По сути, трансформатор повышающего типа — это устройство, используемое для увеличения напряжения с входной линии до уровня, необходимого для дальнейшей передачи электрической энергии. Однако то же самое определение также включает в себя перенапряжение, т.е. аномальную ситуацию, когда выходное напряжение превышает номинальное из-за неправильного переключения отводов или ослабления нейтрали энергосистемы. Хотя в абзаце описаны две ситуации, их природа совершенно различна, и это может привести техника к неправильному решению проблемы, например, к регулировке переключателя отводов, когда открытая нейтраль является коренной причиной. Цель данного руководства — предоставить полное понимание того, как работает трансформатор как устройство повышения напряжения, что происходит с электрическим током и электрической нагрузкой при увеличении напряжения линии и какие эффекты возникают в результате.
Вкратце: Когда трансформатор увеличивает напряжение, напряжение на вторичной стороне становится выше, чем напряжение на первичной стороне в соответствии с соотношением числа витков — Vs/Vp = Ns/Np — в то время как ток уменьшается в том же соотношении. Это происходит потому, что трансформатор передает мощность, но не генерирует ее. Этот аспект является первым и самым важным следствием работы трансформаторов. После этого первого следствия есть еще четыре следствия. Изоляция должна выдерживать увеличенные диэлектрические напряжения, что означает, что обмотка, работающая на более высоком напряжении, должна иметь лучшую изоляцию. Резистивное оборудование получает больше энергии из-за квадрата растущего напряжения, что означает, что если напряжение возрастает на 5%, нагрев в резистивном оборудовании возрастает почти на 10%. Лампочка накаливания перестанет светиться, если напряжение превысит допустимый уровень напряжения. Ядро индуктора насыщается, когда напряжение становится значительно выше проектного диапазона.
Как трансформатор повышает напряжение
Трансформаторы — это устройства, которые полностью состоят из стационарных компонентов и не имеют электрического соединения между своими обмотками. Они работают через электромагнитную индукцию; другими словами, в первичной обмотке протекает переменный ток, и, следовательно, изменяющееся магнитное поле; затем это изменяющееся магнитное поле создает напряжение во вторичной обмотке. Сгенерированное напряжение равно первичному напряжению, умноженному на соотношение вторичных и первичных обмоток.
Напряжение, сгенерированное во вторичной обмотке трансформатора, будет зависеть от соотношения витков его проводов к виткам первичной обмотки. Например, если количество витков провода во вторичной обмотке вдвое больше, чем в первичной, можно с уверенностью сказать, что напряжение во вторичной катушке также вдвое больше, чем напряжение в первичной катушке. Именно это соотношение между числом витков дает трансформатору возможность повышать или понижать напряжение и объясняет преимущества, которые такие трансформаторы приносят, включая их использование в обратном направлении.
Единственным ограничением по размеру и мощности трансформатора является конструкция сердечника. Плотность магнитного потока внутри сердечника растет пропорционально приложенному напряжению к катушке. Следовательно, чем выше напряжение, тем больше насыщается сердечник. Таким образом, когда сердечник достигает точки насыщения, линия потока не может проходить через него. Понимание основной конструкции, которая создает эти ограничения, является отправной точкой, и оно изложено в нашем руководстве по основах распределительных трансформаторов.
Где соотношение фиксируется при производстве, параметр, который управляет фактическим выходным напряжением, — это количество витков в цепи на отводной обмотке — причина существования переключателей отводов. Эти настройки и остальные данные с таблички являются предметом нашего объяснения о спецификациях трансформаторов, на которые покупатель должен обратить внимание, прежде чем предполагать, что проблема с напряжением является неисправностью.
Правило сохранения: Напряжение вверх, Ток вниз
Наиболее значительный результат увеличения напряжения часто упускается из виду: ток уменьшается.
