Схемы замещения и параметры трансформаторов (двухобмоточных, двухобмоточных с расщепленной обмоткой низкого напряжения и трехобмоточных) и автотрансформаторов.

Ответ:При расчётах режимов трёхфазных электрических сетей с равномерной загрузкой фаз трансформаторы в расчётных схемах представляются схемой замещения для одной фазы. Установим связь схемы замещения трансформатора с его реальными схемно-режимными параметрами. Обмотки трансформатора расположены на общем магнитопроводе. Поэтому схема состоит из контуров первичной и вторичной обмоток, связанных взаимной индукцией (рис. 5.4). Наличие магнитной связи между обмотками затрудняет исследование режимов работы трансформатора и электрической сети в целом. Поэтому в расчётах удобно эту связь заменить на электрическую. В этом случае анализ режимов упрощается и сводится к расчётам относительно простой электри­ческой цепи. Эта схема, в которой магнитная связь между обмотками заме­нена электрической, называется схемой замещения трансформатора. В осно­ве такой схемы лежит представление о том, что действие потоков рассеяния эквивалентно действию индуктивных сопротивлений обмоток Х₁ и Х₂, по которым текут токи 1₁ и 1₂. В соответствии с этим можно предста­вить трансформатор в виде схемы рис. 5.4,а. Здесь каждая из обмоток трансформатора заменена катушкой, имеющей активное и индуктивное со­противление действительной обмотки, и магнитосвязанными обмотками с трансформацией k = W₁/W₂ без потоков рассеяния и без активного сопротивления.

Если выполнить приведение вторичной обмотки к первичной с учётом трансформации k = W₁/W₂ (рис. 5.4, б) в результате будут уравновешены ЭДС E₁ и E'₂, что позволяет объединить обмотки CD и cd в одну, называемую намагничивающей ветвью схемы за­мещения (рис. 5.4, в). В итоге сформирована Т-образная схема, которая является наиболее точной схемой замещения двухобмоточного трансформатора (рис. 5.4, в). Схема имеет продольные и поперечные элементы. Продольные элемен­ты представлены активными и индуктивными сопротивлениями одной фазы первичной обмотки R₁ и X₁ и вторичной обмотки . Поперечная ветвь -ветвь намагничивания трансформатора, представлена в виде активной Q_т и индуктивной В_т проводимостей, определяющих активную I_a и реактивную слагающие намагничивающего тока 1_Х трансформатора. Активная сла­гающая тока обусловлена потерями мощности в стали трансформатора, реак­тивная определяет намагничивающий поток взаимоиндукции обмоток трансформатора. Т-образная схема замещения неудобна для выполнения электрических расчётов сетей, поскольку даже при питании всего одной нагрузки через двухобмоточный трансформатор схема состоит из двух контуров. Поэтому при расчётах режимов электрических сетей двухобмоточные трансформато­ры с достаточной точностью замещают более простыми Г-образными схема­ми замещения (рис. 5.5) - прямой и обратной в зависимости от подключения ветви проводимостей (рис. 5.5, а, б).

В данной схеме ветвь намагничивания, в отличие от Т-образной схемы, обычно подключают с первичной стороны, т. е. с которой трансформатор по­лучает электроэнергию от источника (прямая схема): для понижающих трансформаторов - со стороны ВН, для повышающих трансформаторов - со стороны НН. Иногда для частичной компенсации погрешности, вносимой применением Г-образной схемы, а также при реверсивной работе электропе­редачи один из трансформаторов, например понижающий, включают по пря­мой схеме, а второй - по обратной (рис. 5.6). Активное и реактивное сопротивление схемы равны сумме сопротив­лений обеих обмоток трансформаторов, приведённых к одному напряжению. Если схема приведена к высшему напряжению, сопротивление обмоток (сквозное сопротивление) трансформаторов (рис. 5.6) определяется в виде (5.1) где - полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, приве­дённое к первичному напряжению. Если схема приведена к низшему напряжению, то . Эти суммарные сопротивления обмоток обычно называют сопротивле­ниями (активным и индуктивным) трансформатора. Активная проводимость G_Т - обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание (гистерезис) и вихревые токи, реактивная проводимость B_T - намагничивающей сталь мощностью. Поскольку наличие этих проводимостей связано с токами холостого хода 1_х (в основном намагничивающего тока), в приближённых расчётах в Г-образной схеме замещения проводимость (ветвь намагничивания) трансформатора за­меняют неизменной нагрузкой равной потерям мощности холостого хода трансформатора (рис. 5.7, a). Пер­вое слагаемое - потери активной мощности в стали трансформатора, паспортная величина; второе - намагничивающая мощность трансформатора, принимаемая равной (5.3) хода где I _Х - ток холостого трансформатора с номинальной мощностью S_ном. Использование схемы замещения, где ветвь намагничивания заменена мощностью потерь холостого хода, допустимо при напряжении до 220 кВ включительно. При расчётах режимов местных (распределительных) сетей 6-35 кВ влиянием проводимостей трансформаторов пренебрегают и используют про­стейшую схему замещения, состоящую только из последовательно соединён­ных активного и индуктивного сопротивлений (рис. 5.7, б).

В расчётах, связанных с расчётом и анализом потерь электроэнергии в распределительных сетях, потери мощности холостого хода необходимо учи­тывать, т. к. они соизмеримы с нагрузочными потерями. В схемах замещения (рис. 5.7) включён идеальный трансформатор, не обладающий сопротивлениями, а только показывающий наличие трансфор­мации, т. е. преобразование (понижение или повышение) напряжения пере­менного тока одного класса напряжения в другой. Количественно значение такой трансформации характеризуется отно­шением напряжений на зажимах трансформатора в режиме холостого хода: (5.4). Такие схемы применяют при расчёте режимов электрических сетей с учётом их фактических напряжений. Если рассматриваются связанные трансформаторами сети, параметры которых приведены к одному классу напряжения, то идеальный трансформа­тор не учитывается. Параметры схемы замещения двухобмоточных трансформаторов опре­деляются по каталожным данным, составленным по результатам опытов хо­лостого хода и короткого замыкания. Активные и реактивные сопротивления одной фазы трансформатора определяют из опыта короткого замыкания. Коротким замыканием называет­ся режим работы трансформатора, при котором первичная обмотка присое­динена к сети, а выводы вторичной обмотки соединены накоротко (напряже­ние = 0). Короткое замыкание при номинальном первичном напряжении является аварийным режимом, при котором токи в обмотках превышают в 10-15 раз номинальные, и опасным для трансформатора. Двухобмоточные трансформаторы с расщеплённой обмоткой:На электростанциях и крупных подстанциях районных электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий устанавли­вают трансформаторы или трехфазные группы с расщепленными на две (или более) обмотки низшего напряжения, что позволяет присоединять к одному трансформатору два и более генераторов или независимых нагрузок одного или разных классов напряжений.

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 (рис. 7.1). Номинальные напряжения ветвей оди­наковые, а мощности их 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. На рис. 7.2, а, представлена схема соединений обмоток для одной фазы трехфазного двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН на две ветви. Схема его замещения имеет вид трехлучевой звезды (рис. 7.2, б), где R_нн1, R_нн2 Х_нн1, Х_нн2 - активные и индуктивные сопротивления расщепленных обмоток НН, приведенные к напряжению обмотки ВН. С достаточной для практических расчетов точностью такой трансфор­матор можно рассматривать как два независимых трансформатора, питаю­щихся от общей сети ВН. Мощность каждой обмотки НН равна половине мощности обмотки ВН, т. е. половине номинальной мощности трансформа­тора. Соответственно представлены соотношения для сопротивления (7.1). При параллельном соединении обмоток НН трансформатор с расщеп­ленными обмотками будет работать как обычный двухобмоточный. При этом сопротивления трансформатора между выводами обмотки ВН и общим вы­водом НН-1 и НН-2 будут равны сопротивлениям R_общ и Х_общ, отнесенным к номинальной мощности трансформатора:

(7.2) именуемым общими или сквозными сопротивлениями трансформатора. С учетом (7.1) имеем: (7.3) Индуктивное сопротивление обмотки ВН принимают равным нулю, т.е. можно считать Х_общ целиком сосредоточенным в обмотках НН, включенным параллельно. Учитывая при этом, что Х_нн1 = Х_нн2, из (7.2) получим (7.4). Приведенные соотношения действительны только для групп однофаз­ных трансформаторов, расщепленные обмотки которых можно рассматри­вать как обмотки отдельных трансформаторов. Коэффициент расщепления (отношение сопротивлений короткого замыкания между расщепленными об­мотками к сопротивлению короткого замыкания между обмоткой ВН и па­раллельно соединенными расщепленными обмотками) для однофазных трансформаторов равен 4. В то же время в трехфазных трансформаторах сте­пень магнитной связи между расщепленными обмотками отличается от од­нофазных и зависит от расположения обмоток на стержне магнитопровода. При расположении расщепленных обмоток одной над другой коэффициент расщепления равен 3,5, и индуктивные сопротивления обмоток трехфазных трансформаторов составляют: (7.5) Связь напряжений обмоток высшего и низшего напряжения учитывает­ся идеальными трансформаторами с коэффициентами трансформации (рис. 7.2, б) (7.6) Проводимости трансформаторов с расщепленными обмотками опреде­ляются так же, как и двухобмоточных. Применение трансформаторов с расщепленными обмотками НН, обла­дающими повышенными значениями индуктивных сопротивлений, и способствует снижению мощности короткого замыкания на шинах НН почти вдвое, что позволяет во многих случаях обойтись без токоограничивающих реакторов. В настоящее время трехфазные двухобмоточные трансформаторы с расщепленными обмотками НН являются основным типом трансформаторов мощных приемных подстанций напряжением 110-220 кВ. Электропромышленность выпускает большое число типоразмеров си­ловых трёхфазных и однофазных трансформаторов, различаемых по мощно­сти, номинальному напряжению, числу обмоток и способу охлаждения. Тип трансформатора имеет условное обозначение, по которому можно опреде­лить количество фаз, систему охлаждения, число обмоток, наличие регули­ровочного устройства, грозоупорность изоляции трансформатора, номиналь­ную мощность и класс напряжения обмотки ВН. Буквенные обозначения трансформаторов: ТМ, ТС, ТСЗ, ТД, ТДЦ, ТМН, ТДН, ТЦ, ТДГ, ТДЦГ, ОЦ, ОДГ, ОДЦГ, АТДЦТНГ, АОТДЦН и т. д. Первая буква обозначает число фаз (Т - трёхфазный, О - однофазный); далее следует обозначение системы охлаждения: М - естественное масляное, т. е. естественная циркуляция масла; С - сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением открытого исполнения; Д - масляное с дутьём, т. е. с обдуванием бака при помощи вентилятора; Ц - принудительная циркуля­ция масла через водяной охладитель; ДЦ - принудительная циркуляция мас­ла с дутьём. Буква Р после числа фаз в обозначении указывает, что обмотка низшего напряжения представлена двумя (тремя) обмотками (расщеплена). Наличие второй буквы Т означает, что трансформатор трёхобмоточный, двухобмоточный специального обозначения не имеет. Следующие буквы указывают: Н - регулирование напряжения под нагрузкой (РПН), отсутствие-наличие переключения без возбуждения (ПБВ); Г - грозоупорный. А - авто­трансформатор (в начале