Қуат тарату жүйесіндегі трансформаторлар

Кіріспе

Электр қуатын тұтынушыларға таратудың соңғы кезеңі

Тарату трансформаторы немесе желілік трансформатор – электр қуатын тарату жүйесіндегі соңғы кернеуді түрлендіретін, тарату желілеріндегі кернеуді тұтынушыға қажетті деңгейге дейін төмендететін трансформатор. Практикалық, тиімді трансформатордың ойлап табылуы AC электр қуатын таратуға мүмкіндік берді; тарату трансформаторларын қолданатын жүйе 1882 жылдан бері көрсетіліп келеді. Егер трансформаторлар электр бағанасына орнатылса, олар бағанаға орнатылған трансформаторлар деп аталады. Егер тарату желілері жер бетінде немесе жер астында орналасса, тарату трансформаторлары бетонды платформаларға орнатылып, болат корпусқа бекітіледі, сондықтан олар платформалық тарату трансформаторлары деп аталады. Тарату трансформаторларының қуаты көбінесе 200 кВА-дан төмен болады, бірақ кейбір ұлттық стандарттар 5000 кВА-ға дейінгі құрылғыларды да тарату трансформаторлары деп сипаттауға рұқсат етеді. Тарату трансформаторлары күнінің 24 сағаты бойы (жүктеме болмаған жағдайда да) қоректендіріледі, сондықтан темірдегі шығындарды азайту олардың конструкциясында маңызды рөл атқарады. Олар көбінесе толық қуатпен жұмыс істемейтіндіктен, төмен қуатта максималды тиімділікке жету үшін жасалады. Тиімділікті жақсарту үшін осы трансформаторлардағы кернеуді реттеу ең төмен деңгейде ұсталуы керек. Сондықтан олардың конструкциясында аздап салдану реакциясы қарастырылады.

Қолдану

Тарату трансформаторлары әдетте желіге қосылу нүктесінде орналасады, онда сымдар коммуналдық бағанадан немесе жер асты электр желілерінен тұтынушының үй-жайларына дейін созылады. Олар көбінесе 30 кВ-тан төмен кернеудегі шалғайдағы үйлер, ферма аулалары немесе сорғы станциялары сияқты елді мекендерден тыс орналасқан объектілерді қуатпен жабдықтау үшін қолданылады. Тағы бір қолданылуы – айнымалы токпен электрленген темір жолдардың жоғары сымына қуат беру. Бұл жағдайда бір фазалы тарату трансформаторлары қолданылады. Бір тарату трансформаторымен қуаттандырылатын тұтынушылардың саны аймақтағы тұтынушылар санына байланысты өзгереді. Қалалық аймақтарда бірнеше үй бір трансформатордан қуат ала алады. Ауылдық жерлерде желілік кернеуге байланысты әр тұтынушыға бір трансформатор қажет болуы мүмкін. Ірі коммерциялық немесе өндірістік кешендерде бірнеше тарату трансформаторлары болады. Қалалық аудандарда және негізгі тарату желілері жер астынан өтетін жерлерде бетон негізге орнатылған, құлыпталған металл корпустағы трансформаторлар қолданылады. Көптеген ірі ғимараттарға электр қуаты негізгі тарату кернеуінде беріледі. Мұндай ғимараттардың жертөлесінде тұтынушыға тиесілі трансформаторлар орналасқан, олар кернеуді төмендету үшін пайдаланылады. Тарату трансформаторлары жел электр станцияларының электр энергиясын жинау желілерінде де кездеседі, онда олар әр жел турбинасынан бірнеше шақырым (километр) қашықтықтағы қосалқы станцияға қосылу үшін қуатты арттырады.

