Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. На электростанциях и подстанциях устанавливаются трёхфазные и однофазные силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Различают двухобмоточные трансформаторы с двумя гальванически не связанными обмотками, а также трёх– и многообмоточные трансформаторы с тремя (и более) гальванически не связанными обмотками. Передача энергии из первичной цепи трансформатора во вторичную происходит с помощью электромагнитного поля.

Трансформатор называется силовым, если он используется для преобразования электрической энергии в электрических сетях или для непосредственного питания приёмников энергии. Различают силовые трансформаторы общего назначения, служащие для питания сетей или приёмников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы, и трансформаторы специального назначения, служащие для питания сетей или приёмников энергии, отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы.

Силовой трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого (более высокого или низкого) напряжения (при неизменной частоте). Передача электрической энергии на большие расстояния осуществляется на высоких напряжениях (6, 10, 35 кВ и выше) с помощью силовые трансформаторов и линий электропередачи. В месте потребления электроэнергии её напряжение с помощью силовые трансформатора понижается до требуемого значения, соответствующего напряжению электроустановок потребителей. Передача электроэнергии высоких напряжений вызвана стремлением максимально снизить потери в передающих сетях и сечение проводов линии электропередачи.

Силовой трансформатор – важнейший элемент электрической установки, сети и системы. Силовые трансформаторы характеризуются номинальными величинами, а также током и потерями холостого хода, напряжением, потерями и режимом короткого замыкания.

Номинальными называют величины, на которые рассчитан трансформатор: мощность, высшее и низшее напряжения, токи, частота и др.

Номинальная мощность трансформаторов выражается полной электрической мощностью в киловольт-амперах (кВ·А). Трансформаторы выпускают на определённые стандартные номинальные мощности и напряжение. Номинальное первичное напряжение – это напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора; номинальное вторичное напряжение – это напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки. Номинальные токи определяются соответствующими номинальными мощностью и напряжением. Номинальной частотой напряжения для силовых трансформаторов в России является 50Гц.

Током холостого хода называют ток, который при номинальных напряжении и частоте устанавливается в одной из обмоток при другой разомкнутой обмотке в двухобмоточном трансформаторе. Потери, возникающие при этом в трансформаторе, называют потерями холостого хода. Ток холостого хода обычно выражается в процентах номинального.

Напряжением короткого замыкания двухобмоточного трансформатора является напряжение, которое при номинальной частоте следует подвести к зажимам одной из обмоток при замкнутой накоротко другой обмотке, чтобы в них установились номинальные токи. Обычно напряжение короткого замыкания выражается в процентах номинального напряжения обмотки (U_к%). Потери, возникающие в трансформаторе при этом режиме, называют потерями короткого замыкания. Для определения U_к опыт короткого замыкания проводят при замкнутой накоротко вторичной обмотке и первичном напряжении, пониженном на столько, чтобы токи в обмотках не превысили их номинальные значения. Этот опыт можно проводить со стороны любой из двух обмоток трансформатора. Он входит в число обязательных контрольных испытаний, которым подвергается каждый силовой трансформатор перед выпуском с завода.

Силовые трансформаторы рассчитаны на допустимые нагрузки и перегрузки.

Допустимая нагрузка – длительный режим работы трансформатора, при котором расчётный износ (старение) изоляции обмоток от нагрева не превышает износа, соответствующего номинального режиму работы. Перегрузка трансформатора – это такая нагрузка, при которой расчётный износ изоляции обмоток, соответствующий установившимся превышениям температуры, превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Нагрузочная способность представляет собой совокупность допустимых нагрузок и перегрузок трансформатора. Исходный режим для определения нагрузочной способности – номинальный режим работы трансформатора при номинальных условиях места установки и охлаждающей среды, определяемых соответствующим стандартом или техническими условиями.

