Трансформаторы повышающего и понижающего типа используют одни и те же физические принципы через электромагнитную индукцию для изменения переменного напряжения, находясь при этом по обе стороны электрической сети и выполняя противоположные функции в отношении напряжения и тока. Хотя они работают по одному и тому же механизму, это не означает, что они отличаются по качеству конструкции. Скорее, вся разница между ними заключается в том, что один трансформатор имеет катушку с большим количеством витков, чем другой, и это определит, как трансформатор будет влиять на напряжение и ток в зависимости от места установки, а также окажет значительное влияние на цену устройства. Эта статья объясняет все особенности типов трансформаторов и дает практические советы их покупателям.
Ответ таков: Трансформатор повышающего типа спроектирован с большим количеством витков на вторичной обмотке, чем на первичной, что приводит к более высокому напряжению на выходе, чем на входе. Тот же принцип применяется для снижения потерь сопротивления путем передачи энергии на более высоком напряжении с использованием этого метода. Трансформатор понижающего типа имеет меньше витков на вторичной обмотке, чем на первичной; следовательно, он производит более низкое напряжение с пропорциональным увеличением выходного тока. Оба типа трансформаторов основаны на одном и том же уравнении Vs/Vp = Ns/Np; однако ток обратно пропорционален. Трансформатор будет функционировать как любой из типов, если его установить наоборот, но трансформаторы понижающего типа могут не всегда выдавать свою номинальную мощность, когда их превращают в повышающие из-за конструкции обмотки, изоляции и системы охлаждения, связанных с одним конкретным режимом потока энергии.
Что представляют собой два типа
Оба устройства являются типами статических машин. Каждое из них имеет две или более обмоток на магнитном сердечнике. Первичная обмотка несет переменный ток и создает изменяющийся магнитный поток внутри магнитного сердечника. Поток создает индуцированное напряжение в другой обмотке, называемой вторичной. Две обмотки электрически не соединены друг с другом в трансформаторе с двумя обмотками. В обоих устройствах нет движущихся частей.
Единственной конструктивной особенностью, которая отделяет трансформатор повышающего типа от трансформатора понижающего типа, является отношение витков. В случае, если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная обмотка, индуцированное напряжение во вторичной обмотке становится выше, и трансформатор является трансформатором повышающего типа. Если витков во вторичной обмотке меньше, чем в первичной обмотке, это означает, что его напряжение ниже, и трансформатор является трансформатором понижающего типа. Все остальные характеристики трансформатора относятся к тому, как реализуется указанное отношение витков.
Важно сказать, что это именно тот момент, который вызывает довольно распространенное недоразумение. Дело в том, что трансформатор повышающего типа не мощнее трансформатора понижающего типа. Факт того, что трансформатор повышающего типа имеет мощность 500 кВА, не означает, что он будет более мощной машиной, чем трансформатор понижающего типа с такой же мощностью.
Как работает трансформатор повышающего напряжения
Использование трансформатора повышающего типа означает, что электроэнергия подается на обмотку с меньшим количеством витков, а использование осуществляется с обмотки с большим количеством витков. Если количество витков первичной обмотки составляет 100, а вторичной — 1,000, то отношение витков дает 1:10, и напряжение на вторичной стороне трансформатора должно быть в десять раз выше, чем на первичной стороне, с некоторыми исключениями, касающимися потерь и регулирования.
Основной момент заключается в воздействии на ток. Поскольку трансформатор не создает, а только передает мощность, если напряжение увеличивается, ток уменьшается. Например, если трансформатор повышающего типа передает напряжение 10,000 вольт от источника 1,000 вольт, ток упадет до одной десятой от начального тока в первичной обмотке. Эта зависимость не является недостатком трансформатора, а его основной целью, поскольку ясно, что более высокое напряжение означает меньший ток в соответствии с общим физическим правилом.
Поэтому можно найти применение трансформатора повышающего типа во всех энергетических системах со стороны генерации энергии. Генератор вырабатывает электроэнергию при напряжении, ограниченном изоляцией, или, точнее, от 11 кВ до 25 кВ в больших генераторах. После этого трансформатор повышающего типа увеличивает это напряжение до необходимого значения для передачи, которое может составлять от 275 кВ до 400 кВ и более. Основы того, как эти машины построены и где они находятся в сети, изложены в основной конструкции и роли распределительных трансформаторов, которые используют те же принципы в меньшем масштабе.
