Трансформаторы распределительные: заключительная ступень электроснабжения.

Введение

Конечный этап распределения электроэнергии потребителям

Распределительный трансформатор, или трансформатор обслуживания, – это трансформатор, обеспечивающий окончательное преобразование напряжения в системе распределения электроэнергии, понижая напряжение в распределительных линиях до уровня, необходимого потребителю. Изобретение практичного и эффективного трансформатора сделало возможным распределение электроэнергии переменного тока; система с использованием распределительных трансформаторов была продемонстрирована еще в 1882 году. Если трансформатор установлен на опоре линии электропередачи, он называется столбовым трансформатором. Если распределительные линии проложены на уровне земли или под землей, распределительные трансформаторы устанавливаются на бетонные площадки и помещаются в стальные шкафы, поэтому они известны как трансформаторы распределительного устройства на бетонной площадке. Распределительные трансформаторы обычно имеют мощность менее 200 кВА, хотя некоторые национальные стандарты допускают отнесение к распределительным трансформаторов устройств мощностью до 5000 кВА. Поскольку распределительные трансформаторы находятся под напряжением круглосуточно (даже при отсутствии нагрузки), снижение потерь в стали играет важную роль в их конструкции. Так как они обычно не работают на полную мощность, они разрабатываются для достижения максимальной эффективности при меньших нагрузках. Для повышения эффективности необходимо минимизировать регулирование напряжения в этих трансформаторах. Поэтому они проектируются с минимальным реактивным сопротивлением рассеяния.

Использование

Распределительные трансформаторы обычно располагаются в точке подключения к потребителю, где провода идут от столба линии электропередач или подземных кабелей к зданию потребителя. Они часто используются для электроснабжения объектов вне населенных пунктов, таких как отдельные дома, фермерские хозяйства или насосные станции, при напряжениях ниже 30 кВ. Другим применением является питание контактной сети железных дорог, электрифицированных переменным током. В этом случае используются однофазные распределительные трансформаторы. Количество потребителей, запитываемых от одного распределительного трансформатора, зависит от плотности потребителей в данной местности. В городских районах от одного трансформатора может питаться несколько домов. Для сельской электросети может потребоваться один трансформатор на каждого потребителя, в зависимости от напряжения сети. Крупные коммерческие или промышленные объекты обычно имеют несколько распределительных трансформаторов. В городских районах и жилых массивах, где основные распределительные линии проложены под землей, используются трансформаторы типа "padmount" – трансформаторы в закрытых металлических шкафах, установленных на бетонной площадке. Многие крупные здания получают электроснабжение на первичном распределительном напряжении, и в этом случае имеют собственные понижающие трансформаторы в подвале. Распределительные трансформаторы также используются в системах сбора энергии ветроэлектростанций, где они повышают напряжение от каждой ветряной турбины для подключения к подстанции, которая может находиться на расстоянии нескольких миль (километров).

Связи

Как трансформаторы, установленные на столбах, так и трансформаторы, установленные на платформах, преобразуют высокое "первичное" напряжение воздушных или подземных распределительных линий в более низкое "вторичное" или "нагрузочное" напряжение внутри здания. В первичных распределительных проводах используется трехфазная система. Основные распределительные линии всегда имеют три "фазных" провода плюс опциональный нейтральный провод. В североамериканской системе, где однофазные трансформаторы подключаются только к одному фазному проводу, более мелкие "ответвительные" линии, отходящие от второстепенных дорог, могут включать только один или два "фазных" провода. (Когда присутствует только один фазный провод, нейтральный провод всегда предоставляется в качестве обратного пути.) Первичные линии обеспечивают питание при стандартных распределительных напряжениях, используемых в данной местности; эти напряжения варьируются от 2,3 кВ до примерно 35 кВ в зависимости от местных правил и стандартов распределения; часто используются 11 кВ (системы 50 Гц) и 13,8 кВ (системы 60 Гц), но широко распространены и другие напряжения. Например, в Соединенных Штатах наиболее распространенным напряжением является 12,47 кВ, при котором напряжение от линии до земли составляет 7,2 кВ. Это соответствует фазному напряжению 7,2 кВ, что в 30 раз превышает 240 В на вторичной стороне с разделенной фазой.

Вторичный

Вторичные обмотки низкого напряжения подключаются к трем или четырем выводам на стороне трансформатора. В жилых домах и малых предприятиях Северной Америки вторичной чаще всего является система раздельной фазы 120/240 вольт. Вторичная обмотка 240 В имеет средний отвод, а центральный нейтральный провод заземлен, что делает два крайних проводника фазными относительно среднего отвода. Эти три провода проходят по вводному кабелю к электрическому счетчику и распределительному щиту внутри здания. Подключение нагрузки между любым фазным проводом и нейтралью дает 120 вольт, что используется для осветительных цепей. Подключение между двумя фазными проводами дает 240 вольт, что используется для мощных потребителей, таких как кондиционеры, духовки, сушилки и зарядные станции для электромобилей. В Европе и странах, использующих аналогичную систему, вторичной часто является трехфазная система 400Y/230. Существует три вторичные обмотки 230 В, каждая из которых получает питание от первичной обмотки, подключенной к одной из первичных фаз. Один конец каждой вторичной обмотки соединен с нейтральным проводом, который заземлен. Другие концы трех вторичных обмоток, вместе с нейтралью, подводятся по вводному кабелю к распределительному щиту. Нагрузки 230 В подключаются между любым из трех фазных проводов и нейтралью. Поскольку фазы сдвинуты на 120 градусов друг относительно друга, напряжение между любыми двумя фазами равно sqrt(3) * 230 В = 400 В, по сравнению с 2 * 120 В = 240 В в североамериканской системе с разделенной фазой. В то время как трехфазное питание практически не используется в отдельных жилых домах Северной Америки, оно широко распространено в Европе для мощных потребителей, таких как кухонные плиты, кондиционеры и зарядные устройства для электромобилей.