В паспортных данных трансформаторов указываются: тип трансформатора; номинальные мощность, напряжения и токи обмоток ВН и НН; токи короткого замыкания; число фаз; схема и группа соединения обмоток; частота тока; режим работы (длительный или кратковременный); способ охлаждения; род установки (внутренний или наружный); масса трансформатора и активной части. Все трансформаторы имеют буквенные и цифровые условные обозначения: число фаз (О – для однофазных, Т – для трёхфазных); вид охлаждения (М – естественное масляное, Д – масляное с дутьём и естественной циркуляцией, ДЦ – масляное с дутьём и принудительной циркуляцией, МВ – масляно-водяное с естественной циркуляцией масла, Ц – масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла; С, СЗ, СГ, и СД – естественное воздушное охлаждение соответственно при открытом, защищённом, герметическом исполнении и с принудительной циркуляцией воздуха; Н – естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком, НД – охлаждение негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха); число обмоток, работающих на самостоятельные сети (если обмоток более двух, трёхобмоточный трансформатор обозначают буквой Т). Трансформаторы и автотрансформаторы выпускаются с различными системами регулирования напряжения: без регулирования напряжения, с регулированием напряжения путём переключения числа витков обмоток без возбуждения (система ПБВ), с регулированием напряжения под нагрузкой (система РПН).

Отечественной промышленностью выпускаются силовые трансформаторы следующих стандартных мощностей: 10, 16, 25, 40 и 63 В·А с увеличением каждого из значений в 10, 100, 1000 и 10 000 раз.

Силовой трёхфазный двухобмоточный трансформатор ТМ с масляным охлаждением является простым по конструкции небольшой мощности (1 800кВ·А). Выпускаемые заводами-изготовителями мощные трёхобмоточные силовые трансформаторы имеют более сложную конструкцию. Они снабжены рядом дополнительных устройств, обеспечивающих их длительную работу.

Термосифонный фильтр в данном трансформаторе обеспечивает непрерывную очистку и регенерацию всего объёма масла; воздухоочиститель предотвращает увлажнение масла и сохраняет его высокую диэлектрическую прочность; радиаторы (трубчатые охладители) снабжены вентиляторами, которые обеспечивают хорошую циркуляцию и охлаждение масла.

В современных мощных силовых трансформаторах используют электроизоляционные материалы, обладающие более высокими диэлектрическими показателями, новые конструкции магнитопроводов, обмоток, переключателей и других частей трансформатора.

Магнитопровод (магнитная система) силового трансформатора представляет собой комплект пластин электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в отдельную геометрическую форму, и служит для локализации в нём основного магнитного поля трансформатора. Он является важнейшим и конструктивно сложным элементом трансформатора, участвующим в энергопреобразующем процессе и вместе с обмотками составляющим его активную часть. Магнитопровод обладает магнитным сопротивлением, зависящим от длины цепи, его поперечного сечения, свойств материала, из которого он собран, а также от магнитной проницаемости стали.

Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных плёнкой жаростойкого покрытия или лака. Магнитопроводы представляют собой жёсткую конструкцию, на которой устанавливают и закрепляют обмотки НН и ВН, отводы, переключатели и другие детали активной части трансформаторов. Выпускают два типа магнитопроводов: стержневой и броневой.

Магнитопровод – наиболее ответственная часть трансформатора; от правильной сборки и способа выполнения заземления его в значительной мере зависит нормальная и длительная работа трансформатора.

Основным элементом обмотки трансформатора является виток, т. е. электрический проводник (или ряд параллельно соединённых проводников), который охватывает часть магнитной системы трансформатора и в котором под действием магнитного потока этой части наводится ЭДС. Обмотка – это совокупность витков, образующих электрическую цепь, где суммируются ЭДС, наведённые в витках (с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения трансформатора). В трёхфазном трансформаторе под обмоткой обычно подразумевают совокупность обмоток ВН и НН всех трёх фаз.

Конструкцию обмотки выбирают с учётом мощности трансформатора, отнесённой к одному стержню, металла проводника обмотки (меди или алюминия), тока обмотки одного стержня, номинального напряжения обмотки и сечения витка.

Обмотки трансформатора состоят из обмоточного провода и предусмотренных конструкций изоляционных деталей, предназначенных для защиты витков обмотки от электрического пробоя и предотвращения их смещения под действием электромагнитных сил, а также создания охлаждающих каналов, необходимых для отвода теплоты от обмоток работающего трансформатора.

Обмотки различают по направлению намотки, расположению на стержнях магнитопровода, схеме соединения отдельных элементов обмотки между собой и числу параллельных проводов.

Для регулирования напряжения путём изменения соединения ответвлений обмоток между собой или вводом служат переключающие устройства трансформаторов. Применение этих устройств связано с необходимостью обеспечения потребителей электрической энергией стандартного качества по напряжению. Регулирование может быть ручным или автоматическим. По конструкции и функциональному назначению переключающее устройство представляет собой коммутационный аппарат, состоящий из системы контактов, привода, механической передачи и различных приборов, обеспечивающих его нормальную работу. В современных трансформаторах применяют переключающие устройства ПБВ без возбуждения) и РПН (под нагрузкой).

