СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Силовые трансформаторы предназначены для снижения (понижающие трансформаторы) или повышения уровня напряжения (повышающие трансформаторы). Первые используются с целью снижения напряжения до уровня, на котором работают электроприёмники, на подстанциях потребителей, например, главных понизительных подстанциях потребителей (ГПП), а вторые – на электростанциях с целью повышения напряжения, на котором работают генераторы, до уровня, экономически целесообразного для передачи потребителям с помощью воздушных и кабельных линий.

На рис. 1 в качестве примера на электростанции (ЭС), показан повышающий двухобмоточный трансформатор Т1, имеющий номинальные напряжения обмоток (сторон): низшего напряжения (НН) U_нн = 10,5 кВ, равное номинальному напряжению генератора U_гн = 10,5 кВ, и высшего напряжения U_вн = 121 кВ. На ГПП установлен понижающий двухобмоточный трансформатор Т2, имеющий номинальные напряжения обмоток (сторон):

· высшего напряжения U_вн = 115 кВ;

· низшего напряжения U_нн = 10,5 кВ.

В качестве силовых трансформаторов на ГПП используют:

· двухобмоточные трансформаторы;

· трансформаторы с расщеплённой обмоткой;

· трёхобмоточные трансформаторы (при напряжении 200 или 110 кВ, 35 кВ, 10 или 6 кВ).

Для связи электрических сетей напряжением 110 кВ и выше используют автотрансформаторы.

Условные графические обозначения трансформаторов на однолинейных схемах показаны на рис. 2.

Обозначение трансформаторов состоит из буквенной и цифровой частей.

· Трансформатор – нет символа; автотрансформатор – буква А (первая);

· Число фаз: О – однофазный, Т – трёхфазный.

· Способ охлаждения (обычно вторая буква, за исключением трансформаторов с расщеплённой обмоткой):

С – сухой, т.е. естественное воздушное охлаждение;

М – естественное масляное;

Д – масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла;

ДЦ – с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители;

НДЦ – тоже с направленным потоком масла;

Ц – с принудительной циркуляцией масла через водяные охладители;

НЦ – тоже с направленным потоком масла.

· Число обмоток:

двухобмоточный – нет символа;

трехобмоточный – Т;

расщеплённая обмотка – Р (после обозначения числа фаз до обозначения способа охлаждения).

· Способ регулирования коэффициента трансформации:

переключение без возбуждения (ПБВ) – нет символа;

регулирование под нагрузкой (РПН) – Н;

· Особое назначение:

ВР – вольтодобавочный регулирующий;

ВЛ – вольтодобавочный последовательный;

· Первая цифра – номинальная мощность, кВА;

· Вторая цифра – класс напряжения обмотки высшего напряжения (ВН).

Например, ТДТН – 40000/110: силовой трёхобмоточный трансформатор, охлаждения Д, имеется встроенное устройство РПН, номинальные значения, мощность 40 МВА, напряжение стороны ВН 110 кВ.

Номинальные мощности трансформаторов стандартизированы. Например, 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250 МВА.

Номинальная мощность однофазного трансформатора равна 1/3 от мощности трёхвазного.

Стандартизованы группы соединения обмоток и схемы соединения:

· Y – соединение, так называемой соединение звездой, где все три обмотки соединены вместе одним концом каждой из обмоток в одной точке, называемой нейтральной точкой или звездой;

· D ( ) – соединение, так называемое дельта-соединение, или соединение треугольником, где три фазных обмотки соединены последовательно и образуют кольцо (или треугольник);

· Z – соединение, так называемое соединение зигзагом.

Группа соединения – соединение обмоток, характеризуемое сдвигом по фазе между векторами условных фазных ЭДС обмоток трансформатора.

Принято часовое обозначение групп, причём вектор ЭДС стороны ВН уподобляется минутной стрелке, а стороны НН или СН – часовой.

Стандартные группы соединений:

; ; ; ; .

Индекс «0» означает, что нулевая точка звезды выведена наружу.

НАПРЯЖЕНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Под указанным термином понимают выраженное в процентах отношение к номинальному значению напряжения на зажимах первичной обмотки трансформатора при закороченной вторичной обмотке, по которой при этом проходит номинальный ток.

Схема для измерения напряжения короткого замыкания U_к% однофазного трансформатора приведена на рис. 4.

Пример. При измерении напряжения короткого замыкания U_к% силового трансформатора ТМ 1000/10 при токе во вторичной обмотке I_н = 1000 А, показание вольтметра, включённого на линейные зажимы обмотки ВН равно 368 В. Номинальное напряжение обмотки НН U_н.н = 400 В. Вычислить U_к%.

Номинальный ток обмотки НН трансформатора А.

Напряжение на зажимах обмотки НН короткозамкнутого трансформатора при номинальном токе в обмотке НН:

Напряжение короткого замыкания:

Если U_к% разделить на 100, то получим относительное номинальное сопротивление закороченного трансформатора:

Указанный параметр необходим для расчета токов КЗ.

ПРЕДЕЛЬНО ВОЗМОЖНЫЙ ТОК КЗ НА ЗАЖИМАХ ЗАКОРОЧЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

Предельно возможный ток КЗ имеет место при питании закороченного силового трансформатора от системы с сопротивлением X_c = 0. Тогда, в соответствии с рис. 5 б, ток КЗ на зажимах закороченной обмотки НН, выраженный в относительных единицах по отношению к номинальному току обмотки НН равен:

в отн. ед., где

- ЭДС питающей системы, отн. ед.

- относительное номинальное сопротивление короткозамкнутого трансформатора, отн. ед.

Так как , то при

Учитывая, что , где - номинальный ток обмотки НН, получим выражение для предельно возможного тока трехфазного КЗ в обмотке НН:

, А.

Пример: Вычислить предельно возможный ток КЗ в закороченной обмотке силового трансформатора ТМ – 1000/10 с В. Напряжение короткого замыкания .

Номинальный ток обмотки НН А.

Предельно возможный ток КЗ на стороне НН А, ток КЗ превышает 26 кА.

Знание значения важно при выборе электрооборудования на стороне НН, так как оно определяет требования к оборудованию по токам КЗ (электродинамическая и термическая стойкость, а также коммутационная способность электрических аппаратов).

ПОСТРОЕНИЕ ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ И СХЕМ СОЕДИНЕНИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Для трёхстержневых трансформаторов важно знать следующее положение: по каждому из стержней А, В, С магнитопровода проходят, соответственно, магнитные потоки Ф_А, Ф_В, Ф_С, определяемые напряжениями, приложенными к первичным обмоткам, находящимся на этих стержнях, т. е. к обмоткам А_т-Х; В_т-Y; С_т-Z. При соединении указанных обмоток в звезду к ним приложены напряжения питающей сети U_А, U_B, U_C, которые трансформируются, соответственно во вторичные обмотки а_т-х; b_т-y; c_т-z. Путем соединения вторичных обмоток в звезду или треугольник можно получить различные группы соединения трансформатора.

Группа соединения ( ) (рис. 6, а).

Первичные обмотки трансформатора ; ; расположены соответственно, на стержнях А, В, С трансформатора соединены в звезду и включены на фазные напряжения U_А, U_B, U_C (обозначены на векторной диаграмме А, В, С). На вторичных обмотках трансформатора ; ; наводятся ЭДС, начала и концы которых обозначены на векторной диаграмме как ; ; . При соединении начал векторов x, y, z (соединение обмоток в звезду) векторы и , и , и получаются параллельными и однонаправленными. Если выводам , , присвоить обозначения , то получается нулевая группа соединений .

Группа соединения (рис. 6, б).

Как и в предыдущем случае, первичные обмотки трансформатора ; ; расположены соответственно, на стержнях А, В, С трансформатора соединены в звезду и включены на фазные напряжения U_А, U_B, U_C. На вторичных обмотках трансформатора ; ; наводятся ЭДС, начала и концы которых обозначены на векторной диаграмме как ; ; .

Возможны два варианта соединения вторичных обмоток трансформатора в треугольник, показаны на рис. 7. В случае (7,а) вывод соединяется с выводом и т.д. Этот вариант соответствует рис. 6,б. Очевидно, что если при этом вывод обозначить как , - как , - как , то будет получена группа соединения . При других обозначениях выводов вторичных обмоток будут получены группы соединений 3 или 7.

В случае 7,б могут быть реализованы группы соединения 1, 5, 9.

ТРАНСФОРМАТОРЫ С РАСЩЕПЛЁННОЙ ОБМОТКОЙ

Эти трансформаторы получили широкое распространение на ГПП систем электроснабжения промышленных предприятий и городов, начиная с номинальной мощности .

Применение трансформаторов с расщеплённой обмоткой объясняется их двумя достоинствами:

1. Уменьшается ток КЗ в сети НН.

