Konstrukce a princip činnosti výkonových transformátorů

Elektrický přístroj se dvěma, třemi nebo více vinutími, staticky instalovaný v elektrické síti. Výkonový transformátor mění střídavé napětí a proud bez odchylky frekvence. Měnič použitý v sekundárním napájení se nazývá snižovač. Zesilovací konstrukce zvyšují napětí a používají se v přenosových vedeních vysokého napětí s vysokým výkonem, kapacitou a výkonem.

Aplikace

Výkonové transformátory jsou součástí zařízení pro výrobu elektřiny. Elektrárny využívají energii z atomu, fosilních, pevných nebo kapalných paliv, pracují na plyn nebo využívají vodní energii, ale pro normální fungování spotřebičů a výrobních linek jsou nezbytné výstupní transformátory rozvoden.

Jednotky jsou instalovány v sítích průmyslových závodů, venkovských podniků, obranných komplexů, ropných a plynových nalezišť. Přímý účel výkonového transformátoru - snižování a zvyšování napětí a proudu - se používá pro provoz dopravy, bydlení, komerční infrastruktury a síťových distribučních zařízení.

Hlavní části a systémy

Napájecí napětí a zátěž jsou připojeny k průchodkám umístěným na vnitřní nebo vnější svorkovnici. Kontakt se upevňuje pomocí šroubů nebo speciálních konektorů. U jednotek s olejovou náplní jsou pouzdra umístěna vně na bocích nádrže nebo na víku odnímatelného krytu.

Přenos z vnitřního vinutí se provádí pomocí pružných tlumičů nebo závitových tyčí z neželezných kovů. Výkonové transformátory a jejich skříně jsou od kolíků izolovány porcelánovou nebo plastovou vrstvou. Mezery jsou eliminovány těsněním z materiálu odolného vůči olejům a syntetickým kapalinám.

Chladiče snižují teplotu oleje z horní části nádrže a přenášejí ji do boční spodní vrstvy. Chladicí jednotku olejového transformátoru představuje:

• vnější obvod, který odvádí teplo z média;
• Vnitřní obvod, který ohřívá olej.

Existují různé typy chladičů:

• chladiče - sada plochých kanálů přivařených na konci, uspořádaných v deskách pro komunikaci mezi spodním a horním rozdělovačem;
• vlnité nádrže - instalují se v jednotkách s nízkým a středním výkonem a představují jak nádrž pro snížení teploty, tak pracovní nádrž se zalomenými stěnami a spodní skříní;
• ventilátory - používají se ve velkých transformátorech pro nucené chlazení chladicího proudu;
• výměníky tepla - používají se ve velkých jednotkách pro pohyb syntetických kapalin pomocí čerpadla, protože organizace přirozeného oběhu vyžaduje mnoho místa;
• jednotky voda-olej - trubkové výměníky tepla využívající klasickou technologii;
• Oběhová čerpadla - hermeticky utěsněná provedení s plně ponořeným motorem bez těsnicího kroužku.

Zařízení pro transformaci napětí je vybaveno regulátory pro změnu počtu provozních cívek. Sekundární napětí se mění pomocí přepínače počtu cívek nebo se nastavuje pomocí šroubového spoje s volbou uspořádání propojky. Takto jsou připojeny přívody uzemněného nebo beznapěťového transformátoru. Řídicí moduly převádějí napětí v malých rozsazích.

V závislosti na podmínkách se regulátory napětí dělí na typy:

• jednotky, které pracují při vypnuté zátěži;
• prvky, které fungují, když je sekundární vinutí zkratováno na odpor.

Příloha

Plynové relé je umístěno ve spojovacím potrubí mezi expanzní a provozní nádrží. Zařízení zabraňuje rozkladu izolačních organických látek, oleje při přehřátí a drobnému poškození systému. Zařízení reaguje na zplynování v případě poruchy, vydává poplach nebo zcela vypne systém v případě zkratu nebo nebezpečně nízké hladiny kapaliny.

Termočlánky jsou umístěny na horní části nádrže v kapsách pro měření teploty. Pracují na principu matematického výpočtu, aby určili nejteplejší část jednotky. Moderní senzory jsou založeny na technologii optických vláken.

Kontinuální regenerační jednotka slouží k obnově a čištění oleje. V olejové hmotě vzniká struska a vzduch. Existují dva typy regeneračních jednotek:

• termosifony, které využívají přirozeného pohybu ohřátých vrstev směrem vzhůru a procházejí filtrem, a poté spouštějí ochlazené proudy na dno nádrže;
• kvalitní adsorpční jednotky protlačují olej přes filtry pomocí čerpadla, jsou umístěny samostatně na základně a používají se v předimenzovaných okruzích měničů.

Ochranné moduly oleje jsou otevřeným typem expanzní nádoby. Vzduch nad povrchem hmoty prochází přes silikagelové vysoušedlo. Při maximální vlhkosti se adsorpční činidlo zbarví do růžova, což slouží jako signál k jeho výměně.

Na horní straně expandéru je nainstalováno olejové těsnění. Jedná se o zařízení pro snížení vlhkosti vzduchu, které je provozováno se suchým transformátorovým olejem. K expanzní nádobě se připojuje pomocí zásuvky. Nahoře je svařena nádoba s vnitřním oddělením v podobě několika stěn ve tvaru labyrintu. Vzduch prochází olejem, odvádí vlhkost, poté se čistí silikagelem a proudí do konzervátoru oleje.

Řídicí zařízení

Přetlakové zařízení zabraňuje nouzovému nárůstu tlaku v důsledku zkratu nebo silného rozkladu oleje a je součástí konstrukce těžkých jednotek v souladu s GOST 11677-1975. Zařízení je navrženo jako vypouštěcí trubka skloněná směrem ke krytu transformátoru. Na konci je utěsněná membrána, kterou lze okamžitě odklopit a umožnit průchod výfukových plynů.

Kromě toho jsou v transformátoru instalovány další moduly:

1. Na konci expandéru jsou umístěny snímače hladiny oleje v nádrži, které jsou opatřeny číselníkem nebo jsou vyrobeny ve formě skleněné trubice komunikujících nádob.
2. Vestavěné transformátory jsou umístěny uvnitř jednotky nebo v blízkosti uzemňovací hadice na straně přípojnic nebo na nízkonapěťových přípojnicích. V takovém případě není potřeba velký počet samostatných střídačů v rozvodně s vnitřní a vnější izolací.
3. Detektor hořlavých nečistot a plynů detekuje vodík v olejové hmotě a vytlačuje jej přes membránu. Zařízení ukazuje počáteční stupeň zplynování předtím, než koncentrovaná směs uvede monitorovací relé do činnosti.
4. Průtokoměr monitoruje ztráty oleje v rozvodnách na principu nuceného snižování teploty. Zařízení měří rozdíl výšek a určuje tlak na obou stranách vzniklé překážky v proudění. U vodou chlazených jednotek odečítají průtokoměry spotřebu vlhkosti. Prvky jsou vybaveny alarmem pro případ poruchy a číselníkem pro odečet hodnot.

Princip funkce a způsoby fungování

Jednoduchý transformátor je vybaven jádrem z permalloy, feritem a dvěma vinutími. Magnetický obvod obsahuje sadu páskových, deskových nebo lisovaných prvků. Pohybuje se magnetickým tokem generovaným elektřinou. Principem výkonového transformátoru je indukční převod hodnot proudu a napětí, přičemž frekvence a tvar pohybu nabitých částic zůstávají konstantní.

U zvyšovacích transformátorů je v obvodu na sekundárním vinutí vyšší napětí než na primární cívce. U snižovacích jednotek je vstupní napětí vyšší než výstupní napětí. Cívka se spirálovým vinutím je umístěna v nádobě s olejem.

Při zapnutí střídavého proudu vzniká v primární cívce střídavé magnetické pole. Uzavře se na jádře a ovlivní sekundární obvod. Vzniká elektromotorická síla, která se na výstupu transformátoru přenáší na připojené zátěže. Existují tři režimy provozu:

1. Volnoběžný chod je charakterizován otevřeným stavem sekundární cívky a absencí proudu ve vinutí. V primární cívce proudí naprázdno 2-5 % jmenovité hodnoty.
2. Provoz zátěže probíhá při připojeném napájení a spotřebičích. Výkonové transformátory vykazují energii ve dvou vinutích, provoz v této regulaci je pro jednotku běžný.
3. Zkrat, při kterém zůstává jedinou zátěží odpor na sekundární cívce. Tento režim umožňuje detekovat ztráty pro zahřátí vinutí jádra.

