Системи охолодження трансформаторів (автотрансформаторів)

Втрати потужності в трансформаторі пропорційні його потужності в ступені 3/4, а поверхня охолодження пропорційна потужності в ступені 1/2, тобто зі збільшенням потужності трансформаторів втрати ростуть швидше, ніж поверхня охолодження.

З метою відводу тепла від обмоток трансформатора застосовують різні системи охолодження. Природне повітряне охолодження здійснюється шляхом природної конвекції повітря і частково випромінюванням в повітря. Такі трансформатори отримали назву "сухих. Прийнято означати цей тип охолодження буквою С при відкритому охолодженні; при захищеному – СЗ; при герметизованому – СГ; з вимушеною циркуляцією повітря –СД. Припустиме перевищення температури обмотки сухого трансформатора залежить від класу нагрівостійкості ізоляції – для класу А – не більше 60⁰С, для класу Е – 75⁰С, для класу В – 80⁰С, для класу F – 100⁰С, для класу Н – 125⁰С. Така система охолодження малоефективна, тому застосовується для трансформаторів потужністю до 1600 кВА напругою до 15 кВ.

Для трансформаторів невеликої й середньої потужності застосовують природне масляне охолодження (позначення системи - М). У таких трансформаторі є приварені до бака вертикальні труби або знімні радіатори, у які нагріте масло надходить із верхньої частини бака. Рухаючись униз по трубах, омиваних повітрям, масло охолоджується й надходить у нижню частину бака. З таким охолодженням виготовляються трансформатори потужністю до 16000 кВА включно. При номінальному навантаженні температура масла в верхніх шарах не повинна перевищувати +95⁰ С.

Для потужних трансформаторів природного охолодження недостатньо. У цьому випадку додається штучне охолодження радіаторів повітрям (дуття) за допомогою радіаторів (позначення системи - Д). в цьому випадку в навісних охолоджувачах із радіаторних труб розміщуються вентилятори, які забирають повітря знизу і обдувають верхню частину труб. Пуск і зупинка вентиляторів можуть виконуватись автоматично в залежності від навантаження і температури масла. Трансформатори з таким охолодженням можуть працювати при повністю відключеному дутті, якщо навантаження не перевищує 100% номінального, а температура верхніх шарів масла не більше 55⁰ С, а також при мінусових температурах навколишнього повітря і при температурі масла не вищій +45⁰ С незалежно від навантаження.

У найбільш потужних трансформаторів бічна поверхня виявляється недостатньою для розміщення великої кількості радіаторів. У таких випадках застосовують відділені від бака батареї радіаторів або переходять до системи охолодження із примусовою циркуляцією масла. Масло насосами прокачується через охолоджувачі в яких воно охолоджується водою (позначення системи - Ц або повітрям – ДЦ). Охолодження водою більш ефективне, однак воно застосовується тільки там де є джерело водопостачання (ТЕС або ГЕС).

В трансформаторах з направленим потоком масла (НДЦ) інтенсивність охолодження підвищується, що дозволяє збільшити припустимі температури обмоток.

Для трансформаторів великої потужності (630 МВА і більше) застосовують масляно-водяне охолодження з направленим потоком масла (НЦ). На трансформаторах з системами охолодження ДЦ і Ц пристрої примусової циркуляції масла повинні автоматично вмикатися одночасно з вмиканням трансформатора і працювати безперервно незалежно від навантаження трансформатора. Такі трансформатори повинні мати сигналізацію про припинення циркуляції масла, охолоджуючої води чи про зупинку вентилятора.

Кожний трансформатор має умовне позначення, яке включає такі дані:

1) число фаз (для однофазних – О; для трифазних – Т);

2) вид охолодження;

3) число обмоток, які працюють на різні мережі (якщо воно більше двох), для триобмоточного трансформатора Т; для трансформатора з розщепленою обмоткою Р(після числа фаз);

4) буква Н в позначенні при виконанні однієї з обмоток з пристроєм регулювання напруги під навантаженням (РПН);

5) буква А на першому місці для позначення автотрансформатора.

За позначенням буквами вказується номінальна потужність, кВА; клас напруги обмотки ВН; кліматичне виконання і категорія розміщення.

Автотрансформатори

Є по суті трансформаторами, у яких дві обмотки зв'язані електрично. Поширення одержали триобмоткові автотрансформатори (АТР) - трифазні й групи з однофазних. Їх широко використають з економічних міркувань замість трансформаторів для з'єднання ефективно заземлених мереж з напругою 110 кВ і вище з відношенням номінальних напруг, що не перевищують 3 -4.

