Трансформатори відіграють значну роль в електротехніці, виконуючи функції перетворення, ізоляції, вимірювання та захисту. Однією з найпоширеніших задач пристроїв цього типу є регулювання окремих параметрів струму. Зокрема, трансформатори напруги (ТН) перетворюють показники первинної електромережі до оптимальних значень, з точки зору споживачів.
Загальна конструкція обладнання
Технічну основу трансформатора утворює електромагнітна начинка, забезпечує функціональні процеси пристрою. За розмірами обладнання може відрізнятися в залежності від вимог до силового навантаження в ланцюзі. У типовому виконанні трансформатор має пристрої введення та виведення струму, а основні робочі елементи виконують завдання перетворення напруги. За забезпечення надійності та безпеки технологічних процесів відповідає набір ізоляторів, запобіжників і пристрій релейного захисту. У конструкції сучасного трансформатора зниженої напруги передбачаються і датчики реєстрації окремих робочих параметрів, показники яких спрямовуються на пульт управління і стають основою для команд регулюючим органам. Функціонування електротехнічних компонентів сама по собі вимагає енергопостачання, тому в деяких модифікаціях перетворювачі доповнюються автономними джерелами живлення – генераторами, акумуляторами або батареями.
Осердя трансформатора
Ключові робочі елементи ТН являють собою так звані сердечники (магнітопроводи) і обмотки. Перші бувають двох видів – стрижневі і броньові. Для більшості низькочастотних трансформаторів до 50 Гц застосовуються стрижневі сердечники. У виготовленні магнітопровода використовують спеціальні метали, від якості яких залежать робочі властивості конструкції, наприклад, продуктивність і величина струму холостого ходу. Сердечник трансформатора напруги утворюється тонкими листами сплаву, ізольованими між собою шарами лаку та окису. Від якості цієї ізоляції буде залежати ступінь впливу вихрових струмів магнітопровода. Існує і особлива різновид складальних сердечників, які формують конструкції довільного перерізу, але близької до квадратної форми. Така конфігурація дозволяє створювати універсальні магнітопроводи, але у них є і слабкі місця. Так, виникає потреба в щільному стягування металевих пластик, оскільки дрібні зазори знижують коефіцієнт наповнюваності робочої площі котушки.
Обмотки трансформаторів напруги
Зазвичай використовують дві обмотки – первинну і вторинну. Вони ізолюються і один від одного, і від сердечника. Перший рівень обмотки відрізняється великою кількістю витків, виконаних тонким дротом. Це дозволяє їй обслуговувати мережі високої напруги (до 6000-10 000 В), необхідного для основних потреб перетворення. Вторинна обмотка призначена для паралельного постачання вимірювальних приладів, релейних пристроїв та іншої допоміжної електротехніки. При підключенні обмотки трансформаторів напруги важливо враховувати маркування на вихідних затискачах. Наприклад, реле напрямку потужності, мультиметри, амперметри, ватметри і різні лічильники з’єднуються з котушками допомогою початку первинної обмотки (позначення А), кінцевий лінії (Х), почала вторинної обмотки (а) і її кінця (х). Також може використовуватися додаткова обмотка зі спеціальними приставками в позначенні.
Монтажна арматура і засоби заземлення
Перелік добірних елементів і функціональних пристроїв може бути різним в залежності від типу і характеристик трансформатора. Наприклад, масляні конструкції з показником первинної напруги до 10 кВ і більше забезпечуються арматурою для заливки, зливу і відбору проб технічної мастила. Для масла також передбачається бак з форсунками і регуляторами, керуючими плавною подачею рідини в цільові зони. Типові набори арматури найчастіше включають кронштейни з болтами, патрубки, релейні компоненти, прокладки з електрокартону, фланцеві елементи і т. д. Що стосується заземлення, то трансформатори з напругою первинної обмотки до 660 У забезпечуються затискачами з різьбовим кріпленням болтів, шпильок і гвинтів типорозміром М6. Якщо показник напруги вище 660 В, то заземляюча арматура повинна мати з’єднання металовиробів формату не менше М8.
Принцип дії ТН
Основні функції і процеси електромагнітної індукції виконує комплекс, що включає металевий сердечник з набором трансформаторних пластин, первинну і вторинну обмотки. Якість роботи пристрою буде залежати від точності базового розрахунку амплітуди і кута проходження струму. За перетворення в електромагнітному полі відповідає взаємна індукція між кількома обмотками. Змінний струм в трансформаторі напруги на 220 В постійно змінюється, проходячи по одиночній обмотці. У відповідності з законом Фарадея, індукується електрорушійна сила разів в секунду. В системі з закритою обмоткою по ланцюгу буде проходити струм за замовчуванням і замикатися на металевому сердечнику. Чим менше навантаження на вторинну обмотку трансформатора, тим ближче фактичний коефіцієнт перетворення до номінальної величини. Робота з підключенням вторинної обмотки вимірювальних пристроїв особливо буде залежати від ступеня перетворення, так як найдрібніші коливання навантаження будуть впливати на точність вимірів, введених в ланцюг приладів.
