную мощность, в этом случае суммарная мощность трансформатора будет больше. Для корректного расчёта трансформатора можете обратиться к специалистам. Немаловажный фактор –диаграмма включений –выключений. Если трансформатор большую часть времени выключен или работает в режиме холостого хода, а номинальная нагрузка кратковременная, трансформатор может быть рассчитан на меньшую мощность и наоборот если при постоянной номинальной нагрузке трансформатор все время находиться в переходных режимах включения-выключения (при которых токи возрастают в 3-5 раз) необходимо заложить запас по мощности.

Назначение трансформатора

Необходимо также при заказе трансформатора учитывать, где он будет работать, это определяет класс изоляции, конструктив в герметичном корпусе или под открытым небом, под водой или в сухом помещении. Немаловажен так называемый K — фактор – вредные гармоники, которые трансформатор будет отсекать и передавать в сеть чистую синусоиду либо автотрансформатор, который будет передавать все помехи во вторичную цепь.

В какой среде будет эксплуатироваться трансформатор?

Важно понимать где трансформатор будет использоваться внутри или снаружи помещения, в химически агрессивной или нейтральной среде, высоко в горах или на уровне моря, на транспорте или стационарно, вблизи морской воды или нет. Значительную роль играет также температура окружающей среды. Если условия охлаждения трансформатора не выполняются, и он все время работает в режиме перегрева, необходимо либо понижать мощность нагрузки, либо рассчитывать более мощный трансформатор, либо включать параллельно в нагрузку еще один трансформатор чтобы разгрузить основной. Если трансформатор используется в химически активной или влажной среде одним из недорогих способов убрать воздействие вредных составляющих среды –поместить трансформатор в герметичный корпус, но здесь важно выполнить все температурные требования, чтобы не допустить его перегрев и преждевременный выход из строя.

Каким требованиям по габаритам должен удовлетворять трансформатор?

Необходимо учитывать, что в зависимости от конструкции каждый трансформатор обладает, так называемой, «габаритной мощностью». Оптимальной конструкцией на сегодняшний день обладает тороидальный трансформатор — в плане крепления и охлаждения равных ему нет. Бывают ситуации, когда по каким-то причинам невозможно выполнить и поместить трансформатор с необходимыми параметрами в конкретное место. В этом случае необходимо изготовить несколько трансформаторов и сделать так называемую «трансформаторную сборку». Основная проблема в этом случае — абсолютная точность изготовления. Трансформаторы должны быть абсолютно идентичными.

Какое соединение обмоток необходимо?

В случае использования трехфазного трансформатора необходимо знать, как соединять обмотки трансформаторов (фаз): в звезду или треугольник. Также первичная и вторичная обмотки могут соединяться по-разному, в зависимости от того нужна нейтраль или нет.

От правильного выбора трансформатора зависит его продолжительная эксплуатация и надежность, а также надежность работы подключенного оборудования. Наша компания готова помочь вам в расчете и изготовлении необходимого трансформатора в кратчайшие сроки (в нашем случае максимум до 10 дней).

Заказать и рассчитать трансформатор

К списку статей

                                                                                                          

 

Испытание трансформаторов на нагрев (часть 1)

Задача испытания

Испытание на нагрев является типовым, производится над первым трансформатором вновь разработанного типа и повторяется не реже 1 раза в 2 года или в другие сроки, оговоренные техническими условиями.Типовые испытания повторяются также, полностью или частично, в случае внесения изменений в конструкцию или технологический процесс изготовления трансформаторов,а также при замене применяемых материалов, если указанная замена может отразиться на характеристикахтрансформатора.Нагрев трансформатора в основном определяется его потерями и условиями охлаждения.Мощность, (потребляемая трансформатором, при номинальной нагрузке Рн всегда «больше отдаваемой мощности Р на величину потерь холостого хода Р0 и короткого замыкания Рк
Р = Рн- (Р0 + Рк).
Мощность, теряемая в трансформаторе в процессе преобразования электрической энергии, выделяется в виде тепла в обмотках, магнитопроводе и в других частях конструкции. Выделяемое тепло приводит к нагреву обмоток, матннтопровода, отдельных узлов конструкции и масла(у трансформаторов с масляным заполнением). Из изоляционных материалов, применяемых в трансформаторе, наименее теплостойкими являются масло (у масляных трансформаторов) и бумажная изоляция. Бумажная изоляция при температуре более 105° С — быстро стареет и приводит к преждевременному выходу трансформатора из строя.Из этого может быть сделан вывод, что мощность трансформатора ограничивается главным образом нагревом его обмоток, которые непосредственно соприкасаются с бумажной изоляцией и маслом.Испытанием на нагрев определяется соответствие данного типа трансформатора его номинальной мощности.
Нагрев трансформатора зависит не только от величиныпотерь, но и от интенсивности отвода тепла, которое передается от нагретых частей к наружным поверхностям,отводящим тепло.
Так частицы масла, соприкасающиеся с нагретым магнитопроводом и обмотками, поднимаются и отдают свое тепло крышке и стенкам бака, которые, в свою очередь, отдают тепло а окружающую среду. Наиболее нагретое масло (по высоте бака) находится не в самых верхних его слоях, а несколько ниже. Это объясняется тем, что в местах непосредственного соприкосновения масла с крышкой отдача тепла маслом происходит более интенсивно. Температура масла в горизонтальном направлении также не является одинаковой. Слои масла
в местах соприкосновения его с основными источникамитепла — магнитопроводом и обмотками имеют более высокую температуру, а помере отдаления от них иприближения к стенкам
бака температура масла постепенно снижается. В сухих трансформаторах Трансформатор сухой силовой 45кВАотвод тепла производится воздухом. Эффективность отвода тепла зависит от величины охлаждающих поверхностей трансформатора, т. е. размера поверхности обмоток и магнитопровода, соприкасающихся с охлаждающим маслом(или воздухом), и от площади поверхности бака соприкасающейся с охлаждающим воздухом. С этой целью в зависимости выполняются с каналами,которые увеличивают поверхность обмотки, соприкасающейся с маслом. В трансформаторах мощностью более 1000 кВА охлаждающие каналы выполняются и в магнитопроводах.Охлаждающая поверхность бака увеличивается путем сварки стальных труб или путем присоединения к баку радиаторов, по которым циркулирует масло. Трансформаторы небольшой мощности выполняются с гладкими баками. Конечная цель испытания на нагрев — это определение соответствия температур масла (у масляных трансформаторов), обмоток и магнитопровода при длительной нагрузке трансформатора номинальной мощностью требованиям стандартов и техническим условиям. Температура обмоток, масла и магнитопровода складывается из температуры охлаждающей среды, за которую принимается температура окружающего воздуха Tокр, и повышения температуры частей трансформатора T (обмотки, масла, магнитопровода) над температурой окружающей среды t=T+Tокр. Все трансформаторы должны быть пригодны для работы в условиях температуры окружающей среды до +50° С, а превышение температуры над окружающим воздухом не должно превышать следующих значений:
  • обмотки……70° С— средняя температура
  • магнитопровод . . . 75° С — на поверхности
  • масла…….60° С — в верхних слоях
В настоящее время в сухих трансформаторах начинают применять изоляционные материалы, более теплостойкие,чем бумага из неорганических электроизоляционных материалов с использованием для их связывания кремний-органических лаков и смол. К этим материалам относятся стекловолокно, фарфор, слюда, асбест и др. Они обладают большей нагревостойкостью, чем электроизоляционные материалы из органических материалов (бумага, картон), и могут применяться при температуре, превышающей 180° С. В трансформаторах с масляным заполнением применение нагревостойких изоляционных материалов нецелесообразно, так как само масло ограничивает возможность их использования по допустимому для него нагреву.
При использовании изолирующих материалов с повышенной натревостойкостью допустимые превышения температур обмоток и магнитопровода должны указываться в специальных технических условиях. В связи с тем, что нагрев трансформатора определяется величиной потерь, за номинальный режим при испытании на нагрев принимают условия, при которых длительно поддерживаются потери холостого хода и потери короткого замыкания, приведенные к температуре 75° С.

Заказать сухой трансформатор

К списку статей

Явления при включении или выключении трансформатора

Явления, имеющие место в трансформаторе при его включении или привыключении, представляют собою явления неустановившегося состояния, продолжающиеся всего лишь доли секунды. Несмотря на незначительную длительность этих явлений, изучение их крайне необходимо, так как последствия их, если не принять определенных противомер, могут вывести из строя трансформатор или приборы, включенные в его цепь. Не задаваясь целью детально изложить теорию упомянутых выше явлений,мы ограничимся в дальнейшем лишь главнейшими моментами этой теории.

Явления при включении трансформатора.

