Transcript Proiectarea si Intretinerea unui Transformator Electric Trifazat

PROIECTAREA SI INTRETINEREA
UNUI TRANSFORMATOR TRIFAZAT
Boboc Constantin Eugen
Facultatea de Inginerie Electrica
Grupa 112B
Capitolul 1. INTRODUCERE
Capitolul 2. ASPECTE GENERALE PRIVIND
TRANSFORMATORELE
Capitolul 3. CALCULUL SIMPLIFICAT AL
TRANSFORMATORULUI. BREVIAR DE CALCUL
Capitolul 4. TRASAREA CARACTERISTICILOR DE
FUNCŢIONARE ALE TRANSFORMATORULUI
Capitolul 5. ANALIZA REGIMURILOR SPECIALE
Capitolul 6. INTREŢINEREA, REPARAREA ŞI ÎNCERCAREA
TRANSFORMATORULUI DUPĂ REPARAŢIE
Capitolul 1. INTRODUCERE
La sfârşitul anilor 1800 a apărut prima alimentare publică cu energie
electrică . Energia electrică avea diferite tensiuni, fiind distribuită sub formă de
curent continuu (c.c.) sau curent alternativ (c.a.).
În cazul curentului alternativ nu exista un standard pentru frecvenţa la
care aceasta îşi schimbă sensul.
Pe măsură ce utilizarea energiei electrice creştea, a devenit evident că ar
exista avantaje de pe urma standardizării tensiunilor electrice.
In prezent, Energia Electrică este distribuită sub formă de curent
alternativ deoarece tensiunea acestuia poate fi schimbată uşor cu un
transformator – un dispozitiv simplu, fiabil şi eficient.
In forma sa elementară, un transformator electric constă din 2 bobine
separate înfăşurate în jurul aceluiaşi miez de fier. Când se aplică o tensiune
alternativă la una dintre bobine, numită bobină primară, aceasta creează un
câmp magnetic variabil în miez. Aceasta induce o tensiune alternativă în cealaltă
bobină, numită secundară. Tensiunea din bobina secundară depinde de raportul
dintre numărul de spire din bobina secundară şi cea primară. Dacă, de exemplu,
în bobina secundară sunt jumătate spire câte sunt în bobina primară, atunci
tensiunea secundară va fi jumătate din tensiunea primară.
Transformatorul electric este un aparat static a cărui funcţionare se bazează pe
legea inducţiei electromagnetice, destinat să transforme un sistem de curenţi
alternativi, care circulă în una din înfăşurările sale, în unul sau mai multe alte
sisteme de curenţi aternativi, de aceeaşi frecvenţă, cu intensitatea şi
tensiunea, în general diferite şi care circulă în alte înfăşurări.
TR transformă energia electromagnetică primară de parametrii (u1, i1) într-o
energie electromagnetică secundară de parametrii (u2, i2), frecvenţa rămane
constantă (f1=f2=ct.)
Transformatoare coborâtoare de tensiune - reduce tensiunea electrică la un
nivel scăzut, pentru consumul menajer;
Transformatoare ridicătoare de tensiune - tensiunea secundară este mai mare
decât tensiunea primară – creste tensiunea electrică .
Capitolul 2. ASPECTE GENERALE PRIVIND TRANSFORMATORELE
Transformatorul electric este un subsistem intrinsec sistemului energetic.
O funcţionare defectuoasă a sa, datorită interconexiunilor din reţea, atrage o
funcţionare defectuoasă a întregului sistem energetic. Iată motivul pentru care, în
condiţiile actualei crize energetice, este imperios necesară optimizarea
consumurilor energetice atât la distribuitorul de energie cât şi la fiecare beneficiar
în parte al acestei energii.
Urmărirea continuă a funcţionalităţii acestor echipamente este posibilă numai
prin cunoaşterea parametrilor ce determină o anumită stare.
Luarea deciziilor în timp util presupune o monitorizare continuă a stărilor,
deci, în ultimă instanţă, a parametrilor ce caracterizează funcţionarea
echipamentelor la un moment dat.
În cazul transformatorului electric este necesară cunoaşterea parametrilor
schemei echivalente.
In proiectarea transformatoare electrice de putere se urmăreşte oţinerea
unor soluţii tehnico-economice optime, incluzând volum redus, randament mare,
transferul căldurii cu usurinţă şi cost redus.
Transformatorul trifazat
Teoria expusă pentru transformatorul monofazat se poate utiliza de
asemenea şi la studiul transformatorului trifazat cu coloane în regim simetric
echilibrat.
Ecuaţiile, schemele echivalente şi diagramele de fazori stabilite pentru
transformatorul monofazat, ce pot folosi la studiul fiecărei faze a grupului trifazat
de transformatoare, constituit din trei transformatoare monofazate.
In continuare se va considera problema conexiunilor transformatoarelor
trifazate.
Conexiunea Stea- Stea
În figura 2.6 sunt reprezentate diagramele de fazori ale tensiunilor electromotoare
de fază şi de linie primare şi secundare, induse de fluxurile rezultante utile.
Defazajul dintre tensiunile electromotoare de linie este de 0°. Deci, transformatorul
aparţine grupei 0.
Deoarece înfăşurarea de înaltă tensiune este legată în stea, ceea ce se reprezintă
prin notaţia Y, iar înfăşurarea de joasă tensiune este legată de asemenea în stea, ceea
ce se notează prin y, transformatorul examinat se spune că aparţine conexiunii Yy- 0
Fig. 2.6 Schema înfăşurărilor şi diagramelor de fazori ale tensiunilor
electromotoare pentru conexiunea Yy-0
Conexiunea Stea - Triunghi
Înfăşurarea de înaltă tensiune se presupune legată în stea, iar cea de joasă
tensiune în triunghi. Se presupune că înfăşurările sunt bobinate în acelaşi sens şi au
aceeaşi notaţie a bornelor.
Fig. 2.7 Schema infăşurărilor şi diagramele de fazori ale
tensiunilor electromotoare pentru conexiunea Yd-11
Conexiunea Stea – Zig-zag, Yz-11
Fig. 2.8. Schema şi diagramele de fazori ale tensiunilor
electromotoare pentru conexiunea Yz-11
Particularităţi constructive ale transformatorului trifazat
In reţelele trifazate se utilizează două variante constructive de
transformatoare trifazate.
- se folosesc trei transformatoare monofazate ale căror înfăşurări primare,
respectiv secundare, sunt legate în stea sau triunghi. In acest caz, fiecare fază are
miezul separat de acela al celorlalte faze.
- se utilizează pentru toate fazele un singur miez cu mai multe coloane.
Fig. 2.9 Transformator trifazat construit
din trei transformatoare monofazate
Fig. 2.10 Transformator trifazat cu
trei coloane
Capitolul 3. CALCULUL SIMPLIFICAT AL TRANSFORMATORULUI.
BREVIAR DE CALCUL
Se va proiecta un transformator electric trifazat având înfăşurările din
cupru şi circuitul magnetic confecţionat din tole de oţel electrotehnic laminat
la rece izolat cu carlit (0.35mm), pierdere specifice la 1T şi 50Hz
- Tensiunea nomoinală primară pe fază U1 = 380V;
- Tensiunea nominală secundară pe fază U2 = 100V;
- Frecvenţa nominală f = 50Hz;
- Factorul de putere nominal în secundarul transformatorului cosφ=0.85;
- Schema de conexiune este: Dy-1;
- Serviciul de funcţionare este continuu
- Materialele electroizolante se încadrează în clasa E
- Circuitul magnetic este de tip cu coloane
- Puterea aparentă S2=15KVA
Relaţiile utilizate în proiect sunt în principal cu referire la TR de mică şi
medie putere (max. 200kVA), la frecvenţa industrială, de uz curent, având
răcire naturală în aer.
Sub aspect matematic calculul TR admite mai multe soluţii, întrucât numărul
necunoscutelor este mai mare decât numărul ecuaţiilor care leagă aceste necunoscute.
Datorită acestui fapt, la calcularea TR electric trebuie adoptate anumite valori iniţiale
pentru unele mărimi electromagnetice şi constructive, pe baza experienţei acumulate la
construcţia şi exploatarea transformatoarelor deja existente. Având în vedere acest
aspect, la proiectarea unui TR se obţin, de obicei, câteva variante de calcul ale acestuia,
dintre care se alege cea mai convenabilă.
Circuitul magnetic şi înfăşurările transformatorului
- am ales circuitul magnetic trifazat cu
coloane;
- vom alege înfăşurări dispuse
concentric, înfăşurarea de tensiune mai
redusă se va dispune înspre circuitul
magnetic;
- Înfăşurările sunt izolate faţă de circuitul
magnetic prin intermediul unor carcase
cilindrice turnate, realizate din
polipropilenă cu temperatura critică între
(150 - 160)C;
Clasa de izolaţie E a materialelor electroizolante; pelicula izolantă a
conductoarelor emailate cu lacuri polivinil acetalice, poliuretanice. Folii şi fibre
de tereftalat de polietilenă. Tesături din tereftalat de polietilenă. adm = 120 C.
Înfăşurările transformatorului trifazat sunt izolate cu lacuri sau benzi
electroizolante.
Înfăşurările transformatorului trifazat se conectează în cazul nostru în
conexiune stea şi triunghi.
Definirea mărimilor nominale ale transformatorului
- Curentul nominal şi puterea aparentă secundară
- Puterea activă în secundar şi primar
- Componentele curentului primar şi factorul de putere în primarul TR-ului
- Puterea aparentă şi curentul primar
Secţiunea circuitului magnetic
La transformatoarele de medie putere
se practică construcţii în trepte pentru
coloane şi juguri.
Determinarea numărului de spire ale înfăşurărilor
Determinarea dimensiunilor conductoare, a ferestrei transformatorului şi
dispunerea înfăşurărilor
In PRIMAR se alege din STAS 685-75, conductor de cupru, de secţiune
circulară, izolat cu izolaţie din sticlă 2 înfăşurări
In SECUNDAR se alege din STAS 2873-76, un conductor de cupru, de
secţiune profilată cu izolaţia din sticla 2 înfăşurări
Forma ferestrei influenţează atât valoarea curentului de magnetizare cat
şi costul transformatorului.
Masa înfăşurărilor şi pierderile in înfăşurări
- Circuit magnetic cu coloane şi înfăşurările dispuse concentric
Masa şi pierderile in circuitul magnetic
Curentul de funcţionare in gol şi randamentul
S-a calculat curentul de funcţionare in gol, in procente din curentul primar
nominal (I1)
Căderea de tensiune şi parametrii transformatorului
In cazul nostru am determinat:
- Căderile de tensiune active
- Rezistenţele înfăşurărilor
- Rezistenţa de scurtcircuit (Kapp)
- Căderea de tensiune totală activă
- Căderile de tensiune inductive pentru înfăşurările concentrice
- Căderea totală de tensiune
- Reluctanţa inductivă de scurtcircuit (Kapp)
- Impedanţa de scurtcircuit
- Tensiunea de scurtcircuit
- Căderea de tensiune relativă
Verificarea transformatorului la încălzire
- Supratemperatura înfăşurărilor şi a circuitului magnetic
- Variaţia temperaturii de la straturile interioare ale înfăşurărilor la cele
exterioare
Verificarea solicitărilor mecanice
- Se calculează forţele electrodinamice (Fx şi Fy) care acţionează asupra
înfăşurărilor la scurtcircuit
- Curentul de şoc in cazul unui scurtcircuit brusc la bornele secundare
- Verificarea la încovoiere a consolelor de strângere a jugurilor. Consolele de
strângere a jugurilor care sunt realizate din oţel profilat, forma de U.
Console de presare a jugului
Capitolul 4. TRASAREA CARACTERISTICILOR DE FUNCŢIONARE
ALE TRANSFORMATORULUI
Caracteristica variaţiei tensiunii secundare in funcţie de valoarea relativă a
curentului cand tensiunea primară şi factorul de putere al sarcinii sunt constante
numită şi caracteristica de sarcină a transformatorului electric
ur (%)  f ( I 2 / I 2n )
cos 2 = 0.85 inductiv
se trasează pentru cos2 = 0.85 inductiv şi
cos2 = 0.85 capacitiv
cos 2 = 0.85 capacitiv
Caracterictica externa, ur (%) = f() pentru doua situatii: cos2 = 0.85
inductiv si cos2=0.85 capacitiv
cos 2 = 0.85 inductiv
cos 2 = 0.85 capacitiv
Caracteristica randamentului
Aceasta se determină in funcţie de factorul de incărcare al
transformatorului la tensiunea primară constantă (U1 = ct.) şi factorul de putere
secundar constant (cos 2 = ct.)
P2

P2   2 PW  PF
PF - pierderile in fier
PW - pierderile in înfăşurări la sarcina nominală
Capitolul 5. ANALIZA REGIMURILOR SPECIALE
Cuplarea la reţea a transformatorului electric in gol
Dupa calcularea fluxului MM care apare in regimul de conectare in gol, a
valorilor maxime ale inducţiilor in coloană şi jug, etc. se calculează
reluctanţele circuitului magnetic al transformatorului.
Circuitul
magnetic
al
transformatorului, echivalat cu un
circuit format din rezistenţe, este
cel prezentat in figura alaturata.
Se reprezintă grafic variaţia fluxurilor in funcţie de timp.
t [ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
φp 10-3[Wb]
-15,98
0
15,98
0
-15,98
0
15,98
0
-15,98
φap 10-3[Wb]
15,98
14,23
12,68
11,29
10,09
8,96
7,98
7,11
6,33
φ 10-3[Wb]
0
14,23
28,66
11,29
-5,92
8,96
23,96
7,11
-9,65
Fluxul fascicular total are doua componenete, una periodica si una aperiodica.
  a  ap
Scurtcircuitul trifazat brusc la bornele secundarului
i1k = i1kp+ i1kap
Se reprezinta grafic i1kap, i1kp şi i1k in funcţie de timp
t [ms]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
i1kp [A]
1583,02
0
-1583,02
0
1583,02
0
-1583,02
0
1583,02
i1kap[A]
-1583,02
-63,182
-2,521
-0,1006
-0,0040
-0,0001603
-0,00000639
-0,000000255
-0,00000001019
i1k [A]
0
-63,182
-1585,54
-0,1006
1583,01
-0,0001603
-1583,02
-2,55·10-7
1583,02
Variaţia in timp
a curentului i1kp
Variaţia in timp
a curentului i1k
Variaţia in timp
a curentului i1kap
CAPITOLUL 6. INTREŢINEREA, REPARAREA ŞI ÎNCERCAREA
TRANSFORMATORULUI DUPĂ REPARAŢIE
Intreţinerea transformatoarelor are in vedere urmatoarele aspecte:
• starea cuvei
• starea radiatoarelor
• starea conservatorului de ulei
• starea expandorului
• starea capacului
• starea bornelor
• starea instalaţiei de răcire
• starea aparatelor de pe transformator
• starea circuitelor secundare
• starea dispozitivului de acţionare a comutatorului
Repararea transformatoarelor
Repararea transformatoarelor se efectuează numai după retragerea lor din
exploatare, în baza foii de manevră, de către personalul de exploatare al
staţiei sau al postului respectiv.
Procesul tehnologic al
următoarele faze importante:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
reparării
transformatorului
cuprinde
izolarea electrică a transformatorului de restul instalaţiei
desfacerea legăturilor electrice de la borne
deplasarea transformatorului din boxă sau celulă la atelierul de reparaţii
demontarea transformatorului
repararea părţilor componente defecte
remontarea transformatorului
incercări
reinstalarea transformatorului în boxă sau în celulă
refacerea legăturilor la instalaţia electrică
ridicarea izolării
După curăţirea miezului magnetic, se efectuează un control minuţios al
tolelor din coloane şi jug, privind starea lor, cât şi starea izolaţiei acestora.
Dacă la verificarea directă a stării tolelor şi a izolaţiei lor nu se constată
urme de incendiu sau scurcircuite locale, trebuie să se efectueze încercari
speciale.
Pentru precizarea stării izolaţiei între tole se efectuează următoarele
încercări:
•
măsurarea pierderilor în gol
•
măsurarea tensiunii între marginale şi pachetele miezului magnetic
•
măsurarea rezistenţei în c.c. a izolaţiei între tolele diferitelor pachete.
Infăşurările suferă deteriorări ale conductorului, desfaceri de pe
bobină, întreruperi sau contacte între diversele spire ale înfăşurării, alterarea
izolaţiei până la arderea ei, etc.
Pentru remedieri, înfăşurările transformatorului sunt supuse unei
tehnologii de reparaţie care constă în:
•
scoaterea înfăşurărilor de pe miezul magnetic
•
scoaterea izolaţiei de pe conductor, îndepărtarea porţiunilor deteriorate
de conductor şi lipirea capetelor
•
reizolarea conductorului vechi
•
rebobinarea înfăşurărilor
•
uscarea, presarea, impregnarea şi coacerea înfăşurărilor
•
remontarea înfăşurărilor pe coloanele miezului magnetic.