17 распространенных вопросов о силовых трансформаторах

1 Почему сердечник трансформатора должен быть заземлен?
Во время нормальной работы силовых трансформаторов сердечник должен иметь одно надежное соединение с землей. Без заземления плавающее напряжение между сердечником и землей может вызвать периодические пробойные разряды. Одноточечное заземление исключает возможность плавающего потенциала в сердечнике. Однако при наличии двух или более точек заземления неравномерные потенциалы между секциями сердечника создают циркулирующие токи между точками заземления, что приводит к перегреву из-за многоточечного заземления. Заземление сердечника может вызывать локальное перегревание. В серьезных случаях температура сердечника значительно повышается, что приводит к срабатыванию сигнала легкого газа, а также может вызвать срабатывание защиты от тяжелого газа. Расплавленные секции сердечника создают короткие замыкания между пластинами, увеличивая потери в сердечнике и серьезно влияя на производительность и работу трансформатора, иногда требуя замены листов силиконовой стали в сердечнике. Поэтому сердечники трансформаторов должны иметь ровно одну точку заземления — не больше и не меньше.

2 Почему для сердечников трансформаторов используются силиконовые стальные листы?
Обычные сердечники трансформаторов изготавливаются из силиконовых стальных листов. Силиконовая сталь содержит силикон (также называемый песком) в количестве 0,8-4,8%. Силиконовая сталь используется из-за ее отличных магнитных свойств, которые позволяют создавать высокую плотность магнитного потока в обмотках, что позволяет уменьшить размеры трансформатора. Трансформаторы всегда работают в условиях переменного тока, и потери мощности происходят не только в сопротивлении обмоток, но и в сердечнике при чередующемся намагничивании. Потери мощности в сердечнике называются "железными потерями" и состоят из "потерь на гистерезис" и "потерь на вихревые токи". Потери на гистерезис возникают при намагничивании из-за магнитной гистерезиса, и эти потери пропорциональны площади, заключенной в петле гистерезиса материала. У силиконовой стали узкая петля гистерезиса, что приводит к меньшим потерям на гистерезис и снижению нагрева.

Если силиконовая сталь имеет такие преимущества, почему не использовать сплошные блоки? Потому что слоистые сердечники снижают еще один тип железных потерь — потери на вихревые токи. Во время работы переменный ток в обмотках создает переменный магнитный поток, который индуцирует токи в сердечнике. Эти индуцированные токи текут по замкнутым контурам, перпендикулярным направлению потока, образуя вихревые токи, которые вызывают нагрев. Чтобы снизить потери на вихревые токи, сердечники трансформаторов используют изолированные силиконовые стальные листы, уложенные вместе, заставляя вихревые токи проходить через узкие пути с меньшей площадью сечения, чтобы увеличить сопротивление. Кроме того, силикон в стали увеличивает удельное сопротивление, что еще больше снижает вихревые токи. Сердечники трансформаторов обычно используют холоднокатаные силиконовые стальные листы толщиной 0,35 мм, нарезанные и уложенные в формы "E-I" или "C". Теоретически, более тонкие листы и более узкие полосы лучше снижают вихревые токи. Это бы снизило потери на вихревые токи, уменьшило бы подъем температуры и сэкономило материал. Однако практическое изготовление сердечников учитывает множество факторов — чрезмерно тонкие листы значительно увеличили бы затраты труда и уменьшили бы эффективную площадь сечения сердечника. Поэтому размеры силиконовых стальных листов для сердечников трансформаторов должны уравновешивать различные соображения, чтобы достичь оптимального дизайна.

3 Каков диапазон защиты Буххольца (газовой) защиты?

• Многофазные внутренние короткие замыкания в трансформаторе
• Короткие замыкания между витками, короткие замыкания между обмотками и сердечником или баком
• Неисправности сердечника
• Падение уровня масла или утечка масла
• Плохой контакт в переключателях ответвлений или плохая сварка проводников

4 В чем различия между основной дифференциальной защитой трансформатора и защитой Буххольца?

