Трансформаторы, как статические электрические устройства, используют принцип электромагнитной индукции для преобразования определенного значения переменного напряжения или тока в другое или несколько различных значений напряжения или тока той же частоты. Они играют незаменимую ключевую роль в передаче и распределении электрической энергии. Являясь ключевым оборудованием в энергосистеме, трансформаторы работают в координации с железным сердечником и обмоткой для передачи электрической энергии с первичной стороны на вторичную посредством преобразования электромагнитной энергии, а также увеличения или уменьшения напряжения в соответствии с потребностями передачи и распределения. Во всей цепочке производства, передачи и распределения электроэнергии мощность трансформаторов обычно более чем в три раза превышает мощность генераторов, и их производительность напрямую влияет на эффективность работы и стабильность энергосистемы.
С точки зрения базовой конструкции трансформаторы в основном состоят из двух основных компонентов: железного сердечника и обмотки. Кроме того, они также включают масляные баки, изоляционные компоненты,переключатели ответвленийи различные защитные устройства. Железный сердечник — это часть магнитной цепи трансформатора, которая обеспечивает замкнутую магнитную цепь с низким магнитным сопротивлением для эффективной передачи магнитной энергии между первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи и гистерезис внутри железного сердечника, железный сердечник обычно изготавливается из холоднокатаных листов кремнистой стали, изолированных на поверхности. Листы кремниевой стали стали предпочтительным материалом для изготовления железных сердечников из-за их превосходной магнитной проводимости и низких потерь. Обмотка — это часть цепи трансформатора, состоящая из скрученных вместе проводов. Обмотка, подключенная к источнику питания, называется первичной обмоткой, а обмотка, подключенная к нагрузке, — вторичной. Обмотка должна иметь высокую термостойкость, механическую прочность и хорошие условия отвода тепла, чтобы обеспечить надежную работу трансформатора. Нельзя оставить без внимания и систему утепления. Его основная функция — обеспечить электрическую изоляцию между частями, находящимися под напряжением, предотвратить короткие замыкания, дуги и неисправности, а также сыграть важную роль в термической стабильности и общем сроке службы трансформаторов.
Технические характеристики трансформаторов обычно отражаются различными параметрами, указанными на заводской табличке. Данные паспортной таблички в основном включают в себя номинальную мощность, номинальное напряжение и его ответвление, номинальную частоту, группу соединений обмоток и данные номинальной производительности, такие как полное сопротивление, ток холостого хода, ток холостого хода, потери нагрузки холостого хода и потери нагрузки. Номинальная мощность означает гарантированную полную выходную мощность трансформатора в номинальных условиях эксплуатации, измеряемую в киловольт-амперах; Номинальное напряжение определяет рабочее напряжение, которое трансформатор может выдерживать при длительной-работе. Чтобы адаптироваться к изменениям напряжения в электросети, на стороне высокого-напряжения трансформатора обычно устанавливается отвод, а выходное напряжение на стороне низкого-напряжения регулируется путем регулирования количества витков обмотки высокого-напряжения. Отсутствие потерь нагрузки относится к активной мощности, потребляемой номинальным напряжением, приложенным к первичной стороне трансформатора, когда вторичная сторона разомкнута. Этот показатель тесно связан с производительностью и процессом производства листа из кремнистой стали с железным сердечником; Потери нагрузки относятся к мощности, потребляемой при коротком замыкании вторичной обмотки и номинальном токе, подаваемом на первичную обмотку. Напряжение импеданса отражает характеристики внутреннего импеданса трансформаторов и имеет большое значение для параллельной работы и проектирования защиты от короткого замыкания.
С точки зрения типов продуктов,трансформаторыИх можно разделить на две категории в зависимости от различных охлаждающих сред: масляные трансформаторы и трансформаторы сухого-типа. В масляных трансформаторах в качестве изоляционной и охлаждающей среды используется минеральное или синтетическое масло. Трансформаторное масло обладает превосходными электроизоляционными характеристиками, что позволяет эффективно изолировать обмотки высокого-напряжения от обмоток низкого-напряжения, предотвращать пробой дуги и становиться эффективной средой рассеивания тепла благодаря своей высокой удельной теплоемкости. Он может отводить тепло, выделяемое железным сердечником и обмоткой, во внешнюю среду. Конструкция масляного трансформатора включает шесть основных модулей: систему железного сердечника, систему обмотки, систему изоляции, систему масляного бака, систему охлаждения и защитное устройство. В энергосистеме масляные трансформаторы выполняют такие ключевые задачи, как преобразование напряжения, передача и распределение электроэнергии. Их функция охватывает всю энергетическую цепочку: от повышения напряжения на стороне генерации до регулирования напряжения в линии передачи, а затем до адаптации напряжения на стороне распределения. Масляные трансформаторы в основном используются на открытом воздухе или в приложениях, требующих высокой удельной мощности и длительной-работы, например на крупных подстанциях, системах передачи электроэнергии и объектах тяжелой промышленности.
Противоположностью масляных трансформаторов являются трансформаторы сухого-типа, в которых в качестве изоляции и охлаждающей среды используется воздух или другие сухие газы. Из-за отсутствия легковоспламеняющегося изоляционного масла трансформаторы сухого-типа обладают значительными преимуществами в пожарной безопасности и широко используются в помещениях, где требуется предотвращение пожаров и взрывов, например, в крупных коммерческих зданиях, больницах, станциях метро, высотных-зданиях и центрах обработки данных. Трансформаторы сухого типа обычно имеют небольшие размеры и подходят для установки в местах с ограниченным пространством, однако их твердые изоляционные материалы имеют относительно ограниченные возможности теплопередачи и иногда требуют дополнительных систем охлаждения для поддержания нормальной рабочей температуры. С точки зрения затрат первоначальные инвестиции в трансформаторы сухого-типа обычно выше, чем в трансформаторы с масляным погружением, но из-за более простого обслуживания и отсутствия регулярной замены изоляционного масла они могут иметь лучшую экономическую рентабельность при длительной-эксплуатации. При выборе конкретного проекта выбор трансформаторов масляного или сухого-типа обычно требует всестороннего рассмотрения различных факторов, таких как сценарии применения, условия окружающей среды, требования противопожарной безопасности и бюджетные ограничения.
Процесс производства трансформаторов является ключевым фактором, определяющим их производительность и надежность. Полный производственный процесс охватывает такие основные процессы, как производство изоляционных компонентов, производство катушек, производство железных сердечников, производство топливных баков и структурных компонентов, а также окончательную сборку. Процесс производства железных сердечников в основном включает продольную и поперечную резку листов кремнистой стали, укладку и связывание железных сердечников, а также изоляционную герметизацию торцов железных сердечников. Современный процесс укладки железных сердечников использует пневматическую переворачивающуюся и стоячую платформу для укладки, а также специально разработанное позиционирующее приспособление, обеспечивающее прочное соединение железной стружки, тем самым снижая потери и шум. Производство катушек включает в себя такие этапы, как намотка, сушка, вакуумное литье или пропитка, отверждение и выравнивание катушек высокого и низкого напряжения. При производстве трансформаторов сухого-типа особенно важен процесс вакуумного литья катушек высокого-напряжения. Эпоксидная смола полностью проникает внутрь катушки в условиях вакуума и после отверждения образует плотный твердый изоляционный слой, значительно улучшая изоляционные характеристики и устойчивость изделия к короткому замыканию. Процесс окончательной сборки включает в себя разборку и сборку железного сердечника, сборку катушки, крепление зажима, заводские испытания и установку аксессуаров, и каждый этап требует строгого контроля качества. Для масляных трансформаторов одинаково важны сушка корпуса, обработка трансформаторным маслом и процесс вакуумной масляной иммерсии, поскольку эти процессы напрямую влияют на уровень изоляции и срок службы изделия.
