Трансформаторы стационарные

Трансформаторы стационарные: устройство, классификация, применение и эксплуатация

Стационарный трансформатор — это электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Ключевой признак «стационарности» — установка на постоянном фундаменте или основании, в отличие от передвижных или переносных моделей. Эти аппараты являются основой любой электрической сети, обеспечивая передачу, распределение и безопасное использование электроэнергии на промышленных предприятиях, в городской инфраструктуре, на объектах генерации.

Принцип действия и базовые конструктивные элементы

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток, протекая по первичной обмотке, создает в магнитопроводе переменный магнитный поток, который, в свою очередь, наводит электродвижущую силу (ЭДС) во вторичной обмотке. Соотношение напряжений на обмотках приблизительно равно соотношению чисел витков (коэффициент трансформации). Основные конструктивные узлы:

• Магнитопровод (сердечник): Собирается из листов электротехнической стали (чаще всего холоднокатаной, с ориентированной зернистой структурой), изолированных друг от друга для снижения потерь на вихревые токи. Обеспечивает путь для основного магнитного потока. Конструкции: стержневой, броневой, тороидальный.
• Обмотки: Изолированные проводники (медные или алюминиевые), намотанные на магнитопровод. Различают обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения. Расположение: концентрическое (одна обмотка вокруг другой) или чередующееся (дисковое).
• Система охлаждения: Обеспечивает отвод тепла от активной части. Типы: масляное (трансформаторное масло как изолятор и теплоноситель), сухое (воздушное, с литой изоляцией), с негорючим жидким диэлектриком (совтол, фреон).
• Бак (для масляных трансформаторов): Герметичный стальной резервуар, вмещающий активную часть и трансформаторное масло. Оснащается расширителем, вводными изоляторами, устройствами защиты (реле давления, газовое реле).
• Вводы: Изоляционные проходные конструкции для подключения кабелей или шин к обмоткам. Для ВН применяются маслонаполненные, эпоксидные или конденсаторные вводы.
• Переключатель ответвлений (РПН или ПБВ): Устройство для изменения коэффициента трансформации. ПБВ (переключение без возбуждения) производится при отключенном трансформаторе. РПН (регулирование под нагрузкой) позволяет менять напряжение без перерыва питания.

Классификация стационарных трансформаторов

Классификация осуществляется по ряду ключевых параметров, определяющих сферу применения и технические характеристики.

По назначению

• Силовые масляные общего назначения: Наиболее распространенный тип для сетей 6-35 кВ и выше. Мощность от 25 кВА до нескольких сотен МВА.
• Силовые сухие: Для внутренней установки в зданиях, объектах с повышенными требованиями пожарной безопасности (метро, больницы, торговые центры). Мощность до 20-40 МВА, напряжение до 35 кВ.
• Трансформаторы собственных нужд (ТСН): Обеспечивают питание вспомогательного оборудования электростанций и подстанций (насосы, освещение, системы управления).
• Печные и преобразовательные: Для питания электропечей и выпрямительных установок, часто работают на пониженной частоте или со значительными несинусоидальными нагрузками.
• Измерительные (трансформаторы тока и напряжения): Для подключения измерительных приборов и устройств релейной защиты, обеспечивают гальваническую развязку и снижение сигнала до стандартных значений (5А, 100В).

По числу фаз и обмоток

• Однофазные: Для специальных установок или в составе трехфазных групп.
• Трехфазные: Стандарт для сетей электроснабжения. Конструкции: трехстержневой магнитопровод, группа из трех однофазных трансформаторов.
• Двухобмоточные: Имеют одну первичную и одну вторичную обмотку на каждый стержень.
• Трехобмоточные и многообмоточные: Имеют три или более изолированных обмоток на стержне, позволяя питать сети разных напряжений (например, 110 кВ, 35 кВ и 10 кВ).
• Автотрансформаторы: Обмотки ВН и НН имеют гальваническую связь, что снижает массу и стоимость, но увеличивает токи КЗ. Применяются в сетях 110 кВ и выше для связи близких по значению напряжений (например, 220/110 кВ).

