Трансформаторы силовые

Трансформаторы силовые: 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 на стороне генерации 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 уравнения

Работа трансформатора основана на взаимной индукции между двумя или более обмотками, намотанными на общий магнитопровод. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Φ, который, пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС). Основное соотношение, связывающее напряжения и числа витков обмоток, задается формулой: U₁/U₂ ≈ N₁/N₂ = k, где U₁, U₂ — напряжения на обмотках, N₁, N₂ — числа витков, k — коэффициент трансформации. При k > 1 трансформатор является понижающим, при k < 1 — повышающим.

Конструктивное исполнение и основные компоненты

Конструкция силового трансформатора включает в себя несколько ключевых элементов, каждый из которых выполняет критически важную функцию.

Магнитопровод (сердечник)

Изготавливается из листовой электротехнической стали (чаще всего холоднокатаной, с ориентированной зернистой структурой — ГОСТ 21427.1-83) толщиной 0.23-0.35 мм. Листы изолируются друг от друга лаковым покрытием для уменьшения потерь на вихревые токи. Конструктивно магнитопроводы делятся на стержневые, броневые и тороидальные. В силовых трансформаторах наиболее распространена стержневая конструкция. Сборка осуществляется внахлест (вперекрышку) для обеспечения низкого магнитного сопротивления.

Обмотки

Выполняются из медного или алюминиевого изолированного провода (для малых мощностей) или алюминиевой/медной ленты (для больших мощностей). По взаимному расположению различают концентрические (обмотки НН и ВН размещены на одном стержне концентрически) и чередующиеся (катушки НН и ВН чередуются вдоль стержня) обмотки. В масляных трансформаторах применяются преимущественно концентрические обмотки. Изоляция обмоток классифицируется на витковую, междуслойную, междукатушечную и главную (изоляция от земли и других обмоток).

Система охлаждения и изоляционная среда

Отвод тепла, выделяющегося вследствие потерь в стали и меди, является важнейшей задачей. В зависимости от мощности и конструкции применяются следующие системы охлаждения (классификация по ГОСТ 11677-85):

• Сухие трансформаторы: (С) — открытого исполнения; (СЗ) — в защитном кожухе; (СГ) — герметичные, с газовым наполнением. Охлаждение воздушное, естественное или принудительное.
• Масляные трансформаторы:
  • М — естественное масляное охлаждение (масляные радиаторы).
  • Д — масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (радиаторы с вентиляторами).
  • ДЦ — масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (насосы + вентиляторы).
  • НДЦ — направленное масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель.

В качестве жидкого диэлектрика используется минеральное трансформаторное масло (ГОСТ 982-80), которое также выполняет функцию дугогашения в переключающих устройствах. В современных конструкциях применяются также синтетические жидкости (совтол), а также элегаз (SF6).

Вспомогательное оборудование

• Расширительный бак (консерватор): Компенсирует изменение объема масла при температурных колебаниях, уменьшает площадь контакта масла с воздухом.
• Дыхательный аппарат (силикагелевый адсорбер): Осушает воздух, поступающий в расширительный бак.
• Газовое реле (реле Бухгольца): Устанавливается в маслопроводе между баком и расширителем. Реагирует на выделение газов при медленном разложении изоляции (сигнал) и на резкое падение давления при внутренних повреждениях (отключение).
• Вводы: Проходные изоляторы, обеспечивающие электрическое соединение обмоток с сетью. Бывают воздушные, маслонаполненные, с бумажно-масляной изоляцией, элегазовые.
• Устройство РПН (Регулирование Под Нагрузкой) или ПБВ (Переключение Без Возбуждения): Позволяет изменять коэффициент трансформации для поддержания уровня напряжения в сети. РПН позволяет производить переключения без отключения нагрузки.

Классификация и типы силовых трансформаторов

Критерий классификации	Типы	Краткое описание и область применения
По числу фаз	Однофазные	Применяются в основном для больших единичных мощностей, часто в группах на подстанциях сверхвысокого напряжения.
	Трехфазные	Наиболее распространенный тип для сетей 6-750 кВ.
По числу обмоток	Двухобмоточные	Имеют одну первичную и одну вторичную обмотку на фазу.
	Трехобмоточные	Имеют одну первичную и две вторичные обмотки на фазу (например, на напряжения 110, 35 и 10 кВ).
	Многообмоточные (расщепленные)	Обмотка НН разделена на несколько параллельных ветвей с повышенным сопротивлением между ними для ограничения токов КЗ.
По способу охлаждения	Масляные	См. выше. Основной тип для напряжений от 35 кВ и мощностей от 1000 кВА.
	Сухие (воздушные)	Обмотки с литой или пропитанной изоляцией. Применяются внутри помещений (ЗРУ, ЦОД, объекты инфраструктуры) из-за пожаробезопасности.
	С жидким негорючим диэлектриком	Трансформаторы, заполненные синтетическим эстером или кремнийорганической жидкостью. Для особо ответственных объектов с высокими требованиями пожарной безопасности.
По назначению	Повышающие	Устанавливаются на электростанциях.
	Понижающие	Устанавливаются на подстанциях потребителей.
По уровню напряжения	Низковольтные (до 1 кВ)	Распределительные трансформаторы малой мощности.
	Среднего напряжения (6-35 кВ)	Распространенный класс для распределительных сетей.
	Высокого и сверхвысокого напряжения (110 кВ и выше)	Системообразующие и сетевые трансформаторы.

