Лекция Автотрансформаторы

Нашли широкое применение для связи электрических сетей разных напряжений при напряжении 110кВ и выше.Они являются наиболее экономичными трансформаторами,т.е. при одинаковой номинальной мощности расход активных материалов (медь обмоток и сталь магнитопровода)у них значительно ниже,чем у обычных трансформаторов.

Пусть имеется однофазный, двухобмоточный трансформатор(рис.1,а)

Рис.1. Преобразование однофазного двухобмотчного трансформатора в автотрансформаторах.

Если пренебрегать активными сопротивлениями обмоток и их индуктивностями рассеяния, то можно электрическими соединить точки равного потенциала на обмотке ω1 и на выводе ω2. В результате получится двухобмоточный автотрансформатор, который имеет последовательную (ПО) и общую (ОО) обмотки. Коэффициент трансформации автотрансформатора (АТ) равен:

Кт= U1/U2

Номинальная мощность АТ: Sн=Uн1*Iн1=Uн2*Iн2

Номинальные мощности обмоток

Sн.по = ( U н1 - U н2 )Iн1

S н.оо = U н2 * I н.оо

Из первого выражения

S н.по =Uн.1 I н1 - (U н1 /U н1 )*Uн2 Iн1 = Sн - Sн(I/Кт) = Sн (I- I/Кт)

Из втрого выражения

Sн.оо=Uн2(Iн2 – Iн1 ) = Sн -(Iн2/Iн1)Uн2Iн1=Sн – Sн (I/Кт )= Sн(1- I/Кт)

Таким образом, Sн.но = Sн.оо.

Эта мощность носит название типовой мощности АТ

S = Sтип. (I – I/Кт ).

Коэффициентом типовой мощности называют

Ктип. = I – (I/Кт),

который показывает, какую часть от Sн составляет Sтип.

Применение АТ тем выгоднее, если Ктип.→ 0,т.е. Кт→ I.

Сравнение двухобмоточного трансформатора и авто трансформатора.

Передаваемые мощности одинаковы, т.е.

(U1I1)т = (U1I1)ат = U1I1;

Причем U1I1≈U2 I2 (т.к. КПД трансформатора и автотрансформатора близок к I,0).

Будем полагать, что средняя длина витка обмоток W1 и W2 одинакова. Т.к. намагничивающая сила в магнитопроводе мала, то

I 1W 1≈ I2 W2.

Кроме того, j1= j2 = j ( плотности токов в обмотках).

Объем меди обмоток Объем меди обмотки

V = q1w1l Vм = (q1 Wпо + q2 Wоо) l.

V = q2w2l

Где l – средняя длина витка обмоток;

q - сечение проводников обмоток;

q1/ q1 = (I1 / j)/(I2/j) = I1/I2.

Отношение

Vм1/Vм2 = W1/W2 * l/l * q1/q2 = W1 I1 /W2 I2 ≈1,0.

Следовательно, количество меди, расходуемые на первичную и вторичную обмотки одинаковы.

У АТ в частном случае U1/U2 = 2,0 сечения витков обмоток ПО и ОО одинаковы. Если

W по+ Wоо = W1,то для АТ

Vм = q1 W1 l.

Таким образом ,АТ позволяет экономить до 50% меди обмоток.

Рассмотрим расходы активной стали магнитопроводов.

Пусть Вм и Нм – амплитуды индукции и напряженности магнитного поля, изменяющиеся синусоидально во времени. Тогда максимум объемной плотности магнитной энергии

Wуд = ВмНм/2.

Энергия в магнитопроводе

Wэм = Wуд Vст,

где Vст – объем стали магнитопровода.

У АТ по магнитопроводу передается только часть мощности – типовая или электромагнитная мощность. При Кт = 2,0 типовая мощность Sтип. = 0,5Sн; следовательно, требуемый объем стали автотрансформатора меньше объёма стали трансформатора.

Трехобмоточный автотрансформатор

Обычно AT имеет третичную обмотку (ТО),которая в общем случае выполняет 2функции:

1)для передачи мощности;

2)для улучшения формы кривой магнитной индукции(и напряжения) ,что а результате снижает потери и нагрев магнитопровода.

Применение трехобмоточного AT

Работа AT всеми тремя сторонами в ряде случаев ведет к пе­регрузке какой-либо обмотки,поэтому надо уметь определять нагруз­ки обмоток.

Должны выполняться условия

Sпо ≤ Sтип.; Sоо ≤ Sтип.; Sто ≤ Sн.то,

где S н.то – номинальная мощность третичной обмотки ( в пределе достигает S тип.).

Пусть АТ выдает мощность на сторону ВН, причем со стороны ТО передается S_нн. Требуется выяснить, какую мощность можно передать при этом со стороны СН. Представим этот режим в виде двух режимов.

I'_по =I'_оо = S _нн/ U_{вн ;} S''_оо = U_сн I''_оо = U_сн ( I''_сн - I''_вн)=S_сн – U_сн*(I''_сн/I''_сн)*I''_вн

S'_по=I'_по(U_вн-U_сн)= т.е. S''_оо=S_сн*К_тип.;

=S_нн/U_вн*(U_вн-U_сн)= S''_по=(U_вн-U_сн)*I''_по=S_сн-U_сн I''_но*I_сн/I_сн=

=S_нн(I-I/К_т)=S_то*К_тип.. =S_сн(I- I/К_т) = S_сн*К_тип.

В последовательной обмотке токи обоих режимов суммируются, поэтому нужно определить загрузку ПО.

S_по=S'_по+S''_по, в комплексной форме |S'_по|=|Ṡ'_по+S''_по|=|К_тип*Ṡ_нн+К_тип.*Ṡ_сн.|.

На основании теоремы косинусов

Для случая:

Наиболее загруженной является общая обмотка.

При этом

S''_оо=S_вн*К_тип;

S'_оо=S_нн.

|S_оо|=|S'_оо+S''_оо|=|К_тип*S_вн+S_нн|≤S_тип.

Достоинства и недостатки автотрансформаторов

Достоинства:

1.Меньшие весы и габариты.

2.Меньше потери энергии.

3.Больше предельная мощность, которая ограничивается условиями

транспортировки.

4.Меньше Xδ,что улучшает жесткосткость связи между системами.

Недостатки:

1.Требуется обязательное заземление нетрали, что приводит к тому, что I⁽¹⁾_к ˃I⁽³⁾_к.

При использовании трансформаторов часть трансформаторов работает с

изолированными нетралями, что стабилизирует ток I⁽¹⁾_к.

Если нетраль АТ будет изолированнна, то возможно появление перенапряжения.

Пусть АТ работает с изолированной нетралью. Возникает замыкание на землю фазы на стороне 330кВ. К ПО приложено напряжение 500√3кВ вместо (500-330)/√3кВ. Происходит трансформация напряжения из ПО в ОО. Коэффициент трансформации при этом:

К_т =(330/√3)/((550-330)/√3= 330/170=2,0.

В результате на ОО создается U_оо=500/√3К_т =1000/√3 кВ. При этом потенциал 1000/√3 кВ возникает на нейтрали N АТ, которая имеет ослабленную изоляцию.

2.Возрастают токи КЗ, особенно I⁽¹⁾_к .

3. Усложняется устройство регулирования напряжения, так как требуется регулировать напряжение на двух сторонах.

Регулирование коэффициента трансформации силовых трансформаторов

Производятся для требуемого распределения потоков реактивной и активной мощности. Существуют продольное и поперечное регулирование. Наиболее часто используют продольное регулирование, которое позволяет поддержать необходимое напряжение у потребителей.

Имеется 3 спроса регулирования напряжения:

1.Переключение без возбуждения (ПБВ).

2.Регулирование под нагрузкой. (РПН).

3.Регулирование с помощью вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ).

Различают ВДР – вольтодобавочный регулирующий и ВДП – вольтодобавочный последовательный трансформаторы.

Последний способ дает возможность поперечного регулирования.

РПН осуществляется двумя схемами:

- схема со сдвоенными реакторами;

- схема с регистрами.

Схема со сдвоенными реакторами

Регулирование напряжения производится в пределах ±15%,иногда ±12%. РПН всегда устанавливается в обмотке ВН, чтобы переключать меньший ток. РПН включается со стороны нейтрали, чтобы выполнять его с невысоким классом изоляции. Сдвоенный реактор нужен для ограничения тока искусственного КЗ, возникающего, если избиратели И1 и И2 стоят на разных позициях. Избиратели И1 и И2 должны переключаться без тока (при разомкнутых контактах (ключах) К1 и К2,соответственно).

Вопрос: - какой этот трансформатор: повышающий или понижающий? Каков порядок переключений К1,К2,И1,И2 при регулировании напряжения?

Схема с резисторами

Является более совершенной, так как в нормальном режиме по резисторам ток не протекает. Устройство РПН более компактно.

Порядок работы схемы определяется тремя положениями:

1)не должны быть одновременно замкнуты контакты К1 и К3(получается КЗ части витков);

2)ток искусственного КЗ должен ограничиваться двумя резисторами R1 и R2;

3) избиратели И1 и И2 должны переключаться без тока в их целях.

Порядок работы схемы РПН с резисторами.

Исходные положение: замкнуты контакты К1 и К2, разомкнуты контакты К3 и К4. Ток нагрузки проходит от точки 0 обмотки ВН через избиратель И1,контакт К1 на нейтраль обмотки ВН.

Требуется повысить напряжение на обмотке НН, для чего необходимо уменьшить число витков обмотки ВН.

Порядок коммутаций. Размыкается контакт К1,ток нагрузки проходит по цепи: точки 0,избиратель И1,токоограничивающий резистор R1, нейтраль. Затем замыкается контакт К4,образуя вторую параллельную цепь для тока нагрузки: вывод +2,5% обмотки ВН,избиратель И2, токоограничивающий резистор R2, нейтраль обмотки ВН.

Ток искуственного КЗ части обмотки ВН между ввыводами (0)-(+2,5%) ограничивается последовательно соединенными резисторами R1 и R2.

Затем контакт К2 отключается,а контакт К3 выключается. Ток нагрузки проходит по цепи: вывод +2,5%, избиратель И1,контакт К3,нейтраль обмотки ВН.

Цикл переключений закончен.

Схема продольного регулирования с ВДТ

Мощность ВДТ должна быть такой , чтобы ЭДС ВДП Е₂ была больше падения напряжения в обмотке: