Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности

Классификации

Трансформаторы классифицируются по ряду параметров, таким как:

  • Назначение. Применяются: для изменения напряжения, измерения тока, защиты электрических цепей, как лабораторные и промежуточные устройства.
  • Способ установки. В зависимости от размещения и мобильности трансформатор может быть: стационарным, переносным, внутренним, внешним, опорным, шинным.
  • Число ступеней. Устройства подразделяются на одноступенчатые и каскадные.
  • Номинальное напряжение. Бывают низко- и высоковольтными.
  • Изоляция обмоток. Наиболее часто используется бумажно-масляная, сухая, компаундная.

Помимо этого, преобразовательные устройства разнятся типами, каждому из которых присуща своя система классификации.

Силовой

Наибольшее распространение получил силовой трансформатор. Приборы с непосредственным преобразованием переменного напряжения, рассчитанные на большую мощность, востребованы различными областями электроэнергетики. Они применяются на линиях электропередач с напряжениями 35–1150 кВ, в городских электросетях, работающих с напряжением 6 и 10 кВ, в обеспечении конечных потребителей напряжением 220/380В. С помощью устройств осуществляется питание всевозможных электроустановок и приборов в диапазоне от долей до сотен тысяч вольт.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиСиловой трансформатор

Измерительные

Трансформаторы тока (ТА) понижают ток до необходимых показателей. Схема их работы отличается последовательным включением первичной обмотки и нагрузки. В то же время вторичная обмотка, находящаяся в состоянии, близком к короткому замыканию, используется для подключения измерительных приборов, исполнительных и индикаторных устройств. С помощью ТА осуществляется гальваническая развязка, что позволяет при измерениях отказаться от шунтов.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиВысоковольтный ТТ(слева) и низковольтный ТТ(справа)

С помощью трансформаторов напряжения (ТН), тоже самое что и ТА только по напряжению. Помимо преобразования входных параметров, электроаппаратура и её отдельные элементы получают защиту от высокого вольтажа.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиВысоковольтный ТН(слева) и низковольтный ТН(справа)

Импульсный

При необходимости преобразования сигналов импульсного характера применяются импульсные трансформаторы (ИТ). Изменяя амплитуду и полярность импульсов, устройства сохраняют их длительность и практически не затрагивают форму.

Автотрансформатор

В автотрансформаторах обмотки составляют одну цепь и взаимодействуют посредством электромагнитной и электрической связи. В отличие от других типов преобразователей, устройства могут содержать всего 3 вывода, позволяющих оперировать с различными напряжениями. Приборы выделяются высоким коэффициентом полезного действия, что особо сказывается при незначительном перепаде входного и выходного напряжения.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиОднофазный(слева) и трёхфазный(справа)

Не имея гальванической развязки, представители данного типа повышают риск высоковольтного удара по нагрузке. Обязательным условием работы устройств являются надёжное заземление и низкий коэффициент трансформации. Недостаток компенсируется меньшим расходом материалов при изготовлении, компактностью и весом, стоимостью.

Разделительный

Для разделительных трансформаторов взаимодействие между обмотками исключено. Устройства повышают безопасность электрооборудования при повреждённой изоляции.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиРазделительный трансформатор

Согласующий

Согласующие трансформаторы применяются для выравнивания сопротивлений между каскадами схем электроники. Сохраняя форму сигнала, они играют роль гальванической развязки.

Пик-трансформатор

С помощью пик-трансформатора синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. При этом импульсы меняют полярность с каждым полупериодом.

Сдвоенный дроссель

Особенностью сдвоенного дросселя является идентичность обмоток. Взаимная индукция катушек делает его более эффективным, по отношению стандартным дросселям. Устройства используются как входные фильтры в блоках питания, в звуко- и цифровой технике.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиСдвоенный дроссель

Сварочный

Помимо вышеперечисленных, существует понятие сварочные трансформаторы. Специализированные приборы для сварочных работ понижают напряжение бытовой сети при одновременном повышении тока, измеряемого тысячами ампер. Регулировка последнего осуществляется разделением обмоток на сектора, что отражается на индуктивном сопротивлении.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенностиСварочный трансформатор

Режимы работы трансформатора

Режим холостого хода

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. По первичной обмотке протекает ток холостого хода, главной составляющей которого является реактивный ток намагничивания. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике (т.н. «потери в стали»).

Режим нагрузки

Этот режим характеризуется работой трансформатора с подключенными источником в первичной и нагрузкой во вторичной цепи трансформатора. В вторичной обмотке протекает ток нагрузки, а в первичной — ток, который можно представить как сумму тока нагрузки (пересчитанного из соотношения числа витков обмоток и вторичного тока) и ток холостого хода. Данный режим является основным рабочим для трансформатора.

