Силовые трансформаторы
Силовые трансформаторы: устройство, классификация, эксплуатация и стандарты
Силовой трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Основная функция в энергосистемах — повышение напряжения для минимизации потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния и его понижение до безопасных и рациональных уровней для распределения и конечного потребления.
Принцип действия и основные конструктивные элементы
При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в магнитопроводе создается переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Величина наведенной ЭДС пропорциональна числу витков обмотки. Соотношение напряжений на первичной (U1) и вторичной (U2) обмотках приблизительно равно соотношению чисел витков (N1 и N2): U1/U2 ≈ N1/N2 = k, где k — коэффициент трансформации. При k > 1 трансформатор является понижающим, при k < 1 — повышающим.
Основные конструктивные элементы силового трансформатора:
- Активная часть:
- Магнитопровод (сердечник): Собирается из листов электротехнической стали (чаще всего холоднокатаной, с ориентированной зернистой структурой — анизотропной). Листы изолируются друг от друга лаковым покрытием для уменьшения потерь на вихревые токи. Конструкция — стержневая, броневая или тороидальная.
- Обмотки: Изготавливаются из медного или алюминиевого изолированного провода (для малых мощностей) или алюминиевой/медной ленты (для больших мощностей). Различают обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения. По конструкции — цилиндрические, винтовые, непрерывно-катушечные, дисковые.
- Система охлаждения: Обеспечивает отвод тепла от активной части. Типы систем обозначаются аббревиатурой:
- Масляные трансформаторы: Сухие (С), Масляные с естественной циркуляцией воздуха и масла (М), С дутьем и естественной циркуляцией масла (Д), С принудительной циркуляцией масла и воды (Ц), С принудительной циркуляцией масла и дутьем (ДЦ).
- Сухие трансформаторы: Естественное воздушное охлаждение (AN), Принудительное воздушное охлаждение (AF).
- Бак трансформатора: Герметичный стальной резервуар, заполненный трансформаторным маслом (для масляных типов). Масло выполняет функции изоляции и охлаждения. Бак оснащается расширителем (консерватором) для компенсации теплового расширения масла.
- Вводы (проходные изоляторы): Обеспечивают электрическое соединение обмоток с внешней сетью и изоляцию токоведущих частей от заземленного бака. Бывают воздушные, маслонаполненные, шинные, с полимерной или фарфоровой изоляцией.
- Вспомогательное оборудование: Реле газовой защиты (Бухгольца), термосифонные или адсорбционные фильтры для очистки масла, устройства регулирования напряжения (РПН или ПБВ), система контроля температуры, устройства защиты от перенапряжений.
- ПБВ (Переключение Без Возбуждения): Устройство ручного переключения ответвлений обмотки, выполняемое только при полном отключении трансформатора от сети. Обычно имеет 3-5 ступеней (±5% от Uном). Применяется в трансформаторах, где регулирование требуется редко (сезонное).
- РПН (Регулирование Под Нагрузкой): Сложное устройство, позволяющее переключать ответвления обмотки без разрыва тока нагрузки. Обеспечивает плавное регулирование напряжения в широком диапазоне (обычно ±16% с шагом 1.25-1.5%). Состоит из селектора, коммутатора, приводного механизма и системы токоограничения. Является обязательным элементом для трансформаторов на узловых подстанциях.
- Допустимые перегрузки: Определяются старением изоляции (правило Монтсингера). Допускаются систематические и аварийные перегрузки, регламентированные ГОСТ или руководством по эксплуатации, в зависимости от начальной температуры масла и охлаждающей среды, продолжительности и предшествующей нагрузки.
- Контроль состояния: Включает в себя:
- Визуальный осмотр (состояние вводов, маслоуказателей, отсутствие течей).
- Контроль температуры (верхних слоев масла, обмотки).
- Анализ газов, растворенных в масле (Хроматографический анализ — ДГА). Является основным методом выявления скрытых дефектов (перегревы, разряды, дуги).
- Измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром).
- Измерение сопротивления обмоток постоянному току.
- Испытание повышенным напряжением промышленной частоты и импульсным.
- Техническое обслуживание: Регламентные работы по проверке срабатывания защит, очистке изоляторов, замене силикагеля в адсорберах, контролю и доливке масла, проверке работы систем охлаждения и РПН.
- номер = угол). Y/D-11 означает: обмотка ВН соединена в звезду, НН — в треугольник, а вектор ЭДС НН опережает вектор ЭДС ВН на 330° (или отстает на 30°).
Классификация силовых трансформаторов
Трансформаторы классифицируются по ряду ключевых параметров, определяющих их область применения и конструктивное исполнение.
| Критерий классификации | Типы | Краткое описание и область применения |
|---|---|---|
| Назначение | Повышающие | Устанавливаются на электростанциях для повышения напряжения генераторов до уровня ЛЭП (110-1150 кВ). |
| Понижающие | Устанавливаются в узловых подстанциях и у потребителей для понижения напряжения до уровня распределительных сетей (35 кВ и ниже) и конечного потребления (0.4 кВ). | |
| Количество фаз | Однофазные | Часто используются для очень высоких напряжений (500 кВ и выше) или в качестве фазных групп. Легче в транспортировке. |
| Трехфазные | Наиболее распространенный тип для всех уровней напряжения. Компактнее и экономичнее группы из трех однофазных. | |
| Тип изоляции и охлаждения | Масляные (жидкостные) | Основной тип для средних и высоких напряжений. Высокая диэлектрическая прочность и теплоемкость масла. Требуют маслоприемников и систем пожаротушения. |
| Сухие (с литой изоляцией или воздушные) | Обмотки изолированы твердыми материалами (эпоксидная смола, стекловолокно). Пожаробезопасны, экологичны. Применяются внутри зданий (метро, ТЦ, промышленные предприятия). Ограничены по напряжению (обычно до 35 кВ) и мощности. | |
| С негорючим жидким диэлектриком (совтол, MIDEL) | Альтернатива масляным для пожароопасных объектов. Дороже, но обладают высокой температурой воспламенения и биоразлагаемостью. | |
| Число обмоток | Двухобмоточные | Имеют одну первичную и одну вторичную обмотку на фазу. Самый простой и распространенный тип. |
| Трехобмоточные и более | Имеют три или более обмоток на фазу (ВН, СН, НН). Используются на узловых подстанциях для связи сетей разных напряжений. | |
| Автотрансформаторы | Одно- и трехфазные | Первичная и вторичная цепи имеют гальваническую связь через общую часть обмотки. Экономичнее по материалам, имеют меньшие потери и габариты. Применяются для связи сетей близких напряжений (220/110 кВ, 330/150 кВ). |
Основные параметры и характеристики
Технические характеристики трансформатора определяются его паспортными данными, указанными на щитке (шильдике).
| Параметр | Обозначение | Пояснение |
|---|---|---|
| Номинальная мощность | Sном, кВА | Полная мощность на основном ответвлении, которую трансформатор может передавать в продолжительном режиме работы без превышения допустимой температуры. Для двухобмоточного: Sном = Uном Iном √3. |
| Номинальные напряжения обмоток | Uном1/Uном2, кВ | Линейные напряжения первичной и вторичной обмоток, на которые рассчитан трансформатор. Указываются в формате «Напряжение ВН / Напряжение НН». |
| Номинальные токи обмоток | Iном1/Iном2, А | Токи, соответствующие номинальной мощности и номинальным напряжениям. |
| Номинальная частота | f, Гц | Частота сети, для которой предназначен трансформатор (50 Гц в РФ и СНГ, 60 Гц в некоторых странах). |
| Схема и группа соединения обмоток | Например, Y/D-11 | Обозначает схему соединения (Y — звезда, D — треугольник, Z — зигзаг) и угловой сдвиг фаз между векторами ЭДС обмоток ВН и НН, кратный 30°. |
| Напряжение короткого замыкания | Uк, % | Важнейший параметр, определяющий внутреннее сопротивление трансформатора. Это напряжение, которое нужно приложить к первичной обмотке при замкнутой вторичной, чтобы в ней протекал номинальный ток. Влияет на ток КЗ, потери и изменение напряжения. |
| Потери холостого хода | ΔPх, кВт | Мощность, потребляемая трансформатором при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной. Определяются потерями в магнитопроводе. |
| Потери короткого замыкания | ΔPк, кВт | Мощность, потребляемая при номинальном токе в обмотках и замкнутых накоротко выводах вторичной обмотки. Определяются потерями в меди (алюминии) обмоток. |
| Ток холостого хода | I0, % | Ток первичной обмотки при номинальном напряжении и разомкнутой вторичной. Обычно составляет 0.1-3% от Iном. |
Системы регулирования напряжения
Для поддержания стабильного уровня напряжения у потребителей при изменении нагрузки и напряжения в питающей сети трансформаторы оснащаются устройствами регулирования коэффициента трансформации.
