Трансформатор двухобмоточный или трехобмоточный

Всё об энергетике

Трансформаторы, автотрансформаторы. Виды, назначение, особенности

Трансформатором называется электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования напряжения и тока одних параметров в напряжение и ток других параметров.

Трансформаторы бывают двух-, трех- и многообмоточные, в которых сооответственно две, три или более обмотки. Все обмотки в трансформаторе гальванически не связаны (исключение — автотрансформатор). Термин «гальванически не связанные» означает, что у этих обмоток нет общего контура протекания тока, а энергия из первичной цепи во вторичную передаётся с помощью магнитного поля.

Автотрансформатором (АТ) называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны (т.е. имеют общую часть). В отличии от обычного трансформатора в автотрансформаторе всегда минимум три обмотки. При этом вторичная обмотка АТ является частью первичной. Передача энергии из первичной цепи автотрансформатора во вторичную происходит одновременно магнитным полем и электрическим током, а в третичную цепь АТ — только магнитным полем.

Автотрансформатор экономически более выгоден по сравнению с обычным трансформатором за счёт экономии активных материалов и меньших размеров. Достигается такая экономия следующим образом: в автотрансформаторе часть первичной обмотки используется как вторичная, что снижает в последней напряжение U₂ и соответственно ток I₂. Это позволяет использовать во вторичной обмотке проводник меньшего сечения, а первичная обмотка, которая выполняется на высокое напряжение U₁ получается уменьшеной до общей обмотки АТ.

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высокого напряжения — ВН и низкого напряжения — НН. В трехобмоточном трансформаторе (автотрансформаторе) кроме обмотки ВН и НН различают обмотку среднего напряжения — СН. К трансформаторам с 4-мя и более обмотками понятия ВН, СН, НН не применяется (исключение — расщепление обмоток), а вместо этого в названии обмотки указывается ее номер: вторичная, третичная и четвертичная обмотки. При этом первичной считается обмотка с наибольшим напряжением, вторичной — со вторым по величене, третичной — третьим и так далее. Термины первичная, вторичная обмотки по отношению к двухобмоточному трансформатору имеют другое значение — первичной называется та обмотка, к которой подводится электрическая энергия, а вторичной — от которой эта энергия отводится.

Рисунок 1 — Принципиальная схема трансформатора

Рисунок 2 — Принципиальная схема автотрансформатора

На принципиальных схемах трансформаторы и автотрансформаторы обозначаются в соответствии со стандартом. Ниже на рисунках 3-6 изображены условные обозначения наиболее распостранненных трансформаторов.

Рисунок 3 — Двухобмоточный трансформатор

Рисунок 4 — Трансформатор с расщеплённой обмоткой

Рисунок 5 — Трансформатор с расщеплённой обмоткой

Рисунок 6 — Автотрансформатор

Каждый трансформатор имеет следующий набор параметров:

• Номинальная мощность S_ном;
• Номинальное напряжение трансформатора U_ном и его обмоток: U_вн, U_нн (для трехобмоточного трансформатора — U_сн);
• Номинальный ток I_ном;
• Группа соединения обмоток трансформатора;
• Напряжение короткого замыкания U_кз;
• Ток холостого хода I_хх;
• Потери короткого замыкания P_кз;
• Потери холостого хода Q_хх.

Номинальной мощностью S_ном в трех- и многообмоточном трансформаторе называется наибольшая из мощностей его обмоток, а в двухобмоточном — мощность каждой из его обмоток (обмотки двухобмоточного трансформатора выполняются одинаковой мощности).

Номинальным напряжением трансформатора U_ном называется наибольшее номинальное напряжение его обмоток. За номинальное напряжение обмотки принимается напряжение между соответствующими зажимами, связанными с данной обмоткой при холостом ходе трансформатора.

Номинальным током трансформатора I_ном называется величина тока, протекающая по его первичной обмотке под напряжением U_ном и нагрузке S_ном.

Группой соединения обмоток трансформатора называется угол между вектором напряжения первичной обмотки и вектором напряжения вторичной обмотки отсчитанный в часах, при условии, что вектор напряжения первичной обмотки направлен на 12-ть часов. Всего существует 12 групп соединения обмоток трансформатора. Подробнее об этом в статье «Режимы работы трансформатора».

Напряжением короткого замыкания U_кз называется величина напряжения, которое, при замкнутой накоротко вторичной обмотке, необходимо приложить к первичной обмотке трансформатора, чтобы по ней протекал ток I_ном. Напряжение короткого замыкания обычно выражается в процентах. Физически, U_кз представляет собой реактивное сопротивление трансформатора, выраженное в относительных единицах (о.е.).

Током холостого хода I_хх называется величина тока протекающего по первичной обмотке трансформатора под напряжением U_ном и разомкнутой вторичной обмотке. I_хх выражается в процентах от номинального тока трансформатора. Физически ток холостого хода представляет собой полное сопротивление трансформатора в о.е.

Потерями короткого замыкания трансформатора P_кз называется величина активной мощности, которая рассеивается в трансформаторе при замкнутой накоротко вторичной обмотке и токе I_ном в первичной. P_кз выражается в кВт (киловатт).

Потерями холостого хода Q_хх называется величина реактивной мощности, рассеиваемая трансформатором в опыте холостого хода. Q_хх выражается в кВар (киловар).

Кроме параметров перечисленных выше у трансформаторов могут быть и другие, характерные для одного типа. Например у измерительных трансформаторов кроме все прочих имеется параметр угловая погрешность показывающий отклонение вектора напряжения (тока) вторичной обмотки, от такого же вектора первичной обмотки.

Трансформаторы разделяют на:

• Силовые трансформаторы;
• Измерительные трансформаторы;
• Трансформаторы частоты;
• Вольтодобавочные трансформатры.

Задача силовых трансформаторов — питание сетей и приёмников электроэнергии. Силовые трансформаторы бывают:

• Силовые трансформаторы общего назначения;
• Силовые трансформаторы специального назначения.

Рисунок 7 — Силовой трансформатор общего назначения

Рисунок 8 — Силовой трансформатор специального назначения

Трансформаторы общего назачения включается в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, а также служат для питания электроприемников, не отличающихся характером нагрузки или режимом работы. Трансформаторы специального назначения применяются для питания сетей и приёмников электроэнергии, если таковые работают в особых услових или имеют специфический характер нагрузки или режим работы (например выпрямительные установки, рудничные и шахтные сети).

Основная функция измерительных трансформаторов — преобразовывать величину напряжения или тока до значений, удобных для приборов и автоматики. Вторая сторона использования измерительных трансформаторов в качестве промежуточного звена при измерениях — наличие гальванической развязки. При наличии гальванической развязки измерительный прибор оказывается изолированным от высоковольтной (сильноточной) цепи, что повышает безопасность работы с ним. Измерительные трансформаторы делятся на:

• Трансформаторы тока (ТТ);
• Трансформаторы напряжения (ТН).

Номинальный ток первичной обмотки трансформатора тока может достигать 40 кА, при этом вторичная обмотка исполняется на номинальный ток 1 или 5 А.

Трансформаторы тока по токовой погрешности разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Величина погрешности определяется по формуле:

Рисунок 9 — Трансформатор тока

Трансформаторы тока по конструкции делятся на:

• Одновитковые ТТ;
• Многовитковые ТТ.

По количеству фаз ТТ делятся на:

Конструкцией трансформатора тока предусмотрено, что первичной обмоткой является силовой кабель или токоведущая шина или ввод, а вторичная обмотка ТТ «оборачивается» вокруг токоведущего элемента.

Трансформатор напряжения (ТН) изготавливается на номинальное напряжение вторичной обмотки 100 В. Номинальное напряжение первичной обмотки ТН может достигать 110 кВ. При измерении напряжения в сетях выше 110 кВ применяются ёмкостные делители напряжения.

Рисунок 10 — Однофазный трансформатор напряжения на ёмкостном делителе

Рисунок 11 — Трехфазный трансформатор напряжения

Трансформаторы напряжения выполняются:

По виду изоляции ТН делятся на:

Трансформаторы напряжения по погрешности делятся на четыре класса точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5.

Трансформаторы частоты позволяют удвоить или утроить частоту сети.

Вольтодобавочные трансформаторы предназначены для повышения напряжения в отдельных точках электрических сетей.

Рисунок 12 — Вольтодобавочный трансформатор

Для защиты трансформатора от повреждений предустатривается его релейная защита. На трансформатор могут быть установлены следующие виды защит:

• Токовая отсечка;
• Максимальная токовая защита;
• Токовая защита нулевой последовательности;
• Диффиренциальная защита;
• Диффиренциально — фазная защита;
• Газовая защита.

Источник

Описание и схемы замещения трехобмоточных трансформаторов

Обычный трансформатор преобразовывает первичное напряжение U1 во вторичное U2. Нередко одного выходного напряжения для питания электроприемников бывает недостаточно. Задача создания третьего среднего напряжения СН (U3), наряду с высоким напряжением ВН (U1) и трансформируемым низким (U2), решается установкой трехобмоточного трансформатора с дополнительной третьей обмоткой на магнитопроводе. Этот электрический аппарат заменяет собой два двухобмоточных трансформатора.

Общее описание и назначение

Если взять двухобмоточный трансформатор и на стержень намотать проводом витки дополнительной катушки индуктивности, наводимое в ней напряжение будет пропорционально числу витков. В зависимости от исполнения вторичные катушки могут быть одинаковой или разной мощности.

Cхема 3-х обмоточного трансформатора

Существуют 2 вида трансформаторов подобного типа:

• с 1-й первичной и 2-мя вторичными обмотками – самый распространенный вид;
• с 2-мя первичными и 1-ой вторичной обмоткой – этот вид задействован в трансформаторных группах электростанций.

Условное обозначение 3-х обмоточного трансформатора

Номинальной мощностью 3-х обмоточного аппарата считается параметр самой мощной его катушки, которой в данном типе электрических устройств является обмотка ВН. Размещение силового 3-х обмоточного устройства с невысокой мощностью любой из обмоток в электрических цепях экономически не оправдано. Поэтому мощности вторичных катушек ВН, СН и НН аппарата в процентах от P_ном обычно составляют:

Конструкция и принцип действия

Конструктивно первичную катушку 3-х обмоточного силового трансформатора обычно располагают в середине между двумя вторичными, чтобы ослабить влияние обмоток между собой. Если нулевой вывод заземляется, то она называется «глухозаземленной», в ином случае именуют «обмоткой с изолированной нейтралью».

Вторичную катушку с более низким напряжением (НН) размещают ближе к стержню устройства.

При подобном расположении напряжение КЗ между обмотками ВН и СН минимально. Это позволяет снизить потери мощности при передаче в сеть СН. Одновременно значение напряжения КЗ между ВН и НН относительно большое, что ограничивает силу тока короткого замыкания в сети НН низшего напряжения.

3-х обмоточные преобразователи переменного напряжения нашли широкое применение в силовой энергетике. В маркировке изделий они обозначаются третьей буквой «Т» в буквенно-цифровом коде. Очень часто требуется иметь третье более низкое, чем U2 значение для подачи менее мощным электроприемникам или, расположенным вблизи подстанций, потребителям электроэнергии.

Стандартными условиями эксплуатации изделий считается температура не выше 35ºС и влажность воздуха ≤65%, обеспечиваемые в отапливаемом помещении. Товарные позиции этого типа изготовляются как для нужд народного хозяйства, так и экспортируются в страны с умеренным/ тропическим климатом.

На понижающих подстанциях для раздельного питания электрических сетей в радиусе 10–15 км задействуют электротехнические изделия с выходными параметрами 6–10 кВ, а в радиусе до 50-60 км применяют 35 кВ трансформаторы. 3-х обмоточные преобразователи только с более низким значением параметров используется в измерительной технике и радиотехнике, автоматике и средствах релейной защиты.

Разновидности

Однофазный

Однофазные трехобмоточные трансформаторы для силовых линий обычно изготавливают мощностью 5000–40000 кВт с напряжением обмоток:

• ВН – с значениями 110–121 кВ;
• CН – от 34,5 до 38,5 кВ;
• НН – в диапазоне 3,15–15,7 кВ.

Типовой однофазный 3-х обмоточный преобразователь, например, классов напряжения 15, 20, 24 и 35 кВ предназначен для встраивания в пофазно-экранированные токопроводы сетей 50/60Гц. Конструкция изделия включает следующие составные части и комплектующие:

• бак с крышкой из немагнитной стали, задвижкой и пробкой, заполненный трансформаторным маслом;
• магнитопровод из электротехнической стали;
• активную часть, состоящую из обмоток, изоляции и крепежных элементов;
• плоского контакта на крышке бака первичного вводного напряжения;
• заземляющего ввода первичной обмотки и вводов вторичной обмотки на боковой стенке бака.

Электрические аппараты большой мощности (≤40000 кВа), рассчитанные на работу в интервале 110–121 кВ дополнительно могут оснащаться:

• выхлопной трубой для защиты бака от разрыва парами масла и газовым реле, отключающим подачу электропитания при внутривитковом замыкании в трансформаторе;
• расширителя с воздухоосушителем и термосифонным фильтром для поддержания требуемого уровня масла и предотвращения попадания влаги из атмосферы;
• системами естественной/принудительной циркуляции воздуха или масла.