Трансформатор, включаемый в цепь при разомкнутой вторичной цепи во всем подобен обычной реактивной катушке с железом.Предположим предварительно, что реактивная катушка не имеет железного сердечника,а активное сопротивление ее обмотки ничтожно мало и им можно пренебречь. При установившемся режиме магнитный поток реактивной катушки меняется согласно основному закону электромагнитной индукции: v=w*dФ/dt*10-8 ,где где v — мгновенное значение приложенного напряжения, w — число витков катушки, dФ —изменение за время dt пронизывающего катушку магнитного потока. Полное изменение магнитного потока за какой-либо промежуток времени t, отсчитываемого от нулевого значения потока, выразится включение трансформаторасуммою изменений за тот же промежуток времени и будет равно
Фt =0 /tdФ=0 /tvdt/w×10-8
Поток Фt, представляет собою поток, который пронизывает катушку в момент времени t. Он является интегральной функцией приложенного напряжения. Следовательно, если напряжение меняется по синусоидальной кривой, то и магнитный поток будет меняться также по синусоидальной кривой со сдвигом по фазе на 1/4 периода. При неустановившемся режиме включения магнитный поток реактивной катушки меняется согласно тому же основному закону электромагнитной индукции, но форма кривых изменения его во времени зависит от момента включения катушки на первичную сеть.Предположим, что первичное напряжение меняется по синусоидальной кривой V1 и катушка включена в момент прохождения напряжения через наибольшее значение (рис.1а).

В первый момент включения магнитный поток равен нулю.Но он тотчас же начнет нарастать по кривой,которая является интегральной кривой напряжения V1, на рисунке 1а по кривой Фy. Начиная с нулевого значения, поток будет нарастать до тех пор, пока напряжение имеет положительное значение, т.е до момента нулевого значения напряжения.В этот момент магнитный поток достигнет наибольшего значения и начнет уже убывать. Совершенно ясно что изменение магнитного потока будет в рассматриваемом случае происходить по той же синусоидальной кривой, что и при установившемся режиме с отставанием от напряжения на 1/4 периода. Так как предполагается, что железа в реактивной катушке нет, то намагничивающий ток в своем изменении будет совпадать по фазе с магнитным потоком, т.е. будет меняться по синусоидальной кривой, совпадающей с кривой потока, на рис. 1а по кривой iy. В виду того, что нарастание магнитного потока при рассматриваемом включении такое же, что и при установившемся режиме, ток включения будет равен установившемуся току. Предположим теперь, что катушка включается в момент прохождения напряжения через нуль (рис. 1б). Начиная с этого момента, магнитный поток катушки будет нарастать до тех пор, пока приложенное напряжение не сделается равным нулю, т. е. в течение полупериода. Увеличение потока прекратится в момент прохождения напряжения через нуль.В течение следующего полупериода поток будет убывать,пока напряжение не изменит своего направления.
Изменение магнитного потока в этом случае изобразится на рис. 1б кривой Ф, а изменение намагничивающего тока кривой i. Так как кривая магнитного потока Ф в период его нарастания является интегральной кривой за полупериод,а не за 1/4 периода,как в первом включении,то ясно ,что наибольшее значение ординаты кривой Ф,а следовательно и кривой i, вдвое больше соответствующих значений ординат кривых Фy и iy. Это значит ,что ток включения реактивной катушки без железа в момент прохождения напряжения через нуль вдвое больше тока включения той же катушки в момент прохождения напряжения через наибольшее значение. Если бы активное сопротивление катушки было действительно равно нулю, то магнитный поток и, следовательно, ток пульсироваливключение трансформаторва в сеть бы неопределенно долгое время, не меняя своих знаков, т. е. ток в цепи катушки был бы пульсирующим постоянного направления. Намагничивающий ток i (так же, как и магнитный поток Ф) в рассматриваемом случае включения мы можем представить себе как бы сложенным из тока iy установившегося режима и постоянного тока iп, равного наибольшему значению установившегося тока Iy (рис.2), т. е. при включении катушки на намагничивающий ток установившегося режима iy как бы накладывается постоянный ток iп. Наше предположение,что активное сопротивление (рис.2). катушки равно нулю, не совпадает с действительностью. Наличие активного сопротивления быстро снижает постоянный ток Iп до нуля, вследствие чего ток включения постепенно переходит в ток установившегося состояния. В том случае, когда катушка включается в промежуточный момент между наибольшим и нулевым значениями напряжения, кривая тока включения по виду своему занимает среднее положение между кривыми тока рассмотренных случаев включения.Кривая тока включения трансформатора На рис.3 изображена кривая тока включения i в предположении, что включение произошло спустя период времени t после прохождения напряжения V1 через нуль, и что активное сопротивление катушки не равно нулю. Легко видеть, что ток включения в этом случае уже не является пульсирующим, постоянным по направлению, но он и не переменный симметричный ток установившегося режима. Этот ток мы можем рассматривать как результат сложения двух токов: тока установившегося режима, меняющегося по кривой iy, и тока постоянного по направлению, убывающего по кривой in. Суммы ординат кривых iy и in дают ординаты кривой i. Величины токов iy и iп, а также время, в течение которого постоянный ток исчезает и ток включения переходит в установившийся ток, зависит от величины активного сопротивления катушки R и коэффициента самоиндукции L.

Действительный трансформатор, включаемый на первичную сеть вхолостую, отличается от рассмотренной реактивной катушки тем,что он обладает весьма большим коэффициентом самоиндукции и имеет железный сердечник. Наличие же железа в значительной мере увеличивает ток включения. В самом деле, пусть включение произошло в момент прохождения напряжения через нуль. Магнитный поток должен увеличиться в этом случае до двойного своего значения установившегося режима. Следовательно, должна удвоиться индукция в железе, что приведет к сильному насыщению его и большому магнитному сопротивлению. Последнее обстоятельство имеет следствием чрезмерное возрастание намагничивающего тока включения.Осцилограмма токов включения трансформатора
У современных трансформаторов, в особенности с искусственным охлаждением, магнитная цепь берется с большим насыщением,и потому броски тока при включении должны быть большими. Осциллограммы токов включения современных трансформаторов показывают, что броски тока превосходят амплитуду нормального намагничивающего тока раз в 100—120. Так как нормальный намагничивающий ток составляет 5—10% нормального тока нагрузки, то броски тока при включении могут превосходить нормальный ток нагрузки в 8—12 раз. Такие токи опасны для приборов, включенных в цепь трансформатора, и нежелательны для сети,к которой подключается трансформатор. Нежелательны они и для самого трансформатора из-за тех механических усилий, которые получаются между катушками обмотки. В силу кратковременности эти токи не опасны в тепловом отношении. Чтобы проиллюстрировать сказанное о включении трансформатора, на рис.4 приведены осциллограммы токов включения одного трансформатора, причем первая осциллограмма отвечает случаю включения при переходе напряжения через наибольшее значение, т.е. через амплитуду его, а вторая осциллограмма —случаю включения при переходе через нуль. С целью ослабить ток включения применяют рубильники с так называемыми предварительными контактами, с помощью которых в первый момент в цепь трансформатора вводится большое сопротивление, замыкаемое накоротко при дальнейшем движении ножа рубильника. Кроме явления неустановившегося тока, при включении трансформатора имеют место явления неустановившегося напряжения, которые часто ведут к чрезмерному повышению напряжения между соседними витками обмотки и между зажимами трансформатора. Причина этих явлений лежит в свободных колебаниях, возникающих в цепи, состоящей или из емкости линии и самоиндукции самого трансформатора, когда последний включается с подключенной к линии вторичною обмоткою, или из емкости самого трансформатора и его же самоиндукции, когда включается одна обмотка высшего напряжения, имеющая довольно большую емкость. Математическим анализом свободных колебаний нетрудно показать, что эти колебания можно рассматривать как равнодействующие бегущих волн с крутым фронтом, перемещающихся по цепи в противоположные стороны с весьма большой скоростью, причем взаимный сдвиг их и высота фронта зависят от того, в какой момент изменения напряжения включается трансформатор. Бегущая волна,перемещаясь по обмотке трансформатора, дает между витком, над которым в данный момент расположился фронт волны, и следующим за ним витком напряжение, значительно превосходящее то напряжение, которое имеется между витками при установившемся состоянии. Если включение трансформатора происходит в момент перехода напряжения сети через наибольшее значение (амплитуду), то высота фронта волны, а следовательно, и напряжение между соседними витками может достигнуть величины амплитуды напряжения сети, т. е. в десятки раз превосходить нормальное напряжение между витками, равное V/w, где w— число витков обмотки.

