КОНСТРУКЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатор является электротехническим устройством, осуществляющим преобразование электрической энергии с использованием явления электромагнитной индукции.

К его основным конструктивным элементам относятся:

• одна или несколько обмоток из проводникового материала (обычно из меди, реже из алюминия);
• магнитопровод (электромагнитный сердечник), изготавливаемый из ферромагнитного материала;
• изоляция — межвитковая, межслойная, межобмоточная, а также отделяющая обмотки от магнитопровода.

Витки обмотки могут размещаться на специальном каркасе, который одевается на магнитопровод. Каркас придаёт виткам обмотки необходимую жёсткость, а также играет роль дополнительной изоляции. Изготавливается каркас из электротехнического картона, гетинакса, текстолита или другого изоляционного материала и имеет форму катушки.

Технология изготовления трансформаторного магнитопровода зависит от назначения (классификации) устройства и формы его магнитной системы. Сердечники могут набираться из тонких пластин электротехнической стали, навиваться из лент либо изготавливаться прессованием из специальных ферромагнитных сплавов.

Форма сердечника обычно обеспечивает замкнутость магнитного потока через магнитопроницаемый материал, из которого он изготовлен. В трансформаторах специального назначения могут применяться магнитопроводы с зазором, препятствующим насыщению магнитного материала сердечника.

Наиболее распространены следующие конструкции трансформаторных магнитных систем:

• трёхстержневые (Ш – образные);
• двухстержневые (П – образные);
• кольцевые (О – образные), имеющие форму тора.

Трёхстержневые магнитопроводы могут иметь плоскую либо пространственную конфигурацию.

Трансформаторные обмотки выполняются изолированными проводами круглого сечения либо шинами, имеющими прямоугольный профиль. Диэлектрическое покрытие проводников обеспечивает необходимую изоляцию между витками обмотки.

Для нанесения на обмоточные проводники наружного изоляционного слоя используются специальные лаки, эмалевые составы, полимерные композиции.

В отдельных случаях для улучшения теплоотвода слои обмотки укладываются с промежутками, которые образуются за счёт дистанцирующих вставок. Материал, из которого изготавливаются вставки, должен обладать достаточной механической прочностью и изоляционными свойствами.

Традиционно вставки изготавливались из твёрдых пород дерева (обычно бука), однако в современных технологиях всё шире используются синтетические материалы.

Рассмотрим некоторые конструктивные особенности различных трансформаторов, в зависимости от их классификации по типу и назначению.

СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Для транспортировки электроэнергии на дальние расстояния используются высоковольтные линии электропередачи, что объясняется очень просто.

В соответствии с базовыми формулами электротехники, чем выше рабочее напряжение установки, тем меньше значение тока при той же мощности. Это означает, что высоковольтная электропередача позволяет сэкономить на сечении проводников и уменьшить потери электроэнергии на транспортировку.

Поэтому, после выработки электроэнергии на электростанции, её напряжение необходимо повысить для транспортировки по ЛЭП, а затем в точках потребления снова снизить для возможности подключения электрооборудования. Эти функции выполняются силовыми трансформаторами.

Магнитопроводы силовых трансформаторных преобразователей набираются из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали. Кстати, это относится к трансформаторам любого типа, которые предназначены для работы в сетях переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Такая конструкция позволяет снизить масштабы возникновения вихревых токов (токов Фуко), вызывающих значительный нагрев и потери мощности.

Классификация конструкций силовых трансформаторов включает три основные группы:

• масляные баковые конструкции, обмотки которых погружены в специальное трансформаторное масло, служащее изолятором и теплоносителем системы охлаждения;
• конструкции с сухо изолированными обмотками;
• конструкции с литой монолитной изоляцией.

Трансформаторы масляного типа представлены наиболее широко, несмотря на целый ряд неудобств, которые приносит их применение. Для эксплуатации маслонаполненного оборудования на подстанциях организуется специальное маслохозяйство, включающее ёмкости для хранения масла, установки для его перекачки и регенерации.

Однако все эти эксплуатационные минусы с лихвой перекрываются высокими изоляционными и теплоотводящими качествами жидкого масла. Обмотки маслонаполненных конструкций находятся внутри герметичного бака, поэтому влажность окружающего воздуха и атмосферные осадки не оказывают влияние на его работу.

Трансформаторы с сухой изоляцией не могут эксплуатироваться на открытом воздухе, к тому же основной сферой их применения являются электрические сети напряжением 6 – 10 кВ. Значительно надёжней обычной сухой изоляции является изоляция литого типа. Вся обмотка при этом заливается компаундом, образующим монолит.

Такая конструкция применяется в приборах до 35 кВ и по интенсивности отвода тепла значительно уступает масляным установкам.

Таким образом, в сегменте оборудования напряжением выше 35 кВ, масляные трансформаторы находятся вне конкуренции.

Способом снижения материалоемкости и стоимости оборудования подстанций является применение автотрансформаторов. В этой разновидности трансформаторного оборудования роль первичной и вторичной играет одна обмотка, имеющая промежуточные выводы (отпайки).

Применение автотрансформатора возможно в тех случаях, когда допустимо наличие гальванической связи между обмотками разного напряжения.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Назначение приборов данной классификации — преобразование первичных значений тока и напряжения, необходимое для работы устройств измерения, защиты и автоматики.

Первичные цепи измерительных трансформаторных преобразователей подключаются непосредственно к измеряемым цепям, вторичные — к измерительным приборам, цепям релейной защиты, системам автоматизированного управления. По существующей классификации к измерительным относятся трансформаторы тока и напряжения.

Трансформаторы тока (ТТ).

Основными частями конструкции этих приборов являются:

• первичная и вторичная токовые обмотки;
• магнитный сердечник из листов электротехнической стали;
• изоляционные материалы.

В зависимости от классификации по напряжению, ТТ может быть сухим, маслонаполненным либо литым. Отличие трансформатора тока от силового заключается в его назначении, параметрах обмотки и режиме работы.

Вторичная обмотка ТТ работает в режиме, близком к короткому замыканию. Его рабочая зона расположена на участке насыщения кривой намагничивания. Разрыв вторичных цепей ТТ в режиме его работы недопустим по причине возникновения повышенного напряжения и возможности пробоя изоляции.

Первичная обмотка ТТ подключается последовательно в разрыв измеряемой цепи, т.е. через неё протекает реальный первичный ток. Ток, протекающий во вторичной обмотке в Ктт раз меньше первичного, где Ктт — коэффициент трансформации трансформатора тока.

Трансформаторы напряжения (ТН).

В отличие от ТТ, к вторичным цепям ТН подключается нагрузка большого сопротивления, т.е. его режим близок к разрыву вторичной обмотки. Рабочая зона располагается в самом начале кривой намагничивания. Первичная обмотка подключается параллельно к измеряемой цепи, а напряжение во вторичных цепях в Ктн раз меньше первичного.

Преобразование первичных значений тока и напряжения необходимо для того, чтобы с ними могли работать приборы измерения, защиты и автоматики.

Импульсные трансформаторы.

Приборы данной классификации имеют применение в цепях переменного тока высокой частоты. В связи с этим, главным конструктивным отличием этих устройств является материал магнитного сердечника и технология его производства.

Импульсные трансформаторы имеют широкое применение, но наиболее массово используются в импульсных блоках питания различной бытовой и промышленной аппаратуры.

Применение технологии высокочастотного преобразования с импульсными преобразователями позволило кардинально уменьшить вес и габариты блоков питания, сварочной техники, автономных электрогенераторов и многих других технических устройств.