Введение
В городских и сельских распределительных сетях, промышленных парках, фотоэлектрических электростанциях и других сценариях энергосистем,Трансформаторы масляные 11кВслужат основным оборудованием для передачи энергии и преобразования уровня напряжения. Многие покупатели, инженеры-электрики и генеральные подрядчики проектов при выборе трансформатора сосредотачивают внимание только на таких параметрах, как номинальная мощность и потери нагрузки, не имея при этом систематического понимания всего процесса преобразования напряжения внутри трансформатора. Понимание принципа преобразования напряжения масляных трансформаторов 11 кВ не только помогает при выборе оборудования и прогнозировании неисправностей, но также помогает персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию разумно организовывать плановые проверки и снижать риски простоя оборудования. Начиная с базовой теории электромагнетизма, в этой статье полностью описан весь процесс преобразования напряжения масляных трансформаторов на 11 кВ, различаются характеристики изменения напряжения в режимах холостого хода и под нагрузкой, а также объясняется, как масляная конструкция обеспечивает стабильное и безопасное преобразование напряжения.
1. Фундаментальный принцип преобразования напряжения: закон электромагнитной индукции Фарадея.
Преобразование напряжения всех масляных силовых трансформаторов основано на законе Фарадея об электромагнитной индукции и принципе баланса магнитодвижущей силы. Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство без вращающихся компонентов. Он передает электрическую энергию от первичной стороны к вторичной через переменные магнитные поля. Электрическая энергия передается не напрямую через проводники, а через магнитные поля.
Первичная обмотка 11кВ.масляный трансформаторподключается к высоковольтному источнику питания переменного тока напряжением 11 кВ. Переменный ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменный магнитный поток внутри железного сердечника, уложенного листами кремнистой стали. Железный сердечник изготовлен из холоднокатаной кремниевой стали с высокой магнитной проницаемостью для максимального ограничения магнитного потока и уменьшения потерь энергии, вызванных утечкой магнитного поля. Переменный магнитный поток проходит одновременно через первичную и вторичную обмотки. Согласно закону электромагнитной индукции, переменное магнитное поле индуцирует электродвижущую силу в двух обмотках соответственно.
Индуцированная электродвижущая сила обмотки пропорциональна числу витков обмотки и скорости изменения магнитного потока. Формула выражается как E=4.44fН*Ф. Где E означает наведенную электродвижущую силу, f — частоту сети, N — количество витков обмотки, а Φ — основной магнитный поток. Эта формула напрямую определяет соотношение трансформации напряжения: соотношение наведенной электродвижущей силы на первичной и вторичной сторонах равно коэффициенту витков двух обмоток. Короче говоря, сторона с большим количеством витков обмотки имеет более высокое индуцированное напряжение, а сторона с меньшим количеством витков имеет более низкое напряжение. Это фундаментальная логика трансформаторов для повышения или понижения напряжения.
Для стандартных распределительных масляных трансформаторов на 11 кВ номинальное напряжение первичной стороны составляет 11 кВ, а вторичная сторона обычно выдает низковольтную мощность 0,4 кВ для заводов и жилых зданий. Первичная обмотка имеет гораздо больше витков, чем вторичная, поэтому она работает как понижающий трансформатор. В повышающих приложениях напряжение можно повышать в обратном направлении, регулируя коэффициент поворота обмоток.
2. Процесс преобразования напряжения в условиях холостого хода.
Состояние отсутствия нагрузки означает, что вторичная сторона трансформатора не подключена к какой-либо нагрузке, а вторичная цепь разомкнута, поэтому ток на вторичной стороне не течет. Когда к первичной обмотке подключено высокое напряжение 11 кВ, на первичной стороне генерируется небольшой ток возбуждения без нагрузки. Функция этого тока — создание основного магнитного потока железного сердечника. В это время входное напряжение на первичной стороне в основном уравновешивается наведенной электродвижущей силой первичной обмотки. Под действием переменного магнитного потока во вторичной обмотке индуцируется соответствующее номинальное напряжение.
В условиях холостого хода коэффициент трансформации по напряжению примерно равен коэффициенту витков обмотки. Однако во время работы на холостом ходу существуют два существенных явления: потери на холостом ходу и отклонение напряжения на холостом ходу. Гистерезисные потери и потери на вихревые токи железного сердечника образуют потери холостого хода, которые полностью преобразуются в тепло и уносятся изоляционным маслом внутри трансформатора. Между тем, ток возбуждения вызовет небольшое падение напряжения. Поэтому вторичное напряжение холостого хода немного выше номинального выходного напряжения, чтобы компенсировать падение напряжения, возникающее при последующей работе под нагрузкой. РПН 11кВмасляный трансформаториспользуется для регулировки эффективных витков первичной обмотки в режиме холостого хода, точной настройки выходного напряжения и компенсации колебаний входного напряжения электросети.
3. Процесс преобразования напряжения при работе под нагрузкой.
