1.1 Место и применение трансформаторов в энергетике
каждой электростанции устанавливают трансформаторы, повышающие напряжение.
Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, городами и сельскими районами, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям
при напряжениях 220 , 110 , 35 , 20 , 10 , 6 кВ . Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение. Такие трансформаторы также необходимо устанавливать непосредственно у потребителей электроэнергии, так как боль-
шинство потребителей переменного тока работает при напряжениях 220 ,
Таким образом, электрическая энергия при передаче от электрических станций к потребителям подвергается многократной трансформации
1.2 Главные типы трансформаторов
Наибольшее значение имеют следующие типы трансформаторов:
– силовые – для передачи и распределения электроэнергии;
– силовые специального назначения: печные, для выпрямитель-
ных установок, сварочные и т. д.;
– индукционные регуляторы – для регулирования напряжения в распределительных сетях;
– автотрансформаторы – для преобразования напряжения в небольших пределах, для пуска в ход двигателей переменного тока и т. д.;
– измерительные – для включения в схемы измерительных прибо-
– испытательны е – для производства испытаний под высоким напряжением.
Трансформаторы, используемые для преобразования электрической энергии в сетях энергосистем, распределительных сетях и в установках, предназначенных для приема и использования электроэнергии, называют
силовыми . К ним относят трехфазные трансформаторы мощностью 6,3 кВ А и более.
Силовые трансформаторы имеют мощность в трехфазном исполнении до 1 250 MВ А , в групповом исполнении из трех однофазных трансформаторов – до 2 000 MВ А ; масса таких трансформаторов достигает
500 т . Значительным техническим достижением в области создания преобразовательных трансформаторов является построение уникальных трансформаторов для линий электропередачи постоянного тока, когда в начале линии осуществляется выпрямление переменного тока сверхвысокого напряжения с получением постоянного напряжения 1 500 кВ , а затем в конце линии осуществляется инвертирование.
Трансформаторы, применяемые в схемах с полупроводниковыми приборами (диодами, тиристорами, транзисторами), в которых осуществляется выпрямление переменного или инвертирование постоянного тока, называют преобразовательными . Такие трансформаторы мощностью до сотен мегавольт-ампер применяются в электрических установках промышленных предприятий. Особенность трансформаторов, применяемых для различных технологических процессов (электросварки, выплавки стали и др.), – относительно небольшие выходные напряжения (порядка
100–200 В) . В связи с этим электропечные трансформаторы, особенно
при мощности 50–100 МВ А , проектируют на большие токи вторичных обмоток, достигающие сотен килоампер.
Кроме этих трансформаторов выпускают другие специальные трансформаторы для питания рудно-термических печей (электропечные трансформаторы), электрической сварки, электротяги, питания элек-
тронных устройств, а также измерительные трансформаторы на-
пряжения и тока.
Измерительные трансформаторы используются для включения электроизмерительных приборов и аппаратов защиты в электрические цепи высокого напряжения или цепи, по которым проходят большие токи, для расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Как правило, они имеют небольшую мощность, определяемую мощностью, потребляемой электроизмерительными приборами, реле, информационными системами. Эти трансформаторы отличаются высокой точностью исполнения при реализации специальных конструкций, предусматривающих сведение к минимуму погрешностей измерения.
Особенностью трансформаторов, применяемых для питания электронных устройств, радиоаппаратуры, телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики, ЭВМ, является выполнение их с большим чис-
лом вторичных обмоток, часто более 10 , при относительно небольшой общей мощности. Этих трансформаторов выпускается десятки миллионов в год. Они являются неотъемлемой частью повседневной бытовой аппаратуры – радиоприемников, телевизоров, магнитофонов.
В производственном электроснабжении, исходя из конкретной специфики и внешних условий эксплуатации трансформатора, за номиналь-
ную мощность принимают не паспортную мощность трансформатора, а ту мощность, на которую он может быть нагружен непрерывно в течение всего срока службы (примерно 20 лет) при нормальных температурных условиях охлаждающей среды. Под этими условиями, согласно ГОСТ 14209–
85 и ГОСТ 11677–85 , понимают следующие: температура охлаждающей среды должна быть 20 °С ; превышение средней температуры масла
над температурой охлаждающей среды не должно составлять более 44 °С ; во время переходных процессов в течение суток наибольшая температура верхних слоев масла не должна превышать 95 °С , а наиболее нагретая зона обмоток не должна превышать 140 °С .
При необходимости в течение 4–5 ч возможна перегрузка транс-
форматора на 30–40 % , но не более чем на 50 % в соответствии с
Выбор рациональной мощности силовых трансформаторов является одной из основных задач при проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий. На подстанциях промышленных предприятий применяются трансформаторы с различными коэффициентами шкалы
номинальных мощностей: 100 , 135 , 180 , 240 , 320 , 420 , 560 , 750 , 1000 кВ А и т. д. (коэффициент шкалы К Ш = 1,35 ) и 100 , 160 , 250 , 400 ,
630 , 1000 кВ А и т. д. ( К Ш = 1,6 ).
Трансформаторы с первой шкалой номинальных мощностей установлены на действующих предприятиях и при проектировании новых систем электроснабжения не применяются. Трансформаторы со второй шкалой номинальных мощностей используются повсеместно при проектировании новых и реконструкции старых подстанций. Характерной особенностью использования трансформаторов на современных промышленных предприятиях является регулирование напряжения для повышения качества электроэнергии путем компенсации отклонений напряжения от номинального значения непосредственно на входе приемников электроэнергии.
В связи с тем, что длительные отклонения напряжения даже в тех случаях, когда они не выходят за пределы ГОСТ 13109–67 (от +10 до
− 5 % ), вызывают значительный недовыпуск продукции, а при снижении
напряжения на 15–20 % производительность промышленных предприятий падает, очень важно оснащение трансформаторов электроснабжения промышленных предприятий системами регулирования, обеспечивающими стабилизацию напряжения на зажимах питания потребителей.
В системе сельского электроснабжения различают районные и потребительские понижающие подстанции. На районных понижающих подстанциях электрическая энергия трансформируется с напряжения 500–35 кВ на напряжение 6–110 кВ . Эта энергия от районной подстанции распределяется к группам удаленных потребителей по воздушным и кабельным линиям.
Непосредственно около потребителей сооружаются потребительские понижающие подстанции. В сельской местности потребительские под-
станции обычно строят для трансформации напряжения с 35 , 10 и 6 кВ на
С целью удешевления строительства подстанций и упрощения их эксплуатации в практике более широкое применение находят подстанции
на напряжения 110 и 35 кВ без выключателей на стороне высшего напряжения, что повышает требования к динамической стойкости трансформаторов при коротких замыканиях, которые в сельских сетях происходят относительно часто.
В современных схемах районных сельскохозяйственных подстанций 110 (35), 10 кВ , как правило, используется два трехобмоточных трансформатора мощностью 6 300 кВ А и более с регулированием напряжения
под нагрузкой (РПН) .
В связи с широким развитием электрификации сельского хозяйства на базе присоединения сельских потребителей к мощным энергосистемам
число подстанций напряжением 35/10 ; 35/6 кВ в сельской местности быстро возрастает. Поэтому электропромышленность нашей страны разработала и выпускает комплектные одно- и двухтрансформаторные подстанции на 35/10 ; 35/6 кВ по схемам двенадцати различных модификаций с
трансформаторами мощностью от 1 000 до 6 300 кВ А с регулированием напряжения под нагрузкой.
Таким образом, область применения трансформаторов чрезвычайно широка. Но во всех случаях основные процессы, определяющие работу трансформаторов, а также явления, происходящие в трансформаторах, по существу одни и те же. Поэтому, говоря о трансформаторе, мы будем в дальнейшем иметь в виду его основной тип, а именно, одно- и трехфазный двухобмоточный силовой трансформатор.
2 Принцип действия трансформаторов
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Это устройство чаще всего состоит из двух (а иногда и большего числа) электрически не связанных между собой обмоток, расположенных на ферромагнитном сердечнике.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Φ , как показано на рисунке 1. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой. Изменяясь, магнитный поток будет индуцировать в них ЭДС. Та
из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной обмоткой , другая, с которой энергия отводится, называется вторичной обмоткой . В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивления и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся к вторичной обмотке − вторичными.
1, 2 – первичная и вторичная обмотки; 3 – магнитопровод; 4 – стержень; 5 – ярмо
Рисунок 1 − Электромагнитная система однофазного трансформатора
Для усиления электромагнитной связи между обмотками служит сердечник трансформатора , собранный из листовой электротехнической стали. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего
напряжения (ВН) , а низкого напряжения – обмоткой низшего на-
пряжения (НН) . Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и X; обмотки НН – буквами а и х . Если вторичное напряжение меньше