Leistungstransformatoren – Gerät und Funktionsprinzip
Beim Transport von Strom über große Entfernungen wird das Prinzip der Transformation genutzt, um Verluste zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird der von den Generatoren erzeugte Strom in das Umspannwerk eingespeist. Es erhöht die Amplitude der Spannung, die in die Stromleitung gelangt.
Das andere Ende der Übertragungsleitung ist mit dem Eingang der entfernten Unterstation verbunden. Auf ihm wird die Spannung reduziert, um den Strom zwischen den Verbrauchern zu verteilen.
In beiden Umspannwerken sind spezielle Stromversorgungsgeräte an der Umwandlung von Hochleistungsstrom beteiligt:
1. Transformatoren;
2. Spartransformatoren.
Sie haben viele gemeinsame Merkmale und Eigenschaften, unterscheiden sich jedoch in bestimmten Funktionsprinzipien. In diesem Artikel werden nur die ersten Designs beschrieben, bei denen die Übertragung von Elektrizität zwischen einzelnen Spulen auf elektromagnetischer Induktion beruht. In diesem Fall bewahren Strom- und Spannungsharmonische mit unterschiedlicher Amplitude die Schwingfrequenz.
Transformatoren werden verwendet, um Niederspannungswechselstrom in eine höhere Spannung (Aufwärtstransformatoren) oder eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung (Abwärtstransformatoren) umzuwandeln. Am weitesten verbreitet sind Leistungstransformatoren für allgemeine Anwendungen in Übertragungsleitungen und Verteilungsnetzen. Leistungstransformatoren werden in den meisten Fällen als Drehstromwandler gebaut.
Geräteeigenschaften
Leistungstransformatoren für Elektrizität werden auf vorbereiteten stationären Standorten mit starken Fundamenten installiert. Zur Platzierung auf dem Boden können Schienen und Rollen installiert werden.
Eine Gesamtansicht einer der vielen Arten von Leistungstransformatoren, die mit 110/10-kV-Spannungssystemen arbeiten und eine Gesamtleistung von 10 MVA haben, ist im Bild unten dargestellt.
Einige einzelne Elemente seiner Konstruktion sind mit Signaturen versehen. Die Anordnung der Hauptteile und deren gegenseitige Anordnung ist in der Zeichnung genauer dargestellt.
Im Inneren des Tanks ist ein Kern 9 installiert, auf dem die Wicklungen mit Niederspannungswicklungen 11 und Hochspannungswicklungen 10 angeordnet sind. Die Vorderwand des Transformators ist 8. Die Anschlüsse der Hochspannungswicklung sind über Porzellanisolatoren mit den Eingängen verbunden 2.
Die Wicklungen für die Niederspannungswicklung sind ebenfalls mit den durch die Isolatoren 3 verlaufenden Drähten verbunden.Der Deckel wird am oberen Rand des Tanks befestigt und dazwischen wird eine Gummidichtung angebracht, um zu verhindern, dass Öl in die Verbindung zwischen Tank und Deckel eindringt. In die Tankwand werden zwei Lochreihen gebohrt, in die dünnwandige Rohre 7 eingeschweißt werden, durch die Öl fließt.
Auf der Abdeckung befindet sich ein Knopf 1. Durch Drehen können Sie die Windungen der Hochspannungsspule vertauschen, um die Spannung unter Last anzupassen. Am Deckel sind Klammern angeschweißt, auf denen ein Tank 5, ein sogenannter Expander, montiert ist.
Es verfügt über eine Anzeige 4 mit einem Glasrohr zur Überwachung des Ölstands und einen Stopfen mit Filter 6 zur Kommunikation mit der Umgebungsluft. Der Transformator bewegt sich auf Rollen 12, deren Achsen durch die am Boden des Tanks angeschweißten Träger verlaufen .
Wenn große Ströme fließen, sind die Transformatorwicklungen Kräften ausgesetzt, die dazu neigen, sie zu verformen. Um die Festigkeit der Wicklungen zu erhöhen, werden diese auf Isolierzylinder gewickelt. Wenn ein quadratischer Streifen in einem Kreis platziert wird, wird die Fläche des Kreises nicht vollständig genutzt. Daher werden die Transformatorstäbe mit einem abgestuften Querschnitt durch Zusammenfügen aus Blechen unterschiedlicher Breite hergestellt.