• Основная дифференциальная защита трансформатора работает на принципах циркулирующего тока, тогда как защита Буххольца работает на основе выработки газа при внутренних неисправностях трансформатора.
• Дифференциальная защита является основной защитой для трансформаторов, тогда как защита Буххольца является основной защитой для внутренних неисправностей трансформатора.
• Диапазоны защиты различаются:
  A) Дифференциальная защита покрывает:
  • Многофазные короткие замыкания в выводах и обмотках основного трансформатора
  • Сильные однофазные короткие замыкания между витками
  • Заземления обмоток и выводов в системах с большим током заземления
• B) Защита Буххольца покрывает:
• • Многофазные внутренние короткие замыкания в трансформаторе
  • Короткие замыкания между витками, короткие замыкания между витками и сердечником или баком
  • Неисправности сердечника (повреждения от перегрева)
  • Падение уровня масла или утечка масла
  • Плохой контакт в переключателях ответвлений или плохая сварка проводников

5 Как обрабатывать неисправности охладителя основного трансформатора?

• При потере рабочего питания для секций I и II охладителя появляется сигнал "#1, #2 отказ питания", и активируется цепь полной остановки охладителя основного трансформатора. Немедленно сообщите диспетчеру и отключите эту защиту.
• Если во время работы переключение между питанием I и II не удается, загорается индикатор "полная остановка охладителя", активируя цепь полной остановки охладителя основного трансформатора. Немедленно сообщите диспетчеру, чтобы отключить эту защиту, и быстро выполните ручное переключение. Если контакторы KM1 или KM2 неисправны, не форсируйте их.
• При отказе любого одного контура охладителя изолируйте неисправный контур охладителя.

6 Какие последствия возникают при параллельной работе трансформаторов, не соответствующих условиям параллельной работы?
При параллельной работе трансформаторов с разными коэффициентами трансформации возникают циркулирующие токи, что влияет на выходную мощность трансформатора. При параллельной работе трансформаторов с различными процентными значениями сопротивления нагрузка не распределяется в соответствии с соотношением мощностей трансформаторов, что также влияет на выходную мощность. При параллельной работе трансформаторов с разными группами соединений происходит короткое замыкание в трансформаторах.

7 Что вызывает аномальные звуки в трансформаторах?

• Перегрузка
• Плохие внутренние контакты, вызывающие дуговые пробои
• Ослабленные отдельные компоненты
• Заземление или короткое замыкание в системе
• Запуск крупных двигателей, вызывающий значительные колебания нагрузки

8 Когда не следует регулировать переключатель ответвлений трансформатора с регулировкой напряжения под нагрузкой?

• Во время работы трансформатора с перегрузкой (кроме особых случаев)
• Когда легкая газовая защита переключателя ответвлений часто срабатывает
• Когда указатель уровня масла переключателя ответвлений показывает отсутствие масла
• Когда количество переключений превышает установленные пределы
• Когда устройство переключения показывает аномалии

9 Что означают номинальные значения на табличке трансформатора?
Номинальные значения трансформатора — это спецификации, установленные производителем для нормальной работы трансформатора. Работа в пределах этих номинальных значений обеспечивает долгосрочную надежную работу с хорошими характеристиками. Номинальные значения включают:

