Глава первая
§ 1. Назначение трансформатора
По многим техническим причинам генераторы электрической энергии нельзя строить на очень большие напряжения. Даже самые крупные генераторы имеют напряжение не более 20—27 кВ.
Для передачи энергии на большие расстояния напряжение генераторов повышают до 35, 110, 220, 330, 500 или 750 кВ в зависимости от расстояния и передаваемой мощности.
На распределительных подстанциях напряжение требуется понизить (первая ступень понижения) до 6, 10 (в городах и промышленных объектах) или до 35 кВ (в сельских местностях и при большой протяженности сетей).
Рис. 1. Принципиальная схема передачи и распределения электрической энергии
Для ввода в заводские цеха и жилые дома напряжение сетей должно быть понижено (вторая ступень понижения) до 380, 220 или 127 В. В особых случаях напряжение понижают до 36, 24 или 12 В. Повышение и понижение напряжения переменного тока выполняют силовые трансформаторы.
Трансформатор, повышающий напряжение, называется повышающим, а снижающий напряжение, — понижающим.
Принципиальная схема передачи и распределения электрической энергии показана на рис. 1.
В зависимости от энергии, необходимой той или иной группе потребителей или отдельному потребителю, строят трансформаторы на различные мощности и напряжения. Современные трансформаторы имеют мощность от нескольких вольт-ампер до сотен тысяч киловольт-ампер, а мощность всех установленных трансформаторов практически в 7—8 раз превышает мощность генераторов, вырабатывающих электрическую энергию.
§ 2. Электродвижущие силы. Первичная и вторичная обмотки. Коэффициент трансформации
Действие трансформатора заключается в следующем. Если взять две катушки I и II из изолированного провода с числами витков W1 и W2 и расположить их соосно, т. е. так, чтобы их оси совпадали, то мы получим простейший трансформатор, схематично изображенный на рис. 2, действие которого заключается в следующем. Если к катушке I, называемой первичной, подвести переменное напряжение с действующим значением U1, то в катушке возникнет электрический ток I0, который в свою очередь создаст переменный магнитный поток Ф. Индукционные линии этого потока будут пронизывать также и вторичную катушку II. Поэтому в последней, согласно явлению взаимоиндукции, наведется электродвижущая сила (эдс) Е2, которая при холостом ходе будет равна вторичному напряжению U2 .
Рис. 2. Схема простейшего трансформатора (без стального сердечника — магнитопровода)
Чтобы усилить магнитную связь между первичной и вторичной катушками, или, как их принято называть, обмотками, и уменьшить так называемый поток рассеяния Фр, обмотки располагают на замкнутом стальном магнитопроводе (магнитной системе).
Если пренебречь потоком рассеяния Фр, считая, что обе обмотки пронизываются одним и тем же потоком Ф, то в каждом витке обеих обмоток будет индуктироваться электродвижущая сила ew, называемая эдс витка. Так как каждая обмотка состоит из определенного числа витков, соединенных последовательно, то эдс первичной обмотки
а вторичной обмотки — 
Если не учитывать падение напряжения в первичной обмотке, которое при холостом ходе трансформатора достаточно мало, то первичное и вторичное напряжения и U2 могут быть приравнены соответственно к E1 и Е2.
Отношение напряжений, равное отношению чисел витков, а также и отношению индуктируемых в первичной и вторичной обмотках эдс, называется коэффициентом трансформации k:
Режим холостого хода трансформатора
Режим холостого хода трансформатора — это такой режим, когда его первичная обмотка включена в сеть переменного тока, а вторичная обмотка разомкнута. При холостом ходе по первичной обмотке течет ток холостого хода Iхх, который создает в магнитной системе изменяющийся магнитный поток, сцепленный с обеими обмотками. Вследствие этого в каждой из них возникает эдс: в первичной — эдс самоиндукции Е1, во вторичной — эдс взаимоиндукции Е2, равная U2.
Режим холостого хода используется, в частности, при испытании готового трансформатора. При так называемом «опыте холостого хода» определяются некоторые из его эксплуатационных характеристик, а именно: коэффициент трансформации k; потери холостого хода Рх.х; ток холостого хода k.
Потери и ток холостого хода силовых трансформаторов нормированы соответствующими ГОСТами.
Потери холостого хода трансформатора возникают в стали магнитопровода. Эти потери состоят из потерь от вихревых токов и гистерезиса.
Потери от вихревых токов возникают вследствие наведения эдс в сечении стержня магнитопровода. Для уменьшения этих потерь магнитопровод делают не сплошным, а собирают из отдельных тонких (0,28—0,5 мм) пластин специальной электротехнической стали с повышенным удельным сопротивлением.
Потери от гистерезиса — это потери на перемагничивание стали вследствие изменения величины и направления переменного тока.
При холостом ходе трансформатора в его первичной обмотке протекает ток холостого хода, выражаемый в процентах номинального тока. Ток холостого хода состоит из активной составляющей, компенсирующей потери холостого хода, и реактивной составляющей (намагничивающий ток).
Величина намагничивающего тока, создающего магнитный поток, зависит от магнитного сопротивления пути, по которому он проходит. Чем оно будет больше, тем будет больше и намагничивающий ток.
Для уменьшения намагничивающего тока применяют сталь, возможно, более высокой проницаемости. Уменьшение магнитного сопротивления зависит также и от качества сборки магнитопровода, обеспечивающей минимальные воздушные (немагнитные) промежутки в стыках пластин, из которых собирается магнитопровод.
Режим нагрузки трансформатора
Нагрузкой трансформатора может быть сопротивление любого вида: активное, индуктивное, емкостное или смешанное, включенное на зажимы его вторичной обмотки.
Физические процессы, возникающие в трансформаторе при включении нагрузки, могут быть представлены следующим образом. В замкнутой вторичной цепи появится нагрузочный ток I2, который создаст намагничивающую силу I2w2. Эта сила должна быть (согласно правилу Ленца) уравновешена намагничивающей силой I1w1 первичной цепи, равной I2w2. Таким образом, при появлении нагрузочного тока h появляется первичный нагрузочный ток I1.
Опыт короткого замыкания. Напряжение и потери короткого замыкания
В условиях эксплуатации короткое замыкание на зажимах вторичной обмотки является аварийным состоянием, при котором возникающие большие токи могут при неисправной защите перегреть и разрушить трансформатор.
На приемо-сдаточных испытаниях при выпуске с завода трансформаторов искусственно создаются аварийные режимы — опыт короткого замыкания. Задача опыта короткого замыкания — оценить потери в обмотках и конструкции, а также потоки рассеяния в трансформаторе.
Опыт короткого замыкания заключается в том, что вторичную обмотку замыкают накоротко (U2=0), а к первичной подводят напряжение, поднимая его с нуля до тех пор, пока амперметр не покажет значение номинального тока I1. Так как намагничивающие силы обеих обмоток взаимно уравновешены, то во вторичной обмотке будет также протекать номинальный ток I2.
Напряжение UK3 (первичное), которое покажет вольтметр при опыте короткого замыкания, и приведенное к расчетной температуре (обычно 75°С), называется напряжением короткого замыкайся, выражается в процентах номинального и обозначается Uкз. Значение Uкзсоставляет от 5,5 до 7,5% для трансформаторов I—II—III габаритов напряжением до 35 кВ.
Номинальные токи I1 и I2, проходя по обмоткам трансформатора, вызывают в них потери (эффект Джоуля), равные Pкз1 
где r1 и r2 — сопротивления первичной и вторичной обмоток. Сумма этих потерь составляет основную часть потерь короткого замыкания трансформатора, т. е.
Мощность, которую покажет ваттметр, называется мощностью или потерями короткого замыкания и определяет потери в обмотках и добавочные потери в элементах конструкции трансформатора. Основной поток Ф при опыте короткого замыкания весьма мал, поэтому потерями в стали можно пренебречь.
§ 6. Коэффициент полезного действия
По значениям потерь холостого хода Рх.х и потерь короткого замыкания Рк.з определяется коэффициент полезного действия (кпд) трансформатора η:
Среднее значение р для силового трансформатора при его эксплуатации составляет обычно 0,45—0,55. Поэтому трансформаторы проектируют с таким расчетом, чтобы отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода составляло приблизительно 3,3—5.
Силовые трансформаторы обладают весьма высоким кпд, значение которого составляет от 95 до 99,5% в зависимости от мощности, причем трансформатор большей мощности имеет более высокий кпд.
§ 7. Однофазный и трехфазный трансформаторы
Трансформирование однофазного тока производится однофазными трансформаторами, а трехфазного — главным образом трехфазными, но возможно также и группой, состоящей из трех однофазных трансформаторов.
В схеме включения в сеть переменного тока однофазного трансформатора первичная обмотка трансформатора включена в питающую сеть переменного тока, а к зажимам вторичной обмотки присоединены приемники электроэнергии, например электрическая лампа.
Обмотки трехфазных силовых трансформаторов соединяются в схемы: звезда (условное обозначение в тексте — Y), треугольник
(∆) или зигзаг (Z). Если схема имеет выведенную нейтраль, то добавляется индекс «н», например — YH.
Для обмоток ВН и СН (высшего и среднего напряжений) применяют схемы соединения Y, Yн и ∆, а для обмоток НН (низшего напряжения) — Yн, ∆ и Zн. Схемы соединения обмоток показаны на рис. 3, а—g.
Рис. 3. Схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора:
а — схема Y (звезда) обмотки ВН, б — схема А (треугольник) обмотки ВН, в — схема Yн (звезда с выведенной нейтралью) обмотки НН, г — схема А (треугольник) обмотки НН, д — схема Zн (зигзаг с выведенной нейтралью) обмотки НН, А, В, С — выводные концы обмоток ВН, 0, а, b, с — выводные концы обмоток НН
В зависимости от сочетания схем соединения обмоток ВН и НН трехфазные трансформаторы могут иметь различные группы соединения.
Группой соединения называется угловое смещение векторов линейных электродвижущих сил обмоток (сторон) среднего и низшего напряжений по отношению к векторам соответствующих электродвижущих сил обмотки (стороны) высшего напряжения. Условная угловая единица принята равной 30°.
В Советском Союзе для трехфазных двухобмоточных силовых трансформаторов стандартизованы следующие схемы и группы соединения:
; A/А—0.
Принадлежность трансформаторов к той или иной группе соединения определяет одно из условий возможности их параллельной работы между собой. Такая работа возможна только для трансформаторов, имеющих одинаковые группы соединения, например:
и т. д.
