Силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Принцип устройства, системы охлаждения.

Ответ:Силовые трансформаторы предназначены для преобразования э/э одного напряжения на другое. На пути к потребителю электроэнергия многократно трансформируется, поэтому в энергосистеме установленная мощность трансформаторов в 4–5 раз больше установленной мощности генераторов. Основные параметры: мощность S_ном; напряжение U_ном; ток I_ном; напряжение короткого замыкания U_кз; ток холостого хода I_хх; потери холостого хода ΔP_хх ;потери короткого замыкания ΔP_кз.

Номинальной мощностью трансформатора -называется значение полной мощности, с которой может длительно может работать трансформатор при номинальных условиях охлаждения, частоте и напряжении. Напряжение короткого замыкания U_кз – это напряжение при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней протекает ток равный номинальному. U_кз характеризует полное сопротивление трансформатора. Потери холостого хода ΔP

хх — это активные потери мощности в стали на перемагничивание и на вихревые токи. Потери короткого замыкания ΔP_кз.— обусловлены потерями активной мощности в обмотках трансформатора при протекании токов нагрузкии добавочными потерями вызванными магнитными полями рассеяния.

Типы трансформаторов: однофазные и трехфазные. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы. Однофазные трансформаторы применяются при большой мощности и высоких напряжениях (500, 750 кВ), когда возникают затруднения по условиям транспортировки. Технико-экономические показатели трехфазных трансформаторов лучше, чем у однофазных. Расход активных материалов у них на 20–25 % меньше, чем у группы однофазных трансформаторов такой же мощности. По количеству обмоток различают двухобмоточные и трехобмоточные. В трехобмоточных трансформаторах мощность обмотки низкого или среднего напряжения может быть меньше номинальной (например, 67 %). Сумма нагрузок обмоток низкого и высокого напряжений при этом не должна превышать номинальной. Трансформаторы с расщепленной обмоткой являются разновидностью трехобмоточных трансформаторов. Обмотка низкого напряжения может выполняться из двух или более изолированных ветвей. Основные конструктивные элементы силовых трансформаторов: магнитопровод, обмотки, высоковольтные выводы, устройство регулирования напряжения, бак, радиаторы и охладители, газовые реле, термосифонный фильтр.

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Преимуществом автотрансформаторов — является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью.

Рисунок- Схема однофазного автотрансформатора

Мощность передаваемая электромагнитным полем называется трансформаторной: Sтр=Iв(Uв-Uс) . Трансформаторная мощность в номинальном режиме называется типовой Sтип. Мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет электрической связи, называется электрической: Sэл= Iв*Uс. Размеры автотрансформатора определяются в основном магнитопроводом, а следовательно, типовой мощностью. Коэффициент типовой мощности: Системы охлаждения:Естественное воздушное охлаждение трансформаторов (С-сухие). Данная система охлаждения применяется для Т мощностью до 1600 кВА и напряжении до 15кВ.

Естественное масляное охлаждение (М): При данной системе происходит естественная конвективная циркуляция масла по баку и радиаторным трубам. Применяется для трансформаторов мощностью до 16000 кВА включительно. Масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д):В данной системе для интенсификации охлаждения радиаторных труб применяются охладители. Применяется данная система охлаждения для Т до 100 МВА. Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ)

—применяется для Т 63000 кВА и выше.Для интенсификации охлаждения применяются вентиляторы и маслонасосы для принудительной циркуляции масла. Как правило, применяется несколько групп охладителей (включающих насосы и вентиляторы), кот. включаются в зависимости от нагрузки и температуры масла. Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла (Ц).

5.3. Трансформаторы и автотрансформаторы. Справочник по проектированию электрических сетей

5.3.1. Основные определения и обозначения

Трансформаторы предназначены для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Различают двух-, трех- и многообмоточные трансформаторы, имеющие соответственно две, три и более гальванически не связанные обмотки. Передача энергии из первичной цепи трансформатора во вторичную происходит посредством магнитного поля.

Автотрансформатором называется трансформатор, две или более обмотки которого гальванически связаны так, что они имеют общую часть. Обмотки АТ связаны электрически и магнитно, и передача энергии из первичной цепи во вторичную происходит как посредством магнитного поля, так и электрическим путем.

