Регулювання напруги трансформатора — це процес зміни коефіцієнта трансформації з метою підтримання рівня напруги в межах допустимих норм та забезпечення належного розподілу реактивної потужності в енергосистемі.

Оскільки навантаження в електричних мережах постійно змінюється, змінюються й втрати напруги в лініях та трансформаторах, що призводить до коливань напруги у кінцевих споживачів. Для компенсації цих коливань використовують спеціальні пристрої та методи регулювання.

Необхідність регулювання Відхилення напруги від номінальних значень негативно впливає на роботу електрообладнання: При зниженій напрузі збільшуються струми в електродвигунах, що викликає їх перегрів, а також знижується ефективність деяких типів освітлювальних та електронагрівальних приладів. При підвищеній напрузі прискорюється старіння ізоляції, скорочується термін служби деяких типів приймачів енергії, а також зростають втрати на холостий хід у самих трансформаторах через.

За стандартами, допустиме відхилення напруги зазвичай становить не більше ніж $\pm10\%$ від номінального значенняДСТУ EN 50160:2023.

Способи регулювання Регулювання напруги в трансформаторах здійснюється шляхом зміни кількості витків обмотки. Найчастіше у трансформаторах регулювання виконується для обмотки вищої напруги, де струми менші, що полегшує комутацію. Регулювання напруги високовольтних автотрансформаторів також виконується в нейтраль, що спрощує ізоляцію перемикаючого пристрою. Залежно від режиму роботи трансформатора під час перемикання, виділяють два основні методи:

ПБЗ (Перемикання без збудження) ПБЗ (у міжнародній практиці — NLTC, від або DETC, ) — це метод зміни коефіцієнта трансформації, який вимагає повного відключення трансформатора від електричної мережі (як з боку вищої, так і з боку нижчої напруги), тобто зняття збудження з його магнітної системи.

Принцип дії та конструкція Регулювання здійснюється за допомогою спеціального механічного перемикача, контакти якого підключені до регулювальних відгалужень обмотки (зазвичай з боку вищої напруги). Оскільки під час перемикання струм через контакти не тече і електрична дуга не виникає, конструкція пристрою ПБЗ є відносно простою та компактною. Перемикання може виконуватись як напряму вручну (найчастіше у для невеликих сухих трансформаторів), шляхом зняття та встановлення перемичок так і опосередковано через рукоятку або штурвал, що виноситься на кришку або бічну стінку бака трансформатора і фіксується у вибраному положенні.

Найбільш поширений в Україні діапазон регулювання розподільчих трансформаторів становить $\pm2\times2{,}5\%$ від номінального значення. Це означає, що перемикач має 5 положень: +5,0% (максимальна кількість витків первинної обмотки — для зниження підвищеної напруги мережі); +2,5%; 0 (номінальне положення); -2,5%; -5,0% (мінімальна кількість витків — для підняття заниженої напруги мережі).

Переваги та недоліки Переваги: Конструктивна простота: відсутність складних механізмів гасіння дуги (резисторів, реакторів чи вакуумних камер). Надійність та довговічність: через відсутність комутаційних дугових розрядів контакти практично не зношуються. Низька вартість: трансформатори з ПБЗ значно дешевші та легші за аналоги з РПН.

Недоліки: Необхідність перерви в електропостачанні: для зміни положення перемикача потрібно повністю знеструмити споживачів, що є критичним для підприємств без резервного живлення. Неможливість оперативного реагування: метод не підходить для компенсації щогодини чи щохвилини змінюваних навантажень протягом доби, а лише для сезонного регулювання чи переналаштування при аваріях.

Область застосування Пристрої ПБЗ використовуються переважно в розподільчих трансформаторах (оливних та сухих напругою до 35 кВ потужністю до 10 МВА). Перемикання виконується вручну кваліфікованим персоналом лише для сезонного регулювання напруги (зазвичай двічі на рік — при переході на зимовий та літній режим навантаження в енергосистемі).

РПН (Регулювання під навантаженням)

РПН (у міжнародній практиці — OLTC, від або LTC, ) — це складніший, автоматизований метод зміни коефіцієнта трансформації, який дозволяє перемикати відгалуження обмоток без переривання живлення споживачів і без зняття навантаження з трансформатора.

