Трансформаторы с расщепленной обмоткой достоинства недостатки

Силовые трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения ТРДН

1. Общая характеристика

Трансформаторы с расщепленной обмоткой представляют из себя трансформаторы, с обмотокой разделенной на 2 или более не связанных между собой гальванически элементов.

Такие трансформаторы обычно устанавливают на крупных ПС районных электрических сетей и электростанциях, а так же систем электроснабжения промышленных предприятий. Это позволяет подсоединить два и более генераторов (или независимых нагрузок) одного или разных классов напряжений присоединять к одному трансформатору.

На рис.1.1 изображено обозначение трансформатора с расщепленной обмоткой на схеме.

Рисунок 1.1 – Обозначение на схеме

При коротком замыкании в цепи одной из частей расщепленной обмотки, в других обмотках трансформатора возникают напряжения и токи существенно меньшие, чем в таком же трансформаторе с нерасщепленной обмоткой низкого напряжения.Такой трансформатор, с достаточной для практики точностью, может рассматриваться как 2 независимых двухобмоточных трансформатора, питающихся от общей сети.

2. Причины установки ТРДН

Для ограничения токов КЗ, при номинальной мощности трансформатора 25 МВА и выше, а так же равномерной нагрузке на секции шин, широко применяются трансформаторы с расщепленной обмоткой низкого напряжения.

У трансформаторов с расщепленной обмоткой мощность каждой из обмоток низкого напряжения в 2 раза меньше номинальной мощности трансформатора. При этом, сопротивление каждой из обмоток низкого напряжения увеличивается в 2 раза по сравнению с двухобмоточным трансформатором такой же мощности без расщепления.
По сравнению с двухобмоточным трансформатором такой же мощности, сопротивление трансформатора сквозным токам КЗ при расщеплении обмотки увеличивается почти в 1,6 раза.

3. Расчет параметров

На рис.1.2 представлена схема замещения трансформатора с расщепленной обмоткой.

Рисунок 1.2 – Схема замещения трансформатора

Трансформаторы с расщепленной обмоткой выполняются с соотношением мощностей обмоток равным 100 % / 50 % / 50 % [1].
Для трансформаторов с расщепленной обмоткой индивидуальными параметрами являются:
– сопротивление расщепления Z_Р (равное сопротивлению между выводами двух ветвей расщепленной обмотки):

– сквозное сопротивление Z_скв = Z_В-Н, равно сопротивлению между выводами обмотки высокого напряжения и объединенными (запараллелеными) ветвями расщепленной обмотки низшего напряжения;

– коэффициент расщепления К_Р, равен:

Параметры схемы замещения определяются по следующим формулам:

Для определения Z используем формулы:

R определяется по следующим формулам:

k_{Т Н-В} определяем по формуле:

4. Основные характеристики трансформатора

На рис.1.3 изображен внешний вид трансформатора ТРДН-40000/110.

Рисунок 1.3 – Внешний вид трансформатора ТРДН-40000/110

В соответствии с принятой системой обозначений аббревиатура трансформатора ТРДН-40000/110-У1 расшифровывается так:
Т – трехфазный трансформатор;
Р – наличие ращепленной обмотки низкого напряжения;
Д – охлаждение производится с естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха;
Н – регулирование напряжения производится под нагрузкой РПН;
40000 – номинальная мощность трансформатора, кВ•А;
110 – класс напряжения обмотки высокого напряжения, кВ;
У1 – климатическое исполнение, категория размещения по ГОСТу 15150.
Основные параметры этого трансформатора приведены в табл.1.1 [2].

Таблица 1.1 – Технические параметры ТРДН-40000/110-У1

Номинальная частота, Гц	50
Схема и группа соединения обмоток	Υн/Δ-Δ-11-11
Номинальное значение напряжения ВН, кВ	115
Номинальное значение напряжения НН, кВ	11
Напряжение КЗ (ВН-НН), %	10,5
Ток холостого хода, не более, %	0,55
Ступени регулирования РПН в нейтрали ВН	±9х1,78%
Полный срок службы, лет	25

В требованиях для силовых трансформаторов [3, 6.4] сказано, что для обеспечения продолжительной и надежной эксплуатации трансформаторов необходимо обеспечить:

• соблюдение необходимых нагрузочных, температурных режимов и уровня напряжений;
• соблюдение характеристик трансформаторного масла и изоляции в пределах установленных норм;
• содержание в исправном состоянии устройств охлаждения трансформатора, защиты масла, регулирования напряжения и т. д.

5. Системы охлаждения и пожаротушения

Как уже говорилось выше, ТРДН имеют систему охлаждения с естественной циркуляцией масла и принудительной циркуляцией воздуха. Это значит, что в навесных охладителях из радиаторных труб помещают вентиляторы. В этом случае, в навесных охладителях, из радиаторных труб помещаются вентиляторы. Вентилятор засасывает воздух снизу трансформатора и обдувает нагретую верхнюю часть труб.

Для улучшения условий охлаждения масла, а следовательно, и обмоток магнитопровода трансформатора производится форсированный обдув радиаторных труб. Это позволяет изготовлять трансформаторы с расщепленной обмоткой мощностью до 100 000 кВ•А. В настоящее время, пуск и остановка вентиляторов, может осуществятся автоматически. Он зависит только от температуры нагрева масла и нагрузки [1].

6. Требования безопасности и охрана окружающей среды

Общие технические условия для силовых трансформаторов приведены в [4]. ГОСТ включает в себя технические требования, требования безопасности, включая требования пожарной безопасности, требования охраны окружающей среды, указания по эксплуатации, транспортирование и хранение. Требования безопасности, должны так же соответствовать [5, 6]. По стандарту [5] выполняется заземление баков трансформаторов.

Степень защиты трансформаторов определяет стандарт [6]. В нем говорится, что все трансформаторы, кроме встроенных, должны выполняться с 1 или 2 классом защиты и иметь степень защиты не ниже IP20. Стационарные трансформаторы, в свою очередь, допускается изготовлять со степенью защиты IP00. Система стандартов [4] приводит требования по утилизации трансформатора. В нем описан следующий ряд действий:

• трансформаторное масло следует слить и отправить на регенерацию;
• металлические составляющие трансформатора необходимо сдать на переработку;
• фарфоровые изоляторы, электрокартон, резиновые уплотнения нужно отправить на полигон твердых бытовых отходов.

7. Ссылки и литература

1. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. — М.: Энергоатомиздат, 1987. – 315 с.
2. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. Учебник для вузов. 2-изд. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-310 с.
3. Правила технической эксплуатации электроустановок. Утвержден приказом Минтопэнерго Украины от 25.07.2006 г.
4. ГОСТ Р 52719–2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. – М.: Издательство стандартов, 2007. – 45 с.
5. ГОСТ 12.2.007.0–75. Система стандартов безопасности труда. Издание электротехническое. Общие требования безопасности. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 12 с.
6. ГОСТ 12.2.007.2–75. Система стандартов безопасности труда. Трансформаторы силовые и реакторы электрические. Требования безопасности. – М.: Издательство стандартов, 1975. – 5 с.

Источник

Трансформаторы с расщепленными обмотками

В некоторых случаях с целью создания более рациональных условий коммутации электрических цепей одна из обмоток трансформатора разделяется на две или большее число гальванически несвязанных частей. Суммарная номинальная мощность этих обмоток равна номинальной мощности трансформатора, а их напряжения КЗ относительно другой обмотки практически равны, так что эти части допускают независимую нагрузку или питание. Такие обмотки, обычно обмотки НН, называются расщепленными.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой являются разновидностью двухобмоточного трансформатора. В таком трансформаторе обмотка НН выполнена из двух или более обмоток, расположенных симметрично по отношению к обмотке ВН (рисунок 6.6). Номинальные напряжения ветвей одинаковы, а их мощности 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.

Рисунок 6.6 – Устройство трехобмоточного трансформатора (а) и двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН (б)

На рисунке 6.7 представлена схема соединений обмоток для одной фазы трехфазного двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН на две ветви.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой в первом приближении можно рассматривать как два независимых трансформатора, питаемых от общей сети.

При КЗ в цепи одной из частей расщепленной обмотки в обмотках трансформатора возникают токи и напряжения существенно меньше, чем в том же трансформаторе с нерасщепленной обмоткой НН.

Применение трансформаторов с расщепленными обмотками НН, обладающими повышенными значениями индуктивных сопротивлений, способствует снижению мощности короткого замыкания на шинах НН почти вдвое, что позволяет во многих случаях обойтись без токоограничивающих реакторов.

Трансформаторы или трехфазные группы с расщепленными на две (или более) обмотками низшего напряжения устанавливают на электростанциях и крупных подстанциях районных электрических сетей и систем электроснабжения промышленных предприятий. Это позволяет присоединять к одному трансформатору два и более генераторов или независимых нагрузок одного или разных классов напряжений.

На электростанциях трансформаторы с расщепленными обмотками НН обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные энергоблоки позволяют упростить схему РУ 330 – 500 кВ, Широкое распространение трансформаторы с расщепленной обмоткой НН получили в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200 – 1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов КЗ.

В настоящее время трехфазные двухобмоточные трансформаторы с расщепленными обмотками НН являются основным типом трансформаторов мощных приемных подстанций напряжением 110 – 220 кВ.

Автотрансформаторы

Наряду с трансформаторами для связи сетей с различающимися напряжениями широко применяют автотрансформаторы.

Автотрансформатором называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны между собой.

В отличие от обычного трансформатора в автотрансформаторе для преобразования напряжения используется не только магнитная связь обмоток, но и их прямое или встречное последовательное электрическое соединение. У автотрансформатора вторичной обмоткой служит часть первичной обмотки, или наоборот (рисунок 6.8). На преобразование напряжения при помощи автотрансформатора затрачивается меньше активных материалов, чем на такое же преобразование, осуществляемое при помощи трансформатора. Это также снижает потери мощности, связанные с процессом преобразования. При малых коэффициентах трансформации автотрансформатор легче и дешевле многообмоточного трансформатора.

Наиболее экономично применять автотрансформаторы для связи сетей с глухозаземленными нейтралями напряжением 110 кВ и выше с соотношением номинальных напряжений до 3 – 4, например, 220 и 110 кВ, 500 и 220 кВ и др. Такие автотрансформаторы обычно выполняют на большие мощности (до 500 МВ . А и выше). Мощные автотрансформаторы изготавливают как в трехфазном, так и в однофазном (собираемом в трехфазные группы) исполнении. Обмотки трехфазных автотрансформаторов обычно соединяют в звезду (рисунок 6.9) с обязательным глухим заземлением нейтрали.

Также автотрансформаторы находят применение в электрических установках, когда требуется длительно или временно повышать или понижать напряжение в отдельных точках сети до 2 раз, например для снижения пусковых токов двигателей большой мощности или при регулировании режимов специальных электрометаллургических печей, а также в разнообразных установках радиосвязи, проводной и электронной техники.

Обмотка высшего напряжения состоит из двух обмоток – общей и последовательной. Обмотка среднего напряжения является частью обмотки ВН и называется общей обмоткой. Недостаток автотрансформатора – невозможность гальванического обособления цепей и как следствие возможность появления высокого напряжения на стороне СН.

Рисунок 6.9 – Схемы соединения обмоток трехобмоточного автотрансформатора

и соответствующие им векторные диаграммы напряжений

Помимо гальванически связанных обмоток автотрансформатор может иметь и третичные обмотки, работающие как в обыкновенном трансформаторе, не имеющие гальванической связи с другими обмотками. Дополнительные обмотки выполняются обычно низшего напряжения и соединяются треугольником (рисунок 6.9) , что способствует подавлению третьей гармоники фазных ЭДС, предотвращая их появление в линиях. Наличие таких обмоток также приводит к выравниванию фазных напряжений при несимметричной нагрузке. Номинальная мощность обмотки НН составляет от 20 до 50 % номинальной (проходной) мощности автотрансформатора.

Рассмотрим условия работы трехобмоточного трансформатора (рисунок 6.9). Автотрансформаторы могут работать в автотрансформаторных или комбинированных режимах. При работе в автотрансформаторном режиме мощность передается из сети ВН в сеть СН или наоборот. Третичная обмотка НН при этом не нагружена. При работе в комбинированном режиме к обмотке НН присоединяется нагрузка или компенсирующее устройство. При этом мощность в последовательной и общей обмотках состоит из мощности передаваемой в автотрансформаторном режиме, и мощности, передаваемой через обмотку НН.

В отличие от трансформатора, где вся мощность с первичной обмотки ВН передается на вторичную обмотку СН магнитным путем, в автотрансформаторе часть мощности передается непосредственно – без трансформации, через электрическую связь между последовательной и общей обмотками (электрическая мощность):

а также с помощью пронизывающего их магнитного поля, т.е. магнитным путем (трансформаторная мощность):

Сумма трансформаторной и электрической мощности равна проходной мощности автотрансформатора:

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор по обмоткам ВН и СН, имеющим между собой автотрансформаторную связь. Для отечественных трансформаторов мощности обмоток ВН и СН одинаковы и равны номинальной или проходной. Следовательно,

В общей обмотке протекает разность токов сетей ВН и СН. Поэтому эту обмотку рассчитывают на ток, меньший номинального тока автотрансформатора, определяемого на стороне ВН, и она может иметь площадь меньшего сечения, чем обмотка того же напряжения двухобмоточного трансформатора. Меньшую площадь имеет и магнитопровод автотрансформатора. В результате, чем ближе к единице коэффициент трансформации

тем меньше расход активных материалов (меди обмоток, стали магнитопровода и изоляционных материалов) и приблизительно – стоимость автотрансформатора. Поэтому понижающие автотрансформаторы оказываются дешевле трансформаторов равной номинальной мощности, а применение автотрансформаторов взамен трансформаторов становится тем выгоднее, чем ближе друг к другу напряжения U_ВН и U_СН.

Мощность общей части обмоток автотрансформатора (рисунок 6.9)

где – так называемый коэффициент выгодности.

Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие типовой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка:

т.е. .

Типовая мощность отображает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, т.е. расход активных материалов. Различие технико-экономических показателей трансформаторов и автотрансформаторов зависит от соотношения между номинальной и типовой (расчетной) мощностями, т.е. от коэффициента выгодности α_в. Поскольку

то очевидно, что преимущества автотрансформатора проявляются в большей степени тогда, когда с его помощью связываются сети более близких номинальных напряжений.

Мощность обмотки НН, обычно равную 50 % номинальной мощности автотрансформатора, рассчитывают на передачу типовой мощности.

В отдельных автотрансформаторах мощность обмотки НН составляет 20, 25 и 40 % и не равна типовой мощности. В этом случае коэффициент выгодности не равен отношению , именуемый в дальнейшем коэффициент приведения (пересчета).

Обмотка НН соединяется в треугольник и предназначена для питания нагрузок, расположенных в районе рассматриваемой подстанции, а также для подключении компенсирующих реактивную мощность устройств (батарей конденсаторов, синхронных компенсаторов и др.). Номинальное напряжение третьей обмотки в зависимости от удаленности нагрузок может быть 6,6, 11 и 38,5 кВ.

Наличие электрической связи между обмотками ВН и СН обуславливает возможность применения автотрансформаторов только в сетях с глухозаземленной нейтралью, т.е. в сетях напряжением 110 кВ и выше, а сами автотрансформаторы изготавливают с высшим напряжением не менее 150 кВ и средним не менее 110 кВ. При отсутствии заземления нейтрали и замыкания на землю одной фазы в сети ВН потенциал относительно земли двух других фаз сети СН повысится до недопустимого значения. Если, например, выполнить автотрансформатор напряжением 115/38,5/11 кВ с изолированной нейтралью, то при замыкании на землю фазы А сети 110 кВ потенциал относительно земли фаз а и с сети 35 кВ до 3,5 U_ср. Это недопустимо как для изоляции обмотки 38,5 кВ автотрансформатора, так и для аппаратуры сети 35 кВ.

Охлаждение трансформаторов

Отсутствие у трансформаторов вращающихся частей умень­шает нагрев трансформатора из-за отсутствия механических по­терь, но это же обстоятельство усложняет процесс охлаждения, так как исключает применение в трансформаторах самовентиля­ции. По этой причине основной способ охлаждения трансформа­торов – естественное охлаждение. Однако в трансформаторах значительной мощности с целью повышения удельных электро­магнитных нагрузок применяют более эффективные методы охлаждения. Наибольшее применение получили следующие способы охлаждения:

Сухой трансформатор с естественным воздушным охлаждением (С) открытого исполнения.Все нагреваемые час­ти трансформатора непосредственно соприкасаются с воздухом. Их охлаждение происходит за счет излучения теплоты и естест­венной конвекции воздуха. Иногда такие трансформаторы снаб­жают защитным кожухом, имеющим жалюзи или же отверстия, закрытые сеткой. Этот вид охлаждения применяют в трансформаторах низкого напряжения при их уста­новке в сухих закрытых помещениях.

Сухие трансформаторы применяются при мощностях до 1600 кВ . А, напряжении до 20 кВ и устанавливаются в помещениях с относительной влажностью воздуха до 80 %.

Разновидности сухих трансформаторов (видов охлаждения):

С – естественное воздушное при открытом исполнении;

СЗ – естественное воздушное при защищенном исполнении;

СГ – естественное воздушное при герметичном исполнении;

СД – воздушное с принудительной циркуляцией воздуха.

Естественное масля­ное охлаждение (М), т.е. естественная циркуляция масла.Магнитопровод с обмотками поме­щают в бак, заполненный трансформаторным маслом, которое омывает нагревае­мые части трансформатора, путем конвекции отводит теплоту и передает ее стен­кам бака, последние, в свою очередь, охлаждаются путем излучения теплоты и конвекции воздуха. Для увеличения охлаждаемой поверхности бака его де­лают ребристым или же применяют трубчатые баки (рисунок 6.1). В транс­форматорах большой еди­ничной мощности трубы объединяют в радиаторы (радиаторные баки). Нагре­тые частицы масла подни­маются в верхнюю часть бака и по трубам опуска­ются вниз. При этом, со­прикасаясь со стенками труб, масло охлаждается. Трансформаторное масло обладает вы­сокими электроизоляционными свойствами, поэтому, пропитывая изоляцию обмоток, оно улучшает ее свойства и повышает надеж­ность трансформаторов при высоких напряжениях. Это особенно важно для трансформаторов, устанавливаемых на открытых пло­щадках. Следует заметить, что масляное охлаждение усложняет и удорожает эксплуатацию трансформаторов, так как требует сис­тематического контроля за качеством масла и периодической его замены.

Трансформаторы с охлаждением типа М применяют при мощности до 6300 кВ . А.

Разновидности масляных трансформаторов типа М (видов охлаждения):

М – естественная циркуляция воздуха и масла;

МЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с ненаправленным потоком масла;

НМЦ – естественная циркуляция воздуха и принудительная циркуляция масла с направленным потоком масла.

Масляное охлаждение с дутьем (Д).Трансформаторы снабжают электрическими вентиляторами, которые обдувают радиаторы трансформатора. Конвекция масла внутри бака остается естест­венной. Этот вид охлаждения позволяет увеличить единичную мощность трансформатора на 40 – 50%.

Система охлаждения типа Д применяется в трансформаторах мощностью 10 000 – 80 000 кВ . А. При снижении нагрузки трансформатора с дутьевым охлаждением на 50 – 60% вентиляторы можно отключить, т.е. пе­рейти на естественное масляное охлаждение.

Принудительная циркуляция масла через водяной охладитель (Ц)(Масляно-водяное охлаждение)(рисунок 6.10).

Рисунок 6.10 – Масляно-водяное охлаждение трансфор­матора

Ц – с принудительной циркуляцией воды и ненаправленным потоком масла:

НЦ – с принудительной циркуляцией воды и направленным потоком масла.

Нагретое в транс­форматоре 1 масло посредством насоса 2 прогоняется через охладитель 3, в котором циркулирует вода. Это наиболее эффективный способ охлаждения, так как коэффициент теплопередачи от масла в воду значительно выше, чем в воздух. Одновременно масло про­ходит через воздухоохладитель 4 и фильтр 5, где освобождается от нежелательных включений.

Водяные охладители систем Ц и НЦ компактнее воздушных и рассеивают мощности до 1000 кВт.

Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ).Масляное охлаждение с дутьем и направленным потоком масла (НДЦ). С помощью насоса 1 (рисунок 6.11) создают принудительную циркуляцию трансформаторного масла через специальные охладители 2, собранные из трубок. Одновременно необходимое число вентиляторов 3 создает направленный поток воздуха, обдувающий поверхность трубок охладителя.

Системы охлаждения типов ДЦ и НДЦ применяют для трансформаторов общего назначения мощностью 80 000 – 400 000 кВ . А, каждый охладитель такой системы может рассеивать мощность до 200 кВт.

Трансформаторы с негорючим жидким диэлектриком (Н) – совтолом устанавливаются в тех производственных помещениях, где окружающая среда не допускает использования масляных трансформаторов. Например они рекомендуются для крупных машинных залов.

Разновидности видов охлаждения совтоловых трансформаторов:

Н – естественное негорючим жидким диэлектриком;

НД – негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха;

ННД – негорючим жидким диэлектриком с принудительной циркуляцией воздуха и направленным потоком жидкого диэлектрика.

Источник