Описание
Введение:
Обычно подключаемый к выходному концу генератора, понижающий трансформатор необходим из-за высокого выходного напряжения генератора и низкого номинального напряжения системы возбуждения.
Безопасная и стабильная работа трансформаторов возбуждения генераторов является предпосылкой безопасной и стабильной работы самовозбуждающихся агрегатов, условием стабильной и полной выработки мощности генератора, а также ключевым фактором надежной работы систем возбуждения.
Необходимая электрическая энергия для системы возбуждения берется с выхода генератора. Функция трансформатора возбуждения — снизить выходное напряжение генератора (22 кВ) до входного напряжения тиристорного выпрямителя (850 В), обеспечить электрическую изоляцию между клеммами генератора и обмоткой возбуждения, а также служить реактивным сопротивлением для тиристора.
Форма и характеристики трансформатора возбуждения:
Трансформаторы возбуждения делятся на четыре типа по способу изоляции:
(1) Сухой трансформатор с эпоксидным литьем.
(2) Сухой трансформатор с обмоткой из стекловолокна, пропитанной безщелочной смолой.
(3) Сухой трансформатор типа MORA.
(4) Масляный трансформатор.
Масляные трансформаторы — традиционные устройства, которые постепенно заменяются сухими трансформаторами.
Сухие трансформаторы обладают преимуществами пожаробезопасности, взрывобезопасности и экологичности и стали основным направлением развития трансформаторов возбуждения.
Первый в мире сухой трансформатор с эпоксидным литьем был изготовлен немецкой компанией AEG в 1964 году.
Характеристики сухого трансформатора с эпоксидным литьем:
(1) Высокая изоляционная прочность — эпоксидная смола имеет электрическую прочность 18–22 кВ/мм и аналогичную импульсную прочность, как у масляных трансформаторов того же уровня.
(2) Высокая стойкость к коротким замыканиям.
(3) Отличные противопожарные свойства — эпоксидная смола является самозатухающей.
(4) Отличная устойчивость к влаге и пыли, возможность работы в тяжелых условиях.
(5) Минимальные затраты на обслуживание.
(6) Низкие эксплуатационные потери, высокая эффективность и низкий уровень шума.
(7) Компактность, малый вес, простота монтажа и наладки.
Характеристики сухого трансформатора MORA:
(1) Трансформатор MORA — новое устройство, разработанное немецкой компанией MORA Transformer Factory за последнее десятилетие с учетом новых экологических требований и применения новых технологий и материалов.
(2) Высоковольтная обмотка размещена послойно на керамическом изолирующем держателе, между обмотками предусмотрены воздушные каналы для охлаждения, что повышает способность к перегрузкам и стойкость к коротким замыканиям.
(3) Обмотки погружаются в композитный изоляционный лак и высушиваются под вакуумом.
(4) В качестве изоляционных материалов применяются стекловолокно или бумага NOMEX, что обеспечивает класс изоляции F или H.
(5) Обладает хорошей огнестойкостью.
(6) Может быть разобран и переработан после отказа.
(7) Не требует оборудования и форм для заливки, что снижает затраты и повышает гибкость проектирования.
(8) Имеет немного больший объем обслуживания, но легко ремонтируется.
В настоящее время эпоксидные сухие трансформаторы в основном применяются в Европе и Азии, а тип MORA — в США.
Импульсное напряжение эпоксидных трансформаторов достигает 250 кВ, а у MORA — 150 кВ.
Максимальная мощность эпоксидного трансформатора — до 20 МВА, а у MORA — 8–10 МВА.
Общие требования к трансформаторам возбуждения:
Трансформатор возбуждения питает выпрямитель возбуждения генератора. Высоковольтная сторона трансформатора подключается к шинам генератора, а низковольтная — к тиристорному мосту. Нагрузка выпрямителя — генератор с высокой индуктивностью и изоляцией от земли. Это накладывает особые требования:
(1) Ток в обмотке — несинусоидальный, необходимо учитывать влияние гармоник. Гармоники увеличивают потери в меди и стали и искажают форму напряжения.
(2) Трансформатор должен выдерживать 1,4× номинального напряжения в течение 5 секунд и работать при 1,1× номинального напряжения в течение длительного времени.
(3) Номинальное напряжение низковольтной обмотки выбирается в соответствии с требуемым пиковым напряжением возбуждения генератора.
(4) Мощность трансформатора должна обеспечивать длительную работу при 1,1× номинальной мощности возбуждения.
(5) Перегрузочная способность должна соответствовать режиму форсированного возбуждения.
(6) Между обмотками должны устанавливаться статические экраны и заземление для защиты от перенапряжений и повышения электромагнитной совместимости.
Кроме того, трансформаторы возбуждения должны соответствовать общим требованиям к силовым трансформаторам:
(1) Температурный режим и термостойкость изоляции.
(2) Стойкость к короткому замыканию.
(3) Изоляционный уровень.
(4) Наличие вспомогательных устройств (трансформаторы тока, датчики температуры и др.).
(5) Требования к шуму, частичным разрядам и симметрии фаз.
Также существуют инженерные требования:
(1) Тип и конструкция трансформатора.
(2) Метод сборки и степень защиты.
(3) Условия монтажа на площадке, включая соединение с шинами генератора.
Для крупных генераторов обычно применяют однофазные трансформаторы, объединенные в трехфазную группу, с идентичной конструкцией и взаимозаменяемостью.
Конструкция и проектирование трансформатора возбуждения (на примере сухого трансформатора с эпоксидным литьем):
Сердечник:
Сердечник — магнитная цепь, изготовленная из холоднокатаных ориентированных кремнистых сталей с наклонными стыками 45°. Он изолируется, пропитывается смолой и заземляется в одной точке. Потери холостого хода определяются потерями в стали. Снижение потерь достигается за счет:
① уменьшения магнитной индукции,
② использования высококачественной стали,
③ уменьшения толщины листов и оптимальной структуры стыков.
Обмотки:
Обмотки состоят из проводников (медь или алюминий) и изоляции (смола). Их конструкция определяет мощность, напряжение и режим работы. Требования:
(1) Электрическая прочность — должна соответствовать испытательным напряжениям.
(2) Тепловая стойкость — температура не должна превышать допустимый предел.
(3) Механическая прочность — устойчивость к силам при коротких замыканиях.
Высоковольтная обмотка отливается в форме из смолы, низковольтная — герметизируется смолой.
Выбор материала:
– Медь — при смолах с наполнителем из стекловолокна (схожий коэффициент расширения),
– Алюминий — при наполнителях из микрокремнезема.
Алюминиевые обмотки имеют меньшую прочность и высокие требования к сварке.
Применяются линейные и фольговые проводники, а также послойные и фольговые обмотки.
Фольговые обмотки имеют высокий КПД, меньше потерь и хорошую стойкость к короткому замыканию.
Выбор трансформатора возбуждения:
Короткое замыкание обычно составляет 4–8%. Для надежности требуется перегрузочная способность при форсированном возбуждении. Предпочтителен сухой трансформатор благодаря простоте обслуживания и высокой надежности. Масляные могут использоваться для снижения затрат.
При установке на улице длина кабеля между трансформатором и выпрямителем должна быть минимальной. Нельзя использовать одножильные бронированные кабели, так как они создают наведенное напряжение и токи в броне; предпочтительны резиновые кабели.
① Следует определить тип, мощность, схему соединений, уровень изоляции, шум и частичные разряды.
② Уточнить технические требования и предпочтения производителей.
③ Если используется электрическое торможение, уточнить, выполняет ли трансформатор возбуждения также функцию тормозного трансформатора.
