Трансформаторы

Трансформаторы: принцип действия, конструкция, классификация и эксплуатация

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Основными элементами являются замкнутый магнитопровод (сердечник), собранный из листов электротехнической стали, и изолированные обмотки, намотанные на него. Обмотка, подключенная к источнику энергии, называется первичной, а обмотка, к которой присоединяются приемники энергии — вторичной. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток, который, пронизывая витки вторичной обмотки, индуцирует в ней электродвижущую силу (ЭДС). Соотношение напряжений на обмотках приближенно равно соотношению чисел витков: U1/U2 ≈ w1/w2 = k, где k — коэффициент трансформации.

Классификация трансформаторов

Трансформаторы классифицируются по ряду ключевых признаков, определяющих их конструкцию и область применения.

По назначению:

Силовые трансформаторы: Предназначены для преобразования электрической энергии в электрических сетях и установках, потребляющих электроэнергию. Это наиболее распространенный тип (масляные, сухие).
Измерительные трансформаторы: Предназначены для безопасного измерения высоких напряжений и больших токов. Делятся на трансформаторы напряжения (ТН) и трансформаторы тока (ТТ).
Автотрансформаторы: Имеют одну обмотку с несколькими выводами, часть которой является общей для первичной и вторичной цепи. Обладают меньшими габаритами и массой, но гальваническая связь между сетями сохраняется.
Испытательные и лабораторные трансформаторы: Для создания высоких напряжений при испытаниях электрооборудования.
Специальные трансформаторы: Печные, сварочные, выпрямительные, пик-трансформаторы и др.

По конструкции системы охлаждения:

Масляные (жидкостные): Магнитопровод с обмотками погружен в бак, заполненный трансформаторным маслом, которое служит одновременно изоляцией и теплоносителем. Охлаждение естественное (М) или принудительное (Д, Ц).
Сухие: Обмотки и магнитопровод открыты и охлаждаются атмосферным воздухом естественно (С) или принудительно (СД). Изоляция — литая эпоксидная смола или пропитанные компаундами обмотки (класс нагревостойкости F, H, C).
С негорючим жидким диэлектриком (совтол, фторкетон): Применяются в пожароопасных помещениях.

По числу фаз:

Однофазные
Трехфазные (группа из трех однофазных или один трехфазный)

По числу обмоток:

Двухобмоточные
Трехобмоточные
Многообмоточные

Конструкция силового масляного трансформатора

Основные элементы масляного трансформатора:

Активная часть: Магнитопровод (шихтованный из изолированных листов холоднокатаной анизотропной стали) и обмотки (из медного или алюминиевого провода, цилиндрические или винтовые).
Бак: Стальной резервуар для размещения активной части и масла. Может иметь радиаторы, гофрированные стенки или систему принудительного охлаждения с насосами и вентиляторами.
Вводы: Проходные изоляторы (фарфоровые или полимерные) для вывода концов обмоток из бака.
Система охлаждения: Естественная масляно-воздушная (М), с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д), с принудительной циркуляцией масла и дутьем (Ц).
Расширитель: Цилиндрический сосуд, соединенный с баком, компенсирующий изменение объема масла при изменении температуры.
Газовое реле (РГЧЗ): Устанавливается в трубопроводе между баком и расширителем. Реагирует на газообразование при слабых повреждениях (сигнал) и на резкий поток масла при серьезных неисправностях (отключение).
Выключатель нагрузки (на вводе 10 кВ) или встроенный силовой выключатель.
Устройство РПН (регулирование под нагрузкой) или ПБВ (переключение без возбуждения): Для изменения коэффициента трансформации и поддержания уровня напряжения.

Конструкция сухого трансформатора

Сухие трансформаторы не имеют масла и открытых токоведущих частей. Обмотки низкого и высокого напряжения изготавливаются из медного или алюминиевого провода и заливаются литой эпоксидной изоляцией (трансформаторы с литой изоляцией) или пропитываются специальными составами в вакуумной камере (вакуумная пропитка). Магнитопровод защищен от воздействия среды. Охлаждение — естественное воздушное (AN) или принудительное (AF). Классы изоляции: F (155°C), H (180°C), C (свыше 180°C).

Основные параметры и характеристики

Номинальные данные указываются на паспортной табличке (шильдике) трансформатора.

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Пояснение
Номинальная мощность	S_ном	кВА	Полная мощность, на которую трансформатор рассчитан для длительной работы в номинальных условиях.
Номинальное напряжение первичной/вторичной обмотки	U_1ном/U_2ном	кВ	Напряжение, на которое рассчитана обмотка. Для вторичной обмотки указывается напряжение при холостом ходе.
Номинальный ток первичной/вторичной обмотки	I_1ном/I_2ном	А	Ток, соответствующий номинальной мощности и напряжению.
Напряжение короткого замыкания	U_к или u_к	В или %	Напряжение, при подведении которого к одной обмотке при замкнутой накоротко другой, в ней протекает номинальный ток. Важный параметр для расчета токов КЗ и параллельной работы.
Потери холостого хода	ΔP_хх	кВт	Мощность, потребляемая трансформатором при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной. Определяются потерями в магнитопроводе.
Потери короткого замыкания	ΔP_кз	кВт	Мощность, потребляемая при опыте короткого замыкания (номинальный ток в обмотках). Определяются нагревом обмоток.
Ток холостого хода	I_хх	% от I_ном	Ток в первичной обмотке при разомкнутой вторичной и номинальном напряжении. Обычно 0,5-3%.
Схема и группа соединения обмоток	—	—	Обозначение способа соединения фазных обмоток (звезда Y, треугольник D, зигзаг Z) и углового сдвига между ЭДС (например, Y/yn0, D/yn11).

Режимы работы трансформатора

1. Режим холостого хода

Вторичная обмотка разомкнута. Ток первичной обмотки I₀ составляет 0,5-3% от номинального. Потребляемая мощность идет на покрытие потерь в стали магнитопровода (гистерезис и вихревые токи). Используется для определения коэффициента трансформации, потерь холостого хода и тока холостого хода.

2. Режим нагрузки

Вторичная обмотка подключена к нагрузке. Ток нагрузки создает магнитодвижущую силу (МДС), которая размагничивает сердечник. Для поддержания основного магнитного потока первичный ток автоматически увеличивается. Происходят потери в меди обмоток и дополнительные потери в элементах конструкции.

3. Режим короткого замыкания

Вторичная обмотка замкнута накоротко. К первичной обмотке подводится пониженное напряжение U_к (5-10% от номинального), при котором в обмотках устанавливаются номинальные токи. Потребляемая мощность равна потерям короткого замыкания. Используется для определения U_к и ΔP_кз.

Параллельная работа трансформаторов

Для увеличения общей мощности или обеспечения резервирования трансформаторы включают параллельно на общие шины. Необходимые условия:

Равенство номинальных первичных и вторичных напряжений (коэффициентов трансформации).
Одинаковые группы соединения обмоток.
Равенство напряжений короткого замыкания (U_к). Допустимое отклонение не более 10%.
Соотношение номинальных мощностей параллельно работающих трансформаторов не более 1:3 (при условии равенства U_к).

Несоблюдение первых двух условий приводит к возникновению уравнительных токов, значительно превышающих номинальные. Неравенство U_к приводит к неравномерному распределению нагрузки (трансформатор с меньшим U_к будет нагружен больше).

Техническое обслуживание и диагностика

Эксплуатация трансформаторов включает регулярные осмотры, измерения и анализ состояния.

Для масляных трансформаторов:

Визуальный контроль: Уровень масла в расширителе, отсутствие течей, состояние вводов, силикагеля в воздухоосушителе.
Контроль температуры: Обмотки (термометры сопротивления), верхних слоев масла.
Хроматографический анализ растворенных в масле газов (ДРГ): Главный метод ранней диагностики скрытых дефектов (перегревы, разряды, дуги) по составу и концентрации газов (H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, CO).
Анализ физико-химических свойств масла: Пробивное напряжение, тангенс угла диэлектрических потерь, кислотное число.
Измерение сопротивления изоляции обмоток (мегаомметром) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) изоляции.
Измерение сопротивления обмоток постоянному току.
Проверка работы устройства РПН.

Для сухих трансформаторов:

Визуальный контроль состояния литой изоляции на предмет трещин, сколов.
Очистка обмоток и магнитопровода от пыли.
Проверка системы принудительного охлаждения (вентиляторы).
Измерение сопротивления изоляции обмоток.

