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.

Рисунок 26. Схема однофазного автотрансформатора.

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

S = UB IB? UC IC.

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 (1. 32).

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

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток IB 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:

(1.33).

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:

(1.34).

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:

(1. 35).

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.

(1.36).

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.

(1.37).

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.

(1.38).

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.

(1.39).

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

(1.40).

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, (1.41).

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

(1.42).

Сумма трансформаторной и электрической мощностей равна проходной мощности автотрансформатора:

(1.43).

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,.

(1.44).

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).

(1.45).

где б_В — так называемый коэффициент выгодности.

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

(1.46).

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.

(1.47).

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:

(1.48).

которые необходимо пересчитать к номинальной мощности автотрансформатора:

(1.49).

Взяв отношение выражений (1.48) и (1.49), получим:

(1.50).

Учитывая, что.

определяют сопротивления автотрансформатора по формулам:

(1.51).

Напряжения короткого замыкания uКВ-Н и uКС-Н, отнесенные к номинальной мощности третьей обмотки.

(1.52).

должны быть приведены к номинальной мощности автотрансформатора:

(1.53).

Если выполнить деление выражений (1.52) на соответствующие величины (1.53), то получим значения, приведенные к номинальной мощности автотрансформатора:

(1.54).

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:

(1. 55).

В случае автотрансформаторов с РПН только на ступени СН:

(1. 56).

При установке РПН на стороне ВН определим коэффициенты трансформации в виде.

(1.57).

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.