Конструкція та принцип роботи Головна складність регулювання під навантаженням полягає в тому, що в процесі переходу з одного відгалуження обмотки на інше не можна розривати коло струму (це викликало б потужну дугу та відключення мережі) і, водночас, не можна замкнути два сусідні відгалуження (це призведе до короткого замикання замкненої частини витків).

Щоб вирішити цю дилему, пристрої РПН розділяють на два основні вузли: Селектор: контакти якого попередньо вибирають потрібне відгалуження обмотки без струму. Контактор: швидкодіючий апарат, який безпосередньо здійснює комутацію струму.

Для обмеження струму короткого замикання в момент, коли контактор на мить замикає два сусідні відгалуження, використовуються струмообмежувальні елементи — активні резистори (у сучасних пристроях) або реактори (у старіших конструкціях). Весь процес перемикання триває частки секунди, а для захисту трансформаторної оливи контакти контактора часто розміщують в окремому герметичному баку з дугогасильним середовищем (оливою або елегазом), або використовують сучасні вакуумні камери (вакуумні РПН).

Діапазон регулювання у пристроях РПН зазвичай значно ширший, ніж у ПБЗ, і зазвичай становить 10-20% з великою кількістю ступенів (11–50 положень перемикача).

Автоматичне регулювання напруги Сучасні системи РПН можуть працювати в автоматичному режимі. Вони керуються АРН (Автоматичними регуляторами напруги) — мікропроцесорними пристроями, які безперервно вимірюють напругу на шинах підстанції. Якщо напруга виходить за встановлені межі на певний час (витримка часу потрібна, щоб уникнути зайвих спрацьовувань від короткочасних змін), АРН подає команду на електропривод механізму РПН для зміни положення.

Переваги та недоліки Переваги: Безперервність електропостачання: перемикання відбувається непомітно для споживачів. Оперативність: дозволяє гнучко реагувати на добові коливання навантаження в енергосистемі, підтримуючи стабільну якість напруги. Автоматизація: виключає людський фактор із процесу повсякденного регулювання.

Недоліки: Висока складність та вартість: наявність рухомих механічних частин, приводів та систем дугогасіння значно здорожує конструкцію трансформатора. Потреба в регулярному обслуговуванні: контакти контактора з часом зношуються через дію дуги, а олива в баку контактора потребує періодичної заміни чи фільтрації (це обмеження частково знято у сучасних вакуумних РПН, ресурс яких досягає сотень тисяч перемикань).

Область застосування Пристрої РПН встановлюються на потужних силових трансформаторах та автотрансформаторах напругою від 35 кВ.

Поздовжньо-поперечне регулювання У потужних високовольтних мережах та міжсистемних зв'язках часто виникає потреба регулювати не лише абсолютну величину напруги (поздовжнє регулювання), але й її фазовий зсув відносно іншої точки мережі. Для цього використовують пристрої РПН із функцією поперечного або поздовжньо-поперечного регулювання.

Поздовжнє регулювання змінює лише амплітуду напруги, додаючи або віднімаючи ЕРС, яка збігається за фазою з основною напругою фази. Це дозволяє керувати потоками реактивної потужності. Поперечне регулювання передбачає введення додаткової ЕРС, яка зсунута за фазою на 90° відносно напруги цієї ж фази (досягається шляхом підключення регулювальних обмоток до напруг інших фаз). Це змінює кут зсуву вектора напруги, що безпосередньо впливає на розподіл і перетікання активної потужності в мережі.

Трансформатори з РПН, що забезпечують поперечне регулювання (для надвисоких напруг часто у вигляді окремих фазозсувних трансформаторів — англ. Phase Shifting Transformers, PST), є важливим інструментом гнучких систем передачі змінного струму.

Інші методи У магістральних та розподільних мережах для регулювання напруги також застосовують вольтододатні трансформатори (бустерні трансформатори). Вони вмикаються послідовно в розріз приєднання або в нейтраль основного трансформатора і дозволяють змінювати напругу за величиною (подовжнє) та фазою (поперечне регулювання).

Див. також Трансформатор Автотрансформатор Електрична напруга Якість електричної енергії

Джерела