Vermogenstransformatoren - apparaat en werkingsprincipe
Bij het transporteren van elektriciteit over lange afstanden wordt het transformatieprincipe gebruikt om verliezen te verminderen. Hiervoor wordt de door de generatoren opgewekte elektriciteit aan het transformatorstation toegevoerd. Het verhoogt de amplitude van de spanning die de voedingslijn binnenkomt.
Het andere uiteinde van de transmissielijn is verbonden met de ingang van het externe onderstation. Hierop wordt de spanning verlaagd om de elektriciteit tussen consumenten te verdelen.
In beide onderstations zijn speciale voedingsapparaten betrokken bij de transformatie van krachtige elektriciteit:
1. transformatoren;
2. autotransformatoren.
Ze hebben veel gemeenschappelijke kenmerken en kenmerken, maar verschillen in bepaalde werkingsprincipes. Dit artikel beschrijft alleen de eerste ontwerpen waarbij de overdracht van elektriciteit tussen individuele spoelen het gevolg is van elektromagnetische inductie. In dit geval behouden stroom- en spanningsharmonischen die variëren in amplitude de oscillatiefrequentie.
Transformatoren worden gebruikt om laagspanningswisselstroom om te zetten naar een hogere spanning (step-up transformatoren) of een hogere spanning naar een lagere spanning (step-down transformatoren). De meest voorkomende zijn de vermogenstransformatoren voor algemene toepassing voor transmissielijnen en distributienetwerken. Vermogenstransformatoren zijn in de meeste gevallen gebouwd als driefasige stroomtransformatoren.
Apparaat kenmerken
Vermogenstransformatoren in elektriciteit worden geïnstalleerd op vooraf voorbereide stationaire locaties met een sterke fundering. Rupsen en rollen kunnen worden geïnstalleerd om op de grond te plaatsen.
Een algemeen beeld van een van de vele soorten vermogenstransformatoren die werken met 110/10 kV-spanningssystemen en met een totaal vermogen van 10 MVA wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Sommige individuele elementen van de constructie zijn voorzien van handtekeningen. Meer in detail is de opstelling van de hoofdonderdelen en hun onderlinge opstelling weergegeven in de tekening.
In de tank is een kern 9 geïnstalleerd, waarop de wikkelingen met laagspanningswikkelingen 11 en hoogspanning 10 zijn geplaatst.De voorwand van de transformator is 8. De klemmen van de hoogspanningswikkeling zijn verbonden met de ingangen die door porseleinen isolatoren gaan 2.
De wikkelingen voor de laagspanningswikkeling zijn ook verbonden met de draden die door de isolatoren 3 gaan.Het deksel wordt aan de bovenrand van de tank bevestigd en er wordt een rubberen pakking tussen geplaatst om te voorkomen dat er olie in de verbinding tussen de tank en het deksel lekt. In de wand van de tank worden twee rijen gaten geboord, daarin worden dunwandige buizen 7 gelast waar olie doorheen stroomt.
Op het deksel zit een knop 1. Door eraan te draaien kunt u de windingen van de hoogspanningsspoel wisselen om de spanning onder belasting aan te passen. Aan het deksel zijn klemmen gelast, waarop een tank 5, een expander genaamd, is gemonteerd.
Het heeft een indicator 4 met een glazen buis voor het bewaken van het oliepeil en een plug met een filter 6 voor communicatie met de omringende lucht.De transformator beweegt op rollen 12, waarvan de assen door de balken gaan die aan de bodem van de tank zijn gelast .
Wanneer er grote stromen vloeien, worden de transformatorwikkelingen onderworpen aan krachten die de neiging hebben ze te vervormen. Om de sterkte van de wikkelingen te vergroten, worden ze op isolerende cilinders gewikkeld. Als een vierkante strook in een cirkel wordt geplaatst, wordt de oppervlakte van de cirkel niet volledig gebruikt. Daarom worden de transformatorstaven gemaakt met een getrapte doorsnede door ze samen te stellen uit platen van verschillende breedtes.
