Первый силовой трансформатор: История трансформатора

История трансформатора

Александр Семенов

Сто лет назад это неприметное устройство позволило осуществить на практике распределение электроэнергии. Хотя современная электротехника и телекоммуникации немыслимы без этого устройства, оно остается одним из “невоспетых героев” в истории технического прогресса.

Научно-техническая революция, определявшая развитие цивилизации в течение двух последних столетий, явилась следствием фундаментальных открытий и изобретений в области электротехники и связи. Такие технические средства, как телефон и телевизор, прочно вошли в нашу повседневную жизнь. А вот изобретение, благодаря которому мы получили доступ к электроэнергии, остается в тени, хотя и играет в нашей жизни очень важную роль. Это устройство неприметно, оно не движется, работает практически бесшумно и, как правило, скрыто от наших глаз в отдельных помещениях или за экранирующими перегородками.

Речь идет о трансформаторе. Изобретенный в XIX веке трансформатор является одним из ключевых компонентов современной электроэнергетической системы и радиоэлектронных устройств. Он преобразует высокие напряжения в низкие (и наоборот) почти без потерь энергии.

Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в 500 тонн и более.

Явление, лежащее в основе действия электрического трансформатора, было открыто английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 г. при проведении им основополагающих исследований в области электричества. Спустя примерно 45 лет появились первые трансформаторы, содержавшие все основные элементы современных устройств. Это событие стало настоящей революцией в молодой тогда области электротехники, связанной с созданием цепей электрического освещения. На рубеже веков электроэнергетические системы переменного тока стали уже общепринятыми, и трансформатор получил ключевую роль в передаче и распределении электроэнергии. А в дальнейшем он также занял существенное место как в технике электросвязи, так и в радиоэлектронной аппаратуре.

Современные трансформаторы превосходят своих предшественников, созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению – в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99%.

В своих экспериментах Фарадей опирался на результаты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, который в 1820 г. установил, что ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Открытие Эрстеда было воспринято с большим интересом, поскольку электричество и магнетизм считались до этого проявлениями совершенно различных и независимых друг от друга сил. И уж если электрический ток мог порождать магнитное поле, то казалось вполне вероятным, что магнитное поле в свою очередь могло порождать электрический ток.

В 1831 г. Фарадей показал, что для порождения магнитным полем тока в проводнике необходимо, чтобы поле было переменным. Фарадей изменял напряженность магнитного поля, замыкая и прерывая электрическую цепь, порождающую поле. Тот же эффект достигается, если воспользоваться переменным током, т. е. током, направление которого меняется со временем. Это явление взаимодействия между электрическими и магнитными силами получило название электромагнитной индукции.

В трансформаторе обмотка из витков провода, подключенная к источнику питания и порождающая магнитное поле, называется первичной. Другая обмотка, в которой под действием этого поля возникает электродвижущая сила (ЭДС), называется вторичной. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, т. е. ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует ЭДС в первичной точно так же, как первичная обмотка индуцирует ЭДС во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает ЭДС. Это явление, называемое самоиндукцией, наблюдается также и во вторичной обмотке.

На явлении взаимной индукции и самоиндукции основано действие трансформатора. Для эффективной работы этого устройства необходимо, чтобы между его обмотками существовала связь и каждая из них обладала высокой самоиндукцией. Этим условиям можно удовлетворить, намотав первичную и вторичную обмотки на железный сердечник так, как это сделал Фарадей в своих первых экспериментах. Железо увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз. О материалах, обладающих таким свойством, говорят, что они имеют высокую магнитную проницаемость. Кроме того, железный сердечник локализует поток магнитной индукции, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же оставаться индуктивно связанными.

В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же ЭДС в каждом витке, суммарная ЭДС, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Если в трансформаторе не происходит потери энергии, мощность в цепи вторичной обмотки должна быть равна мощности, подводимой к первичной обмотке. Другими словами, произведение напряжения на силу тока во вторичной обмотке должно быть равно произведению напряжения и тока в первичной. Таким образом, токи оказываются обратно пропорциональными отношению напряжений в двух обмотках и, следовательно, отношение токов обратно пропорционально отношению числа витков в обмотках. Такой подсчет мощности справедлив лишь в том случае, если токи и напряжения совпадают по фазе; условие высокой самоиндукции обеспечивает пренебрежимо малую величину токов, не совпадающих по фазе.

Идеальный трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках. Конечно, идеального трансформатора не существует, но практически реализованные устройства очень близки к идеальным. Железный сердечник является непременной составной частью всех современных силовых трансформаторов, а медь благодаря своему низкому электрическому сопротивлению была и остается основным материалом, из которого изготовляют провод для обмоток.

