6.4 Параметры трансформаторов

К основным параметрам трансформатора относятся: номинальные мощность, напряжение, ток; напряжение КЗ; ток холостого хода; потери холостого хода и КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточного трансформатора — это мощность каждой из его обмоток. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон (ВН или СН), имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальные напряжения обмоток — это напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора — это его линейное (междуфазное) напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, — это .При работе трансформатора под нагрузкой и подведении к зажимам его первичной обмотки номинального напряжения на вторичной обмотке напряжение меньше номинального на величину потери напряжения в трансформаторе. Коэффициент трансформации трансформатора n определяется отношением номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений

В трехобмоточных трансформаторах определяется коэффициент трансформации каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН.

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора.

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

Напряжение короткого замыкания u_к — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному.

Напряжение КЗ определяют по падению напряжения в трансформаторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Таким образом, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ: u _{к ВН – НН} , u_{к ВН – СН}, u_{к СН - НН}.

Поскольку индуктивное сопротивление обмоток значительно выше активного (у небольших трансформаторов в 2 — 3 раза, а у крупных в 15 — 20 раз), то u_к в основном зависит от реактивного сопротивления, т.е. взаимного расположения обмоток, ширины канала между ними, высоты обмоток. Величина u_к регламентируется ГОСТ в зависимости от напряжения и мощности трансформаторов. Чем больше высшее напряжение и мощность трансформатора, тем больше напряжение КЗ. Так, трансформатор мощностью 630 кВ*А с высшим напряжением 10 кВ имеет u_K=5,5%, с высшим напряжением 35 кВ — u_к= 6,5 %; трансформатор мощностью 80000 кВ-А с высшим напряжением 35 кВ имеет u_K=9%, a с высшим напряжением110кВ — u_к= 10,5%.

Увеличивая значение u_к, можно уменьшить токи КЗ на вторичной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформаторов. Если трансформатор 110 кВ мощностью 25 MB•А выполнить с u_K= 20% вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 15,7 %, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 МВАр).

Трехобмоточные трансформаторы могут иметь два исполнения по значению и_к в зависимости от взаимного расположения обмоток. Если обмотка НН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка СН — между ними, то наибольшее значение имеет u_{к ВН – НН}, а меньшее значение — u_{к ВН – СН}. В этом случае потери напряжения по отношению к выводам СН уменьшатся, а ток КЗ в сети НН будет ограничен благодаря повышенному значению u_{к ВН-НН}. Это понижающий трансформатор на подстанциях.

Если обмотка СН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка НН — между ними, то наибольшее значение имеет u_{к ВН – СН}, а меньшее —u_{к ВН – НН}. Значение u_{к СН - НН} останется одинаковым в обоих исполнениях. Это повышающий трансформатор на станциях.

Ток холостого хода I_Х характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции. Ток холостого хода выражается в процентах номинального тока трансформатора. В современных трансформаторах с холоднокатаной сталью токи холостого хода имеют небольшие значения.

Потери холостого хода Р_х и короткого замыкания Р_к определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. (Для их уменьшения применяются электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатаная сталь толщиной 0,3 мм марок 3405, 3406 и других с жаростойким изоляционным покрытием. В справочниках и каталогах приводятся значения Р_х для уровней А и Б. Уровень А относится к трансформаторам, изготовленным из электротехнической стали с удельными потерями не более 0,9 Вт/кг, уровень Б — с удельными потерями не более 1,1 Вт/кг (при В= 1,5 Тл, f= 50 Гц)).

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструкциях трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и конструкциях трансформатора (стенки бака, ярмовые балки и др.). Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируются магнитными шунтами.

В современных конструкциях трансформаторов потери значительно снижены. Например, в трансформаторе мощностью 250000 кВ-А при U=110кВ (Р_х=200 кВт, Р_к=790 кВт), работающем круглый год (Т_тах=6300 ч), потери электроэнергии составят 0,43% электроэнергии, пропущенной через трансформатор. Чем меньше мощность трансформатора, тем больше относительные потери в нем.

В сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны значительны, и очень важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкции трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения значений Р_х и Р_к.

6.5 Особенности автотрансформаторов.

В установках 110 кВ и выше широкое применение находят автотрансформаторы (AT) большой мощности. Объясняется это рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с трансформаторами той – же мощности:

• меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;

• меньшая масса, а, следовательно, меньшие габариты;

• меньшие потери и больший КПД;

• более легкие условия охлаждения.

Особенность автотрансформаторов состоит в том, что обмотки высшего и среднего напряжения имеют кроме магнитной связи, как у всех трансформатор, еще и электрическую связь. Это выполняется за счет того, что обмотка среднего напряжения является частью обмотки высшего напряжения

Указанную особенность рассмотрим на примере одной фазы автотрансформатора (рис. 6.3). Часть высшей обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О — общей. В то ж время обмотка СО является обмоткой среднего напряжения

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

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

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

S= U_BI_B~ U_CI_C. Преобразуя правую часть выражения, получаем

S= U_BI_B=[(U_B- U_C)+U_C]I_B=(U_B- U_C)I_B+ U_CI_B,

где (U_B- U_C)I_B= S_T — трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичую;

U_CI_B=S_Э— электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет их гальванической связи, без трансформации.

Таким образом, S=S_Т+S_Э.

Рис.6.3 . Схема однофазного автотрансформатора.

Электрическая мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток I_В из последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью автотрансформатора S= S_ном, а трансформаторная мощность — типовой мощностью S_Т= S_тип.

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

где n_ВС= U_B/U_C — коэффициент трансформации; К_т — коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из формулы для К_т следует, что чем ближе U_B к U_С, тем меньше К_т 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.

Например, при U_В= 330 кВ и U_С=110 кВ К_Т=0,667, а при U_В= 550 кВ и U_С= 330 кВ К_Т= 0,34.

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

Из схемы (см. рис. 6.3) видно, что мощность последовательной обмотки:

;

мощность общей обмотки:

.

Таким образом, еще раз можно подчеркнуть, что обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчетной мощностью. Какая бы мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на S_ТИП нельзя.

Режимы работы автотрансформаторв.

Режимы работы, в которых мощность передается только со стороны высшего напряжения на среднее или наоборот называют автотрансформаторными. При этих режимах передаваемая мощность не должна превышать номинальную мощность автотрансформатора. В этом случае нагрузка последовательной и общей обмоток не превысит S_ТИП.

У автотрансформатора часто имеется третья обмотка (обмотка НН), связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем (рис. 6.4). Эта обмотка может использоваться для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов). Мощность обмотки НН S_HH не может быть больше S_ТИП, так как иначе размеры автотрансформатора будут определяться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки НН указывается в паспортных данных автотрансформатора. Режимы автотрансформаторов, когда обмотка НН нагружена называют комбинированными. В этих режимах возможна перегрузка последовательной или общей обмоток автотрансформатора более S_ТИП, поэтому в этих случаях необходимо следить за токами в этих обмотках. Для этого в автотрансформаторах есть встроенные трансформаторы тока (рис. 6.4). Трансформаторы ТА1 и ТА2 устанавливаются на выводах В и С автотрансформатора, а ТАО встраивается в общую обмотку в районе нейтрали.

В качестве комбинированных возможны следующие режимы работы: передача мощности из обмотки ВН в обмотку СН при отключенной обмотке НН; передача мощности из обмотки НН в СН или ВН; передача из обмотки ВН и НН в обмотку СН и другие режимы.

Особенностью автотрансформаторов является необходимость глухого заземления их нейтрали, общей для ВН и СН. Отсюда следует, что минимальное значение напряжения на средней обмотке равно 110 кВ (именно с этого уровня напряжения применяется режим заземленной нейтрали).

Рис. 6.4 Одна фаза трехобмоточного автотрансформатора. Включение ТТ

для контроля нагрузки общей и последовательной обмоток.

6.6 Системы охлаждения силовых трансформаторов.

При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и магнитопровода за счет потерь энергии в них. Предельный нагрев частей трансформатора ограничивается изоляцией, срок службы которой зависит от температуры нагрева. Чем больше мощность трансформатора, тем интенсивнее должна быть система охлаждения. Рассмотрим основные системы охлаждения трансформаторов, отличающихся своей интенсивностью.

1.Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частично — лучеиспускания в воздухе. Такие трансформаторы получили название «сухих». Условно принято обозначать естественное воздушное охлаждение при открытом исполнении буквой С, при защищенном исполнении СЗ, при герметизированном исполнении СГ, с принудительной циркуляцией воздуха СД.

Допустимое превышение температуры обмотки сухого трансформатора над температурой охлаждающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и согласно ГОСТ 11677—85 должно быть не больше: 60 °С (класс А); 75 °С (класс Е); 80 °С (класс В); 100 °С (класс F); 125 °С (класс Н).

Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВ-А при напряжении до 15 кВ.

2.Естественное масляное охлаждение (М) выполняется для трансформаторов мощностью до 16000 кВ-А включительно (рис. 6.5,а ). В таких трансформаторах теплота, выделенная в обмотках и магнитопроводе 2 (выемная часть), передается окружающему маслу, которое, циркулируя по баку 1 и радиаторным трубам 3 (охлаждающая поверхность), передает его окружающему воздуху. При номинальной нагрузке трансформатора температура масла в верхних, наиболее нагретых слоях не должна превышать 95°С(ПТЭ, п. 5.3.12).

Для лучшей отдачи теплоты в окружающую среду бак трансформатора снабжается ребрами, охлаждающими трубами или радиаторами в зависимости от мощности.

3.Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб 5 помещаются вентиляторы 8 (рис. 6.5,б ). Вентилятор засасывает воздух снизу и обдувает нагретую верхнюю часть труб. Пуск и останов вентиляторов могут осуществляться автоматически в зависимости от нагрузки и температуры нагрева масла. Трансформаторы с таким охлаждением могут работать при полностью отключенном дутье, если нагрузка не превышает 100% номинальной, а температура верхних слоев масла не более 55 °С, а также при минусовых температурах окружающего воздуха и температуре масла не выше 45 °С независимо от нагрузки. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой составляет 95 °С (ПТЭ, п. 5.3.12).

Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80000 кВА.

4.Масляное охлаждение с дутьем и принуди тельной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63000 кВА и более.

Охладители 7 состоят из системы тонких ребристых трубок, обдуваемых снаружи вентилятором 8. Электронасосы 6, встроенные в маслопроводы, создают непрерывную принудительную циркуляцию масла через охладители (рис. 6.5,в ).

Рис. 6.5. Системы охлаждения трансформаторов (стрелками показано движение масла в баке и охлаждающих элементах):

а – типа М; б – типа Д; в – типа ДЦ; 1 – бак; 2 – выемная часть; 3 – охлаждающая поверхность; 4 – коллектор; 5 – трубчатый радиатор; 6 – электронасос; 7 – охладитель; 8 – вентилятор.

Благодаря большой скорости циркуляции масла, развитой поверхности охлаждения и интенсивному дутью охладители обладают большой теплоотдачей и компактностью. Переход к такой системе охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов.

Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

В трансформаторах с направленным потоком масла (НДЦ) интенсивность охлаждения повышается, что позволяет увеличить допустимые температуры обмоток.

5.Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц) принципиально устроено так же, как система ДЦ, но, в отличие от последнего, охладители состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубками движется масло.

Температура масла на входе в маслоохладитель не должна превышать 70 °С.

Чтобы предотвратить попадание воды в масляную систему трансформатора, давление масла в маслоохладителях должно превышать давление циркулирующей в них воды не менее чем на 0.01 МПа (1 Н/см²). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное выполнение и применяется на мощных трансформаторах (160 MB-А и более).

6.Масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла (НЦ) применяется для трансформаторов мощностью 630 MB-А и более.

На трансформаторах с системами охлаждения ДЦ и Ц устройства принудительной циркуляции масла должны автоматически включаться одновременно с включением трансформатора и работать непрерывно независимо от нагрузки трансформаторов. В то же время число включаемых в работу охладителей определяется нагрузкой трансформатора. Такие трансформаторы должны иметь сигнализацию о прекращении циркуляции масла, охлаждающей воды или об останове вентилятора.

Следует отметить, что в настоящее время ведутся разработки новых конструкций трансформаторов с обмотками, охлаждаемыми до очень низких температур. Металл при низких температурах обладает сверхпроводимостью, что позволяет резко уменьшить сечение обмоток. Трансформаторы с использованием принципа сверхпроводимости (криогенные трансформаторы) будут иметь малую транспортировочную массу при мощностях 1000 MB-А и выше.

Условное обозначение трансформаторов

Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в том порядке, как указано ниже:

1. число фаз (для однофазных — О; для трехфазных — Т);

2. вид охлаждения — в соответствии с пояснениями, приведенными выше;

3. число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух), для трехобмоточного трансформатора Т; для трансформатора с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);

4. буква Н в обозначении при выполнении одной из обмоток с устройством РПН;

5. буква А на первом месте для обозначения автотрансформатора.

За буквенным обозначением указывается номинальная мощность, кВ-А; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150—69* и ГОСТ 15543-70*.

Например, ТДТН-16000/110-У1 — трехфазный трансформатор с системой охлаждения Д, трехобмоточный, с регулированием напряжения под нагрузкой, номинальной мощностью 16000 кВ* А, напряжением ВН 110 кВ, климатическое исполнение У (умеренный климат), категория размещения 1 (на открытом воздухе).

6.7 Системы регулирования напряжения в силовых трансформаторах.

Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать определенный уровень напряжения на шинах станций и подстанций. Предусматривается несколько способов регулирования напряжения, наиболее распространенные основываются на изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

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

,

где w₁,w₂ — число витков первичной и вторичной обмоток соответственно.

Отсюда .

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

Устройство ПБВ позволяет за счет изменения числа витков обмотки регулировать напряжение в пределах ±5% и не позволяет регулировать напряжение в течение суток, так как это потребовало бы частого отключения трансформатора для производства переключений, что по условиям эксплуатации практически недопустимо. Обычно ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения.

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