Как выполняется регулирование напряжения на трансформаторе
Распределительные трансформаторы являются наиболее многочисленной группой трансформаторов, значимой в энергосистеме по суммарной номинальной мощности. Однако в большинстве них не предусмотрена возможность регулирования напряжения под нагрузкой (они оборудуются устройствами ПБВ). Альтернативным решением является использование распределительного трансформатора, оборудованного устройством РПН.
Существует несколько запатентованных решений для выключателей напряжения под нагрузкой. Все они основаны на включении обмоток сопротивления в цепь коммутируемых обмоток сопротивления при переключении ответвлений. Задачей сопротивления является устранение перенапряжений в процессе коммутации за счет обеспечения непрерывности тока в обмотке.
Для чего нужно регулировать напряжения в электрических сетях
Проблема состоит в том, что напряжение в электрической сети меняется в зависимости от ее нагруженности, в то время как для адекватной работы большинства потребителей электроэнергии необходимым условием является нахождение питающего напряжения в определенном диапазоне, чтобы оно не было бы выше или ниже определенных приемлемых границ.
Поэтому и нужны какие-то способы подстройки, регулирования, корректировки сетевого напряжения. Один из лучших способов — это изменение по мере надобности коэффициента трансформации путем уменьшения или увеличения числа витков в первичной или во вторичной обмотке трансформатора, в соответствии с известной формулой: U1/U2 = N1/N2.
Для регулировки напряжения на вторичных обмотках трансформаторов, с целью поддержания у потребителей правильной величины напряжения, — у некоторых трансформаторов предусмотрена возможность изменять соотношение витков, то есть корректировать таким образом в ту или иную сторону коэффициент трансформации.
Подавляющее большинство современных силовых трансформаторов оснащено специальными устройствами, позволяющими выполнять регулировку коэффициента трансформации, то есть добавлять или убавлять витки в обмотках.
Такая регулировка может выполняться либо прямо под нагрузкой, либо только тогда, когда трансформатор заземлен и полностью обесточен.
В зависимости от значимости объекта, и от того, насколько часто необходимы данные регулировки, — встречаются более или менее сложные системы переключения витков в обмотках: осуществляющие ПБВ — «переключение без возбуждения» или РПН — «регулирование под нагрузкой». В обоих случаях обмотки трансформатора имеют ответвления, между которыми и происходит переключение.
Переключение без возбуждения
Переключение без возбуждения выполняют от сезона — к сезону, это плановые сезонные переключения витков, когда трансформатор выводится из эксплуатации, что конечно не получилось бы делать часто. Коэффициент трансформации изменяют, делают больше или меньше в пределах 5%.
На мощных трансформаторах переключение выполняется с помощью четырех ответвлений, на маломощных — при помощи всего двух. Данный тип переключения сопряжен с прерыванием электроснабжения потребителей, поэтому и выполняется он достаточно редко.
Зачастую ответвления сделаны на стороне высшего напряжения, где витков больше и корректировка получается более точной, к тому же ток там меньше, переключатель выходит компактнее. Изменение магнитного потока в момент такого переключения витков на понижающем трансформаторе очень незначительно.
Если требуется повысить напряжение на стороне низшего напряжения понижающего трансформатора, то витков на первичной обмотке убавляют, если требуется понизить — прибавляют. Если же регулировка происходит на стороне нагрузки, то для повышения напряжения витков на вторичной обмотке прибавляют, а для понижения — убавляют. Переключатель, применяемый на обесточенном трансформаторе, называют в просторечии анцапфой.
Место контакта, хотя и выполнено подпружиненным, со временем оно подвергается медленному окислению, что приводит к росту сопротивления и к перегреву.
Чтобы этого вредного накопительного эффекта не происходило, чтобы газовая защита не срабатывала из-за разложения масла под действием излишнего нагрева, переключатель регулярно обслуживают: дважды в год проверяют правильность установки коэффициента трансформации, переключая при этом анцапфу во все положения, дабы убрать с мест контактов оксидную пленку, прежде чем окончательно установить требуемый коэффициент трансформации.
Также измеряют сопротивление обмоток постоянному току, чтобы убедиться в качестве контакта. Эту процедуру выполняют и для трансформаторов, которые долго не эксплуатировались, прежде чем начинать их использовать.
Регулирование под нагрузкой
Оперативные переключения осуществляются автоматически либо в вручную, прямо под нагрузкой, там где в разное время суток напряжение сильно изменяется. Мощные и маломощные трансформаторы, в зависимости от напряжения, имеют РПН разных диапазонов — от 10 до 16% с шагом в 1,5% на стороне высшего напряжения, — там, где ток меньше.
