Известно, что развитие энерговооруженности промышленных предприятий, применение повышенного напряжения основных сетей энергосистемы и систем внутризаводского электроснабжения обусловливает рост парка силовых трансформаторов и их технических показателей.
Трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы обмоток, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства. Конструктивная схема масляного трансформатора представлено на рис. 2.1.
В магнитной системе трансформатора проходит магнитный поток. Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполнен из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. В настоящее время применяется холоднокатаная сталь марок 3405, 3406, т.е. сталь с определенной ориентацией зерен, допускающая индукцию до 1,7 Тл. Применение такой стали позволяет значительно уменьшить сечение магнитопровода за счет большой доггустимой магнитной индукции, а также диаметр витков обмотки, массу и габаритные размеры трансформаторов. Для листов трансформаторной стали широко применяется изоляция лаком с толщиной слоя 0,01 мм. Лаковая пленка создает достаточно надежную изоляцию между листами, обеспечивает хорошее охлаждение магнитопровода, обладает высокой нагревостойкостью и не повреждается при сборке.
Рис. 2.1. Конструктивная схема масляного трансформатора:
1 — выхлопная труба; 2 — газовое реле; 3 — ввод НН; 4— ввод ВН; 5— обмотки высшего и низшего напряжений; 6 — радиаторы системы охлаждения; 7 — магнитопровод; 8— кран для слива масла; 9 — тележка с катками; 10 — бак; 11 — устройство регулирования под нагрузкой (РПН); 12 — термосифонный фильтр; 13 — воздухоосушитель; 14 — указатель уровня масла; 15 — расширитель; 16 — соединительная трубка
Обмотки трансформаторов могут быть концентрическими и чередующимися. В первом случае обмотки ВН и НН выполняют в виде цилиндров и располагают на стержне концентрически одна относительно другой (рис. 2.2, а). Такое выполнение принято в большинстве силовых трансформаторов. Во втором случае обмотки ВН и НН выполняются в виде невысоких цилиндров с одинаковыми диаметрами и располагаются на стержне одна над другой (рис. 2.2, б). Такая обмотка применяется для специальных электропечных трансформаторов и для сухих трансформаторов, так как обеспечивает лучшее охлаждение обмоток.
Рис. 2.2. Обмотки трансформатора:
а — концентрические; б — чередующиеся
Рис. 2.3. Воздухоосушитель:
1 — стенка бака; 2 — труба для присоединения воздухоосушителя; 3 — соединительная гайка; 4 — смотровое окно патрона с индикаторным силикагелем; 5 — масляный затвор; 6 — указатель уровня масла в затворе
Изоляция трансформатора очень важна, т. е. надежность работы трансформатора определяется в основном надежностью его изоляции. В масляных трансформаторах основной изоляцией является масло в сочетании с твердыми диэлектриками: бумагой, электрокартоном, гетинаксом. В сухих трансформаторах широко применяются новые виды изолирующих материалов повышенной нагревостойкости на основе кремнийорганических материалов.
В бак трансформатора помещают активную часть вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения. Основные части бака — стенки, дно и крышка. Крышку используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других элементов. На стенках бака укрепляют охлаждающие устройства — радиаторы.
Для уменьшения потерь от потоков рассеяния стальные баки экранируются с внутренней стороны пакетами электротехнической стали или пластинами из немагнитных материалов (меди, алюминия).
Расширитель трансформатора представляет собой цилиндрический сосуд, соединенный с баком трубопроводом и служащий для уменьшения площади соприкосновения масла с воздухом. Объем расширителя составляет 9... 10% объема масла в трансформаторе и системе охлаждения. Бак трансформатора полностью залит маслом, изменение объема которого при нагреве и охлаждении приводит к колебанию уровня масла в расширителе, при этом воздух вытесняется из расширителя или всасывается в него.
Рис. 2.4. Схемы конструктивного выполнения азотной защиты масла в трансформаторах:
а — система с переменным давлением азота над поверхностью масла; б — система с нормальным атмосферным давлением азота и эластичным резервуаром; 1 — бак трансформатора; 2 — эластичный резервуар; 3 — козлы для подвешивания резервуара
Масло очень гигроскопично, и если расширитель непосредственно связан с атмосферой, то влага из воздуха поступает в масло, резко снижая его изоляционные свойства. Для предотвращения этого расширитель связан с окружающей средой через силикагелевый воздухоосушитель (рис. 2.3). Силикагель поглощает влагу из всасываемого воздуха. Силикагелевый фильтр полностью не осушает воздух, поэтому постепенно влажность воздуха в расширителе повышается. Для предотвращения этого применяют герметичные баки с газовой подушкой из инертного газа или свободное пространство в расширителе заполняют инертным газом (азотом), поступающим из специальных эластичных емкостей (рис. 2.4). Возможно также применение специальной пленки-мембраны в расширителе на границе масло — воздух.
Выхлопная {предохранительная) труба на крышке бака защищает его от разрыва при интенсивном выделении газа во время крупных повреждений внутри трансформатора (короткого замыкания). Верхний конец выхлопной трубы герметично закрывается диафрагмой из тонкого стекла или медной фольги. При взрывоопасных выделениях газа диафрагма разрушается, давление в баке понижается, что и предохраняет его от деформации. Верхняя полость выхлопной трубы и воздушное пространство над поверхностью масла в расширителе соединены трубкой. Это необходимо для выравнивания давлений с обеих сторон диафрагмы при изменении объема масла в нормальных эксплуатационных условиях.
Вместо выхлопной трубы в настоящее время находят применение механические пружинные предохранительные клапаны, устанавливаемые на верхней части стенки трансформатора. Клапан срабатывает при повышении давления в баке до 80 кПа и закрывается при давлении ниже 35 кПа.
Маслоуказатель служит для контроля уровня масла в трансформаторе. Применяются плоские и трубчатые стеклянные маслоуказатели, работающие по принципу сообщающихся сосудов. На шкале маслоуказателя нанесены три контрольные риски, соответствующие уровням масла в неработающем трансформаторе при температурах -45, +15 и +40 "С. В корпус маслоуказателя встроен также специальный герметичный контакт (геркон), подающий сигнал в случае недопустимого понижения уровня масла в трансформаторе.
Термосифонный фильтр крепится к баку трансформатора и заполняется силикагелем или другим веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции за счет разности плотностей горячего и холодного масла происходит непрерывная его регенерация. Адсорбентом может служить как силикагель, так и активный оксид алюминия, алюмагель и др. Адсорбенты удерживают воду в своих порах, не вступая с ней в химическое соединение. Насыщенный водой адсорбент заменяется, а использованный регенерируется нагреванием до определенной температуры (400... 500 °С). Для индикации насыщения силикагеля в него добавляют хлористый кобальт (около 3%).
Рис. 2.5. Передвижной адсорбер для регенерации масла:
1 — кран для выпуска воздуха; 2 — выход масла; 3 — фильтрующее устройство; 4— цапфы для поворота корпуса; 5 — корпус адсорбера; 6 — зернистый адсорбент; 7 — перфорированное дно с сеткой; 8 — вход масла
Рис. 2.6. Схема установки для регенерации масла в трансформаторе,
находящемся в работе: 1 — трансформатор; 2 — подогреватель; 3 — адсорбер; 4 — фильтр-пресс
Примесь хлористого кобальта придает составу голубую окраску. Появление розовой окраски является признаком насыщения состава водой.
Количество адсорбента, засыпаемого в термосифонный фильтр трансформатора, составляет около 1 % залитого в него масла.
Для очистки масла в работающем трансформаторе, находящемся под напряжением, часто используются передвижные адсорберы (рис. 2.5 и 2.6). Расход масла в них составляет 250 ...400 л/ч.
Для предупреждения окисления масла кроме фильтров и азотной защиты применяются антиокислительные присадки, способствующие поддержанию качества масла длительное время и защищающие другие изоляционные материалы трансформатора. Одной из лучших присадок является 2,6-дитретичный бутилпаракрезол, имеющий название ДБПК. Антиокислительной присадкой может также служить пирамидон (технический) в количестве 3 % от массы масла.
Срок службы масла с антиокислительными присадками увеличивается в 2 — 3 раза, стоимость их относительно небольшая, уход намного проще, чем за другими видами защиты масла. Добавку присадок производят раз в 4...5 лет.