Для трансформаторов низкого напряжения, у которых запас диэлектрической прочности изоляции велик в сравнении с обслуживаемым напряжением, такое перенапряжение между витками неопасно.Оно опасно для трансформаторов высокого напряжения, у которых изоляция работает ближе к пробивному напряжению. Средством борьбы с пробоями от местных перенапряжений является усиление изоляции первых витков обмотки и включение перед обмоткою реактивной катушки. Кроме местного перенапряжения, бегущие волны при благоприятных к тому условиях включения могут дать перенапряжение и на зажимах обмотки, достигающее двойной величины нормального напряжения.

Явления при выключении трансформатора

Явления при выключении трансформатора во многом зависят от условий разрыва цепи, а именно: от состояния и рода контактов включателя, от скорости разрыва цепи, от среды, в которой происходит разрыв цепи, и т. д. Время исчезновения тока в цепи зависит не только от скорости расхождения контактов выключателя, но и от скорости, с которой гаснет вольтовая дуга, образующаяся между расходящимися контактами. У плохо сконструированных выключателей после фактического разрыва цепи ток в ней поддерживается еще несколько периодов через вольтовую дугу. Наличие же вольтовой дуги, вызывающей свободные колебания, может привести к значительному перенапряжению у трансформаторов высокого напряжения, емкость обмоток которых довольно велика. Однако и в том случае, когда выключение не сопровождается заметной вольтовой дугой, например у масляных выключателей, может получиться у обмотки большое перенапряжение, на этот раз вследствие быстрого убывания тока, т. е. вследствие значительно превосходящей нормальную величину отношения di/dt; быстро убывающее поле индуктирует в этом случае большое напряжение в обмотке трансформатора.
Опасные перенапряжения возникают в трансформаторе и тогда когда он, будучи присоединен к одному лишь генератору (а не к шинам станции), сразу будет выключен при полной нагрузке со стороны высокого напряжения, т. е. со стороны вторичной цепи. Дело в том, что современные трансформаторы и при нормальном для них напряжении работают с довольно сильным насыщением если же это напряжение значительно повысится, как это имеет место в данном случае при сбрасывании нагрузки с генератора ,в особенности турбогенератора с его почти прямолинейной кривой намагничивания, то насыщенность магнитной цепи трансформатора возрастет в весьма большой степени, а это поведет к сильному искажению кривой намагничивающего тока, т.е. к появлению в ней высших гармоник.Эти гармоники вызовут в цепи генератора и трансформатора колебания всевозможных частот, вплоть до наивысших, которые в значительной степени могут повысить амплитуду напряжения, т. е. вызвать перенапряжение на зажимах обмоток трансформатора.Резонанс в цепи с трансформатором Кроме того вследствие высокой частоты могут возникнуть в обмотке местные колебания, влекущие за собою порчу изоляции между витками. Перенапряжение у обмотки трансформатора появляется также при выключении длинной линии или кабеля без нагрузки. Оно является следствием вторичного включения линии, происходящего через повторно появляющуюся вольтовую дугу между разошедшимися уже контактами выключателя. Это вторичное зажигание дуги объясняется следующим образом. При выключении линии в момент прохождения тока через ноль — а в этот именно момент и выключают обычно масляные выключатели, — напряжение как раз проходит через амплитуду его (ибо нагрузка длинной линии -почти емкостная); это напряжение и останется на отключенных концах линии в качестве зарядного напряжения. Напряжение же обмотки трансформатора будет продолжать меняться по синусоиде. Через пол периода между контактами выключателя со стороны трансформатора и контактами выключателя со стороны линии будет действовать двойное нормальное напряжение, которое может вызвать вольтову дугу и как бы вторичное включение линии, но уже при двойном напряжении. Это включение линии даст бегущие в противоположные стороны волны с фронтом двойной, по сравнению с нормальным включением, высоты, а следовательно, и опасные перенапряжения как для линии, так и для трансформатора. При плохом устройстве контактов или при медленном выключении повторное загорание дуги может иметь место несколько раз. Несовершенство выключателя, а именно не одновременное включение всех фаз, порча одного из контактов или обрыв одной или двух фаз линии — также могут дать перенапряжение у трансформатора, находящегося на конце линии. В самом деле, если одна линия будет разомкнута, то из самоиндукции трансформатора, емкости этой разомкнутой линии и последовательно с нею соединенной емкости остальной части линии (рис.5) образуется цепь, в которой могут возникнуть свободные колебания той же частоты, что и частота питающего тока. Результатом этого в цепи появится резонанс напряжений, а следовательно, и перенапряжение обмотки трансформатора, доходящее до большой величины.

Нюансы проектирования импульсных трансформаторов на тороидальном сердечнике

Тороидальные магнитные системы компонуются из тороидальных (кольцевых) магнитопроводов, число которых может быть от одного до нескольких десятков. Каждый магнитопровод изготовляется посредством навивки ленты на кольцевую оправку (см. рис. 1 ), т.е. технология в принципе такая же, как у витых стержневых. Для навивки используется лента из трансформаторной стали марок 3421-3425 или из пермаллоя. Изготовленные из трансформаторной стали магнитопроводы благодаря спеканию изолирующего покрытия ленты имеют достаточно высокую механическую прочность и допускают компоновку  импульсного трансформатора  без специальных защитных деталей. Возникающие при креплении магнитопроводов механические напряжения не оказывают существенного влияния на магнитные свойства магнитной системы. При сборке предпочтение отдается вертикальной установке магнитопроводов, так как при этом обеспечивается лучшая конвекция масла у торцевых частей магнитопроводов и, следовательно, облегчается теплоотвод. Горизонтальная установка применяется в тех случаях, когда для увеличения площади сечения магнитная система набирается из большого числа магнитопроводов. В этом случае велика неравномерность поперечного сечения: b > а. При вертикальной установке магнитопроводов «длинная сторона» витков оказывается горизонтальной, что приводит к их провисанию. При горизонтальной установке,наоборот, «длинная сторона» витков вертикальна и провисание исключено. В отличие от магнитопроводов из трансформаторной стали магнитопроводы из пермаллоя легко деформируются и их магнитные свойства  существенно изменяются при различных механических воздействиях.

   По этим причинам магнитопроводы из пермаллоя обычно помещают в защитные обечайки из немагнитного металла или механически прочного диэлектрика (см. рис.2 ). Металлические обечайки могут быть из 
Импульсный трансформатор на торе

меди, алюминия, нержавеющей стали. Достоинство обечаек из меди и алюминия состоит в их высокой теплопроводности, что облегчает охлаждение магнитной системы. Однако недостаточная механическая прочность обечаек из этих металлов затрудняет изготовление и компоновку крупногабаритных конструкций. Поэтому в последних целесообразно применение обечаек из нержавеющей стали, механически более прочных. Недостаток таких обечаек — значительно меньшая теплопроводность. Обечайки из изоляционных материалов — стеклоэпоксида, органического стекла,пластмасс — имеют низкую теплопроводность и поэтому применяются для защиты магнитопроводов небольшого размера, обычно диаметром менее 250 мм. Пространство между обечайкой и магнитопроводом обычно заполняется эластичным амортизирующим компаундом, например силиконовой смазкой ЦИАТИМ-201 или ей подобными. Относительная конструктивная сложность и высокая стоимость пермаллоевых магнитопроводов делает их применение целесообразным только при весьма коротких импульсах, когда необходимо уменьшить потери на вихревые токи посредством уменьшения толщины ленты магнитного материала. Ранее отмечалось, что пермаллой не обладает преимуществами перед трансформаторной сталью ни в отношении приращения индукции, ни в отношении удельного электрического сопротивления. Поэтому с учетом значительной конструктивной сложности магнитопровода из пермаллоя их применение оправданно только тогда, когда толщина ленты должна быть менее 0,05 мм, т. е. когда магнитопровод  не может быть сделан из электротехнической стали. По этой причине магнитопровод трансформаторов, предназначенных для работы при малой длительности и высокой частоте повторения импульсов, приходится изготовлять из пермаллоя.Однако и тонкие ленты пермаллоя не всегда помогают избежать больших потерь, и тепловой режим работы магнитной системы оказывается чрезмерно напряженным. В таких случаях приходится применять водяное охлаждение магнитопровода. С этой целью обечайки, предпочтительно медные или алюминиевые, изготовляются с водяными рубашками. Главная технологическая трудность изготовления магнитопроводов из пермаллоя состоит в необходимости их отжига в специальных печах — в атмосфере водорода, инертных газов или в вакууме. Обычно это печи небольшого размера и пригодны для отжига магнитопроводов сравнительно малого, не болеее 600 мм,диаметра. По этой причине приходится применять  магнитопроводы из большого числа магнитопроводов малого диаметра, что приводит, с одной стороны, к большой неравносторонности сечения магнитопровода, с другой — к существенному ограничению мощности и энергии импульсного трансформатора, рассчитанного на импульсы малой длительности. В то же время магнитопроводы из трансформаторной стали могут изготовляться диаметром до нескольких метров, так как стали 3421-3425 поставляются в отожженном состоянии и после изготовления магнитопровода необходимо производить не отжиг, а только  спекание ленты. Таким образом, диаметр магнитопровода из трансформаторной стали ограничен лишь возможностями технологического оборудования для намотки ленты и трудностями транспортировки крупногабаритных импульсных трансформаторов с тороидальными магнитопроводами. Наиболее важным ограничивающим фактором является железнодорожный габарит, составляющий 2,77 м.

