Univerzitet u Niu Elektronski Fakultet

Katedra za energetiku Predmet: Transformatori i maine jednosmerne struje

OSNOVNI ELEMENTI KOSTRUKCIJE ENERGETSKIH TRANSFORMATORA

1. UVOD

Transformator je statiki elektromagnetni aparat koji pretvara dovedenu elektrinu energiju odreenih nivoa napona i struja u elektrinu energiju drugih nivoa napona i struja i obino iste frekvencije. Energetski transformatori se sastoje iz aktivnog dela i pomonih delova i pribora. Aktivni deo transformatora predstavlja elektromagnetni sistem u kome se vri pretvaranje elektrine energije i sastoji se iz magnetnog i elektrinog kola. Pomoni delovi i pribor transformatora su oni delovi, koji sa teorijske take gledita nisu neophodni za njegov rad, ali su u praktinom radu i te kako potrebni za njegovo bezbedno funkcionisanje. Uloga transformatora u elektroenergetskom sistemu je veoma znaajna jer on omoguuje ekonominu, pouzdanu i bezbednu proizvodnju i distribuciju elektrine energije pri najprikladnijim naponskim nivoima. Dakle, njegovom primenom se, uz veoma male gubitke energije, reavaju problemi raznih naponskih nivoa i meusobne izolovanosti kola koja se nalaze na razliitim naponskim nivoima.

U odnosu na elektrine maine, transformator nema zazor i pokretne delove kao to je rotor, a zbog svoje uloge u elektroenergetskom sistemu graen je i za najvie napone. Iz ovih konstrukcionih i funkcionalnih razlika proizlaze i neke drugaije fizike osobenosti: relativna struja praznog hoda je veoma mala, iznosi od nekoliko procenata do i ispod jednog procenta kod transformatora velikih snaga a u gubicima se ne javljaju gubici usled trenja i ventilacije. Zbog vee izloenosti prenaponima, transformatori se zahtevnije dielektrino ispituju.

2. MAGNETNO KOLO TRANSFORMATORA

Magnetno kolo transformatora pravi se od specijalno legiranog feromagnetnog materijala kako bi imali to bolje magnetne osobine tj. to manji magnetni otpor. Svako magnetno kolo sastoji se od dva ili vie jezgara i od donjeg i gornjeg jarma koji slue da zatvore magnetno kolo (Slika 1). Prema obliku magnetnog kola transformatore moemo podeliti na stubne i oklopljene. Na slici 1 prikazan je izgled jednofaznog stubnog (a), odn. oklopljenog transformatora (b). Moe se uoiti da se kod oklopljenih transformatora magnetni fluks srednjeg jezgra grana na dva dela tako da su, obzirom da je debljina magnetnog kola ista, irine jarmova i bonih jezgara dva puta manje od irine srednjeg jezgra. Kod jednofaznih stubnih transformatora namoti visokog i niskog napona dele se na dva dela i stavljaju na po jedno jezgro, a jezgra su povezana sa dva jarma. Popreni presek magnetnog kola u svim delovima isti. Trofazni energetski transformatori se danas uglavnom grade sa stubnim magnetnim kolom, jer su jeftiniji i jednostavniji za izradu.

Slika 1. Magnetno kolo jednofaznog tansformatora: a) stubno; b) oklopljeno Da bi se smanjili gubici usled vihornih struja, magnetno kolo transformatora ne pravi

se od masivnog gvoa, ve od tankih limova (transformatorski limovi) debljine 0.35 ili 0.5 mm, koji su legirani sa 4% do 4.8% silicijuma. Limovi se postavljaju jedan pored drugog, ali

2

su meusobno izolovani. Za izolaciju se koristi tanka hartija, sloj emaijla ili vodeno staklo, a ponekad se jedna strana lima oksidira ime se stvara izolacija izmeu susednih limova.

Slika 2. Konstrukcija magnetnog kola transformatora: a) blokovska; b) ahovska

Prema nainu sastavljanja limova magnetnog kola razlikujemo blokovsku (Slika 2.a) i ahovsku konstrukciju (Slika 2.b). Neki od rasporeda slaganja limova u dva susedna sloja kod ahovske konstrukcije, koji se u praksi koriste, prikazani su na Slici 3.

Slika 3. Raspored slaganja limova u dva susdna sloja kod ahovske konstrukcije Obzirom da su namotaji energetskih transformatora najee krunog oblika, to se tei

i da presek magnetnog kola bude priblino kruni, kako bi se praktino sve linije magnetnog polja zatvarale kroz gvoe, odnosno kako bi rasuti fluks bio sveden na to manju meru. U praksi se ovo postie stepenastim izvoenjem jezgra (Slika 4). Ovakvo jezgro se sastavlja od transformatorskih limova koji se seku u nekoliko razliitih irina tako da to je mogue bolje ispune krug koji ine namotaji. Za transformatore manjih snaga obino se ide na jednu ili dve stepenice, dok kod transformatora velikih snaga broj stepenica moe da bude i do deset.

Da bi magnetno kolo bilo mehaniki kompaktno jezgra i jarmovi se steu (Slika 4).

Slika 4. Naini stezanja magnetnog kola transformatora

3

U jezgru se ponekad ostavljaju kanali irine 5-6 mm kroz koje protie ulje za hlaenje. Kako su i limovi meusobno izolovani, to znai da je efektivna povrina gvoa manja od geometrijskog preseka magnetnog kola. Odnos ovih dveju veliina naziva se sainilac ispune gvoa:

= Pored ove veliine, definie se jo i sainilac ispune kruga:

= 0 gde je povrina gvoa, 0 povrina kruga, a geometrijski presek jezgra.

3. ELEKTRINO KOLO TRANSFORMATORA

Elektrino kolo, koje zapravo predstavljaju namoti transformatora, pravi se od bakarnih provodnika koji se, zavisno od visine napona, izoluju lakom, hartijom, emajlom, svilom, pamukom, itd. U optem sluaju, kod dvonamotajnih transformatora razlikujemo namot visokog i namot niskog napona, dok tronamotajni transformatori imaju i namot srednjeg napona. Namoti transformatora meusobno se razlikuju po tipu, broju navojaka, debljini i broju provodnika, smeru namotavanja, debljini izolacije. Namoti se smetaju oko jezgra prostorno to blie jedan drugom kako binjihova magnetna sprega bila to bolja, ali i dovoljno razmaknuto zbog bolje elektrine izolovanosti. Obino se motaju jedan preko drugog (cilindrini odnosno cevasti), ali postoji i izvoenje sa delovima namotaja (sekcije) poreanim po visini jezgra (sekcioni, odnosno disk namoti). Kod cilindrinih namota najee se namot nieg napona stavlja blie jezgru zbog povoljnije situacije u sluaju proboja izolacije. Radi poboljanja izolacije, neposredno oko jezgra stavlja se jedan valjak od prepana, dok se na slian nain meusobno odvajaju i namot visokog i niskog napona.

a) b) c) d) e)

Slika 5. Namoti energetskih transformatora

4

Nain izvoenja namota zavisi od veliine napona i struje za koje se namot dimenzionie. Gustina struje za transformatore sa uljem kree se od 2 4.5 A/mm2. Za manje struje koriste se manji provodnici krunog preseka 0.2 10 mm2 (Slika 5.c), dok se za vee struje koriste provodnici pravougaonog preseka 6 60 mm2. Provodnici cilindrinih namota niskog napona za transformatore srednjih i veih snaga obino su pravougaonog preseka i esto se umesto jednog provodnika koristi vie paralelnih (Slike 5.a, 5.b i 5.e). Oni se na poetku i kraju tvrdo leme jer zapravo predstavljaju jedan provodnik. Zbog veeg broja ica dolazi do toga da su delovi namota koji se nalaze u razliitim slojevima razliite duine. Iz tog razloga spoljani navojci imaju vei elektrini otpor i dolazi do neravnomerne raspodele struje, odnosno dopunskih gubitaka u bakru. Da bi se ovo izbeglo provodnici se na odreenim mestima prebacuju iz jednog sloja u drugi (transpozicija provodnika) tako da svaki od njih, jednakom svojom duinom, biva u svakom geometrijskom poloaju (Slike 5.d i 5.e). Svi namotaju moraju u mehanikom pogledu biti izraeni tako da izdre mehanika naprezanja usled dejstva elektromagnetnih sila, koje posebno dolaze do izraaja pri kratkim spojevima. Na osnovu smerova elektromagnetnih sila koje, kako u normalnom radu, tako i pri kratkim spojevima, deluju izmeu namota visokog i niskog napona transformatora pokazuje se da e one imati najmanju mogunost da deformiu namote ukoliko su navoji krunog oblika. Otud se, izuzev za transformatore malih snaga, namoti uvek tako izrauju. Dodatno mehaniko uvrivanje namota vri se postavljanjem odgovarajuih umetaka od prepana izmeu samih namota i izmeu namota niskog napona i jezgra.

5

4. POMONI DELOVI I PRIBOR TRANSFORMATORA

Transformatorski sud je deo napravljen od obinog crnog lima u kome se postavlja aktivni deo transformatora, a njegova osnovna uloga je zatita aktivnog dela od spoljanih uticaja. Sud je ispunjen transformatorskim uljem koje ima ulogu da pojaa intenzitet hlaenja transformatora i da pojaa izolaciju izmeu namota niskog i visokog napona kao i u odnosu na magnetno kolo transformatora. Kod transformatora veih snaga, da bi se poveao intenzitet hlaenja, transformatorski sud se pravi od valovitog lima ili se spolja postavljaju cevi (radijatori) ime se poveava njegova povrina. Dilatacioni sud je cilindar od lima koji se horizontalno postavlja na poklopac transformatorskog suda. Pri radu transformatora dolazi do zagrevanja ulja, samim tim i do poveanja njegove zapremine, pa da ne bi dolo do mehanikih naprezanja u transformatoru viak ulja prelazi u dilatacioni sud. Nakon hlaenja ulje se vraa u transformatorsi sud. Dilatacioni sud projektuje se tako da nikada ne ostane bez ulja. Jo jedna od uloga dilatacionog suda je da spreava prodiranje vlage u ulje i njegovo kvarenje, jer je u njemu dodirna povrina vazduha i ulja svedena na minimum. Naime, kada se ulje zagreva i dolazi u dodir sa vazduhom, ono sagoreva i gubi dielektrinu sposobnost. Jasno je da intenzitet kvarenja zavisi od povrine ulja koja dolazi u dodir sa vazduhom. Pokaziva nivoa ulja se takoe sa jedne strane ugrauje na dilatacioni sud. U sutini, radi se o jednoj providnoj cevi koja je spojena sa dilatacionim sudom. Zahvaljujui zakonu spojenih sudova, na njoj se moe oitati nivo ulja u sudu. Dehidratator vazduha se takoe moe vezati na dilatacioni sud. Osnovna uloga mu je da upija svu vlagu iz vazduha koji dolazi u dodir sa uljem. Iz tog razloga njegova unutranjost ispunjava se hemijskim dehidratatorom (silicagel). Buholc rele se postavlja izmeu transformatorskog i dilatacionog suda i slui za zatitu transformatora od unutranjih kvarova. Ako, na primer, u transformatoru doe do kratkog spoja, usled sagorevanja ulja i izolacionih materijala stvaraju se gasovi. Rele detektuje ove gasove i u sluaju manjeg kvara signalizira, a kod veeg daje komandu za iskluenje transformatora. Izolatori za niski i za visoki napon nalaze se na poklopcu transformatorskog suda i na njih se izvode odgovarajui prikljuni krajevi namota transformatora. Njihova je izrada standardizovana prema naponima za koje su predvieni. Montiraju se tako da su mesta dodira sa poklopcem potpuno zaptivena i elektrino izolovana. Na izolatorima se mogu uoiti zatitne elektrode ija je uloga da tite izolatore u sluaju pojhave atmosferskih prenapona. Regulaciona sklopka (menja) slui za regulaciju napona 5%, ili 22.5% promenom prenosnog odnosa transformatora. Naime, u toku eksploatacije, optereenje transformatora moe da se menja (varira) u toku jednog dana, meseca ili godine. pri promeni optereenja, u mrei se menjaju naponske prilike. Kako je potroaima potrebno isporuiti kvalitetnu elektrinu energiju (odreenog stalnog napona i stalne frekvencije), to se pomou regulacione sklopke napon moe menjati. Iz tog razloga, na namotu vieg napona ostavlja se vei broj izvoda. Zavisno od tipa regulacione sklopke promena izvoda se moe vriti ili samo pri rastereenom transformatoru, ili je mogua i pod optereenjem. Ventil za isputanje ulja ostavlja se pri dnu transformatorskog suda i slui za zamenu ulja, ili za uzimanje uzoraka ulja radi kontrole. Stezaljka za izvoenje zatitnog uzemljenja nalazi se na konstrukciji transformatora (obino na nosaima tokova za transport). Pored ovog uzemljenja transformator moe imati i radno uzemljenje (uzemljenje neutralne take).

6

Natpisna ploica se postavlja na transformatorski sud i sadri utisnute nominalne podatke transformatora (veliine za koje je transformator predvien da radi), i to: snagu, napon, struju, frekvenciju, spregu transformatora, satni broj, nain hlaenja, i dr. Nosai za prenos transformatora i tokovi za transport.

Na Slici 6 prikazana je maketa trofaznog energetskog transformatora 50 kVA, 10/0.4 kV, koji je osnovni predmet ove vebe. Na Slici 7 je prikazan jedan tronamotajni transformator odnosa transformacije 110/35/10 kV. Studentima se ostavlja da sami prepoznaju delove transformatora koji su opisani u vebi i uoe odreene razlike.

Slika 6. Maketa trofaznog energetskog transfgormatora 50 kVA, 10/0,4 kV sa natpisnom ploicom

Slika 7. Tronamotajni energetski transformator 110/35/10 kV

Na Slici 8 dati su laboratorijski modeli jednofaznih, a na Slici 9 laboratorijski modeli trofaznih transformatora na kojima se izvode ostale laboratorijske vebe.

7

Slika 8. Laboratorijski model jednofaznog transformatora sa dodatnim namotajem

Slika 9. Laboratorijski modeli trofaznih transformatora

5. PRIBOR

Br. Pribor Kom. 1. Maketa trafoznog energetskog transformatora snage 50 kVA 1 2. Jednofazni laboratorijski transformator 2 3. Trofazni laboratorijski transformator 2

6. ZADATAK

1. Na maketi transformatora 50 kVA, 10/0.4 kV, uoiti oblik i osnovne elemente konstrukcije. Kratko prokomentarisati namenu svakog od njih.

8