2. Трансформаторы

Вторым основным элементом электрической схемы ГЭС является трансформатор, с помощью которого на электростанциях происходит преобразование (трансформация) энергии одного напряжения в другое (либо повышение, либо понижение). Необходимость, в частности, повышения напряжения вызвана тем, что при передаче электроэнергии на большие расстояния это обеспечивает снижение потерь в линиях электропередач и уменьшает при этом сечение проводов. Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования электромагнитной индукции одной первичной системы переменного тока в другую, вторичную систему переменного тока.

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. На магнитопроводе, выполненном из ферромагнитного материала (электротехническая сталь), устанавливаются две обмотки, которые носят название первичной и вторичной, одна из которых присоединяется к источнику переменного тока, на напряжение U1, а к другой обмотке, вторичной, напряжения U2 подключен потребитель Z_H. Oбe эти обмотки не имеют электрической связи между собой и мощность передается электромагнитным путем через магнитопровод. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ней начинает протекать переменный ток I1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф.

Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС. При подключении же к вторичной обмотке нагрузки Z_h, в последней появляется под действием ЭДС этой обмотки ток I2 и устанавливается напряжение U2.

Конструктивно трансформаторы делятся на два типа - масляные и сухие. Масляные трансформаторы имеют активную часть, которая помещается в бак, заполненный маслом, которое у мощных трансформаторов охлаждается специальной системой охлаждения масла, предназначенной для отвода выделяемого при работе трансформатора тепла. У сухих трансформаторов активная часть охлаждается непосредственно окружающим воздухом. Масло, которым заполнен трансформатор, выполняет функции как охлаждения активной части, так и изоляции токоведущих частей трансформатора. Требования к трансформаторным маслам чрезвычайно жесткие, особенно по параметрам содержания влаги и растворенных газов, контроль за которыми в условиях эксплуатации осуществляется специализированными химлабораториями. Так, содержание влаги в единице объема масла не должно превышать 0,992% при температуре 20 ºС, а газосодержание - не более 1% по объему.

Основной конструктивной частью трансформатора является расширитель, который расположен на баке трансформатора. Он наполовину заполнен маслом и служит для компенсации объема масла в трансформаторе при нагреве его во время работы. Кроме того, он служит для контроля уровня масла во время работы и изоляции масла от наружного воздуха. Для исключения повреждения бака трансформатора на нем устанавливается выхлопная труба, один конец которой соединен с баком. На втором конце трубы устанавливается стеклянный диск, разрушающийся при определенном давлении, которое может возникнуть внутри бака при внутреннем повреждении, всегда сопровождающемся выделением газов, образующихся при разложении масла под воздействием высоких температур, сопровождающих короткие замыкания. Между расширителем и баком трансформатора устанавливается газовое реле, которое контролирует выделение газов во внутреннем объеме трансформатора и при накоплении определенного количества дает либо предупредительный сигнал персоналу, либо импульс на отключение трансформатора от сети. На баке трансформатора установлены высоковольтные вводы, с помощью которых происходит соединение обмоток трансформатора с внешней высоковольтной сетью высокого и низкого напряжения. Они представляют собой многоэлементную конструкцию проходного изолятора внутренней и внешней изоляции: внешняя изоляция - это фарфор, внутренняя – многослойная бумага, пропитанная маслом. Внутренний объем ввода заполнен изоляционным маслом. При эксплуатации контролируются давление масла внутри ввода и состояние изоляции при помощи специального приспособления для измерения напряжения (ПИН), которое измеряет токи утечки по фазам, сравнивает их и при отличии суммы 3-х токов по фазам от нуля, либо выдает предупредительный сигнал, либо отключает трансформатор от сети с пуском системы пожаротушения (на СШГЭС предупредительный сигнал выдается при токе небаланса 40 мА, отключение производится при токе небаланса 200 мА). Для защиты масла трансформатора от контакта с внешней средой на мощных трансформаторах устанавливается азотная защита. Она представляет собой некоторый объем азота, находящийся в расширителе трансформатора, который предохраняет масло от контакта с воздухом, повышая тем самым защищенность масла от окисления и увлажнения. В трансформаторах, где не устанавливается азотная защита, объем воздуха над уровнем масла в расширителе сообщается с атмосферным воздухом через специальный фильтр, который наполнен силикагелем - веществом, которое активно поглощает влагу и при определенной концентрации поглощенного воздуха изменяет свой цвет, давая видимую информацию персоналу о том, что произошло насыщение влагой и требуется замена адсорбента - обычно это SiO₂.