Технический инженер по обслуживанию из среднего сталелитейного завода связался с нами прошлой весной по поводу беспрецедентной проблемы: распределительный трансформатор мощностью 1600 кВА, который работает идеально, когда напряжение на заводском этаже достаточно, сообщается о нарушении эксплуатационных стандартов. Корень проблемы не был найден ни в переключателе отводов, ни в реле защиты; он был скрыт в рабочем принципе трансформатора, а именно в электромагнитной индукции, которая позволяет любому трансформатору работать. Как только наши эксперты выяснили, как соотнести индуцированное напряжение и число витков, решение, а именно корректировка соотношения, заняло несколько часов. Большинство “мистик” трансформаторов решается аналогичным образом: как только вы понимаете, что делает индукция, вы знаете, что делать с машиной.
В этой статье мы предоставили подробное описание того, как работают трансформаторы. Вы узнаете, что такое электромагнитная индукция, как закон Фарадея генерирует ток, почему у трансформаторов нет подвижных частей и как это понимание поможет вам в принятии решений о покупке и обслуживании.
Краткий ответ: Рабочий принцип трансформаторов основывается на явлении электромагнитной индукции. Согласно определению, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает изменение магнитного поля в сердечнике трансформатора, что приводит к индукции электрического тока во вторичной обмотке. Закон Фарадея утверждает, что соотношение электрического напряжения должно быть равно соотношению числа витков; в случае трансформатора 10 кВ/0,4 кВ нам нужно 25 витков обмотки, чтобы создать падение напряжения. Стоит отметить, что трансформаторы, соответствующие требованиям стандарта IEC 60076, достигают эффективности около 98-99,71%.
Что такое электромагнитная индукция в трансформаторе?
Электромагнитная индукция — это процесс, при котором в проводнике создается электродвижущая сила (или напряжение) из-за динамического магнитного поля. В трансформаторах электромагнитная индукция происходит дважды за полупериод: переменный ток, протекающий через первую обмотку, создает изменяющийся магнитный поток, который пересекает вторую обмотку и индуцирует напряжение в ней. Это не требует никакого механического движения; таким образом, трансформатор практически не изнашивается, поскольку движение не задействовано.
Это явление было открыто в 1831 году английским ученым Майклом Фарадеем и с тех пор используется в проектировании трансформаторов для производства электричества. Аналогично, два фактора контролируют индуцированное (вторичное) напряжение: число витков и скорость изменения потока. Более высокая частота означает более быстрое изменение потока и более высокое индуцированное напряжение, что объясняет, почему сердечники трансформаторов работают на частотах 50 или 60 Герц.
Как работает принцип работы трансформатора
Рассмотрим традиционную схему с двумя обмотками. В этой конфигурации первичная обмотка подключена к входному источнику, в то время как вторичная обмотка соединена с нагрузкой. Протекание переменного тока (AC) создает магнитное поле в ламинированном кремниево-стальном сердечнике трансформатора. Поскольку природа электричества переменная (изменяющаяся), магнитная индукция сердечника также будет постоянно изменяться, что приведет к колебаниям магнитного потока вверх и вниз и изменению направления 50 или 60 раз в секунду.
Переменный магнитный поток, создаваемый в сердечнике трансформатора, индуцирует электродвижущую силу на клеммах вторичной обмотки. В результате ток будет протекать через нагрузку, подключенную к вторичной обмотке, и выполнять необходимую работу. Таким образом, мы можем обобщить принцип работы трансформатора в три этапа:
- Первичный ток создает переменное магнитное поле;
- Поле проходит через железный сердечник и связывает две обмотки;
- Изменяющееся поле индуцирует напряжение во вторичной обмотке.
| Количество | Первичная сторона | Вторичная сторона | Соотношение |
|---|---|---|---|
| Напряжение (V) | V1 | V2 | V1 / V2 = N1 / N2 |
| Обмотки (N) | N1 | N2 | Определяется на этапе проектирования |
| Ток (I) | I1 | I2 | I1 × V1 = I2 × V2 |
| Импеданс (Z) | Z1 | Z2 | Z1 = Z2 × (N1/N2)2 |
| Мощность (S) | Практически равна с обеих сторон | S1 ≈ S2 (за вычетом потерь) | |
Поскольку мощность сохраняется (за исключением потерь), увеличение вторичного напряжения автоматически снижает ток. Трансформатор мощностью 1 МВА при 0,4 кВ будет передавать около 1,443 А на стороне низкого напряжения, но та же мощность при 33 кВ будет передавать только около 17,5 А. Следовательно, эта обратная зависимость между напряжением и током является причиной, по которой энергетические компании увеличивают напряжение для передачи на большие расстояния, поскольку меньший ток означает меньшие потери из-за I²R.
Закон Фарадея и объяснение соотношения обмоток
Согласно закону Фарадея, он утверждает, что индуцированная электродвижущая сила является скоростью изменения магнитного потока, формула которого представлена как E = −N × dΦ/dt. В случае практического трансформатора, работающего с синусоидальным напряжением, вышеуказанный закон применим.
V ≈ 4.44 × f × N × Φmax
Где f — это частота, которая составляет либо 50, либо 60 Гц, N — это количество обмоток, а Φmax обозначает максимальный поток сердечника. Таким образом, следует:
Напряжение фиксируется количеством обмоток. Напряжение определяется для конкретного сердечника автоматически, и каждая обмотка получает свое фиксированное “вольт на обмотку”. Например, одна вторичная обмотка получает напряжение равное 400 вольт с 18 обмотками и расположена рядом с первичной обмоткой с 540 обмотками таким образом, что напряжение равно 12 киловольт, что соответствует соотношению 30:1, требуемому электрическими сетями.
Соотношение обмоток равно соотношению напряжений. Трансформатор работает с соотношением 25:1, преобразуя 10 кВ в 400 В. Соотношение можно найти на его табличке, где указано 25:1 или 25000/400 В.
Соотношение токов оказывается обратным. Следовательно, устройство, работающее с этим соотношением, будет производить в 25 раз больше тока на вторичной стороне по сравнению с первичной при работе с одинаковой мощностью.
Это означает, что “трансформатор повышающего или понижающего типа” на самом деле является одним и тем же устройством, которое просто используется в обратном порядке. Генераторный трансформатор преобразует 11 кВ в 220 кВ, в то время как та же группа обмоток в сочетании с другой вторичной стороной вернет 220 кВ обратно в 11 кВ.
Основные компоненты, которые делают индукцию возможной
| Компонент | Материал / Форма | Роль в индукции |
|---|---|---|
| Сердечник | Кремнистая сталь с ориентацией по зернам, ламинации 0.23–0.35 мм | Обеспечивает магнитный путь с низким сопротивлением; ламинация снижает потери вихревых токов |
| Первичная обмотка | Медь или алюминий, изолированный проводник | Создает переменный магнитный поток от питающего тока |
| Вторичная обмотка | Медь или алюминий, изолированный проводник | Перехватывает поток и передает индуцированное напряжение на нагрузку |
| Изоляционная система | Крафт-бумага + масло (масло-иммерсионный) или эпоксидная смола (сухой тип) | Электрически изолирует обмотки и сердечник; масло также передает тепло |
| Переключатель отводов | Вне цепи или под нагрузкой, ±5% обычно | Регулирует эффективное отношение витков для соответствия напряжению системы |
| Бак / корпус | Сварная сталь с консерватором или системой N2 | Защищает сборку сердечника и обмотки и диэлектрическую жидкость |
Два аспекта заслуживают внимания. Первый заключается в том, что сердечник ламинирован, а не цельный, так как цельный сердечник будет работать как короткозамкнутая обмотка и генерировать тепло из-за токов, индуцированных в процессе работы. Второй аспект заключается в том, что медь используется в качестве материала для обмотки в большинстве моделей с высокой эффективностью. Трансформатор мощностью 1,000 кВА использует около 800-1,000 кг меди в обмотке, и именно поэтому цена на медь напрямую влияет на цену трансформаторов.
