Transformator podwyższający: cechy konstrukcyjne urządzeń zdolnych do zwiększania i zmniejszania napięcia

Transformator przetwarza energię elektryczną w sieciach i instalacjach przeznaczonych do odbioru i pracy z energią elektryczną. Transformator podwyższający napięcie jest statyczną jednostką zasilaną ze źródła napięcia, która przekształca dużą moc w małą moc. Służy do izolowania logicznych obwodów ochronnych i linii pomiarowych od wysokiego napięcia.

Koncepcja transformatora

Urządzenie elektromagnetyczne z dwoma lub więcej uzwojeniami sprzężonymi indukcyjnie na obwodzie magnetycznym nazywa się transformatorem. Jest przeznaczony do zmiany napięcia AC przy zachowaniu częstotliwości i jest używany do produkcji, przesyłania i odbioru energii elektrycznej.

Jednostka podnosząca napięcie zawiera cewkę z drutu otoczoną liniami magnetycznymi umieszczonymi na rdzeniu w celu przewodzenia strumienia. Materiałem rdzenia są stopy ferromagnetyczne. Jednostka pracuje z dużymi mocami, jej wykorzystanie wynika z różnych wskaźników napięć linii miejskich (około 6,2 kV), obwód odbiorczy (0,4 kV) i moc wymagana do działania urządzeń elektrycznych i maszyn (od pojedynczych odczytów do kilku setki kilowoltów).

Zastosowanie w sieciach

Urządzenia są instalowane w liniach elektrycznych i zasilaczach punktów odbiorczych. Zgodnie z prawem Joule-Lenza wraz ze wzrostem prądu uwalniane jest ciepło, które podgrzewa drut. Aby przesyłać energię na duże odległości liniowe, napięcie jest zwiększane, a prądy zmniejszane. Po dostarczeniu do konsumenta moc jest zmniejszona, ponieważ ze względów bezpieczeństwa konieczne byłoby zastosowanie masywnej izolacji.

Na początku łańcucha zainstalowany jest transformator podwyższający, aw punkcie odbioru wskaźniki są obniżane. Takie kombinacje są wielokrotnie używane w całej linii przesyłowej energii, osiągając korzystne warunki do transportu energii elektrycznej i tworząc dopuszczalne wartości dla konsumenta.

Ze względu na obecność w sieci trzech faz, do przetwarzania energii wykorzystywane są jednostki trójfazowe. Czasami używa się grupy, w której urządzenia są połączone w model gwiazdy, podczas gdy mają wspólny pręt przewodzący.

Mimo że sprawność bloków dużej mocy sięga prawie stu procent, nadal wytwarza się dużo ciepła. Typowy transformator elektrowni o mocy 1 GW wytwarza kilka megawatów. Aby zredukować to zjawisko opracowano układ chłodniczy w postaci zbiornika z niepalnym płynem lub olejem transformatorowym i silnym powietrznym urządzeniem rozprowadzającym ciepło. Chłodzenie to często woda, zasada sucha jest stosowana przy niskiej mocy.

System magnetyczny

Obwód magnetyczny to zespół płytek lub innych elementów wykonanych ze stali elektrotechnicznej, skomponowanych w wybranej konfiguracji geometrycznej. Struktura zawiera pola jednostki. Zmontowany rdzeń magnetyczny wraz z węzłami i elementami łączącymi tworzy szkielet transformatora. Część, na której nawinięte są uzwojenia, jest prętem. Obszar systemu przeznaczony do zamykania obwodu i nie przenoszenia zwojów pętli nazywa się jarzmem. Rozmieszczenie prętów w przestrzeni służy do podziału systemu na następujące typy:

• płaska konstrukcja, w której wszystkie rdzenie znajdują się na jednej powierzchni;
• metoda przestrzenna - podłużne pręty lub rdzenie i jarzma są w różnych płaszczyznach;
• porządek symetryczny - pręty o tej samej długości i kształcie są rozmieszczone tak, aby ich układ przestrzenny był taki sam dla wszystkich elementów i rdzeni;
• Akcja asymetryczna obejmuje pręty różnych typów i rozmiarów, umieszczone inaczej niż podobne części.

Uzwojenia jednostkowe

Uzwojenie składa się z pojedynczych zwojów będących przewodnikami lub zestawu takich nadajników (wiązek kilkudrutowych). Obrót raz omija pręt, którego prąd wraz z prądami innych rdzeni i układów odtwarza pole magnetyczne. Rezultatem jest siła elektromotoryczna (EMF).

Uzwojenie to uporządkowany zestaw zwojów. Tworzy łańcuch, w którym sumują się siły indukowane w obrotach. Uzwojenie jednostki trójfazowej składa się z kilku połączonych uzwojeń trzech faz o tym samym napięciu.

Pręty transformatorów obniżających i podwyższających są wykonane w konfiguracji kwadratowej, aby jak najlepiej wykorzystać przestrzeń (zwiększając współczynnik wypełnienia w oknie pręta). Jeśli wymagane jest zwiększenie przekroju rdzenia, dzieli się go na kilka przewodów. Służy do redukcji prądów wirowych w osłonie. Przewodnik o przekroju kwadratowym nazywany jest przewodnikiem. Zgodnie z funkcjonowaniem uzwojeń dzielą się one na kilka typów:

• główny - cewki zaprojektowane do odbioru lub usuwania przetworzonej lub przekształconej energii prądu przemiennego;
• regulacja - te, które zapewniają wyjścia do zmiany współczynnika konwersji napięcia przy małym prądzie uzwojenia i małym zakresie normalizacji;
• zwoje pomocnicze dostarczają moc na własne potrzeby, przy użyciu małej mocy, znacznie mniejszej niż ta sama wartość znamionowa transformatora podwyższającego napięcie.

Rdzeń izolowany jest warstwą papieru lub lakieru emaliowego. Dwa równoległe zabezpieczone przewody znajdujące się obok siebie są ogrodzone wspólną owijką papierową i nazywane są kablem transponowanym. Jego odrębna forma jest ciągłą kontynuacją, która rozwija się, gdy żyła jednej warstwy przechodzi do kolejnej warstwy o tym samym skoku w jednej izolacji. Zabezpieczenie papierowe to cienkie paski o szerokości 2-4 cm, nakładane wokół kabla. Aby uzyskać wymaganą warstwę o danej grubości, papier nakłada się w kilku warstwach. W zależności od projektu uzwojenie to:

1. Prywatny. Zwoje na rdzeniu układane są w kierunku osi na całej długości opakowania. Kolejne zwoje są ciasno przylegające do siebie, nie pozostawiając między nimi odstępu.
2. Śruba. Jest to jedna z opcji aplikacji wielowarstwowej. Pomiędzy każdym zakrętem pozostaje odległość.
3. Dysk. Szereg napędów jest kolejno połączonych. W nich obroty są umieszczone w kierunku promieniowym w kształcie spirali. Na warstwie pierwotnej owijanie odbywa się do wewnątrz, a na sąsiednich kręgach na zewnątrz.
4. Folia. Zamiast kabla prostokątnego stosuje się płyty miedziane lub aluminiowe. Są szerokie, o grubości od 0,1 do 2,5 mm.

Zbiornik chłodzący

Jest pojemnikiem na olej i jednocześnie chroni aktywne elementy urządzenia przed przegrzaniem. W projekcie pełni rolę podpory dla urządzeń dodatkowych i sterujących. Przed napełnieniem ze zbiornika usuwane jest powietrze, co niszczy izolację i zmniejsza jej właściwości ochronne. Z tego powodu zbiornik pracuje przy niskim ciśnieniu atmosferycznym.

Aby zmniejszyć hałas związany z działaniem transformatora, częstotliwości dźwięku reprodukowane przez pręt urządzenia muszą być zgodne i podobne wskaźniki rezonansu elementów konstrukcyjnych. Aby rozładować, gdy objętość cieczy w zbiorniku wzrasta w wyniku ogrzewania, zainstalowany jest oddzielnie umieszczony zbiornik wyrównawczy.

Podniesienie mocy znamionowej zwiększa prędkość ruchu elektronów na zewnątrz i wewnątrz transformatora, co niszczy strukturę. Podobnie działa rozpraszający prąd magnetyczny w zbiorniku. Wkładki są używane z materiału, który nie podlega namagnesowaniu. Są one umieszczone wokół izolatorów o dużym przepływie, aby zmniejszyć ryzyko przegrzania. Wnętrze zbiornika wykonane jest tak, aby nie przepuszczać strumienia magnetycznego przez bariery zbiornika. Materiał o niskiej odporności na magnetyzm absorbuje przepływ zanim przeniknie on przez ściany zewnętrzne.

Liczba półokręgów jest prawie taka sama jak liczba obrotów owijania. Wraz ze wzrostem zwojów powstaje więcej łuków, ale nie ma ścisłej proporcjonalności. W pobliżu wyjścia początek uzwojeń (na dwóch i więcej cewkach) zaznaczono pogrubionym punktem. Umieszczają oznaczenia chwilowego pola elektromagnetycznego, zwykle są one takie same na wyjściach.

Podejście to jest stosowane przy pokazywaniu pośredniości agregatów w przekształcaniu łańcuchów w celu zarysowania synchroniczności lub antyfazy. Oznaczenie dotyczy również kilku cewek, jeśli do ich efektywnego działania wymagana jest polaryzacja. Brak wyraźnego oznaczenia cewek wskazuje, że idą one w jednym kierunku, to znaczy koniec poprzedniego odpowiada początkowi następnego.

Cechy działania

Do określenia żywotności stosuje się pojęcie żywotności ekonomicznej i technicznej. Segment ekonomiczny kończy się, gdy cena transformacji mocy za pomocą wymaganego transformatora przekracza jednostkowy koszt tych samych usług w odpowiedniej niszy rynkowej. Żywotność techniczną kończy awaria dużej liczby elementów, które wymagają kapitalnego remontu urządzenia.

Użytkowanie równoległe

Regulacja ta jest stosowana ze względu na fakt, że przy niskim obciążeniu jednostka redukcji mocy pozwala na znaczne straty na biegu jałowym. Aby zaradzić tej sytuacji, zastępuje go grupa urządzeń o małej mocy, które w razie potrzeby są wyłączane jeden po drugim. Wymagania dotyczące takiego połączenia:

• jednostki z równym błędem kątowym między wtórnym i pierwotnym wskaźnikiem napięcia są dopuszczone do użytku równoległego;
• równo biegunowe bieguny z regionów niskiej i wysokiej mocy są połączone równolegle;
• łączone urządzenia muszą wykazywać podobny współczynnik przenoszenia napięcia;
• rezystancja zwarciowa powinna różnić się w kierunku spadku lub wzrostu o nie więcej niż 10%;
• stosunek mocy zaangażowanych transformatorów nie powinien przekraczać 1: 3.

Jednostki wchodzące w skład grupy są używane z tymi samymi parametrami technicznymi.

Regulacja częstotliwości i mocy

W przypadku równego napięcia na uzwojeniach pierwotnych jednostki o określonej częstotliwości mogą pracować ze zwiększonymi wskaźnikami sieci z zalecaną wymianą załączników. Przy częstotliwości mniejszej niż nominalna indukcja zwiększa wartości w napędzie magnetycznym, co prowadzi do skoku prądu podczas pracy na biegu jałowym i zmiany jego rodzaju.

Regulacja napięcia transformatora jest stosowana w sieci ze względu na fakt, że normalna praca odbiorców jest możliwa tylko przy mocy określonych parametrów i minimalnych od nich odchyleniach.

Izolacja i przepięcie

Specjaliści przeprowadzają regularne testy i naprawy warstwy ochronnej transformatora, która traci swoje właściwości pod wpływem wysokich temperatur. Dotyczy to agregatu olejowego w zbiorniku chłodzącym oraz izolacji elementów aktywnych. Po sprawdzeniu informacja o stanie materiałów ochronnych jest wpisywana do paszportu jednostki.

Czasami urządzenia działają w warunkach dużej mocy. Przepięcia dzieli się na dwa typy:

• krótkotrwały efekt silnego czynnika trwa od jednej sekundy do 2-4 godzin;
• przejściowe przepięcie trwa od 2-5 nanosekund do 3-5 milisekund, jest oscylacyjne lub nieoscylacyjne, ale zawsze ma ten sam kierunek.

Czasami oba rodzaje przepięć łączą się podczas przeciążenia. Przyczyną ich występowania mogą być wyładowania atmosferyczne, natomiast częstość impulsów prądu zależy od odległości transformatora od miejsca uderzenia. Drugim powodem są zmiany warunków pracy ukształtowane w systemie. Polegają one na awariach, zakłóceniach przewodzenia, zwarciach, pożarach, częstych połączeniach i rozłączeniach.

Podczas kontroli jakości w fabryce, urządzenia są sprawdzane i raportowane o możliwości nieprzerwanej pracy zgodnie z normami.