На этой странице
A силовой трансформатор — это статическое электрическое устройство, которое передает мощность переменного тока между цепями посредством электромагнитной индукции, обычно изменяя уровни напряжения и тока без изменения частоты. Его основное назначение — передача больших объемов мощности: повышение напряжения между генерацией и передачей, понижение его между уровнями сети или электроснабжение крупной промышленной электрической системы.
Обычный силовой трансформатор не нет преобразует AC в DC. Эту функцию выполняют выпрямители и силовые электронные преобразователи. Он также не создает электрическую энергию; за исключением потерь, полная мощность, передаваемая через его обмотки, определяется одним и тем же соотношением напряжения и тока с обеих сторон.
Краткий обзор роли силового трансформатора
| Вопрос | Практический ответ |
|---|---|
| Что изменяет силовой трансформатор? | Уровни напряжения и тока AC в соответствии с коэффициентом трансформации обмоток и условиями эксплуатации |
| Что обычно остается неизменным? | Частота; фазовый сдвиг может изменяться в зависимости от схемы соединения обмоток и группы соединения |
| Где он используется? | Генерирующие станции, передающие подстанции, межсистемные связи, крупные распределительные подстанции и крупные промышленные электрические системы |
| Может ли он повышать и понижать напряжение? | Да. Его функция зависит от того, какая обмотка находится под напряжением, а также от конструкции и применения трансформатора |
| Является ли каждый трансформатор силовым трансформатором? | Нет. Распределительные, измерительные, разделительные, управляющие, преобразовательные, тяговые, печные и другие трансформаторы имеют свои специфические задачи и применимые требования |
| Существует ли единый универсальный предел по MVA? | Нет. Стандарты, энергоснабжающие организации, производители и проекты классифицируют оборудование как по области применения и назначению, так и по номинальным характеристикам |
| Что определяет пригодную к использованию спецификацию? | Номинальная мощность, коэффициент трансформации, частота, количество фаз, схема соединения, полное сопротивление, отводы, охлаждение, изоляция, потери, превышение температуры, нагрузочная способность при коротком замыкании, вспомогательное оборудование и применимые стандарты |
Фраза силовой трансформатор поэтому наиболее полезна тогда, когда она описывает системные требования и контекст спецификации, а не просто внушительный на вид бак или единичный порог мощности.
Какое место занимает силовой трансформатор в электрической системе?
В электрических системах используется несколько ступеней трансформации, поскольку генерация, передача на большие расстояния, региональное распределение и конечное потребление не могут наиболее эффективно работать при одном общем напряжении.
Генерирующая станция
↓
Повышающий трансформатор генератора
↓
Сеть высоковольтной передачи
↓
Трансформатор передающей или межсистемной подстанции
↓
Сеть среднего напряжения / субтрансмиссионная сеть
↓
Распределительный трансформатор
↓
Потребители и оборудование низкого напряжения
Точные уровни напряжения и количество ступеней различаются в зависимости от страны, энергоснабжающей организации, объекта и нагрузки. Важным моментом является иерархия: силовые трансформаторы соединяют основные уровни сети, в то время как распределительные трансформаторы обычно связаны с конечным преобразованием напряжения ближе к конечным потребителям.
Крупные промышленные объекты могут иметь аналогичную внутреннюю иерархию. Трансформатор объекта может получать высокое или среднее напряжение от сети и питать распределительное устройство предприятия, крупные приводы, печи, инфраструктуру центров обработки данных или несколько низковольтных подстанций. Поэтому трансформатор должен быть скоординирован с вышестоящими коммутационными аппаратами и устройствами защиты от перенапряжений (SPD), вторичным распределительным устройством, кабелями или шинопроводами, системой заземления и реле защиты.
Каково назначение силового трансформатора?
Основная функция заключается в обеспечении уровня напряжения, необходимого для следующей части электрической системы. Это способствует достижению четырех взаимосвязанных инженерных целей.
Повышение напряжения для эффективной передачи электроэнергии в больших объемах
При заданной активной мощности и коэффициенте мощности увеличение трехфазного линейного напряжения снижает ток, необходимый для передачи этой мощности. Более низкий ток уменьшает нагрев проводника, поскольку резистивные потери в линии изменяются пропорционально квадрату тока. Именно поэтому повышающие трансформаторы генераторов соединяют генерирующие установки с высоковольтными сетями передачи электроэнергии.