Režim nečinnosti

Elektrický proud v primární cívce je roven magnetizačnímu střídavému proudu a sekundární proud vykazuje nulu. Elektromotorická síla primární cívky v případě feromagnetického jádra zcela nahrazuje napětí zdroje a nevznikají žádné zatěžovací proudy. Provoz naprázdno odhalí okamžité spínací ztráty a vířivé proudy, určí kompenzaci jalového výkonu pro udržení požadovaných výstupních napětí.

V jednotce bez feromagnetického vodiče nedochází ke ztrátě změny magnetického pole. Proud naprázdno je úměrný odporu primárního vinutí. Schopnost odolávat průchodu nabitých elektronů se mění změnou frekvence proudu a velikosti indukce.

Provoz při zkratu

Na primární cívku je přivedeno malé střídavé napětí, výstupy sekundární cívky jsou zkratovány. Vstupní napětí se nastaví tak, aby zkratový proud odpovídal vypočtené nebo jmenovité hodnotě jednotky. Velikost zkratového napětí určuje ztráty v cívkách transformátoru a průtok proti materiálu vodiče. Část stejnosměrného proudu překonává odpor a přeměňuje se na tepelnou energii, jádro se zahřívá.

Zkratové napětí se vypočítá jako procento jmenovité hodnoty. Parametr získaný při provozu v tomto režimu je důležitou charakteristikou jednotky. Jeho vynásobením zkratovým proudem získáme ztrátovou kapacitu.

Provozní režim

Při připojení zátěže dochází v sekundárním obvodu k pohybu částic, který způsobuje magnetický tok ve vodiči. Směřuje v opačném směru než tok vytvářený primární cívkou. V primární cívce dochází k nesouladu mezi elektromotorickou silou indukce a napájením. Proud v primární cívce roste, dokud magnetické pole nenabude své původní hodnoty.

Magnetický tok indukčního vektoru charakterizuje průchod pole zvolenou plochou a je určen časovým integrálem okamžitého indexu síly v primární cívce. Index je vůči hnací síle fázově posunut o 90˚. Indukované EMF v sekundárním obvodu má stejný tvar a fázi jako v primární cívce.

Typy a druhy transformátorů

Výkonové jednotky se používají v případě převodu vysokonapěťového proudu a velkých výkonů, nepoužívají se pro měření v síti. Instalace je oprávněná v případě rozdílu mezi napětím v síti výrobce energie a v obvodu vedoucím ke spotřebiteli. V závislosti na počtu fází lze zařízení rozdělit na jednotky s jednou cívkou nebo jednotky s více cívkami.

Jednofázový výkonový měnič je instalován staticky a vyznačuje se vzájemně indukčně spojenými vinutími, která jsou stacionární. Jádro je navrženo jako uzavřený rám a rozlišuje spodní jho, horní jho a boční tyče cívky. Aktivními prvky jsou cívky a magnetický obvod.

Ovinutí na tyčích jsou uspořádána v předepsaných kombinacích z hlediska počtu a tvaru závitů nebo jsou uspořádána soustředně. Nejběžnější a nejčastěji používané jsou válcové obaly. Konstrukční prvky jednotky upevňují díly stanice, izolují průchody mezi cívkami, chladí díly a zabraňují poruchám. Podélná izolace pokrývá jednotlivé závity nebo kombinace závitů na jádře. Hlavní dielektrika slouží k zabránění přechodu mezi zemí a vinutím.

V třífázových elektrických obvodech se používají dvou- a třízávitové jednotky, které rovnoměrně rozdělují zátěž mezi vstupy a výstupy, nebo jednofázové náhradní jednotky. Transformátory chlazené olejem obsahují magnetické jádro s vinutím, které je umístěno v nádrži s látkou.

Chrániče jsou uspořádány na společném vodiči s primárním a sekundárním obvodem, které na sebe vzájemně působí generováním společného pole, proudu nebo polarizace při pohybu nabitých elektronů magnetickým prostředím. Tato společná indukce ztěžuje určení výkonu instalace, vysokého a nízkého napětí. Používá se náhradní plán transformátoru, ve kterém vinutí působí spíše v elektrickém než magnetickém prostředí.

Princip ekvivalence se aplikuje na rozptylové toky odporů indukčních cívek, kterými protéká proud. Rozlišují se cívky s činným indukčním odporem. Druhým typem jsou magneticky vázané cívky, které přenášejí částice bez rozptylu toků s minimálními rušivými vlastnostmi.

Související články: