Výkonové transformátory: definice, klasifikace a princip činnosti

Nejběžnějšími elektrickými zařízeními v průmyslu a každodenním životě jsou transformátory. Jejich účelem je přenášet energii v nesrovnatelném elektrickém obvodu mezi jeho různými obvody. Používají se v případech, kdy je nutné snížit nebo zvýšit napětí mezi zdrojem energie a spotřebičem. Transformátory jsou také součástí napájecích obvodů, které převádějí střídavý proud na stejnosměrný proud. Činnost transformátorů je založena na jejich schopnosti přenášet elektřinu mezi obvody prostřednictvím magnetické indukce.

Výkonové transformátory jsou elektromagnetická zařízení určená k přeměně napětí střídavého proudu při zachování jeho frekvence a také k přeměně samotného napájecího systému.

Návrh a uspořádání výkonových transformátorů

Hlavní částí každého výkonového transformátoru je jeho jádro s několika vinutími, vyrobené z feromagnetického materiálu. Zpravidla se jedná o tenké plechy speciálního transformátorového železa s měkkými magnetickými vlastnostmi. Plechy jsou položeny tak, že tvar průřezu tyčí pod vinutím je blízký kruhu. Pro zvýšení účinnosti zařízení a snížení ztrát překrývají spoje mezi jednotlivými deskami celé plechy.

Vinutí transformátoru je obvykle vyrobeno z měděného drátu s obdélníkovým nebo kulatým průřezem. Každý závit je izolován od samotného magnetického jádra, stejně jako od sousedních závitů. Pro cirkulaci chladicí kapaliny jsou mezi vinutím a jeho jednotlivými vrstvami vytvořeny technické dutiny.

Každý transformátor má minimálně dvě vinutí: primární (do něj je přiváděn elektrický proud) a sekundární (proud se odebírá po přeměně jeho napětí).

Princip činnosti

Principem činnosti jakéhokoli výkonového transformátoru je fenomén elektromagnetické indukce. Do primárního vinutí je přiváděn střídavý proud, který tvoří střídavý magnetický tok v magnetickém obvodu. K tomu dochází v důsledku jeho zkratu na magnetickém obvodu a vytvoření adheze mezi vinutími, což vyvolává EMF. Zátěž připojená k sekundárnímu vinutí v něm vytváří napětí a proud.

Konstrukčně se pro získání jakéhokoli napětí na sekundárním vinutí používá požadovaný poměr závitů mezi vinutími. Výkonový transformátor má vlastnost reverzibility. Jinými slovy, lze jej použít ke zvýšení i snížení napětí. Ve většině případů se k řešení určitých problémů používá výkonový transformátor. Například konkrétně zvýšit nebo snížit napětí. U stupňovitého transformátoru je napětí na primárním vinutí nižší než na sekundárním.

Klasifikace výkonových transformátorů

V závislosti na napěťové třídě a celkové spotřebě energie jsou výkonové transformátory konvenčně rozděleny do následujících kategorií:

1. Do 100 kVA, do 35 kV;
2. 100 – 1000 kVA, do 35 kV;
3. 1000 – 6300 kVA, do 35 kV;
4. Více než 6300 kVA, až 35 kV;
5. Do 32 000 kVA, 35 – 110 kV;
6. 32 000 – 80 000 kVA, do 330 kV;
7. 80 000 – 200 000 kVA, do 330 kV;
8. Více než 200 000 kVA, více než 330 kV.

Typy výkonových transformátorů

Výkonové transformátory lze rozdělit do několika typů na základě následujících charakteristik a indikátorů:

• Typ chlazení. Existují suché a olejové transformátory. První varianta je vzduchem chlazená a používá se tam, kde jsou zvýšené požadavky na ochranu životního prostředí a požární bezpečnost. Druhou možností je pouzdro naplněné olejem s dielektrickými vlastnostmi, do kterého je ponořeno jádro s vinutími;
• Klimatický design: vnější a vnitřní možnosti;
• Počet fází. Existují třífázové (nejběžnější) a jednofázové;
• Počet závitů. Existují možnosti se dvěma vinutími a více vinutími;
• Účel: zvýšení a snížení.

Dalším kritériem je přítomnost nebo nepřítomnost regulátoru výstupního napětí.

