Trasformatori di potenza: dispositivo e principio di funzionamento

Quando si trasporta l'elettricità su lunghe distanze, il principio della trasformazione viene utilizzato per ridurre le perdite. A tale scopo, l'elettricità generata dai generatori viene immessa nella cabina di trasformazione. Aumenta l'ampiezza della tensione che entra nella linea elettrica.

L'altra estremità della linea di trasmissione è collegata all'ingresso della sottostazione remota. Su di esso, la tensione viene ridotta per distribuire l'elettricità tra i consumatori.

In entrambe le sottostazioni, speciali dispositivi di alimentazione sono coinvolti nella trasformazione dell'elettricità ad alta potenza:

1. trasformatori;

2. autotrasformatori.

Hanno molte caratteristiche e caratteristiche comuni, ma differiscono per alcuni principi di funzionamento. Questo articolo descrive solo i primi progetti in cui il trasferimento di elettricità tra le singole bobine è dovuto all'induzione elettromagnetica. In questo caso, armoniche di corrente e tensione variabili in ampiezza preservano la frequenza di oscillazione.

I trasformatori vengono utilizzati per convertire la corrente alternata a bassa tensione in una tensione più alta (trasformatori step-up) o una tensione più alta in una tensione più bassa (trasformatori step-down). I più diffusi sono i trasformatori di potenza per applicazione generale per linee di trasmissione e reti di distribuzione. I trasformatori di potenza nella maggior parte dei casi sono costruiti come trasformatori di corrente trifase.

Caratteristiche del dispositivo

I trasformatori di potenza nell'elettricità sono installati in siti fissi pre-preparati con solide basi. I binari e i rulli possono essere installati per essere posizionati a terra.

Nella figura sottostante è mostrata una vista generale di una delle tante tipologie di trasformatori di potenza funzionanti con sistemi di tensione 110/10 kV e con una potenza complessiva di 10 MVA.

Alcuni singoli elementi della sua costruzione sono provvisti di firme. Più in dettaglio, nel disegno è mostrata la disposizione delle parti principali e la loro disposizione reciproca.

L'apparecchiatura elettrica del trasformatore è alloggiata in un alloggiamento metallico realizzato a forma di serbatoio sigillato con coperchio. È riempito con una classe speciale di olio per trasformatori, che ha elevate proprietà dielettriche e allo stesso tempo viene utilizzato per rimuovere il calore dalle parti soggette a carichi di corrente elevati.

All'interno del serbatoio è installato un nucleo 9, sul quale sono posizionati gli avvolgimenti con avvolgimenti di bassa tensione 11 e alta tensione 10. La parete frontale del trasformatore è 8. I terminali dell'avvolgimento di alta tensione sono collegati agli ingressi passando attraverso isolatori in porcellana 2.

Gli avvolgimenti per l'avvolgimento di bassa tensione sono anche collegati ai fili che passano attraverso gli isolatori 3.Il coperchio è fissato al bordo superiore del serbatoio e tra di essi è posta una guarnizione di gomma per evitare che l'olio penetri nella giunzione tra il serbatoio e il coperchio. Due file di fori sono praticate nella parete del serbatoio, in esse sono saldati tubi 7 a parete sottile, attraverso i quali scorre l'olio.

Sul coperchio è presente una manopola 1. Ruotandola è possibile commutare le spire della bobina ad alta tensione per regolare la tensione sotto carico. I morsetti sono saldati al coperchio, sul quale è montato un serbatoio 5, chiamato espansore.

Ha un indicatore 4 con un tubo di vetro per il monitoraggio del livello dell'olio e un tappo con un filtro 6 per la comunicazione con l'aria circostante.Il trasformatore si muove sui rulli 12, i cui assi passano attraverso le travi saldate sul fondo del serbatoio .

Quando scorrono grandi correnti, gli avvolgimenti del trasformatore sono soggetti a forze che tendono a deformarli. Per aumentare la resistenza degli avvolgimenti, vengono avvolti su cilindri isolanti. Se una striscia quadrata viene posizionata in un cerchio, l'area del cerchio non viene utilizzata completamente. Pertanto, le aste del trasformatore sono realizzate con una sezione trasversale a gradini assemblando da fogli di diverse larghezze.

Schema idraulico del trasformatore

L'immagine mostra una composizione semplificata e l'interazione dei suoi elementi principali.

Valvole speciali e una vite vengono utilizzate per riempire / scaricare l'olio e la valvola di intercettazione situata sul fondo del serbatoio è progettata per prelevare campioni di olio e quindi eseguire la sua analisi chimica.

Principi di raffreddamento

Il trasformatore di potenza ha due circuiti di circolazione dell'olio:

1. esterno;

2. interno.

Il primo circuito è rappresentato da un radiatore costituito da collettori superiore ed inferiore collegati da un sistema di tubi metallici. Attraverso di essi passa l'olio riscaldato che, trovandosi nelle linee del refrigerante, si raffredda e ritorna nel serbatoio.

La circolazione dell'olio nel serbatoio può essere effettuata:

• in modo naturale;

• forzato a causa della creazione di pressione nel sistema da parte delle pompe.

Spesso la superficie del serbatoio viene aumentata creando ondulazioni, speciali piastre metalliche che migliorano il trasferimento di calore tra l'olio e l'atmosfera circostante.

L'apporto di calore dal radiatore all'atmosfera può essere effettuato soffiando l'impianto mediante ventilatori o senza di essi per convezione dell'aria libera. Il flusso d'aria forzato aumenta efficacemente la rimozione del calore dall'apparecchiatura, ma aumenta il consumo di energia per il funzionamento del sistema. Possono ridurre caratteristica di carico del trasformatore fino al 25%.

L'energia termica rilasciata dai moderni trasformatori ad alta potenza raggiunge valori enormi. Le sue dimensioni possono essere attribuite al fatto che ora, a sue spese, hanno iniziato a realizzare progetti per il riscaldamento di edifici industriali situati accanto a trasformatori costantemente funzionanti. Mantengono le condizioni operative ottimali dell'attrezzatura, anche in inverno.

Controllo del livello dell'olio nel trasformatore

Il funzionamento affidabile del trasformatore dipende in larga misura dalla qualità dell'olio con cui è riempito il suo serbatoio. Durante il funzionamento si distinguono due tipi di olio isolante: olio secco puro, che viene versato nel serbatoio, e olio di lavoro, che si trova nel serbatoio durante il funzionamento del trasformatore.

Le specifiche dell'olio per trasformatori ne determinano viscosità, acidità, stabilità, ceneri, contenuto di impurità meccaniche, punto di infiammabilità, punto di scorrimento, trasparenza.

Eventuali condizioni di funzionamento anomalo del trasformatore influiscono immediatamente sulla qualità dell'olio, pertanto il suo controllo è molto importante nel funzionamento dei trasformatori. Comunicando con l'aria, l'olio viene inumidito e ossidato. L'umidità può essere rimossa dall'olio mediante pulizia con una centrifuga o una filtropressa.

L'acidità e altre violazioni delle proprietà tecniche possono essere rimosse solo rigenerando l'olio in dispositivi speciali.

Guasti interni al trasformatore come difetti di avvolgimento, guasti di isolamento, riscaldamento locale o "fuoco nel ferro" ecc. portano a cambiamenti nella qualità dell'olio.

L'olio circola continuamente nel serbatoio. La sua temperatura dipende da un intero complesso di fattori di influenza. Pertanto, il suo volume cambia continuamente, ma viene mantenuto entro certi limiti. Un vaso di espansione viene utilizzato per compensare le deviazioni di volume dell'olio. È conveniente monitorare il livello corrente al suo interno.

Per questo viene utilizzato un indicatore dell'olio. I dispositivi più semplici sono realizzati secondo lo schema dei vasi di comunicazione con una parete trasparente, pre-classificati in unità di volume.

Il collegamento di tale manometro in parallelo al vaso di espansione è sufficiente per monitorare il funzionamento. In pratica, ci sono altri indicatori petroliferi che differiscono da questo principio di azione.

Protezione contro la penetrazione dell'umidità

Poiché la parte superiore del vaso di espansione è a contatto con l'atmosfera, al suo interno è installato un essiccatore d'aria che impedisce all'umidità di penetrare nell'olio e ne riduce le proprietà dielettriche.

Protezione dai danni interni

È un elemento importante del sistema petrolifero relè gas… È installato all'interno della tubazione che collega il serbatoio principale del trasformatore al vaso di espansione. Pertanto, tutti i gas rilasciati quando riscaldati dall'olio e dall'isolamento organico passano attraverso il contenitore con l'elemento sensibile del relè gas.

Questo sensore è impostato dal funzionamento per una formazione di gas consentita molto piccola, ma viene attivato quando aumenta in due fasi:

1. emettere una segnalazione luminosa/acustica al personale di servizio per il verificarsi di un malfunzionamento al raggiungimento del valore impostato del primo valore;

2. disinserire gli interruttori di potenza su tutti i lati del trasformatore per rilasciare la tensione in caso di gassificazione violenta, che indica l'inizio di potenti processi di decomposizione dell'olio e dell'isolamento organico, che iniziano con cortocircuiti all'interno del serbatoio.

Un'ulteriore funzione del relè gas è quella di monitorare il livello dell'olio nel serbatoio del trasformatore. Quando scende a un valore critico, la protezione gas può funzionare a seconda dell'impostazione:

• solo segnale;

• per spegnere con un segnale.

