Распределительный трансформатор
Заключительный этап распределения электроэнергии среди потребителей
Однофазный распределительный трансформатор в Канаде

Распределительный трансформатор или служебный трансформатор обеспечивает окончательное преобразование напряжения в системе распределения электроэнергии , понижая напряжение, используемое в распределительных линиях, до уровня, используемого потребителем. [1] Изобретение практичного, эффективного трансформатора сделало возможным распределение электроэнергии переменного тока ; система, использующая распределительные трансформаторы, была продемонстрирована еще в 1882 году. [2]

Если они установлены на опоре , их называют трансформаторами, монтируемыми на столбе . Предположим, что распределительные линии расположены на уровне земли или под землей. В этом случае распределительные трансформаторы устанавливаются на бетонных площадках и запираются в стальных корпусах, поэтому их называют трансформаторами, монтируемыми на опорах распределения .

Распределительные трансформаторы обычно имеют номинальные значения менее 200 кВА , [3] хотя некоторые национальные стандарты позволяют описывать блоки до 5000 кВА как распределительные трансформаторы. Поскольку распределительные трансформаторы находятся под напряжением 24 часа в сутки (даже когда они не несут никакой нагрузки), снижение потерь в железе имеет жизненно важное значение в их конструкции. Обычно они не работают при полной нагрузке, поэтому они спроектированы так, чтобы иметь максимальную эффективность при более низких нагрузках. Для достижения лучшей эффективности регулирование напряжения в этих трансформаторах должно быть сведено к минимуму. Следовательно, они спроектированы так, чтобы иметь малое реактивное сопротивление утечки . [4]

Типы

Распределительные трансформаторы классифицируются по различным категориям на основе таких факторов, как:

  • Место монтажа – 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 в точке обслуживания , где провода идут от опоры или подземных линий электропередач к помещениям потребителя. Они часто используются для электроснабжения объектов за пределами населенных пунктов, таких как изолированные дома, фермерские дворы или насосные станции при напряжении ниже 30 кВ. Другое применение — электроснабжение контактного провода железных дорог , электрифицированных переменным током. В этом случае используются однофазные распределительные трансформаторы. [5]

Количество потребителей, питаемых одним распределительным трансформатором, варьируется в зависимости от количества потребителей в районе. Несколько домов могут питаться от одного трансформатора в городских районах; в зависимости от напряжения сети, для распределения в сельской местности может потребоваться один трансформатор на потребителя. Крупный коммерческий или промышленный комплекс будет иметь несколько распределительных трансформаторов. В городских районах и кварталах, где основные распределительные линии проходят под землей, на бетонной площадке монтируются трансформаторы на площадках и запертые металлические корпуса. Во многих крупных зданиях электроснабжение осуществляется при первичном распределительном напряжении. В подвалах этих зданий имеются трансформаторы, принадлежащие потребителям, для понижающих целей. [5]

Распределительные трансформаторы также используются в сетях сбора электроэнергии ветряных электростанций , где они повышают мощность от каждой ветряной турбины для подключения к подстанции, которая может находиться на расстоянии нескольких миль (километров). [6]

Связи

Межфазный трансформатор в Великобритании
Первичная линия справа по направлению к передней части и вторичные линии сзади этого однофазного трансформатора.

Трансформаторы, устанавливаемые как на столбах, так и на площадках, преобразуют высокое «первичное» напряжение воздушных или подземных распределительных линий в более низкое «вторичное» или «использующее» напряжение внутри здания. Первичные распределительные провода используют трехфазную систему. Главные распределительные линии всегда имеют три «горячих» провода плюс опциональную нейтраль. В североамериканской системе, где однофазные трансформаторы подключаются только к одному фазному проводу, меньшие «боковые» линии, ответвляющиеся на боковые дороги, могут включать только один или два «горячих» фазных провода. (Когда существует только один фазный провод, нейтраль всегда будет предоставлена ​​в качестве обратного пути.) Первичные обмотки обеспечивают питание при стандартных распределительных напряжениях, используемых в этом районе; 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 стандартными являются многие другие напряжения. Например, в Соединенных Штатах наиболее распространенным напряжением является 12,47 кВ, при этом напряжение между линией и землей составляет 7,2 кВ. [7] Оно имеет фазное напряжение 7,2 кВ, что ровно в 30 раз больше 240 В на вторичной стороне с расщепленной фазой .

Начальный

Высоковольтные первичные обмотки выведены на втулки в верхней части корпуса.

