Трансформации силовых и регулировочных трансформаторов

 

Регулирование напряжения в электрических сетях может эффективно осуществляться с помощью специальных устройств, действие которых основано на изменении коэффициента трансформации силовых (используемых для преобразования электрической энергии по уровню напряжения в сетях энергосистем, распределительных сетях и в электроустановках промышленных предприятий трансформаторах) и специальных регулировочных трансформаторов.

В соответствии с ГОСТ 11677-85 "Трансформаторы силовые. Общие технические условия" и стандартами на трансформаторы различных классов напряжений и диапазонов мощностей большинство силовых масляных трансформаторов допускают регулирование, т.е. изменение или стабилизацию напряжения, в соответствии с заданным режимом, на одной или двух обмотках. Как правило, регулирование напряжения осуществляется путем переключения ответвлений обмотки посредством переключателя. Различают трансформаторы, переключаемые без возбуждения (ПБВ) и регулируемые под нагрузкой (РПН). Переключение без возбуждения допускается только в том случае, когда все обмотки трансформатора на время переключения отключены от сети, и осуществляется путем перестановки вручную переключателя ответвлений посредством рукоятки, выведенной на крышку бака, или при помощи установленного на трансформаторе привода с дистанционным управлением, или перестановкой перемычек. Регулирование под нагрузкой осуществляется на возбужденном и нагруженном трансформаторе без перерыва нагрузки и без отключения трансформатора от сети при автоматическом или ручном дистанционном управлении устройством регулирования напряжения под нагрузкой.

При проведении расчетов режимов номинальный коэффициент трансформации  определяют как отношение номинальных напряжений обмоток при нулевом положении регуляторов напряжения:

(2.1)

где U _1ном - номинальное напряжение первичной обмотки трансформатора (при этом важно помнить, что первичная обмотка не всегда является обмоткой с наибольшим напряжением трансформатора);

U _2ном - номинальное вторичное напряжение при холостом ходе трансформатора и номинальном первичном напряжении.

Коэффициент трансформации  может быть определен и как отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной, т.е.

где w₁, w₂ - числа витков соответствующих обмоток.

Регулирование напряжения трансформаторов осуществляется изменением числа витков первичной (или вторичной) обмотки путем переключения специальными устройствами регулировочных ответвлений обмоток. С учетом этого коэффициент трансформации понижающего трансформатора будет определяться по выражению

(2.2)

где  - число витков регулировочной обмотки.

Таким образом, изменив коэффициент трансформации (2.2) в ту или иную сторону, можно изменить значение напряжения на вторичных шинах. Из выражения (2.1) имеем:

.

Известно, что силовые трансформаторы оснащаются устройствами двух типов:

· ПБВ - более простыми, для использования которых необходимо, как минимум, отключение трансформатора от сети;

· РПН - более сложными, обеспечивающими регулирование напряжения под нагрузкой.

Применение того или иного регулятора зависит от типа трансформатора и его мощности.

Регуляторы напряжения типа ПБВ

В настоящее время изготавливаются с основным и четырьмя дополнительными ответвлениями (), хотя в эксплуатации ещё находятся трансформаторы с двумя дополнительными ответвлениями по .

Регулировочным устройством ПБВ оснащаются, как правило, двухобмоточные трансформаторы малой мощности до 2 500 кВ·А.

Условное обозначение двухобмоточного трансформатора с ПБВ показана на рис.2.18, а.

В зависимости от группы соединений обмотки, включающей регулировочные витки, ответвления выполняются:

- на концах трех фазных обмоток ВН, которые вместе образуют "звезду", рис.2.18, б;

- в средней части обмоток, что позволяет осуществлять соединение фазных обмоток регулируемой стороны в треугольник, рис.2.18, в.

 

Рис. 2.18. Регулирование напряжения с помощью ПБВ двухобмоточного трансформтора: а – условное обозначение трансформатора с ПБВ; б – размещение регулировочных витков при соединении обмотки в "звезду"; в - размещение регулировочных витков при соединении обмотки в "треугольник"

 

Таблица паспортных данных, устанавливаемая на каждом трансформаторе с ПБВ (например, цеховой КТП), содержит информацию, пример которой приведен в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2. Паспортные данные двухобмоточного трансформатора S _ном=1 000 кВ·А

 

, кВ·А	%	В	, А	В	А
1 000	+5,0 +2,5 0 -2,5 -5,0	6300 6150 6000 5850 5700	91,6 93,9 96,2 98,7 101,3	400	1 443

 

При анализе регулировочной способности трансформаторов данного типа полезной является информация, приведенная в табл. 2.3., при этом важное значение имеет так называемая "добавка напряжения", под которой понимается разность относительных напряжений высокой и низкой стороны трансформатора в режиме холостого хода, отнесённых к номинальным напряжениям соответствующих сетей.

.

 

Таблица 2.3. Дополнительные характеристики регулировочной способности

трансформатора S _ном=1 000 кВ·А с устройством ПБВ

 

%	В		, %
+5,0 +2,5 0 -2,5 -5,0	6300 6150 6000 5850 5700	1,05w1 1,025w1 1,000w1 0,975w1 0,950w1	0,0 +2,5 +5,0 +7,5 +10,0	w2/1,05w1 w2/1,025w1 w2/w1 w2/0,975w1 w2/0,950w1

 

Некоторые примеры влияния уставки ПБВ на величину вторичного напряжения приведены в табл.2.4. Если ПБВ трансформатора установлен на первую ступень  (величина добавки напряжения (иногда называют “вольтодобавка”) ), то при подаче на первичную обмотку некоторого напряжения на вторичной обмотке в режиме холостого хода будем иметь некоторые значения напряжения, табл. 2.4, опыты 1,2.

При установке ПБВ на четвёртую ступень  () будем иметь значения вторичного напряжения, показанные в табл.2.4, опыты 3, 4, 5.

 

Таблица 2.4. Примеры регулирования напряжения с использованием ПБВ

 

№	n	DK%· n	U 1ном	Vi	U 1факт	U 1факт ·k т	U 2факт
1	1	+2×2,5%	6 300	0,0	6 300		400
2	1	+2×2,5%	6 300	0,0	6 000		380
3	4	-1×2,5%	5 850	+7,5%0,0	5 850		400
4	4	-1×2,5%	5 850	+7,5%0,0	6 300		431
5	4	-1×2,5%	5 850	+7,5%0,0	6 000		410

 

Переключения ПБВ требуют отключения трансформатора и комплекса мероприятий организационного и технического плана. Для переключения регулировочных ответвлений трансформатор необходимо отключить от сети со стороны ВН и НН или даже вывести в ремонт, в зависимости от конструктивного исполнения трансформатора (КТП - выводы закрыты, приближение на расстояния меньше допустимых - исключено; ТП - и переключатель ПБВ и выводы обмоток выведены на крышку - обязателен вывод в ремонт).

В связи с этим переключения ПБВ возможны лишь в целях сезонного регулирования. В течение суток коэффициент трансформации неизменен, в силу чего встречное регулирование на трансформаторах с ПБВ выполнить невозможно (реально ).

 

Регуляторы напряжения типа РПН

Отличаются от регуляторов ПБВ возможностью изменения коэффициента трансформации в рабочем режиме, а также увеличенным числом регулировочных ответвлений и диапазоном регулирования.

Например, для понижающего трансформатора с  предусматривается диапазон регулирования  при  ступенях регулирования по  каждая.

С помощью РПН можно менять ответвления и коэффициент трансформации под нагрузкой в течение суток, выполняя требования встречного регулирования.

Элементами переключающего устройства являются:

· избиратели ответвлений, контакты которых размыкают и замыкают ветви цепи без тока (И₁, И₂);

· контакторы, размыкающие и замыкающие ветви цепи с рабочим током (К₁, К₂; или К₁ … К₄);

· токоограничивающий реактор (LR) или токоограничивающие резисторы (R ₁, R ₂);

· приводной механизм.

Рис. 2.19. Схемы переключающих устройств а – РПН с реактором; б – РПН с резисторами

 

Исходное положение схемы РПН с реактором рис.2.19, а:

· контакты избирателя И₁, И₂ присоединены к одному ответвлению обмотки;

· контакторы К₁ и К₂ включены.

Переключение РПН с одной ступени на другую происходит в следующей последовательности:

1. Отключается К2 (под током). При этом весь рабочий ток проходит через контакты избирателя И1, контактор К1 и ветвь реактора.

2. Контакт избирателя И2 переходит на второе ответвление, включается К2. Рабочий ток делится между ветвями реактора. Появляется дополнительный циркулирующий ток, определяемый напряжением между соседними регулировочными выводами и большим продольным сопротивлением реактора.

3. Отключается контактор К1 (под током), контакт избирателя И1 переходит на соседнее ответвление, и снова включается контактор К1.

Переключение завершено.

Переключение на следующее ответвление вверх (или вниз) происходит в той же последовательности.

РПН с резисторами более совершенны, относятся к быстродействующим устройствам.

Исходное положение схемы РПН с резисторами рис.2.19, б:

· контакторы К1 и К2 включены;

· контакторы К3 и К4 отключены.

Рабочий ток проходит через контакты избирателя И₁ и контактор К₁, резистор R ₁ шунтирован.

Переключение РПН с одной ступени на другую протекает в следующей последовательности:

1. Контакт избирателя И2 переходит на соседнее ответвление.

2. Отключается контактор К1, рабочий ток проходит через резистор R 1 и контактор К2.

3. Включается контактор К3, и половина рабочего тока переходит в ветвь резистора R 2, при этом появляется небольшой циркулирующий ток.

4. Отключается контактор К2 (под током), и весь ток переходит в ветвь резистора R 2.

5. Включается контактор К4, шунтирующий резистор R 2, ток нагрузки проходит через контактор.

Переключение завершено. Левая часть схемы подготовлена к переключению на следующее ответвление.

В разделе 2.5.4 рассмотрено конструктивное решение РПН с использованием реверсивного включения витков регулировочной обмотки.

 

Сравнительная характеристика схем РПН

В схеме РПН с токоограничивающим реактором процесс переключения происходит относительно медленно, все элементы РПН рассчитаны на длительное протекание токов. Избиратель и токоограничивающий реактор размещены в баке трансформатора. Контакторы размещены в особом отсеке, чтобы обеспечить доступ к контактной системе, требующей ухода. Реактор имеет заземленный стальной сердечник, а изоляция обмотки реактора соответствует рабочему напряжению обмотки трансформатора. Чем больше напряжение, тем больше размеры реактора. Это ограничивает область применения данной схемы. Она может быть использована, если регулируемая часть обмотки находится со стороны нейтрали.

В варианте устройства РПН с резисторами условия для гашения дуги при размыкании ветвей с током более благоприятны по сравнению с устройством с токоограничивающим реактором. Применяют контакторы в масле, а также с вакуумными камерами, обладающими значительными преимуществами. Механизм переключающего устройства снабжен мощными пружинами, обеспечивающими большую скорость переключения.