• Номинальная мощность: гарантированная выходная способность при номинальных условиях, выраженная в вольт-амперах (В·А), киловольт-амперах (кВ·А) или мегавольт-амперах (МВ·А). В связи с высокой эффективностью трансформаторов, номинальные мощности первичной и вторичной обмоток обычно проектируются равными.
• Номинальное напряжение: гарантированное напряжение на выводах при холостом ходе, выраженное в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Если не указано иное, номинальное напряжение относится к линейному напряжению.
• Номинальный ток: линейный ток, вычисленный из номинальной мощности и номинального напряжения, выраженный в амперах (А).
• Ток холостого хода: ток возбуждения в процентах от номинального тока при работе на холостом ходу.
• Потери при коротком замыкании: активные потери, когда одна обмотка короткозамкнута, а к другой обмотке прикладывается напряжение, чтобы достичь номинального тока в обеих обмотках, выраженные в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт).
• Потери на холостом ходу: активные потери при работе на холостом ходу, выраженные в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт).
• Напряжение короткого замыкания: также называется импедансным напряжением, процентное отношение приложенного напряжения к номинальному напряжению, когда одна обмотка короткозамкнута, а другая обмотка несет номинальный ток.
• Группа соединений: указывает методы соединения первичной и вторичной обмоток и фазовый сдвиг между линейными напряжениями, представленный с помощью часового обозначения.

10 Почему инверторы с источником тока требуют большую мощность трансформатора?
Проектирование трансформаторов обычно учитывает номинальную мощность, а не номинальную мощность, так как ток связан только с номинальной мощностью. Для инверторов с источником напряжения входной коэффициент мощности близок к 1, поэтому номинальная мощность и номинальная мощность почти равны. Инверторы с источником тока отличаются — их входной коэффициент мощности трансформатора не превышает коэффициент мощности нагрузочного асинхронного двигателя. Поэтому для одного и того же нагрузочного двигателя номинальная мощность должна быть больше, чем для трансформаторов, используемых с инверторами с источником напряжения.

11 Какие факторы влияют на мощность трансформатора?
Выбор сердечника связан с напряжением, а выбор проводников — с током; толщина проводников直接影响了变压器的发热。换句话说，变压器的容量只与发热有关。对于设计良好的变压器，在散热条件较差的情况下，一台额定容量为1000kVA的变压器在增强冷却后可能以1250kVA运行。此外，额定容量还与允许的温升有关。例如，一台允许温升为100K的1000kVA变压器，在特殊情况下如果允许其在120K下运行，则其容量可能会超过1000kVA。这表明改善变压器的冷却条件可以提高其额定容量。相反，对于相同容量的逆变器，变压器柜的尺寸可以减小。

12 如何提高变压器效率？

11 Какие факторы влияют на мощность трансформатора?
Выбор сердечника связан с напряжением, а выбор проводников — с током; толщина проводников напрямую влияет на теплообразование. Другими словами, мощность трансформатора связана только с теплообразованием. Для хорошо спроектированного трансформатора, работающего в условиях плохого теплоотвода, 1000 кВ·А может работать на 1250 кВ·А при улучшенном охлаждении. Кроме того, номинальная мощность связана с допустимым температурным подъемом. Например, 1000 кВ·А трансформатор с допустимым температурным подъемом 100 К может превысить мощность 1000 кВ·А, если ему позволено работать при 120 К в особых условиях. Это показывает, что улучшение условий охлаждения трансформатора может увеличить его номинальную мощность. Наоборот, для инвертора с одинаковой мощностью размер шкафа трансформатора можно уменьшить.

12 Как повысить эффективность трансформатора?

• Всегда выбирайте трансформаторы с низкими потерями и высокой эффективностью энергосбережения
• Разумно выбирайте мощность трансформатора в зависимости от условий нагрузки
• Поддерживайте средний коэффициент загрузки трансформатора выше 70%
• Рассмотрите возможность замены на трансформаторы меньшей мощности, если средний коэффициент загрузки постоянно ниже 30%
• Улучшите коэффициент мощности нагрузки, чтобы повысить способность трансформатора передавать активную мощность
• Разумно распределяйте нагрузку, чтобы минимизировать количество работающих трансформаторов

13 Почему необходимо ускорять техническую модернизацию трансформаторов с высоким энергопотреблением?
Трансформаторы с высоким энергопотреблением в основном относятся к сериям SJ, SJL, SL7, S7, потери железа и меди в которых значительно выше, чем у широко распространенных трансформаторов серии S9. Например, по сравнению с S9, S7 имеет на 11% больше потерь железа и на 28% больше потерь меди. Новые трансформаторы, такие как S10 и S11, еще более энергоэффективны, чем S9, а трансформаторы из аморфного сплава имеют потери железа, эквивалентные только 20% потерь железа трансформаторов S7. Трансформаторы обычно служат несколько десятилетий. Замена трансформаторов с высоким энергопотреблением на модели с высокой эффективностью не только улучшает эффективность преобразования энергии, но и обеспечивает значительное сбережение электроэнергии в течение их срока службы.

