Нагрев трансформатора при нагрузке

Почему греется трансформатор?

Если вы радиотехник любитель или просто посторонний наблюдатель за работой электрических устройств, то наверняка вас интересовал вопрос «почему греется трансформатор?».

Для начала небольшое отступление для новичков: трансформатор — это устройство для повышения или понижения напряжения в замкнутом контуре. Трансформатор происходит от английского слова «transform» — изменять, превращать. Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника двух обмоток — первичной и вторичной. При прохождении тока через обмотку он повышается или понижается до необходимого значения.

Итак почему греется трансформатор?

1. Короткозамкнутый виток

Первая и самая распространенная причина из-за которого греется трансформатор — короткозамкнутый виток. Он имеет место когда коротят между собой витки обмотки и пластины сердечника. Это может произойти из-за попадания воды (а электрохимия как известно очень пагубно действует на пластины сердечника), механического повреждения, попадания сварки и многих других факторов, нарушающих целостность устройства.

Проверить трансформатор на короткозамкнутый виток можно запитав первичную обмотку и проверить выходящее напряжение на вторичной. Если значение напряжения будет заметно отличаться от предусмотренного на вторичной обмотке, значит вы имеете дело с КЗ. Если с запитать от розетки не получается, то есть более изощренный способ тестирования — с помощью обычной батарейки: подключив ее ко вторичной обмотке с обрывателем (выключателем) нужно влажными руками замкнуть выходы на первичной обмотке — если не будет слегка бить током, значит вердикт — КЗ. Он лечится перематыванием трансформатора или заменой сердечника.

А так можно с большой точностью проверить трансформатор на отсутствие короткозамкнутых витков.

2. Недостаточная нагрузка

Второе предположение почему нагревается трансформатор — его недостаточная нагрузка. Этот случай особо примененим к маломощным трансформаторам.

Если входного питания нехватает, то индукция (которая представляет собой своеобразную разницу между входным и выходным напряжением) резко увеличивается, что неизбежно провоцирует увеличение тока намагничивания, это приводит к тому что силовой трансформатор греется.

Решение проблемы очевидно — подать питание с необходимым входным напряжением.

3. Перегрузка

Следующая проблема обратна — перегрузка трансформатора. Трансформатор будет греться если на первичной обмотке слишком большое напряжение, которое не рассчитано на преобразование вторичной обмоткой.

Изящно избавиться от внезапной напасти поможет резистор на N-вольт, подключенный к первичной обмотке и снижающий напряжение до необходимого значения. Заодно он будет выполнять функцию предохранителя.

4. Сердечники

И наконец четвертая, наверно самая распространенная проблема из-за которой греется трансформатор — некачественные сердечники.

Это свойство у них особенно ярко выражено если их изготовлением занимались китайские мастера.

Очень часто железо в основе сердечника попросту не обладает необходимыми свойствами, соответственно трансформатор компенсирует это повышением температуры.

Источник

Нагрев и охлаждение трансформатора

Электрическая энергия, теряемая в трансформаторе при его работе, выделяется в виде тепла в обмотках, магнитопроводе, деталях конструкции и в других частях трансформатора. При этом трансформатор нагревается, и температура его отдельных частей может превысить допустимую температуру.

Металлические части трансформатора могут без повреждения продолжительное время выдерживать довольно высокие температуры, а изоляция трансформатора и, в частности, изоляция обмоточных проводов не может. Установлено, что электрическая прочность бумажной изоляции, которая в современных масляных трансформаторах играет основную роль, не снижается до тех пор, пока сохраняется ее механическая прочность. При работе трансформатора бумажная изоляция постепенно изнашивается, стареет. Старение изоляции сопровождается уменьшением ее эластичности и механической прочности. Причем чем выше температура обмоток, тем интенсивнее происходит старение изоляции.

Сильно состарившаяся изоляция становится настолько неэластичной и хрупкой, что под влиянием вибраций и динамических усилий, имеющихся в трансформаторе, начинает растрескиваться и ломаться, т. е. механически повреждается. Следствием этого может быть резкое снижение электрической прочности, пробой и повреждение трансформатора.