Строительство

Распределительные трансформаторы состоят из магнитного сердечника, изготовленного из слоев кремниевой стали (трансформаторная сталь), уложенных и склеенных смолой или связанных стальными полосами, вокруг которого обмотаны первичные и вторичные проводники. Эта конструкция сердечника предназначена для снижения потерь в сердечнике – рассеивания магнитной энергии в виде тепла – что является экономически значимой причиной потерь мощности в энергосетях. Потери в сердечнике обусловлены двумя эффектами: потерями на гистерезис в стали и вихревыми токами. Кремниевая сталь характеризуется низкими потерями на гистерезис, а слоистая конструкция предотвращает образование вихревых токов в сердечнике, которые рассеивают энергию в сопротивлении стали. Эффективность типичных распределительных трансформаторов составляет от 98 до 99 процентов. При массовом производстве трансформаторов по стандартным конструкциям экономически целесообразно изготавливать сердечник в форме буквы "С". Стальная полоса наматывается на оправку, прессуется в форму, а затем разрезается на две половинки в форме буквы "С", которые затем собираются на медных обмотках. Первичные обмотки изготавливаются из медной или алюминиевой проволоки, покрытой эмалью, а вторичные обмотки, рассчитанные на большой ток и низкое напряжение, изготавливаются из толстой ленты алюминия или меди. Обмотки изолируются бумагой, пропитанной смолой. Вся сборка подвергается термообработке для полимеризации смолы, а затем погружается в стальной бак с порошковым покрытием, который заполняется трансформаторным маслом (или другой изоляционной жидкостью), являющимся инертным и непроводящим. Трансформаторное масло охлаждает и изолирует обмотки, а также защищает их от влаги. В процессе производства бак временно откачивается для удаления остаточной влаги, которая может вызвать пробой, и герметично закрывается прокладкой сверху. Ранее для трансформаторов, предназначенных для внутреннего использования, применялась полихлорированная бифенильная жидкость (ПХБ). В связи с устойчивостью этих химических веществ в окружающей среде и их негативным воздействием на животных, их использование запрещено. В тех случаях, когда требуется жидкостной трансформатор для внутреннего применения, используются другие огнестойкие жидкости, такие как силиконы. В качестве трансформаторного масла также применяются некоторые растительные масла, обладающие преимуществом высокой температуры воспламенения и полной биоразлагаемости. Станционные трансформаторы часто оснащаются дополнительными устройствами, такими как ограничители перенапряжения или предохранительные плавкие вставки. Самозащищенный трансформатор включает в себя внутренний предохранитель и ограничитель перенапряжения, в то время как в других трансформаторах эти компоненты устанавливаются отдельно за пределами бака. Станционные трансформаторы могут иметь монтажные скобы для непосредственного крепления к столбу или устанавливаться на поперечные рычаги, прикрепленные к столбу. Воздушные трансформаторы мощностью более 75 кВА могут быть установлены на платформе, поддерживаемой одним или несколькими столбами. Для трехфазного обслуживания может использоваться три идентичных трансформатора, по одному на каждую фазу. Трансформаторы, предназначенные для подземной установки, могут быть спроектированы для периодического погружения в воду. Распределительные трансформаторы могут включать в себя переключатель ответвлений без обесточивания, позволяющий незначительно регулировать коэффициент преобразования между первичным и вторичным напряжением для поддержания напряжения потребителя в заданном диапазоне на длинных или сильно нагруженных линиях. Трансформаторы в кожухе имеют надежные, запертые, привинченные и заземленные металлические корпуса для предотвращения несанкционированного доступа к находящимся под напряжением внутренним частям. Корпус также может включать в себя предохранители, разъединители, вводы с разрывом нагрузки и другие аксессуары, описанные в технических стандартах. Трансформаторы в кожухе для распределительных систем обычно имеют мощность от 100 до 2000 кВА, хотя также используются и более крупные модели.

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.

Размещение

В Соединенных Штатах распределительные трансформаторы часто устанавливаются на открытом воздухе на деревянных столбах. В Европе их чаще всего размещают в зданиях. Если линии электропередачи надземные, установки выглядят как вышки. Если все линии, идущие к трансформатору, подземные, используются небольшие строения. В сельской местности иногда распределительные трансформаторы монтируют на столбы, которые обычно изготавливаются из бетона или железа из-за большого веса трансформатора.