1.1.2 Пристрій масляного трансформатора
У трансформаторах з масляним охолодженням магнітопровід з обмотками поміщений в бак, наповнений трансформаторним маслом (рис. 1.5.). Трансформаторне масло, омиваючи обмотки 2 і 3 і муздрамтеатр 1, відбирає від них теплоту і, володіючи більш високою теплопровідністю, ніж повітря, через стінки бака 4 і труби радіатора 5 віддає її в навколишнє середовище. Наявність трансформаторного масла забезпечує більш надійну роботу високовольтних трансформаторів, так як електрична міцність масла набагато вище, ніж повітря. Масляне охолодження інтенсивніше повітряного, тому габарити і вага масляних трансформаторів менше, ніж у сухих трансформаторів такої ж потужності.
У трансформаторах потужністю до 20-30 кВА застосовують баки з гладкими стінками. У більш потужних трансформаторів для збільшення охолоджувальної поверхні стінки бака роблять ребристими або ж застосовують трубчасті баки. Масло, нагріваючись, піднімається вгору, а охолоджуючись, опускається вниз. При цьому масло циркулює в трубах, що сприяє більш швидкому його охолодженню.
Для компенсації обсягу масла при зміні температури, а також для захисту масла від окислення і зволоження при контакті з повітрям в трансформаторах застосовують розширювач 9, що представляє собою циліндричну посудину, встановлений на кришці бака і з'єднана з ним. Коливання рівня масла зі зміною його температури відбуваються не в баку, який завжди заповнений маслом, а в розширнику, щоповідомляється з атмосферою.
В процесі роботи трансформаторів не виключена можливість виникнення в них явищ, що супроводжуються бурхливим виділенням газів, що веде до значного збільшення тиску всередині бака, тому щоб уникнути пошкодження баків трансформатори потужністю 1000 кВА і вище постачають вихлопною трубою, яку встановлюють на кришці бака. Нижнім кінцем труба повідомляється з баком, а її верхній кінець закінчується фланцем, на якому укріплений скляний диск. При тиску, що перевищує безпечний для бака, скляний диск лопається і гази виходять назовні.
В трубопровід, що з'єднує бак масляного трансформатора розширником, вміщено газове реле. При виникненні в трансформаторі значних пошкоджень, супроводжуваних великим виділенням газів (наприклад, при КЗ між витками обмоток), газове реле спрацьовує і замикає контакти ланцюга керування вимикача, який відключає трансформатор від мережі.
Мал. 1.6. Пристрій трансформатора з масляним охолодженням
Обмотки трансформатора з зовнішньої ланцюгом з'єднують уведеннями 7 і 8. У масляних трансформаторах для вводів використовують прохідні фарфорові ізолятори. Такий введення забезпечений металевим фланцем, за допомогою якого він кріпиться до кришки або стінці бака. До дна бака прикріплена візок, що дозволяє переміщати трансформатор в межах підстанції. На кришці бака розташована рукоятка перемикача напруги 6.
1.2 Синхронний турбогенератор
1.2.1 Принцип дії синхронного генератора
Для вивчення принципу дії синхронного генератора скористаємося спрощеною моделлю синхронної машини (рис.1.6.). Нерухома частина машини, яка називається статором, являє собою порожнистий шихтованний циліндр / (сердечник статора) з двома поздовжніми пазами на внутрішній поверхні. У цих пазах розташовані боку витка 2, що є обмоткою статора. У внутрішній порожнині осердя статора розташована обертається частина машини - ротор, який представляє собою постійний магніт 4 з полюсами N і S, закріплений на валу 3. Вал ротора за допомогою пасової передачі механічно пов'язаний з приводним двигуном (на малюнку не показаний). У реальному синхронному генераторі як приводного двигуна може бути використаний двигун внутрішнього згоряння або турбіна. Під дією крутного моменту приводного двигуна ротор генератора обертається з частотою n1 проти годинникової стрілки. При цьому в обмотці статора відповідно до явищем електромагнітної індукції наводиться ЕРС, напрямок якої показано на малюнку стрілками. Так як обмотка статора замкнута на навантаження Z, то в ланцюзі цієї обмотки з'явиться струм i.
У процесі обертання ротора магнітне поле постійного магніту також обертається з частотою n1, а тому кожен з провідників обмотки статора поперемінно виявляється то в зоні північного (N) магнітного полюса, то в зоні південного (Ѕ) магнітного полюса. При цьому кожна зміна полюсів супроводжується зміною напрямку ЕРС в обмотці статора. Таким чином, в обмотці статора синхронного генератора наводять змінна ЕРС, а тому струм i в цій обмотці і в навантаженні Z також змінний.
Миттєве значення ЕРС обмотки статора в розглянутому синхронному генераторі (В)
де Bδ - магнітна індукція в повітряному зазорі між сердечником статора і полюсами ротора, Тл; l - активна довжина однієї пазової боку обмотки статора, м; v = πD1n1 / 60 - швидкість руху полюсів ротора щодо статора, м / с; D1- внутрішній діаметр сердечника статора, м.
Мал. 1.7. Спрощена модель синхронного генератора
Ця формула показує, що при незмінній частоті обертання ротора форма кривої змінної ЕРС обмотки якоря визначається виключно законом розподілу магнітної індукції в зазорі. Якби графік магнітної індукції в зазорі був синусоїду (Bδ = Втах sin α), то ЕРС генератора була б синусоїдальної. Однак отримати синусоидальное розподіл індукції в зазорі практично неможливо. Так, якщо повітряний зазор δ постійний (ріс.1.7.), То магнітна індукція Bδ в повітряному зазорі розподіляється по трапецеидальному закону (крива 1), а отже, і графік ЕРС генератора являє собою трапецеидальную криву. Якщо краї полюсів скосити так, щоб зазор на краях полюсних наконечників дорівнював δтах (як це показано на рис.1.7.), То графік розподілу магнітної індукції в зазорі наблизиться до синусоїді (крива 2), а отже, і графік ЕРС, наведеної в обмотці генератора, наблизиться до синусоїді.
