Трансформатор, трансформаторо тока и напряжения

 Введение

 

        Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя злектроизоляции состоящей из электроизоляционных материалов.

    Не менее  важное значение для электротехники  имеют магнитные материалы. Потери  энергии и габариты электрических  машин и трансформаторов определяются  свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

   При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

     Рассмотрим применение электротехнических материалов в силовых трансформаторах большой и малой мощности, измерительных трансформаторах и трансформаторах тока.

                                             

Трансформатор

 

   Трансформатором  называется статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования одной системы переменного тока в другую, имеющую другие характеристики, в частности другое напряжение и ток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

    Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители (лампы накаливания, электродвигатели, нагревательные приборы и т, д.) или линии передачи, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой. Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создаёт  переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них Э.Д.С. Так как магнитный поток переменный, то индуктированная Э.Д.С. во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.

Величины Э.Д.С., индуктирующийся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике, т. е. Е==4,44f Фт. При определённой частоте и неизменном магнитном потоке величина Э.Д.С. каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно вы-

разить формулой:

 

где и Э.Д.С. первичиой и вторичной обмоток; , и числа витков первичной и вторичной обмоток.

   Вольтметры V1 и V2 . включенные к зажимам первичной и вторичной обмоток, покажут нам напряжения U₁ и U₂ этих обмоток. Если обозначить напряжение вторичной обмотки при холостом ходе через U₂ , то для трансформаторов обычной конструкции при холостом ходе можно написать U₁ и U₂ E₂ Однако практически разница между Э.Д.С. и напряжениями

так мала, что зависимость  между напряжениями и числами  витков обеих обмоток можно выразить формулой:

 

 

     Из этой формулы видно, что во сколько раз число витков в первичной обмотке больше (или меньше) числа витков вторичной обмотки, во столько же раз напряжение первичной обмотки больше (или меньше) напряжения вторичной обмотки.

        Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации трансформатора и обозначается буквой k:

 

      Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и  изготовляется из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 и 0,35 мм марки Э4-2. Электротехническая сталь представляет собой сталь, в состав которой входит 4,0-4,8% кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенными в изолирующих втулках. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.

        По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформатора броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа. Обмотка трансформаторов выполняется из изолированной круглой или прямоугольной меди.  В настоящее время в силовых трансформаторах широко используют обмотки из алюминия. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения. На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который помещают обмотку высшего напряжения. Расположение этой обмотки снаружи удобно еще тем, что при неисправностях (которые чаще случаются в высоковольтной обмотке) она доступна для осмотра и ремонта.

Концы обмоток высшего и низшего напряжения выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на стальной крышке трансформатора. Сердечник с обмотками обычно опускают в бак прямоугольной или овальной формы, изготовленный из листовой стали.

    В бак заливается специальное трансформаторное масло, обладающее большой электрической прочностью.

    Витки обмотки, помещённой в масло, хорошо изолируются один от другого при помощи специальной бумаги пропитанной электроизолирующим составом в несколько слоёв. Кроме того, трансформаторное масло, обладая

большой теплопроводностью, отнимает тепло от обмоток и отдаёт его баку. Для увеличения поверхности охлаждения у бака делают ребристую поверхность. Для этой же цели к баку приваривают трубы, сообщающиеся с баком в верхней и нижней частях. Для трансформаторов большой мощности трубы сваривают в отдельные блоки, называемые радиаторами, которые прикрепляют к баку. Крышка трансформатора при помощи болтов крепится к баку.

    При работе трансформатора масло, отнимая тепло от обмоток трансформатора, само нагревается и начинает расширяться. При остывании масло сжимается и в свободное от масла пространство может проникнуть воздух, содержащий влагу. Во избежание этого между крышкой и баком прокладывают слой резины, которая не дает воздуху проникать в бак.

При большом объеме масла в баке расширение масла при нагревании может быть настолько большим, что оно станет вытекать из-под крышки. Чтобы дать возможность маслу расширяться, на крышке трансформатора устанавливают дополнительный бачок, называемый расширителем. Этот бачок соединяется трубой с баком. При нагреве масло вытесняется в

расширитель, а при  охлаждении, сокращаясь в объеме, уходит в бак. На расширителе устанавливают масломерную стеклянную трубку для наблюдения за уровнем масла. Так устроены трансформаторы с естественным масляным охлаждением.

