Устройство и техническое обслуживание силовых трансформаторов в трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ

Введение
Трансформаторы - наиболее распространенные устройства в современной электротехнике. В местах распределения электроэнергии между потребителями применяют трансформаторы, понижающие напряжение до требуемых для потребителя значений.
Объектом исследования в курсовой работе выступает силовой трансформатор трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ.
Силовые трансформаторы 10/0,4 кВ играют ключевую роль в системе энергетического распределения, обеспечивая надежное и эффективное преобразование электроэнергии. Эти устройства предназначены для снижения напряжения высоковольтной сети до уровня, пригодного для потребления в промышленных и бытовых условиях, что делает их незаменимыми в современных электропередачах.
Трансформаторы служат связующим звеном между производственными мощностями и конечными пользователями, обеспечивая при этом стабильность и надежность электроснабжения. В условиях постоянного роста потребления энергии и эволюции технологий, эффективность работы силовых трансформаторов становится все более актуальной темой исследований и разработок.
В данной курсовой работе будут рассмотрены основные принципы работы силовых трансформаторов, их конструкции и принципиальные схемы, а техническое обслуживание. Выполнение данной курсовой позволит систематизировать и углубить уже имеющиеся знания о силовых трансформаторах 10/0,4 кВ, что несомненно окажется важным навыком в будущей работе специалиста.
Высоковольтные силовые трансформаторы и их роль в современных энергетических системах
Трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ выполняют функции приёма, преобразования и распределения трёхфазного переменного тока с частотой 50 Гц. Они принимают напряжение от 6 до 10 кВ и снижают его до 0,4 кВ для распределения по электрической сети для бытовых нужд.
Эти подстанции представляют собой комплектные устройства, включающие разные компоненты:
- оборудование для высокого напряжения (УВН), обеспечивающее приём и передачу электроэнергии;
- трансформаторы, которые могут быть масляными или сухими;
- устройство для низкого напряжения (РУНН) для передачи, управления, измерения и защиты;
- шинные соединения между трансформатором и устройством низкого напряжения;
- установки компенсации реактивной мощности (УКРМ), снижающие потери энергии.
Подстанции можно изготовить в бетонных, сэндвич-панелях или металлических корпусах. По способам обслуживания они бывают с коридором или без. В зависимости от типа устройства высокого напряжения, подстанции могут быть тупиковыми или проходными.
Таким образом, трансформаторные подстанции 10/0,4 кВ служат важным звеном между системой энергоснабжения и конечными пользователями. В генерации электрическая энергия генерируется генераторами переменного тока на уровне 6–30 кВ, а для передачи на дальние расстояния используются напряжения значительно выше: 110, 150, 220, 330, 400, 500, 750, 1150 кВ, поэтому на электростанциях устанавливают трансформаторы для повышения напряжения.
Распределение электроэнергии между промышленными объектами, городами и сельскими областями, а также внутри производств осуществляется по воздушным и кабельным линиям с напряжением 220, 110, 35, 20, 10, 6 кВ. Во всех узлах распределительных сетей должны находиться трансформаторы для понижения напряжения. Эти устройства также устанавливаются непосредственно у потребителей, так как большинство из них работает при напряжении 220, 380, 660 В. В итоге, электрическая энергия проходит через несколько этапов трансформации от электростанций до потребителей — обычно не менее пяти раз.
Трансформаторные подстанции имеют огромное значение в обеспечении надежности и устойчивости электрических сетей. Они не только выполняют функции преобразования напряжения, но и играют ключевую роль в управлении потоками энергопотребления. Например, установки компенсации реактивной мощности (УКРМ), входящие в состав подстанций, помогают снизить реактивные потери, обеспечивая более эффективное использование ресурсов. Эффективная коррекция реактивной мощности позволяет уменьшить нагрузку на генераторы и линии электропередач, что особенно важно в густонаселенных районах и промышленных зонах.
К выбору типа трансформаторной подстанции и ее компоновки следует подходить с учетом конкретных условий эксплуатации и требований безопасности. Решающее значение имеют такие факторы, как климатические условия, доступное пространство и характер нагрузки. В зависимости от местоположения и назначения подстанции, выбирают конкретный тип оболочки: бетонные конструкции обеспечивают оптимальную защиту от внешних факторов, металлические — более легкие и компактные, а сэндвич-панели предлагают повышенные теплоизоляционные свойства.
Эксплуатация трансформаторных подстанций требует высокой квалификации обслуживающего персонала. Технический персонал должен обеспечивать не только мониторинг и диагностику оборудования, но и проводить регулярные профилактические осмотры, чтобы обеспечить выявление и устранение потенциальных неисправностей. Современные технологии автоматизации и дистанционного управления значительно облегчают эту задачу, повышая надежность и безопасность работы подстанций.
Принцип работы силовых трансформаторов
Трансформатор представляет собой статическое устройство, использующее электромагнитную индукцию для преобразования одной системы переменного тока в другую, имея две или более связанных обмоток. Вторичная система может отличаться параметрами, такими как напряжение, ток, число фаз, форма кривой и частота.
Основное применение находят силовые трансформаторы, которые изменяют уровень напряжения и тока, не затрагивая число фаз и форму сигнала. Конструкция силового трансформатора включает в себя магнитопровод из ферромагнитных материалов и две обмотки, из которых одна подключается к источнику переменного тока как первичная, а другая к потребителю как вторичная.
Работа трансформатора основана на электромагнитной индукции: ток в первичной обмотке создает магнитный поток в магнитопроводе, который сцепляется с обеими обмотками и наводит ЭДС. При подключении нагрузки к вторичной обмотке появляется ток и устанавливается напряжение.
Разница в ЭДС обмоток определяется числом их витков, что позволяет варьировать отношение напряжений. Обмотка, подключенная к более высокому напряжению, называется обмоткой высокого напряжения, а к низкому — низкого напряжения. Трансформаторы могут быть использованы как для повышения, так и для понижения напряжения.
Трансформатор не работает с постоянным током, поскольку постоянный магнитный поток не создает ЭДС в обмотках. Конструкция трансформаторов варьируется в зависимости от назначения, они подразделяются на типы: силовые для передачи и распределения электроэнергии, специальные для печей и сварки, измерительные, испытательные и радиотрансформаторы.
Трансформаторы одного типа могут отличаться по охлаждению (воздушное или масляное), числу фаз (однофазные и многофазные), форме магнитопровода (стержневые и тороидальные), числу обмоток и их конструкции (двухобмоточные и многообмоточные).
На рисунке 1 представлен внешний вид трансформатора ТМ-160/10.

Рисунок 1 - Силовой трансформатор 10/0,4 кВ
И так, в середине нашего трансформатора находится магнитопровод. Магнитопровод необходим для того, чтобы связать обмотки высшего (ВН) и низшего напряжения (НН) магнитной связью с помощью магнитного потока. Магнитопровод состоит из тонких металлических пластин электротехнической стали, и изолированных друг от друга электротехническим лаком с дальнейшей стяжкой в единую конструкцию.

Рисунок 2 - Магнитопровод трансформатора
На магнитопровод наматывается обмотка высшего и низшего напряжения (Рисунок 3). Витки обмотки полностью изолированны друг от друга эмалевой или хлопчатобумажной изоляцией (могут быть и другие материалы).

Рисунок 3 - Магнитопровод трансформатора
Теперь обмотку высшего напряжения подключим к источнику переменного тока. В магнитопроводе возникает переменный магнитный поток (Рисунок 4), который пронизывает обмотку низшего напряжения и наводит в ней электродвижущею силу (ЭДС). Так как обмотка низшего напряжения, не подключенная к нагрузке, то соответственно в ней и не возникает тока. При подключении к нагрузке, в обмотки низшего напряжения возникает ток.