Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов



Все об электростанциях


 


Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов



В установках 110 кВ и выше широкое применение находят автотрансформаторы большой мощности. Объясняется это рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с трансформаторами.


Схема однофазного автотрансформатора

Рис.1. Схема однофазного автотрансформатора


Однофазный автотрансформатор имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рис.1). Часть обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О - общей.

При работе автотрансформатора в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток Iв, который, создавая магнитный поток, наводит в общей обмотке ток Io. Ток нагрузки вторичной обмотки Ic складывается из тока Iв, проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока Io, созданного магнитной связью этих обмоток: Ic=Iв+Io, откуда Io=Ic-Iв.

Полная мощность, передаваемая автотрансформатором из первичной сети во вторичную, называется проходной.

Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток автотрансформатора. можно записать следующее выражение:

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

(3)

где (Uв - Uc)Iв=Sт - трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичную; UcIв=Sэ - электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет их гальванической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток Iв из последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью автотрансформатора S=Sном, а трансформаторная мощность - типовой мощностью Sт=Sтип.

Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

(4)

где nBC = UBUC - коэффициент трансформации; kвыг коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из (4) следует, что чем ближе UB к UC, тем меньше kвыг и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры автотрансформатора, его масса, расход активных материалов уменьшаются по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Например, при UB=330кВ, UC=110кВ, kвыг=0,667, а при UB=550кВ, UC=330кВ, kвыг=0,34.

Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов при сочетании напряжений 220/110; 330/150; 500/220; 750/330.

Из схемы (рис.1) видно, что мощность последовательной обмотки

Sп=(UB-UC)IB=Sтип;

мощность общей обмотки

Таким образом, еще раз можно подчеркнуть, что обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчетной мощностью. Какая бы мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на Sтип нельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем.

Третья обмотка автотрансформатора (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов), а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник. Мощность обмотки НН SН не может быть больше Sтип, так как иначе размеры автотрансформатора будут определяться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки НН указывается в паспортных данных автотрансформатора.

Рассмотрим режимы работы трехобмоточных автотрансформаторов с обмотками ВН, СН и НН (рис.2).


Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах

Рис.2. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах
а,б - автотрансформаторные режимы,
в,г - трансформаторные режимы,
д,е - комбинированные режимы




В автотрансформаторных режимах (рис.2,а,б) возможна передача номинальной мощности Sном из обмотки ВН в обмотку СН или наоборот. В обоих режимах в общей обмотке проходит разность токов IС-IВ=kтипIC, а поэтому последовательная и общая обмотки загружены типовой мощностью, что допустимо.

В трансформаторных режимах (рис.2,в,г) возможна передача мощности из обмотки НН в обмотку СН или ВН, причем обмотку НН можно загрузить не более чем на Sтип. Условие допустимости режима НН→ВН или НН→СН:

(5)

Если происходит трансформация Sтип из НН в СН, то общая обмотка загружена такой же мощностью и дополнительная передача мощности из ВН в СН невозможна, хотя последовательная обмотка не загружена.

В трансформаторном режиме передачи мощности Sтип из обмотки НН в ВН (рис.2,г) общая и последовательная обмотки загружены не полностью:

поэтому возможно дополнительно передать из обмотки СН в ВН некоторую мощность (см. пояснения к рис.2,е).

В комбинированном режиме передачи мощности автотрансформаторным путем ВН→СН и трансформаторным путем НН→СН (рис.2,д) ток в последовательной обмотке.

где РB QB - активная и реактивная мощности, передаваемые из ВН в СН.

Нагрузка последовательной обмотки

Отсюда видно, что даже при передаче номинальной мощности SB=Sном последовательная обмотка не будет перегружена.

В общей обмотке токи автотрансформаторного и трансформаторного режимов направлены одинаково:

Io=Io(a)+I(т).

Нагрузка общей обмотки

So=UC(Io(a)+I(т)).

Подставляя значения токов и производя преобразования, получаем:

(6)

где РH, QH - активная и реактивная мощности, передаваемые из обмотки НН в обмотку СН.

Таким образом, комбинированный режим НН→СН, ВН→СН ограничивается загрузкой общей обмотки и может быть допущен при условии

(7)

Если значения cosφ на стороне ВН и НН незначительно отличаются друг от друга, то кажущиеся мощности можно складывать алгебраически и (6) упрощается

(8)

В комбинированном режиме передачи мощности из обмоток НН и СН в обмотку ВН распределение токов показано на рис.2,е. В общей обмотке ток автотрансформаторного режима направлен встречно току трансформаторного режима, поэтому загрузка обмотки значительно меньше допустимой и в пределе может быть равна нулю. В последовательной обмотке токи складываются, что может вызвать ее перегрузку. Этот режим ограничивается загрузкой последовательной обмотки

(9)

где Рс, Qс - активная и реактивная мощности на стороне СН; Рн, Qн - то же на стороне НН.

Комбинированный режим НН→ВН, СН→ВН допустим, если

(10)

Если значения cosφ на стороне СН и НН незначительно отличаются друг от друга, то (9) упрощается

(11)

Возможны и другие комбинированные режимы: передача мощности из обмотки СН в обмотки НН и ВН или работа в понижающем режиме при передаче мощности из обмотки ВН в обмотки СН и НН. В этих случаях направления токов в обмотках изменяются на обратные по сравнению с рис.2,д,е, но приведенные рассуждения и расчетные формулы (6)-(11) останутся неизменными.


Схема включения трансформаторов тока для контроля нагрузки автотрансформатора

Рис.3. Схема включения трансформаторов тока
для контроля нагрузки автотрансформатора


Во всех случаях надо контролировать загрузку обмоток автотрансформатора. Ток в последовательной обмотке может контролироваться трансформатором тока ТА1, так как Iп=IB (рис.3). Трансформатор тока ТА2 контролирует ток на выводе обмотки СН, а для контроля тока в общей обмотке необходим трансформатор тока ТАО, встроенный непосредственно в эту обмотку. Допустимая нагрузка общей обмотки указывается в паспортных данных автотрансформатора.


Схема трехфазного трехобмоточного автотрансформатора

Рис.4. Схема трехфазного трехобмоточного автотрансформатора


Выводы, сделанные для однофазного трансформатора [формулы (4)-(11)], справедливы и для трехфазного трансформатора, схема которого показана на рис.4. Обмотки ВН и СН соединяются в звезду с выведенной нулевой точкой, обмотки НН - в треугольник.

К особенностям конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмоток ВН и СН. Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно-заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение UB/√З вместо (UB-UC)√3, напряжение выводов обмотки СН возрастет примерно до UB, резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Аналогичная картина наблюдается в случае присоединения повышающего автотрансформатора с незаземленной нейтралью к системе с эффективно-заземленной нейтралью.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех автотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН или СН не вызывают опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

  • меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;
  • меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;
  • меньшие потери и больший КПД; более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

  • необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;
  • сложность регулирования напряжения;
  • опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.