Protezione contro l'accumulo di pressione di emergenza all'interno del serbatoio

Il tubo di scarico è montato sul coperchio del trasformatore in modo tale che la sua estremità inferiore comunichi con la capacità del serbatoio e l'olio scorra all'interno fino al livello nell'espansore. La parte superiore del tubo si alza sopra l'espansore e si ritrae lateralmente, leggermente piegata verso il basso.La sua estremità è sigillata ermeticamente da una membrana di sicurezza in vetro, che si rompe in caso di aumento di pressione di emergenza dovuto al verificarsi di un riscaldamento indefinito.

Un altro design di tale protezione si basa sull'installazione di elementi valvola che si aprono quando la pressione aumenta e si chiudono quando vengono rilasciati.

Un altro tipo è la protezione del sifone. Si basa sulla rapida compressione delle ali con un forte aumento del gas. Di conseguenza, il lucchetto che trattiene la freccia, che nella sua posizione normale è sotto l'influenza di una molla compressa, viene abbattuto. La freccia rilasciata rompe la membrana di vetro e quindi allevia la pressione.

Schema di collegamento del trasformatore di potenza

All'interno dell'alloggiamento del serbatoio si trovano:

• scheletro con trave superiore e inferiore;

• circuito magnetico;

• bobine di alta e bassa tensione;

• regolazione dei rami tortuosi;

• prese di bassa e alta tensione

• la parte inferiore delle boccole di alta e bassa tensione.

Il telaio, insieme alle travi, serve per fissare meccanicamente tutti i componenti.

Interior design

Il circuito magnetico serve a ridurre le perdite del flusso magnetico che attraversa le bobine. È realizzato con gradi di acciaio elettrico utilizzando il metodo laminato.

La corrente di carico scorre attraverso gli avvolgimenti di fase del trasformatore. I metalli vengono scelti come materiali per la loro produzione: rame o alluminio a sezione tonda o rettangolare. Per isolare le spire vengono utilizzate marche speciali di carta per cavi o filati di cotone.

Negli avvolgimenti concentrici utilizzati nei trasformatori di potenza, un avvolgimento a bassa tensione (BT) viene solitamente posizionato sul nucleo, che è circondato da un avvolgimento ad alta tensione (HV) all'esterno.Questa disposizione degli avvolgimenti, in primo luogo, consente di spostare l'avvolgimento di alta tensione dal nucleo e, in secondo luogo, facilita l'accesso agli avvolgimenti di alta tensione durante le riparazioni.

Per un migliore raffreddamento delle batterie, tra di esse vengono lasciati canali formati da distanziali isolanti e guarnizioni tra le batterie. L'olio circola attraverso questi canali che, riscaldati, salgono e poi scendono attraverso i tubi del serbatoio, in cui vengono raffreddati.

Le bobine concentriche sono avvolte sotto forma di cilindri posti uno dentro l'altro. Per il lato ad alta tensione viene realizzato un avvolgimento continuo o multistrato e per il lato a bassa tensione un avvolgimento a spirale e cilindrico.

L'avvolgimento BT è posizionato più vicino all'asta: questo facilita la realizzazione di uno strato per il suo isolamento. Quindi su di esso viene montato un cilindro speciale, che fornisce l'isolamento tra i lati di alta e bassa tensione, e su di esso viene montato l'avvolgimento HV.

Il metodo di installazione descritto è mostrato sul lato sinistro dell'immagine sottostante, con la disposizione concentrica degli avvolgimenti dell'asta del trasformatore.

Il lato destro dell'immagine mostra come sono posizionati gli avvolgimenti alternati, separati da uno strato isolante.

Per aumentare la resistenza elettrica e meccanica dell'isolamento degli avvolgimenti, la loro superficie è impregnata con uno speciale tipo di vernice gliftalica.

Per collegare gli avvolgimenti su un lato della tensione, vengono utilizzati i seguenti circuiti:

• stelle;

• triangolo;

• zigzag.

In questo caso, le estremità di ogni bobina sono contrassegnate con lettere dell'alfabeto latino, come mostrato nella tabella.

Tipo trasformatore Lato avvolgimento Bassa tensione Media tensione Alta tensione Inizio fine neutro Inizio fine neutro Inizio fine neutro Monofase a x — A Ht — A x — Due avvolgimenti trifase a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y con G ° C Z Tre avvolgimenti trifase a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z

I terminali degli avvolgimenti sono collegati alle corrispondenti calate che sono montate sui bulloni isolanti passanti situati sul coperchio del serbatoio del trasformatore.

Per realizzare la possibilità di regolare il valore della tensione di uscita, vengono realizzati rami sugli avvolgimenti. Una delle varianti dei rami di controllo è mostrata nel diagramma.

Il sistema di regolazione della tensione è progettato con la possibilità di modificare il valore nominale entro ± 5%. Per fare ciò, completa cinque passaggi del 2,5% ciascuno.