Возможные варианты компоновки магнитопроводов в тороидальные магнитные системы

Компоновка магнитных систем с вертикальной установкой вертикальная установка тороидального трансформаторавитых магнитопроводов приведена на рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод; 2 — щека из механически прочного изоляционного материала, например стеклоэпоксида (щеки могут быть также и металлическими, например литыми из чугунаi); 3 — фундаментная плита, служащая конструктивной основой трансформатора; 4 — бандаж из стеклоленты. Магнитопроводы фиксируются в выточке на внутренней стороне щек. Внешняя сторона щек имеет наклон по отношению к внутренней. Это позволяет относительно просто реализовать в импульсном трансформаторе конические обмотки. При цилиндрических обмотках внешняя и внутренняя стороны щек выполняются параллельными. Таким или подобным способом удается компоновать магнитопроводы из магнитопроводов диаметром до 1,5 м. Компоновка магнитопроводов с вертикальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рисунке, где 1 — магнитопровод, помещенный в обечайки — 2; 3 — приваренный к обечайкам угольник для крепления магнитопровода к фундаментной плите 4. На обечайки с магнитопроводами в нескольких местах также накладываются бандажи. Такие или подобные им компоновки магнитных систем целесообразны в высоковольтных импортных трансформаторах, так как позволяют наиболее простым способом реализовать вторичную обмотку с вводом посредине. Существенный недостаток обеих вертикальных компоновок -низкая механическая прочность конструкции, вследствие чего при больших диаметрах магнитных систем собранный импульсный трансформатор оказывается не транспортабельным. По этой причине импульсные трансформаторы  таких конструкций приходится собирать на месте их постоянной установки.
Компоновка магнитных систем с горизонтальной установкой витых магнитопроводовгоризонтальная установка тороидального трансформатора приведена на рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод, 2 — амортизирующая прокладка; 3 — прижимной фланец. Фланцы снабжены выступами, через которые магнитная система стягивается шпильками Обмотки размещаются в секторах между выступами. Для повышения жесткости магнитопровода фланцы в районе выступов могут быть усилены ребрами жесткости. Компоновка магнитных систем с горизонтальной установкой магнитопроводов в обечайке приведена на рисунке где 1 — магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — обечайка; 4 — приваренное к обечайке ребро,посредством которого магнитная система крепится к крышке бака 5. Обращает на себя внимание, что при горизонтальной компоновке периферийная часть магнитной системы разделена выступами или ребрами. Вследствие этого обмотки импульсного трансформатора приходится секционировать, причем число секций равно числу секторов между выступами или ребрами. Если применяются обмотки с вводом посредине, то число секций удваивается. Это приводит к уменьшению длины каждой секции и, следовательно, затрудняет получение высокой продольной электрической прочности обмоток импульсного трансформатора. Более целесообразна конструкция магнитной системы с тремя секторами вместо показанных на рисунках четырех, так как при этом увеличивается длина каждой секции. Если магнитопровод большого диаметра, то отмеченные обстоятельства не имеют особого значения, но при малых диаметрах проектирование трансформатора на высокие напряжения с такой компоновкой затруднительно. В этом отношении очевидно преимущество вертикальной установки, когда магнитопровод имеет только один сектор, что позволяет увеличить длину секции и тем самым повысить продольную электрическую прочность.
Существенный недостаток горизонтальной установки состоит также в практической невозможности устройства охлаждающих масляных каналов, что затрудняет теплоотвод от магнитопровода. Компоновка магнитной системы с вертикальной установкой магнитопроводов в обечайке магнитопровод в обечайке ,установленный вертикальноприведена на рисунке, где 1 — магнитопровод, помещенный в обечайке — 2; 3 — приваренный к обечайкам угольник для крепления магнитопровода к фундаментальной плите 4. На обечайки с магнитопроводами в нескольких местах также накладываются бандажи. Такие или подобные им компоновки магнитных систем целесообразны в высоковольтных импульсных трансформаторах, так как позволяют наиболее простым способом реализовать вторичную обмотку с вводом посредине. Существенный недостаток обеих вертикальных компоновок — низкая механическая прочность конструкции, вследствие чего при больших диаметрах сердечника, собранный трансформатор оказывается не транспортабельным. По этой причине трансформаторы таких конструкций приходится собирать на месте их постоянной установки. Компоновка магнитопровода с горизонтальной установкой витых магнитопроводов приведена на следующем рисунке, где 1 — тороидальный магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — прижимной фланец. Фланцы снабжены выступами, через которые магнитопровод стягивается шпильками. Обмотки размещаются в секторах между выступами. Для повышения жесткости магнитной системы  фланцы в районе выступов могут быть усилены ребрами жесткости.
Компоновка магнитной системы с горизонтальной установкой магнитопроводов в обечайке горизонтальная установка тороидального трансформатора в обечайкеприведена на рисунке, где 1 — магнитопровод; 2 — амортизирующая прокладка; 3 — обечайка; 4 — приваренное к обечайке ребро, посредством которого магнитопровод крепится к крышке бака 5. Обращает на себя внимание, что при горизонтальной компоновке периферийная часть разделена выступами или ребрами. Вследствие этого обмотки импульсного трансформатора приходится секционировать, причем число секций равно числу секторов между выступами или ребрами. Если применяются обмотки с вводом посредине, то число секций удваивается. Это приводит к уменьшению длины каждой секции и, следовательно, затрудняет получение высокой продольной электрической прочности обмоток трансформатора. Более целесообразна конструкция магнитопровода с тремя секторами вместо показанных на рисунках четырех, так как при этом увеличивается длина каждой секции. Если магнитопроводы большого диаметра, то отмеченные обстоятельства не имеют особого значения, но при малых диаметрах сердечников проектирование импульсных трансформаторов на высокие напряжения с такой компоновкой затруднительно. В этом отношении очевидно преимущество вертикальной установки, когда магнитная система имеет только один сектор, что позволяет увеличить длину секции и тем самым повысить продольную электрическую прочность.
Существенный недостаток горизонтальной установки состоит также в практической невозможности устройства охлаждающих масляных каналов, что затрудняет теплоотвод от магнитной системы

К списку статей.

 

Конструкции обмоток трансформатора

Основные типы обмоток

  Проводник, который однократно охватывает стержень магнитопровода и в котором наводится ЭДС под воздействием магнитного поля трансформатора, называют витком. Виток является основным элементом обмотки и состоит из одного или нескольких параллельных проводов. Совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в отдельных витках, называют обмоткой трансформатора. Обмотка состоит из проводников и изоляционных деталей, защищающих витки от электрического пробоя, препятствующих их смещению под действием электромагнитных сил и создающих каналы для охлаждения.
  Обмотки трансформаторов различаются взаимным расположением на стержне, направлением и способом намотки, числом витков, классом напряжения, схемой соединения концов обмоток между собой.

концентрическая обмотка трансформатора

 Начала и концы обмоток НН (низкого напряжения) трехфазных трансформаторов обозначают буквами а, в, с (начала) и  х. у, z (концы), обмоток ВН (высокого напряжения) — соответственно А, В, С и X, Y, Z. По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. 

