Transformadores de potência - dispositivo e princípio de operação

Ao transportar eletricidade por longas distâncias, o princípio da transformação é usado para reduzir as perdas. Para isso, a eletricidade gerada pelos geradores é alimentada à subestação transformadora. Aumenta a amplitude da tensão que entra na linha de energia.

A outra extremidade da linha de transmissão é conectada à entrada da subestação remota. Nele, a tensão é reduzida para distribuir a eletricidade entre os consumidores.

Em ambas as subestações, dispositivos especiais de alimentação estão envolvidos na transformação de eletricidade de alta potência:

1. transformadores;

2. autotransformadores.

Eles têm muitos recursos e características comuns, mas diferem em certos princípios de operação. Este artigo descreve apenas os primeiros projetos em que a transferência de eletricidade entre bobinas individuais é devida à indução eletromagnética. Neste caso, harmônicos de corrente e tensão variando em amplitude preservam a frequência de oscilação.

Os transformadores são usados ​​para converter corrente alternada de baixa tensão em uma tensão mais alta (transformadores elevadores) ou uma tensão mais alta em uma tensão mais baixa (transformadores abaixadores). Os mais difundidos são os transformadores de potência de aplicação geral para linhas de transmissão e redes de distribuição. Os transformadores de potência na maioria dos casos são construídos como transformadores de corrente trifásicos.

Características do dispositivo

Os transformadores de energia em eletricidade são instalados em locais estacionários pré-preparados com fundações sólidas. Faixas e rolos podem ser instalados para colocar no chão.

Uma visão geral de um dos vários tipos de transformadores de potência que trabalham com sistemas de tensão 110/10 kV e com potência total de 10 MVA é mostrada na figura abaixo.

Alguns elementos individuais de sua construção são fornecidos com assinaturas. Com mais detalhes, a disposição das partes principais e sua disposição mútua são mostradas no desenho.

O equipamento elétrico do transformador está alojado em um invólucro metálico feito na forma de um tanque selado com tampa. É preenchido com uma classe especial de óleo de transformador, que possui altas propriedades dielétricas e, ao mesmo tempo, é usado para remover o calor de peças submetidas a altas cargas de corrente.

Um núcleo 9 é instalado dentro do tanque, no qual são colocados os enrolamentos com enrolamentos de baixa tensão 11 e alta tensão 10. A parede frontal do transformador é 8. Os terminais do enrolamento de alta tensão são conectados às entradas que passam por isoladores de porcelana 2.

Os enrolamentos do enrolamento de baixa tensão também são conectados aos fios que passam pelos isoladores 3.A tampa é fixada na borda superior do tanque e uma junta de borracha é colocada entre elas para evitar que o óleo vaze na junta entre o tanque e a tampa. Duas fileiras de orifícios são perfuradas na parede do tanque, tubos de paredes finas 7 são soldados a eles, através dos quais o óleo flui.

Na tampa há um botão 1. Ao girá-lo, você pode alternar as voltas da bobina de alta tensão para ajustar a tensão sob carga. As braçadeiras são soldadas à tampa, na qual é montado um tanque 5, denominado expansor.

Possui um indicador 4 com tubo de vidro para monitoramento do nível de óleo e um bujão com filtro 6 para comunicação com o ar circundante. O transformador se move sobre rolos 12, cujos eixos passam pelas vigas soldadas no fundo do tanque .

Quando grandes correntes fluem, os enrolamentos do transformador são submetidos a forças que tendem a deformá-los. Para aumentar a resistência dos enrolamentos, eles são enrolados em cilindros isolantes. Se uma faixa quadrada for colocada em um círculo, a área do círculo não será totalmente utilizada. Portanto, as hastes do transformador são feitas com seção transversal escalonada por montagem de chapas de diferentes larguras.

Diagrama hidráulico do transformador

A imagem mostra uma composição simplificada e interação de seus principais elementos.

Válvulas especiais e um parafuso são usados ​​para encher / drenar o óleo, e a válvula de fechamento localizada no fundo do tanque é projetada para coletar amostras de óleo e, em seguida, realizar sua análise química.

Princípios de refrigeração

O transformador de potência possui dois circuitos de circulação de óleo:

1. externo;

2. interno.

O primeiro circuito é representado por um radiador composto por coletores superiores e inferiores conectados por um sistema de tubos metálicos. Por eles passa óleo aquecido que, estando nas linhas de refrigerante, esfria e retorna ao tanque.

A circulação do óleo no tanque pode ser feita:

• de forma natural;

• forçado devido à criação de pressão no sistema por bombas.

Freqüentemente, a superfície do tanque é aumentada criando ondulações - placas de metal especiais que melhoram a transferência de calor entre o óleo e a atmosfera circundante.

A entrada de calor do radiador para a atmosfera pode ser realizada soprando o sistema por ventiladores ou sem eles devido à convecção de ar livre. O fluxo de ar forçado aumenta efetivamente a remoção de calor do equipamento, mas aumenta o consumo de energia para operar o sistema. Eles podem reduzir característica de carga do transformador até 25%.

A energia térmica liberada pelos modernos transformadores de alta potência atinge valores enormes. Seu tamanho pode ser atribuído ao fato de que agora, às suas custas, começaram a implementar projetos de aquecimento de edifícios industriais localizados próximos a transformadores em operação constante. Eles mantêm ótimas condições de operação do equipamento, mesmo no inverno.

Controle de nível de óleo no transformador

A operação confiável do transformador depende em grande parte da qualidade do óleo com o qual seu tanque é abastecido. Na operação, distinguem-se dois tipos de óleo isolante: o óleo seco puro, que é despejado no tanque, e o óleo de trabalho, que fica no tanque durante a operação do transformador.

A especificação do óleo do transformador determina sua viscosidade, acidez, estabilidade, cinzas, teor de impurezas mecânicas, ponto de fulgor, ponto de fluidez, transparência.

Quaisquer condições anormais de operação do transformador afetam imediatamente a qualidade do óleo, portanto seu controle é muito importante na operação dos transformadores. Comunicando-se com o ar, o óleo é umedecido e oxidado. A umidade pode ser removida do óleo limpando com uma centrífuga ou filtro prensa.

A acidez e outras violações das propriedades técnicas podem ser removidas apenas regenerando o óleo em dispositivos especiais.

Falhas internas do transformador, como defeitos de enrolamento, falha de isolamento, aquecimento local ou "fogo no ferro" etc. levam a alterações na qualidade do óleo.

O óleo circula continuamente no tanque. Sua temperatura depende de todo um complexo de fatores influentes. Portanto, seu volume muda o tempo todo, mas é mantido dentro de certos limites. Um tanque de expansão é usado para compensar os desvios de volume do óleo. É conveniente monitorar o nível atual nele.

Um indicador de óleo é usado para isso. Os dispositivos mais simples são feitos de acordo com o esquema de vasos de comunicação com parede transparente, pré-graduados em unidades de volume.

A conexão desse manômetro em paralelo com o tanque de expansão é suficiente para monitorar a operação. Na prática, existem outros indicadores de óleo que diferem desse princípio de ação.

Proteção contra penetração de umidade

Como a parte superior do tanque de expansão está em contato com a atmosfera, um secador de ar é instalado nele, o que evita que a umidade penetre no óleo e reduz suas propriedades dielétricas.

Proteção contra danos internos

É um elemento importante do sistema de óleo relé de gás… É instalado dentro da tubulação que liga o tanque do transformador principal ao tanque de expansão. Portanto, todos os gases liberados quando aquecidos pelo óleo e isolamento orgânico passam pelo recipiente com o elemento sensível do relé de gás.

Este sensor é ajustado para uma formação de gás muito pequena e permitida, mas é acionado quando aumenta em dois estágios:

1. emitir um sinal de alerta luminoso / sonoro ao pessoal de serviço para a ocorrência de um mau funcionamento quando o valor definido do primeiro valor for atingido;

2. desligar os disjuntores de todos os lados do transformador para liberar a tensão em caso de gaseamento violento, o que indica o início de processos poderosos de decomposição do óleo e da isolação orgânica, que se iniciam com curtos-circuitos no interior do tanque.

Uma função adicional do relé de gás é monitorar o nível de óleo no tanque do transformador. Quando cai para um valor crítico, a proteção de gás pode funcionar dependendo da configuração:

• apenas sinal;

• para desligar com um sinal.

Proteção contra acúmulo de pressão de emergência dentro do tanque

O tubo de drenagem é montado na tampa do transformador de forma que sua extremidade inferior se comunique com a capacidade do tanque e o óleo escoe para dentro até o nível no expansor. A parte superior do tubo sobe acima do expansor e se retrai para o lado, ligeiramente dobrada para baixo.Sua extremidade é hermeticamente fechada por uma membrana de vidro de segurança, que se rompe em caso de aumento emergencial de pressão devido à ocorrência de aquecimento indefinido.

Outro projeto dessa proteção é baseado na instalação de elementos de válvula que abrem quando a pressão aumenta e fecham quando são liberados.

Outro tipo é a proteção de sifão. Baseia-se na rápida compressão das asas com um aumento acentuado do gás. Com isso, a trava que segura a flecha, que em sua posição normal está sob a influência de uma mola comprimida, é derrubada. A flecha liberada quebra a membrana de vidro e, assim, alivia a pressão.

Diagrama de conexão do transformador de potência

Dentro da carcaça do tanque estão localizados:

• esqueleto com viga superior e inferior;

• circuito magnético;

• bobinas de alta e baixa tensão;

• ajuste de ramos de enrolamento;

• torneiras de baixa e alta tensão

• na parte inferior das buchas de alta e baixa tensão.

A armação, juntamente com as vigas, serve para fixar mecanicamente todos os componentes.

Design de interiores

O circuito magnético serve para reduzir as perdas do fluxo magnético que passa pelas bobinas. É feito de graus de aço elétrico usando o método laminado.

A corrente de carga flui através dos enrolamentos de fase do transformador. Os metais são escolhidos como materiais para sua produção: cobre ou alumínio com seção redonda ou retangular. Marcas especiais de papel de cabo ou fio de algodão são usadas para isolar as voltas.

Em enrolamentos concêntricos usados ​​em transformadores de potência, um enrolamento de baixa tensão (LV) é geralmente colocado no núcleo, que é circundado por um enrolamento de alta tensão (HV) do lado de fora.Essa disposição dos enrolamentos, em primeiro lugar, permite mover o enrolamento de alta tensão do núcleo e, em segundo lugar, facilita o acesso aos enrolamentos de alta tensão durante os reparos.

Para melhor resfriamento das bobinas, são deixados canais formados por espaçadores isolantes e juntas entre as bobinas entre elas. O óleo circula por esses canais que, ao serem aquecidos, sobem e depois descem pelas tubulações do tanque, onde são resfriados.

As bobinas concêntricas são enroladas na forma de cilindros localizados um dentro do outro. Para o lado de alta tensão, é criado um enrolamento contínuo ou multicamadas e, para o lado de baixa tensão, um enrolamento em espiral e cilíndrico.

O enrolamento BT é colocado mais próximo da haste: isso facilita a execução de uma camada para seu isolamento. Em seguida, um cilindro especial é montado nele, fornecendo isolamento entre os lados de alta e baixa tensão, e o enrolamento HV é montado nele.

O método de instalação descrito é mostrado no lado esquerdo da figura abaixo, com a disposição concêntrica dos enrolamentos da haste do transformador.

O lado direito da imagem mostra como os enrolamentos alternados são colocados, separados por uma camada isolante.

Para aumentar a resistência elétrica e mecânica do isolamento dos enrolamentos, sua superfície é impregnada com um tipo especial de verniz gliftálico.

Para conectar os enrolamentos de um lado da tensão, os seguintes circuitos são usados:

• estrelas;

• triângulo;

• ziguezague.

Neste caso, as pontas de cada bobina são marcadas com letras do alfabeto latino, conforme tabela.

Tipo do transformador Lado do enrolamento Baixa tensão Média tensão Alta tensão Inicial terminal neutro Inicial terminal neutro Inicial terminal neutro Monofásico a x — Em Ht — A x — Dois enrolamentos três fases a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y com G ° C Z Três enrolamentos três fases a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z

Os terminais dos enrolamentos são conectados aos respectivos condutores de baixada que são montados nos parafusos isoladores das buchas localizados na tampa do tanque do transformador.

Para realizar a possibilidade de ajustar o valor da tensão de saída, são feitas ramificações nos enrolamentos. Uma das variantes dos ramos de controle é mostrada no diagrama.

O sistema de regulação de tensão é projetado com a capacidade de alterar o valor nominal em ± 5%. Para fazer isso, complete cinco etapas de 2,5% cada.

Para transformadores de potência de alta potência, a regulação geralmente é criada em um enrolamento de alta tensão. Isso simplifica o projeto da chave de derivação e permite melhorar a precisão das características de saída, fornecendo mais voltas naquele lado.

Nas bobinas cilíndricas multicamadas, os ramos reguladores são feitos na parte externa da camada no final da bobina e estão localizados simetricamente na mesma altura em relação ao garfo.

Para projetos individuais de transformadores, as ramificações são feitas na parte do meio. Ao usar um circuito reverso, metade do enrolamento é feito com a bobina direita e a outra com a bobina esquerda.

Um interruptor trifásico é usado para comutar as torneiras.

Possui um sistema de contatos fixos, que se conectam aos ramos das bobinas, e móveis, que comutam o circuito, criando diferentes circuitos elétricos com contatos fixos.

Se as ramificações forem feitas perto do ponto zero, uma chave controlará a operação de todas as três fases ao mesmo tempo. Isso pode ser feito porque a tensão entre as partes individuais da chave não excede 10% do valor linear.

Quando as torneiras são feitas na parte central do enrolamento, então seu próprio interruptor individual é usado para cada fase.

Métodos de ajuste da tensão de saída

Existem dois tipos de interruptores que permitem alterar o número de voltas em cada bobina:

1. com redução de carga;

2. sob carga.

O primeiro método leva mais tempo para ser concluído e não é popular.

A comutação de carga permite um gerenciamento mais fácil das redes elétricas, fornecendo energia ininterrupta aos consumidores conectados. Mas, para fazer isso, você precisa ter um design complexo do switch, equipado com funções adicionais:

• realizar transições entre ramos sem interrupção das correntes de carga conectando dois contatos adjacentes durante a comutação;

• limitando a corrente de curto-circuito dentro do enrolamento entre os taps conectados durante sua ativação simultânea.

A solução técnica para esses problemas é a criação de dispositivos de comutação operados por controle remoto, usando reatores e resistores limitadores de corrente.

Na foto mostrada no início do artigo, o transformador de potência usa o ajuste automático da tensão de saída sob carga, criando um projeto AVR que combina um circuito de relé para controlar um motor elétrico com um atuador e contatores.

Princípio e modos de operação

A operação de um transformador de potência é baseada nas mesmas leis de um convencional:

• Uma corrente elétrica passando pela bobina de entrada com um harmônico variável no tempo das oscilações induz um campo magnético variável dentro do circuito magnético.

• O fluxo magnético variável que penetra nas voltas da segunda bobina induz um EMF nelas.

Modos de operação

Durante a operação e teste, o transformador de potência pode estar no modo operacional ou de emergência.

Modo de operação criado pela conexão de uma fonte de tensão ao enrolamento primário e a carga ao secundário. Nesse caso, o valor da corrente nos enrolamentos não deve exceder os valores admissíveis calculados. Neste modo, o transformador de potência deve alimentar todos os consumidores conectados a ele por um longo tempo e de forma confiável.

Uma variante do modo de operação são os testes sem carga e de curto-circuito para verificar as características elétricas.

Sem carga criada pela abertura do circuito secundário para desligar o fluxo de corrente nele. É usado para determinar:

• Eficiência;

• fator de transformação;

• perdas no aço devido à magnetização do núcleo.

Uma tentativa de curto-circuito é criada pelo curto-circuito dos terminais do enrolamento secundário, mas com uma tensão subestimada na entrada do transformador para um valor capaz de criar uma corrente nominal secundária sem ultrapassá-la.Este método é usado para determinar as perdas de cobre.

Para modos de emergência, um transformador inclui quaisquer violações de sua operação, levando a um desvio dos parâmetros operacionais fora dos limites de seus valores permitidos. Um curto-circuito dentro dos enrolamentos é considerado particularmente perigoso.

Os modos de emergência levam a incêndios de equipamentos elétricos e ao desenvolvimento de consequências irreversíveis. Eles são capazes de causar danos massivos ao sistema de energia.

Portanto, para prevenir tais situações, todos os transformadores de potência são equipados com dispositivos automáticos, de proteção e de sinalização, que são projetados para manter o funcionamento normal do loop primário e desligá-lo rapidamente por todos os lados em caso de mau funcionamento.