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.
- Select core and winding based on your efficiency requirements. Higher-priced high-grade grain-oriented silicon steel and copper windings incur higher development costs but result in reduction of the loss.
- Confirm the impedance as well as vector group with the system engineer. Incorrect phasor or impedance results in issues with parallel operation and protective setting.
- Verify applicable standards. You can ask for test reports confirming compliance with IEC 60076 in terms of ratio, impedance, losses, dielectric tests, etc.
- Make comparisons in terms of the whole cost of ownership instead of the price. To do so, compare present value of future losses for 20-30 years against local tariffs before making a choice between quotes.
Maintenance Tips Linked to Induction Physics
- Monitor the exciting current. An increasing current at no-load voltage indicates that there is degradation of the magnetic core or that one turn may be broken; it should be immediately investigated before a failure takes place.
- Monitor oil temperature and dissolved gas level. DGA indicates overheating of the insulated coils even before breakdown occurs; it is enough to check the oil once a year for units with capacity exceeding 1 MVA.
- Check the ratio after every change in tap. The transformer turns ratio should be checked again after the tap is changed; the ratio change of 2.5% results in immediate changes in the readings.
- Make effective cooling possible. The induction loss has to be removed from the cooling system; otherwise clogged radiators or broken fans would increase the temperature in the coils above the criteria of 65–70 °C that results in 2-fold increase in the process of aging for each abnormal 8–10 °C increase of the temperature.
Часто задаваемые вопросы
Why does a transformer work only on AC and not DC?
For electromagnetic induction to occur, it is necessary to have a variable magnetic flux. Direct current gives a constant magnetic flux and the secondary voltage drops to zero immediately after applying the DC. If the DC current is applied across a transformer continuously, the core of the transformer will be saturated and high current will be drawn.
What is the volts-per-turn relationship in practice?
The average voltage for a circuit distribution core is approximately 5–15V every winding. In a 400V secondary system, about 30-80 windings are needed while a 10kV utilization of the same core may require about 25 times more windings or around 750-2000 windings. Systems that need higher voltage will put more windings on the same core, which will obviously require more insulation as well.
How do I verify the transformer ratio before purchase?
The routine test report must be requested per IEC 60076-1, which contains a summary of the turns-ratio test on all taps. You may check this upon delivery using a portable ratio meter, which will require investigation if it exceeds the nameplate of 0.5%.
Why is efficiency higher at higher ratings?
Losses in the stator, which is related to dimensional surface and the main conductor area, instead of the total volume of the generator, exceeds losses related to the power. Thus, the efficiency of the generator rated at 100 kVA may be equal to 97% whereas that of the generator exceeding 100 MVA may be equal to approximately 99.6%.
Can the same transformer be used as both step-up and step-down?
Certainly from the electrical perspective, the windings can be interchangeable but the tap range, vector group and protection design are set for operation in one direction only. Although it is possible to operate the distribution unit in reverse (by energizing the 0.4 kV side), it is only practical at a reduced rating and an engineering study of the unit is advisable before considering this option.
Ссылки
- IEC — International Electrotechnical Commission — publisher of the IEC 60076 power transformer series governing design and testing.
- IEEE — source of transformer standards and operating practice, including IEEE C57 series for power and distribution transformers.
- NEMA — North American electrical equipment standards, including transformer ratings and efficiency.
- U.S. Energy Information Administration — public data on transformer energy use and transmission efficiency.
- U.S. DOE — Transformer efficiency programs — guidance on loss evaluation and energy-efficient transformer selection.
- Electrical4U — educational references on Faraday’s law, transformer ratio, and induction theory.
Заключение
The operation of transformer is based on the principle of one sophisticated theory of electromagnetic induction — this is a concept applicable in the domain of power generation. The law of Faraday informs about the ratios of turns, voltage equations, and current dependencies; subsequently, all the rest is simply the engineering interpretation of physics theory. It is essential to verify the ratio of the transformer based on the requirements of the network, actual power demand of the load, and estimated losses. When deciding to purchase a transformer the best idea is to opt for the one manufactured according to the norms of IEC 60076 with the relevant proof of testing.Visit www.subian-electric.com with your voltage and load details, and the factory engineering team will help you size the correct transformer for your site.