Экономическая эффективность применения изделия состоит в том, что при 3-х обмоточном исполнении первичный ток равен не арифметической, а геометрической сумме приведенных вторичных токов. Трехобмоточные (многообмоточные) аппараты целесообразно применять вместо двухобмоточных в том случае, если нагрузки ЛЭП/обслуживаемых электрических сетей соизмеримы, то есть отличаются друг от друга не более чем в 5 раз.

Трехфазный

В трехфазных преобразователях переменного напряжения на каждую трансформируемую фазу приходится 3 обмотки. В таком трансформаторе с общим магнитопроводом обмоток рабочие процессы протекают для каждой фазы аналогично, только со сдвигом во времени. На первичные обмотки поступает переменное фазное напряжение, вторичные обмотки соединены с нагрузкой. Поэтому для описания работы электрического аппарата исследуется только одна рабочая фаза.

Трехфазные 3-х обмоточные преобразователи для силовых линий обычно изготавливают мощностью 5600–31500 кВт и напряжениями катушек аналогичным тем, которые используются в однофазных аппаратах. Трансформаторы получили наибольшее распространение на электрических подстанциях. По сравнению с группой однофазных трансформаторов при той же мощности они позволяют экономить 12–15% электроэнергии и 20–25% активных материалов в стоимостном выражении. Это конкурентное преимущество изделий подобного типа учитывается при изготовлении аппаратов массовых серий.

Схемы замещения

Схема замещения 3-х обмоточного трансформатора представлена ввиде трехлучевой звезды, состоящей из активных R и реактивных X сопротивлений обмоток. Все сопротивления в схеме приведены к напряжению высшей обмотки. На первичные зажимы подключена ветвь намагничивания (на схеме она соединена с корпусом), состоящая из B – активной и G – реактивной проводимости.

Проводимость В возникает ввиду потерь в стали части мощности на перемагничивание и вихревые токи, G отражает мощность намагничивания. За номинальную P_ном катушек трансформатора принимается мощность его первичной обмотки. Мощность обмоток трансформатора СН и НН и коэффициент трансформации выбирается под потребности конкретного объекта энергопотребления. Электрический аппарат рассчитывается на соответствующую мощность (диаметр и количество витков, электрическую прочность изоляции, размер и материал магнитопровода). С учетом нагрева при работе выбирается соответствующая модель.

Проведение опытов короткого замыкания

Чтобы определить значения параметров этой схемы, необходимо провести 1 опыт холостого хода и 3 опыта с коротким замыканием. Если первый опыт необходим для определения B и G и не отличается от опыта двухобмоточного аналога, то опыты короткого замыкания проводятся с целью определения паспортных данных напряжения короткого замыкания U _к и потерь активной мощности ∆Р _к на соответствующих катушках трансформатора в режиме короткого замыкания:

• U _{к вн}, ∆Р _{к вн} – закорочивается обмотка НН и подается питание на обмотку ВН;
• U _{к сн}, ∆Р _{к сн} – коротится обмотка НН и питание подается со стороны обмотки СН;
• U _{к вс}, ∆Р _{к вс} – накоротко замыкаются клеммы катушки СН и запитывается обмотка ВН.

В результате решения системы уравнений выводится значение U _к каждой из обмоток:

При определении ∆Р _к следует учитывать значение активной мощности, содержащееся в справочнике для конкретной модели трансформатора. Обычно приводится параметр для самой мощной обмотки. Очень часто в источниках дается одно значение ∆Р_к, определенное из опыта КЗ, выполненного для наиболее мощных обмоток, обычно ∆Р_{к вс}. Потери мощности в каждой катушке определяются с учетом соотношения номинальных мощностей обмоток S ном %, выраженных в процентах. Потери активной мощности ∆Р_к в обмотках СН и НН рассчитываются из пропорций:

При соотношениях всех мощностей обмоток 100 %:

Если соотношение 100 %, 100 %, 66,7 %, то:

Применять вычисления придется только для электрических аппаратов, производимых ранее. Они могли иметь мощность обмоток НН и СН в полтора раза меньше, чем мощность катушки ВН.

В последние годы отечественные производители выпускают трехобмоточные трансформаторы с одинаковой мощностью обмоток 100%.

Источник