Тенденции развития

Повышение энергоэффективности: Производство трансформаторов с пониженными потерями холостого хода и короткого замыкания (классы потерь: стандартные, пониженные — P₀, P_k, сильно пониженные — P₀₀, P_kk). Использование аморфных металлических сплавов для магнитопровода.
Развитие сухих технологий: Расширение диапазона мощностей и напряжений сухих трансформаторов, совершенствование систем охлаждения.
Внедрение интеллектуальных систем мониторинга (Smart Grid): Встраиваемые датчики температуры, давления, влажности, ДРГ-мониторы в реальном времени, онлайн-диагностика и прогнозирование остаточного ресурса.
Экологичность: Замена ПХБ-содержащих жидкостей, применение биоразлагаемых масел, совершенствование систем утилизации.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем определяется выбор между масляным и сухим трансформатором?

Выбор зависит от места установки и требований безопасности. Сухие трансформаторы применяются внутри помещений (жилые, общественные, промышленные здания), особенно на нижних этажах и в пожароопасных зонах, так как не имеют масла, способного гореть и выделять токсичные продукты. Масляные трансформаторы устанавливаются на открытых подстанциях на улице или в специальных трансформаторных камерах с противопожарными требованиями. Они, как правило, дешевле и надежнее в сетях высокого и сверхвысокого напряжения, имеют больший ресурс и лучше охлаждаются.

Что такое напряжение короткого замыкания и почему оно важно?

Напряжение короткого замыкания U_к — это процентное отношение напряжения, при котором в замкнутой накоротко вторичной обмотке протекает номинальный ток, к номинальному напряжению. Это важнейший параметр, определяющий внутреннее сопротивление трансформатора. От U_к зависят: ток короткого замыкания на шинах низшего напряжения (чем больше U_к, тем меньше ток КЗ), перераспределение нагрузок при параллельной работе, изменение напряжения на вторичных шинах при нагрузке (внешняя характеристика). Нормативные значения для трансформаторов 6-10 кВ обычно составляют 4.5%, 5.5%, 6% и т.д.

Как правильно интерпретировать результаты хроматографического анализа газов в масле?

Интерпретация ведется по методу отношений (Rogers, Doernenburg) или по концентрациям и темпам роста ключевых газов. Наличие ацетилена (C₂H₂) даже в малых количествах — признак дугового разряда. Высокие концентрации этилена (C₂H₄) и водорода (H₂) указывают на перегрев масла и/или разряды. Метан (CH₄) и этан (C₂H₆) характерны для термического разложения масла при умеренных температурах. Окись углерода (CO) и углекислый газ (CO₂) — признаки перегрева целлюлозной изоляции. Опасным считается не только абсолютное значение, но и скорость накопления газов. Решение о выводе трансформатора в ремонт принимается на основе комплексного анализа.

Что такое РПН и ПБВ и в чем их ключевое отличие?

И РПН (Регулирование Под Нагрузкой), и ПБВ (Переключение Без Возбуждения) служат для изменения коэффициента трансформации с целью поддержания уровня напряжения у потребителей. Ключевое отличие: устройство ПБВ (обычно имеет 3-5 положений, ±2х2.5%) позволяет переключать ответвления обмотки только при полном отключении трансформатора от сети (без возбуждения). Устройство РПН осуществляет переключение ответвлений под нагрузкой, без прерывания питания потребителей, и может делать это автоматически по сигналу системы регулирования напряжения. РПН — сложное и дорогое электромеханическое устройство, требующее особого обслуживания.

Каковы основные причины выхода из строя силовых трансформаторов?

Повреждение изоляции: Основная причина (более 70% отказов). Старение, увлажнение, перегревы, воздействие перенапряжений (грозовых, коммутационных), дефекты изготовления.
Неисправности устройства РПН: Износ контактов, поломки приводного механизма, утечка масла из отдельного бака РПН.
Повреждения вводов: Распространенный тип отказа из-за трещин в фарфоре, увлажнения, коронных разрядов.
Механические повреждения обмоток при коротких замыканиях: Недостаточная электродинамическая стойкость.
Нарушения системы охлаждения: Отказ вентиляторов, насосов, засорение радиаторов.
Утечки масла и последующее нарушение изоляции и охлаждения.