условного обозначения). За буквенными обозначе­ниями идут номинальная мощность трансформатора (кВА) и через дробь -класс номинального напряжения обмотки ВН (кВ). В автотрансформаторах добавляют в виде дроби класс напряжения обмотки СН. Иногда указывают год начала выпуска трансформаторов данной конструкции. Шкала номинальных мощностей трёхфазных силовых трансформато­ров и автотрансформаторов (действующие государственные стандарты 1967­1974 гг.) высоковольтных сетей построена так, чтобы существовали значения мощности, кратные десяти: 20, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600 кВА и т. д. Некоторое исключение составляют мощности 32000, 80000, 125000, 200000, 500000 кВА. Нормативный срок службы отечественных трансформаторов составля­ет 50 лет, поэтому в сетях энергосистем промышленных и сельскохозяйст­венных предприятий могут также эксплуатироваться трансформаторы, вы­пущенные до 1967 г. и обновлённые вследствие капитального ремонта. Шка­ла номинальных мощностей этих трансформаторов: 5, 10, 20, 30, 50, 100, 180, 320, 560, 750, 1000, 1800, 3200, 5600,..., 31500, 40500, кВА и т. д. Примеры обозначения типов трансформаторов. ТМ-250/10 - трёхфазный двухобмоточный с естественным масляным охлаждением, изменение напряжения с помощью устройства ПБВ, номи­нальная мощность 250 кВА, класс напряжения обмотки ВН 10 кВ. ТДТН-25000/110 - трёхфазный трёхобмоточный понижающий транс­форматор, масляное охлаждение с дутьём, с устройством РПН, номинальная мощность 25000 кВА, класс напряжения обмотки ВН 110 кВ. ОЦ-533000/500 - однофазный двухобмоточный повышающий транс­форматор, охлаждение масляное с принудительной циркуляцией масла, мощностью 533000 кВА, включается в сеть напряжением 500 кВ (номиналь­ное фазное напряжение трансформатора 525/ √3, АТДЦТН-250000/500/110-85 - автотрансформатор трёхфазный трёхоб-моточный, охлаждение масляное с дутьём и циркуляцией, с РПН, номиналь­ная мощность 250 МВА, понижающий, работающий по автотрансформатор­ной схеме между сетями 500 кВ и 110 кВ (трансформация ВН-СН, обмотка НН является вспомогательной), конструкция 1985 г. ТДЦТГА-120000/220/110-60 - трёхфазный трёхобмоточный трансфор­матор, основной режим которого является повышающим (А), с трансформа­циями НН-ВН и НН-СН, конструкция 1960 г. Возможность регулирования и изменения напряжения определяется параметрами РПН и ПБВ. Их характеристики задаются в виде максимально­го числа положительных и отрицательных по отношению к основному выво­ду обмотки ВН или СН регулировочных ответвлений с указанием шага ко­эффициента трансформации Лк_т в виде ± n х Лк_т. Например, для РПН: ± 6 х 1,5%, ± 8 х 1,5%, ± 10 х 1,5%, ± 9 х1,78%, ± 12 х 1%; для ПБВ: ± 2 х2,5%. Номинальный коэффициент трансформации - отношение номинальных напряжений обмоток трансформатора: . Изменение коэффициента трансформации достигается изменением чис­ла отпаек (витков) на одной из обмоток. Для трансформаторов с регулирова­нием напряжения, в частности РПН, коэффициент трансформации должен со­ответствовать реальному положению переключателя для его n-го ответвления: . Например, при U₁ = и_вн = 115 кВ, U₂ = и_нн = 11 кВ и РПН с параметрами ±10х1,5 % число витков изменяется на стороне ВН от W_min до W_max, при этом к_т изменяется от k_min до k_max.

Коэффициент трансформации в общем случае определяется комплекс­ным числом: (7.7) где m - номер группы соединений обмоток трансформатора, определяющий сдвиг по фазе низкого напряжения в режиме холостого хода. Двухобмоточный трансформатор можно представить Т-образной схемой замещения (рис. 1,а), где rт и хт— соответственно активное и индуктивное сопротивления обмоток, gт — активная проводимость, обусловленная потерями активной мощности в стали трансформатора, bт — индуктивная проводимость, обусловленная намагничивающим током. Ток в проводимостях трансформатора очень мал (порядка нескольких процентов от его номинального тока), поэтому при расчетах электросетей районного значения обычно используют Г-образную схему замещения трансформатора, в которой проводимости приключают к зажимам первичной обмотки трансформатора (рис. 1, б) — к обмотке высшего напряжения для понижающих трансформаторов и к обмотке низшего напряжения для повышающих трансформаторов. Применение Г-образной схемы упрощает расчеты электросетей.

Рис. 1. Схемы замещения двухобмоточного трансформатора: а —Т-образная схема; б — Г-обрааная схема; в — упрощенная Г-образная схема для расчета районных сетей; г — упрощенная схема для расчета местных сетей и для приближенного расчета районных сетей. Расчет еще более упрощается, если проводимости трансформатора заменить постоянной нагрузкой (рис. 1, в), равной мощности холостого хода трансформатора: Здесь ΔРСТ— потери мощности в стали, равные потерям при холостом ходе трансформатора, a ΔQСТ — намагничивающая мощность трансформатора, равная: где Ix.x% - ток холостого хода трансформатора в процентах от его номинального тока; Sном.тр - номинальная мощность трансформатора. Для местных сетей n при приближенных расчетах районных сетей обычно учитывают только активное и индуктивное сопротивления трансформаторов (рис. 1,г).

Активное сопротивление обмоток двухобмоточного трансформатора определяют по известным потерям мощности в меди (в обмотках) трансформатора ΔРм квт при его номинальной нагрузке:

откуда . В практических расчетах потери мощности в меди (в обмотках) трансформатора при его номинальной нагрузке принимают равными потерям короткого замыкания при номинальном токе трансформатора, т. е. ΔРм ≈ ΔРк. Зная напряжение короткого замыкания ик% трансформатора, численно равное падению напряжения в его обмотках при номинальной нагрузке, выраженное в процентах от его номинального напряжения, т. е.

можно определить полное сопротивление обмоток трансформатора а затем и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора . Для крупных трансформаторов, имеющих очень небольшое активное сопротивление, обычно определяют индуктивное сопротивление из следующего приближенного условия:

При пользовании расчетными формулами следует учитывать, что сопротивления обмоток трансформатора могут быть определены при номинальном напряжении как его первичной, так и вторичной обмотки. В практических расчетах удобнее определять rт и хт при номинальном напряжении той обмотки, для сети которой ведут расчет.

Рис. 2. Схемы трехобмоточного трансформатора и автотрансформатора: а — схема трехобмоточного трансформатора; б — схема автотрансформатора; в — схема замещения трехобмоточного трансформатора и автотрансформатора. Если обмотка трансформатора имеет регулируемое число витков, то принимают Uт.ном для основного вывода обмотки. Трехобмоточные трансформаторы (рис. 2,а) и автотрансформаторы (рис. 2,б) характеризуются значениями потерь мощности ΔРм = ΔРк. и напряжениями короткого замыкания ик% для каждой пары обмоток: ΔРк. в-с, ΔРк. в-н, ΔРк. с-н и ик.в-с, ℅, ик.в-н, ℅, ик. с-н, ℅, приведенными к номинальной мощности трансформатора или автотрансформатора. Номинальная мощность последнего равна его проходной мощности. Схема замещения трехобмоточного трансформатора или автотрансформатора изображена на рис. 2,в. Потери мощности и напряжения короткого замыкания, отнесенные к отдельным лучам, эквивалентной звезды схемы замещения, определяют по формулам:

и

Активное и индуктивное сопротивления лучей эквивалентной звезды схемы замещения определяют по формулам для двухобмоточных трансформаторов, подставляя в них значения потери мощности и напряжения короткого замыкания для соответствующего луча эквивалентной звезды схемы замещения.