О том, что электрическая энергия и трансформаторы имеют друг к другу отношение, знает, наверное, каждый. Однако едва специалисты представляют себе настоящую роль "скромных тружеников" сегодняшней электроэнергетики. В данной публикации сделана попытка в доступной для неспециалистов форме осветить некоторые этапы в истории развития и совершенствования этих технических объектов.

"Днем рождения" трансформаторов думают 30 ноября 1876 года, когда выдающийся русский электротехник и изобретатель Павел Николаевич Яблочков получил галльский патент, в котором был описан принцип действия и способ применения трансформатора.

Это открытие базировалось на достижениях и открытиях других русских ученых-электротехников: В. Петрова (1761-1834 гг.), Э. Ленца (1804-1865 гг.), Якоби Б.С. (1801-1874 гг.).

В развитие и совершенствование конструкции трансформатора, предложенного П. Яблочковым, внесли вклад: русский инженер И. Усагин (1882 г.), англичане Горяр и Гиббс (1885 г.), венгерские инженеры Циперновский, Дери и Блати (1885 г.).

Русский электротехник, создатель техники трехфазного тока М. Доливо-Добровольский в 1890 г. предлагает конструкцию трехфазного трансформатора, который в трехфазной сети позволит заменить три однофазных агрегата. Впоследствии значительную роль в совершенствовании и развитии конструкции трехфазных трансформаторов сразиться англичанин Ферранти, американец Дж. Вестингауз, серб Н. Тесла.

Именно благодаря открытиям и достижениям отечественных ученых в России на рубеже XIX и XX веков была выбрана безупречная парадигма - ориентировать дальнейшее развитие электроэнергетики на применение переменного тока высокого напряжения в противовес зарубежным концепциям в пользу постоянного тока и техники низких напряжений.

Началом производства силовых трансформаторов в России можно думать ноябрь 1928 г., когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии - Московский электрозавод). Вскоре продукция завода стала удовлетворять потребности страны в высоковольтных трансформаторах. Уже в предвоенный период завод выпускал мощные силовые трансформаторы напряжением до 220 кВ. Ведущие советские трансформаторы образовывать по образцу трансформаторов фирмы Дженерал Электрик (США) и при участии ее консультанта.

После войны были построены новые предприятия и, прежде целого, Запорожский трансформаторный завод, Тольяттинский электротехнический завод и др. Вскоре эти два завода приняли на себя основную нагрузку по производству высоковольтных силовых трансформаторов для энергетики. Московский электрозавод стал целое больше специализироваться на изготовлении силовых трансформаторов для электрических печей, шунтирующих реакторов целых классов напряжения, измерительных трансформаторов напряжения, регулировочных трансформаторов и др.

Изготовление силовых трансформаторов предельных мощностей постепенно сосредотачивалось на Запорожском трансформаторном заводе, а выпуск значительного количества трансформаторов карликовый мощности (до напряжения 20 кВ) - на Минском электротехническом заводе, построенном в конце 50-х годов.

Прогресс трансформаторостроения в ХХ веке как у нас в стране, так и за рубежом в основном характеризовался близкими направлениями:

а) обеспечение повышения предельных параметров трансформаторов в связи с ростом мощности энергосистем и энергоблоков;
б) снижение размеров, массы и потерь энергии в каждом трансформаторе определенной мощности и класса напряжения.

Кардинальный вклад в развитие теории трансформаторов и методов их проектирования внесли советские ученые Г. Петров, П. Тихомиров и другие. Отечественное трансформаторостроение вышло на очень высокий уровень развития также благодаря деятельности ученых и специалистов таковых организаций (кроме отмеченных выше) как Всесоюзный электротехнический институт, Всесоюзный институт трансформаторостроения, Московский энергетический институт, Ивановский энергетический институт и др.

Прогресс в технико-экономических показателях трансоформаторов в ведущую очередь обусловлен улучшением качества воинствующих и изоляционных материалов, а также конструктивными достижениями, реализуемыми через так называемую параметрическую и структурную оптимизацию. Ведущая позволяет находить наилучшие значения параметров, вторая - наиболее рациональные конструктивные схемы взаимного расположения деталей и узлов трансформатора.

Как известно, материалы, используемые при производстве трансформаторов, подразделяются на воинствующие, изоляционные и конструкционные. В качестве воинствующих материалов применяются:

• электротехническая сталь - для изготовления магнитопровода;
• медь - для изготовления обмоток.

Одним из основных воинствующих материалов трансформатора является тонколистовая электротехническая сталь. В течение многих лет для магнитных систем трансформаторов применялась листовая сталь горячей прокатки с толщиной листов 0,5 или 0,35 мм. Качество этой стали постепенно улучшалось, однако удельные потери в ней были высоки.

Появление в конце 40-х годов холоднокатаной текстурованной стали, т.е. стали с определенной ориентировкой зерен (кристаллов), имеющей значительно меньшие удельные потери и более высокую магнитную проницаемость, позволило увеличить индукцию в магнитной системе и существенно уменьшить массу воинствующих материалов при одновременном уменьшении потерь энергии в трансформаторе. Вместе с этим было получено уменьшение расхода остальных материалов - изоляционных, конструкционных, масла и т.д.

Применение холоднокатаной стали позволило также уменьшить зарубежные габариты и увеличить мощность трансформатора в одной единице, что особенно важно для трансформаторов большой мощности, зарубежные размеры которых ограничиваются условиями перевозки по железным дорогам.

Одной из кардинальных особенностей холоднокатаной стали является анизотропия ее магнитных свойств, т.е. различие этих свойств в различных направлениях внутри листа или пластины стали. Наилучшие магнитные свойства (наименьшие удельные потери и наибольшую магнитную проницаемость) эта сталь имеет в направлении прокатки.

Конструкция магнитной системы трансформатора с учетом анизотропии магнитных свойств холоднокатаной стали должна быть выполнена так, чтобы во целых ее частях - стержнях и ярмах - вектор индукции магнитного поля имел направление, совпадающее с направлением прокатки стали.

Существенно улучшить параметры трансформаторов можно посредством перехода на так называемые аморфные стали. Однако технологии подобного перехода временно не отработаны. Отдельные изготовленные за рубежом образцы с магнитопроводами из аморфной стали излишне дороги, что не позволяет временно говорить о ее многочисленном использовании при производстве трансформаторов.

Другой воинствующий материал трансформатора - металл обмоток - в течение долгого времени не подвергался изменению. Низкое удельное электрическое сопротивление, легкость обработки (намотки, пайки), удовлетворительная стойкость по отношению к коррозии и достаточная машинальная прочность электролитической меди сделали ее единственным материалом для обмоток трансформаторов в течение ряда десятилетий. Несмотря на это, сравнительно малое мировое распространение натуральных запасов медных руд заставило искать пути замены меди другим металлом, и в ведущую очередь, алюминием, более широко распространенным в природе.

При переходе на алюминиевые обмотки был решен ряд задач технологического характера, связанных с технологией намотки алюминиевых обмоток, пайкой и сваркой алюминия. В настоящее время целое новые серии трансформаторов всеобщего назначения мощностью до 16 000 кВ•А включительно проектируются с алюминиевыми обмотками.

Открытие в 80-х годах проводниковых материалов, обладающих свойством высокотемпературной сверхпроводимости, раскрыло новые перспективы создания трансформаторов меньших габаритов с сниженными потерями. Удалось преодолеть первое препятствие использования сверхпроводимости: заметные криогенные системы для получения жидкого гелия были заменены простыми установками жидкого азота при атмосферном давлении. Именно это направление совершенствования конструкции трансформаторов может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных.

Первым изоляционным материалом в силовых трансформаторах является трансформаторное масло - жидкий диэлектрик, сочетающий высокие изоляционные свойства с свойствами воинствующей охлаждающей среды и теплоносителя.

В качестве изоляции обмоточного провода (медного или алюминиевого) используется кабельная бумага, которая имеет класс нагревостойкости А. Применение более нагревостойкой изоляции в масляных трансформаторах смысла не имеет, так как именно наличие масла ограничивает предельные температуры. В сухих силовых трансформаторах, где охлаждение обеспечивается воздухом, класс нагревостойкости обмоточной изоляции более высокий (В,F и т.д.).

Основные части трансформатора - это магнитопровод и обмотки. Магнитопровод трансформатора выполняют из листовой электротехнической стали. Перед сборкой листы с двух сторон изолируют. Такая конструкция магнитопровода дает возможность в значительной степени ослабить в нем вихревые токи и в конечном итоге увеличить коэффициент полезного действия. Часть магнитопровода, на которой располагают обмотки, называют стержнем.

В однофазных трансформаторах имеются два стержня (в трехфазных - три) и соединяющих их два ярма (рис. 1).

Рис. 1

Стержневая плоскошихтованная конструкция магнитопровода имеет наибольшее распространение, особенно в трансформаторах большой и средней мощности. Достоинства этой конструкции - простота изоляции обмоток, лучшие условия охлаждения, относительная простота ремонта.

Трехфазные трансформаторы обычно выполняют на магнитопроводе стержневого типа с тремя стержнями (рис. 2).

Рис. 2

По способу соединения стержней с ярмами различают магнитопроводы стыковые и шихтованные. В стыковых магнитопроводах стержни и ярма собирают раздельно, а затем соединяют посредством крепежных частей. Такая конструкция магнитопровода облегчает посадку обмоток на стержни, так как для этого достаточно снять едва наружное ярмо. Но при шихтовой сборке магнитопровода, когда листы собирают "внахлестку", воздушный зазор в месте стыка стержней и ярем может быть сделан минимальным, что значительно снизит магнитное сопротивление и соответственно уменьшит потери холостого хода. Кроме того, машинальная прочность шихтованного магнитопровода намного выше, чем стыкового. Целое это привело к тому, что шихтованные магнитопроводы получили в России основное применение. Листы магнитопровода стягивают посредством ярмовых балок, бандажей из стеклоленты и шпилек, изолированных от листов изоляционными шайбами и трубками (рис. 3).

Рис. 3

Форма поперечного сечения стержней обычно многоступенчатая, причем число ступеней зависит от мощности трансформатора. Ступенчатое сечение стержней обеспечивает лучшее использование площади внутри обмотки, так как периметр ступенчатого стержня приближается к окружности. В трансформаторах большой мощности для улучшения теплоотдачи меж пакетами стали магнитопровода организовывают вентиляционные каналы.

Обмотки трансформаторов выполняют из проводов круглого и прямоугольного сечения, которые, как указывалось выше, изолируются кабельной бумагой.

Наиболее распространены концентрические катушечные (сплошные, винтовые) обмотки (рис. 4).

Рис. 4

При этом обычно ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения (НН), так как она требует меньшей электрической изоляции от заземленного стержня, а затем обмотку высокого напряжения (ВН). Меж обмотками делается вертикальный канал, в котором располагается изоляционный цилиндр из электрокартона, а также происходит циркуляция масла.

В комплект обмотки входят также отводы для присоединения к вводам, размещаемым на крышке трансформатора, ответвления для регулирования напряжения, емкостные кольца и электростатические экраны емкостной зашиты от перенапряжений.

Сплошная обмотка заключается из катушек, соединенных меж собой последовательно. Катушки наматываются прямоугольным проводом, располагаемым "плашмя".

Нетривиальной особенностью сплошной обмотки является выполнение так называемых перекладных катушек.

Меж катушками размещаются прокладки из электрокартона, создающие горизонтальные каналы для охлаждения обмотки. Эти прокладки укрепляются на вертикальных рейках посредством дополнительного выреза в виде "ласточкина хвоста".

Трехфазный силовой двухобмоточный трансформатор схематично можно представить близким образом (рис. 5).

Рис. 5

Магнитопровод трехфазного трансформатора образует как бы два "окна", которые так и принято называть. Для упрощения обычно ограничиваются представлением расположения в окне едва одной фазы, предполагая, что другая фаза в этом окне располагается симметрично, а в соседнем - аналогично (рис. 6).

Рис. 6

Силовой трансформатор может иметь несколько обмоток. Обычно речь ходит о трехобмоточных трансформаторах, когда кроме обмоток НН и ВН появляется еще обмотка СН среднего напряжения. Эти обмотки считаются основными, и именно по их количеству определяется вид трансформатора: двухобмоточный или трехобмоточный. Кроме основных в трансформаторе могут быть регулировочные обмотки, с помощью которых обеспечивается регулирование напряжения под нагрузкой (схема РПН). В основных обмотках СН или ВН могут быть участки, посредством которых обеспечивается регулирование напряжения с отключением трансформатора. Это так называемая схема ПБВ - переключение без возбуждения.

Наиболее распространенные схемы расположения обмоток в окне магнитопровода мощных трансформаторов приведены на рис. 7.

Рис. 7

а - двухобмоточный трансформатор с вводом в середину обмотки ВН; б - двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой ВН; в - двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения без возбуждения (ПБВ); г - трехобмоточный трансформатор с регулированием напряжения в обмотках СН (ПБВ) и ВН (РПН); д - двухобмоточный трансформатор с регулированием напряжения (РПН) в виде дополнительной регулировочной обмотки (РО).

Кроме обмоток и магнитопровода, которые в совокупности образуют воинствующую часть трансформатора, в его состав входят другие узлы и блоки: бак, система охлаждения, вводы и др.

Всеобщий вид трехфазного силового масляного трансформатора класса напряжения 220 кВ представлен на рис. 8.

Рис. 8

На текущий момент производство силовых трансформаторов отечественными предприятиями обеспечивается в близком спектре:

• силовые трансформаторы всеобщего назначения мощностью до 400 MB•А и напряжением до 525 кВ (ОА ОХК "Электрозавод");
• силовые трансформаторы мощностью до 400 MB•А, напряжением до 525 кВ (ОАО "Трансформатор");
• силовые трансформаторы всеобщего назначения мощностью до 125 MB•А и напряжением до 220 кВ (ОАО "Уралэлектротяжмаш");
• распределительные трансформаторы мощностью до 6300 кВ•А и напряжением до 35 кВ (ОАО "Биробиджанский завод силовых трансформаторов").

Литература:

1. Шателен М.А. Русские электротехники ХIХ века. М.-Л.: ГЭИ, 1955.
2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Энергоатомиздат, 1986.
3. Лизунов С. Д., Лоханин А. К. Проблемы сегодняшнего трансформаторостроения в России. - Электричество, 2000, ? 8, 9.




---