Вы здесь

Энергосберегающие трансформаторы: специфика и направления развития

Опубликовано пн, 06/20/2022 - 16:12 пользователем Игнатов Сергей

Повышение энергоэффективности и энергосбережение Президент РФ называет одним из пяти ключевых направлений модернизации отечественной экономики. Рациональное использование энергоресурсов становится задачей первостепенной важности, поскольку потенциальная выгода от экономии исчисляется в триллионах рублей в год.

Энергосбережение и повышение энергетической эффективности способствуют более рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов и помогают предотвратить глобальное потепление. Кроме того, эти приемы и методы призваны максимально снизить потери электроэнергии при доставке конечному потребителю.

Потери энергии – это денежные средства, потраченные впустую. Рост таких потерь наносит серьезный ущерб электросетевым компаниям, на плечи которых ложится тяжкое бремя потерь в распределительных сетях.

Степень надежности электрических сетей наглядно демонстрирует анализ парка трансформаторных устройств электросетевых организаций. Например, по оценкам экспертов, на долю потерь в трансформаторах 6-10 кВ в зоне операционной деятельности филиала ПАО «Россети-Центр» –«Орёлэнерго» приходится более 12% от всех технологических потерь электроэнергии.

Устранению этой проблемы, в значительной степени, способствует замена устаревшего оборудования и использование энергоэффективных трансформаторов, в которых потери холостого хода и короткого замыкания находятся в пределах заданных значений.

Кроме того, энергосберегающее оборудование всё чаще внедряют электросетевые компании, заботящиеся о своем имидже. Ведь обеспечение качественного, надежного энергоснабжения по минимальным ценам – достойная и при этом вполне решаемая задача.

Многообразие выбора

В электроэнергетике России остро стоит вопрос модернизации электросетевой инфраструктуры, поскольку оборудование, которое эксплуатируется на протяжении 20-30 лет, уже практически полностью выработало свой ресурс. Как правило, его работоспособность сохраняется только за счет многократного запаса прочности.

Практически все центры питания, введенные в эксплуатацию в ХХ веке, не были оснащены системами централизованного управления. Такие подстанции отличались большими размерами и нуждались в постоянном присутствии персонала.

Кроме того, процесс обслуживания ПС был достаточно трудоемким, что увеличивало общую продолжительность простоя оборудования. Однако одним из наиболее существенных недостатков старых трансформаторных подстанций специалисты называют большие потери электрической энергии.

В настоящее время сетевые компании производят замену изношенного и морально устаревшего оборудования на новое или же на месте старых энергообъектов строят современные, которые оснащают энергоэффективным электрооборудованием. 

Список основных видов подстанционного оборудования возглавляют трансформаторы. Среди разнообразия ассортимента, представленного на рынке электротехники, чаще всего встречаются установки трех типов:

  • Измерительные;
  • Специальные;
  • Силовые.

Измерительные трансформаторы – группа электротехнических устройств, которые используются для измерения основных параметров в бытовых и промышленных сетях с частотой 50-60 Гц.

Измерительные устройства создаются с высоким классом точности. Бывают двух основных типов: тока и напряжения. В зависимости от принадлежности к одной из категорий принцип работы и конструкция трансформаторов существенно отличаются.

В процессе эксплуатации метрологические характеристики изделий подлежат периодической поверке на правильность измерения как величин, так и углов отклонения тока и напряжения.

Одна из функций трансформаторных установок этого вида состоит в уменьшении первичных параметров тока и напряжения в электрической сети до значений, наиболее удобных для обеспечения подключения автоматических устройств, контрольно-измерительных приборов и систем защиты.

Включение в сеть такой установки дает возможность разделить цепи высшего и низшего напряжения, что обеспечивает дополнительную безопасность для работников профильных специальностей.

Измерительные трансформаторы классифицируются с учетом целого ряда параметров. В зависимости от того или иного критерия специалисты выделяют несколько видов трансформаторных устройств:

  • По типу измеряемого значения. Такое оборудование предназначено для работы на линиях с постоянным или переменным током;
  • По конструкции изделия делятся на втулочные, встроенные, разъемные, опорные и проходные;
  • По коэффициенту трансформации. Существуют однодиапазонные (одноступенчатые) и многодиапазонные (каскадные) трансформаторы;
  • По способу установки выделяются внутренние, внешние, встраиваемые, накладные и переносные устройства;
  • По числу и назначению вторичных обмоток;
  • По типу диэлектриков. В зависимости от конструкции производители используют масляные, газовые или сухие диэлектрики.

