Силови трансформатори – част 1

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2014

Преносът на електроенергия на големи разстояния от генериращите мощности до потребителите е свързан с определени трудности. Ако генераторът в електроцентралата, произвеждащ енергия с голяма мощност, се включи директно към електропреносните линии, то по закона на Джаул-Ленц, проводниците ще започнат да се нагряват пропорционално на квадрата на силата на тока и съпротивлението на проводниците.

При не много високото напрежение на изходните клеми на генератора, например 6,3 kV, 12,6 kV или 24 kV, силата на тока, протичащ през проводниците, ще бъде голяма. За да се намали нагряването на проводниците, трябва да се намали тяхното съпротивление. Това може да стане, като се увеличи техният диаметър (т.е. да се увеличи напречното им сечение). Това обаче е физически невъзможно и икономически неизгодно.

За разрешаване на проблема се използват силови трансформатори. С тяхна помощ се повишава напрежението и се намалява пропорционално силата на тока, при което предаваната към потребителите мощност се запазва. Високоволтовият пренос на енергия се осъществява като:

• към изводите на генератора, например с напрежение 12,6 kV, се присъединява силов трансформатор за изходно напрежение 110 kV и номинална мощност 80 000 kVА;
• тази енергия се пренася на необходимото разстояние и се доставя до подстанцията на потребителя;
• с помощта на понижаващи трансформатори напрежението се намалява до използваното от потребителя - например 6,3 kV, 400/230 V и т. н.

Силовият трансформатор
е стационарно електротехническо устройство с две или повече намотки, което посредством електромагнитна индукция преобразува системата от променливо напрежение и ток в друга система от променливо напрежение и ток. Това преобразуване (трансформация) се извършва при една и съща честота и има за цел предаване на електроенергия без изменение на пренасяната мощност.

Съществуват дву-, три- и многонамотъчни трансформатори, имащи съответно две, три и повече галванично несвързани (разделени) намотки. По-долу ще покажем една обща класификация на трансформаторите, като голяма част от тях се заема от силовите трансформатори:

• според предназначението: захранващи, съгласуващи, импулсни, автотрансформатори;
• според вида на пренасяната величина: мощностни; токови;
• според устройството: едноядрени, еднонамотъчни, двуядрени, двунамотъчни, триядрени, тринамотъчни;
• според галваничното разделяне: без галванично разделяне (автотрансформатори), с галванично разделяне;
• според работната среда и вида на охлаждането: сухи, с течна охлаждаща и изолационна среда (трансформаторно масло) – със или без принудителна циркулация на маслото и обдухване на топлообменника (радиатора), с газова работна среда – например елегаз (SF6);
• според преводното отношение: повишаващи, понижаващи, с коефициент на трансформация единица (за галванично разделяне);
• според вида на магнитопровода: ядрени, мантийни.

Елементи от конструкцията на маслените силови трансформатори
Подвеждането на захранващото напрежение и включването на товара към трансформатора става с помощта на т. нар. въводи и изводи. В сухите трансформатори те могат да бъдат изведени на “клемна дъска” във вид на болтови съединения, поместени както навън, така и под капака на корпуса. В маслените и тези, запълнени със синтетичен газ (SF6) СТр, въводите се разполагат само отвън на горния капак или странично на бака.

Връзката с вътрешните намотки се осъществява чрез гъвкави съединения (демпфери) към медни или бронзови шпилки с резба. Изолирането на шпилките от корпуса се осъществява чрез проходни изолатори, изработени от специален порцелан или пластмаса. Уплътнението на всички пролуки се осъществява чрез вложки от маслоустойчива гума.

Охлаждащата система събира горещото масло от горната част на масления бак и го връща вече охладено в долната странична част. Тя включва два маслени контура с непряко взаимодействие – един вътрешен и един външен. Вътрешният контур пренася енергията от нагретите повърхности към маслото. Във външния контур маслото пренася топлината към вторичната охлаждаща среда, която обикновено е атмосферен въздух.

Радиаторите са различни типове. В най-общ вид представляват множество плоски канали в пластини, съединени със странични заваръчни шевове, които се съединяват в горен и долен колектори.

Гофрираният бак е едновременно и маслен резервоар и охлаждаща повърхност при трансформаторите за малка и средна мощност.

Вентилатори – при големи СТр се използват окачени под радиаторите или разположени странично вентилатори за осигуряване на принудителна циркулация на въздуха – т. е. естествено маслено и принудително въздушно (ONAF) охлаждане. Това увеличава с близо 25% възможността за натоварване.