Hydraulisch schema van de transformator
De afbeelding toont een vereenvoudigde compositie en interactie van de belangrijkste elementen.
Speciale kleppen en een schroef worden gebruikt om olie te vullen / af te tappen, en de afsluiter op de bodem van de tank is ontworpen om oliemonsters te nemen en vervolgens de chemische analyse uit te voeren.
Principes van koeling
De vermogenstransformator heeft twee oliecirculatiecircuits:
1. extern;
2. intern.
Het eerste circuit wordt vertegenwoordigd door een radiator die bestaat uit bovenste en onderste collectoren die zijn verbonden door een systeem van metalen buizen. Er gaat verwarmde olie doorheen, die zich in de koelmiddelleidingen bevindt, afkoelt en terugkeert naar de tank.
Oliecirculatie in de tank kan worden gedaan:
-
op een natuurlijke manier;
-
geforceerd door het creëren van druk in het systeem door pompen.
Vaak wordt het oppervlak van de tank vergroot door golvingen te creëren - speciale metalen platen die de warmteoverdracht tussen de olie en de omringende atmosfeer verbeteren.
De opname van warmte van de radiator naar de atmosfeer kan worden uitgevoerd door het systeem door ventilatoren of zonder ventilatoren te blazen vanwege vrije luchtconvectie. Geforceerde luchtstroom verhoogt effectief de warmteafvoer van de apparatuur, maar verhoogt het energieverbruik om het systeem te laten werken. Ze kunnen verminderen belastingskarakteristiek van de transformator tot 25%.
De thermische energie die vrijkomt bij moderne krachtige transformatoren bereikt enorme waarden. De omvang ervan kan worden toegeschreven aan het feit dat ze nu, op eigen kosten, projecten begonnen uit te voeren voor het verwarmen van industriële gebouwen naast constant werkende transformatoren. Ze zorgen voor optimale bedrijfsomstandigheden van de apparatuur, zelfs in de winter.
Oliepeilcontrole in de transformator
De betrouwbare werking van de transformator hangt in grote mate af van de kwaliteit van de olie waarmee de tank gevuld is. Tijdens bedrijf worden twee soorten isolatieolie onderscheiden: pure droge olie, die in de tank wordt gegoten, en werkolie, die zich in de tank bevindt tijdens de werking van de transformator.
De specificatie van de transformatorolie bepaalt de viscositeit, zuurgraad, stabiliteit, as, gehalte aan mechanische onzuiverheden, vlampunt, vloeipunt, transparantie.
Elke abnormale bedrijfsomstandigheden van de transformator hebben onmiddellijk invloed op de kwaliteit van de olie, daarom is de controle ervan erg belangrijk bij de werking van transformatoren. Door te communiceren met lucht wordt de olie bevochtigd en geoxideerd. Vocht kan uit de olie worden verwijderd door te reinigen met een centrifuge of filterpers.
Zuurgraad en andere schendingen van technische eigenschappen kunnen alleen worden verwijderd door de olie in speciale apparaten te regenereren.
Interne transformatorstoringen zoals wikkelingsdefecten, isolatiestoringen, lokale verwarming of "brand in het strijkijzer" enz. leiden tot veranderingen in de oliekwaliteit.
De olie circuleert continu in de tank. De temperatuur hangt af van een heel complex van beïnvloedende factoren. Daarom verandert het volume voortdurend, maar wordt het binnen bepaalde grenzen gehouden. Een expansievat wordt gebruikt om volumeafwijkingen van de olie te compenseren. Het is handig om het huidige niveau erin te volgen.
Hiervoor wordt een olie-indicator gebruikt. De eenvoudigste apparaten zijn gemaakt volgens het schema van communicatievaten met een transparante wand, vooraf ingedeeld in volume-eenheden.
Het parallel aansluiten van een dergelijke manometer aan het expansievat is voldoende om de werking te bewaken. In de praktijk zijn er andere olie-indicatoren die verschillen van dit werkingsprincipe.
Bescherming tegen binnendringen van vocht
Omdat het bovenste deel van het expansievat in contact staat met de atmosfeer, is er een luchtdroger in geïnstalleerd, die voorkomt dat vocht de olie binnendringt en de diëlektrische eigenschappen vermindert.
Bescherming tegen interne schade
Het is een belangrijk onderdeel van het oliesysteem gas relais… Het wordt geïnstalleerd in de leidingen die het hoofdtransformatorvat verbinden met het expansievat. Daarom gaan alle gassen die vrijkomen bij verhitting door de olie en organische isolatie door de container met het gevoelige element van het gasrelais.
Deze sensor is vanuit bedrijf ingesteld op een zeer kleine, toelaatbare gasvorming, maar wordt getriggerd wanneer deze in twee stappen toeneemt:
1. het geven van een licht/geluidswaarschuwingssignaal aan het servicepersoneel voor het optreden van een storing bij het bereiken van de ingestelde waarde van de eerste waarde;
2. om de stroomonderbrekers aan alle kanten van de transformator uit te schakelen om de spanning vrij te geven in geval van hevige vergassing, wat het begin aangeeft van krachtige ontbindingsprocessen van olie en organische isolatie, die beginnen met kortsluitingen in de tank.
Een extra functie van het gasrelais is het bewaken van het oliepeil in de transformatortank. Wanneer deze tot een kritische waarde daalt, kan de gasbeveiliging werken afhankelijk van de instelling:
-
alleen signaal;
-
uitschakelen met een signaal.
Bescherming tegen nooddrukopbouw in de tank
De afvoerleiding is zodanig op het deksel van de transformator gemonteerd dat het onderste uiteinde communiceert met de capaciteit van de tank en de olie naar binnen stroomt naar het niveau in de expander. Het bovenste deel van de buis komt boven de expander uit en trekt zich naar de zijkant terug, licht naar beneden gebogen.Het uiteinde is hermetisch afgesloten door een glazen veiligheidsmembraan, dat breekt in het geval van een noodverhoging van de druk als gevolg van het optreden van ongedefinieerde verwarming.
Een ander ontwerp van een dergelijke bescherming is gebaseerd op de installatie van klepelementen die openen wanneer de druk toeneemt en sluiten wanneer ze worden losgelaten.
Een ander type is sifonbeveiliging. Het is gebaseerd op de snelle compressie van de vleugels met een sterke stijging van het gas. Als gevolg hiervan wordt het slot dat de pijl vasthoudt, dat in zijn normale positie onder invloed staat van een samengedrukte veer, omvergeworpen. De losgelaten pijl breekt het glasmembraan en ontlast zo de druk.
Aansluitschema vermogenstransformator
In de tankbehuizing bevinden zich:
-
skelet met boven- en onderbalk;
-
magnetisch circuit;
-
hoog- en laagspanningsspoelen;
-
aanpassing van kronkelende takken;
-
laag- en hoogspanningskranen
-
de onderkant van de hoog- en laagspanningsbussen.
Het frame dient samen met de balken om alle componenten mechanisch te bevestigen.
Interieur ontwerp
Het magnetische circuit dient om de verliezen van de magnetische flux die door de spoelen gaat te verminderen. Het is gemaakt van soorten elektrisch staal met behulp van de gelamineerde methode.
De belastingsstroom vloeit door de fasewikkelingen van de transformator. Metalen worden gekozen als materialen voor hun productie: koper of aluminium met een ronde of rechthoekige doorsnede. Speciale merken kabelpapier of katoengaren worden gebruikt om de windingen te isoleren.
In concentrische wikkelingen die worden gebruikt in vermogenstransformatoren, wordt meestal een laagspanningswikkeling (LV) op de kern geplaatst, die wordt omgeven door een hoogspanningswikkeling (HV) aan de buitenkant.Deze opstelling van de wikkelingen maakt het ten eerste mogelijk om de hoogspanningswikkeling van de kern te verplaatsen en ten tweede vergemakkelijkt het de toegang tot de hoogspanningswikkelingen tijdens reparaties.