Сам трансформатор по-прежнему имеет потери, а решение по сети также зависит от требований к изоляции, зазорам, распределительным устройствам, проводникам, устойчивости и экономическим показателям. Руководство VIOX по напряжению, току и потерям в линии разрабатывает зависимость между током и потерями отдельно.
Пониженное напряжение между уровнями сети
Напряжение передачи не может быть подано непосредственно на распределительные фидеры или оборудование потребителей. Подстанционные трансформаторы ступенчато понижают напряжение, чтобы каждый участок сети мог использовать оборудование с соответствующими уровнями изоляции, токами короткого замыкания, сечениями проводников и эксплуатационными зазорами.
Обеспечение определенной схемы соединения обмоток и опорной точки системы
Трехфазный трансформатор выполняет не только функцию изменения величины напряжения. Схемы соединения его обмоток определяют фазовый сдвиг, наличие нейтрали, поведение при нулевой последовательности, а также способ взаимодействия трансформатора со схемами заземления и защиты. Таким образом, группа соединений является системным параметром, а не просто деталью из каталога, которую можно выбрать изолированно.
Поддержка регулирования напряжения и работы сети
Обмотки с ответвлениями позволяют регулировать эффективный коэффициент трансформации. Устройство переключения ответвлений без возбуждения требует отключения трансформатора от сети перед изменением положения. Устройство регулирования напряжения под нагрузкой, если оно предусмотрено, переключает ответвления во время работы под нагрузкой в пределах своего конструктивного исполнения. Диапазон регулирования, шаг переключения, метод управления и координация с системой зависят от конкретного проекта.
Как работает силовой трансформатор?
При подаче переменного напряжения на первичную обмотку возникающий ток создает переменный магнитный поток в сердечнике. Этот изменяющийся поток пронизывает вторичную обмотку и индуцирует в ней напряжение. Для идеального трансформатора отношение напряжений соответствует отношению числа витков:
V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂куда V обозначает напряжение на обмотке, а N обозначает число витков. Ток изменяется приблизительно в обратном направлении, благодаря чему мощность передается, а не умножается. Реальный трансформатор также имеет активное сопротивление обмоток, индуктивность рассеяния, ток намагничивания, потери в сердечнике, добавочные потери и тепловые ограничения.
Этой ориентации достаточно для концентратора. Для получения информации о магнитном потоке, индуцированном напряжении, коэффициенте трансформации, потерях, а также физической роли сердечника и обмоток используйте специализированное руководство: Как работает электрический трансформатор?.
Силовой трансформатор против распределительного трансформатора против измерительного трансформатора
Эти термины пересекаются в повседневной речи, но они не описывают одни и те же инженерные задачи.
| Граница | Силовой трансформатор | Распределительный трансформатор | Измерительный трансформатор |
|---|---|---|---|
| Основная функция | Передача больших объемов электроэнергии между основными уровнями напряжения электрической системы | Обеспечение конечного или почти конечного преобразования для распределительной цепи и местных нагрузок | Воспроизведение тока или напряжения в масштабированном, заданном значении для целей учета и релейной защиты |
| Позиция | Генерация, передача, главная подстанция или крупная промышленная сеть | Распределительная сеть энергоснабжающей организации, местная подстанция, опора, трансформаторная подстанция киоскового типа, здание или точка промышленного распределения | Подключен к измеряемой силовой цепи и вторичным приборам или реле |
| Выход служит для | Другой секции энергосистемы или крупной системы нагрузки | Местная распределительная сеть или нагрузки потребителей | Цепи учета, мониторинга, управления и защиты |
| Центр нагрузки | Режим работы энергосистемы, диспетчеризация сети, надежность, токи короткого замыкания, регулирование и потери | Суточный профиль нагрузки, потери холостого хода, местное регулирование напряжения, монтаж и эффективность жизненного цикла | Класс точности, коэффициент трансформации, нагрузка, изоляция, переходные характеристики или характеристики защиты |
| Общее выражение номинальных параметров | кВА или МВА, а также номинальные значения напряжения и системы | кВА или МВА, а также номинальные значения напряжения и параметры установки | Коэффициент трансформации ТТ и нагрузка в ВА; коэффициент трансформации ТН/ПТ и нагрузка, а также данные по точности/защите |
| Может ли только номинальная мощность служить классификацией? | НЕТ | НЕТ | Нет — решающее значение имеет функция измерения |
Не существует единого глобального показателя мощности, который четко отделял бы каждый силовой трансформатор от каждого распределительного трансформатора. Конкретные стандарты на продукцию могут определять диапазоны номинальных мощностей — например, определенные стандарты IEEE применяются к заданным диапазонам силовых трансформаторов с жидкостным диэлектриком, — но эти диапазоны не следует превращать в универсальное правило терминологии. IEEE поддерживает специализированный стандарт терминологии для силовых и распределительных трансформаторов, IEEE C57.12.80-2024.
По терминологии распределительных устройств см. Полная форма DTR в электротехнике. Трансформаторы тока и трансформаторы напряжения или потенциальные трансформаторы выполняют функцию измерения и защиты, а не передачи основной энергии; их интерфейс рассматривается в ТТ против ТН.
Основные типы силовых трансформаторов
Один трансформатор может одновременно относиться к нескольким категориям. Трехфазный повышающий трансформатор генератора также может быть маслонаполненным, двухобмоточным и оснащенным принудительным охлаждением. Классифицируйте его по тому параметру, который влияет на принимаемое решение.
По назначению в электрической системе
| Тип | Роль в системе | Основной вопрос, на который он отвечает |
|---|---|---|
| Повышающий трансформатор генератора | Повышает напряжение на клеммах генератора для подключения к сети передачи электроэнергии | Каким образом мощность генерирующего блока будет поступать в сеть? |
| Соединительный или автотрансформаторный блок | Соединяет два уровня напряжения сети, часто с использованием части обмотки, общей для обоих уровней | Каким образом смежные системы передачи или распределения электроэнергии будут осуществлять обмен мощностью? |
| Понижающий трансформатор подстанции | Снижает напряжение передачи или распределения электроэнергии для следующего уровня сети | Каким образом будет осуществляться питание и регулирование нижестоящей шины? |
| Промышленный силовой трансформатор | Питает основную систему предприятия, крупную технологическую нагрузку или распределительную сеть объекта | Как трансформатор будет сопрягаться с нагрузкой объекта и архитектурой защиты? |
По типу обмоток
Обычный двухобмоточный трансформатор имеет отдельные первичную и вторичную обмотки, связанные магнитно. В автотрансформаторе используется часть обмотки, общая для обеих сторон. Конструкция автотрансформатора может обеспечить преимущества в материалах и характеристиках при подходящих коэффициентах трансформации, однако она не обеспечивает такой же гальванической развязки, как раздельные обмотки. Заземление системы, передачу повреждений, координацию изоляции и защиту необходимо оценивать соответствующим образом.
Трехобмоточные трансформаторы добавляют еще одно подключение к электрической системе, например, третичную обмотку для собственных нужд подстанции, реактивного оборудования или стабилизации системы. Их номинальные параметры и характеристики короткого замыкания нельзя определить только на основе основного коэффициента трансформации двухобмоточного трансформатора.
По фазной конфигурации
Силовые трансформаторы могут быть однофазными или трехфазными. Трехфазная группа может состоять из одного трехфазного трансформатора или трех однофазных блоков, в зависимости от проекта сети, транспортных ограничений, принципов резервирования, стратегии создания запасов и требований объекта. Этот выбор является инженерным решением для системы, а не универсальным предпочтением.
По конструкции изоляции и охлаждения
В масляных трансформаторах используется изолирующая жидкость для обеспечения диэлектрических свойств и теплопередачи. В сухих трансформаторах используется твердая изоляция и воздушная или иная предусмотренная система охлаждения в рамках их стандартной области применения. На выбор влияют условия установки, стратегия пожарной безопасности, экологическая безопасность, номинальные параметры, корпус, вентиляция, план технического обслуживания и проектный стандарт.
