Силовой трансформатор¶
Силовой трансформатор — статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования величины переменного напряжения и передачи электроэнергии по электрическим сетям без изменения частоты. Относится к основному оборудованию электростанций, подстанций и распределительных сетей. В отличие от трансформаторов тока и напряжения, силовой трансформатор рассчитан на передачу значительной мощности — от единиц киловольт-ампер до сотен мегавольт-ампер.
¶Принцип работы
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Две (или более) обмотки, выполненные из изолированного проводника и размещённые на общем магнитопроводе, связаны между собой только через магнитный поток. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в сердечнике возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС в обмотке вторичного напряжения. Отношение ЭДС обмоток пропорционально отношению числа их витков:
E₁ / E₂ = W₁ / W₂
где W₁ и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток. При пренебрежении падением напряжения на сопротивлении обмоток отношение напряжений приближённо равно отношению витков. Коэффициент трансформации k = W₁ / W₂ определяет, понижающим или повышающим является аппарат.
¶Устройство
Основные элементы силового трансформатора:
- Магнитопровод (сердечник) — собирается из тонких изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм для уменьшения потерь на вихревые токи. Имеет стержневую или броневую конструкцию.
- Обмотки — выполняются из медной или алюминиевой жилы с изоляцией из кабельной бумаги, эмали или синтетических плёнок. Могут быть цилиндрическими, спиральными или дисковые (винтовыми).
- Бак — сварная ёмкость из листовой стали, заполненная трансформаторным маслом, которое служит одновременно изоляцией и теплоносителем.
- Система охлаждения — радиаторы, конвекторы, вентиляторы; в мощных аппаратах применяется принудительная циркуляция масла и воды.
- Изоляторы (выводы) — фарфоровые или композитные, обеспечивают вывод обмоток из бака наружу.
- Регулятор напряжения — отводы обмотки с переключателем (РПН) позволяют менять коэффициент трансформации под нагрузкой или без неё.
- Защитные устройства — газовое реле (реле Бухгольца), манометр, датчики температуры, предохранительные мембраны.
¶Классификация
По назначению силовые трансформаторы делятся на:
| Тип | Назначение |
|---|---|
| Силовые понижающие | Понижают напряжение (например, с 110 кВ до 10 кВ) |
| Силовые повышающие | Повышают напряжение на электростанциях |
| Собственные нужды | Питают вспомогательные системы станций |
| Трансформаторы сдвига фаз | Обеспечивают параллельную работу разных сетей |
По способу охлаждения различают масляные с естественной циркуляцией (ONAN), с принудительной циркуляцией масла (OFAF, ODFA), а также сухие (заливные) трансформаторы с воздушным охлаждением (AN). По числу фаз — трёхфазные и однофазные. По количеству обмоток — двухобмоточные, трёхобмоточные (для двух уровней напряжения) и автотрансформаторы.
¶Основные характеристики
Ключевые параметры, определяющие выбор аппарата:
- Номинальная мощность — измеряется в кВА или МВА; определяется допустимым нагревом обмоток.
- Номинальные напряжения обмоток — задаются уровнем сети.
- Коэффициент трансформации — отношение напряжений холостого хода.
- Потери — холостого хода (в магнитопроводе) и короткого замыкания (в обмотках); их снижение является главным направлением совершенствования конструкции.
- Напряжение короткого замыкания — характеризует внутреннее сопротивление и падение напряжения под нагрузкой.
- Класс напряжения изоляции и уровень испытательного напряжения.
¶Применение
Силовые трансформаторы составляют основу электроэнергетической системы. На электростанциях повышающие трансформаторы доводят напряжение генераторов (обычно 10,5—24 кВ) до уровней магистральных сетей — 110, 220, 500 и 750 кВ, что позволяет передавать энергию на большие расстояния с меньшими потерями. На подстанциях понижающие трансформаторы ступенчато снижают напряжение до распределительных уровней — 35, 10, 0,4 кВ. В промышленности и на объектах коммунального хозяйства применяются масляные трансформаторы мощностью от 160 кВА до нескольких МВА, а в зданиях — сухие заливные аппараты мощностью до 2,5 МВА.
¶Производство в России
Крупнейшими производителями силовых трансформаторов в России являются «Электрозавод» (Санкт-Петербург), «Уралэлектротяжмаш» (Екатеринбург), «Трансформатор-Толидо» (Энгельс), «Элсис» (Кисловодск) и «Запорожтрансформатор». Отечественные заводы выпускают аппараты напряжением до 750 кВ и мощностью до 840 МВА. Разработкой и нормированием параметров занимаются ВНИИЭФ, «Росэлектропривод» и профильные кафедры технических университетов.
¶История
Первые трансформаторы были созданы в 1880-х годах: в 1878 году Джон Гопкинс и Чарльз Браун применили трансформаторы для освещения, а в 1885 году венгерские инженеры Отто Блати, Дерньяк и Крош из компании «Ganz» разработали замкнутый магнитопровод из листовой стали, ставший основой конструкции. В России первые силовые трансформаторы были изготовлены на электротехнических заводах в начале XX века; в советский период отрасль развивалась в рамках крупных заводов — «Электрозавод», «Уралэлектротяжмаш» и других.
Источники: «Электротехнический справочник» (под ред. Б. А. Лопатина); ГОСТ 11677-2019 «Трансформаторы силовые. Технические условия»; учебник «Электротехника» (И. И. Алымов, В. В. Батищев); материалы ВНИИЭ.