Здесь, конечно, есть некоторые сложности: просто рвать цепь на мощном трансформаторе нельзя, т. к. в этом случае возникнет дуга и трансформатор просто выйдет из строя; кратковременно витки замыкаются между собой накоротко; необходимы устройства ограничения тока.
Токоограничительные реакторы в системах РПН
Регулирование под нагрузкой с ограничением тока позволяет осуществить система с двумя контакторами и двухобмоточным реактором.
К двум обмоткам реактора подключено по контактору, которые в обычном рабочем режиме трансформатора сомкнуты, примыкая к одному и тому же контакту на выводе обмотки. Рабочий ток проходит через обмотку трансформатора, затем параллельно через два контактора и через две части реактора.
В процессе переключения один из контакторов переводится на другой вывод обмотки трансформатора (назовем его «вывод 2»), при этом часть обмотки трансформатора оказывается накоротко шунтирована, а рабочий ток ограничивается реактором. Затем второй контакт реактора переводится на «вывод 2».
Процесс регулирования завершен. Переключатель с реактором имеет небольшие потери в средней точке, так как ток нагрузки наложен на конвекционный ток двух переключателей, и реактор может все время находиться в цепи.
Токоограничительные резисторы в системах РПН
Альтернатива реактору — триггерный пружинный контактор, в котором происходит последовательно 4 быстрых переключения с использованием промежуточных положений, когда ток ограничивается резисторами. В рабочем положении ток идет через шунтирующий контакт К4.
Когда требуется произвести переключение цепи из положения II в положение III (в данном случае — с меньшим количеством витков), — избиратель переводится с контакта I на контакт III, затем параллельно замкнутому контактору К4 подключается резистор R2 через контактор К3, затем контактор К4 размыкается, и теперь ток в цепи ограничен только резистором R2.
Следующим шагом замыкается контактор К2, и часть тока устремляется также через резистор R1. Контактор К3 размыкается, отсоединяя резистор R2, замыкается шунтирующий контакт К1. Переключение завершено.
Если у переключателя с реактором реактивный ток прервать трудно, и поэтому он используется чаще на стороне низкого напряжения с большими токами, то быстродействующий переключатель с резисторами успешно используется на стороне высокого напряжения с относительно малыми токами.
Существуют также конструкции трансформаторов с регулированием на стороне ВН, в которых вместо механического переключателя используются силовые электронные переключатели, в которых селектор, или селектор и силовой ключ, заменены полупроводниковыми вентилями.
Проблемой этого типа решений является использование устройства регулирования напряжения для трансформатора сухого типа.
Существуют решения по регулированию напряжения под нагрузкой для сухих распределительных трансформаторов, но это требует добавления к трансформатору специального шкафа с переключателем ответвлений под нагрузкой. Это дорогое решение и требует много дополнительного места.
Недостатки устройств РПН
Решения на основе РПН ограничены диапазоном регулировки и увеличивают потери. Этого диапазона регулирования достаточно, если в сети НН нет дополнительных источников энергии (например, фотогальваники, ветряных электростанций и т. д.).
Кроме того, в случае однофазных источников в сети НН, таких как бытовые автомобильные зарядные устройства, возникают асимметрии фазных и междуфазных напряжений, компенсация которых затруднена.
Использование устройства РПН в распределительном трансформаторе создает несколько проблем:
- РПН размещается внутри бака трансформатора (обычно над сердечником), поэтому трансформатор выше;
- процесс переключения вызывает горение дуги во время процесса переключения, что приводит к ухудшению состояния масла и контактов;
- РПН требует периодического осмотра, а его неисправность вызывает необходимость размыкания трансформатора, что влияет на состояние системы изоляции ;
- стоимость трансформатора с РПН выше по сравнению с трансформатором без регулирования или с ПБВ (c беспотенциальным регулированием).
Описанные ограничения в настоящее время устраняются за счет использования вакуумных дугогасительных камер. Благодаря этому решению подвижные контакты и, следовательно, дуга в процессе переключения не имеют прямого контакта с маслом.
Рассмотренные выше способы регулирования напряжения в электрических распределительных сетях известны давно, но они имеют ряд недостатков, важнейшим из которых является невозможность одновременно регулировать колебания напряжения и компенсировать несимметрию тока и напряжения.
