Іii.2. Силовые трансформаторы

ІII.2.1.Назначение и принцип работы

Предназначены для преобразования одного уровня напряжения в другой. На рис. III.18 приведены основные элементы однофазного двухобмоточного трансформатора.

Рис.III.18. Основные элементы трансформатора: 1 – обмотка высшего напряжения (ВН); 2 – обмотка низшего напряжения (НН); 3 – магнитопровод (сталь).

Обмотки ВН и НН связаны между собой магнитным путем через магнитный поток Ф. Коэффициент трансформации равен,

где , – номинальные напряжения обмоток ВН и НН; , – число витков обмоток ВН и НН.

III.2.2. Типы трансформаторов. Схемы соединения обмоток.

Классификация типов трансформаторов показана на рис. III.23.

Рис. III.23. Классификация типов силовых трансформаторов

Схемы соединения обмоток трансформаторов различных типов показаны на рис.III.24-III.28.

а) Однофазный двухобмоточный (см. рис. III.24).

Рис.III.24. Схемы соединения однофазного трансформатора

б) Трехфазный двухобмоточный (см. рис. III.25).

Рис.III.25. Схемы соединения трехфазного двухобмоточного трансформатора

в) Трехфазная группа однофазных двухобмоточных трансформаторов (см. рис. III.26).

Рис.III.26. Соединение однофазных трансформаторов в трехфазную группу

г) Однофазный трехобмоточный трансформатор (см. рис. III.27).

Рис.III.27. . Схемы соединения однофазного трехобмоточного трансформатора

д) Однофазный двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой НН (см. рис. III.28).

Рис.III.28. . Схемы соединения однофазного двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН

В энергосистемах преимущественно применяются двух- и трех- обмоточные трансформаторы. Установка трехфазных трансформаторов (см. рис. III.25) по сравнению с однофазными (см. рис. III.26) предпочтительна по экономическим причинам, т.к. их стоимость, расход активных материалов (меди, стали) на 20÷25%, а потери энергии при эксплуатации на 12÷15% меньше, чем в группе однофазных трансформаторов равной мощности.

Группа однофазных трансформаторов может применяться когда:

1. транспортировка трехфазного трансформатора такой же мощности затруднительна;

2. когда нет трехфазных трансформаторов данной мощности.

В некоторых случаях обмотка низшего напряжения одного и того же трансформатора состоит из двух или нескольких параллельных, изолированных друг от друга ветвей. Эти трансформаторы с так называемыми расщепленными обмотками (см. рис. III.28) обладают большим сопротивлением, чем идентичные двух обмоточные трансформаторы обычного исполнения, но имеют более сложную конструкцию и большую стоимость.

На электростанциях их применяют для укрупнения блоков мощных ТЭС и ГЭС, когда с целью упрощения главной схемы и уменьшения токов КЗ к одному трансформатору присоединяют несколько генераторов, а также в схемах собственных нужд электростанций для уменьшения токов КЗ и облегчения шин и аппаратуры (см. рис. III.29).

Рис.III.29. . Примеры применения трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения на электростанциях: ТСН1, ТСН2 – трансформаторы собственных нужд с расщепленной обмоткой и обычного исполнения; ШСН – шины собственных нужд

Примечание: трансформаторы собственных нужд электростанций с номинальной полной мощностью 25 МВА и более и трансформаторы на подстанциях мощностью 40 МВт и более выполняются с расщепленными обмотками.

На современных крупных электростанциях и мощных узловых подстанциях часто применяют для связи двух высших напряжений автотрансформаторы (АТ). Автотрансформаторы представляют собой многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки связаны электрически. В энергосистемах применение получили трехобмоточные автотрансформаторы – трехфазные и группы из однофазных.

Отличия в работе автотрансформатора от трансформаторов обычного исполнения показаны на рис. III.26 и III.27.

Схема однофазного автотрансформатора и принцип его работы (рис. III.26):

Рис.III.26. Схема однофазного автотрансформатора и принцип его работы

В автотрансформаторе можно выделить последовательную (она расположена между точками АB) и общую (располагается между точками BC) обмотки. Общая обмотка является также обмоткой среднего напряжения с количеством витков W₂. Последовательная и общие обмотки образуют обмотку высокого напряжения (располагается между точками А и C) с количеством витков W₁.

В отличие от трансформатора, где вся мощность с первичной стороны передается на вторичную сторону магнитным полем, в автотрансформаторе часть мощности передается электрическим путем через контактную связь между последовательной и общей обмоткой (точка B).

Полная мощность, передаваемая с первичной стороны автотрансформатора на вторичную, называется проходной, а мощность, передаваемая магнитным путем – трансформаторной. Проходная мощность для схемы на рис. III.26 равна

где – электрическая мощность, передаваемая из обмотки высокого напряжения (ВН) в обмотку среднего напряжения (СН) с помощью гальванической связи этих обмоток;

– трансформаторная мощность, передаваемая из обмотки высокого напряжения в обмотку среднего напряжения через магнитопровд.

Знак «≈» обозначает, что потери не учитываются.

Номинальная мощность автотрансформатора (S_ном.АТ) – это проходная мопри номинальных условиях.

Типовая мощность автотрансформатора (S_тип.АТ)– это трансформаторная мощность при номинальных условиях.

Экономический эффект применения автотрансформаторов можно показать, если сравнить автотрансформатор с двухобмоточным трансформатором, которые имеют одинаковые конструктивные параметры: количество витков последовательной обмотки равно количеству витков обмотки высокого напряжения двухобмоточного трансформатора; количество витков общей обмотки (она же обмотка среднего напряжения автотрансформатора) равно количеству витков обмотки среднего напряжения двухобмоточного трансформатора; сечение провода последовательной обмотки равно сечению провода обмотки высокого напряжения двухобмоточного трансформатора; сечение провода общей обмотки равно сечению провода обмотки среднего напряжения двухобмоточного трансформатора; сечения магнитопроводов обоих трансформаторов одинаковы (см. рис. III.27).

Рис.III.27. Схема двухобмоточного трансформатора, проходная мощность которого равно трансформаторной мощности автотрансформатора на рис. III.26

Из рис. III.26 и III.27 следует, что при одинаковых размерах магнитопровода и количестве витков обмоток и их сечений проходная мощность автотрансформатора больше, чем двухобмоточного трансформатора за счет передачи в нагрузочную сеть электрической мощности .

Из этого следует, что автотрансформаторы обладают существенными технико-экономическими преимуществами по сравнению с обычными трансформаторами той же проходной мощности.

Преимущества АТ:

1. стоимость АТ меньше, т.к. для его изготовления требуется меньше меди, стали и изоляционных материалов;

2. габариты автотрансформаторов меньше, что позволяет строить его с большей проходной мощностью и облегчает транспортировку;

3. потери мощности АТ меньше, а его КПД выше.

Перечисленные преимущества АТ тем заметнее, чем меньше разность номинальных напряжений на обмотках высшего и среднего напряжений. Количественно эти преимущества определяются коэффициентом выгодности.

,

- коэффициент трансформации.

Несмотря на все свои преимущества, автотрансформаторы имеют и ряд недостатков:

1. Изменение напряжений проводов относительно земли в сети среднего напряжения при замыкании на землю в сети высшего напряжений (вектор АСm на рис. III.32), которое тем больше, чем больше К_Т. В незаземленной системе эти напряжения достигают недопустимых значений, поэтому АТ всегда работает с глухозаземленной нейтралью;

Рис. III.32. Векторная диаграмма напряжений участка сети, питающегося от автотрансформатора с разземленной нейтралью, при замыкании фазы на землю

2. низкие напряжения КЗ (вызванные глухим заземлением нейтрали АТ) и связанные с этим большие токи однофазного КЗ и электродинамические усилия в обмотках при данных КЗ;

3. перенапряжения, возникающие в сети ВН, вызывают из-за наличия гальванической связи обмоток ВН и СН на выводах СН автотрансформатора более значительные перенапряжения, чем у трансформатора обычного исполнения.

Автотрансформаторы могут иметь третью обмотку на стороне НН, которая связана с обмоткой ВН и СН только электромагнитным путем. Она предназначена для компенсации токов третьей гармоники, а также используется для питания потребителей, присоединения синхронного компенсатора и генераторов.