Prvky výkonového transformátoru

Konstrukce výkonového transformátoru předpokládá přítomnost následujících prvků:

• Napájecí vstupy jsou zařízení, přes která je napájena zátěž. Může být umístěn uvnitř nebo venku. Průchodky jsou izolovány různými speciálními materiály a liší se typem izolace a provedením;
• Chladiče. Pro výkonné výkonové transformátory je k dispozici olejový chladicí systém. Chlazení samotného oleje se provádí pomocí radiátorů, vlnité nádrže, nucené ventilace, chladičů oleje a vody nebo oběhových čerpadel;
• Regulátory výstupního napětí jsou zařízení určená ke změně transformačního poměru. Mohou pracovat jak pod vlivem určité zátěže, tak bez ní (v závislosti na konstrukci). Regulátory v podstatě přidávají nebo snižují počet závitů ve vinutí.

Výkonové transformátory mohou být vybaveny dalšími nástavci:

• Plynové relé je zařízení s ochrannou funkcí. Pokud je transformátor nestabilní, olej se rozkládá na jeho složky, přičemž se uvolňuje plyn. Plynové relé buď vypne transformátor, nebo upozorní varovnými signály;
• Indikátory teploty – snímače, které měří teplotu oleje;
• Absorbéry vysoušedla jsou zařízení, která pohlcují kondenzát vytvořený pod ochranným krytem, ​​čímž zabraňují jeho vniknutí do oleje;
• systém regenerace oleje;
• Automatický ochranný systém proti zvýšení tlaku chladicí kapaliny;
• Ukazatel hladiny oleje.

Parametry výkonového transformátoru

• Jmenovitý výkon. U transformátoru se dvěma vinutími je parametr roven výkonu každého z nich. U verze se třemi vinutími s různými výkonovými vinutími se parametr rovná většímu z indikátorů;
• Jmenovité napětí vinutí je charakteristickým parametrem pro provoz naprázdno;
• Jmenovitý proud je indikátor, při kterém je povolen dlouhodobý provoz zařízení;
• Zkratové napětí je charakteristikou impedance vinutí.
• Ztráty zkratem;
• Proud naprázdno – ztráty materiálu magnetického jádra (reaktivní a aktivní);
• Ztráty proudu naprázdno;
• Transformační koeficient.

Jak vybrat napájecí transformátor

Výběr výkonového transformátoru pro provoz v podnicích je založen na výběru výkonu a také v souladu s požadavky na spolehlivost napájení. Pro zajištění nepřetržitého napájení je v některých případech nutné instalovat několik transformátorů. Výkon každého zařízení je volen tak, že v případě jeho výpadku jsou ostatní zařízení schopna převzít funkce tohoto chybějícího článku s přihlédnutím k možnému přetížení.

Dalším důležitým kritériem je dostupnost ochrany:

• Od vnitřního poškození. Vybaveno zařízeními, která monitorují přítomnost plynů, teplotu, tlak a hladinu olejového chladiče;
• Z přetížení. Při instalaci proudových transformátorů na každou fázi se používá tzv. diferenciální ochrana.

Oprava a údržba

Spolehlivost výkonových transformátorů přímo závisí na kvalitě a včasnosti jejich údržby. Zařízení instalovaná v prostorách, kde pracuje personál závodu, podléhají každodenní kontrole se sledováním ukazatelů hladiny oleje, stavu absorbéru a regeneračních zařízení. Kromě toho se kontroluje integrita těla a hlavních prvků. Transformátory v místnostech bez personálu jsou kontrolovány jednou měsíčně a transformátorové body – dvakrát ročně.

Neplánovaná kontrola výkonového transformátoru a jeho ochranných systémů se provádí v případě prudké změny okolní teploty a také v havarijních podmínkách. Zařízení pro regulaci napětí také podléhají pravidelné údržbě. Důvodem je oxidace kontaktních skupin, která vede ke zvýšení jejich přechodového odporu. Před sezónními změnami zátěže (obvykle dvakrát ročně) je zařízení odpojeno od spotřebičů a napájení, načež se regulátor napětí přesune postupně do všech možných poloh. Postup pomáhá zničit oxidový film.

Laboratorní rozbor oleje se provádí každý rok při větších opravách. Pokud olej při vizuální kontrole (barva) nebo podle kontrolních údajů nevyhovuje požadavkům, je vyměněn nebo dolit.

Výkonové transformátory instalované v elektrárnách a rozvodnách jsou určeny k přeměně elektřiny z jednoho napětí na druhé. Třífázové transformátory jsou nejrozšířenější, protože ztráty v nich jsou o 12-15% nižší a spotřeba aktivních materiálů a náklady jsou o 20-25% nižší než ve skupině tří jednofázových transformátorů o stejném celkovém výkonu.

Třífázové transformátory pro napětí 220 kV se vyrábí s kapacitou až 1000 MBA, pro 330 kV – 1250 MBA, pro 500 kV – 1000 MBA. Maximální jednotkový výkon transformátorů je omezen hmotností, velikostí a přepravními podmínkami.