Как работает трансформатор понижающего типа
В трансформаторе понижающего типа порядок обмоток изменен, при этом питание подается на обмотку с большим количеством витков, а нагрузка снимается с обмотки с меньшим количеством витков. В примере трансформатора понижающего типа с соотношением 10:1, при подаче 10,000 В он будет выдавать 1,000 В, в то время как выходной ток также увеличивается с тем же коэффициентом 10.
Одной из причин существования понижающих трансформаторов является то, что существует большая разница между напряжением, которое эффективно для передачи от точки генерации до точки использования. В то время как для передачи на большие расстояния может использоваться напряжение 275 кВ, ни одно здание, оборудование или аппарат не могут быть фактически подключены к такому высокому напряжению. Напряжение должно постепенно снижаться до уровня, подходящего для практического использования. Для этой цели оно может быть уменьшено на многих стадиях от передачи до субпередачи, затем первичной распределительной сети и, наконец, до уровня, приемлемого для установок. Возможно, потребуется выполнить несколько понижающих трансформаций, прежде чем будет установлено питание.
Следует упомянуть определенные особенности работы понижающего трансформатора. Прежде всего, если напряжение уменьшается, ток имеет гораздо более высокое значение на обмотке низкого напряжения, чем на обмотке высокого напряжения, и именно поэтому обмотка низкого напряжения должна быть сделана более массивной, чем ее аналог на высоком напряжении — именно поэтому легко распознать обмотку низкого напряжения трансформатора. Во-вторых, стабильность напряжения считается более важной на выходе, поскольку установка терпима только к определенному диапазону напряжения. Полный набор параметров на табличке и спецификаций, а также то, как каждый из них влияет на поведение в эксплуатации, объясняется в интерпретации спецификаций трансформаторов.
Сравнение бок о бок
| Параметр | Повышающий трансформатор | Понижающий трансформатор |
|---|---|---|
| Соотношение витков | Вторичные витки > первичные витки | Вторичные витки < первичные витки |
| Напряжение | Выход выше входа | Выход ниже входа |
| Ток | Выход ниже входа, в обратной пропорции | Выход выше входа, в обратной пропорции |
| Мощность | Без изменений, кроме потерь | Без изменений, кроме потерь |
| Основная функция | Повышение напряжения для снижения потерь при передаче | Понижение напряжения до уровня, пригодного для использования |
| Типичное местоположение | На генерации и в точках, где напряжение должно быть повышено для распределения | На подстанциях, в точках подачи в здания и в каждой точке использования |
| Типичные пары напряжений | 11-25 кВ до 132-400 кВ | 132-400 кВ до 11-33 кВ, затем до 400 В или 230 В |
| Более массивная обмотка | Вторичная (высокое напряжение), хотя доминирует изоляция | Вторичная (низкое напряжение), потому что ток выше |
| Акцент на изоляции | Массивная — обмотка высокого напряжения определяет конструкцию и зазоры | Умеренная на высоком уровне, минимальная на низком уровне |
| Типичная относительная стоимость при равном MVA | Выше, из-за требований к изоляции и зазорам | Ниже для того же номинала видимой мощности |
| Эффективность | Очень высокая, обычно 98-99% при больших номиналах | Очень высокая, обычно 97-99% в зависимости от размера |
| Обратимый в принципе | Да, если подача осуществляется в пределах проектных ограничений | Да, если подача осуществляется в пределах проектных ограничений |
Один ряд требует некоторого разъяснения, потому что он удивляет клиентов. Если оба типа трансформаторов обрабатывают одинаковую мощность, почему трансформатор повышающего типа дороже своего аналога? Ответ заключается в системе изоляции. Трансформатор, спроектированный с высоковольтной вторичной обмоткой, должен выдерживать напряжение в изоляции обмоток, вводах, расстояниях до земли и импульсной стойкости. Эти требования зависят от напряжения, а не от мощности. Таким образом, трансформатор повышающего типа мощностью 50 МВА 11 кВ/132 кВ обычно будет большим, с лучшей изоляцией и более дорогим, чем трансформатор понижающего типа мощностью 50 МВА 132 кВ/11 кВ, хотя оба устройства могут казаться похожими по спецификации.
Как они отличаются физически
Внешний вид трансформатора повышающего и понижающего напряжение с одинаковыми характеристиками может быть запутанным из-за схожей конструкции. Тем не менее, существуют определенные особенности, которые помогают определить его тип.
- Высота и размер вводов. Благодаря высоковольтной обмотке конструкция вводов отличается. Учитывая это, легко определить, какая сторона используется для высоковольтной передачи. В повышающем трансформаторе это будет вторичная обмотка, в то время как в понижающем трансформаторе — первичная.
- Сечение проводника обмотки. Если есть возможность провести визуальную проверку, можно определить, принадлежит ли обмотка повышающему или понижающему трансформатору по толщине проводников.
- Система охлаждения. В случае больших единиц обоих типов имеются радиаторы, вентиляторы или насосы для подачи масла для охлаждения, но это не является отличительной особенностью для обоих типов, так как класс охлаждения указан на табличке с характеристиками.
- Отводы, используемые в обмотке. Переключатель отводов обычно устанавливается на высоковольтной обмотке, так как эта конструкция позволяет точно настраивать трансформатор для одинакового числа витков в обмотке.
В любом случае, табличка с характеристиками оказывается очень полезной для определения доступного типа трансформатора.
Где каждый используется
Эти два типа занимают противоположные концы цепи, через которую проходит каждая единица электричества.
| Этап | Роль трансформатора | Типичное номинование |
|---|---|---|
| Генерация | Генераторный повышающий трансформатор повышает напряжение машины до уровня передачи | 50-1,000 МВА |
| Передача | Повышение и понижение на точках соединения между уровнями напряжения | 100-1,000 МВА |
| Подтрансформация | Понижение с уровня передачи до уровня субпередачи | 20-200 МВА |
| Первичная распределительная сеть | Понижение с уровня субпередачи до уровня распределения | 5-50 МВА |
| Распределительная подстанция | Понижение до рабочего напряжения для района или большого объекта | 5-5 МВА |
| Точка использования | Понижение до рабочего напряжения установки или местное повышение для конкретной машины | 025-2.5 МВА |
| Специальное местное использование | Повышение для конкретного процесса или испытательного требования, такого как электростатические осадители или испытательные стенды | Широко варьируется |
Из последних двух строк можно сделать вывод, что оба типа трансформации могут происходить в одном и том же заводском помещении. Завод может получать электричество через понижающий трансформатор, а затем у него может быть небольшой повышающий трансформатор для использования в конкретном процессе, таком как электростатические осадители или установки для диэлектрических испытаний, или специальное оборудование, которое требует более высокого напряжения, чем то, что поставляется через распределение. Направление трансформации зависит от потребностей, а не от места, где она расположена; таким образом, проблема размеров должна решаться на основе требований по напряжению и мощности. Правильный расчет является необходимым условием для корректного определения любых параметров, и метод изложен в подходе к определению размеров трансформаторов и расчету нагрузки.
Типы и конфигурации
Семейство конструкции трансформаторов не соответствует направлению трансформации, поскольку как трансформаторы повышающего, так и понижающего напряжения принадлежат к одной и той же семье конструкции.
- Однофазный. Состоит из двух обмоток на одном сердечнике, широко используется для питания и распределения в домашних условиях и для небольшого оборудования, обычно используется для меньших мощностей.
- Трехфазный. Состоит либо из трех однофазных трансформаторов, либо из одного трехфазного трансформатора, который имеет три обмотки на одном сердечнике. Второй дизайн предпочитается большинством конструкций трансформаторов благодаря своей врожденной способности питать трансформаторы очень большой мощности и обеспечивать установку с другими параметрами, связанными с работой трансформатора.
- Автотрансформатор. Трансформатор с одной обмоткой с отводом, который имеет электромагнитную связь цепей. Это наиболее экономичное решение по сравнению с трансформатором с двумя обмотками для аналогичных целей.
- Изоляционный трансформатор. Трансформатор с двумя обмотками и коэффициентом трансформации 1:1, предназначенный для специфических нужд гальванической изоляции.
- Сухие и масляные типы. Их различие заключается в месте, где они используются: сухой тип может работать в закрытых помещениях, а масляные в основном применяются для трансформаторов, которые достаточно большие и имеют более высокие мощности, поскольку охлаждение маслом более эффективно, чем воздухом.
- Трансформаторы, установленные на подставках и на столбах, или трансформаторы в подстанциях. Они больше связаны с методами установки, чем с принципом работы трансформаторов.