После своего открытия Фарадей не стал детально исследовать открытое явление, полагая, что его работу продолжат другие. Однако в действительности оказалось, что в течение нескольких последующих десятилетий устройства, подобные трансформаторам, не нашли широкого практического применения. Особый интерес представляли первые эксперименты с “индукторами”, состоящими из провода, намотанного на железный сердечник, в частности, изучение способности этих устройств порождать искры, когда ток в обмотке прерывался. Среди известных ученых, занимавшихся этим явлением, был американец Джозеф Генри, первый секретарь и директор Смитсоновского института. Впоследствии его именем была названа единица индуктивности.

В этих экспериментах выяснилось, что токи, циркулирующие в сплошных металлических сердечниках, рассеивали энергию. Чтобы свести к минимуму эти так называемые вихревые токи, сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Теперь сердечники представляли собой “связку” изолированных железных проводов.

В то время в качестве источников питания для работы с трансформаторами использовались батареи, а чтобы получить необходимые изменения тока, первичная цепь периодически прерывалась и замыкалась. После того как в 60-х годах XIX была изобретена динамо-машина – генератор электроэнергии, также основанный на открытиях Фарадея, – появилась возможность использовать переменный ток. Первый, кто подсоединил трансформатор к источнику переменного тока, был Уильям Гроув, которому для его лабораторных опытов понадобился источник высокого напряжения. Но этот опыт оставался незамеченным до тех пор, пока Томас Альва Эдисон не начал работать над осуществлением идеи электрического освещения в 1880-х годах.

К этому времени уже существовали электрические лампы с платиновыми нитями накала и лампы на основе электрической дуги, или дугового разряда между двумя электродами. Лампы обоих типов работали неплохо, однако их электрические характеристики накладывали некоторые ограничения на способы их включения в электрическую цепь. В частности, все лампы подключались последовательно, подобно елочным гирляндам, поэтому они загорались и гасли одновременно.

Хотя такой способ был приемлем, например, для уличного освещения, невозможность включать и выключать отдельные лампы в произвольные моменты времени, а также высокое напряжение, необходимое при последовательном соединении большого числа осветительных приборов, препятствовали его применению в жилых домах и на небольших предприятиях. Способ же параллельного соединения, в котором каждая лампа работает в своей собственной цепи, требовал слишком толстых медных проводов для подведения достаточно сильного тока к лампам, имевшим в то время относительно низкое сопротивление. Одним из главных изобретений Эдисона была лампа накаливания с угольной нитью, открывшей благодаря своему высокому сопротивлению путь к практической реализации систем параллельного подключения осветительных приборов. Используя эти лампы накаливания и генератор постоянного тока, Эдисон в 1882 г. создал в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения.

Приблизительно в то же время трансформаторы были впервые применены в системах электрического освещения в Англии. Французский изобретатель Люсьен Х. Голар и английский промышленник Джон Д. Гиббс воспользовались трансформаторами для подсоединения ламп накаливания к осветительной системе на дуговых лампах. Поскольку дуговые лампы соединялись последовательно, первичные обмотки трансформаторов находились в последовательном соединении с дуговыми лампами. В 1882 г. Голар и Гиббс получили патент на свое устройство, названное ими вторичным генератором. Его работу они продемонстрировали в 1883 г. в Англии, а в 1884 г. – в Италии. Вторичный генератор не нашел широкого применения, однако он стимулировал создание других устройств.

Среди тех, кто заинтересовался работой Голара и Гиббса, были три венгерских инженера из будапештской фирмы Ganz and Company. Они присутствовали при демонстрации действия вторичного генератора в Италии и пришли к выводу, что последовательное соединение имеет серьезные недостатки. По возвращении в Будапешт Макс Дери, Отто Т. Блажи и Карл Циперовский сконструировали и изготовили несколько трансформаторов для систем параллельного соединения с генератором. Их трансформаторы (с замкнутыми железными сердечниками, которые значительно лучше подходили для параллельного соединения, чем “связки” железных проводов с открытыми концами) были двух типов. В первом типе провод наматывался на тороидальный сердечник, во втором, наоборот, железные провода сердечника наматывались вокруг тороидальной “связки” проводников.

В мае 1885 г. Дери, Блажи и Циперновски продемонстрировали на национальной выставке в Будапеште свою систему, которую принято считать прототипом современных осветительных систем. Она состояла из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники.

