Наши предки вышли из пещер, не имея ни малейшего представления об электричестве, и жили они в холоде и мраке. Однако, начиная с 18 века, человечество активно экспериментировало с таким непонятным явлением, как движение электронов в проводниках. Опыты Гальвани, Кулона, Эрстеда и многих других ученых открыли ящик Пандоры, и на данный момент невозможно представить цивилизацию без электричества.
Как известно, электроэнергия вырабатывается генераторами на разного рода электростанциях. Да, ничего лучше, чем связка турбина + генератор, человечество пока не придумало, солнченые батареи не в счет. Но как эту энергию передать потребителям, будь то завод имени Ленина или мы с вами? В этом поможет герой сегодняшней заметки – силовой трансформатор.
Потери электроэнергии, согласно закону Джоуля-Ленца, пропорциональны квадрату тока, соответственно, чем больше энергии мы хотим передать, тем большая ее часть будет потеряна. Однако электрическую мощность, которую потребляет условный утюг, можно представить как произведение тока на напряжение. Отсюда и появляется сама идея трансформатора – повышение напряжения позволяет снизить значение тока и уменьшить потери! Принцип работы очень прост – трансформатор получает по сети определенное значение напряжения на первичную обмотку и преобразует его в большую или меньшую сторону на вторичной обмотке.
Можно выделить 4 основных элемента трансформатора:
1) Магнитопровод;
2) Обмотки;
3) Корпус;
4) Изоляция и диэлектрическая среда.
Магнитопровод выполняется из тонких стальных листов с воздушными промежутками между ними. Это вызвано сильным магнитным полем внутри трансформатора, которое приводит к появлению нежелательных вихревых токов. Сам магнитопровод предназначен для, неожиданно, проведения магнитного потока, который в силу закона электромагнитной индукции создает ЭДС в обмотках трансформатора, благодаря чему в них протекает ток. Обмотки выполняются из хорошего проводника (медь или алюминий) и состоят из значительного количества витков. Математика проста – чем больше витков, тем больше суммарное напряжение обмотки. У классического трансформатора таких обмоток две – высшего и низшего напряжения, но тащем-то бывают трансформаторы с расщепленными обмотками, а также с обмотками среднего напряжения, что делается в целях экономии. Важно отметить, что трансформаторы выпускаются как типовые, например 10 на 0,4 кВ, который питает ваш дом, так и спроектированные под конкретные условия или заказчика.
Корпус трансформатора представляет собой металлический бак, на котором располагаются отводы и при необходимости радиаторы. Отводы необходимы для подключения трансформатора к сети, представляют собой провод и несколько изоляторов, как правило, из фарфора. Радиаторы нужны для охлаждения, ведь, как было сказано выше, потери пропорциональны квадрату тока, а вся потерянная энергия уходит на нагрев проводника. Чем мощнее трансформатор, тем массивнее и сложнее его система охлаждения, тем больше радиаторов установлено на баке. В некоторых случаях прибегают к водяной системе охлаждения, реализованной в виде отдельного контура с циркуляционными насосами. Внутри бака, кроме обмоток и магнитопровода, также располагается изоляция и диэлектрическая среда. Изоляция представляет собой слои электротехнической бумаги и/или картона, ее главная задача – предотвратить короткое замыкание между обмотками. Диэлектрическая среда же изолирует обмотки от корпуса.
Обычные трансформаторы имеют внутри масло, однако существует ряд альтернатив: элегаз (шестифтористая сера), воздух и, вы не поверите, жидкий азот. С первыми двумя все достаточно просто: воздух позволяет не делать корпус герметичным и значительно снижает массу трансформатора, но в силу меньших диэлектрических свойств применяется лишь на относительно низких напряжениях. Элегаз же позволяет сделать трансформатор компактнее при той же мощности, а также менее вреден для окружающей среды. Но самой интересным и перспективным вариантом является жидкий азот, ведь от вас наверняка скрыли существование высокотемпературных сверхпроводников – материалов, которые обладают сверхпроводимостью при температуре кипения жидкого азота! Складывая два и два получаем, что обмотку трансформатора можно выполнить из сверхпроводника, погрузить его в жидкий азот и… да, потерь практически не будет!
Так как я и сам своего рода ученый, то я пробовал рассчитать такой трансформатор. Результат не самый обнадеживающий – значительный эффект появляется лишь при больших мощностях, а ведь сверхпроводники еще и явно дороже меди, что сказывается на общей стоимости трансформатора. Тем не менее, сам эффект сверхпроводимости, как и высокотемпературные сверхпроводники, представляется очень перспективным в сфере энергетики.
Автор: Ярослав Мазуров.