чередующиеся обмотки трансформатора

Концентрические обмотки изготовляются в виде цилиндров, расположенных концентрически (одна в другой) на стержне магнитопровода (рис 1). Чередующиеся обмотки высокого и низкого напряжений трансформатора чередуются в осевом направлении на стержне магнитопровода (рис.2). Чередующаяся обмотка обычно подразделяется на симметричные группы, каждая из которых состоит из одной или нескольких частей обмотки ВН и расположенных по обе стороны от них частей обмотки НН. Из отдельных групп при больших токах могут быть легко образованы параллельные цепи. Чередующиеся обмотки применяют только в специальных  трансформаторах (например, электропечных, испытательных). Наиболее распространены концентрические обмотки. Обычно первой на стержне располагают обмотку НН, но возможны и другие варианты, когда первой размещают обмотку среднего напряжения, регулировочную или даже высокого напряжения.
   По конструкции и способу намотки различают обмотки цилиндрические (одно- или многослойные), катушечные и винтовые. Существуют также одно- или двухвитковые листовые и шинные обмотки, используемые в специальных трансформаторах с большими вторичными токами.Общие требования, предъявляемые к обмоткам трансформатора, можно подразделить на эксплуатационные и производственные. 
   Основными эксплуатационными требованиями являются электрическая и механическая прочность и нагревостойкость как обмоток, так и других частей и всего трансформатора в целом. Изоляция обмоток и других частей трансформатора должна выдерживать без повреждений коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые могут возникнуть в сети, где трансформатор будет работать.Механическая прочность обмоток должна гарантировать их от механических деформаций и повреждений при токах КЗ, многократно превышающих номинальный рабочий ток трансформатора. Нагрев обмоток и других частей от потерь, возникающих в трансформаторе при нормальной работе и КЗ ограниченной длительности, не должен приводить изоляцию обмоток и других частей, а также масло трансформатора к тепловому износу или разрушению в сроки более короткие, чем обычный срок службы трансформатора (20—25 лет). Общие эксплуатационные требования, предъявляемые к трансформаторам и их обмоткам, регламентированы соответствующими  стандартами на силовые трансформаторы общего назначения, на различные специальные трансформаторы, на электрические испытания изоляции трансформаторов и т д Практически электрическая прочность изоляции обмоток достигается правильно-разработанной  конструкцией, правильным выбором изоляционных промежутков и изоляционных материалов и прогрессивной технологией обработки изоляции. Требование механической прочности обмотки удовлетворяется путем тщательного расчета поля рассеяния, т. е. правильного выбора типа и конструкции обмотки и расположения ее витков и катушек с таким расчетом чтобы возникающие в этой обмотке механические силы были по возможности меньшими,а механическая стойкость возможно большей.
    Для достижения необходимой нагревостойкости следует обеспечить свободную теплоотдачу в окружающую среду всего тепла выделяющегося в обмотках при допустимых для данного класса нагревостойкости  изоляции превышениях температуры обмоток над температурой окружающей среды, т. е. обеспечить достаточно большую поверхность соприкосновения обмотки с охлаждающей средой — маслом или воздухом. Общие производственные требования сводятся к изготовлению трансформатора с наименьшими затратами материалов и труда т.е. наиболее простого по конструкции, обеспечивающей соблюдение всех эксплуатационных требований. Эти требования, предъявляемые к трансформатору в целом, в полной мере относятся и к обмоткам. Задачей проектировщика является разумное сочетание интересов эксплуатации и производства. Эта задача, решается в значительной мере при выборе того или иного типа обмотки. Поэтому на выбор типа обмотки, наиболее полно отвечающей требованиям эксплуатации и в то же время простой и дешевой в производстве, следует обращать особое внимание.
   При расчете обмотки после выбора ее типа следует добиваться наибольшей компактности в ее размещении, распределении витков и катушек, с тем чтобы получить наилучшее заполнение окна трансформатора. Одновременно следует стремиться к получению достаточно развитой поверхности охлаждения обмотки и достаточного числа и размеров масляных (воздушных у сухого трансформатора) охлаждающих каналов в обмотках при обеспечении наименьшего сопротивления для движения в них охлаждающей среды,что дает возможность уменьшить внутренний перепад темпертуры в обмотках и как следствие этого, несколько уменьшить охлаждаемую поверхность бака трансформатора.

Типы обмоток трансформаторов

Типы Преимущества Недостатки
 Цилиндрическая одно-двух-слойная
из прямоуголного провода
 Простая технология изготовления,
хорошее охлаждение
 Малая механическая прочность
 Цилиндрическая многослойная из прямоугольного провода  Хорошее заполнение окна магнитной системы ,простая технология изготовления  Уменьшение охлаждаемой поверхности по сравнению с обмотками,имеющими радиальные каналы 
 Цилиндрическая многослойная из круглого провода  Простая технология изготовления   Ухудшение теплоотдачи и уменьшение механической прочности с ростом мощности
 Винтовая одно-двух- и многоходовая из прямоугольного провода  Высокая механическая прочность,надежная изоляция,хорошее охлаждение  Более высокая стоимость по сравнению с цилиндрической обмоткой
 Непрерывная катушечная из прямоугольного провода  Высокая электрическая и механическая прочность,хорошее охлаждение   Необходимость перекладки половины катушек при намотке
 Цилиндрическая многослойная и катушечная из алюминиевой фольги  Высокая механическая прочность,хорошее заполнение окна магнитной системы   Сложная технология изготовления обмоток высокого напряжения

 

 Конструкции цилиндрических обмоток:

  • простой,
  • многослойной,
  • многослойной из фольги

   
   Ряд витков, намотанных на цилиндрической поверхности,называют слоем обмотки. В одном слое может быть от одного до нескольких десятков витков, а в витке до шести-восьми и более параллельных проводов.Обмотку, состоящую из расположенного на цилиндрической поверхности слоя витков без интервалов, т. е. вплотную друг к другу, называют цилиндрической (рис.3), а состоящую из двух (или более концентрически расположенных слоев — двухслойной (многослойной) цилиндрической (рис.4).

  Витки двух- и многослойных обмоток имеют одинаковые развернутую длину и положение по отношению к полю рассеяния трансформатора. Переход из слоя в слой выполняют без обрыва провода в конце каждого слоя, при этом направление намотки слоев меняется. Двухслойную обмотку обычно наматывают из 
 
 

простая цилиндрическая обмотка трансформатора
  рис.3   1-виток;2,4-выравнивающие кольца, 3-изолирующие прокладки.
  рис.4 /. 4 — виитки, 2, 5 -дистанционные рейки; 3-выравнивавшее кольцо; 6-бумажно-бакелитовый цилиндр; 7-междуслойная изоляция; 8-канал. 9 — рейка. 10-изоляционное кольцо; 11- бакелитовый цилиндр; X1, Х2,Х3- регулировочные ответвления  
    разновидности обмоток трансформаторапрямоугольного провода плашмя, но можно и на ребро. Для выравнивания винтовой поверхности к крайним виткам прикрепляют разрезные бумажно-бакелитовые кольца (в виде «клина»), которые придают обмотке форму цилиндра. Кольца предохраняют витки от механических повреждений и создают опорную поверхность обмотки. Между слоями двухслойной обмотки устанавливают изоляцию из бумаги (электрокартона) или размещают равномерно по окружности несколько реек (прокладок), образующих вертикальный охлаждающий канал (рис.4,а).

Одно- и двухслойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток низкого напряжения до 690 В в трансформаторах мощностью менее 630 кВА. Многослойная цилиндрическая обмотка наматывается,как правило, из провода круглого сечения.Витки
обмотки плотно укладывают друг к другу с переходами из слоя в слой. Намотку первого слоя производят на бумажно-бакелитовом цилиндре. Между последующими слоями размещают кабельную бумагу. Для улучшения охлаждения между некоторыми слоями обмотки делают осевой канал с помощью дистанцирующих прокладок из электрокартона или бука. Такие многослойные цилиндрические обмотки применяют в качестве обмоток высокого напряжения для масляных трансформаторов мощностью до 400 кВА при напряжении до 35 кВ (рис. 4,б). По направлению намотки, подобно резьбе винта, различают обмотки левые и правые. Это относится к цилиндрическим, катушечным и винтовым обмоткам. В многослойных слоевых обмотках направление всей обмотки считается по направлению ее первого внутреннего слоя (рис.5).Направление намотки обмоток трансформатора
   Принципиально новой модификацией цилиндрической обмотки являются обмотки, намотанные из неизолированной алюминиевой фольги, находящие применение в трансформаторах мощностью от 25 до 630 кВА . Лента рулонной фольги имеет ширину, равную высоте катушки, а для обмоток с рабочим напряжением до 1 кВ -высоту обмотки. Изоляцией между витками служит полоса (или несколько вместе сложенных полос) конденсаторной, телефонной или кабельной бумаги. Ширина полосы бумаги принимается на 6-8 мм больше ширины ленты. Лента фольги вместе с полосой (полосами) бумаги наматывается на цилиндрической оправке с диаметром, равным внутреннему диаметру обмотки. После намотки обмотка снимается с оправки, бумага,выступающая за торцы обмотки на 3—4 мм, пропитывается эпоксидной смолой, запекается и обжимается, образуя монолитный изоляционный слой на торцовых поверхностях обмотки (катушки).
Обмотки из алюминиевой фольги легко наматываются, хорошо выдерживают механические воздействия при КЗ трансформатора и имеют высокую теплопроводность в осевом и радиальном направлениях, что приводит к более равномерному распределению температуры по высоте и ширине обмотки и к снижению температуры наиболее нагретой точки по сравнению с обмотками, намотанными из изолированного провода.
   Основными недостатками обмоток из алюминиевой фольги являются: высокая цена фольги, превышающая цену изолированного алюминиевого провода примерно на 40%; сложность изготовления обмоток высокого напряжения классов напряжения 10 и 35 кВ с обязательным разделением этих обмоток на катушки, соединяемые при помощи пайки, и трудность крепления отводов к обмоткам из фольги с толщиной менее 0,1 мм вследствие малой механической прочности этой фольги. Последний (и первый) виток обмотки из фольги толщиной 0,1—0,2 мм может завершаться алюминиевой шиной, прикрепленной к фольге точечной сваркой. Сложность изготовления обмотки высокого напряжения приводит к тому, что в некоторых случаях предпочитают обмотку низкого напряжения выполнять из фольги, а обмотку высокого напряжения из провода.
 Конструкции винтовых обмоток: одноходовой,многоходовой, из транспонированного провода
Винтовые обмотки могут быть одноходовыми (рис.6 а) и двухходовыми (многоходовыми) (рис.6 б). Одноходовая винтовая обмотка состоит из ряда витков, которые следуют один за другим по винтовой линии с каналами между ними. В каждый виток входит один или несколько параллельных проводов, укладываемых в один ряд вплотную друг к другу в радиальном направлении (рис.6,а,в).
Винтовые обмотки трансформаторов
Двухходовая (многоходовая) винтовая обмотка состоит из  двух (или более) одноходовых обмоток, вмотанных одна в другую в процессе изготовления. Каждый такой «ход» может включать до 40 параллельных проводов. Вертикальный канал вдоль внутренней поверхности обмотки и каналы между ее витками образуются рейками и прокладками (рис.6, г).
Витки винтовой обмотки состоят, как правило, из большого числа параллельных проводов, расположенных концентрически и на разном расстоянии от ее оси, поэтому провода, расположенные ближе к оси, будут короче, а более удаленные — длиннее. Разница в длине и положении проводов в поле рассеяния вызывает неравенство их электрических и индуктивных сопротивлений. Разные сопротивления приводят к неравномерному распределению тока между ними, т. е. к перегрузке по току и увеличению потерь в одних и недогрузке в других проводниках.
Для выравнивания распределения тока и,следовательно,снижения  добавочных потерь в винтовых обмотках выполняют различные виды транспозиций (перестановок). В одноходовой обмотке (обычно с числом проводов в витке до 12) используют комбинацию из транспозиции (рис.7а-в)
двух групповых, когда провода в витке разделяют на две группы и обе группы меняют местами, и общей, когда изменяется взаимное расположение всех параллельных проводов. Если в одноходовой обмотке имеется 12, 16 и более параллельных проводов,то применяют транспозицию Бюда, позволяющую еще снизить добавочные потери.
   В двухходовой винтовой обмотке используют равномерно распределенную транспозицию Хобарта, при выполнении которой все провода обмотки оказываются одинаково расположенными по отношению к продольному (осевому) полю рассеяния (длина проводов также почти одинакова) (рис.8).

