Распределительный трансформатор

Завершающий этап распределения электроэнергии среди пользователей

Однофазный распределительный трансформатор в Канаде

Распределительный трансформатор или служебный трансформатор — это трансформатор , обеспечивающий окончательное преобразование напряжения в системе распределения электроэнергии , понижающий напряжение, используемое в распределительных линиях, до уровня, используемого потребителем. ^[1] Изобретение практичного и эффективного трансформатора сделало возможным распределение электроэнергии переменного тока; система с использованием распределительных трансформаторов была продемонстрирована еще в 1882 году.

Если они установлены на опоре , их называют трансформаторами для установки на опоре . Если распределительные линии расположены на уровне земли или под землей, распределительные трансформаторы монтируются на бетонных опорах и фиксируются в стальных корпусах, которые называются распределительными трансформаторами, монтируемыми на подкладке .

Распределительные трансформаторы обычно имеют номинальную мощность менее 200 кВА , ^[2] хотя некоторые национальные стандарты могут допускать, чтобы устройства мощностью до 5000 кВА назывались распределительными трансформаторами. Поскольку распределительные трансформаторы находятся под напряжением 24 часа в сутки (даже когда они не несут никакой нагрузки), снижение потерь в железе играет важную роль в их конструкции. Поскольку они обычно не работают при полной нагрузке, они рассчитаны на максимальную эффективность при более низких нагрузках. Для повышения эффективности регулирование напряжения в этих трансформаторах должно быть сведено к минимуму. Следовательно, они спроектированы так, чтобы иметь небольшое реактивное сопротивление утечки . ^[3]

Типы

Распределительные трансформаторы подразделяются на различные категории в зависимости от таких факторов, как:

• Место установки – столб, площадка, подземное хранилище.
• Тип изоляции – жидкостная или сухая.
• Количество фаз – однофазное или трехфазное.
• Класс напряжения
• Базовый уровень импульсной изоляции (BIL).

Два трехфазных трансформатора в Венгрии

Использовать

Распределительные трансформаторы обычно располагаются на распределительных пунктах , где провода идут от опоры или подземных линий электропередачи к помещениям потребителя. Их часто используют для электроснабжения объектов за пределами населенных пунктов, например изолированных домов, скотных дворов или насосных станций напряжением ниже 30 кВ. Другое применение — питание воздушных проводов железных дорог , электрифицированных переменным током. В этом случае используются однофазные распределительные трансформаторы. ^[4]

Количество потребителей, питаемых одним распределительным трансформатором, варьируется в зависимости от количества потребителей в регионе. В городских районах несколько домов могут питаться от одного трансформатора. Для распределения электроэнергии в сельской местности может потребоваться один трансформатор на каждого потребителя, в зависимости от напряжения сети. Крупный торговый или промышленный комплекс будет иметь несколько распределительных трансформаторов. В городских районах и жилых кварталах, где первичные распределительные линии проходят под землей, применяют накладные трансформаторы — трансформаторы в запираемых металлических корпусах, установленные на бетонной площадке. Во многих крупных зданиях электроснабжение осуществляется при первичном распределительном напряжении. В подвалах этих зданий установлены трансформаторы, принадлежащие клиентам, для понижения напряжения. ^[4]

Распределительные трансформаторы также встречаются в сетях сбора электроэнергии ветряных электростанций , где они повышают мощность каждой ветряной турбины для подключения к подстанции, которая может находиться на расстоянии нескольких миль (километров). ^[5]

Соединения

Фазный трансформатор в Британии

Первичная линия справа спереди и вторичные линии сзади этого однофазного трансформатора.

