Автотрансформаторы

Основные принципы

В трансформаторе первичная и вторичная обмотки с напряжением U1и U2имеют токи I1и I2, протекающие в противоположных направлениях. В автотрансформаторе соединения делают возможным использовать часть первичной обмотки в качестве вторичной и понизить напряжение во вторичной обмотке до U2 ( cм.рис. ).
При этом сама первичная обмотка включает в себя вторичную и дополнительную часть с напряжением (U1 — U2). Ток, протекающий в общей части обмотки автотрансформатора, является разностью двух токов (I2 — I1). Поэтому общая часть обмотки может быть изготовлена из провода меньшего сечения, рассчитанного на разность токов (I2 — I1) вместо полного тока I2.
С другой стороны, первичная обмотка, имеющая более высокое напряжение, как бы уменьшена до последовательной части автотрансформатора, имеющей n1 — n2 витков вместо полного числа витков n1. Следовательно, первичная обмотка уменьшается пропорционально величине (n1-n2)/n1, а вторичная пропорционально ( I1-I2)/I2.
  Это позволяет получить экономию активных материалов и размеров.
Автотрансформаторы применяются в сетях от низкого напряжения, например, в распределительных сетях 110В и 220 В, и вплоть до очень высоких напряжений: 500 (525), 750 (787) и 1150 (1200) кВ (в скобках — наибольшее рабочее напряжение).
Существует несколько типов автотрансформаторов в зависимости от их применения:
♦ Для связи между двумя системами различного напряжения, возможно с регулированием напряжения;
♦ Для регулирования напряжения трансформатора в широких пределах, при этом вторичным является низкое напряжение, например в трансформаторах, питающих электрические печи, выпрямители для электролиза и (или) тяги;
♦ Для питания синхронных или асинхронных двигателей пониженным напряжением при их запуске.

Принципиальная схема автотрансформатора

Эквивалентные размеры

Для сравнения трансформаторов с различными характеристиками, таким, как мощность, регулирование напряжения обмотки, используется двухобмоточный эквивалент. Для обмотки или части обмотки мощность определяется произведением максимального тока и максимального напряжения в условиях эксплуатации. Для всего трансформатора двухобмоточный эквивалент будет иметь мощность, равную полусумме мощностей всех обмоток.
Трансформатор с двумя обмотками, без регулирования и при неизменном напряжении имеет эквивалентную мощность, равную мощности каждой из его обмогок. В случае введения регулирования в одной из обмоток и при полной требуемой мощности на каждом ответвлении, эквивалентная двухобмоточная мощность увеличивается на величину мощности дополнительной регулировочной обмотки.
Для сравнения автотрансформаторов и трансформаторов приняты такие понятия как «проходная» (Sap) и «типовая» (St) мощности автотрансформатора.
Проходная мощность — мощность, передаваемая автотрансформатором во вторичную сеть, типовая мощность — мощность двухобмоточного трансформатора, имеющего размеры данного автотрансформатора.
Выгоды, которые дает автотрансформатор за счет совмещения обмоток, видны из схемы на рис. 6.1.
  
 
 Благодаря автотрансформаторному соединению обе обмотки уменьшаются в размерах в одинаковой пропорции либо за счет уменьшения числа витков при том же сечении провода, либо за счет уменьшения сечения провода при том же числе витков. Такой автотрансформатор передает ту же мощность Snp, что и исходный трансформатор, имеющий то же соотношение напряжений. Однако, типовая мощность автотрансформатора — эквивалентная двухобмоточная мощность St, которая определяет физические размеры, будет соотноситься с проходной мощностью Snp как 
  
 Отсюда видно, что по мере уменьшения к12  величина р также уменьшается, стремясь к нулю, когда к12 приближается к единице. Это имеет место благодаря тому, что в трансформаторе вся энергия трансформируется из первичной обмотки во вторичную, тогда как в автотрансформаторе только часть всей энергии трансформируется, а другая часть передается непосредственно из системы одного напряжения в систему другого напряжения без трансформации.
Чем ближе значения напряжения двух систем, тем большая выгода достигается с помощью автотрансформатора.
Наиболее часто значения коэффициента выгодности находятся в пределах 0,3—0,7.
В таблице 6.1 приведены значения коэффициентов выгодности при различных коэффициентах трансформации.
                                                                                                    

Регулирование напряжения в автотрансформаторах

В зависимости от предъявляемых требований к регулированию напряжения применяются различные схемы соединения обмоток.
Регулирование напряжения без возбуждения может осуществляться так же, как в трансформаторе, при этом регулировочные витки или катушки могут располагаться либо в последовательной обмотке при необходимости регулирования высокого напряжения, либо в общей обмотке при регулировании среднего напряжения, причем в этом случае регулирование получается «связанным», т. к. общая обмотка является обмоткой СН и в то же время является частью обмотки ВН.
При необходимости в автотрансформаторах применяют регулирование напряжения под нагрузкой.
Выбор вида и схемы регулирования зависит от условий в энергосистеме, из которых вытекают требования к автотрансформатору.
При выборе схемы регулирования учитываются расход материалов, возможная конструкция обмоток, в том числе регулировочной обмотки, требуемые характеристики переключающего устройства, перевозбуждение автотрансформатора и пр.
В зависимости от условий регулирования напряжения применяются различные схемы регулирования напряжения под нагрузкой.
Все применяемые схемы можно разделить на три группы: схемы регулирования на стороне ВН (рис. 6.2), на стороне СН (рис. 6.3) и в общей нейтрали ВН—СН (рис. 6.4).
Регулирование целесообразно осуществлять в той обмотке, напряжение которой изменяется в больших пределах. Это следует учитывать при выборе схемы — с регулированием на стороне ВН или СН.

Регулирование на стороне ВН или СН

Помимо сказанного выше, эти два способа регулирования равноценны, На рис. 6.2 приведены некоторые схемы регулирования на стороне ВН. Схема 6.2, б имеет то преимущество перед схемой 6.2, а, что позволяет применить переключающее устройство класса напряжения СН, т. е. требует переключающее устройство более низкого класса напряжения. Поэтому схема 6.2, а может иметь практическое применение только в тех случаях, когда напряжения U1 и U2 близки друг к другу.

                                                                           
    Реверсирование регулировочной обмотки на схеме 6.2 в  позволяет вдвое увеличить диапазон регулирования по сравнению со схемой 6.2 б.
Схема рис. 6.2 г содержит дополнительный вольтодобавочный трансформатор со своим магнитопроводом. Вольтодобавочный трансформатор может располагаться в баке основного автотрансформатора или вне его. Регулирование осуществляется в главном автотрансформаторе.
Преимуществом схемы 6.2, г является возможность выбора наиболее удобного для регулирования тока и напряжения во вспомогательной цепи, содержащей переключающее устройство. Однако, косвенное регулирование требует дополнительного вложения материалов и некоторого увеличения габаритных размеров автотрансформатора. Отметим, что схемы 6.2, б и 6.2, в, регулируя напряжение на стороне ВН требуют регулировочной аппаратуры на класс СН.
На рис. 6.3. приведены схемы регулирования напряжения на стороне СН. Схема 6.3, б позволяет с помощью реверсирования расширить диапазон регулирования. Схема 6.3, в позволяет использовать регулировочную аппаратуру низкого класса напряжения.
Преимуществом схемы 6.3, г перед предыдущей является постоянное значение индукции в магнитопроводе вольтодобавочно-го трансформатора. Эта схема может быть использована для продольно-поперечного регулирования на стороне СН (т. е., одновременного регулирования напряжения по величине и фазе).

Регулирование напряжения в нейтрали

Метод регулирования напряжения в нейтрали (рис. 6.4.) позволяет применить регулировочную обмотку и переключающее устройство на класс напряжения, значительно более низкий, чем напряжение U1и U2, что является большим преимуществом этого метода.
                                                               Недостатком метода являются значительные колебания магнитной индукции в процессе регулирования, особенно при коэффициенте трансформации меньше двух. Поэтому его применяют в случае сравнительно небольшого диапазона регулирования в автотрансформаторах очень высокого класса напряжения.
Применение косвенного регулирования в нейтрали позволяет существенно упростить обмотку главного автотрансформатора, особенно когда вольтодобавочный трансформатор размещается в отдельном баке.

Сравнение методов регулирования на основе типовой мощности

В предыдущих разделах приведено качественное сравнение методов регулирования напряжения в автотрансформаторах. Ниже приведено сопоставление увеличения типовой мощности автотрансформатора с регулированием по сравнению с таким же трансформатором без регулирования.
Типовой мощностью автотрансформатора будем называть полусумму мощностей его обмоток   
мощность k-ой обмотки, равная произведению максимальных значений тока и напряжения в ней; n — число обмоток.
   Сравнение производится с автотрансформатором без регулирования под нагрузкой с проходной мощностью Snp для обмоток ВН и СН, соединенных по автотрансформаторной схеме, и с третичной обмоткой (НН), мощность которой равна типовой мощности автотрансформатора.
 Типовая мощность такого трехобмоточного автотрансформатора будет равна St= 1,5 pSnp, где р — коэффициент выгодности автотрансформатора, равный р = 1-1/k12,   k12— коэффициент трансформации между сторонами ВН и СН автотрансформатора, равный отношению номинальных напряжений.
При наличии регулирования под нагрузкой мощность автотрансформатора возрастает, так как появляются новые (регулировочные) обмотки и увеличивается мощность имеющихся обмоток.
 Типовая мощность регулируемого автотрансформатора равна
   
     
 В таблице 6.2 даны значения увеличения типовой мощности ASt рсг при введении регулирования согласно схемам рис. 6.2—6.4 для случаев симметричных диапазонов регулирования ± в процентах соответствующего напряжения.
  При этом проходная мощность неизменна для всех ступеней напряжения.

Для большей наглядности в таблице 6.2. указаны значения
Из данных таблицы 6.2. видно, в частности, что косвенные методы регулирования приводят к удвоению процента увеличения типовой мощности автотрансформатора по сравнению с прямыми (например, схема на рис. 6.2, г против а, б и в, а также на рис. 6.3, в против б), а в некоторых случаях они связаны даже с еще большей затратой материалов (например, схема рис. 6.4, в против а и б).

                                                                     
   Применение схем с реверсированием, удваивая диапазон регулирования, в некоторых случаях приводит к дополнительному вложению материалов (схема на рис. 6.3, б против а), а в других нет (схема на рис. 6.2, в против а и б, а также на рис. 6.4, б против а).

На основании формул, приведенных в таблице 6.2, на рис. 6.5 построены зависимости St.neper.от кп при р = ±10 %. Из графиков следует, что характер зависимости различен для схем регулирования на сторонах ВН и СН (кривые 1—3) и в нейтрали (кривые 4 и 5): в первых схемах Д5т-рсг гиперболически падает с ростом кп, а при регулировании в нейтрали — линейно возрастает.

Это объясняется тем, что при регулировании на стороне ВН или СН абсолютный прирост типовой мощности не зависит от К12 и при данном значении р является величиной постоянной. Поэтому относительный прирост мощности St.neper.с увеличением кп падает, так как при этом возрастает типовая мощность автотрансформатора £т.исрсг без регулирования, к которой отнесен абсолютный прирост типовой мощности Л^т.рСГ.

В противоположность этому при регулировании в нейтрали прирост типовой мощности Д5т рсг также зависит от К12, возрастая с увеличением К12быстрее, чем St.neper.. Поэтому для этих схем относительный прирост типовой мощности AsT рсг возрастает по мере увеличения К12. Точки пересечения кривых 1—3 с кривыми 4 и 5 (рис. 6.5) определяют границы, ниже которых меньших вложений материалов требуют схемы с регулированием в нейтрали, а выше — схемы с регулированием на стороне ВН или СН. На рис. 6.6 показана зависимость St.p.от пределов регулирования при К12= 2. Для всех схем St.p.возрастает линейно с увеличением р.

                   

Напряжение короткого замыкания автотрансформатора

 Автотрансформаторная схема соединения обмоток существенно влияет на величину полного сопротивления короткого замыкания. Действительно, если в схеме на рис. 6.1, б предположим, что вторичная сторона автотрансформатора замкнута накоротко, первичное напряжение U1 окажется приложенным не к точкам АС, как при нормальной работе, а к точкам АВ. Отношение числа витков на участке АВ к полному числу витков АС как раз равно коэффициенту выгодности р.
  В результате полное сопротивление короткого замыкания автотрансформатора, отнесенное к проходной мощности автотрансформатора Snp, составляет только pz, где z — полное сопротивление короткого замыкания в% трансформатора мощностью 150/ 110 кВ, образуемого обмотками АВ и ВС. Это существенным образом влияет на проектирование автотрансформатора, так как приходится выбирать его размеры так, чтобы его эффективное сопротивление короткого замыкания было достаточно для ограничения токов при коротком замыкании по соображениям динамической устойчивости обмоток.
  Так, если для трансформатора мощностью S с передаточным отношением 150/110 кВ токи короткого замыкания (без учета сопротивления системы) не должны превосходить 12-кратного значения номинального тока, то его сопротивление должно составлять 8,3%.

Если же мы вместо трансформатора создается автотрансформатор с тем же ограничением тока короткого замыкания в обмотках и с тем же значением сопротивления короткого замыкания, то мы должны выбрать модель трансформатора мощностью Sт = 0,275 (здесь 0,27 — коффициент выгодности для автотрансформатора 150/110 к В), но имеющего сопротивление короткого замыкания   
  Практически это приводит к меньшему сечению, диаметру и массе сердечника и более тяжелым обмоткам, чем у трансформатора данной типовой мощности Sт с сопротивлением порядка 10%.
  При этом измененяется соотношение масс и потерь: масса электротехнической стали и потери холостого хода снижаются значительно, а масса меди и нагрузочные потери снижаются в меньшей степени.
  Благодаря этому легко удается получить небольшое значение эффективного сопротивления, достаточное по соображениям динамической устойчивости обмоток при коротких замыканиях.

Вообще же имеются два возможных решения [5]:
а)    Если мы хотим, чтобы ток короткого замыкания не достиг чрезмерно большого значения, мы должны увеличить значение z, что соответствует очень высокому значению zт в связи с малым значением р.

б)    Если мы не хотим сильно отклоняться от сбалансированного проекта, мы должны избегать большого увеличения zт и принять достаточно низкое значение z при низком значении р.

Обычно приходят к разумному компромиссу между противоположными требованиями, в результате автотрансформаторы имеют относительно большое сопротивление короткого замыкания по отношению к типовой мощности и очень низкое сопротивление короткого замыкания по отношению к проходной мощности.

Поэтому в автотрансформаторах следует ожидать относительно высоких значений токов короткого замыкания.
 Для примера ниже приведены характеристики реальных автотрансформаторов:

1.    Однофазный автотрансформатор со следующими характеристиками:

—    номинальная трехфазная мощность 250/250/50 MB • А;

—    номинальное напряжение 525 : / 220 : л/3 /35 кВ;

—    частота 50 Гц;

—    сопротивление короткого замыкания обмоток ВН/СН, отнесенное к проходной мощности 250 MB • А — 12%;

—    коэффициент выгодности р (525 — — 230)/525 = 0,562;

—    типовая мощность последовательной и общей обмоток 250 х 0,562 — 140,5 MB • А;

—    сопротивление короткого замыкания обмоток ВН/СН, приведенное к типовой мощности 12/0,562 — 21,35%;

—    типовая мощность двухобмоточного трансформатора = (140,5 + НО,5 + 50)/2 = = 165,5 MB • А.

Отметим, что для трансформаторов связи более характерным является сопротивление 15-17%.

2.    Однофазный автотрансформатор:

—    номинальная трехфазная мощность 500/500/150 MB • А;

—    номинальное напряжение 500 : J3 / 230 : л/3 /35 кВ;

—    частота 50 Гц;
—    сопротивление короткого замыкания обмоток ВН/СН, отнесенное к проходной мощности 500 MB • А — 11 %;

—    коэффициент выгодности р (500 — — 230)/500 = 0,54:

—    типовая мощность последовательной и общей обмоток Sт 250 х 0,54 = 270 MB • А;

—    сопротивление короткого замыкания обмоток ВН/СН, приведенное к типовой мощности 11/0,54 = 20,37%;

—    типовая трехфазная мощность двухоб-моточного трансформатора Sт = (270 + 270 + + 150)/2 = 345 MB • А.

Режимы работы автотрансформаторов

   Расположение обмоток  автотрансформатора

  В автотрансформаторе стержневого типа две обмогки располагаются обычно последовательно в радиальном направлении от сердечника и имеют одинаковую высоту (рис. 6.7.). Автотрансформаторное соединение обмоток в трехфазной системе требует соединения в звезду с заземленной нейтралью во избежание попадания высокого потенциала на зажимы вторичных обмоток вследствие наличия их гармонической связи.

Следовательно, системы, соединенные через автотрансформатор, должны быть с заземленными нейтралями.

Мы называем «последовательной обмоткой» обмотку между выводами А и Аm на рис. 6.7 и «общей обмоткой» — обмотку, которая является общей частью двух систем, подсоединенных соответственно между выводами А и Аm и нейтралью. Отсюда высоковольтная сторона автотрансформатора состоит из общей обмотки вместе с последовательной обмоткой.

Однако, для краткости иногда называют последовательную часть «обмотка ВН», а общую часть — «обмотка СН».

Как правило, автотрансформаторы имеют третичную обмотку. В зависимости от режима ее работы различают понижающие и повышающие автотрансформаторы. В первых третичная обмотка располагается первой у магнитного стержня, во втором — между последовательной и общей обмотками автотрансформатора (рис. 6.8.).
                                                              

    Режимы работы автотрансформаторов

 Наибольший интерес представляют следующие основные режимы [2]:

а) Режимы ВН-СН и СН—ВН являются чисто автотрансформаторными режимами. В этих режимах в понижающих автотрансформаторах с обмотками ПО (последовательная обмотка) и ОО (общая обмотка), расположенными рядом, может быть, как правило, передана полная номинальная мощность автотрансформатора. В повышающих же трансформаторах с обмоткой НН, расположенной между обмотками ПО и ОО, проходную мощность в этих режимах приходится в некоторых случаях ограничивать ниже номинальной во избежание чрезмерно больших добавочных потерь в конструкции, обусловленных магнитным потоком рассеяния. При этих режимах потери короткого замыкания в понижающих автотрансформаторах могут достигать 60—70 % максимальных.

б) Режимы ВН—НН и НН—ВН являются чисто трансформаторными и позволяют осуществлять передачу энергии с мощностью, равной типовой мощности обмотки НН. В этих режимах потери короткого замыкания составляют около 50% максимальных.
                                                                                                                                                                                             
в) Режимы СН—НН и НН—СН позволяют осуществить передачу с мощностью вплоть до типовой мощности обмотки НН. Эти режимы — чисто трансформаторные и обуславливают потери короткого замыкания, составляющие 45—55% максимальных (в понижающих автотрансформаторах).

г) Комбинированные трансформаторно-автотрансформаторные режимы ВН—СН и одновременно ВН—НН, а также СН—ВН и одновременно НН—ВН. В этих режимах имеют место максимальные потери короткого замыкания. Наибольшая допустимая мощность ограничивается током в последовательной обмотке, который не должен превосходить ее номинального тока. Если нагрузка на стороне НН отсутствует, то эти режимы переходят в автотрансформаторные ВН—СН и СН—ВН. При возрастании нагрузки обмотки НН должна соответственно снижаться мощность на стороне СН с тем, чтобы последовательная обмотка не перегружалась.

На рис. 6.9 приведены расчетные значения допустимой нагрузки на стороне СН и НН при заданных значениях coscp3 для случая coscp2 = 1. Индексы 1, 2, 3 относятся к стороне ВН, СН и НН соответственно. Кривые рис. 6.9 получены из условия полной загрузки последовательной обмотки, т. е. ток /j имеет номинальное значение.

д) Комбинированные трансформатор-но-автотрансформаторные режимы ВН—СН и одновременно НН—СН или СН—ВН и одновременно СН—НН. При этих режимах наибольшая мощность, которую можно подвести или снять со стороны СН, ограничивается током в общей обмотке. Примем, что общая обмотка полностью загружена, т. е. по ней протекает номинальный ток. При условии cos(pi = 1 и значении коэффициент выгодности р = 0,5 (автотрансформатор 220/110 кВ) построены кривые рис. 6.10.

  Особенности перенапряжений в автотрансформаторах

 Наличие непосредственной электрической связи обмоток определяет особенности импульсных перенапряжений в обмотках автотрансформаторов.

Последовательная обмотка автотрансформатора может подвергаться импульсным воздействиям как со стороны линейного конца ВН, так и со стороны линейного конца СН.

При воздействии грозовых импульсов со стороны ввода А последовательная обмотка автотрансформатора в отношении перенапряжений, воздействующих на продольную изоляцию, так называемых градиентов (в катушечных обмотках это главным образом воздействия на изоляцию между катушками), ведет себя как обмотка ВН трансформатора. Это происходит благодаря двум обстоятельствам. Во-первых, длина последовательной обмотки обычно достаточно большая и начальное распределение импульсного напряжения, определяющее величину перенапряжений в обмотке, в трансформаторе и в автотрансформаторе мало отличаются. Конечно, речь идет об автотрансформаторах, имеющих достаточно большой коэффициент трансформации, т. е. соотношения напряжений, встречающиеся на практике в энергетических системах, приведенные в таблице 6.1.

Во-вторых, при рассмотрении градиентных перенапряжений на продольной изоляции большая емкость на землю ввода Аmплюс волновое сопротивление подключенных линий равносильны заземлению этой точки.

Схема замещения для воздействия атмосферных перенапряжений в этом случае выглядит так, как показано на рис. 6.11.

Эта схема соединения обмоток применяется при испытаниях автотрансформаторов грозовыми импульсами, поскольку в этом случае именно продольная изоляция определяет импульсную прочность.

В случае небольшого коэффициента, т. е. при близких значениях напряжений вводов ВН и СН, продольная изоляция последовательной обмотки будет подвергаться очень жестким воздействиям со стороны обоих вводов. Однако на практике в энергосистемах такое сочетание напряжений (см. таблицу 6.1) не встречается.

В случаях отключения ввода Аmот сети и при воздействии полного грозового импульса на ввод А, колебания напряжения в обмотках, не создавая высоких перенапряжений на продольной изоляции, могут вызвать недопустимо высокие напряжения по отношению к земле на вводе Аm.

Такое же положение может быть в обратной схеме, т. е. недопустимо высокое напряжение на холостом вводе А при воздействии на ввод Аm.

В таблице 6.3 приведено сравнение потенциалов линейных концов ВН и СН однофазных автотрансформаторов и трансформатора при воздействии на один из них полного грозового импульса. Из этих данных видно, что при воздействии полного грозового импульса на ввод А (ВН) на вводе Ат (СН) потенциал достигает в понижающих трансформаторах 750 x 0,25 = 187,5 кВ, а в автотрансформаторах 750 x 0,68 = 510 кВ, вто время как испытательное напряжение для класса 110 кВ составляет 480 кВ (750 кВ — испытательное напряжение полною грозового импульса для класса 220 кВ.

При воздействии полного iрозового импульса на ввод Аm(110 кВ) на вводе А (220 кВ) соответственно получаем в трансформаторе 480 х 1,17 = 561,6 кВ и в трансформаторе 480 х 2,12 = 1051,6 к В, что 1акже превышает испыииельное напряжение полною фозового импульса для класса 220 кВ — 750 кВ.

               
  В автотрансформаторе 500/230 к В напряжение на вводах Ат — 985,2 кВ, и А — 1950 кВ также превышает испытательное напряжение этих вводов.

Таким образом, во избежание пробоя изоляции автотрансформаюров в результате воздействия импульсных перенапряжений, линейные концы ВН и СН в эксплуатации должны быть защищены cooтвеютвующими разрядниками независимо от юю, подключен ли данный ввод авюфансформаюра к линии или нет.

Максимальные воздействия на продольную изоляцию, в частности на межкатушечную изоляцию, в трансформаторах и в автотрансформаторах практически не отличаются как при воздействии полною грозовою импульса, так и срезанного. Исключение составляет зона переключающего устройства (для переключения без возбуждения), в которой разница может быть значительной. Так в приведенном выше примере автотрансформатора 220/110 кВ максимальное значение напряжения полною грозовою импульса составило 34 % против 19,5% в трансформаторе. Это объясняется тем, что при одном и том же проценте регулирования количество отключаемых витков, отнесенное к числу витков последовательной обмотки, получается вдвое большим (при кп = 2), чем отнесенное к обмотке ВН в трансформаторе.

Для автотрансформаторов, имеющих регулирование напряжения под нагрузкой, возникает проблема обеспечения достаточной элекфпческоп прочности обмотки и переключающего устройства, когда они располагаются на линейном конце обмотки СН, как в схемах рис. 6.2 и 6.3.

В этом случае регулировочная обмотка и переключающее устройство должны выдерживать все воздействия, присущие классу обмотки СН. В некоторых случаях, когда напряжение ввода СН достаточно высоко, например 330 или 525 кВ, это оказывается затруднительным. Тогда приходится прибегать к косвенным методам регулирования, либо к регулированию в нейтрали.

Схема рис. 6.2.  в которой регулировочная обмотка расположена на линейном конце ВН, применяется только в специальных трансформаторах с напряжением ВН не более 35 кВ. В этом случае затруднений с обеспечением импульсной прочности регулировочной обмотки и переключающею устройства обычно не бывает.

Третичная обмотка автотрансформатора

Третичная обмотка автотрансформатора (обмотка НН), как правило, бывает соединена в треугольник. В автотрансформаторе обмотка НН, соединенная по схеме треугольника, выполняет те же функции, что и в трансформаторе.

  
 Стабилизация междуфазовых напряжений при несбалансированной нагрузке

   Если однофазная нагрузка включена между двумя фазами, система токов на первичной стороне содержит составляющие прямой и обратной последовательности, но не содержит составляющих нулевой последовательности.

В случае однофазной нагрузки, включенной между фазой и нейтралью, токи обмоток содержат составляющую нулевой последовательности. Более благоприятны для однофазной нагрузки трансформаторы с большим сопротивлением нулевой последовательности.

Для трехстержневых трехфазных трансформаторов благодаря взаимному влиянию магнитных потоков трех стержней условия для однофазной нагрузки более благоприятны, чем, например, для группы однофазных трансформаторов или пятистержневых трансформаторов как и для трансформаторов броневого типа.

Без третичной обмотки (рис. 6.12) ток, протекающий в некомпенсированных фазах, является чисто намагничивающим, и насыщение приводит к искажению фазовых напряжений, смещению нейтрали и нагреву стенок бака вследствие искажения потока рассеяния. Введением треугольника третичной обмогки достигается баланс ампервит-ков в фазах и устраняются эти явления (рис. 6.13).

В любом случае однофазная нагрузка 10% от номинальной трехфазной мощности, включенная между линейным выводом фаз и нейтралью, может быть получена от трехстержневого трансформатора без чрезмерного смещения нейтрали.

                                                                      
                                                                  
                                                                                                  Рис. 6.13. Распределение токов при однофазной нагрузке в трансформаторе с соединением обмоток звезда-звезда                                                                                                                          и в автотрансформаторе при наличии третичной обмотки, соединенной в треугольник.

Подавление третьей и кратных ей гармоник

При заземленной нейтрали третья гармоника присутствует в токе холостого хода Третья и кратные ей гармоники создают помехи в ближайших низковольтных кабелях, особенно в телефонных линиях, которые не защищены экранами.

В случае изолированной нейтрали гармоники появляются в напряжении и магнитном потоке, вызывая смещение нейтрали.

Треугольник третичной обмотки подавляет эти явления.

Применение магнитно-ориентированной стали для изготовления магнитной системы снижает ток холостого хода до минимального значения. При этом отрицательный эффект гармоник не очень заметен.

Уменьшение сопротивления нулевой последовательности

Соединение в треугольник применяется для уменьшения сопротивления нулевой последовательности трансформаторов, соединенных по схеме звезда — звезда, и, следовательно, сопротивления системы. Следствием этого является стабилизация ней i рал и как при однофазных замыканиях, так и при несимметричной нагрузке между фазой и нейтралью, а также уменьшение коэффициента заземления системы и возможных токов однофазных коротких замыканий.1

Для системы с эффективно заземленной нейтралью коэффициент заземления не превышает 1,4.

      7.3.1. Сопротивление нулевой последовательности со стороны обмотки, соединенной в звезду с заземленной нейтралью, при разомкнутой вторичной обмотке
Возможны следующие случаи : Отсутствует обмотка, соединенная в треугольник:

1.1. Группа однофазных трансформаторов. Так как весь намагничивающий поток

может протекать в сердечнике, сопротивление нулевой последовательности при разомкнутой вторичной обмотке равно сопротивлению прямой последовательности, т.е. равно сопротивлению намагничивания и может быть принято равным бесконечности. При этом в баке тока нет.

1.2. Трехфазный трехстержневой трансформатор.
  
  Коэффициентом заземления называют отношение напряжения рабочей частоты между здоровой фазой и землей при однофазном замыкании к напряжению этой фазы до замыкания.

  Намагничивающие потоки одинаковы во всех трех стержнях. Поэтому поток должен замыкаться вне магнитопровода в среде с низкой магнитной проводимостью. В результате сопротивление нулевой последовательности оказывается сравнительно низким. Однако при разомкнутой вторичной обмотке оно все же оказывается в 5—10 раз больше, чем сопротивление короткого замыкания между обмотками. Это объясняется влиянием бака на магнитную проводимость вне магнитопровода, а, следовательно, на сопротивление нулевой последовательности.

Бак можно рассматривать как коротко-замкнутую обмотку. При низком напряжении бак является для потока рассеяния высокопроницаемой средой, причем значение сопротивления нулевой последовательности оказывается зависимой от напряжения.

1.3. Трехфазный пятистержневой трансформатор.

В пятистержневом трансформаторе боковые стержни, не несущие обмоток, могут служить путем для замыкания потока стержней. Поэтому сопротивление нулевой последовательности будет высоким. До напряжения примерно 30% номинального (в зависимости от конструкции) оно равно сопротивлению намагничивания.

При более высоком напряжении происходит насыщение боковых ярем и сопротивление уменьшается. Зависимость тока от напряжения будет соответствовать кривой намагничивания. При номинальном напряжении боковые стержни и ярма оказываются полностью насыщенными, и сопротивление нулевой последовательности будет примерно таким, как в случае 1.2.

2. При наличии третичной обмотки, соединенной в треугольник.

2.1. Группа однофазных трансформаторов.

Сопротивление нулевой последовательности при разомкнутой вторичной обмотке то же, что и сопротивление короткого замыкания между рассматриваемой обмоткой и третичными обмотками, так как треугольник третичных обмоток для токов нулевой последовательности аналогичен закороче-нию этих обмоток. Тока в стенках бака нет.

2.2. Трехфазный трехстерхневой трансформатор.

Бак действует как наружная обмотка, соединенная в треугольник, и сопротивление может быть определено с помощью методов расчета полей рассеяния.

Влияние бака несколько уменьшает сопротивление нулевой последовательности по сравнению с сопротивлением короткого замыкания возбуждаемой обмотки и обмотки, соединенной в треугольник.2.3. Трехфазный пятистержневой трансформатор.

До напряжения несколько выше 30% номинального сопротивление нулевой последовательности холостого хода равно сопротивлению короткого замыкания между рассматриваемой обмоткой и обмоткой, соединенной в треугольник. При напряжении, близком к номинальном, в баке появляется ток, и сопротивление может быть определено как в 2.2.

       7.4. Подключение источников реактивной мощности или питание местных сетей
Возможна также выдача энергии в сеть ВН и СН при подключении генератора к обмотке НН. В этом случае обмотку удобно располагать между концентрами последовательной и общей обмоткой автотрансформатора.

Низкое значение сопротивления короткого замыкания между основными обмотками автотрансформатора и обмоткой НН может привести к высоким значениям тока короткого замыкания в этой обмотке. Кроме того, обмотка НН подвергается воздействию больших токов однофазных коротких замыканий. Поэтому часто возникает необходимость увеличить электродинамическую прочность третичной обмотки или увеличить ее сопротивление короткого замыкания.

Наличие третичной обмотки мощностью 1/3 S, где S — проходная мощность трансформатора, увеличивает его стоимость примерно на 10 %.

Для автотрансформаторов увеличение стоимости в зависимости от напряжений может достигать 50 % [4].

Поэтому, если нет требований подключения источников энергии НН, необходимость третичной обмотки с учетом п.п. 7.1 — 7.3 определяется условиями системы и конструкции трансформатора.

Обычно трехфазный трехстержневой трансформатор, мощность которого не превышает нескольких десятков MB • А, может изготавливаться без обмотки, соединенной в треугольник.

Такой же анализ всех условий необходим и для автотрансформатора, если по соображениям экономии стремиться определить возможность отказа от третичной обмотки.

Автотрансформаторы без третичной обмотки работают как в странах Европы и Америки, так и в России.

    8. Преимущества и недостатки автотрансформаторов

    8.1. Преимущества

При благоприятном соотношении первичного и вторичного напряжений автотрансформатор имеет существенные преимущества перед трансформатором с тем же соотношением напряжений и той же проходной мощностью. Автотрансформатор имеет меньшие массу, размеры, потери холостого хода и нагрузочные, намагничивающий ток и сопротивление короткого замыкания.

Как известно, линейные размеры трансформатора пропорциональны его мощности в степени 0,25 (S0,025), а объем и масса — в степени 0,75 (S0,75) при прочих равных условиях.

Таким образом, чем меньше типовая мощность по сравнению с проходной, тем меньше размеры, масса и потери автотрансформатора. Так при типовой мощности вдвое меньшей проходной, масса потери и ток холостого хода автотрансформатора будут на 10% меньше, чем у трансформатора той же проходной мощности. Благодаря снижению потерь повышается коэффициент полезного действия.

Снижение сопротивления короткого замыкания позволяет уменьшить падение напряжения при работе автотрансформатора.

Сниженные масса и размеры автотрансформатора создают более благоприятные условия для его доставки к месту установки. В случае необходимости трансформации очень большой мощности, например при связи двух очень мощных энергосистем, только автотрансформатор может быть изготовлен в пределах транспортных ограничений по массе и габаритным размерам, т. е. в одной транспортной единице.

     8.2. Недостатки
Наличие гальванического соединения обмоток в автотрансформаторе имеет следствием определенные недостатки.

Как правило, обмотки автотрансформатора соединяют в звезду с заземленной нейтралью. Другие соединения теоретически возможны, но связаны с определенными неудобствами и поэтому применяются крайне редко. Режим заземления нейтрали обоих систем должен быть одинаковым: глухое заземление или заземление через сопротивление. При этом значение сопротивления должно быть таким, чтобы не возникало недопустимых напряжений на вводах СН здоровых фаз при замыкании на землю одной фазы в системе ВН.

Такая опасность возрастает по мере увеличения разницы напряжений двух систем. По той же причине не применяются автотрансформаторы в системах с заземленной нейтралью.

Высокие потенциалы грозовых перенапряжений на холостом вводе автотрансформатора при воздействии волны перенапряжений на другой ввод вызывают необходимость установки на вводах разрядников, не отключаемых при отключении линии, присоединенной к этому вводу.

Последовательная обмотка автотрансформатора и его продольная изоляция может подвергаться очень жестким грозовым воздействиям в случае, когда значения напряжений двух систем близки. Однако на практике таких сочетаний напряжений не бывает.

Регулировочная обмотка при регулировании в линии ВН или СН подвергается всем воздействиям, нормированным для линейного ввода. Иногда обеспечить электрическую прочность изоляции регулировочной обмотки и переключающего устройства бывает затруднительно, особенно для сверхвысокого напряжения СН (класс 525 кВ и выше).

Сопротивление короткого замыкания автотрансформатора относительно мало, что является причиной более жестких воздействий токов короткого замыкания. Приходится принимать специальные меры для увеличения сопротивления короткого замыкания.

Особого внимания требует обеспечение прочности при однофазных замыканиях. Наличие обмотки НН (третичной обмотки) требует обеспечения ее динамической прочности, например, путем увеличения сопротивления нулевой последовательности (сопротивление в нейтрали или в треугольнике) [4].

    8.3. Условия применения автотрансформаторов

По сравнению с обычными трансформаторами тех же параметров, автотрансформаторы имеют меньшие размеры, но требуют определенных условий, ограничивающих их применение в энергосистемах.

Без учета специальных применений, где альтернатива отсутствует, автотрансформаторы должны выбираться после детальною рассмотрения всех условий эксплуатации.

В общем случае решение о применении авютрансформаторов может быть принято при следующих условиях [4]:

— система с заземленной нейтралью;

— система имеет ограниченную мощность короткого замыкания:

— благоприятная ситуация с перенапряжениями;

— коэффициент трансформации, близкий к единице (0,5—2);

— сбалансированная нагрузка.

С.Д.Лизунов  А.К.Лоханин «Силовые трансформаторы»

К списку статей

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.

Иконка левого меню
Иконка в правом меню