    Винтовая обмотка обладает значительной торцовой поверхностью, обеспечивающей ее устойчивость к осевым усилиям при КЗ, хорошей механической прочностью и достаточной поверхностью охлаждения. Ее 

широко применяют для обмоток низкого напряжения с относительно небольшим числом витков и значительными вторичными токами в трансформаторах мощностью 1000 кВА и более.

  Винтовая обмотка с любым числом ходов может быть намотана, также из транспонированного провода. При этом отпадает необходимость в дополнительной транспозиции параллельных проводников, помимо той, которая сделана в самом проводе. 

равномерно распределенная обмотка трансформатора

  Конструкции непрерывных катушечных обмоток: простой переплетенной, с переплетением катушек, из подразделенного  провода
  Группу последовательно соединенных витков, наматываемую в виде плоской спирали и отделенную от других таких же групп называют катушкой, а обмотку, состоящую из ряда катушек расположенных в осевом направлении,-катушечной.
Катушечные обмотки могут быть дисковыми и непрерывными. Дисковая обмотка набирается из отдельно намотанных катушек, которые затем соединяют друг с другом электропайкой или другим способом (рис.9 а). Катушки считаются левыми, если провод от верхнего наружного конца укладывается против часовой стрелки, и правыми если провод укладывается по часовой стрелке. Непрерывная обмотка (рис.9,б) наматывается без разрывов, т. е. переход из одной катушки 1 в другую 6 (рис.9, д) производится без паек. Для этого при намотке перекладывают витки каждой нечетной катушки так, чтобы один переход (из катушки в катушку) был снаружи обмотки, а другой внутри. Катушки непрерывной обмотки наматывают на
рейки 3, образующие вертикальный канал вдоль внутренней поверхности обмотки. На рейках закрепляют прокладки 5 создающие горизонтальные каналы между катушками. Иногда рейки ставят и вдоль наружной поверхности обмотки.
В витках обмотки может быть несколько, от одного до шести параллельных проводов (рис.9, в). При двух и более проводах приходится выравнивать их длины и положение в магнитном поле рассеяния, для чего провода меняют местами, т. е. делают их транспозицию (рис.9,г, д). Транспозиция параллельных проводов в непрерывной обмотке выполняется в процессе намотки на каждом переходе из катушки в катушку. Как правило в одном пролете между двумя соседними прокладками (в одном «поле») делают переход одним параллельным проводом 2.
В местах перехода провод изгибается на ребро, и его изоляция в этом месте нередко повреждается. После изгиба ее обязтедыю восстанавливают, а сам провод надежно изолируют от соседних катушек (рис.9д). Непрерывные обмотки могут выполняться с ответвлениями для регулирования напряжения. Обычно ответвления делают от наружных витков, чтобы между двумя соседними ответвлениями заключались витки, соответствующие одной ступени регулирования. Преимуществом непрерывной катушечной обмотки (кроме отсутствия разрывов при намотке) является ее большая опорная поверхность и, следовательно, значительная устойчивость к oceвым усилиям при КЗ. Другое преимущество — относительно свободный проход масла как вдоль поверхности, так и поперек (в горизонтальные каналы между катушками). Хорошее охлаждение позволяет увеличивать мощность обмотки, не опасаясь теплового разрушения ее изоляции. Благодаря указанным преимуществам, непрерывные обмотки широко применяют в трансформаторах различных мощностей и напряжений. В последние годы защита обмоток от импульсных перенапряжений при классах напряжения от 220 кВ и выше выполняется путем сочетания емкостных колец с применением переплетенных
катушечных обмоток, т. е. обмоток, в которых порядок последовтельного соединения витков отличается от последовательности их расположения в катушках. Одна из схем переплетенной обмотки показана на рис. 10.переплетенные обмотки трансформаторов-схемы Каждая катушка наматывается двумя параллельными проводами, а затем производится соединение этих проводов по схеме. Возможны и другие способы переплетения
витков обмотки. Намотка переплетенной обмотки любого типа является более сложной и трудоемкой, чем намотка обычной непрерывной катушечной обмотки. При этом требуется увеличение электрической прочности изоляции витков и повышение плотности ее наложения, однако это усложнение технологии и увеличение стоимости обмотки окупается почти линейным начальным распределением импульсного напряжения и хорошей грозозащитой обмотки. В переплетенной обмотке отпадает необходимость в экранирующих витках, но используются емкостные кольца. Применение переплетенных обмоток в настоящее время является, по-видимому, наилучшим методом защиты от импульсных перенапряжений для обмоток классов напряжения от 220 до 750 кВ.
Дисковая обмотка ( рис.9, а) состоит из ряда отдельно намотанных одинарных или двойных (спаренных) катушек, каждая из которых имеет несколько витков, намотанных один на другой по спирали. В зависимости от напряжения катушки
дисковой обмотки могут иметь общую для всех витков дополнительную изоляцию, выполненную из лент кабельной или крепированной бумаги. Толщина дополнительной изоляции выбирается в зависимости от напряжения обмотки; в различных катушках одной обмотки она также может быть разной,— постепенно уменьшаясь от ввода в обмотку к основной ее части.
    Различают одинарные и двойные дисковые катушки. Применение одинарных, дисковых катушек удваивает количество паек, причем соединение одинарных катушек осуществляется пайкой их наружных и внутренних концов. Изолировку одинарных дисковых катушек удобно производить на специальных изолировочных станках. Намотку дисковых катушек производят обмоточным проводом прямоугольного сечения в один или более (до восьми) параллельных проводов. Число витков в катушке обычно 4—25. Намотанные дисковые катушки изолируют, собирают в группы, производят их технологическую обработку (прессовку и сушку), а затем из катушек (соответственно их окончательному положению в обмотке) собирают обмотку или отдельную ее часть. Соединяют двойные катушки пайкой их наружных концов, выполненных в виде переходов из одной катушки (секции) в другую. Вертикальный канал у внутренней поверхности и горизонтальные каналы между катушками образуются П-образными замковыми прокладками из электрокартона, которые собираются из штампованных длинных и коротких (служащих «заполнителем») пластин, скрепляемых между собой полосой-замком. При установке замковых прокладок в дисковую катушку их располагают симметрично по окружности, выдергивая столбы прокладок строго по вертикали. Длинные пластины замковых прокладок образуют в обмотке горизонтальные масляные каналы, а заполнители — вертикальные каналы. Дисковые обмотки являются наиболее трудоемкими при изготовлении. Они нашли широкое применение в мощных трансформатоpax. При напряжениях 110—330 кВ входная зона обмотки, а при напряжениях 500 кВ и выше — вся обмотка высокого напряжения, помимо витковой изоляции, должна иметь общую для всех витков дополнительную (катушечную) изоляцию. Поэтому в конструкции трансформаторов напряжением 110—330 кВ в обмотке высокого напряжения в непрерывной части обмотки «добавляют» изолированные дисковые катушки входной зоны, соединяя пайкой непрерывную и дисковую части обмотки. Обмотка высокого напряжения на напряжение 500 кВ вся состоит из дисковых катушек или выполняется переплетенной (петлевой).