Hydraulikdiagramm des Transformators
Das Bild zeigt eine vereinfachte Zusammensetzung und das Zusammenspiel seiner Hauptelemente.
Zum Einfüllen/Ablassen des Öls werden spezielle Ventile und eine Schraube verwendet, und das Absperrventil am Boden des Tanks dient zur Entnahme von Ölproben und der anschließenden chemischen Analyse.
Prinzipien der Kühlung
Der Leistungstransformator verfügt über zwei Ölzirkulationskreisläufe:
1. extern;
2. intern.
Der erste Kreislauf besteht aus einem Heizkörper, der aus oberen und unteren Kollektoren besteht, die durch ein System aus Metallrohren verbunden sind. Durch sie strömt erhitztes Öl, das sich in den Kältemittelleitungen abkühlt und in den Tank zurückkehrt.
Die Ölzirkulation im Tank kann wie folgt erfolgen:
-
auf natürliche Weise;
-
erzwungen durch die Druckerzeugung im System durch Pumpen.
Oft wird die Oberfläche des Tanks durch die Schaffung von Riffelungen vergrößert – spezielle Metallplatten, die die Wärmeübertragung zwischen dem Öl und der umgebenden Atmosphäre verbessern.
Die Wärmezufuhr vom Kühler in die Atmosphäre kann durch Anblasen des Systems mit Ventilatoren oder ohne diese aufgrund der freien Luftkonvektion erfolgen. Durch den erzwungenen Luftstrom wird die Wärmeabfuhr aus dem Gerät effektiv erhöht, jedoch erhöht sich der Energieverbrauch für den Betrieb des Systems. Sie können reduzieren Belastungskennlinie des Transformators bis zu 25%.
Die von modernen Hochleistungstransformatoren freigesetzte Wärmeenergie erreicht enorme Werte. Seine Größe lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass nun auf seine Kosten Projekte zur Beheizung von Industriegebäuden umgesetzt wurden, die sich neben ständig in Betrieb befindlichen Transformatoren befanden. Sie sorgen auch im Winter für optimale Betriebsbedingungen der Geräte.
Ölstandskontrolle im Transformator
Der zuverlässige Betrieb des Transformators hängt in hohem Maße von der Qualität des Öls ab, mit dem sein Tank gefüllt ist. Im Betrieb werden zwei Arten von Isolieröl unterschieden: reines Trockenöl, das in den Tank eingefüllt wird, und Arbeitsöl, das sich während des Betriebs des Transformators im Tank befindet.
Die Spezifikation des Transformatorenöls bestimmt dessen Viskosität, Säuregehalt, Stabilität, Asche, Gehalt an mechanischen Verunreinigungen, Flammpunkt, Fließpunkt und Transparenz.
Alle abnormalen Betriebsbedingungen des Transformators wirken sich unmittelbar auf die Qualität des Öls aus. Daher ist seine Kontrolle beim Betrieb von Transformatoren sehr wichtig. Durch die Verbindung mit der Luft wird das Öl befeuchtet und oxidiert. Durch die Reinigung mit einer Zentrifuge oder Filterpresse kann dem Öl Feuchtigkeit entzogen werden.
Säure und andere Verstöße gegen technische Eigenschaften können nur durch die Regeneration des Öls in speziellen Geräten beseitigt werden.
Interne Transformatorausfälle wie Wicklungsfehler, Isolationsfehler, lokale Erwärmung oder „Brand im Eisen“ usw. führen zu Veränderungen der Ölqualität.
Das Öl zirkuliert kontinuierlich im Tank. Seine Temperatur hängt von einem ganzen Komplex von Einflussfaktoren ab. Daher ändert sich seine Lautstärke ständig, bleibt jedoch in bestimmten Grenzen. Um Volumenabweichungen des Öls auszugleichen, dient ein Ausgleichsbehälter. Es ist praktisch, den aktuellen Füllstand darin zu überwachen.
Hierzu wird ein Ölindikator verwendet. Die einfachsten Geräte werden nach dem Schema von Kommunikationsgefäßen mit transparenter Wand hergestellt, die in Volumeneinheiten vorab abgestuft sind.
