Трансформаторное оборудование современное состояние и тенденции развития реферат
Обновлено: 02.07.2024
Кафедра общей электротехники
Реферат на тему
Выполнил ст. группы ЭЛб-171 Кузнецов Роман Дмитриевич
Номер зачетной книжки 172048.
Преподаватель Скребнева Евгения Владимировна.
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток и предназначенных для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Трансформатор может состоять из одного, такие трансформаторы называются автотрансформаторами или несколькими изолированными проволочными или ленточными обмотками, или катушками, покрытыми общим магнитным потоком, намотанным, как правило, на магнитный сердечник (сердечник), выполненный из ферромагнитного магнитно-мягкого материала.
Трансформатор представляет собой электрическое устройство, которое передает электрическую энергию между двумя или более цепями посредством электромагнитной индукции. Переменный ток в одной катушке трансформатора создает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует напряжение во второй катушке. Мощность может передаваться между двумя катушками через магнитное поле без металлического соединения между двумя цепями.
Немного об истории создания трансформаторов: первые шаги сделали Столетов Александр Григорьевич, который был профессором МУ, а именно он обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика. Затем, в 1831 году, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции, которое лежит в основе действия электрического трансформатора. Позже, в 1831 году, в работах Фарадея и Генри. Однако ни один из них не отметил в своем устройстве такое свойство трансформатора, как изменение напряжений и токов, т. Е. Преобразование переменного тока. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Это был прототип трансформатора. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку. Это был прототип трансформатора30. 18 ноября 1876 года дата получения патента Павла Яблочкова, Николаева, чем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с открытым сердечником, который был стержнем, на котором намотаны обмотки. Первые трансформаторы с закрытыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдвардом Хопкинсоном. Важнейшую роль в истории трансформаторов для их большей надежности сыграло маслоохлаждение: трансформаторы были помещены в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повысило надежность изоляции. Следующий крупный скачок в технологии основного производства был сделан в начале 30-х годов XX века, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагрева кремниевой стали имеет чрезвычайные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение было увеличено на 50%, гистерезисные потери уменьшились в 4 .
1. ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Силовой трансформатор
Силовой трансформатор - это трансформатор, предназначенный для трансформации электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электрической энергии
Автотрансформатор представляет собой вариант трансформатора, в котором обмотки непосредственно подключены, и в связи с этим не только электромагнитная связь, но и электрическое соединение. Намотка автотрансформатора имеет несколько клемм, они должны быть не менее 3, к которым можно подключать разные напряжения. Преимущество автотрансформатора является более высокой эффективностью, поскольку преобразуется только часть мощности - это особенно важно, когда входное и выходное напряжения незначительно отличаются. Недостатком является отсутствие электрической изоляции между первичной и вторичной цепями. Использование автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для подключения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше с коэффициентами преобразования не более 3-4. Существенным является более низкий расход стали для ядра, медь для обмоток, меньший вес и размеры, а в результате - меньшая стоимость.
Силовые трансформаторы находятся в центре системы передачи и распределения электроэнергии, а конкуренция в энергетическом секторе, требует от компаний производящих трансформаторы работать над повышением надежности, снижением потерь и затрат на их обслуживание.
Концепция силового трансформатора был задумана и разработана в конце 1800-х годов и с тех пор, она мало изменилась. Тем не менее, совершенствование разработок в этой сфере и технологии производства положительно сказываются на характеристиках современных трансформаторов.
Почему современная конструкция трансформатора
Накопленный опыт проектирования в сочетании с обширными усилиями в области передачи и распределения, современные трансформаторы значительно меньше по размеру, дешевле, и в состоянии обещать значительное увеличение эффективности и сокращения потерь электроэнергии. Не стоит забывать, что снижение потерь электроэнергии ведет не только к экономии средств, но и меньшему числу выбросов парниковых газов.
Трансформатор с сердечником из аморфного металла.
Лучшая конструкция трансформатора и применение современных электротехнических сталей может существенно сократить потери холостого хода - основной составляющей потерь электроэнергии силового трансформатора. В некоторых случаях, потери холостого хода могут быть дополнительно снижены заменой обычной электротехнической стали на аморфный металл.
Типы конструкций трансформаторов
Продолжительность срока эксплуатации трансформаторов зависит от ряда факторов, наиболее важными из которых являются качество системы изоляции. Два бича для изоляции трансформатора - влага и высокая температура. Решение этих двух факторов, современные конструкции трансформатора разработаны с целью сохранения общего качества изоляции трансформатора. Некоторые из этих проектов включают в себя открытый стиль, герметичные цистерны, консерватор стиля и автоматическое давления газа.
Открытая конструкция трансформатора - это бак, в котором пространство выше уровня масла заполнено воздухом или газом. Преимущество открытых трансформаторов в его невысокой первоначальной стоимости, однако, это наименее эффективный способ защиты изоляционной системы трансформатора.
Герметичная конструкция трансформатора - в герметичном исполнении бак, ярмо, обмотки и трансформаторное масло полностью закрыты в главном резервуаре без вентиляции в атмосферу. Это обеспечивает лучшую защиту от проникновению влаги и загрязняющих веществ в изоляцию трансформатора. Один из недостатков этой конструкции трансформаторов, заключается в том, что если в сварном, фланцевом соединении или прокладке возникнет утечка в газовом пространстве над трансформаторным маслом, возникнет прямой контакт масла с внешней атмосферой.
Трансформатор с баком расширителя - в этой конструкции основной бак полностью заполнен маслом и меньшего размера бак расширителя расположен выше основного бака, с объемом от 5 до 10 процентов от основного. Такая конструкция хороша для защиты изоляции трансформатора.
Автоматическое регулирование давление газа - эта конструкция трансформатора очень похожа на герметичную, с тем исключением, что свободное пространство над маслом имеет положительное давление в любое время, поддерживаясь с помощью системы регулирования газа. В данной конструкции, до тех пор, как газовый баллон и система регулирования работоспособны, положительное давление в баке автоматически поддерживается, не допуская никаких контактов атмосфера - трансформаторное масло. Эта система является достаточно надежной, однако, такой трансформатор имеет более высокую начальную цену и нуждается в больших эксплуатационных расходах.
Современные тенденции в конструировании трансформаторов
Повышение тарифов на электроэнергию выдвигает требования по снижению потерь в трансформаторах. Основное внимание обращено на внедрение современных конструкций и технологий, направленных на снижение потерь энергии в трансформаторах.
Большинство трансформаторов по своей природе наиболее эффективны, когда они работают при 100% нагрузке. Тем не менее, 100% нагрузка является идеальным случаем, а многим трансформаторам приходится работать при более низких нагрузках. С изменением нагрузки трансформатора изменяется его эффективность. Современные конструкции трансформаторов позволяют повысить их эффективность на 30% - 50%, при этом при нагрузке 35% их потери снижены на 30%.
Современная конструкция трансформаторов определяется производственными тенденциями, благодаря которым трансформаторы отличаются существенно большей мощностью и экономичностью.
Применение воздушной подушки в расширительном баке
Современные конструкции трансформаторов с защитой бака оснащены подушками в расширительном баке, которые практически исключают испарение масла из-за контакта с внешней атмосферой.
Применение методов искусственного интеллекта при проектировании трансформаторов.
Разработаны многочисленные средства проектирования трансформаторов такие, как искусственный интеллект (И.И.) в сочетании с методом конечных элементов (ММК). Сегодня, ИИ широко используется для моделирования нелинейных и крупномасштабных систем, особенно, когда точные математические модели, получить трудно или невозможно. Кроме того, И.И. более эффективен в решении трудных задач оптимизации. С другой стороны, ММК может решать сложные геометрические задачи, а также дает устойчивое и точное решение.
Инновационный изоляционный материал
Ухудшение изоляционных свойств материалов, применяемых в силовых трансформаторах, приводит к ухудшению их диэлектрических свойств и снижает способность противостоять коротким замыканиям.
Однако, инновационная гибридная высокотемпературная изоляция, может расширить интервал допустимых температуры изоляции, увеличить механическую прочность обмотки, и уменьшить расходы на обслуживание и замену трансформаторов. В гибридной изоляции используются слои арамидной бумаги и целлюлозной бумаги. Дополнительные глобальные изменения конструкции включают в себя сокращение числа каналов охлаждения между слоями и укрепления каркаса трансформатора для улучшения стойкости к короткому замыканию. Применение гибридной изоляции при производстве трансформаторов, позволяет существенно повысить надежность и срок службы трансформаторов, что в свою очередь приводит к снижению экономических затрат при эксплуатации.
Преимущества современной конструкции силового трансформатора
Рост предпочтения в сторону современной конструкции трансформаторов обусловлен не только законными требованиями, а еще и потому, что эти трансформаторы имеют высокую энергетическую эффективность, а также малые сроки окупаемости.
Известно, что эффект трансформации напряжения переменного электрического тока был открыт еще в конце 18 века, примерно в то же время была разработана и принципиальная схема устройства трансформаторов, которая практически без особых изменений применяется и в современных их устройствах. Если принципиальная схема трансформаторов не меняется, то за прошедшие века устройство трансформаторов постоянно развивается.
В наше время трансформаторы окружают человека повсюду от громоздких сооружений в промышленной энергетике до минимальных трансформаторов в бытовом электрическом оборудовании. Конструкции трансформаторов постоянно развиваются и совершенствуются. Основной целью совершенствования конструкции трансформаторов является снижение потерь электрического тока и повышение их эффективности и безопасности. Специалистами электроэнергетики уже давно установлено, что наибольшая эффективность работы трансформаторов достигается при полной нагрузке, хотя в основном трансформаторы работают с гораздо меньшей нагрузкой,значит и эффективность их работы значительно снижается.
Современные конструкции трансформаторов позволяют даже при нагрузках, равной 30 – 35% от полной нагрузки снижают потери тока до 30%, тем самым повышая эффективность их работы. Развитие конструкции устройства трансформаторов определяется прежде всего производственными тенденциями и направлены на существенное увеличение мощностей и экономичности в то же время. Совершенствование конструкций трансформаторов совместно с применением современных электротехнических сталей значительно сокращают потери холостого хода силовых трансформаторов.
Основным требованием стабильной и безопасной работы трансформаторов является надежная изоляция обмоток. Неблагоприятными факторами, снижающими уровень изоляции, являются прежде всего повышенная влажность и высокие окружающие температуры. Ухудшение изоляционных свойств материалов в силовых трансформаторах приводит к снижению диэлектрических показателей и снижению сопротивлению коротким замыканиям. Одним из способов для повышения предельно допустимых температур изоляции является применение гибридной инновационной высокотемпературной изоляции на основе слоев бумаги со специальными свойствами. Помимо увеличения температурных пределов такая инновационная изоляция повышает механическую прочность обмоток трансформаторов и как следствие сокращение расходов на их обслуживание. Применение гибридной инновационной изоляции совместно с сокращением каналов охлаждения позволяет существенно повысить надежность и срок службы трансформаторов.
Трансформаторы современных конструкций оснащаются модернизированными, оснащенными газовыми подушками расширительными баками, в результате которых практически исключается испарение масла. Увеличение спроса на современные конструкции трансформаторов обусловлено их высокой энергетической эффективностью и малым сроком окупаемости, том числе:
- увеличением длительности срока службы;
- снижением энергетических затрат за счет сокращения потерь:
- более высокой производительности с использованием меньшего количества энергии.
Многие электротехнические компании в наше время располагают разнообразными видами трансформаторов и другого энергетического оборудования современной конструкции
В электрических сетях России эксплуатируются трансформаторы напряжением от 6 до 1150 кВ и номинальной мощностью от 5 кВА до 1200 MBА; общая мощность установленных силовых трансформаторов к 2000 г. составила более 570 ГВА. Основная часть силовых трансформаторов имеет маслобумажную изоляцию с естественной или направленной циркуляцией масла. В пожароопасных зонах используются трансформаторы с сухой (полимерной) изоляцией и воздушным охлаждением, а также с элегазовой изоляцией. В последнее время разработаны трансформаторы с обмотками кабельного типа, имеющие полиэтиленовую изоляцию. Большие мощности трансформаторов и их выполнение на сверхвысокие напряжения определяют значительные напряженности электрического и магнитного полей при использовании активных материалов, а также значительные механические воздействия при коротких замыканиях в сети. Поэтому при эксплуатации трансформаторного оборудования необходимыми являются жесткий контроль за тепловым режимом работы (для предупреждения износа изоляции вследствие старения при повышенных нагревах), периодическая подпрессовка обмоток, тщательная защита масла от увлажнения.
Направления совершенствования силовых трансформаторов характеризуются изменением ряда технических показателей и совершенствованием элементов конструкции. Одна из существенных задач — уменьшение потерь энергии в трансформаторах, т.е. потерь холостого хода и короткого замыкания.
Уменьшение потерь холостого хода (магнитных потерь) может быть достигнуто при использовании холоднокатаной электротехнической стали с содержанием кремния 3 % и выше, имеющей изотропию магнитных свойств (т.е. одинаковые свойства независимо от направления проката) и сниженные удельные потери при толщине листа 0,23; 0,18 и 0,15 мм. Сокращение расхода изоляционных материалов, трансформаторного масла, массы обмоток и металла, используемого на изготовление баков и систем охлаждения трансформаторов, может быть достигнуто уменьшением изоляционных расстояний на основе новых технологий и применения новых средств защиты от перенапряжений. Значительный эффект для экономии конструктивных материалов дает применение форсированного охлаждения с направленной циркуляцией масла в каналах обмоток и эффективных охладителях.
Для обеспечения экономичной работы сетей и надлежащего качества энергии, отпускаемой потребителям, т.е. для поддержания постоянства напряжения, возникает необходимость в расширении выпуска трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН).Разработанные в трансформаторостроении методы исследования поля рассеяния трансформаторов и создание точных методов анализа распределения поля рассеяния и вызываемых ими электродинамических сил, действующих на обмотки при коротком замыкании, позволяют обеспечить электродинамическую стойкость и надежность силовых трансформаторов мощностью 250—1000 MB · А и более. Исследование поля рассеяния трансформаторов имеет целью также обеспечить определенную организацию и локализацию этого поля за счет рационального размещения обмоток и применения магнитных экранов, что позволяет существенно уменьшить добавочные потери в обмотках и конструктивных деталях трансформатора — стенках бака, прессованных деталях обмоток и остова. Создание программ расчета электрического поля обмоток позволяет разрабатывать конструкцию изоляции обмоток трансформаторов напряжением 35—1150 кВ с учетом воздействия импульсных перенапряжений, не обращаясь к достаточно дорогим методам исследования натуральных моделей.
Читайте также: