Почему даже новые трансформаторы могут греться из-за несинусоидальности тока

Что считается «нормальной» работой трансформатора

При расчёте и заводских испытаниях трансформаторы рассматриваются в идеальных условиях:

напряжение и ток — близкие к чистой синусоиде 50 Гц;
нагрузка — равномерно распределённая по фазам;
отсутствие значимых гармонических составляющих;
температурный режим — в рамках стандартов ГОСТ/IEC.

В этом случае потери в меди и стали укладываются в паспортные значения, нагрев контролируем, ресурс магнитопровода и изоляции предсказуем. Но реальные объекты далеки от такой картины: на одном трансформаторе «сидят» ИБП, серверы, частотные преобразователи, сварка, освещение и прочие нелинейные потребители, формирующие искажённые токи.

Несинусоидальность тока: что это и откуда появляется

Краткое определение

Несинусоидальность тока — это отклонение формы тока от идеальной синусоиды. С математической точки зрения такой ток можно представить как сумму основной гармоники 50 Гц и набора высших гармоник (150 Гц, 250 Гц, 350 Гц и т.д.). Чем выше доля этих составляющих, тем больше коэффициент гармоник (THD(I)) и тем сильнее трансформатор работает «не так, как его считали».

Основные источники гармоник на промышленных и коммерческих объектах

Импульсные блоки питания серверов, телеком-оборудования и IT-нагрузки.
ИБП, особенно старых моделей без коррекции коэффициента мощности.
Частотные преобразователи (ПЧ) электроприводов.
Современное LED-освещение с импульсными драйверами.
Сварочные аппараты, зарядные устройства, выпрямительные установки.
Электронные устройства компенсации и нестандартные нагрузки.

Подробно о том, как гармоники и другие показатели качества влияют на оборудование, можно прочитать в статье « Качество электроэнергии: что это и почему важно ».

Почему гармоники нагревают трансформатор

1. Рост активных потерь в обмотках (I²R)

Потери в меди пропорциональны квадрату действующего значения тока. Когда ток сильно искажён, его действующее значение растёт, даже если базовая (основная) составляющая вроде бы «в норме». В итоге обмотка греется сильнее, чем ожидается при номинальной нагрузке.

Возникает типичная картина: по расчётам трансформатор загружен на 50–60%, а температура обмоток и масла (или воздуха) растёт так, как будто нагрузка близка к 100%.

2. Дополнительные потери в стали (гистерезис и вихревые токи)

Магнитопровод трансформатора оптимизирован под работу на основной частоте 50 Гц. Высшие гармоники создают дополнительные изменения магнитного потока с более высокой частотой. Это увеличивает:

потери на гистерезис — связанные с «переключением» намагниченности стали;
потери на вихревые токи — которые растут с увеличением частоты.

В совокупности это приводит к тому, что даже при не очень высокой активной нагрузке трансформатор нагревается из-за потерь в стали, которые заводом в таком объёме не закладывались.

3. Насыщение магнитопровода

Отдельные гармоники (особенно нечётные — 3, 5, 7 порядков) могут локально подталкивать трансформатор в область частичного насыщения. В этом режиме требуется больше энергии для изменения магнитного потока, потери растут, а температура повышается ещё быстрее. Появляется гул, вибрации, периодическое «подвывание» трансформатора под нагрузкой.

4. Перегрев при «номинально нормальных» токах

Главная инженерная проблема в том, что по амперметрам и отчётам нагрузка выглядит допустимой, а по факту трансформатор перегревается. Без анализа гармоник (THD) ситуация кажется парадоксальной — отсюда обвинения в «плохом железе» или «бракованном трансформаторе».

Критичные гармоники и их влияние

Гармоники 3-го порядка (и кратные)

Гармоники 3-го порядка и кратные им (9, 15 и т.д.) имеют особенность — в трёхфазных системах они складываются в нулевом проводнике. В результате:

нагружается и перегревается нулевая жила;
возникают токи по нейтрали, превышающие фазные;
растут потери и нагрев трансформаторов с подключённой нагрузкой 3×380/220 В.

Гармоники 5 и 7 порядка

Гармоники 5-й и 7-й создают сильные искажения формы тока и напряжения, увеличивают потери в стали и вызывают механические вибрации. Именно при наличии этих гармоник трансформатор часто начинает «гудеть» под нагрузкой, хотя на холостом ходу ведёт себя тихо.

Симптомы: как понять, что виновата несинусоидальность

трансформатор ощутимо греется при загрузке 40–60% от номинала;
наблюдается гул, вибрации, изменение звука при включении некоторой нагрузки;
перегревается нулевая жила или шина нейтрали;
срабатывают тепловые защиты при, казалось бы, невысоких токах;
ИБП и чувствительная электроника работают нестабильно;
по анализатору качества электроэнергии фиксируется высокий THD(I).

Всё это — поводы провести более глубокое обследование системы электроснабжения с помощью энергоаудита и инструментального анализа.

Как диагностировать несинусоидальность тока

1. Установка анализатора качества электроэнергии

Анализатор фиксирует форму тока и напряжения, строит спектр гармоник, рассчитывает THD(I) и THD(U), записывает события. Важно обеспечить достаточную длительность регистрации (от суток и более), чтобы захватить разные режимы работы нагрузки.

2. Анализ спектра гармоник

По спектру можно понять, какие именно нагрузки вносят наибольший вклад: ИБП, ПЧ, серверы, сварка. Это позволяет выработать адресные решения: где ставить фильтр, что перераспределить по фазам, где модернизировать оборудование.

3. Контроль температур и осмотр оборудования

Измерение температуры корпуса трансформатора, шин, нулевой жилы, клемм, а также аккумуляторных батарей и батарейных шкафов, если они подключены к той же системе, помогает выявить локальные зоны перегрева.

Что делать: способы защиты и компенсации

Современные ИБП с «чистым» входным током

Использование современных трёхфазных ИБП с двойным преобразованием и входными фильтрами позволяет снизить искажения, которые ИБП «отдаёт» в сеть. Такие устройства потребляют ток с пониженным уровнем гармоник и помогают разгрузить трансформатор.

Активные фильтры гармоник (АФГ)

АФГ измеряют ток нагрузки и формируют компенсирующий ток, «гасит» высшие гармоники. В результате трансформатор видит ток, близкий к синусоиде, а THD(I) снижается до нормативного уровня.

Оптимизация схемы и перераспределение нагрузок

Иногда достаточно перераспределить нелинейные нагрузки по разным трансформаторам или фазам, выделить отдельные группы для ИТ-нагрузок и мощных ПЧ, скорректировать схему питания.

Регулярный мониторинг и энергоаудит

Постоянный контроль качества электроэнергии, периодические инструментальные измерения и энергоаудит помогают не доводить ситуацию до критических температур и аварий. На основе данных замеров проще обосновать установку фильтров, модернизацию ИБП или изменение схемы питания.

Итоги

Даже новые и правильно подобранные трансформаторы могут перегреваться из-за несинусоидального тока.
Главная причина — гармоники от нелинейных нагрузок: ИБП, ПЧ, серверов, освещения и др.
Гармоники увеличивают потери в меди и стали, вызывают насыщение магнитопровода и перегрев.
Без анализа THD(I) и спектра гармоник проблему легко принять за «перегрузку» или «брак» оборудования.
Решение — диагностика качества электроэнергии, корректный подбор ИБП, использование фильтров гармоник и регулярный энергоаудит.

Если вы сталкиваетесь с перегревом трансформаторов, несмотря на «нормальные» токи по счётчикам, имеет смысл провести инструментальное обследование. Специалисты Zeusеlectro помогут проанализировать качество электроэнергии, подобрать решения по ИБП, АКБ и фильтрации гармоник под ваш объект.