Еще одна проблема заключается в том, что регулировка напряжения с помощью переключателя напряжения под нагрузкой происходит ступенчато и постепенно, а не плавно. Динамика регулирования напряжения зависит от времени работы устройства РПН.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Зачем нужно высокое напряжение?
Задумывались ли вы, зачем для передачи электроэнергии на большое расстояние нужно такое высокое напряжение, заставляющее строить высокие башни-опоры и гигантские изоляторы? Почему бы не передавать электричество низкого напряжения по сверхпрочным проводам, протянутым между скромными сооружениями или даже под землей? Тому есть причина.
Для заданной мощности электроэнергии, потребляемой конечными потребителями (нагрузка сети), сила тока в линиях электропередачи с ростом напряжения понижается. Уменьшение силы тока сокращает потери электроснабжения в линии электропередачи. Обратившись к формуле из школьного курса физики, вы поймете почему:
где Р — мощность в ваттах, Е — напряжение в вольтах, а / — сила тока в амперах. Из нее следует, что на данном уровне мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению:
Потери электроснабжения (т. е. потери мощности) в линии электропередачи пропорциональны квадрату силы тока. Эти потери — мощности, которые не доходят до конечных потребителей; они уходят на нагрев проводов. Это соотношение описывается следующей формулой:
где Р — мощность в ваттах, I — сила тока в амперах, a R — сопротивление провода в омах. Конструкторы не могут изменить сопротивление провода или мощность нагрузки сети, но они могут довести до максимума напряжение, минимизируя таким образом «лишний» ток, который вынуждена нести линия передачи для обеспечения потребности сети.
Предположим, напряжение, подаваемое в сеть, повышается десятикратно, а потребительские нагрузки в сети постоянны. Рост напряжения уменьшает силу тока в десять раз, и в результате потери мощности сокращаются в(1/10)2, т. е. в сто раз! Разумеется, использовать повышающий трансформатор в одном месте проще и дешевле, чем протягивать на многие километры провода, тяжесть которых (без трансформатора) оказывалась бы в сто раз больше.
Вид высоковольтной линии переменного тока под напряжением, скажем, 500 000 вольт страшноват? Возможно. Но угрозу здоровью, исходящую от линий электропередачи (реальный уровень этой угрозы — вопрос спорный), на самом деле несут магнитные поля, генерируемые этими линиями. Сила этих колеблющихся полей прямо пропорциональна силе тока, а не напряжению. Если бы такая линия, проходящая по вашему пригороду, имела напряжение в 500 вольт, а не в 500 000, магнитные поля, окружающие ее, были бы гораздо интенсивнее и потенциальная угроза здоровью, соответственно, выше.
Принцип работы трехфазного трансформатора
Трансформаторы – статические электромагнитные аппараты, с помощью которых возможно преобразовать переменный ток из одного класса напряжения в другой, при этом с неизменной частотой.
В энергосистемах трансформатор, преобразовывающий электроэнергию трехфазного напряжения, называют трехфазным силовым. Для передачи электроэнергии от генераторов электростанций к линиям электропередач (ЛЭП) применяют повышающие трансформаторы (они увеличивают класс напряжения), от ЛЭП к распределительным подстанциям и далее к потребителям – понижающие (они уменьшают класс напряжения).
Конструктивная особенность
Трехфазный трансформатор имеет основу – магнитный сердечник, собранный из трёх ферромагнитных стержней. На стержнях располагаются первичная обмотка высокого напряжения и вторичная обмотка низкого напряжения. Для соединения фаз первичных обмоток применяют схемы «треугольник» либо «звезда». Аналогичным способом соединения выполняются и вторичные обмотки.
На первичную обмотку подаётся электроэнергия из питающей сети, а на вторичную подключается нагрузка. Электроэнергия передаётся за счет электромагнитной индукции. Главная функция магнитопровода – обеспечить между обмотками магнитную связь. Магнитопровод изготавливают из тонких стальных пластин (так называемая, электротехническая листовая сталь). Чтобы сократить потери, стальные листы между собой изолируют, используя оксидную пленку или специальный лак.
Обмотки с магнитопроводом погружаются в бак, в котором находится трансформаторное масло. Оно одновременно выполняет функцию изоляции и охлаждающей среды. Такие трансформаторы называются масляными. Трехфазный трансформатор, у которого в качестве охлаждения и изоляции используется воздух, называют сухим. Недостаток масляных трансформаторов заключается в повышенной пожароопасности.
Принцип действия
Электромагнитная индукция – базовое явление в работе трансформатора.
