Распределительные трансформаторы: принцип действия, виды и области применения

Содержание

• Роль в энергосистеме
• Физика процесса: от тока до ЭДС
• Пример расчёта для 630 кВ·А
• Из чего состоит конструкция
• Исполнения: масляные и сухие
• Чтение паспортной таблички
• Соединение звездой, треугольником и зигзагом
• Подстройка выходного уровня
• Ключевые паспортные данные
• Объекты, которые ими питаются
• Что ставить: масло или смола
• Силовые и распределительные: в чём разница
• Куда уходит энергия
• Эксплуатация и защита
• Порядок подбора
• Коротко о главном

Роль в энергосистеме

Передавать энергию выгоднее на высоком уровне: при том же количестве мощности ток мал, а потери в проводах невелики. Но потребителю такое напряжение опасно и неудобно. Поэтому сеть спускается по ступеням: магистрали 110–220 кВ, затем 35 кВ, затем 6–10 кВ и, наконец, 0,4 кВ у самого потребителя.

Последний спуск берут на себя распределительные трансформаторы. Он стоит в трансформаторной подстанции (ТП), комплектной подстанции (КТП) или на опоре воздушной линии. От его исправности зависит, будет ли свет в конкретном доме или на конкретном производстве.

• Мощность — чаще всего от 25 до 2500 кВ·А.
• Вход — 6 или 10 кВ, реже 20 и 35 кВ.
• Выход — 0,4 кВ (380/220 В).
• Частота — 50 Гц, фазы — три.

Нормативная основа — ГОСТ 16110-82 (термины) и ГОСТ Р 52719-2007 (общие технические условия на силовые маслонаполненные трансформаторы).

Физика процесса: от тока до ЭДС

Переменный ток в первичной катушке создаёт в стальном сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток пронизывает вторую катушку и наводит в ней ЭДС. Провода двух сторон не соединены, связь идёт только через магнитное поле. Закон электромагнитной индукции действует именно так, и этот принцип лежит в основе всех трансформаторов.

Число витков задаёт соотношение сторон. Если на ВН витков в 25 раз больше, то и значение на выходе меньше в 25 раз. Ток при этом растёт обратно пропорционально, а мощность, за вычетом небольших потерь, остаётся прежней. Так трансформаторы передают электроэнергию без изменения частоты. На постоянном токе трансформаторы не работают: без изменения потока нет и наведённой ЭДС.

Пример расчёта для 630 кВА

Возьмём типичную подстанцию: мощность 630 кВ·А, вход 10 кВ, выход 0,4 кВ. Зная мощность, ток каждой стороны найдём по формуле I = S / (√3 · U). Расчёт показывает, насколько велика разница между сторонами.

• Ток на стороне 10 кВ: 630 / (1,73 × 10) ≈ 36 А.
• Ток на стороне 0,4 кВ: 630 / (1,73 × 0,4) ≈ 910 А.
• Коэффициент трансформации: 10 000 / 400 = 25.

Отсюда понятно, почему низковольтные шины делают из массивной меди или алюминия, а высоковольтный ввод обходится тонким кабелем. Девятьсот ампер требуют сечения, сопоставимого с рукой взрослого человека.

Из чего состоит конструкция

Внутри любого из них три основные части: сердечник, катушки и изоляционно-охлаждающая среда. Остальное — вводы, переключатель, защитная арматура и корпус. Рассмотрим основные узлы.

Сердечник из стали

Магнитопровод трансформатора собирают из тонколистовой электротехнической стали толщиной примерно от 0,23 до 0,35 мм. Каждый лист покрыт изоляционным слоем. Такая сборка не даёт вихревым токам разогревать металл. Именно листы сердечника, слегка смещаясь под действием поля, создают тот самый ровный гул 100 Гц, который слышен возле подстанции.

Катушки ВН и НН

Провод обмотки делают из меди или алюминия, а между витками прокладывают бумагу, картон или эпоксидный состав. Катушку НН размещают ближе к стержню, ВН — снаружи. На стороне ВН выводят несколько отпаек, о которых мы расскажем ниже.

Бак и защитная арматура

В масляных моделях активную часть заливают маслом. Оно передаёт тепло к стенкам бака и одновременно служит изоляцией. У классического ТМ над крышкой установлен расширитель с осушителем воздуха и газовое реле, а в ТМГ бак гофрированный и закрыт наглухо.

Исполнения: масляные и сухие

Серийные трансформаторы делят по среде, в которой находятся катушки. В таблице собраны самые распространённые марки сетей 6–10 кВ.

Расположение и число фаз

Трёхфазные трансформаторы доминируют на подстанциях. Однофазные модели нужны в конце протяжённых сельских линий при небольшой нагрузке, а прокладывать три провода дорого. Собирать трёхфазную группу из трёх однофазных блоков допустимо, но по габаритам и цене она проигрывает цельному баку.

Чтение паспортной таблички

На шильдике производитель кратко указывает все главные параметры. Возьмём для примера обозначение ТМГ-630/10/0,4 У/Ун-0 У1 и разберём его по частям.

• Т — три фазы, М — масляное охлаждение, Г — герметичный бак.
• 630 — номинальная мощность в кВ·А.
• 10/0,4 — уровни ВН и НН в киловольтах.
• У/Ун-0 — схема соединения и сдвиг фаз.
• У1 — климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69, умеренный климат, открытый воздух.

Если производитель указывает ещё и расположение вводов, это тоже учитывают: от него зависит, с какой стороны подходят кабели и шины.

Соединение звездой, треугольником и зигзагом

Три катушки каждой стороны можно соединить по-разному. Буква У означает звезду, Д — треугольник, Z — зигзаг, а добавка «н» говорит о выведенной нулевой точке. Число после дефиса показывает фазовый сдвиг в часовых единицах: 0 — нулевой сдвиг, 11 — тридцать градусов.

• У/Ун-0 — простая и дешёвая схема, обычно для мощностей до 400 кВ·А.
• Д/Ун-11 — выдерживает перекос фаз и лучше «видит» замыкания на землю в сети 0,4 кВ.
• У/Zн-11 — зигзаг на НН, подходит для сильно несимметричной нагрузки.

Два трансформатора можно включать параллельно только с одинаковой группой соединения, иначе в контуре потечёт большой уравнительный ток.

Подстройка выходного уровня

Напряжение на вводе колеблется в течение суток и по сезонам. Чтобы выход оставался в допуске, на стороне ВН предусмотрены отпайки. Переключатель меняет число рабочих витков, а значит, и коэффициент трансформации.

В сетях 6–10 кВ чаще всего встречается ПБВ, то есть переключение без возбуждения. Положение меняют вручную, только когда машина обесточена, обычно сезонно. Типовой диапазон составляет ±2×2,5 %. РПН, который работает под нагрузкой, ставят на мощных машинах 35–110 кВ.

Ключевые паспортные данные

При сравнении предложений ориентируйтесь на несколько цифр. Именно эти цифры определяют, сколько энергии уйдёт в тепло, что станет с выходом при броске нагрузки и впишется ли изделие в схему.

• Мощность, кВ·А: ограничена нагревом изоляции.
• Напряжение короткого замыкания: для рассматриваемого класса около 4,5–6 %.
• Потери холостого хода: не зависят от нагрузки.
• Потери короткого замыкания: растут вместе с током.
• Ток холостого хода: показывает качество сердечника.
• Группа соединения и диапазон ПБВ.
• Масса и габариты: важны для фундамента и транспортировки.

Проверить цифры можно по протоколу испытаний изготовителя и по ГОСТ Р 52719-2007.

Объекты, которые ими питаются

Перечень шире, чем кажется. Любая точка, куда электричество приходит по линии среднего класса, а нужно 0,4 кВ, получает такую машину. Тип зависит от места: на улице обычно используют герметичный ТМГ, в здании — сухой трансформатор. Такое применение закреплено нормами.

• Жилые кварталы и многоквартирные дома: ТП с мощностью 400–1000 кВ·А.
• Коттеджные посёлки, СНТ, фермы: мачтовые и киосковые подстанции.
• Предприятия, склады, мастерские и производственные базы.
• Котельные, насосные станции, очистные сооружения.
• Больницы, школы, торговые центры, ЦОД: сухие модели внутри здания.
• Месторождения, карьеры, шахты: блочно-модульные пункты.
• Электростанции на солнечных панелях и ветряках.

