Силовые трансформаторы

На рисунке 25, а представлена схема соединений обмоток для одной фазы трехфазного двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН на две ветви. Схема его замещения имеет вид трехлучевой звезды (рисунок 25, б), где R_{НН 1}, R_{НН 2}, X_{НН 1}, X_{НН 2} - активные и индуктивные сопротивления расщепленных обмоток НН, приведенные к напряжению обмотки ВН. С достаточной для практических расчетов точностью такой трансформатор можно рассматривать как два независимых трансформатора, питающихся от общей сети ВН. Мощность каждой обмотки НН равна половине мощности обмотки ВН, то есть половине номинальной мощности трансформатора. Соответственно представлены соотношения для сопротивлений:

Рисунок 24 - Устройство трехобмоточного трансформатора (а) и двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН (б)

Рисунок 25 - Двухобмоточный трансформатор с расщепленными обмотками НН: а - соединение обмоток трансформатора; б - схема замещения

При параллельном соединении обмоток НН трансформатор с расщепленными обмотками будет работать как обычный двухобмоточный. При этом сопротивления трансформатора между выводами обмотки ВН и общим выводом НН-1 и НН-2 будут равны сопротивлениям R_ОБЩ и X_ОБЩ, отнесенным к номинальной мощности трансформатора:

именуемыми общими, или сквозными, сопротивлениями трансформатора.

С учетом (1.26) имеем:

Индуктивное сопротивление обмотки ВН применяют равным нулю, то есть можно считать X_ОБЩ целиком сосредоточенным в обмотках НН, включенных параллельно. Учитывая при этом, что X_{НН 1}= X_{НН 2}, из (1. 27) получим

Приведенные соответствия действительны только для групп однофазных трансформаторов, расщепленные обмотки которых можно рассматривать как обмотки отдельных трансформаторов. Коэффициент расщепления (отношение сопротивлений короткого замыкания между расщепленными обмотками к сопротивлению короткого замыкания между обмоткой ВН и параллельно соединенными расщепленными обмотками) для однофазных трансформаторов равен 4.

В то же время в трехфазных трансформаторах степень магнитной связи между расщепленными обмотками отличаются от однофазных и зависит от расположения обмоток на стержне магнитопровода. При расположении расщепленных обмоток одна над другой коэффициент расщепления равен 3,5 и индуктивные сопротивления обмоток трехфазных трансформаторов составляют:

Связь напряжений обмоток высшего и низшего напряжений учитывается идеальными трансформаторами с коэффициентами трансформации (рисунок 25, б)

Проводимости трансформаторов с расщепленными обмотками определяются так же, как и для двухобмоточных трансформаторов по формулам (1.16) и (1.18).

Применение трансформаторов с расщепленными обмотками НН, обладающими повышенными значениями индуктивных сопротивлений (смотреть (1.29) и (1.30)), способствует снижению мощности короткого замыкания на шинах НН почти вдвое, что позволяет во многих случаях обойтись без токоограничивающих реакторов.

В настоящее время трехфазные двухобмоточные трансформаторы с расщепленными обмотками НН является основным типом трансформаторов мощных приемных подстанций напряжением 110-220кВ.



1.6 Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов

В установках 110кВ и выше широкое применение находят автотрансформаторы большой мощности. Объясняется это рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с трансформаторами.

Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки связаны магнитно и электрически.

В энергосистемах нашли применение трехобмоточные трансформаторы - трехфазные и однофазные, собираемые в трехфазные группы.

Однофазный автотрансформатор имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рисунок 26). Часть обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О - общей.

При работе автотрансформатора в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток I, который, создавая магнитный поток, наводит в общей обмотке ток I₀. Ток нагрузки вторичной обмотки I_c складывается из тока Iв, проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока I₀, этих обмоток: I_C = I_B + I₀, откуда I₀ = I_C - I_B.

Полная мощность, передаваемая автотрансформатором первичной сети во вторичную, называется проходной.

Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток автотрансформатора, можно записать следующее выражение:

S = U_B I_B ? U_C I_C.

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

S = U_B I_B = [(U_B -- U_с) + U_с] Iв = (U_B -- U_с) I_B + U_C I_B

где (U_B -- U_с) I_B = S_T -- трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путём из первичной обмотки во вторичную;

U_C*I_B = S_Э -- электрическая мощность, передаваемую из первичной обмотки во вторичную за счёт их гальванической связи, без трансформации.

Рисунок 26 - Схема однофазного автотрансформатора

Рисунок 27 - Схемы соединения обмоток автотрансформатора (а) и соответствующие векторные диаграммы напряжений (б)

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток I_B последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальном мощностью автотрансформатора S = S_НОМ, а трансформаторная мощность -- типовой мощностью

S_T = S_ТИП.

Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса, определяется трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

где n_BC = U_B / U_C - коэффициент трансформации; k_ВЫГ - коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из формулы (1. 33) следует, что чем ближе U_B к U_C, тем меньше k_ВЫГ и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность, Это означает, что размеры автотрансформатора, его масса, расход активных материалов уменьшаются по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов при сочетании напряжений 220 / 110; 330/ 150; 500/ 220; 750/ 330.

Из схемы (рисунок 26) видно, что мощность последовательной обмотки

мощность общей обмотки

Таким образом, обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую называют расчетной мощностью.



Рисунок 28 - Принципиальные схемы трехобмоточных автотрансформаторов: а - однофазного; б - трехфазной группы автотрансформаторов.

Какая бы мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем S_ТИП нельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем.

Третья обмотка автотрансформатора (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов), а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник.

Мощность обмотки НН S_Н не может быть больше S_ТИП, так как иначе размеры автотрансформаторы будут определиться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки НН указывается в паспортных данных автотрансформатора.

На рисунке 28 изображена схема соединений обмоток трехобмоточного трансформатора. Обмотка высшего напряжения (ВН) 1 состоит из двух обмоток общей и последовательной. Обмотка среднего напряжения (СН) 2 является частью обмотки ВН и называется общей обмоткой, а остальная часть обмотки ВН - последовательной обмоткой. Третья обмотка 3 представляет собой обмотку низшего напряжения (НН) и связана с другими обмотками только магнитно.

Рассмотрим режимы работы трехобмоточных автотрансформаторов с обмотками ВН, СН, НН (рисунок 29).

Рисунок 29 - Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах: а, б - автотрансформаторные режимы; в, г - трансформаторные режимы; д, е - комбинированные режимы

В автотрансформаторных режимах (рисунок 29, а, б) возможна передача номинальной мощности S_НОМ из обмотки ВН в обмотку СН или наоборот. В обоих обмотках в общей обмотке проходит разность токов

,

а поэтому последовательная и общая обмотки загружены типовой мощностью, что допустимо.

В трансформаторных режимах (рисунок 29, в, г) возможна передача из обмотки НН в обмотку СН или ВН, причем обмотку НН можно загрузить не более чем на S_ТИП. Условия допустимости режима НН > ВН или НН > СН:



Если происходит трансформация S_ТИП из НН в СН, то общая обмотка загружена такой же мощностью и дополнительная передача мощности из ВН в СН невозможна, хотя последовательная обмотка не загружена.

В трансформаторном режиме передачи мощности S_ТИП из обмотки НН в ВН (рисунок 29, г) общая и последовательная обмотки загружены не полностью:

поэтому возможно дополнительно передать из обмотки СН в ВН некоторую мощность (смотреть пояснения к рисунку 29, е).

В комбинированных режимах передачи мощности автотрансформаторным путем ВН > СН и трансформаторным путем НН > СН (рисунок 29, д) ток в последовательной обмотке

где P_В , Q_В - активная и реактивная мощности, передаваемые из обмотки ВН в СН.

Нагрузка последовательной обмотки

Отсюда видно, что даже при передаче номинальной мощности S_В = S_НОМ последовательная обмотка не будет перегружена.

В общей обмотке токи автотрансформаторного и трансформаторного режимов направлены одинаково:

Нагрузка общей обмотки

Подставляя значения токов и производя преобразования, получаем:

где P_Н, Q_Н - активная и реактивная мощности, передаваемые из обмотки НН в СН.

Таким образом, комбинированный режим НН > СН, ВН > СН ограничивается загрузкой общей обмотки и может быть допущен при условии

Рисунок 30 - Схема включения трансформаторов тока для контроля нагрузки автотрансформаторов



Если значения cos ц на стороне ВН и НН незначительно отличаются друг от друга, то кажущиеся мощности можно складывать алгебраически и (1. 35) упрощается

В комбинированном режиме передачи мощности из обмоток НН и СН в обмотку ВН распределение токов показано на рисунке 29, е. В общей обмотке ток автотрансформаторного режима направлен встречно току трансформаторного режима, поэтому загрузка обмотки значительно меньше допустимой и в пределе может быть равна нулю. В последовательной обмотке токи складываются, что может вызывать ее перегрузку. Этот режим ограничивается загрузкой последовательной обмотки

где P_С , Q_С - активная и реактивная мощности на стороне СН; P_Н , Q_Н - активная и реактивная мощности на стороне НН. Комбинированный режим НН > ВН, ВН > ВН допустим, если

Если значения cos ц на стороне СН и НН незначительно отличаются друг от друга, то (1. 38) упрощается



Возможны другие комбинированные режимы: передача мощности из обмотки СН в обмотки СН и НН. В этих случаях направления токов в обмотках изменяются на обратные по сравнению с рисунком 29, д, е, но приведенные рассуждения и расчетные формулы (1. 35) - (1. 40) остаются неизменными.

Во всех случаях надо контролировать загрузку обмоток автотрансформатора. Ток в последовательной обмотке может контролироваться трансформатором тока ТА1, так как I_П = I_В (рисунок 30). Трансформатор тока ТА2 контролирует ток на выводе обмотки СН, а для контроля тока в общей обмотке необходим трансформатор тока ТА0, встроенный непосредственно в эту обмотку. Допустимая нагрузка общей обмотки указывается в паспортных данных автотрансформатора.

Выводы, сделанные для однофазного трансформатора [формулы (1. 33) - (1. 40)], справедливы и для трехфазного трансформатора, схема которого показана на рисунке 31. Обмотки ВН и СН соединяются в звезду с выведенной нулевой точкой, обмотки НН - в треугольник.

Рисунок 31 - Схема трехфазного трехобмоточного автотрансформатора

К особенностям конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмоток ВН и СН.

Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно-заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной

фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение

вместо

Напряжение выводов обмотки СН возрастает до U_В, резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Аналогичная картина наблюдается в случае присоединения повышающего автотрансформатора с незаземленной нейтралью к системе с эффективно-заземленной нейтралью.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех автотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН или СН не вызывает опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

В отличие от трансформатора, где вся мощность с первичной обмотки ВН передается на вторичную обмотку СН магнитным полем, в автотрансформаторе часть мощности передается непосредственно - без трансформации, через электрическую (контактную) связь между последовательной и общей обмотками (электрическую мощность):

S_ЭЛ = v3 * U_С^НОМ * I_В^НОМ,

а также с помощью пронизывающего их магнитного потока, то есть магнитным путем (трансформаторная мощность):



Сумма трансформаторной и электрической мощностей равна проходной мощности автотрансформатора:

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор по обмоткам ВН и СН, имеющим между собой автотрансформаторную связь. Для отечественных автотрансформаторов мощности обмоток ВН и СН одинаковы и равны номинальной или проходной. Следовательно,

В общей обмотке протекает разность токов сетей ВН и СН. Поэтому эту обмотку рассчитывают на ток, меньший номинального тока автотрансформатора, определяемого на стороне ВН, и она может иметь меньшую площадь сечения, чем обмотка того же напряжения двухобмоточного трансформатора. Меньшую площадь имеет и магнитопровод автотрансформатора. В результате, чем ближе к единице коэффициент трансформации

k_ВС = k = U_ВН/ U_СН = I_СН/ I_ВН,

тем меньше расход активных материалов и приблизительно - стоимость автотрансформатора. Поэтому понижающие автотрансформаторы оказываются дешевле трансформаторов равной номинальной мощности, а применение автотрансформаторов взамен трансформаторов становится тем выгоднее, чем ближе друг к другу напряжения U_ВН и U_СН.

Мощность общей части обмоток второго автотрансформатора (рисунок 28)

где б_В - так называемый коэффициент выгодности.

Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие типовой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка:

Типовая мощность отражает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, то есть расход активных материалов. Различие технико-экономических показателей трансформаторов и автотрансформаторов зависит от соотношения между номинальной и типовой (расчетной) мощностями, то есть от коэффициента выгодности б_В . Поскольку

то очевидно, что преимущество автотрансформатора проявляются в большой степени тогда, когда с его помощью связываются сети более близких напряжений.

Мощность обмотки НН, обычно равную 50% номинальной мощности автотрансформатора, рассчитывают на передачу типовой мощности

В отдельных автотрансформаторах мощность обмотки НН составляет 20, 25 и 40% и не равна типовой мощности. В этом случае коэффициент выгодности б_В = (1 - U_СН/ U_ВН) не равен отношению б = S_НН/ S_ВН, именуемый в дальнейшем коэффициентом приведения (пересчета).

Обмотка НН соединяется в треугольник, что способствует подавлению третьей гармоники фазных ЭДС, предотвращая их появления в линиях. Третья обмотка (НН) предназначена для питания нагрузок, расположенных в районе рассматриваемой ПС, а также для подключения компенсирующих реактивную мощность устройств. Номинальное напряжение третьей обмотки в зависимости от удаленности нагрузок может быть 6, 6, 11 и 38, 5кВ.

Наличие электрической связи между обмотками ВН и СН обуславливает возможность применения автотрансформаторов только в сетях с глухо заземленной нейтралью, то тесть в сетях 110кВ и выше, а сами автотрансформаторы изготавливают с высшим напряжением не менее 150кВ и средним 110кВ. При отсутствии заземления нейтрали и замыканий на землю одной фазы в сети ВН потенциал относительно земли двух других фаз сети СН повысится до недопустимого значения.

Расчетная схема замещения трехобмоточного автотрансформатор, представляющая собой трехлучевую звезду с сопротивлениями обмоток ВН - R_В, X_В, СН - R_С, X_С, НН - R_Н, X_Н, аналогична схеме замещения трехобмоточного трансформатора (рисунок 22). Автотрансформаторы, как и трехобмоточные трансформаторы, характеризуются потерями активной мощности (?Р_Х) и токами холостого хода (I_X = Iм). Сопротивления обмоток автотрансформаторов, так же как и трансформаторов определяют по табличным данным трех опытов короткого замыкания (рисунок 23).

Паспортные таблицы параметров автотрансформаторов содержат потери короткого замыкания на три пары обмоток (?Р_К^В-С, ?Р_К^В-Н, ?Р_К^С-Н) или на одну пару обмоток (?Р_К^В-Н). Указывают также и значения напряжения короткого замыкания (u_К^В-С, u_К^В-Н, u_К^С-Н). Причем величину ?Р_К^В-С, u_К^В-С дают отнесенными к номинальной мощности, а две пары других параметров в ряде случаев указывают приведенными к мощности НН или типовой мощности. Эта особенность записи параметров автотрансформаторов отражает условия выполнения опытов короткого замыкания.

При коротком замыкании обмотки ВН, мощность которой меньше номинальной S_НОМ автотрансформатора, поднимается до значения, определяющего в этой обмотке ток, соответствующий номинальной мощности S_НН обмотки НН, а не номинальной мощности автотрансформатора S_НОМ. При коротком замыкании на стороне СН напряжение на стороне ВН может подняться до значения, при котором ток в последовательной обмотке достигает значения, определяющего номинальную мощность автотрансформатора.

В связи с этим паспортные данные автотрансформаторов на пару обмоток ?Р_К^В-С приводятся отнесенными к номинальной мощности автотрансформатора, а значения ?Р_К^В-Н, ?Р_К^С-Н (обозначим его ?Р_К^ммммм ) - к номинальной мощности обмотки НН:

которые необходимо пересчитать к номинальной мощности автотрансформатора:



Взяв отношение выражений (1. 48) и (1. 49), получим:

Учитывая, что

определяют сопротивления автотрансформатора по формулам:

Напряжения короткого замыкания u_К^В-Н и u_К^С-Н , отнесенные к номинальной мощности третьей обмотки

должны быть приведены к номинальной мощности автотрансформатора:

Если выполнить деление выражений (1. 52) на соответствующие величины (1.53), то получим значения, приведенные к номинальной мощности автотрансформатора:

Рисунок 32 - Принципиальные схемы автотрансформатора с РПН в нейтрали обмоток (а), на стороне СН (б), на стороне ВН (в)

Трехобмоточные автотрансформаторы имеют несколько вариантов регулирования напряжения под нагрузкой (РПН):

- в нейтрали обмоток ВН и СН (рисунок 32, а);

- на выводах обмотки СН (рисунок 32, б);

- со стороны ВН (рисунок 32, в).

При задании трансформации идеальными трансформаторами в схеме замещения следует учитывать расположенные РПН. Для автотрансформатора с РПН в общей нейтрали обмоток коэффициенты трансформации определяются следующим образом:

В случае автотрансформаторов с РПН только на ступени СН:

При установке РПН на стороне ВН определим коэффициенты трансформации в виде

В этих выражениях дU - добавочное напряжение при переходе на ответвления, при которых коэффициент трансформации отличается от номинального.

Рисунок 33 - Схемы замещения трехобмоточного автотрансформатора: при направлении потока ВН - СН (а) и СН - ВН (б)

Подводя итог, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

· меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;

· меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет создать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;

· меньшие потери и больший КПД;

· более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

· необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;

· сложность регулирования напряжения;

· опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.

1.7 Защита трансформаторов

Для трансформаторов должны быть предусмотрены устройства релейной защиты от следующих видов повреждений и ненормальных режимов работы:

· замыкание между фазами внутри кожуха трансформатора и на наружных выводах обмоток;

· замыкание между витками одной фазы в обмотках;

· замыкание на землю обмоток или их наружных выводов;

· многофазные замыкания в обмотках и на выводах;

· токи в обмотках, обусловленные перегрузкой;

· понижение уровня масла;

· частичный пробой изоляции вводов 500кВ;

· повреждение магнитопровода трансформаторов, приводящее к появлению местного нагрева и «пожару стали».

Защита от повреждений:

· токовая отсечка без выдержки времени, устанавливаемая со стороны питания и охватывающая

часть обмотки трансформатора, если не предусмотрена дифференциальная защита.

Токовая отсечка:

- не является полноценной и охватывает своей зоной действия лишь часть трансформатора;

- не действует при витковых замыканиях и замыканиях на землю в обмотке, работающей на сеть с малым током замыкания на землю.

· продольная дифференциальная токовая защита без выдержки времени на трансформаторах мощностью 6,3МВА и более, а также на трансформаторах мощностью 4МВА при параллельной работе последних с целью селективного отключения поврежденного трансформатора.

Продольная дифференциальная защита должна осуществляться с применением специальных реле тока, отстроенных от бросков тока намагничивания, переходных и установившихся токов небаланса, если при этом обеспечивается требуемая чувствительность.

Продольная дифференциальная защита должна быть выполнена так, чтобы в зону ее действия входили соединения трансформатора и со сборными шинами.

Принцип действия дифференциальной защиты основан на сравнении величины и направления токов до и после защищаемого объекта.

· газовая защита - весьма чувствительная защита от внутренних повреждений трансформаторов.

Газовая защита от повреждений внутри кожуха, сопровождающихся давлением газа, и от понижения уровня масла должна быть предусмотрена:

- для трансформаторов мощностью 6,3МВА и более;

- для шунтирующих реакторов напряжением 500кВ;

- для внутрицеховых понижающих трансформаторов мощностью 630кВА и более;

- для трансформаторов мощностью 1 - 4МВА.

Допускается выполнение газовой защиты с действием отключающего элемента только на сигнал:

- на трансформаторах, которые установлены в районах, подверженных землетрясениям;

- на внутрицеховых понижающих трансформаторах мощностью 2,5МВА и менее, не имеющих выключателей со стороны высшего напряжения.

Защита от коротких замыканий выполняется при помощи:

· максимально - токовой защиты;

· максимальной защиты с блокировкой минимального напряжения;

· токовой защиты нулевой последовательности;

· защиты обратной последовательности.

Защита от перегрузок выполняется реагирующей на ток (должна действовать на сигнал или производить автоматическим способом его разгрузку).

В случаях присоединения трансформаторов к линиям без выключателей для отключения повреждений в трансформаторе должно быть предусмотрено одно из следующих мероприятий:

1. Установка короткозамыкателя для искусственного замыкания на землю одной фазы (для сети с глухозаземленной нейтралью) или двух фаз между собой (для сети с изолированной нейтралью) и, если необходимо, отделителя, автоматически отключающегося в бестоковую паузу АПВ линии. Короткозамыкатель должен быть установлен вне зоны дифференциальной защиты трансформатора.

2. Установка на стороне высшего напряжения понижающего трансформатора открытых плавких вставок, выполняющих функции короткозамыкателя и отделителя, в сочетании с АПВ линии.

3. Передача отключающего сигнала на выключатель (или выключатели) линии; при этом, если необходимо, устанавливается отделитель; для резервирования передачи отключающего сигнала допускается установка короткозамыкателя.

4. Установка предохранителей на стороне высшего напряжения понижающего трансформатора.

Защиту от токов, обусловленных внешними многофазными КЗ, следует устанавливать:

- на двухобмоточных трансформаторах - со стороны основного питания;

- на многообмоточных трансформаторах, присоединенных тремя и более выключателями, - со сторон трансформатора; допускается не устанавливать защиту на одной из сторон трансформатора, а выполнять ее со стороны основного питания так, чтобы она с меньшей выдержкой времени отключала выключатели с той стороны, на которой защита отсутствует;

- на понижающем двухобмоточном трансформаторе, питающем раздельно работающие секции, - со стороны питания и со стороны каждой секции;

- при применении накладных трансформаторов тока на стороне высшего напряжения - со стороны низшего напряжения на двухобмоточном трансформаторе и со стороны низшего и среднего напряжений на трехобмоточном трансформаторе.

Допускается защита от токов, обусловленных внешними многофазными КЗ, предусматривать только для резервирования защит смежных элементов и не предусматривать для действия при отказе основных защит трансформаторов, если выполнения для такого действия приводит к значительному усложнению защиты.

трансформатор обмотка нагрузочный напряжение



2. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

2.1 Нагрузочная способность трансформаторов

При выборе мощности трансформаторов нельзя руководствоваться только их номинальной мощностью, так как в реальных условиях температура охлаждающей среды, условия установки трансформатора могут быть отличными от принятых. Нагрузка трансформатора меняется в течение суток, и если мощность выбрать по максимальной нагрузке, то в периоды ее спада трансформатор будет не загружен, то есть недоиспользована его мощность. Опыт эксплуатации показывает, что трансформатор может работать часть суток с перегрузкой, если в другую часть суток его нагрузка меньше номинальной. Критерием различных режимов является износ изоляции трансформатора.

Рисунок 34 - Построение двухступенчатого графика по суточному графику нагрузки трансформатора

Нагрузочная способность трансформатора - это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.

Допустимая нагрузка - это длительная нагрузка, при которой расчетный износ изоляции обмоток от нагрева не превосходит износ, соответствующий нормальному режиму работы.

Перегрузка трансформатора - режим, при котором расчетный износ изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы (такой режим возникает, если нагрузка окажется больше номинальной мощности трансформатора или температура охлаждающей среды больше принятой расчетной).

Допустимые системные нагрузки трансформатора больше его номинальной мощности возможны за счет неравномерности нагрузки в течение суток.

На рисунке 34 изображен суточной график нагрузки, из которого видно, что в ночное время, утренние и дневные часы трансформатор недогружен, а во время вечернего максимума перегружен. При недогрузке износ изоляции мал, а во время перегрузки значительно увеличиваться. Максимально допустимая систематическая нагрузка определяется при условии, что наибольшая температура обмотки + 140ъ С, наибольшая температура масла в верхних слоях + 95ъ С и износ изоляции за время максимальной нагрузки такой же, как при работе трансформатора при постоянной номинальной нагрузке, когда температура наиболее нагретой точки не превышает + 98ъ С (ГОСТ 14209 - 85). Для подсчета допустимой систематической нагрузки действительный график преобразуется в двухступенчатый (смотрите рисунок 34).

Коэффициент начальной нагрузки эквивалентного графика определяется по выражению

где s1, s2, …, sm - значения нагрузки в интервалах Дt1, Дt2, …, Дtm.

Коэффициент максимальной нагрузки в интервале

h = Дh1 + Дh2 + … + Дhp

Если К2`?0, 9Кmax , то принимают К2`=К2, если К2`<0, 9Кmax , то принимают К2=0, 9Кmax.

Зная среднюю температуру охлаждающей среды за время действия графика (и_охл), систему охлаждения трансформатора (М, Д, ДЦ, Ц), по таблицам, приведенным в ГОСТ 14209 - 85 (для трансформаторов до 100МВА), определяют допустимость относительной нагрузки К₂ и ее продолжительность.

Нагрузка более 1,5S_ном должна быть согласована с заводом - изготовителем. Нагрузка более 2,0S_ном не допускается.

Аварийная перегрузка разрешается в аварийных случаях, например при выходе из строя параллельно включенного трансформатора.

Допустимая аварийная перегрузка определяется предельно допустимыми температурами обмотки (140ъ С для трансформаторов напряжением выше 110кВ и 160ъ С для остальных трансформаторов) и температурой масла в верхних слоях (115ъ С).

Аварийные перегрузки вызывают повышенный износ витковой изоляции, что может привести к сокращению нормированного срока службы трансформатора, если повышенный износ впоследствии не компенсирован нагрузкой с износом изоляции ниже нормального.

Значение допустимой аварийной перегрузки определяется по ГОСТ 14209-85 в зависимости от начальной нагрузки К₁, температуры охлаждающей среды во время возникновения аварийной перегрузки и_охл и длительности нагрузки. Максимальная аварийная перегрузка не должна превышать 2,0S_ном .

При выборе трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях, по условиям аварийных перегрузок можно воспользоваться таблицей 1.

Точный расчет максимально допустимых нагрузок и аварийных перегрузок, а также износ витковой изоляции производится на ЭВМ по вспомогательным схемам, приведенным в ГОСТ 14209-85.

Допустимые нагрузки и аварийные перегрузки для трансформаторов мощностью свыше 100МВА устанавливаются в инструкциях по эксплуатации; для сухих трансформаторов и трансформаторов с негорючим жидким диэлектриком - в стандартах или технических условиях на конкретные типы трансформаторов (ГОСТ 14209-85).

Таблица 1

Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов при выборе их номинальной мощности для промышленных подстанций при предшествующей нагрузке, не превышающей 0,8 (по ГОСТ 14209-85)

Продолжительность перегрузки, ч	Эквивалентная температура окружающего воздуха, ъ С
	- 10	0	+ 10	+ 20	+ 30
	М, Д	ДЦ	М, Д	ДЦ	М, Д	ДЦ	М, Д	ДЦ	М, Д	ДЦ
0,5	2, 0	1, 8	2, 0	1, 8	2, 0	1, 7	2, 0	1, 6	2, 0	1, 5
1	2, 0	1, 7	2, 0	1, 7	2, 0	1, 6	2, 0	1, 5	1, 9	1, 5
2	2, 0	1, 6	1, 9	1, 6	1, 8	1, 5	1, 7	1, 4	1, 6	1, 4
4	1, 7	1, 5	1, 7	1, 5	1, 6	1, 4	1, 4	1, 4	1, 3	1, 3
6	1, 6	1, 5	1, 5	1, 5	1, 5	1, 4	1, 4	1, 4	1, 3	1, 3
8	1, 6	1, 5	1, 5	1, 5	1, 4	1, 4	1, 3	1, 4	1, 2	1, 3
12	1, 5	1, 5	1, 5	1, 5	1, 4	1, 4	1, 3	1, 4	1, 2	1,3
24	1, 5	1, 5	1, 5	1, 5	1, 4	1, 4	1, 3	1, 4	1, 2	1,3

2.2 Коэффициент полезного действия трансформаторов.

Коэффициент полезного действия (КПД) з представляет собой отношение активной мощности на выходе трансформатора Р₂ к активной мощности на входе трансформатора Р₁

где УР = Р_х + в² Р_к - сумма потерь в трансформаторе.

В процессе работы трансформатора имеют место два вида потерь:

- электрические - потери, идущие на нагрев обмоток трансформатора протекающими по ним токами:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из формулы (4) видно, что электрические потери зависят от значений первичного I₁ и вторичного I₂ токов, то есть от нагрузки трансформатора.

Для определения электрических потерь пользуются выражением:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где в = I2 / I2 ном - коэффициент нагрузки трансформатора;

Рк - мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания (при номинальных токах в обмотках).

Электрические потери называют переменными, так как их величина зависит от нагрузки трансформатора.

- магнитные - потери в магнитопроводе трансформатора. При стабильном напряжении и частоте магнитный поток практически постоянен, поэтому значение магнитных потерь неизменно, то есть не зависит от нагрузки трансформатора и равно потерям холостого хода Р_х .

Мощность на выходе трансформатора:

Р₂ = в * S_ном * cosц₂

где Р_ном = I_{2 ном} * U_{2 ном} * v3 - номинальная полная мощность трансформатора, ВА;

I_{2 ном} и U_{2 ном} - линейные значения тока и напряжения.

Учитывая, что Р₁ = Р₂ + 2Р, получим формулу:

Как видно из формулы (2. 7) КПД трансформатора зависит от коэффициентов нагрузки в и мощности cosц, то есть от тока нагрузки и ее характера.

На рисунке 16 показаны графики з = ѓ (в) для различных значений cosц.

Наибольшее значение КПД з_max соответствует нагрузке в`, при которой магнитные потери равны электрическим Р<sub>х</sub> = (в`)² * Рк, отсюда коэффициент нагрузки, соответствующий максимальному КПД:

в` = vРх / Рк

Обычно КПД трансформатора имеет максимальное значение при в` = 0, 45 ч 0, 65.

КПД трансформатора выше, чем КПД электрических машин, что объясняется отсутствием механических потерь.

2.3 Регулирование напряжения трансформаторов

Для нормальной работы потребителей необходимо поддержать определенный уровень напряжения на шинах подстанций. В электрических сетях предусматриваются способы регулирования напряжения, одним из которых является изменение коэффициента трансформации трансформатора.

Известно, что коэффициент трансформации определяется как отношение первичного напряжения ко вторичному, или

n = U₁/ U₂ = w₁ / w₂,

где w₁ и w₂ - число витков первичной и вторичной обмоток соответственно.

Отсюда

U₂ = U₁ w₂ / w₁.

Обмотки трансформаторов снабжаются дополнительными ответвлениями, с помощью которых можно изменить коэффициент трансформации. Переключение ответвлений может происходить без возбуждения (ПБВ), то есть после отключения всех обмоток от сети или под нагрузкой (РПН).

Устройство ПБВ позволяет регулировать напряжение в пределах ± 5%, для чего трансформаторы небольшой мощности кроме основного вывода имеют два ответвления от обмоток высшего напряжения: + 5% и - 5% (рисунок 36,а). Если трансформатор работал на основном выводе 0 и необходимо повысить напряжение на вторичной стороне U2, то, отключив трансформатор, производят переключение на ответвление - 5%, уменьшая тем самым число витков w1.



Рисунок 36 - Схема регулирования напряжения ПБВ:

а - ответвления вблизи нулевой точки ± 5% с трехфазным переключателем на три положения; б - ответвления в середине обмотки ± 2 Ч 2,5% с однофазными переключателями на пять положений (фаза А):

1 - неподвижный контакт; 2 - сегмент контактный; 3 - вал переключателя; 4 - контактные кольца.

На трансформаторах средних и больших мощностей предусматриваются четыре ответвления ± 2 Ч 2,5%, переключение которых производится специальными переключателями барабанного типа, установлеными отдельно для каждой фазы (рисунок 36, б). Рукоятка привода переключателя выведена на крышку трансформатора.

При замыкании роликом переключателя контактов А₄ - А₅ трансформатор имеет номинальный коэффициент трансформации. Положение А₃ - А₄ и А₂ - А₃ соответствуют увеличению коэффициента трансформации на 2,5 и 5, а положения А₅ - А₆ и А₆ - А₇ - уменьшению на 2,5 и 5%.



Рисунок 37 - Устройство РПН трансформатора:

а - схема включения регулируемых ступеней; Ab - основная обмотка; bc - степень грубой регулировки; de - степень плавной регулировки; П - переключатель; И - избиратель; б - переключающее устройство РНТ - 13; 1 - переключатель; 2 - горизонтальный вал; 3 - кожух контакторов; 4 - вертикальный вал; 5 - коробка привода; 6 - бак трансформатора.

Устройство ПБВ не позволяет регулировать напряжение в течение суток, так как это потребовало бы частого отключения трансформатора для производства переключений, что по условиям эксплуатации практически недопустимо. Обычно ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения.

Регулирование под нагрузкой (РПН) позволяет переключать ответвления обмотки трансформатора без разрыва цепи. Устройство РПН предусматривает регулирование напряжения в различных пределах в зависимости от мощности и напряжения трансформатора (от ± 10 до ± 16% ступенями приблизительно по 1,5%).

Регулировочные ступени выполняются на стороне ВН, так как меньший по значению ток позволяет облегчить переключающее устройство. Для расширения диапазона регулирования без увеличения числа ответвлений применяются ступени грубой и тонкой регулировки (рисунок 37).

Наибольший коэффициент трансформации получается, если переключатель П находится в положении II, а избиратель И - на ответвлении 6. Наименьший коэффициент трансформации при положении переключателя I, а избирателя - на ответвлении 1.

На рисунке 37, б показана схема расположения элементов переключающего устройства РНТ-13, применяемого на трансформаторах средней мощности

Рисунок 38 - Схема и последовательность переключений устройства РПН с токоограничивающими сопротивлениями

Рисунок 39

Переход с одного ответвления регулируемой обмотки на другое осуществляется так, чтобы не разрывать ток нагрузки и не замыкать накоротко витки этой обмотки. Это достигается в специальных переключающих устройствах с реакторами или резисторами. Схема с резисторами (рисунок 38) обладает рядом преимуществ перед схемой с реакторами и получает все более широкое распространение. На рисунке 38 показаны регулировочная часть обмотки de и переключающее устройство.

Последовательность работы контакторов и избирателей показана в таблице к рисунку 38. В исходном положении 0 трансформатор работает на ответвлении 5, ток нагрузки проходит через контакт К1

В переключателях данного типа используются мощные пружины, обеспечивающие переключение контактов контактора (< 0,15 с), поэтому токоограничивающее сопротивление R1 и R2 лишь кратковременно нагружаются током, что позволяет уменьшить их габариты. Контакторы размещаются в герметизированном баке с маслом. Управление РПН может осуществляться дистанционно со щита управления вручную или автоматически.

Регулирование напряжения в автотрансформаторах имеет некоторую особенность. Если ответвления выполнить в нейтральной точке (рисунок 39, а), то это позволяет облегчить изоляцию переключающего устройства и рассчитать его на меньший ток, так как в общей обмотке автотрансформатора проходит разность токов. Такое регулирование называется связанным, то есть при переключении ответвлений одновременно меняется количество витков ВН и СН. Это приводит к резким изменениям индукции в сердечнике и колебаниях напряжения на обмотке НН.

Независимое регулирование в автотрансформаторе можно осуществлять с помощью регулируемой обмотки на линейном конце среднего напряжения (рисунок 39, б). В этом случае переключающее устройство должно быть рассчитано на полный номинальный ток, а его изоляция - на полное напряжение средней обмотки.



Рисунок 40 - Схема включения последовательного регулировочного трансформатора в цепь автотрансформатора

Такие переключающие устройства на ток 2000А с изоляцией классов 110 и 220кВ позволяет обеспечить РПН для автотрансформаторов больших мощностей.

Регулирование осуществляется с помощью трех однофазных регуляторов, имеющих электропривод с автоматическим управлением.

Для регулирования напряжения на мощных транс-форматорах и автотрансформаторах применяются также последовательные регулируемые трансформаторы (рисунок 40). Они состоят из последовательного трансформатора 2, который вводит добавочную ЭДС в основную обмотку автотрансформатора 1, и регулировочного автотрансформатора 3, который меняет эту ЭДС. С помощью таких трансформаторов можно изменить не только напряжение (продольное регулирование), но и его фазу (поперечное регулирование). Устройство таких трансформаторов значительно сложнее, чем РПН, поэтому они дороже и применение их ограничено.

Рисунок 41 - Включение регулировочного трансформатора со стороны НН автотрансформатора

Одним из видов последовательных регулировочных трансформаторов являются линейные регуляторы, которые включаются последовательно в линию или в цепь трансформатора без РПН, обеспечивая регулирование напряжения в пределах ± 10 ч 15%.

Широкое применение линейные регуляторы находят подстанциях с автотрансформаторами (рисунок 41).

На стороне СН регулирование напряжения обеспечивается встроенным в автотрансформатор 1 РПН, а на стороне НН устанавливается регулировочный трансформатор 2, снабженный автоматическим регулированием напряжения.

2.4 Режимы работы трансформаторов

2.4.1 Нормальные режимы

Исходным для характеристики нормальных режимов является номинальный режим, то есть такой, при котором сохраняются номинальные значения частоты, напряжения, тока и номинальные условия охлаждения среды и места установки. Очевидно, что в процессе эксплуатации возникают те или иные отклонения от номинального режима.

Повышение тока сверх номинального значения приводит к перегрузкам трансформатора, которые делятся на две группы: системные (повторяющиеся) и аварийные. Допустимость перегрузок определяется нагрузочной способностью трансформатора, заложенной в его конструкцию.

Аварийные перегрузки бывают кратковременные и длительные. Кратковременные аварийные перегрузки сверх номинального тока регламентируются таблицей 2.

Таблица применима к трансформаторам с любой системой охлаждения, независимо от значения и длительности предшествующей нагрузки, температуры окружающей среды и места установки трансформатора.

Длительные перегрузки масляных трансформаторов допускаются в соответствии со следующим правилом:

трансформатор можно перегружать на 40% сверх номинального тока в течение не более пяти суток подряд на время максимумов нагрузки общей продолжительностью не более шести часов в сутки при условии, что коэффициент предшествующей нагрузки не превышает 0, 93.

Для сухих трансформаторов длительные аварийные перегрузки устанавливаются заводскими инструкциями.

В соответствии с Правилами технической эксплуатации ток в нейтрали сухого трансформатора не должен превышать 25% от номинального тока обмотки трансформатора.

Таблица 2

Систематические перегрузки, в отличии от аварийных, не являются вынужденными и допускаются сознательно, исходя из понятия нормативного срока службы трансформатора, напрямую связанную с нормативным износом продольной изоляции обмоток, рассчитываемым для номинального режима.

В эксплуатации режимы работы трансформатора отличаются от номинального, причем в периоды работы с недогрузом износ изоляции понижается по сравнению с расчетным, и если при этом не допускать перегрузов трансформатора, срок службы может значительно превысить нормативный, что экономически целесообразно. Поэтому в случае необходимости можно допускать перегрузки трансформатора, но такие, чтобы повышенный износ изоляции в часы перегрузок компенсировался таким ее недоизносом в часы пониженных нагрузок, что срок службы изоляции оставался бы близким к расчетному.

Систематические перегрузки могут быть обусловлены как недогрузкой по суточному графику, так и сезонной недогрузкой. Допустимые значения системных суточных перегрузок определяются по графикам нагрузочной способности, в зависимости от характера суточного графика нагрузки, температуры охлаждающей среды, постоянной времени нагрева трансформатора и вида системы охлаждения.

