Классификация трансформаторов

Силовые трансформаторы (далее просто трансформаторы), установленные на электростанциях или подстанциях, служат для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое, связи между отдельными элементами (участками) электрической сети, регулирования напряжения и перетоков мощности. Они представляют собой статическое электромагнитное устройство, имеющее две и более индуктивно связанных обмотки. По назначению трансформаторы делятся на повышающие и понижающие, по числу обмоток — на двухобмоточные, трехобмоточные и с расщепленными обмотками. Двухобмоточные трансформаторы имеют обмотки высшего напряжения (ВН) и низшего напряжения (НН); трехобмоточные — обмотки высшего напряжения, среднего напряжения (СН) и низшего напряжения. По числу фазных обмоток, размещенных на одном магнитопроводе, различают однофазные и трехфазные трансформаторы. Из трех однофазных трансформаторов составляется одна трехфазная группа.

Рис. 1. Схемы соединения обмоток двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой НН (о), трехфазного трехобмоточного автотрансформатора (б)

Трансформаторы с расщепленными обмотками (рис. 1, а) применяют в основном для снижения токов короткого замыкания в данной точке сети. Под трансформаторами с расщепленной обмоткой понимают такой трансформатор, одна из обмоток которого имеет две части и более, электрически несоединенные и имеющие раздельные выводы. Это позволяет использовать каждую часть независимо от других.
При необходимости отдельные части обмотки, если их номинальное напряжение одинаково, могут быть соединены электрически и включены на параллельную работу. Возможна также работа каждой части расщепленной обмотки при отключенной другой. Суммарная мощность всех частей расщепленной обмотки равна номинальной мощности трансформатора.
Трансформаторы с расщепленными обмотками (ГОСТ 17544—85) изготовляют на 500...750 кВ как однофазными, так и трехфазными. В отличие от обычного двухобмоточного трансформатора у трансформатора с расщепленной на две части обмоткой (НИ, и НН2) обмотка ВН имеет две параллельные ветви. У однофазного трансформатора ветви обмотки ВН и обмотки НН размещаются на разных стержнях магнитопровода. В трехфазном трансформаторе ветви расщепленной обмотки НН каждой фазы располагаются не на разных стержнях, а на одном стержне, сдвинутыми в осевом направлении. От взаимного расположения витков обмоток зависят эксплуатационные свойства и параметры схемы замещения трансформатора.

Однофазные трансформаторы с расщепленными обмотками применяют в соответствии с ГОСТ 17544—85 только для напряжений 500...700 кВ. Они не рассчитаны на серийное производство. Однако в будущем роль этих трансформаторов для сети напряжением до 35 кВ будет возрастать, так как растут токи короткого замыкания в сети напряжением 0,4... 35 кВ и их необходимо снижать.

Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что две его обмотки электрически соединены, что обусловливает передачу мощности не только электромагнитным, но и электрическим путем.
Автотрансформаторы широко применяют в сетях напряжением 150 кВ и выше благодаря их меньшей стоимости и меньшим суммарным потерям активной мощности в обмотках по сравнению с трансформаторами той же мощности. Потери мощности в стали автотрансформаторов также ниже по сравнению с трансформаторами.
Обычно у многообмоточного автотрансформатора электрически связаны обмотки ВН и СН, а обмотка НН (третичная обмотка) имеет электромагнитную связь (рис. 1, б). Три фазы обмотки высшего и среднего напряжения автотрансформатора соединяют в звезду и общую нейтраль их заземляют, а обмотка низшего напряжения всегда соединяется в треугольник. Обмотка высшего напряжения каждой фазы автотрансформатора состоит из двух частей: общей обмотки, или обмотки среднего напряжения, и последовательной обмотки. Благодаря наличию электрической связи между обмотками в автотрансформаторе иное токораспределение, чем в трансформаторе.
Мощность S„ = SD= Sном2 = Sтип называется типовой мощностью автотрансформатора. Она представляет собой часть номинальной мощности и передается электромагнитным путем. Так как мощность в а* раз меньше номинальной, расход активных материалов, размеры, масса и стоимость автотрансформатора будут меньше, чем у обычного трансформатора такой же номинальной мощности.

*а — коэффициент выгодности автотрансформатора.

Величина коэффициента выгодности зависит от соотношения высшего и среднего напряжений UB/UC и колеблется от 0,855 (UB = = 750 кВ, Uc = 110кВ) до 0,267 (UB = 150 кВ, Uc = 110 кВ). Если величины высшего и среднего напряжений отличаются незначительно, то применение автотрансформатора вместо обычного трансформатора становится экономически более выгодным.
Пример. Необходимо передать мощность 50 кВ • А из сети 230 В в сеть 380 В, применив для этого автотрансформатор.
Определим коэффициент выгодности ост: ат = 1 - V/K, где К= СУ£/, или 1 - 230/380 = 1 - 0,6 = 0,4.

Значит, вместо обычного трансформатора мощностью 50 кВ - А можно применить автотрансформатор мощностью 50x0,4 = = 20 кВА.
Обмотка НН понижающего автотрансформатора используется для питания нагрузки, а также для присоединения компенсирующих устройств (синхронного компенсатора, батареи конденсаторов). Ее мощность выбирается равной типовой мощности = Sтип = _ с ~ Sном.

На электростанциях, когда нет необходимости использовать коэффициенты выгодности автотрансформаторов, для передачи мощности генераторов применяют повышающие трансформаторы без РПН, так как первичное напряжение (напряжение генераторов) стабильное.
В сетях энергосистем автотрансформаторы применяют чаще всего как элементы связи в системообразующих точках разного напряжения ВН и СН.
Различие между понижающим и повышающим автотрансформатором состоит в том, что в общей обмотке первого проходит разность токов /с - /в, а в общей обмотке второго — их сумма /с + 1В. Кроме того, благодаря конструкционному расположению обмоток повышающие автотрансформаторы обладают сравнительно небольшим реактивным сопротивлением (10... 13 %) в режиме работы НН—ВН, что очень важно с точки зрения уменьшения суммарной реактивности электропередачи. Понижающие автотрансформаторы, наоборот, имеют большое реактивное сопротивление (24... 36 %) между обмотками ВН— НН, что благоприятно сказывается на ограничении величин тока КЗ на стороне НН. В то же время большое значение реактивного сопротивления затрудняет регулирование напряжения и увеличивает потребление реактивной мощности.
Недостатком электрической связи обмоток ВН и СН автотрансформатора является возможность непосредственной передачи перенапряжений из одной сети в другую. Для защиты изоляции автотрансформатора от повреждений на выводах высшего и среднего напряжений устанавливают вентильные разрядники, присоединяемые непосредственно (без разъединителей) к вводам автотрансформатора.

Для уменьшения токов однофазных КЗ в нейтрали автотрансформаторов включают токоограничивающие реакторы типа РОН-35, которые включают без разъединителей к ошиновке нейтрали.

Заземление нейтралей всех работающих в энергосистеме автотрансформаторов приводит к увеличению токов однофазного КЗ.

Технические данные трансформаторов указаны на специальных щитках, которые крепятся к баку трансформатора. В них пере- числены все необходимые сведения о трансформаторе, в том числе: тип трансформатора (автотрансформатора); обозначение схемы и группы соединения обмоток; номинальная частота; вид переключения ответвлений; номинальная мощность, кВ-А; номинальное напряжение трансформатора и напряжение ответвлений, кВ; номинальные токи, А; напряжение короткого замыкания, %; полная масса трансформатора, кг или т; масса масла, кг или т; масса активной части, кг или т; транспортная масса (если она равна или больше 90 т); масса съемной части бака в транспортном состоянии, кг или т.

В зависимости от мощности трансформаторы изготовляют сухими (С), сухими защищенными (СЗ) или сухими герметичными (СГ) или масляными (М).
Условное обозначение трансформаторов (масляных) обычно состоит из буквенной и цифровой частей. Буквы означают: А — автотрансформаторная схема соединения обмоток; Т и О — число фаз (трехфазный, однофазный); Р — наличие расщепленной обмотки (из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземленных частей, которые допускают независимую друг от друга нагрузку или питание) на стороне НН; М, Д, ДЦ, Ц, МЦ и MB — система охлаждения; Т — наличие третьей обмотки; Н — наличие регулирования под нагрузкой; С и 3 — трансформатор собственных нужд, без расширителя. Номинальная мощность трансформатора указывается в кВ * А (числитель в цифровой части обозначения).

Например, условное обозначение трансформатора ТРДНС- 32000310-92У1 означает, что это трехфазный двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой НН, с системой охлаждения «Д», с РПН, исполнения для собственных нужд электростанций, номинальной мощностью 32 000 кВ - А, класса напряжения 10 кВ, конструкции 1992 г., для районов с умеренным климатом для наружной установки.

Для перевозки трансформаторов в ремонт и выбора соответствующих транспортных средств необходимо знать их предельные внешние габаритные размеры. При изготовлении и ремонте трансформаторов со сменой отдельных элементов (обмоток, магнито- провода и др.) размеры последних выбирают в зависимости от установленных для этих трансформаторов габаритных размеров. Для трансформаторов и автотрансформаторов отечественного производства введены восемь габаритных размеров (табл. 1).

На подстанциях дальних электропередач применяют шунтирующие реакторы. По своей конструкции они близки к трансформаторам и автотрансформаторам. Однако шунтирующие реакторы — это индуктивности, предназначенные для компенсации емкостного сопротивления линий большой протяженности. Их включают непосредственно по концам линий сверхвысоких напряжений, подключают также к шинам среднего напряжения и третичным обмоткам автотрансформаторов на подстанциях дальних электропередач.