Масляные распределительные трансформаторы по правилам пожарной безопасности нельзя размещать внутри жилых домов и подземных стоянок, поэтому там выбор однозначен.

Что ставить: масло или смола

Выбор не вопрос вкуса, его определяет объект и система противопожарной защиты. Подстанция на открытом участке рядом с домами обойдётся масляным трансформатором. Подвал торгового центра потребует сухой. Для быстрой оценки сведём главное.

Последнее слово по таким трансформаторам остаётся за проектом объекта и заключением пожарного надзора.

Силовые и распределительные: в чём разница

Чёткой границы стандарт не проводит. Условно к распределительным относят машины, которые стоят на нижней ступени и напрямую питают потребителей, обычно до 2500–3150 кВ·А и до 35 кВ.

• Мощные подстанционные машины эксплуатируются в сетях 110–750 кВ и связывают разные уровни.
• На нижней ступени трансформаторы чаще оснащают ПБВ, на верхней — РПН.
• Мощные охлаждаются дутьём и насосами, малые — естественным путём.
• Суточный график нагрузки на нижней ступени гораздо неровнее.

Из-за неровного графика на первый план выходят потери холостого хода: машина включена круглые сутки, даже когда в доме все спят.

Куда уходит энергия

КПД у таких машин очень высок, но не стопроцентный. Потери делятся на постоянные и переменные: так устроено преобразование энергии в любом таком устройстве. Постоянные — это нагрев стали сердечника. Они идут всегда, пока подан высокий уровень. Переменные — нагрев катушек, они растут вместе с квадратом тока.

Если нагрузка упала вдвое, переменные потери падают в четыре раза. А вот постоянные остаются теми же. Поэтому трансформатор на 1000 кВ·А, которая работает на 150 кВ·А, нельзя назвать экономичной. Лучше всего подбирать мощность так, чтобы средняя загрузка лежала примерно в середине диапазона.

Эксплуатация и защита

Для установки трансформатора нужен ровный фундамент, а для масляных моделей ещё и маслоприёмник под баком. Гул 100 Гц считается нормой. Тревожные признаки: треск, резкий запах, течь масла, перегрев выше допустимого.

• Периодически проверяйте уровень масла и цвет силикагеля.
• Измеряйте токи по фазам, не допуская сильного перекоса.
• Не переключайте ПБВ на включённом трансформаторе. Работа без отключения здесь опасна.
• При параллельной работе мощности не должны различаться более чем втрое, а напряжения КЗ — более чем на 10 %.
• Учитывайте рост тока КЗ на шинах при включении второй машины.

Газовая защита срабатывает ступенчато: сначала сигнал, потом отключение. Герметичные ТМГ проще в обслуживании, потому что масло в них не соприкасается с воздухом и не требует доливки.

Порядок подбора

Подбор трансформаторов лучше начинать с расчёта нагрузки, а не с поиска цен. Такой учёт избавляет от лишних затрат. Определите суммарную мощность потребителей и коэффициент спроса, затем добавьте запас на рост. После этого сверьте место установки и требования пожарной безопасности.

• Расчётная мощность и перспектива расширения.
• Улица, отдельное здание или помещение внутри.
• Масло или сухая изоляция.
• Схема соединения и совместимость с соседними машинами.
• Уровень потерь по паспорту.
• Климатическое исполнение и габариты.

Затрудняетесь с расчётом? Пришлите нам перечень нагрузок, и инженер предложит подходящие варианты.

Коротко о главном

Такой аппарат получает 6–10 кВ и выдаёт 0,4 кВ за счёт магнитной связи двух катушек. Для улицы выбирают масляный ТМГ, для зданий — сухой ТСЗ или ТСЛ. При подборе учитывайте нагрузку, схему соединения, потери и климат. Грамотный выбор обеспечивает экономию и снижает расходы на электроэнергию и продлевает срок службы оборудования.