Эксплуатация, диагностика и обслуживание
Эксплуатация силовых трансформаторов регламентируется ПТЭЭП, ПУЭ и заводскими инструкциями. Ключевые аспекты:
Тенденции развития и энергоэффективность
Современное трансформаторостроение ориентировано на повышение надежности и снижение эксплуатационных затрат за счет уменьшения потерь энергии. Внедряются новые классы электротехнических сталей с аморфной или наноструктурированной структурой, позволяющие снизить потери холостого хода на 60-70%. Активно развивается направление интеллектуальных трансформаторов (Smart Transformers), оснащенных встроенными системами онлайн-мониторинга (датчики частичных разрядов, влажности, давления, ДГА в реальном времени), что переводит обслуживание на предиктивную (прогнозную) модель. Ужесточаются экологические требования, стимулирующие применение нетоксичных, биоразлагаемых жидких диэлектриков и совершенствование систем сбора и утилизации масла.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается трансформатор от автотрансформатора?
В обычном трансформаторе обмотки ВН и НН электрически изолированы, и передача энергии происходит только электромагнитным путем. В автотрансформаторе обмотки ВН и НН имеют общую часть, поэтому энергия передается как электромагнитным путем, так и за счет непосредственной электрической связи. Это делает автотрансформатор более дешевым, компактным и с лучшими показателями КПД, но лишает его гальванической развязки и повышает ток короткого замыкания.
Как выбрать между масляным и сухим трансформатором?
Выбор определяется местом установки и требованиями безопасности. Сухие трансформаторы применяются внутри жилых, общественных, промышленных зданий (вводно-распределительные устройства, цеха), где недопустима утечка масла из-за пожароопасности и экологических требований. Их мощность, как правило, ограничена 2500-4000 кВА, напряжение — 35 кВ. Масляные трансформаторы используются на открытых распределительных подстанциях, где их мощность и напряжение могут достигать сотен МВА и сотен кВ соответственно. Они требуют маслоприемников и систем пожаротушения.
Что такое напряжение короткого замыкания и почему оно важно?
Напряжение короткого замыкания (Uк) — это импеданс трансформатора в процентах от номинального напряжения. Оно определяет:
1. Величину тока короткого замыкания во вторичной цепи: чем выше Uк, тем меньше ток КЗ.
2. Внутреннее падение напряжения в трансформаторе под нагрузкой.
3. Параллельную работу трансформаторов: для равномерного распределения нагрузки Uк трансформаторов должны быть максимально близки (допустимое отклонение обычно не более 10% от среднего значения).
Как расшифровать группу соединений обмоток, например, Y/D-11?
Буквы обозначают схему соединения обмоток: Y (или y) — звезда, D (или d) — треугольник, Z (или z) — зигзаг. Заглавная буква — для обмотки ВН, строчная — для НН. Цифра (от 0 до 11) указывает угол сдвига фаз между векторами линейных ЭДС ВН и НН, выраженный в часах циферблата (30°
В чем заключается суть хроматографического анализа газов (ДГА) и какие дефекты он выявляет?
ДГА — это метод диагностики, основанный на определении состава и концентрации газов (H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO, CO2), образующихся в масле при термическом или электрическом разложении изоляции. Соотношение газов является «отпечатком» определенного типа дефекта:
— Высокое содержание водорода (H2) и метана (CH4) — часто указывает на частичные разряды.
— Преобладание этилена (C2H4) — признак термического перегрева масла и изоляции (>700°C).
— Наличие ацетилена (C2H2) даже в малых количествах — серьезный признак дуговых разрядов.
— Окись углерода (CO) и углекислый газ (CO2) — продукты перегрева целлюлозной изоляции (бумаги).
Каковы основные причины выхода из строя силовых трансформаторов?
Статистика показывает, что основными причинами отказов являются:
1. Деградация изоляции: Старение под воздействием тепла, влаги, кислорода и электрических нагрузок — основная доля отказов.
2. Повреждения вводов: Распространенная причина, связанная с нарушением герметичности, увлажнением, механическими повреждениями.
3. Неисправности устройств РПН: Износ контактов, проблемы с приводным механизмом, загрязнение масла в отсеке РПН.
4. Электрические перегрузки и короткие замыкания: Приводят к механическим деформациям обмоток и разрушению изоляции.
5. Нарушения в системе охлаждения: Выход из строя вентиляторов, насосов, засорение радиаторов, приводящие к перегреву.