Время, в течение которого изоляция изнашивается настолько, что становится непригодной к дальнейшей работе, зависит от температуры ее нагрева. С увеличением температуры при прочих равных условиях срок службы трансформатора уменьшается.

Для трансформаторов отечественного производства принята такая допустимая температура нагрева изоляции, при которой обеспечивается срок службы трансформаторов 20—25 лет. Опытным путем установлено, что наивысшая температура, которую выдерживает в масле бумажная изоляция без заметного снижения своих изоляционных свойств, 105° С.

Исходя из этого, ГОСТ 11677—75 установил, что у трансформаторов, предназначенных для мест с наибольшей температурой окружающего воздуха 40° С, превышение средней (определяемой по сопротивлению) температуры обмоток над температурой воздуха не должно быть больше 105°С — 40°С = 65°С. Однако температура окружающего воздуха как в течение года, так и в течение суток никогда не бывает постоянной, также колеблется и нагрузка. Следовательно, температура обмоток (и изоляции) никогда не будет равной 105°С.

Установлено, что если бы в процессе эксплуатации среднюю температуру обмоток каким-либо способом удалось поддерживать все время 105°С, то срок службы трансформатора едва бы превысил 2 года. Поэтому температуру обмоток 105°С надо понимать как наибольшую среднюю температуру, допустимую для безопасной работы трансформатора в течение нескольких часов в сутки в те немногие дни, когда температура окружающего воздуха достигает максимума (40°С).

Как уже указывалось, при работе трансформатора обмоточные провода, стальные пластины магнитопровода и различные металлические детали конструкции нагреваются и вследствие этого являются постоянными источниками тепловой энергии. Поэтому в магнитопроводе и обмотках происходит постоянный процесс передачи тепла от более нагретых внутренних частей к наружным поверхностям, отдающим тепло. Учитывая это, трансформаторы строят таким образом, чтобы размеры наружных поверхностей были достаточны для отвода тепла.

В трансформаторах мощностью в несколько киловольт-ампер поверхность охлаждения обмоток и магнитопровода достаточна для отвода того небольшого количества тепла, которое выделяется при их работе. Малые трансформаторы охлаждаются в окружающем их более холодном воздухе путем естественного излучения тепла. Никаких специальных устройств для охлаждения не предусматривается. Такие трансформаторы называют сухими.

По мере увеличения мощности потери в трансформаторе возрастают, причем они растут пропорционально его массе, т. е. приблизительно пропорционально кубу его линейных размеров. В то же время поверхность охлаждения растет пропорционально квадрату линейных размеров, т. е. потери в трансформаторе увеличиваются быстрее, чем поверхность, отводящая тепло.

Начиная с какой-то определенной мощности, этой поверхности оказывается недостаточно и приходится между частями обмоток, катушками, секциями делать специальные каналы, увеличивая омываемые воздухом поверхности охлаждения. Однако и такое увеличение оказывается достаточным только для трансформаторов мощностью 630—1000 кВ*А. При больших мощностях приходится делать специальные обдувные установки для увеличения теплоотдачи сухих трансформаторов.

Более действенным средством для отвода тепла трансформатора является применение минерального (трансформаторного) масла. Трансформатор погружают в наполненный маслом стальной бак. Слои масла, непосредственно соприкасающиеся с обмоткой и магнитопроводом, нагреваются, и нагретые частицы, имея меньшую плотность, поднимаются вверх; их место занимают поступающие снизу более холодные частицы масла. Поднявшиеся вверх нагретые частицы масла соприкасаются со стенками и крышкой бака и отдают им свое тепло, рассеивающееся затем в окружающий воздух. Охладившиеся частицы масла опускаются вниз, а их место занимают другие, нагревшиеся частицы.

Таким образом, в баке происходит непрерывный процесс нагревания и охлаждения масла, циркулирующий поток которого является как бы переносчиком тепла от нагретых частей трансформатора к стенкам бака. Конечно, температура масла не остается одинаковой по высоте бака: внизу она самая низкая, в середине бака средняя, а верхние слои масла нагреты до наибольшей температуры.

Согласно нормам (ГОСТ 11677—75) в верхних слоях допустимо превышение температуры масла над температурой окружающего воздуха 60° С, если масло в баке полностью защищено от соприкосновения с окружающим воздухом (герметизированное исполнение трансформатора), и 55° С — во всех остальных случаях. Этот перегрев можно установить, если из температуры верхних слоев масла, определенной по термометру, вычесть температуру окружающего воздуха в момент измерения. Например, температуpa верхних слоев масла составляет по термометру 75° С. В момент измерения температура воздуха была 25° С, следовательно, перегрев масла 75°С — 25°С = 50°С, что ниже допустимого.

Применение трансформаторного масла в качестве теплопередающей среды исключительно эффективно. По опытным данным теплоотдача от единицы поверхности при масляном охлаждении в 6—8 раз больше, чем при отдаче тепла непосредственно воздуху. При масляном охлаждении поверхности обмоток и магнитопровода можно сделать значительно меньшими, чем у такого же по мощности сухого трансформатора с воздушным охлаждением.

Однако поверхность бака, с которого тепло отводится в воздух, должна быть при этом достаточно большой, иначе температура масла станет выше допустимой. Таким образом, у масляных трансформаторов для улучшения охлаждения надо подбирать бак трансформатора с достаточно большой поверхностью.

Самый простой путь — это увеличение линейных размеров (длины, ширины, высоты) бака. Но этот путь ведет к увеличению общих размеров трансформатора и поэтому не экономичен. Более правильный путь — это увеличение поверхности бака путем применения волнистых стенок, труб, ввариваемых в его стенки, или трубчатых охладителей (радиаторов), специально пристраиваемых к баку трансформатора.

У трансформаторов мощностью до 6300 кВА такое увеличение поверхности бака позволяет успешно отводить тепло и не допускать увеличения температуры масла над воздухом выше допустимой величины. У этих трансформаторов происходит, как говорят, естественное охлаждение с помощью масла и циркуляции воздуха. У трансформаторов большой мощности естественное охлаждение оказывается недостаточным. В этих случаях применяют искусственное охлаждение масла. Существует несколько способов принудительного охлаждения трансформаторов. Рассмотрим наиболее распространенные.

Первый способ — это вид охлаждения трансформатора с использованием принудительного ускорения движения воздуха, охлаждающего радиаторы, с помощью вентиляторов. Этот способ называют дутьевым (Д) охлаждением.

Устанавливая вентиляторы под радиаторами и создавая таким образом принудительную циркуляцию воздуха вдоль их наружной поверхности, можно увеличить эффективность (теплоотдачу) радиаторов на 40—50% по сравнению с естественным охлаждением. Вообще система дутьевого охлаждения рассчитывается так, чтобы при снижении нагрузки до 50—60% можно было бы отключить вентиляторы, т. е. вернуться к естественному масляному охлаждению.

Второй способ — это вид охлаждения трансформатора с использованием принудительного ускорения движения как трансформаторного масла, так и воздуха. Этот способ называют системой охлаждения ДЦ.

Обычно для системы ДЦ применяют специальные охладители, собранные из трубок, через которые встроенные в трубопровод насосы прогоняют нагретое масло. Необходимое число вентиляторов создает направленные потоки воздуха, обдувающие поверхность трубок (рисунок 1).

Рисунок 1 — Схема охладителя системы ДЦ

Третий способ — это вид охлаждения трансформатора, при котором нагретое масло принудительно (с помощью насоса) прогоняется через ряд труб охладителя, заключенных в «рубашку», в которой циркулирует вода. Такой способ называют масляно-водяной системой или охлаждением вида Ц.

Водяное охлаждение — одно из наиболее эффективных. Объясняется это тем, что коэффициент теплоотдачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Поэтому такие охладители получаются значительно компактнее, чем в системе ДЦ. Это обстоятельство часто является определяющим при выборе системы охлаждения. Особенно важно это для специальных (например, электропечных) трансформаторов, устанавливаемых внутри производственных помещений, где габариты трансформатора существенно влияют на стоимость строительных работ и всего предприятия в целом.

Принудительная циркуляция масла очень эффективна. Во-первых, она значительно улучшает (выравнивает) распределение температуры масла по высоте бака, т. е. снижает температуру наиболее нагретых верхних слоев масла. Во-вторых, ускоренное движение масла улучшает теплоотдачу нагретых элементов конструкции трансформатора.

Особенно эффективна принудительная циркуляция в тех случаях, когда масло с повышенной скоростью проходит не только между активной частью и баком, но и непосредственно в каналах обмоток и магнитопровода трансформатора.

Для обеспечения такого «направленного» движения масла в конструкции предусматривают специальные перегородки и другие устройства, направляющие масло именно в те места, где это необходимо.

Источник

Причины, почему может греться трансформатор и способы устранения проблемы

Трансформаторы – электрические устройства, которые используются для трансформации энергии в процессе передачи по цепям. В процессе работы они нагреваются, что в принципе некритично, если избыточная температура не превышает той, на которую рассчитаны обмотки. Тем не менее, вопрос – почему и как греется трансформатор – является актуальным, ибо перегрев может свидетельствовать о неисправностях техники. Это может привести к риску пожара или отключения от электроснабжения потребителей.

Основные причины

Перегрев оценивается с точки зрения вероятности, частоты и сложности места обнаружения. Рассмотрим ситуации, которые встречаются чаще.

Короткозамкнутый виток

Механическая неисправность, проявляющаяся в следующих случаях:

• Ошибка в обмотке. В распределительных трансформаторах присутствуют две обмотки – первичная и вторичная. Высокое напряжение (и соответственно малый ток) находится на первичной обмотке. Оттуда они путём электромагнитной индукции преобразуются в пониженное напряжение и повышенный ток во вторичной обмотке. В процессе такой трансформации обмотки неоднократно подвергаются диэлектрическим, термическим и механическим нагрузкам. В результате вероятно повреждение обмоток, которое заключается в нарушении целостности или даже в частичном выгорании;
• Нарушение изоляции. Чаще встречается в местах изгиба или поворота обмотки на следующий виток. Возникает тогда, когда фактические значения тока и напряжения превышают максимально допустимые значения (этот предел указывается предприятием-изготовителем в сопроводительной документации). В случае разрушения изоляции (например, при ударе молнии) наблюдается пробой обмотки и короткое замыкание. Несмотря на кратковременность такого процесса, перегрев значителен.

Регулярная проверка диэлектрического сопротивления обмоток помогает предотвратить проблему.

Недостаточная нагрузка

При недостаточной нагрузке во вторичной цепи входное напряжение не понижается. Из-за этого возможны диэлектрические утечки, приводящие к перегреву. Причина легко обнаруживается, поскольку недонагруженный трансформатор изменяет звуковой тон работы.

Перегрузка

Материал обмоток – медный провод, характеризующийся незначительными тепловыми потерями. Однако при нерегулярном техническом обслуживании отдельные части обмоток перегреваются. Если устройство периодически работает на повышенных значениях рабочих характеристик, то с течением времени наблюдается износ и ухудшение качества поверхностного слоя изоляции. Обмотки подвергаются тепловому деформированию, что вызывает ослабление или смещение обмоток. Трансформатор теряет в производительности, а температура на поверхности обмоток (при неудовлетворительном состоянии вентиляции) резко поднимается.

Причинами перегрузки могут быть также:

• Вибрации агрегата;
• Внезапный скачок напряжения;
• Постепенно накапливающиеся коррозионные процессы.

Сердечники

Выход из строя сердечников связан с некачественной сборкой, поэтому редко становится причиной отказа. Сердечники ламинируются, чтобы избежать появления вихревых токов, способствующих перегреву. Качество ламинирующего слоя резко ухудшается, если его не контролировать. Перегрев начинается на поверхности, распространяясь вглубь, пока не достигает обмоток. Далее происходит перегрев масла, которое испаряется, и повреждает остальные узлы агрегата.

Вероятна также и механическая поломка сердечника, проявляющаяся при попадании внутрь воды (которая впоследствии интенсивно испаряется) и из-за естественного старения материала детали. Опасность перегрева устраняется заменой трансформаторного масла.

Заземляющие втулки

Конструктивно представляют собой изолирующие устройства, которые предотвращают попадание высокого напряжения на проводник при переходе к заземляющему узлу. Внутри трансформатора используются бумажные изоляторы, которые окружены маслом, обеспечивающим дополнительную изоляцию. Пробой на гильзе втулки происходит со временем, и вызывает перегрев.

