Для чего нужен трансформатор?

Большинство людей, вероятно, слышали о трансформерах и осознают, что они являются частью когда-либо очевидного, но все еще таинственная электросеть, доставляющая электроэнергию в дома, предприятия и все другие места, где есть «сок» нужный. Но типичный человек отказывается изучать тонкости подачи электроэнергии, возможно, потому, что весь процесс кажется скрытым под угрозой. Дети с раннего возраста узнают, что электричество может быть очень опасным, и все понимают, что любой Провода энергокомпании держатся высоко вне досягаемости (или иногда закапываются в землю) по уважительной причине.

Но энергосистема на самом деле является триумфом человеческой инженерии, без которой цивилизация была бы неузнаваема по сравнению с той, которую вы населяете сегодня. Трансформатор является ключевым элементом в управлении и подаче электроэнергии из точки, в которой он производится на электростанциях, пока не попадет в дом, офисное здание или другой конец назначения.

Представьте себе плотину, удерживающую миллионы галлонов воды для образования искусственного озера. Поскольку река, питающая это озеро, не всегда несет в этот район одинаковое количество воды, ее воды имеют тенденцию подниматься в весной после таяния снега во многих областях и отлива летом в более засушливое время любая эффективная и безопасная плотина должна быть оборудована устройствами которые позволяют более точно контролировать воду, чем просто остановить ее течение, пока уровень не поднимется настолько, что вода просто разольется над ним. Поэтому плотины включают в себя всевозможные шлюзовые ворота и другие механизмы, которые определяют, сколько воды будет переходить к нижнему бьефу плотины, независимо от давления воды в верхнем бьефе. боковая сторона.

Примерно так работает трансформатор, за исключением того, что текущим материалом является не вода, а электрический ток. Трансформаторы служат для управления уровнем напряжения, протекающего через любую точку энергосистемы (подробно описано ниже), таким образом, чтобы уравновешивать эффективность передачи с базовой безопасностью. Понятно, что это финансово и практически выгодно как потребителям, так и собственникам электростанции и сеть для предотвращения потерь электроэнергии между выходом электроэнергии из электростанции и ее поступлением в дома или другие направления. С другой стороны, если количество напряжения, проходящего через типичный высоковольтный силовой провод, не будет уменьшено перед входом в ваш дом, это приведет к хаосу и катастрофе.

Напряжение - это мера 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 джоулей на кулон (Дж / Кл). Кулон - это стандартная единица электрического заряда в физике. Отдельному электрону присваивается -1,609 × 10^-19 кулонов, а протон несет заряд, равный по величине, но противоположный по направлению (т. е. положительный заряд).

Ключевое слово здесь - «разница». Причина того, что электроны текут из одного места в другое, - это разница в напряжении между двумя контрольными точками. Напряжение представляет собой объем работы, который потребуется за единицу заряда переместить заряд против электрического поля из первой точки во вторую. Чтобы получить представление о масштабе, знайте, что провода передачи на большие расстояния обычно несут от 155000 до 765000 вольт, тогда как напряжение, входящее в дом, обычно составляет 240 вольт.

В 1880-х годах поставщики электрических услуг использовали постоянный ток (DC). Это было связано с определенными обязательствами, в том числе с тем фактом, что постоянный ток нельзя было использовать для освещения, и он был очень опасным, поскольку требовал толстых слоев изоляции. За это время изобретатель по имени Уильям Стэнли создал 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 электропитания, но никто не смог придумать средства подачи переменного тока на большой шкала. Индукционная катушка Стэнли послужит шаблоном для всех будущих вариантов устройства.

Стэнли чуть не стал юристом, прежде чем решил работать электриком. Он начал в Нью-Йорке, а затем переехал в Питтсбург, где начал работать над своим трансформатором. Он построил первую муниципальную энергосистему переменного тока в 1886 году в городе Грейт-Баррингтон, штат Массачусетс. На рубеже веков его энергетическая компания была куплена General Electric.

Трансформатор может как увеличивать (повышать), так и уменьшать (уменьшать) напряжение, проходящее через силовые провода. Это примерно аналогично тому, как кровеносная система может увеличивать или уменьшать приток крови к определенным частям тела в зависимости от потребности. После того, как кровь («сила») покидает сердце («электростанцию»), чтобы достичь ряда точек ветвления, она может отправиться в нижняя часть тела вместо верхней части тела, а затем к правой ноге вместо левой, а затем к икроножной мышце вместо бедра, и т.п. Это регулируется расширением или сужением кровеносных сосудов в органах и тканях-мишенях. Когда электричество вырабатывается на электростанции, трансформаторы повышают напряжение с нескольких тысяч до сотен тысяч для целей передачи на большие расстояния. Когда эти провода достигают точек, называемых силовыми подстанциями, трансформаторы снижают напряжение до менее 10 000 вольт. Вы, наверное, видели эти подстанции и их трансформаторы среднего уровня в своих путешествиях; Трансформаторы обычно помещаются в коробки и немного напоминают холодильники, поставленные на обочине дороги.

