Двухобмоточные трансформаторы

 

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

 

- полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, приве­дённое к первичному напряжению.

Если схема приведена к низшему напряжению, то

 

(6.15)

которые необходимо пересчитать к номинальной мощности авто­трансформатора:

 

(6.16)

Взяв отношение выражений (6.15) к (6.16) , получим

(6.17)

 

где = S_нн / S _ном - коэффициент приведения.

 

После этого расчет активных сопротивлений автотрансформатора вы­полняют по формуле (6.5), предварительно определив по выражениям (6.3) потери короткого замыкания соответствующих обмоток. Если заданы потери короткого замыкания на одну пару обмоток, например величина Р_{к в-с}, то расчет выполняют по выражениям (6.5), если известны потери Р_{к в-н}, то, учитывая, что

 

определяют сопротивления автотрансформатора по формулам

 

(6.18)

 

 

Реактивные сопротивления лучей Х_в, Х_с, Х_н схемы замещения вычисля­ют с помощью соответствующих выражений. При этом напряжения коротко­го замыкания u_{к в-н}, u_{к с-н}, отнесенные к номинальной мощности третьей об­мотки

 

(6.19)

 

должны быть приведены к номинальной мощности автотрансформатора:

 

(6.20)

Если выполнить деление выражений (6.19) на соответствующие вели­чины (6.20), то получим значения, приведенные к номинальной мощности автотрансформатора:

(6.21)

В технических справочниках, как правило, даются уже приведенные значения и , которые непосредственно подставляют в формулы для определения индуктивного сопротивления.

Являются ли значения приведенными, можно выяснить, вычислив по (6.4) для одного из автотрансформаторов значения u_кв, u_кс, u_кн. Если одно из них, например , будет нулевым или близким к нулю, то табличные данные автотрансформатора являются приведенными к номинальной мощности ав­тотрансформатора.

Трехобмоточные автотрансформаторы имеют несколько вариантов ре­гулирования напряжения под нагрузкой (РПН): в нейтрали обмоток ВН и СН (рис. 6.5, а), на выводах обмотки СН (рис. 6.5, б) либо со стороны ВН (рис. 6.5, в). При задании трансформации идеальными трансформаторами в схеме замещения следует учитывать расположенные РПН. Для автотранс­форматоров с РПН в общей нейтрали обмоток коэффициенты трансформации определяются следующим образом:

 

(6.22)

 

В случае автотрансформаторов с РПН только на ступени СН:

 

(6.23)

При установке РПН на стороне ВН определим коэффициенты транс­формации в виде

(6.24)

 

В этих выражениях U - добавочное напряжение при переходе на от­ветвления, при которых коэффициент трансформации отличается от номи­нального.

В схемах замещения автотрансформатора (рис. 6.6) используются толь­ко два коэффициента трансформации, например k_в-с и k_в-н в случае (а), когда поток мощности направлен от ВН к СН, k_с-в и k_с-н в случае (б), если поток мощности имеет направление СН-ВН.

Проводимости поперечных ветвей, как и двухобмоточного трансфор­матора, вычисляют по формулам (5.17) и (5.18).

 

ЛЕКЦИЯ 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С РАСЩЕПЛЁННЫМИ ОБМОТКАМИ И КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

 

План

1. Особенности двухобмоточных трансформаторов с расщеплённой обмоткой низшего напряжения. Схема соединения обмоток, схема замеще­ния.

2. Определение параметров схемы замещения.

3. Условные и буквенные обозначения трансформаторов.

4. Определение коэффициента трансформации.

5. Назначение и необходимость использования компенсирующих уст­ройств.

6. Назначение конденсаторной батареи.

7. Применение устройства продольной ёмкостной компенсации.

8. Использование синхронных компенсаторов.

9. Принципиальные схемы и особенности применения статических ти-ристорных компенсаторов.

 

7.1. Двухобмоточные трансформаторы с расщеплёнными обмотками

 

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.