Zur Überwachung des Betriebs reicht es aus, ein solches Manometer parallel zum Ausdehnungsgefäß anzuschließen. In der Praxis gibt es weitere Ölindikatoren, die von diesem Wirkprinzip abweichen.
Schutz gegen eindringende Feuchtigkeit
Da der obere Teil des Ausgleichsbehälters mit der Atmosphäre in Kontakt steht, ist darin ein Lufttrockner eingebaut, der das Eindringen von Feuchtigkeit in das Öl verhindert und dessen dielektrische Eigenschaften verringert.
Interner Schadensschutz
Es ist ein wichtiges Element des Ölsystems Gasrelais… Es wird in der Rohrleitung installiert, die den Haupttransformatorkessel mit dem Ausdehnungsgefäß verbindet. Daher passieren alle beim Erhitzen durch das Öl und die organische Isolierung freigesetzten Gase den Behälter mit dem empfindlichen Element des Gasrelais.
Dieser Sensor ist für eine sehr kleine, zulässige Gasbildung betriebsbereit, löst aber bei zunehmender Gasbildung in zwei Stufen aus:
1. bei Erreichen des eingestellten Wertes des ersten Wertes ein Licht-/Tonwarnsignal an das Servicepersonal für das Auftreten einer Störung abzugeben;
2. die Leistungsschalter auf allen Seiten des Transformators auszuschalten, um die Spannung im Falle einer heftigen Gasbildung freizugeben, was auf den Beginn starker Zersetzungsprozesse von Öl und organischer Isolierung hinweist, die mit Kurzschlüssen im Tank beginnen.
Eine weitere Funktion des Gasrelais ist die Überwachung des Ölstandes im Transformatorkessel. Beim Absinken auf einen kritischen Wert kann der Gasschutz je nach Einstellung wirken:
-
nur Signal;
-
mit einem Signal abschalten.
Schutz vor Notdruckaufbau im Tank
Das Abflussrohr ist am Deckel des Transformators so montiert, dass sein unteres Ende mit dem Tankinhalt in Verbindung steht und das Öl nach innen bis zum Niveau im Expander fließt. Der obere Teil des Rohres ragt über den Expander und zieht sich leicht nach unten gebogen zur Seite zurück.Sein Ende ist durch eine Glassicherheitsmembran hermetisch verschlossen, die bei einem Notdruckanstieg aufgrund undefinierter Erwärmung bricht.
Eine andere Gestaltung eines solchen Schutzes basiert auf dem Einbau von Ventilelementen, die sich bei Druckanstieg öffnen und bei Druckentlastung schließen.
Eine andere Art ist der Siphonschutz. Es basiert auf der schnellen Kompression der Flügel mit einem starken Anstieg des Gases. Dadurch wird das Schloss, das den Pfeil hält, der in seiner Normalposition unter dem Einfluss einer komprimierten Feder steht, niedergeschlagen. Der losgelassene Pfeil durchbricht die Glasmembran und entlastet so den Druck.
Anschlussplan für Leistungstransformatoren
Im Tankgehäuse befinden sich:
-
Skelett mit Ober- und Unterbalken;
-
Magnetkreis;
-
Hoch- und Niederspannungsspulen;
-
Anpassung der Wickelzweige;
-
Nieder- und Hochspannungsabgriffe
-
die Unterseite der Hoch- und Niederspannungsdurchführungen.
Der Rahmen dient zusammen mit den Trägern der mechanischen Befestigung aller Bauteile.
Innenarchitektur
Der Magnetkreis dient dazu, die Verluste des durch die Spulen fließenden Magnetflusses zu reduzieren. Es wird aus Elektrostahlsorten im laminierten Verfahren hergestellt.
Der Laststrom fließt durch die Phasenwicklungen des Transformators. Als Materialien für ihre Herstellung werden Metalle gewählt: Kupfer oder Aluminium mit rundem oder rechteckigem Querschnitt. Zur Isolierung der Windungen werden spezielle Marken aus Kabelpapier oder Baumwollgarn verwendet.
Bei konzentrischen Wicklungen, die in Leistungstransformatoren verwendet werden, wird normalerweise eine Niederspannungswicklung (LV) auf dem Kern platziert, die außen von einer Hochspannungswicklung (HV) umgeben ist.Diese Anordnung der Wicklungen ermöglicht zum einen die Entfernung der Hochspannungswicklung vom Kern und zum anderen erleichtert sie den Zugang zu den Hochspannungswicklungen bei Reparaturen.
Zur besseren Kühlung der Spulen bleiben zwischen den Spulen Kanäle frei, die durch isolierende Abstandshalter und Dichtungen zwischen den Spulen gebildet werden. Das Öl zirkuliert durch diese Kanäle, die beim Erhitzen aufsteigen und dann durch die Rohre des Tanks absinken, in denen sie abgekühlt werden.
Konzentrische Spulen sind in Form von ineinander liegenden Zylindern gewickelt. Für die Oberspannungsseite entsteht eine durchgehende oder mehrlagige Wicklung, für die Niederspannungsseite eine Spiral- und Zylinderwicklung.
Die NS-Wicklung ist näher am Stab platziert: Dies erleichtert die Bildung einer Schicht für die Isolierung. Darauf wird dann ein spezieller Zylinder montiert, der für die Isolierung zwischen Hoch- und Niederspannungsseite sorgt, und darauf wird die Hochspannungswicklung montiert.
Die beschriebene Installationsmethode ist auf der linken Seite des Bildes unten mit der konzentrischen Anordnung der Transformatorstabwicklungen dargestellt.
Die rechte Seite des Bildes zeigt, wie abwechselnde Wicklungen angeordnet sind, getrennt durch eine Isolierschicht.
Um die elektrische und mechanische Festigkeit der Wicklungsisolierung zu erhöhen, wird deren Oberfläche mit einem speziellen Glyphthallack imprägniert.
Um die Wicklungen auf einer Seite der Spannung anzuschließen, werden folgende Schaltungen verwendet:
-
Sterne;
-
Dreieck;
-
Zickzack.
In diesem Fall sind die Enden jeder Spule mit Buchstaben des lateinischen Alphabets gekennzeichnet, wie in der Tabelle gezeigt.
Transformatortyp Wicklungsseite Niederspannung Mittelspannung Hochspannung Startende Neutralleiter Startende Neutralleiter Startende Neutralleiter Einphasig a x — Bei Ht — A x — Zwei Wicklungen drei Phasen a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y mit G ° C Z Drei Wicklungen drei Phasen a x Bei Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z
Die Anschlüsse der Wicklungen sind mit den entsprechenden Ableitern verbunden, die auf den Durchführungsisolatorbolzen am Transformatorkesseldeckel montiert sind.
Um die Möglichkeit zu realisieren, den Wert der Ausgangsspannung anzupassen, werden an den Wicklungen Verzweigungen vorgenommen. Eine der Varianten der Steuerzweige ist im Diagramm dargestellt.
Das Spannungsregelungssystem ist so konzipiert, dass der Nennwert innerhalb von ± 5 % geändert werden kann. Führen Sie dazu fünf Schritte zu je 2,5 % durch.
Bei Hochleistungstransformatoren erfolgt die Regelung üblicherweise an einer Hochspannungswicklung. Dies vereinfacht das Design des Stufenschalters und ermöglicht eine Verbesserung der Genauigkeit der Ausgangseigenschaften durch die Bereitstellung von mehr Windungen auf dieser Seite.
Bei mehrschichtigen zylindrischen Spulen sind die Regelzweige an der Außenseite der Schicht am Ende der Spule angebracht und symmetrisch auf gleicher Höhe relativ zum Joch angeordnet.
Für einzelne Transformatorprojekte werden im Mittelteil Abzweigungen vorgenommen. Bei Verwendung einer Umkehrschaltung erfolgt die Wicklung auf einer Hälfte mit der rechten Spule und auf der anderen Hälfte mit der linken Spule.
Zum Schalten der Anzapfungen dient ein dreiphasiger Schalter.
Es verfügt über ein System aus festen Kontakten, die mit den Zweigen der Spulen verbunden sind, und beweglichen Kontakten, die den Stromkreis schalten und so verschiedene Stromkreise mit festen Kontakten erzeugen.
Wenn die Abzweigungen in der Nähe des Nullpunkts erfolgen, steuert ein Schalter den Betrieb aller drei Phasen gleichzeitig. Dies ist möglich, da die Spannung zwischen den einzelnen Teilen des Schalters 10 % des linearen Wertes nicht überschreitet.
Bei Anzapfungen im mittleren Teil der Wicklung wird für jede Phase ein eigener, individueller Schalter verwendet.
Methoden zur Einstellung der Ausgangsspannung
Es gibt zwei Arten von Schaltern, mit denen Sie die Anzahl der Windungen jeder Spule ändern können:
1. mit Lastreduzierung;
2. unter Last.
Die erste Methode dauert länger und ist nicht beliebt.
Die Lastumschaltung ermöglicht eine einfachere Verwaltung elektrischer Netzwerke, indem angeschlossene Verbraucher unterbrechungsfrei mit Strom versorgt werden. Dazu ist jedoch ein komplexes Design des Schalters erforderlich, der mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet ist:
-
Durchführen von Übergängen zwischen Zweigen ohne Unterbrechung der Lastströme durch Verbinden zweier benachbarter Kontakte während des Schaltens;
-
Begrenzung des Kurzschlussstroms innerhalb der Wicklung zwischen den angeschlossenen Anzapfungen beim gleichzeitigen Einschalten.
Die technische Lösung dieser Probleme ist die Schaffung ferngesteuerter Schaltgeräte unter Verwendung von strombegrenzenden Drosseln und Widerständen.
Auf dem am Anfang des Artikels gezeigten Foto nutzt der Leistungstransformator eine automatische Anpassung der Ausgangsspannung unter Last, indem er ein AVR-Design erstellt, das eine Relaisschaltung zur Steuerung eines Elektromotors mit einem Aktuator und Schützen kombiniert.
Prinzip und Wirkungsweise
Der Betrieb eines Leistungstransformators basiert auf den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei einem herkömmlichen:
-
Ein elektrischer Strom, der mit einer zeitlich veränderlichen Harmonischen der Schwingungen durch die Eingangsspule fließt, induziert ein sich änderndes Magnetfeld im Inneren des Magnetkreises.
-
Der sich ändernde magnetische Fluss, der die Windungen der zweiten Spule durchdringt, induziert in ihnen eine EMF.
Betriebsarten
Während des Betriebs und der Prüfung kann sich der Leistungstransformator im Betriebs- oder Notbetrieb befinden.
Betriebsart, die durch den Anschluss einer Spannungsquelle an die Primärwicklung und der Last an die Sekundärwicklung entsteht. In diesem Fall sollte der Wert des Stroms in den Wicklungen die berechneten zulässigen Werte nicht überschreiten. In diesem Modus muss der Leistungstransformator alle an ihn angeschlossenen Verbraucher lange und zuverlässig versorgen.
Eine Variante der Betriebsart sind die Leerlauf- und Kurzschlusstests zur Überprüfung der elektrischen Eigenschaften.
Leerlauf entsteht durch Öffnen des Sekundärkreises, um den Stromfluss darin zu unterbrechen. Es wird verwendet, um Folgendes zu bestimmen:
-
Effizienz;
-
Transformationsfaktor;
-
Verluste im Stahl aufgrund der Kernmagnetisierung.
Ein Kurzschlussversuch entsteht durch Kurzschließen der Anschlüsse der Sekundärwicklung, jedoch mit einer unterschätzten Spannung am Eingang des Transformators auf einen Wert, der einen sekundären Nennstrom erzeugen kann, ohne diesen zu überschreiten.Mit dieser Methode werden Kupferverluste ermittelt.
Zu den Notbetrieben eines Transformators gehören alle Verstöße gegen seinen Betrieb, die zu einer Abweichung der Betriebsparameter außerhalb der Grenzen ihrer zulässigen Werte führen. Als besonders gefährlich gilt ein Kurzschluss innerhalb der Wicklungen.
Notfallmodi führen zu Bränden elektrischer Geräte und zur Entwicklung irreversibler Folgen. Sie können das Stromnetz massiv schädigen.
Um solche Situationen zu verhindern, sind daher alle Leistungstransformatoren mit Automatik-, Schutz- und Signalgeräten ausgestattet, die den normalen Betrieb des Primärkreises aufrechterhalten und ihn im Störungsfall schnell von allen Seiten trennen sollen.