Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Конструкция трансформаторных подстанций

Конструкция трансформаторных подстанций

Трансформаторная подстанция (ТП) — электроустановка, которая повышает и понижает напряжение в электрической сети. Система служит для приема, преобразования и распределения электроэнергии между потребителями.

Необходимость смены напряжения вызвана передачей его на большие расстояния. Чем выше напряжение, тем больше его мощность и способность передаваться на длинные дистанции. Поэтому подстанция используется:

  • При передаче энергии. Электростанции вырабатывают электроэнергию напряжением 6-24 кВ, тогда как для ее передачи в дальние пункты требуется 110-780 кВ;
  • При приеме электроэнергии. В свою очередь, для питания промышленных, коммунальных и других объектов необходимо гораздо меньшее напряжение — 220, 380, 660 В.

    основных сетей районами:

  • промышленными предприятиями;
  • стройплощадками;
  • железнодорожными путями;
  • дачными поселками;
  • сельскохозяйственными объектами;
  • небольшими населенными пунктами.

Конструктивные особенности

Что входит в состав любой трансформаторной подстанции:

  • силовой трансформатор;
  • шины;
  • коммутационные аппараты;
  • приборы защиты, автоматики, управления, сигнализации, измерения;
  • вспомогательные приспособления.

КТП - трансформаторная подстанция КТП - трансформаторная подстанция

Трансформатор

Главный элемент ТП обеспечивает понижение или повышение напряжения на выходе, имеет трехфазное исполнение.

Прибор состоит из корпуса в виде бака. Другие его части:

  • шихтованный магнитопровод;
  • обмотка вводов высокого и низкого напряжения;
  • переключатель регулировочных отводов у обмоток;
  • дополнительные приспособления.

Для работы с небольшими мощностями используют сухую конструкцию, с большими — масляные системы, назначение которых — отвод излишек выделяемого тепла.

Шины и ошиновка

Назначение частей — подвод питающего и отвод преобразованного напряжения с минимальными потерями. Ошиновку подключают напрямую к вводам ТП: кабель или пластину фиксируют на шпильках трансформаторных вводов наконечниками или переходниками.

Шины отделены от ошиновки силовым выключателем. Детали, подключенные ко всем присоединениям, называют «системами шин». Если такая система имеет много элементов, ее разделяют на секции.

В открытых типах ТП используют многожильные провода повышенного сечения без изоляционного слоя. В закрытых — алюминиевые и медные полосы.

Коммутационные аппараты

Устройства служат для включения и выключения ТП на время профилактики, аварий.

  • Автоматические выключатели — аппараты, работающие в автоматическом режиме при коротких замыканиях и перегрузках по току.
  • Выключатели нагрузки — приборы для переключения параметров сети, не превышающих номинальных показателей. Устройства не работают в аварийном режиме, применяются для управления системой в обычном ее состоянии.

Приборы защиты, автоматики, управления, сигнализации, измерения

Для удаленного надзора за работой трансформаторной подстанции в нее встраивают защитное оборудование. Оно состоит из измерительных датчиков, которые реагируют на:

  • нагревание;
  • вспышки света;
  • резкое увеличение давления в закрытых ТП;
  • дым.

Приборы передают информацию на щиты управления.

Другими инструментами надзора служат измерительные трансформаторы тока и напряжения. Приборы фиксируют все электропроцессы первичной схемы силовой аппаратуры и затем отсылают их устройствам управления.

Последние предугадывают возникновение аварий и передают сигнал отключения автоматическим выключателям.

Как трансформатор понижает или повышает напряжение

Повышающие и понижающие трансформаторы

До сих пор мы с вами рассматривали трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки имели одинаковую индуктивность, давая примерно одинаковые уровни напряжения и тока в обоих цепях. Однако, равенство напряжений и токов между первичной и вторичной обмотками трансформатора не является нормой для всех трансформаторов. Если индуктивности двух обмоток имеют разную величину, происходит нечто интересное:

Читайте так же:
Как насадить топор на топорище самому

Обратите внимание на то, что вторичное напряжение примерно в десять раз меньше первичного (0,9962 вольт против 10 вольт), а вторичный ток примерно в десять раз превышает первичный (0,9962 мА против 0,09975 мА). В этом SPICE моделировании описано устройство, которое в десять раз понижает напряжение и в десять раз повышает ток.