Приведенная классификация позволяет описать все виды измерительных трансформаторных установок и правильно классифицировать их с учетом основных критериев. На практике чаще других изделия классифицируют по типу измеряемого значения. Для маркировки используются буквенные значения:

  1. Т – трансформатор тока;
  2. Ф – наличие фарфоровой изоляции;
  3. Н – для наружной установки;
  4. К – каскадный, катушечный или оснащенный конденсаторной изоляцией;
  5. П – проходной;
  6. О – стержневой одновитковый;
  7. Ш – шинный одновитковый;
  8. В – встроенный, с воздушной изоляцией. Кроме того, буква «В» может свидетельствовать о водяном охлаждении устройства;
  9. Л – литая изоляция;
  10. М – малогабаритный, маслонаполненный или модернизированный;
  11. Р – предназначен для релейной защиты;
  12. Д – предназначен для дифференциальной защиты;
  13. З – для защиты замыканий на землю.

Трансформаторы, предназначенные для использования на линиях с переменным током, преобразовывают ток в цепи до заданных значений. Такое оборудование широко применяется в реле защиты как неотъемлемая часть энергосистем в первичных цепях энергогенерирующих объектов, где ток достигает отметки в сотни киловольт.

Особенностью такого трансформатора специалисты называют то, что вторичная обмотка замыкается на контрольном измерительном приборе или защитной автоматике, а ток подается на первичную обмотку. В зависимости от типа первичной обмотки измерительные трансформаторные устройства могут быть стержневые, катушечные и шинные.

В случаях, когда роль ключевого критерия для классификации электрооборудования выполняет рабочее напряжение, трансформаторы делятся на две группы: установки, работающие в диапазоне до 1 000 В и те, что работают выше этого значения.

Измерительные трансформаторные устройства постоянного тока используются для снятия значений основных показателей в высоковольтных цепях. По конструкции и принципу действия эти изделия практически идентичны магнитным усилителям.

Принцип работы измерительного трансформатора основан на нелинейных магнитных свойствах ферромагнетиков. Конструкция установки состоит из специального сердечника, выполненного из ферромагнитного материала, и обмоток двух видов, которые предназначены для переменных и постоянных токов.

Трансформаторы тока. Это специальные устройства, которые используются для изменения характеристик переменного тока и его преобразования до заданных значений, удобных для измерений. Первичная обмотка агрегата подключается к источнику тока, а во вторичную включаются измерительные или защитные приборы, характеризующиеся малым внутренним сопротивлением.

Ключевой особенностью трансформаторов тока является постоянная эксплуатация в режиме короткого замыкания. У них вторичная обмотка полностью закорочена на малое сопротивление, а остальная конструкция приспособлена для работы в таких условиях.

С целью исключения аварийного режима входная мощность ограничивается с помощью специального устройства первичной обмотки. Для этого в ней создан всего один виток. При протекании по нему тока не создается большое падение напряжения на обмотке. Такой виток не может передавать в магнитопровод высокую мощность.

Виток врезается непосредственно в силовую цепь, что обеспечивает его последовательное подключение. В конструкции некоторых моделей предусмотрено сквозное отверстие в сердечнике, через которое проходит провод с первичным током.

Нагрузку вторичных цепей трансформаторной установки, которая находится под напряжением, разрывать нельзя. В случае разрыва на концах возникает высоковольтное напряжение, которое способно причинить вред вторичным цепям. Поэтому все провода и соединительные клеммы изготавливаются с повышенной механической прочностью.

Использование трансформаторов тока позволяет обеспечивать постоянный контроль и анализ нагрузок, протекающих в электрической системе, что особенно актуально для высоковольтного электрооборудования.

Трансформаторы напряжения (ТН) являются одной из разновидностей понижающих трансформаторных установок. Эти изделия предназначены для безопасного измерения напряжения в высоковольтных сетях. Благодаря своей многофункциональности, простоте конструкции, высокому КПД и долговечности устройства этой категории широко используются в электроэнергетике, электронике и радиотехнике. 

Ток с высоким напряжением, поступающий от источника генерации, не может быть использован потребителем. Для его понижения на входе устанавливаются понижающие трансформаторы, обеспечивающие возможность работы электроприборов и оборудования на расчетном напряжении.

Использование трансформаторных установок создает благоприятные условия для работы типовых измерительных приборов. Трансформаторы изолируют их от высокого сетевого напряжения, что необходимо для их безопасной эксплуатации и технического обслуживания.

В зависимости от назначения ТН делятся на два основных вида: понижающие и повышающие. Наряду с функцией преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения они могут выполнять роль источника питания для автоматики, сигнализации, релейной защиты линий от замыканий и т.д. Кроме того, эти приборы используются в качестве измерителей напряжения и мощности.

На рынке представлено достаточно много вариантов трансформаторов напряжения. Друг от друга они отличаются конструкцией, которая определяет особенности эксплуатации. К тому или иному виду ТН относятся по определенным критериям:

  • По числу фаз. Существуют одно- и трехфазные устройства;
  • По количеству обмоток (2 или 3);
  • По классу точности. Функцию критерия классификации выполняет диапазон допустимых параметров погрешности;
  • По типу охлаждения. Трансформаторы могут быть масляные и сухие (с воздушным охлаждением);
  • По способу размещения устройства делятся на внешние и внутренние.

Кроме того, в зависимости от сферы применения и особенностей эксплуатации ТН делятся на группы:

  • Заземляемые. О принадлежности устройства к этой группе свидетельствует буква «З» в маркировке трансформатора. Этот вариант представляет собой одно- или трехфазный аппарат, один из концов которого должен быть заземлен;
  • Наземляемые. Устройства этой группы не требуют заземления. Все уровни, зажимы должны быть изолированы. Трансформатор устанавливается на определенной высоте, которая непосредственно зависит от уровня напряжения;
  • Каскадные. Первичная обмотка устройств, относящихся к этой группе, состоит из нескольких секций, расположенных на разном расстоянии от земли в виде каскада. Все части ТН соединяются между собой с помощью дополнительных обмоток. Особенность этих изделий состоит в том, что с увеличением численности элементов возрастает количество погрешностей в работе системы;
  • Емкостные. Приборы из этой группы оснащены емкостным делителем. Они относятся к категории пассивных, поскольку не добавляют мощности. Однако при этом такие ТН характеризуются высоким КПД и хорошо справляются с контролем электроэнергии, проходящей по сети;
  • Двухобмоточные могут преобразовывать одно напряжение в другое;
  •  Трехобмоточные. Кроме первичной обмотки трансформаторы этой группы оснащены двумя вторичными. Устройства могут заменить два двухобмоточных ТН, что позволяет более рационально использовать средства, выделяемые на приобретение оборудования.

Специальные трансформаторы – это особый тип устройств, предназначенных для решения определённых задач. В их число входят:

  • Разделительные трансформаторы. Коэффициент трансформации таких аппаратов равен 1. Это означает, что число витков в первичной обмотке равно количеству витков во вторичной, поэтому из 220 В 50 Гц на входе получается такое же напряжение на выходе.

Устройства предназначены для безопасной подачи сетевого питания к потребителям. Эта функция реализуется за счет изоляции цепи первичной обмотки от вторичных цепей. При этом вторичная цепь не заземляется, что исключает возможность замыкания вторичного тока в направлении заземления.

Первичная и вторичная обмотки трансформаторов этого типа гальванически развязаны друг от друга с использованием двойной или усиленной изоляции. В некоторых случаях между обмотками устанавливается защитный экран.

Как правило, обмотки располагаются в разных частях магнитопровода, а провода, которыми они намотаны, обладают приблизительно равными или полностью одинаковыми характеристиками.

По оценкам специалистов, КПД разделительных трансформаторов составляет около 85%. Этого показателя достаточно для обеспечения безопасности.

Устройствами такого типа оснащаются любые помещения особой опасности, с повышенной влажностью, а также места, где проведение работ с электроинструментом требует принятия дополнительных мер безопасности. Также они используются в медицинских учреждениях, где допускается непосредственный контакт электроаппаратуры с телом человека.

  • Высокочастотные трансформаторы – это электрические устройства, предназначенные для передачи энергии высокой частоты между двумя и более цепями посредством магнитной индукции.

Поскольку высокочастотное переменное электромагнитное поле создает более высокие значения напряжения при тех же показателях напряженности поля, то трансформаторы этого типа отличаются компактными габаритными размерами и в большинстве случаев выполняют функцию элементов сложных электрических контуров в радиопередающих системах и в импульсных источниках энергии.

Принцип работы устройства достаточно прост: переменный ток в первичной обмотке аппарата создает переменный магнитный поток в сердечнике и переменное магнитное поле, воздействующее на вторичную обмотку. Магнитное поле, изменяющееся как по времени, так и по амплитуде, приводит к изменению электродвижущей силы или напряжения во вторичной обмотке.

Действие трансформатора зависит от плотности намотки витков и материала, из которого изготовлен сердечник. Эксперты отмечают, что при сравнительно невысокой эффективности аппарат не передает электромагнитную энергию, а накапливает ее. В свою очередь это способствует росту температурных показателей и приводит к магнитным потерям.

Производители высокочастотных трансформаторов придают огромное значение выбору материала для изготовления сердечника. Этот материал должен обладать следующими свойствами:

         - высокая диэлектрическая проницаемость;

- линейность характеристики передачи энергии;

         - локализация образующихся помех;

         - минимальное значение рассеяния индуктивности обмоток.

  • Согласующие трансформаторы. В эту группу входят устройства, обеспечивающие передачу или преобразование полезного гармонического сигнала разной частоты с минимальными искажениями и потерей мощности.

Свести к минимуму потери электрических сигналов при передаче можно только при условии, что его полное сопротивление соответствует внутреннему сопротивлению источника.

Основная функция трансформаторов этого типа неразрывно связана с необходимостью масштабирования сопротивления источника и нагрузки. При этом само изменение показателей силы тока и напряжения значения не имеет.

Эти устройства используются в тех случаях, когда необходимо подключить нагрузку, которая не соответствует по сопротивлению допустимым значениям для источника сигнала.

При подключении к первичной обмотке источника переменного тока возникает магнитный поток, который охватывает и вторичную обмотку. В этот момент индуцируется движущая сила, обеспечивающая появление тока в цепи при подключении нагрузки. Это обеспечивает передачу энергии или сигнала без непосредственной электрической связи между обмотками.

Согласующие трансформаторы применяются в антенных устройствах и конструкциях усилителей на электронных лампах звуковых частот.

  • Сварочные трансформаторы и трансформаторные устройства другого типа, предназначенные для решения специальных задач. Например, сварочные устройства применяются в промышленном строительстве во время монтажа технических или строительных конструкций из металла, а также при изготовлении деталей, сварке арматуры, труб и узлов.

Силовые трансформаторы. Эти устройства являются одним из основных видов электрооборудования, устанавливаемого на питающих центрах. Они предназначены для преобразования переменного напряжения и силы тока до необходимой величины.

Их работа основана на эффекте электромагнитной индукции, который появляется в обмотках. В результате параметры тока увеличиваются или уменьшаются в зависимости от конфигурации устройства.

Как правило, передача электроэнергии на большие расстояния от объекта генерации до конечного потребителя связана с большими энергетическими потерями. Такая передача нуждается в неоднократной трансформации в повышающих и понижающих трансформаторах.

Для этого электричество от электростанции изначально направляют на трансформаторную подстанцию, где увеличивается амплитуда напряжения. Далее по высоковольтным линиям электроэнергия передаётся на удаленную подстанцию, где с помощью силового трансформатора напряжение понижается до необходимого уровня и электричество распределяется между потребителями.

Силовые трансформаторы устанавливаются на заранее подготовленные стационарные площадки с прочным фундаментом. Для размещения на грунте могут прокладываться рельсы и использоваться катки. 

Следует отметить, что строение этих аппаратов оставалось практически неизменным на протяжении нескольких десятилетий. В конструкцию «классического» преобразователя входят:

  • Изолированные обмотки (две и более);
  • Клеммы и выводы;
  • Магнитопровод;
  • Система охлаждения;
  • Стабилизирующая система;
  • Устройство регулирования напряжения;
  • Дополнительное навесное оборудование.

Отдельные ярко выраженные элементы конструкции снабжаются соответствующими надписями.

Электрооборудование устройства расположено внутри металлического корпуса, который выполнен в форме герметичного бака, оснащенного крышкой. Емкость заполнена трансформаторным маслом, обладающим высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, оно выполняет функцию отвода тепла от элементов конструкции, подверженных большим токовым нагрузкам.

Внутри бака установлен магнитопровод с надетыми на него катушками низшего и высшего напряжения. Выводы обмотки соединяются с вводами, которые проходят через изоляторы.

Крышка крепится к верхней кромке бака с помощью болтов. Между этими деталями конструкции расположена резиновая прокладка, предотвращающая протечку масла в стык. В стенке бака просверлены отверстия, в которые вварены специальные трубки, обеспечивающие подачу масла.