  
К списку статей

 

Условия применения автотрансформаторов

 Преимущества

   При правильно рассчитанном соотношении первичного и вторичного напряжений автотрансформатор имеет существенные преимущества перед трансформатором с тем же соотношением напряжений и той же мощностью. Автотрансформатор имеет меньшие массу, размеры, потери холостого хода и потери под нагрузкой, ток намагничивания и сопротивление короткого замыкания. Как известно, линейные размеры трансформатора пропорциональны его мощности в степени 0,25 (S0,25), а объем и масса — в степени 0,75 (S0,75) при прочих равных условиях. Таким образом, чем меньше типовая мощность (трансформаторная мощность, определяемая в основном размерами магнитопровода,т.е. его массой) по сравнению с проходной (полной мощностью передаваемой автотрансформатором  из первичной сети во вторичную), тем меньше размеры, масса и потери автотрансформатора. Так при типовой мощности вдвое меньшей проходной, масса, потери и ток холостого хода автотрансформатора будут на 10% меньше, чем у трансформатора той же проходной мощности. Благодаря снижению потерь повышается коэффициент полезного действия. Снижение сопротивления короткого замыкания позволяет уменьшить падение напряжения при работе автотрансформатора.
                               силовой автотрансформатор
 
  Сниженные масса и размеры автотрансформатора создают более благоприятные условия для его доставки к месту установки. В случае необходимости трансформации очень большой мощности, например при связи двух очень мощных энергосистем, только автотрансформатор может быть изготовлен в пределах транспортных ограничений по массе и габаритным размерам, т. е.в  одной транспортной единице 

 Недостатки

  Наличие гальванического соединения обмоток в автотрансформаторе имеет следствием определенные недостатки. Как правило, обмотки автотрансформатора соединяют в звезду с заземленной нейтралью. Другие соединения теоретически возможны, но связаны с определенными неудобствами и поэтому применяются крайне редко. Режим заземления нейтрали обоих систем должен быть одинаковым: глухое заземление или заземление через сопротивление. При этом значение сопротивления должно быть таким, чтобы не возникало недопустимых напряжений на вводах среднего напряжения здоровых фаз при замыкании на землю одной фазы в системе высокого напряжения.Такая опасность возрастает по мере увеличения разницы напряжений двух систем.
  По той же причине не применяются автотрансформаторы в системах с заземленной нейтралью. Высокие потенциалы грозовых перенапряжений на холостом вводе автотрансформатора при воздействии волны перенапряжений на другой ввод вызывают необходимость установки на вводах разрядников, неотключаемых при отключении линии, присоединенной к этому вводу. Последовательная обмотка автотрансформатора и его продольная изоляция может подвергаться очень жестким грозовым воздействиям в случае, когда значения напряжений двух систем близки. Однако на практике таких сочетаний напряжений не бывает. Регулировочная обмотка при регулировании в линии высокого напряжения  или среднего напряжения подвергается всем воздействиям, нормированным для линейного ввода. Иногда обеспечить электрическую прочность изоляции регулировочной обмотки и переключающего устройства бывает затруднительно, особенно для сверхвысокого напряжения (класс 525 кВ и выше). 
  Сопротивление короткого замыканият автотрансформатора относительно мало, что является причиной более жестких воздействий токов короткого замыкания. Приходится принимать специальные меры для увеличения сопротивления короткого замыкания. Особого внимания требует обеспечение прочности при однофазных замыканиях. Наличие обмотки низкого напряжения (третичной обмотки) требует обеспечения ее динамической прочности, например, путем увеличения сопротивления нулевой последовательности (сопротивление в нейтрали или в треугольнике).
  Условия применения автотрансформаторов

По сравнению с обычными трансформаторами тех же параметров, автотрансформаторы имеют меньшие размеры, но требуют определенных условий, ограничивающих их применение в энергосистемах. Без учета специальных применений, где альтернатива отсутствует, автотрансформаторы должны выбираться после детального рассмотрения всех условий эксплуатации. В обшем случае решение о применении  автотрансформаторов может бьпь принято при следующих условиях:

  • система с заземленной нейтралью;
  • система имеет ограниченную мощность короткого замыкания:
  • благоприятная ситуация с перенапряжениями;
  • коэффициент трансформации, близкий к единице (0,5—2);
  • сбалансированная нагрузка.

К списку статей

Импульсный трансформатор для ламп дневного света

Данный вопрос уже неоднократно освещался в различной литературе. Однако все сводилось к одному — как заставить работать старые лампы, у которых перегорела нить накала. Хотелось бы напомнить читателю, что старые лампы — это лампы, у которых люминофор уже теряет свою активность, возле концов слева и справа — огромные черные пятна. Вообще, такую лампу не грех и выбросить, тем более что потребляемая мощность у лампы очень большая — так называемые 20-ваттные лампы потребляют от сети порядка 80 Вт (сомневающиеся могут проверить, для этого надо замерить ток и по известной формуле определить мощность: P=UI, где Р — мощность в Вт; U — напряжение сети 220 В; I — потребляемый ток в А (как правило ток находится в пределах около 0,4 А). Так называемые 40-ваттные лампы потребляют соответственно около 150 Вт.схема с импульсным трансформатором

     

     
   Теперь попытаемся подойти к проблеме экономии с другой стороны, а именно, следует приобрести новую импортную лампу дневного света. В настоящее время это не проблема , стоимость ее на рынке примерно 10 грн., а сила света почти в 2 раза выше (замеры проводились люксметром типа Ю-116), хотя это можно заметить и визуально. Эту лампу следует подключить к схеме генератора, частота следования импульсов которого подобрана таким образом, что глаз не замечает мерцания, а по сети питания потребляемая лампой мощность в 5-6 раз ниже, нем при обычном (стандартном) включении. Причем генератор должен быть не только экономичным с точки зрения используемых деталей, но и сравнительно малогабаритным. Всем этим требованиям удовлетворяет генератор, собранный на двух высоковольтных транзисторах (рис.1). Следует отметить, что любители старых ламп (с перегоревшими нитями подогрева) также могут использовать их в данной схеме. 

импульсный трансформатор для ламп дневного света

В схеме можно применить резисторы типа МЛТ-0,25, за ис- ключением R8 и R9 (их надо намотать манганиновым проводом диаметром 0,25 мм, длина проволочек 20 мм). Лампа ELI — 20- ваттная, хотя следует отметить, что 18-ваттная лампа (отличие этих ламп — меньший диаметр, примерно 25 мм) дает освещенность на 10-15% больше, что лишний раз указывает на то, что ваттность — величина условная. Конденсаторы желательно применить керамические или слюдяные типа КТ-2, КСО или K73-17. С1-С4 на напряжение не ниже 500 В; С5 и С6 также желательно типа К73-17, их можно заменить на электролитические типа К50-53 на напряжение не ниже 50 В (хотя надежность схемы при этом снизится). С7 — электролитический конденсатор, для повышения КПД, желательно емкость увеличить до 20 мкФ. С8 и С9 — конденсаторы типа K73-17 на напряжение не ниже 630 В. Дроссель LI стандартный типа ДМ (индуктивность 0,1-0,5 мкГн). Диоды VD1-VD6 типа КД209 с любым буквенным индексом, в принципе VD3-VD6 можно заменить на КЦ402, КЦ405, КД105, Д226. Транзисторы пластмассовые типа KT8164, KT858, металлические типа KT840, KT838. Неплохо работает KT809, хотя сила света лампы на 10-15% меньше.
  Следует обратить внимание на изготовление импульсного трансформатора
Сердечник трансформатора броневой типа Б-18 или Б-22 из феррита марки 2000 НМ. При сборке необходимо оставить зазор 0,2 мм, это может обеспечить бумага, проложенная между чашками. Первичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,23 мм, длина провода 7,5 м. Вторичная и третья обмотки имеют по 6 витков аналогичного провода. Броневой сердечник можно заменить Ш-образным из того же феррита,а еще лучше сделать на базе тороидального магнитопровода, благо сейчас огромный ассортимент тороидальных сердечников. Омическое сопротивление первичной обмотки составляет 5 Ом. Настройка схемы сводится к следующему. Если схема не работает, необходимо поменять местами концы третьей обмотки. Ток, потребляемый работающей схемой, 50-60 мА. Для любителей запитки ламп постоянным напряжением можно порекомендовать схему , изображенную на рис.2. В схеме уверенно работают динисторы с любым буквенным индексом начиная с А. В качестве трансформатора TV1 используется промышленный типа Д-29-1,2-0,28. Несколько хуже работает Д-20-1,2-0,2, ввиду того что потребляемый ток лампы больше 200 мА, температура нагрева дросселя достигает 50°С. Диоды VD1-VD5 типа КД105 или Д226. Резистор R1 типа МЛТ-2.

    Недостатки схемы:
  -если лампа старая и плохо запускается, резистор R1 начинает сильно нагреваться, так как генератор запуска, собранный на динисторе, работает непрерывно;
  -появление со временем черного пятна с одной из сторон лампы.

   К списку статей

 

Почему трансформаторы взрываются

«Я сидел на крыльце за своим домом .когда услышал оглушительной силы взрыв,как будто выстрел из пушке прямо за спиной.Я вышел на улицу,прошел треть пути до трансформаторного бокса , как  опять прогремел взрыв. Из бокса вылетел факел пламени в диаметре около  полутора метров и около шести метров в высоту.Это происходило  в половине девятого утра.На взрыв сбежались еще несколько соседей.Когда мы все собрались мы видели только догорающий корпус трансформатора.Трансформатор работал с 1983 года и ничего подобного ранее никто припомнить не мог так как работал он как часы.На улице было довольно жарко,но экстремальных температур не было

Что явилось причиной взрыва трансформатора?
Почему трансформаторы взрываются?причины взрыва трансформаторов

            Электрические трансформаторы обеспечивают преобразование параметров электроэнергии, таких как напряжение и ток в параметры, которые удовлетворяют конечному потребителю. Любой трансформатор рассчитан на определенную мощность, которая является номинальной мощностью трансформатора. Но  для нас в данном случае важным параметром является максимальная мощность трансформатора, при превышении которой трансформатор выйдет из строя. Если ток нагрузки будет возрастать постепенно до своего критического максимального  значения, трансформатор просто перегреется. Материалы его изоляции потеряют свои свойства при высокой температуре ,произойдет короткое замыкание и трансформатор выйдет из строя. В этом случае автоматический выключатель со временем реагирования около 60 миллисекунд без проблем «сработает» и отключит трансформатор по первичной обмотке (на входе).
   Теперь рассмотрим случай, когда ток нагрузки возрастает мгновенно. Последствия этого могут быть катастрофическими. В данном обзоре рассматриваем только маслонаполненные трансформаторы (как правило, средней мощности где-то от 500кВА) Скорость нарастания в этом случае выше скорости реагирования защитных систем (автоматических выключателей). Что может явиться причиной такого  резкого нарастания тока нагрузки? В большинстве случаев — это молния. Также могут быть резкие порывы ветра, ледяной дождь и  другие аномальные погодные условия. В случае молнии, например, ток вырастает до критического значения за 12 миллисекунд, что в пять раз меньше порогового значения автоматических выключателей. Обмотки трансформатора сильно нагреваются, тепло передается охлаждающей среде (в данном случае минеральное трансформаторное масло). Температура при таком интенсивном нагреве естественно отводиться не успевает, давление в масляном резервуаре возрастает и при превышении предела разрушения конструкции трансформатора-происходит взрыв. Это похоже на душ из воспламенных деталей трансформатора,кусков обмотки и брызгов горящего масла.
   Чтобы это предотвратить, прежде всего, необходимо устраивать молниезащиту, трансформаторы по возможности устанавливать в закрытых помещениях, охлаждающее масло должно быть мало воспламеняемым. Описанные случаи часто происходят в США, где трансформатор на дом или несколько домов расположен прямо на столбе линии электропередач. (см. фото) Таким образом трансформатор подвержен всем погодным воздействиям описанным выше. Например на Манхеттене, где распололожены 35000 закрытых трансформаторов и 47000 наружно установленных, ежегодно происходит примерно 35 взрывов и большая их часть приходится на открытые трансформаторы.

К списку статей

Выбор марки электротехнической стали

Технико-экономическое обоснование выбора марки стали и проведения отжига распространяется на силовые трансформаторы  в соответствии с требованиями
стандартов на конкретные типы и группы трансформаторов всех классов напряжения мощностью от 25 до 1 250 000 кВ • А с магнитопроводами, изготовленными из электротехнической стали толщиной 0,27; 0,30 и 0,35 мм марок 3404, 3405 и 3406 и имеющими плоскую шихтованную бесшпилечную конструкцию. Холоднокатаная сталь в значительно большей степени, чем горячекатаная, чувствительна к механическим воздействиям.
    В результате механической обработки при заготовке пластин магнитной системы — продольной и поперечной резки, закатки или срезания заусенцев, штамповки отверстий (в конструкциях реакторов) увеличиваются удельные потери и удельная намагничивающая мощность стали. Это ухудшение магнитных свойств стали может быть полностью или в значительной мере компенсировано путем восстановительного отжига заготовленных пластин при 800—820° С. На современных заводах такой отжиг обязательно включается в технологический процесс изготовления пластин после их механической обработки. При отсутствии отжига следует считаться с возможным повышением потерь холостого хода на 8- 10% и тока холостого хода на 25 30%.
 

 Особенно сильно магнитные свойства стали ухудшаются при изготовлении частей магнитной системы путем навивки из холоднокатаной ленты. Такие части должны отжигаться после навивки. При дальнейшей транспортировке после отжига на сборку, а также в процессе сборки остова и стяжки стержней и ярм пластины могут подвергаться различным механическим воздействиям. При этом возникает ухудшение магнитных свойств стали, которое в готовом остове трансформатора снято отжигом быть не может. Чтобы избежать ухудшения магнитных свойств стали и параметров холостого хода трансформатора при выполнении этих операции, пластины не должны подвергаться толчкам, изгибам, ударам и давлениям. Пластины электротехнической стали, заготовленные для сборки магнитной системы, во избежание возникновения между  ними вихревых токов должны быть надежно изолированы одна от другой. Современное нагревостойкое электроизоляционное покрытие обеспечивает достаточно прочную и надежную изоляцию пластин при высоком коэффициенте заполнения сечения пакета пластин сечением чистой стали. При мощностях трансформаторов. превышающих 100 МВА  иногда усиливают изоляцию пластин путем нанесения поверх нагревостойкого покрытия одного слоя лаковой пленки.

Коэффициент заполнения сечения стержня (ярма) сталью KЗ равный отношению активного сечения стержня или ярма Пс к площади его фактического поперечного сечения ПФС, т.е.KЗ =Пс/ПФС , желательно иметь наиболее высоким, потому что понижение этого коэффициента ведет к увеличению сечения магнитной системы и массы металла обмоток. Коэффициент заполнения KЗ , зависит от толщины пластин стали (0,35; 0,30 или 0,27 мм), вида изоляции пластин, силы сжатия пластин и наличия у них такого дефекта, как неплоскостность, т.е. отклонение от плоской формы.
    Коэффициент заполнения KЗ для стали  при современной технологии сборки остова, приведен в таблице 1
электротехническая сталь для трансформаторов

При выборе марки и толщины стали для магнитной системы силового трансформатора следует учитывать, что сталь с более высокими магнитными свойствами имеет существенно более высокую цену, а сталь меньшей толщины при более высоких магнитных свойствах имеет меньший коэффициент заполнения.

   

Эта сталь для получения пакета заданных размеров требует изготовления, отжига и укладки при сборке магнитной системы,большего числа пластин по сравнению со сталью большей толщины.
В табл. 2 приведены сравнительные показатели для стали толщиной 0,35; 0.3 и 0,27 мм
марки трансформаторной стали      В основной массе силовых трансформаторов с учетом трудоемкости отдельных технологических операций, магнитных свойств и цены стали используются стали марок 3404 и 3405 толщиной 0.35 и 0,30 мм. В тех случаях, когда низкие потери являются решающим фактором, может использоваться сталь толщиной 0,27 мм. Для выбора марки стали и, что важно при учебном проектировании, для определения экономической эффективности применения новых марок стали или аморфных сплавов следует использовать упрошенный расчет по приведенным годовым затратам, заменяя одну марку стали на другую. Замена стали на более качественную приводит к удорожанию стоимости трансформатора, так как цена такой стали выше, но при этом уменьшаются потери холостого хода, которые окупаются в течение всего срока работы трансформатора.

К списку статей