Силовые масляные трансформаторы ТМ и ТМГ

В инфраструктуре электроснабжения промышленных производств и населённых пунктов силовой трансформатор выполняет одну из ключевых функций. Именно силовой трансформатор преобразует уровень напряжения электрической энергии для дальнейшего её распределения к конечным потребителям.
Маслонаполненные распределительные трансформаторы ТМГ с герметичным баком и трансформаторы ТМ с расширителем, 3-фазного исполнения – статические устройства с двумя обмотками: высоковольтными и низковольтными. Номинальная полная мощность варьируется от 16 до 2500кВА.

Рассмотрим два типа силовых маслонаполненных трансформаторов, наиболее востребованных в распределительной сети 10(6)/0,4кВ:

1. Герметичный трансформатор серии ТМГ классом напряжения 10(6), 20 кВ;
2. Трансформатор серии ТМ с масляным расширительным бачком и регулятором напряжения, переключающим ответвления обмоток без возбуждения с отключением от сети (Далее – ПБВ).

Модели трансформаторов ТМГ и ТМ чаще всего применяются для использования в составе комплектных трансформаторных подстанций, питающих электроэнергией городские и производственные объекты и составляющих основу распределительных сетей среднего напряжения.

Рисунок 1 - Структура условного обозначения трансформаторов ТМ и ТМГ.

Принцип работы силового трансформатора

Трансформатор – статическое устройство для преобразования тока и напряжения, принцип действия которого строится на явлении взаимоиндукции.

Двухобмоточный трансформатор состоит из остова, магнитопровода их шихтованного электротехнического железа. Работа происходит следующим образом:

1. Слоевые обмотки первичного и вторичного напряжения размещаются на стальном остове из электротехнической стали (магнитопровод). При разомкнутой вторичной обмотке, на первичную подается напряжение, что вызывает протекание по «первичке» тока холостого хода.

2. Ток создает намагничивающую силу, в результате которой появляется магнитное поле.

3. Магнитным полем создается магнитный поток Ф, замыкаемый по сердечнику. Происходит это из-за того, что магнитная проницаемость стали магнитопровода намного выше, чем у воздуха.

4. В результате магнитный поток сцепляется с витками обмоток, где по закону электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила ЭДС..

Общие конструктивные сведения

Трансформатор включает следующие основные элементы:

1. Трансформаторный бак – выполняет функцию корпуса прямоугольной формы, в него помещена активная часть. На верхней крышке и на стенках бака расположены другие элементы конструкции.

2. Выводы обмоток с изоляторами выполняют функцию высоковольтного и низковольтного вводов.

3. Активная часть, состоящая из остова, обмоток ВН и НН с ответвлениями, изолированных вводов, выводов и регулятора ПБВ.

4. Контрольно-измерительные устройства и приборы: термометр, маслоуказатель, иногда мановакууметр и газовое реле, по отдельному требованию заказчика – контроль рабочего состояния трансформатора.

5. 5. Дополнительная аппаратура: рукоять переключателя обмоток (ПБВ), клапан сброса давления – защита и регулировка.

Конструктивные особенности трансформатора ТМГ

Рисунок 2 - Конструктивная схема и общий вид трансформатора ТМГ 63 – 630 кВА

Бак ТМГ - герметичный, без расширителя. Маслоуказатель находится сбоку в верхней части, ближе к стороне 0,4 кВ.

На баке ТМГ установлен предохранительный клапан, который срабатывает при газовом давлении более 30 кПа. В аварийном режиме клапан обеспечивает выхлоп газов.

Трансформатор ТМГ еще на заводе изначально изготавливается с защитой от перегрева. Термостойкие свойства закладываются в конструкцию еще при производстве, когда трансформатор под вакуумом наполняют дегазированным трансформаторным маслом. Данная операция предотвращает появление воздушных подушек, возникающих при выделении из масла воздуха, который в нем растворен.

