Vysokonapěťový transformátor bez vnějšího obalu ve výrobním a zkušebním závodě

Transformátor je klíčové elektrické zařízení přenosové nebo distribuční soustavy umožňující změnu střídavého napětí. Každý transformátor pracuje na principu elektromagnetické indukce, objevené Michaelem Faradayem. Její princip spočívá v tom, že pokud se vodivá smyčka nachází v magnetickém poli, napětí indukované ve smyčce je přímo úměrné změně magnetického toku. Ten se může vytvářet permanentním magnetem nebo primární cívkou s protékajícím stejnosměrným proudem a jeho změna je docílena vzájemným pohybem cívek, jako je to například u generátorů. Druhým způsobem vytvoření měnícího se magnetického pole je využití statické primární cívky, kterou protéká střídavý proud o určité frekvenci. V obou případech je ve druhé, sekundární cívce indukováno napětí, jehož výše závisí na počtu závitů a konstrukci transformátoru.

Třífázový výkonový transformátor v elektrické stanici

Zvyšování a snižování napětí přenášené elektrické energie se uskutečňuje z důvodu minimalizace Joulových ztrát. Energie vyrobená ve velké elektrárně má napětí několik tisíc voltů a z jejich generátorů teče opravdu velký proud. Kdybychom chtěli tuto energii přenést třeba přes půlku republiky, ztráty by byly obrovské. Je to z důvodu kvadratické závislosti ztrát na protékajícím proudu. Aby se ztráty snížili, je třeba maximálně snížit proud transportované energie. To je možné, při zachování stejného výkonu, zvýšením napětí. Ke slovu přichází blokové transformátory zvedající napěťovou úroveň přenosových linek na 400 (případně 220) kilovolt. Přenosové linky jsou vysoké, masivní, přenášejí velké množství energie, ale už se nehodí k následné distribuci elektřiny.

Distribuční transformátor měnící vysoké napětí na úroveň nízkého napětí 400 V je umístěn na dvou betonových sloupech

Na rozhraní přenosové a distribuční soustavy proto pracují systémové propojovací transformátory, snižující napěťovou úroveň transportované energie na v našich podmínkách standardních 110 kV. Touto sítí velmi vysokého napětí je energie distribuovaná do dalších uzlů, kde je opětovně snížena na úroveň vysokého napětí (od 10 do 35 kV). Vysokonapěťových linek je podstatně víc, takže proudy jimi protékající jsou menší. Poslední změna napětí probíhá v distribučních transformátorech, ze kterých již paprskovitě vystupují vedení nízkého napětí 400 V. Do této distribuční sítě je zapojena převážná většina odběratelů elektrické energie.

Jak je vidět, napětí transportované energie se při její dopravě mění přibližně 1000krát. Takže, kdybychom chtěli přenášet elektrickou energii na distribuční napěťové úrovni 400 V, nebylo by to vůbec možné, protože by vedením tekl 1000krát větší proud a ztráty by byly milionkrát větší.

V jednoduchém jádrovém typu transformátoru má každá cívka své vlastní jádro

Transformátor se skládá ze dvou základních částí – magnetického obvodu a vinutí. Magnetický obvod uzavírá magnetický tok a tvoří jádro transformátoru. Jádro by mělo být z kovového materiálu a obyčejně je vyskládáno z izolovaných elektrotechnických plechů s příměsí křemíku tlustých kolem 0,5 mm. Složité skládání jádra je dáno částečnou eliminací ztrát vířivými (Foucaultovými) proudy, které by vznikaly v magnetickém obvodu z pevného jednolitého materiálu. Příměs křemíku zvyšuje elektrický odpor plechů a také přispívá ke snížení ztrát.

Když má primární i sekundární cívka vlastní magnetické jádro (sloupek) a ty jsou nahoře a dole propojeny spojkou do uzavřeného obdélníku, vzniká jádrový typ transformátoru (magnetického obvodu). Pokud jsou jádra tři a obě cívky jsou navinuty na prostředním jádru, jedná se o plášťový typ transformátoru. Magnetický tok u tohoto transformátoru prochází středovým jádrem s cívkami a uzavírá se přes obě krajní jádra bez cívek. Kombinací těchto typů jsou většinou třífázové distribuční transformátory se společným magnetickým systémem, které mají také tři sloupky magnetických jader, ale na každém sloupku jsou navinuty primární i sekundární cívky pro každou fázi.

Měděné vinutí tří cívek, tři průchodky vysokého napětí a čtyři průchodky nízkého napětí charakterizují třífázový transformátor v zapojení Dy

Vinutí cívek transformátorů je většinou tvořeno měděnými izolovanými vodiči navinutými v několika vrstvách. U plášťových transformátorů je na centrálním jádru většinou kompletně navinuta primární cívka a na ní pak sekundární. Existují i transformátory, u kterých se po délce centrálního jádra postupně střídají kotouče patřící k primární a k sekundární cívce. Konce obou vinutí jsou z transformátorové nádoby vyvedeny porcelánovými izolačními průchodkami. Kolik konců neboli průchodek je, záleží na způsobu zapojení vinutí transformátoru. Nejznámějšími způsoby jsou zapojení do hvězdy (na štítku označen písmenem Y nebo y) a zapojení do trojúhelníku (na štítku označen písmenem D nebo d). Velkými písmeny se obyčejně označují svorky vyššího napětí a malými písmeny svorky nižšího napětí. Vinutí zapojené do hvězdy dávají dvě hodnoty napětí (sdružené a fázové), zatímco výstupem trojúhelníkového zapojení je jen napětí sdružené.

