7.3. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Трансформаторы являются основным оборудованием подстан­ций. В связи с тем, что производство электроэнергии происходит при генераторном напряжении 6...20 кВ, передача ее от электро­станций на крупные районные подстанции осуществляется при напряжении 110...750 кВ; предприятия промышленности пита­ются напряжением 35...220 кВ, а потребители электроэнергии на предприятиях и в быту — напряжением 6 (10) кВ и 380/220 В; на пути электроэнергии от производителя к потребителям происхо­дит три-четыре трансформации напряжения. Поэтому мощность трансформаторов в электрической системе в несколько раз боль­ше, чем генераторов или приемников электроэнергии.

При выборе мощности трансформаторов необходимо руковод­ствоваться шкалой стандартных номинальных мощностей, кВ А, трансформаторов и автотрансформаторов:

Как следует из приведенной шкалы, отношение (шаг) рядом стоящих номинальных мощностей принято равным 1,6 для транс­форматоров и автотрансформаторов мощностью до 63 000 кВ • А и 1,3 для более мощных аппаратов. Классификация трансформато­ров по габаритам приведена в табл. 7.1. Типы выпускаемых отече­ственной промышленностью трансформаторов и автотрансфор­маторов указаны в справочниках.

Силовые трансформаторы подразделяют на сухие (рис. 7.7), ус­танавливаемые в помещениях с пожаро - и взрывоопасной средой, масляные для наружной и внутренней установки в неопасной с точки зрения пожара и взрыва среде и трансформаторы с заполне­нием негорючим жидким диэлектриком (совтолом), устанавливае­мые в закрытых помещениях повышенной пожароопасности.

Основными частями масляного трансформатора (рис. 7.8) яв­ляются магнитопровод и жестко закрепленные на нем обмотки. Для защиты от воздействий окружающей среды они помещены в

Таблица 7.1. Классификация силовых трансформаторов

Габарит трансформатора	Мощность, кВА	Напряжение, кВ
1-1 1-2	До 20 25... 100	До 10
II-1 II-2	160...250 400... 1000	До 10
III-1 III-2 III -3	До 1000 1600...2500 4000... 6300	Более 10 до 35
IV-1 IV-2	10 000... 32 000 Более 32 000	До 35
V-1 V-2	До 16000 25 000...32 000	110
VI-1 VI-2 VI-3	40 000... 63 000 До 63000 До 63 000	110 150 220...330
VII-1 VII-2	80 000...200 000 80 000... 200 000	110 150
VIII-1 VIII-2	Более 200000 Независимо от мощности	220...330 Более 330

стальной бак /. Бак герметически закрыт крышкой 6. Сквозь крышку с помощью проходных изоляторов (вводов) 7 — 9 электрические цепи обмоток ВН выведены наружу. Над крышкой расположен расширитель 12, сообщающийся трубопроводом с баком. В разрез этого трубопровода установлено газовое реле 11. Непосредственно из бака наружу через крышку выведена выхлопная труба 10, нор­мально закрытая мембраной. Труба предназначена для аварийных выбросов газов и масла наружу. На крышке смонтирована рукоят­ка 4 переключателя напряжения. Переключатель напряжения 16 расположен под крышкой и соединен с рукояткой валом, прохо­дящим сквозь крышку в сальниковом уплотнении. Контакты пе­реключателя можно электрически соединить с теми или иными регулировочными отводами 18 обмоток ВН 17. Крышка сквозны­ми подъемными шпильками соединена с магнитопроводом, уста­новленным на дно бака. Наружная резьбовая часть подъемных шпи­лек предназначена для навертывания съемных грузовых колец (ры­мов).

При работе трансформатор нагревается, так как в проводниках обмоток и в стали магнитопровода происходят потери энергии. Для интенсивного удаления избытка теплоты внутренний объем 148

Рис. 7.7. Силовой трансформатор ТС:

1 — активная часть; 2 — ввод ВН; 3 — крышка люка; 4 — кожух; 5 — кольцо для подъема трансформатора; 6 — шины НН; 7 — тележка; 8 — каток; 9 — планка для подъема активной части

бака заполнен специальным минеральным маслом. При этом часть масла находится в расширителе, что исключает наличие воздуш­ных пузырей под крышкой. Этому способствует небольшой уклон крышки в сторону, противоположную расширителю.

Технические характеристики трехфазных силовых масляных трансформаторов общего назначения приведены в табл. 7.2.

О типе трансформатора и его системе охлаждения можно судить по маркировке трансформатора. Первая буква соответствует числу фаз: Т — трехфазный, О — однофазный. Если за первой буквой идет буква Р, это указывает на расщепление вторичной обмотки; при отсутствии расщепления буква Р опускается. Далее идут одна или две буквы, указывающие способ охлаждения трансформатора: М — естественное масляное, Н — негорючее диэлектрическое, С — воздушное в сухом трансформаторе; Д — с дутьем. После этих букв

в марках трехобмоточных трансформаторов ставят букву Т — трехобмоточный; в марках двухобмоточных трансформаторов эта бук­ва опускается. Затем ставят букву Н, если трансформатор имеет устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

После букв идут цифры: в числителе указывается мощность (в кВ • А), в знаменателе — номинальное напряжение обмотки высшего напряжения (в кВ). Через дефис двумя цифрами указывают год начала выпуска трансформаторов данной конструкции. На пример, марка ТРМН-40000/110-91 означает: трехфазный транс­форматор с расщепленной обмоткой, с естественным масляным охлаждением, имеет РПН, мощность трансформатора 40 МВФ*А напряжение (высшее) 110 кВ, конструкция 1991 г.

Примечания. 1. Уровень потерь А относится к трансформаторам, магнитопроводы которых изготовлены из электротехничес­кой стали с удельными потерями не более 0,9 Вт/кг, уровень Б — не более 1,1 Вт/кг.

2. Условные обозначения, например Y/Y_н-0, Y_н/Д-11, означают схемы соединения обмоток трансформаторов и угловое смеще­ние векторов линейных ЭДС обмоток СН и НН по отношению к векторам ЭДС обмоток ВН. Группу соединения (угловое смеще­ние) обозначают числом, которое при умножении на 30° дает угол отставания в градусах (11x30° = 330°).

Автотрансформаторы маркируют по тому же принципу, но са­мой первой в марке ставят букву А.

Исполнения трансформаторов, предназначенных для работы в определенных климатических районах, обозначают буквами У, ХЛ, I (для умеренного, холодного, тропического климата).

По категории размещения при эксплуатации различают следу­ющие исполнения трансформаторов: 1 и 2 (для установки на от­крытом воздухе и в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от окружающей среды), 3 и 4 (для установки в закрытых помещениях с естественной венти­ляцией, где колебания температуры и влажности значительно мень­ше, чем на открытом воздухе, и с искусственно регулируемыми климатическими условиями); 5 (для установки в помещениях с повышенной влажностью).

В качестве примера рассмотрим, как расшифровываются сле­дующие обозначения трансформаторов:

ТМ-100/10-97У1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением; номинальная мощность 100 кВ А; класс напряжения 10 кВ; конструкция 1997 г.; для райо­нов с умеренным климатом; для установки на открытом воздухе;

ТСЗ-100/10-95УЗ — трехфазный сухой (С) трансформатор за­щищенного (3) исполнения, номинальная мощность 100 кВА, класс напряжения 10 кВ, конструкция 1995 г., для районов с уме­ренным климатом; для установки в закрытых помещениях с есте­ственной вентиляцией;

ТРДНС-40000/35-84Т1 — трехфазный двухобмоточный транс­форматор с расщепленной обмоткой НН, с принудительной цир­куляцией воздуха в системе охлаждения, с РПН, для собствен­ных (С) нужд электростанций, номинальная мощность 40 МВ • А; класс напряжения 35 кВ; конструкция 1984 г.; тропическое ис­полнение, для установки на открытом воздухе;

АТДЦНТ-125000/220/110-98У1 - трехфазный трехобмоточный автотрансформатор с принудительной циркуляцией масла (Ц) и воздуха в системе охлаждения, с РПН; номинальная мощность 125 МВ А, с обмотками ВН 220 кВ и среднего напряжения (СН) 110 кВ; конструкция 1998 г.; для районов с умеренным климатом; для установки на открытом воздухе;

ТЦ-250000/500-96ХЛ1 — трехфазный двухобмоточный транс­форматор с принудительной циркуляцией масла (Ц) и воды в системе охлаждения; номинальная мощность 250 МВА; класс на­пряжения 500 кВ; конструкция 1996 г.; для районов с холодным климатом, для установки на открытом воздухе.

Обмотки трансформаторов обычно соединяют по схемам звез­да (V), звезда с выведенной нейтралью (У_н), треугольник (А). Схе­мы соединений обмоток трансформаторов высшего (ВН), сред­него (СН) и низшего (НН) напряжений показаны на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Схемы соединения обмоток и диаграммы векторов напряжений холостого хода:

а — трехфазных трехобмоточных трансформаторов; б — трехфазных трехобмоточных автотрансформаторов; в — однофазных двухобмоточных трансформато­ров

С 1992 г электротехническая промышленность России изготов­ляет масляные трансформаторы I и II габаритов (мощность ДО 630 кВ Л класс напряжения до 35 кВ) типов ТМГ и ТМВГ новой серии Отличительной особенностью этих трансформаторов явля­ется разъемная герметизированная конструкция бака, позволяю­щая исключить контакт внутреннего объема трансформатора с ок­ружающей средой. Эти трансформаторы полностью, до крышки, заполнены трансформаторным маслом, и температурные колеба­ния его объема компенсируются за счет изменения объема бака с гофрированными стенками. Трансформаторы заполняют дегази­рованным маслом под глубоким вакуумом.

В зависимости от типа трансформатора бак изготовляют оваль­ной или треугольной формы. Он состоит из верхней уголковой рамы гофрированной стенки из тонкой листовой стали и ниж­ней обечайки с приваренным дном. Из конструкции бака исклю­чены маслорасширитель, термосифонный и воздушный фильтры и радиаторы охлаждения. Герметичное исполнение и применение гофрированных стенок бака позволяют существенно снизить мас­су и габариты трансформатора. Срок службы трансформаторов со­ставляет 25 лет при сокращенном объеме текущего ремонта и без проведения капитальных ремонтов. Однако трансформаторы ти­пов ТМГ и ТМВГ требуют более высокого уровня монтажа и эк­сплуатации. Стенки бака, выполненные из тонколистовой стали, чувствительны к механическим воздействиям, поэтому монтаж­ный и эксплуатационный персонал должен соблюдать повышен­ную осторожность при транспортировании, монтаже и текущих ремонтах герметизированных трансформаторов.

С 2000 г внедряется новая серия трансформаторов напряжени­ем 35 кВ мощностью 1000...6300 кВА. Масса трансформаторов но­вой серии и потери холостого хода снижены в среднем на 20 %.

В энергосистемах, а также на предприятиях в большинстве слу­чаев применяют трехфазные трансформаторы Группа из трех од­нофазных трансформаторов стоит дороже и требует приблизительно на 20 % больше меди и стали, чем один трехфазный трансформа-топ той же мощности. Поэтому однофазные трансформаторы ус­танавливают лишь в тех случаях, когда по условиям транспорти­рования нельзя применять трехфазные, а также при отсутствии трехфазных трансформаторов требуемой мощности.

Нагрев трансформаторов ограничивается допустимым превы­шением температуры обмотки (65 °С), магнитопровода (75°С) и верхних слоев масла (55 °С) над температурой охлаждающего воздуха (20 °С). В процессе эксплуатации трансформаторов их нагруз­ка а следовательно, и нагрев изменяются в значительных преде­лах. В период недогрузки трансформатор недоиспользуется. Поэто­му при сохранении расчетного срока службы 25 лет разрешается перегружать трансформаторы, когда это требуется. На каждые 3 % недогрузки допускается на такое же время перегрузка трансфор­матора на 1 %; кроме того, на 1 % недогрузки трансформатора летом разрешается 1 % перегрузки в зимнее время. Это нормаль­ная систематическая перегрузка, которая в общей сложности не должна превышать 30 % для масляных и совтоловых и 20 % для сухих трансформаторов.

В аварийных условиях, когда отключился один из двух транс­форматоров, разрешается перегрузка оставшегося в работе транс­форматора на 40 % выше номинальной мощности продолжитель­ностью до 6 ч ежедневно в течение 5 сут. Поэтому при выборе номинальной мощности трансформатора S_т.н на 35... 220/6... 10 кВ руководствуются таким соотношением мощности S_ТН и расчетной нагрузки S_Р:

Автотрансформаторы имеют две электрически связанные со­единенные в звезду обмотки с общей заземленной нейтралью и третью, соединенную в треугольник и имеющую с двумя другими обмотками только электромагнитную связь.

Наличие обмотки, соединенной в треугольник, приводит к ком­пенсации электродвижущей силы (ЭДС) третьей гармоники и других гармоник кратных трем, а также к уменьшению сопротив­ления нулевой последовательности в сети с заземленной нейтра­лью. Это важно для повышения чувствительности релейной защи­ты и плавких предохранителей в сетях.

Область применения силовых автотрансформаторов в системах электроснабжения — связь двух электрических сетей высокого на­пряжения. Для этого используются две электрически связанные соединенные в звезду обмотки. К третьей обмотке подключаются генераторы, трансформаторы собственных нужд электростанций или синхронные компенсаторы и статические конденсаторы рай­онных подстанций, либо же она не имеет присоединений.