Как устроен силовой трансформатор и где его применяют?

Электротехническое устройство с несколькими обмотками, предназначенное для преобразования тока с переменным напряжением в требуемые значения, называется силовым трансформатором. Конструкция и принцип работы схожа у всех типов СТ.  Его работа основывается на принципе электромагнитной индукции, с помощью которой достигаются заданные выходные параметры без изменения мощности.

К ним относятся трехфазные и многофазные с мощностью от 6,3 кВА и однофазные с мощностью от 5 кВА. В данной статье разобраны главные принципы функционирования силовых трансформаторов. Ниже приведены их технические характеристики и различия в их устройстве. В качестве бонуса в конце статье читатель найдет видео c наглядным разбором устройства и справочную книгу Лизунова С.Д., Лоханина А.К. «Силовые трансформаторы».

Внешний вид и сфера применения

При выборе нового силового трансформатора необходимо обратить пристальное внимание на следующие детали:

1. Нет ли течи масла из-под крепежных соединений.
2. Не потрескались ли резиновые уплотнители под фарфоровыми изоляторами.
3. Надежно ли зафиксированы шпильки вводов трансформатора.
4. Исправен ли указатель уровень масла.
5. Четко ли срабатывает анцапфа (ручка регулирования напряжения без возбуждения).

[stextbox id=’info’]Сфера применения трансформаторных устройств широка и включает в себя промышленные предприятия, линии электропередач, городские и частные электросети. Основной задачей аппарата является транспортировка электроэнергии на большие расстояния от источника тока до потребителя.[/stextbox]

Такая передача связана с большими энергетическими потерями, поэтому ее осуществляют по принципу двойной трансформации.

С этой целью электроэнергию от генераторов изначально направляют на трансформаторную подстанцию, где увеличивают амплитуду напряжения. Электричество по высоковольтным линиям передач достигает второй – удаленной подстанции. Здесь силовой трансформатор понижает напряжение до необходимого уровня и распределяет электроэнергию между потребителями.

Устройство трансформатора

Чтобы снизить потери при транспортировке электроэнергии на определенные расстояния, применяется метод трансформации, который заключается в преобразовании отдельных характеристик переменного тока и амплитуды напряжения.

Фактически это выглядит так: генератор вырабатывает электроэнергию, которая по проводам попадает на подстанцию, где амплитуда напряжения повышается, и ток подается дальше на следующий пункт назначения.

Для тех, кому будет интересно почитать, материал в тему: что такое импульсный трансформатор и как его рассчитать.

Другая подстанция является конечным пунктом и распределяет полученную энергию между потребителями, предварительно понизив ее амплитуду до первичного значения. В зависимости от расстояний от основного генератора до конечного потребителя, мощности и разветвленности силовых линий, промежуточных подстанций может быть любое количество.

На каждой подстанции есть специальные электротехнические устройства – силовые трансформаторы, по которым и передается ток. Назначение силовых трансформаторов заключается в преобразовании электроэнергии и сокращении потерь при транспортировке от источника к потребителю. В конструкцию силового аппарата входят:

• несколько изолированных обмоток (две или более);
• клеммы и выводы;
• магнитопроводы;
• система охлаждения;
• стабилизирующая система;
• устройство регулирования напряжения;
• дополнительного навесного оборудования.

Назначение выводов – подвод напряжения к устройству. В зависимости от вида трансформатора выводы могут иметь различную изоляцию:

• маслобарьерную;
• бумажно-масляную;
• полимерную;
• элегазовую;
• изоляцию на главной покрышке.

[stextbox id=’alert’]Подвод напряжения может осуществляться к разным элементам прибора (шпильки, клеммы). Вследствие наличия высокого напряжения, все элементы должны быть полностью заизолированы, зазоры уплотнены. Для этих целей подбирается соответствующий изоляционный материал – пластмасса, резина, иногда специальных фарфор.[/stextbox]

Охладители

Обязательный элемент конструкции любого силового трансформатора. Большое количество электрической энергии, проходя через трансформатор, преобразуется в тепло. Специальная двухконтурная система, заполненная маслом, нуждается в регулярном охлаждении. Для этих целей используются различные устройства:

1. Радиаторы. Конструктивно охладитель состоит из металлических пластин различной конфигурации, которые обладают хорошей теплопроводностью, через которые и выводится тепловая энергия в атмосферу или вторичную охлаждающую среду.
2. Гофрированный бак. Универсальное устройство для установок небольшой мощности. Конструктивно он совмещает в себе радиатор и емкость для масла. Тепло выводится благодаря внешним и внутренним гофрированным поверхностям.
3. Принудительная вентиляция. Навесные вентиляторы применяют для трансформаторов большой мощности. Благодаря постоянному принудительному охлаждению удается повысить производительность системы до 20-25%.
4. Охладители масляно-водяные. На сегодняшний день такие комбинированные конструкции используются чаще всего благодаря их простоте и высокой эффективности.
5. Циркуляционные насосы. Устройство обеспечивает регулярное перемещение горячего масла в нижний контур, заменяя его холодным.

Масляные аппараты требуют наличия охладителя для перераспределения масла высокой и низкой температуры между верхней и нижней частью. Такие устройства имеют двухконтурное строение, причем внешний и внутренний контуры напрямую не связаны друг с другом. Внутренний контур передает тепло от нагретых частей к маслу, а благодаря внешнему контуру энергия от масла передается в окружающую среду.

Регулировка напряжения

Чтобы изменить коэффициент трансформации силового трансформатора, в конструкции предусмотрены устройства для регулировки напряжения. Фактически они уменьшают или увеличивают количество витков в обмотке. В зависимости от типа устройства оно может работать без нагрузки или под воздействием напряжения.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать о трансформаторах тока.

Дополнительное оборудование

Устройство силового трансформатора включает в себя различные виды дополнительного навесного оборудования.

Газовое реле выполняет защитные функции. При нестабильной работе трансформатора (нарушена система охлаждения, повреждения различного типа), масло начинает постепенно разлагаться на простые составляющие. В процессе выделяется определенное количество газов.Если реакция протекает медленно, то устройство подает предупреждающий сигнал, а если газ образуется слишком быстро, то реле просто отключает трансформатор.

1. Индикаторы температуры. Специальные датчики на основе термопар регулярно проводят замеры температуры масла в самых горячих точках.
2. Поглотители влаги. Так как конструкция маслонаполненной емкости не является абсолютно герметичной, то под крышкой может образоваться водяной конденсат. Специальные устройства поглощают влагу и препятствуют попаданию ее в масло.
3. Система постоянной регенерации масла.
4. Защита от повышения давления внутри емкости. Система комбинируется с устройствами сброса лишнего давления и работает в автоматическом режиме.
5. Индикатор уровня масла. В большинстве случаев он выполнен в виде прибора с циферблатом и стрелкой или в виде трубки, которая заполнена маслом и соединена с емкостью по принципу сообщающихся сосудов.

Изоляция силовых трансформаторов может быть жидкой (трансформаторное масло) или сухой (литая изоляция). Выбор типа изоляции силового трансформатора напрямую сопряжен с местоположением данного оборудования: внутри помещения или вне его.

При эксплуатации силового трансформатора за пределами помещения, предпочтение отдают жидкой изоляции (например, трансформаторы серии ТМ и ТМГ). Тогда как сухие трансформаторы (например, ТСЗ и ТЛС) применяют при установке в помещении. Жидкая изоляция дольше служит и эффективнее охлаждает трансформатор, но сильнее подвержена воспламенению.

Для охлаждения обмоток сухих силовых трансформаторов используется приточная вентиляция. При установке такого оборудования в жарком климате необходимо обратить особое внимание на применение дополнительной вентиляции.

Интересный материал для ознакомления: малоизвестные факты о двигателях постоянного тока.

Конструктивное исполнение обмоток

Алюминиевые обмотки применяются в относительно недорогих силовых трансформаторах, тогда как оборудование с медными обмотками выгодно отличается более компактными габаритами и механической прочностью.

Стоит обратить внимание и на материал сердечника трансформатора, ведь только высококачественная многослойная электротехническая сталь позволяет снизить потери на гистерезис и вихревые токи.

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:

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.

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.

[stextbox id=’info’]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.[/stextbox]

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.

Выбор группы и схемы соединения обмоток силового трансформатора

Указанные параметры выбирают таким образом, чтобы они исключали возникновение высших гармоник и выравнивали нагрузку по стороне ВН при неравномерной нагрузке по стороне НН. Конкретные схема и группа определяются исходя из параметров питающей сети и подключенной нагрузки. Группу и схему соединения необходимо учитывать при параллельном включении силовых трансформаторов, так как их совпадение является обязательным условием параллельной работы.

Выбор электроприбора

Как правило, выбирают 1 или 2 трансформатора. Использование одного силового трансформатора допускается для питания потребителей III категории, и когда потребитель электроэнергии любой категории подключен через замкнутые сети или через незамкнутые, но соединенные резервными линиями.

В свою очередь, два силовых трансформатора выбирают для электроснабжения потребителей I и II категорий, когда по стороне НН у них нет связи с другими подстанциями. При взаимном резервировании мощность силовых трансформаторов выбирают идентичной (например, два трансформатора по 1000кВА). Двухтрансформаторные ТП применяют, когда преобладают потребители I категории и при высокой удельной плотности нагрузок более 0,5-0,7 кВА/м2. В видеоролике ниже подробнее рассказано о том, как выбирают силовые трансформаторы.

Заключение

В данной статье были перечислены основные критерии выбора силовых трансформаторов, которые нужно принять во внимание. Больше информации о современных силовых трансформаторах, их основных разновидностях, типах конструкции и новейших разработках в этой сфере можно узнать в справочной книге Лизунова С.Д., Лоханина А.К. «Силовые трансформаторы».

В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet . В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.epusk.ru

www.kesch.ru

www.elektro-expo.ru

www.rill.ru