Силовые трансформаторы

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в другое.

Часто в городских распределительных сетях используют трансформаторы, понижающие напряжение до значений допустимых по условиям подвода электроэнергии к потребителям.

Условное обозначение типов трансформаторов включает: буквенное обозначение, характеризующее тип трансформатора, число фаз (для трехфазных – Т, для однофазных – О), вид охлаждения (естественная циркуляция воздуха и масла – М, естественное воздушное при открытом исполнении – С, естественное воздушное при защищенном исполнении – СЗ, принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла – Д, Ц – принудительная циркуляция масла через водяной охладитель, ДЦ – принудительная циркуляция масла с дутьем), число обмоток (трехобмоточный трансформатор – Т), выполнение одной обмотки с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) – Н, отсутствие буквы Н – наличие переключения без возбуждения (ПБВ). Существуют также трансформаторы с расщепленными обмотками, имеющие две одинаковые обмотки низшего напряжения (НН), обозначают буквой Р (например, ТРДН). Исполнение трансформатора для собственных нужд электростанций обозначают буквой С (например, ТРДНС); Г – герметичное исполнение (без расширителя). Для обозначения автотрансформатора добавляют букву А впереди букв, указанных выше. Исполнение трансформатора с естественным масляным охлаждением с защитой с помощью азотной подушки, без расширителя, обозначают дополнительной буквой З после вида охлаждения (например, ТМЗ). Далее указывается номинальная мощность трансформатора в киловольт-амперах и через дробь – класс номинального напряжения обмотки ВН (кВ).

Основными параметрами трансформаторов являются:

номинальная мощность S_ном,

номинальные напряжения обмоток U_ном,

номинальный ток обмотки I_ном,

напряжение короткого замыкания, выражается в процентах по отношению к номинальному напряжению и обозначается как u_k %,

номинальный ток холостого хода I_x,

потери короткого замыкания P_ном (потери в меди),

потери холостого хода P_x, потери в стали на вихревые токи и перемагничивание),

схема соединения обмоток,

группа соединений обмоток трансформатора (определяется углом, отсчитываемым по часовой стрелке от вектора первичного напряжения к вектору вторичного напряжения).

Элементы конструкции трансформаторов – это магнитопровод, обмотки, бак с расширителем, выводы обмоток всех напряжений, детали изоляции, устройства для регулирования напряжения.

Трансформатор оснащается устройствами охлаждения.

Естественное воздушное охлаждение трансформаторов осуществляется путем естественной конвекции воздуха и частичного лучеиспускания в воздухе. Данная система охлаждения малоэффективна, поэтому применяется для трансформаторов мощностью до 1600 кВ·А при напряжении до 15 кВ.

Особое внимание при проектировании и эксплуатации электропечных трансформаторов уделяется их охлаждению. Для ЭПТ установлены следующие нормы максимального нагрева:

– для сухого трансформатора превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды зависит от класса нагревостойкости изоляции и составляет от 60 до 125°С;

– для магнитопровода – 4-110°С;

– для масла в верхних слоях +85°С.

Для того чтобы обеспечить требуемый температурный режим и сократить массу и размеры трансформаторов, используют четыре вида (системы) охлаждения ЭПТ:

– естественное воздушное в сухих трансформаторах – С;

– естественная циркуляция воздуха и масла – М;

– принудительная циркуляция воздуха и масла – ДЦ;

– принудительная циркуляция воды и масла – Ц.

При применении системы М масло свободно циркулирует по баку, тепло отводится через его наружную поверхность, которую иногда увеличивают, навешивая радиаторы. Температура масла в верхних нагретых слоях не должна превышать 95°С в системах М и ДЦ в соответствии с ПУЭ.

Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) применяется для более мощных трансформаторов. В этом случае в навесных охладителях из радиаторных труб помещают вентиляторы. Максимально допустимая температура масла в верхних слоях при работе с номинальной нагрузкой +95°С.

Форсированный обдув радиаторных труб улучшает условия охлаждения масла, а следовательно, обмоток и магнитопровода трансформатора, что позволяет изготовлять такие трансформаторы мощностью до 80 000 кВ·А.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители (ДЦ) применяется для трансформаторов мощностью 63 000 кВ·А и выше. Такая система охлаждения позволяет значительно уменьшить габариты трансформаторов. Охладители могут устанавливаться вместе с трансформатором на одном фундаменте или на отдельных фундаментах рядом с баком трансформатора.

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 0,02 МПа (2 Н/см). Эта система охлаждения эффективна, но имеет более сложное конструктивное исполнение и выполняется на мощных трансформаторах (160 MB·А и более).

Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать определенный уровень напряжения на шинах подстанции. В электрических сетях предусматриваются способы регулирования напряжения, одним из которых является изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

Режимы работы трансформаторов. Исходными для характеристики нормальных режимов является режим, при котором сохраняются номинальные значения частоты, напряжения, тока и номинальные условия охлаждающей среды и места установки.

Повышение тока сверх номинального значения приводит к аварийным систематическим (повторяющимся) перегрузкам трансформатора. Аварийные перегрузки бывают кратковременные и длительные. Кратковременные аварийные перегрузки сверх номинального тока регламентируются (табл.1.1).

Таблица 1.1

Допустимые аварийные перегрузки трансформатора

Длительные аварийные перегрузки на 40% сверх номинального тока масляных трансформаторов допускаются в течение не более пяти суток подряд на время максимума нагрузки общей продолжительностью не более шести часов в сутки при условии, что коэффициент предшествующей нагрузки не превышает 0,93.

Систематические перегрузки могут быть обусловлены как недогрузкой по суточному графику, так и сезонной недогрузкой. Допустимые значения систематических суточных перегрузок определяются по графикам нагрузочной способности в зависимости от характера суточного графика нагрузки, температуры окружающей среды, постоянной времени нагрева трансформатора и вида системы охлаждения.

Сезонные систематические перегрузки регламентируются следующим правилом: если максимум среднего графика нагрузки в летнее время меньше номинальной мощности трансформатора, то в зимнее время допускается перегрузка трансформатора в размере 1% на каждый 1% летней недогрузки, но всего не более чем на 15%, причем суммарная систематическая перегрузка (суточная и сезонная) не должна превышать 50%.

Работа трансформатора с повышенным сверх номинального напряжением регламентируется правилом: допускается длительное 5%-ное и кратковременное (не более 6 часов в сутки) 10%-ное повышение напряжения при нагрузке, не превышающей номинальную. При нагрузке, не превышающей 25% номинальной, допускается длительное повышение напряжения до 10% сверх номинального.

Для включения трансформаторов с одинаковыми номинальными напряжениями на всех сторонах на параллельную работу, необходимо обеспечить соблюдение следующих условий:

тождественность схем и групп соединений обмоток,

равенство коэффициентов трансформации,

равенство напряжений КЗ.

Включение трансформатора производится со стороны питания на холостом ходу толчком на полное напряжение сети.

Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки связаны магнитно и электрически (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Принципиальная схема соединения обмоток

трехобмоточного автотрансформатора:

1 – последовательная обмотка ВН; 2 – общая обмотка СН;

3 – обмотка НН

Типовая мощность отображает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, т.е. расход активных материалов. Различие технико-экономических показателей трансформаторов и автотрансформаторов зависит от соотношения между номинальной и расчетной (типовой) мощностями, т.е. от коэффициента выгодности: . Очевидно, преимущество автотрансформатора проявляется в большей степени тогда, когда с его помощью связываются сети более близких номинальных напряжений. Например, при применении автотрансформаторов 220/110/10 кВ удельная экономия меди по сравнению с трансформаторами составляет 15…25%, экономия активной стали 50…60%, а полная масса примерно в 1,5 раза меньше. Суммарные потери снижаются на 30…35%.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой НН являются разновидностью двухобмоточного трансформатора. В таком трансформаторе обмотка НН выполнена из двух (или более) обмоток, расположенных симметрично по отношению к обмотке ВН. Номинальные напряжения ветвей могут быть одинаковы (ТРДН-32000/110, U_вн =115 кВ, U_нн = 6,3/10,5; ТРДЦНК 80000/110, U_вн =115 кВ, U_нн = 10,5/10,5), а их мощности составляют часть номинальной мощности трансформатора и в сумме равны мощности обмотки ВН. В этом состоит отличие трансформаторов с расщепленными обмотками от трехобмоточных трансформаторов, у которых суммарная мощность обмоток СН и НН всегда больше мощности обмоток ВН.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего в энергетических системах осуществляется трансформация электрического напряжения?

2. Какие способы охлаждения и регулирования напряжения применяют в трансформаторах?

3. В каких случаях целесообразно применение трехобмоточных трансформаторов?

4. В сетях каких напряжений применяют автотрансформаторы?

5. Почему нейтрали автотрансформаторов должны быть всегда заземлены?

6. Что собой представляет трансформатор с расщепленными обмотками?

7. Перечислить условия, необходимые для включения трансформаторов на параллельную работу.