  • Однофазные трансформаторы, обычно используемые в североамериканской системе, присоединяются к воздушным распределительным проводам с помощью двух различных типов соединений:
    • Звезда – Трансформатор «звезда» или «фаза-нейтраль» используется в распределительной схеме «звезда». Однофазный трансформатор «звезда» обычно имеет только один ввод сверху, подключенный к одной из трех первичных фаз. Другой конец первичной обмотки подключен к корпусу трансформатора, который подключен к нейтральному проводу системы «звезда» и также заземлен . Система распределения «звезда» предпочтительнее, поскольку трансформаторы представляют несбалансированные нагрузки на линии, которые вызывают токи в нейтральном проводе и затем заземляются. Однако в системе распределения «дельта» несбалансированные нагрузки могут вызывать изменения напряжений на 3-фазных проводах.
    • Дельта – трансформатор «дельта» или «фаза-фаза» используется в схеме распределения по схеме «дельта». Однофазный трансформатор «дельта» имеет два ввода, подключенных к двум из трех первичных проводов, поэтому первичная обмотка видит напряжение «фаза-фаза»; это позволяет избежать возврата первичного тока через нейтраль, которая должна быть надежно заземлена, чтобы ее напряжение было близко к потенциалу земли. Поскольку нейтраль также предоставляется потребителям, это является существенным преимуществом безопасности в сухой местности, такой как Калифорния, где проводимость почвы низкая. Основным недостатком является более высокая стоимость, например, необходимость как минимум двух изолированных «горячих» фазных проводов даже в ответвлении цепи. Еще одним незначительным недостатком является то, что если только одна из первичных фаз отключена выше по потоку, она останется под напряжением, поскольку трансформаторы попытаются вернуть ток. Это может быть опасно для рабочих линии.
  • Трансформаторы, обеспечивающие трехфазное вторичное питание, используемые для бытового обслуживания в европейской системе, имеют три первичные обмотки, присоединенные ко всем трем первичным фазным проводам. Обмотки почти всегда соединены в конфигурации «звезда», с соединенными и заземленными концами.

Трансформатор всегда подключен к первичным распределительным линиям через защитные предохранители и разъединители . Для трансформаторов, монтируемых на столбах, это обычно « предохранитель ». Электрическая неисправность расплавляет предохранитель, и устройство открывается, давая визуальную индикацию неисправности. Линейщики также могут вручную открыть его, когда линия находится под напряжением, с помощью изолированных горячих стержней . В некоторых случаях используются полностью самозащищенные трансформаторы, которые имеют встроенный автоматический выключатель, поэтому предохранитель не нужен.

Вторичный

«Трансформаторная батарея», широко используемая в Северной Америке: три однофазных трансформатора, соединенные для создания трехфазного трансформатора.

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

  • В североамериканских жилых домах и малых предприятиях вторичная обмотка часто представляет собой систему с разделенной фазой 120/240 вольт. Вторичная обмотка 240 В имеет центральный отвод, а центральный нейтральный провод заземлен, что делает два конечных проводника «горячими» относительно центрального отвода. Эти три провода спускаются по сервисному отводу к электросчетчику здания и сервисной панели . Подключение нагрузки между горячим проводом и нейтралью дает 120 вольт, которые используются для цепей освещения. Подключение обоих горячих проводов дает 240 вольт для тяжелых нагрузок, таких как кондиционеры, духовки, сушилки и зарядные станции для электромобилей .
  • В Европе и других странах, использующих эту систему, вторичная обмотка часто представляет собой трехфазную систему 400Y/230. Имеется три вторичные обмотки 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 и нейтраль подведены к сервисному щитку. Нагрузки 230 В подключаются между любым из трехфазных проводов и нейтралью. Поскольку фазы находятся под углом 120 градусов друг к другу, напряжение между любыми двумя фазами равно sqrt(3) * 230 В = 400 В, по сравнению с 2 * 120 В = 240 В в североамериканской системе с разделенными фазами. В то время как трехфазное питание практически не встречается в отдельных североамериканских домах, 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 представленному на фотографии выше, без корпуса, демонстрирующий конструкцию.

Распределительные трансформаторы состоят из магнитного сердечника , изготовленного из пластин листовой кремнистой стали ( трансформаторной стали ), сложенных и либо склеенных вместе смолой, либо скрепленных вместе стальными лентами, с первичной и вторичной обмотками провода, обернутыми вокруг них. Эта конструкция сердечника предназначена для уменьшения потерь сердечника и рассеивания магнитной энергии в виде тепла в сердечнике, экономически важной причины потери мощности в коммунальных сетях. Два эффекта вызывают потери сердечника: гистерезисные потери в стали и вихревые токи . Кремниевая сталь имеет низкие гистерезисные потери , а слоистая конструкция предотвращает протекание вихревых токов в сердечнике, что рассеивает мощность в сопротивлении стали. КПД типичных распределительных трансформаторов составляет около 98-99 процентов. [8] [9] В тех случаях, когда большое количество трансформаторов изготавливается по стандартным конструкциям, намотанный С-образный сердечник экономически выгоден в производстве. Стальная полоса оборачивается вокруг формы, прессуется в форму, а затем разрезается на две С-образные половины, повторно собранные на медных обмотках. [10]

