AGH Materiałoznastwo Elektrotechniczne Laboratorium					Grupa: Marcin Szybowski Rafał Sopliński Paweł Straszak Rafał Szemraj Marcin Szydełko Piotr Strzelec Grzegorz Skubisz Bartek Skorupa
^wydział EAIiE	^rok akademicki 2001/2002		^rok studiów II
Temat : Ćwiczenie 1 Konstrukcje urządzeń elektrycznych niskich i wysokich napiec
^data wykonania 9.10.2001		^data zaliczenia 13.11.2001		^ocena

Spis treści :

• Izolatory

• Kable

• Łączniki

• Przełączniki

• Transformatory

Izolatory

Izolatory są to urządzenia wykonane z materiałów nie przewodzą­cych służące do podtrzymywania elementów innych urządzeń elektrycznych będących pod napięciem.

Ze względu na miejsce zainstalowania izolatory dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

• napowietrzne

• wnętrzowe,

Inny jest podział ze względu na funkcje pełnione przez izolatory.

Rozróżnia się wówczas izolatory:

• liniowe,

• stacyjne wsporcze i przepustowe,

• aparatowe przepustowe.

Izolatory stosowane są w napowietrznych liniach elektro-energetycznych do podwieszania przewodów (rys. 1).

(Rys. 1).Izolatory liniowe niskiego (a,b,c) i wysokiego napięcia (d...h) : a) porcelanowy typu N; b) szpulowy typu S; c) szklany typu NS; d) wiszący kołpakowy LK; e) wiszący kołpakowy przeciwzabrudzeniowy LKZ; f) stojący pniowy LSP; g) wiszący pniowy LP-60/5U; h) wiszący długopniowy LP-75/15; i), j) wiszące długopniowe (NRD) - VKLF-75/16 i VKLS-75/21; k) wiszący trakcyjny kołpakowy.

1 - szyjka, 2 - klosz, 3 - kołpak żeliwny; 4 - trzonek zakończony główką, 5 - gniazdo, 6 -pięń, 7- ucho, 8 - trzon prosty.

Izolatory te pod względem budowy dzielą się na:

• stojące (np_. pniowy - LSP),

• wiszące kołpakowe (LK),

• wiszące pniowe (LP),

- trakcyjne (TI).

Izolatory stojące ( rys 4.1a,b,c,f ) są mocowane do słupów w pozycji pionowej na trzonach. Do ich szyjki przytwierdzone są przewody za pomocą specjalnych uchwytów lub drutu .

Przewody te wywołują działanie sił zginających izolatory stojące. Izolatory wiszące wieszane są na słupach w dowolnych położeniach, a do ich końców przymocowywane są przewody powodujące działanie sił rozciągających.

Izolatory pniowe (rys. 4.1 f, g, h, i, j) tym różnią się od kołpakowych (rys. 4.1 d_, e, k), że ich część izolacyjna stanowi jednolity pień. Izolatory pniowe, w których długość pnia jest co najmniej trzy razy większa od jego średnicy nazywa się długopniowymi.

Izolatory tzw. przeciwzabrudzeniowe oznacza się dodatkowym umieszczonym na końcu, symbolem Z.

Inny sposób oznaczania stosuje się dla liniowych izolatorów niskonapięciowych: porcelanowy (N), szklany (NS), szpulowy (S). Wszystkie izolatory liniowe są oczywiście izolatorami napowietrznymi. Charakteryzują się one specjalnie uformowanymi kloszami, które uniemożliwiają zmoczenie przez, deszcz całej powierzchni izolatora.

Izolatory stacyjne stosowane są w napowietrznych lub wnętrzo­wych stacjach elektroenergetycznych do sztywnego mocowania szyn lub elementów urządzeń (izolatory wsporcze) oraz do przeprowadzania przewodu pod napięciem przez ścianę budynku lub inną osłonę (izolatory przepustowe). Kilka typów z szerokiego asortymentu izolatorów stacyjnych pokazano na (rys. 2).

(Rys. 2) Izolatory stacyjne: a) wsporczy SW; b) wsporczy napowietrzny pionowy SWNP; c) przepustowy wnętrzowy SPN; d) przepustowy napowietrzno - wnętrzowy skośny SPNs; f) przepustowy wnętrzowy szynowy SPS 1 - kołpak, 2 - stopa, 3 - sworzeń, 4 - kołnierz, 5 - szyna

Do oznaczania izolatorów stacyjnych stosuje się następujące symbole: stacyjny wsporczy (SW), stacyjny przepustowy (SP), napowietrzny (dla wsporczych) - LN, napowietrzno-wnętrzowy (dla prze­pustowych) - N, szynowy (S), pniowy (P), przeciwzabrudzeniowy (Z). Brak symbolu N oznacza izolator wnętrzowy. Trzecią wymienioną na wstępie grupę stanowią izolatory aparato­we przepustowe. Służą one do przeprowadzania przewodów przez obudowy aparatów (urządzeń) elektrycznych takich jak transfor­matory, kondensatory itp. Wygląd zewnętrzny tego rodzaju izo­latora pokazano na rys.3.

Rys.3. Izolator przepusto­wy, transformatorowy PT I

— kołpak. 2 — pierścień, 3 — lakiernik

W tej grupie izolatorów stosowane są następujące symbole literowe: przepustowe transformatorowe (PT), przepustowe kondensatorowe (PC), przepustowe przekładnikowe (PP) i przepustowe wyłącznikowe (PW).

Cechą charakterystyczną pewnej części izolatorów przepustowych jest ich przeznaczenie do jednoczesnej pracy w różnych warunkach środowiskowych, napowietrznych i wnętrzowych dla izolatorów przepustowych stacyjnych oraz napowietrznych i w oleju dla izolatorów przepustowych aparatowych.

Izolatory charakteryzuje się następującymi podstawowymi parametrami:

— napięcie znamionowe w kV,

— długość drogi upływu w cm,

— długość drogi przeskoku w cm,

— długość drogi przebicia w cm,

— napięcie probiercze 50 Hz, pod deszczem w kV.

— napicie probiercze udarowe o kształcie 1,2/50 s w kV,

— napięcie przeskoku 50 Hz na sucho w kV,

— napięcie przeskoku 50 IIz pod deszczem w kV,

— obciążenie probiercze w kN,

— wytrzymałość mechaniczna w kN,

• wytrzymałość elektromechaniczna w kN.

Rył. 4. Drogo upływu a_u, przeskoku a_s i prze­bicia a_pb, izolatora 1 - okucia 2 - metalowe zakończenie izolatora

Droga upływu u_u jest to najkrótsza odległość między okuciami mie­rzona po powierzchni izolatora (rys. 4).

Droga przeskoku a_s jest to najkrótsza odległość w powietrzu między okuciami izolatora.

Droga przebicia a_pb jest to najkrótsza odległość w materiale izola­cyjnym między okuciami izolatora.

Napięcie probiercze lub obciążenie probiercze są to wartości napięć lub obciążeń mechanicznych, którymi bada się izolatory podczas prób. Odpowiadające tym wielkościom napięcie wytrzymywane i wytrzymałość mechaniczna są znacznie większe - maksymalne wytrzymy­wane przez izolatory.

Napięcie przeskoku jest to wartość skuteczna napięcia przyłożone­go do okuć izolatora w odpowiednich warunkach (na sucho, pod deszczem), przy którym następuje na izolatorze przeskok.

Wytrzymałość elektromechaniczna odpowiada maksymalnemu obcią­żeniu mechanicznemu przy równoczesnym przyłożeniu na izolator napięcia probierczego. Wielkość: ta stosowana jest do charakteryzo­wania tylko izolatorów kołpakowych.

Nie każdy rodzaj izolatora charakteryzowany jest przez wszystkie wymienione parametry. Różne rodzaje izolatorów określane są przez różne zestawy parametrów oddających ich specyficzne cechy. Z izolatorami wiąże się jeszcze pojęcie izolatora nieprzebijalnego. Jest to taki izolator, w którym droga przebicia jest większa niż połowa drogi przeskoku w powietrzu. W izolatorze nieprzebijalnym w przypadku przepięcia nie nastąpi przebicie i zniszczenie izolatora lecz przeskok w powietrzu.

Kable

Wszystkie kable, najogólniej biorąc, składają się z następujących elementów (warstw):

• żyły,

• izolacji,

• wypełniacza,

• szczelnej powłoki,

• osłony powłoki,

• pancerza,

• osłony zewnętrznej. ,

W zależności od przeznaczenia kabla, jedne z tych części mogą być pominięte inne zaś dodatkowo rozbudowane.

Żyły kabla wykonywane są z aluminium lub miedzi. Mogą być one okrągłe (rys. 1b) lub sektorowe (rys. 1a). Każda żyła składa się najczęściej z wielu drutów o mniejszych średnicach. Przy niewiel­kich przekrojach, żyły mogą być wykonywane z jednego drutu.

Rys. 1 Budowa kabli: a) rdzeniowego ( z żyłami sektorowymi ); b) ekranowanego

1 - żyły przewodzące, 2 - izolacja żyły, 3 - izolacja rdzeniowa, 4 - powłoka, 5 - osłona powłoki, 6 - pancerz, 7 - osłona zewnętrzna, 8 - taśma metalizowana, 9 - wypełniacze

Izolację kabla stanowią najczęściej, albo warstwy papieru nasyconego olejem szczelnie nawinięte na żyłę, albo polwinit lub izolacja polietylenowa. Oprócz izolacji papierowej czynnikiem polepszającym własności izolacyjne w kablach wyższych napięć jest olej lub gaz wprowadzany do izolacji pod ciśnieniem.

Wypełniacz jest to materiał izolacyjny wypełniający szczeliny mię­dzy izolacją żyj a powłoką kabla. Na wypełniacze stosuje się naj­częściej papier lub materiały włókniste nasycone olejem.

Powłoka w kablu ma za zadanie uszczelnienie izolacji kabla i nie­dopuszczenie do wpływu wilgoci lub wycieku oleju, którym nasy­cony jest papier oraz niedopuszczenie do powstawania w izolacji pę­cherzyków powietrza. Najczęściej używane są w tym celu ołów, aluminium lub polwinit. Ponadto, jeżeli powłoka kabla jest meta­lowa, wyrównuje ona natężenie pola elektrycznego w izolacji.