Идеальный трансформатор передает энергию без потерь, и поэтому значение напряжения, умноженное на ток с обеих сторон, должно быть идентичным. Когда напряжение на вторичной стороне увеличивается, ток на вторичной стороне, протекающий при том же токе на первичной, соответственно уменьшается. Другими словами, если трансформатор выдает ток 100 A при 240 V на вторичной стороне, потребляя 200 A при 120 V на своей первичной стороне, мощность с обеих сторон равна, поскольку новый ток не производится.
| Количество | Соотношение | Последствие повышения вторичного напряжения |
|---|---|---|
| Напряжение | Vs/Vp = Ns/Np | Растет пропорционально соотношению витков |
| Ток | Is/Ip = Np/Ns | Уменьшается в обратной пропорции |
| Мощность | VpIp ≈ VsIs | Неизменным, за исключением потерь |
| Импеданс, воспринимаемый источником | Zp = (Np/Ns)² × Zs | Преобразованный квадратом соотношения витков |
Ряд импедансов важен для рассмотрения, поскольку он является наиболее контринтуитивным. Нагрузка на вторичной стороне будет восприниматься источником не как она есть, а умноженной на квадрат соотношения витков. При десятикратном увеличении напряжения нагрузка 1Ω выглядит как 0.01Ω с первичной стороны. Именно так происходит согласование импеданса в аудио- и радиочастотных цепях и именно это является причиной явления трансформатора повышающего напряжение с некоторой фиксированной нагрузкой, потребляющей гораздо больший первичный ток, чем можно было бы ожидать по простым расчетам.
В реальной жизни реальный трансформатор не достигает 100% сохранения. Как потери меди в обмотках, так и потери в сердечнике рассеиваются в виде тепла, и именно поэтому эффективность выражается в процентах, а не предполагается равной единице, и причина, по которой трансформаторы нагреваются под нагрузкой, в то время как они остаются холодными в открытой цепи. Самие потери являются одним из механизмов, которые в конечном итоге ограничивают срок службы трансформатора, тема, освещенная в нашей статье о причинах выхода трансформаторов из строя.
Что происходит с импедансом и нагрузкой
Природа подключенной нагрузки полностью определяет, как подключенная нагрузка реагирует, и таким образом результат повышения напряжения превращается из проектной спецификации в вопрос эксплуатационной важности.
| Тип нагрузки | Поведение при повышении напряжения | Результат |
|---|---|---|
| Резистивные (обогреватели, лампы накаливания, чайники) | Ток возрастает пропорционально; мощность возрастает с квадратом напряжения | Увеличение нагрева; срок службы лампы резко сокращается |
| Двигатели (индукционные) | Крутящий момент возрастает, но также увеличиваются ток намагничивания и потери в сердечнике; двигатель может работать холоднее по току, но горячее в сердечнике | Сниженное потребление тока, но увеличенные магнитные потери; перегрев, если напряжение значительно выше номинального |
| Электронные источники питания | Многие из них регулируемые и допускают диапазон; те, которые не регулируются, могут выйти из строя | Полностью зависит от входного диапазона; нерегулируемые источники уязвимы |
| Конденсаторные банки | Реактивная мощность возрастает с квадратом напряжения | Чрезмерная компенсация и дальнейший рост напряжения; возможная резонанс |
| Трансформаторы | Плотность магнитного потока возрастает; насыщение и генерация гармоник выше проектной точки | Перегрев, гармонические искажения, слышимый шум |
| Электроника с источниками питания на основе переключающих элементов | Обычно широкий входной диапазон (100-240 В), поэтому толерантна | Небольшое влияние в пределах номинального диапазона |
Резистивный ряд содержит интересное наблюдение. В резистивной нагрузке мощность связана с квадратом напряжения. Поэтому любое перенапряжение, такое как 5%, будет соответствовать примерно 10% дополнительного тепла. В случае нагревательного элемента это означает гораздо более короткий срок службы элемента, а также более высокие затраты на энергию. Однако в отношении лампы накаливания это означает еще более короткий срок службы из-за сильной зависимости срока службы от перенапряжения. Это также причина важности регулирования напряжения для коммунальных служб, так как существует реальная, измеримая и возрастающая стоимость для пользователей из-за перенапряжения.
Ряд двигателей более тонкий, чем кажется на первый взгляд. Когда двигатель получает больше напряжения, он потребляет меньше тока при том же механическом выходе, что выглядит как хорошая вещь, но с точки зрения магнитной цепи ситуация совершенно иная. Причина в том, что увеличенное напряжение вызывает рост потерь в сердечнике, двигатель перегревается внутренне, несмотря на снижение тока, и при очень высоком напряжении начинается насыщение железа.
Физические эффекты высокого напряжения
В дополнение к эффектам на нагрузку, увеличение напряжения также создает нагрузку на трансформатор четырьмя способами.
- Нагрузка на изоляцию. Нагрузка на изоляцию увеличивается с увеличением напряжения, и по мере увеличения нагрузки на изоляцию срок службы изоляции уменьшается. В результате трансформатор с более высоким напряжением обмотки также должен иметь более высокий уровень основной изоляции; также, по той же причине, напряжение пробоя импульса молнии становится одним из пунктов в спецификации, а не деталью.
- Частичное разряд. Когда нагрузка достаточно высока, пустота или дефект внутри изоляции могут начать разряжаться, что приводит к постепенному ухудшению этого материала. Частичное разряд служит предвестником отказа, но это не отказ сам по себе, и это один из побочных эффектов перенапряжения.
- Насыщение сердечника и гармоники. Когда сердечник работает выше своей проектной магнитной индукции (материал и конфигурация сердечника определяют уровень магнитного потока, который сердечник может выдерживать), магнитный ток искажается и начинает содержать некоторые нечётные гармоники, что приводит к увеличению потерь, повышению температуры и может вызвать резонансы в других частях системы.
- Увеличение слышимого шума. Магнитострикция — изменение размеров сердечника из-за намагничивания — также увеличивается с увеличением плотности потока; таким образом, трансформатор при перенапряжении производит значительно больше слышимого звука, чем тот же трансформатор при нормальных уровнях напряжения.
Эти четыре явления имеют общую черту, которая делает перенапряжение опасным: они кумулятивны и практически невидимы. Так случается, что трансформатор при перенапряжении не подает никаких признаков проблем, он просто стареет быстрее, и отказ происходит раньше, чем ожидалось.
Непреднамеренное повышение напряжения: причины
Существует четыре основные причины, по которым уровни напряжения будут избыточными, кроме преднамеренного повышения.
| Причина | Механизм | Как это распознать | Реакция |
|---|---|---|---|
| Неправильная настройка переключателя отводов | Отвод настроен на другое напряжение питания, чем то, которое присутствует | Последовательное, предсказуемое смещение по всем нагрузкам; присутствует всегда | Сбросьте отвод, чтобы соответствовать фактическому питанию; проверьте с помощью измерения |
| Потерянный нейтраль | Нейтральный уровень плавает, поэтому напряжение делится между фазами по импедансу нагрузки | Напряжения на двух фазах суммируются до полного линейного напряжения; некоторые нагрузки видят высокое напряжение, в то время как другие видят низкое | Аварийная ситуация: изолировать и рассматривать как неисправность питания |
| Эффект Ферранти | На длинной, слабо загруженной линии емкостный ток заряда поднимает напряжение на приемной стороне выше напряжения на передающей стороне | Напряжение повышается по мере снижения нагрузки; наихудшее ночью или в периоды низкого спроса | Реактивная компенсация или примите это, если в пределах допустимых значений |
| Резонанс банка конденсаторов | Конденсаторы коррекции коэффициента мощности резонируют с индуктивностью системы, усиливая напряжение на гармонической частоте | Искажение и повышение напряжения коррелируют с переключением конденсаторов | Настройте или перенастройте банк; исследуйте гармоники |
| Обратная подача от солнечных панелей или генерации | Встроенная генерация повышает напряжение в точке подключения при экспорте | Напряжение возрастает, когда генерация высокая, а местная нагрузка низкая | Регулировка отводов трансформатора, регулирование напряжения или ограничение экспорта |
Самая простая причина — это неисправный переключатель отводов. Если переключатель отводов установлен неправильно, трансформатор будет постоянно подавать ожидаемое напряжение, и решение будет заключаться в его правильной перенастройке после определения истинного входного напряжения вместо использования номинального значения напряжения. В контексте переключателей отводов существуют внецепные (могут быть установлены только когда трансформатор не под напряжением) и под нагрузкой переключатели отводов, которые могут выполнять свою работу под нагрузкой и обычно функционируют в соответствии с реле регулирования напряжения.