Мал. 1.8. Графіки розподілу магнітної індукції в повітряному зазорі синхронного генератора
Частота ЕРС синхронного генератора f1 (Гц) прямо пропорційна частоті обертання ротора п1 (об / хв), яку прийнято називати синхронною частотою обертання:
Тут р - число пар полюсів; в розглянутому генераторі два полюси, т. е. р = 1.
Для отримання промислової частоти ЕРС (50 Гц) ротор такого генератора необхідно обертати з частотою п1 = 3000 об / хв, тоді f1 = 1 · 3000/60 = 50 Гц.
Постійні магніти на роторі застосовуються лише в синхронних генераторах вельми малої потужності, в більшості ж синхронних генераторів для отримання збудливого магнітного поля застосовують обмотку збудження, розташовується на роторі. Ця обмотка підключається до джерела постійного струму через ковзаючі контакти, які здійснюються за допомогою двох контактних кілець, що розташовуються на валу і ізольованих від вала і один від одного, і двох нерухомих щіток (рис. 1.8.).
Як уже зазначалося, приводний двигун (ПД) приводить в обертання ротор синхронного генератора з синхронною частотою п1. При цьому магнітне поле ротора також обертається з частотою п1 і індукує в трифазній обмотці статора змінні ЕРС ЕА, ЕВ, Ес, які, будучи однаковими за значенням і зсунутими по фазі відносно один одного на ⅓ періоду (120 ел. Град), утворюють трифазну симетричну систему ЕРС.
З підключенням навантаження в фазах обмотки статора з'являються струми 1А, 1В, 1С. При цьому трифазна обмотка статора створює обертове магнітне поле. Частота обертання цього поля дорівнює частоті обертання ротора генератора (об / хв): п1 = f1 60 / р.
Мал. 1.9. Електромагнітна схема синхронного генератора
Таким чином, в синхронному генераторі поле статора і ротор обертаються синхронно, звідси і назва - синхронні машини.
1.2.2Конструкція синхронного турбогенератора
Конструкція потужних синхронних машин в першу чергу визначається частотою обертання. Неявнополюсного синхронні машини турбогенератори виготовляються з частотою обертання 3000 об / хв двополюсному виконанні (р = 1) і 1500 об / хв в чотириполюсним виконанні (р = 2). У синхронних машинах з великим числом полюсів -гідрогенераторах - застосовується явнополюсная конструкція ротора.
Турбоагрегат складається з декількох машин, з'єднаних між собою муфтами. Ротор турбогенератора з'єднується муфтою з ротором парової турбіни. Таким чином, виходить єдиний блок парова турбіна - турбогенератор
Синхронна машина складається з нерухомої частини - статора - і обертається - ротора. Статори синхронних машин в принципі не відрізняються від статорів асинхронних двигунів, т. Е. Складаються з корпусу, сердечника і обмотки. Конструктивне виконання статора синхронної машини може бути різним у залежності від призначення і габаритів машини. Так, в багатополюсних машинах великої потужності при зовнішньому діаметрі сердечника статора більш 900 мм пластини сердечника роблять з окремих сегментів, які при складанні утворюють циліндр сердечника статора. Корпуси статорів великогабаритних машин роблять роз'ємними, що необхідно для зручності транспортування і монтажу цих машин. Ротори синхронних машин можуть мати дві принципово різняться конструкції: явнополюсную і неявнополюсного. В енергетичних установках по виробництву електроенергії змінного струму в якості первинних (приводних) двигунів синхронних генераторів застосовують в основному три види двигунів: парові турбіни, гідравлічні турбіни або двигуни внутрішнього згоряння (дизелі). Застосування будь-якого з перерахованих двигунів принципово впливає на конструкцію синхронного генератора ..
Парова турбіна працює при великій частоті обертання, тому що приводиться нею в обертання генератор, званий турбогенератором, є швидкохідної синхронної машиною.
Мал. 1.10. Конструкція роторів синхронних машин
а - ротор з явно вираженими полюсами; б-ротор з неявно вираженими полюсами.
Ротори цих генераторів виконують або двополюсними (n1 = 3000 об / хв), або чотириполюсні (n1 = 1500 об / хв).
В процесі роботи турбогенератора на його ротор діють значні відцентрові сили. Тому за умовами механічної міцності в турбогенераторах застосовують неявнопо люсний ротор, який має вигляд подовженого сталевого циліндра з профрезерований на поверхні поздовжніми пазами для обмотки збудження (див. Рис. 1.9, б). Сердечник неявнополюсного ротора виготовляють у вигляді цільної сталевий поковки разом з хвостовиками (кінцями валу) або ж роблять збірним. Обмотка збудження неявнополюсного ротора займає лише ⅔ його поверхні (по периметру). Частина, що залишилася ⅓ поверхні утворює полюси. Для захисту лобових частин обмотки ротора від руйнування дією відцентрових сил ротор з двох сторін прикривають сталевими бандажними кільцями (каппами), виготовленими зазвичай з немагнітної сталі.
Мал. 1.11. турбогенератор
1 - збудник, 2 - корпус, 3 - сердечник статора, 4 - секції водневого охолодження, 5 - ротор
1.3 Асинхронний двигун