Трехфазный силовой трансформатор с масляным охлаждением (рис. 166) имеет сердечник 10 с обмотками 9, которые помещены в трубчатый бак 8, заполненный минеральным маслом. На верхней крышке бака расположены выводы обмоток высшего 2 и низшего 3 напряжений, изолированные от крышки бака посредством проходных изоляторов. Бак заполняют минеральным маслом через кран 1. При необходимости масло сливают через кран 7. Во время работы трансформатора объем масла в баке меняется. При увеличении нагрузки повышается температура обмоток и сердечника трансформатора, а значит, и трансформаторного масла. Масло расширяется и объем его увеличивается. При уменьшении нагрузки температура и объем масла уменьшаются. Вследствие этого в некоторых трансформаторах бак заливают маслом не полностью, т. е. оставляют достаточное воздушное пространство для расширения масла.
Рис. 166. Трехфазный силовой трансформатор
Однако в таких трансформаторах масло плохо защищено от окружающей среды. Слои гигроскопичного масла окисляются кислородом воздуха и насыщаются влагой, в результате чего резко уменьшается электрическая прочность масла и сокращается срок его службы.
Для защиты масла от соприкосновения с воздухом мощные трансформаторы снабжают расширителем 5, который представляет собой цилиндрический резервуар. Его соединяют с баком трансформатора трубопроводом. Масло заполняет весь бак и часть расширителя. В расширителе масло имеет более низкую температуру, чем в баке, и соприкасается с воздухом меньшей поверхностью. Поэтому оно меньше окисляется и дольше сохраняет изоляционные свойства. Расширитель снабжен указателем уровня масла, грязеотстойником с краном для удаления влаги и осадков и трубкой для всасывания и вытеснения воздуха.
Рис 167. Схема обмоток трехфазного трансформатора
При работе трансформатора внутри бака могут образоваться газы. Для предупреждения деформации бака от выделяющихся газов трансформаторы большой мощности имеют выхлопную трубу 4 с мембраной и газовое реле 6. При большом скоплении газы выдавливают мембрану и выходят наружу. В случае большого выделения газов газовое реле автоматически отключает трансформатор от источника электроэнергии.
На трехстержневом сердечнике трансформатора (рис. 167) находятся обмотки высшего ВН и низшего НИ напряжений. Начало обмоток высшего напряжения обозначают буквами А, В, С, а концы — X. У, Z. Начало обмоток низшего напряжения обозначают буквами а, b, с, а концы — х, у, г.
На каждом стержне сердечника имеются обмотки высшего и низшего напряжений, принадлежащие одной фазе. Обмотки фазы одного напряжения соединяют звездой или треугольником. В соответствии с этим приняты следующие стандартные группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: звезда/звезда с выведенной нулевой точкой Y|Y0 — 0; звезда/треугольник Υ/Δ — 11; звезда с выведенной нулевой точкой/треугольник Υ0Δ— 11; треугольник/звезда с выведенной нулевой точкой Δ/Υ0— 11.
Рис. 168. Схема соединения обмоток по схеме Υ/Ύ—0 (а) и векторные диаграммы фазных и линейных напряжений (б)
В первой стандартной группе (рис. 168) обмотки первой фазы А — X и a — х наматывают в одном направлении. Поэтому напряжения этих обмоток Uа и Ua совпадают по фазе. По этой же причине совпадают по фазе напряжения UB и Uв, а также напряжения Uo и Uc. При указанном соединении обмоток совпадут по фазе и соответствующие линейные напряжения: UАВ и UaH, Ubc и Uвc, Uса и Uса.
Рис. 169. Соединение обмоток по схеме Υ/Δ—11 (о) и векторная диаграмма напряжений (б)
Так как отсутствует угловое смещение между одноименными линейными напряжениями обмоток высшего и низшего напряжения, эту группу называют нулевой.
Название группы зависит от угла сдвига фаз между указанными линейными напряжениями и определяется при помощи циферблата часов. Для этого минутную стрелку часов условно принимают за вектор высшего линейного напряжения и устанавливают на число 12. Часовую стрелку совмещают с вектором линейного низшего напряжения. На циферблате часов эта стрелка установится против числа, которое и определит группу трансформатора. В рассматриваемом способе соединения линейное высшее напряжение совпадает по фазе с линейным низшим напряжением, поэтому часовая стрелка, как и минутная, установится против числа 12. Такая группа соединения обмоток называется нулевой (нуль часов).
Во второй стандартной схеме Υ/Δ — 11 первичные обмотки соединяют звездой, а вторичные — треугольником (рис. 169, а). Фазные напряжения обмоток высшего напряжения совпадают по фазе с соответствующими фазными напряжениями обмоток низшего напряжения (рис. 169, б). Однако линейные напряжения этих обмоток окажутся сдвинутыми по фазе.
Вектор низшего линейного напряжения Uав образует с вектором высшего линейного напряжения UAB угол 330. Если минутную стрелку часов совместить с вектором напряжения UАВ и установить на число 12, то часовая стрелка, совмещенная с вектором напряжения Uab, установится на числе 11. Следовательно, трансформатор с таким соединением обмоток относится к 11-й группе.
Из изложенного следует, что группа трансформатора выражает угловое смещение между линейными высшим и низшим напряжениями в условных единицах, равных 30'. В нулевой группе это смещение равно 0, в 11-й — 330. Отношение линейных напряжений в трехфазных трансформаторах зависит не только от числа витков w1 и w2 обмоток, но и от схемы их соединения.
На щитке трехфазного трансформатора указывают: схему и группу соединения обмоток; номинальные высшее и низшее напряжения (В или кВ); номинальную полную мощность (В · А или кВ · А); линейные токи при номинальной мощности (А или к А); частоту и способ охлаждения.
Если два трансформатора имеют одинаковые номинальные данные и одинаковую группу для увеличения тока, то их можно включать на параллельную работу. Вторичные напряжения таких трансформаторов будут смещены относительно первичного напряжения на один и тот же угол. В результате этого вторичная э. д. с. одного трансформатора в любой момент времени будет равна вторичной э. д. с. другого В случае если трансформаторы имеют разные группы, их вторичные напряжения не будет совпадать по фазе. Так, если один трансформатор имеет группу 0, а другой—группу 11, их вторичные напряжения будут сдвинуты на угол 30. При параллельном включении между такими трансформаторами возникнут уравнительные токи, которые разрушат их обмотки.
Трехфазные трансформаторы применяют на трансформаторных подстанциях, в мощных выпрямительных устройствах, питающих различную аппаратуру автоматики и телемеханики.
Потери в трансформаторе. Мощность Р2, отдаваемая трансформатором, меньше подводимой P1, так как часть ее теряется в трансформаторе при его работе. Потери в трансформаторе складываются из потерь в стали Рст и потерь в меди Рм. Коэффициент полезного действия (рис. 170) трансформатора
Для уменьшения потерь в стали на вихревые токи и гистерезис сердечники трансформаторов изготавливают из листовой трансформаторной стали, содержащей до 5% кремния.
Мощность потерь в меди обмоток зависит от нагрузки трансформатора/ Для снижения этих потерь уменьшают активное сопротивление обмоток г, и г2 до определенного значения,
Рис. 170. Зависимость к. п. д. трансформатора от нагрузки
увеличивая площадь поперечного сечения медного обмоточного провода.
Потери в стали можно определить из опыта холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении Ux (рис. 171, а). При этом полезная мощность Р2= 0, а потери в меди первичной обмотки из-за малого тока можно не учитывать. Следовательно, мощность Рх = Pст.
Потери в меди определяют из опыта короткого замыкания (рис. 171, б), когда зажимы вторичной обмотки замкнуты накоротко, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение (5—8% номинального значения), при котором в обмотках устанавливаются номинальные токи. Из-за малого напряжения магнитная индукция и потери в стали будут незначительны и мощность Р = Р
Коэффициент полезного действия трансформатора зависит от его нагрузки и достигает 98—99%.