ransformers20

Трансформатор — это очень полезное устройство. С его помощью мы легко можем повысить или понизить напряжение и ток в цепях переменного тока. Появление трансформаторов сделало практической реальностью передачу электроэнергии на большие расстояния. Трансформаторы позволяют уменьшить потери на проводах линий электропередач (соединяющих генерирующие станции с нагрузками) путем повышения переменного напряжения и понижения переменного тока. На обоих концах (как на генераторе, так и на нагрузках) трансформаторы понижают уровни напряжения до более безопасных значений и снижают стоимость применяемого оборудования. Трансформатор, который на выходе (во вторичной обмотке) вырабатывает более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке), называется повышающим трансформатором (его вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная). И наоборот, понижающий трансформатор вырабатывает на своем выходе меньшее напряжение, чем подается на его вход, поскольку его вторичная обмотка имеет меньшее число витков по сравнению с первичной.

Посмотрите еще раз на фотографию, показанную в предыдущей статье:

ransformers16

На поперечном разрезе трансформатора хорошо видно первичную и вторичную обмотки.

Это понижающий трансформатор, о чем свидетельствует большое количество витков первичной обмотки и малое число витков вторичной обмотки. Он преобразует высокое напряжение и маленький ток в низкое напряжение и большой ток. Благодаря большому току вторичной обмотки, в ней используется провод большого сечения. Первичная обмотка, ток в которой имеет небольшую величину, может быть выполнена из провода меньшего сечения.

Любой из рассмотренных типов трансформаторов можно использовать по противоположному назначению (подключить вторичную обмотку к источнику переменного напряжения, а первичную обмотку — к нагрузке). В этом случае трансформатор будет выполнять противоположную функцию: понижающий трансформатор будет функционировать как повышающий, и наоборот. Однако, для эффективной работы трансформатора индуктивности каждой из его обмоток должны быть спроектированы под конкретные рабочие диапазоны напряжения и тока (этот вопрос рассматривался в предыдущей статье). Поэтому, при использовании трансформатора по «противоположному» назначению, напряжения и токи его обмоток должны оставаться в исходных конструктивных параметрах. Только в этом случае трансформатор будет эффективен (и не будет поврежден чрезмерным напряжением или током!).

Трансформаторы часто имеют такую конструкцию, что не очевидно, какие провода принадлежат к первичной обмотке, а какие к вторичной. Во избежание путаницы, на многих трансформаторах (в основном импортного производства) используется обозначение «Н» для высоковольтной обмотки (первичная обмотка в понижающем трансформаторе, вторичная обмотка в повышающем трансформаторе), и обозначение «X» для низковольтной обмотки. Поэтому простой силовой трансформатор будет иметь провода с надписью «H1», «H2», «X1» и «X2».

Читайте так же:
Магнитный индикатор на счетчик воды как обойти

Если вы вспомните, что мощность равна произведению напряжения и тока, то поймете почему напряжение и ток всегда движутся в «противоположных направлениях» (если напряжение увеличивается, то ток уменьшается, и наоборот). Вы так же поймете, что трансформаторы не могут производить энергию, они могут только преобразовывать ее. Любое устройство, которое могло бы произвести больше энергии, чем потребило, нарушило бы Закон сохранения энергии (энергия не может быть создана или уничтожена, она может быть только преобразована).

Практическая значимость вышесказанного становится более очевидной, когда рассматривается альтернатива: до появления эффективных трансформаторов, преобразование уровней напряжения и тока могло быть достигнуто только за счет использования установок, содержащих моторы и генераторы:

ransformers21

Установка мотор/генератор иллюстрирует основной принцип трансформатора

В этой установке мотор механически соединен с генератором. Генератор предназначен для получения желаемых уровней напряжения и тока за счет скорости вращения мотора. В то время, как и мотор и генератор являются достаточно эффективными устройствами, использование их в связке не обладает достаточной эффективностью, так что общий КПД установки находится в диапазоне 90% или менее. Кроме того, движущиеся части данных установок подвержены трению и механическому износу, а это, в свою очередь, влияет как на срок службы, так и на производительность. Трансформаторы же, с другой стороны, способны преобразовывать переменное напряжение и ток с очень высокой эффективностью без движущихся частей, что делает возможным широкое распространение и использование электроэнергии, которую мы считаем само собой разумеющимся.

