ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 9.1. Общие сведения
Трансформаторами называют аппараты, работающие на переменном токе, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения. Те из них, которые преобразуют низшее напряжение в высшее, называются повысительными, а осуществляющие обратный процесс, т. е. понижающие напряжение электроэнергии, — понизительными. Трансформаторы могут иметь различные назначения. Так, в условиях строительства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии, сварочных работ, электропрогрева бетона, работы электроинструментов и в измерительных целях. Трансформаторы для передачи электроэнергии называют силовыми.
Силовые трансформаторы играют существенную роль в энергетическом хозяйстве страны. Без них была бы невозможной передача электроэнергии на сколько-нибудь значительные расстояния. Известно, что мощность электрического тока — постоянного и переменного — пропорциональна произведению напряжения на ток. Известно также, что выбор сечения проводов при передаче электрической энергии зависит от тока, проходящего по проводам; чем больше ток, тем с большим сечением приходится выбирать провода во избежание чрезмерных потерь в них напряжения и энергии.
Отсюда следует, что при передаче электрической энергии необходимо, чтобы ток получился возможно меньшим, а это может быть достигнуто лишь за счет повышения напряжения. Положим, требуется передать электроэнергию для питания участка строительства, где общая мощность трехфазных электродвигателей составляет 320 кВт при коэффициенте мощности cos φ, равном 0,8. Величина тока для передачи указанной мощности будет равна:
а) при напряжении 380 В:
б) при напряжении 10 000 В (10 кВ):
Из сравнения полученных результатов вытекает вывод, что при напряжении 380 В передача заданной электрической мощности даже на небольшое расстояние порядка 1—2 км технически трудно осуществима, так как при токе 610 А сечения проводов для такой передачи оказались бы чрезвычайно большими. При напряжении же 10 кВ (именно на таком напряжении организуются магистральные электрические сети на
стройках), при токе 23 А, передачу необходимой мощности можно осуществить просто и экономично небольшим сечением проводов.
Чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние необходимо се передать, тем выше требуется напряжение электропередачи. Расчеты показывают, что повышение напряжения в п раз увеличивает возможности передачи электроэнергии в п 2 раза.
Генераторы районных электростанций вырабатывают электроэнергию при напряжении порядка 10 000 В (10 кВ). А дальше у электроэнергии может быть два пути. Близлежащие к электростанции районы снабжаются энергией при данном генераторном напряжении. На месте потребления это напряжение преобразуется при помощи понизительных трансформаторов в напряжение 380 и 220 В. Для передачи электроэнергии к промышленным предприятиям и городам, расположенным на далеком расстоянии от электростанции, напряжение энергии предварительно повышается на повысительных трансформаторах до 110, 220, 330, 500 кВ. В районах использования электроэнергия высокого напряжения снова преобразуется. Посредством понизительных трансформаторов напряжение обычно понижается два раза: сначала до 35, 10 или 6 кВ для местных электросетей, а затем уже на месте потребления — до 380 или 220 В.
Таким образом, силовые трансформаторы многократно участвуют в передаче потока электроэнергии по стране.
Государственным стандартом (ГОСТом) установлены линейные напряжения трехфазного переменного тока для электроприемников до 1000 В: 220, 380 и 660 В. Учитывая потерю напряжения в сетях до электроприемников, понизительные трансформаторы по ГОСТу должны иметь номинальные напряжения (на низшей стороне) соответственно 230, 400 и 690 В. Далее ГОСТ предусматривает напряжения свыше 1000 В: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ*.
На строительных площадках сравнительно редко приходится иметь дело с установками напряжением выше 10 кВ. Поэтому в дальнейшем изложении будут описаны трансформаторы, работающие при напряжении до 10 кВ включительно.
§ 9.2. Принципиальное устройство трансформаторов
Трансформаторы могут быть однофазными и трехфазными. Для специальных целей изготовляют также многофазные трансформаторы.
Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции, сходном с явлением электромагнитной индукции.
На замкнутом стальном сердечнике (рис. 9.1) имеются две обмотки: АВ — с одним количеством и CD — с другим количеством витков. Если первую обмотку присоединить к цепи переменного тока с напряжением 1/ь то по проводам обмотки будет протекать переменный электрический ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток. Под воздействием этого потока во второй обмотке CD будет наводиться переменная э. д. с. той же частоты, что и в первой обмотке АВ. Если концы обмотки CD соединить проводом, то по образованной замкнутой цепи будет протекать переменный электрический ток.
Обмотка АВ называется первичной обмоткой трансформатора, а обмотка CD — вторичной.
Работу трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке называют холостым ходом. Переменный магнитный поток, создаваемый током I1х (индекс х — холостой ход), протекающим по первичной обмотке, пронизывает обе обмотки: и первичную и вторичную. Следовательно, он наводит в обеих обмотках электродвижущие силы, эффективные значения которых Е2 и Ε1 согласно закону электромагнитной индукции по величине прямо пропорциональны количеству витков в обмотках (соответственно — w2 и w1). Отсюда вытекает соотношение:
(9.1)
Электродвижущая сила Е2 при разомкнутой вторичной обмотке (т. е. при отсутствии в ней тока и падения напряжения) равна напряжению на концах обмотки U2.
Электродвижущая сила Е1 является по существу известной э. д. с. самоиндукции. При незначительном активном сопротивлении первичной обмотки эта э. д. с. практически равна подведенному к обмотке напряжению UY (отличается от него на малую величину падения напряжения в активном сопротивлении обмотки).
Таким образом, приближенно можно считать, что при холостом ходе трансформатора электродвижущие силы Е2 и Е1 соответственно равны напряжениям U2 и U1. Отсюда отношение Е21Е1 в формуле (9.1) может быть заменено отношением U2IUX. После такой подстановки получается
(9-2)
Следовательно, напряжение U2, действующее между концами вторичной обмотки трансформатора при его холостом ходе, будет во столько раз больше или меньше напряжения, подведенного к первичной обмотке, во сколько раз число витков вторичной обмотки больше или меньше числа витков первичной обмотки.
Обмотка понизительного трансформатора с большей величиной напряжения называется обмоткой высшего напряжения или первичной обмоткой и обозначается буквами ВН, а обмотка с меньшей величиной напряжения — обмоткой низшего напряжения или вторичной обмоткой — НН. Отношение первичного напряжения к вторичному приблизительно равно отношению числа витков первичной обмотки w1 к числу витков вторичной обмотки w2 и называется коэффициентом трансформации.
Рис. 9.1. Принцип действия трансформатора
В каталогах трансформаторов коэффициент трансформации обозначается дробью: в числителе — высшее напряжение (в кВ), а в знаменателе — низшее (тоже в кВ). Например, 6/0,4; 10/0,23 и т. д.
При подключении к вторичной обмотке трансформатора того или иного сопротивления Ζ (какого-либо электроприемника) трансформатор начинает работать под нагрузкой. Каково же будет соотношение токов во вторичной и первичной обмотках?
Трансформаторы являются весьма экономичными аппаратами. При их работе имеются, как у всякой электрической машины, потери энергии, а именно, потери на нагревание проводов обмоток и потери в стали сердечника, но потери эти невелики — порядка 2— 3% от мощности трансформатора. Поэтому с некоторым приближением можно считать, что мощности, развиваемые током во вторичной и первичной обмотках трансформатора, равны между собой. А отсюда следует:
* Напряжения 660 (690) В и 20 кВ, введенные ГОСТом, пока еще мало применяют.
(9-3)
Из равенств (9.3) и (9.2) следует соотношение:
(9.4)
Таким образом, токи в обмотках нагруженного трансформатора обратно пропорциональны числу витков в них.
Мы рассмотрели принципиальное устройство однофазного трансформатора. В настоящее время силовые трансформаторы, работающие при напряжениях до 10 кВ, изготовляют, как правило, трехфазными. По принципу действия они не отличаются от однофазных. Магнитопровод трехфазного трансформатора имеет три стержня, на каждый из которых надевают катушки обмоток одной фазы низшего и высшего напряжения. Фазы обмоток высшего и низшего напряжений могут быть соединены по-разному. Нормальным соединением обмоток понизительных трансформаторов с высшим напряжением 10 или 6 кВ и низшим напряжением 400 или 230 В, выпускаемых нашей промышленностью, является звезда — на высшем напряжении и звезда с выведенной нейтральной точкой — на низшем напряжении. Могут быть также изготовлены трансформаторы с соединением обмоток ВН — звезда и обмоток НН — треугольник.
Соединение звезда — звезда с выведенной нейтралью обозначается У/Уо, соединение звезда — треугольник — У/А.
