Большинство людей, вероятно, слышали о трансформаторах и знают, что они являются частью все еще очевидной, но все еще загадочной электрической сети, которая поставляет электроэнергию в дома, на предприятия и в любое другое место, где требуется «сок». Но обычный человек воздерживается от изучения тонкостей подачи электроэнергии, возможно, потому, что весь процесс кажется скрытым в опасности. С юных лет дети учатся тому, что электричество может быть очень опасным, и все понимают, что провода любой энергокомпании держатся высоко вне досягаемости (или иногда прячутся в земле) по уважительной причине.

Но энергосистема на самом деле является триумфом человеческой инженерии, без которой цивилизация была бы неузнаваема по сравнению с той, в которой вы живете сегодня. Трансформатор является ключевым элементом в управлении и доставке электроэнергии от точки, в которой оно производится на электростанциях, до момента, когда он не попадает в дом, офисное здание или другое конечное место назначения.

Какова цель трансформатора?

Подумайте о дамбе, сдерживающей миллионы галлонов воды, чтобы сформировать искусственное озеро. Поскольку река, питающая это озеро, не всегда несет в район одно и то же количество воды, а ее воды имеют тенденцию повышаться весной после таяния снега во многих районах и отливания летом в более сухое время, любая эффективная и безопасная плотина должна быть оснащен устройствами, которые обеспечивают более точное управление водой, чем просто прекращение ее протекания до тех пор, пока уровень не поднимется настолько, что вода просто начнет проливаться на нее. Таким образом, дамбы включают в себя все виды шлюзовых ворот и другие механизмы, которые определяют, сколько воды будет проходить на выходной стороне плотины, независимо от величины давления воды на входной стороне.

Примерно так работает трансформатор, за исключением того, что материал, который течет, это не вода, а электрический ток. Трансформаторы служат для управления уровнем напряжения, протекающего через любую точку энергосистемы (подробно описанную ниже), таким образом, чтобы сбалансировать эффективность передачи с базовой безопасностью. Очевидно, что как для потребителей, так и для владельцев электростанции и энергосистемы финансово и практически выгодно предотвращать потери электроэнергии между выходом электроэнергии из электростанции и ее попаданием в дома или в другие пункты назначения. С другой стороны, если величина напряжения, протекающего через типичный высоковольтный силовой провод, не уменьшится перед входом в ваш дом, это приведет к хаосу и катастрофе.

Что такое напряжение?

Напряжение является мерой разности электрических потенциалов. Номенклатура может сбивать с толку, потому что многие студенты слышали термин «потенциальная энергия», что позволяет легко спутать напряжение с энергией. Фактически, напряжение - это электрическая потенциальная энергия на единицу заряда или джоули на кулон (Дж / с). Кулон является стандартной единицей электрического заряда в физике. Единственному электрону присваивают -1,609 × 10-19 кулонов, в то время как протон несет заряд, равный по величине, но противоположный по направлению (то есть положительный заряд).

Ключевым словом здесь, на самом деле, является «разница». Причиной того, что электроны текут из одного места в другое, является разница в напряжении между двумя контрольными точками. Напряжение представляет собой объем работы, который потребуется на единицу заряда, чтобы переместить заряд против электрического поля из первой точки во вторую. Чтобы получить представление о масштабе, знайте, что провода передачи на большие расстояния обычно имеют напряжение от 155 000 до 765 000 вольт, тогда как напряжение на входе в дом обычно составляет 240 вольт.

История Трансформера

В 1880-х годах поставщики электрических услуг использовали постоянный ток (DC). Это было чревато обязательствами, включая тот факт, что DC нельзя было использовать для освещения и было очень опасно, требуя толстых слоев изоляции. За это время изобретатель по имени Уильям Стэнли произвел индукционную катушку, устройство, способное создавать переменный ток (AC). В то время, когда Стэнли придумал это изобретение, физики знали о явлении переменного тока и его преимуществах с точки зрения энергоснабжения, но никто не смог придумать средства доставки переменного тока в больших масштабах. Индукционная катушка Стэнли будет служить шаблоном для всех будущих вариантов устройства.

Стэнли чуть не стал адвокатом, прежде чем решил работать электриком. Он начал в Нью-Йорке, прежде чем переехать в Питтсбург, где он начал работать над своим трансформатором. Он построил первую муниципальную систему переменного тока в 1886 году в городе Грейт Баррингтон, штат Массачусетс. После рубежа веков его энергетическая компания была куплена General Electric.

Может ли трансформатор увеличить напряжение?

Трансформатор может как увеличивать (повышать), так и уменьшать (уменьшать) напряжение, передаваемое через силовые провода. Это примерно аналогично тому, как кровеносная система может увеличивать или уменьшать кровоснабжение определенных частей тела в зависимости от потребности. После того, как кровь («сила») покидает сердце («силовая установка»), чтобы достичь ряда точек ветвления, она может попасть в нижнюю часть тела вместо верхней части тела, а затем в правую ногу вместо слева, а затем к тельцу вместо бедра и т. д. Это определяется расширением или сужением кровеносных сосудов в органах и тканях-мишенях. Когда на электростанции вырабатывается электричество, трансформаторы повышают напряжение с нескольких тысяч до сотен тысяч в целях передачи на большие расстояния. Когда эти провода достигают точек, называемых силовыми подстанциями, трансформаторы снижают напряжение до 10000 вольт. Вы, наверное, видели эти подстанции и их трансформаторы среднего уровня в своих путешествиях; Трансформаторы обычно размещаются в коробках и выглядят как холодильники, установленные на обочинах дорог.

