Конструкция и принцип действия трехфазных трансформаторов

Схема работы при отключении одного из трансформаторов

В случае отключении на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам питающих проводов, будем иметь практически рассмотренную на рисунке схему с повышающими автотрансформаторами, роль которых выполняют ближайшие к подстанции автотрансформаторы на фидерных зонах.

При этом на участках от подстанции до ближайших к ней автотрансформаторов имеем систему 25 кВ, а на большей части обеих фидерных зон сохраняется система 2×25 кВ. Поскольку сопротивления участков при системе 25 кВ больше, чем их же сопротивление при системе 2×25 кВ, большую нагрузку принимают на себя соседние подстанции.

В случае отключения на подстанции трансформатора, присоединенного к шинам контактной сети, ближайшие к подстанции автотрансформаторы будут работать в трансформаторном режиме и при значительных размерах движения или при тяжелых поездах могут перегружаться.

Схема работы при отключении одного из трансформаторов.

Избежать этого можно или переходом на время отключения указанного трансформатора к одностороннему питанию фидерных зон от соседних подстанций или путем приведения группы соединения работоспособного трансформатора в соответствие с группой отключенного трансформатора и подключением его к шинам контактной сети.

Для этого следует предусмотреть возможность оперативного переключения двух фаз на первичной стороне трансформатора, подключенного в нормальном режиме к шинам питающих проводов.

При необходимости иметь большую степень резервирования трансформаторов можно, как и в случае с однофазными трансформаторами, в качестве резервного использовать третий трехфазный трансформатор с возможностью подключения его к шинам 110 (220) кВ и к шинам контактной сети или питающего провода вместо любого выведенного из работы трансформатора.

Рассмотренные схемы подстанций с трехфазными трансформаторами имеют перспективу на дорогах стран СНГ в местах стыкования систем 25 и 2×25 кВ и на тяговых подстанциях при необходимости питать от них большую районную нагрузку, а также при усилении системы электроснабжения ранее электрифицированных линий.

Магнитопровод стержневого типа

Для питания радиоэлектронных устройств обычно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой через ярмо Я для трех фаз с тремя стержнями С, или трехстержневые трансформаторы. Каждая из обмоток трансформатора, как первичная, так и вторичная, может быть соединена: а) звездой; б) треугольником.

При соединении звездой концы обмоток образуют общую точку 0. При соединении треугольником начало первой фазной обмотки соединяется с концом третьей, начало второй — с концом первой и начало третьей — с концом второй. В первом случае все начала, а во втором общие точки обмоток присоединяются к сети.

Следует отметить, что понятия начала и конца обмоток условны, однако они необходимы для правильного соединения фазных обмоток. В трехфазных трансформаторах положительному направлению тока от начала к концу обмотки должно соответствовать определенное направление магнитного потока в стержнях; в стержневых трансформаторах это направление должно быть одинаковым.

Соединение обмоток: а — звездой; б — треугольником.

Начала фазных обмоток высокого напряжения (ВН) принято обозначать прописными (большими) буквами А, В и С, а концы их — буквами X, У и Z, причем для обмоток фазы используются буквы АХ, ВУ и CZ. Начала и концы обмоток низкого напряжения (НН) обозначаются соответственно строчными (малыми) буквами — а, в, с и х, у, г.

Наибольшее распространение имеют соединения обмоток по схеме «звезда» (Y) и «треугольник» (D), причем первичные и вторичные обмотки могут иметь как одинаковые, так и различные схемы. Если при соединении обмоток «звездой» нулевая точка выводится, то такое соединение называют «звезда c нулем» (Yо).

Соединение обмоток «звездой»

Самым простым и дешевым из них является соединение обеих обмоток трансформатора звездой (Y/Y), при котором каждая из обмоток и ее изоляция (при глухом заземлении нейтральной точки) должны быть рассчитаны только на фазное напряжение и линейный ток.

Соединение обмоток трансформатора звездой.

Так как число витков обмотки трансформатора прямо пропорционально напряжению, то, следовательно, соединение обмоток звездой требует в каждой из обмоток меньшего количества витков, но большего сечения проводников с изоляцией, рассчитанной лишь на фазное напряжение.

У трехфазного трансформатора соединяют обмотки звездой (Y/Y). Такое соединение широко применяют для трансформаторов небольшой и средней мощности (примерно до 1800 кВ-А). Соединение звездой является наиболее желательным для высокого напряжения, так как при нем изоляция обмоток рассчитывается лишь на фазное напряжение. Чем выше напряжение и меньше ток, тем относительно дороже обходится соединение обмоток треугольником.

Где применяют обмотку треугольником

Соединение обмоток треугольником конструктивно удобнее при больших токах. По этой причине соединение Y/D широко применяется для трансформаторов большой мощности в тех случаях, когда на стороне низшего напряжения не требуется нейтрального провода.

При трехфазной трансформации только отношение фазных напряжений U1ф/U2ф всегда приближенно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток w1/w2; что же касается линейных напряжений, то их отношение зависит от способа соединения обмоток трансформатора.

Соединение обмоток трансформатора треугольником.

При одинаковом способе соединения (Y/Y или D/D) отношение линейных напряжений также равно коэффициенту трансформации. Однако при различном способе соединения (Y/D или D/Y) отношение линейных напряжений меньше или больше этого коэффициента в √3 раз. Это дает возможность регулировать вторичное линейное напряжение трансформатора соответствующим изменением способа соединения его обмоток.

На значения рабочих характеристик трансформаторов влияют потери энергии при нагреве обмоток в совокупности с другими внешними и внутренними факторами, значительно усложняющими связь формы вторичного напряжения от аналогичных параметров первичной цепи.

Общее устройство и принцип работы

Каждый трансформатор оборудуется двумя или более обмотками, индуктивно связанными между собой. Они могут быть проволочными или ленточными, покрытыми изоляционным слоем. Обмотки наматываются на сердечник, он же магнитопровод, выполненный из мягких ферромагнитных материалов. При наличии одной обмотки, такое устройство называется автотрансформатором.

Принцип действия трансформатора довольно простой и понятный. На первичную обмотку устройства подается переменное напряжение, что приводит к течению в ней переменного тока. Этот переменный ток, в свою очередь, вызывает создание в магнитопроводе переменного магнитного потока. Под его воздействием в первичной и вторичной обмотках происходит наведение переменной электродвижущей силы (ЭДС). Когда вторичная обмотка замыкается на нагрузку, по ней также начинает течь переменный ток. Этот ток во вторичной системе отличается собственными параметрами. У него индивидуальные показатели тока и напряжения, количество фаз, частота и форма кривой напряжения.

Энергетические системы, осуществляющие передачу и распределение электроэнергии, пользуются силовыми трансформаторами. С помощью этих устройств изменяются величины переменного тока и напряжения. Однако частота, количество фаз, кривая тока или напряжения, остаются в неизменном виде.

В конструкцию простейшего силового трансформатора входит магнитопровод, изготавливаемый из ферромагнитных материалов, преимущественно из листовой электротехнической стали. На стержнях магнитопровода – сердечника располагаются первичная и вторичная обмотки. Первичная обмотка соединяется с источником переменного тока, а вторичная подключается к потребителю.

В силовых трансформаторах при протекании через витки обмотки также создается переменный магнитный поток, возникающий в магнитопроводе. Под его влиянием в обеих обмотках индуктируется ЭДС. Выходное напряжение может быть выше или ниже первоначального, в зависимости от того, какой тип трансформатора используется – повышающий или понижающий. Значение ЭДС в каждой обмотке различается в соответствии с количеством витков. Таким образом, если создать определенное соотношение витков в обмотках, можно создать трансформатор с требуемым отношением входного и выходного напряжений.

Область применения

Устройство трансформатора силового позволяет транспортировать электричество на большие расстояния. От объекта, который его вырабатывает, до конечного потребителя расстояние может насчитывать тысячи километров. Рассказать кратко о силовых трансформаторах позволяет схема перемещения электричества. Чтобы избежать его искажений и потерь применяется принцип трансформации. Генераторы вырабатывают электричество и передают его на подстанцию. Здесь повышается напряжение, и ток с требуемыми характеристиками передается в линии электропередач.

На другой стороне ЛЭП подводится к удаленной подстанции. Через этот объект осуществляется распределение тока между всеми потребителями. Для этого напряжение понижается. Чтобы преобразовывать электричество большой мощности на обеих подстанциях функционируют представленные устройства. Это трансформаторы и автотрансформаторы. Технические характеристики этих устройств практически идентичны. Отличается их принцип функционирования.

Первый повышающий силовой трансформатор находится непосредственно возле ЛЭП электростанции. Последующие первичные агрегаты в сети также работают для повышения напряжения. Это позволяет избежать потери в линии. На пути к потребителю устанавливается определенное количество понижающей аппаратуры. В обеспечении полноценного функционирования всей системы заключается назначение всех силовых трансформаторов.

Виды магнитопроводов

По конструкции магнитопровода трансформаторы подразделяются на стержневые и броневые.

Рисунок 1. Устройство однофазного стержневого (а) и броневого (б) трансформаторов

Однофазный трансформатор броневой конструкции (рисунок 1, б) имеет один стержень с обмотками и развитое ярмо, которое частично закрывает обмотки подобно “броне”.

Для преобразования, или трансформации, трехфазного тока можно использовать три однофазных трансформатора (рисунок 2), обмотки которых соединяются по схеме звезды или треугольника и присоединяются к трехфазной сети. Такое устройство называется трехфазной трансформаторной группой или групповым трансформатором. Чаще, однако, применяются трехфазные трансформаторы с общим для всех фаз магнитопроводом, так как такие трансформаторы компактнее и дешевле.

Рисунок 2. Трехфазная трансформаторная группа

Рисунок 3. Идея образования трехфазного трехстержневого трансформатора

Идея образования трехфазного трансформатора стержневого типа показана на рисунке 3. Если для трехфазных синусоидальных токов соблюдается условие

i_a + i_b + i_c = 0 ,

то для синусоидальных потоков трех трансформаторов (рисунок 3, а) также соблюдается условие

Ф_a + Ф_b + Ф_c = 0

Поэтому, если объединить три стержня 1, 2 и 3 (рисунок 3, а) в общий стержень, то поток в этом стержне будет равен нулю и этот стержень можно удалить. Тогда получим трехфазный трехстержневой трансформатор, показанный на рисунке 3, б. Конструкцию этого трансформатора можно упростить, расположив все три стержня в одной плоскости (рисунок 3, в). Эта последняя конструкция была предложена М. О. Доливо-Добровольским в 1889 году и получила всеобщее распространение. Такой магнитопровод не вполне симметричен, так как длина магнитных линий средней фазы несколько короче, чем для крайних, однако влияние этой несимметрии весьма незначительно.

Трехфазный броневой трансформатор (рисунок 4) можно рассматривать как три однофазных броневых трансформатора, поставленные рядом или друг над другом. При этом средняя фаза имеет обратное включение относительно крайних, чтобы в соприкасающихся частях магнитной системы потоки фаз складывались, а не вычитались. Так как

Рисунок 4. Устройство трехфазного броневого трансформатора

В броневых трансформаторах коэффициент электромагнитной связи между обмотками несколько больше, чем в стержневых, и поэтому броневые трансформаторы в электромагнитном отношении несколько совершеннее. Однако это преимущество не имеет большого значения. Поскольку броневые трансформаторы сложнее по конструкции, в России силовых трансформаторов броневой конструкции не строят.

С увеличением мощности трансформаторов возрастают их размеры и трудности транспортировки по железным дорогам. Поэтому в трансформаторах мощностью S_н > 80 – 100 МВ×А на фазу и напряжением 220 – 500 кВ применяют бронестержневую или многостержневую конструкцию. Такие конструкции получаются, если у трансформаторов вида показанных на рисунках 1, а и 3, в добавить слева и справа по одному боковому ярму (рисунок 5). При этом магнитный поток в верхнем и нижнем ярмах разветвляется и в случае, изображенном на рисунке 5, а, уменьшается в два раза, а в случае на рисунке 5, б – в  раза по сравнению с рисунками 1, а и 3, в. Во столько же раз можно уменьшить сечение ярем, в результате чего высота магнитопроводов уменьшается.

Рисунок 5. Устройство бронестержневых трансформаторов

Преимущественно применяются трехфазные трансформаторы с общей магнитной системой. Трехфазные группы однофазных трансформаторов используются, во-первых, при весьма больших мощностях (S_н > 300 МВ×А), когда транспорт трехфазного трансформатора становится весьма затруднительным или невозможным, и, во-вторых, иногда при S_н > 30 МВ×А, когда применение однофазных трансформаторов позволяет уменьшить резервную мощность на случай аварии или ремонта.

Рисунок 6. Схемы стыковых магнитопроводов

Рисунок 7. Укладка листов стали в слоях шихтованных магнитопроводов однофазных (а) и трехфазных (б) трансформаторов

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

• Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
• Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
• Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
• Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
• Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Силовой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Высоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Высоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Однофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Разделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Сдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Сварочный трансформатор

Обслуживание и ремонт

Работа аппаратов связана с высокими значениями мощностей

Поэтому их обслуживанию уделяется повышенное внимание. Ежедневно обслуживающий персонал совершает осмотры, контролирует показания измерительных приборов

В процессе техобслуживания оцениваются следующие показатели:

1. Степень истощения прибора, поглощающего влагу.
2. Количество масла.
3. Износ механизмов регенерации масла.
4. Наличие подтекания, механических повреждений трубопроводов радиаторов, корпуса.

Если на объекте не предусмотрено круглосуточное дежурство персонала, периодическая ревизия производится раз в месяц. На трансформаторных пунктах осмотр выполняют раз в 6 месяцев.

При необходимости меняют или доливают масло. Его цвет контролируется при визуальном осмотре. Если оно стало темным, его меняют. Раз в год и при проведении капитального ремонта выполняют лабораторное исследование состава масла.

Для разрушения пленки окислов на медных и латунных элементах раз в 6 месяцев отключают установку от питания. Переключатель переводят через все положения несколько раз. Такую процедуру проводят перед сезонными колебаниями нагрузки.

Силовая аппаратура является важным элементом сети энергоснабжения

Они функционируют круглосуточно, поэтому важно уделять внимание особенностям их выбора и обслуживанию. Это одно из сложнейших, но крайне важных устройств

Общее устройство и принцип работы

Рассмотрим конструкцию простого трансформатора, с двумя катушками насаженных на замкнутый магнитопровод (см. Рис. 2). Катушку, на которую поступает ток, будем называть первичной, а выходную катушку – вторичной.

Рисунок 2. Устройство трансформатора

Фактически все типы трансформаторов используют электромагнитную индукцию для преобразования напряжения поступающего в цепь первичной обмотки. При этом выходное напряжение снимается из вторичных обмоток. Они различаются только по форме, материалам магнитопроводов и способам наматывания катушек.

Ферромагнитные сердечники применяются в низкочастотных моделях. Для таких сердечников используются материалы:

• сталь;
• пермаллой;
• феррит.

В некоторых высокочастотных моделях магнитопроводы могут отсутствовать, а в некоторых изделиях применяют материалы из высокочастотного феррита или альсифера.

В связи с тем, что для характеристик ферромагнетиков характерна нелинейность намагничивания, сердечники набирают из листовых материалов, на которые надевают обмотки. Нелинейная индуктивность приводит к гистерезису, для уменьшения которого применяют метод шихтования магнитопроводов.

Форма сердечника может быть Ш-образной или торроидальной.

Рисунок 3. Внешний вид трансформатора

Базовые принципы действия

Когда на выводы первичных обмоток поступает синусоидальный ток, то он во второй катушке создает переменное магнитное поле, пронизывающее магнитопровод. В свою очередь, изменение магнитного потока провоцирует наведение ЭДС в катушках. При этом величина напряжения ЭДС в обмотках находится в пропорциональной зависимости от количества витков и частоты тока. Отношение количества витков в цепи первичной обмотки к числу витков вторичной катушки называется коэффициентом трансформации: k = W1 / W2, где символами W1 и W2 обозначено количество витков в катушках.

Если k > 1, то трансформатор повышающий, а при 0 < k < 1 – понижающий. Например, когда число витков, из которых состоит первичная обмотка, в три раза меньше количества вторичных витков, то k = 1/3, тогда U2 = 1/3 U1.

Режимы работы

Силовой трансформатор может работать в трех режимах:

• в состоянии холостого хода;
• в режиме нагрузки;
• в короткозамкнутом режиме.

Поскольку в цепи разомкнутой вторичной обмотки отсутствует ток, то в таком состоянии по первичной обмотке циркулирует ток холостого хода. Параметры этого тока используют при расчетах КПД, определяют коэффициент трансформации, находят потери в сердечнике.

Основным рабочим режимом трансформатора является состояние, когда к его второй обмотке подключена номинальная нагрузка. Первичный ток можно выразить через результирующую тока холостого хода и расчетного тока сопротивления нагрузки.

В режиме короткого замыкания вторичной обмотки, вся мощность концентрируется в цепях обмоток. В таком состоянии можно определить потери, расходуемые на нагревание проводов в обмотках.

Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

Немного из истории

Изобретение трансформаторов начиналось ещё в 1876 году великим русским учёным П.Н. Яблоковым. Его изделие не имело замкнутого сердечника, он появился позже – в 1884 году. И с появлением прибора учёные активно стали интересоваться переменным током.

Например, уже в 1889 году М.О. Доливо-Добровольским (русским электротехником) была предложена трёхфазная система переменного тока. Им был построен первый трёхфазный асинхронный двигатель и трансформатор. Через два года была представлена презентация трёхфазной высоковольтной линии протяженностью 175 км, где успешно повышалась и понижалась электроэнергия.

Чуть позже появились масляные агрегаты, так как масло не только оказалось хорошим изолятором, но и прекрасной охлаждающей средой.

Группы соединений обмоток

Для включения трансформатора на параллельную работу с другими трансформаторами имеет значение сдвиг фаз между э. д. с. первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединений обмоток.

Рисунок 2. Группы соединений однофазного трансформатора

На рисунке 2, а показаны обмотки однофазного трансформатора, намотанные по левой винтовой линии и называемые поэтому “левыми”, причем у обеих обмоток начала A, a находятся сверху, а концы X, x – снизу. Будем считать э. д. с. положительной, если она действует от конца обмотки к ее началу. Обмотки на рисунке 2, а сцепляются с одним и тем же потоком. Вследствие этого э. д. с. этих обмоток в каждый момент времени действуют в одинаковых направлениях – от концов к началам или наоборот, то есть они одновременно положительны или отрицательны. Поэтому э. д. с. EA и Ea совпадают по фазе, как показано на рисунке 2, а. Если же у одной из обмоток переменить начало и конец (рисунок 2, б), то направление ее э. д. с., действующей от конца к началу, изменится на обратное и э. д. с. EA и Ea будут иметь сдвиг 180°. Такой же результат получится, если на рисунке 2, а одну из обмоток выполнит “правой”.

