Трансформаторов и автотрансформаторы

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения. Напомним необходимость использования различных напряжений в энергосистеме. Из технико-экономических соображений электроэнергия генерируется на среднем напряжении (6,3-24 кВ), передаётся на большие расстояния на высшем напряжении (110-750 кВ), а потребляется на низшем (0,4-10,5 кВ).

Трансформатор состоит из магнитного сердечника (стального магнитопровода) и как минимум двух обмоток – высшего и низшего напряжений. Магнитопровод набирается из тонких пластин электротехнической стали. Обмотки выполняются из меди, реже из алюминия. Для улучшения передачи магнитного потока обмотки наматываются концентрически, то есть сначала на магнитопровод наматывается обмотка низшего напряжения, а поверх неё, снаружи, – обмотка высшего напряжения. При необходимости между ними помещается обмотка среднего напряжения. Такой порядок намотки обмоток позволяет сэкономить на изоляции. Обмотки изолируются друг от друга и от магнитопровода.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея. По первичной обмотке протекает ток, который создаёт в толще стального магнитопровода магнитный поток. Поток замыкается по магнитопроводу и пронизывает витки вторичной обмотки. Так как поток переменный, то во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции. Заметим, что на постоянном токе трансформатор работать не может. Величины напряжений первичной и вторичной обмоток (U₁ и U₂) и соответствующих токов (I₁ и I₂) связаны через отношение чисел витков первичной и вторичной обмоток (w₁ и w₂). Коэффициент трансформации равен:

К_т = U₁/U₂ = I₂/I₁ = w₁/w₂.

При этом трансформатор практически не изменяет проходящую через него мощность. Если пренебречь небольшими потерями, то полная мощность на первичной и вторичной сторонах трансформатора одинакова:

S = U₁I₁ = U₂I₂ = const.

Также неизменной остаётся частота переменного тока f = 50 Гц.

На электростанции каждый трансформатор в нормальном режиме имеет конкретную функцию – повышающую или понижающую. Но трансформатор способен преобразовывать электроэнергию в любую сторону. Поэтому в аварийном режиме повышающий трансформатор может стать понижающим и наоборот.

Трансформатор в отличие от генераторов и двигателей – неподвижное устройство. Тем не менее, его необходимо охлаждать, в связи с тепловыми потерями в меди и стали. Если трансформатор будет перегреваться, то его изоляция будет изнашиваться более интенсивно. Приближённо износ изоляции трансформаторов описывается правилом 6-и градусов: на каждые дополнительные 6 °С нагрева трансформатора его ресурс снижается вдвое, а изоляция изнашивается вдвое быстрее.

Система охлаждения отражена в аббревиатуре трансформатора.

Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом, системы охлаждения в этом случае обозначены следующими буквами:

С – естественное воздушное при открытом исполнении;

СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении;

СГ – естественное воздушное при герметичном исполнении;

СД – воздушное с принудительной циркуляцией воздуха;

Масляные трансформаторы охлаждаются маслом, воздухом и иногда водой. Системы охлаждения в этом случае обозначены следующими буквами:

М – естественная циркуляция воздуха и масла;

Д – принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла;

МЦ – естественная циркуляция воздуха, принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла;

НМЦ – естественная циркуляция воздуха, принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла;

ДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с ненаправленным потоком масла;

НДЦ – принудительная циркуляция воздуха и масла с направленным потоком масла;

Ц – принудительная циркуляция воды и масла с ненаправленным потоком масла;

НЦ – принудительная циркуляция воды и масла с направленным потоком масла.

Естественная циркуляция подразумевает конвекцию – более нагретые слои поднимаются, охлаждённые опускаются. Принудительная циркуляция обеспечивается за счет масляного насоса, водяного насоса или воздушного вентилятора.

Очень важным является требование поддержания определённого уровня напряжения. Для этого трансформаторы оборудуют устройствами регулирования напряжения.

Регулирование напряжения под нагрузкой (РПН) позволяет изменять напряжение на работающем трансформаторе. Напряжение регулируется за счет переключения числа витков обмотки. Например, цифры в обозначении 10,5 ± 8х1,5% означают, что номинальное напряжение 10,5 кВ, но его можно регулировать в большую или меньшую сторону с шагом 1,5% с помощью 16 ответвлений.

Также существуют трансформаторы, напряжение которых можно регулировать лишь в отключенном состоянии. Соответствующее устройство называется ПБВ – переключение без возбуждения.

Мощные трансформаторы имеют большие габариты и массу. Чтобы упростить их изготовление, транспортировку и монтаж, вместо одного трёхфазного трансформатора используют 3 однофазных трансформатора. При этом также повышается надежность – один вышедший из строя однофазный трансформатор проще заменить, чем трёхфазный.

Автотрансформаторы связи (АТ) отличаются от обычных трансформаторов наличием гальванической связи между первичной и вторичной обмотками. Если в обычном трансформаторе энергия передаётся только магнитным путём, то в АТ имеется и магнитная, и электрическая связь. Поэтому по сравнению с обычным трансформатором АТ дешевле, легче, имеют меньшие потери и больший КПД. Автотрансформатор применяют для связи напряжений одного порядка – например, 500/220 кВ или 330/110 кВ или 220/110 кВ. На электростанциях автотрансформатор связывает два распределительных устройства высшего напряжения. Если необходимо связать сети с напряжениями, отличающимися в десятки раз, – например 750/24 или 220/6,3 кВ, – применяют обычные трансформаторы. В последнем случае позитивные свойства АТ проявляются слабо, зато на первый план выходят недостатки, обусловленные гальванической связью двух обмоток.

Заметим, что трансформаторы и АТ характеризуются полной мощностью S (кВА или МВА), тогда как генераторы – активной мощностью Р (кВт или МВт).

Параметры трансформаторов и автотрансформаторов приведены в справочнике [1] в табл. 3.3 – 3.9 на стр. 120 – 163.