1.5.6. Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов

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

Однофазный автотрансформатор имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рис. 2.20). Часть обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О — общей.

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_С = I_В + I₀, откуда I₀= I_С - I_В.

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

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

Преобразуя правую часть выражения получаем

где (U_В – U_С)I_В=S_Т — трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичную;

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

Эта 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_Н0М, 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_BC= U_B/U_С— коэффициент трансформации;

К_Т — коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из вышеприведенной формулы 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_B =330 кВ и U_С = 110 кВ К_Т =0,667, а при U_B = 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. 2.20) 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. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем.

Третья обмотка автотрансформатора (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов), а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник. Мощность обмотки НН S_НН 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.

В автотрансформаторах с обмоткой НН возможны различные 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 обмоток ВН и НН в обмотку СН и другие режимы. Во всех случаях необходимо контролировать загрузку общей, последовательной обмоток и вывода СН, для этого устанавливают трансформаторы тока ТА1, ТА2 и ТАО (рис. 2.21). Трансформаторы ТА1 и ТА2 устанавливаются на выводах В и С автотрансформатора, а ТАО встраивается в общую обмотку. Выводы, приведенные для однофазного АТ, справедливы и для трехфазного.

К особенностям конструкции автотрансформаторов следует от­нести необходимость глухого заземления нейтрали. Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение U_B /√3 вместо (U_B-U_С)/√3, напряжение выводов обмотки СН возрастет примерно до U_B, резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Ана­логичная картина наблюдается в случае присоединения повыша­ющего автотрансформатора с незаземленной нейтралью к системе с эффективно заземленной нейтралью.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех ав­тотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН или СН не вызывают опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

На основании вышеизложенного, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

• меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;

• меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что по­зволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;

• меньшие потери и больший КПД;

• более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

• необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;

• сложность регулирования напряжения;

• опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.