Transformadores de potencia: dispositivo y principio de funcionamiento.
Cuando se transporta electricidad a largas distancias, se utiliza el principio de transformación para reducir las pérdidas. Para ello, la energía eléctrica generada por los generadores se alimenta a la subestación transformadora. Aumenta la amplitud del voltaje que ingresa a la línea eléctrica.
El otro extremo de la línea de transmisión se conecta a la entrada de la subestación remota. En él se reduce el voltaje para distribuir la electricidad entre los consumidores.
En ambas subestaciones, los dispositivos especiales de suministro de energía están involucrados en la transformación de electricidad de alta potencia:
1. transformadores;
2. autotransformadores.
Tienen muchas características y características comunes, pero difieren en ciertos principios de funcionamiento. Este artículo describe solo los primeros diseños en los que la transferencia de electricidad entre bobinas individuales se debe a la inducción electromagnética. En este caso, los armónicos de corriente y tensión que varían en amplitud conservan la frecuencia de oscilación.
Los transformadores se utilizan para convertir la corriente alterna de bajo voltaje en un voltaje más alto (transformadores elevadores) o un voltaje más alto en un voltaje más bajo (transformadores reductores). Los más difundidos son los transformadores de potencia de aplicación general para líneas de transmisión y redes de distribución. Los transformadores de potencia en la mayoría de los casos se construyen como transformadores de corriente trifásicos.
Características del dispositivo
Los transformadores de potencia en electricidad se instalan en sitios estacionarios preparados previamente con cimientos sólidos. Se pueden instalar carriles y rodillos para colocar en el suelo.
En la siguiente imagen se muestra una vista general de uno de los muchos tipos de transformadores de potencia que trabajan con sistemas de tensión de 110/10 kV y con una potencia total de 10 MVA.
Algunos elementos individuales de su construcción están provistos de firmas. Con más detalle, la disposición de las partes principales y su disposición mutua se muestra en el dibujo.
Se instala un núcleo 9 dentro del tanque, sobre el cual se colocan los devanados con devanados de bajo voltaje 11 y alto voltaje 10. La pared frontal del transformador es 8. Los terminales del devanado de alto voltaje están conectados a las entradas que pasan a través de aisladores de porcelana. 2.
Los devanados para el devanado de bajo voltaje también están conectados a los cables que pasan por los aisladores 3.La tapa se une al borde superior del tanque y se coloca una junta de goma entre ellos para evitar que el aceite se filtre en la unión entre el tanque y la tapa. Se perforan dos filas de orificios en la pared del tanque, se sueldan tubos 7 de pared delgada, a través de los cuales fluye el aceite.
En la cubierta hay una perilla 1. Al girarla, puede cambiar las vueltas de la bobina de alto voltaje para ajustar el voltaje bajo carga. Las abrazaderas están soldadas a la cubierta, en la que está montado un tanque 5, llamado expansor.
Tiene un indicador 4 con un tubo de vidrio para monitorear el nivel de aceite y un tapón con un filtro 6 para la comunicación con el aire circundante.El transformador se mueve sobre rodillos 12, cuyos ejes pasan a través de las vigas soldadas al fondo del tanque. .
Cuando fluyen grandes corrientes, los devanados del transformador están sujetos a fuerzas que tienden a deformarlos. Para aumentar la fuerza de los devanados, se enrollan en cilindros aislantes. Si se coloca una tira cuadrada en un círculo, entonces el área del círculo no se utiliza por completo. Por lo tanto, las varillas del transformador se fabrican con una sección transversal escalonada ensamblando a partir de láminas de diferentes anchos.
Diagrama hidráulico del transformador.
La imagen muestra una composición simplificada y la interacción de sus elementos principales.
Se utilizan válvulas especiales y un tornillo para llenar/drenar el aceite, y la válvula de cierre ubicada en el fondo del tanque está diseñada para tomar muestras de aceite y luego realizar su análisis químico.
Principios de enfriamiento
El transformador de potencia tiene dos circuitos de circulación de aceite:
1. externo;
2. interno.
El primer circuito está representado por un radiador que consta de colectores superior e inferior conectados por un sistema de tuberías metálicas. Por ellos pasa aceite calentado que, estando en las líneas de refrigerante, se enfría y vuelve al depósito.
La circulación de aceite en el tanque se puede hacer:
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de forma natural;
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forzado debido a la creación de presión en el sistema por las bombas.
