Силовой трансформатор: устройство и принцип работы¶

Силовой трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты посредством электромагнитной индукции. Силовые трансформаторы применяются в электрических сетях для передачи и распределения электроэнергии, а также в составе различного электрооборудования для питания потребителей.

¶Устройство

Основными элементами силового трансформатора являются:

• Магнитопровод — замкнутая конструкция из листовой электротехнической стали, служащая для концентрации магнитного потока. Листы изолируются друг от друга лаком для снижения потерь на вихревые токи.
• Обмотки — медные или алюминиевые провода, намотанные вокруг стержней магнитопровода. Различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН).
• Бак — герметичный корпус, заполненный трансформаторным маслом. Масло выполняет функции изоляции и охлаждения.
• Вводы — изоляторы, через которые обмотки соединяются с внешней электрической сетью.
• Устройства регулирования напряжения (переключатели ответвлений) — позволяют изменять коэффициент трансформации в определённых пределах.

В масляных трансформаторах бак снабжается радиаторами для улучшения теплоотвода. На крышке бака устанавливаются расширитель (компенсирует температурное расширение масла) и газовое реле, защищающее аппарат от внутренних повреждений.

¶Принцип работы

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку по ней протекает переменный ток, создающий в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает витки вторичной обмотки и наводит в ней электродвижущую силу (ЭДС).

Величина наведённой ЭДС определяется законом Фарадея: она пропорциональна числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока. В результате отношение напряжений на обмотках приблизительно равно отношению чисел их витков:

\[ \frac{U_1}{U_2} \approx \frac{N_1}{N_2} = k \]

где \(U_1\), \(U_2\) — напряжения на первичной и вторичной обмотках, \(N_1\), \(N_2\) — числа их витков, \(k\) — коэффициент трансформации.

Если \(k > 1\), трансформатор является понижающим, если \(k < 1\) — повышающим. При подключении нагрузки к вторичной обмотке в ней возникает ток, и трансформатор передаёт энергию от первичной цепи во вторичную. При этом произведение тока на напряжение в обеих обмотках остаётся приблизительно равным (с учётом потерь), что обеспечивает преобразование напряжения с сохранением передаваемой мощности.

¶Классификация и характеристики

Силовые трансформаторы классифицируются по ряду признаков:

• По числу фаз: однофазные и трёхфазные.
• По числу обмоток: двухобмоточные и трёхобмоточные (последние применяются для связи сетей трёх различных напряжений).
• По способу охлаждения: масляные (с естественным или принудительным охлаждением) и сухие (с воздушным охлаждением).
• По назначению: повышающие (на электростанциях) и понижающие (на подстанциях).

К важнейшим паспортным характеристикам относятся номинальная мощность (в кВА или МВА), номинальные напряжения обмоток, ток холостого хода, напряжение короткого замыкания и коэффициент полезного действия (КПД). КПД современных силовых трансформаторов при номинальной нагрузке достигает 98–99,5 %.

¶Применение

Основная область применения силовых трансформаторов — электроэнергетика. Повышающие трансформаторы устанавливаются на генераторных ступенях электростанций для передачи электроэнергии на дальние расстояния при высоком напряжении (110–750 кВ). Понижающие трансформаторы на подстанциях последовательно снижают напряжение до уровня распределительных сетей (6–35 кВ) и конечных потребителей (0,4 кВ). Кроме того, силовые трансформаторы используются в промышленности для питания электропечей, выпрямительных установок и другого специализированного оборудования.

¶Интересные факты

• Первый трансформатор был продемонстрирован в 1876 году русским электротехником Павлом Яблочковым.
• Крупнейшие силовые трансформаторы в мире имеют мощность свыше 1000 МВА и массу более 500 тонн.
• В России действует система планово-предупредительных ремонтов трансформаторного оборудования, регламентируемая нормативными документами Минэнерго.

¶Источники

• Балагуров В. А. Электрические машины и трансформаторы. — М.: Энергоатомиздат, 1983.
• Кацман М. М. Электрические машины. — М.: Академия, 2013.
• ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ). — 7-е изд.