Строительство трансформатора

Конструкция трансформатора и ключевые компоненты

Трансформатор в основном состоит из магнитной цепи, электрической цепи, диэлектрической цепи, бака и вспомогательных компонентов. Его основными элементами являются первичные/вторичные обмотки и стальной сердечник, который изготовлен из кремниевой стали для формирования непрерывного магнитного пути. Сердечники трансформаторов обычно ламинированы для минимизации потерь от вихревых токов.

Магнитная цепь

Магнитная цепь состоит из сердечника и ярма, обеспечивая путь для магнитного потока. Она имеет ламинированный стальной сердечник с двумя изолированными обмотками (первичной и вторичной), которые изолированы друг от друга и от сердечника.

• Материал сердечника: Ламинированная сталь или кремниево-стальные листы, выбранные за их низкие потери на гистерезис при стандартных плотностях магнитного потока.

• Структурные термины:

• Ножки: Вертикальные секции, на которых намотаны обмотки.

• Ярмо: Горизонтальные секции, соединяющие ножки для завершения магнитного пути.

Электрическая цепь

Электрическая цепь включает первичные и вторичные обмотки, обычно изготовленные из меди:

• Типы проводников:

• Проводники с прямоугольным сечением: Используются для низковольтных обмоток и высоковольтных обмоток в больших трансформаторах.

• Проводники с круглым сечением: Применяются в высоковольтных обмотках малых трансформаторов.

Трансформаторы классифицируются по конструкции сердечника и расположению обмоток:

Конструкция трансформатора с сердечником

В конструкции трансформатора с сердечником сердечник формируется путем ламинации прямоугольных рам. Ламинации обычно вырезаются в виде L-образных полос, как показано на рисунке ниже. Для минимизации магнитного сопротивления в местах соединения ламинаций слои укладываются в шахматном порядке, исключая непрерывные линии соединений и обеспечивая гладкий магнитный путь.

Первичные и вторичные обмотки чередуются, чтобы минимизировать рассеянный магнитный поток, с половиной каждой обмотки, расположенной либо рядом, либо концентрично на каждом ножке сердечника. При размещении между сердечником и низковольтной (LV) обмоткой, между LV и высоковольтной (HV) обмотками, между катушками и ярмом, а также между HV ножкой и ярмом, вставляется изоляция из бакелита, как показано на рисунке ниже. Низковольтная обмотка расположена ближе к сердечнику, чтобы снизить требования к изоляции, оптимизируя эффективность использования материалов и электрическую безопасность.

Конструкция трансформатора с корпусом

В трансформаторе с корпусом отдельные ламинации вырезаются в виде длинных E- и I-образных полос (как показано на рисунке ниже), образуя два магнитных контура с трехножковым сердечником. Центральная ножка, имеющая ширину в два раза больше, чем внешние ножки, несет весь магнитный поток, в то время как каждая внешняя ножка проводит половину потока, оптимизируя магнитную эффективность и минимизируя рассеяние.

Дизайн и компоненты трансформатора с корпусом

Обмотка и структура сердечника трансформатора с корпусом

Рассеянный магнитный поток в трансформаторах с корпусом минимизируется путем разделения обмоток, что снижает реактивное сопротивление. Первичные и вторичные обмотки расположены на центральной ножке: низковольтная (LV) обмотка находится рядом с сердечником, а высоковольтная (HV) обмотка обернута вокруг нее. Чтобы снизить затраты на ламинацию, обмотки предварительно формируются в цилиндрическую форму, после чего в них вставляются ламинированные сердечники.

Диэлектрическая цепь

Диэлектрическая цепь включает изоляционные материалы, разделяющие проводящие части. Ламинированные сердечники (толщиной 0,35–0,5 мм для систем 50 Гц) покрыты лаком или оксидным слоем, чтобы минимизировать потери от вихревых токов и обеспечить электрическую изоляцию между слоями.

Баки и аксессуары

Расширительный бак

Цилиндрический бак, установленный на крыше основного бака трансформатора, расширительный бак служит резервуаром для изоляционного масла. Он принимает масло, расширяющееся при работе под полной нагрузкой, предотвращая повышение давления при колебаниях температуры.

Дыхательное устройство

Функционируя как "сердце" трансформатора, дыхательное устройство регулирует приток воздуха при расширении/сжатии масла. Силикагель внутри абсорбирует влагу из входящего воздуха, сохраняя качество масла: свежий голубой гель становится розовым, когда он насыщается, сухой гель способен понижать точку росы воздуха до -40°C.

Противовзрывной клапан

Тонкая алюминиевая труба, установленная на обоих концах трансформатора, противовзрывной клапан снимает избыточное внутреннее давление, вызванное внезапными скачками температуры, защищая трансформатор от повреждений.

Радиатор

Съемные радиаторные блоки охлаждают масло трансформатора естественной конвекцией: нагретое масло поднимается в радиатор, охлаждается и возвращается в бак через клапаны, поддерживая непрерывный цикл охлаждения.

Изоляторы

Изоляционные устройства, позволяющие электрическим проводникам проходить через бак, изоляторы выдерживают высокие напряжения. Малые трансформаторы используют цельнопорcelainовые изоляторы, а крупные — маслонаполненные конденсаторные изоляторы. Основной причиной отказа является проникновение влаги, которое можно обнаружить с помощью тестов коэффициента мощности (например, Doble Power Factor Test), контролирующих деградацию изоляции.