Файл: Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования.pdf

85
Рисунок 3.1 – Эволюция магнитопровода трехфазного трансформатора
Далее (рисунок 3.1 в)), ввиду того, что магнитные потоки трех трансформаторов сдвинуты по фазе на 120°, их сумма в этом ярме равна нулю и оно может быть удалено. Затем (рисунок 3.1 г)), крайние стержни с частями своих ярм передвинуты в одну плоскость, ну и путем сокращения по длине частей ярм у среднего стержня пространственная магнитная система трехфазного трансформатора превращена в плоскую трехстержневую
(рисунок 3.1 д)) с шихтованными стержнями и ярмами. Пространственная магнитная система (рисунок 3.2) сохранилась в трансформаторах 10 / 0,4 кВ
Минского трансформаторного завода максимальной мощностью до 1000 кВА. В этих трансформаторах магнитопроводы навиваются из ленты электротехнической стали. Несмотря на сложности пространственного магнитопровода и на сложности намотки обмоток (ввиду того, что магнитопровод неразрезной, они вматываются в него специальным способом), такая конструкция находит применение из – за значительно меньших по сравнению с шихтованными трансформаторами потерь в стали
(по причине отсутствия стыков в шихтовке магнитопроводе). б) в) г) д)

86
Рисунок 3.2 – Трансформатор с пространственной магнитной системой
Что же касается потерь энергии, то они выделяются и в проводах обмоток и в стали магнитопровода. Первые называют еще по старинке
«потерями в меди», хотя большое количество трансформаторов сейчас выполняется с алюминиевыми обмотками, а вторые – потерями в стали.
Потери в обмотках называют еще потерями короткого замыкания Р
КЗ
(они, при номинальной нагрузке, равны потерям в трансформаторе при опыте КЗ), а потери в стали – потерями холостого хода Р
ХХ
(они равны потерям в трансформаторе в режиме ХХ). Обычно трансформаторы выполняют с оптимальным соотношением массы обмоток и массы стали, при котором Р
ХХ
составляет примерно третью часть от Р
КЗ
в номинальном режиме. Потери в обмотках квадратично зависят от нагрузки трансформатора, а Р
ХХ
зависят
(также нелинейно) от напряжения, подводимого к первичной обмотке
(напряжения возбуждения). Р
КЗ
– это потери при номинальной нагрузке, а Р
ХХ
– это потери при номинальном напряжении. Поэтому с точки зрения теплопотерь трансформаторы очень чувствительны и к перегрузкам и к перенапряжениям. Их регламентируют допустимыми длительностями работы в таком более напряженном режиме. Несмотря на то, что цифра потерь в стали значительно меньше (примерно в три раза) цифры потерь в обмотках, действительные потери Р
ХХ
превышают потери в обмотках. Дело в том, что трансформатор не работает постоянно с номинальной нагрузкой. Всвязи с этим, среди способов уменьшения потерь в сетях немаловажен такой: отключение (перевод в режим холодного резерва) малозагруженных

87 трансформаторов с переводом их нагрузки на другие трансформаторы. Если говорить о зависимости КПД трансформатора от нагрузки, то он максимален при нагрузке около 70 – 75% (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 – Зависимость КПД трансформатора от нагрузки
Обмотки трансформаторов в зависимости от их положения на стержне могут быть концентрическим (одна внутри другой – в основном такая конструкция обмоток и применяется в силовых трансформаторах) и чередующимися (по длине стержня – электропечные и специальные трансформаторы).
По знаменитой в электротехнике «формуле 4,44» напряжение на вторичной обмотке трансформатора определяется следующим образом:
U
2
= 4,44 f w
2
B
max
S, где: f – частота; w
2
– число витков вторичной обмотки;
В
max
– амплитуда индукции в магнитопроводе;
S – сечение магнитопровода.
Как следует из формулы, напряжение на вторичной обмотке может регулироваться путем изменения любого из входящих в формулу параметров. Но для силовых трансформаторов ПС применяется только способ регулирования путем изменения числа витков. Дело в том, что частота в сети неизменна, индукция с целью максимального использования трансформаторной стали берется на допустимом пределе, а изменение геометрии магнитопровода (перераспределение магнитных потоков путем
КПД, %
0 100 50 100
S, %

88 шунтирующих перемычек и изменения воздушных зазоров) применяется только в специальных, относительно небольшой мощности (например, сварочных) трансформаторах.
Итак, изменение коэффициента трансформации в силовых трансформаторах ПС применяется только изменением числа витков. Причем, число витков можно изменять либо в первичной обмотке, либо во вторичной. Встает вопрос, а где выгодней?
Ответ очевиден: изменение числа витков – это коммутация (переключение отпаек от обмоток), ее проще проводить там, где меньше коммутируемый ток, а у понизительных трансформаторах ток всегда меньше в первичной обмотке. Еще одна проблема при конструировании переключающих устройств – это проблема их главной (ее еще называют поперечной) изоляции. Применяя переключение числа витков в первичной обмотке, в которой ток меньше, а напряжение – больше, приходится переключение чисел витков производить на сборке нулевой точки, она имеет либо нулевой потенциал, либо близкий к нулевому; так и делается для обмоток напряжением 35 кВ и выше. Для первичных обмоток 10 кВ (ПС 10 / 0,4 кВ), соединяемых часто в треугольник для подавления гармоник, кратных трем, переключение производят в сторонах треугольника.
Может возникнуть вопрос, а зачем вообще нужно регулирование? Ответ заключается в том, что на всех уровнях напряжения оно стандартизировано, определены и номинальные уровни напряжений и их допустимые отклонения. В целях сокращения массогабаритных показателей (уменьшение материалоемкости, себестоимости) любого вида оборудования применяемые в нем материалы стремятся использовать по максимуму, до допустимых пределов (по плотности тока в проводах, магнитной индукции в магнитопроводе, минимальных изоляционные промежутках в продольной и поперечной изоляции). Поэтому очень важно, чтобы напряжение, подводимое к любому оборудованию, в том числе и к трансформаторам, было близким к номинальному и не выходило за допустимые пределы. Но напряжение в различных точках сети зависит от многих причин: от

89 структуры сети и от ее изменений (структура может меняться – что-то выводится в ремонт или отключается автоматически), от режима нагрузок
(изменения режима суточные, сезонные). Поэтому необходимо вышедшие за рамки допустимых отклонения напряжения возвращать в эти рамки. Даже для неизменного нагрузочного режима напряжение в середине, предположим
ВЛ 10 кВ будет ниже, чем на сборных шинах ПС, а в конце ВЛ и того меньше. Однако, потребители, питающиеся от ПС 10 / 0,4 кВ должны получать напряжение, соответствующее требованиям. Трансформаторы должны снизить отклонения уровней на вторичной стороне путем изменения коэффициента трансформации. Существует два способа переключения чисел витков: переключение без возбуждения (ПБВ) и регулирование под нагрузкой (РПН). Схема первичной обмотки напряжением 35 кВ с ПБВ показана на рисунке 3.4. Переключатель расположен в месте сборки нулевой точки.
Рисунок 3.4 – Схема обмотки 35 кВ с ПБВ
Отпайки от обмоток фаз пронумерованы цифрами. Есть общее правило нумерации отпаек: первому положению переключателя соответствует
максимальное число витков обмотки. Для переключения трансформатор
5 4
3 2
1 5
4 3
2 1
5 4
3 2
1
А
В
С
0

90 должен быть отключен от питающей сети. Рукоятки переключателя без возбуждения расположены на крышке бака, поэтому трансформатор для перевода из одного положения ПБВ в другое должен быть выведен в ремонт.
Коммутация при РПН, естественно, должна быть безобрывной. Отсюда следует, что при переходе с одного положения переключателя на другое обязательно должно быть кратковременное соединение переключателя с двумя отпайками. Это создает кратковременное замыкание секции регулировочной части обмотки. Чтобы избежать сверхтоков при замыкании секции, применяют один из двух способов, которые разделяют РПН на два типа: реакторные РПН и резистивные РПН. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки. Схема с реакторным РПН показана на рисунке 3.5. РПН состоит из избирателей (переключателей) П
1
и П
2
, контакторов К
1
и К
2
и реактора. На рисунке 3.5 а) РПН показан в положении
3. При переходе в положение 4 РПН последовательно проходит позиции б) – ж). Сначала размыкается контактор К
1
, затем без коммутации тока переходит в положение 4 избиратель П
1
. Далее контактор К
1
замыкается и секция регулировочной части обмотки (между отводами 3 и 4) оказывается замкнутой через реактор (положение г) на рисунке). Так как половинки реактора для «сквозного» тока I
ур включены согласованно, для этого тока они представляют сопротивление, достаточное для ограничения тока короткого замыкания. Зато для рабочего тока (положения на а) и ж) на рисунке 3.5) сопротивления половинок реактора компенсируются, так как для токов 1/2 I половинки реактора включены встречно. Далее размыкается контактор К
2
(рисунок 3.5 , чтобы избиратель П
2
мог без тока перейти в новое 4-е положение, после чего контактор К
2
замыкается. Все – РПН перешел в 4-положение.

91
*
*
*
*
*
*
I
ур
I
I
½ I
½ I
I
I
К другим фазам – сборка нулевой точки б) в)
6 5
4 3
2 1
2
К
1
К
2
К
1
К
1
К
2
К
2 6
5 4
3 2
1 2
*
*
I
К
1
К
2 6
5 4
3 2
1 2
*
*
I
К
1
К
2
I
6 5
4 3
2 1
2
*
*
I
К
1
К
2
I г) д) е)
6 5
4 3
2 1
2
*
*
I
К
1
К
2
½ I
½ I ж)
½ I
6 5
4 3
2 1
2 6
5 4
3 2
1 2 а)
½ I
I
П
1
П
2
П
1
П
2
П
1
П
2
П
1
П
2
П
1
П
2
П
1
П
1
П
2
П
2
П
1

92
Рисунок 3.5 – Схема реакторного РПН а)
РПН в положении 3; б) – е)
РПН в промежуточном положении; ж)
РПН в положении 4.
Для ограничения сверхтоков при кратковременном замыкании секции в цепь замыкания вводится дополнительное (индуктивное) сопротивление.
Величина этого сопротивления с одной стороны должна быть больше, чтобы ток замыкания был меньше, с другой стороны оно должно быть небольшим, чтобы не оказывать большого сопротивления токам нагрузки в промежуточных положениях б), в), д), е). На схеме для тока замыкания
(положение г) на рисунке) полуобмотки соединены согласованно (в обеих полуобмотках реактора ток замыкания входит со стороны их зажимов, обозначенных звездочками, индуктивные сопротивления полуобмоток складываются), а для токов нагрузки – встречно, индуктивные сопротивления полуобмоток для таких токов взаимно компенсируются. Недостатком реакторного РПН является низкая скорость переключения, возможность застревания в промежуточном положении (например, при обесточении привода в процессе переключения). Режим, когда ток проходит только по одной половине реактора, или режим с протеканием сквозного тока
(положение г) на рисунке 3.5 – положение «моста») большой опасности не представляет, но поскольку реактор не рассчитан на длительную работу в промежуточном режиме с протеканием по полуобмоткам тока, превышающего половину нагрузочного тока, режим должен устраняться доводкой в стабильное положение.
Схема резисторного РПН представлена на рисунке 3.6. В этой схеме в цепь замыкаемой секции при переходе с одной ступени на другую вводятся резисторы. Их величина небольшая, и ток замыкания секции получается значительным, но в отличие от реакторного РПН, этот процесс совершается очень быстро. К тому же, даже при исчезновении напряжения в процессе переключения резисторный РПН не может остаться в промежуточном

93 положении. Еще одно отличие резисторного РПН от реакторного заключается в том, что избиратели резисторного РПН никогда «не встают» на одно и то же ответвление регулировочной обмотки (РО). Один из них движется только по нечетным положениям, а другой – только по четным. В последние три десятилетия трансформаторы и автотрансформаторы, предназначенные для регулирования под нагрузкой выполняют, в основном, с резисторными РПН.
Рисунок 3.6 – Схема резисторного РПН
На рисунке 3.6 показан фрагмент регулировочной обмотки (РО) и РПН в положении 3. Причем, положение избирателей П
1
и П
2
зависит от того, из какого положения РПН пришел в положение 3: из 2-го, или из 4-го. На рисунке избиратели показаны для случая прихода в положение 3 из 4-го.
Предположим, что нужно переключить РПН из положения 3 в 4-е. При показанном состоянии достаточно переключить контакторы К
1
и К
2
. Не усложняя вопрос, скажем, что резисторы в цепь короткозамкнутой секции и в цепь нагрузочного тока вводятся только на момент переключения, до переключения и после него в цепи нагрузочного тока никакого резистора нет, он зашунтирован главным контактором. Само переключение организуется таким образом, что блок контакторов может находиться только в одном из
К
1-ГЛ
1 2
3 4
1 5
1 6
К
1-ВСП
К
2-ГЛ
К
2-ВСП
R
R
РО
П
1
П
2

94 двух положений и в промежуточном положении остаться не может
(пружины, механический триггер) даже при исчезновении питания в процессе переключения. Тем не менее, последовательность переключения контакторов всегда соблюдается: (заложена в механике) размыкание К
1-ГЛ
; замыкание К
2-ВСП
; размыкание К
1-ВСП
; замыкание К
2-ГЛ
. Если же необходимо перевести РПН дальше (из положения 4 в положение 5), то сначала переходит избиратель П
1
из 3-го положения в 5-е, а затем срабатывает блок контакторов по тому же алгоритму: размыкание К
2-ГЛ
; образование моста замыканием К
1-ВСП
; разрыв моста размыканием К
2-ВСП
и замыкание К
1-ГЛ
Представляет интерес переключение отводов для трехобмоточных трансформаторов. Например, для трансформатора с U
ВН
= 220 кВ; U
СН
= 110 кВ (автотрансформаторная связь ВН – СН); U
НН
= 10 кВ. Здесь возможны различные варианты включения регулировочной обмотки. Обмотка НН такого трансформатора с номинальными токами в несколько тысяч ампер никакой регулировки витков не имеет, регулируется только напряжение на стороне СН. Если РО включена так, что при этом регулировании меняется общее число витков всей обмотки высшего напряжения, то меняется и U
НН
(так называемое, связанное регулирование). После регулирования U
СН
необходимо возвращать U
НН
к прежнему уровню. Ну и вообще, U
НН
требуется регулировать и по причине изменения питающего U
ВН
. Такое включение РО вызывает неудобства при регулировании, но эта схема – рисунок 3.7 а) применяется. Регулирование U
НН
производится в отдельном регулировочном трансформаторе типа ЛТДН (линейный, трехфазный, с дутьевым охлаждением, с регулированием под нагрузкой) – это последовательный (его еще называют вольтодобавочным) регулировочный трансформатор (рисунок 3.8). В схеме по рисунку 3.7 б) при регулировании
U
СН
общее число витков обмотки, включенной на 220 кВ не меняется, не меняется и напряжение U
НН