Ничто не берется ниоткуда и не исчезает никуда. Это логичное выражение в полной мере применимо к электричеству, ведь огромные предприятия и маленькие дома питаются электроэнергией, выработанной генераторами электростанций. О том, каким образом энергия поступает от источника к потребителям, рассказывалось в прошлой статье. В ней же говорилось о трансформаторных подстанциях и распределительных пунктах. Какую роль они играют в процессах производства, передачи и распределения энергии? И каков принцип их работы? Именно этим важным элементам системы электроснабжения посвящена данная тема.
Начнем с простейшего – трансформаторов. Принцип работы этих электрических машин основан на законе Фарадея: при изменении (во времени или пространстве) магнитного поля внутри витка, согнутого из проводника, в этом витке индуцируется электродвижущая сила, в просторечии – напряжение. Однако для трансформации переменного тока этот закон был впервые использован более сорока лет спустя, когда Яблочков получил патент на трансформатор в 1876 году. Простейший трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух электрических обмоток. Внутри магнитопровода проходит магнитное поле, по обмоткам течет ток. Для снижения нагрева и потерь мощности сердечник комплектуется из тонких пластин толщиной около 0.5 мм. Пластины изготовляют из электротехнической стали и изолируют друг от друга лаком, это позволяет снизить вихревые токи. Обмотки высшего и низшего напряжения наматывают вплотную друг к другу для максимально эффективного использования магнитного поля, так что привычная многим схема имеет мало общего с реальностью.
Схематическое изображение трансформатора. У настоящих экземпляров обмотки наматываются поверх друг друга
Так как же, например, трансформатор позволяет понижать напряжение с 10 000 В до используемых в многоквартирных домах 400 В? Первичная обмотка (высшего напряжения) подключается к питающим кабелям 10 кВ, идущим от подстанции. Ток в этой обмотке создает магнитное поле, точнее, магнитный поток, который протекает в сердечнике. Этот магнитный поток, проходя через витки вторичной обмотки, индуцирует в ней напряжение 400 В. Разница в величине напряжения объясняется различным количеством витков на обмотках: «входная» обмотка 10 кВ с бόльшим количество витков создает мощное переменное магнитное поле. На «выходной» обмотке количество витков примерно в 25 000 раз меньше, соответственно, магнитный поток создает напряжение в 25 000 раз меньше, то есть 0.4 кВ.
Сердечник (магнитопровод) трансформатора
Трансформаторы устанавливаются на трансформаторных подстанциях (ТП), преобразующих напряжение до уровня потребителя. Главные понижающие подстанции (ГПП) преобразуют напряжение уровня энергосистемы и комплектуются самыми мощными трансформаторами (32-80 МВ·А). На подстанции глубокого ввода (ПГВ) может подаваться напряжение 10 кВ (чаще) или 330 кВ (редко). ПГВ используются на мощных предприятиях и встраиваются непосредственно в самый энергоемкий цех. Дальнейшее распределение энергии по предприятию идет от ПГВ. Комплектные трансформаторные подстанции (КТП) часто рассчитаны на напряжение 10 кВ и поставляются производителями оборудования собранными, т.е. с установленными трансформаторами, изоляторами, выключателями, распредустройствами, ограничителями напряжения и т.п.
Существует два схожих понятия: распределительный пункт (РП) и распределительное устройство. Последние представляют собой электроустановку, входящую в состав подстанции, принимающую и распределяющую электрическую энергию на одном напряжении. Распределительный пункты же не входят в состав ТП, а подключаются к распредустройствам и служат для последующего распределения энергии по мелким потребителям. Это и обусловливает рекомендации по их размещению – как можно ближе к потребителю. Простейший пример распределительных пунктов 0.4 кВ – распределительные панели, шкафы и щиты, силовые ящики и пункты (СП), а также щитки освещения. Принцип работы распределительных пунктов 0.4-10 кВ и устройств основан на первом законе Кирхгофа, который гласит, что сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из этого узла (вспомним афоризм в начале статьи). Условно говоря, если трансформатор выдает 600 А для питания нескольких распределительных пунктов, то токи в любом из этих пунктов, если они подключены к нагрузке, не могут превышать 600 А. Распределительные пункты 10-0.4 кВ комплектуются автоматами защиты от перегрузок и коротких замыканий, коммутационными аппаратами, измерительными приборами и могут поставляться собранными, подобно КТП.
Силовой распределительный пункт 0.4 кВ. От каждого предохранителя на фазах питается разная нагрузка
Схема, демонстрирующая различные уровни среднестатистической системы электроснабжения
Выбор оборудования трансформаторных подстанций и распределительных пунктов определяется нагрузкой. Так, например, модернизация деревообрабатывающего предприятия в Мостах в 2013 году повлекла за собой реконструкцию подстанции 110 кВ, в которую входила установка новых трансформаторов на 40 МВ·А, четырех секций закрытого распредустройства 10 кВ, и распределительного пункта на это же напряжение.
Знали ли вы, что в истории 27-километрового большого адронного коллайдера, (БАК) крупнейшего в Солнечной системе ускорителя частиц, была парочка инцидентов, связанных с трансформаторами? В 2008 году причиной отказа криогенных систем, поддерживающих температуру в -271°С, стал неисправный трансформатор на 12 МВ·А весом 30 тонн. Годом позже птица уронила кусок хлеба в вентиляционное отверстие, и упавшая на изоляторы французская булка снова вывела из строя криосистемы. Через 7 лет спустя пробравшийся в трансформатор 66 кВ хорек на неделю отключил коллайдер. И, наконец, еще через полгода очередной хорек, пробравшийся на ТП, питающую БАК, отключил трансформатор на 18 кВ.
Для того, чтобы исключить вероятность неисправности ваших ТП и распределительных пунктов, можно обратиться в лабораторию электрофизических измерений ТРМсила-М, имеющую многолетний опыт измерений в электроэнергетике.
знакомству