Pancerz kabli ma na celu ich ochronę przed uszkodzeniami me­chanicznymi. Tworzą go najczęściej druty lub taśmy stalowe owi­nięte wokół kabla.

Osłonę powłoki oraz osłonę zewnętrzną kabla tworzą warstwy juty (materiał włóknisty smołowany) lub polwinitu. Osłona powłoki chroni ją przed bezpośrednim nawinięciem pancerza, natomiast osło­na zewnętrzna izoluje stalowy pancerz od wpływu wilgoci.

W elektroenergetyce stosuje się kable jedno- i wielożyłowe. W sieciach niskiego napięcia mają zastosowanie kable o różnych liczbach żył - od jednej do czterech, natomiast w sieciach wysokiego napię­ta stosuje się kable o jednej lub trzech żyłach.

Ze względu na swą budowę podzielić można kable na:

• rdzeniowe (do 10 kV),

• ekranowane (15...60 kV),

• olejowe (powyżej 60 kV),

• gazowe (powyżej 60 kV).

Kable rdzeniowe mają, oprócz izolacji każdej żyły, nawiniętą do­datkową warstwę izolacji rdzeniowej. Budowę takiego kabla przed­stawiono na rys. 1a

Kable ekranowane (kable o polu promieniowym) wykonuje się tylko z żyłami okrągłymi. Każda żyła ma izolację, na której nawinięta jest warstwa taśmy metalizowanej lub folii aluminiowej. Takie rozwią­zanie ekranuje każdą żyłę i powoduje równomierny rozkład pola elektrycznego w kablu (rys. 2).

Rys. 2 Porównanie rozkładu pola elektrycz­nego w kablach: a) rdzeniowym; b) ekra­nowanym

Unika się w ten sposób miejsco­wego zwiększenia natężenia pola elektrycznego, co może w konsek­wencji spowodować przebicie kabla.

Kable ekranowane wykonywane są również w postaci kabli trój-płaszczowych. Każda żyła takiego kabla ma własną powłokę ołowianą spełniającą jednocześnie funkcję ekranu wyrównującego rozkład pola elektrycznego.

Często też stosowane są kable jedno­żyłowe i to zarówno na niskie, jak i "wysokie napięcie".

Na rys. 3 pokazano kable jednożyłowe średniego i najwyższego napięcia, napięcie od 60 kV wzwyż stosowane są już specjalne rodzaje olejowe (rys. 4b), gazowe lub o izolacji polietylenowej.

Rys.3. Kable jednożyłowe: a) średniego napięcia z izolacją polietylenową; b) kabel olejowy

1 - żyta, 2 - ekran z polietylenu przewodzącego, 3 - izolacja z wytłaczanego polietylenu. 4 - ekran z papierowych taśm pólprzowodzących, 5 - żyła powrotna z drutów lub taśm miedzianych, 6 - zewnętrzna osłona polwinitowa. 7 - kanał olejowy, 8 - Izolacja z taśm papierowych, 9 - powłoka ołowiana, 10 - taśma tombakowa wzmacniająca.

Kable olejowe wykonywane są dla sieci najwyższych napięć jako kable najczęściej jednożyłowe. Wewnątrz żyły zbudowanej z profilowanych drutów miedzianych znajduje się kanał olejowy. W kanał wtłaczany jest pod ciśnieniem olej, który jednocześnie wypełnia wszystkie szczeliny w izolacji żyły. Buduje się kable olejowe nisko- i średniociśnieniowe na napięcie do 750 kV.

Kable gazowe zbudowane są podobnie jak olejowe. Czynnikiem wprowadzanym do kanału w żyle jest w tym przypadku gaz (azot sześciofluorek siarki).

Kable o izolacji polietylenowej są znacznie prostsze w układaniu i eksploatacji lecz stwarzają duże trudności w budowie, szczególnie na najwyższe napięcie.

Do oznaczania budowy kabli stosuje się symbole literowe i cyfrowe według następującego schematu:

K - kabel o żyłach miedzianych w izolacji z papieru nasy­canego olejem i powłoce ołowianej;

A - umieszczone przed K oznacza kabel z żyłami alumi­niowymi, umieszczone na końcu symbolu oznacza zewnętrzną osłonę z materiału włóknistego asfaltowa­nego;

Y - umieszczone przed K oznacza powłokę polwinitową, a po K — izolacje; polwinitową;

AL - umieszczone przed K oznacza powłokę aluminiową;

Ft, Fp, Fo — pancerz ze stalowych taśm (t), drutów płaskich (p) lub

drutów okrągłych (o);

y - umieszczone na końcu symbolu oznacza zewnętrzną osłoną polwinitową;

H - umieszczone na początku symbolu oznacza kabel ekra­nowany;

3 - umieszczone przed literą H oznacza kabel trójpłaszczowy.

Po symbolu kabla umieszcza się oznaczenie jego napięcia znamio­nowego, a następnie liczbę i przekrój żył. Przykładowo podano następujące oznaczenia kabli i objaśnienie ich budowy:

YKYFpy l kV 4X120 mm² — kabel miedziany o izolacji i powłoce polwinitowej, opancerzony płaskimi drutami stalowymi z zewnętrz­ną osłoną polwinitową, na napięcie l kV, czterożyłowy, o przekro­ju 120 mm².

AKFlA 6 kV 3X50 mm² — kabel aluminiowy o izolacji papierowej nasycanej olejem i powłoce ołowianej, opancerzonej taśmami sta­lowymi z zewnętrzną osłoną włóknista, na napięcie 6 kV, trzyżyłowy, o przekroju 50 mm².

SHAKFtA 15 kV 3X240 mm² — kabel trójpłaszczowy, ekranowa­ny budowie jak wyżej i przekroju 240 mm².

Podczas doboru kabli należy stosować pewne ogólne zasady. Kable o żytach miedzianych stosuje się. tam, gdzie wymagana jest wyjąt­kowo duża niezawodność zasilania oraz gdy wymagają tego względy technologiczne i środowiskowe (wstrząsy, drgania, agresywne śro­dowisko itp.).

Kable układane w ziemi powinny być opancerzone oraz mieć ze­wnętrzną osłonę włóknistą. W miejscach, gdzie nie ma niebezpie­czeństwa uszkodzeń mechanicznych, można układać kable bez pan­cerzy.

Wewnątrz budynków lub w rozdzielniach elektroenergetycznych w celu zapobieżenia rozprzestrzenianiu się pożarów, stosuje się kabli bez zewnętrznej osłony włóknistej pancerza.

W miejscach, gdzie istnieją duże różnice poziomu terenu, przy przejściach pod rzekami oraz, na terenach szkód górniczych, stosuje się kable opancerzone drutami stalowymi. Są one bardziej odporne na działanie sił rozciągających, które mogą wystąpić w tych przypadkach.

Na terenach o dużej różnicy poziomów, przy wejściach linii kablowych do stacji oraz na słupy linii napowietrznych, stosuje się kable z syciwem nieściekającym. Ze względów ekonomicznych należy tam gdzie pozwalają na to warunki, stosować zamiast kabli o izola­cji papierowej i powłoce ołowia­nej — kable o izolacji i powłoce polwimtowej. Oprócz omówionych wyżej kabli elektroenergetycznych produkowane są również kable, do celów specjalnych np. sygnalizacyjne, teletechniczne, górnicze, okrętowe itp.

Łączniki

W technice ochrony przeciwporażeniowej bardzo ważną rolę odgrywają również łączniki izolacyjne (odłączniki), zapewniające w stanie otwarcia sku­teczne i widoczne rozdzielenie wyłączonych obwodów od zasilania. W ten spo­sób są spełnione wymagania przepisów eksploatacji urządzeń elektrycznych. Jest to bowiem warunek umożliwiający dopuszczenie do wykonywania prac remontowych, konserwacyjnych i innych podobnych wówczas, gdy prace te muszą być wykonywane przy wyłączonych spod napięcia obwodach głównych sterowania. Łącznikami izolacyjnymi mogą być przerywane i załączane obwody w stanie bezprądowym.

Widoczną i bezpieczną przerwę w obwodzie zapewniają także rozłączniki, zdolne ponadto do przerywania prądów roboczych o wartościach zbliżonych do prądów znamionowych ciągłych, przy współczynniku mocy cos  0,7.

Nie jest możliwe poprawne projektowanie, eksploatacja, a także badanie środków i urządzeń ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej bez znajomości budowy i właściwości łączników elektroenergetycznych oraz zasad ich doboru.

Łączniki elektroenergetyczne niskiego napięcia obecnie wytwarzane mają prąd znamionowy o wartościach od dziesiątych części ampera do kilku tysięcy amperów, napięcie znamionowe 50 - 1000 V prądu przemiennego i 1500 V prądu stałego oraz bardzo różniące się od siebie inne parametry określające ich pod­stawowe właściwości.

Łączniki można klasyfikować wg różnych kryteriów podziału. Ze względu na przeznaczenie i zdolność łączenia dzieli sieje na następujące grupy:

- łączniki izolacyjne (odłączniki) - przeznaczone do sporadycznego zamykania lub otwierania obwodów w stanie bezprądowym lub przy prądach o niewiel­kiej wartości;

- łączniki robocze (rozłączniki) - przeznaczone do załączania i wyłączania obwodów obciążonych prądami w zwykłych warunkach roboczych;

- łączniki zwarciowe - przeznaczone do załączania i wyłączania obwodów obciążonych prądami roboczymi i zwarciowymi;

- łączniki manewrowe - przeznaczone do sterowania pracą odbiorników, m.in. silników, charakteryzujące się dużą trwałością mechaniczną i łączeniową oraz znaczną znamionową częstością łączeń;

• bezpieczniki - przeznaczone do przerywania prądów zwarciowych i przecią­żeniowych .

Łączniki izolacyjne i rozłączniki mają napęd ręczny. Łączniki zwarciowe mogą być załączane ręcznie lub samoczynnie, ale są zawsze przystosowane do wyłączania samoczynnego. Łączniki manewrowe mogą być z napędem ręcznym lub samoczynnym (styczniki), przystosowane do zdalnego sterowania oraz wy­posażone w zabezpieczenia przeciążeniowe.