Конструктивные особенности трансформатора ТМ

Рисунок 3 - Конструктивная схема, чертеж внешнего вида трансформатора ТМ 1000 – 4000 кВА

На верху бака расположен расширитель с размещенными:

• маслоуказателем;
• осушителем воздуха;
• заливным отверстием для масла.

Расширительный бак с клапаном сброса давления. При повышении давления, в режиме аварии газы разрывают защитную мембрану и выходят наружу. Для чего предназначен расширитель?

Несмотря на то, что расширитель допускает взаимодействие масла с воздухом, решается проблема изменяющегося под воздействием температуры объёма трансформаторного масла. Расширитель служит для изменения давления внутри бака в результате процесса компенсации.

Необходимый и обязательный элемент трансформатора ТМ – осушитель воздуха. Представляет собой прозрачный бак с сорбентом, поглощающим влагу. Нормальное состояние силикагеля, которым обычно заполняется осушитель – белый цвет с оранжевым оттенком.

Система охлаждения – важный элемент конструкции трансформатора, включает:

1. Бак трансформатора с маслом-диэлектриком.
2. Расширительный бачок.
3. Радиаторы на баке трансформатора.

Сравнение ТМ и ТМГ

Ниже приведено сравнение двух типов трансформаторов и указано в чём заключаются основные отличия конструкций ТМ и ТМГ. Для наглядности и удобства отличия сведены в единую таблицу.

Таблица 1 - Конструктивные и качественные отличия маслонаполненных трансформаторов ТМГ и ТМ.

Ключевые характеристики, влияющие на качество работы трансформатора

Помимо внешней характеристики, где напряжение с низкой стороны трансформатора зависит от нагрузки потребителей, существует ряд других факторов, влияющих на качество работы.

Для распределительных силовых трансформаторов по ГОСТ 4.316-85 определены следующие показатели качества:

1. Удельная масса по отношению к номинальной мощности кг/кВ*А (показатель считается основным для выбора конструкции тр-ра)
2. Установленный эксплуатационный период (показатель определяет надежность и долговечность)
3. Потери холостого хода (ХХ) ΔPк, кВт.
4. Потери короткого замыкания (КЗ)ΔPк, кВт
5. Ток холостого хода Iхх

Качественная зависимость эффективности трансформатора от удельной массы

По приведенным в Таблице 2 значениям видно, лучшие показатели по массе у трансформаторов ТМГ21, где вторичная обмотка исполнена из алюминиевой фольги. Кроме трансформатора ТМ удельный вес остальных моделей уменьшается при увеличении номинальной мощности.

Таблица 2 - Показатели массы силовых трансформаторов ТМ и ТМГ напряжением 10/0,4кВ

Потери холостого хода

В режиме холостого хода магнитные потери стали и обмотки высокого напряжения из-за тока ХХ составляют около 1% от ΔPхх

Основные причины больших потерь ХХ:

1. Коррозия металла, при нарушении лаковой изоляции.
2. Износ изоляции шпилек для стяжки, вызывающих замкнутый накоротко контур.
3. Плохая шихтовка.
4. Перегрев стальных элементов, болтовых соединений трансформатора.
5. Нестабильные характеристики стали.
6. Брак при сборке трансформатора.
7. Недогрузка трансформатора.

Магнитные потери появляются из-за гистерезиса вихревых токов. Гистерезис вызывает 25% всех магнитных потерь. Вихревые токи – 75% потерь ХХ

Детальное рассмотрение потерь ХХ в Таблице 3.

Таблица 3 - Потери ХХ и КЗ силовых трансформаторов ТМ и ТМГ напряжением 10/0,4 кВ

Потери токов КЗ

Потери КЗ зависят от следующих факторов:

1. Ток нагрузки в обеих обмотках трансформатора.
2. Материал обмоток.
3. Сечения проводников.

Для комплектных подстанций, где по большей части устанавливают трансформаторы ТМГ, важен показатель суммарных потерь трансформатора, который складывается из потерь на ХХ и КЗ.

Энергоэффективность трансформаторов оценивается по европейскому стандарту HD428. По нему степень потерь мощности КЗ и ХХ не должна превышать стандартные значения.

Таблица 4 - Допустимый уровень потерь в трансформаторах.

Вывод.

При выборе руководствуются стандартными качественными показателями, регламентированными ГОСТ 4 316-85

Энергоэффективность оценивается в зависимости от минимального количества потерь и наибольшего КПД. Наиболее лучшими и отвечающими качественным показателям являются трансформаторы: энергосберегающий ТМГ12; ТМГ15 и ТМГ21, трансформаторы мощностью 1600кВА типа ТМ и ТМГ11.

Условия выбора трансформатора

Рациональный выбор трансформаторов зависит от вопросов сбережения электроэнергии. Это означает, что во внимание принимаются степень загруженности трансформатора, КПД, который от нее зависит, потери в магнитной системе и в обмотках трансформатора.

На следующие условия обращают внимание при выборе силового трансформатора для комплектации понижающей подстанции:

• количество трансформаторов;
• конструктивное исполнение;
• выбор напряжения, способ регулирования напряжения вторичной обмотки;
• выбор мощности трансформатора;
• выбор группы соединений обмоток;
• электрические, механические и тепловые характеристики:
• планируемый режим работы;
• соотношение цена и качество.

Что влияет на выбор количества трансформаторов

Ниже приведён ответ на вопрос о том, сколько же нужно иметь трансформаторов для бесперебойного питания объекта и от чего зависит выбор количества трансформаторов.

В первую очередь от степени важности объекта относительно категории электроснабжения.

Двухтрансформаторные подстанции нужны в случаях:

• питания потребителей I и II категории, когда отключение питания может повлечь непоправимые нарушения технологического процесса;
• подключения объектов с высокой удельной плотностью нагрузок.

Однотрансформаторная подстанция используется для электроснабжения объектов III категории электроснабжения.

Выбор исходя из конструктивных особенностей

Маслонаполненные трансформаторы отличаются хорошим теплоотводом и изоляцией повышенной диэлектрической прочности, что самое важное, надежной защитой активной части от внешних климатических условий.

Трансформатор ТМ

Конструкция трансформатора ТМ с расширительным бачком предусматривает сообщение с воздухом. Это необходимо для лучшего охлаждения обмоток и магнитопровода. Трансформатор отличается прочностью к механическим повреждениям.

Потому, если для вас важно приобрести относительно недорогой силовой трансформатор, который не боится перегревов, обратите внимание на трансформатор серии ТМ.

Трансформатор ТМГ

Устройство относится к надежным и защищенным от перегрева типам трансформаторов, не требующим эксплуатационного обслуживания.

Если вы желаете сэкономить на техническом обслуживании (ТО) и на покупке второго «транса» – подключите объекты с высокой нагрузкой II категории электроснабжения к однотрансформаторной подстанции, укомплектованной ТМГ. Конечно, если схема электроснабжения не предусматривает секционирования и других особенностей.

Следующий критерий выбора – потребляемая нагрузка со стороны 0,4 кВ. Нужно знать сколько будет потребителей, какую мощность они будут потреблять.

Выбор мощности трансформаторов в зависимости от номинальной нагрузки

При выборе мощности относительно нагрузки, которая требуется потребителю, во внимание принимается необходимость резервного питания.

Например, на двухтрансформаторной подстанции вышел из строя один трансформатор. Суммарная нагрузка со стороны вторичной обмотки, которую принимает второй трансформатор не должна превышать его номинальный ток нагрузки.

Например, 2БКТП 2х630 – ток вторичной обмотки одного трансформатора равен 910А. Учитывая условия нормальной работы, трансформатор не должен быть нагружен более 80% номинальной нагрузки. Это означает, что суммарная нагрузка потребителей со стороны 0,4 кВ не должна быть намного более 400 А.

Таблица 5 - Потребляемый номинальный ток со стороны обмотки низшего напряжения 0,4кВ трансформаторов мощностью 25 – 1000 кВА

Выбор трансформатора относительно регулировки номинального напряжения со стороны вторичной обмотки

Трансформаторы ТМ и ТМГ для комплектования подстанций в сетях 10 кВ оборудованы устройством ПБВ для безопасного регулирования напряжения.

Для трансформаторов с ПБВ характерны редкие периодические колебания коэффициента трансформации ±5%,в зависимости от сезона. Переключатель обычно предусматривает 5 ступеней регулирования.

Трансформаторы с РПН (регулирование под нагрузкой) используются обычно в сетях от 35 кВ и выше. РПН предусматривает 13, 17, 19 ступеней переключения и регулирует коэффициент трансформации Ктр соответственно в пределах: ± 9, 12, 16%. Для подстанции с РПН предусмотрена автоматическая регулировка.

Выбор трансформаторов относительно группы и схемы соединения обмоток

Необходимо чтобы статические трансформаторы в сетях напряжением 10/0,4 кВ улучшали качество электрической энергии и отвечали трем условиям:

1. Препятствовали появлению в сетях напряжения высших гармоник.
2. Выравнивали нагрузку по фазам со стороны высокого напряжения при неравномерном распределении нагрузки по фазам обмотки низкого напряжения.
3. Ограничивали сопротивление нулевой последовательности цепей КЗ после присоединения четырехпроводной сети.

Обычно для соблюдения первых двух условий в сетях 10 кВ для трансформаторов, используемых для комплектных подстанций, достаточно соединить обмотки Y/Δ (первичка – звезда, вторичка – треугольник).

Третье условие характерно для трансформаторов, не применяемых в сетях 10/0,4 кВ.

Выбор габаритных размеров

Типоразмер также представляется важным, от него зависят условия транспортировки, монтажа, поэтому габариты и масса учитываются.

Однако на современном рынке достаточно моделей, чтобы выбрать трансформатор необходимого размера и нужных характеристик. Важно изучать предлагаемые каталоги, консультироваться с производителями и заполнять опросные листы.

Только тесное взаимодействие и открытое сотрудничество с представителями компании-производителя электроустановок поможет клиенту получить оборудование, наиболее удовлетворяющее эксплуатационным требованиям.

К одному из главных эксплуатационных критериев относится условия параллельной работы, рассмотрим их.

Условия параллельной работы

Параллельная работа трансформаторов невозможна, если не соблюдены условия подключения. Невыполнение влечет короткое замыкание и выход оборудования из строя.

Условия параллельной работы:

1. Коэффициенты трансформации равны, допускается отклонение ±0,5%.
2. Группы соединения обмоток тождественны.
3. Напряжение короткого замыкания различается не более чем ± 10.
4. Отношение мощностей обеих трансформаторов не должно быть выше трех.
5. Фазировка должна быть выполнена правильно, электрические цепи должны совпадать.

Отклонения от заданных значений регламентированы ГОСТ Р 52719.

Двухобмоточные и трёхобмоточные трансформаторы разрешается включать в параллель. Любым трансформаторам при соблюдении условий разрешено работать параллельно, если нагрузка обмоток не превышает допустимую.

Выравнивание нагрузки выполняют перераспределением между трансформаторами с различными Uк.з. путем изменения коэффициента трансформации Ктр с помощью переключения регулятора ПБВ. Трансформатор, который работает с недогрузом должен со стороны «вторички» иметь Uхх выше, чем трансформатор, у которого перегруз.

Вывод из статьи

Ранее привычный выбор трансформатора зависел от номинального тока и знания, какой запас нужен по мощности. Решающее условие покупки заключалось в критерии «доступная цена». Теперь современные компании приобретают трансформаторы, оценивая критерий «минимальная стоимость совокупного владения». Критерий подразумевает оценку затрат на все электрооборудование.

Благодаря детальному рассмотрению качественных характеристик эффективной работы трансформатора, условий выбора и паспортных данных покупатель оценивает эффективность приобретения и принимает правильное решение.

Для безошибочного выбора заполните опросный лист, вас проконсультируют и помогут решить требуемую задачу.