Разпределителни трансформатори

Oсновното предназначение на разпределителните трансформатори е намаляване на първичното напрежение на електроразпределителната система до напрежението за обслужване на потребителите. Разпределителният трансформатор е статично устройство, конструирано с две или повече намотки, които се използват за прехвърляне на електрическа енергия под формата на променлив ток чрез електромагнитна индукция от една верига към друга при еднаква честота, но с различни стойности на напрежение и ток.

На пазара се предлагат разпределителни трансформатори за различни приложения - например полюсен тип, монтирани върху бетонна подложка, мрежов тип и потопяем. Самозащитените трансформатори са снабдени с гръмоотвод и предпазен прекъсвач (инсталиран в маслото в трансформаторния резервоар), вторичен прекъсвач и предупредителен светлинен индикатор. Първичният проводник на трансформатора е свързан към една от фазите на трифазната първична верига чрез предпазител, ограничаващ тока в частичен обхват. Резервоарът на трансформатора е заземен и свързан към основния и вторичния неутрален заземяващ проводник. Самозащитеният трансформатор е изграден от сърцевина и бобини, първичен предпазител, вторичен клемен блок и прекъсвач за ниско напрежение.

Предлагат се и конвенционални трансформатори за въздушни електропроводни линии. Ключовият компонент, отличаващ конвенционалните трансформатори от самозащитените, е липсата на вътрешен предпазител в конвенционалните модели. Между първичната разпределителна намотка и конвенционалния трансформатор външно се монтира комбинация от предпазител и прекъсвач.

Монтираните върху бетонна платформа трансформатори намират приложение в подземни системи. За търговските инсталации се използват трифазни трансформатори на платформа, а за подземни инсталации на жилищни сгради – еднофазни. Когато търговските клиенти не разполагат с достатъчно пространство за монтаж на платформи, разпределителните трансформатори се инсталират в клетки под тротоарите или в сградите.

Потопяемите еднофазни разпределителни трансформатори се използват в някои подземни системи, инсталирани в жилищни райони. Проблемите с корозията и високата цена на инсталацията обаче са свели до минимум приложението на този вид трансформатори.

Принцип на работа

Еднофазният разпределителен трансформатор се състои от първична и вторична намотка върху сърцевина от стоманени ламели. Ако товарът се изключи от вторичната намотка на трансформатора и се приложи високо напрежение към първичната намотка, то в нея ще протече намагнитващ ток. Ако се приеме, че съпротивлението на първичната намотка е малко, което обикновено е вярно, този ток е ограничен от напрежението на самоиндукция, предизвикано във високоиндуктивната първична намотка. Намотките на трансформатора са конструирани с достатъчно навивки, за да се ограничи токът на празен ход или възбуждане и да се получи противодействащо напрежение, приблизително равно на приложеното. Възбудителният ток създава магнитен поток в стоманеното ядро на трансформатора, който обръща посоката си на всеки половин цикъл в резултат на променливото напрежение, приложено към първичната намотка. Полученият магнитен поток пресича навивките на първичната и вторичната намотка. Това предизвиква противодействащо напрежение в първичната намотка и генерира напрежение във вторичната намотка. Напреженията, индуцирани във всяка намотка на първичните и вторичните бобини, ще бъдат приблизително равни, а напрежението, индуцирано във всяка бобина, ще бъде равно на напрежението на една намотка, умножено по броя им. Следователно напрежението на първичната намотка е равно на приложеното напрежение и на броя на навивките в първичната намотка, умножен по волтажа на всяка от тях. Аналогично напрежението на вторичната намотка ще бъде равно на волтажа на една навивка, умножен по техния броя.

Така че ако подаденото или първичното напрежение и броят на навивките в първичната и вторичната намотки са известни, то вторичното напрежение може да се изчисли. В случай че към вторичната намотка на трансформатора има свързан товар, то в нея ще протече ток. Този ток е равен на вторичното напрежение, разделено на импеданса на товара.

Всеки ток, който тече в резултат на индуцирано напрежение, ще е с посока, противоположна на действието, което поражда индуцирането на напрежение. Следователно вторичният ток, или токът на натоварване във вторичната намотка на разпределителния трансформатор ще тече в такава посока, че да редуцира намагнитването от възбудителния или първичния ток. Това действие мигновено редуцира магнитния поток в стоманената сърцевина и следователно намалява противодействащото напрежение в първичната намотка. Понижаването на противоположното напрежение в първичната намотка води до протичане на по-голям първичен ток, възстановявайки магнитния поток в ядрото до първоначалната му стойност. Загубите в разпределителния трансформатор са малки и затова за практически цели волт-амперите на товара или на вторичната намотка са равни на волт-амперите на източника или първичната намотка.

Конструкции

Съществуват два вида конструкции – тип ядро и тип корпус. В първия случай ядрото е във формата на правоъгълна рамка, а намотките, които са цилиндрични и с относително голяма дължина, са разположени на двете вертикални страни. Те са разделени, като част от всяка основна и вторична намотка е разположена на всеки от двата вертикални участъка.

При втория тип конструкция ядрото обвива бобините, вместо да е обратното. Намотките в корпусния тип конструкция обикновено са плоски, а не цилиндрични, а първичните и вторичните намотки се редуват. Монтираните сърцевина и намотки на разпределителния трансформатор са напълно потопени в изолационно масло или други изолационни течности, за да се поддържат ниски работни температури и да се осигури допълнителна изолация на намотките.

Капацитетът на разпределителните трансформатори се определя от количеството ток, който може да пренася непрекъснато при номинално напрежение, без да се надвишава проектната температура. Трансформаторите се оценяват в киловолт-ампери (kVA), тъй като капацитетът е ограничен от тока на натоварване, който е пропорционален на kVA, независимо от фактора на мощността.

Свързвания

Еднофазните разпределителни трансформатори се произвеждат с един или два първични шиносъединителни прекъсвача. Трансформаторите с един първичен шиносъединителен прекъсвач могат да се използват само за заземени системи със свързване тип звезда (Y). Трансформаторите с два първични шиносъединителни прекъсвача могат да се използват в трипроводникови системи със свързване в триъгълник (делта, D) или четирипроводникови системи със звездовидна връзка.

Трансформаторните съединения за получаване на вторично напрежение от 120, 120/240 или 240 волта обикновено се намират в резервоара на трансформатора. Табелката на устройството осигурява необходимата информация за осъществяване на свързванията. Напреженията трябва да се измерват, когато трансформаторът е захранен, за да се гарантира, че съединенията са правилни преди свързването на товара.

Еднофазни полюсни или въздушни трансформатори могат да се използват за получаване на трифазно вторично напрежение. Има четири възможни връзки: триъгълник-триъгълник (D-D), звезда-звезда (Y-Y), триъгълник-звезда (D-Y) и звезда-триъгълник (Y-D). Еднофазни трансформатори с вторични намотки, конструирани за напрежения 240/480 V, могат да се използват за получаване на 480-волтово трифазно вторично напрежение.

Трансформаторите трябва да бъдат конструирани с правилните намотки за системата за първично напрежение и желаното вторично напрежение. Правилно произведените разпределителни трансформатори могат да се свържат звезда-триъгълник, ако е нужно да се получат трипроводникови трифазни вторични напрежения от трифазна четирипроводникова заземена неутрална звездовидна система за първично напрежение.

Полярност

При свързване на трансформатори успоредно или в трифазен блок е важно да се знае полярността на клемите или проводниците на трансформатора. При конструирането на трансформаторите във фабриката, краищата на намотките могат да се свържат по такъв начин с изводите, излизащи от корпуса, че винаги посоката на тока във вторичната клема по отношение на съответния първичен извод да е или същата, или обратна. Когато токът тече в една и съща посока в двете съседни първични и вторични клеми, полярността на трансформатора е субтрактивна, а когато токът тече в противоположни посоки - адитивна.

Полярността може да бъде допълнително обяснена чрез пример с еднофазен трансформатор с две външни клеми за високо напрежение и три външни клеми за ниско напрежение. При свързване на едната клема за високо напрежение към съседната клема за ниско напрежение и прилагане на тестово напрежение между двата терминала за високо напрежение, ако напрежението на несвързаните високо- и нисковолтови клеми е по-малко от напрежението, приложено през високоволтовите клеми, полярността е субтрактивна; докато, ако е по-голямо от напрежението, приложено в клемите за високо напрежение, полярността е адитивна.

От гореизложеното е видно, че когато напрежението, което отчита волтметърът, е по-голямо от приложеното напрежение, то трябва да представлява сумата от първичното и вторичното напрежение и посоката на двете намотки трябва да е противоположна. Аналогично, когато отчетеното напрежение от волтметъра е по-малко от приложеното, то напрежението трябва да представлява разликата от първичното и вторичното напрежение.

Адитивната полярност е стандартна за всички еднофазни разпределителни трансформатори 200 kVA и надолу, имащи номинално високо напрежение от 9000 V и по-ниско. Субтрактивната полярност е стандартна за всички еднофазни разпределителни трансформатори над 200 kVA, независимо от номиналното напрежение. Тя е стандартна и за всички еднофазни трансформатори 200 kVA и надолу, имащи номинално високо напрежение над 9000 V.

Ако е нужен по-голям капацитет, могат да се свържат паралелно два трансформатора с еднакви или различни kVA стойности. Еднофазните трансформатори с адитивна или субтрактивна полярност могат да бъдат свързвани успешно паралелно, ако са изпълнени следните условия: номиналните им напрежения са идентични; характеристиките на клемите са идентични; процентът на импеданс между единия и другия е между 921/2 и 1071/2 процента; честотите са идентични.

Клеми

Намотките на разпределителните трансформатори могат да бъдат снабдени с различни клеми за разширяване на обхвата на първичните напрежения, подходящи за дадена инсталация. Наличните стандартни клеми са на първичната намотка на трансформатора и са проектирани да осигуряват вариациите в броя на навивките на бобините в стъпки от 21/2 процента от номиналното напрежение. Разпределителните трансформатори могат да бъдат конструирани с четири 21/2-процентни клеми над номиналното напрежение, две 21/2 процента над и две 21/2 процента клеми под номиналното напрежение, или четири 21/2-процентни клеми под номиналното напрежение. Стандартен разпределителен трансформатор с първична намотка с номинално напрежение 2400 V и снабден с две 21/2-процентни над и две 21/2-процентни клеми под номиналното напрежение ще бъде изграден с първични намотки, оразмерени за 2520, 2460, 2340 и 2280 V. Превключвателите на клемите в разпределителните трансформатори са проектирани да работят само докато трансформаторът е изключен. Работната ръкохватка може да се намира извън или в резервоара над нивото на маслото. Табелката на устройството дава информация за наличните клеми на разпределителния трансформатор.