A menudo, la superficie del tanque aumenta mediante la creación de ondulaciones, placas de metal especiales que mejoran la transferencia de calor entre el aceite y la atmósfera circundante.
La toma de calor del radiador al ambiente se puede realizar soplando el sistema mediante ventiladores o sin ellos por convección de aire libre. El flujo de aire forzado aumenta efectivamente la eliminación de calor del equipo, pero aumenta el consumo de energía para operar el sistema. pueden reducir característica de carga del transformador hasta 25%.
La energía térmica liberada por los modernos transformadores de alta potencia alcanza valores enormes. Su tamaño se puede atribuir al hecho de que ahora, a su cargo, comenzaron a implementar proyectos para calentar edificios industriales ubicados junto a transformadores en funcionamiento constante. Mantienen las condiciones óptimas de funcionamiento del equipo, incluso en invierno.
Control de nivel de aceite en el transformador
El funcionamiento fiable del transformador depende en gran medida de la calidad del aceite con el que se llena su depósito. En operación, se distinguen dos tipos de aceite aislante: aceite seco puro, que se vierte en el tanque, y aceite de trabajo, que está en el tanque durante la operación del transformador.
La especificación del aceite del transformador determina su viscosidad, acidez, estabilidad, cenizas, contenido de impurezas mecánicas, punto de inflamación, punto de fluidez, transparencia.
Cualquier condición anormal de operación del transformador afecta inmediatamente la calidad del aceite, por lo que su control es muy importante en la operación de los transformadores. Al comunicarse con el aire, el aceite se humedece y oxida. La humedad se puede eliminar del aceite limpiándolo con una centrífuga o un filtro prensa.
La acidez y otras violaciones de las propiedades técnicas solo se pueden eliminar regenerando el aceite en dispositivos especiales.
Las fallas internas del transformador, como defectos en los devanados, fallas en el aislamiento, calentamiento local o "fuego en el hierro", etc., provocan cambios en la calidad del aceite.
El aceite circula continuamente en el tanque. Su temperatura depende de todo un complejo de factores que influyen. Por lo tanto, su volumen cambia todo el tiempo, pero se mantiene dentro de ciertos límites. Se utiliza un tanque de expansión para compensar las desviaciones de volumen del aceite. Es conveniente monitorear el nivel actual en él.
Para ello se utiliza un indicador de aceite. Los dispositivos más simples se fabrican de acuerdo con el esquema de vasos de comunicación con una pared transparente, preclasificados en unidades de volumen.
Conectar un manómetro de este tipo en paralelo con el vaso de expansión es suficiente para controlar el funcionamiento. En la práctica, existen otros indicadores de aceite que difieren de este principio de acción.
Protección contra la penetración de la humedad
Dado que la parte superior del tanque de expansión está en contacto con la atmósfera, en él se instala un secador de aire que evita que la humedad penetre en el aceite y reduce sus propiedades dieléctricas.
Protección contra daños internos
Es un elemento importante del sistema de aceite. relé de gas… Se instala dentro de la tubería que conecta el tanque principal del transformador con el tanque de expansión. Por lo tanto, todos los gases liberados al ser calentados por el aceite y el aislamiento orgánico pasan por el recipiente con el elemento sensible del relé de gas.
Este sensor está configurado para una formación de gas permisible muy pequeña, pero se activa cuando aumenta en dos etapas:
1. para emitir una señal de advertencia de luz / sonido al personal de servicio por la ocurrencia de un mal funcionamiento cuando se alcanza el valor establecido del primer valor;
2. desconectar los interruptores de potencia en todos los lados del transformador para liberar la tensión en caso de gasificación violenta, lo que indica el inicio de poderosos procesos de descomposición del aceite y del aislamiento orgánico, que se inician con cortocircuitos en el interior del tanque.
Una función adicional del relé de gas es monitorear el nivel de aceite en el tanque del transformador. Cuando cae a un valor crítico, la protección de gas puede funcionar dependiendo de la configuración:
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solo señal;
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para apagar con una señal.
Protección contra la acumulación de presión de emergencia dentro del tanque
El tubo de drenaje va montado sobre la tapa del transformador de tal forma que su extremo inferior comunica con la capacidad del tanque, y el aceite fluye por su interior hasta el nivel del expansor. La parte superior del tubo se eleva por encima del expansor y se retrae hacia un lado, ligeramente doblado hacia abajo.Su extremo está sellado herméticamente por una membrana de seguridad de vidrio, que se rompe en caso de aumento de presión de emergencia debido a la ocurrencia de un calentamiento indefinido.
Otro diseño de dicha protección se basa en la instalación de elementos de válvula que se abren cuando aumenta la presión y se cierran cuando se liberan.
Otro tipo es la protección de sifón. Se basa en la rápida compresión de las alas con una fuerte subida del gas. Como resultado, el bloqueo que sujeta la flecha, que en su posición normal se encuentra bajo la influencia de un resorte comprimido, es derribado. La flecha liberada rompe la membrana de vidrio y, por lo tanto, alivia la presión.
Diagrama de conexión del transformador de potencia
Dentro de la carcasa del tanque se encuentran:
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esqueleto con viga superior e inferior;
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circuito magnético;
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bobinas de alta y baja tensión;
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ajuste de ramas sinuosas;
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Tomas de baja y alta tensión
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la parte inferior de los bushings de alta y baja tensión.
El marco, junto con las vigas, sirve para sujetar mecánicamente todos los componentes.
Diseño de interiores
El circuito magnético sirve para reducir las pérdidas del flujo magnético que pasa por las bobinas. Está hecho de grados de acero eléctrico utilizando el método laminado.
La corriente de carga fluye a través de los devanados de fase del transformador. Los metales se eligen como materiales para su producción: cobre o aluminio con una sección redonda o rectangular. Se utilizan marcas especiales de papel para cables o hilo de algodón para aislar las vueltas.
En los devanados concéntricos utilizados en los transformadores de potencia, generalmente se coloca un devanado de bajo voltaje (LV) en el núcleo, que está rodeado por un devanado de alto voltaje (HV) en el exterior.Esta disposición de los devanados, en primer lugar, permite desplazar el devanado de alta tensión del núcleo y, en segundo lugar, facilita el acceso a los devanados de alta tensión durante las reparaciones.
Para una mejor refrigeración de los serpentines, se dejan entre ellos canales formados por espaciadores aislantes y juntas entre los serpentines. Por estos canales circula el aceite que, al calentarse, sube y luego desciende por los conductos del depósito, en el que se enfría.
Las bobinas concéntricas están enrolladas en forma de cilindros ubicados uno dentro del otro. Para el lado de alta tensión se crea un bobinado continuo o multicapa, y para el lado de baja tensión un bobinado espiral y cilíndrico.
El devanado de BT se coloca más cerca de la varilla: esto facilita la realización de una capa para su aislamiento. Luego se monta un cilindro especial en él, que proporciona aislamiento entre los lados de alto y bajo voltaje, y se monta el devanado HV en él.
El método de instalación descrito se muestra en el lado izquierdo de la imagen a continuación, con la disposición concéntrica de los devanados de varilla del transformador.
El lado derecho de la imagen muestra cómo se colocan los devanados alternos, separados por una capa aislante.
Para aumentar la resistencia eléctrica y mecánica del aislamiento de los devanados, su superficie está impregnada con un tipo especial de barniz gliftálico.
Para conectar los devanados en un lado de la tensión, se utilizan los siguientes circuitos:
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estrellas;
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triángulo;
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zigzag.
En este caso, los extremos de cada bobina están marcados con letras del alfabeto latino, como se muestra en la tabla.
Tipo de transformador Lado del devanado Baja tensión Media tensión Alta tensión Inicio extremo neutro Inicio extremo neutro Inicio extremo neutro Monofásico a x — At Ht — A x — Dos devanados trifásicos a NS 0 — — — A x 0 b Y B Y con G ° C Z Tres devanados tres fases a x At Ht A x b Y 0 YT 0 B Y 0 ° С Z Ht ° С Z
Los terminales de los devanados se conectan a las correspondientes bajantes que se montan en los pernos aislantes del bushing ubicados en la tapa del tanque del transformador.
Para realizar la posibilidad de ajustar el valor de la tensión de salida, se realizan derivaciones en los devanados. En el diagrama se muestra una de las variantes de las ramas de control.
El sistema de regulación de voltaje está diseñado con la capacidad de cambiar el valor nominal dentro de ± 5%. Para hacer esto, complete cinco pasos de 2.5% cada uno.
Para transformadores de potencia de alta potencia, la regulación generalmente se crea en un devanado de alto voltaje. Esto simplifica el diseño del interruptor de derivación y permite mejorar la precisión de las características de salida proporcionando más vueltas en ese lado.
En las bobinas cilíndricas multicapa, las ramas de regulación se realizan en el exterior de la capa al final de la bobina y se ubican simétricamente a la misma altura con respecto al yugo.
Para proyectos individuales de transformadores, las ramas se hacen en la parte media. Cuando se utiliza un circuito inverso, la mitad del devanado se realiza con la bobina derecha y la otra mitad con la bobina izquierda.
Se utiliza un interruptor trifásico para cambiar los grifos.
Tiene un sistema de contactos fijos, que se conectan a las ramas de las bobinas, y móviles, que conmutan el circuito, creando diferentes circuitos eléctricos con contactos fijos.
Si las bifurcaciones se hacen cerca del punto cero, entonces un interruptor controla la operación de las tres fases a la vez. Esto se puede hacer porque el voltaje entre las partes individuales del interruptor no excede el 10% del valor lineal.
Cuando las derivaciones se realizan en la parte media del devanado, se utiliza su propio interruptor individual para cada fase.
Métodos de ajuste del voltaje de salida.
Hay dos tipos de interruptores que le permiten cambiar el número de vueltas en cada bobina:
1. con reducción de carga;
2. bajo carga.
El primer método tarda más en completarse y no es popular.
La conmutación de carga permite una gestión más sencilla de las redes eléctricas al proporcionar energía ininterrumpida a los consumidores conectados. Pero para hacerlo, debe tener un diseño complejo del interruptor, que está equipado con funciones adicionales:
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realizar transiciones entre ramas sin interrupción de las corrientes de carga conectando dos contactos adyacentes durante la conmutación;
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limitando la corriente de cortocircuito dentro del devanado entre las tomas conectadas durante su encendido simultáneo.
La solución técnica a estos problemas es la creación de dispositivos de conmutación operados por control remoto, utilizando reactores y resistencias limitadoras de corriente.
En la foto que se muestra al principio del artículo, el transformador de potencia utiliza el ajuste automático del voltaje de salida bajo carga mediante la creación de un diseño AVR que combina un circuito de relé para controlar un motor eléctrico con un actuador y contactores.
Principio y modos de funcionamiento
El funcionamiento de un transformador de potencia se basa en las mismas leyes que en uno convencional:
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Una corriente eléctrica que pasa a través de la bobina de entrada con un armónico variable en el tiempo de las oscilaciones induce un campo magnético cambiante dentro del circuito magnético.
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El flujo magnético cambiante que penetra en las vueltas de la segunda bobina induce una FEM en ellas.
Modos de operacion
Durante la operación y las pruebas, el transformador de potencia puede estar en modo operativo o de emergencia.
Modo de operación creado al conectar una fuente de voltaje al devanado primario y la carga al secundario. En este caso, el valor de la corriente en los devanados no debe exceder los valores permisibles calculados. En este modo, el transformador de potencia debe alimentar a todos los consumidores conectados a él durante mucho tiempo y de manera confiable.
Una variante del modo de funcionamiento son las pruebas en vacío y en cortocircuito para comprobar las características eléctricas.
Sin carga creada al abrir el circuito secundario para cerrar el flujo de corriente en él. Se utiliza para determinar:
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Eficiencia;
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factor de transformación;
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pérdidas en el acero debido a la magnetización del núcleo.
Se crea un intento de cortocircuito al cortocircuitar los terminales del devanado secundario, pero con un voltaje subestimado en la entrada del transformador a un valor capaz de crear una corriente nominal secundaria sin excederla.Este método se utiliza para determinar las pérdidas de cobre.
Para los modos de emergencia, un transformador incluye cualquier violación de su operación, lo que lleva a una desviación de los parámetros de operación fuera de los límites de sus valores permisibles. Un cortocircuito dentro de los devanados se considera particularmente peligroso.
Los modos de emergencia conducen a incendios de equipos eléctricos y al desarrollo de consecuencias irreversibles. Son capaces de causar daños masivos al sistema de energía.
Por lo tanto, para evitar tales situaciones, todos los transformadores de potencia están equipados con dispositivos automáticos, de protección y de señalización, que están diseñados para mantener el funcionamiento normal del bucle primario y desconectarlo rápidamente de todos los lados en caso de mal funcionamiento.