Режим короткого замыкания

Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. Это разновидность режима нагрузки, при котором сопротивление вторичной обмотки является единственной нагрузкой. С помощью опыта короткого замыкания можно определить потери на нагрев обмоток в цепи трансформатора («потери в меди»). Это явление учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления.

Режим холостого хода

При равенстве вторичного тока нулю (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, равен переменному току намагничивания, нагрузочные токи отсутствуют. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала, трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Популярные статьи  Обслуживание распределительных устройств

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

Режим короткого замыкания

В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подаётся переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчётному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить, умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания.

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

Режим нагрузки

При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток нагрузки, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Сфера применения

Такие устройства часто устанавливаются на узлах радиоэлектронного оборудования и выполняют разные функции. За последние годы несколько новых предприятий освоили технологию их изготовления. Повысилась приспособляемость устройства к работе с разными потребителями, поскольку возникла возможность производства по заданным техническим требованиям заказчика. Ранее ничего подобного не происходило.

Проектировщики оборудования пользовались стандартными схемами и комплектующими из справочников. Выбор изделий был большой, но полный перечень потребностей не охватывал. Поэтому многие разработчики устанавливали агрегаты с избыточным запасом мощности. Сегодня многие предприятия производят комплектующие с характеристиками, подходящими заказчику.

Разновидности

Производство конструкций силовых трансформаторов предполагает применение различных технологий. В процессе создания представленной аппаратуры применяются разные диэлектрические компоненты. Определенные части оборудования способствуют охлаждению и обеспечивают электрическую защиту.

Для маломощных разновидностей применяется диэлектрический компаунд или специальная бумага, электротехническое лаковое покрытие. Средние и мощные агрегаты имеют в своем составе такие основные части, как масло, элегаз. Производство подобного оборудования предполагает выполнять особую изоляцию обмоток.

Помимо вышеприведенной классификации выделяют еще несколько основных категорий объектов:

  • Количество фаз. Бывает трёхфазный и однофазный тип приборов.
  • Тип исполнения. Применяются масляные, сухие и приборы с жидким диэлектрическим веществом.
  • Климатическое исполнение. Наружные и внутренние установки.
  • Число обмоток. Встречаются конструкции с двумя и более катушками.
  • Предназначение. Для понижения или повышения напряжения.
  • Возможность регулировки напряжения. Применяются аппараты с регулировкой и без нее.

Производство подобной аппаратуры позволяет создавать установки мощностью от 4 кВА до 200 тыс. кВА (и выше). При этом достигается уровень напряжения на обмотках более 330 кВ.

Всего существует девять групп оборудования. В первую из них входят приборы с напряжением не выше 35 кВ и мощностью 4-100 кВА. К восьмой отнесены аппараты с мощностью выше 200 тыс. кВА и напряжением 35-330 кВ. Существуют и более мощное оборудование. Оно относится к девятой категории.

Потери и коэффициент полезного действия

Трансформатор — вид электрической машины с минимальным количеством потерь. Их число ничтожно мало и составляет 1—2%.

Электрические потери идут на нагревание обмоток аппарата и колеблются прямо пропорционально изменению нагрузки. Магнитные потери появляются из-за перемагничивания сердечника магнитопровода и зависят лишь от значения напряжения, которое подводится к первичной обмотке. Поэтому подключение трансформатора на повышенное напряжение приводит к увеличению магнитных потерь.

Коэффициент полезного действия (КПД) электрической машины являет собой отношение полезной мощности на выходе электрической машины к подводимой на входе. КПД трансформатора принимает максимальное значение при загрузке аппарата на 45—65%.

Принятая маркировка

Буквенно-цифровые обозначения СТ производится в соответствии с представленным ниже рисунком.

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности
Маркировка силового трансформатора

Обозначения:

  1. Указывается тип аппарата. Возможны варианты «А», «Л», «Е» или отсутствие символа, что соответствует автотрансформатору, линейному или печному устройству. Отсутствие символа указывает на обычный СТ.
  2. «О» или «Т», соответствует однофазному или трехфазному аппарату.
  3. Используемая вариант отвода тепла (для масляных систем), возможные варианты:
  • М – принудительные системы не используются.
  • Д – производится принудительный обдув.
  • ДЦ – производится принудительный обдув с ненаправленной циркуляцией.
  • НЦ – водяно-масляное охлаждение с направленной циркуляцией.
  • Ц – водно-масляное охлаждение с ненаправленной циркуляцией.
  1. Указание мощности в кВ*А.
  2. Допустимый уровень ВН (кВ).
  3. Вариант исполнения (наружное или внутреннее размещение, особые климатические условия и т.д.)

Зачем это нужно?

