Промышленный трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения при неизменной частоте. Основное применение в промышленности заключается в распределении электроэнергии от высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) к уровням напряжения, пригодным для питания оборудования предприятий, а также для гальванической развязки и питания силовых установок (печей, выпрямителей, преобразователей частоты). Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции.
Промышленные трансформаторы систематизируют по ряду ключевых признаков, определяющих их конструктивное исполнение и область применения.
Трехобмоточные: Имеют одну первичную и две вторичные обмотки на фазу (например, на напряжения 10 кВ и 0,4 кВ).
Конструктивно промышленный трансформатор состоит из следующих ключевых элементов.
Выполняется из листовой электротехнической стали с высоким содержанием кремния, толщиной 0.3-0.5 мм, покрытой изолирующим лаком для снижения потерь на вихревые токи. Собирается в виде стержневой или броневой конструкции. Стержни, на которых размещаются обмотки, соединены ярмами, замыкающими магнитную цепь.
Изготавливаются из медного или алюминиевого изолированного провода (для сухих трансформаторов) или прямоугольной медной/алюминиевой шины (для масляных). Различают цилиндрические, винтовые и непрерывно-катушечные обмотки. Располагаются концентрически на стержнях магнитопровода: ближе к стержню обычно размещается обмотка низшего напряжения (НН), снаружи – обмотка высшего напряжения (ВН). Между обмотками и стержнем устанавливаются изоляционные барьеры и каналы для циркуляции охлаждающей среды.
Проходные изоляторы, обеспечивающие электрическое соединение обмоток с внешней сетью. Для масляных трансформаторов на напряжение до 35 кВ применяются фарфоровые вводы, на более высокие напряжения – маслонаполненные или элегазовые.
Выбор трансформатора осуществляется на основе анализа его паспортных данных, приведенных на заводской табличке (шильдике).
| Параметр | Обозначение/Единица измерения | Пояснение |
|---|---|---|
| Номинальная мощность | Sном, кВА | Полная мощность, на которую трансформатор рассчитан для длительной работы в номинальных условиях (температура охлаждающей среды, высота над уровнем моря). |
| Номинальные напряжения обмоток | Uном ВН/Uном НН, кВ | Линейные напряжения первичной (ВН) и вторичной (НН) обмоток. Указывается также схема и группа соединений (например, Y/yn0, D/yn11). |
| Номинальный ток обмоток | Iном, А | Ток, соответствующий номинальной мощности и напряжению. |
| Напряжение короткого замыкания | Uк, % | Напряжение, при подведении которого к одной обмотке при замкнутой накоротко другой, в обмотках протекают номинальные токи. Определяет внутреннее сопротивление и ток КЗ. |
| Потери короткого замыкания | Pк, кВт | Активные потери в трансформаторе при номинальном токе. Определяются нагревом обмоток. |
| Потери холостого хода | Pх, кВт | Активные потери в магнитопроводе при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной. |
| Ток холостого хода | I0, % | Ток первичной обмотки при режиме холостого хода. |
Трансформаторы допускают систематические и аварийные перегрузки, регламентированные стандартами (например, ГОСТ). Допустимая перегрузка зависит от предшествующего режима (коэффициента предварительной нагрузки), температуры охлаждающей среды и конструкции системы охлаждения. Для масляных трансформаторов существуют графики допустимых перегрузок по продолжительности.
Для параллельного включения трансформаторов необходимо одновременное соблюдение следующих условий: равенство номинальных напряжений и коэффициентов трансформации, одинаковая группа соединения обмоток, близкие значения напряжения короткого замыкания (Uк), соотношение мощностей не более 1:3.
Обязательными являются устройства релейной защиты: дифференциальная токовая защита (от внутренних повреждений), газовая защита (от повреждений, сопровождающихся выделением газа), максимальная токовая защита (от внешних КЗ), защита от перегрева.
Выбор осуществляется на основе технико-экономического расчета с учетом следующих факторов:
Ключевое отличие – вид охлаждающей и изолирующей среды. Сухие трансформаторы используют воздух и твердую изоляцию обмоток (литую или открытую), масляные – жидкое диэлектрическое масло. Это определяет область применения: сухие – для пожароопасных помещений и объектов с высокими требованиями экологии, масляные – для наружной установки и больших мощностей, где важна эффективность теплоотвода.
Uк – это процентное отношение напряжения, необходимого для создания номинального тока в замкнутых накоротко обмотках, к номинальному напряжению. Фактически, это мера внутреннего полного сопротивления трансформатора. От Uк зависят: ток короткого замыкания во вторичной цепи (чем выше Uк, тем ниже ток КЗ), падение напряжения под нагрузкой, условия для параллельной работы. Стандартные значения: 4.5-6% для распределительных трансформаторов 10/0.4 кВ, 8-12% для печных и преобразовательных.
Расчетная нагрузка цеха определяется по установленной мощности оборудования с учетом коэффициентов спроса (Kc), одновременности (Ko) и загрузки. Предварительно мощность трансформатора Sтр выбирается равной или несколько превышающей расчетную максимальную нагрузку Sрасч. Допускается систематическая нагрузка до 100% номинала с учетом графика нагрузок и температуры окружающей среды. Для двухтрансформаторной подстанции обычно выбирают трансформаторы такой мощности, чтобы при отключении одного оставшийся мог нести нагрузку наиболее ответственных потребителей (70-80% от общей).
И РПН (регулирование под нагрузкой), и ПБВ (переключение без возбуждения) служат для изменения коэффициента трансформации путем переключения отводов обмотки. Принципиальное отличие: РПН позволяет производить переключение без прерывания подачи напряжения потребителю, что критично для сетей, где недопустимы перерывы в питании. ПБВ требует полного отключения трансформатора от сети. РПН – сложное и дорогое устройство, применяемое на трансформаторах высокой мощности и ответственных объектах. ПБВ – проще и дешевле, обычно имеет 3-5 фиксированных положений.
Медь имеет более высокую электропроводность, что позволяет при той же мощности создать трансформатор с меньшими потерями нагрузки (Pк) и, как правило, с лучшими массогабаритными показателями. Однако медь дороже. Алюминиевые обмотки дешевле, но для обеспечения той же проводимости требуют большего сечения, что увеличивает габариты. Экономическую целесообразность определяет расчет стоимости потерь за весь срок службы. Для трансформаторов с высокой загрузкой часто более выгодны медные обмотки из-за меньших эксплуатационных расходов.