СУХИЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Аннотация. Cтатья раскрывает устройство трансформаторов нового поколения, дает классификацию, описывает применение трансформаторов. Подробно рассматриваются сухие силовые трансформаторы, их преимущества.

Ключевые слова: трансформатор, сухой трансформатор, применение трансформаторов, устройство трансформаторов

Сухие трансформаторы

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, предназначенное для изменения напряжения переменного тока и представляет собой как минимум две катушки индуктивности на одном сердечнике.  Традиционно индукционной катушки трансформатора именуют обмотками (первичная и вторичная). Обмоток может быть и более двух, могут быть отводы от витков катушек. При работе частота не изменяется, т.е., например, в понижающем трансформаторе на первичной обмотке частота 50 Гц, то и на вторичной будет частота в 50 Гц [1].

Трансформаторы нашли широкое применение и в электротехнике, и в электронике. Сложно представить какое-либо устройство, в котором нет трансформатора – блоки питания, некоторые усилители мощности, источники бесперебойного питания и т.д.

Следует учесть такой факт, что трансформатор может работать только если электрический ток изменяется по направлению и величине (например – синусоида переменного тока).

Принцип состоит в следующем: переменный ток, протекающей по катушке (первичной обмотке) создает вокруг переменное магнитное поле, а это электромагнитное поле создает во второй катушке (вторичной обмотке) электрический ток (рисунок 1). Соотношения количества витков катушек называется коэффициентом трансформации. Таким образом, если на вторичной обмотке витков меньше, то это будет понижающей трансформатор, если больше – повышающий. Таким образом, если поменять расположение обмоток, то повышают трансформатор станет понижающим (если не выйдет из строя). Конечно, играют роль и такие параметры как материал сердечника, материал обмоток, сечение проволоки. Кроме того, в современных трансформаторах довольно малые потери и КПД может достигать 98 процентов. Потери энергии обуславливаются нагревом обмоток, перемагничиванием сердечника.

Что касается сердечника, то зачастую он изготовлен из стали (возможен пермоллоевый сердечник) или сплавов с высокими магнитными свойствами. Трансформаторы с сердечником используются в низкочастотных цепях (менее 100 кГц), в высокочастотных цепях (свыше 100 кГц) сердечник может отсутствовать, либо он изготовлен из альсифера или феррита [2]. На схемах порядковый номер трансформатора обозначается буквой Т (в отличие от катушки - L).

Рисунок 1. Схематическое изображение трансформаторов

Основные «внешние» характеристики трансформаторов: Рабочее напряжение первичной и вторичной обмоток, рабочая сила тока обмоток, общая мощность, коэффициент трансформации, КПД, коэффициент мощности и нагрузки.

Обычно рекомендуется, чтобы мощность потребителей, подключенных ко вторичной обмотке понижающего трансформатора составляла не более 80 процентов мощности первичной обмотки. Основные неполадки трансформаторов – обрыв обмоток, либо межвитковое замыкание. Для диагностики, трансформатор должен быть извлечен из схемы. Необходимо проверить сопротивление обмоток. Возможные варианты: катушка не прозванивается, либо чрезвычайно большое сопротивление – обрыв (сгорание) обмотки (бывает при превышении тока или напряжения, превышения мощности), либо сопротивление обмоток ниже справочного (либо расчетного) – межвитковое замыкание (явление редкое, обусловлено разрушением изоляционного слоя на проволоке обмоток). Также первая неисправность может быть следствием второй [3].

Маркируются трансформаторы следующим образом (рисунок 2):

Рисунок 2. Маркировка трансформаторов

Что касательно силовых трансформаторов, то существуют следующие типы исполнения: сухие, с негорючем наполнением и масляные. Сухие трансформаторы применяются на силовых установках мощностью не более 2500кВт. Обычно применяю, где невозможно использование масляных трансформаторов, например, по причинам пожарной безопасности. Кроме того, они проще и дешевле, не требуют обслуживания.

В масляных трансформаторах используется специальное масло для охлаждение обмоток, они применяются при больших мощностях, но при этом требуют обслуживания – контроль уровня масла, кроме того не безопасны и требуют специального помещения для монтажа и установки.

С негорючим наполнением – дороги в производстве, но не требуют обслуживания. Применяют в соответствии с требованиями пожарной и экологической безопасности. В качестве наполнителя зачастую используется софтол. Данная жидкость не взрывается, не воспламеняется, но чрезвычайно токсична.

Сухие трансформаторы более предпочтительны, так как не требуют специального обслуживания (например, доливки масла, замены масла, чистки масляных каналов охлаждения), менее пожароопасные (нет легковоспламеняющихся элементов в конструкции), имею возможность установки в частном жилье. Но в тоже время сухие трансформаторы применяются при более низких требуемых мощностях, где существует возможность отдачи тепловой энергии окружающей среде.

Сухие же трансформаторы тоже можно разделить на виды: «С» - с естественным воздушным охлаждением, открытого исполнения; «СЗ» - то же самое, защищенного исполнения; «СГ» - то же самое, герметичного исполнения; «СД» - воздушное охлаждение с дутьем.

Тип «СГ» - сухой герметичный. Этот вид трансформаторов не отличается ничем принципиальным. При его производстве обмотки покрывают либо кремнийсодержащими составами, либо заливают эпоксидной смолой (эпоксидка обладает высокой диэлектрической проницаемостью, механической прочностью) и помещают в корпус. Таким образом обмотки трансформатора полностью защищены от воздействия вредных факторов окружающей среды. Кроме этого заливка эпоксидной смолой снижает гул трансформатора (звуковая частота гула трансформатора полностью совпадает с частотой, приложенной к первичной обмотке). Этот тип трансформаторов зачастую неремонтопригоден из-за заливки после застывания эпоксидной смолы. Кроме того, этот тип трансформаторов имеет и такой недостаток: Коэффициент теплового расширения эпоксидной смолы, используемой для герметизации обмоток, меньше чем у медной проволоки, из которой и выполнены как раз обмотки. Частое нагревание и остывание обмоток в конечном итоге приведет к повреждению – растрескиванию смолы.

Тип «С» - сухой. Обычный трансформатор с незащищенными обмотками. Такой тип трансформаторов позволительно эксплуатировать в сухом помещении, где не могут на него попасть атмосферные осадки или другие электропроводящие жидкости.

Тип «СД» - сухой, дутье. Этот тип трансформаторов оснащают вентилятором для принудительного охлаждения обмоток в случае их перегрева (например, при работе под повышенной нагрузкой).

Тип «СЗ». Защищенное исполнение означает наличие перфорированного кожуха для улучшения вентиляции, а герметизированный вариант аппаратов не предусматривает наличие дополнительных отверстий для проникновения воздуха.

При эксплуатации силовых трансформаторов в качестве составляющих энергосистемы необходимо контролировать, нагрев обмоток для предотвращения выхода из строя, так как последствия могут привести к возгоранию. В некоторых моделях трансформатор может быть оборудован специальным термодатчиком [4]. В некоторых случаях защита может быть автоматической. В случае выхода температуры за пределы допустимого значения может либо включаться принудительное охлаждение, либо отключаться нагрузка, для этих целей служит щит защиты. По мере эксплуатации трансформатора требуется периодический осмотр для выявления повреждения изоляционного слоя обмоток, соединений, контактов.

При оснащении трансформатора вентилятором обдува нагрузку можно существенно поднять. Так, для литых обмоток такая функция может поднять длительно допустимую нагрузку на 50% выше номинальной.

Стоит отметить, что в последние годы в России сформировалась устойчивая тенденция повторять опыт Европы, где до 90% всех вновь устанавливаемых трансформаторов относится к сухому типу. Соответственно реагирует и рынок. Сегодня в РФ есть предложения таких устройств от двух групп производителей. К первой из них можно отнести российские, итальянские, китайские и корейские бренды. В основном предлагаются конструктивные аналоги известных российских марок: ТСЗ, ТСЛ, ТСГЛ. Сколько же стоит такой сухой трансформатор? Цена типового «тысячника» варьируется от 900 тысяч до 1 миллиона рублей. Ко второй группе относятся немецкие и французские производители. Они предлагают марки серий DTTH, GDNN, GDHN. Во что же обойдется такой импортный трансформатор? Цена все того же «тысячника» составит от 1,5 до 2 миллионов рублей [3].

На сегодняшний день в России и странах СНГ и Таможенного Союза работает 24 завода по производству силовых трансформаторов I – III габарита, которые производят масляные и сухие трансформаторы различных типов.

Рынок силовых трансформаторов России объединяет совершенно разных по объемам и характеру производства предприятий – потребителей. Поскольку силовые трансформаторы относятся к товарам производственно-технического назначения (ПТН), то сегментирование рынка силовых трансформаторов целесообразно провести по производственно-экономическим признакам. В этом случае отчетливо выделяются следующие шесть групп потребителей:

1. Предприятия генерации (ГЭС, ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС, ГАЭС, АЭС). Объекты Федеральной Сетевой Компании (подстанции магистральных электросетей).
2. Региональные распределительные электросетевые компании.
3. Промышленные предприятия разных отраслей (заводы, фабрики, комбинаты, др. предприятия, в т. ч., горнодобывающие, газодобывающие). Сельскохозяйственные предприятия и садоводческие товарищества. Объекты Министерства обороны РФ.
4. Нефтедобывающие компании.
5. Объекты жилищно-коммунального хозяйства, транспортной и социальной инфраструктуры (жилые микрорайоны, школы, торговые центры, больницы, аэропорты, автомагистрали, автовокзалы, речные и морские порты, речные вокзалы, водонасосные станции, станции очистки и т.п.). Муниципальные распределительные электросетевые компании.
6. Объекты железнодорожного транспорта (тяговые подстанции, станции, вокзалы).

Список литературы:

1. Афанасьев В.В., Адоньев Н.М., Жалалис Л.В., Трансформаторы тока, Москва, изд.: Энергоатомиздат, 1989г – 243 с. 
2. Куневич А.В. Сидоров И.Н. Скорняков С.В.,  Трансформаторы для бытовой и офисной аппаратуры, Москва, изд.: Горячая Линия – Телеком, 2004г. – 139 с.
3. Хныков А.В., Теория и расчет трансформаторов, Москва, изд.: СОЛОН-Пресс, 2004г. – 97с.
4. Китаев В.Е. Трансформаторы, Москва, Изд.: 3-е, изд.: Высшая школа, 1974г. – 207 с.
5. Грумбина А. Б. Электрические машины и источники питания радиоэлектронных устройств,  Москва, Изд.: Энергоатомиздат, 1990 – 368 с.
6. Сидоров И.Н., Скорняков С.В. Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры, Москва, изд.: Горячая Линия – Телеком, 1999г. –336 с.