Силовым трансформатором называют устройство для изменения величины напряжения в энергосистеме в процессе передачи электрической энергии конечным потребителям (бытовая техника, промышленное электрооборудование, освещение и пр.).
Силовой трансформатор
Без них не обходятся жилые районы, заводские территории, линии электропередач железных дорог. Силовые трансформаторы стали неотъемлемой частью городского пейзажа.
Преобразователи напряжения в системах передачи электроэнергии
Очень сложной задачей является передача вырабатываемой на электростанциях энергии высокого напряжения (до 36 кВ!) на дальние расстояния с минимальными потерями и соответствующее распределение среди потребителей.
Конструктивные особенности конечных приемников электрического питания требуют существенного снижения его вольтажа до стандартных 220-380 В. Для этого устанавливают понижающие силовые трансформаторы.
В то же время при дистанционной передаче высоковольтной электроэнергии удаленному потребителю во избежание тепловых потерь в проводах необходимо либо увеличивать их сечение, либо снижать величину силы тока.
Законы физики неумолимы –при прохождении электротока по проводам они нагреваются пропорционально сопротивлению провода (чем меньше диаметр провода, тем выше сопротивление) и второй степени величины силы тока (I2 ).
Увеличивать диаметр проводов магистральных сетей нецелесообразно, энергетики предпочли повышать напряжение в передающих магистралях до 110-750 кВ.
В этом случае используются повышающие преобразователи электрической энергии.
Повышающие и понижающие силовые трансформаторы являются важнейшим функциональным элементом в структуре энергосетей, электрических систем и установок.
Конструктивные элементы силовых трансформаторов
Устройство силового трансформатора идентично компоновке любого другого преобразователя переменного тока, поскольку их функционирование основано на свойствах электромагнитной индукции.
При подаче на первичную обмотку устройства переменного тока индуктируется электродвижущая сила на вторичной обмотке.
В соответствии с эксплуатационным предназначением силовыми трансформаторами (СТ) принято называть оборудование, устанавливаемое на электрических подстанциях.
Конструкция трансформатора
Чаще всего это трехфазные преобразователи напряжения, способные обеспечить минимальные потери электроэнергии (в пределах 12-15% по мощности) и менее расходные в части активных материалов по сравнению с однофазными устройствами (до 20%).
Общетехнические требования к ним регламентированы ГОСТ Р 52719-2007 «Трансформаторы силовые…»
СТ условно разделяют на две части, определяющими их функциональное предназначение:
- Активную часть, составленной из магнитной системы, которую для краткости часто называют магнитопроводом, и из двух или более обмоток. Их назначение следующее:
- Магнитной системой формируется магнитный поток;
- Обмотками создаются электрические цепи для протекания переменного электротока.
- Вспомогательную (не активную), к которой относятся все остальные составляющие элементы – системы охлаждения, стабилизации, клеммы, отводы, переключатели.
Силовой преобразователь
Магнитопроводы СТ
Магнитная система должна в полной мере способствовать реализации электромагнитного принципа работы преобразователей напряжения.
Для изготовления магнитопроводов СТ используются пластины из холоднокатаных электротехнических сталей марок Э310-Э380 ГОСТ 21427.1-75 с анизотропными свойствами (физические свойства таких материалов не одинаковы в различных направлениях).
По типу сборки магнитопроводные блоки разделены на два вида:
- Стыковые системы – в них стержни конструкции и ярма собирают раздельно, а уже при сборке закрепляются в стык (стержнем принято называть часть магнитной системы, на которой расположены обмотки, на ярме обмотки не мотают);
- Шихтованные, для которых сборка стержней и ярм выполняется впереплет.
Стальные пластины для стержневых блоков
Шихтованные сборки применяются наиболее часто.Стержневые блоки набираются из нескольких слоев стальных пластин в соответствии со схемой шихтовки.
Поверхность каждой стальной пластины изолируется специальными жаростойкими пленками и лаками.
Обмотки магнитной системы СТ
По фазовым обмоткам оборудования СТ проходит ток нагрузки. Для классификации обмоток принят ряд признаков, в числе которых:
- Тип обмотки системы:
- Однослойный – намотка одним слоем;
- Двухслойный – состоит из двух обмоток;
- Многослойный.
Обмотки в один и два слоя используются в цепях низшего напряжения, многослойные – в цепях высшего напряжения.
- Количество витков намотки.
- Форма и размер поперечного сечения провода, материал его изготовления.
Обмотки силового трансформатора
Провода обмоток изготавливаются из меди и алюминия, поскольку данные материалы обладают наименьшими показателями удельного электрического сопротивления, что позволяет существенно уменьшить потери электроэнергии и снизить теплопотери.
Провода выпускают круглого и прямоугольного сечения. На сторонах входного и выходного напряжений используются следующие схемы соединения обмоток:
- Зигзаг;
- Треугольник;
- Звезда.
Охлаждение СТ
Интенсивное тепловыделение, происходящее в рабочей зоне мощных преобразователей напряжения, требует эффективных способов теплоотвода.
В практике сложились два основных способа охлаждения силовых трансформаторов:
- Естественное воздушное охлаждение;
- Масляное охлаждение.
В соответствии со способом теплоотвода принято называть сухими трансформаторами оборудование на воздушном охлаждении, масляными трансформаторами – изделия с охлаждением масляным.
Особую опасность для силового трансформатора представляет короткое замыкание в обмотках, способное нанести значительный ущерб всей энергосистеме.
Для предотвращения аварийных ситуаций подобного рода силовые трансформаторы оснащены специальными устройствами защиты для оперативного отключения схемы при возникновении неполадок.
