1. Развитие трансформаторостроения
Ранее (см. введение) мы уже говорили, что основоположниками трансформаторостроения были русские электротехники Π. Н. Яблочков, И. Ф. Усагин и М. О. Доливо-Добровольский, разработавшие тип трехфазного трансформатора для целей передачи электрической энергии. Начиная с 90-х годов прошлого столетия, первоначальный тип трансформатора в сухом исполнении был постепенно вытеснен трансформатором в масляном исполнении. Аварии, которые происходили сначала из-за неумения изолировать масло от окисляющего действия воздуха, были практически устранены посредством маслорасширителей, вошедших во всеобщее употребление примерно с середины 10-х годов текущего столетия.
Весьма большое влияние на развитие трансформаторов оказало применение легированной, так называемой трансформаторной стали. Достаточно сказать, что за время с 1904 по 1911 г. масса стали масляного трансформатора мощностью 20 кВ·а уменьшилась более чем вдвое, а масса меди — почти на 40% при том же или даже более высоком к. п. д. В последующем произошло дальнейшее уменьшение массы активных материалов трансформаторов, а в настоящее время в этом отношении намечаются новые перспективы в связи с применением холоднокатаной стали.
Так как типов трансформаторов очень много, то здесь мы ограничимся краткой характеристикой только силового трансформатора, поскольку он представляет наибольший интерес в связи с мощным развитием электроэнергетических систем.
За время с 1905 по 1940 г. потребление электроэнергии в промышленно развитых странах удваивалось примерно каждые 8—10 лет.
Соответственно этому росли мощности центральных электрических станций и мощности устанавливаемых на них агрегатов, в том числе трансформаторов. Уже к 1930 г. был построен трехфазный пятистержневой трансформатор мощностью 100 тыс. кВ*А, а к 1936 г.— трехфазный групповой трансформатор мощностью 3 x 65= 195 тыс. кВ*А при нормальном дутьевом охлаждении и 3X80=240 тыс. кВ*А при форсированном охлаждении. Для Волжской ГЭС имени В. И. Ленина выполнены трансформаторные группы мощностью 3 X 123500 кВ*А.
В соответствии с развитием линий передачи электроэнергии на большие расстояния в целях использования низкокалорийных сортов топлива и, особенно, водных ресурсов росло рабочее напряжение трансформаторов — с 110 кВ в 1907 г. до 220 кВ в 1921 г., 287,5 кВ в 1937 г., 400 кВ в 1952 г. и 500 кВ в 1969 г. При напряжении 400 кВ передается электроэнергия от Волжской ГЭС имени В. И. Ленина в Москву.
Производство и эксплуатация мощных трансформаторов поставили перед трансформаторостроением ряд важных и трудных проблем, из числа которых мы назовем здесь: а) повышение к. п. д. трансформатора, б) охлаждение трансформатора и в) его защиту от перенапряжений.
Вопрос о к. п. д. силовых трансформаторов имеет весьма важнее эксплуатационное значение, если принять во внимание, что генерируемая на электростанции энергия подвергается трех- и часто четырехкратной трансформации, прежде чем она достигнет приемника. Для повышения к. п. д. трансформатора было необходимо непрерывно совершенствовать метода расчета трансформаторов и улучшать их конструкцию, применять новые материалы улучшенного качества или при заданном качестве материалов использовать их наиболее рациональным образом.
Вопрос об охлаждении трансформаторов допускает различные решения. Первоначально баки трансформаторов малой мощности выполнялись из волнистого железа, а в трансформаторах большой мощности широко применялось внутреннее водяное охлаждение масла. Но такие трансформаторы оказались недостаточно надежными в работе и уступили свое место трансформаторам с баками трубчатого типа для мощностей до 2000 кВ*А и радиаторного типа с естественным охлаждением для мощностей до 7500 кВ*А включительно и трансформаторам с дутьевым охлаждением большей мощности. Примерно до Великой Отечественной войны применялось централизованное дутье от одного или двух общих для трансформатора вентиляторов, но в настоящее время каждый радиатор обдувается отдельно с помощью пристроенных к нему вентиляторов малой мощности (см. ниже рис. 12-20).
Со времени постройки первых линий высокого напряжения исключительный интерес был проявлен к вопросу о защите трансформаторов от перенапряжений. Исследования показали, что некоторые из защитных приспособлений, как, например, усиление изоляции концевых катушек, являются недостаточными, а другие, как, например, защитные реактивные катушки — практически бесполезными. Поэтому еще в середине 10-х годов возникла идея так называемого нерезонирующего, или грозоупорного, трансформатора, в котором напряжение распределяется вдоль обмотки более или менее равномерно независимо от режима работы трансформатора. В 1929 г. был выполнен грозоупорный трансформатор с полной емкостной защитой, а затем в 1937 г. на МТЗ — трансформатор с частичной емкостной защитой. В настоящее время такая защита применяется во всех трансформаторах отечественного производства на 110 кВ и выше.
Наряду с основным типом силового трансформатора был разработан ряд типов этого трансформатора со специальными характеристиками. Уже с середины 20-х годов получили широкое распространение трехобмоточные трансформаторы (см. ниже гл. 23).
С другой стороны, совместная работа мощных энергосистем требует трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой как по величине, так и ио фазе (так называемое продольное и поперечное регулирование). В связи с широким развитием электрометаллургических и электрохимических предприятий были созданы типы мощных печных трансформаторов и трансформаторов для выпрямительных установок, а для сварочных операций (сварка дугой, контактная, стыковая и т. д.) — соответствующие типы сварочных трансформаторов.
Из сказанного следует, что трансформаторостроение достигло весьма высокого уровня развития и способно удовлетворить всем предъявляемым к нему требованиям.
2. Основные определения
Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной — первичной — системы переменного тока в другую — вторичную — той же частоты, имеющую в общем случае другие характеристики, в частности другое напряжение и другой ток.
Как правило, трансформатор состоит из а) сердечника, набранного из листовой трансформаторной стали, и б) двух или нескольких обмоток, связанных между собой электромагнитно, а в автотрансформаторе — также и электрически.
Трансформатор, имеющий две обмотки, называется двухобмоточным, трансформатор с тремя или несколькими обмотками — трехобмоточным или многообмоточным. Соответственно роду тока различают трансформаторы однофазные, трехфазные и многофазные. Под обмоткой многофазного трансформатора понимают совокупность всех фазных обмоток одинакового напряжения, определенным образом соединенных между собой. Та из обмоток трансформатора, к которой подводится энергия переменного тока, называется первичной, другая, от которой энергия отводится, называется вторичной обмоткой. В соответствии с названиями обмоток все величины, относящиеся к первичной обмотке, как, например, мощность, ток, сопротивление и т. д., тоже называются первичными, а относящиеся ко вторичной обмотке — вторичными.
Обмотка, присоединенная к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН); обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения, называется обмоткой низшего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше — повышающим.
Трансформатором с ответвлениями называется трансформатор, обмотки которого имеют специальные ответвления для изменения коэффициента трансформации трансформатора.
Чтобы предотвратить вредное влияние воздуха на изоляцию обмоток и улучшить условия охлаждения трансформатора, его сердечник с находящимися на нем обмотками помещают в бак, заполненный трансформаторным маслом. Такие трансформаторы называются масляными. Трансформаторы, не погружаемые в масло, называются сухими.