Когда вторичная сторона подключена к электрическим нагрузкам, цепь вторичной обмотки является проводящей, и на вторичной стороне создается ток нагрузки. Вторичный ток создает обратную магнитодвижущую силу, которая стремится ослабить основной магнитный поток железного сердечника. Чтобы поддерживать основной магнитный поток примерно постоянным и гарантировать стабильность напряжения, первичная обмотка автоматически увеличивает входной ток и генерирует новую магнитодвижущую силу, чтобы противодействовать магнитодвижущей силе на вторичной стороне и поддерживать баланс магнитодвижущей силы. Это внутренний механизм, благодаря которому входной ток первичной обмотки трансформатора синхронно возрастает при увеличении нагрузки.
Во время работы под нагрузкой сама обмотка имеет сопротивление и реактивное сопротивление рассеяния. Ток, протекающий через обмотку, создает падение напряжения. В результате выходное напряжение вторичной обмотки изменяется в зависимости от величины нагрузки и коэффициента мощности нагрузки. Чем тяжелее нагрузка, тем заметнее падение вторичного напряжения. Индуктивные нагрузки усугубят падение напряжения, а емкостные нагрузки могут повысить напряжение. Вот почему скорость регулирования напряжения необходимо рассчитывать при проектировании распределения мощности.
Изоляционное масло внутри масляного трансформатора 11 кВ выполняет двойную задачу во всем процессе преобразования напряжения. Во-первых, он действует как изолирующая среда для изоляции обмоток высокого и низкого напряжения и предотвращения пробоя и короткого замыкания между компонентами с разными потенциалами. Во-вторых, он служит охлаждающей средой для отвода тепла, образующегося в результате электромагнитных потерь железного сердечника и обмоток. Непрерывное и стабильное рассеивание тепла позволяет избежать старения изоляции обмоток и гарантировать отсутствие повреждений изоляции во время длительного преобразования напряжения. Масляный бак, радиаторы и расширительный бак вместе образуют систему охлаждения, поддерживающую температуру масла в безопасном диапазоне и обеспечивающую непрерывное и надежное электромагнитное преобразование.
4. Ключевые факторы, влияющие на качество преобразования напряжения трансформаторов 11 кВ.
Материал железного сердечника: листы кремниевой стали с низкими потерями уменьшают ток возбуждения, уменьшают искажения магнитного потока и стабилизируют наведенную электродвижущую силу. Неполноценный железный сердечник увеличит ток холостого хода, исказит форму сигнала напряжения и повысит гармоники.
Технология намотки: компактность обмотки и класс изоляции напрямую определяют реактивное сопротивление утечки обмотки и влияют на скорость регулирования напряжения. Поврежденная изоляция обмоток вызовет межвитковое короткое замыкание и полностью разрушит трансформацию напряжения.
Колебания входного напряжения сети: входное напряжение 11 кВ непостоянно. Пиковые и минимальные изменения нагрузки электросети приводят к плавающему входному напряжению. Переключатель ответвлений может регулировать витки обмотки для стабилизации вторичного выхода.
Характеристики нагрузки: Величина нагрузки и коэффициент мощности определяют амплитуду падения напряжения, которая является важным показателем для проектирования схемы распределения электроэнергии.
5. Распространенные аномальные явления трансформации напряжения и краткий анализ.
В сценариях практической эксплуатации и технического обслуживания аномальное преобразование напряжения проявляется различными симптомами. Например, низкое вторичное напряжение обычно вызвано низким входным напряжением, чрезмерной нагрузкой или плохим контактом разъемов обмоток. Искаженная форма сигнала напряжения, скорее всего, вызвана насыщением железного сердечника и чрезмерными гармоническими нагрузками. В случае частичного разряда и резкого повышения температуры масла изоляционное масло может ухудшиться, а изоляция обмоток высокого и низкого напряжения повредиться, что в любой момент может привести к возникновению риска пробоя.
Персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию необходимо регулярно измерять первичное и вторичное напряжение, масляную хроматографию и сопротивление обмотки постоянному току, чтобы контролировать состояние преобразования напряжения. При обнаружении отклонения напряжения от номинального значения неисправности должны быть оперативно устранены во избежание аварийных ситуаций с перегоранием оборудования и отключением электроэнергии.
Заключение
11kV масляные трансформаторыреализовать преобразование статического напряжения на основе связи переменного магнитного поля, а коэффициент поворота определяет теоретический коэффициент трансформации напряжения. Характеристики преобразования напряжения существенно различаются в условиях работы без нагрузки и под нагрузкой. Система изолирующего масла обеспечивает защиту изоляции и поддержку отвода тепла на протяжении всего процесса электромагнитного преобразования. Полное понимание всего процесса преобразования напряжения помогает инженерам разумно оценить производительность оборудования и избежать рисков электропитания, вызванных аномальным напряжением, будь то при закупке трансформатора, проектировании электросети или обслуживании на месте. В проектах по подключению фотоэлектрических сетей, распределению электроэнергии на предприятиях и в проектах реконструкции городских распределительных сетей освоение этого принципа позволяет лучше согласовывать мощности трансформаторов и схемы уровней напряжения, а также обеспечивать стабильную работу систем электроснабжения.