Трансформатор служит для повышения или понижения подаваемой электроэнергии. Зачем нужно преобразовывать ток? Смысл в том, что согласно закону Джоуля-Ленца тепло, которое выделяет проводник при прохождении по нему электрического тока выделяется в зависимости от силы тока. Причем зависимость эта квадратичная, так как сила тока в формуле имеет вторую степень.

На практике это означает, что увеличение силы тока в 2 раза приведет к увеличению тепловыделений в 4 раза. Все бы ничего, но закон сохранения энергии пока никто не отменял. На нагрев проводника расходуется электроэнергия, которую с таким трудом добывает человечество. Единственный выход: повысить напряжение до максимум.

Популярные статьи  Нужно ли ставить реле напряжения на 3-х фазную линию котла?

Согласно закону Ома всегда сохраняется некое равенство: произведение силы тока на сопротивление равняется напряжению в сети. Предположим, что сопротивление не изменяется, так как оно зависит от свойств проводящего материала. Тогда единственным выходом будет максимально задрать напряжение, чтобы уменьшить силу тока в сети.

Высоковольтные линии придумали не ради развлечения. Единственная цель столь сложной системы с трансформаторами: максимальное сокращение потерь.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО

Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.

Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.

Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.

Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:

1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.

2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.

Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).

С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.

Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.

Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.

РЕМОНТ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Силовые трансформаторы работают с большими значениями напряжений и мощностей, поэтому их надежность во многом зависит от правильности и полноты технического обслуживания.

Для того оборудования, которое установлено в местах с постоянным нахождением дежурного персонала, производятся ежедневные осмотры с контролем показаний измерителей температуры и давления. Контролируются следующие показатели:

  • уровень масла;
  • степень истощения влагопоглотителя;
  • состояние устройств регенерации масла;
  • отсутствие подтеканий и механических повреждений корпуса и радиаторных трубопроводов.

Для тех устройств, где не предусмотрено постоянное дежурство персонала, осмотры производятся один раз в месяц. Еще реже — 1 раз в полгода, осматриваются трансформаторные пункты.

В случае необходимости производят доливку масла или его смену, если по данным обследования, оно не удовлетворяет требованиям. Критерием при визуальном осмотре является цвет масла. При наличии аварийных режимов или резкой смены температуры окружающего воздуха производят внеплановые осмотры устройств. При этом проверяется также состояние устройств защиты.

Один раз в год и при капитальных ремонтах производят лабораторный анализ масла.

Необходимость периодического обслуживания устройств регулировки напряжения на силовых трансформаторах вызвана тем, что выполненные из меди или латуни контактные группы окисляются, в связи с чем растет их переходное сопротивление.

Для разрушения пленки окислов два раза в год производят отключение устройства от питания и нагрузки и переводят переключатель через все возможные положения несколько раз, с последующей установкой в необходимое положение. Обычно такие работы производят непосредственно перед сезонными изменениями нагрузки.

2012-2022 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Как выбрать силовой трансформатор

Трансформатор – это сердце понижающих и распределительных подстанций. Выбор силового трансформатора сопряжен с рядом нюансов и особенностей, которые были рассмотрены в данной статье. Основные учитываемые параметры следующие:

  1. Первичное напряжение (ВН) – уровень высокого напряжения питающей сети. Например, 6, 10 или 20кВ.
  2. Вторичное напряжение (НН) – уровень низкого напряжения, необходимого для питания потребителей электроэнергии. Например, 0,38кВ или 0,23кВ.
  3. Количество фаз и частота (Гц).
  4. Нагрузка в кВА, учитывающая потенциальный рост мощности в будущем.
  5. Место установки силового трансформатора: снаружи/внутри помещения.
  6. График нагрузки.
  7. Категория надежности электроснабжения потребителей.
  8. Перегрузочная способность трансформатора.

Когда дело касается выбора номинальной мощности исходят из суточного графика нагрузки, отображающего среднесуточную и максимальную активную нагрузку (кВт), а также из расчетной активной нагрузки (когда нет суточных графиков), темпа роста нагрузки и стоимости электроэнергии. Различают следующие типы силовых трансформаторов, представленные в таблице:

Силовые трансформаторы: что это такое, назначение, классификация и конструктивные особенности Основные показатели мощности силовых трансформаторов.

Если брать в качестве определяющих критериев другие показатели и характеристики, то можно выделить следующие виды силовых трансформаторов:

  • количество фаз – одна или три. Трехфазный силовой трансформатор является наиболее распространенным электротехническим устройством, которое используется на подстанциях;
  • число обмоток – трех- или двухобмоточные;
  • по своему назначению трансформаторы могут быть повышающими или понижающими;
  • если брать за критерий место установки, то различают внешние и внутренние устройства;
  • по типу охлаждения устройства делятся на две категории – силовые сухие трансформаторы (с воздушным охлаждением) и силовые масляные трансформаторы.
Популярные статьи  Почему гирлянда пищит при включении и как это устранить?

