Что такое силовой трансформатор и как он работает?

В некоторых из наших предыдущих статей мы обсуждали основы трансформатора и его различных типов. Одним из важных и часто используемых трансформаторов является силовой трансформатор. Он очень широко используется для повышения и понижения напряжения на электростанции и распределительной станции (или подстанции) соответственно.

Например, рассмотрим блок-схему, показанную выше. Здесь силовой трансформатор используется два раза при передаче электроэнергии потребителю, находящемуся далеко от станции.

Первый раз на электростанции для повышения напряжения, генерируемого ветрогенератором.
Второй - на распределительной станции (или подстанции) для понижения напряжения, получаемого в конце линии передачи.

Потери мощности в линиях передачи

Есть много причин для использования силового трансформатора в электроэнергетических системах. Но одна из наиболее важных и простых причин использования силового трансформатора - это снижение потерь мощности при передаче электроэнергии.

Теперь посмотрим, как значительно снижаются потери мощности при использовании силового трансформатора:

Во-первых, уравнение потерь мощности P = I * I * R.

Здесь I = ток через проводник и R = сопротивление проводника.

Таким образом, потери мощности прямо пропорциональны квадрату тока, протекающего по проводнику или линии передачи. Так уменьшите величину тока, проходящего через проводник, и уменьшите потери мощности.

Как мы воспользуемся этой теорией, объясняется ниже:

Скажем, начальное напряжение = 100 В, потребляемая нагрузка = 5 А, а выдаваемая мощность = 500 Вт. Линии передачи здесь должны проводить ток величиной 5А от источника к нагрузке. Но если мы увеличим напряжение на начальном этапе до 1000 В, то линии передачи должны будут передавать только 0,5 А, чтобы обеспечить ту же мощность в 500 Вт.
Итак, мы повысим напряжение в начале линии передачи с помощью силового трансформатора и воспользуемся другим силовым трансформатором для понижения напряжения в конце линии передачи.
При такой настройке величина тока, протекающего по линии передачи более 100 км, значительно снижается, тем самым уменьшая потери мощности во время передачи.

Разница между силовым трансформатором и распределительным трансформатором

Силовой трансформатор обычно работает при полной нагрузке, поскольку он рассчитан на высокий КПД при 100% нагрузке. С другой стороны, распределительный трансформатор имеет высокий КПД, когда нагрузка составляет от 50% до 70%. Таким образом, распределительные трансформаторы не подходят для непрерывной работы при 100% нагрузке.
Поскольку силовой трансформатор приводит к высоким напряжениям при повышении и понижении, обмотки имеют высокую изоляцию по сравнению с распределительными трансформаторами и измерительными трансформаторами.
Поскольку в них используется изоляция высокого уровня, они очень громоздкие и тяжелые.
Поскольку силовые трансформаторы обычно не подключаются к домам напрямую, они испытывают меньшие колебания нагрузки, в то время как распределительные трансформаторы испытывают большие колебания нагрузки.
Они полностью загружаются в течение 24 часов в сутки, поэтому потери меди и железа происходят в течение дня и остаются практически неизменными все время.
Плотность потока в силовом трансформаторе выше, чем в распределительном трансформаторе.

Принцип работы силового трансформатора

Силовой трансформатор работает по принципу «закона электромагнитной индукции Фарадея». Это основной закон электромагнетизма, который объясняет принцип работы индукторов, двигателей, генераторов и электрических трансформаторов.

Закон гласит: « Когда замкнутый или закороченный проводник приближается к изменяющемуся магнитному полю, в этом замкнутом контуре генерируется ток» .

Чтобы лучше понимать закон, давайте обсудим его более подробно. Сначала рассмотрим сценарий ниже.

Рассмотрим сначала постоянный магнит и проводник.

Затем провод закорачивают с обоих концов с помощью провода, как показано на рисунке.
В этом случае в проводнике или петле не будет протекания тока, потому что магнитное поле, пересекающее петлю, является стационарным, и, как указано в законе, только изменяющееся или изменяющееся магнитное поле может вызвать ток в петле.
Таким образом, в первом случае стационарного магнитного поля поток в проводящей петле будет нулевым.

затем магнитное поле, пересекающее петлю, продолжает меняться. Поскольку в этом случае присутствует переменное магнитное поле, будут действовать законы Фарадея, и, таким образом, мы сможем увидеть протекание тока в проводящей петле.

Как вы можете видеть на рисунке, после того, как магнит движется вперед и назад, мы видим ток «I», протекающий через проводник и замкнутый контур.

заменить его другими источниками переменного магнитного поля, как показано ниже.

Теперь источник переменного напряжения и проводник используются для создания переменного магнитного поля.
После того, как петля проводника приблизилась к диапазону магнитного поля, мы можем увидеть ЭДС, генерируемую поперек проводника. Из-за этой наведенной ЭДС у нас будет протекание тока «I».
Величина наведенного напряжения пропорциональна напряженности поля, испытываемого вторым контуром, поэтому чем выше напряженность магнитного поля, тем выше ток в замкнутом контуре.