Трансформатор повышающего и понижающего напряжения: реверсирование индукции
Каждая электрическая сеть имеет в себе обе функции. Генерация увеличивает напряжение, в то время как распределение снижает его, поэтому процесс определения того, что необходимо, должен начинаться с определения вашей зоны обслуживания.
| Сценарий | Входная сторона | Выходная сторона | Типичное устройство |
|---|---|---|---|
| Экспорт солнечной / ветровой электростанции | Выход инвертора 0.4–0.8 кВ | Коллекторная шина 10–35 кВ | Повышающий трансформатор, 0.5–10 МВА |
| Передача электроэнергии | 11–66 кВ | 110–765 кВ | Трансформатор GSU, 50–1,000 МВА |
| Подстанция для потребителей | 10–35 кВ | 4 кВ | Понижающее распределительное устройство, 100–2,500 кВА |
| Обслуживание промышленного предприятия | 33 кВ | 6 / 11 кВ | Главный трансформатор, 2–40 МВА |
Частая ошибка при определении размеров заключается в том, что забывают, что отношение напряжения трансформатора — это не вся история. Трансформатор с отношением 35 кВ/0.4 кВ также имеет фиксированную мощность KVA и некоторое импедансное напряжение (обычно от 4-8%) и векторную группу (чаще всего Dyn11 для распределительного обслуживания). Принцип индукции показывает отношение, но рейтинг показывает используемое железо, медь и охлаждение. Заказ трансформатора только по напряжению — это то же самое, что купить насос только по размеру трубы, потому что поток (KVA) также важен.
Эффективность и потери в практических трансформаторах
Из-за того, что индукция является только электромагнитным соединением, теоретическая эффективность трансформаторов может быть довольно высокой. Фактические трансформаторы, построенные в соответствии с IEC 60076, имеют эффективность от 98% до 99.7%, и большие силовые трансформаторы известны своей высокой эффективностью среди вращающихся и статических машин. Потери можно разделить на две большие категории:
Потери без нагрузки: потери гистерезиса и вихревых токов, которые могут возникать в железе, когда трансформатор работает. Потери без нагрузки составляют 0.1-0.5% от рейтинга.
Потери нагрузки: потери меди. Тепловые потери во время работы обмоток трансформатора могут быть рассчитаны с использованием формулы I²R и разделены на две категории. В случае, если нагрузка в 1,5 раза превышает номинальную нагрузку, потери мощности значительно увеличатся — например, трансформатор мощностью 1000 кВА с определенным рейтингом теряет 8,5 кВт, может потерять почти 19 кВт при перегрузке на 150%.
Эффективный дизайн трансформатора мощностью 1000 кВА гарантирует потери от 1,4 до 2,4 кВт при отсутствии нагрузки и потери от 8 до 13 кВт, когда трансформаторы под напряжением. Важность потерь можно объяснить тем, что трансформаторы работают в течение всего года, и даже небольшое снижение потерь на 1 кВт в процессе работы трансформатора сэкономит 876 долларов США в год.
Типы силовых трансформаторов, построенных по одному и тому же принципу
Механизм индукции универсален, но конструкция сильно варьируется в зависимости от назначения. Основные группы:
| Тип | Охлаждение / изоляция | Типичное номинование | Где используется |
|---|---|---|---|
| Масляный трансформатор | ОНАН / ОНАФ | 50 кВА–1,000+ МВА | Коммунальные услуги, промышленные подстанции |
| Сухой трансформатор | Эпоксидный литье или VPI | 100–10,000 кВА | Высотные здания, метро, оффшор |
| Распределительный трансформатор | ONAN настенный или настенный монтаж | 5–5,000 кВА | Конверсия напряжения последней мили |
| Трансформатор мощности / GSU | ОНАН/ОНАФ/ОФАФ | 10–1,000 МВА | Передача и генерация |
| Аморфный сердечник трансформатора | Маслонаполненный, аморфная сталь | 50–2,500 кВА | Приложения с низкими потерями в холостом режиме |
| Специальные (выпрямитель, печь, фазовый сдвиг) | Масляный или сухой | 1–200 МВА | Нагрузки промышленных процессов |
Типичные спецификации трансформаторов на основе индукции
Обращаясь к принципу работы, табличка с данными раскрывает всю информацию о том, как было спроектировано индукционное устройство. Стандартная распределительная система 1,000 кВА, 10/0.4 кВ имеет следующие значения:
| Параметр | Общая стоимость | Стандартная ссылка |
|---|---|---|
| Номинальная мощность | 100–2,500 кВА (по заказу) | IEC 60076-1 |
| Напряжение | 10 кВ / 0.4 кВ (пример) | IEC 60076-1 |
| Векторная группа | Дин11 | IEC 60076-1 |
| Напряжение импеданса | 4–6% при номинальном токе | IEC 60076-5 |
| Потребление без нагрузки | 4–2.4 кВт | IEC 60076-1 / ISO классы энергии |
| Потери нагрузки при 120 °C | 8–13 кВт | IEC 60076-1 |
| Диапазон отводов | ±2×2.5% или ±5% | IEC 60076-1 |
| Класс охлаждения | ONAN (повышение на 50–63 °C) | IEC 60076-2 |
Топовые бренды и ценовые диапазоны для трансформаторов мощности
На рынке есть всего несколько всемирно признанных компаний, которые создают удивительные продукты. ABB (в настоящее время ABB Ltd) и Hitachi Energy занимают лидирующие позиции в проектировании генераторов и трансформаторов HVDC; Siemens Energy и GE Vernova известны своими трансформаторами и системами большой мощности; Schneider Electric и Eaton сосредоточены на распределительной отрасли и трансформаторах сухого типа. Их устройства обычно стоят дороже и имеют более длительные сроки выполнения. На этом фоне производители из Китая завоевывают высокие доли на мировом рынке распределительного и среднего энергетического оборудования, используя преимущества, возникающие благодаря соблюдению стандартов IEC 60076 и более низким производственным затратам.