Первичные катушки намотаны из покрытой эмалью медной или алюминиевой проволоки, а сильноточные, низковольтные вторичные обмотки намотаны с использованием толстой ленты из алюминия или меди. Обмотки изолированы пропитанной смолой бумагой. Вся сборка запекается для отверждения смолы, а затем погружается в стальной бак с порошковым покрытием , который затем заполняется трансформаторным маслом (или другой изолирующей жидкостью), которое является инертным и непроводящим. Трансформаторное масло охлаждает и изолирует обмотки и защищает их от влаги. Бак временно вакуумируется во время производства, чтобы удалить любую оставшуюся влагу, которая может вызвать искрение, и герметизируется от непогоды прокладкой в ​​верхней части. [ необходима цитата ]

Раньше распределительные трансформаторы для использования в помещении заполнялись полихлорированным бифенилом (ПХБ). Поскольку эти химикаты сохраняются в окружающей среде и оказывают отрицательное воздействие на животных, они были запрещены. Другие огнестойкие жидкости, такие как силиконы, используются там, где заполненный жидкостью трансформатор должен использоваться в помещении. Некоторые растительные масла применялись в качестве трансформаторного масла; они имеют преимущество высокой температуры возгорания и полностью биоразлагаемы в окружающей среде. [11]

Трансформаторы, устанавливаемые на столбах, часто включают в себя такие аксессуары, как ограничители перенапряжения или защитные плавкие вставки. Трансформатор с собственной защитой состоит из внутреннего предохранителя и ограничителя перенапряжения; у других трансформаторов эти компоненты устанавливаются отдельно снаружи бака. [12] Трансформаторы, устанавливаемые на столбах, могут иметь проушины, позволяющие осуществлять прямой монтаж на столбе, или могут быть установлены на траверсах, прикрученных к столбу. Воздушные трансформаторы, мощность которых превышает 75 кВА, могут быть установлены на платформе, поддерживаемой одним или несколькими столбами. [13] Трехфазная система может использовать три одинаковых трансформатора, по одному на фазу.

Трансформаторы, предназначенные для установки под землей, могут быть рассчитаны на периодическое погружение в воду. [14]

Распределительные трансформаторы могут включать в себя переключатель ответвлений без нагрузки, который немного регулирует соотношение между первичным и вторичным напряжением, чтобы привести напряжение потребителя в желаемый диапазон на длинных или сильно загруженных линиях. [ необходима цитата ]

Трансформаторы, устанавливаемые на подложке, имеют надежные запертые, завинченные и заземленные металлические корпуса, чтобы воспрепятствовать несанкционированному доступу к внутренним частям под напряжением. Корпус может также включать предохранители, изолирующие выключатели, вводы выключателя нагрузки и другие принадлежности, описанные в технических стандартах. Трансформаторы, устанавливаемые на подложке, для распределительных систем обычно имеют мощность от 100 до 2000 кВА, хотя также используются некоторые более крупные блоки. [ необходима цитата ]

Размещение

Распределительные подстанции внутри небольшого здания, похожего на башню, распространены в Европе. Рядом с Еленей-Гурой , Польша

В Соединенных Штатах распределительные трансформаторы часто устанавливаются на открытом воздухе на деревянных столбах.

В Европе их чаще всего размещают в зданиях. Если линии питания находятся над головой, они выглядят как башни. Если все линии, идущие к трансформатору, находятся под землей, используются небольшие здания. В сельской местности иногда распределительные трансформаторы устанавливают на столбах, а столб обычно изготавливают из бетона или железа из-за веса трансформатора.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Харлоу 2012, стр. 3-4.
  2. ^ "Lightcast". Lightcast . Получено 2024-09-11 .
  3. ^ Бакши 2009, стр. 1-24.
  4. ^ Бакши 2009, стр. 1-25.
  5. ^ ab Harlow 2012, стр. 3-17.
  6. ^ Харлоу 2012, стр. 3-10.
  7. ^ "Введение в системы распределения". Университет штата Айова . Получено 29 декабря 2023 г.
  8. ^ Де Кеуленаер и др. 2001
  9. ^ Кубо, Т.; Сакс, Х.; Надель, С. (2001). Возможности для новых стандартов эффективности приборов и оборудования. Американский совет по энергоэффективной экономике . стр. 39, рис. 1. Получено 21 июня 2009 г.
  10. ^ Харлоу 2012, стр. 3-3.
  11. ^ Харлоу 2012, стр. 3-5.
  12. ^ Пансини 2005, стр. 63.
  13. ^ Пансини 2005, стр. 61.
  14. ^ Харлоу 2012, стр. 3-9.

Библиография

  • Бакши, ВБУА (2009). Трансформаторы и индукционные машины. Технические публикации. ISBN 9788184313802. Получено 14.01.2014 .[ постоянная мертвая ссылка ]
  • Де Кеуленар, Ганс; Чапман, 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 инжиниринга и технологий. doi :10.1049/cp:20010853 . Получено 10 июля 2014 г.
  • Харлоу, Джеймс Х. (2012). Электрическая трансформаторная техника, Третье издание, Том 2. CRC Press. ISBN 978-1439856291.
  • Пансини, Энтони Дж. (2005). Руководство по системам распределения электроэнергии . The Fairmont Press, Inc. ISBN 088173506X.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Distribution_transformer&oldid=1245117594"