2. Повышенное остаточное напряжение на выводах расщеплённой обмотки при КЗ на выводах другой расщеплённой обмотки.

Отличительной особенностью трансформаторов с расщеплённой обмоткой является ослабленная магнитная связь между расщепленными обмотками. Ослабление указанной связи достигается за счёт расщепления первичной обмотки трансформатора на две части и расположения вторичных обмоток по высоте стержня магнитопровода, как показано на рис. 8.

Из рис. 8,б видно, что обмотки и , а также и имеют хорошую магнитную связь и, следовательно, малое индуктивное сопротивление рассеяние при передаче мощности со стороны ВН в обмотки НН1 и НН2. При передаче мощности из обмотки НН1 в НН2 (или наоборот) трансформатор имеет повышенное индуктивное сопротивление рассеяния, обусловленное их расположением относительно друг друга.

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА С РАСЩЕПЛЁННОЙ ОБМОТКОЙ (ТРО)

Трансформатор с расщеплённой обмоткой характеризуется - номинальной мощностью и - номинальной мощностью расщеплённой обмотки

, где

n – число расщеплённых обмоток. Обычно n = 2, поэтому его и рассматриваем.

При расчёте токов КЗ используются и .

Схемы замещения ТРО в виде трёхлучевой звезды приведены на рис. 10. Следует подчеркнуть, что напряжения короткого замыкания ТРО относят к номинальной мощности трансформатора. Тогда относительно номинальные сопротивления ТРО равны

В схеме замещения ТРО можно принять . Можно записать очевидные равенства, вытекающие из двух режимов КЗ.

(1)

(2)

Пример. Определить параметры схемы замещения ТРО при следующих данных:

Подставив исходные данные, в выражения (1) и (2) получаем:

Здесь и выражены в относительных единицах по отношению к номинальному сопротивлению трансформатора.

СРАВНЕНИЕ ТРО И ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА.

Пусть к шинам системы с подключены сравниваемые трансформаторы с равными номинальными мощностями ; ; .

Определить токи КЗ в точках К1 и К2 и остаточное напряжение на секциях НН1 и НН2. Расчёт ведётся в относительных единицах при . Для Т2 параметры схемы замещения определены в примере. Если пренебречь токами нагрузки, то напряжение в точке 1 равно напряжению в точке 2.

Таким образом, трансформатор с расщеплённой обмоткой имеет меньший уровень тока КЗ на стороне НН. Остаточное напряжение на повреждённой секции при КЗ на другой секции близко к номинальному значению, т.е. обеспечивается практически нормальная работа электроприёмников, подключённых к зажимам другой расщёплённой обмотки.

УСЛОВИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Хотя в системах электроснабжения силовые трансформаторы работают раздельно (секционный выключатель на шинах распределительного устройства РУНН нормально отключён), напряжения одноимённых фаз секций шин должны быть одинаковы, чтобы можно было при необходимости осуществить эффективный АВР.

Условия параллельной работы следующие:

1. Равенство групп соединений трансформаторов.

2. Равенство номинальных напряжений сторон ВН и НН обоих трансформаторов.

3. Равенство напряжений КЗ трансформаторов.

4. Отношение номинальных мощностей трансформаторов (большей к меньшей) не должно быть более трёх.

Нарушение любого из этих условий приводит к появлению уравнительного тока, проходящего по обмоткам ВН и НН обоих трансформаторов.

Особенно большой уравнительный ток имеет место при включении на параллельную работу силовых трансформаторов, напряжения которых сдвинуты по фазе на 180⁰. Такое явление может быть при включении трансформаторов с группами соединения и .

На рис. 12,б приведены векторные диаграммы напряжений указанных трансформаторов, а на рис. 13 схема замещения при включении их на параллельную работу.

В рассматриваемом случае ЭДС и сдвинуты по фазе на 180⁰ , что видно из рисунка 12,б. С учётом сдвига векторов ЭДС и уравнительный ток в обмотках трансформаторов равен

где и - сопротивления рассеяния трансформаторов.

Если , то т.е. ток чрезмерно велик.

Следует подчеркнуть, что основные защиты обоих трансформаторов – продольные дифференциальные – не реагируют на указанные токи. Эти токи для них являются сквозными (как ток КЗ вне зоны действия).

Поэтому весьма высока вероятность повреждения трансформаторов токами из-за перегрева обмоток. Большой уравнительный ток опасен для трансформатора и по другой причине: динамические милы, обусловленные токами, могут вызвать повреждения обмоток.