Ремонт и обслуживание трансформаторов

Введение

Одним из важнейших преимуществ  переменного тока перед постоянным является легкость и простота, с  которой можно преобразовать  переменный ток одного напряжения в  переменный ток другого напряжения. Достигается это посредством  простого и остроумного устройства – трансформатора, созданного в 1876 г. замечательным русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым.

П.Н. Яблочков предложил способ “дробления света” для своих свечей при помощи трансформатора. В дальнейшем конструкцию трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель И.Ф. Усагин, который предложил применять  трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других приемников.

Важная роль в развитии электротехники принадлежит М.О. Доливо-Добровольскому. Он разработал основы теории многофазных  и, в частности, трехфазных переменных токов и создал первые трехфазные электрические машины и трансформаторы. Трехфазный трансформатор современной  формы с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости, был сконструирован им в 1891 г. С тех  пор происходило дальнейшее конструктивное усовершенствования трансформаторов, уменьшалась их масса и габариты, повышалась экономичность. Основные положения  теории трансформаторов были разработаны  в трудах Е. Арнольда и М. Видмара.

Цель выпускной работы заключается в изучении трансформаторов, их применения, ремонта и эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Общие  сведения о трансформаторах

 

1. Назначение трансформаторов

 

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого  напряжения той же частоты. Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками  переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить  передачу электроэнергии на дальние  расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому  сильно уменьшаются потери энергии  в проводах и обеспечивается возможность  значительного уменьшения площади  сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные  на фабриках, заводах, в депо и жилых  домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к  тяговым двигателям и вспомогательным  цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых  в системах передачи и распределения  электроэнергии, промышленностью выпускаются  трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для  питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки  и других целей.

Трансформатор предназначен для преобразования (трансформации) электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого. Широкое применение нашли силовые  трансформаторы для повышения напряжения (повысительные) на электростанциях  и для понижения напряжения на подстанциях. Кроме того, изготовляют  специальные трансформаторы, применяемые  для плавки и сварки металла. Распространены трансформаторы для измерения высоких  напряжений и больших токов.

В зависимости от уровня напряжения и мощности различают  трансформаторы масляные и сухие. По конструкции они разделяются  на однофазные и трёхфазные.

Трансформаторы – это  наиболее распространённые устройства в современной электротехнике. Трансформаторы большой мощности  составляют основу систем передачи электроэнергии от электростанций в линии электропередачи. Они  повышают напряжение переменного тока, что необходимо для экономной  передачи электроэнергии на значительные расстояния. В местах распределения  энергии между потребителями  применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителей значений. Наряду с этим, трансформаторы являются элементами электроустановок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений необходимых для работы последних.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более обмоток  связанных индуктивно, и предназначенные  для преобразования посредством  электромагнитной индукции одной или  нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Обмотку, присоединённую к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой присоединяется нагрузка – вторичной. Обычно все  величины, относящиеся к первичной  обмотке трансформатора помечают индексом 1, а относящиеся ко вторичной – индексом 2.

Первичную обмотку трансформатора подсоединяют к питающей сети переменного  тока. Ток первичной обмотки имеет  активную и индуктивную составляющие. При разомкнутой вторичной обмотке, вследствие действия индуктивной составляющей тока, возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник. Активная составляющая тока определяется потерями, возникающими, в местах стали, при перемагничивании сердечника. Наибольшая часть потока сцеплённого с первичной  обмоткой, сцеплена также со всеми  обмотками фазы и является потоком  взаимоиндукции между обмотками, или  главным рабочим потоком. Другая часть полного потока сцеплена не со всеми витками первичной и  вторичной обмоток. Её называют потоком  рассеивания.

ЭДС обмотки пропорциональна  числу её витков. Отношение ЭДС  первичной и вторичной обмоток  называется коэффициентом трансформации, который пропорционален отношению  чисел витков первичной и вторичной  обмоток.

Силовой трансформатор является в энергосистеме одним из важнейших элементов, определяющих надежность электроснабжения. Его способность нести надлежащую нагрузку зависит от состояния отдельных узлов и отсутствия дефектов, которые могли бы перейти в повреждение трансформатора. Отказ крупного силового трансформатора в работе может привести к аварии в энергосистеме с широкомасштабными последствиями.

В настоящее время положение  в мировой энергетике характеризуется некоторыми особенностями, объясняющими повышенное внимание к надежности работы оборудования энергосистем, и в том числе силовых трансформаторов [1].

Развитие свободного рынка  электроэнергии во многих странах мира (большинство энергокомпаний в мире к настоящему времени являются частными) привело к усилению конкурентной борьбы между компаниями, производящими, передающими и распределяющими электроэнергию. Это в свою очередь привело к стремлению любыми средствами повысить рентабельность производства и снизить расходы на эксплуатацию парка оборудования. Для основного оборудования энергосистем прямым последствием этого явилось снижение капитальных вложений в обновление парка оборудования, стремление как можно дольше эксплуатировать уже работающее оборудование.

Другой особенностью настоящего момента, также вызываемой, главным  образом, конкуренцией, являются повышенные требования к качеству электроснабжения потребителей, к надежности работы оборудования. Эти требования противоречат желанию продлить срок работы установленного оборудования, и компромиссные решения являются весьма непростыми.

Особенностями эксплуатации трансформаторов в странах СНГ  в последние годы являются относительно низкие нагрузки, наличие в сети зон с повышенными рабочими напряжениями (особенно в сетях 500 кВ), отказ от регулярных профилактических ремонтов, прекращение замены силикагеля в адсорбционных фильтрах, снижение квалификации исполнителей внеплановых ремонтных работ.

Одним из главных  путей поддержания эксплуатационной надежности в таких условиях является организация  эффективного контроля состояния работающего оборудования.

 

 

 

 

 

 

1.2  Устройство трансформаторов

Трансформаторы в зависимости  от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 2, а) обмотки 2 охватывают стержни  магнитопровода 1; в броневом (рис. 2,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы бронирует  их; в тороидальном (рис. 2, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

Рис. 2. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

Трансформаторы большой  и средней мощности обычно выполняют  стержневыми. Их конструкция более  простая и позволяет легче  осуществлять изоляцию и ремонт обмоток. Достоинством их являются также лучшие условия охлаждения, поэтому они  требуют меньшего расхода обмоточных проводов. Однофазные трансформаторы малой мощности чаще всего выполняют  броневыми и тороидальными, так  как они имеют меньшую массу  и стоимость по сравнению со стержневыми  трансформаторами из-за меньшего числа  катушек и упрощения процесса сборки и изготовления. Тяговые трансформаторы с регулированием напряжения на стороне  низшего напряжения — стержневого  типа, а с регулированием на стороне  высшего напряжения — броневого  типа.

Рис. 3. Магнитопроводы однофазного  тягового (а) и силового трехфазного (б) трансформаторов: 1 — стержень; 2 — ярмовые балки; 3 — стяжные  шпильки; 4 — основание для установки  катушек; 5 — ярмо

Магнитопроводы трансформаторов (рис. 3) для уменьшения потерь от вихревых токов собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно применяют горячекатаную сталь  с высоким содержанием кремния  или холоднокатаную сталь. Листы  изолируют один от другого тонкой бумагой или лаком. Стержни магнитопровода трансформатора средней мощности имеют  квадратное или крестовидное сечение, а у более мощных трансформаторов  — ступенчатое, по форме приближающееся к кругу (рис.4, а). При такой форме  обеспечивается минимальный периметр стержня при заданной площади  поперечного сечения, что позволяет  уменьшить длину витков обмоток, а следовательно, и расход обмоточных проводов. В мощных трансформаторах  между отдельными стальными пакетами из которых собираются стержни, устраивают каналы шириной 5—6 мм для циркуляции охлаждающего масла. Ярмо, соединяющее  стержни, имеет обычно прямоугольное  сечение, площадь которого на 10—15% больше площади сечения стержней. Это  уменьшает нагрев стали и потери мощности в ней.

В силовых трансформаторах  магнитопровод собирают из прямоугольных  листов. Сочленение стержней и ярма обычно выполняют с взаимным перекрытием  их листов внахлестку. Для этого  листы в двух смежных слоях  сердечника располагают, как показано на рис. 4, б, г, т. е. листы стержней 1, 3 и ярма 2, 4 каждого последующего слоя перекрывают стык в соответствующих  листах предыдущего слоя, существенно  уменьшая магнитное сопротивление  в месте сочленения. Окончательную  сборку магнитопровода осуществляют после  установки катушек на стержни (рис. 4, в).

В трансформаторах малой  мощности магнитопроводы собирают из штампованных листов П- и Ш-образной формы или из штампованных колец (рис. 5, а—в).

Рис. 4. Формы поперечного  сечения (а) и последовательность сборки магнитопровода (б — г)

Большое распространение  получили также магнитопроводы (рис. 5,г—ж), навитые из узкой ленты  электротехнической стали (обычно из холоднокатаной стали) или из специальных железо-никелевых  сплавов.

Рис. 5. Сердечники однофазных трансформаторов малой мощности, собранные из штампованных листов (о, б), колец (в) и стальной ленты (г—ж)

 

Обмотки. Первичную и вторичную  обмотки для лучшей магнитной  связи располагают как можно  ближе друг к другу: на каждом стержне 1магнитопровода размещают либо обе  обмотки 2 и 3 концентрически одну поверх другой (рис.6,а), либо обмотки 2 и 3 выполняют  в виде чередующихся дисковых секций — катушек (рис.6,б). В первом случае обмотки называют концентрическими, во втором — чередующимися, или дисковыми. В силовых трансформаторах обычно применяют концентрические обмотки, причем ближе к стержням обычно располагают  обмотку низшего напряжения, требующую  меньшей изоляции относительно магнито-провода  трансформатора, снаружи — обмотку  высшего напряжения.

В трансформаторах броневого  типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают  катушки, принадлежащие обмотке  низшего напряжения. Отдельные катушки  соединяют последовательно или  параллельно. В трансформаторах  э. п. с, у которых вторичная обмотка  имеет ряд выводов для изменения  напряжения, подаваемого к тяговым  двигателям, на каждом стержне располагают  по три концентрических обмотки (рис.6, в). Ближе к стержню размещают  нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее  — регулируемую часть 6 вторичной  обмотки. Размещение регулируемой части  этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

В трансформаторах малой  мощности используют многослойные обмотки  из провода круглого сечения с  эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией, который наматывают на каркас из электрокартона; между слоями проводов прокладывают изоляцию из специальной бумаги или  ткани, пропитанной лаком.

 

Рис. 6. Расположение концентрических (а), дисковых (б) и концентрических  трехслойных (в) обмоток трансформатора

Непрерывную спиральную обмотку  используют в качестве первичной (высшего  напряжения) и регулируемой части  вторичной обмотки (низшего напряжения). Эта обмотка состоит из ряда последовательно  соединенных плоских катушек, имеющих  одинаковые размеры. Катушки расположены  друг над другом. Между ними устанавливают  прокладки и рейки из электрокартона, которые образуют горизонтальные и вертикальные каналы для прохода охлаждающей жидкости (масла).