2.2. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Воснове работы трансформатора лежит явление электромагнитной

индукции, в соответствии с которым значение электродвижущей силы, на-

веденной в контуре, пропорционально скорости изменения магнитного по-

тока. Если в контуре имеетсяw последовательно соединенных витков, то наведенная в катушке ЭДС будет в w раз больше.

Трансформатор состоит из двух обмоток с числом витковw 1 и w 2.

Одна из обмоток служит для создания магнитного поля, другая – для наве-

дения в ней ЭДС. Для передачи магнитного потока служит магнитопровод

(сердечник). Если в первичную обмотку подать переменный ток, то обу-

словленный им магнитный поток, замыкаясь по сердечнику, пересекает вторичную обмотку. Наведенная в ней ЭДС самоиндукции будет пропор-

циональна её числу витков w 2. При подключении вторичной обмотки к на-

грузке, по ней потечет ток. Подбирая число витков, можно при заданном

U1 получить требуемое U2.

Отечественной промышленностью изготовляются силовые транс-

форматоры по шкале мощностей, соответствующих их полной мощности S

в мегавольт-амперах (МВА), утвержденной ГОСТ 9680-77Е [4].

Силовые трансформаторы изготавливаются понижающими и- по вышающими; двухобмоточными, трехобмоточными, с расщепленными обмотками низкого напряжения. По количеству фаз различают однофазные и трехфазные трансформаторы.

Наибольшее распространение получилитрехфазные трансформа-

торы ввиду их экономических преимуществ перед однофазными.

Трехфазные трансформаторы на номинальные напряжения110, 150

кВ изготовляются мощностью до400 МВА включительно, а на напряже-

ние 220 - 500 кВ до 1000 МВА [3].

17

Однофазные трансформаторы применяются только в тех случаях,

когда невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходи-

мой мощности или затруднена их транспортировка.

Вповышающем двухобмоточном трансформаторе мощность из первичной обмотки низкого напряжения(НН) электромагнитным путем передается в обмотку высокого напряжения(ВН), при этом происходит увеличение напряжения. Такие трансформаторы устанавливаются в блоках генератор - трансформатор.

Впонижающих двухобмоточных трансформаторах, применяемых на подстанциях и в системе собственных нужд станций, происходит пони-

жение напряжения.

Трехобмоточный трансформатор предназначен для связи трех на-

пряжений - низкого (НН), среднего (СН) и высокого (ВН). Широкое рас-

пространение имеют трехобмоточные трансформаторы с напряжением об-

моток 110, 35 и 6-10 кВ. Начиная со среднего напряжения 110 кВ и выше,

применяют автотрансформаторы.

На станциях с крупными блоками200, 300, 500, 800 МВт широко применяются трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой

для питания собственных нужд блока. В таком трансформаторе имеются две вторичные обмотки с отдельными выводами, которые могут соеди-

няться параллельно или работать раздельно. Каждая обмотка рассчитана на 50 % номинальной мощности. При раздельной работе обмоток НН трансформаторы с расщепленными обмотками имеют повышенное значе-

ние напряжения короткого замыкания ик %, что позволяет ограничить ток короткого замыкания на шинах собственных нужд мощных электростан-

ций и на стороне низкого напряжения мощных подстанций.

Возможно изготовление трансформаторов с несколькими расщеп-

ленными обмотками. Такие трансформаторы применяются в блочных схе-

18

мах "два генератора - один трансформатор", или "три генератора - один трансформатор", что экономически оправдывается при повышенных -на пряжениях 330 - 750 кВ благодаря экономии отключающей аппаратуры высокого напряжения и силовых трансформаторов[3]. Такие трансформа-

торы нашли широкое применение на ГЭС.

Конструкция силовых трансформаторов во многом определяется системой охлаждения, которая, в свою очередь, зависит от мощности трансформатора.

Сухие трансформаторы (С) изготовляются мощностью до 1600 кВА при напряжении до 15 кВ. На электростанциях они применяются в качест-

ве трансформаторов собственных нужд.

Большинство трансформаторов имеют масляное охлаждение.

Естественное масляное охлаждение (условное обозначение М) вы-

полняется для трансформаторов мощностью до6300 кВА включительно.

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла(Д)

применяется для более мощных трансформаторов. Масляное охлаждение

с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные -ох

ладители (ДЦ) позволяет экономично и просто отвести тепло, выделенное

в обмотках трансформаторов мощностью более63000 кВА. Масляно-

водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла через -во

дяные охладители (Ц) применяется для очень мощных трансформаторов

и автотрансформаторов. Более детально с системами охлаждения можно

ознакомиться в [3].

19

Параметры силовых трансформаторов

Номинальное напряжение трансформатора - это напряжение между выводами при холостом ходе трансформатора. Оно указывается в катало-

гах и на щитке трансформатора.

Если обозначить напряжение первичной обмотки трансформатора

U1. а вторичной U2, то коэффициент трансформации определится как

k =	U1	»	w1	,	(1)
T	U2		w2

где w1, w2 – число витков, соответственно, в первичной и вторичной об-

мотках.

Как видно из (1), изменяя число витков в первичной или вторичной обмотке можно регулировать напряжениеU2. Почти все трансформаторы снабжаются регулировочными ответвлениями и специальными переключа-

телями для изменения числа витков обмотки [3, 7].

Переключение производится либо на отключенном трансформаторе -

устройство ПБВ (переключение без возбуждения), либо на работающем под нагрузкой трансформаторе - устройство РПН (регулирование под на-

грузкой). Обычно в устройстве РПН предусматривается большее число от-

ветвлений, чем в ПБВ, для возможности плавного регулирования в более широком диапазоне.

Устройство ПБВ обеспечивает изменение коэффициента трансфор-

мации в пределах ±5 %, а устройство РПН - в пределах ±16 %. В настоящее время не менее 60 % крупных трансформаторов имеют РПН [3].

Переключающее устройство чаще всего располагают на стороне высшего напряжения обмотки, где ток меньше, что облегчает условия коммутации. Исключение составляют автотрансформаторы, у которых

20

устройство РПН располагается на общей обмотке со стороны среднего на-

пряжения.

Трансформаторы с РПН позволяют осуществлять автоматическое ре-

гулирование коэффициента трансформации [3, 7].

Номинальной мощностью трансформатора называется мощность,

на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор при номи-

нальных температурных условиях окружающей среды.

Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяется по ее номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания ик характеризует активные по-

тери и зависит от качества проводников и от взаимного расположения об-

моток на сердечнике. Величина ик определяется из опыта короткого замы-

кания. В каталогах приводятся значения ик, выраженные в процентах и от-

несенные к мощности наиболее мощной обмотки Sном.

Напряжение холостого хода их характеризует реактивные потери в трансформаторе и зависит от материалов, из которых выполнен магнито-

провод, его конструкции и качества сборки магнитной системы. Величина

их определяется экспериментально как напряжение, подаваемое на одну из обмоток трансформатора, соответствующее номинальному напряжению на разомкнутой второй обмотке.

Схемы и группы соединений обмоток. Обмотки высокого напря-

жения, как правило, соединяют в звезду, что позволяет облегчить изоля-

цию обмоток, так как она рассчитывается в этом случае на фазное напря-

U

жение 3 .

21

Обмотки вторичного напряжения 0,69 кВ и выше соединяются в тре-

угольник, что позволяет уменьшить сечение обмотки, так как она рассчи-

	тывается в этом случае на фазный ток	I	Л			, где	I Л	- линейный ток.
			3

Схемы и группы соединений обмоток трансформаторов приведены в [5].

В трансформаторах с расщепленной обмоткой вторичного напряже-

ния типа ТРДН, применяемых в системе собственных нужд электростан-

ций, допускается соединение обмотки высокого напряжения в треуголь-

ник. В [3, 5] приведены данные трансформаторов, применяемых в системе собственных нужд электростанций и устанавливаемых в блоках генератор-

трансформатор. Также основные данные силовых трансформаторов приво-

дятся в [6, 14, 15].

Автотрансформаторы. Рассмотрим особенности работы и конст-

рукции однофазного автотрансформатора(рис. 3). Автотрансформатор имеет две электрически связанные обмотки: ОВ - обмотка высокого на-

пряжения, ОС - обмотка среднего напряжения.

Обмотка низкого напряжения имеет обычную трансформаторную

(электромагнитную) связь с обмотками ОВ и ОС. Часть обмотки, заклю-

ченная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О - общей.

22

Рис. 3. Распределение токов в однофазном автотрансформаторе

При работе в понижающем режиме в последовательной обмотке проходит ток I1, который, создавая магнитный поток, наводит в общей об-

мотке ток I0. Ток нагрузки вторичной цепи складывается из токаI1, прохо-

дящего благодаря электрической связи обмоток, и тока I0, созданного маг-

нитной связью этих же обмоток:

I0 = I2 - I1

Если пренебречь намагничивающим током и потерями, то мощность,

забираемая из первичной сети, будет равна мощности, отдаваемой во вто-

ричную сеть:

Sí î ì = I1U ÂÍ = I2UÑÍ ,

откуда

kÂÑ	=	I2	=	UÂÍ	,	(2)
		I1
			UÑÍ

23

где kÂÑ - коэффициент трансформации между высшим и средним напря-

жением.

Мощность последовательной обмотки определяется так:

Sn = I1 (UÂÍ -UÑÍ )

æ

U

ÑÍ

ö

æ

1 ö

=I1U ÂÍ

ç1

-

÷

=Sí î ì ç1

-

÷.

(3)

U ÂÍ

è

ø

è

kÂÑ ø

Мощность общей обмотки

S0 = I0UÑÍ = (I2 - I1 )UÑÍ =

æ

I

1

ö

æ

1 ö

I2UÑÍ

ç1

-

÷

S=í î ì ç1

-

÷ .

(4)

I2

k

è

ø

è

ÂÑ ø

Из формул (3) и (4) следует, что последовательная и общая обмотки рассчитываются на одинаковую мощность, называемую расчетной или ти-

повой мощностью автотрансформатора:

Sò èï = Kâû ãSí î ì ,

(5)

где Kâû ã - коэффициент выгодности автотрансформатора.

Типовая мощность - это та часть мощности в автотрансформаторе,

которая передается электромагнитным путем. Размер, вес, расход актив-

ных материалов определяются главным образом электромагнитной мощ-

ностью. Таким образом, автотрансформатор с номинальной мощностью

Sном будет иметь такие же размеры и вес, как трансформатор мощностью

Kâû ã × Sí î ì . Чем меньше коэффициент выгодности, тем более эффективно применение автотрансформатора. Величина Kâû ã зависит отUВН и UСН и

колеблется от 0,667 (UВН = 330 кВ и UСН =110 кВ) до 0,23 (UВН = 500 кВ и

UСН = 330 кВ). Наибольшую протяженность имеют электрические сети на-

пряжением 110 - 220 кВ. в которых Kâû ã =0,5.

24

Следует отметить, что номинальная мощность обмотки низкого на-

пряжения обычно выполняется равной или меньшей типовой мощности, а

ее значение указывается в справочниках:

Sí î ì Í Í = I3UÍ Í £ Sò èï .

(6)

Все рассуждения, приведенные выше, действительны и для трехфаз-

ных автотрансформаторов.

Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трехобмоточных автотрансформаторов приведены в [5].

При применении автотрансформаторов в качестве повышающих к третичной обмотке с напряжением UНН подключаются генераторы. В этом случае вся мощность генератора электромагнитным путем передается в обмотки высшего и среднего напряжения. Недостатками такого режима является завышение необходимой мощности АТ и возникающая проблема связанного регулирования напряжения.

При блочном соединении генератора и автотрансформатора мощ-

ность последнего должна быть:

Sí î ì	=	SÃ	,
		Kâû ã

если Sí î ì Í Í = Kâû ã , в противном случае

Sí î ì

Sí î ì	³	SÃ	,	(7)
		Kâû ã

где SÃ - номинальная мощность генератора в блоке.

25

В данном случае необходимая мощность автотрансформатора будет

значительно больше мощности соответствующего трансформатора, поэто-

му расход активных материалов почти не уменьшается. Однако примене-

ние автотрансформаторов в блоках с генераторами позволяет не только выдать генераторную мощность в сеть ВН или СН(трансформаторный ре-

жим), но и осуществить дополнительную передачу мощности из сети СН в сеть ВН (комбинированный режим). Допустимость различных комбиниро-

ванных режимов передачи мощности в автотрансформаторе должна под-

тверждаться соответствующим расчетом [3, 4].

Режимы работы автотрансформаторов [3, 4]. При проектировании

КЭС и выборе автотрансформаторов связи, а также в процессе эксплуата-

ции КЭС характерным режимом являетсяавтотрансформаторный. В ав-

тотрансформаторном режиме может осуществляться передача номиналь-

ной мощности Sном со стороны высокого	на среднее напряжение
(ВН → СН) и в обратном направлении СН → ВН.	При выборе автотранс-

форматоров связи на ТЭЦ необходимо рассматривать комбинированные режимы передачи мощности: а) ВН → СН и одновременно НН → СН; б)

СН → ВН и одновременно НН → ВН. В режиме а) ограничением является загрузка общей обмотки S0 £ Kâû ãSí î ì , в режиме б) - последовательной об-

мотки Sn £ Kâû ãSí î ì . На подстанциях наиболее характерным является -ре жим передачи мощности ВН → СН и одновременно ВН → НН. При пере-

даче номинальной мощности из сети ВН и распределения ее поровну меж-

ду обмотками СН и НН ток в общей обмотке будет равен нулю. Если ток в обмотке ВН достиг номинального значения, то дальнейшее возрастание нагрузки СН должно сопровождаться соответствующим снижением - на грузки НН и наоборот.

К особенности конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали обмоток ВН и СН.