Из электрической сети подается питание к первичной обмотке, в ней появляется переменный ток, в магнитопроводе при этом образуется магнитный переменный поток. Как известно из физики, если поместить второй проводник в магнитное поле, в нем также появляется переменный ток. В качестве второго проводника в трансформаторе выступает вторичная обмотка. Таким образом, в ней появляется напряжение.
Разница между первичным и вторичным напряжением зависит от коэффициента трансформации, который определяется числом витков в обмотках.
Назначение трехфазного трансформатора
Трансформаторы применяются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Она вырабатывается на электростанциях и при ее передаче происходят потери, вызванные нагреванием проводов. Чтобы снизить их, требуется уменьшить силу тока. Это достигается за счет увеличения напряжения. При этом его показатель должен находиться в диапазоне от 6 до 500 кВ.
Кратность увеличения рассчитывается на основе значений передаваемой мощности и расстояния, через которое нужно передать электроэнергию. Мощность, передаваемая при этом, зависима от напряжения и силы тока.
После того как совершилась передача электроэнергии, нужно снизить напряжение до требуемой потребителями величины.
Именно для изменения напряжения используются трехфазные трансформаторы. Перед передачей электроэнергии они служат для того, чтобы повысить, а после – чтобы понизить его.
Принцип действия трехфазного трансформатора
Основные рабочие элементы трёхфазного трансформатора – магнитопровод и обмотки. На каждую фазу приходится по паре обмоток: понижающая и повышающая. Так как оборудование является трехфазным, соответственно и обмоток 3 пары. Они никак не соединяются между собой. Принцип работы трансформатора основан на электромагнитной индукции.
При подаче питания на первичную обмотку в ней начинает протекать переменный ток. Он приводит к появлению в сердечнике магнитопровода магнитного потока, который воздействует на обмотки во всех фазах. В каждом витке начинает появляться одинаковая по своим параметрам электродвижущая сила.
Если витков вторичной обмотки больше, чем первичной, то напряжение на выходе возрастает. Этот же принцип действует и в обратную сторону. При меньшем количестве витков вторичной обмотки – напряжение на выходе падает.
Разное соединение обмоток изменяется разница в напряжении между фазами. При соединении звездой начальное напряжение в 1.73 раза больше, чем конечное. Соединение треугольником обеспечивает одинаковое фазное и линейное напряжение. Использование звезды выгодно при работе с высокими напряжениями, а треугольника – при повышенных токах. В зависимости от типа расположения стержней выделяются: плоская и пространственная, а также симметричная и несимметричная магнитные системы.
Строение трехфазного трансформатора
Трансформатор состоит из нескольких ключевых элементов, позволяющих обеспечить безопасную работу принципа электромагнитной индукции:
· Магнитопровод – служит в качестве крепежного элемента для всех частей оборудования. За счет его формируется направление движение основного магнитного потока. Особенности крепления обмоток к сердечнику магнитопровода определяют его тип. Он может быть броневым, стержневым или бронестержневым.
· Обмотки – 3 высшего напряжения и 3 низшего. При изготовлении обмоток небольшой мощности используется медь. Провод может иметь круглое или прямоугольное сечение.
· Бак – элемент трансформатора, внутри которого устанавливается его активная часть. Чаще всего он представлен в виде стального овального резервуара. При небольшой мощности охлаждение происходит естественным путем, а для трансформаторов высокой мощности требуется охлаждение при участии минерального масла. Оно выполняет 2 функции: охлаждение и повышение изоляции.
· Ввод – изготовленный из фарфора проходной изолятор.
· Вывод.
В зависимости от проводимых мощностей, на трехфазный трансформатор может устанавливаться дополнительная аппаратура:
· Расширительный бак – резервуар, объем которого равен примерно 10% объема трансформаторного масла. Он служит для компенсации изменений температуры при работе оборудования. С его помощью обеспечивается постоянное заполнения бака маслом, независимо от температуры воздуха и воздействующих нагрузок.
· Выхлопная труба – служит для защиты от разрушения бака в случаях, когда повышается давление внутри бака. Это происходит при внутренних повреждениях: КЗ, пробои и т.д. При этом выхлопная труба является вторым элементом защиты, который начинает работать в случае, если не произошло автоматическое отключение поврежденного трансформатора.
· Пробивной предохранитель – используется для предотвращения роста потенциала со стороны обмотки низшего напряжения при пробое между обмотками.
· Контрольные приборы и сигнализация – устройства, которые используются для отслеживания правильности работы и подачи сигналов при обнаружении неисправностей.
Использование дополнительных элементов позволяет обеспечить правильное и стабильное функционирование при работе трансформатора. С его помощью добиваются повышения безопасности работы, защиты от внутренних повреждений и разрывов изоляции.
Область применения трехфазных трансформаторов
Трехфазные трансформаторы чаще всего применяются в промышленности. Их используют в сетях, где требуется питать большие нагрузки, например, при работе станков ЧПУ. Они незаменимы для обеспечения производственных мощностей электроэнергией.
Сделайте заказ на трёхфазный трансформатор в нашей компании, и мы быстро осуществим доставку и монтаж оборудования. Мы оказываем всестороннее проектирование, внедрение и обслуживание оборудования на объектах.
Повышающие трансформаторы напряжения
Преобразование напряжения присутствует повсеместно в любой области нашей жизни и деятельности. Вырабатываемое на электростанции напряжение повышается до нескольких киловольт, чтобы быть переданным с наименьшими потерями через линии электропередач на многие тысячи километров. А потом оно снова понижается на трансформаторных подстанциях до привычных нам значений в 380/220 вольт.
Повышающие трансформаторы не применяются для стабилизации напряжения в тех случаях, когда его значение в сети постоянно изменяется. Для домашнего применения используют только стабилизаторы.
Рассмотрим принцип работы трансформатора напряжения подробнее, не погружаясь в излишние сложности.
Трансформатор напряжения
- первичной, на которую подаётся исходное напряжение;
- вторичной, с которой снимается его преобразованное значение.
Схема трансформатора напряжения
Все обмотки намотаны на общем сердечнике (магнитопроводе). Если число витков у вторичной обмотки больше, чем у первичной, то это повышающий трансформатор, если меньше — понижающий.
Мощность трансформатора напряжения зависит от сечения проводов обмоток, а габариты и вес — от типа сердечника и материала проводов (медь или технический алюминий). По исполнению он может быть одно- и трёхфазным. Самым компактным и лёгким является автотрансформатор, в котором всего одна обмотка.
Повышающий трансформатор
Первая мысль, которая приходит на ум, когда напряжение в сети всё чаще и чаще становится низким, поставить повышающий трансформатор. На первый взгляд кажется, что это — простое и отличное решение, и теперь, наконец-то, будет нормальное напряжение, яркое освещение и стабильно работающие электроприборы.
Повышающий трансформатор
Но не всё так просто в сказочном королевстве, и прежде чем купить повышающий трансформатор напряжения, цена на который уж очень привлекательна, задумайтесь об одной особенности его работы: он имеет постоянный коэффициент повышения напряжения (коэффициент трансформации). Рассмотрим это на примере.
Предположим, что у вас сетевое напряжение порядка 170 вольт. Чтобы повысить его до 220, нужен трансформатор с коэффициентом трансформации 1.29 (220/170). Вроде бы всё хорошо и логично получается, за исключением одного: если напряжение в сети станет нормальным 220 вольт, то на выходе трансформатора будет уже очень высокое напряжение 285 вольт (220*1.29)! Не все электрические приборы способны выдержать такое перенапряжение в течение даже небольшого времени. Так и до пожара недалеко!
Как вариант, можно приобрести регулируемый автотрансформатор, т.н. ЛАТР, в котором предусмотрен ручной регулятор выходного напряжения. Но и он не будет являться надёжным решением, т.к. придётся постоянно контролировать значение выходного напряжения по индикатору и корректировать его вручную, особенно во время максимальной нагрузки электросети со стороны соседей. Если вовремя этого не делать, то при первом же скачке в электросети напряжение на выходе ЛАТРа тоже резко повысится, и подключенные электроприборы вполне могут перегореть.
Поэтому повышающие трансформаторы напряжения применимы лишь тогда, когда в сети ВСЕГДА существенно меньше 220 вольт, а такого практически никогда и не бывает.
Заключение
Задачу автоматического поддержания напряжения на постоянном уровне решает только стабилизатор, но прежде нужно в обязательном порядке выявить истинную причину низкого напряжения в сети, а затем уже принимать какие-либо решения.
Для низких напряжений в сети до 90 вольт отлично подойдёт инверторный стабилизатор Штиль IS7000
- выезд специалиста и подбор стабилизатора;
- доставка и подключение стабилизатора;
- сервисное и гарантийное сопровождение.
Посмотрите нашу ФОТОГАЛЕРЕЮ
установленных стабилизаторов напряжения!