Трансформаторы, монтируемые как на столбе, так и на площадке, преобразуют высокое «первичное» напряжение воздушных или подземных распределительных линий в более низкое «вторичное» или «служебное» напряжение внутри здания. Первичные распределительные провода используют трехфазную систему. Главные распределительные линии всегда имеют три «горячих» провода плюс дополнительную нейтраль. В североамериканской системе, где однофазные трансформаторы подключаются только к одному фазному проводу, меньшие «боковые» линии, ответвляющиеся на боковых дорогах, могут включать только один или два «горячих» фазных провода. (Когда имеется только один фазный провод, нейтраль всегда будет использоваться в качестве обратного пути.) Первичные обмотки обеспечивают питание при стандартных распределительных напряжениях, используемых в данной зоне; они варьируются от 2,3 кВ до примерно 35 кВ в зависимости от местной практики и стандартов распределения; часто используются 11 кВ (системы 50 Гц) и 13,8 кВ (системы 60 Гц), но распространены и многие другие напряжения. Например, в США наиболее распространенным напряжением является 12,47 кВ, при этом линейное напряжение составляет 7,2 кВ. ^[6] Его фазное напряжение составляет 7,2 кВ, что ровно в 30 раз превышает напряжение 240 В на вторичной стороне с расщепленной фазой .

Начальный

Первичные обмотки высокого напряжения выведены на втулки в верхней части корпуса.

• Однофазные трансформаторы, обычно используемые в системах Северной Америки, прикрепляются к воздушным распределительным проводам двумя различными типами соединений:
  • Звезда. В распределительной схеме звезда используется трансформатор «звезда» или «фаза-нейтраль». Однофазный трансформатор со звездой обычно имеет только один ввод сверху, подключенный к одной из трех первичных фаз. Другой конец первичной обмотки соединен с корпусом трансформатора, который соединен с нулевым проводом системы «звезда» и также заземлен . Предпочтительна система звездного распределения, поскольку трансформаторы создают на линии несбалансированные нагрузки, которые вызывают токи в нейтральном проводе и затем заземляются. Но в системе распределения «треугольник» несбалансированные нагрузки могут вызвать изменения напряжения на трехфазных проводах.
  • Треугольник. В распределительной схеме треугольника используется трансформатор «треугольник» или «фаза-фаза». Однофазный трансформатор треугольника имеет две втулки, подключенные к двум из трех первичных проводов, поэтому на первичную обмотку подается междуфазное напряжение. Это позволяет избежать возврата первичного тока через нейтраль, которая должна быть надежно заземлена, чтобы ее напряжение было близко к потенциалу земли. Поскольку клиентам также предоставляется нейтраль, это является большим преимуществом в плане безопасности в таких засушливых регионах, как Калифорния, где проводимость почвы низкая. Основным недостатком является более высокая стоимость, например, из-за необходимости как минимум двух изолированных «горячих» фазных проводов даже в ответвленной цепи. Еще одним меньшим недостатком является то, что если только одна из первичных фаз отключена на входе, она останется под напряжением, поскольку трансформаторы пытаются вернуть ток через нее. Это может представлять опасность для линейных рабочих.
• Трансформаторы, обеспечивающие трехфазное вторичное питание, которые используются для бытовых нужд в европейской системе, имеют три первичные обмотки, прикрепленные ко всем трем проводам первичной фазы. Обмотки почти всегда соединены по схеме «звезда», при этом концы трех обмоток соединены и заземлены.

Трансформатор всегда подключен к первичным распределительным линиям через защитные предохранители и разъединители . Для трансформаторов, монтируемых на опоре, это обычно « выключатель с предохранителем ». В случае электрической неисправности плавкий предохранитель плавится, и устройство открывается, что является визуальным признаком неисправности. Его также можно открыть вручную, пока линия находится под напряжением, линейные рабочие используют изолированные горячие палки . В некоторых случаях используются полностью самозащищенные трансформаторы со встроенным автоматическим выключателем , поэтому предохранительный предохранитель не требуется.

Вторичный

«Блок трансформаторов», широко используемый в Северной Америке: три однофазных трансформатора, соединенных в трехфазный трансформатор.

Вторичные обмотки низкого напряжения подключаются к трем или четырем клеммам на стороне трансформатора.

• В жилых домах и на малых предприятиях Северной Америки вторичная обмотка чаще всего представляет собой систему с разделенной фазой на 120/240 В. Вторичная обмотка 240 В имеет отвод от центра, а центральный нейтральный провод заземлен, что делает два концевых проводника «горячими» по отношению к центральному отводу. Эти три провода идут по сервисному отводу к электросчетчику и сервисной панели внутри здания. Подключение нагрузки между горячим проводом и нейтралью дает напряжение 120 В, которое используется для цепей освещения. Соединение между обоими горячими проводами дает напряжение 240 В, которое используется для тяжелых нагрузок, таких как кондиционеры, духовки, сушилки и станции зарядки электромобилей .
• В Европе и странах, использующих эту систему, вторичной обмоткой часто является трехфазная система 400Y/230. Имеется три вторичные обмотки на 230 В, каждая из которых получает питание от первичной обмотки, подключенной к одной из первичных фаз. Один конец каждой вторичной обмотки подключен к «нейтральному» проводу, который заземлен. Другой конец трех вторичных обмоток вместе с нейтралью выведен на сервисную панель. Нагрузки 230 В подключаются между любым из трех фазных проводов и нейтралью. Поскольку фазы расположены под углом 120 градусов друг к другу, напряжение между любыми двумя фазами составляет sqrt(3) * 230 В = 400 В по сравнению с 2 * 120 В = 240 В в североамериканской системе с разделенной фазой. Хотя о трехфазном питании практически не слышно в отдельных домах в Северной Америке, в Европе оно распространено для тяжелых нагрузок, таких как кухонные плиты, кондиционеры и зарядные устройства для электромобилей.

Строительство

Трехфазный распределительный трансформатор с масляным охлаждением, аналогичный показанному на фотографии выше, со снятым корпусом, показана конструкция.

Распределительные подстанции внутри небольшого здания башнеобразной формы распространены в Европе. Рядом с Еленей-Гурой , Польша

Распределительные трансформаторы состоят из магнитного сердечника , изготовленного из пластин листовой кремнистой стали ( трансформаторной стали ), сложенных друг на друга и либо склеенных смолой, либо скрепленных стальными лентами, вокруг которых намотаны первичная и вторичная проволочные обмотки. Эта конструкция сердечника предназначена для уменьшения потерь в сердечнике , рассеивания магнитной энергии в виде тепла в сердечнике, которые являются экономически важной причиной потерь мощности в энергосистемах. Потери в сердечнике вызваны двумя эффектами; гистерезисные потери в стали и вихревые токи . Кремниевая сталь имеет низкие потери на гистерезис , а ламинированная конструкция предотвращает протекание вихревых токов в сердечнике, которые рассеивают мощность на сопротивлении стали. КПД типичных распределительных трансформаторов составляет от 98 до 99 процентов. ^{[7] [8]} Если большое количество трансформаторов изготавливается по стандартной конструкции, изготовление сердечника С-образной формы экономически выгодно. Стальную полосу оборачивают вокруг формирователя, придают ей форму, а затем разрезают на две С-образные половинки, которые снова собирают на медных обмотках. ^[9]

Первичные катушки наматываются из медной или алюминиевой проволоки с эмалированным покрытием , а сильноточные и низковольтные вторичные обмотки наматываются толстой лентой из алюминия или меди. Обмотки изолированы пропитанной смолой бумагой. Вся сборка подвергается сушке для отверждения смолы, а затем погружается в стальной резервуар с порошковым покрытием , который затем заполняется трансформаторным маслом (или другой изолирующей жидкостью), которая является инертной и непроводящей. Трансформаторное масло охлаждает и изолирует обмотки, защищает их от влаги. Во время производства бак временно вакуумируется для удаления остатков влаги, которая может вызвать искрение, и герметизируется от атмосферных воздействий прокладкой вверху. ^{[ нужна цитата ]}

Раньше распределительные трансформаторы для внутреннего использования заполнялись жидким полихлордифенилом (ПХД). Поскольку эти химические вещества сохраняются в окружающей среде и оказывают вредное воздействие на животных, они были запрещены. Другие огнестойкие жидкости, такие как силиконы, используются там, где жидкостный трансформатор необходимо использовать внутри помещения. Некоторые растительные масла применяются в качестве трансформаторного масла; их преимуществом является высокая температура возгорания, и они полностью биоразлагаемы в окружающей среде. ^[10]