Різновиди трансформаторів
На сьогоднішній день найбільш поширені такі різновиди ТН:
- Каскадний трансформатор – пристрій, в якому первинна обмотка поділяється на кілька послідовних секцій, а за передачу потужності між ними відповідають вирівнюючі і сполучні обмотки.
- Заземляемый ТН – однофазні конструкції, у яких один кінець первинної обмотки наглухо заземлюється. Також це можуть бути трифазні трансформатори напруги з заземленою нейтраллю від первинної обмотки.
- Незаземляемый ТН – пристрій з повною ізоляцією обмоток з примикає арматурою.
- Двухобмоточные ТН – трансформатори з наявністю однієї вторинної обмотки.
- Трехобмоточные ТН – трансформатори, у яких крім первинної обмотки також присутні основна і додаткова вторинні обмотки.
- Ємнісний ТН – конструкції, що відрізняються наявністю ємнісних роздільників.
Особливості електронних ТН
За основними метрологічними показниками даний вид трансформаторів трохи відрізняється від електротехнічних пристроїв. Обумовлено це тим, що в обох випадках застосовується традиційний канал перетворення. Головні особливості електронних трансформаторів полягають у відсутності високовольтної ізоляції, що в результаті сприяє отриманню більш високого техніко-економічного ефекту від експлуатації обладнання. У високовольтних мережах з первинною напругою трансформатора напруги до 660 В перетворювач зв’язується з центральною мережею гальванічним способом. Відомості про вимірюваному струмі передаються під високим потенціалом, як це відбувається і в аналогово-цифровому перетворювачі з оптичним виходом. Проте розміри і маса електронних моделей настільки малі, що дають можливість встановлювати трансформаторні блоки в інфраструктурі високовольтних дротяних шин навіть без підключення додаткових ізоляторів і кріпильної арматури.
Характеристики трансформаторів
Основний техніко-експлуатаційної величиною є потенціал напруги. На первинній обмотці він може досягати і 100 кВ, але це здебільшого стосується великогабаритних промислових станцій, що містять кілька перетворюють модулів. Як правило, на первинній обмотці підтримується не більше 10 кВ. Трансформатор напруги для однофазних мереж з заземленою нейтраллю і зовсім працює при 100 В. Що стосується вторинної обмотки, то її номінальні показники напруги складають 24-45 У середньому. Знову ж таки, на цих контурах обслуговуються енергетично малоемкие прилади обліку, для яких не вимагається високої навантаження харчування. Втім, і вторинні обмотки іноді мають високі потенціали понад 100 В трифазних мережах. Також в оцінці характеристик трансформатора важливо враховувати клас точності – це величини від 0,1 до 3, які визначають ступінь відхилень у перетворенні цільових електротехнічних показників.
Ферорезонансний ефект
Електромагнітні пристрої нерідко піддаються різного роду негативних впливів і пошкоджень, пов’язаних з порушеннями в ізоляції. Одним з найбільш поширених процесів руйнування обмотки є феррорезонансное обурення. Воно призводить до механічного пошкодження і перегріву обмоток. Основною причиною цього явища називають нелінійність індуктивності, яка виникає в ситуаціях нестабільною реакції магнітопровода на навколишнє магнітне поле. Захистити трансформатор напруги від ферорезонансних ефектів дозволяють зовнішні заходи, серед яких включення додаткових ємностей і резисторів до комутованому пристрою. В електронних системах мінімізувати ймовірність індукційної нелінійності дозволяє і програмування послідовностей відключення апаратури.
Застосування обладнання
Експлуатація трансформаторних пристроїв, що перетворюють напругу, регулюється правилами використання електротехніки. Враховуючи оптимальні робочі величини, фахівці вводять підстанції в постачаючу інфраструктуру цільового об’єкта. Основні функції систем дозволяють обслуговувати будівлі і підприємства з потужними енергетичними установками, а вторинна напруга трансформатора до 100 В контролює навантаження для менш вимогливих споживачів зразок лічильників і метрологічних пристроїв. В залежності від техніко-конструкційних параметрів, ТН можуть використовуватися в промисловості, в будівельній сфері і в побутовому господарстві. У кожному разі трансформатори забезпечують контроль електротехнічного харчування, регулюючи вхідні показники потужності у відповідності з номінальними запитами конкретного об’єкта.
Висновок
Електромагнітні трансформатори забезпечують досить старий, але затребуваний донині принцип регулювання потужності в електричному колі. Старіння даного устаткування пов’язано і з конструкційним виконанням обладнання, і з функціональністю. Тим не менш, це не заважає використовувати трансформатори струму і напруги для відповідальних завдань управління електропостачанням на великих підприємствах. До того ж не можна сказати, що перетворювачі цього типу зовсім не піддаються поліпшень. Хоча основні принципи роботи і навіть технічна реалізація в цілому залишаються незмінними, інженери останнім часом активно працюють над системами захисту і управління. У підсумку це позначається на підвищення безпеки, надійності і точності роботи трансформаторів.