Jednofázové transformátory se používají, pokud není možné vyrobit třífázové transformátory požadovaného výkonu nebo je obtížná jejich doprava. Nejvyšší výkon skupiny jednofázových transformátorů s napětím 500 kV je 3×533 MBA, napětí 750 kV je 3×417 MBA a napětí 1150 kV je 3×667 MBA.

Obr.1. Schémata zapojení transformátorů
a – dvouvinutí, b – třívinutí,
c – s děleným nízkonapěťovým vinutím

Na základě počtu vinutí různých napětí na fázi se transformátory dělí na dvouvinutí a třívinutí (obr. 1, a, b). Kromě toho mohou vinutí stejného napětí, obvykle nízkého, sestávat ze dvou nebo více paralelních větví, izolovaných od sebe a od uzemněných částí. Takové transformátory se nazývají transformátory s děleným vinutím (obr. 1, c). Vinutí vysokého, středního a nízkého napětí se obvykle označují zkratkami VN, VN, NN, resp.

Transformátory s děleným NN vinutím umožňují připojení několika generátorů k jednomu zvyšovacímu transformátoru. Takto zvětšené výkonové jednotky umožňují zjednodušit konstrukci rozváděče 330-500 kV. Transformátory s děleným nn vinutím se rozšířily v napájecích obvodech pro pomocné potřeby velkých tepelných elektráren s jednotkami 200-1200 MW a také na snižovacích rozvodnách za účelem omezení zkratových proudů.

Mezi hlavní parametry transformátoru patří jmenovitý výkon, napětí, proud; zkratové napětí; proud XX; ztráty XX a zkrat.

Jmenovitý výkon transformátoru je hodnota celkového výkonu uvedená v pasu výrobce, při které lze transformátor trvale zatěžovat za jmenovitých podmínek místa instalace a chladicího prostředí při jmenovité frekvenci a napětí.

U univerzálních transformátorů instalovaných venku a s přirozeným chlazením oleje bez foukání a s foukáním se za jmenovité podmínky chlazení považuje přirozeně se měnící teplota venkovního vzduchu (u klimatické verze U: denní průměr maximálně 30 °C, roční průměrně ne více než 20 °C) a u transformátorů s chlazením olej-voda se teplota vody na vstupu do chladiče považuje za maximálně 25 °C (GOST 11677-85). Jmenovitý výkon pro dvouvinutý transformátor je výkon každého jeho vinutí. Třívinuté transformátory mohou být vyrobeny s vinutími stejného i různého výkonu. V druhém případě se jako jmenovitý výkon bere nejvyšší ze jmenovitých výkonů jednotlivých vinutí transformátoru.

Jmenovitý výkon autotransformátoru se považuje za jmenovitý výkon každé ze stran, které mají mezi sebou autotransformátorové spojení („průchodový výkon“).

Transformátory se instalují nejen venku, ale také v uzavřených nevytápěných místnostech s přirozeným větráním. V tomto případě lze transformátory také trvale zatěžovat jmenovitým výkonem, ale životnost transformátoru se mírně snižuje vlivem horších podmínek chlazení.

Jmenovitá napětí vinutí jsou napětí primárního a sekundárního vinutí, když je transformátor naprázdno. U třífázového transformátoru je to jeho lineární (sdružené) napětí. U jednofázového transformátoru určeného k zapojení do třífázové skupiny zapojené do hvězdy je to V/√3. Když transformátor pracuje pod zatížením a jmenovité napětí je přiváděno na svorky jeho primárního vinutí, je napětí na sekundárním vinutí menší než jmenovité napětí o velikost ztráty napětí v transformátoru. Transformační poměr transformátoru je určen poměrem jmenovitých napětí vinutí vysokého a nízkého napětí:

U třívinutých transformátorů je určen transformační poměr každého páru vinutí: VN a NN; VN a SN; SN a NN.

Jmenovité proudy transformátoru jsou hodnoty proudů ve vinutí uvedené v továrním pasu, při kterých je povolen dlouhodobý normální provoz transformátoru.

Jmenovitý proud jakéhokoli vinutí transformátoru je určen jeho jmenovitým výkonem a jmenovitým napětím.

Zkratové napětí u_K – to je napětí, při přivedení na jedno z vinutí transformátoru s druhým vinutím nakrátko jím prochází proud rovný jmenovitému proudu.

Napětí nakrátko je určeno úbytkem napětí v transformátoru, charakterizuje celkový odpor vinutí transformátoru.

U třívinutých transformátorů a autotransformátorů je zkratové napětí určeno pro libovolný pár jeho vinutí s otevřeným třetím vinutím. Katalogy tedy poskytují tři hodnoty zkratového napětí: u_kV-NV_kV-SV_kS-N.

Protože indukční odpor vinutí je mnohem vyšší než aktivní (u malých transformátorů je to 2-3krát a u velkých 15-20krát), pak u_к záleží hlavně na reaktanci, tzn. relativní poloha vinutí, šířka kanálu mezi nimi, výška vinutí. Hodnota u_к regulované GOST v závislosti na napětí a výkonu transformátorů. Čím větší je vyšší napětí a výkon transformátoru, tím větší je napětí nakrátko. Transformátor 630 kVA s vyšším napětím 10 kV má tedy u_к=5,5 %, s vyšším napětím 35 kV u_к= 6,5 %; 80000 kVA transformátor s vyšším napětím 35 kV má u_к=9 %, a s vyšším napětím 110 kV u_к= 10,5 %.

Zvýšení hodnoty u_к, je možné snížit zkratové proudy na sekundární straně transformátoru, ale tím se výrazně zvyšuje spotřebovaný jalový výkon a náklady na transformátory. Pokud je transformátor 110 kV, provede se 25 MBA s u_к=20 % místo 10 %, pak se vypočítané náklady na něj zvýší o 15,7 % a spotřebovaný jalový výkon se zdvojnásobí (z 2,5 na 5,0 Mvar).

Třívinuté transformátory mohou mít dvě verze podle hodnoty u_к v závislosti na vzájemné poloze vinutí. Pokud je vinutí NN umístěno u magnetického jádra, vinutí VN je umístěno venku a vinutí VN je mezi nimi, pak má u největší hodnotu_kV-Na menší hodnotu u_kV-S. V tomto případě dojde ke snížení úbytku napětí vůči svorkám VN a omezení zkratového proudu v síti NN v důsledku zvýšené hodnoty u._kV-N.

Pokud je vinutí VN umístěno u magnetického jádra, vinutí VN je umístěno venku a vinutí NN je umístěno mezi nimi, pak má u největší hodnotu_kV-S, a menší u_kV-N. u hodnotu_kS-N zůstane stejný v obou verzích.

Proud naprázdno I_x charakterizuje aktivní a reaktivní ztráty v oceli a závisí na magnetických vlastnostech oceli, provedení a kvalitě sestavení magnetického obvodu a magnetické indukci. Proud naprázdno je vyjádřen v procentech jmenovitého proudu transformátoru. V moderních transformátorech s ocelí válcovanou za studena jsou proudy naprázdno malé.

Ztráty naprázdno P_x a zkrat P_к určit účinnost transformátoru. Ztráty naprázdno se skládají ze ztrát v oceli v důsledku převrácení magnetizace a vířivých proudů. K jejich snížení se používá elektroocel s nízkým obsahem uhlíku a speciálních přísad, za studena válcovaná ocel tloušťky 0,3 mm, jakosti 3405, 3406 atd. s tepelně odolným izolačním povlakem. Referenční knihy a katalogy poskytují hodnoty P_x pro úrovně A a B. Úroveň A se týká transformátorů vyrobených z elektrooceli s měrnými ztrátami maximálně 0,9 W/kg, úroveň B – se specifickými ztrátami maximálně 1,1 W/kg (při B = 1,5 T , f= 50 Hz).

Ztráty zkratem se skládají ze ztrát ve vinutích, když jimi protékají zatěžovací proudy a dalších ztrát ve vinutích a konstrukcích transformátoru. Další ztráty jsou způsobeny magnetickými rozptylovými poli, které vytvářejí vířivé proudy ve vnějších závitech vinutí a konstrukcí transformátorů (stěny nádrže, třmeny atd.). Pro jejich snížení jsou vinutí vyrobena z vícežilového transponovaného drátu a stěny nádrže jsou stíněny magnetickými bočníky.

V moderních konstrukcích transformátorů jsou ztráty výrazně sníženy. Například v transformátoru 250000 110 kVA, U=XNUMX kV (str_x= 200 kW, R_к=790 kW), celoroční provoz (T_max=6300 h), ztráty elektřiny budou činit 0,43 % elektřiny prošlé transformátorem. Čím nižší je výkon transformátoru, tím větší jsou v něm relativní ztráty.

V sítích elektrizační soustavy je instalováno velké množství transformátorů nízkého a středního výkonu, takže celkové ztráty elektřiny ve všech transformátorech v zemi jsou značné a je velmi důležité zlepšit konstrukci transformátorů, aby se šetřila elektřina za účelem dalšího snížit hodnoty P_х a R_к.