В трансформаторе вся энергия трансформируется из первичной энергии во вторичную, тогда как в АТ только часть всей энергии трансформируется, а другая часть передается непосредственно из системы одного напряжения в систему другого напряжения без трансформации.

В трансформаторе первичная и вторичная обмотки с напряжением U₁ и U₂ имеют токи I₁ и I₂, протекающие в противоположных направлениях. В АТ часть первичной обмотки используется в качестве вторичной, что позволяет понизить напряжение во вторичной обмотке до

U₂. При этом часть первичной обмотки включает в себя вторичную и дополнительную часть с напряжением (U₁ ? U₂). Ток, протекающий в общей части обмотки АТ, является разностью двух токов (I₂ ? I₁). Поэтому общая часть обмотки может быть изготовлена из провода меньшего сечения, рассчитанная на разность токов (I₂? I₁) вместо полного тока I₂.

С другой стороны, первичная обмотка, имеющая более высокое напряжение, как бы уменьшена до последовательной части АТ, имеющей n₁ ? п

₂ витков вместо полного числа витков n₁. Следовательно, первичная обмотка уменьшается пропорционально величине (n₁ ? n₂) /n₁, а вторичная — пропорционально (I₂ ? I₁)/I₂. Это позволяет получить экономию активных материалов и размеров АТ по сравнению с трансформатором.

Для сравнения трансформаторов и автотрансформаторов приняты такие понятия, как «проходная» (S_пр) и «типовая» (S_т) мощности АТ.

Проходная мощность — мощность, передаваемая АТ во вторичную сеть, типовая мощность — мощность двухобмоточного трансформатора, имеющего параметры данного АТ.

Чем выше коэффициент трансформации (U_1н/U_2н), тем б?льшая выгода достигается с помощью АТ.

Различают силовые трансформаторы общего назначения, предназначенные для включения в сети, не отличающиеся особыми условиями работы, или для непосредственного питания совокупности приемников электрической энергии, не отличающихся особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. Силовые трансформаторы специального назначения, предназначены для непосредственного питания сетей и приемников электроэнергии, если эти сети и приемники отличаются особыми условиями работы, характером нагрузки или режимом работы. К числу таких сетей и приемников электроэнергии относятся, например, подземные рудничные и шахтные сети и установки, выпрямительные установки, электрические печи и т. п. Ниже приводятся номинальные данные по силовым трансформаторам общего назначения (мощность, напряжение обмоток и т. д.), соответствующие условиям их работы, установленным нормативными документами.

Номинальной мощностью двухобмоточного трансформатора является номинальная мощность каждой из его обмоток, в трехобмоточном трансформаторе — наибольшая из номинальных мощностей трех его обмоток.

За номинальное напряжение обмотки принимается напряжение между соответствующими зажимами, связанными с данной обмоткой при холостом ходе трансформатора.

По исполнению трансформаторы могут быть трехфазными и однофазными. В трехфазном трансформаторе под обмоткой обычно понимают совокупность соединенных между собой обмоток одного напряжения разных фаз. В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку ВН, присоединяемую к сети высокого напряжения, и обмотку НН, присоединяемую к сети низкого напряжения. Обмотку трансформатора, к которой подводится электрическая энергия, называют первичной, а обмотку, от которой энергия отводится, — вторичной. В трехобмоточном трансформаторе различают обмотки ВН, СН[6] и НН.

По виду охлаждающей среды различают

сухие и масляные трансформаторы. Трансформаторы с естественным воздушным охлаждением (сухие трансформаторы) обычно не имеют специальной системы охлаждения. В масляных трансформаторах в систему охлаждения входят: бак трансформатора, заливаемый маслом, для мощных трансформаторов — охладители, вентиляторы, масляные насосы, теплообменники и т. д.

Ряды номинальных мощностей, на которые разрабатываются трансформаторы по ГОСТ 9680—77, приведены ниже, кВА:

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

2.2 Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 25% ниже, расход активных материалов и стоимость на 20 – 25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ∙А, на 330 кВ до 1250 МВ∙А. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы делят на двухобмоточные и трехобмоточные. Обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, индуктивно не связанных, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения показаны на рисунке 2.16.

Широкое распространение трансформаторы с расщепленными обмотками НН получили в схемах питания потребителей собственных нужд (для повышения надежности электроснабжения) крупных ТЭС и АЭС с блоками мощностью 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях (для ограничения токов короткого замыкания).

а) б) в)

Рисунок 2.16 — Принципиальные схемы трансформаторов:

а) двухобмоточного б) трехорбмоточного

в) с расщепленными обмотками низкого напряжения.

К основным параметрам трансформатора относят: номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ, ток ХХ, потери ХХ и потери КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточных трансформаторов – это мощность каждой обмотки. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную мощность принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальное напряжение обмоток – это напряжение первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора – это его линейное напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, — это.

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по её номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания (% или о.е.) — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в последней проходит ток равный номинальному. Напряжение КЗ характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и в относительных единицах равно ему.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Соответственно, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ: . Величинарегламентируется в зависимости от напряжения для силовых трансформаторов от 5,5% придо 80% при.

Увеличивая значение можно уменьшить токи КЗ на вторичной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформатора. Если, например, трансформатор 110 кВ, 250 МВ∙А выполнить свместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 16%, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 МВ∙А).

Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции.

Ток холостого хода выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода и короткого замыканияопределяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатанная сталь с жаростойким изоляционным покрытием, а также шихтовка стали сердечника.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и в конструктивных элементах трансформатора. Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируется магнитными шунтами.

В современных конструкциях трансформаторов потери относительно небольшие. Например, в трансформаторе мощностью 250 МВ∙А, напряжением потери электроэнергии составляют 0,43% от общего количества электроэнергии, пропущенной через трансформатор за год. Однако, в сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, относительные потери в которых значительно больше, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны весьма значительны. Важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкцию трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения потерь электроэнергии (и).

Потери энергии в трансформаторах приводят к нагреву обмоток и магнитопровода, что ускоряет старение изоляции обмоток – бумаги, тканей, лаков и других материалов. Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств материалов, то есть износу трансформатора.

Чтобы замедлить процесс износа трансформатора и увеличить одновременно передаваемую им мощность, используются охлаждающие устройства. Принято считать, что охлаждающее устройство масляного трансформатора (для силовых трансформаторов и автотрансформаторов в качестве охлаждающей жидкости используется трансформаторное масло) состоит из системы внутреннего охлаждения,обеспечивающей передачу теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу, и системынаружного охлаждения,обеспечивающей передачу теплоты от масла окружающей среде.

В электроэнергетических системах Украины на ЭС и п/станциях применяются трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ, ДЦН, Ц.

Система охлаждения М применяются у трансформаторов сравнительно небольшой мощности напряжением, как правило, до 35 кВ. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми охладителями (радиаторами). Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединенный своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские экраны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет разной их плотности, т.е. за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвенционными потоками воздуха у поверхности баков и радиаторов, а также излучением.

Система охлаждения Дприменяется у трансформаторов средней мощности напряжением 35, 110 и 220 кВ. В ней используются навесные радиаторы обдуваемые вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются на консолях, приваренных к стенке бака. Включение и отключение электродвигателей вентиляторов производится автоматически или вручную. Для автоматического управления используются термические сигнализаторы.

Система охлаждения ДЦ получила распространение для охлаждения мощных трансформаторов наружной установки напряжением 110 кВ и выше. Её особенность – применение масляновоздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Управление охладителем ДЦ автоматическое и ручное. Аппаратура управления смонтирована в специальных шкафах автоматического управления охлаждением трансформатора типа ШАОТ – ДЦ или ШАОТ – ДЦН (ДЦ – масляное охлаждение с дутьем и ненаправленной циркуляцией масла; ДЦН – то же, но с направленной циркуляцией масла).

Система охлаждения ДЦН– отличается от ДЦ только тем, что движение масла внутри трансформатора упорядочено: охлажденное масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам.

В системах охлаждения ДЦ и ДЦН схема автоматического управления обеспечивает:

• включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть;

• увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе;

• включение резервного охладителя при аварийном отключении работающего и др.

Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения с основного источника на резервный (при исчезновении напряжения или его понижении в основной сети).

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией типа Цпринципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последней, охладители в системе Ц состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубами движется масло. Применяется для мощных трансформаторов наружной и внутренней установки. Она компактна, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью.

Для трансформаторов наружной установки охладители размещены в помещениях с положительной температурой. Предусматриваются меры, предотвращающие замерзание воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях в зимнее время (например, слив воды из охладителей при отключении трансформатора, утепление охладителей и др.).

2.2 Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 25% ниже, расход активных материалов и стоимость на 20 – 25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ∙А, на 330 кВ до 1250 МВ∙А. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы делят на двухобмоточные и трехобмоточные. Обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, индуктивно не связанных, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения показаны на рисунке 2.16.

Широкое распространение трансформаторы с расщепленными обмотками НН получили в схемах питания потребителей собственных нужд (для повышения надежности электроснабжения) крупных ТЭС и АЭС с блоками мощностью 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях (для ограничения токов короткого замыкания).

а) б) в)

Рисунок 2.16 — Принципиальные схемы трансформаторов:

а) двухобмоточного б) трехорбмоточного

в) с расщепленными обмотками низкого напряжения.

К основным параметрам трансформатора относят: номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ, ток ХХ, потери ХХ и потери КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточных трансформаторов – это мощность каждой обмотки. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную мощность принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальное напряжение обмоток – это напряжение первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора – это его линейное напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, — это.

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по её номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания (% или о.е.) — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в последней проходит ток равный номинальному. Напряжение КЗ характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и в относительных единицах равно ему.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Соответственно, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ: . Величинарегламентируется в зависимости от напряжения для силовых трансформаторов от 5,5% придо 80% при.

Увеличивая значение можно уменьшить токи КЗ на вторичной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформатора. Если, например, трансформатор 110 кВ, 250 МВ∙А выполнить свместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 16%, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 МВ∙А).

Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции.

Ток холостого хода выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода и короткого замыканияопределяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатанная сталь с жаростойким изоляционным покрытием, а также шихтовка стали сердечника.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и в конструктивных элементах трансформатора. Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируется магнитными шунтами.

В современных конструкциях трансформаторов потери относительно небольшие. Например, в трансформаторе мощностью 250 МВ∙А, напряжением потери электроэнергии составляют 0,43% от общего количества электроэнергии, пропущенной через трансформатор за год. Однако, в сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, относительные потери в которых значительно больше, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны весьма значительны. Важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкцию трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения потерь электроэнергии (и).

Потери энергии в трансформаторах приводят к нагреву обмоток и магнитопровода, что ускоряет старение изоляции обмоток – бумаги, тканей, лаков и других материалов. Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств материалов, то есть износу трансформатора.

Чтобы замедлить процесс износа трансформатора и увеличить одновременно передаваемую им мощность, используются охлаждающие устройства. Принято считать, что охлаждающее устройство масляного трансформатора (для силовых трансформаторов и автотрансформаторов в качестве охлаждающей жидкости используется трансформаторное масло) состоит из системы внутреннего охлаждения,обеспечивающей передачу теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу, и системынаружного охлаждения,обеспечивающей передачу теплоты от масла окружающей среде.

В электроэнергетических системах Украины на ЭС и п/станциях применяются трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ, ДЦН, Ц.

Система охлаждения М применяются у трансформаторов сравнительно небольшой мощности напряжением, как правило, до 35 кВ. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми охладителями (радиаторами). Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединенный своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские экраны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет разной их плотности, т.е. за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвенционными потоками воздуха у поверхности баков и радиаторов, а также излучением.

Система охлаждения Дприменяется у трансформаторов средней мощности напряжением 35, 110 и 220 кВ. В ней используются навесные радиаторы обдуваемые вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются на консолях, приваренных к стенке бака. Включение и отключение электродвигателей вентиляторов производится автоматически или вручную. Для автоматического управления используются термические сигнализаторы.

Система охлаждения ДЦ получила распространение для охлаждения мощных трансформаторов наружной установки напряжением 110 кВ и выше. Её особенность – применение масляновоздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Управление охладителем ДЦ автоматическое и ручное. Аппаратура управления смонтирована в специальных шкафах автоматического управления охлаждением трансформатора типа ШАОТ – ДЦ или ШАОТ – ДЦН (ДЦ – масляное охлаждение с дутьем и ненаправленной циркуляцией масла; ДЦН – то же, но с направленной циркуляцией масла).

Система охлаждения ДЦН– отличается от ДЦ только тем, что движение масла внутри трансформатора упорядочено: охлажденное масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам.

В системах охлаждения ДЦ и ДЦН схема автоматического управления обеспечивает:

• включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть;

• увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе;

• включение резервного охладителя при аварийном отключении работающего и др.

Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения с основного источника на резервный (при исчезновении напряжения или его понижении в основной сети).

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией типа Цпринципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последней, охладители в системе Ц состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубами движется масло. Применяется для мощных трансформаторов наружной и внутренней установки. Она компактна, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью.

Для трансформаторов наружной установки охладители размещены в помещениях с положительной температурой. Предусматриваются меры, предотвращающие замерзание воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях в зимнее время (например, слив воды из охладителей при отключении трансформатора, утепление охладителей и др.).

1.5. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

1.5.1. Типы трансформаторов и их параметры

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15 % ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20 — 25 % меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же сум­марной мощности.

Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ • А, на 330 кВ — 1250 МВ•А, на 500 кВ — 1000МВ•А.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ составляет 3×533 МВА, напряжением 750 кВ — 3×417 МВА, напряжением 1150 кВ — 3×667 МВ•А.

По количеству обмоток различного напряжения трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные (рис. 2.14, а, б). Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от за­земленных частей — трансформаторы с расщепленными обмотками (рис.2.14,в). Они получили широкое распространение в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200 — 1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов КЗ. Трансформаторы с расщепленными обмотками НН также обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные энергоблоки позволяют упростить схему распределительного устройства (РУ) 330 — 500 кВ.

К основным параметрам трансформатора относятся: номиналь­ные мощность, напряжение, ток; напряжение КЗ; ток холостого хода; потери холостого хода и КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточного трансформатора — это мощность каждой из его обмоток. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В пос­леднем случае за номинальную принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальные напряжения обмоток — это напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора — это его линейное (междуфазное) напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, — это .

Коэффициент трансформации трансформатора п определяется отношением номинальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений

В трехобмоточных трансформаторах определяется коэффициент трансформации каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН.

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная нормальная работа трансформатора.

Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по ее номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания и_к — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному.

Напряжение КЗ определяют по падению напряжения в трансформаторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Таким образом, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ: u_{к ВН-НН}> u_{к ВН-СН} > u_{к СН-НН}.

Поскольку индуктивное сопротивление обмоток значительно выше активного (у небольших трансформаторов в 2 — 3 раза, а у крупных в 15 — 20 раз), то и_к в основном зависит от реактивного сопротивления, т.е. взаимного расположения обмоток, ширины канала между ними, высоты обмоток. Величина и_к регламентируется ГОСТ в зависимости от напряжения и мощности трансфор­маторов. Чем больше высшее напряжение и мощность трансфор­матора, тем больше напряжение КЗ.

Увеличивая значение и_к, можно уменьшить токи КЗ на вторич­ной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается сто­имость трансформаторов. Если трансформатор 110 кВ мощностью 25 МВ•А выполнить с и_к= 20% вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 15,7 %, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 Мвар).

Трехобмоточные трансформаторы могут иметь два исполнения по значению и_к в зависимости от взаимного расположения обмоток. Если обмотка НН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка СН — между ними, то наибольшее значение имеет u_{к ВН-НН},а меньшее значение — u_{к ВН-СН}. В этом случае потери напряжения по отношению к выводам СН уменьшатся, а ток КЗ в сети НН будет ограничен благодаря повы­шенному значению u_{к ВН-НН}.

Если обмотка СН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка НН — между ними, то наибольшее значение имеет u_{к ВН-СН} , а меньшее — u_{к ВН-НН}. Значение и_к сн-нн останется одинаковым в обоих исполнениях.

Ток холостого хода I_Х характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции. Ток холостого хода выражается в процентах номинального тока трансформатора. В современных трансформаторах с холодноката­ной сталью токи холостого хода имеют небольшие значения.

Потери холостого хода Р_х и короткого замыкания Р_к определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь стали на перемагничивание и вихревые токи. Для их уменьшения применяются электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатаная сталь толщиной 0,3 мм марок 3405, 3406 и других с жаростойким изоляционным покрытием.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и конструкциях трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и конструкциях трансформатора (стенки бака, ярмовые балки и др.). Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируются магнитными шунтами.

1.5. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

1.5.1. Типы трансформаторов и их параметры

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12—15 % ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20 — 25 % меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же сум­марной мощности.

Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ • А, на 330 кВ — 1250 МВ•А, на 500 кВ — 1000МВ•А.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ составляет 3×533 МВА, напряжением 750 кВ — 3×417 МВА, напряжением 1150 кВ — 3×667 МВ•А.

По количеству обмоток различного напряжения трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные (рис. 2.14, а, б). Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от за­земленных частей — трансформаторы с расщепленными обмотками (рис.2.14,в). Они получили широкое распространение в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200 — 1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов КЗ. Трансформаторы с расщепленными обмотками НН также обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные энергоблоки позволяют упростить схему распределительного устройства (РУ) 330 — 500 кВ. К основным параметрам трансформатора относятся: номиналь­ные мощность, напряжение, ток; напряжение КЗ; ток холостого хода; потери холостого хода и КЗ. Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточного трансформатора — это мощность каждой из его обмоток. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выпол­нены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В пос­леднем случае за номинальную принимается наибольшая из номи­нальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»). Номинальные напряжения обмоток — это напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трех­фазного трансформатора — это его линейное (междуфазное) на­пряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, — это U/√3. Коэффициент трансформации трансформатора п определяется отношением но­минальных напряжений обмоток высшего и низшего напряжений В трехобмоточных трансформаторах определяется коэффици­ент трансформации каждой пары обмоток: ВН и НН; ВН и СН; СН и НН. Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых до­пускается длительная нормальная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определя­ют по ее номинальной мощности и номинальному напряжению. Напряжение короткого замыкания и_к — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при зам­кнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный но­минальному.

Напряжение КЗ определяют по падению напряжения в транс­форматоре, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах на­пряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при ра­зомкнутой третьей обмотке. Таким образом, в каталогах приво­дятся три значения напряжения КЗ: u_{к ВН-НН}> u_{к ВН-СН} > u_{к СН-НН}.

Поскольку индуктивное сопротивление обмоток значительно выше активного (у небольших трансформаторов в 2 — 3 раза, а у крупных в 15 — 20 раз), то и_к в основном зависит от реактивного сопротивления, т.е. взаимного расположения обмоток, ширины канала между ними, высоты обмоток. Величина и_к регламентиру­ется ГОСТ в зависимости от напряжения и мощности трансфор­маторов. Чем больше высшее напряжение и мощность трансфор­матора, тем больше напряжение КЗ.

Увеличивая значение и_к, можно уменьшить токи КЗ на вторич­ной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличи­вается потребляемая реактивная мощность и увеличивается сто­имость трансформаторов. Если трансформатор 110 кВ мощностью 25 МВ•А выполнить с и_к= 20% вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 15,7 %, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 Мвар).

Трехобмоточные трансформаторы могут иметь два исполнения по значению и_к в зависимости от взаимного расположения обмо­ток. Если обмотка НН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка СН — между ними, то наи­большее значение имеет u_{к ВН-НН},а меньшее значение — u_{к ВН-СН}. В этом случае потери напряжения по отношению к выводам СН уменьшатся, а ток КЗ в сети НН будет ограничен благодаря повы­шенному значению u_{к ВН-НН}.

Если обмотка СН расположена у стержня магнитопровода, обмотка ВН — снаружи, а обмотка НН — между ними, то наи­большее значение имеет u_{к ВН-СН} , а меньшее — u_{к ВН-НН}. Значение и_к сн-нн останется одинаковым в обоих исполнениях.

Ток холостого хода I_Х характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструк­ции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции. Ток холостого хода выражается в процентах номинального тока трансформатора. В современных трансформаторах с холодноката­ной сталью токи холостого хода имеют небольшие значения.

Потери холостого хода Р_х и короткого замыкания Р_к определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь стали на перемагничивание и вихревые токи. Для их уменьшения применяются электротехническая сталь с ма­лым содержанием углерода и специальными присадками, холод­нокатаная сталь толщиной 0,3 мм марок 3405, 3406 и других с жаростойким изоляционным покрытием.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмот­ках и конструкциях трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и конструкциях трансформатора (стенки бака, ярмовые балки и др.). Для их снижения обмотки выполня­ются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируются магнитными шунтами.

6 Трансформаторы и Автотрансформаторы

Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения на другое. На пути к потребителю электроэнергия многократно трансформируется, поэтому в энергосистеме установленная мощность трансформаторов в 4-5 раз больше установленной мощности генераторов.

Номинальные параметры трансформаторов: мощность S_ном; напряжение U_ном; ток I_ном; напряжение короткого замыкания U_кз; ток холостого хода I_хх; потери холостого хода P_хх; потери короткого замыкания P_кз.

Номинальной мощностью трансформатора называется значение полной мощности с которой может длительно может работать трансформатор при номинальных условиях охлаждения, частоте и напряжении.

В таблице 1.3 приведена шкала номинальных мощностей (кВА) трансформаторов до 6300 кВА включительно.

Таблица 1.3

Шкала номинальных мощностей трансформаторов

10	16	25	40	63
100	160	250	400	630
1000	1600	2500	4000	6300

Напряжение короткого замыкания U_кз – это напряжение при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней протекает ток равный номинальному. U_кз характеризует полное сопротивление трансформатора. В справочных данных оно обычно указывается в % от номинального напряжения. U_кз – используется при расчетах токов короткого замыкания.

Потери холостого хода P_хх – это активные потери мощности в стали на перемагничивание и на вихревые токи. В современных трансформаторах с холоднокатанной сталью марки Э330А потери меньше.

Потери короткого замыкания P_кз. – обусловлены потерями активной мощности в обмотках трансформатора при протекании токов нагрузки и добавочными потерями вызванными магнитными полями рассеяния.

Значения P_хх, P_кз используются при расчетах связанных с определением экономичных режимов трансформаторов.

Типы трансформаторов: однофазные и трехфазные.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы. Однофазные трансформаторы применяются при большой мощности и высоких напряжениях (500, 750 кВ), когда возникают затруднения по условиям транспортировки. Технико-экономические показатели трехфазных трансформаторов лучше чем у однофазных. Расход активных материалов у них на 20-25 % меньше чем у группы однофазных трансформаторов такой же мощности.

По количеству обмоток различают двухобмоточные и трехобмоточные. В трехобмоточных трансформаторах мощность обмотки низкого или среднего напряжения может быть меньше номинальной (например 67 %). Сумма нагрузок обмоток низкого и высокого напряжения при этом не должна превышать номинальной.

Трансформаторы с расщепленной обмоткой являются разновидностью трехобмоточных трансформаторов. Обмотка низкого напряжения может выполняться из двух или более изолированных ветвей. Мощность каждой из расщепленных обмоток определяется выражением:

,

где n – количество расщепленных ветвей.

Рис. 1.17. Схема замещения трансформатора с расщепленной обмоткой

Конструктивные особенности и характеристики трансформаторов с расщепленной обмоткой.

Достоинством трансформаторов с расщепленной обмоткой является большое сопротивление ветвей, что позволяет уменьшить токи короткого замыкания в РУ низкого напряжения подстанций.

В справочниках для трансформаторов с расщепленной обмоткой U_кз обычно задано между обмоткой высокого напряжения и параллельно соединенными обмотками низкого напряжения (). ЗначенияU_кз находятся при этом в диапазоне 10-12 % и для отдельных обмоток могут быть определены по выражениям:

;

,

где K_р – коэффициент расщепления, принимается равным – для трехфазных трансформаторов;– для группы из трех однофазных трансформаторов.

При расчете токов короткого замыкания на стороне низкого напряжения трансформатора (при раздельной работе обмоток низкого напряжения) можно принимать: _.

В случае если для трансформатора с расщепленной обмоткой значение U_к.т, приведенное в справочнике, превышает 20 %, то применять коэффициент 2 не следует, т.к. справочные данные приведены для раздельной работы обмоток низкого напряжения трансформатора.

Автотрансформаторы

Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансформатор у которого две обмотки связаны электрически.

Рис. 1.18. Схема однофазного трехобмоточного автотрансформатора

Полная мощность передаваемая из первичной стороны автотрансформатора в во вторичную называется проходной. Проходная мощность в номинальном режиме называется номинальной S_ном.

Мощность передаваемая электромагнитным полем называется трансформаторной: . Трансформаторная мощность в номинальном режиме называется типовойS_тип.

Мощность передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет электрической связи называется электрической: .

Размеры автотрансформатора определяются в основном магнитопроводом, а, следовательно, типовой мощностью.

Коэффициент типовой мощности:

.

Номинальная мощность обмотки низкого напряжения (электрически не связанной) автотрансформатора всегда меньше (или равна) типовой мощности S_тип.