Хотя для понимания закона Фарадея можно использовать один проводник. Но для лучшей практической работы предпочтительнее использовать катушку с обеих сторон.

Здесь переменный ток течет через первичную катушку1, который создает переменное магнитное поле вокруг проводящих катушек. И когда катушка 2 входит в диапазон магнитного поля, создаваемого катушкой 1, то напряжение ЭДС создается на катушке 2 из-за закона электромагнитной индукции Фарадея. И из-за этого напряжения в катушке 2 по вторичной замкнутой цепи протекает ток «I».

Теперь вы должны помнить, что обе катушки подвешены в воздухе, поэтому проводящей средой, используемой магнитным полем, является воздух. И воздух имеет более высокое сопротивление по сравнению с металлами в случае проводимости магнитного поля, поэтому, если мы используем металлический или ферритовый сердечник в качестве среды для электромагнитного поля, мы можем более тщательно испытать электромагнитную индукцию.

Итак, теперь давайте заменим воздушную среду железной для дальнейшего понимания.

Как показано на рисунке, мы можем использовать железный или ферритовый сердечник, чтобы уменьшить потери магнитного потока во время передачи энергии от одной катушки к другой. За это время магнитный поток, просачивающийся в атмосферу, будет значительно меньше, чем время, в течение которого мы использовали воздушную среду, поскольку сердечник является очень хорошим проводником магнитного поля.

Как только поле генерируется катушкой 1, оно будет проходить через железный сердечник, достигая катушки 2, и из-за закона Фарадея катушка 2 генерирует ЭДС, которая будет считываться гальванометром, подключенным к катушке 2.

Теперь, если вы внимательно понаблюдаете, вы обнаружите, что эта установка похожа на однофазный трансформатор. И да, каждый присутствующий сегодня трансформатор работает по тому же принципу.

Теперь рассмотрим упрощенную конструкцию трехфазного трансформатора.

Трехфазный трансформатор

Каркас трансформатора состоит из ламинированных металлических листов, которые используются для переноса магнитного потока. На схеме видно, что скелет окрашен в серый цвет. Каркас имеет три колонны, на которые намотаны обмотки трех фаз.
Обмотка более низкого напряжения наматывается первой и наматывается ближе к сердечнику, а обмотка более высокого напряжения наматывается поверх обмотки более низкого напряжения. Помните, что обе обмотки разделены изоляционным слоем.
Здесь каждый столбец представляет одну фазу, поэтому для трех столбцов у нас трехфазная обмотка.
Вся эта конструкция каркаса и обмотки погружена в герметичный резервуар, заполненный индустриальным маслом для лучшей теплопроводности и изоляции.
После намотки концевые выводы всех шести катушек были выведены из герметичного резервуара через высоковольтный изолятор.
Клеммы закреплены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы избежать скачков искры.

Особенности силового трансформатора

Номинальная мощность	От 3 МВА до 200 МВА
Первичные напряжения обычно	11, 22, 33, 66, 90, 132, 220 кВ
Вторичные напряжения обычно	3.3, 6.6, 11, 33, 66, 132 кВ или индивидуальная спецификация
Фазы	Одно- или трехфазные трансформаторы
По рейтингу частоты	50 или 60 Гц
Нажатие	Переключатели ответвлений под нагрузкой или без нагрузки
Рост температуры	60 / 65C или индивидуальная спецификация
Тип охлаждения	ONAN (масляное естественное воздушное естественное) или другие типы охлаждения, такие как KNAN (макс. 33 кВ) по запросу.
Радиаторы	Панели радиатора охлаждения на баке
Векторные группы	Dyn11 или любая другая векторная группа согласно IEC 60076
Регулировка напряжения	Через устройство РПН (с реле АРН в стандартной комплектации)
Терминалы ВН и НН	Тип воздушной кабельной коробки (33 кВ макс.) Или открытые вводы
Установки	Внутри или снаружи
Уровень звука	Согласно ENATS 35 или NEMA TR1

Применение передачи энергии

Силовой трансформатор в основном используется в производстве электроэнергии и на распределительных станциях.
Он также используется в изолирующих трансформаторах, заземляющих трансформаторах, шестиимпульсных и двенадцати импульсных выпрямительных трансформаторах, трансформаторах солнечных фотоэлектрических ферм, трансформаторах ветряных электростанций и в пускателях автотрансформаторов Korndörfer.
Используется для снижения потерь мощности при передаче электроэнергии.
Он используется для повышения и понижения высокого напряжения.
Он предпочтителен в делах потребителей на большие расстояния.
И предпочтительнее в случаях, когда нагрузка работает на полную мощность 24x7.