W normach dotyczących łączników określa się wiele różnych parametrów i przedstawia definicje charakteryzujące właściwości tych aparatów. Do najczęściej podawanych wielkości dla wszystkich rodzajów łączników należą:

- napięcie znamionowe (izolacji) łącznika to wartość skuteczna napięcia (mię-dzyprzewodowego), na którą izolacja aparatu została zbudowana oraz ozna­czona, i która wytrzymuje napięcia probiercze w ustalonych warunkach przez cały czas trwania próby;

• prąd znamionowy ciągły to największa skuteczna wartość prądu, który może płynąc przez łącznik przy pracy ciągłej, podczas której zestyki główne są zamknięte i przewodzą prąd w dowolnie długim czasie, nie powodując przekroczenia dopuszczalnych przyrostów temperatury, w określonej temperatu­rze otoczenia, przyjmowanej zwykle jako równej 30°C;

- zwarciowa zdolność łączenia (prąd wyłączalny) to graniczna wartość prądu, którą łącznik jest zdolny przerwać określoną liczbę razy w określonych wa­runkach i zgodnie z określonym szeregiem probierczym bez wywołania uszkodzeń ograniczających dalsze działanie łącznika.

Znamionowy prąd wyłączalny (zdolność łączeniowa) łączników należy w decydującym stopniu od zastosowanej techniki gaszenia tuku elektrycznego i złożoności wykonania komór gaszeniowych. W procesie gaszenia łuku prądu przemiennego wykorzystuje się zjawisko naturalnego garnięcia łuku przy przej­ściu prądu przez zero. Stosowane techniki gaszenia mają za zadanie stworzenie warunków ograniczających możliwość ponownego zapłonu łuku.

Łączniki manewrowe przeznaczone do sterowania różnorodnych odbiorni­ków są narażone w czasie normalnej pracy m.in. na skutki oddziaływania powo­dowane prądami załączeniowymi i wyłączeniowymi. Prądy te w przypadku silni­ków mogą być wielokrotnie większe od prądów znamionowych tych odbiorników. Odporność łączników na występujące narażenia powinna być na tyle duża, aby mogły one pracować niezawodnie przez czas technicznie i ekonomicznie uzasad­niony. Z tych względów zdolność łączeniową łączników manewrowych odnosi się do odpowiednich kategorii użytkowania. W katalogach łączników ma­newrowych podaje się zazwyczaj nie tylko podstawowe dane znamionowe, takie jak prąd znamionowy ciągły, napięcie znamionowe i in., lecz także wartość mocy znamionowej największego silnika, jaki może być sterowany tymi łącznikami w danej kategorii użytkowania przy określonym napięciu znamionowym; stanowi to podstawę doboru łącznika do pracy manewrowej.

Przekładniki

UWAGI OGÓLNE

Przekładniki są transformatorami o konstrukcji specjalnej. Służą do zasilania obwodów napięciowych lub prądowych przy­rządów pomiarowych i przekaźników. Przekładnik ma co najmniej dwa uzwojenia:

— pierwotne, zasilane prądem lub napięciem mierzonym,

— wtórne, do którego są dołączone mierniki.

Niektóre przekładniki mają kilka uzwojeń pierwotnych lub wtórnych, a czasem uzwojenia podzielone na sekcje, co znacznie zwiększa liczbę ich zakresów pomiarowych. Zastosowanie przekładników umożliwia:

— zmianę, zakresu pomiarowego miernika, co pozwala na korzy­stanie z przyrządów o znormalizowanych zakresach pomiaro­wych przy pomiarach natężenia prądu i napięcia w bardzo szerokich granicach,

— normalizację zakresów pomiarowych, np. I_n = 5A, U_n = 100 V,

• odizolowanie elektryczne obwodu pomiarowego o potencjale bliskim potencjałowi ziemi od obwodu kontrolowanego o wy­sokim potencjale, np. 6 kV i więcej. Uziemienie uzwojeń wtór­nych przekładników pozwala na bezpieczne dla obserwatora wykonywanie pomiarów w obwodach wysokiego napięcia za pomocą mierników stosowanych przy napięciu niskim,

— umieszczenie mierników w pewnej odległości od obwodu bada­nego w miejscu dogodnym dla osoby odczytującej W miejscu tym można zgromadzić cały szereg mierników kontrolujących odległe obwody.

Z uwagi na przeznaczenie, rozróżnia się przekładniki prądowe, w których wykorzystuje się określoną zależność między natęże­niem prądu pierwotnego i wtórnego, oraz przekładniki napięciowe, w których jest określony stosunek wartości napięcia pierwotnego i wtórnego

PRZEKŁADNIKI PRĄDOWE

Przekładniki prądowe służą do zasilania amperomierzy oraz obwodów prądowych watomierzy, waromierzy, liczników energii i przekaźników. Uzwojenia przekładnika są wykonane z izolowa­nego przewodu miedzianego o przekroju odpowiednim do war­tości znamionowych prądów. Miedzy uzwojeniem pierwotnym a uzwojeniem wtórnym i rdzeniem znajduje się izolacja główna przekładnika. Na izolacji głównej występuje napięcie o wartości od kilku do kilkuset kilowoltów, zależnie od napięcia znamiono­wego przekładnika. Rdzeń stanowiący obwód magnetyczny jest wykonany z blach elektrotechnicznych o dużej przenikalności magnetycznej i małej stratności. Wymagania te są podyktowane koniecznością ograni­czenia wartości prądu stanu jałowego J_0. Z tego też względu induk­cja nasycenia rdzenia przy pracy w warunkach znamionowych jest mała (ok. 0,1 T), a sam rdzeń stosunkowo duży i ciężki.

Zaciski uzwojenia pierwotnego przekładnika prądowego ozna­cza się dużymi literami K i L, natomiast zaciski uzwojenia wtór­nego małymi literami k i l. Litery są umieszczone przy zaciskach w taki sposób, że jeśli w danej chwili w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd od zacisku K do L, to w uzwojeniu wtórnym płynie prąd od zacisku i do k, czyli we wtórnym obwodzie zewnętrznym od k do l. Zatem obydwa prądy (rys. 1) mają fazy zgodne ponieważ w prawidłowo skonstruowanym przekładniku prąd stanu jałowego I₀ jest znacznie mniejszy od prądu pierwotnego I₁ (I₁ <<I₁), można napisać

skąd

Przekładnia rzeczywista p₁ przekładnika prądowego określają­ca stosunek natężenia prądu pierwotnego do natężenia prądu wtórnego jest w przybliżeniu równa stosunkowi liczby zwojów uzwojenia wtórnego do liczby zwojów uzwojenia pierwotnego.

Prąd I_g (oraz zmiany jego wartości) powoduje, ze przekładnia rze­czywista nie ma wartości stałej, ale zależy w niewielkim stopniu od:

— wartości prądu pierwotnego,

— impedancji obwodu wtórnego,

— częstotliwości,

dlatego stosuje się przekładnię znamionową, która ma wartość stałą i jest równa stosunkowi wartości znamionowych natężenia prądu pierwotnego i prądu wtórnego

Wartość znamionową prądu pierwotnego przekładnika prądo­wego dobiera się zależnie od wartości prądu mierzonego i może ona wynosić od kilku dziesiątych ampera do kilkunastu tysięcy amperów. Wartość znamionowa prądu wtórnego wynosi 5 A. Wy­jątkowo stosuje się I₂ — l A po to, aby zmniejszyć obciążenie, gdy impedancja obwodu wtórnego jest duża (długie przewody łączące).

PRZEKŁADNIKI NAPIĘCIOWE

Przekładniki napięciowe służą do zasilania woltomierzy oraz obwodów napięciowych watomierzy, waromierzy, liczników ener­gii oraz przekaźników. Schemat uzwojeń przekładnika oraz schemat układu przedstawiono na rys. 2. Zaciski uzwojenia pierwot­nego przekładnika napięciowego oznacza się dużymi literami M i N, natomiast zaciski uzwojenia wtórnego małymi literami m i n, w taki sposób, że gdy w określonej chwili potencjał zacisku M jest wyższy od potencjału N, to również potencjał m jest wyższy od potencjału n. Przy takim oznaczeniu napięcia pierwotne U₁ i wtórne U₂ mają fazy zgodne. Małe obciążenie przekładnika na­pięciowego oraz małe impedancje uzwojeń powodują, że przekład­nia rzeczywista określona stosunkiem wartości napięcia pierwot­nego do wartości napięcia wtórnego jest zbliżona do przekładni zwojowej, czyli stosunku liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym.

Przekładnia rzeczywista nie ma wartości stałej, lecz ulega nie­wielkim, zmianom przy zmianie:

— wartości napięcia pierwotnego,

— obciążenia obwodu wtórnego,

• częstotliwości.

Przy obliczeniach stosuje się przekładnię znamionową

Wartość znamionową napięcia pierwotnego dobiera się do na­pięcia znamionowego sieci i może ona wynosić od kilkuset woltów (np. 500 V) do setek tysięcy woltów (np, 220 kV, 400 kV). Wartość znamionowa napięcia wtórnego wynosi 100 V.

TRANSFORMATORY

1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Transformator (rys. l) ma różne własności i dlatego może spełniać rozmaite zadania. Zasadniczą własnością transformatora jest możliwość zmia­ny wartości napięcia i prądu w obwodzie prądu zmiennego przy zachowaniu niezmienionej częstotliwości. Potrzeby takiej zmiany występują w energe­tyce przy przesyłaniu energii ze źródeł do odbiorców, przy czym na linii prze­syłu zachodzi konieczność kilkakrotnego nieraz podwyższania i obniżania na­pięcia, ponieważ typowymi napięciami roboczymi generatorów w elektrowniach są napięcia 6 i 10 kV; linie przesyłowe buduje, się — w zależności od rozległości układu energetycznego i mocy przesyłanej — na napięcia od 6 do 220, a nawet 720 kV, a odbiorcy bezpośredni pracują zwykle w zakresie napięć od 220 do 6000 V.

Rys. l Zasada działania transformatora.

Oprócz zastosowań energetycznych, w których mamy do czy­nienia z transformatorami mocy, występuje konieczność stosowania transformatorów specjalnych. Należą do nich transformatory po­miarowe, zwane przekładnikami napięciowymi i prądowymi, transformatory regulacyjne (regulatory indukcyjne), przesuwniki fazowe, transformatory spa­walnicze oraz prostownikowe, a także różne transformatory stosowane w dzie­dzinie łączności, telemechaniki i automatyki.

Uzwojenia transformatora nie są połączone ze sobą galwanicznie (z wy­jątkiem autotransformatorów), co pozwala na oddzielenie od siebie obwodów elektrycznych.

Cenną własnością transformatora jest to, że nie przekazuje on ze strony zasilania na stronę odbioru składowych stałych prądu lub napięcia i dlatego może służyć do ich eliminacji, przy zachowaniu składowych zmiennych. Z transformatora korzystamy również wtedy, gdy chodzi o dopasowanie elementów obwodu w celu uzyskania optymalnych warunków. Transformator jest bowiem czwórnikiem o pewnej oporności pozornej, który możemy włączyć pomiędzy źródło i odbiornik np. w celu ograniczenia prądu zwarcia lub uzyskania, maksymalnej mocy.

Transformatory buduje się dziś na moce w zakresie od kilku woltoamperów do setek megawoltoamperów i na napięcia w zakresie od kilku woltów do setek kilowoltów.

Transformowanie przeprowadza się zarówno w obwodach jednofazowych, jak i wielofazowych, najczęściej 3-fazowych.

Problem transformowania w sieciach 3-fazowych (ogólnie wielofazowych) można rozwiązać za pomocą odpowiednio połączonych ze sobą transformatorów jednofazowych lub 3-fazowych. W większości przypadków (z wyjątkiem trans­formatorów do celów specjalnych) liczba faz po obu stronach transformatora jest taka sama.

W praktyce zdarza się nierzadko konieczność współpracy kilku układów sieciowych o różnych napięciach. Zadanie takie można rozwiązać stosując kilka transformatorów dwuuzwojeniewych lub jeden transformator wielo-uzwojeniowy (np. transformator 3-fazowy, 3-uzwojeniowy).

Podstawowe własności transformatora określają dane, uwidocznione na tabliczce znamionowej.

Tabliczka znamionowa powinna zawierać m. in. następujące dane:

— częstotliwość znamionową,

— moc znamionową lub moce znamionowe poszczególnych uzwojeń,

— symbol znamionowego rodzaju pracy,

— napięcia znamionowe poszczególnych uzwojeń,

— prądy znamionowe poszczególnych uzwojeń,

— pomierzone znamionowe napięcie zwarcia każdej pary uzwojeń,

— symbol grupy układu połączeń uzwojeń,

• całkowity ciężar transformatora.

2. ZASADY BUDOWY

Rdzeń transformatora stanowiący jego obwód magnetyczny wykonany jest jako pakiet blach wzajemnie od siebie odizolowanych. Pakiet blach ściąga się za pomocą odizolowanych nitów lub sworzni. Dobre ściągnięcie blach oraz właściwy montaż transformatora zmniejszają szumy podczas jego pracy. Szu­my (brzęczenie) w transformatorze właściwie zmontowanym spowodowane są głównie zjawiskiem magnetostrykcji. .

Ze względu na kształt obwodu magnetycznego rozróżniamy rodzaje transformatorów: rdzeniowe (rys. 2a) i płaszczowe (rys. 2b).

Rys. 2. Transformator jednofazowy: a) rdzeniowy , b) płaszczowy 1 — Jarzmo górne; 2 — jarzmo dojne; 3 — kolumny

Części obwodu magnetycznego, na których umieszczone są uzwojenia w trans­formatorze rdzeniowym nazywamy słupami lub kolumnami; słupy połączone są miedzy sobą jarzmami. Przestrzeń zawartą między słupami i jarzmami nazywamy oknem w rdzeniu transformatora, Wymiary okna zależą od liczby zwojów j wielkości przekrojów uzwojeń, umieszczonych na słupach.

W jednofazowym transformatorze rdzeniowym (rys. 2a) uzwojenia każdej ze stron umieszczone są na obu słupach, przy czym powierzchnie prze­kroju słupów i jarzm są w zasadzie jednakowe, W jednofazowym transforma­torze płaszczowym (rys. 2b) uzwojenia obu stron umieszczone są jedynie na słupie środkowym. Powierzchnia przekroju tego słupa jest około dwukrot­nie większa niż powierzchnia przekroju słupów zewnętrznych i jarzm.

Rdzeń transformatora składa się z części, przy czym jarzmo można ułożyć na słupach na styk (rys. 3) lub wpleść na zakładkę (rys. 4).

Rys. 3 Składanie jarzma i słupa na styk Rys. 4 Składanie jarzma i słupa: a)na zakładkę; b) sposób ułożenia blach w sąsiednich warstwach

Jeżeli przy układaniu blach na styk nie zastosujemy miedzy słupem i jarzmem przekładki izolacyjnej, to nastąpi zwarcie blach, a w wyniku tego powiększenie strat w rdzeniu co może spowodować miejscowe nadmierne nagrzanie. Umieszczenie między blachami przekładki izolacyjnej powoduje jednak pewne zmniejszenie przewodności obwodu magnetycznego dla strumienia głównego, a w konsek­wencji niepożądany wzrost prądu magnesującego.

Zaplatanie blach w miejscu połączenia słupa z jarzmem polega na mijaniu się szczelin w sąsiednich warstwach blach (rys. 4b). Takie wykonanie nie powoduje zwierania blach i wpływa na efektywne zmniejszenie szczeliny. Jeżeli rdzeń transformatora wykonuje się z blach zimnowalcowych (anizotropowych), wykazujących mniejszą stratność i większą przewodność magnetyczną w kierunku walcowania, to należy je tak ułożyć, aby w miarę możliwości uniknąć prostopadłego przebiegu linii pola magnetycznego do kierunku wal­cowania. Cel ten można częściowo osiągnąć wycinając blachy rdzenia w kształcie pokazanym na rys. 5.

Rys. 5. Przykład ułożenia blach zimnowalcowych (anizotropowych) w sąsiednich warstwach

Naturalnym kształtem uzwojenia transformatora ze względu na skutki działań elektrodynamicznych jest kształt kołowy. Aby zapewnić możliwie duże wykorzystanie miejsca, przekrój poprzeczny słupa winien być zbliżony do koła. Dlatego też z wyjątkiem bardzo małych transformatorów (rys. 6a), w średnich (rys. 6b) i dużych (rys. 6c) transformatorach stosuje się prze­kroje słupów stopniowane. Porównując przekrój stopniowany z kwadratowym o tym samym palu stwierdzamy, że obwód okręgu opisanego na przekroju stopniowanym jest mniejszy, co w rezultacie prowadzi m. in. do oszczędności materiału na uzwojenie.

Rys. 6. Przekrój słupa w transformatorze: a) małym; b) średnim; c) dużym

Uzwojenia transformatora można wykonać jako cylindryczne (rys. 7a) lub jako krążkowe (rys. 7b).

Rys. 7. Uzwojenia: a) cylindryczne; b) krążkowe, l —strona dolna , 2 — strona górna

Uzwojenia wykonuje się z miedzi lub aluminium. Przy małych przekrojach stosuje się drut okrągły, przy większych — prostokątny. Papier kablowy jest powszechnie stosowanym materiałem izolacyjnym na izolację zwojową. Można tu zastosować również bawełnę, jedwab lub emalię. Tuleje i przekładki między uzwojeniami, a rdzeniem wykonane są na ogół z preszpanu.

Ze względu na sposób chłodzenia rozróżniamy transformatory suche i ole­jowe. Warunki chłodzenia w transformatorach suchych nie są tak korzystne jak w olejowych i dlatego transformatory suche buduje się na małe i średnie moce. Olej w transformatorze spełnia rolę czynnika chłodzącego i równocześnie izolującego elektrycznie. Jako czynnik chłodzący charakteryzuje się on w po­równaniu z powietrzem większą przewodnością i pojemnością cieplną. Olej powinien wykazywać odpowiednie własności fizyko-chemiczne np. powinien wykazywać minimalną zawartość wody i zanieczyszczeń oraz małą możliwość samozapłonu i wybuchów. Obieg oleju w skrzyni transforma­tora może być naturalny lub wymuszony za pomocą pompy. Celem zwięk­szenia powierzchni chłodzącej wykonuje się skrzynie transformatorów z użebrowaną powierzchnią lub z nabudowanymi rurami, przez które przepływa olej. W większych transformatorach olej oddaje ciepło do otoczenia w specjalnie nabudowanych radiatorach. Intensyw­ność chłodzenia można w tym przypadku zwiększyć dodatkowo za pomocą wentylatorów, kierując strugi powietrza chłodzącego na radiatory. Aby stwo­rzyć korzystniejsze warunki oddawania ciepła z rdzenia wykonuje się w nim kanały, przez które przepływa olej chłodzący. Konstrukcja taka stosowana jest w transformatorach dużych, o znacznym przekroju rdzenia. W transfor­matorach największych mocy stosuje się na ogół chłodzenie za pomocą oddzielnie ustawionych chłodnic wodnych.

Aby uniknąć intensywnego utleniania się oleju i pochłaniania wilgoci należy jak najbardziej zmniejszyć powierzchnię styku gorącego oleju z po­wietrzem. Zadanie to spełnia zbiornik — zwany konserwatorem, umieszczony ponad skrzynią transformatora i połączony z nią rurami. Powierzchnia styku oleju z powietrzem jest tu mała, a olej jest chłodniejszy niż w skrzyni. Prze­strzeń konserwatora wypełniona powietrzem połączona jest z otoczeniem. Poziom oleju w konserwatorze zmienia się w zależności od jego temperatury. Kontrolą tego poziomu umożliwia odpowiedni wskaźnik. Konserwator oraz skrzynia transformatora mają zawory, umieszczone w miejscach najniżej po­łożonych, co umożliwia odprowadzenie gromadzącej się wody i zanieczyszczeń.

Ważnym elementem konstrukcyjnym transformatorów olejowych są izola­tory przepustowe, w których umieszczone są przewody, łączące uzwojenia z. sie­cią zewnętrzną. Konstrukcja tych izolatorów i ich wymiary zależne są od napięcia roboczego transformatora.

12

---