Zapojení Yy se využívá u distribučních transformátorů převádějící VVN na VN. Výhodou tohoto zapojení je jednodušší konstrukce a výroba transformátoru, podmínkou použití je ale víceméně rovnoměrné zatížení každé fáze. Distribuční transformátory VVN/VN se používají ještě v zapojení Yyd s doplňkovou terciální cívkou zapojenou do trojúhelníku, která se využívá na případnou kompenzaci nesymetrie, napájení vlastní spotřeby nebo jako rezervní napájení a místo měření.

Proces navíjení transformátorových cívek z lakovaného izolovaného měděného drátu

Vysoké napětí se krajem rozvádí pomocí tří vodičů, ale rozvody spotřebitelského nízkého napětí je rozváděno čtyřmi vodiči. Z toho vyplývá způsob zapojení koncových distribučních transformátorů VN/NN, kterých cívky jsou zapojeny ve tvaru Dy – vysoké napětí do trojúhelníku, nízké napětí do hvězdy (400/220 V). Kromě klasické hvězdy existuje i zapojení do lomené hvězdy (označované z), využívající pro každou fázi dvojici analogických sekundárních cívek navinutých na dvou různých sloupcích magnetického jádra. Zapojení Dz vyrovnává nerovnoměrnosti fázových odběrů elektřiny, čímž zajišťuje symetrii jejího odběru v třífázovém distribučním vedení.

Důležitý je poměr počtu závitů primární a sekundární cívky udávající převod transformátoru (transformační poměr). Převod vyjadřuje nejen poměr závitů, ale i poměr vstupního a výstupního napětí a obrácený poměr vstupního a výstupního proudu.

Výroba měděných cívek výkonových distribučních transformátorů ve výrobním závodě

Transformační poměr lze vyjádřit vztahem:

P = N_p/N_s = U_p/U_s = I_s/I_p

Kde:
P – je transformační poměr,
N – je počet závitů,
U – je napětí a
I – je proud protékající cívkami.
Index p – znamená primární,
Index s – znamená sekundární.

Velký třífázový výkonový transformátor propojující přenosovou a distribuční soustavu

Při přenosu a distribuci elektrické energie se můžeme setkat s jednofázovými nebo třífázovými transformátory. Jednofázové se používají v případě, když je třeba transformovat velké výkony a společný transformátor pro všechny tři fáze by byl neskutečně veliký, což by komplikovalo jak dopravu, tak obsluhu a údržbu. Menší transformátory jsou třífázové se společným magnetickým systémem a společným chlazením.

Distribuční transformátor 110 kV/22 kV je instalován v boxu nové rozvodny a čeká na zapojení

Velké transformátory propojující přenosovou a distribuční soustavu (stejně jako transformátory vlastní spotřeby) často disponují automatickou regulací sekundárního napětí. K tomu slouží speciální regulátory napětí, které podle aktuálního stavu automaticky přepínají odbočky. Menší distribuční transformátory mají jen ruční přepínač odboček sekundárního vinutí. Speciálním transformátorem, využívaným při přenosu elektřiny především k řízení výkonových toků v síti, je transformátor s regulací fáze (Phase Shifting Transformers PST). Slouží k přerozdělení toku výkonu mezi dvě paralelní větve a tím k odlehčení úzkých míst soustavy. Tyto aktivní regulační transformátory nachází v dnešní době uplatnění hlavně v souvislosti s nárůstem výkonů nepředvídatelných obnovitelných zdrojů.

Expanzní nádoba transformátorového oleje a horní část radiátorů pro jeho chlazení

Velké výkonové transformátory musí být účinně chlazeny. Při velkých transformačních výkonech i nepatrné procento ztrát znamená značné ohřívání jádra a cívek. To může negativně ovlivňovat životnost izolace vinutí a tím i bezpečnost provozu. Proto je celá konstrukce transformátoru ponořena do transformátorového oleje, většinou získaného frakční destilací ropy, který generované teplo účinně odvádí do okolního prostředí. U menších transformátorů je využita přirozená konvekce, ale ty výkonové většinou používají nucený oběh oleje a jeho ochlazování v externích chladičích. Každý transformátor musí mít také expanzní nádobu, která vyrovnává kolísání objemu chladicího oleje v závislosti na jeho ohřátí.

Rozborem odebraných vzorků transformátorového oleje lze poměrně přesně zjistit aktuální stav provozovaného zařízení. Provoz chladicího systému transformátoru je řízen teplotními čidly osazenými v různých částech zařízení. Menší distribuční transformátory nízkého napětí jsou přirozeně chlazeny okolním vzduchem.