Основные параметры и характеристики

• Номинальная мощность (S_ном, кВА): Полная мощность на основном ответвлении, которую трансформатор может длительно передавать при номинальных условиях без превышения допустимых температур.
• Номинальные напряжения (U_1ном/U_2ном, кВ): Напряжения первичной и вторичной обмоток, указанные в паспорте.
• Номинальный ток (I_ном, А): Ток, соответствующий номинальной мощности и напряжению.
• Напряжение короткого замыкания (U_к, %): Важнейший параметр, определяющий внутреннее сопротивление трансформатора. Это напряжение, которое необходимо приложить к первичной обмотке при замкнутой вторичной, чтобы в ней протек номинальный ток. Влияет на ток КЗ, потери и изменение напряжения под нагрузкой. Для трансформаторов 10(6)/0,4 кВ обычно составляет 4-6%, для 110/10 кВ — 10.5%.
• Потери мощности:
  • Потери холостого хода (P_хх, кВт): Потери в магнитопроводе при номинальном напряжении на первичной обмотке и разомкнутой вторичной. Зависят от качества стали и технологии сборки сердечника.
  • Потери короткого замыкания (P_кз, кВт): Потери в обмотках (и частично в элементах конструкции) при номинальном токе и замкнутой накоротко вторичной обмотке. Зависят от материала и сечения проводников.
• Ток холостого хода (I_хх, %): Ток в первичной обмотке при номинальном напряжении и разомкнутой вторичной. Обычно составляет 0.1-3% от I_ном.
• Схема и группа соединения обмоток: Обозначает способ соединения фазных обмоток (звезда Y, треугольник D, зигзаг Z) и фазовый сдвиг между векторами линейных ЭДС. Для трехфазных двухобмоточных трансформаторов в РФ наиболее распространена группа Y/Y_н-0 (для 6-10/0.4 кВ) и Y/Δ-11 (для 35 кВ и выше).

Эксплуатация, диагностика и обслуживание

Эксплуатация силовых трансформаторов регламентируется ПТЭЭП, ПУЭ и заводскими инструкциями. Ключевые аспекты:

• Допустимые перегрузки: Определяются ГОСТ 14209-97 и руководящими указаниями. Зависят от предшествующего режима нагрузки, температуры окружающей среды и охлаждающей среды. Различают систематические и аварийные перегрузки.
• Тепловой контроль: Измерение температуры масла (верхних слоев) и обмоток (косвенными методами, например, по изменению сопротивления постоянному току).
• Хроматографический анализ растворенных в масле газов (ХАРГ): Основной метод ранней диагностики скрытых дефектов (перегревы, частичные разряды, дуговые процессы). По соотношению концентраций газов (H₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, CO, CO₂) определяется тип и серьезность развивающегося дефекта (метод Дорненбурга, Роджерса, треугольник Дюваля).
• Контроль состояния изоляции: Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) изоляции, емкости обмоток, сопротивления изоляции (R₆₀» и коэффициент абсорбции).
• Контроль состояния масла: Испытание электрической прочности (пробивное напряжение), определение кислотного числа, содержания влаги, тангенса угла потерь.
• Техническое обслуживание: Включает регулярный внешний осмотр, проверку уровня масла, состояния адсорбента в дыхателе, работы системы охлаждения, отбор проб масла для анализа.

Стандарты и нормативная база

Проектирование, производство и испытания силовых трансформаторов в РФ и странах СНГ осуществляются в соответствии с комплексом стандартов:

• ГОСТ 11677-85 (МЭК 60076-1): Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
• ГОСТ 3484.1-88 (МЭК 60076-2): Трансформаторы силовые. Методы испытаний.
• ГОСТ 30830-2002 (МЭК 60076-3): Трансформаторы силовые. Уровни изоляции и испытания на электрическую прочность.
• ГОСТ 52719-2007 (МЭК 60076-5): Трансформаторы силовые. Устойчивость к коротким замыканиям.
• ГОСТ Р 52736-2007: Трансформаторы силовые масляные общего назначения на номинальное напряжение до 750 кВ включительно. Допустимые нагрузки.
• ПУЭ (7-е издание): Главы 1.2, 1.5, 4.2.
• ПТЭЭП: Раздел 1, глава 2.6.

Тенденции развития

• Повышение энергоэффективности: Производство трансформаторов с пониженными потерями холостого хода и короткого замыкания (классы потерь: стандартные, пониженные — P₀, низкие — P₀₀, очень низкие — P₀₀₀).
• Развитие сухих технологий: Увеличение единичных мощностей и уровней напряжения сухих трансформаторов с литой изоляцией (до 35 кВ, 20 МВА).
• Внедрение систем интеллектуального мониторинга (Smart Grid): Оснащение трансформаторов встроенными датчиками температуры, давления, влажности, газовыделения с передачей данных в SCADA-системы для перехода к обслуживанию по фактическому состоянию.
• Использование аморфных металлов: Применение магнитопроводов из аморфной стали позволяет снизить потери холостого хода на 60-70% по сравнению с традиционной кристаллической сталью.
• Экологичность: Замена ПХБ-содержащих жидкостей, применение биоразлагаемых масел на основе эстеров, совершенствование систем герметизации.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем определяется выбор между масляным и сухим трансформатором?

Выбор определяется местом установки, требованиями пожарной и экологической безопасности, а также экономическими соображениями. Сухие трансформаторы устанавливаются внутри помещений (жилые, общественные, промышленные здания, метро, шахты) из-за негорючести изоляции. Они требуют меньше затрат на обслуживание, но имеют большие габариты и стоимость на единицу мощности. Масляные трансформаторы дешевле, компактнее, имеют более высокие предельные мощности и напряжения, но требуют маслоприемников, систем ППЗ и устанавливаются, как правило, на открытых подстанциях или в отдельных камерах.

Что такое напряжение короткого замыкания и почему оно важно?

Напряжение короткого замыкания (U_к) — это импедансное напряжение, выраженное в процентах от номинального. Оно характеризует внутреннее полное сопротивление трансформатора и определяет:

1. Величину тока короткого замыкания во вторичной цепи: I_кз = I_ном
2. (100% / U_к). Чем выше U_к, тем меньше ток КЗ.
3. Изменение вторичного напряжения под нагрузкой (внешнюю характеристику).
4. Распределение нагрузки между параллельно работающими трансформаторами: она распределяется обратно пропорционально их U_к.

Значение U_к стандартизировано и выбирается производителем исходя из компромисса между ограничением токов КЗ и допустимым падением напряжения.

Как часто и какие испытания необходимо проводить на силовом трансформаторе в эксплуатации?

Перечень и периодичность регламентированы ПТЭЭП (Приложение 3) и нормами испытания электрооборудования (РД 34.45-51.300-97). Основные виды:

• Ежегодно: Хроматографический анализ газов в масле (для трансформаторов 110 кВ и выше), проверка срабатывания газового реле, анализ масла на пробой и влагу.
• 1 раз в 2-4 года: Измерение сопротивления изоляции обмоток и вводов, tg δ изоляции, сопротивления обмоток постоянному току, проверка коэффициента трансформации и группы соединений.
• После капитального ремонта или длительного простоя: Проводятся все типовые испытания, включая испытание повышенным напряжением промышленной частоты изоляции обмоток.

Что показывает хроматографический анализ масла и как интерпретировать его результаты?

ХАРГ выявляет наличие и концентрацию ключевых газов, образующихся при разложении целлюлозной и масляной изоляции под воздействием тепловых и электрических дефектов. Интерпретация:

• Водород (H₂), метан (CH₄): Могут указывать на перегрев масла или слабые частичные разряды.
• Ацетилен (C₂H₂): Яркий маркер дуговых разрядов высокой энергии.
• Этилен (C₂H₄): Образуется при высокотемпературных перегревах масла (свыше 500°C).
• Окись углерода (CO) и двуокись углерода (CO₂): Продукты деструкции твердой изоляции (бумаги). Высокое содержание CO при нормальном CO₂ может свидетельствовать о локальном перегреве бумаги.

Для диагностики используется сравнение абсолютных и относительных концентраций, скоростей газовыделения и методы (треугольник Дюваля), позволяющие с высокой точностью классифицировать тип дефекта (например, «Разряд высокой энергии», «Перегрев масла при T > 700°C», «Тлеющий разряд в бумажно-масляной изоляции»).

Каковы основные причины выхода из строя силовых трансформаторов?

Статистика отказов показывает, что основными причинами являются:

1. Деградация и пробой изоляции (более 60% отказов): Старение бумажно-масляной изоляции под воздействием тепла, влаги, кислорода; загрязнение масла; перенапряжения; заводские дефекты.
2. Неисправности устройств РПН: Износ контактов, утечка масла, отказы приводных механизмов и систем управления.
3. Повреждения вводов: Растрескивание фарфора, утечка масла, пробой внутренней изоляции.
4. Механические повреждения обмоток при коротких замыканиях: Недостаточная электродинамическая стойкость.
5. Неисправности системы охлаждения: Выход из строя вентиляторов, насосов, засорение радиаторов.

Проактивный мониторинг (ХАРГ, виброакустика, частичные разряды) позволяет выявить большинство этих проблем на ранней стадии.