Компания под названием Jiangsu Subian Electric Power находится среди таких производителей. Она производит как маслонаполненные, так и сухие трансформаторы с мощностью от 10 кВА до десятков МВА, которые соответствуют требованиям IEC 60076. Компания поставляет продукцию более чем в 40 стран мира. Клиенты напрямую обращаются на заводы для решения вопросов, связанных с трансформаторами, такими как векторные группы, диапазоны отводов, потери или проектирование охлаждения. В результате, в случае, когда теория индукции не подлежит обсуждению, но бюджет фиксирован, Subian может предложить проверенное производство, поддерживаемое инженерными данными и мониторингом. Цены указаны в таблице ниже.
| Бренд | Прочность | Типичный ценовой диапазон (распределительная шкала) |
|---|---|---|
| ABB | Глобальный лидер в области энергетики | 1ТП4Т15,000–1ТП4Т80,000+ |
| Hitachi Energy | Специалист по GSU и HVDC | 1ТП4Т20,000–1ТП4Т150,000+ |
| Siemens Energy | Возможности ультравысокого напряжения | 1ТП4Т18,000–1ТП4Т120,000+ |
| Schneider Electric | Сухие и умные распределительные системы | 1ТП4Т10,000–1ТП4Т45,000 |
| Итон | Распределительные и промышленные установки | 1ТП4Т8,000–1ТП4Т30,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Завод IEC 60076, конкурентоспособные цены | $4,000–$60,000 (типично), цены варьируются в зависимости от спецификации и региона |
Цены являются ориентировочными FOB диапазонами для единиц 250–5,000 кВА и варьируются в зависимости от номинала, цены на медь, типа охлаждения и назначения.
Как выбрать трансформатор, используя принцип работы
- Важно проверить требования к коэффициенту трансформации системы. Проверьте, что указано в соглашении о подключении к сети относительно входного и выходного напряжения, а также допустимого диапазона отводов (±5%).
- Эталонный кВА с фактической нагрузкой. Сложите подключенные нагрузки, примените диверсификацию (в среднем 0.6—0.9) и увеличьте результат на 10—20%, чтобы учесть будущий рост. Недостаточное увеличение мощности приводит к увеличению потерь в холостом режиме. Недостаточная мощность приводит к сокращению срока службы оборудования.
- Выберите сердечник и обмотку в зависимости от ваших требований к эффективности. Более дорогие высококачественные зернистые ориентированные кремниевые стали и медные обмотки влекут за собой более высокие затраты на разработку, но приводят к снижению потерь.
- Подтвердите импеданс, а также векторную группу с системным инженером. Неправильный фазор или импеданс приводит к проблемам с параллельной работой и защитными настройками.
- Проверьте применимые стандарты. Вы можете запросить отчеты о тестах, подтверждающие соответствие IEC 60076 по соотношению, импедансу, потерям, диэлектрическим испытаниям и т.д.
- Сравните общую стоимость владения, а не цену. Для этого сравните приведенную стоимость будущих потерь за 20-30 лет с местными тарифами перед тем, как сделать выбор между предложениями.
Советы по обслуживанию, связанные с физикой индукции
- Контролируйте возбуждающий ток. Увеличение тока при нулевой нагрузке указывает на деградацию магнитного сердечника или на то, что один виток может быть поврежден; это следует немедленно проверить, прежде чем произойдет отказ.
- Контролируйте температуру масла и уровень растворенных газов. DGA указывает на перегрев изолированных катушек даже до того, как произойдет пробой; достаточно проверять масло раз в год для установок с мощностью более 1 МВА.
- Проверяйте соотношение после каждого изменения отводов. Соотношение витков трансформатора должно быть проверено снова после изменения отводов; изменение соотношения 2.5% приводит к немедленным изменениям в показаниях.
- Обеспечьте эффективное охлаждение. Потери индукции должны быть удалены из системы охлаждения; в противном случае забитые радиаторы или сломанные вентиляторы увеличат температуру в катушках выше критерия 65–70 °C, что приведет к двукратному увеличению процесса старения при каждом аномальном увеличении температуры на 8–10 °C.
Часто задаваемые вопросы
Почему трансформатор работает только на переменном токе, а не на постоянном?
Для возникновения электромагнитной индукции необходимо наличие переменного магнитного потока. Постоянный ток создает постоянный магнитный поток, и вторичное напряжение сразу падает до нуля после применения постоянного тока. Если постоянный ток постоянно подается на трансформатор, сердечник трансформатора будет насыщен, и будет потребляться высокий ток.
Каково соотношение вольт на виток на практике?
Среднее напряжение для сердечника распределительной цепи составляет примерно 5–15V на каждую обмотку. В системе с вторичным напряжением 400V требуется около 30-80 витков, в то время как для использования того же сердечника при 10kV может потребоваться около 25 раз больше витков или около 750-2000 витков. Системы, требующие более высокого напряжения, будут иметь больше витков на том же сердечнике, что, очевидно, потребует больше изоляции.
Как я могу проверить соотношение трансформатора перед покупкой?
Отчет о рутинных испытаниях должен быть запрошен в соответствии с IEC 60076-1, который содержит сводку испытания соотношения витков на всех отводах. Вы можете проверить это при доставке с помощью портативного измерителя соотношения, который потребует проверки, если он превысит номинальное значение 0.5%.
Почему эффективность выше при более высоких номиналах?
Потери в статоре, которые связаны с размерной поверхностью и площадью главного проводника, вместо общего объема генератора, превышают потери, связанные с мощностью. Таким образом, эффективность генератора номиналом 100 кВА может быть равна 97%, в то время как эффективность генератора, превышающего 100 МВА, может составлять примерно 99.6%.
Можно ли использовать один и тот же трансформатор как повышающий, так и понижающий?
Безусловно, с электрической точки зрения, обмотки могут быть взаимозаменяемыми, но диапазон отводов, векторная группа и конструкция защиты установлены для работы только в одном направлении. Хотя возможно работать с распределительным устройством в обратном направлении (путем подачи напряжения на стороне 0.4 кВ), это практично только при сниженной мощности, и рекомендуется провести инженерное исследование устройства перед тем, как рассматривать этот вариант.
Ссылки
- IEC — Международная электротехническая комиссия — издатель серии IEC 60076 по силовым трансформаторам, регулирующей проектирование и испытания.
- IEEE — источник стандартов трансформаторов и практики эксплуатации, включая серию IEEE C57 для силовых и распределительных трансформаторов.
- NEMA — стандарты электрического оборудования Северной Америки, включая номиналы трансформаторов и эффективность.
- Управление энергетической информации США — публичные данные о потреблении энергии трансформаторами и эффективности передачи.
- Министерство энергетики США — Программы по эффективности трансформаторов — рекомендации по оценке потерь и выбору энергоэффективных трансформаторов.
- Electrical4U — образовательные материалы по закону Фарадея, трансформаторному соотношению и теории индукции.
Заключение
Работа трансформатора основана на принципе одной сложной теории электромагнитной индукции — это концепция, применимая в области генерации энергии. Закон Фарадея информирует о соотношениях витков, уравнениях напряжения и зависимостях тока; следовательно, все остальное — это просто инженерная интерпретация физической теории. Важно проверить соотношение трансформатора на основе требований сети, фактического потребления мощности нагрузки и оценочных потерь. При принятии решения о покупке трансформатора лучше всего выбрать тот, который изготовлен в соответствии с нормами IEC 60076 с соответствующими доказательствами испытаний. Посетите www.subian-electric.com с вашими данными о напряжении и нагрузке, и инженерная команда завода поможет вам подобрать правильный трансформатор для вашего объекта.