Per i trasformatori di potenza ad alta potenza, la regolazione viene solitamente creata su un avvolgimento ad alta tensione. Ciò semplifica la progettazione dell'interruttore di presa e consente di migliorare la precisione delle caratteristiche di uscita fornendo più giri su quel lato.

Nelle bobine cilindriche multistrato, i rami regolatori sono realizzati all'esterno dello strato all'estremità della bobina e si trovano simmetricamente alla stessa altezza rispetto al giogo.

Per i singoli progetti di trasformatori, i rami vengono realizzati nella parte centrale. Quando si utilizza un circuito inverso, una metà dell'avvolgimento viene eseguita con la bobina destra e l'altra con la bobina sinistra.

Un interruttore trifase viene utilizzato per commutare i rubinetti.

Ha un sistema di contatti fissi, che si collegano ai rami delle bobine, e mobili, che commutano il circuito, creando diversi circuiti elettrici con contatti fissi.

Se le diramazioni vengono effettuate vicino al punto zero, un interruttore controlla il funzionamento di tutte e tre le fasi contemporaneamente. Ciò è possibile perché la tensione tra le singole parti dell'interruttore non supera il 10% del valore lineare.

Quando i rubinetti vengono eseguiti nella parte centrale dell'avvolgimento, viene utilizzato il proprio interruttore individuale per ciascuna fase.

Metodi di regolazione della tensione di uscita

Esistono due tipi di interruttori che consentono di modificare il numero di spire su ciascuna bobina:

1. con riduzione del carico;

2. sotto carico.

Il primo metodo richiede più tempo per essere completato e non è popolare.

La commutazione del carico consente una gestione più semplice delle reti elettriche fornendo alimentazione ininterrotta alle utenze collegate. Ma per farlo è necessario disporre di un design complesso dell'interruttore, dotato di funzioni aggiuntive:

• eseguire transizioni tra rami senza interruzione delle correnti di carico collegando due contatti adiacenti durante la commutazione;

• limitare la corrente di cortocircuito all'interno dell'avvolgimento tra le prese collegate durante la loro contemporanea accensione.

La soluzione tecnica a questi problemi è la creazione di dispositivi di commutazione azionati da telecomando, utilizzando reattori e resistori limitatori di corrente.

Nella foto mostrata all'inizio dell'articolo, il trasformatore di potenza utilizza la regolazione automatica della tensione di uscita sotto carico creando un progetto AVR che combina un circuito relè per controllare un motore elettrico con un attuatore e contattori.

Principio e modalità di funzionamento

Il funzionamento di un trasformatore di potenza si basa sulle stesse leggi di uno convenzionale:

• Una corrente elettrica che passa attraverso la bobina di ingresso con un'armonica variabile nel tempo delle oscillazioni induce un campo magnetico variabile all'interno del circuito magnetico.

• Il flusso magnetico variabile che penetra nelle spire della seconda bobina induce un campo elettromagnetico in esse.

Modalità di funzionamento

Durante il funzionamento e il collaudo, il trasformatore di alimentazione può trovarsi in modalità operativa o di emergenza.

Modalità di funzionamento creata collegando una sorgente di tensione all'avvolgimento primario e il carico al secondario. In questo caso, il valore della corrente negli avvolgimenti non deve superare i valori ammissibili calcolati. In questa modalità, il trasformatore di potenza deve alimentare a lungo e in modo affidabile tutte le utenze ad esso collegate.

Una variante della modalità di funzionamento sono le prove a vuoto e in cortocircuito per verificare le caratteristiche elettriche.

Nessun carico creato aprendo il circuito secondario per interrompere il flusso di corrente in esso. Viene utilizzato per determinare:

• Efficienza;

• fattore di trasformazione;

• perdite nell'acciaio dovute alla magnetizzazione del nucleo.

Si crea un tentativo di cortocircuito cortocircuitando i terminali dell'avvolgimento secondario, ma con una tensione sottostimata all'ingresso del trasformatore ad un valore in grado di creare una corrente nominale secondaria senza superarla.Questo metodo viene utilizzato per determinare le perdite di rame.

Alle modalità di emergenza, un trasformatore include eventuali violazioni del suo funzionamento, portando a una deviazione dei parametri operativi al di fuori dei limiti dei loro valori consentiti. Un cortocircuito all'interno degli avvolgimenti è considerato particolarmente pericoloso.

Le modalità di emergenza portano a incendi di apparecchiature elettriche e allo sviluppo di conseguenze irreversibili. Sono in grado di causare ingenti danni al sistema di alimentazione.

Pertanto, al fine di prevenire tali situazioni, tutti i trasformatori di potenza sono dotati di dispositivi automatici, di protezione e segnalazione, progettati per mantenere il normale funzionamento del circuito primario e scollegarlo rapidamente da tutti i lati in caso di malfunzionamento.