Справедливости ради стоит сказать, что установки мотор/генератор не обязательно являются устаревшими в сравнении с трансформаторами во всех сферах применения. Если трансформаторы явно превосходят моторы/генераторы в преобразовании переменного напряжения и тока, то они не могут преобразовать одну частоту переменного тока в другую, а также преобразовать (сами по себе) постоянное напряжение в переменное или наоборот. Установки мотор/генератор могут все это делать относительно просто, хотя и с некоторыми ограничениями эффективности, описанными выше. Эти установки также обладают уникальным свойством сохранения кинетической энергии: то есть, если по какой-либо причине источник питания мотора мгновенно отключается, его угловой момент (инерция вращательного движения) будет еще некоторое время поддерживать вращение генератора, изолируя тем самым нагрузку (питаемую генератором) от «сбоев» в основной энергосистеме.

При внимательном просмотре цифр в SPICE анализе вы должны увидеть соотношение между коэффициентом трансформации и двумя индуктивностями. Обратите внимание на то, что первичная обмотка (l1) имеет в 100 раз большую индуктивность, чем вторичная (10000 Гн против 100 Гн), и что напряжение было понижено с 10 В до 1 В (в 10 раз). Обмотка с большей индуктивностью имеет более высокое напряжение и меньший ток. Поскольку обе обмотки трансформатора намотаны вокруг одного и того же сердечника (для наиболее эффективной магнитной связи между ними), параметры, влияющие на их индуктивность равны, за исключением количества витков в каждой из обмоток. Если мы еще раз взглянем на формулу индуктивности, то увидим, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа ее витков:

Читайте так же:
Как пользоваться холодной сваркой mastix

ransformers22

Таким образом, должно быть очевидно, что две обмотки трансформатора в вышеприведенном SPICE моделировании при соотношении их индуктивностей 100 : 1 должны иметь соотношение витков провода 10 : 1, так как 10 в квадрате равно 100. Поскольку соотношение витков соответствует соотношению между первичным и вторичным напряжениями и токами (10 : 1), мы можем сказать, что коэффициент трансформации напряжения и тока равен соотношению витков провода между первичной и вторичной обмотками.

ransformers23

Повышающее / понижающее действие соотношения витков обмоток в трансформаторе аналогично соотношениям шестеренок в механических редукторных системах, которые преобразуют значения скорости и крутящего момента во многом таким же образом:

ransformers24

Повышающие и понижающие трансформаторы, применяющиеся для распределения электроэнергии, могут иметь гигантские размеры (сопоставимые с размером дома). На следующей фотографии показан трансформатор подстанции высотой около четырех метров:

Какой трансформатор называют повышающим

повышающий трансформатор

Повышающий трансформатор это обычный трансформатор (см. назначение и принцип действия трансформатора) который повышает значение напряжения электрического тока. На первичной обмотке оно ниже, а на вторичной выше. Тем самым на выходе прибора напряжение выше и за счет определенного числа витков обмотки и сечения имеет нужное значение.

Принцип работы повышающего трансформатора заключается в величине К (коэффициент трансформации).

При К>1 трансформатор является понижающим, а при К<1 — повышающим трансформатором.

U1/U2 ≈ E1/E2 = N1/N2 = К

где: U1, U2 — напряжение на первичной и вторичной обмотке; E1, E2-мгновенные значения ЭДС; N1, N2 — количество витков первичной и вторичной обмотки

повышающий трансформатор

повышающий трансформатор схема

Применение повышающих трансформаторов

Приборы устанавливаются в электрических линиях и источниках питания потребительских точек. В соответствии с законом Джоуля — Ленца при увеличении силы тока выделяется тепло, которое нагревает провод. Для транслирования энергии на большие линейные расстояния увеличивают напряжение, а токи уменьшают. При поступлении к потребителю мощность снижают, поскольку в целях безопасности пришлось бы использовать массивную изоляцию.

В начале цепочки устанавливают повышающий трансформатор, а в точке приема понижают показатели. Такие комбинации на протяжении ЛЭП используют многократно, добиваясь выгодных условий транспортировки электричества и создавая приемлемые значения для потребителя.

Из-за присутствия в сети трех фаз для трансформации энергии используют трехфазные агрегаты. Иногда применяют группу, в которой устройства объединены в модель звезды, при этому них общий проводящий стержень.

Читайте так же:
Какой из металлов самый тугоплавкий

Хоть коэффициент полезного действия у агрегатов большой мощности достигает почти стопроцентного значения, всё равно выделяется много тепла. Типичный трансформатор электрической станции 1 гВт выдает несколько мегаватт. Чтобы снизить это явление, разработана охладительная система в виде бака с негорючей жидкостью или трансформаторным маслом и сильным устройством для воздушной раздачи тепла. Охлаждение чаще водяное, сухой принцип используют при небольшой мощности.