Сезонные систематические перегрузки регламентируются следующим правилом: если максимум среднего графика нагрузки в летнее время меньше номинальной трансформатора, то в зимнее время допускается перегрузка трансформаторов в размере 1% на каждый 1% летней недогрузки, но всего не более чем на 15%, причем суммарная систематическая перегрузка (суточная и сезонная) не должна превышать 50%.

Ненормальные режимы работы трансформаторов - это появление в них токов сверхтоков, то есть токов, превышающих номинальный ток обмоток трансформатора.

Сверхтоки в трансформаторе возникают при:

· внешних коротких замыканиях - вызывается повреждением на шинах трансформатора или неотключившемся повреждением на отходящих от шин присоединении.

При этом по трансформатору проходят токи короткого замыкания, которые нагревают его обмотки сверх допустимого значения, что может привести к повреждению трансформатора. Поэтому трансформаторы должны иметь защиту от внешних коротких замыканий, отключающую трансформатор для протекающего по нему тока повреждения.

· перегрузках - требования ко времени действия защиты определяется только нагревом изоляции обмоток.

Масляные трансформаторы допускают длительную перегрузки по току на 5%.

· качаниях.

Работа трансформатора с повышенным сверх номинального напряжением регламентируется правилом:

допускается длительное 5%-е и кратковременное (не более 6 часов в сутки) 10%-е повышение напряжения при нагрузке, не превышающей номинальную. При нагрузке, не превышающей 25% номинальной, допускается длительное повышение напряжения до 10% сверх номинального.

Несимметрия нагрузки или параметров электрической сети является причиной несимметричного режима работы трансформатора, допустимость которого определяется расчетом. Предельным случаем несимметричного режима является работа трансформатора двумя фазами (асимметричный режим). На практике для работы двумя фазами пригодны только трансформаторы с двумя схемами соединения обмоток: звезда с заземленной нейтралью на стороне ВН и треугольник на стороне НН либо треугольник на обеих сторонах.

Ввиду того, что в заземляющей нейтрали трансформатора, работающего двумя фазами, может в 1,73 раза превысить ток трансформатора, такой режим допустим лишь при надежном заземлении нейтрали, рассчитанном на длительное протекание указанного тока. Поврежденную фазу трансформатора допускается оставлять под напряжением только в том случае, если повреждение является обрывом.

Располагаемая мощность трансформатора в несимметричном режиме уменьшается с увеличением асимметрии токов и находится в пределах от 58 до 66,7% его номинальной мощности. Для снижения несимметрии токов рекомендуется параллельно неполнофазному трансформатору включать трансформатор, работающий тремя фазами. При этом следует помнить, что у полнофазного трансформатора в наибольшей степени загружена фаза, отсутствующая у неполнофазного. Суммарная располагаемая мощность обоих трансформаторов может быть при этом повышена за счет установки на них неодинаковых коэффициентов трансформации: у полнофазного понижающего трансформатора он должен быть больше, чем у неполнофазного.

2.4.2 Параллельная работа трансформатора

Для включения трансформаторов с одинаковыми номинальными напряжениями на всех сторонах на параллельную работу, необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:

· тождественность схем и групп соединения обмоток;

· равенство коэффициентов трансформации;

· равенство напряжений короткого замыкания.

Наиболее жестким является первое условие. При включении трансформаторов на параллельную работу трансформаторов с разными группами соединений может привести к катастрофическим последствиям: при этом по трансформаторам могут проходить уравнительные токи, близкие к токам трехфазного короткого замыкания на выводах трансформатора.

Следует подчеркнуть, что быстродействующие защиты трансформаторов - продольные дифференциальные - не реагируют на токи трехфазного короткого замыкания и трансформаторы будут отключены резервными максимальными токовыми защитами, имеющими значительные выдержки времени. Электродинамические силы, обусловленные указанными токами, могут вызвать:

· смещение обмоток и другие повреждения трансформаторов;

· перегрев обмоток уравнительными токами.

По этим причинам при включении трансформаторов даже с одинаковыми группами соединения на параллельную работу необходимо выполнять фазировку.

Второе и третье условие менее жесткими, однако, необходимо учитывать также ограничение по уравнительному току между трансформаторами. Поэтому допускается параллельная работа трансформаторов с такими отступлениями от двух последних условий, при которых ни одна обмотка трансформатора не перегружается.

Помимо того, необходимо учитывать четвертое условие - рекомендуется не включать параллельно трансформаторы, мощности которых различаются более чем в три раза.

Несоблюдение любого из перечисленных условий (кроме первого) приводит к возникновению уравнительного тока, протекающего между трансформаторами, что влечет за собой непропорциональное их номинальным мощностям распределение нагрузки. В результате при номинальной загрузке оного из трансформаторов второй оказывается недогруженным и общая распределительная мощность трансформаторов становится ниже суммы их номинальных мощностей.

2.4.3 Включение и отключение трансформатора

Включение трансформаторов, как правило, производится со стороны питания на холостом ходу толчком на полное напряжение сети.

При таком включении трансформатора возникает переходной процесс, обусловленный изменением магнитного потока в сердечнике от начального значения. Начальное (остаточное) значение потока может достигать половины его номинального значения.

При большом остаточном значении потока, совпадающем по знаку с потоком, возникшим при включении, амплитуда суммарного потока в сердечнике через половину периода достигает 2,5-кратного значения амплитуды нормального значения. Такое увеличение суммарного потока приводит к насыщению стали магнитопровода и значительному, до 100 раз, возрастанию намагничивающего тока трансформатора. Данное явление называют броском намагничивающего тока трансформатора. Намагничивающий ток при этом может значительно превышать номинальный ток трансформатора, оказывая на последний такое же воздействие, что и ток короткого замыкания.