Типы трансформаторов и их параметры

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии 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.

Прогресс в трансформаторостроении позволил изготовить трех­фазные трансформаторы на напряжение 220 и 500 кВ мощностью до 630 MB∙А, на 330 кВ — 1000 MB∙А и автотрансформаторы 500/110 кВ мощностью в единице 250 MB∙A. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается условиями транспорти­ровки, массой и размерами.

Однофазные трансформаторы применяются, если невоз­можно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощ­ность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ — 1600 MB∙А; напряжением 750 кВ — 1250 MB∙A.

Силовые трансформаторы и автотрансформаторы вы­пускаются в соответствии с рядом номинальных мощнос­тей, установленным ГОСТ 9680-61 (табл. 1).

Таблица 3-2

Номинальная мощность трехфазного трансформатора равна:

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные (рис. 5, 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. Такие трансформаторы называются транс­форматорами с расщепленными обмотками (рис. 5, в). Обмотки высшего, среднего и низшего напряжения принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, НН.

Трансформаторы с расщепленными обмотками НН обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору. Такие укрупненные блоки позволяют упростить схему РУ 330—500 кВ. Широкое распространение трансформаторы с расщепленной обмоткой НН получили в схемах питания собственных нужд крупных ТЭС с блоками 200—1200 МВт, а также на понижающих подстанциях с целью ограничения токов к. з.

К основным параметрам трансформатора относятся номинальные мощность, напряжение, ток; напряжение к. з.; ток х. х.; потери х. х. и к. з.

Рис. 3.6. Принципиальные схемы трансформаторов.

а — двухобмоточного; б — трехобмоточного; в — с расщепленными обмотками низкогонапряжения.

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.

Для трансформаторов общего назначения, установленных на открытом воздухе и -имеющих естественное масляное охлаждение без обдува и с обдувом, за номинальные условия охлаждения принимают естественно меняющуюся температуру наружного воз­духа (среднесуточная не более 30°С, среднегодовая не более 20°С), а для трансформаторов с масляно-водяным охлаждением температу­ра воды у входа в охладитель принимается не более 25°С (ГОСТ 11677-75). 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»).

Кроме установки на открытом воздухе трансформаторы устанавливают в закрытых неотапливаемых помещениях с естественной вентиляцией. В этом случае трансформаторы также могут быть непрерывно нагружены на номинальную мощность, но при этом срок службы трансформатора несколько снижается из-за худших условий охлаждения.

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/ . При работе трансформатора под нагрузкой и подведении к зажимам его первичной обмотки номинального напряжения напряжение на вторичной обмотке меньше номинального на величину потери напряжения в трансформаторе. Коэффициент трансформаций трансформатора п, который является 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 U_K — это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номи­нальному.

Напряжение к. з. определяет падение напряжения в трансфор­маторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток транс­форматора.

В трехобмоточном трансформаторе напряжение к. з. определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Таким образом, трехобмоточный трансформатор имеет три значе­ния и_к.

Для всех трансформаторов напряжение к. з., % номинального,

,

где и_а — активная составляющая напряжения к. з., зависящая от активного сопротивления трансформатора; и_р — реактивная составляющая напряжения к. з., зависящая от реактивного (индук­тивного) сопротивления трансформатора.

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 короткого замыкания. Так, трансформатор 630 кВ∙А с высшим напряжением 10 кВ имеет и_к — 5,5%, с высшим напряжением 35 кВ и_к — 6,5%; трансформатор мощностью 80 000 кВ∙Ас высшим напряжением 35 кВ имеет и_к = 9%, а с высшим напряжением 110 кВ и_к = 10,5%.

Увеличивая значение и_к, можно уменьшить токи к. з. на вторич­ной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость транс­форматоров. Если трансформатор 110 кВ, 25 MB∙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).

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 в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холод­нокатаная сталь толщиной 0,35 мм марки Э330А с жаростойким покрытием. В справочниках и каталогах приводятся значения ∆Р_Х для уровней А и Б. Уровень А относится к трансформаторам, изготовленным из электротехнической стали с удельными потерями не более 0,9 Вт/кг, уровень Б — с удельными потерями не более 1,1 Вт/кг (при В = 1,5 Тл, f= 50 Гц).

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.

В современных конструкциях трансформаторов потери значи­тельно снижены. Например, в трансформаторе 250 000 кВ∙А, U =110 кВ (∆Р_Х = 200 кВт, ∆Р_К = 790 кВт), работающем круг­лый год (Т_тах = 6300 ч), потери электроэнергии составят 0,43% электроэнергии, пропущенной через трансформатор. Чем меньше мощность трансформатора, тем больше относительные потери в нем.

В сетях энергосистем установлено большое количество транс­форматоров малой и средней мощности, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны значительны.