Для работы, выполняемой по трем фазам, способ соединения обмоток — через дельту или звезду — значительно влияет на то, как фазы первичной и вторичной обмоток работают вместе, а также на наличие нейтрали и то, как трансформатор справляется с несбалансированными нагрузками и тройными гармониками. Примером может служить соединение дельта-звезда, которое предлагает нейтраль на вторичной стороне и блокирует прохождение нулевой последовательности через него. Практические последствия каждого сочетания достаточно значительны, чтобы определить спецификацию, и представительным примером того, как трехфазный блок представлен для закупки, является наш ассортимент трехфазных трансформаторов, где соотношение напряжения, группа соединения, импеданс и класс охлаждения представлены вместе, поскольку их необходимо выбирать совместно.
Цены и факторы стоимости
Ценообразование трансформаторов обусловлено аналогичными факторами в противоположном направлении, где направление установленного блока не имеет такого значения, как класс напряжения или номинальное напряжение.
| Фактор стоимости | Влияние на цену | Почему |
|---|---|---|
| Номинальная мощность (кВА или МВА) | Доминирующий фактор; цена растет быстрее, чем номинальная мощность | Больше стали для сердечника, больше меди, больше масла, больший бак |
| Класс напряжения | Основной фактор, особенно на стороне высокого напряжения | Изоляция, зазоры и стоимость вводов резко увеличиваются с напряжением |
| Класс охлаждения (ONAN, ONAF, OFAF) | Умеренное | Радиаторы, вентиляторы и насосы увеличивают стоимость, но повышают полезную мощность |
| Спецификация импеданса | Умеренное | Низкий импеданс стоит дороже по материалам; влияет на уровень короткого замыкания и регулирование |
| Переключатель отводов (вне цепи или под нагрузкой) | Значительно для работы под нагрузкой | On-load tap changers are complex mechanisms with their own controls |
| Спецификация потерь | Significant | Low-loss designs use more active material to reduce operating cost |
| Connection group and neutral arrangement | Minor to moderate | Affects winding configuration and any neutral bushing |
For the buyer, the key factors are that when comparing price offers from multiple suppliers, a product specification should be taken into account, since, after all, cheap price often translates into cheaper voltage class, small cooling margin or higher losses than in a good deal; and that the price of the product is only one part of the total cost, since losses are paid throughout the entire service life of the product. Reconciling capital cost against lifetime energy cost is the central exercise in transformer procurement, and the realistic price bands for each rating and class are set out in the cost structure for electrical transformers.
Can a Step-Down Be Used as a Step-Up?
In theory, it is possible. A transformer is a reversible device and turning the supply towards what is being called its secondary will mean that the voltage on what is being called primary will be higher than expected. On some occasions, this is done on purpose in case of emergency.
However, in reality the following four points define the reason why this is a bad idea unless made as part of a rational engineering choice. They are usually installed on the high-voltage winding which implies that reverse feeding of the transformer will situate them in unsuitable places for voltage adjustment. The insulation and distances were made with the assumption that the high voltage will appear on a certain winding, but back-feeding can expose this voltage to a wiring arrangement not convenient for it. The parameters for cooling and current ratings were set with a certain current distribution through the windings assumed, which will now turn when the power flow gets reversed. The protection and earthing system that would normally be designed for a particular direction of power flow will not be suitable for reversed flow either.
To summarize, reversal is theoretically possible to do, may be appropriate in certain situations, but is better clarified with the manufacturer rather than assumed. If one does require both directions at site, using a transformer properly selected for the job would be a much smarter approach than compromising by using whatever transformer one happens to have.
How to Tell Which You Have
Four tests in an order of reliability.
- Check the rating plate. It states the rated voltage of each winding as identified by terminal markings as well as the rated power, type of connection group, impedance, and the class of cooling. This is the most accurate test and can be carried out within seconds. If it is not possible to identify rating plate because of its illegibility or absence then other tests will become just approximations.
- The next test is to make a comparison of bushings and the clearance. The high-voltage side is identified by the side where bushings are larger and spacing and clearance to the earth are wider.
- Make a check of the size of the conductors whenever it is possible to see it. The heavier conductor belongs to the winding with the higher current and lower voltage.
- Trace the connection. Follow the supply line to find out which winding is the primary one and compare it with the rated voltage of the winding being investigated.
There are two remarks about field identification. If a transformer has a ratio of 1:1, for example, that is the isolation transformer, it does not step-up or step-down voltage and an attempt to identify the transformer by the direction will yield only a wrong result. Moreover, a transformer having many taps can be connected in such a way as to change its nominal ratio. Thus what is shown on the plate may not reflect the actual situation.