14 Что такое вихревые токи? Какие вредные последствия вызывают вихревые токи?
Когда переменный ток проходит через проводник, он создает переменное магнитное поле вокруг проводника. Это переменное поле индуцирует токи внутри твердых проводников. Поскольку эти индуцированные токи образуют замкнутые петли внутри проводника, подобно водяным вихрям, они называются вихревыми токами. Вихревые токи не только расходуют электрическую энергию, снижая эффективность оборудования, но и вызывают нагрев электрических устройств (например, сердечников трансформаторов), что при сильном нагреве может повлиять на нормальную работу оборудования.

15 Почему мгновенная защита трансформатора должна избегать короткозамкнутого тока низкого напряжения?
Это в основном связано с выборочностью работы релейной защиты. Мгновенная защита со стороны высокого напряжения в основном защищает от серьезных внешних неисправностей трансформатора. При настройке, если защита не избегает максимального короткозамкнутого тока на стороне низкого напряжения трансформатора, зона защиты будет распространяться на линии низкого напряжения, поскольку значения короткозамкнутого тока не изменяются значительно в близком диапазоне от выхода низкого напряжения. Это нарушит выборочность. Хотя неселективная защита более надежна, она создает операционные неудобства. Например, во многих промышленных парках есть главные распределительные щиты на 10 кВ (шинная система 10 кВ + выключатели-разъединители), а в каждом цеху есть кольцевые распределительные сети (кольцевые коммутационные блоки + трансформаторы). Если выключатели не избегают максимального короткозамкнутого тока на стороне низкого напряжения трансформатора, то будут работать как главные выключатели низкого напряжения (коммутационные блоки с предохранителями), так и выключатели высокого напряжения, что создаст операционные трудности.

16 Почему нельзя одновременно заземлять нейтральные точки двух параллельно работающих трансформаторов?
В системах с большим током, чтобы удовлетворить требованиям согласования чувствительности релейной защиты, некоторые основные трансформаторы должны быть заземлены, в то время как другие остаются незаземленными. На станции с двумя основными трансформаторами, не заземляя обе нейтральные точки одновременно, в основном решается вопрос согласования защиты по нулевой последовательности тока и напряжения. В подстанциях с несколькими параллельно работающими трансформаторами обычно заземляются нейтральные точки некоторых трансформаторов, в то время как другие остаются незаземленными. Это ограничивает ток короткого замыкания на землю до разумных уровней и минимизирует влияние изменения режима работы на величину и распределение нулевых последовательностей токов в сети, что повышает чувствительность систем защиты по нулевой последовательности тока.

17 Почему необходимо выполнять импульсные испытания на включение перед вводом в эксплуатацию новых или отремонтированных трансформаторов?
Отключение незагруженного трансформатора от сети создает перенапряжения при коммутации. В системах с малым током заземления эти перенапряжения могут достигать 3-4 раза номинального фазного напряжения; в системах с большим током заземления они могут достигать 3 раз номинального фазного напряжения. Поэтому, чтобы проверить, может ли изоляция трансформатора выдерживать номинальное напряжение и перенапряжения при коммутации, необходимо выполнить несколько импульсных испытаний на включение перед вводом в эксплуатацию. Кроме того, при включении незагруженных трансформаторов возникает ток намагничивания, который может достигать 6-8 раз номинального тока. Поскольку ток намагничивания создает значительные электромагнитные силы, импульсные испытания на включение также эффективно проверяют механическую прочность трансформатора и возможное неправильное срабатывание релейной защиты.