Temat: Budowa transformatorów energetycznych Buduje się dwa rodzaje transformatorów jednofazowych różniące się kształtem obwodu magnetycznego (rdzenia). Są to: a) transformatory rdzeniowe (rys) b) transformatory płaszczowe (rys) Części rdzenia, na którym są umieszczone uzwojenia nazywamy kolumnami lub słupami, a części łączące kolumny jarzmami. Przestrzeń zawartą między kolumną a jarzmem nazywa się oknem. W jednofazowym transformatorze rdzeniowym (rys.4.5a) uzwojenie pierwotne i wtórne są dzielone na połówki i umieszczone na obu kolumnach, pola przekrojów kolumn i jarzm są wówczas jednakowe. W transformatorze płaszczowym (rys.4.5b) uzwojenie pierwotne i wtórne są umieszczone tylko na kolumnie środkowej. Pole przekroju tej kolumny jest około dwukrotnie większe niż pola przekrojów kolumn zewnętrznych i jarzm. Wynika to stąd, że kolumna środkowa przewodzi strumień dwukrotnie większy niż jarzma i słupy skrajne (rys.4.8) W energetyce przy wytwarzaniu, przesyłaniu i rozdziale energii elektrycznej zasadniczą rolę spełniają układy trójfazowe napięć i prądów. Znaczenie układów trójfazowych wynika z możliwości ekonomicznego wytwarzania, transformowania oraz przesyłania energii elektrycznej, a także z możliwości łatwego wytworzenia pól wirujących w maszynach elektrycznych trójfazowych prądu przemiennego. Rdzenie transformatorów wykonuje się z blachy transformatorowej o grubości 0,3 0,5 mm. Blachy pokrywa się cienką warstwą materiału izolacyjnego (np. papieru, lakieru, szkła wodnego) i składa w pakiety (rys.4.9). Izolacja między blachami ogranicza prądy wirowe, tym samym zapobiega nadmiernemu nagrzaniu rdzenia. str. 1
Rdzeń transformatora energetycznego składa się z pasków blachy, przy czym jarzmo można ułożyć na kolumnach na styk lub na zakładkę (rys.4.10). Zaplatanie blach w miejscu połączenia jarzma z kolumną polega na mijaniu się szczelin w sąsiednich warstwach blach i wpływa na efektywne zmniejszenie szczeliny. Jeżeli jarzmo układa się na kolumnie na styk, to należy zastosować przekładkę, uniemożliwiającą zwieranie blach, które zwiększyłoby straty w rdzeniu. Przekładka taka osłabia jednak strumień magnetyczny i w konsekwencji wzrasta prąd magnesujący transformatora. Łączenie na zakładkę jest więc znacznie korzystniejsze, ale wymaga większego nakładu pracy. Przekrój poprzeczny kolumny rdzenia transformatora energetycznego ma kształt zbliżony do koła (rys. 4.11). Kształt taki (schodkowy) pozwala na zmniejszenie średnich długości zwojów uzwojeń transformatora dla danego przekroju rdzenia ferromagnetycznego. Aby ułatwić chłodzenie rdzenia, między pakietami blach zostawia się wolne przestrzenie, które tworzą kanały wentylacyjne pozwalające na obieg czynnika chłodzącego (rys.4.12). str. 2
Pakiet blach ściąga się za pomocą odizolowanych nitów lub śrub (rys.4.13). Dobre ściągnięcie blach oraz właściwy montaż zmniejszają szumy podczas pracy transformatora. Brzęczenie (szumy) transformatora głównie jest spowodowane zjawiskiem magnetostrykcji. Na kolumnach są osadzone uzwojenia transformatora wykonane z przewodów miedzianych lub aluminiowych. Przewody mają przekrój kołowy i są izolowane najczęściej oprzędem lub oplotem z taśm. Przy przekrojach większych stosuje się przewody o przekrojach prostokątnych izolowane taśmą papierową. Taśmowanie może być wykonane na zakładkę lub na styk. Uzwojenia mogą być wykonane jako krążkowe, stosowane bardzo rzadko w transformatorach płaszczowych, lub jako cylindryczne. Uzwojenie krążkowe tworzy się w ten sposób, że na kolumnę nakłada się cewki na przemian dolnego i górnego napięcia (rys.4.14a), przy czym dwie skrajne cewki są cewkami dolnego napięcia. Uzwojenie cylindryczne (rys.4.14b) składa się z dwóch współosiowych cylindrów nałożonych na kolumnę: cylinder dolnego napięcia jest osadzony na kolumnie, a na nim cylinder górnego napięcia. Uzwojenie górnego napięcia najczęściej jest podzielone na kilka cewek, między którymi pozostawia się szczeliny. Takie rozwiązanie umożliwia lepsze chłodzenie ze względu na szczelinę między cewkami, a ponadto w razie uszkodzenia można wymienić jedną cewkę, a nie całe uzwojenie. Uzwojenie dolnego napięcia musi być dokładnie odizolowane od uzwojenia wysokiego napięcia. Rozmieszczenie tego typu uzwojeń na kolumnie oraz ich izolację pokazano na rys. 4.15. str. 3
Aby zmniejszyć straty powstające w wyniku nierównomiernego rozkładu prądu w przewodzie o dużym przekroju, stosuje się przewody dzielone na kilka gałęzi równoległych. Poszczególne gałęzie muszą mieć jednakowe rezystancje (jednakowe długości) oraz jednakowe reaktancje (musza być jednakowo położone względem strumienia rozproszenia). Uzyskuje się to przez odpowiednie przeplecenie uzwojenia (rys.4.16.). Przez zastosowanie odpowiedniego sposobu nawijania uzwojenia (dzielenie na cewki oddzielone przekładkami) można uzyskać znaczne polepszenie warunków chłodzenia uzwojenia. Im moc transformatora jest większa, tym większa ilość ciepła wydziela się podczas jego pracy i tym istotniejsze są warunki chłodzenia transformatora. Ze względu na rodzaj czynnika chłodzącego transformatory energetyczne można podzielić na dwie podstawowe grupy: a) transformatory powietrzne (chłodzone powietrzem), tzw. suche najczęściej są chłodzone w obiegu otwartym, tzn. takim, w którym powietrze chłodzące jest pobierane bezpośrednio z otoczenia transformatora. Transformatory takie są stosowane przeważnie w pomieszczeniach zagrożonych pożarem nie ma oleju, zmniejsza się więc niebezpieczeństwo pożaru. b) Transformatory olejowe (chłodzone olejem) są umieszczone w tzw. kadzi, wypełnionej olejem transformatorowym. Na rysunku 4.17 pokazano transformator przygotowany do umieszczenia w kadzi, a na rys. 4.18 kompletny transformator olejowy. str. 4
Kadź transformatora jest wykonana z blachy (rys.4.19), przy czym dno i pokrywa są zawsze grubsze od ścianek. Olej oddaje ciepło do otoczenia przez ścianki kadzi. Wypełnia on kanały chłodzące w rdzeniu i między uzwojeniami, spełniając jednocześnie rolę czynnika chłodzącego i izolacyjnego. Nagrzany olej ma mniejszą gęstość i ulega ruchowi konwekcyjnemu w górę, a następnie wzdłuż ścianek kadzi lub wewnątrz rurek chłodzących, wychodzących na zewnątrz, opada w kierunku dna w miarę obniżania się temperatury. Olej w transformatorze spełnia dwa zadania: jest czynnikiem chłodzącym i izolującym, jego własności fizykochemiczne muszą spełniać wysokie wymagania. str. 5
W transformatorach niewielkiej mocy wystarcza chłodzenie naturalne oleju, które intensyfikuje się przez zwiększenie zewnętrznej powierzchni kadzi (żeberkowanie rys. 4.20, rurki chłodzące, radiatory). W transformatorach dużej mocy stosuje się chłodzenie olejowe z przewietrzaniem wymuszonym za pomocą wentylatorów powietrznych, wzmagających ruch powietrza, a więc przyspieszających odbieranie ciepła od kadzi (rys. 4.21). W transformatorach największych mocy, współpracujących w elektrowniach z blokami energetycznymi, stosuje się chłodzenie wodno-olejowe, przy którym olej jest przetłaczany przez znajdującą się na zewnątrz chłodnicę wodną. str. 6