Voor een betere koeling van de spoelen worden er kanalen tussen gelaten die worden gevormd door isolerende afstandhouders en pakkingen tussen de spoelen. De olie circuleert door deze kanalen, die bij verhitting stijgen en vervolgens dalen door de leidingen van de tank, waarin ze worden gekoeld.
Concentrische spoelen zijn gewikkeld in de vorm van cilinders die zich in elkaar bevinden. Voor de hoogspanningszijde wordt een continue of meerlaagse wikkeling gecreëerd en voor de laagspanningszijde een spiraalvormige en cilindrische wikkeling.
De LV-wikkeling wordt dichter bij de staaf geplaatst: dit maakt het gemakkelijker om een laag voor de isolatie te maken. Vervolgens wordt er een speciale cilinder op gemonteerd, die zorgt voor isolatie tussen de hoog- en laagspanningszijde, en de HV-wikkeling wordt erop gemonteerd.
De beschreven installatiemethode is links op de onderstaande afbeelding weergegeven, met de concentrische opstelling van de transformatorstaafwikkelingen.
De rechterkant van de afbeelding laat zien hoe afwisselende wikkelingen zijn geplaatst, gescheiden door een isolerende laag.
Om de elektrische en mechanische sterkte van de isolatie van de wikkelingen te vergroten, is hun oppervlak geïmpregneerd met een speciaal type glyftaalvernis.
Om de wikkelingen aan één kant van de spanning aan te sluiten, worden de volgende circuits gebruikt:
-
sterren;
-
driehoek;
-
zigzag.
In dit geval zijn de uiteinden van elke spoel gemarkeerd met letters van het Latijnse alfabet, zoals weergegeven in de tabel.
Type transformator Wikkelzijde Laagspanning Middenspanning Hoogspanning Begin eind nul Begin eind nul Begin eind nul Enkelfasig a x — Bij Ht — A x — Twee wikkelingen driefasig a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y met G ° C Z Drie windingen drie fasen a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z
De aansluitingen van de wikkelingen zijn verbonden met de overeenkomstige neerwaartse geleiders die zijn gemonteerd op de isolatiebouten van de bus op het deksel van de transformatortank.
Om de mogelijkheid te realiseren om de waarde van de uitgangsspanning aan te passen, worden vertakkingen gemaakt op de wikkelingen. Een van de varianten van de besturingstakken wordt getoond in het diagram.
Het spanningsregelsysteem is ontworpen met de mogelijkheid om de nominale waarde binnen ± 5% te wijzigen. Voer hiervoor vijf stappen van elk 2,5% uit.
Voor krachtige vermogenstransformatoren wordt de regeling meestal gemaakt op een hoogspanningswikkeling. Dit vereenvoudigt het ontwerp van de aftapschakelaar en maakt het mogelijk om de nauwkeurigheid van de uitvoerkarakteristieken te verbeteren door meer windingen aan die kant te bieden.
Bij cilindrische spoelen met meerdere lagen zijn de regeltakken aan de buitenzijde van de laag aan het uiteinde van de spoel gemaakt en symmetrisch op dezelfde hoogte ten opzichte van het juk geplaatst.
Voor individuele projecten van transformatoren worden takken in het middengedeelte gemaakt. Bij gebruik van een omgekeerde schakeling wordt de ene helft van de wikkeling gedaan met de rechterspoel en de andere met de linkerspoel.
Voor het schakelen van de kranen wordt een driefasenschakelaar gebruikt.
Het heeft een systeem van vaste contacten, die zijn verbonden met de takken van de spoelen, en beweegbare, die het circuit schakelen, waardoor verschillende elektrische circuits met vaste contacten ontstaan.
Als de takken in de buurt van het nulpunt worden gemaakt, regelt één schakelaar de werking van alle drie de fasen tegelijk. Dit kan doordat de spanning tussen de afzonderlijke onderdelen van de schakelaar niet hoger is dan 10% van de lineaire waarde.
Als er in het midden van de wikkeling aftakkingen worden gemaakt, wordt voor elke fase een eigen, individuele schakelaar gebruikt.
Methoden voor het aanpassen van de uitgangsspanning
Er zijn twee soorten schakelaars waarmee u het aantal windingen op elke spoel kunt wijzigen:
1. met lastreductie;
2. onder belasting.
De eerste methode duurt langer om te voltooien en is niet populair.
Load-switching maakt het beheer van elektrische netwerken eenvoudiger door ononderbroken stroom te leveren aan aangesloten consumenten. Maar om dit te doen, moet u een complex ontwerp van de schakelaar hebben, dat is uitgerust met extra functies:
-
overgangen tussen takken uitvoeren zonder onderbreking van belastingsstromen door twee aangrenzende contacten te verbinden tijdens het schakelen;
-
het beperken van de kortsluitstroom in de wikkeling tussen de aangesloten kranen tijdens hun gelijktijdige inschakeling.
De technische oplossing voor deze problemen is het creëren van schakelapparaten die op afstand worden bediend, met behulp van stroombeperkende spoelen en weerstanden.
Op de foto aan het begin van het artikel gebruikt de vermogenstransformator automatische aanpassing van de uitgangsspanning onder belasting door een AVR-ontwerp te creëren dat een relaiscircuit combineert om een elektromotor te besturen met een actuator en schakelaars.
Principe en werkwijzen
De werking van een vermogenstransformator is gebaseerd op dezelfde wetten als bij een conventionele:
-
Een elektrische stroom die door de ingangsspoel gaat met een in de tijd variërende harmonische van de oscillaties induceert een veranderend magnetisch veld in het magnetische circuit.
-
De veranderende magnetische flux die de windingen van de tweede spoel binnendringt, wekt daarin een EMF op.
Wijzen van werking
Tijdens bedrijf en testen kan de voedingstransformator in de bedrijfs- of noodmodus staan.
Bedrijfsmodus gecreëerd door een spanningsbron aan te sluiten op de primaire wikkeling en de belasting op de secundaire. In dit geval mag de waarde van de stroom in de wikkelingen de berekende toegestane waarden niet overschrijden. In deze modus moet de transformator alle aangesloten verbruikers langdurig en betrouwbaar voeden.
Een variant van de bedrijfsmodus zijn de nullast- en kortsluittesten om de elektrische eigenschappen te controleren.
Geen belasting gecreëerd door het secundaire circuit te openen om de stroom erin af te sluiten. Het wordt gebruikt om te bepalen:
-
efficiëntie;
-
transformatiefactor;
-
verliezen in het staal door kernmagnetisatie.
Een poging tot kortsluiting wordt gecreëerd door de klemmen van de secundaire wikkeling kort te sluiten, maar met een onderschatte spanning aan de ingang van de transformator tot een waarde die in staat is een secundaire nominale stroom te creëren zonder deze te overschrijden.Deze methode wordt gebruikt om koperverliezen te bepalen.
Voor noodmodi omvat een transformator eventuele schendingen van zijn werking, wat leidt tot een afwijking van de bedrijfsparameters buiten de grenzen van hun toegestane waarden. Een kortsluiting in de wikkelingen wordt als bijzonder gevaarlijk beschouwd.
Noodmodi leiden tot brand in elektrische apparatuur en de ontwikkeling van onomkeerbare gevolgen. Ze zijn in staat enorme schade aan het elektriciteitssysteem aan te richten.
Om dergelijke situaties te voorkomen, zijn daarom alle vermogenstransformatoren uitgerust met automatische, beschermende en signalerende apparaten, die zijn ontworpen om de normale werking van de primaire lus te behouden en deze snel van alle kanten los te koppelen in geval van een storing.