Для соединения обмоток трансформатора с его вводами и переключателями служат отводы, представляющие собой электрические проводники.

Отводы, применяемые для соединения обмоток с вводами, называют линейными или главными, соединяющие обмотки с переключателями – регулировочными. В качестве проводников для отводов используют медные и алюминиевые круглые прутки, прямоугольные шины и гибкие многожильные провода. Отводы могут быть без изоляции либо изолированными кабельной бумагой или бумажно-бакелитовой трубкой.

Вводы состоят из фарфорового элемента, внутри которого проходит сквозной токопроводящий медный круглый стержень (шпилька) с резьбой на концах, служащий для присоединения к его нижнему концу отводы обмотки, а к верхнему – провода или шины внешней электрической цепи.

Размеры и конфигурация фарфоровых элементов вводов зависят от назначения трансформатора (для внутренней или наружной установки) и от напряжения: чем выше напряжение трансформатора, тем больше размеры и более увеличены рёбра фарфорового элемента ввода. Сечение токопроводящей шпильки зависит от тока.

К основным элементам силового трансформатора также относятся: бак, крышка, расширитель и газовое реле.

Бак трансформатора с масляным охлаждением представляет собой резервуар, в котором размещаются активная часть и другие детали трансформатора. Баки имеют, как правило, овальную форму, максимально приближённую к форме (очертанию) активной части трансформатора, помещаемой в баке. В нижней части стенки всех баков имеется патрубок с краном для спуска масла из бака. К днищу бака прикреплена тележка для перемещения трансформатора на небольшие расстояния в пределах подстанции.

Крышка служит для герметизации бака, а также установки на ней расширителя, предохранительной трубы, вводов, привода переключателя и гильзы для термометра, а также патрубка, соединяющего бак с расширителем, и другого оборудования.

Расширитель необходим для компенсации изменяющегося объёма масла в баке трансформатора вследствие температурных колебаний. Наличие расширителя обеспечивает постоянное заполнение маслом бака трансформатора, что предохраняет от увлажнения масло и обмотки активной части трансформатора. При изменениях объёма масла трансформатора изменяется и уровень масла в расширителе, а следовательно, и объём воздуха в расширителе: при увеличении объёма масла воздух вытесняется из расширителя в окружающую атмосферу, при снижении – поступает в расширитель из окружающей атмосферы. Этот процесс, многократно повторяющийся в работающем трансформаторе, подобен дыханию, поэтому принято говорить, что трансформатор «дышит». Чтобы при «дыхании» трансформатора масло не увлажнялось и не загрязнялось, расширитель снабжают воздухоосушителем (заполненным силикагелем) с устройством для очищения воздуха от механических примесей (масляный затвор). При наличии воздухоосушителя весь поступающий в расширитель воздух, проходя через силикагель, освобождается от влаги, а механические частицы, содержащие в воздухе, оседают в масляном затворе. Расширитель соединён с баком с помощью патрубка (маслопровода), в рассечку которого установлены пробковый кран и газовое реле.

Газовое реле предназначено для сигнализации о возникновении в частях трансформатора, расположенных в его баке, повреждений, вызывающих местные нагревы и вследствие этого разложение масла, дерева или изоляции, сопровождающееся интенсивным образованием газов. Газовое реле реагирует также на резкое снижение уровня масла, вызванное его утечкой из бака. При серьёзных повреждениях, грозящих перейти в аварию и сопровождающихся сильным газообразованием, контакты реле замыкают цепь приборов, отключающих трансформатор от неповреждённой части электроустановки.

Для поглощения влаги, которая содержится в воздухе, поступающем в трансформатор, и, следовательно, для защиты имеющегося в нём масла от увлажнения служит воздухоочиститель. Задерживая частицы твёрдых веществ, содержащихся в поступающем воздухе, он одновременно служит фильтром. В нижней части воздухоосушителя расположен масляный затвор, предохраняющий силикагель от увлажнения и задерживающий механические примеси, содержащиеся в воздухе, поступающем в трансформатор через осушитель. Масляный затвор воздухоосушителя действует по принципу сообщающихся сосудов. При понижении уровня масла в расширителе пространство, освобождающееся в нём, заполняется воздухом извне.