Когда электричество покидает эти станции, что обычно может происходить в разных направлениях, оно встречает других трансформаторов ближе к своей конечной точке в подразделениях, районах и отдельных дома. Эти трансформаторы снижают напряжение с менее 10 000 вольт до примерно 240 - более чем в 1000 раз ниже типичных максимальных уровней, наблюдаемых в высоковольтных проводах большой протяженности.

Трансформаторы - это, конечно, только один компонент так называемой электросети, название системы проводов, переключатели и другие устройства, которые производят, отправляют и контролируют электроэнергию, от места ее выработки до места ее получения в конечном итоге использовал.

Первый шаг в создании электроэнергии - это заставить вращаться вал генератора. Начиная с 2018 года, чаще всего это делается с использованием пара, выделяющегося при сгорании ископаемого топлива, такого как уголь, нефть или природный газ. Атомные электростанции и другие генераторы «чистой» энергии, такие как гидроэлектростанции и ветряные электростанции, также могут использовать или производить энергию, необходимую для привода генератора. В любом случае электричество, которое вырабатывается на этих станциях, называется трехфазной мощностью. Это потому, что эти генераторы переменного тока вырабатывают электричество, которое колеблется между установленным минимумом и максимумом. уровень напряжения, и каждая из трех фаз смещена на 120 градусов относительно впереди и позади нее в время. (Представьте, что вы идете взад и вперед по 12-метровой улице, в то время как двое других делают то же самое, образуя 24-метровую улицу. туда и обратно, за исключением того, что один из двух других людей всегда находится на 8 метров впереди вас, а другой на 8 метров позади ты. Иногда двое из вас будут идти в одном направлении, а в другое время двое из вас будут идти в другом направлении, варьируя сумму ваших движений, но предсказуемым образом. Примерно так работает трехфазный переменный ток.)

Прежде чем электричество покидает электростанцию, оно впервые встречает трансформатор. Это единственная точка, в которой трансформаторы в электросети заметно повышают напряжение, а не снижают его. Этот шаг необходим, потому что электричество затем поступает в большие линии передачи группами по три, по одной для каждой фазы мощности, и некоторым из них, возможно, придется пройти до 300 миль или около того.

В какой-то момент электричество встречает электрическую подстанцию, где трансформаторы снижают напряжение до уровень, подходящий для более скромных линий электропередач, которые вы видите в окрестностях или проходят вдоль сельских автомагистрали. Именно здесь происходит фаза распределения (в отличие от передачи) поставки электроэнергии, поскольку линии обычно оставляют мощность подстанции в нескольких направлениях, точно так же, как несколько артерий, ответвляющихся от крупного кровеносного сосуда в более или менее одинаковом соединение.

От подстанции электричество проходит в окрестности и покидает местные линии электропередач (которые обычно находятся на «телефонных столбах»), чтобы попасть в отдельные жилые дома. Меньшие трансформаторы (многие из которых выглядят как небольшие металлические мусорные баки) снижают напряжение примерно до 240 вольт, поэтому оно может проникнуть в дома без большого риска возникновения пожара или другого серьезного происшествия.

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 элементов или злоумышленников, но в то же время энергосистема абсолютно необходима для современной жизни. Такое сочетание уязвимости и необходимости заставило Министерство внутренней безопасности США интерес к крупнейшим трансформаторам в американской энергосистеме, называемым большими силовыми трансформаторами, или LPT. Работа этих массивных трансформаторов, которые находятся на электростанциях и могут весить от 100 до 400 тонн и стоить миллионы долларов, имеет важное значение для поддержания повседневной жизни, поскольку отказ одного из них может привести к отключению электричества в большом количестве. область. Это трансформаторы, которые значительно повышают напряжение до того, как электричество попадет в протяженные высоковольтные провода.

По состоянию на 2012 год средний возраст LPT в США составлял около 40 лет. Некоторые из современных трансформаторов сверхвысокого напряжения (СВН) рассчитаны на 345000 вольт, и спрос на трансформаторы растет как в США и во всем мире, вынуждая правительство США искать способы как заменить существующие LPT по мере необходимости, так и разработать новые по сравнительно низкой цене. Стоимость.

Трансформатор представляет собой большой квадратный магнит с отверстием посередине. Электричество поступает с одной стороны через провода, несколько раз намотанные вокруг трансформатора, и уходит с противоположной стороны через провода, намотанные на трансформатор разное количество раз. Подача электричества индуцирует магнитное поле в трансформаторе, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле в других проводах, которые затем уносят энергию от трансформатора.

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