Вне зависимости от типа, мощностных характеристик или габаритных размеров принцип действия силового трансформатора базируется на основе явления электромагнитной индукции. При подаче на устройство тока с определенными характеристиками он проходит через замкнутый магнитопровод и попадает на первичную и вторичную обмотку.

В зависимости от числа витков в обмотках определяется коэффициент напряжений. Если в первичной обмотке число витков меньше – то это повышающий трансформатор, если наоборот, то речь идет о понижающем трансформаторе.

В практических условиях значение номинальной мощности выбирают в соответствии с графиком нагрузки и коэффициентом начальной нагрузки. Номинальная полная мощность трансформатора должна быть выше расчетной полной мощности. Необходимо также учитывать и температуру, при которой эксплуатируется трансформатор.

Включение трансформаторов на параллельную работу

Стоит отличать данный режим (1 на рисунке ниже — трансформаторы подключены к общим шинам как со стороны ВН, так и со стороны НН) от другого, когда подключение к общим шинам есть только с высокой стороны (2 на рисунке, совместная работа), то есть к секции 10кВ подключены два транса, а с низкой стороны каждый из них питает свою секцию 0,4кВ.

Если отключается один из Т (1 на рис.), то на втором происходит перегрузка, но все механизмы остаются в работе. Если же отключается один из трансов (2 на рис.) — то нагрузка либо отключается, либо переходит на резервный источник питания по АВР.

Ну и естественно расчет схем замещения для данных случаев будет разным:

  • 1 — складываем // сопротивления двигателей, затем складываем // иксы трансформаторов, а затем последовательно первое со вторым
  • 2 — суммируем ветви (двигатель плюс трансформатор), затем полученные иксы складываем параллельно

Далее буду рассматривать только схему под цифрой 1 на рисунке. Для чего же может применятся параллельная работа трансформаторов:

  • повышается надежность, так как при выходе из строя одного из трансов, потребитель не лишается энергии.
  • резервная мощность параллельно включенных трансформаторов будет больше, чем у одного большого
  • при сезонных снижениях нагрузки (зимой больше нагрузки, летом меньше) возможно отключение одного из нескольких. При этом будет обеспечен более экономичный режим работы, так как уменьшаться потери холостого хода

Все плюсы улетучиваются, если установлено два транса по причине нехватки мощности одного из-за роста нагрузки например.

Условия параллельной работы:

  • Равенство номинальных напряжений первичных и вторичных обмоток. Следовательно и одинаковое число витков первичных и вторичных обмоток для всех параллельно работающих трансформаторов. Так же перед включением необходимо проверять положения ПБВ и РПН. Если всё подобрано правильно то не должны возникать уравнительные токи. Они возникают из-за неравенства коэффициентов трансформации и текут даже в режиме холостого хода. Воспользовавшись схемой аналогичной схеме замещения ТТ, можно вывести формулу уравнительного тока:

В данной формуле U’, U»; I’, I» — напряжения и токи первого и второго;

uk1, uk2 — напряжения короткого замыкания в процентах;

Избавиться от уравнительного тока можно либо переключив устройства регулировки в нужное положение, либо, устроив ремонт, добиться одного числа намотанных витков.

Равенство напряжений короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания — такое напряжение, которое необходимо подать в одну из обмоток при замкнутой второй, чтобы в обеих тек номинальный ток. Данное условие необходимо выполнять потому, что отношение uk пропорционально распределению нагрузок и токов.
Принадлежность к одной группе присоединения
Отношение максимальной мощности к минимальной параллельно работающих трансформаторов должно быть не более 3 к 1. Если отношение мощности будет больше трех, то перегрузка меньшего из Тр может быть больше допустимой и целесообразнее будет вообще его отключить.
По ГОСТ 11677-85 ни одна из обмоток не должна быть перегружена током больше допустимого для данной обмотки
Если имеется РПН, то окончание переключения ответвлений должно происходить практически одновременно у всей группы. Трансформаторы с РПН мощностью ниже 1000кВА не предназначены для параллельной работы
Число параллельно работающих трансформаторов выбирается исходя из условия наименьших суммарных потерь холостого хода и нагрузочных потерь всех машин.

Первичные и вторичные обмотки соединяются параллельно. При отключении одного, на втором Т возникает перегрузка, которая должна быть учтена при отстройке уставки МТЗ.

На // подключенных т мощностью 4 МВА и выше должна устанавливаться ДЗТ. Она производит быстрое и селективное срабатывание, отключая только поврежденное оборудование. В случае с МТЗ, при аварии со стороны НН могут отключиться оба трансформатора за счет равенства выдержек времени.

Для более глубокого погружения в данный вопрос рекомендую прочитать книгу Г.В. Алексенко — Параллельная работа трансформаторов и автотрансформаторов (Трансформаторы, вып. 17) — 1967 года.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: