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.

Рис. 3.13. Схема одно­фазного автотрансфор­матора

Однофазный автотрансформатор имеет две электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рис. 13). 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 I_В, который, создавая магнитный поток, наводит в общей обмотке ток I₀. Ток нагрузки вторичной обмотки I _с складывается из тока Iв, проходящего бла­годаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока I о, созданного магнитной связью этих обмо­ток:

Iс = I_в + I₀ , откуда I ₀ = Iс- I _в

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

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

S = U_BI_B = U_cI_c.

Преобразуя правую часть выражения, получаем:

S = U_BI_B = [(U_B – U _с) + U _с] I_в = (U_b-U_c)Ib + U_cI_b,, (3)

где (U_B — U_c)I_в = S_т — трансформаторная мощ­ность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичную; Uс∙IВ=S_э — электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет их гальва­нической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток 1_В из последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номи­нальной мощностью автотрансформатора S = S_H0M, а трансфор­маторная мощность — типовой мощностью

S_т = S_тип

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

(4)

где п_ВС =Ub/U_С — коэффициент трансформации; к_выг — коэф­фициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из выражения (4) следует, что чем ближе U_B к Uc, тем меньше k_выг 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 U_B = 330 кВ, U_c = 110 кВ к_выг = 0,667, а при U_B = 550 кВ, U_c = 330 кВ к_выг =0,34.

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

Из схемы (рис. 13) видно, что мощность последовательной обмотки

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 S_ТИП нельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, cвязанная 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 Sнн не может быть больше S_тип так как иначе размеры автотрансформатора будут определяться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки HН указывается в паспортных данных автотрансформатора.

Рис. 3.14. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в различных режимах.

А, б — автотрансформаторные режимы; в, г — трансформаторные режимы; д, е — ком­бинированные режимы.

Рассмотрим режимы работы трехобмоточных автотрансформа­торов с обмотками ВН, СН и НН (рис.3. 14).

В автотрансформаторных режимах, (рис.3. 14, а, б) возможна передача номинальной мощности S_НОМ из обмотки ВН в обмотку СН или наоборот. В обоих режимах в общей обмотке проходит разность токов 1_с — 1в = к_выг 1_с, а поэтому последовательная и общая обмотки загружены типовой мощностью, что допустимо.

В трансформаторных режимах (рис.3. 14, б, г) возможна передача мощности из обмотки НН в обмотку СН или ВН, причем обмотку НН можно загрузить не более чем на S_ТИП.

Условие допустимости режима НН → ВН или НН → СН:

Если происходит трансформация 5_ТИП 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 S_TM из обмотки НН в ВН (рис.3.14, г) общая и последовательная обмотки загружены не полностью:

где Р_р, Q_B — активная и реактивная мощности, передаваемые из ВН в СН.

Нагрузка последовательной обмотки

Отсюда видно, что даже при передаче номинальной мощности Sb = S_Н0M последовательная обмотка не будет перегружена.

В общей обмотке токи автотрансформаторного и трансформатор­ного режимов направлены одинаково:

Нагрузка общей обмотки

Подставляя значения токов и производя преобразования, полу­чаем:

где Рнн, Qhh — 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

S_o ≤S_ТИП = k_BЫГS_HОМ (2-17)

В комбинированном режиме передачи мощности из обмоток НН и СН в обмотку ВН распределение токов показано на рис. 14, 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:

(2-18)

где Р_с, Q_c — активная и реактивная мощности на стороне СН; Рнн, Qhh — то же на стороне НН.

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

(2-19)

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.

Рис.3. 15. Схема включения трансформаторов тока для контроля нагрузки автотран­сформатора.

Во всех случаях надо контролиро­вать загрузку обмоток автотрансформа­тора. Ток в последовательной обмотке может контролироваться трансформато­ром тока ТТ1, так как 1_п = 1_В (рис. 15). Трансформатор тока ТТ2 контролирует ток на выводе обмотки СН, а для конт­роля тока в общей обмотке необходим трансформатор тока ТТО, встроенный непосредственно в эту обмотку. Допу­стимая нагрузка общей обмотки указы­вается в паспортных данных автотранс­форматора.

Выводы, сделанные для однофазного трансформатора [формулы (2-14) —(2-18)], справедливы и для трехфазного трансформатора, схема которого показана на рис.3.16. Обмотки ВН и СН соединяются в звезду с выведенной нулевой точкой. Обмотки НН соединяются 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 замыканиина землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение U_B/ вместо (Ub — Uc)/ > напряжение выводов обмотки СН возрастет при­мерно до Uв, 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 [2-14].

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 к. з.

Рис. 3.16. Схема трехфазного автотрансформатора.

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

1. меньший расход материалов (меди, стали, изоляционных материалов);

2. меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;

3. меньшие потери и больший к. п. д.;

4. более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

1. необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного к. з.;

2. сложность регулирования напряжения;

3. опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.