Библиотека

При выборе силового трансформатора особую важность представляют его нагрузка и область применения. Для того, чтобы эти первоочередные задачи были решены, необходимо тщательно взвесить несколько факторов. Иначе говоря, выбрать небольшой трансформатор – это «пара пустяков». Сам собой напрашивается выбор установки, номинальная мощность которой выше ожидаемой нагрузки. Но когда вы выбираете большой силовой трансформатор, который будет использоваться как часть потребительской электросети, вы делаете намного более значительное капиталовложение. Поэтому процесс оценивания должен быть более детальным и продуманным. Мы составили небольшую инструкцию, которая поможет вам сделать наиболее благоразумный выбор.

Насущные вопросы

На ваш выбор должны повлиять три основных вопроса:
 1. Имеет ли выбранный трансформатор мощность достаточную, чтобы справляться с ожидаемой нагрузкой, так же, как и с определённой величины перегрузкой?
 2. Может ли быть увеличена номинальная мощность силового трансформатора при возможном росте нагрузки?
 3. Каков ожидаемый срок службы трансформатора? Чему равна первоначальная цена, операционная стоимость и стоимости установки и обслуживания?

Оценка факторов

Стоимость и мощность силового трансформатора обычно связаны с перечнем оценочных факторов. Чтобы правильно выбрать трансформатор, необходимо, во-первых, определить:
 - Первичное напряжение, которое доступно.
 - Вторичное напряжение, требуемое для питаемого оборудования.
 - Частота (в Гц) и фазы (одно- или трехфазные, для вторичной обмотки также).
 - Нагрузка в кВА; с учетом возможного дальнейшего роста.
 - Трансформатор будет установлен в закрытом помещении или на открытом воздухе?
 - Трансформатор будет установлен на полу или закреплен на стене?
 - Необходим ли автотрансформатор или трансформатор с расщепленными обмотками?

1. Область применения трансформатора

В зависимости от области применения требования к силовому трансформатору меняются. Например, в сталелитейной промышленности требуются большие объемы бесперебойного электропитания для обеспечения металлургических и других процессов. Поэтому нагрузочные потери должны быть минимизированы. Значит, конструкция трансформатора должна быть такой, чтобы происходило как можно меньше потерь в обмотках. В ветряной энергетике выходная мощность в разные периоды времени значительно меняется. В этом случае трансформаторы должны быть устойчивы к скачкам напряжения. Для обеспечения плавильного процесса необходимы силовые трансформаторы, которые могут обеспечить снабжение стабилизированной энергией. В автомобильной промышленности необходимы трансформаторы, способные хорошо справляться с кратковременными перегрузками.

Текстильная промышленность, использующая моторы с различными параметрами напряжения, нуждается в трансформаторах, преобразующих прерывистый ток, или в установках с переключаемыми ответвлениями.

В овощеводстве необходимы установки с высокими эксплуатационными характеристиками, способные обеспечивать оборудование разнообразной нагрузкой с точным напряжением.

Эти примеры призваны подчеркнуть, что вид нагрузки (амплитуда, продолжительность и распространение нагрузок с линейными и нелинейными характеристиками) и место ее приложения являются ключевыми аспектами. Если стандартные параметры не соответствуют требованиям специфического применения, тогда следует обратиться к производителю, чтобы он изготовил трансформатор с желаемыми эксплуатационными характеристиками, размерами и другими показателями. Есть немало отечественных и зарубежных производителей силовых трансформаторов, готовых изготовить данное оборудование под уникальные сферы применения под запрос покупателя.

2. Тип изоляции (жидкостная или сухая)

В то время, как все еще продолжаются споры об относительных преимуществах того или иного типа выпускаемых трансформаторов, имеется несколько предпочтительных рабочих характеристик:
 - трансформаторы с жидким диэлектриком обладают большим КПД и большим сроком службы;
 - установки с жидким диэлектриком лучше снижают местные нагревы обмоток, но подвержены большему риску возгораний, чем трансформаторы сухого типа;
 - в отличие от сухих трансформаторов, для установок с жидким диэлектриком требуются баки, защищающие от утечки жидкости.

Сухие трансформаторы обычно используются для более низких номиналов мощностей (с номинальной мощностью от 500кВА до 2.5МВА). В данном случае местоположение трансформатора также имеет определяющее значение: будет ли трансформатор находиться в помещении и обслуживать офисное здание или квартиры, или он будет находиться на открытой части подстанции и обеспечивать промышленную нагрузку? Более мощные трансформаторы, используемые вне помещения, практически всегда заполняются жидким диэлектриком; трансформаторы с невысокой мощностью, располагаемые в помещении, обычно выпускаются в сухом исполнении. Установки сухого типа в основном поставляются в защитных кожухах с вентиляционными решетками или в герметизированном исполнении. В качестве изоляции используются различные виды диэлектриков: лак или лаковая пропитка прессованием в вакууме (VPI), эпоксидная смола или литьевая смола.

Трансформаторы жидкостного типа. Температурные факторы

В трансформаторах с жидким наполнением диэлектрик (чаще трансформаторное масло) используется и как изолирующая, и как охлаждающая среда. Конструкция обмоток предопределяет четырехугольную или цилиндрическую форму таких установок. Между слоями обмотки устанавливаются распорки, что позволяет жидкости протекать там и охлаждать обмотки и сердечник.

В пределах герметичного бака трансформатора, который вмещает обмотки и сердечник, жидкость протекает через каналы и вокруг концов обмоток. Основной теплообмен при этом происходит во внешних эллиптических трубках. В трансформаторах с номиналом более 5 МВА для дополнительной теплоотдачи используются радиаторы, расположенные в верхней и нижней части. Современные бумажные изоляционные материалы, используемые в жидкостных трансформаторах, позволяют повысить среднюю допустимую температуру обмоток до 65^oС.

Трансформаторы сухого типа. Температурные факторы

Изоляция сухого типа обеспечивает электрическую прочность диэлектрика и его возможность противостоять температурам с определенным пределом. Номиналы предельных температур обычно равны 150^oС, 115^oС или 80^oС, в зависимости от класса используемого изоляционного материала.

Сухие силовые трансформаторы: Классы изоляции

 Класс H - 220^oС (при 30^oС допускаемом отклонении «горячей точки» обмотки).
 Класс F - 185^oС (при 30^oС допускаемом отклонении «горячей точки» обмотки).
 Класс В - 150^oС (при 30^oС допускаемом отклонении «горячей точки» обмотки).

3. Выбор материала для обмоток

В обмотках трансформаторов используется медь или алюминий. Силовые трансформаторы с алюминиевыми обмотками имеют более низкую себестоимость. Тем не менее, трансформаторы с медными обмотками компактнее, медь лучше проводит ток, и медные обмотки отличаются большей механической прочностью. Важно проработать с производителем вопрос, какой именно материал обмоток подойдет для ваших конкретных требований.

4. Использование материала сердечника с низкими потерями

Выбор материала сердечника имеет принципиальное значение, и потери в нем должны быть определены надлежащим образом. Потери, которые происходят в сердечнике, случаются из-за гистерезиса (жесткого режима возбуждения) и вихревых токов. Для уменьшения гистерезиса в сердечниках следует применять высококачественную магнитную сталь. Для минимизации потерь от вихревых токов используются многослойные сердечники.

5. Защита от внешних условий среды

Очень важно должным образом защищать сердечник, обмотки, вводы /выводы и вспомогательное оборудование трансформатора, особенно при эксплуатации в суровых атмосферных условиях. Установки с жидким диэлектриком должны иметь герметичную конструкцию, автоматически обеспечивая защиту всех внутренних компонентов. В условиях повышенного риска коррозии могут использоваться баки из нержавеющей стали. Некоторые подходы к производству трансформаторов сухого типа для работы в суровых условиях включают в себя залитые обмотки, литьевую изоляцию и герметизированные под давлением в вакууме детали (VPE), иногда с использованием кремнийорганического лака. При условии, что сухие трансформаторы не являются полностью герметизированными, сердечник, обмотки, вводы и выводы должны периодически очищаться, если даже атмосферные условия эксплуатации не являются суровыми. Таким образом, исключается образование отложений пыли и других загрязнений, скапливающихся с течением времени.

6. Изоляционные материалы

В трансформаторах сухого типа обычно используются армированные стекловолокном формовочные массы из полиэстера. Эти изоляционные материалы применяются в трансформаторах с номиналом до 15кВ, работающих в помещении или в защищенном от сырости помещении распредустройства. В трансформаторах с жидким диэлектриком употребляются фарфоровые изоляторы. Они применяются при напряжениях, превышающих 500кВ. Фарфоровые изоляторы устойчивы к пробоям, подходят для использования вне помещения и легко очищаются.

Высоковольтные фарфоровые изоляторы содержат пропитанные маслом бумажные включения, которые служат емкостными перегородками, обеспечивающими однородную напряженность электрического поля. Через определенные промежутки времени в целях определения состояния этих изоляторов необходимо измерять коэффициент мощности.

7. Стабилизация

Разность между вторичным напряжением холостого хода и напряжением максимальной нагрузки является мерой стабилизации трансформатора. Она может быть определена при помощи следующего уравнения: %стабилизации = 100(V_n-V_f)/V_f, где V_n – напряжение холостого хода и V_f – напряжение при максимальной нагрузке.

Стабилизация считается недостаточной, если при увеличении нагрузки напряжение на вторичных выводах значительно падает.