Эффект Ферранти — это еще одна причина, которая представляет собой сюрприз. Он основан на том факте, что линия передачи или электроснабжения на длинном расстоянии имеет емкость, распределенную вдоль своей длины, и когда сама линия не сильно нагружена, емкостной ток, проходящий через индуктивность линии, вызовет увеличение напряжения вместо его уменьшения. Природа эффекта пропорциональна длине линии и обратно пропорциональна грузоподъемности, что означает, что эффект наиболее выражен в случае длинных линий и низких нагрузок, поэтому проблема падения напряжения может возникнуть ночью, а не когда потребление выше.
Случай потерянного нейтрала
Эта упущенная глубина является причиной того, почему может не быть общих различий между этой причиной и другими подобными причинами, так как ответ отличается по своей природе, а именно — это кризис, а не регулировка.
В случае двухфазного питания центральный отвод трансформатора обеспечивает нейтраль, которая поддерживает оба напряжения линии относительно нейтрали на нормальном уровне. Если соединение нейтрали ослаблено, корродировано или разомкнуто в любой точке, такой как трансформатор, в сервисном проводе, на погодной головке, на основании счетчика или в панели, ссылка теряется. Два проводника линии плюс нагрузки, подключенные между ними и нейтралью, находятся в последовательном соединении для всего линейного напряжения, и напряжение распределяется в зависимости от импедансов нагрузок с обеих сторон.
В результате эффект заключается в том, что напряжение возрастает с одной стороны и падает с другой стороны. Таким образом, нагрузки на слабо нагруженной стороне будут получать напряжения, почти равные полному линейному напряжению, в то время как устройства на сильно нагруженной стороне почти не заметят изменений напряжения. Различия в напряжении обусловлены природой электрических приборов, так как всякий раз, когда любое электрическое устройство включается, баланс нарушается. Основной симптом — это сгоревшие устройства с одной стороны и недостаточно работающие устройства с противоположной стороны параллельно.
Вот почему потерянный нейтрал следует рассматривать как чрезвычайную ситуацию в электроснабжении, а не как проблему регулирования. Защитные меры, которые ограничивают ущерб в таких случаях, и роль нейтрали в схеме заземления, рассматриваются в нашем руководстве по основах заземления трансформаторов.
Как контролируется напряжение
Контроль напряжения интегрирован в систему на нескольких этапах, так как как ожидаемые, так и неожидаемые колебания напряжения важны.
- Переключатели отводов. Внецепные отводы устанавливают соотношение напряжения, а переключатели отводов под нагрузкой изменяют соотношение без разрыва электрической цепи под контролем автоматического регулятора напряжения.
- Автоматические регуляторы напряжения и компенсаторы. Они измеряют напряжение в системе и изменяют отвод, чтобы поддерживать напряжение в пределах с мертвой зоной, чтобы избежать охоты.
- Реактивная компенсация. Конденсаторы и реакторы регулируют реактивную энергию, которая вызывает колебания напряжения из-за нагрузки, а детюнированная батарея устраняет проблему резонанса.
- Измерения напряжения и защита. Реле перенапряжения разрывает цепь или указывает на возникновение уровня напряжения вне допустимого диапазона — последняя возможность для защиты от перенапряжения.
- Устройства защиты от перенапряжения. Они устраняют перенапряжение, возникающее от молний и переключений, и не позволяют изоляции работать за пределами её импульсного уровня.
- Правильный расчет в начале. Выбор трансформатора нужного класса изоляции и импеданса, а также диапазона переключения отводов для реальных условий питания предотвращает большинство проблем, описанных в этой статье, потому что это причина, по которой спецификация является самым важным шагом.
Для площадки, устанавливающей или заменяющей распределительный трансформатор, практическим шагом является спецификация в соответствии с измеренным напряжением питания и ожидаемым профилем нагрузки, а не с номинальными значениями. Наш ассортименте распределительных трансформаторов иллюстрирует параметры, которые должны быть уточнены — номинальные напряжения, диапазон отводов, импеданс, уровень изоляции и класс охлаждения — потому что каждый из них определяет, как устройство ведет себя, когда питание не является точно номинальным.
Пределы напряжения и стандарты
Коммунальные службы не пытаются поддерживать напряжение постоянным; вместо этого они поддерживают его в пределах диапазона, и степень этого диапазона определяет, какие виды вариаций оборудование может выдерживать.
В Северной Америке основная спецификация, используемая, это ANSI C84.1, которая, например, определяет так называемые коммунальные службы диапазона A (примерно ±5% от номинала) как диапазон, в пределах которого ожидается работа оборудования, и который называется диапазоном B или (примерно ±5.5%) диапазоном, который ожидается как допустимый, но не поддерживаемый. Если мы возьмем 120 В, мы получим примерно 114-126 В для диапазона A, а если возьмем 240 В, мы получим примерно 228-252 В.
В Европе EN 50160 определяет характеристики напряжения в использовании и указывает номинальное напряжение 230 В и допустимые вариации в окружающем пространстве около ±10% в течение большей части времени, а также ограничения по гармоникам, мерцанию и несбалансированности. Оборудование, способное работать в цепях, предназначенных для европейского рынка, сможет работать с этими характеристиками диапазона напряжения.
Практически это означает, что номинальное напряжение, вероятно, является более точно определенным средним значением напряжения, которое требуется от трансформатора. Трансформатор должен быть выбран таким образом, чтобы он обеспечивал правильное напряжение (номинальное напряжение) в какой-то точке диапазона доступного напряжения питания и чтобы изоляция работала нормально на верхнем уровне этого диапазона, а нагрузка была совместима с расчетом этой вариации. В случае, если что-то происходит в питании, и если питание какой-либо компании всегда было близко к краю диапазона, лучше будет отрегулировать отводы.
Часто задаваемые вопросы
Как трансформатор увеличивает напряжение?
Используя электромагнитную индукцию и соотношение витков для электрического трансформатора. Он генерирует магнитное поле в магнитном сердечнике через процесс индукции тока. Если вторичная обмотка трансформатора имеет больше витков, чем первичная обмотка, индуцированное напряжение пропорционально высоко, что означает, что соотношение Vs/Vp = Ns/Np применимо. Нет логической связи между ветвями, и энергия не производится, и таким образом трансформатор выполняет передачу электрической энергии в другой цепи с изменением соотношения напряжения и тока одновременно.
Что может вызвать высокое напряжение в трансформаторе?
Существует четыре основные причины. Неправильно отрегулированный переключатель отводов приведет к постоянному смещению напряжения независимо от ситуации и может быть исправлен путем сброса отводов на основе измеренного напряжения в сети. Прерывание нейтрали вызовет плавающее состояние опорной нейтрали, что приведет к повышению напряжения в одной фазе, но снижению в другой, что означает, что это аварийная ситуация в сети, а не регулировка. Эффект Ферранти приведет к увеличению напряжения на приемной стороне из-за емкостной зарядки в длинных разгруженных линиях, достигая пика при минимальной нагрузке. Резонанс банка конденсаторов и индуктивность системы увеличат напряжение. Проект встроенного генератора также будет экспортировать энергию в разгруженных системах, что делает его более частой причиной повышения напряжения в настоящее время.
Что происходит, если напряжение увеличивается?