Благодаря постоянному содействию трансформации глобальной энергетической структуры и цифровой модернизации промышленности, трансформаторная отрасль претерпевает глубокие изменения. В макроконтексте цели «двойного углерода» высокая эффективность и энергосбережение стали основными направлениями развития трансформаторных технологий. В Плане реализации высококачественной разработки энергосберегающего оборудования (2026-2028), опубликованном Министерством промышленности и информационных технологий Китая, четко поставлена количественная цель по добавлению более 75 % высокоэффективных энергосберегающих-трансформаторов и достижению 15 % количества находящихся в эксплуатации энергосберегающих-трансформаторов к 2028 году. Возможности производства высоко-эффективных и энергосберегающих-трансформаторов неуклонно растут, а доля рынка низко-углеродистой продукции, такой как трансформаторы из аморфных сплавов и трехмерные трансформаторы с намотанным железным сердечником, постепенно расширяется. Если взять в качестве примера аморфные сплавы, то их характеристики намагничивания намного лучше, чем у традиционной кремниевой стали, что может снизить потери холостого хода распределительных трансформаторов на 60–70%. По мере развития отраслевой цепочки их экономика становится все более заметной. В то же время ускоряется тенденция замены минерального масла экологически чистыми изоляционными материалами. Разлагаемые изоляционные жидкости с высокой температурой воспламенения, такие как натуральное эфирное масло, постепенно заменяют традиционное минеральное масло в соответствии с высокими требованиями пожарной безопасности. Некоторые продукты достигли прорывного прогресса в сокращении выбросов углекислого газа на 98% и скорости биоразложения на 100%.
Интеллект также является важным направлением развития трансформаторной отрасли. Искусственный интеллект, большие данные и технологии Интернета вещей превращают традиционные преобразователи из пассивных «глупых устройств» в интеллектуальные терминалы, которые воспринимаются, анализируются, предсказуемы и интерактивны. Благодаря включению датчиков в трансформаторы для мониторинга многомерных переменных состояния, таких как цветовой спектр масла, частичный разряд, горячие точки обмотки и вибрация, в режиме реального-времени, а также использованию облачных цифровых двойников для прогнозирования тенденций старения изоляции и потенциальных неисправностей, режим эксплуатации и обслуживания переходит от традиционного «регулярного обслуживания» к «точному техническому обслуживанию». Основная ценность интеллекта заключается в прогнозировании состояния, подготовке к эксплуатации и техническому обслуживанию, что позволяет менеджерам по оборудованию принимать превентивные меры до возникновения сбоев, тем самым значительно повышая эксплуатационную надежность энергосистемы.
В контексте международной торговли понимание и соблюдение соответствующих международных стандартов и технических спецификаций является необходимым условием для экспорта трансформаторов. В настоящее время наиболее широко используемые стандартные системы во всем мире включают стандарты серии IEC 60076 Международной электротехнической комиссии, стандарты серии IEEE C57 США и национальные стандарты Китая серии GB/T 1094. Стандарт IEC подчеркивает глобальную универсальность и взаимозаменяемость и является основой для большинства стран и регионов для разработки собственных правил в отношении трансформаторов; Стандарты IEEE доминируют в США, Канаде и некоторых странах Латинской Америки, предъявляя более строгие требования к механической прочности и долгосрочной-безопасности при эксплуатации; Стандарт GB объединяет технические концепции IEC и адаптируется к условиям эксплуатации китайской электросети, а также включает дополнительные требования к испытаниям для особых условий работы, таких как высокая влажность и загрязнение окружающей среды. В разных стандартных системах существуют различия в уровне изоляции, пределе повышения температуры, устойчивости к короткому-замыканию и методах испытаний. Например, при тестировании импульса молнии продолжительность отключения, указанная IEC, отличается от диапазона, указанного IEEE, что отражает соображения запаса безопасности при различных технических путях. Для предприятий, занимающихся экспортом трансформаторов, точное определение системы стандартов, применимой к целевому рынку, и обеспечение соответствия продукции местным требованиям с точки зрения технического соответствия является ключевым условием для предотвращения торговых барьеров и обеспечения плавного хода проектов.