Система Голара и Гиббса произвела также впечатление на американца по имени Джордж Вестингауз. В 80-х годах Вестингауз был уже признанным изобретателем и промышленником. В то время он работал над системой распределения природного газа для освещения. После успехов, достигнутых Эдисоном, Вестингауз заинтересовался новым источником энергии, но сомневался в возможности ее широкого применения. Его скептицизм был в достаточной степени оправданным. В параллельных системах увеличение нагрузки требовало увеличения силы тока, а нагрузка в масштабах целого города потребовала бы колоссальных токов. Однако передача электроэнергии при больших токах неэффективна. Нужно было либо передавать ток по очень толстым медным проводам, либо строить электростанции в непосредственной близости от потребителя, разбросав множество мелких генераторов по всей территории города.

Многие специалисты искали способы передачи электроэнергии при более высоком напряжении по сравнению с тем, которое требовалось в потребляющих устройствах. В 1884 г. Вестингауз нанял молодого инженера Уильяма Стэнли, у которого возникла идея воспользоваться трансформатором для решения проблемы передачи электроэнергии. Узнав о работе Голара и Гиббса, он посоветовал Вестингаузу приобрести патенты на трансформатор. Стэнли был убежден в преимуществах параллельных схем соединения, и к началу лета 1885 г. им уже было создано несколько трансформаторов с сердечниками замкнутой формы.

Вскоре в связи с ухудшившимся состоянием здоровья Стэнли вынужден был уехать вместе со своей лабораторией из промышленного задымленного Питтсбурга. С одобрения Вестингауза он переселился в Грейт-Бэррингтон, шт. Массачусетс, где продолжал работать над трансформаторами. Тем временем Вестингауз, еще не до конца убежденный в эффективности параллельного соединения, экспериментировал с различными комбинациями вторичных генераторов Голара и Гиббса вместе с другим пионером в области электротехники Оливером Б. Шелленбергером.

К декабрю 1885 г. успехи, достигнутые Стэнли, наконец, убедили Вестингауза и он вместе с Шелленбергом и еще одним блестящим инженером Альбертом Шмидомм приступил к усовершенствованию трансформатора Стэнли, с тем чтобы он (в отличие от венгерского торроидального устройства) стал простым и дешевым в производстве. Сначала сердечник изготавливался из тонких железных пластин в форме буквы Н. Обмотки из изолированной медной проволоки наматывались на горизонтальную часть сердечника, свободные концы которого замыкались дополнительными слоями железных полосок. Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Эта конструкция трансформатора применяется и в наши дни.

Сердечники первых трансформаторов Стэнли – Вестингауза состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на гистерезис – так называется эффект “запоминания” в магнитных материалах, уменьшающий коэффициент полезного действия трансформатора. Эти потери постепенно стали снижаться за счет тщательного подбора сортов стали. В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провел серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния.

Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50%, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Впрочем, усовершенствование трансформаторов и схем электропитания радиоэлектронных устройств, основанных на их применении, продолжается по сей день.

По материалам журнала Scientific American

Силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кв области применения разных схем соединения обмоток |

Отсутствие у изготовителей и заказчиков определенного представления принципиальных отличий свойств силовых трансформаторов с малой мощностью и разными схемами соединения обмоток ведет к их неправильному использованию. При этом некорректный выбор схемы соединения обмоток ухудшает технические показатели электрических установок и понижает качество электроэнергии, а также приводит к возникновению серьезных аварий.

Отсутствие у изготовителей и заказчиков определенного представления принципиальных отличий свойств силовых трансформаторов с малой мощностью и разными схемами соединения обмоток ведет к их неправильному использованию. При этом некорректный выбор схемы соединения обмоток ухудшает технические показатели электрических установок и понижает качество электроэнергии, а также приводит к возникновению серьезных аварий.

Это отмечают проектировщики из Нижнего Новгорода

Алевтина Ивановна Федоровская и Владимир Семенович Фишман. Они в своем материале делают акцент на разнице в реакции трансформаторов на несимметричные токи, которые содержат составляющую нулевой последовательности.

Схемы соединения обмоток и свойства трансформаторов

В соответствии с ГОСТ 11677-85 [1] силовые трансформаторы 10(6)/0,4 кВ мощностью от 25 до 250 кВА могут изготавливать с такими схемами соединения обмоток:

  • «звезда/звезда» – Y/Yн;
  • «треугольник–звезда» – D/Yн;
  • «звезда–зигзаг» – Y/Zн.

Ключевое отличие технических характеристик трансформаторов с разными схемами соединений обмоток – различная реакция на несимметричные токи, которые содержат составляющую нулевой последовательности. В основном это однофазные сквозные короткие замыкания и рабочие режимы с неравномерной загрузкой фаз.

Известно, что силовые трансформаторы 6(10)/0,4 кВ имеют трехстержневой стальной сердечник, с расположенными там первичной и вторичной обмотки фазы А, В и С. Магнитные потоки трех фаз в симметричных режимах циркулируют в сердечнике трансформатора и не выходят за его пределы.

Что происходит во время нарушения симметрии с преимуществом нагрузки одной фазы на стороне 0,4 кВ? Подобные режимы работы исследуются с применением теории симметричных составляющих [2]. По ней каждый несимметричный режим работы трехфазной сети представлен как геометрическая сумма 3 симметричных составляющих тока и напряжения: составляющие прямой, нулевой и обратной последовательностей.

Максимальная однофазная несимметрия достигается в режиме однофазного короткого замыкания на стороне 0,4 кВ трансформатора со схемой соединения обмоток D/Yн.

Картина токов симметричных составляющих в обмотках в таком режиме показана на рис. 1. В неповрежденных фазах на стороне 0,4 кВ геометрическая сумма трех симметричных составляющих тока приравнена нулю (не учитываем рабочую нагрузку фаз). В поврежденной фазе она достигает максимума и равняется току ОКЗ. Определяется она по формуле:

где Uл – линейное напряжение;

R1, R0, X1, Х0 – соответственно активные и реактивные сопротивления прямой и нулевой последовательности.

Сопротивления прямой последовательности

Сопротивления прямой последовательности R1 и X1 трансформаторов с разными схемами соединения обмоток определяются теми же формулами и имеют несущественные различия:


В каталогах видно, что известные величины в этих формулах Ркз и Uк почти не зависят от схем соединения обмоток трансформатора, а значит, не влияют на сопротивление прямой последовательности. Сопротивления же нулевой последовательности трансформаторов с различными схемами соединения обмоток имеют принципиальные отличия.

Сопротивления нулевой последовательностивекторов токов и магнитных потоков в трансформаторе со схемой соединения обмоток D/Yн (рис. 2). 

В таких трансформаторах токи прямой, обратной и нулевой последовательностей текут и в первичной, и во вторичной обмотках. В то время как токи нулевой последовательности в первичной обмотке замыкаются внутри нее, не выходя при этом в сеть. Намагничивающие силы или ампер-витки, которые создают токи нулевой последовательности первичных и вторичных обмоток, имеют встречное направление и практически полностью компенсируют друг друга, обуславливая тем самым небольшую величину реактивных сопротивлений трансформатора. А сопротивления прямой и нулевой последовательностей приблизительно равны: R

1 = R0; Х1 = Х0
В трансформаторах со схемой соединения обмоток Y/Zн в аналогичном режиме ОКЗ токи нулевой последовательности протекают лишь по вторичной обмотке трансформатора, однако магнитного потока нулевой последовательности они не создают, что объясняется особенностью схемы Zн – «зигзаг». 
Эта особенность состоит в том, что на каждом стержне трансформатора расположено по одной вторичной полуобмотке двух разных фаз (рис. 3). В режиме ОКЗ намагничивающие силы, создаваемые токами нулевой последовательности в этих полуобмотках, направлены встречно и друг друга взаимно компенсируют.
При этом токи нулевой последовательности в первичной обмотке отсутствуют. В таких трансформаторах сопротивления нулевой последовательности оказываются меньше сопротивлений прямой последовательности: R0 < R1; Х0 < Х1.

Рис. 1. Токи симметричных составляющих в обмотках трансформатора в режиме однофазного короткого замыкания

IA21, IA22, IA20, IB21, IB22, IB20, IC21, IC22, IC20 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей вторичной обмотки;

IA11, IA12, IA10, IB11, IB12, IB10, IC11, IC12, IC10 – токи фаз А, В, С прямой, обратной и нулевой последовательностей первичной обмотки.

Рис. 2. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток D/Yн

Рис. 3. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Zн 

 

Из формулы (1) следует, что это обеспечивает большую величину тока ОКЗ у трансформаторов со схемами Y/Zн по сравнению с трансформаторами со схемами D/Yн. 

Альтернативой трансформаторам со схемой Y/Z являются трансформаторы ТМГсу со схемой Y/Yn-0 со специальной встроенной симметрирующей обмоткой (СУ). Устройство было разработано кафедрой электроснабжения сельского хозяйства БАТУ, УП МЭТЗ им. В.И. Козлова и Минскэнерго, и теперь является неотъемлемой частью трансформатора со схемой У/Ун.

Симметрирующее устройство представляет собой отдельную обмотку, уложенную в виде бандажа поверх обмоток высшего напряжения трансформатора со схемой соединения обмоток У/Ун. Обмотка симметрирующего устройства рассчитана на длительное по ней протекание номинального тока трансформатора, т.е. на полную номинальную однофазную нагрузку.

Обмотка симметрирующего устройства включена в рассечку нулевого провода трансформатора из расчета того, что при несимметричной нагрузке и появлении тока в нулевом проводе трансформатора, а также связанного с ним потока нулевой последовательности, поток, создаваемый симметрирующим устройством равный по величине и направленный в противоположном направлении, компенсирует действие потока нулевой последовательности, предотвращая этим самым перекос фазных напряжений.

Схема подсоединения обмотки симметрирующего устройства (СУ) к обмоткам НН: 

 

Трансформаторы с СУ улучшают работу защиты, повышают безопасность электрической сети. В них резко снижено разрушающее воздействие на обмотки токов при однофазных коротких замыканиях.

СУ значительно улучшает синусоидальность напряжения при наличии в сети нелинейных нагрузок, что крайне важно при питании многих чувствительных приборов, например, эвм, автоматики, телевизоров.

Трансформаторы ТМГ с симметрирующим устройством ТМГсу.

Теперь обратимся к трансформаторам со схемой соединения обмоток Y/Yн. Как известно, в обмотках, соединенных в звезду без выведенной нулевой точки, токи нулевой последовательности протекать не могут. Поэтому в режиме ОКЗ токи этой последовательности протекают только во вторичной обмотке трансформатора. 

Совпадающие по фазе магнитные потоки нулевой последовательности, создаваемые токами вторичной обмотки, выходят за пределы магнитного сердечника и замыкаются через металлический кожух трансформатора (рис. 4). Это определяет значительно большую величину сопротивлений нулевой последовательности таких трансформаторов: R0 >> R1; X0 >> X1.

Рис. 4. Направления токов и магнитных потоков нулевой последовательности в трансформаторе со схемой соединения обмоток Y/Yн

Следует отметить, что в отличие от сопротивлений прямой последовательности трансформаторов, которые можно рассчитать, сопротивления нулевой последовательности трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн расчету не поддаются. Их можно определить только экспериментально. Величина этих сопротивлений во многом зависит от конструкции кожуха трансформатора, от величины зазоров между сердечником и кожухом и т.п. 

Схема замера сопротивлений нулевой последовательности приведена в ГОСТ 3484.1-88 [3]. К сожалению, в этом документе указано, что такие замеры предприятия-производители проводят по просьбе заказчиков. Вероятно, в последние годы таких просьб от заказчиков не поступает, а изготовители эти замеры самостоятельно не производят, считая, что в них нет необходимости. В результате проектировщики при выполнении расчетов пользуются старыми справочными данными. Однако использовать устаревшую информацию надо чрезвычайно осторожно, ведь конструкции современных силовых трансформаторов, в частности кожухов, а также материалы, из которых они изготовлены, существенно изменились. 

Кроме того, имеющиеся на сегодня данные по сопротивлениям нулевой последовательности трансформаторов крайне скудны и противоречивы. Так, согласно замерам УП МЭТЗ им. В.И. Козлова, выполненным много лет назад, реактивные сопротивления нулевой последовательности трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн превышают сопротивления прямой последовательности в среднем в 10 раз. В то же время в ГОСТ 3484.1-88 имеется фраза о том, что эти сопротивления могут отличаться на два порядка. И этим сегодня противоречия не исчерпываются[4].

Почему необходимо знать реальные значения сопротивлений?

Реальные значения сопротивлений нулевой последовательности знать необходимо, поскольку они определяют величину тока ОКЗ. Чем больше эти сопротивления, тем меньше ток ОКЗ, соответственно труднее осуществить защиту трансформатора. 
В нормальных режимах работы большие сопротивления нулевой последовательности при неравномерной загрузке фаз трансформатора на стороне 0,4 кВ приводят к ухудшению качества электроэнергии у потребителя.  
Так, если принять R1 = R0, X1 = X0, что характерно для трансформаторов со схемами соединения обмоток D/Yн, то получим:

Таким образом, при этих условиях ток ОКЗ на выводах 0,4 кВ трансформатора будет равен току трехфазного КЗ.
Однако, если R0>>R1 и X0>>X1, что характерно для трансформаторов со схемами соединения обмоток Y/Yн, то величина тока ОКЗ оказывается значительно меньше тока трехфазного КЗ, то есть Iокз << I3фкз. Какие при этом могут возникнуть трудности с защитой, особенно если она выполнена со стороны обмотки ВН предохранителями 6(10) кВ, можно показать на конкретном примере.
На рис. 5 изображена схема подключения трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ питания собственных нужд (ТСН) ПС 110/35/6 кВ. На ПС с переменным оперативным током такие трансформаторы устанавливаются на ОРУ и подключаются к воздушному вводу, идущему от силового трансформатора к вводной ячейке ЗРУ-6(10) кВ. Защита трансформатора, включая кабель 0,4 кВ до щита 0,4 кВ, выполняется предохранителями 6 кВ. Токи КЗ в конце защищаемой предохранителями зоны – при вводе на щит 0,4 кВ приведены в табл. 1. Как из нее видно, минимальное значение тока КЗ через предохранители 6 кВ имеет место при однофазном замыкании на стороне 0,4 кВ.

Таблица 1. Токи короткого замыкания в конце защищаемой предохранителями зоны за трансформатором 100 кВА, 6/0,4 кВ, D/Yн при вводе на щит 0,4 кВ

Рис. 5. Схема подключения трансформатора 100 кВА, 6/0,4 кВ для питания собственных нужд ПС 110/35/6 кВ

Согласно существующим рекомендациям по условиям отстройки от броска тока намагничивания трансформатора мощностью 100 кВА номинальный ток предохранителей принимается равным Iн.пр = (2 ÷ 3) Iн.тр. В данном случае Iн.пр 2 ·10 А 20. Принимаем Iн. пр = 20 А.

Минимальный отключаемый ток предохранителем типа ПКТ-6 кВ, 20 А согласно каталожным данным составляет Iмин.откл.пр = 240 А, что значительно больше токов КЗ, приведенных в табл. 1.
Таким образом, защита предохранителями типа ПКТ 6 кВ оказывается нечувствительной. Более того, при протекании тока КЗ ниже минимально отключаемого, предохранитель не только не защищает оборудование, но и разрушается сам, вызывая аварию.
В качестве защитного аппарата можно рассмотреть возможность использования предохранителей зарубежных фирм, например марки Merlin Gerin. Номинальный ток предохранителя специалисты компании рекомендуют выбирать из условия Iпр. 0,1с 12 Iном.тр.Пользуясь времятоковой зависимостью, приведенной в [5], определяем, что этому условию удовлетворяет предохранитель Fusarc c номинальным током 20 А, минимальный ток отключения которого равен 55 А. Казалось бы, этот предохранитель надежно защищает электрооборудование, т. к. минимально отключаемый им ток меньше минимального тока КЗ: 62 А 55 А. Однако время отключения данным предохранителем тока КЗ, равного 62 А, составляет 7 с. При таком длительном времени необходимо учитывать эффект спада тока, вызванный увеличением активного сопротивления кабеля вследствие его нагрева [6]. В результате спада тока его значение приближается к минимальному току отключения предохранителя –55 А, что делает защиту ненадежной.
Улучшить надежность защиты можно путем применения силового трансформатора 6/0,4 кВ со схемой соединения обмоток Y/Zн. В этом случае минимальный ток короткого замыкания через предохранители увеличивается до 80 А, а время его отключения предохранителем сокращается до 0,6 с и защита становится достаточно надежной.
Если же в рассмотренном примере будет применен трансформатор со схемой соединения обмоток Y/Yн, то минимальный ток КЗ через предохранители составит лишь 22 А. Очевидно, что защитить электрооборудование предохранителями 6 кВ при таком токе невозможно. Недостатки трансформаторов со схемой соединения обмоток Y/Yн проявляются и в нормальных режимах работы при неравномерной загрузке фаз. Потери напряжения в более загруженной фазе могут резко возрасти по сравнению с менее за-груженными фазами, особенно при большой загрузке трансформатора и низком cos j нагрузки.
Однако означает ли всё вышесказанное, что трансформаторы со схемой соединения обмоток Y/Yн не должны изготавливаться вообще? Представляется, что это не так. Не всегда большая величина сопротивления нулевой последовательности трансформатора является недостатком. Например, при применении трансформаторов более 1000 кВА может возникнуть проблема устойчивости однофазной коммутационной аппаратуры 0,4 кВ к току ОКЗ. В этом случае большая величина сопротивления нулевой последовательности трансформатора со схемой Y/Yн поможет решить эту проблему.
Что же касается защиты таких трансформаторов, то она решается с помощью релейной защиты и выключателя 6(10) кВ, а с низкой стороны – с помощью вводного автомата.

Выводы

Для трансформаторов малой мощности (от 25 до 250 кВА), защищаемых предохранителями со стороны ВН, безусловное преимущество имеет схема соединения обмоток Y/Zн. Несколько меньший эффект дает схема D/Yн. Схему Y/Yн для таких трансформаторов применять не следует.
Схема соединения обмоток трансформаторов Y/Yн может применяться в сравнительно редких случаях для более мощных трансформаторов при необходимости ограничения тока однофазного КЗ с целью повышения устойчивости коммутационной аппаратуры.
Предприятиям-изготовителям силовых трансформаторов следует в обязательном порядке производить замеры их сопротивлений нулевой последовательности.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.
2. Ульянов С. А. Короткие замыкания в электрических системах. – М.: Госэнергоиздат, 1952. – 280 с.
3. ГОСТ 3484.1-88 (СТ СЭВ 1070-78). Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний
4. Справочник по проектированию электроснабжения, линий электропередачи и сетей / Под ред. Большама Я.М., Круповича В.И., Самовера М.Л. и др. – М.: Энергия, 1975. – 696 с.
5. Каталог на предохранители Fusarc Merlin Gerin (стандарт DIN).
6. ГОСТ 28249-93. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.

_________________________________________________________________________________

Компания ООО Энетра Текнолоджиз на правах дилера ОАО МЭТЗ им. В. И. Козлова осуществляет продажу трансформаторов средней мощности. В нашем каталоге вы найдете сухие трансформаторы ТС, ТСЗ и ТСГЛ, масляные трансформаторы ТМ и ТМГ, а также специализированные трансформаторы различного назначения. Мы рады доставить выбранные вами трансформаторы по всей Сибири и СФО. Доставка трансформаторов осуществляется нами не только по СФО, но и по Дальнему Востоку.

Вернуться обратно

ОПУБЛИКОВАТЬ В СОЦ.СЕТЯХ

Краткая история трансформаторов – ACUPWR

Электрический трансформатор заслуживает признания как одно из самых важных изобретений индустриальной эпохи, которое наряду с паровой энергией, проточной водой, газовым освещением включает использование электричества. На самом деле, последнее было бы невозможно без трансформатора.

По своей сути трансформатор оправдывает свое название, преобразуя (или преобразовывая) электрическую энергию из более высокого напряжения в более низкое. Существуют сотни различных типов трансформаторов, предназначенных для работы с чрезвычайно высокими и низкими напряжениями и всем, что между ними. Сложность трансформаторов заключается в том, что модели предназначены для работы с различными типами электричества (однофазными или многофазными) и приложениями, включающими радиопередачу. Трансформатор напряжения и преобразователь напряжения, которые мы производим в ACUPWR, являются повышающими и понижающими типами, которые соответствуют электрическим приборам и устройствам с их требованиями к линейному напряжению, особенно при использовании в стране или регионе, где линейное напряжение переменного тока отличается.

Электрические трансформаторы восходят к английскому ученому и изобретателю Майклу Фарадею и его открытию закона электромагнитной индукции. Эта теория, также известная как закон Фарадея, описывает явления электрического напряжения, генерируемого, когда катушка проволоки наматывается на железный сердечник. Этот ток протекал через железо на противоположную сторону (железо имело форму, похожую на пончик), и ток с другим напряжением можно было создать, используя провод с большим или меньшим количеством витков. Таким образом, электричества было индуцированный. Американскому ученому Джозефу Генри также приписывают изобретение концепции электромагнитной индукции.

Но, как и во многих революционных изобретениях, изменивших жизнь, заслуга в создании электрического трансформатора принадлежит не одному конкретному человеку. Скорее, используя закон Фарадея в качестве своей руководящей мантры, череда изобретателей проложила путь к тому, что стало первым действительно пригодным для использования коммерческим трансформатором — пригодным для использования, по крайней мере, таким образом, который произвел революцию в жизни людей. В 1836 году преподобный Николас Каллан разработал трансформатор с индукционной катушкой, который помог ему разработать высоковольтную батарею (способную питать машину, способную поднять 2 тонны), которая производилась серийно в Лондоне.

Учитываются и другие названия, каждое из которых делает немного больше для применения закона Фарадея и катушек магнитной индукции. В 1876 году русский Павел Яблохов изобрел систему освещения на основе катушки индуктивности. Люсьен Голар и Джон Гиббс из Франции и Англии соответственно изобрели трансформатор и вторичный генератор в Англии, которые произвели революцию в энергетике переменного тока. В 1884 году трое физиков из Австро-Венгрии — Отто Блати, Микса Дери и Кароль Циперновски — первыми разработали конструкции трансформаторов, которые используются до сих пор. ZBD, как известно трио, также создал первую в мире электростанцию, использующую генераторы переменного тока. Томас Эдисон приобрел инновации ZBD, чтобы помочь в создании энергосистем и электрических сетей в городах. Тем временем конкурент Эдисона, американский изобретатель Джордж Вестингауз, приобрел права на изобретение Голара. В 1886 году Уильям Стэнли создал практичный трансформатор переменного тока на основе изобретения Голара. Объединившись с Westinghouse, Стэнли по указанию Westinghouse переехал в Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс, чтобы создать электрическую сеть с использованием переменного тока.

Инновация Стэнли по созданию системы распределения электроэнергии в Грейт-Баррингтоне была революционной разработкой, приведшей к тому, что предпочитаемая Westinghouse мощность переменного тока стала стандартом в Соединенных Штатах для снабжения электричеством городов, выиграв у Томаса Эдисона и его предпочтительного выбора постоянного тока (постоянный ток). Конечно, в конечном итоге выигрывают все, особенно когда они используют трансформаторы ACUPWR для преобразования сетевого напряжения.

История инженерии и технологий Вики

Из ETHW

Перейти к:навигация, поиск

1909 Трансформаторы с масляным охлаждением

Трансформатор на плотине Коновинго, Пенсильвания. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Трансформатор и электроустановка. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Три трансформатора на опоре. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Устанавливается трансформатор. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Трансформаторы на опоре. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Установка опор электропередач. Предоставлено Ellenberger Collection of the IEEE History Center

Размер современных трансформаторов варьируется от менее 1 кв. см до таких гигантов, как этот, который используется для распределения электроэнергии. Предоставлено: Библиотека Конгресса, Отдел печати и фотографий

A 1 МВА, 11 кВ / 415 В 3-фазный трансформатор высокого напряжения с открытой обмоткой для установки в помещении в процессе демонтажа

Трансформатор для испытаний изоляции в Лаборатории высоковольтных испытаний в Огайо

Большой трансформатор Эллиса-Чалмерса в Лаборатории высоковольтных испытаний в Огайо

Три трансформатора на 750 кВ в Лаборатории высоковольтных испытаний в Огайо


Трансформатор — это устройство используется для изменения напряжения электроэнергии. Электростанции вырабатывают энергию при низком напряжении, но для длительных поездок по проводам от генератора к вашему дому требуется очень высокое напряжение. В жилых помещениях напряжение питания должно снова упасть, чтобы это не было опасно и чтобы бытовые приборы не перегорели. Трансформатор позволяет мощности изменять напряжение с места на место.

В 1831 году Майкл Фарадей открыл принципы, благодаря которым стали возможны трансформаторы.

С помощью индукционного кольца Фарадей обнаружил, что электрический ток, протекающий по одному проводу, может создавать или «индуцировать» такой же ток в соседнем проводе. Это происходит только при изменении напряжения, например, при включении питания и повышении напряжения от 0 до своего пика.

Причина индукции тока в соседнем проводе заключается в том, что каждый поток тока в проводе приводит к созданию магнитного поля вокруг провода. Второй провод, расположенный рядом, в этом поле, находится под влиянием магнетизма. Когда поле расширяется или сжимается, оно воздействует на электроны во втором проводе и создает новый поток тока. Намотка проволоки на катушки делает устройство более компактным, а намотка катушек на железный стержень или кольцо концентрирует магнитное поле на небольшой площади.

В 1881 году в Париже Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс продемонстрировали первый коммерчески успешный трансформатор. В 1886 году Уильям Стэнли продолжил идею Голара и Гиббса по обеспечению электрификации офисов и магазинов на Мейн-стрит в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс, переменным током.

Мы используем термин «трансформатор», потому что он используется в системах переменного тока для повышения или понижения напряжения. Переменный ток создает флуктуирующее магнитное поле, когда течет по проводу. Если число витков в первой катушке меньше, чем во второй, то во второй катушке будет индуцироваться большее напряжение. Если первая катушка имеет много витков, то «вторичное» напряжение будет ниже. Электроэнергетические системы используют этот принцип для повышения напряжения, создаваемого генератором или динамо-машиной, до высокого уровня, например, 100 000 вольт или выше. При таком высоком напряжении электричество может передаваться по проводам на сотни миль без существенного уменьшения.

Оставить комментарий