Сценарий можно описать следующим образом: в случае работы трансформатора под постоянной нагрузкой, при которой ток возрастает, ток будет обратно пропорционален этой нагрузке, так как трансформатор может обеспечивать мощность без ее генерации. Постоянные нагрузки будут потреблять мощность как резистивная нагрузка, получая примерно на 10 процентов больше тепла при 5 процентах перенапряжения. Мощность изменяется прямо пропорционально напряжению в квадрате мощности; следовательно, резистивная нагрузка сократит срок службы нагревательного элемента. Потери в сердечниках в моторах и ток на намагничивание увеличиваются, в то время как рабочий ток может уменьшаться, поэтому мотор будет более горячим в центре. Изоляция будет находиться под большим электрическим напряжением и будет изнашиваться быстрее, поэтому при длительном перегрузке есть вероятность пробоя. Происходит насыщение в трансформаторах и моторах, поэтому они генерируют гармоники, а также тепло. И в любом случае трансформатор, находящийся за пострадавшим, будет издавать более громкий гул при высокой плотности потока.
Как трансформатор влияет на напряжение?
Электрический трансформатор управляет пропорцией напряжений в первичных и вторичных цепях через соотношение витков, и в этом механизме он выполняет три основные функции. Во-первых, трансформатор повышает или понижает напряжение в зависимости от того, в какой цепи большее количество витков. Далее, он выполняет регулирование напряжения не очень хорошо, потому что при увеличении нагрузки выходное напряжение уменьшается из-за падения импеданса в зависимости от значения тока, что выражается в процентах от импеданса на табличке. Наконец, трансформатор имеет отводы для регулирования напряжения либо в процессе установки, либо когда реле начинает работать. Напряжение на выходе трансформатора будет зависеть не только от его работы, но и от профиля нагрузки и состояния сети питания.
Увеличение напряжения снижает потери?
Ответ зависит от того, где учитываются потери: либо в линии передачи, либо на приемном конце. Для любого фиксированного количества мощности увеличение напряжения снижает ток, а резистивные потери в проводнике зависят от квадрата тока, что приводит к значительному снижению потерь при передаче. Однако этот эффект проявляется только в части линии передачи. Как только напряжение увеличивается при потреблении мощности, резистивная нагрузка будет потреблять больше мощности и увеличивать потери в нагрузке. Важно различать эти два условия; поэтому высокое напряжение можно считать эффективным для передачи мощности, а в то же время перенапряжение приводит к потерям энергии и даже к более короткому сроку службы используемого оборудования.
Ссылки
- IEEE — Стандарты загрузки трансформаторов и координации изоляции
- Международная электротехническая комиссия — IEC 60076 Силовые трансформаторы и IEC 60038 Стандартные напряжения
- ANSI — ANSI C84.1 Напряжения электрических систем и оборудования
- CENELEC — EN 50160 Характеристики напряжения электроэнергии, поставляемой общественными сетями
- Министерство энергетики США — Руководство по качеству электроэнергии и распределительным системам
Заключение
Когда речь идет об увеличении напряжения в трансформаторе, очевидно, что выходное напряжение будет зависеть от соотношения обмоток. Выходной ток также будет уменьшаться в том же соотношении, что и увеличение напряжения, из-за того, что трансформаторы передают мощность, а не генерируют ее. После того как будет достигнуто более высокое выходное напряжение, следующим шагом будет рассмотрение того, какое влияние оно окажет на оборудование, работающее с ним. Резистивные установки будут требовать больше мощности с квадратом напряжения и производить больше тепла. Двигатели будут работать с меньшим током и увеличенными потерями в сердечнике. Более высокое напряжение приведет к более быстрому старению изоляции, большему шуму и чрезмерным гармоникам, если напряжение превысит его пороговое значение. Когда речь идет о повышении генерации этого высокого напряжения, вся система проектируется в соответствии с этими набором параметров, такими как изоляция, соотношение обмоток и отвод. Когда генерация высокого напряжения является непреднамеренной, ее коренная причина определяет, какое решение применить. Например, переключение неисправного отвода обратно на стандартный или компенсация эффекта Ферранти.