Топлообменници с принудителна циркулация на масло и въздух (OFAF). При големите трансформатори отвеждането на топлината чрез естествена циркулация с радиатори изисква много място. Оказва се, че е по-изгодно да се използват компактни охладители със значително по-голямо аеродинамично съпротивление, което изисква прилагането на принудителна циркулация на масло с помпи и мощни вентилатори за нагнетяване на въздух.

Маслено-водни охладители – представляват цилиндрични тръбни топлообменници със сменяеми тръби. Те са много разпространени и представляват класическа технология.

Маслени помпи – циркулационни помпи за маслено охлаждане на оборудването. Те са с компактни, херметични конструкции, като двигателят е потопен в трансформаторното масло.

Оборудване за регулиране на напрежението – повечето от трансформаторите са оборудвани с приспособления за настройка на коефициента на трансформация чрез включване или изключване на определен брой намотки. Настройката може да стане с помощта на превключвателя на намотките под товар или чрез болтово съединение вътре в СТр при изключен и заземен трансформатор.

Газово реле – обикновено се поставя в съединителната тръба между масления резервоар и разширителя. Действието на газовата защита се основава на това, че всякакви, даже незначителни повреди, а също така повишаване на температурата вътре в бака, предизвиква разлагане на маслото и отделяне на газове. Интензивността на газообразуването и химическият състав на газа зависят от характера и размера на поражението. Освен това газовата защита действа на сигнал или на изключване при опасно понижаване на нивото на масло.

Индикация на температурата – за измерване на температурата на горните слоеве на масло се използват термодвойки, вградени в горната част на бака в специални джобове.

Вградени токови трансформатори – те измерват натоварването по ток на всяка фаза както по ВН, така и на нисковолтовите шини.

Изсушител на въздух – отделя влагата от въздушното пространство над нивото на масло в разширителния бак, за да обезпечи отсъствие на вода в маслото на трансформатора.

Устройство за непрекъсната регенерация на маслото. В процеса на експлоатация на маслените СТр се образуват вода и шлам.

Шламът е резултат от разлагането на маслото, а водата - от попадането на въздух при температурните изменения на обема на маслото и нехерметичната конструкция на бака ("дишане" на трансформатора). Силовите трансформатори с мощност над 160 kVА се снабдяват с устройства за непрекъсната регенерация на маслото. Те се подразделят на термосифонни и адсорбционни.

Термосифонните се монтират непосредствено на бака на трансформатора. Адсорбционните се монтират върху фундамент близко до СТр. Ефектът на регенерация и при двата типа устройства се основава на използваните в тях абсорбенти - най-често силикагел във вид на гранули, които добре поглъщат влагата.

Разликата между двата метода се заключава в различния начин за транспортиране на маслото през тях. При термосифонните се използва естествената циркулация, а при адсорбционните маслото се движи чрез циркулационна помпа. Първият метод се използва при СТр със сравнително малки габарити. При голямогабаритните СТр се използва вторият метод, като количеството абсорбент се пресмята според масата на маслото (от 0,8 до 1,25%).

Системи за защита "по масло" – най-разпространената подобна система е откритият разширителен бак, в който въздухът над нивото на маслото се вентилира чрез въздухоизсушител. Там са насипани гранули силикагел, импрегниран с кобалтови соли. Част от въздухоизсушителя е монтиран над бака и в него има малко прозорче, през което се вижда силикагела.

В нормално състояние на маслото той има син цвят, а когато влагата се повиши, става розов, което е сигнал за необходимост от пълна подмяна на силикагела. Друго решение е разширителен бак, разделен хоризонтално с мембрана, позволяваща маслото да се разширява и да се свива без пряк контакт с външния въздух. Пространството над маслото в разширителя може да се запълни с азот.

Това може да стане от бутилка със сгъстен азот чрез редукционен вентил. При херметично изпълнение в малките масленонапълнени СТр еластичният гофриран бак може да компенсира разширението на маслото. В други случаи е необходимо да се осигури пространство над маслото в бака, което да се запълни със сух въздух или азот, който играе ролята на възглавница при разширяване и свиване на маслото.

Указатели за нивото на масло - за определяне и показване на нивото на масло в разширителния бак. Те могат да бъдат поплавкови с циферблат или стъклена тръбичка, работеща на принципа на скачените съдове. Монтират се на страничната стена на разширителния бак.

Устройство за аварийно намаляване на налягането на маслото – при възникване на дъгов разряд или късо съединение в трансформатора обикновено се получава свръхналягане в масления бак поради газовете, които се получават при разлагането и изпарението на маслото. Предназначено е да намали налягането, като сведе до минимум риска от разкъсване на бака и неконтролируемо изтичане на масло.

Съгласно стандартите, маслените СТр с мощност 1000 kVА и повече трябва непременно да бъдат снабдени с подобно устройство. То се среща в две основни изпълнения. Първият е изпускателна тръба, монтирана с малък наклон на покрива на трансформатора и свързана с долния си край с подпокривното пространство. Горният край на тръбата е разположен по-високо от разширителя и завършва с коляно, където е монтирана стъклена херметична мембрана.

При рязко повишаване на налягането тя се чупи и през нея изтича масло, при което се намалява общо налягането в СТр. Ако в едно РУ има няколко трансформатора, при монтажа им трябва да се има предвид тяхното разположение, за да не се заливат взаимно с масло. Вторият включва различни по конструкция клапани, като малкото тегло на тарелките на клапана и ниската твърдост на пружината обезпечават бързо и широко отваряне на клапаните.

Те се връщат в първоначално положение след спадане на налягането. Като междинна конструкция се използва стъклена мембрана, херметично монтирана под покрива на трансформатора. Под мембраната се намират стоманени ударници с пружини и ключалки и херметично запоен силфон. В работно положение ударниците са фиксирани с ключалките. При рязко повишаване на налягането силфонът се свива, отварят се ключалките, ударниците чупят стъклената мембрана и се получава бързо понижение на налягането.

Детектор за запалими газове - улавя присъствието на водород в маслото чрез специална мембрана. Системата дава ранна индикация за бавния процес на генериране на газа, преди той да е започнал да барбутира в посока на газовото реле.

Разходомер за масло – за контролиране на изтичането на масло от помпите в трансформаторите с принудително охлаждане се монтират разходомери, работещи с бленди на принципа на стесняване на потока масло. Разходомери се използват и при водоохлаждаемите трансформатори.

Статията продължава в следващия брой на списанието

История на трансформаторите
През 1831 година английският физик Майкъл Фарадей открива явлението електромагнитна индукция, залегнало в основата на действието на електрическия трансформатор. Първообразът на бъдещия трансформатор със затворена сърцевина за пръв път се появява през 1831 и 1832 г. в разработките на Фарадей и Джоузеф Хенри. Нито единият, нито другият обаче не отбелязват свойството му да променя напрежението и тока - т. е. да трансформира променливия ток.

През 1848 г. французинът Даниел Румкорф създава индукционна бобина с конструкция, която е първообраз на трансформаторите с отворена сърцевина. На 30 ноември 1876 г. руснакът Павел Яблочков получава патент за трансформатор с отворена магнитна сърцевина, демонстриран през следващата година в Париж като елемент от система за електрическо осветление.

Първата инсталация за пренос на променлив ток е реализирана през 1883 г. за осветяване на лондонското метро. Дължината на линията била 23 км, а напрежението - 1,5 kV, като са били използвани двунамотъчни трансформатори с отворена сърцевина, създадени през 1882 г. от Люсиен Голиар и Джон Гибс. Първите трансформатори със затворена магнитна сърцевина били създадени в Англия през 1884 г. от братята Джон и Едуард Холкинсон.

През 1885 г. унгарските инженери от фирмата Ганц и Ко – Ото Блати, Кароли Циперновски и Микша Дери създават двунамотъчен трансформатор със затворен мантиен магнитопровод, който изиграва ключова роля в по-нататъшното развитие на тази концепция.

През 1885 г., в резултат на експерименти с променливотоковия генератор на Сименс и трансформатора на Голиар и Гибс, американецът Уилям Стенли патентова конструкция на двунамотъчен трансформатор с Ш-образна сърцевина от магнитно мека стомана и регулируема междина, който се смята за най-близък първообраз на съвременните силови трансформатори.

Съществена роля за повишаване на надеждността на трансформаторите има въвеждането на масленото охлаждане (в края на 1880 г. от Д. Свинберн). Той поставил намотките в керамичен съд, запълнен с масло, което значително подобрило надеждността на изолацията на намотките, а през 1891 г. в заводите на Ерликон в Швейцария е произведен първият маслен трансформатор за високото по това време напрежение от 30 kV.

Top