Трансформаторы, монтируемые на опоре, часто включают в себя такие аксессуары, как ограничители перенапряжения или защитные плавкие вставки. Трансформатор с самозащитой включает внутренний предохранитель и ограничитель перенапряжения; в других трансформаторах эти компоненты установлены отдельно снаружи бака. ^[11] Трансформаторы, монтируемые на опоре, могут иметь проушины, позволяющие осуществлять непосредственный монтаж на опоре, или могут быть установлены на траверсах, прикрепленных болтами к опоре. Воздушные трансформаторы мощностью более 75 кВА можно устанавливать на платформе, поддерживаемой одной или несколькими опорами. ^[12] В трехфазной сети можно использовать три одинаковых трансформатора, по одному на фазу.

Трансформаторы, предназначенные для установки под землей, могут быть рассчитаны на периодическое погружение в воду. ^[13]

Распределительные трансформаторы могут включать в себя переключатель ответвлений без нагрузки, позволяющий слегка регулировать соотношение между первичным и вторичным напряжением, чтобы привести напряжение потребителя в желаемый диапазон на длинных или сильно нагруженных линиях. ^{[ нужна цитата ]}

Трансформаторы, монтируемые на подставке, имеют надежный запертый, закрепленный болтами и заземленный металлический корпус, предотвращающий несанкционированный доступ к внутренним частям, находящимся под напряжением. В корпусе также могут быть предохранители, разъединители, втулки выключателя нагрузки и другие аксессуары, описанные в технических стандартах. Трансформаторы, монтируемые на подставке, для распределительных систем обычно имеют мощность от 100 до 2000 кВА, хотя также используются и более крупные трансформаторы. ^{[ нужна цитата ]}

Монтаж

В то время как в Америке распределительные трансформаторы часто устанавливаются снаружи на деревянных опорах, в Европе их чаще всего устанавливают в зданиях. Они выглядят как башни, если линии питания проходят над головой. Если все линии, идущие к трансформатору, являются подземными, используются небольшие здания размером с контейнер. Тем не менее, в Европе распределительные трансформаторы, установленные на опорах, используются в сельской местности, причем опоры обычно изготавливаются из бетона или железа, поскольку трансформаторы имеют большой вес.

Смотрите также

• Втулка (электрическая)
• Типы трансформаторов
• Трансформатор тока
• Монитор распределительного трансформатора

Рекомендации

1. Харлоу 2012, с. 3-4.
2. Бакши 2009, с. 1-24.
3. Бакши 2009, с. 1-25.
4. Харлоу 2012, стр. 3-17.
5. Харлоу 2012, с. 3-10.
6. «Введение в системы распределения». Университет штата Айова . Проверено 29 декабря 2023 г.
7. Де Келенаер и др. 2001 г.
8. Кубо, Т.; Сакс, Х.; Надель, С. (2001). Возможности для новых стандартов эффективности приборов и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике . п. 39, рис. 1 . Проверено 21 июня 2009 г.
9. Харлоу 2012, с. 3-3.
10. Харлоу 2012, с. 3-5.
11. Пансини 2005, с. 63.
12. Пансини 2005, с. 61.
13. Харлоу 2012, с. 3-9.

Библиография

• Бакши, ВБУА (2009). Трансформаторы и индукционные машины. Технические публикации. ISBN 9788184313802. Проверено 14 января 2014 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Де Келенаер, Ганс; Чепмен, Дэвид; Фассбиндер, Стефан; Макдермотт, Майк (2001). Возможности энергосбережения в ЕС за счет использования энергоэффективных распределительных трансформаторов электроэнергии (PDF) . 16-я Международная конференция и выставка по распределению электроэнергии (CIRED 2001). Институт техники и технологий. дои :10.1049/cp:20010853 . Проверено 10 июля 2014 г.
• Харлоу, Джеймс Х. (2012). Электрические трансформаторы, третье издание, том 2 . ЦРК Пресс. ISBN 978-1439856291.
• Пансини, Энтони Дж. (2005). Руководство по системам распределения электроэнергии . ISBN Fairmont Press, Inc. 088173506X.