8. Переключатели напряжения

Даже при хорошей стабилизации вторичное напряжение трансформатора может измениться, если будет изменяться входное напряжение. Трансформаторы, подключенные к электрической сети, зависимы от ее напряжения. Когда в работе такой системы происходят изменения или к ней подключают новые нагрузки, входящее напряжение к вашему оборудованию может понизиться, а в некоторых случаях даже возрасти.

Чтобы компенсировать такие смены напряжения, трансформаторы часто оборудуют переключателями напряжения под нагрузкой (РПН), или, иногда, переключателями напряжения в режиме холостого хода (ПБВ). (РПН работают под нагрузкой, в то время как для работы ПБВ нагрузка должна быть отключена). Эти устройства состоят из ответвлений или выводов, соединенных в разных местах и с первичными и со вторичными обмотками, чтобы обеспечить подвод стабильного напряжения со вторичных обмоток к нагрузке в различных условиях.

9. Ожидаемый срок службы силового трансформатора

Принято считать, что эксплуатационная долговечность силового трансформатора равна эксплуатационной долговечности системы изоляции. Долговечность изоляции прямо пропорциональна температурам, которые она испытывала в процессе эксплуатации трансформатора. То, что температуры обмоток различаются, и участки местного перегрева иногда нагреваются больше средней температуры обмоток на 30^oC, обычно приемлемо для трансформаторов сухого типа. Температуры таких участков определяются подсчетом суммы максимальной температуры окружающей среды, среднего возрастания температуры обмоток и градиента обмотки.

На трансформаторе имеется табличка с его номинальной мощностью, и это показывает количество нагрузки в кВA, которое приведет к возрастанию номинальной температуры в стандартных условиях работы. Нормальная эксплуатационная долговечность трансформатора рассчитывается как раз в этих «стандартных условиях работы», включая допустимые температуры участков местного перегрева при правильном подборе изоляционных материалов.

10. Перегрузка

Условия работы трансформатора могут повлечь за собой его неизбежную перегрузку. К чему могут привести такие условия, и может ли установка выдержать перегрузку без развития проблем и возникновения замыканий, является важным для рассмотрения моментом. Ключевой задачей в этом случае становится достаточная теплоотдача.

Например, если трансформатор перегружен на 20% сверх его номинальной мощности в течение определенного времени, любое тепло выделяющееся обмотками может быть легко выведено за пределы бака трансформатора в зависимости от продолжительности перегрузки. Пока происходит такой теплообмен, вероятность короткого замыкания мала. Но, определенно, может пройти такой период времени, после которого трансформатор не может оставаться в состоянии перегрузки. Тепло неизбежно начнет скапливаться внутри и может вызвать серьезные проблемы, постепенно создавая условия для возникновения короткого замыкания и отключения подачи энергии. Часто в теплообмене трансформатора участвуют встроенные вентиляторы, которые также помогают увеличить его полезную нагрузку.

11. Уровень прочности изоляции

Уровень прочности изоляции трансформатора зависит от основного импульсного уровня прочности (далее ОИУ). ОИУ определяется напряжениями данной системы и может варьироваться в зависимости от ожидаемого воздействия напряжений, которые трансформатор будет испытывать в течение всего его срока службы. Если электрическая система будет подвергаться управлению с использованием полупроводниковых приборов, выбор ОИУ должен быть проведен с особой тщательностью. Эти приборы, в процессе работы перекрывают ток и могут вызвать изменения напряжений в переходном процессе.

12. Защита питаемого оборудования

Способность трансформатора сглаживать электрические шумы и неустановившиеся напряжения заслуживает повышенного внимания, особенно, когда дело касается определенных видов нагрузок. При обслуживании такого полупроводникового оборудования, как компьютеры и периферия, часто производится установка защиты между первичными и вторичными обмотками распределительного трансформатора.

13. Размещение силовых трансформаторов рядом с нагрузкой

Уменьшение расстояния между устройством и основной нагрузкой явно полезны по нескольким причинам - помимо снижения потерь энергии и меньшего падения напряжения, также снижается стоимость низковольтной линии электропередач (кабель, ВЛ или комбинированная линия) до потребителя. Недостатком является то, что любая установка высоковольтного оборудования требует очень пристального внимания в вопросах электрической и пожарной безопасности. Разумный баланс может быть достигнут при использовании трансформаторов, которые предварительно одобрены или допускаются по нормативам и требованиям.

14. Дополнительная арматура

Дополнительная арматура устанавливается в случае необходимости и увеличивает конечную стоимость проекта. Например: емкости из нержавеющей стали и шкафы для дополнительной защиты от коррозии, специальные краска/покрытие от коррозии и ультрафиолетового света, навесы для наружных блоков, защитные меры для влажной окружающей среды; защита от грызунов, температурные контрольно-измерительные устройства, обогреватели для предотвращения образования конденсата во время длительного отключения, дополнительные отверстия для выводов первичной и вторичной обмоток, дополнительные запросы к регулирующей аппаратуре и многое другое.