Для очистки масла непрерывной регенерацией его при работе трансформатора служит термосифонный фильтр. Систематическая очистка масла крайне необходима, поскольку при работе трансформатора масло нагревается, а вследствие этого процессы его окисления усиливаются. Термосифонными фильтрами снабжаются мощные трансформаторы (2 500кВ·А и выше), что допускает длительную работу масла в них без специальной очистки и регенерации, масло при этом сохраняет необходимые чистоту и диэлектрическую прочность.

В электроустановках кроме силовых трансформаторов применяют измерительные трансформаторы – трансформаторы тока и трансформаторы напряжения.

Трансформатор тока – это электрический аппарат, предназначенный для снижения тока первичной цепи до значения, при котором наиболее целесообразно осуществлять питание соответствующих цепей измерительных приборов, устройств релейной защиты, автоматики, сигнализации и управления.

Трансформаторы тока применяют при измерении больших токов, когда включение приборов непосредственно на токи контролируемой цепи невозможно. Наличие трансформаторов тока позволяет устанавливать измерительные приборы на значительном расстоянии от контролируемых цепей и таким образом концентрировать их в одном месте, например на щите или пульте управления, находящемся под наблюдением дежурного персонала.

Трансформатор тока состоит из замкнутого сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали, и двух обмоток: первичной и вторичной. Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно в контрольную цепь, а к вторичной обмотке присоединяют токовые катушки различных контрольных и измерительных приборов. Первичные обмотки трансформаторов тока выполняют на номинальные токи от5 до 10 000А, а вторичные – обычно на 5А или на 1А.

Условное обозначение трансформаторов тока состоит из двух частей: буквенной и цифровой. Буквенная часть содержит обычно от двух до пяти букв, указывающих следующее: Т – трансформатор тока, П – проходной, О – одновитковый или М – многовитковый, Л – с литой изоляцией, Ф – с фарфоровой изоляцией. При отсутствии в обозначении буквы П трансформатор тока является опорным. Цифры после букв в обозначении указывают номинальное напряжение трансформатора тока.

Трансформаторы напряжения имеют большое конструктивное сходство с силовыми трансформаторами и служат для питания цепей напряжения различных приборов (ваттметров, счётчиков и др.) и реле. Первичные обмотки трансформаторов напряжения включают параллельно в сеть. Номинальное напряжение на зажимах вторичной обмотки 100В. Измерительные приборы и реле включают во вторичную цепь трансформатора напряжения параллельно.

Трансформаторы напряжения изготовляют одно– и трёхфазными. Трёхфазные трансформаторы бывают трёх– или пятистержневыми. Схемы включения одно– и трёхфазных трансформаторов напряжения выбирают в зависимости от системы сети, исполнения трансформатора и его назначения в данной электроустановке.

Буквы и цифры в условном обозначении трансформаторов напряжения обозначают следующее: Н – трансформатор напряжения, О – однофазный, М – масляный, С – сухой, К – залитый компаундом (НОСК) или с компенсационной обмоткой (НТМК), И – пятистержневой (для включения приборов контроля изоляции), Т – трёхфазный (НТМИ); цифры после букв – номинальное напряжение обмотки ВН.

Для проведения ремонтных работ в цепях напряжения (при отключении трансформатора напряжения), в цепях всех видов основных и дополнительных обмоток должен создаваться видимый разрыв, для чего предусматриваются рубильники.

В обеспечении длительной безаварийной работы трансформатора большую роль играет его изоляция. Различают изоляцию маслонаполненного трансформатора внешнюю внутреннюю. К внешней относят воздушную изоляцию, находящуюся вне бака, например изоляционное расстояние по воздуху между вводами трансформатора. Внутренней является изоляция, расположенная внутри бака. Она делится на главную и продольную. К главной изоляции относят детали, изолирующие обмотки друг от друга и от заземлённых частей, например электрокартонные (мягкие) и бумажно-бакелитовые (жёсткие) цилиндры, масляные каналы и др. В продольную изоляцию входит изоляция витков обмотки, между её катушками или дисками, между слоями и элементами ёмкостной защиты обмотки. В процессе работы трансформатора все элементы его главной и продольной изоляции подвергаются различным воздействиям, снижающим их электрическую прочность и сроки службы.

Наиболее сильное отрицательное воздействие на электрическую прочность изоляции оказывают химические процессы, происходящие в трансформаторе из-за наличия в изоляции посторонних примесей в виде: влаги, оставшейся в изоляции при недостаточной сушке обмоток после ремонта или скопившейся вследствие увлажнения охлаждающего масла трансформатора; остатка растворителя пропиточного лака, не удалённого при запекании пропитанных обмоток; воздушных или газовых включений в изоляцию, оставшихся при заполнении бака трансформаторным маслом; посторонних механических примесей и твёрдых частиц, попавших в бак при его заполнении маслом.

Качество изоляции – основной показатель, определяющий надёжность трансформатора в эксплуатации, поэтому при ремонте трансформаторов качеству и соблюдению технологии изоляционных работ необходимо уделять особое внимание.

Трансформатор с повреждёнными обмотками или другими его частями подлежит немедленному выводу из работы и ремонту. На разборочном участке очищают трансформатор, сливают масло из его расширителя, бака и маслонаполненных вводов, а затем, убедившись из записей в сопроводительных документах и из предварительных испытаний в неисправности трансформатора, переходят к его разборке и дефектировке. Работа по дефектировке – наиболее ответственный этап ремонта, поскольку при этом определяются действительный характер и размеры повреждений, а также объём предстоящего ремонта и потребность в ремонтных материалах и оснастке.

Повреждения внешних деталей трансформатора (расширителя, бака, арматуры, наружной части вводов, пробивного предохранителя) можно выявить тщательными осмотрами, а внутренних деталей – различными испытаниями. В процессе дефектировки, как правило, разбирают трансформатор и при необходимости поднимают активную часть, что позволяет не только точно установить причины, характер и масштабы повреждений, но и определить требуемые для ремонта трансформатора материалы, инструменты, приспособления и время.

Разборка, ремонт и сборка трансформатора связаны с необходимостью выполнения электрослесарем большого объёма слесарных и сборочных работ.

Рис. 69. Демонтаж радиатора трансформатора с помощью автокрана.

Последовательность выполнения операций разборки в каждом случае зависит от конструкции трансформатора, подлежащего ремонту. В ремонт поступают современные трансформаторы отечественного производства, отличающиеся по мощности и конструкции, и кроме этого трансформаторы выпуска прежних лет, а также выпускающиеся в прошлом и поставляемые в настоящее время зарубежными фирмами, поэтому рекомендовать какую-либо единую технологическую последовательность при выполнении операций разборки и ремонта всех поступающих в ремонт трансформаторов невозможно.

Перед разборкой проверяют комплектность поступающего в ремонт трансформатора (должны быть в наличии все сборочные единицы и детали, полагающиеся для данной конструкции), а также состояние его наружных частей, целость сварочных швов и соединений, отсутствие течи масла из фланцевых соединений арматуры с баком.

При помощи мегомметра проверяют отсутствие обрывов и сопротивление изоляции обмоток НН и ВН на корпус и между обмотками ВН и НН. Проверяют также надёжность контактов обмотки с вводами, места паек, изоляцию шпилек и бандажей бесшпилечных трансформаторов, стягивающих сталь магнитопровода. При внешнем осмотре обращают внимание на состояние переключателей. Если оказываются повреждёнными магнитопровод или обмотки, трансформатор подлежит капитальному ремонту с разборкой активной части. Разборку начинают с демонтажа газового реле, термометра, расширителя и других устройств и деталей, расположенных на крышке трансформатора. Проверку исправности, испытание и ремонт реле производят в электролаборатории.

При дефектировке обмоток обычно бывает трудно определить место виткового замыкания. С этой целью на ряде электроремонтных предприятий применяют комплект приборов, состоящих из искателя, индикатора и питателя.

В ремонт поступают трансформаторы с различными повреждениями. У одних – оказывается повреждённой только изоляция обмоток, у других бывают повреждены (оплавлены) и обмоточные провода. Обмотки с небольшим участком выгоревших проводов и изоляции ремонтируют в ряде случаев только частичной перемоткой. Эксплуатация трансформаторов с частично перемотанными обмотками показала, что продолжительность их работы в 2–3 раза короче, чем у трансформаторов с полностью перемотанными обмотками. Поэтому при необходимости ремонта частично повреждённых обмоток в каждом случае целесообразно решать вопрос о возможности замены их вновь намотанными обмотками.