26

Если при изолированной нейтрали произойдет замыкание одной из фаз сети ВН на землю, то потенциалы двух других фаз обмотки СН повы-

сятся до недопустимой величины, опасной для изоляции. Таким образом,

автотрансформаторная связь возможна только между обмотками, присое-

диненными к сетям с эффективно заземленными нейтралями ПО кВ и вы-

ше.

Необходимость заземления нейтралей автотрансформаторов приво-

дит к увеличению токов однофазного замыкания на землю.

Другой особенностью автотрансформаторов является пониженное значение ur , что уменьшает потери напряжения в нормальных режимах,

но увеличивает токи короткого замыкания в аварийных режимах.

Несмотря на некоторые недостатки, автотрансформаторы находят широкое применение, так как обладают следующими преимуществами по сравнению с трехобмоточными трансформаторами:

-уменьшение расхода активных и конструктивных материалов:

-снижение потерь мощности:

-возможность изготовления автотрансформаторов больших единич-

ных мощностей.

Ограничение токов короткого замыкания

Необходимость выбора аппаратов и токоведущих частей электроус-

тановок, динамически и термически стойких к токам КЗ, приводит к завы-

шению сечения шин, кабелей и утяжелению аппаратуры в том случае, ко-

гда токи КЗ велики. Последнее имеет место в мощных энергосистемах, на электростанциях с мощными генераторами. Уменьшение величины тока КЗ позволяет облегчить аппаратуру распределительных устройств и уменьшить сечение шин и кабелей, что снижает капитальные затраты на сооружение электроустановки.

27

На стадии проектирования электростанций применяются схемные решения для ограничения токов КЗ, которые заключаются в переходе от схем со сборными шинами(поперечными связями) к блочным схемам.

Ниже приведены наиболее распространенные способы ограничения токов КЗ, которые применяются при эксплуатации электроустановок.

Первый способ ограничения токов КЗзаключается в раздельной работе трансформаторов, питающих линий и генераторов, которая обеспе-

чивается за счет секционирования сборных шин(деления сети) в электри-

ческих сетях [3, 16, 17]. На стороне НН 6-10 кВ подстанций секционный выключатель в нормальном режиме отключен, что повышает надёжность электроснабжения потребителей и уменьшает значение токов .КЗТакое деление сети называется стационарным. Секционный выключатель вклю-

чается от работы устройства АВР (автоматическое включение резерва) при отключении источника питания. НТП подстанций [18] также рекомендует-

ся раздельный режим работы сетей на напряжении 35 кВ, что обеспечивает значительное упрощение устройств релейной защиты и автоматики этих сетей. В электроустановках 110 кВ и выше секционные и шиносоедини-

тельные выключатели в нормальном режиме работы включены. При КЗ на одной из секций или системе сборных шин релейная защита отключает указанные выключатели, такое деление сети называется автоматическим-

АДС или АСМ (автоматическое снижение мощности).

Раздельная работа генераторов приводит к значительному уменьше-

нию токов КЗ, но этот режим во многих случаях не оправдывается по тех-

нико-экономическим соображениям (надежность, экономичность, величи-

на резервной мощности).

Второй способ ограничения токов КЗ - применение трансформато-

ров с расщепленной обмоткой низкого напряжения, которые имеют сопро-

тивление в 1,5-1,75 раза больше, чем трансформаторы такой же мощности,

28

но без расщепления обмоток[3, 16]. Наибольшее применение этот способ нашел для ограничения токов КЗ в системе с.нмощных электростанций,

где в качестве рабочих и резервных источников используются трансфор-

маторы с расщеплённой обмоткой низкого напряжения. Также трансфор-

маторы с расщеплённой обмоткой устанавливаются на мощных подстан-

циях.

Третий способ ограничения токов КЗ- искусственное увеличение сопротивления короткозамкнутой цепи. Для этой цели широко применяют токоограничивающие реакторы. Реактор - это катушка без стального сер-

дечника с изолированными друг от друга витками, укрепленными в бетон-

ном каркасе. Возможно применение масляных реакторов[3]. Реактор об-

ладает значительным индуктивным и малым активным сопротивлением.

Применяют разнообразные схемы включения реакторов на электрических станциях и подстанциях, подробное описание которых дано в [16].

Величину сопротивления реактора(без учета сопротивления систе-

мы) выбирают из условия ограничения тока КЗ до значения тока отключе-

ния выключателя (обычно 20 кА, или 31,5 кА):

Iê .äî ï =

U í î ì

,

(8)

3 × x

ð

где xð - сопротивление реактора в Омах.

Сопротивление реактора с учетом сопротивления системы равно:

xð

=

U

í î ì

- xñ ,

(9)

3 × Iê .äî ï

где Uí î ì - номинальное напряжение, Iê.äî ï

-

допустимый ток КЗ за реакто-

ром по условию установки определенного типа выключателя или по усло-

29