По системе охлаждения (обозначение по ГОСТ)

Обозначение	Тип охлаждения	Описание и область применения
М (Масляный естественный)	Естественная циркуляция масла и воздуха	Малые и средние трансформаторы. Простота, надежность.
Д (Дутьевое)	Естеств. цирк. масла + принуд. обдув радиаторов	Средние и крупные трансформаторы. Увеличивает отдачу.
ДЦ (Дутье с циркуляцией)	Принудительная циркуляция масла насосами и обдув	Крупные трансформаторы. Интенсивный теплоотвод.
Н (Направленное масло)	Масло направленно циркулирует через обмотки	Сверхкрупные трансформаторы. Локальное охлаждение горячих зон.
С (Сухой)	Воздушное, естественное или с принуд. обдувом	Внутренняя установка, повышенные требования пожаробезопасности.
Н (Негорючий диэлектрик)	Жидкий негорючий диэлектрик (совтол)	Особо ответственные объекты, где недопустима утечка масла.

Ключевые технические параметры и характеристики

• Номинальная мощность (кВА): Полная мощность, которую трансформатор может длительно передавать при номинальных условиях без превышения допустимой температуры. Ряд стандартизирован: 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600 кВА и т.д.
• Номинальные напряжения обмоток (кВ): Указываются линейные напряжения для первичной и вторичной обмоток. Например: 110/10 кВ.
• Номинальный ток (А): Ток обмотки при номинальной мощности и напряжении.
• Напряжение короткого замыкания (U_k или u_k): Напряжение, которое необходимо подвести к первичной обмотке при замкнутой вторичной, чтобы в ней протек номинальный ток. Выражается в процентах от номинального напряжения. Определяет внутреннее сопротивление, ток КЗ и параллельную работу.
• Потери холостого хода (P_xx): Потери в магнитопроводе при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной. Постоянны во времени.
• Потери короткого замыкания (P_k): Потери в обмотках (и частично в конструкциях) при номинальном токе в обмотках. Зависят от нагрузки.
• Схема и группа соединения обмоток: Обозначает способ соединения фазных обмоток (звезда Y, треугольник D, зигзаг Z) и угловой сдвиг между векторами ЭДС обмоток ВН и НН. Например, Y/D-11.

Выбор и установка стационарного трансформатора

Выбор осуществляется на основе технико-экономического расчета с учетом:

• Мощности и графика нагрузки потребителей с учетом перспективы развития.
• Уровня и схемы напряжения питающей сети и распределительной сети.
• Условий окружающей среды (температура, влажность, загрязненность, сейсмичность).
• Требований к надежности электроснабжения (количество и резервирование трансформаторов).
• Экономических критериев: минимизация приведенных затрат с учетом стоимости потерь электроэнергии.

Установка требует подготовки фундамента, способного выдержать вес агрегата с маслом. Для масляных трансформаторов предусматриваются маслоприемники или аварийные емкости для сбора масла в случае аварии. Обеспечивается свободный доступ для обслуживания, естественная вентиляция (для сухих), соблюдаются противопожарные разрывы.

Эксплуатация, диагностика и обслуживание

Эксплуатация регламентируется ПТЭЭП, ПОТ и заводскими инструкциями. Основные мероприятия:

• Визуальный контроль: Состояние вводов, уровня масла, отсутствие течей, состояние изоляторов, работа системы охлаждения.
• Контроль температуры: Регистрация температуры масла (верхних слоев) и обмоток (косвенными методами).
• Хроматографический анализ газов, растворенных в масле (ХРГ): Главный метод диагностики скрытых дефектов. Появление определенных газов (водород, ацетилен, этилен) сигнализирует о перегревах, разрядах, дугообразовании внутри бака.
• Анализ масла: Проверка диэлектрической прочности, тангенса угла диэлектрических потерь, кислотного числа.
• Измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром) и коэффициента абсорбции.
• Измерение сопротивления обмоток постоянному току для выявления ухудшения контактов в соединениях.
• Испытание повышенным напряжением промышленной частоты и импульсным.

Тенденции и развитие

• Повышение энергоэффективности: Производство трансформаторов с пониженными потерями (классы потерь P₀/P_k: стандартные, пониженные, низкие, очень низкие). Внедрение аморфных металлов для магнитопроводов.
• Развитие сухих технологий: Увеличение единичной мощности и напряжения сухих трансформаторов с литой изоляцией (СИ) и воздушным охлаждением (ВН).
• Внедрение систем мониторинга состояния (Smart Grid): Онлайн-датчики температуры, давления, влажности, газов, вибрации. Интеграция в АСУ ТП для перехода к обслуживанию по фактическому состоянию.
• Экологичность: Использование биоразлагаемых масел, совершенствование систем герметизации.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается сухой трансформатор от масляного?

Сухой трансформатор использует в качестве изоляции и охлаждающей среды воздух или твердую литую изоляцию. Он пожаробезопасен, не требует маслоприемников, проще в обслуживании, но имеет большие габариты, более низкие перегрузочные способности и, как правило, более высокую стоимость на единицу мощности. Масляный трансформатор использует масло, которое является лучшим диэлектриком и теплоносителем, что позволяет создавать более компактные и мощные аппараты, но требует мер пожарной безопасности, регулярного контроля масла и герметичности.

Как правильно выбрать мощность трансформатора?

Мощность выбирается по расчетной полной нагрузке с учетом коэффициента спроса и перспективы роста (обычно на 5-10 лет). Для потребителей I и II категорий часто устанавливают два трансформатора, так чтобы при отключении одного оставшийся мог обеспечить питание всей нагрузки или, как минимум, нагрузки I и II категории (с учетом допустимой перегрузки). Для III категории часто достаточно одного трансформатора.

Что такое напряжение короткого замыкания и почему оно важно?

Напряжение короткого замыкания (U_k) — это процентное значение напряжения, при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи при замкнутых накоротко выводах вторичной обмотки. Оно определяет внутреннее сопротивление трансформатора. Низкое U_k ведет к меньшему падению напряжения под нагрузкой, но к большим токам короткого замыкания в сети. Высокое U_k ограничивает токи КЗ, но увеличивает потери напряжения. Для параллельной работы трансформаторов необходимо, чтобы их U_k были максимально близки (допустимое расхождение обычно не более 10%).

Когда необходим трансформатор с РПН, а когда достаточно ПБВ?

Переключатель ПБВ (переключение без возбуждения) используется для сезонной или редкой корректировки напряжения, когда допустимо кратковременное отключение трансформатора. Регулятор РПН (регулирование под нагрузкой) необходим в точках сети, где требуется постоянно поддерживать уровень напряжения в заданных пределах при изменяющейся нагрузке (например, на главных понижающих подстанциях). РПН — сложное и дорогое устройство, требующее дополнительного обслуживания.

Как часто и какие испытания необходимо проводить на стационарном трансформаторе?

Периодичность регламентируется ПТЭЭП и нормами испытания электрооборудования. Основные виды и типовые сроки:

• Измерение сопротивления изоляции обмоток и вводов: 1 раз в 6 лет для трансформаторов 35 кВ и выше, 1 раз в 2 года для до 35 кВ.
• Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции (tg δ): 1 раз в 6 лет для 110 кВ и выше.
• Хроматографический анализ газов в масле: Для 110 кВ и выше — не реже 1 раза в 6 месяцев, для 35 кВ — не реже 1 раза в год.
• Испытание масла на электрическую прочность: 1 раз в год для трансформаторов 35 кВ и выше.
• Измерение сопротивления обмоток постоянному току: При капитальном ремонте или при выявлении отклонений по ХРГ.

Объем испытаний может увеличиваться при неудовлетворительных результатах предыдущих проверок.

Что показывает газовая защита (ДЗГ) и как действовать при ее срабатывании?

Газовое реле (реле Бухгольца) устанавливается в маслопроводе между баком и расширителем. Оно реагирует на выделение газов при медленных тепловых или дуговых процессах внутри бака (легкое газообразование — сигнализация) и на быстрый поток масла при резком внутреннем повреждении (например, межвитковое замыкание) — отключение. При сигнале необходимо отобрать пробы масла и газа для хроматографического анализа. При отключении запрещено включать трансформатор до выяснения и устранения причины срабатывания защиты.