Часто задаваемые вопросы
What is the difference between step-up transformers and step-down transformers?
The differentiation resides in the number of coils in winding. A step-up transformer has a greater number of coils in the secondary coil because of which the voltage of the output is greater than that of the input as well as the current is less proportionately. The purpose of the step-up transformer is to boost the voltage level to ensure the efficiency of power transmission. Meanwhile, a step-down transformer decreases the number of coils in its secondary coil leading to the decrease of voltage and increase of current in the proportion. The step-down transformer is used to lower the voltage to an appropriate level. Though both transformers operate at the same efficiency level, the following equation is true for both types of transformers Vs/Vp = Ns/Np.
What is the disadvantage of a step-up transformer?
There are three drawbacks that should be taken into account. To begin with, with the same power rating, costs tend to be higher than for step-down transformers as the high-voltage winding uses insulated parts and clearance materials that are connected with voltage parameters rather than power output. Next comes the risk that is connected with the potential failure of insulation systems due to the greater power of possible failures in the case of using high voltage equipment. Thirdly, when one uses a step-up transformer supplying a long cable, it is necessary to address voltage rise at the cable ends due to low voltage load conditions. Despite the fact that step-up transformers are quite reliable under normal conditions, all of the indicated factors affect the process of their specification and protection.
Can a step-down transformer be used as a step-up transformer?
In terms of functionality, the transformer can certainly operate in a reverse mode as there are situations where this is done in emergency situations. However, a device that has been intentionally built for use as a step-down transformer will usually not be able to achieve its full capacity when connected to the line in reverse mode because of numerous factors including but not limited to the design of the transformer in terms of winding construction, number of taps in use, and cooling arrangements. In reverse operation, the taps will usually remain on the primary (high voltage) side which may be regarded as inappropriate for operation. It is always advisable to check the reversibility option with the manufacturer and the devices that are made specifically for this purpose should be installed rather than recompleting the one that was not made for reverse operation.
How to tell if it’s a step-up or step-down transformer?
Examine the rating plate, which provides the rated voltage for each winding and is conclusive. In the absence of the rating plate, compare the bushings; the side with the bigger bushings, greater spacing and larger clearance from earth is said to be the high-voltage side, meaning that it is the side to which the transformer steps up and down from. In instances where the conductors are visible, noting the sizes of the conductors is the second clue; since the larger conductor is used for the winding with the higher voltage and lower current. Then follow the supply line to find out which of the windings is in fact the primary, as transformers with various taps may not always be installed in the configurations that results in the effective ratio being same as in the nameplate specifications.
Which transformer is used in a substation?
In both cases, the substation serves the reciprocal function. In the primary substation, transmission voltage is lowered to the level of distribution voltage. Therefore, all transformers in this type of substation are called step-down transformers. In a generation facility, the substation serves a different purpose since it is raising the voltage produced by the generator to the level of voltage transmission by using a step-up transformer. When it comes to interconnection substations, they might work in both modes, as they may contain both step-up and step-down units depending on the direction in which electricity flows most frequently and switching the flow if the flow does not change at the generation and demand points.
Ссылки
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers
- IEEE — Transformer Connections, Voltage Regulation and Loading Guides
- ANSI — ANSI C57 Series Power Transformers, Regulators and Reactors
- NFPA — National Electrical Code, Article 450 Transformers and Transformer Vaults
- U.S. Department of Energy — Transformer Efficiency and Distribution System Losses
Заключение
Step-up and step-down transformers are different sides of the same coin. The only difference is the number of turns in each transformer. In step-up transformers the secondary winding has more turns than the primary winding; thus, the transformer raises voltage and lowers current. Electricity transmission at high voltage is far more effective than doing so at low voltage — which is why the step-up transformer was invented in the first place. The step-down transformer on the other hand has fewer turns on the secondary winding and lowers voltage while raising current. Basically, there is no such thing as a transformer that could be connected to the transmission line. Both transformers transfer the same amount of power except for losses involved, and they obey the same formula Vs/Vp=Np/Ns. They are built in the same manner — the only thing that differentiates them is their position in the electric power transmission system and that makes step-up and step-down units price different. The step-down unit can be used as a step-up transformer but its efficiency will be the lowest because it is designed to work only in one way.