Регулирующая автоматика и система охлаждения

Основная часть такой системы – тепловое реле, при помощи которого изменяются уровень и диапазон напряжения. В этом случае включаются/выключаются отдельные части обмоток, и возможный перегрев предотвращается. Первым признаком неисправности теплового реле считается несвоевременность отработки команд на изменение численных значений характеристик вторичной цепи. Немедленной замене подлежит исполнительная пружина реле, материал которой от длительного использования утратил упругость. Поэтому не происходит включения подачи масляного охладительного потока.

Проверке подлежат охлаждающие вентиляторы, масляные насосы и теплообменники с водяным охлаждением.

Как правильно предотвратить причину

Всё решается квалифицированным регламентным обслуживанием, периодичность которого устанавливается производителем. Главные пункты проверки рассматриваются далее.

Ток холостого хода

Перед подключением к нагрузке проверяется температура крышки корпуса. Она не может быть выше 65…70°C. В противном случае осматриваются витки изоляции. Сгоревшая, затемненная или поврежденная изоляция сопровождается характерным запахом горелого. Самая горячая часть трансформатора – катушка при вершине сердечника. Если изоляция повреждена или при холостом ходе наблюдается дым, то устройство необходимо срочно протестировать, после чего принять решение о ремонте или замене агрегата.

Ток холостого хода не должен превышать 2…3 % от общей мощности трансформатора.

При зарядке

Неисправность касается маломощных трансформаторов, например тех, что находятся в зарядных устройствах ноутбуков. Они преобразуют напряжение, поступающее от сети, в то, которое требуется компьютеру. При этом наблюдается перегрев вилки. Если этот перегрев значителен, и сопровождается неприятным запахом, то зарядное устройство заменяют; в противном случае неприятность вызовет последующую замену аккумулятора компьютера.

Снизить нагрев можно, если установить корпус набок или подставить снизу несколько карандашей, чтобы улучшить циркуляцию воздуха. Если зарядное устройство не используется, его отсоединяют от сетевой розетки.

Опыт короткого замыкания

Такая проверка сильно опасна, поэтому перед началом испытания необходимо убедиться, что сетевая нагрузка не превышает значения номинальной мощности. Рекомендуется не проводить опыт при предельной рабочей нагрузке на агрегат, а также на другом трансформаторе подобной модели. Вентиляторы должны работать на максимальных оборотах, а температура окружающей среды не может превышать 25 0 С.

Опыт непригоден, если трансформатор смонтирован в закрытом непроветриваемом помещении. Другие условия:

• Соединения ответвлений установлены одинаково;
• Трансформатор правильно рассчитан на гармоническую нагрузку;
• Высокие токи в нейтрали отсутствуют.

Особенности поведения импульсного трансформатора

Разработчики импульсных трансформаторов стремятся минимизировать падение напряжения, время нарастания и искажения импульса. Это вызвано с увеличением тока намагничивания во время длительности импульса.

Питание в устройстве включается и выключается с помощью переключателя (или переключающего устройства) на рабочей частоте и длительности импульса, которые обеспечивают необходимое количество энергии на входе в блок питания. Следовательно, температура также контролируется. При исправном трансформаторе электрическая изоляция между входом и выходом гарантируется конструкцией устройства.

Чаще перегреваются трансформаторы, используемые в источниках питания с прямым преобразователем, особенно, если мощность превышает 500 кВт. Импульсные трансформаторы сигнального типа имеют дело с низкими уровнями мощности, поэтому их нагрев незначителен.

Проблем с перегревом таких устройств не будет, если контролировать следующие параметры:

• Ток намагничивания.
• Ток нагрузки.
• Падение напряжения.
• Напряжение отдачи.
• Вторичный ток нагрузки.
• Искажение импульса.

В каких случаях трансформатор нагревается больше всего

Суммируя вышеописанное, можно сделать вывод, что, перегрев трансформатора наблюдается в следующих случаях:

• Эксплуатация оборудования в нештатном режиме;
• Плохая вентиляция и/или охлаждение;
• Неудовлетворительное состояние обмоток;
• Сбой в работе автоматики;
• Неправильное подключение;
• Ненадёжное заземление.

Все эти проблемы снимаются квалифицированным регламентным обслуживанием.

Источник