Для обозначения сдвига фаз обмоток трансформатора векторы их линейных э. д. с. уподобляют стрелкам часового циферблата, причем вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку и считают, что на циферблате часов она направлена на цифру 12, а вектор обмотки НН принимают за часовую стрелку. Тогда на рисунке 2, а часы будут показывать 0 или 12 часов, и такое соединение обмоток поэтому называется группой 0 (ранее в этом случае применялось название “группа 12”). На рисунке 2, б часы будут показывать 6 часов, и такое соединение называется группой 6. Соответственно соединение обмоток однофазных трансформаторов согласно рисунку 2, а обозначается I/I-0, а согласно рисунку 2, б – I/I-6. В России стандартизированы и изготовляются однофазные трансформаторы только соединением I/I-0.

Рисунок 3. Трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/Y-0

Рассмотрим теперь трехфазный трансформатор с соединением обмоток ВН и НН в звезду, причем предположим, что 1) обмотки ВН и НН имеют одинаковую намотку (например, “правую”); 2) начала и концы обмоток расположены одинаково (например, концы снизу, а начала сверху); и 3) одноименные обмотки (например, A и a, а также B и b, C и c) находятся на общих стержнях (рисунок 3, а). Тогда звезды фазных э. д. с. и треугольники линейных э. д. с. будут иметь вид, показанный на рисунке 3, б. При этом одноименные векторы линейных э. д. с. (например, E_AB и E_ab) направлены одинаково, то есть совпадают по фазе, и при расположении их на циферблате часов, согласно изложенному правилу, часы будут показывать 0 часов (рисунок 3, в). Поэтому схема и группа соединений такого трансформатора обозначается Y/Y-0.

Если на рисунке 3, а произвести круговую перемаркировку (или перестановку) фаз обмотки НН и разместить фазу a на среднем стержне, фазу b – на правом и c – на левом, то на векторной диаграмме НН (рисунок 3, б) произойдет круговая перестановка букв a, b, c по часовой стрелке. При этом получится группа соединений 4, а при обратной круговой перестановке будет группа соединений 8. Если переменить местами начала и концы обмоток, то получатся еще группы соединений 6, 10 и 2. Значит, при соединении по схеме Y/Y возможно шесть групп соединений, причем все они четные. Такие же группы соединений можно получить при схеме соединений Δ/Δ.

Рисунок 4. Трехфазный трансформатор со схемой и группой соединений Y/Δ-11

Допустим теперь, что обмотки соединены по схеме Y/Δ, как показано на рисунке 4, а, и соблюдены те же условия, которые были оговорены для рисунка 3, а. Тогда векторные диаграммы э. д. с. обмоток ВН и НН будут иметь вид, показанный на рисунке 4, б. При этом одноименные линейные э. д. с. (напрмер, E_AB и E_ab) будут сдвинуты на 30° и расположатся на циферблате часов, как показано на рисунке 4, в. Соединение обмоток такого трансформатора обозначаются Y/Δ-11. При круговых перестановках фаз и при перемаркировке начал и концов одной из обмоток (или при установке вместо перемычек ay, bz, cx в треугольнике на рисунке 4, а перемычек az, bx, cy) можно получить также другие нечетные группы: 1, 3, 5, 7 и 9.

Большой разнобой в схемах и группах соединений изготовляемых трансформаторов нежелателен. Поэтому ГОСТ 11677-85,”Трансформаторы силовые. Общие технические условия”, предусматривает изготовление трехфазных силовых трансформаторов со следующими группами соединений обмоток: Y/Y0-0, Y0/Y-0, Y/Δ-11, Y0/Δ-11, Y/Z0-11, Δ/Y0-11, и Δ /Δ-0. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым – соединение обмотки НН, а индекс “0” указывает на то, что наружу выводится нулевая точка обмотки.