   Трансформаторы  большой мощности обеспечиваются  воздушными вентиляторами, с принудительной циркуляцией масла, водяным охлаждением.

   Трансформаторы  малой мощности применяются в  различных бытовых и промышленных  приборах. В основном они устанавливаются  в блоках питания телевизоров,  компьютеров,  радиоприёмников, магнитофонов  в под зарядных устройствах  мобильных телефонов и т.д. Охлаждение таких трансформаторов происходит за счёт естественной циркуляции воздуха в приборе или небольших вентиляторов установленных в них.

  В таких трансформаторах в качестве обмоток используют медный провод  малых сечений нанесённой на него тонкой лаковой изоляцией. Лаковые покрытия обладают различной  температурой  при которой происходит разрушение изоляции. Обмотки друг от друга изолируют слоем пропитанной бумаги или слюды.

   Силовые трансформаторы  различных мощностей широко применяются  в энергетике. Повышающие трансформаторы служат для повышения напряжения, для передачи на большие расстояния электроэнергии с наименьшими её потерями. Понижающие трансформаторы служат для преобразования энергии в другие классы напряжений и доставки электроэнергии  нужного класса напряжения и частоты по воздушным и кабельным линиям  к потребителю.

 

Трансформаторы  напряжения

 

      В сетях переменного тока для отделения измерительных приборов в целях безопасности от проводов высокого напряжения, а также для расширения пределов измерения приборов применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока.

   Первичная и вторичная обмотки измерительного трансформатора напряжения выполняются из медной изолированной проволоки и надеваются на замкнутый сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали.

   Трансформаторы напряжения изготовляются однофазными и трехфазными.

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    На рисунке  показана схема включения однофазного измерительного трансформатора напряжения. Для защиты трансформатора от перегрузок и коротких замыканий в цепи измерительных приборов во вторичную обмотку включается низковольтный плавкий предохранитель. В случае пробоя изоляции высоковольтной обмотки сердечник и вторичная обмотка могут

получить высокий потенциал. Во избежание этого вторичная обмотка и металлические части трансформатора заземляются. Предохранитель в заземленный конец вторичной обмотки не включается. Для защиты высоковольтной сети от последствий короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора она включается в сеть через высоковольтные предохранители. В целях облечения работы высоковольтных предохранителей последовательно с ними включаются дополнительные токоограничивающие сопротивления, которые, уменьшая величину тока

короткого  замыкания, обеспечивают надежную работу предохранителей.

Для  отключения трансформатора от сети служат разъединители.                                                                                                           Трансформаторы напряжения делятся на четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1 и   3. Цифры означают процент погрешности по напряжению. При напряжении до 3 кВ трансформаторы выполняются с сухим (воздушным) охлаждением, свыше 6 кВ с масляным охлаждением.

   Трансформаторы напряжения служат: для измерения напряжения в высоковольтных сетях ; для присоединения реле напряжения, катушек нулевого напряжения  ручных и автоматических приводов, частотомеров, сигнальных ламп; для питания параллельных обмоток ваттметров,

счетчиков, фазометров; для  контроля изоляции.

 

                        Измерительные трансформаторы тока

 

     Трансформаторы тока служат для преобразования тока большой величины в ток малой величины. На рисунке  показано устройство и схема включения трансформатора тока. На сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали, наматываются две обмотки: первичная, состоящая из небольшого количества витков, включаемая последовательно в цепь, по которой проходит измеряемый ток, и вторичная, состоящая из большого числа витков, к которой подключены измерительные приборы. При измерении тока в сетях высокого напряжения измерительные приборы оказываются отделенными и изолированными от высоковольтных проводов. Вторичная обмотка трансформатора тока выполняется обычно на ток 5 А

(иногда на 10 А), первичные номинальные токи могут быть от 5 до 15 000 А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Отношение первичного тока к вторичному, равное приближенно обратному отношению витков обмоток, называется   коэффициентом трансформации трансформатора тока.

     Номинальный коэффициент трансформации указывается на паспорте трансформатора в виде дроби, в числителе которой указывается номинальный первичный ток, а в знаменателе номинальный вторичный ток, например 150/5 а, т. е. kт =30.