Transformadors de potència: dispositiu i principi de funcionament
Quan es transporta electricitat a llargues distàncies, s'utilitza el principi de transformació per reduir les pèrdues. Amb aquesta finalitat, l'electricitat generada pels generadors s'alimenta a la subestació transformadora. Augmenta l'amplitud de la tensió que entra a la línia elèctrica.
L'altre extrem de la línia de transmissió està connectat a l'entrada de la subestació remota. En ella, es redueix la tensió per distribuir l'electricitat entre els consumidors.
En ambdues subestacions, els dispositius especials d'alimentació estan implicats en la transformació de l'electricitat d'alta potència:
1. transformadors;
2. autotransformadors.
Tenen moltes característiques i característiques comunes, però es diferencien en determinats principis de funcionament. Aquest article només descriu els primers dissenys on la transferència d'electricitat entre bobines individuals es deu a la inducció electromagnètica. En aquest cas, els harmònics de corrent i tensió que varien en amplitud conserven la freqüència d'oscil·lació.
Els transformadors s'utilitzen per convertir el corrent altern de baixa tensió a una tensió més alta (transformadors augmentadors) o una tensió més alta a una tensió més baixa (transformadors reductors). Els més estesos són els transformadors de potència d'aplicació general per a línies de transmissió i xarxes de distribució. Els transformadors de potència en la majoria dels casos es construeixen com a transformadors de corrent trifàsic.
Característiques del dispositiu
Els transformadors d'energia elèctrica s'instal·len en llocs estacionaris preparats prèviament amb fonaments sòlids. Es poden instal·lar pistes i rodets per col·locar-los a terra.
A la imatge següent es mostra una visió general d'un dels molts tipus de transformadors de potència que funcionen amb sistemes de tensió de 110/10 kV i amb una potència total de 10 MVA.
Alguns elements individuals de la seva construcció estan proveïts de signatures. Amb més detall, al dibuix es mostra la disposició de les parts principals i la seva disposició mútua.
Dins del dipòsit s'instal·la un nucli 9, sobre el qual es col·loquen els bobinatges amb bobinats de baixa tensió 11 i d'alta tensió 10. La paret frontal del transformador és 8. Els terminals del bobinatge d'alta tensió estan connectats a les entrades que passen per aïllants de porcellana. 2.
Els bobinatges per al bobinat de baixa tensió també estan connectats als cables que passen pels aïllants 3.La coberta s'enganxa a la vora superior del dipòsit i es col·loca una junta de goma entre elles per evitar que l'oli s'escapi a la junta entre el dipòsit i la tapa. Es foren dues fileres de forats a la paret del dipòsit, s'hi solden canonades de paret primes 7, per on flueix l'oli.
A la coberta hi ha un botó 1. En girar-lo, podeu canviar les espires de la bobina d'alta tensió per ajustar la tensió sota càrrega. Les pinces estan soldades a la coberta, sobre la qual es munta un dipòsit 5, anomenat expansor.
Disposa d'un indicador 4 amb tub de vidre per controlar el nivell d'oli i un tap amb filtre per a la comunicació amb l'aire circumdant 6. El transformador es mou sobre rodets 12, els eixos dels quals travessen les bigues soldades al fons del dipòsit. .
Quan circulen grans corrents, els bobinats del transformador estan sotmesos a forces que tendeixen a deformar-los. Per augmentar la força dels bobinatges, s'enrotllen en cilindres aïllants. Si es col·loca una tira quadrada en un cercle, l'àrea del cercle no s'utilitza completament. Per tant, les barres del transformador es fabriquen amb una secció transversal esglaonada mitjançant el muntatge a partir de làmines de diferents amplades.
Esquema hidràulic del transformador
La imatge mostra una composició i interacció simplificada dels seus elements principals.
S'utilitzen vàlvules especials i un cargol per omplir / drenar l'oli, i la vàlvula de tancament situada a la part inferior del dipòsit està dissenyada per prendre mostres d'oli i després realitzar-ne l'anàlisi química.
Principis de refrigeració
El transformador de potència té dos circuits de circulació d'oli:
1. extern;
2. intern.
El primer circuit està representat per un radiador format per col·lectors superior i inferior connectats per un sistema de tubs metàl·lics. Per ells passa oli escalfat que, en estar a les línies de refrigerant, es refreda i torna al dipòsit.
La circulació d'oli al dipòsit es pot fer:
-
d'una manera natural;
-
forçat per la creació de pressió en el sistema per bombes.
Sovint, la superfície del dipòsit augmenta creant ondulacions: plaques metàl·liques especials que milloren la transferència de calor entre l'oli i l'atmosfera circumdant.
La captació de calor del radiador a l'atmosfera es pot dur a terme bufant el sistema mitjançant ventiladors o sense aquests a causa de la convecció d'aire lliure. El flux d'aire forçat augmenta efectivament l'eliminació de calor de l'equip, però augmenta el consum d'energia per fer funcionar el sistema. Es poden reduir característica de càrrega del transformador fins a un 25%.
L'energia tèrmica alliberada pels transformadors moderns d'alta potència arriba a valors enormes. La seva mida es pot atribuir al fet que ara, a costa seva, van començar a implementar projectes per escalfar edificis industrials situats al costat de transformadors en funcionament constant. Mantenen les condicions òptimes de funcionament de l'equip, fins i tot a l'hivern.
Control del nivell d'oli al transformador
El funcionament fiable del transformador depèn en gran mesura de la qualitat de l'oli amb què s'omple el seu dipòsit. En funcionament, es distingeixen dos tipus d'oli aïllant: oli sec pur, que s'aboca al dipòsit, i oli de treball, que es troba al dipòsit durant el funcionament del transformador.
L'especificació de l'oli del transformador determina la seva viscositat, acidesa, estabilitat, cendres, contingut d'impureses mecàniques, punt d'inflamació, punt d'abocament, transparència.
Qualsevol condició de funcionament anormal del transformador afecta immediatament la qualitat de l'oli, per tant, el seu control és molt important en el funcionament dels transformadors. Comunicant-se amb l'aire, l'oli s'humiteja i s'oxida. La humitat es pot eliminar de l'oli netejant amb una centrífuga o un filtre premsa.
L'acidesa i altres violacions de les propietats tècniques només es poden eliminar regenerant l'oli en dispositius especials.
Les fallades internes del transformador, com ara defectes de bobinat, fallades d'aïllament, calefacció local o "incendi a la planxa", etc. provoquen canvis en la qualitat de l'oli.
L'oli es fa circular contínuament pel dipòsit. La seva temperatura depèn de tot un complex de factors que influeixen. Per tant, el seu volum canvia constantment, però es manté dins de certs límits. S'utilitza un dipòsit d'expansió per compensar les desviacions de volum de l'oli. És convenient controlar el nivell actual en ell.
Per a això s'utilitza un indicador d'oli. Els dispositius més senzills es fabriquen segons l'esquema de vaixells de comunicació amb una paret transparent, pre-classificats en unitats de volum.
La connexió d'aquest manòmetre en paral·lel amb el dipòsit d'expansió és suficient per controlar el funcionament. A la pràctica, hi ha altres indicadors de petroli que difereixen d'aquest principi d'acció.
Protecció contra la penetració d'humitat
Com que la part superior del dipòsit d'expansió està en contacte amb l'atmosfera, s'hi instal·la un assecador d'aire, que evita que la humitat penetri en l'oli i redueix les seves propietats dielèctriques.
Protecció de danys interns
És un element important del sistema d'oli relé de gas… S'instal·la dins de la canonada que connecta el dipòsit principal del transformador amb el dipòsit d'expansió. Per tant, tots els gasos alliberats quan s'escalfen per l'oli i l'aïllament orgànic passen pel recipient amb l'element sensible del relé de gas.
Aquest sensor es configura des de l'operació per a una formació de gas molt petita i permesa, però s'activa quan augmenta en dues etapes:
1. Emetre un senyal d'advertència lluminós/so al personal de servei per a l'aparició d'un mal funcionament quan s'arriba al valor establert del primer valor;
2. apagar els interruptors de potència a tots els costats del transformador per alliberar la tensió en cas de gasos violents, que indica l'inici de potents processos de descomposició del petroli i aïllament orgànic, que comencen amb curtcircuits dins del dipòsit.
Una funció addicional del relé de gas és controlar el nivell d'oli al dipòsit del transformador. Quan baixa a un valor crític, la protecció de gas pot funcionar segons la configuració:
-
només senyal;
-
apagar amb un senyal.
Protecció contra l'acumulació de pressió d'emergència dins del dipòsit
El tub de drenatge està muntat a la coberta del transformador de manera que el seu extrem inferior es comunica amb la capacitat del dipòsit i l'oli flueix a l'interior fins al nivell de l'expansor. La part superior del tub s'eleva per sobre de l'expansor i es retrau cap al costat, lleugerament doblegada.El seu extrem està tancat hermèticament per una membrana de seguretat de vidre, que es trenca en cas d'augment de pressió d'emergència a causa de l'aparició d'un escalfament indefinit.
Un altre disseny d'aquesta protecció es basa en la instal·lació d'elements de vàlvula que s'obren quan augmenta la pressió i es tanquen quan s'alliberen.
Un altre tipus és la protecció per sifó. Es basa en la ràpida compressió de les ales amb un fort augment del gas. Com a resultat, el pany que subjecta la fletxa, que en la seva posició normal es troba sota la influència d'una molla comprimida, és enderrocat. La fletxa alliberada trenca la membrana de vidre i, per tant, alleuja la pressió.
Esquema de connexió del transformador de potència
Dins de la carcassa del dipòsit es troben:
-
esquelet amb biga superior i inferior;
-
circuit magnètic;
-
bobines d'alta i baixa tensió;
-
ajust de les branques sinuoses;
-
aixetes de baixa i alta tensió
-
la part inferior de les bosses d'alta i baixa tensió.
El marc, juntament amb les bigues, serveix per subjectar mecànicament tots els components.
Disseny d'interiors
El circuit magnètic serveix per reduir les pèrdues del flux magnètic que passa per les bobines. Està fabricat amb graus d'acer elèctric mitjançant el mètode laminat.
El corrent de càrrega flueix pels bobinatges de fase del transformador. Els metalls es trien com a materials per a la seva producció: coure o alumini de secció rodona o rectangular. Per aïllar les voltes s'utilitzen marques especials de paper de cable o fil de cotó.
En els bobinats concèntrics utilitzats en els transformadors de potència, normalment es col·loca un bobinat de baixa tensió (BT) al nucli, que està envoltat per un bobinat d'alta tensió (HV) a l'exterior.Aquesta disposició dels bobinats, en primer lloc, permet moure el bobinat d'alta tensió del nucli i, en segon lloc, facilita l'accés als bobinats d'alta tensió durant les reparacions.
Per a un millor refredament de les bobines, entre les bobines queden canals formats per separadors aïllants i juntes entre les bobines. Per aquests canals circula l'oli que, en escalfar-se, pugen i després baixen per les canonades del dipòsit, on es refreden.
Les bobines concèntriques s'enrotllen en forma de cilindres situats l'un dins l'altre. Per al costat d'alta tensió, es crea un bobinatge continu o multicapa, i per al costat de baixa tensió, un bobinatge espiral i cilíndric.
El bobinatge BT es col·loca més a prop de la vareta: això facilita la realització d'una capa per al seu aïllament. A continuació, s'hi munta un cilindre especial, que proporciona aïllament entre els costats d'alta i baixa tensió, i s'hi munta el bobinatge d'alta tensió.
El mètode d'instal·lació descrit es mostra a la part esquerra de la imatge següent, amb la disposició concèntrica dels enrotllaments de la vareta del transformador.
El costat dret de la imatge mostra com es col·loquen bobinatges alternatius, separats per una capa aïllant.
Per augmentar la resistència elèctrica i mecànica de l'aïllament dels bobinatges, la seva superfície està impregnada amb un tipus especial de vernís gliftàlic.
Per connectar els bobinatges a un costat de la tensió, s'utilitzen els circuits següents:
-
estrelles;
-
triangle;
-
zig-zag.
En aquest cas, els extrems de cada bobina estan marcats amb lletres de l'alfabet llatí, tal com es mostra a la taula.
Tipus de transformador Costat de bobinat Baixa tensió Mitjana tensió Alta tensió Extrem inicial neutre Extrem inicial neutre Extrem inicial neutre Monofàsic a x — A Ht — A x — Dos bobinats trifàsics a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y amb G ° C Z Tres bobinatges tres fases a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z
Els terminals dels bobinatges estan connectats als conductors de baixada corresponents que es munten als cargols aïllants de la bobina situats a la coberta del dipòsit del transformador.
Per tal d'aconseguir la possibilitat d'ajustar el valor de la tensió de sortida, es fan branques als bobinatges. Al diagrama es mostra una de les variants de les branques de control.
El sistema de regulació de tensió està dissenyat amb la capacitat de canviar el valor nominal en un ± 5%. Per fer-ho, completeu cinc passos del 2,5% cadascun.
Per als transformadors d'alta potència, la regulació es crea normalment en un bobinatge d'alta tensió. Això simplifica el disseny de l'interruptor i permet millorar la precisió de les característiques de sortida proporcionant més girs en aquest costat.
En les bobines cilíndriques multicapa, les branques reguladores es fan a l'exterior de la capa a l'extrem de la bobina i estan situades simètricament a la mateixa alçada respecte al jou.
Per a projectes individuals de transformadors, es fan branques a la part mitjana. Quan s'utilitza un circuit invers, la meitat del bobinat es fa amb la bobina dreta i l'altra amb la bobina esquerra.
S'utilitza un interruptor trifàsic per canviar les aixetes.
Disposa d'un sistema de contactes fixos, que es connecten a les branques de les bobines, i de mòbils, que commuta el circuit, creant diferents circuits elèctrics amb contactes fixos.
Si les branques es fan prop del punt zero, un interruptor controla el funcionament de les tres fases alhora. Això es pot fer perquè la tensió entre les parts individuals de l'interruptor no supera el 10% del valor lineal.
Quan es fan aixetes a la part mitjana del bobinatge, s'utilitza el seu propi interruptor individual per a cada fase.
Mètodes d'ajust de la tensió de sortida
Hi ha dos tipus d'interruptors que permeten canviar el nombre de voltes de cada bobina:
1. amb reducció de càrrega;
2. sota càrrega.
El primer mètode triga més a completar-se i no és popular.
La commutació de càrrega permet una gestió més fàcil de les xarxes elèctriques proporcionant energia ininterrompuda als consumidors connectats. Però per fer-ho, cal tenir un disseny complex de l'interruptor, que està equipat amb funcions addicionals:
-
realitzar transicions entre branques sense interrupció dels corrents de càrrega connectant dos contactes adjacents durant la commutació;
-
limitant el corrent de curtcircuit dins del bobinat entre les aixetes connectades durant la seva posada en marxa simultània.
La solució tècnica a aquests problemes és la creació de dispositius de commutació operats per control remot, utilitzant reactors i resistències limitadores de corrent.
A la foto que es mostra al començament de l'article, el transformador de potència utilitza l'ajust automàtic de la tensió de sortida sota càrrega mitjançant la creació d'un disseny AVR que combina un circuit de relé per controlar un motor elèctric amb un actuador i contactors.
Principi i modes de funcionament
El funcionament d'un transformador de potència es basa en les mateixes lleis que en un de convencional:
-
Un corrent elèctric que passa per la bobina d'entrada amb un harmònic de les oscil·lacions variable en el temps indueix un camp magnètic canviant dins del circuit magnètic.
-
El flux magnètic canviant que penetra les espires de la segona bobina indueix un EMF en elles.
Modes de funcionament
Durant el funcionament i les proves, el transformador de potència pot estar en mode de funcionament o d'emergència.
Mode de funcionament creat connectant una font de tensió al bobinatge primari i la càrrega al secundari. En aquest cas, el valor del corrent als bobinatges no ha de superar els valors permesos calculats. En aquest mode, el transformador de potència ha de subministrar tots els consumidors connectats a ell durant molt de temps i de manera fiable.
Una variant del mode de funcionament són les proves sense càrrega i en curtcircuit per comprovar les característiques elèctriques.
Sense càrrega creada en obrir el circuit secundari per tancar el flux de corrent en ell. S'utilitza per determinar:
-
eficiència;
-
factor de transformació;
-
pèrdues en l'acer degudes a la magnetització del nucli.
Es crea un intent de curtcircuit curtcircuitant els terminals del bobinatge secundari, però amb una tensió subestimada a l'entrada del transformador a un valor capaç de crear un corrent nominal secundari sense superar-lo.Aquest mètode s'utilitza per determinar les pèrdues de coure.
Per als modes d'emergència, un transformador inclou qualsevol violació del seu funcionament, que condueix a una desviació dels paràmetres de funcionament fora dels límits dels seus valors permesos. Un curtcircuit dins dels bobinatges es considera especialment perillós.
Els modes d'emergència provoquen incendis d'equips elèctrics i el desenvolupament de conseqüències irreversibles. Són capaços de causar danys massius al sistema elèctric.
Per tant, per evitar aquestes situacions, tots els transformadors de potència estan equipats amb dispositius automàtics, de protecció i de senyalització, que estan dissenyats per mantenir el funcionament normal del bucle primari i desconnectar-lo ràpidament de tots els costats en cas d'un mal funcionament.