Не сводите это решение к принципу “масло для улицы, сухое для помещения”. Обе категории включают множество конструкций и вариантов установки. Используйте отдельное сравнение сухих и масляных трансформаторов когда выбор конструкции является основной задачей.
Ключевые выводы по номинальным параметрам силовых трансформаторов
Корректная спецификация представляет собой согласованный набор электрических, тепловых, диэлектрических, механических и интерфейсных требований. Следующая схема показывает, за что отвечают основные поля и где требуется более глубокий анализ.
| Номинальный параметр или поле | Что он контролирует | Почему это важно |
|---|---|---|
| Номинальная мощность, кВА или МВА | Возможность по полной мощности при заданных условиях | Определяет режим напряжения и тока, но не определяет отдельно способность к перегрузке или пригодность для применения |
| Номинальные напряжения обмоток | Номинальное напряжение, присвоенное каждой обмотке | Должно соответствовать рабочим диапазонам электрической системы, координации изоляции и требованиям к ответвлениям |
| Частота | Расчетная рабочая частота | Магнитный поток в сердечнике и потери зависят от соотношения напряжения и частоты; не эксплуатируйте устройство вне заявленных параметров без инженерного анализа |
| Фаза и группа соединений | Схема соединения обмоток и угол сдвига фаз | Влияет на наличие нейтрали, параллельную работу, заземление, поведение токов нулевой последовательности и защиту |
| Напряжение короткого замыкания в процентах | Взаимосвязь падения напряжения и тока короткого замыкания | Влияет на регулирование, уровень токов повреждения, распределение нагрузки при параллельной работе и координацию защиты |
| Диапазон регулирования и устройство регулирования напряжения | Доступная регулировка коэффициента трансформации | Обеспечивает ввод в эксплуатацию или регулирование напряжения в рамках заданного метода и рабочих пределов |
| Обозначение системы охлаждения | Система теплопередачи | Связывает номинальные параметры трансформатора с доступным охлаждающим оборудованием и рабочим состоянием |
| Данные о превышении температуры и изоляции | Тепловые характеристики и система изоляции | Должны интерпретироваться с учетом температуры окружающей среды, высоты над уровнем моря, нагрузки, охлаждения и применимого стандарта |
| Уровень изоляции и данные диэлектрических испытаний | Способность выдерживать заданные электрические нагрузки | Должно быть согласовано с напряжением электрической системы, заземлением, условиями воздействия перенапряжений, зазорами и защитой |
| Данные о потерях | Потери на холостом ходу, под нагрузкой и другие заявленные потери | Влияет на КПД, тепловые характеристики, эксплуатационные расходы и оценку при закупках |
| Стойкость к токам короткого замыкания | Тепловая и механическая реакция на внешние повреждения | Зависит от величины тока повреждения, длительности, полного сопротивления системы, усилий в обмотках и требований к проверке |
| Клеммы, вводы и вспомогательные устройства | Физические интерфейсы и интерфейсы мониторинга | Должны соответствовать проводникам, распределительному устройству, устройствам защиты от перенапряжений, трансформаторам тока (CT), системам мониторинга и компоновке объекта |
Мощность трансформатора выражается в полной мощности, поскольку обмотки и система охлаждения должны выдерживать ток, в то время как система изоляции выдерживает напряжение; коэффициент мощности подключенной нагрузки не контролируется производителем трансформатора. Специализированное руководство по выбору номинальной мощности трансформатора в кВА охватывает формулы для кВА, кВт, тока и пределы выбора типоразмеров.
Вводы создают изолированный интерфейс проводника через заземленный бак или корпус. Их класс напряжения, ток, изоляция, требования к монтажу и подключению не зависят от основного номинала MVA трансформатора. См. Что такое ввод трансформатора? для определения границ этого компонента.
Почему импеданс, ответвления, охлаждение и потери требуют отдельного внимания
Четыре области паспортных данных часто сводятся к простому сравнению напряжения и МВА, несмотря на то, что они влияют на различные показатели электрической системы.
Импеданс связывает трансформатор с расчетом токов короткого замыкания
Импеданс трансформатора влияет на регулирование напряжения и ограничивает ожидаемый ток короткого замыкания. Более низкий импеданс может улучшить регулирование, но привести к более высокому току короткого замыкания в нижестоящих цепях; более высокий импеданс может снизить уровень тока короткого замыкания, но увеличить падение напряжения. Для параллельно работающих трансформаторов также требуются совместимые коэффициенты трансформации, группы соединений обмоток, импедансы и положения ответвлений. Окончательный проект должен быть включен в расчеты установившихся режимов, токов короткого замыкания и координации релейной защиты проекта.
Ответвления изменяют коэффициент трансформации, а не мощность трансформатора, как принято считать
Положение ответвления изменяет эффективный коэффициент обмоток. Не следует полагать, что это увеличивает тепловую мощность трансформатора или исправляет проблему в электрической системе за пределами диапазона, предусмотренного для устройства регулирования напряжения. В спецификации должно быть указано, является ли регулирование без возбуждения или под нагрузкой, а также способ управления им.
Конструкция системы охлаждения является частью номинальных характеристик
Режимы естественного и принудительного охлаждения могут иметь разные заявленные номинальные характеристики. Вентиляторы, насосы, радиаторы, теплообменники, средства управления, сигнализация и вспомогательные источники питания становятся частью эксплуатационных возможностей при их наличии. Трансформатору не следует присваивать номинальную мощность для принудительного охлаждения, если недоступны полная система охлаждения и состояние управления, необходимые для этой мощности.
Потери разделяются в зависимости от различных режимов работы
Потери холостого хода присутствуют всегда, когда трансформатор находится под напряжением, в то время как потери нагрузки сильно зависят от тока. Вспомогательная система охлаждения может иметь собственное энергопотребление. Поэтому при сравнении вариантов закупки следует использовать ожидаемый профиль нагрузки и заявленную методику испытаний, а не единое значение КПД без учета условий эксплуатации.
Стандарты и границы верификации
Применимый стандарт на трансформаторы зависит от рынка, конструкции, номинальных параметров, области применения и условий контракта. Ссылка на семейство стандартов не является доказательством того, что конкретный трансформатор соответствует каждой его части.
- IEC 60076-1:2011 содержит общие требования к трехфазным и однофазным силовым трансформаторам, включая автотрансформаторы, за исключением случаев, оговоренных в стандарте.
- IEC 60076-2:2011 определяет обозначения систем охлаждения, пределы превышения температуры и методы испытаний на нагрев для трансформаторов с жидкостным диэлектриком.
- IEC 60076-5:2006 рассматривает способность силовых трансформаторов выдерживать термические и динамические воздействия при внешних коротких замыканиях.
- IEC 60076-11:2018 применяется к определенным сухим силовым трансформаторам в рамках указанной области применения по напряжению и мощности, а также исключений.
- В практике IEEE, IEEE C57.12.00-2021 охватывает общие требования к определенным распределительным, силовым и регулировочным трансформаторам с жидким диэлектриком, в то время как IEEE C57.12.01-2020 рассматривает определенные сухие распределительные и силовые трансформаторы.
Проект также может требовать соблюдения технических условий энергоснабжающей организации, норм энергоэффективности, экологических правил, сейсмической сертификации, положений пожарной безопасности, ограничений по уровню шума, транспортных ограничений и испытаний на объекте. В спецификации на закупку следует указывать точные редакции стандартов и требуемые подтверждающие документы, а не ограничиваться фразой “трансформатор IEC” или “трансформатор IEEE”.”
От вопроса о силовом трансформаторе к правильному руководству
Используйте эту таблицу маршрутизации вместо того, чтобы пытаться найти ответ на любой вопрос о трансформаторах на одной странице.
| Ваш следующий вопрос | Лучший следующий ресурс |
|---|---|
| Как работают магнитный поток, коэффициент трансформации и индуцированное напряжение? | Как работает электрический трансформатор? |
| Почему номинальная мощность указывается в kVA и как рассчитывается ток? | Объяснение номинальной мощности трансформатора в kVA |
| Следует ли использовать при установке трансформатор сухого типа или с жидким диэлектриком? | Сухой трансформатор против масляного трансформатора |
| Что означает DTR и где используется распределительный трансформатор? | Полная форма DTR в электротехнике |
| Какова функция проходных изоляторов трансформатора? | Что такое ввод трансформатора? |
| В чем разница между трансформаторами тока и трансформаторами напряжения? | ТТ против ТН |
| Почему повышение напряжения при передаче электроэнергии снижает потери в линии? | Напряжение против потерь тока в линии |
Перед запросом коммерческого предложения на трансформатор соберите как минимум данные о напряжениях электрической системы, частоте, фазности, требуемой полной мощности, профиле нагрузки, группе соединений обмоток или схеме подключения, целевом значении импеданса, требованиях к ответвлениям, условиях установки, ожиданиях по охлаждению, исходных данных для исследования токов короткого замыкания, координации изоляции, клеммах, мониторинге, применимых стандартах и необходимой документации. Эти исходные данные превращают общую формулировку силовой трансформатор в техническую спецификацию.
Вопросы и ответы
Преобразует ли силовой трансформатор AC в DC?
Нет. Обычный силовой трансформатор передает мощность AC посредством электромагнитной индукции и, как правило, изменяет уровни напряжения и тока без изменения частоты. Преобразование AC в DC требует выпрямителя или силового электронного преобразователя, хотя трансформатор может быть одним из компонентов более крупной системы преобразования.
Изменяет ли силовой трансформатор частоту?
Нет, при нормальной работе трансформатора. Индуцированное вторичное напряжение имеет ту же частоту, что и переменный магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой. Преобразование частоты требует вращающихся машин или силовой электроники, предназначенной для этой функции.
Может ли один и тот же трансформатор повышать или понижать напряжение?
Коэффициент трансформации зависит от запитанной обмотки и соотношения витков, однако трансформатор можно использовать в обратном направлении только в том случае, если это допускают его конструкция, изоляция, отводы, заземление, защита, охлаждение и инструкции производителя. Не следует делать вывод о возможности обратного использования только на основании коэффициента трансформации.
В чем разница между силовым трансформатором и распределительным трансформатором?
Силовой трансформатор, как правило, связан с передачей больших объемов энергии между основными уровнями сети, в то время как распределительный трансформатор выполняет конечное или почти конечное преобразование вблизи местных нагрузок. Граница зависит от назначения в электрической системе, терминологии проекта и применимого стандарта; одна лишь мощность не является универсальным классификатором.
Почему номинальная мощность силовых трансформаторов указывается в МВА или кВА, а не в МВт?
Нагрев трансформатора и нагрузка на изоляцию определяются главным образом током и напряжением. Коэффициент мощности подключенной нагрузки определяет, какая часть полной мощности преобразуется в активную мощность в МВт или кВт, поэтому номинальные параметры трансформаторов обычно указываются в ВА, кВА или МВА.
Является ли автотрансформатор силовым трансформатором?
Может являться. Автотрансформатор, используемый для передачи больших мощностей между уровнями напряжения сети, является силовым трансформатором по своему функциональному назначению в электрической системе. Поскольку часть его обмотки является общей для обеих сторон, он имеет отличия в плане изоляции, заземления, передачи токов короткого замыкания и защиты по сравнению с двухобмоточным трансформатором.
Какой номинальный параметр следует проверять в первую очередь?
Начинайте с анализа всех условий эксплуатации, а не с одного значения: диапазоны первичного и вторичного напряжения, частота, количество фаз, требуемая мощность в кВА или МВА, профиль нагрузки, схема и группа соединения обмоток, полное сопротивление, ответвления, система охлаждения, условия установки и режимы короткого замыкания. Значение мощности без учета этих условий не является достаточным для выбора оборудования.
Основные источники
- IEC 60076-1:2011 — Силовые трансформаторы, часть 1: Общие положения
- IEC 60076-2:2011 — Превышение температуры для трансформаторов с жидкостным диэлектриком
- IEC 60076-5:2006 — Стойкость к короткому замыканию
- IEC 60076-11:2018 — Сухие трансформаторы
- IEEE C57.12.80-2024 — Терминология для силовых и распределительных трансформаторов
- IEEE C57.12.00-2021 — Общие требования к распределительным, силовым и регулировочным трансформаторам с жидким диэлектриком
- IEEE C57.12.01-2020 — Общие требования к сухим распределительным и силовым трансформаторам