Автотрансформатори

Основні принципи

У трансформаторі первинна та вторинна обмотки з напругою U1і U2мають струми I1і I2, що протікають у протилежних напрямках. В автотрансформаторі з'єднання роблять можливим використовувати частину первинної обмотки як вторинну і знизити напругу у вторинній обмотці до U2 (див. мал.).
При цьому сама первинна обмотка включає вторинну і додаткову частину з напругою (U1 - U2). Струм, що протікає в загальній частині обмотки автотрансформатора, є різницею двох струмів (I2 - I1). Тому загальна частина обмотки може бути виготовлена із дроту меншого перерізу, розрахованого на різницю струмів (I2 - I1) замість повного струму I2.
З іншого боку, первинна обмотка, має більш високу напругу, як би зменшена до послідовної частини автотрансформатора, що має n1 - n2 витків замість повного числа витків n1. Отже, первинна обмотка зменшується пропорційно до величини (n1-n2)/n1, а вторинна пропорційно (I1-I2)/I2.
  Це дозволяє отримати економію активних матеріалів та розмірів.
Автотрансформатори застосовуються в мережах від низької напруги, наприклад, у розподільних мережах 110В і 220 В, і аж до дуже високих напруг: 500 (525), 750 (787) і 1150 (1200) кВ (у дужках - найбільше робоче.
Існує кілька типів автотрансформаторів залежно від їх застосування:
♦ Для зв'язку між двома системами різної напруги, можливо з регулюванням напруги;
♦ Для регулювання напруги трансформатора в широких межах, при цьому вторинною є низька напруга, наприклад у трансформаторах, що живлять електричні печі, випрямлячі для електролізу та (або) тяги;
♦ Для живлення синхронних або асинхронних двигунів зниженою напругою під час їх запуску.

Принципиальная схема автотрансформатора

Еквівалентні розміри

Для порівняння трансформаторів з різними характеристиками, такими як потужність, регулювання напруги обмотки, використовується двообмотувальний еквівалент. Для обмотки або частини обмотки потужність визначається добутком максимального струму та максимальної напруги в умовах експлуатації. Для всього трансформатора двообмотувальний еквівалент матиме потужність, рівну напівсумі потужностей всіх обмоток.
Трансформатор з двома обмотками, без регулювання та при незмінному напрузі має еквівалентну потужність, рівну потужності кожної з його обміток. У разі введення регулювання в одній з обмоток і при необхідній повній потужності на кожному відгалуженні, еквівалентна двообмотувальна потужність збільшується на величину потужності додаткової регулювальної обмотки.
Для порівняння автотрансформаторів та трансформаторів прийняті такі поняття як «прохідна» (Sap) та «типова» (St) потужності автотрансформатора.
Прохідна потужність – потужність, що передається автотрансформатором у вторинну мережу, типова потужність – потужність двообмотувального трансформатора, що має розміри даного автотрансформатора.
Вигоди, які пропонує автотрансформатор за рахунок суміщення обмоток, видно зі схеми на рис. 6.1.
  
 
 Завдяки автотрансформаторному з'єднанню обидві обмотки зменшуються в розмірах однакової пропорції або за рахунок зменшення числа витків при тому ж перерізі дроти, або за рахунок зменшення перерізу дроту при тому ж числі витків. Такий автотрансформатор передає ту ж потужність Snp, що і вихідний трансформатор, що має те ж співвідношення напруги. Однак, типова потужність автотрансформатора - еквівалентна двообмотувальна потужність St, яка визначає фізичні розміри, співвідноситиметься з прохідною потужністю Snp як 
  
 Звідси видно, що з зменшенням к12 величина р також зменшується, прагнучи нулю, коли к12 наближається до одиниці. Це має місце завдяки тому, що в трансформаторі вся енергія трансформується з первинної обмотки у вторинну, тоді як в автотрансформаторі тільки частина всієї енергії трансформується, а інша частина передається безпосередньо із системи однієї напруги до іншої напруги без трансформації.
Чим ближче значення напруги двох систем, тим більша вигода досягається за допомогою автотрансформатора.
Найчастіше значення коефіцієнта вигідності перебувають у межах 0,3—0,7.
У таблиці 6.1 наведено значення коефіцієнтів вигідності при різних коефіцієнтах трансформації.
                                                                                                    

Регулювання напруги в автотрансформаторах

Залежно від вимог до регулювання напруги застосовуються різні схеми з'єднання обмоток.
Регулювання напруги без збудження може здійснюватися так само, як у трансформаторі, при цьому регулювальні витки або котушки можуть розташовуватися або в послідовній обмотці при необхідності регулювання високої напруги, або в загальній обмотці при регулюванні середньої напруги, причому в цьому випадку регулювання виходить «пов'язаним», загальна обмотка є обмоткою СН і в той же час є частиною обмотки ВН.
За потреби в автотрансформаторах застосовують регулювання напруги під навантаженням.
Вибір виду та схеми регулювання залежить від умов в енергосистемі, з яких випливають вимоги до автотрансформатора.
При виборі схеми регулювання враховуються витрати матеріалів, можлива конструкція обмоток, у тому числі регулювальної обмотки, необхідні характеристики перемикаючого пристрою, перезбудження автотрансформатора та ін.
Залежно та умовами регулювання напруги застосовуються різні схеми регулювання напруги під навантаженням.
Всі схеми, що застосовуються, можна розділити на три групи: схеми регулювання на стороні ВН (рис. 6.2), на стороні СН (рис. 6.3) і в загальній нейтралі ВН-СН (рис. 6.4).
Регулювання доцільно здійснювати у тій обмотці, напруга якої змінюється у межах. Це слід враховувати при виборі схеми з регулюванням на стороні ВН або СН.

Регулювання на стороні ВН чи СН

Крім сказаного вище, ці два способи регулювання рівноцінні, на рис. 6.2 наведено деякі схеми регулювання за ВН. Схема 6.2 б має ту перевагу перед схемою 6.2 а, що дозволяє застосувати перемикає пристрій класу напруги СН, тобто вимагає перемикає пристрій більш низького класу напруги. Тому схема 6.2 а може мати практичне застосування тільки в тих випадках, коли напруги U1 і U2 близькі один до одного.

                                                                           
    Реверсування регулювальної обмотки на схемі 6.2 дозволяє вдвічі збільшити діапазон регулювання порівняно зі схемою 6.2 б.
Схема рис. 6.2 г містить додатковий вольтододатковий трансформатор зі своїм магнітопроводом. Вольтододатковий трансформатор може розташовуватися в баку основного автотрансформатора або поза ним. Регулювання здійснюється у головному автотрансформаторі.
Перевагою схеми 6.2 г є можливість вибору найбільш зручного для регулювання струму і напруги у допоміжному ланцюгу, що містить перемикає пристрій. Однак, опосередковане регулювання вимагає додаткового вкладення матеріалів та деякого збільшення габаритних розмірів автотрансформатора. Зазначимо, що схеми 6.2, б і 6.2, регулюючи напругу на стороні ВН вимагають регулювальної апаратури на клас СН.
На рис. 6.3. наведено схеми регулювання напруги за СН. Схема 6.3 б дозволяє за допомогою реверсування розширити діапазон регулювання. Схема 6.3, дозволяє використовувати регулювальну апаратуру низького класу напруги.
Перевагою схеми 6.3, г перед попередньою є постійне значення індукції в магнітопроводі вольтодобавочного трансформатора. Ця схема може бути використана для поздовжньо-поперечного регулювання на стороні СН (тобто, одночасного регулювання напруги за величиною та фазою).

Регулювання напруги у нейтралі

Метод регулювання напруги в нейтралі (рис. 6.4.) дозволяє застосувати регулювальну обмотку та перемикаючий пристрій на клас напруги, значно нижчий, ніж напруга U1і U2, що є великою перевагою цього методу.
                                                               Недоліком методу є значні коливання магнітної індукції у процесі регулювання, особливо при коефіцієнті трансформації менше двох. Тому його застосовують у разі порівняно невеликого діапазону регулювання автотрансформаторах дуже високого класу напруги.
Застосування непрямого регулювання в нейтралі дозволяє суттєво спростити обмотку головного автотрансформатора, особливо коли вольтододатковий трансформатор розміщується в окремому баку.

Порівняння методів регулювання на основі типової потужності

У попередніх розділах наведено якісне порівняння методів регулювання напруги у автотрансформаторах. Нижче наведено зіставлення збільшення типової потужності автотрансформатора з регулюванням порівняно з таким самим трансформатором без регулювання.
Типовою потужністю автотрансформатора називатимемо півсуму потужностей його обмоток   
потужність k-ої обмотки, що дорівнює добутку максимальних значень струму та напруги в ній; n – число обмоток.
   Порівняння проводиться з автотрансформатором без регулювання під навантаженням з прохідною потужністю Snp для обмоток ВН і СН, з'єднаних за автотрансформаторною схемою, і з третинною обмоткою (НН), потужність якої дорівнює типовій потужності автотрансформатора.
 Типова потужність такого триобмотувального автотрансформатора дорівнюватиме St = 1,5 pSnp, де р - коефіцієнт вигідності автотрансформатора, рівний р = 1-1/k12, k12 - коефіцієнт трансформації між сторонами ВН і СН автотрансформатора, рівний відношенню номінальних напруг.
За наявності регулювання під навантаженням потужність автотрансформатора зростає, тому що з'являються нові (регулювальні) обмотки і збільшується потужність обмоток.
 Типова потужність регульованого автотрансформатора дорівнює
   
     
 У таблиці 6.2 надано значення збільшення типової потужності ASt рсг при введенні регулювання згідно зі схемами рис. 6.2-6.4 для випадків симетричних діапазонів регулювання ± у відсотках відповідної напруги.
  У цьому прохідна потужність незмінна всім щаблів напруги.

Для більшої наочності у таблиці 6.2. вказані значення
З даних таблиці 6.2. видно, зокрема, що непрямі методи регулювання призводять до подвоєння відсотка збільшення типової потужності автотрансформатора в порівнянні з прямими (наприклад, схема на рис. 6.2, г проти а, б і в, а також на рис. 6.3 проти б), а в деяких випадках вони пов'язані навіть із ще більшою витратою матеріалів (наприклад, схема рис. 6.4, проти а та б).

                                                                     
   Застосування схем з реверсуванням, подвоюючи діапазон регулювання, в деяких випадках призводить до додаткового вкладення матеріалів (схема на рис. 6.3 б проти а), а в інших немає (схема на рис. 6.2 проти а і б, а також на рис 6.4, б проти а).

З формул, наведених у таблиці 6.2, на рис. 6.5 побудовані залежності St.neper.від кп при р = ±10%. З графіків випливає, що характер залежності різний для схем регулювання на сторонах ВН і СН (криві 1-3) та в нейтралі (криві 4 і 5): у перших схемах Д5т-рсг гіперболічно падає зі зростанням кп, а при регулюванні в нейтралі - лінійно зростає.

Це тим, що з регулюванні за ВН чи СН абсолютний приріст типової потужності залежить від К12 і за даному значенні р є величиною постійної. Тому відносний приріст потужності St.neper.зі збільшенням кп падає, тому що при цьому зростає типова потужність автотрансформатора £т.ісрсг без регулювання, до якої віднесений абсолютний приріст типової потужності Л^т.рСГ.

На противагу цьому при регулюванні в нейтралі приріст типової потужності Д5т рсг також залежить від К12, зростаючи зі збільшенням К12 швидше, ніж St.neper. Тому для цих схем відносний приріст типової потужності AsT рсг зростає в міру збільшення К12. Точки перетину кривих 1-3 з кривими 4 і 5 (рис. 6.5) визначають межі, нижче за які менші вкладення матеріалів вимагають схеми з регулюванням в нейтралі, а вище - схеми з регулюванням на стороні ВН або СН. На рис. 6.6 показана залежність St.p. від меж регулювання при К12 = 2. Для всіх схем St.p. зростає лінійно зі збільшенням р.

                   

Напруга короткого замикання автотрансформатора

 Автотрансформаторна схема з'єднання обмоток істотно впливає величину повного опору короткого замикання. Дійсно, якщо у схемі на рис. 6.1 б припустимо, що вторинна сторона автотрансформатора замкнута накоротко, первинна напруга U1 виявиться прикладеним не до точок АС, як при нормальній роботі, а до точок АВ. Відношення числа витків на ділянці АВ до повного числа витків АС дорівнює коефіцієнту вигідності р.
  В результаті повне опір короткого замикання автотрансформатора, віднесене до прохідної потужності автотрансформатора Snp, становить тільки pz, де z - повний опір короткого замикання в% трансформатора потужністю 150/110 кВ, утвореного обмотками АВ і ВС. Це істотно впливає на проектування автотрансформатора, так як доводиться вибирати його розміри так, щоб його ефективний опір короткого замикання було достатньо обмеження струмів при короткому замиканні з міркувань динамічної стійкості обмоток.
  Так, якщо для трансформатора потужністю S з передавальним ставленням 150/110 кВ струми короткого замикання (без урахування опору системи) не повинні перевищувати 12-кратного значення номінального струму, його опір має становити 8,3%.

Якщо ж ми замість трансформатора створюється автотрансформатор з тим самим обмеженням струму короткого замикання в обмотках і з тим самим значенням опору короткого замикання, то ми повинні вибрати модель трансформатора потужністю Sт = 0,275 (тут 0,27 - коефіцієнт вигідності для автотрансформатора 150/110 к ), але має опір короткого замикання   
  Практично це призводить до меншого перерізу, діаметру і маси сердечника і більш важких обмоток, ніж у трансформатора даної типової потужності Sт з опором порядку 10%.
  При цьому змінюється співвідношення мас і втрат: маса електротехнічної сталі та втрати холостого ходу значно знижуються, а маса міді та навантажувальні втрати знижуються меншою мірою.
  Завдяки цьому легко вдається отримати невелике значення ефективного опору, достатня з міркувань динамічної стійкості обмоток при коротких замикання.

Взагалі ж є два можливі рішення [5]:
а) Якщо ми хочемо, щоб струм короткого замикання не досягнув надмірно великого значення, ми повинні збільшити значення z, що відповідає дуже високому значенню zт у зв'язку з малим значенням р.

б) Якщо ми хочемо сильно відхилятися від збалансованого проекту, ми повинні уникати великого збільшення zт і прийняти досить низьке значення z при низькому значенні р.

Зазвичай приходять до розумного компромісу між протилежними вимогами, в результаті автотрансформатори мають відносно великий опір короткого замикання до типової потужності і дуже низький опір короткого замикання по відношенню до прохідної потужності.

Тому в автотрансформаторах слід очікувати щодо високих значень струмів короткого замикання.
 Наприклад нижче наведено характеристики реальних автотрансформаторів:

1. Однофазний автотрансформатор із наступними характеристиками:

- Номінальна трифазна потужність 250/250/50 MB • А;

- Номінальна напруга 525:/220: л/3/35 кВ;

- Частота 50 Гц;

- Опір короткого замикання обмоток ВН/СН, віднесений до прохідної потужності 250 MB • А - 12%;

- Коефіцієнт вигідності р (525 - - 230) / 525 = 0,562;

- Типова потужність послідовної та загальної обмоток 250 х 0,562 - 140,5 MB • А;

- Опір короткого замикання обмоток ВН/СН, приведений до типової потужності 12/0,562 - 21,35%;

- Типова потужність двообмотувального трансформатора = (140,5 + НО,5 + 50) / 2 = = 165,5 MB • А.

Зазначимо, що для трансформаторів зв'язку характернішим є опір 15-17%.

2. Однофазний автотрансформатор:

- Номінальна трифазна потужність 500/500/150 MB • А;

- Номінальна напруга 500: J3/230: л/3/35 кВ;

- Частота 50 Гц;
- Опір короткого замикання обмоток ВН/СН, віднесений до прохідної потужності 500 MB • А - 11 %;

- Коефіцієнт вигідності р (500 - - 230) / 500 = 0,54:

- Типова потужність послідовної та загальної обмоток Sт 250 х 0,54 = 270 MB • А;

- Опір короткого замикання обмоток ВН/СН, приведений до типової потужності 11/0,54 = 20,37%;

- Типова трифазна потужність двообмоточного трансформатора Sт = (270 + 270 + + 150) / 2 = 345 MB • А.

Режими роботи автотрансформаторів

   Розташування обмоток автотрансформатора

  В автотрансформаторі стрижневого типу дві обміжки розташовуються зазвичай послідовно в радіальному напрямку від сердечника і мають однакову висоту (рис. 6.7). Автотрансформаторне з'єднання обмоток у трифазній системі вимагає з'єднання в зірку із заземленою нейтраллю, щоб уникнути попадання високого потенціалу на затискачі вторинних обмоток внаслідок наявності їх гармонійного зв'язку.

Отже, системи, з'єднані через автотрансформатор, мають бути із заземленими нейтралями.

Ми називаємо «послідовною обмоткою» обмотку між висновками А та Аm на рис. 6.7 та «загальною обмоткою» — обмотку, яка є загальною частиною двох систем, приєднаних відповідно між висновками А та Аm та нейтраллю. Звідси високовольтна сторона автотрансформатора складається із загальної обмотки разом із послідовною обмоткою.

Однак, для стислості іноді називають послідовну частину "обмотка ВН", а загальну частину - "обмотка СН".

Як правило, автотрансформатори мають третинну обмотку. Залежно від режиму її роботи розрізняють автотрансформатори, що знижують і підвищують. У перших третинна обмотка розташовується першою у магнітного стрижня, у другому - між послідовною та загальною обмотками автотрансформатора (рис. 6.8.).
                                                              

    Режими роботи автотрансформаторів

 Найбільший інтерес становлять такі основні режими [2]:

а) Режими ВН-СН та СН-ВН є суто автотрансформаторними режимами. У цих режимах в понижуючих автотрансформаторах з обмотками ПЗ (послідовна обмотка) і ГО (загальна обмотка), розташованими поруч, може бути, як правило, передана повна номінальна потужність автотрансформатора. У підвищують трансформаторах з обмоткою ПН, розташованої між обмотками ПО і ГО, прохідну потужність в цих режимах доводиться в деяких випадках обмежувати нижче номінальної, щоб уникнути надмірно великих додаткових втрат в конструкції, обумовлених магнітним потоком розсіювання. При цих режимах втрати короткого замикання в знижувальних автотрансформаторах можуть досягати максимальних 60-70 %.

б) Режими ВН-ПН і ПН-ВН є суто трансформаторними і дозволяють здійснювати передачу енергії з потужністю, що дорівнює типовій потужності обмотки ПН. У цих режимах втрати короткого замикання становлять близько 501ТП2Т максимальних.
                                                                                                                                                                                             
в) Режими СН-ПН і ПН-СП дозволяють здійснити передачу з потужністю аж до типової потужності обмотки ПН. Ці режими - чисто трансформаторні та зумовлюють втрати короткого замикання, що становлять 45-55% максимальних (у знижувальних автотрансформаторах).

г) Комбіновані трансформаторно-автотрансформаторні режими ВН-СН і одночасно ВН-НН, а також СН-ВН і одночасно ПН-ВН. У цих режимах є максимальні втрати короткого замикання. Найбільша допустима потужність обмежується струмом у послідовній обмотці, який повинен перевищувати її номінального струму. Якщо навантаження на боці ПН відсутнє, то ці режими переходять в автотрансформаторні ВН-СН та СН-ВН. При зростанні навантаження обмотки ПН повинна відповідно знижуватися потужність на стороні СН для того, щоб послідовна обмотка не перевантажувалася.

На рис. 6.9 наведено розрахункові значення допустимого навантаження на стороні СН та ПН при заданих значеннях coscp3 для випадку coscp2 = 1. Індекси 1, 2, 3 відносяться до сторони ВН, СН та ПН відповідно. Криві Мал. 6.9 отримано з умови повного завантаження послідовної обмотки, тобто струм /j має номінальне значення.

д) Комбіновані трансформаторно-автотрансформаторні режими ВН-СН і одночасно ПН-СН або СН-ВН і одночасно СН-ПН. При цих режимах максимальна потужність, яку можна підвести або зняти з боку СН, обмежується струмом у загальній обмотці. Приймемо, що загальна обмотка повністю завантажена, тобто по ній протікає номінальний струм. За умови cos(pi = 1 та значення коефіцієнт вигідності р = 0,5 (автотрансформатор 220/110 кВ) побудовані криві рис. 6.10.

  Особливості перенапруг в автотрансформаторах

 Наявність безпосереднього електричного зв'язку обмоток визначає особливості імпульсних перенапруг в обмотках автотрансформаторів.

Послідовна обмотка автотрансформатора може піддаватися імпульсним впливам з боку лінійного кінця ВН, так і з боку лінійного кінця СН.

При впливі грозових імпульсів з боку введення А послідовна обмотка автотрансформатора щодо перенапруг, що впливають на поздовжню ізоляцію, так званих градієнтів (у котушкових обмотках це головним чином на ізоляцію між котушками), веде себе як обмотка ВН трансформатора. Це відбувається завдяки двом обставинам. По-перше, довжина послідовної обмотки зазвичай досить велика і початковий розподіл імпульсної напруги, що визначає величину перенапруг в обмотці, трансформаторі і в автотрансформаторі мало відрізняються. Звісно, йдеться про автотрансформаторах, мають досить великий коефіцієнт трансформації, т. е. співвідношення напруг, які у практиці у енергетичних системах, наведені у таблиці 6.1.

По-друге, при розгляді градієнтних перенапруг на поздовжній ізоляції велика ємність на землю введення Амплюс хвильовий опір підключених ліній рівносильні заземленню цієї точки.

Схема заміщення впливу атмосферних перенапряжений у разі виглядає так, як показано на рис. 6.11.

Ця схема з'єднання обмоток застосовується при випробуваннях автотрансформаторів грозовими імпульсами, оскільки саме поздовжня ізоляція визначає імпульсну міцність.

У разі невеликого коефіцієнта, тобто при близьких значеннях напруги вводів ВН і СН, поздовжня ізоляція послідовної обмотки буде піддаватися дуже жорстким впливам з обох вводів. Однак на практиці в енергосистемах таке поєднання напруги (див. таблицю 6.1) не зустрічається.

У випадках відключення введення Аmот мережі та при впливі повного грозового імпульсу на введення А, коливання напруги в обмотках, не створюючи високих перенапруг на поздовжній ізоляції, можуть викликати неприпустимо високу напругу по відношенню до землі на введенні Аm.

Таке саме положення може бути у зворотній схемі, тобто неприпустимо висока напруга на неодруженому введенні А при впливі на введення Аm.

У таблиці 6.3 наведено порівняння потенціалів лінійних кінців ВН та СН однофазних автотрансформаторів та трансформатора при впливі на один з них повного грозового імпульсу. З цих даних видно, що при впливі повного грозового імпульсу на введення А (ВН) на введенні Ат (СН) потенціал досягає понижувальних трансформаторів 750 x 0,25 = 187,5 кВ, а в автотрансформаторах 750 x 0,68 = 510 кВ , в той час як випробувальна напруга для класу 110 кВ становить 480 кВ (750 кВ - випробувальна напруга, повна грозового імпульсу для класу 220 кВ).

При впливі повного iрозового імпульсу на введення Аm(110 кВ) на вводі А (220 кВ) відповідно отримуємо у трансформаторі 480 х 1,17 = 561,6 кВ та у трансформаторі 480 х 2,12 = 1051,6 к В, що 1 перевищує випробувальну напругу повною фозового імпульсу для класу 220 кВ - 750 кВ.

               
  В автотрансформаторі 500/230 к напруга на вводах Ат - 985,2 кВ, і А - 1950 кВ також перевищує випробувальне напруга цих вводів.

Таким чином, щоб уникнути пробою ізоляції автотрансформаюрів в результаті впливу імпульсних перенапруг, лінійні кінці ВН і СН в експлуатації повинні бути захищені відповідними розрядниками незалежно від юю, підключений дане введення авюфансформаюра до лінії чи ні.

Максимальні впливи на поздовжню ізоляцію, зокрема на міжкатушкову ізоляцію, у трансформаторах та в автотрансформаторах практично не відрізняються як при дії повної грозової імпульсу, так і зрізаного. Винятком є зона перемикаючого пристрою (для перемикання без збудження), в якій різниця може бути значною. Так, у наведеному вище прикладі автотрансформатора 220/110 кВ максимальне значення напруги повною грозової імпульсу склало 34 % проти 19,5% в трансформаторі. Це пояснюється тим, що при одному і тому ж відсотку регулювання кількість витків, що відключаються, віднесене до витків послідовної обмотки, виходить вдвічі більшим (при кп = 2), ніж віднесене до обмотки ВН в трансформаторі.

Для автотрансформаторів, що мають регулювання напруги під навантаженням, виникає проблема забезпечення достатньої елекфпческоп міцності обмотки і перемикаючого пристрою, коли вони розташовуються на лінійному кінці обмотки СН, як у схемах рис. 6.2 та 6.3.

У цьому випадку регулювальна обмотка та перемикаючий пристрій повинні витримувати всі впливи, притаманні класу обмотки СН. У деяких випадках, коли напруга введення СН досить висока, наприклад 330 або 525 кВ, це виявляється скрутним. Тоді доводиться вдаватися до непрямих методів регулювання, або регулювання в нейтралі.

Схема рис. 6.2. в якій регулювальна обмотка розташована на лінійному кінці ВН, застосовується лише у спеціальних трансформаторах з напругою ВН не більше 35 кВ. У цьому випадку труднощів із забезпеченням імпульсної міцності регулювальної обмотки та перемикаючої пристрою зазвичай не буває.

Третинна обмотка автотрансформатора

Третинна обмотка автотрансформатора (обмотка ПН), як правило, буває з'єднана у трикутник. В автотрансформаторі обмотка ПН, з'єднана за схемою трикутника, виконує ті ж функції, що у трансформаторі.

  
 Стабілізація міжфазової напруги при незбалансованому навантаженні

   Якщо однофазна навантаження включена між двома фазами, система струмів на первинній стороні містить складові прямої та зворотної послідовності, але не містить складових нульової послідовності.

У разі однофазного навантаження, включеного між фазою і нейтраллю, струми обмоток містять складову нульової послідовності. Більш сприятливі для однофазного навантаження трансформатори з великим опором нульової послідовності.

Для тристрижневих трифазних трансформаторів завдяки взаємному впливу магнітних потоків трьох стрижнів умови для однофазного навантаження більш сприятливі, ніж, наприклад, для групи однофазних трансформаторів або п'ятистрижневих трансформаторів, як і для трансформаторів броньового типу.

Без третинної обмотки (рис. 6.12) струм, що протікає в некомпенсованих фазах, є чисто намагнічуючим, і насичення призводить до спотворення фазових напруг, усунення нейтралі та нагрівання стінок бака внаслідок спотворення потоку розсіювання. Введенням трикутника третинної обмогки досягається баланс ампервітів у фазах і усуваються ці явища (рис. 6.13).

У будь-якому випадку однофазна навантаження 10% від номінальної трифазної потужності, включена між лінійним виведенням фаз і нейтраллю, може бути отримана від тристрижневого трансформатора без надмірного усунення нейтралі.

                                                                      
                                                                  
                                                                                                  Рис. 6.13. Розподіл струмів при однофазному навантаженні в трансформаторі зі з'єднанням обмоток зірка-зірка та автотрансформаторі за наявності третинної обмотки, з'єднаної в трикутник.

Придушення третьої та кратних їй гармонік

При заземленій нейтралі третя гармоніка присутня в струмі холостого ходу Третя і кратні гармоніки створюють перешкоди в найближчих низьковольтних кабелях, особливо в телефонних лініях, які не захищені екранами.

У разі ізольованої нейтралі гармоніки з'являються в напрузі та магнітному потоці, викликаючи усунення нейтралі.

Трикутник третинної обмотки пригнічує ці явища.

Застосування магнітно-орієнтованої сталі виготовлення магнітної системи знижує струм холостого ходу до мінімального значення. У цьому негативний ефект гармонік дуже помітний.

Зменшення опору нульової послідовності

З'єднання в трикутник застосовується для зменшення опору нульової послідовності трансформаторів, з'єднаних за схемою зірка - зірка, а отже, опору системи. Наслідком цього є стабілізація нею i рал як при однофазних замиканнях, так і при несиметричному навантаженні між фазою і нейтраллю, а також зменшення коефіцієнта заземлення системи і можливих струмів однофазних коротких замикань.

Для системи із ефективно заземленою нейтраллю коефіцієнт заземлення не перевищує 1,4.

      7.3.1. Опір нульової послідовності з боку обмотки, з'єднаної в зірку із заземленою нейтраллю, при розімкнутій вторинній обмотці
Можливі такі випадки: Відсутня обмотка, з'єднана в трикутник:

1.1. Група однофазних трансформаторів. Оскільки весь потік, що намагнічує

може протікати в сердечнику, опір нульової послідовності при розімкнутої вторинної обмотці дорівнює опору прямої послідовності, тобто. і опір намагнічування і може бути прийнято рівним нескінченності. При цьому у баку струму немає.

1.2. Трифазний тристрижневий трансформатор.
  
  Коефіцієнтом заземлення називають відношення напруги робочої частоти між здоровою фазою та землею при однофазному замиканні до напруги цієї фази до замикання.

  Намагнічують потоки однакові у всіх трьох стрижнях. Тому потік повинен замикатися поза магнітопроводом у середовищі з низькою магнітною провідністю. В результаті опір нульової послідовності виявляється порівняно низьким. Однак при розімкнутій вторинній обмотці воно все ж таки виявляється в 5-10 разів більше, ніж опір короткого замикання між обмотками. Це впливом бака на магнітну провідність поза магнитопровода, отже, на опір нульової послідовності.

Бак можна розглядати як короткозамкнену обмотку. При низькій напрузі бак є для потоку розсіювання високопроникним середовищем, причому значення опору нульової послідовності виявляється залежною від напруги.

1.3. Трифазний п'ятистрижневий трансформатор.

У п'ятистрижневому трансформаторі бічні стрижні, що не несуть обмоток, можуть служити шляхом замикання потоку стрижнів. Тому опір нульової послідовності буде високим. До напруги приблизно 30% номінального (залежно від конструкції) воно дорівнює опору намагнічування.

При вищому напрузі відбувається насичення бічних ярем і опір зменшується. Залежність струму від напруги відповідатиме кривій намагнічування. При номінальній напрузі бічні стрижні та ярма виявляються повністю насиченими, і опір нульової послідовності буде приблизно таким, як у випадку 1.2.

2. За наявності третинної обмотки, з'єднаної у трикутник.

2.1. Група однофазних трансформаторів.

Опір нульової послідовності при розімкнутій вторинній обмотці те ж, що і опір короткого замикання між обмоткою, що розглядається, і третинними обмотками, так як трикутник третинних обмоток для струмів нульової послідовності аналогічний закороченню цих обмоток. Струму в стінках бака немає.

2.2. Трифазний тристерхневий трансформатор.

Бак діє як зовнішня обмотка, з'єднана в трикутник, і опір може бути визначений за допомогою методів розрахунку полів розсіювання.

Вплив бака дещо зменшує опір нульової послідовності порівняно з опором короткого замикання обмотки, що збуджується, і обмотки, з'єднаної в трикутник.2.3. Трифазний п'ятистрижневий трансформатор.

До напруги трохи вище 30% номінального опір нульової послідовності холостого ходу дорівнює опору короткого замикання між обмоткою і обмоткою, що розглядається, з'єднаної в трикутник. При напрузі, близькому до номінальному, у баку з'являється струм, і опір може бути визначений як 2.2.

       7.4. Підключення джерел реактивної потужності або живлення місцевих мереж
Можлива також видача енергії у мережу ВН та СН при підключенні генератора до обмотки ПН. У цьому випадку обмотку зручно розташовувати між концентрами послідовної та загальної обмоткою автотрансформатора.

Низьке значення опору короткого замикання між основними обмотками автотрансформатора та обмоткою ПН може призвести до високих значень струму короткого замикання у цій обмотці. Крім того, обмотка ПН піддається впливу великих струмів однофазних коротких замикань. Тому часто виникає необхідність збільшити електродинамічну міцність третинної обмотки або збільшити опір короткого замикання.

Наявність третинної обмотки потужністю 1/3 S де S - прохідна потужність трансформатора, збільшує його вартість приблизно на 10 %.

Для автотрансформаторів збільшення вартості залежно від напруги може досягати 50 % [4].

Тому, якщо немає вимог щодо підключення джерел енергії ПН, необхідність третинної обмотки з урахуванням п.п. 7.1 - 7.3 визначається умовами системи та конструкції трансформатора.

Зазвичай трифазний тристрижневий трансформатор, потужність якого не перевищує кількох десятків MB А, може виготовлятися без обмотки, з'єднаної в трикутник.

Такий самий аналіз всіх умов необхідний і для автотрансформатора, якщо з міркувань економії прагнути визначити можливість відмовитися від третинної обмотки.

Автотрансформатори без третинної обмотки працюють як у країнах Європи та Америки, і у Росії.

    8. Переваги та недоліки автотрансформаторів

    8.1. Переваги

При сприятливому співвідношенні первинної і вторинної напруги автотрансформатор має істотні переваги перед трансформатором з тим самим співвідношенням напруг і тієї ж прохідної потужністю. Автотрансформатор має менші масу, розміри, втрати холостого ходу та навантажувальні, струм, що намагнічує, і опір короткого замикання.

Як відомо, лінійні розміри трансформатора пропорційні його потужності ступенем 0,25 (S0,025), а обсяг і маса - ступенем 0,75 (S0,75) за інших рівних умов.

Таким чином, чим менша типова потужність у порівнянні з прохідною, тим менші розміри, маса та втрати автотрансформатора. Так при типовій потужності вдвічі меншій за прохідну, маса втрати і струм холостого ходу автотрансформатора будуть на 10% менше, ніж у трансформатора тієї ж прохідної потужності. Завдяки зниженню втрат підвищується коефіцієнт корисної дії.

Зниження опору короткого замикання дозволяє зменшити падіння напруги під час роботи автотрансформатора.

Знижені маса та розміри автотрансформатора створюють сприятливіші умови для його доставки до місця встановлення. У разі необхідності трансформації дуже великої потужності, наприклад, при зв'язку двох дуже потужних енергосистем, тільки автотрансформатор може бути виготовлений у межах транспортних обмежень за масою та габаритними розмірами, тобто в одній транспортній одиниці.

     8.2. Недоліки
Наявність гальванічного з'єднання обмоток в автотрансформаторі має наслідком певні вади.

Як правило, обмотки автотрансформатора з'єднують у зірку із заземленою нейтраллю. Інші з'єднання теоретично можливі, але пов'язані з певними незручностями і тому використовуються дуже рідко. Режим заземлення нейтралі обох систем має бути однаковим: глухе заземлення чи заземлення через опір. При цьому значення опору має бути таким, щоб не виникало неприпустимих напруг на введеннях СН здорових фаз при замиканні на землю однієї фази системи ВН.

Така небезпека зростає зі збільшенням різниці напруг двох систем. З тієї ж причини не застосовуються автотрансформатори у системах із заземленою нейтраллю.

Високі потенціали грозових перенапруг на холостому введенні автотрансформатора при впливі хвилі перенапруг на інше введення викликають необхідність встановлення на вводах розрядників, що не відключаються при відключенні лінії, приєднаної до цього введення.

Послідовна обмотка автотрансформатора та його поздовжня ізоляція може піддаватися дуже жорстким грозовим впливам у разі, коли значення напруги двох систем близькі. Однак на практиці таких поєднань напруги не буває.

Регулювальна обмотка при регулюванні лінії ВН або СН піддається всім впливам, нормованим для лінійного введення. Іноді забезпечити електричну міцність ізоляції регулювальної обмотки та перемикаючого пристрою буває важко, особливо для надвисокої напруги СН (клас 525 кВ та вище).

Опір короткого замикання автотрансформатора відносно мало, що є причиною жорстких впливів струмів короткого замикання. Доводиться вживати спеціальних заходів для збільшення опору короткого замикання.

Особливої уваги потребує забезпечення міцності за однофазних замикань. Наявність обмотки ПН (третинної обмотки) вимагає забезпечення динамічної міцності, наприклад, шляхом збільшення опору нульової послідовності (опір в нейтралі або в трикутнику) [4].

    8.3. Умови застосування автотрансформаторів

Порівняно зі звичайними трансформаторами тих самих параметрів, автотрансформатори мають менші розміри, але потребують певних умов, що обмежують їхнє застосування в енергосистемах.

Без урахування спеціальних застосувань, де альтернатива відсутня, автотрансформатори повинні вибиратися після детального розгляду всіх умов експлуатації.

У загальному випадку рішення про застосування авютрансформаторів може бути прийняте за таких умов [4]:

- Система із заземленою нейтраллю;

- Система має обмежену потужність короткого замикання:

- сприятлива ситуація з перенапругами;

- Коефіцієнт трансформації, близький до одиниці (0,5-2);

- Збалансоване навантаження.

С.Д.Лізунов А.К.Лоханін «Силові трансформатори»

До списку статей

Всього коментарів: 1

  • Baronin617
    Автор: Baronin617 Додано Лютий 2, 2020 о 13:54

    Частотник ATS48M12Q відрізняється від частотного перетворювача CIMR-F7Z20151 номінальною потужністю ПЧ, тактовою частотою роботи ШІМ контролера, алгоритмом роботи системи самодіагностики помилок частотника, а також більшою мірою наявністю різних апаратних додаткових функцій, доступних для програмування та виконання спеціалізованих задач забезпечення автоматичної роботи зовнішнього виробничого обладнання без використання додаткових зовнішніх елементів, таких як контролери, панелі оператора, промислові комп'ютери. Перелічені чинники грають найважливішу роль під час виборів частотного перетворювача під конткретне застосування.

    Тестування причини несправності та подальший професійний ремонт на професійному обладнанні частотних приводів, вироблених фірмами danfos, дельта, веспер та іншими світовими брендами. Заміна IGBT транзисторів є найбільш цінними елементами у всьому пристрої перетворювальної техніки. Відмінність IGBT транзистора від IGBT модуля полягає в тому, що модуль може містити один або більше транзисторів IGBT, іноді включених паралельно за схемою пари Дарлінгтона для збільшення комутованої потужності, а також в деяких випадках схему контролю. IGBT - біполярний транзистор з ізольованим затвором, являє собою потужний напівпровідниковий прилад, що зазвичай використовується як електронний ключ для середніх і високих напруг. Завдяки суміщенню переваг біполярного транзистора і польового транзистора досягається велика потужність, що комутується, і мала необхідна керована потужність, так як управління здійснюється не струмом, а полем, що призводить до високої ефективності цих компонетів.

    Відповісти

Залишити коментар

Ваш email не буде опубліковано.

ru_RURU