Повышающий тороидальный трансформатор

Как вы понимаете, говоря «тороидальный трансформатор», подразумевают обычно сетевой однофазный трансформатор, силовой или измерительный, повышающий или понижающий, у которого тороидальный сердечник оснащен двумя или несколькими обмотками.

Работает тороидальный трансформатор принципиально так же как и трансформаторы с другими формами сердечников: он понижает или повышает напряжение, повышает или понижает ток — преобразует электроэнергию. Но тороидальный трансформатор отличается при той же передаваемой мощности меньшими размерами и меньшим весом, то есть лучшими экономическими показателями.

Главная особенность тороидального трансформатора — небольшой общий объем устройства, доходящий до половины в сравнении с другими типами магнитопроводов.

Шихтованный сердечник вдвое больше по объему чем тороидальный ленточный сердечник при той же габаритной мощности.

Поэтому тороидальные трансформаторы удобнее устанавливать и подключать, и уже не так важно, идет ли речь о внутреннем или о наружном монтаже.

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам:

  • во-первых, экономия материалов на производстве,
  • во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест,
  • в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор.

Обмотки эффективно охлаждаются будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой.

Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора.

Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, — и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Читайте так же:
Как сделать пресс для выпрессовки подшипников

Для чего около электростанций устанавливают повышающий напряжение трансформатор?

Любой проводник имеет свое сопротивление и поэтому в ЛЭП неизбежно возникают тепловые потери на нагрев проводника. Величина нагрева пропорциональна квадрату тока в цепи, по этому повышая напряжение до сотен киловольт, мы, согласно закону Ома понижаем ток, а значит и снижает тепловые потери и размер проводников ЛЭП, экономия материалов и стоимости.

Трансформаторы

Генераторы, которые стоят на электростанциях, вырабатывают очень мощное ЭДС. На практике такое напряжения редко когда бывает нужно. Поэтому такое напряжение необходимо преобразовывать.

Для преобразования напряжения используются устройства, называются трансформаторами. Трансформаторы могут как и повысить напряжение, так и понизить его. Существуют также стабилизирующие трансформаторы, которые не повышают и не понижают напряжение.

Рассмотрим устройство трансформатора на следующем рисунке.

условное обозначение трансформатора:

Устройство и работа трансформатора

Трансформатор состоит из двух катушек с проволочными обмотками. Эти катушки надевают на стальной сердечник. Сердечник не является монолитным, а собирается из тонких пластин.

Одна из обмоток называется первичной. К этой обмотке подсоединяют переменное напряжение, которое идет от генератора, и которое нужно преобразовать. Другая обмотка называется вторичной. К ней подсоединяют нагрузку. Нагрузка это все приборы и устройства, которые потребляют энергию.

На следующем рисунке представлено условное обозначение трансформатора.

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток. А так как сердечник общий, магнитный поток индуцирует ток и в другой катушке.

В первичной обмотке трансформатора имеется N1 витков, её полная ЭДС индукции равняется e1 = N1e, где е – мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках. е одинаково для всех витков обоих катушек.

Во вторичной обмотке имеется N2 витков. В ней индуцируется ЭДС e2 = N2 e.

Сопротивлением обмоток пренебрегаем. Следовательно, значения ЭДС индукции и напряжения будут приблизительно равны по модулю: |u1|≈|e1|.

При разомкнутой цепи вторичной обмотки в ней не идет ток, следовательно: |u2|=|e2|.

Мгновенные значения ЭДС e1, e2 колеблются в одной фазе. Их отношение можно заменить отношением значений действующих ЭДС: E1 и E2. А отношение мгновенных значений напряжения заменим действующими значениями напряжения. Получим:

К – коэффициент трансформации. При K>0 трансформатор повышает напряжение, при K<0 – трансформатор понижает напряжение. Если же к концам вторичной обмотки подключить нагрузку, то во второй цепи появится переменный ток, который вызовет появление в сердечнике еще одного магнитного потока.

Это магнитный поток будет уменьшать изменение магнитного потока сердечника. Для нагруженного трансформатора будет справедлива следующая формула: U1/U2≈ I2/I1.

То есть при повышении напряжения в несколько раз, мы во столько же раз уменьшим силу тока.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector