Трансформатори з розщепленими обмотками
У деяких випадках з метою створення більш раціональних умов комутації електричних ланцюгів одна з обмоток трансформатора розділяється на дві або більше число гальванически незв'язаних частин. Сумарна номінальна потужність цих обмоток дорівнює номінальній потужності трансформатора, а їх напруги КЗ відносно іншої обмотки практично рівні, так що ці частини допускають незалежну навантаження або харчування. Такі обмотки, зазвичай обмотки НН, називаються розщепленими.
Трансформатори з розщепленої обмоткою є різновидом двохобмотувальні трансформатора. В такому трансформаторі обмотка НН виконана з двох або більше обмоток, розташованих симетрично по відношенню до обмотці ВН (рисунок 6.6). Номінальні напруги гілок однакові, а їх потужності складають частину номінальної потужності трансформатора і в сумі дорівнюють потужності обмотки ВН. У цьому полягає відмінність трансформаторів з розщепленими обмотками від триобмоткових трансформаторів, у яких сумарна потужність обмоток СН і НН завжди більше потужності обмоток ВН.
Малюнок 6.6 - Пристрій триобмоткового трансформатора (а) і двохобмотувальні трансформатора з розщепленої обмоткою НН (б)
На малюнку 6.7 представлена схема з'єднань обмоток для однієї фази трифазного двохобмотувальні трансформатора з розщепленої обмоткою НН на дві гілки.
Трансформатори з розщепленої обмоткою в першому наближенні можна розглядати як два незалежних трансформатора, що живляться від загальної мережі.
При КЗ в ланцюзі однієї з частин розщепленої обмотки в обмотках трансформатора виникають струми і напруги істотно менше, ніж в тому ж трансформаторі з нерасщепленной обмоткою НН.
Застосування трансформаторів з розщепленими обмотками НН, що володіють підвищеними значеннями індуктивних опорів, сприяє зниженню потужності короткого замикання на шинах НН майже вдвічі, що дозволяє в багатьох випадках обійтися без токоограничивающих реакторів.
Трансформатори або трифазні групи з розщепленими на дві (або більше) обмотками нижчої напруги встановлюють на електростанціях і великих підстанціях районних електричних мереж і систем електропостачання промислових підприємств. Це дозволяє приєднувати до одного трансформатора два і більше генераторів або незалежних навантажень одного або різних класів напруг.
На електростанціях трансформатори з розщепленими обмотками НН забезпечують можливість приєднання декількох генераторів до одного що підвищує трансформатора. Такі укрупнені енергоблоки дозволяють спростити схему РУ 330 - 500 кВ, Широке поширення трансформатори з розщепленої обмоткою НН отримали в схемах живлення власних потреб великих ТЕС з блоками 200 - 1200 МВт, а також на понижуючих підстанціях з метою обмеження струмів КЗ.
В даний час трифазні двохобмотувальні трансформатори з розщепленими обмотками НН є основним типом трансформаторів потужних прийомних підстанцій напругою 110 - 220 кВ.
Поряд з трансформаторами для зв'язку мереж з различающимися напруженнями широко застосовують автотрансформатори.
Автотрансформатором називається трансформатор, дві або більше обмотки якого гальванічно пов'язані між собою.
На відміну від звичайного трансформатора в автотрансформаторі для перетворення напруги використовується не тільки магнітна зв'язок обмоток, а й їх пряме або зустрічне послідовне електричне з'єднання. У автотрансформатора вторинною обмоткою служить частина первинної обмотки, або навпаки (малюнок 6.8). На перетворення напруги за допомогою автотрансформатора витрачається менше активних матеріалів, ніж на таку ж перетворення, здійснюване за допомогою трансформатора. Це також знижує втрати потужності, пов'язані з процесом перетворення. При малих коефіцієнтах трансформації автотрансформатор легше і дешевше багатообмотувальних трансформатора.
Найбільш економічно застосовувати автотрансформатори для зв'язку мереж з глухозаземленою нейтраллю напругою 110 кВ і вище з співвідношенням номінальних напруг до 3 - 4, наприклад, 220 і 110 кВ, 500 і 220 кВ та ін. Такі автотрансформатори зазвичай виконують на великі потужності (до 500 МВ. А та вище). Потужні автотрансформатори виготовляють як в трифазному, так і в однофазному (збираному в трифазні групи) виконанні. Обмотки трифазних автотрансформаторів зазвичай з'єднують в зірку (рисунок 6.9) з обов'язковим глухим заземленням нейтралі.
Також автотрансформатори знаходять застосування в електричних установках, коли потрібно довго або тимчасово підвищувати або знижувати напругу в окремих точках мережі до 2 разів, наприклад для зниження пускових струмів двигунів великої потужності або при регулюванні режимів спеціальних електрометалургійних печей, а також в різноманітних установках радіозв'язку, провідного та електронної техніки.
Обмотка вищої напруги складається з двох обмоток - загальної та послідовної. Обмотка середньої напруги є частиною обмотки ВН і називається загальною обмоткою. Недолік автотрансформатора - неможливість гальванічного відокремлення ланцюгів і як наслідок можливість появи високої напруги на стороні СН.
Малюнок 6.9 - Схеми з'єднання обмоток триобмоткового автотрансформатора
і відповідні їм векторні діаграми напруг
Крім гальванически пов'язаних обмоток автотрансформатор може мати і третинні обмотки, що працюють як в звичайному трансформаторі, що не мають гальванічного зв'язку з іншими обмотками. Додаткові обмотки виконуються зазвичай нижчої напруги і з'єднуються трикутником (рисунок 6.9). що сприяє пригніченню третьої гармоніки фазних ЕРС, запобігаючи їх поява в лініях. Наявність таких обмоток також призводить до вирівнювання фазних напруг при несиметричного навантаження. Номінальна потужність обмотки НН становить від 20 до 50% номінальної (прохідний) потужності автотрансформатора.
Розглянемо умови роботи триобмоткового трансформатора (рисунок 6.9). Автотрансформатори можуть працювати в АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ або комбінованих режимах. При роботі в АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ режимі потужність передається з мережі ВН в мережу СН або навпаки. Третинна обмотка НН при цьому не навантажена. При роботі в комбінованому режимі до обмотці НН приєднується навантаження або компенсує пристрій. При цьому потужність в послідовній і загальної обмотках складається з потужності переданої в АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ режимі, і потужності, що передається через обмотку НН.
На відміну від трансформатора, де вся потужність з первинної обмотки ВН передається на вторинну обмотку СН магнітним шляхом, в автотрансформаторі частина потужності передається безпосередньо - без трансформації, через електричну зв'язок між послідовної і загальної обмотками (електрична потужність):
а також за допомогою пронизливого їх магнітного поля, тобто магнітним шляхом (трансформаторна потужність):
Сума трансформаторної і електричної потужності дорівнює прохідної потужності автотрансформатора:
Під номінальною потужністю автотрансформатора розуміється гранична потужність, яка може бути передана через автотрансформатор по обмоткам ВН і СН, які мають між собою АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ зв'язок. Для вітчизняних трансформаторів потужності обмоток ВН і СН однакові і рівні номінальної або прохідний. отже,
У загальній обмотці протікає різницю струмів мереж ВН і СН. Тому цю обмотку розраховують на струм, менший номінального струму автотрансформатора, що визначається на стороні ВН, і вона може мати площу меншого перетину, ніж обмотка того ж напруги двохобмотувальні трансформатора. Меншу площу має і муздрамтеатр автотрансформатора. В результаті, чим ближче до одиниці коефіцієнт трансформації
тим менше витрата активних матеріалів (міді обмоток, стали муздрамтеатру і ізоляційних матеріалів) і приблизно - вартість автотрансформатора. Тому що знижують автотрансформатори виявляються дешевше трансформаторів рівної номінальної потужності, а застосування автотрансформаторів натомість трансформаторів стає тим вигідніше, чим ближче один до одного напруги UВН і UСН.
Потужність загальної частини обмоток автотрансформатора (рисунок 6.9)
де - так званий коефіцієнт вигідності.
Для характеристики автотрансформаторів введено також поняття типової потужності, на яку розраховується послідовна обмотка:
Типова потужність відображає економічну сторону конструкції автотрансформаторів, тобто витрата активних матеріалів. Різниця техніко-економічних показників трансформаторів і автотрансформаторів залежить від співвідношення між номінальною і типовий (розрахункової) потужностями, тобто від коефіцієнта вигідності # 945; ст. оскільки
то очевидно, що переваги автотрансформатора проявляються в більшій мірі тоді, коли з його допомогою зв'язуються мережі ближчих номінальних напруг.
Потужність обмотки НН, зазвичай дорівнює 50% номінальної потужності автотрансформатора, розраховують на передачу типовий потужності.
В окремих автотрансформаторах потужність обмотки НН становить 20, 25 і 40% і не дорівнює типовий потужності. У цьому випадку коефіцієнт вигідніше не дорівнює відношенню. іменований надалі коефіцієнт приведення (перерахунку).
Обмотка НН з'єднується в трикутник і призначена для живлення навантажень, розташованих в районі даної підстанції, а також для підключення компенсуючих реактивну потужність пристроїв (батарей конденсаторів, синхронних компенсаторів і ін.). Номінальна напруга третьої обмотки в залежності від віддаленості навантажень може бути 6,6, 11 і 38,5 кВ.
Наявність електричного зв'язку між обмотками ВН і СН обумовлює можливість застосування автотрансформаторів тільки в мережах з глухозаземленою нейтраллю, тобто в мережах напругою 110 кВ і вище, а самі автотрансформатори виготовляють з вищою напругою не менше 150 кВ і середнім не менше 110 кВ. При відсутності заземлення нейтрали і замикання на землю однієї фази в мережі ВН потенціал щодо землі двох інших фаз мережі СН підвищиться до неприпустимого значення. Якщо, наприклад, виконати автотрансформатор напругою 115 / 38,5 / 11 кВ з ізольованою нейтраллю, то при замиканні на землю фази А мережі 110 кВ потенціал щодо землі фаз а й з мережі 35 кВ до 3,5 Uср. Це неприпустимо як для ізоляції обмотки 38,5 кВ автотрансформатора, так і для апаратури мережі 35 кВ.
Відсутність у трансформаторів обертових частин умень-шает нагрів трансформатора через відсутність механічних по-терь, але це ж обставина ускладнює процес охолодження, так як виключає застосування в трансформаторах самовентіля-ції. З цієї причини основний спосіб охолодження трансформа-торів - природне охолодження. Однак в трансформаторах значної потужності з метою підвищення питомих електро-магнітних навантажень застосовують більш ефективні методи охолодження. Найбільше застосування отримали наступні способи охолодження:
Сухий трансформатор з природним повітряним охолодженням (С) відкритого ісполненія.Все нагріваються годину-ти трансформатора безпосередньо стикаються з повітрям. Їх охолодження відбувається за рахунок випромінювання тепла й естест-кої конвекції повітря. Іноді такі трансформатори снаб-жают захисним кожухом, що має жалюзі або ж отвори, закриті сіткою. Цей вид охолодження застосовують в трансформаторах низької напруги при їх уста-новки в сухих закритих приміщеннях.
Сухі трансформатори застосовуються при потужностях до 1600 кВ. А, напрузі до 20 кВ і встановлюються в приміщеннях з відносною вологістю повітря до 80%.
Різновиди сухих трансформаторів (видів охолодження):
З - природне повітряне при відкритому виконанні;
СЗ - природне повітряне при захищеному виконанні;
СГ - природне повітряне при герметичному виконанні;
СД - повітряне з примусовою циркуляцією повітря.
Природне масляної-ве охолодження (М), тобто природна циркуляція масла.Магнітопровод з обмотками примі-ють в бак, заповнений трансформаторним маслом, яке омиває нагрівається-мі частини трансформатора, шляхом конвекції відводить теплоту і передає її стін-кам бака, останні, в свою чергу, охолоджуються шляхом випромінювання теплоти і конвекції повітря . Для збільшення охолоджувальної поверхні бака його де-гавкають ребристим або ж застосовують трубчасті баки (рисунок 6.1). У транс-форматорах великий оди-нічной потужності труби об'єднують в радіатори (радіаторні баки). Нагре-ті частинки масла подни-маються в верхню частину бака і по трубах опускаючи-ються вниз. При цьому, зі-торкаючись зі стінками труб, масло охолоджується. Трансформаторне масло володіє ви-сокімі електроізоляційними властивостями, тому, просочуючи ізоляцію обмоток, воно покращує її властивості і підвищує надійність-ність трансформаторів при високій напрузі. Це особливо важливо для трансформаторів, що встановлюються на відкритих пло-ках. Слід зауважити, що масляне охолодження ускладнює і здорожує експлуатацію трансформаторів, так як вимагає сис-тематичного контролю за якістю олії і періодичної його заміни.
Трансформатори з охолодженням типу М застосовують при потужності до 6300 кВ. А.
Різновиди масляних трансформаторів типу М (видів охолодження):
М - природна циркуляція повітря і масла;
МЦ - природна циркуляція повітря і примусова циркуляція масла з ненаправленим потоком масла;
НМЦ - природна циркуляція повітря і примусова циркуляція масла з направленим потоком масла.
Масляне охолоджування з дуттям (Д). Трансформатори постачають електричними вентиляторами, які обдувають радіатори трансформатора. Конвекція масла всередині бака залишається естест-кої. Цей вид охолодження дозволяє збільшити одиничну потужність трансформатора на 40 - 50%.
Система охолодження типу Д застосовується в трансформаторах потужністю 10 000 - 80 000 кВ. А. При зниженні навантаження трансформатора з дутьевим охолодженням на 50 - 60% вентилятори можна відключити, тобто пе-Рейт на природне масляне охолодження.
Примусова циркуляція масла через водяний охолоджувач (Ц) (Олійно-водяне охолодження) (рисунок 6.10).
Малюнок 6.10 - Олійно-водяне охолодження трансфор-матора
Ц - з примусовою циркуляцією води і ненаправленим потоком масла:
НЦ - з примусовою циркуляцією води і спрямованим потоком масла.
Нагріте в транс-форматорів 1 масло за допомогою насоса 2 проходить через охолоджувач 3, в якому циркулює вода. Це найбільш ефективний спосіб охолодження, так як коефіцієнт теплопередачі від масла в воду значно вище, ніж в повітря. Одночасно масло про-ходить через повітроохолоджувач 4 і фільтр 5, де звільняється від небажаних включень.
Водяні охолоджувачі систем Ц і НЦ компактніше повітряних і розсіюють потужності до 1000 кВт.
Системи охолодження типів ДЦ і НДЦ застосовують для трансформаторів загального призначення потужністю 80 000 - 400 000 кВ. А, кожен охолоджувач такої системи може розсіювати потужність до 200 кВт.
Трансформатори з негорючих рідким діелектриком (Н) - совтола встановлюються в тих виробничих приміщеннях, де навколишнє середовище не допускає використання масляних трансформаторів. Наприклад вони рекомендуються для великих машинних залів.
Різновиди видів охолодження совтолових трансформаторів:
Н - природне негорючим рідким діелектриком;
НД - негорючим рідким діелектриком з примусовою циркуляцією повітря;
ННД - негорючим рідким діелектриком з примусовою циркуляцією повітря і спрямованим потоком рідкого діелектрика.