Байланыстар

Полюске орнатылған және тақтаға орнатылған трансформаторлар әуедегі немесе жер астындағы тарату желілерінің жоғары "біріншілік" кернеуін ғимарат ішіндегі төменгі "екіншілік" немесе "тұтыну" кернеуіне түрлендіреді. Негізгі тарату сымдары үш фазалы жүйені пайдаланады. Негізгі тарату желілерінде әрқашан үш "фазалық" сым және қосымша бейтарап сым болады. Солтүстік Америка жүйесінде, егер бір фазалы трансформаторлар тек бір фазалық сымға қосылса, шағын "қосымша" желілер, бүйірлік жолдардан тармақталатын, тек бір немесе екі "фазалық" сымды қамтуы мүмкін. (Егер тек бір фазалық сым болса, кері оралу жолы ретінде әрқашан бейтарап сым беріледі.) Біріншілік тарату желілері аймақта қолданылатын стандартты тарату кернеуінде қуатты қамтамасыз етеді; олар жергілікті тарату тәжірибесі мен стандарттарына байланысты 2,3 кВ-тан 35 кВ-қа дейін өзгереді; көбінесе 11 кВ (50 Гц жүйелерде) және 13,8 кВ (60 Гц жүйелерде) қолданылады, бірақ көптеген басқа кернеулер де жиі кездеседі. Мысалы, АҚШ-та ең көп таралған кернеу 12,47 кВ, оның сымнан жерге дейінгі кернеуі 7,2 кВ. Бұл 7,2 кВ фазалық-бейтарап кернеуін құрайды, бұл бөлінген фазалық екінші жақтағы 240 В кернеуінен 30 есе жоғары.

Екіншілік

Төмен кернеудегі қосалқы орамдар трансформатордың жағындағы үш немесе төрт терминалға бекітіледі. Солтүстік Америкадағы тұрғын үйлер мен шағын кәсіпорындарда екіншілік көбінесе 120/240 вольтты жүйе болып табылады. 240 В қосалқы орау ортасынан бөлініп, орталық нейтраль сымы жерге қосылады, бұл екі шеттік өткізгішті орталық нүктеге қатысты "фазалы" етеді. Бұл үш сым ғимараттың ішіндегі электр есептегіш пен қызмет көрсету панеліне дейін жетеді. Кез келген фазалы сым мен нейтральдің арасына жүктеме қосу 120 вольтты береді, ол жарықтандыру тізбектерінде қолданылады. Екі фазалы сымды қосу 240 вольтты береді, ол кондиционерлер, пештер, кептіргіштер және электр көліктерін зарядтау станциялары сияқты ауыр жүктерге қолданылады. Еуропа мен оның жүйесін пайдаланатын елдерде екіншілік көбінесе үш фазалы 400Y/230 жүйесі болып табылады. Үш 230 В қосалқы орам бар, олардың әрқайсысы негізгі фазалардың біріне қосылған негізгі орамнан қуат алады. Әрбір қосалқы орамның бір ұшы "нейтральді" сымға қосылады, ол жерленген. 3 қосалқы орамның екінші ұшы, нейтраль сымымен бірге, қызмет көрсету панеліне дейін жетеді. 230 В жүктемелер үш фазалық сымдардың кез келгені мен нейтральдің арасына қосылады. Фазалар бір-біріне қатысты 120 градусқа тең болғандықтан, кез келген екі фаза арасындағы кернеу sqrt(3) * 230V = 400V құрайды, бұл Солтүстік Американың бөлінген фазалық жүйесіндегі 2 * 120V = 240V кернеуімен салыстырылады. Үш фазалы қуат Солтүстік Америкадағы жеке тұрғын үйлерде кездеспесе де, Еуропада ас үй плиталары, кондиционерлер және электр көліктерін зарядтау құрылғылары сияқты ауыр жүктер үшін кең таралған.

Құрылыс

Тарату трансформаторлары пластиналы кремний болаттан (трансформатор болатынан) жасалған магниттік өзектен тұрады, олар бір-біріне шайырмен желімделіп немесе болат белдеулермен бірге жабысып, олардың айналасына негізгі және қосымша сым орамалары оралған. Бұл өзектің құрылымы өзектік шығындарды – өзектің ішіндегі магниттік энергияның жылуға айналуын – азайтуға арналған, бұл энергия желілеріндегі қуат жоғалтудың экономикалық тұрғыдан маңызды себебі болып табылады. Өзектік шығындар екі факторға байланысты: болаттағы гистерезис шығыны және едіс тоқтары. Кремний болатының гистерезис шығыны төмен, ал пластиналы құрылым өзектің ішінде едіс тоқтарының пайда болуын болдырмайды, олар болаттың кедергісінде қуатты ысырапқа салады. Типикалық тарату трансформаторларының тиімділігі шамамен 98-99 пайызды құрайды. Егер көптеген трансформаторлар стандартты жобалар бойынша жасалса, бұрамалы С пішіндес өзектің өндірілуі экономикалық жағынан тиімді. Болат жолақ бұрынғыға оралады, пішінделді, содан кейін екі С пішіндес жартыға бөлінеді, олар мыс орамаларға қайта жиналады. Негізгі орамдар эмальмен қапталған мыс немесе алюминий сымнан оралады, ал жоғары ток, төмен кернеулі екінші орамдар алюминий немесе мыстан жасалған қалың лентадан оралады. Орамдар шайырмен сіңген қағазбен оқшауланады. Барлық жиынтық шайырды бекіту үшін қыздырылады, содан кейін ұнтақпен қапталған болаттан жасалған резервуарға батырылады, содан кейін инертті және өткізбейтін трансформатор майымен (немесе басқа оқшаулағыш сұйықтықпен) толтырылады. Трансформатор майы орамдарды салқындатады және оқшаулайды, сондай-ақ ылғалдан қорғайды. Резервуар өндіріс кезінде аркаға себеп болуы мүмкін қалған ылғалды кетіру үшін уақытша босатылады және жоғары жағында тығыздағышпен ауа райынан қорғалады. Бұрын үй ішінде пайдаланылатын тарату трансформаторлары полихлорирленген бифенил (ПХБ) сұйықтығымен толтырылатын. Аталған химиялық заттар қоршаған ортада ұзақ сақталып, жануарларға зиян келтіретіндіктен, оларға тыйым салынды. Сұйықтықпен толтырылған трансформаторды үй ішінде пайдалану қажет болған жағдайда силикон сияқты басқа отқа төзімді сұйықтықтар қолданылады. Трансформатор майы ретінде кейбір өсімдік майлары қолданылады, олардың жоғары тұтану температурасы бар және қоршаған ортада толығымен ыдырайды. Бағанаға орнатылған трансформаторларға көбінесе кернеуді шектегіштер немесе қорғаныш сақтандырғыштары сияқты қосымша құралдар кіреді. Өзін-өзі қорғайтын трансформаторда ішкі сақтандырғыш пен кернеуді шектегіш болады, ал басқа трансформаторларда бұл компоненттер резервуардан тыс бөлек орнатылады. Бағанаға орнатылған трансформаторларда бағанаға тікелей бекітуге мүмкіндік беретін құлақтар немесе бағанаға бұралған арқандарға орнатуға мүмкіндік беретін құрылғылар болуы мүмкін. 75 кВА-тан жоғары қуатты ауа трансформаторлары бір немесе бірнеше бағаналармен тірелетін платформаға орнатылуы мүмкін. Үш фазалық желі үш бірдей трансформаторды, әр фазаға біреуден пайдалана алады. Жер астына орнатуға арналған трансформаторлар суға мерзімді түрде батыруға төтеп бере алады. Тарату трансформаторларына негізгі және қосымша кернеу арасындағы қатынасты сәл реттеуге мүмкіндік беретін, жүктемесіз ауыстырғыш кіре алады, бұл ұзақ немесе қатты жүктемелі желілерде тұтынушының кернеуін қажетті диапазонға келтіруге мүмкіндік береді. Тақтаға орнатылған трансформаторларда ішкі бөлшектерге рұқсатсыз кіруді болдырмау үшін бекітілген, құлыпталған және жерленген металл қаптамалар болады. Қаптамаға сондай-ақ техникалық стандарттарда сипатталғандай, сақтандырғыштар, оқшаулағыш ажыратқыштар, жүктеме үзілісіне арналған муфталар және басқа да керек-жарақтар кіруі мүмкін. Тарату жүйелері үшін тақтаға орнатылған трансформаторлар әдетте 100-ден 2000 кВА-ға дейін, бірақ кейбір үлкен бірліктер де қолданылады.

Distribution transformers consist of a magnetic core made from laminations of sheet silicon steel (transformer steel) stacked and either glued together with resin or banded together with steel straps, with the primary and secondary wire windings wrapped around them. This core construction is designed to reduce core losses, dissipation of magnetic energy as heat in the core, which are an economically important cause of power loss in utility grids. Core losses are caused by two effects; hysteresis loss in the steel, and eddy currents. Silicon steel has low hysteresis loss, and the laminated construction prevents eddy currents from flowing in the core, which dissipate power in the resistance of the steel. Efficiency of typical distribution transformers is between about 98 and 99 percent. Where large numbers of transformers are made to standard designs, a wound C shaped core is economic to manufacture. A steel strip is wrapped around a former, pressed into shape and then cut into two C shaped halves, which are re assembled on the copper windings. The primary coils are wound from enamel coated copper or aluminum wire and the high current, low voltage secondaries are wound using a thick ribbon of aluminum or copper. The windings are insulated with resin impregnated paper. The entire assembly is baked to cure the resin and then submerged in a powder coated steel tank which is then filled with transformer oil (or other insulating liquid), which is inert and non conductive. The transformer oil cools and insulates the windings, and protects them from moisture. The tank is temporarily evacuated during manufacture to remove any remaining moisture that would cause arcing and is sealed against the weather with a gasket at the top. Formerly, distribution transformers for indoor use would be filled with a polychlorinated biphenyl (PCB) liquid. Because these chemicals persist in the environment and have adverse effects on animals, they have been banned. Other fire resistant liquids such as silicones are used where a liquid filled transformer must be used indoors. Certain vegetable oils have been applied as transformer oil; these have the advantage of a high fire point and are completely biodegradable in the environment. Pole mounted transformers often include accessories such as surge arresters or protective fuse links. A self protected transformer includes an internal fuse and surge arrester; other transformers have these components mounted separately outside the tank. Pole mounted transformers may have lugs allowing direct mounting to a pole, or may be mounted on crossarms bolted to the pole. Aerial transformers, larger than around 75 kVA, may be mounted on a platform supported by one or more poles. A three phase service may use three identical transformers, one per phase. Transformers designed for below grade installation can be designed for periodic submersion in water. Distribution transformers may include an off load tap changer to allow slight adjustment of the ratio between primary and secondary voltage, to bring the customer's voltage within the desired range on long or heavily loaded lines. Pad mounted transformers have secure locked, bolted' and grounded metal enclosures to discourage unauthorized access to live internal parts. The enclosure may also include fuses, isolating switches, load break bushings, and other accessories as described in technical standards. Pad mounted transformers for distribution systems typically range from around 100 to 2000 kVA, although some larger units are also used.

Орналастыру

Құрама Штаттарда тарату трансформаторлары көбінесе ағаш бағаналарға орнатылады. Еуропада оларды ғимараттардың ішіне орналастыру жиі кездеседі. Егер электр беру желілері ауа арқылы жүргізілсе, олар мұнара сияқты көрінеді. Трансформаторға барлық желілер жер астынан келсе, кішкентай ғимараттар қолданылады. Ауылдық аймақтарда кейде трансформаторлар бағаналарға орнатылады, мұндай бағаналар трансформатордың ауырлығына байланысты көбінесе бетон немесе темірден жасалады.