Когда электричество покидает эти станции, что обычно происходит в разных направлениях, оно сталкивается с другими трансформаторами ближе к своей конечной точке в подразделениях, кварталах и отдельных домах. Эти трансформаторы снижают напряжение от менее 10000 вольт до значения около 240 - более чем в 1000 раз меньше, чем типичные максимальные уровни, наблюдаемые в проводах высокого напряжения большой длины.

Как электричество приходит в наши дома?

Трансформаторы - это, конечно, только один компонент так называемой электросети, название системы проводов, коммутаторов и других устройств, которые производят, отправляют и контролируют электроэнергию от того места, где оно генерируется, до места, где оно в конечном итоге используется.

Первым шагом в создании электрической энергии является вращение вала генератора. По состоянию на 2018 г. чаще всего это делается с использованием пара, выделяющегося при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть или природный газ. Атомные электростанции и другие «чистые» генераторы энергии, такие как гидроэлектростанции и ветряные мельницы, также могут использовать или производить энергию, необходимую для работы генератора. В любом случае, электричество, которое вырабатывается на этих станциях, называется трехфазной. Это связано с тем, что эти генераторы переменного тока вырабатывают электричество, которое колеблется между установленным минимальным и максимальным уровнем напряжения, и каждая из трех фаз смещена на 120 градусов от тех, которые находятся впереди и позади него во времени. (Представьте, что вы идете взад и вперед по 12-метровой улице, в то время как двое других делают то же самое, совершая 24-метровую поездку в оба конца, за исключением того, что один из двух других людей всегда на 8 метров впереди вас, а другой на 8 метров позади вас. Иногда двое из вас будут идти в одном направлении, в то время как в другое время двое из вас будут идти в другом направлении, изменяя сумму ваших движений, но в предсказуемой форме. работает трехфазная сеть переменного тока.)

Прежде чем электричество покидает электростанцию, оно впервые сталкивается с трансформатором. Это единственная точка, в которой трансформаторы в электросети заметно повышают напряжение, а не снижают его. Этот шаг необходим, потому что электричество затем поступает на большие линии электропередачи по три комплекта, по одному на каждую фазу питания, и некоторым из них может потребоваться проехать до 300 миль или около того.

В какой-то момент электричество попадает на электрическую подстанцию, где трансформаторы снижают напряжение до уровня, подходящего для более сдержанных линий электропередач, которые вы видите в микрорайонах или вдоль сельских дорог. Именно здесь происходит фаза распределения (в отличие от передачи) доставки электроэнергии, поскольку линии обычно покидают подстанции в нескольких направлениях, подобно ряду артерий, разветвляющихся от основного кровеносного сосуда в более или менее том же соединении.

От подстанции электричество передается в микрорайоны и покидает местные линии электропередач (которые обычно находятся на «телефонных столбах») для входа в отдельные жилые дома. Меньшие трансформаторы (многие из которых выглядят как маленькие металлические мусорные баки) снижают напряжение примерно до 240 вольт, чтобы оно могло попасть в дома без большого риска возникновения пожара или другого серьезного несчастного случая.

Какова функция трансформатора?

Трансформаторы не только должны выполнять работу по управлению напряжением, но они также должны быть устойчивы к повреждениям, будь то стихийные бедствия, такие как ураганы или целенаправленные атаки, созданные человеком. Невозможно держать энергосистему вне досягаемости стихий или злоумышленников, но, тем не менее, энергосистема абсолютно необходима для современной жизни. Это сочетание уязвимости и необходимости привело к тому, что Департамент внутренней безопасности США заинтересовался крупнейшими трансформаторами в американской электросети, называемыми крупными силовыми трансформаторами, или LPT. Функционирование этих массивных трансформаторов, которые находятся на электростанциях и могут весить от 100 до 400 тонн и стоят миллионы долларов, имеет важное значение для поддержания повседневной жизни, поскольку выход из строя одного из них может привести к отключению электроэнергии на обширной территории , Это трансформаторы, которые резко повышают напряжение, прежде чем электричество попадает на междугородние провода высокого напряжения.

По состоянию на 2012 год средний возраст LPT в США составлял около 40 лет. Некоторые из современных высоковольтных трансформаторов сверхвысокого напряжения (EHV) рассчитаны на 345 000 вольт, и спрос на трансформаторы растет как в США, так и во всем мире, что вынуждает правительство США искать способы замены существующих LPT по мере необходимости и разрабатывать новые по сравнительно низкой цене.
Как работает трансформатор?

Трансформатор - это большой квадратный магнит с отверстием посередине. Электричество поступает с одной стороны через провода, несколько раз обмотанные вокруг трансформатора, и уходит с противоположной стороны через провода, обернутые несколько раз вокруг трансформатора. Поступающее электричество индуцирует магнитное поле в трансформаторе, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле в других проводах, которые затем отводят энергию от трансформатора.

На уровне физики трансформатор работает, используя преимущества закона Фарадея, который гласит, что отношение напряжений двух катушек равно отношению числа витков в соответствующих катушках. Таким образом, если на трансформаторе требуется пониженное напряжение, вторая (выходная) катушка содержит меньше витков, чем первичная (входная) катушка.