История появления и развития трансформатора как преобразователя напряжения является весьма примечательной
В 1844 — 1847 гг. Б. С. Якоби, занимаясь вопросами минной обороны, применил индукционные катушки, являющиеся по своей идее простейшим типом трансформатора. С помощью этих катушек производилось зажигание пороха мин. Эти работы на много лет опередили аналогичные заграничные работы.
В устройствах Б. С. Якоби электрическая энергия от индукционной катушки передавалась при помощи подводного кабеля на расстояние до 9 км к распределительному и питающему пункту, от которого она параллельно распределялась к запалам отдельных мин.
Это, собственно, явилось первой схемой практического использования электрической энергии, в которой имели место трансформация, передача энергии на относительно значительные расстояния к питающему узлу и затем ее параллельное распределение к точкам потребления.
Подробнее про этого замечательного изобретателя смотрите здесь: Борис Якоби — создатель электродвигателя, гальванопластики и телеграфного аппарата, печатающего буквы
Не менее полезной явилась система П. Н. Яблочкова, осуществившего в 1876 г. первую промышленную установку для питания изобретенных им дуговых свечей переменного тока в Париже.
Для этой установки Яблочков создал однофазный трансформатор с разомкнутой магнитной цепью. Поэтому можно считать, что он явился изобретателем важнейшего в электротехнике аппарата — трансформатора, примененного для промышленной передачи энергии. После этого трансформаторы получили широкое развитие.
В 1882 г. на Всероссийской промышленной выставке И. Ф. Усагин демонстрировал использование трансформатора П. Н. Яблочкова не только для освещения, по также в установках для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую и тепловую энергию, что дало новый толчок для развития техники переменного тока.
В 1885 г. А. Голард (A. Gaulard) и А. Гибс (A. Gibbs) в США и венгерские инженеры фирмы «Ганц» в Будапеште М. Дери (М. Deri), О. Блати (О. Blathi) и К. Циперновский (С. Zipernowsky) разработали технический трансформатор с замкнутой магнитной цепью из изолированной проволоки, с кольцевым и броневым сердечником, что послужило новым существенным исходным положением для развития техники переменного тока и передачи его на расстояние.
Интересно, что уже через два года (в 1887 году) один из венгерских изобретателей трансформатора Микша Дери учавствовал в создании электростанции переменного тока для освещения оперного театра в Одессе.
В 1891 г. М. О. Доливо-Добровольский в связи с разработанной им системой трехфазного тока создал конструкцию трехфазного сухого трансформатора с обычным и в настоящее время применяемым расположением трех стержней сердечника в одной плоскости.
В том же 1891 г. директор завода «Эрликон» в Швейцарии Браун (Braun) построил первые масляные однофазные трансформаторы на весьма высокое по тому времени напряжение переменного тока 30 кВ. Эти трансформаторы показали, что масло является не только агентом, охлаждающим обмотки, но также и изолирующим материалом.
Начиная с 90-х годов XIX столетия, первоначальный тип трансформатора в сухом исполнении был постепенно вытеснен трансформатором в масляном исполнении.
Аварии, которые происходили сначала из-за неумения изолировать масло от окисляющего действия воздуха, были практически устранены посредством маслорасширителей, вошедших во всеобщее употребление примерно с середины 10-х годов XX столетия.
Применение первых трансформаторов для передачи электрической энергии
В связи с изобретением М. О. Доливо-Добровольским ранее трехфазного асинхронного двигателя появились предпосылки применения передачи энергии трехфазного переменного тока не только для освещения, но и для промышленного преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую энергию.
Первой дальней передачей переменного трехфазного тока явилась передача электрической энергии от гидроэлектростанции мощностью около 200 кВт в Лауффене на международную электротехническую выставку во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. на расстояние 170 км.
Трехфазный генератор, построенный по проекту Брауна, имел мощность 230 кВА, напряжение 95 В при скорости вращения 150 об/мин. Напряжение от него повышалось с помощью трансформатора до 15 000 А. На выставке с помощью трансформатора напряжение понижалось до 113 А линейного напряжения и подводилось к асинхронному трехфазному двигателю мощностью 75 кет, приводившему во вращение насосную установку.
Кстати, трехфазный генератор Брауна 1891 года сохранился и сейчас находится в Немецком музее в Мюнхене — крупнейшем научно-техническом музее мира.
Изобретение трансформаторов явилось мощным толчком для дальнейшего развития передачи электроэнергии на дальние расстояния. С развитием электропередач постепенно увеличивалась как мощность трансформаторов, так и их напряжение.
Тенденции развития магнитопроводов трансформаторов
Очень большое влияние на развитие трансформаторов оказало изобретение и применение в начале XX столетия легированной, так называемой трансформаторной стали, содержащей примесь кремния.
Эта сталь, обладая лучшими магнитными характеристиками и меньшими потерями в стали, позволила уменьшить габариты и массу трансформаторов и машин, повысив одновременно их коэффициент полезного действия.
Кроме того, добавление кремния способствует более медленному старению, хотя кремний делает материал более хрупким, но не до такой степени, чтобы вызвать проблемы сгибания листового металла.
Достаточно сказать, что за время с 1904 по 1911 г. масса стали масляного трансформатора мощностью 20 кВА уменьшилась более чем вдвое, а масса меди — почти на 40% при том же или даже более высоком к. п. д. В последующем произошло дальнейшее уменьшение массы активных материалов трансформаторов в связи с применением холоднокатаной стали.
Впоследствии была внедрена технология холодной прокатки листов для магнитопроводов трансформаторов, при которой зерна материала ориентированы в направлении прокатки. Обработка происходит таким образом, что оптимальные свойства развиваются в направлении прокатки благодаря строгому контролю ориентации магнитных доменов по отношению к листу (разработан Норманом П. Госсом).
В этом отношении он обладает лучшими свойствами, такими как уменьшенные потери в железе и низкая магнитострикция. В направлении прокатки магнитная индукция увеличилась на 30%, а магнитное насыщение уменьшилось на 5%. Поэтому ориентированная сталь подходит в первую очередь для трансформаторов, а не для магнитных цепей электродвигателей.
Материалы для магнитопроводов трансформаторов различного качества исторически представлены в следующем порядке:
- неориентированные,
- горячекатаные листы с ориентированной зернистостью (HRGO),
- холоднокатаные листы с ориентированной зернистостью (CRGO),
- холоднокатаные листы Hi-B.
Сегодня листы Hi-B являются наиболее распространенными, и производство по сравнению с CRGO упрощается за счет исключения одной стадии прокатки из-за добавления примерно 0,025% алюминия в расплав.
Листы Hi-B имеют удельные потери на 15-20% ниже, чем у обычного CRGO. Потери еще можно уменьшить на 5-8% с помощью лазерной обработки, когда магнитные домены более разделены.
Для уменьшения вихревых потерь используются листы малой толщины, в настоящее время толщина силовых трансформаторов составляет от 0,23 мм до 0,35 мм, а толщина малых трансформаторов — до 0,50 мм.
Следует отметить, что чем меньше толщина, тем больше время сборки сердечника, тем больше увеличивается количество листов для достижения желаемого поперечного сечения. Эти листы могут работать с магнитной индукцией до 1,75 Тл.
Листы покрывают неорганическим изоляционным слоем типично серого цвета, который называется карлит. Это окончательная обработка поверхности трансформаторного листа. Это слой толщиной 2-4 мкм, сформированный с обеих сторон листового металла, защищающий от дополнительных вихревых токов.
Силовые трансформаторы в XX веке, развитие трансформаторостроения
Так как типов трансформаторов очень много, то здесь мы ограничимся краткой характеристикой только силового трансформатора, поскольку он представляет наибольший интерес в связи с мощным развитием электроэнергетических систем.
За время с 1905 по 1940 г. потребление электроэнергии в промышленно развитых странах удваивалось примерно каждые 8 — 10 лет. Соответственно этому росли мощности центральных электрических станций и мощности устанавливаемых на них агрегатов, в том числе трансформаторов.
Уже к 1930 г. был построен трехфазный пятистержневой трансформатор мощностью 100 тыс. кВА, а к 1936 г.— трехфазный групповой трансформатор мощностью 3 х 65 = 195 тыс. кВА при нормальном дутьевом охлаждении и 3 х 80 = 240 тыс. кВА при форсированном охлаждении.
В соответствии с развитием линий передачи электроэнергии на большие расстояния в целях использования низкокалорийных сортов топлива и, особенно, водных ресурсов росло рабочее напряжение трансформаторов — с 110 кВ в 1907 г. до 220 кВ в 1921 г., 287,5 кВ в 1937 г., 400 кВ в 1952 г., 500 кВ в 1969 г., 750 кВ в 1975 г. и 1150 кВ в конце 90-х годов XX века.
Производство и эксплуатация мощных трансформаторов поставили перед трансформаторостроением ряд важных и трудных проблем, из числа которых мы назовем здесь:
- повышение коэффициента полезного действия (к. п. д.) трансформатора,
- охлаждение трансформатора,
- защиту трансформатора от перенапряжений.
Вопрос о коэффициенте полезного действия силовых трансформаторов имеет весьма важнее эксплуатационное значение, если принять во внимание что генерируемая на электростанции энергия подвергается трех- и часто четырехкратной трансформации, прежде чем она достигнет электроприемника.
Для повышения к. п. д. трансформатора было необходимо непрерывно совершенствовать методы расчета трансформаторов и улучшать их конструкцию, применять новые материалы улучшенного качества или при заданном качестве материалов использовать их наиболее рациональным образом.
Вопрос об охлаждении трансформаторов допускает различные решения. Первоначально баки трансформаторов малой, мощности выполнялись из волнистого железа, а в трансформаторах большой мощности широко применялось внутреннее водяное охлаждение масла.
Но такие трансформаторы оказались недостаточно надежными в работе и уступили свое место трансформаторам с баками трубчатого типа для мощностей до 2000 кВА и радиаторного типа с естественным охлаждением для мощностей, до 7500 кВА включительно и трансформаторам с дутьевым охлаждением большей мощности.
Примерно до 40-х годов XX века применялось централизованное дутье от одного или двух общих для трансформатора вентиляторов, но в настоящее время каждый радиатор обдувается отдельно с помощью пристроенных к нему вентиляторов малой мощности.
Вопрос устройства систем охлаждения силовых трансформаторов хорошо разобран здесь: Системы охлаждения силовых трансформаторов
Со времени постройки первых линий высокого напряжения исключительный интерес был проявлен к вопросу о защите трансформаторов от перенапряжений. Исследования показали, что некоторые из защитных приспособлений, как, например, усиление изоляции концевых катушек, являются недостаточными, а другие, как, например, защитные реактивные катушки — практически бесполезными.
Поэтому еще в середине 10-х годов XX века возникла идея так называемого нерезонирующего, или грозоупорного, трансформатора, в котором напряжение распределяется вдоль обмотки более или менее равномерно независимо от режима работы трансформатора.
В 1929 г. был выполнен грозоупорный трансформатор с полной емкостной защитой, а затем в 1937 г. на МТЗ — трансформатор с частичной емкостной защитой. В настоящее время такая защита применяется во всех трансформаторах на 110 кВ и выше.
Наряду с основным типом силового трансформатора был разработан ряд типов этого трансформатора со специальными характеристиками. С другой стороны, совместная работа мощных энергосистем требует трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой как по величине, так и по фазе (так называемое продольное и поперечное регулирование).
Современные силовые трансформаторы
Силовые трансформаторы более 130 лет считаются ключевыми элементами электрических систем и используются для обеспечения бесперебойного и безопасного потока энергии из сети к конечным электропотребителям.
Согласно исследованию, проведенному Global Market Insights, Inc., к 2027 году объем мирового рынка силовых трансформаторов должен превысить 24,5 миллиарда долларов. Только в 2020 году во всем мире было установлено около 6000 силовых трансформаторов.
Некоторые изменения в современных силовых трансформаторах очевидны, например, отказ от синтетических покрытий и их замена красками на водной основе, что снизило нагрузку на окружающую среду. Остальные не очевидны, потому что они спрятаны в корпусе трансформатора. Значительный прогресс был достигнут в снижении тепловых потерь трансформаторов.
Для применений, где низкая воспламеняемость имеет первостепенное значение, были разработаны конструкции, в которых трансформатор охлаждается элегазовой изоляцией (GIT). Выпускаются высоковольтные трансформаторы с элегазовым заполнением мощностью до 300 МВА при напряжении 275 кВ, и были испытаны прототипы до 500 кВ.
Сухие силовые трансформаторы используются там, где важно исключить риск возгорания и загрязнения окружающей среды.
Поскольку они не содержат диэлектрических жидкостей, таких как масло, их вклад тепловой энергии в источник пожара сильно ограничен. Трансформаторы сухого типа самозатухающие.
В настоящее время выпускаются сухие трансформаторы мощностью до 63 МВА с номинальным напряжением до 110 кВ. Они также могут иметь устройства РПН, которые не имеют жидкостной изоляции.
Для использования в густонаселенных районах выпускаются трансформаторы для подземных трнасформаторных подстанций.
Основные производители силовых трансформаторов также уделяют больше внимания интеграции интеллектуальных технологий и цифровых решений в технологии производства силовых трансформаторов для создания более энергоэффективных решений.
Например, в феврале 2021 года подразделение Enel Infrastructure and Networks решило развернуть экосистему TXpert для оцифровки трансформаторов Hitachi ABB Power Grids.
Эти устройства, рекламируемые как первые цифровые силовые трансформаторы могут отслеживать характеристики старения трансформатора и получать в реальном времени доступ к данным, характеризующим состояние трансформатора в процессе его работы.
Все изменения были направлены на единую цель. Снижение производственных затрат без ущерба для качества и надежности продукции.
Из сказанного следует, что в наше время трансформаторостроение достигло весьма высокого уровня развития и способно удовлетворить всем предъявляемым к нему требованиям.