Принципова схема двообмоткового автотрансформатора

Розглянемо однофазний двообмотковий АТР. Обмотка А-А_м називається послідовною, а обмотка А_м-Х – загальною. Вивід А є виводом вищої напруги, вивід А_м – виводом середньої напруги. Обмотки трифазних АТР з'єднують у зірку із заземленою нейтраллю Х.

Загальне число витків в обох обмотках АТР w₁, число витків у загальній обмотці W₂. Тоді число витків у послідовній обмотці буде w₁-w₂. Відношення n= називається коефіцієнтом трансформації АТР.

Розглянемо роботу АТР при передачі потужності з мережі вищої напруги в мережу середньої напруги. Умовні напрямки струму позначені I_в, I_с, I₀. Рівняння магніторушійних сил АТР:

,

де I_в й I_с – відповідно струми у виводах вищої й середньої напруги; I₀ – струм, що проходить у загальній частині обмоток А-Х.

Струми I_в й I_с будуть у противофазі й, отже, струм у загальній частині обмотки дорівнює алгебраїчної різниці цих струмів:

.

Він менший струму у виводі середньої напруги. Відповідно розраховують загальну обмотку з меншою витратою міді й меншими втратами.

Послідовну й загальну обмотки можна розглядати як первинну й вторинну обмотки автотрансформатора.

На відміну від трансформатора, де вся потужність із первинної сторони передається у вторинну магнітним полем, в автотрансформаторі частина потужності передається безпосередньо - без трансформації, через електричний зв'язок між послідовною й загальною обмотками.

Повну потужність, передану з первинної сторони автотрансформатора на вторинну, називають прохідною, а потужність передану магнітним полем – трансформаторною.

Схеми трансформатора (а) і автотрансформатора (б) однакової електромагнітної потужності

Прохідна потужність дорівнює: .

Трансформаторна потужність може бути визначена з наступної схеми.

Коефіцієнт трансформації такого трансформатора дорівнює . До послідовної обмотки прикладена напруга . Напруга на затискачах загальної обмотки дорівнює . Струм у послідовній обмотці дорівнює I_B; струм у загальній обмотці дорівнює . Потужність, передана з послідовної в загальну обмотку, - це і є трансформаторна потужність автотрансформатора. Інша частина потужності передається з первинного кола у вторинне без трансформації через електричний зв'язок.

Дійсно, якщо з'єднати ці обмотки й прикласти до затискачів А-Х напругу U_в, струми в обмотках і напруга не змінюється, але струм I_в з послідовної обмотки направиться в мережу середньої напруги й передана потужність збільшиться на . Сума електричної й трансформаторної потужності АТР

Відношення трансформаторної потужності до прохідної називається коефіцієнтом типової потужності АТР: .

Під номінальною потужністю АТР розуміють його прохідну потужність при номінальних умовах. Відповідної номінальну потужності називають типовою потужністю. Розмір і маса АТР визначаються не прохідною, а трансформаторною потужністю. Чим ближче до одиниці відношення , тим менша трансформаторна потужність при заданій потужності. Отже, заміна трансформатора відповідним АТР стає усе вигіднішою.

Переваги АТР перед ТР тієї ж потужності:

1) для виготовлення АТР потрібно менше міді, сталі й ізоляційних матеріалів, тому вартість АТР менша;

2) втрати потужності в АТР менші, а його ккд - вищий;

3) габаритні розміри АТР менші, що дозволяє будувати АТР більшої прохідної потужності й полегшує транспортування.

Ці переваги тим помітніші, чим менша різниця вищої й середньої напруг.

Як правило, АТР виконуються не двох, а трьохобмотковими й забезпечуються третинними обмотками низької напруги (6 – 35 кВ), з'єднаними в трикутник.

ТА1

Основне призначення цих обмоток - компенсувати гармонійні складові напруги, кратні трьом, і зменшити опір нульової послідовності АТР. Обмотку НН часто використають для приєднання генератора, синхронного компенсатора.

ТА2

Обмотки в АТР розташовуються в такий спосіб: послідовна - зовні; загальна - у середині; нижчої напруги - біля сталевого сердечника.

ТА0

Схема вмикання трансформаторів струму для контролю навантаження автотрансформаторів

Обмотка НН збільшує розміри й масу АТР у порівнянні із двообмотковим трансформатором. Якщо обмотка НН служить тільки для компенсації гармонійних складових, кратним трьом, її потужність визначається вимогою термічної й електродинамічної стійкості при КЗ і становить 1/3 типової потужності автотрансформатора. Якщо обмотка НН використовується для приєднання генератора чи СК, потужність її повинна бути збільшена до типової. Витрати матеріалу й вартість АТР при цьому збільшуються.

Трьохобмоткові автотрансформатори можуть працювати в автотрансформаторних, трансформаторних і комбінованих режимах. В автотрансформаторному режимі можлива передача номінальної потужності з обмотки ВН в обмотку НН і навпаки. В трансформаторному режимі обмотку НН можна завантажити не більше S_тр. В комбінованому режимі завантаження автотрансформатора обмежується завантаженням загальної обмотки. В усіх режимах необхідно контролювати завантаження обмоток автотрансформатора, як показано на схемі.

Один з недоліків АТР полягає у відносно низькій напрузі КЗ і пов'язаних із цим більших струмах КЗ й електродинамічних сил в обмотках. Для усунення цього недоліку збільшують опір розсіювання шляхом зменшення діаметра стержнів сердечника й збільшення проміжків між обмотками, незважаючи на збільшення втрат.

Векторна діаграма напруг в незаземленій мережі з автотрансформатором при замиканні однієї фази на землю

Іншим недоліком АТР є зміна напруги проводів щодо землі в мережі середньої напруги при однофазному замиканні в мережі вищої напруги, що тим більше, чим більше відношення . У незаземленій системі ці напруги досягають неприпустимих значень (А-С_м), Тому для з'єднання незаземлених мереж АТР непридатні. В ефективно - заземлених мережах подібна небезпека не виникає. Перенапруги, що виникають у мережі вищої напруги, викликають в АТР більш значні, ніж у трансформаторів, перенапруги на виводах СН. Це враховується при конструюванні ізоляції АТР. Крім того, з боку ВН і СН АТР захищаються розрядниками, або обмежувачами перенапруги. Вони приєднуються так, щоб вони залишалися включеними при відключенні АТР із однієї зі сторін.

Номінальні дані й технічні характеристики силових

трансформаторів

Залежно від номінальної потужності й класу напруги силові трансформатори умовно підрозділяються на групи (габарити), наведені в табл. 1. Промисловістю випускаються трансформатори, призначені для роботи в районах з помірним, холодним і тропічним кліматом, для установки на відкритому повітрі й у приміщенні.

Розрізняють трансформатори загального призначення й спеціальні: перетворювальні, електропічні й ін. Залежно від виду охолодження розрізняють сухі, масляні й трансформатори з негорючим рідким діелектриком.

Таблиця 1 – Групи (габарити) силових трансформаторів

Номер габариту	Діапазон потужностей, кВА	Клас напруги, кВ
I	До 100	До 35
II	Від 100 до 1000	До 35
III	Від 1000 до 6300	До 35
IV	Понад 6300	До 35
V	До 40000	Від 35 до 110
VI	Від 40000 до 80000	До 330
VII	От 80000 до 200000	До 330
VIII	Понад 200 000	До 330 і вище
VIII	Незалежно від потужності для ЛЕП постійного струму	Незалежно від напруги

Регулювання напруги

Для регулювання напруги в системі за допомогою трансформаторів (автотрансформаторів) на одній з обмоток передбачають крім основного виводу додаткові відгалуження і перемикаючі пристрої для зміни коефіцієнта трансформації.

Розрізняють два види пристроїв для перемикання:

1- пристрої для перемикання числа витків при відключеному трансформаторі, тобто без збудження, ПБЗ;

2- пристрої для перемикання числа витків під навантаженням РПН.

Пристрої ПБЗ дозволяють звичайно змінювати коефіцієнт трансформації в межах ±5%. Пристрої РПН розраховані на зміну коефіцієнта трансформації в більш широких межах - до ± 20%.

Застосовуються також регульовані послідовні трансформатори, які включаються послідовно з головними, не оснащеними РПН.

Відгалуження для регулювання напруги передбачають, як правило, на обмотках ВН, що мають менший робочий струм.

Застосовуються різні схеми обмоток з відгалуженнями для пристроїв ПБЗ і РПН.

Дана схема стосується обмоток до 110 кВ. Відгалуження для пристрою ПБЗ передбачені посередині; вивід - на кінці.

Схема стосується обмоток 220 - 330 кВ, розділених на 2 частини з виводом посередині. Відгалуження для пристрою РПН розташовані на 1/4 і 3/4 висоти обмотки.

Схема стосується обмоток трансформаторів 110 кВ; регульована частина обмотки розташована з боку нейтралі, що дозволяє знизити ізоляцію перемикаючого пристрою РПН.

Щоб забезпечити постійну напругу на затискачах обмотки нижчої напруги трансформатора при зміні вищої напруги, необхідно змінювати число витків так, щоб підтримувати незмінною ерс на один виток, тобто індукцію в магнітопроводі. При збільшенні вищої напруги число витків слід збільшити й навпаки.

В АТР регульовану частину обмотки до 1962р. розміщували з боку нейтралі. На відміну від трансформатора тут при збільшенні вищої напруги необхідно зменшити число витків, щоб підтримувати постійною напругу на СН.

Відгалуження на загальній частині обмотки (зв’язане регулювання)

Істотним недоліком регулювання зміною числа витків загальної обмотки є одночасна зміна напруги третинної обмотки. Таке регулювання називається зв'язаним. Для усунення зв'язаного регулювання в 1962 - 1965р. були розроблені АТР із регулюванням напруги на лінійному виводі середньої напруги.

Регулювання на виводі середньої напруги

Вартість пристрою регулювання при цьому збільшується, тому що він повинен бути ізольованим на більше високу ніж в нейтралі напругу.

Послідовні регулювальні трансформатори можуть бути підключені до головного трансформатора або автотрансформатора з боку лінійних виводів вищої напруги, лінійних виводів середньої напруги або нейтралі. Послідовний трансформатор має дві обмотки: послідовну, що включається послідовно з відповідною обмоткою головного трансформатора, і обмотку збудження, що одержує живлення від обмотки нижчої напруги головного трансформатора через регульований автотрансформатор.

Напруга послідовної обмотки може бути змінена в межах від 0 до повної зі зміною знака, тобто може додаватися або відніматися з напруги головного трансформатора.

Схема регулювання напруги за допомогою послідовного трансформатора

Пристрої перемикання РПН виконують таким чином, щоб перемикання з одного відгалуження на інше відбувалося без розриву кола струму й закорочування витківобмотки. У перемикаючий установка входять:

1. вибірник відгалужень, контакти якого розмикають і замикають гілки кола без струму;

2. контактори, що замикають і розмикають гілки кола з робочим струмом;

3. струмообмежний реактор або резистори;

4. приводний механізм.

Схема РПН із реактором має вигляд.

У вихідному положенні контакти вибірника В₁ й В₂ приєднані до одного відгалуження обмотки, а контактори К₁ і К₂ замкнуті. Робочий струм ділиться нарівно між двома гілками здвоєного реактора. Тому що струми спрямовані зустрічно, спадання напруги в реакторі невелике. Перемикання відбувається в такий спосіб. Розмикається К₂ (під струмом), весь робочий струм проходить через контакти вибірника В₁ , К₁ і гілку реактора. Контакт вибірника В₂ переходить на інше відгалуження після чого замикається К₂. Робочий струм ділиться між галузями реактора. З'являється також циркулюючий струм, викликаний напругою між сусідніми відгалуженнями. Цей струм обмежений поздовжнім опором реактора. Розмикається К₁ (під струмом). Контакт вибірника В₁ переходить на сусіднє відгалуження й знову замикається К₁. Процес перемикання закінчений. Перемикання в цій схемі відбуваються відносно повільно, всі елементи розраховані на тривале протікання струму. Вибірник і реактор розміщені в баку трансформатора. Контактори розміщені в особливому відсіку, щоб забезпечити доступ до контактної системи для догляду за нею.

Схема може бути виконана, якщо регульована частина обмотки перебуває з боку нейтралі.

Перемикаючі пристрої з резисторами більш досконалі й швидкодіючі. Розміри резисторів, розрахованих на короткочасний струм, відносно невеликі.

У вихідному положенні К₁ і К₂ замкнуті, К₃ і К₄ – розімкнуті. Робочий струм проходить через К₁ і вибірник В1. R₁ шунтований. При перемиканні контакт вибірника В2 переходить на сусіднє відгалуження, розмикається K₁ і струм проходить через R₁ й K₂. Замикається K₃ і половина робочого струму переходить у гілку R₂. З'являється незначний циркулюючий струм. Розмикається K₂ (під струмом) і весь струм переходить в R₂. Замикається K₄ і шунтує R₂. Процес перемикання закінчений. Ліва частина схеми підготовлена до перемикання на наступне відгалуження.

У розглянутому пристрої з резисторами умови для гасіння дуги більш сприятливі в порівнянні зі схемою з реакторами.

Застосовують контактори в маслі й з вакуумними камерами. Вакуумні мають значні переваги. Механізм перемикаючого пристрою оснащений потужними пружинами, що забезпечують більшу швидкість перемикання.

Цикл перемикання виконується на різних перемикачах за різний час (3-10 сек.). На час перемикання з одної ступені на іншу загоряється червона лампа, що горить весь цикл перемикання, поки контакти перемикаючого пристрою не займуть робоче положення. По закінченні руху перемикаючого механізму на щиті керування сигналізується положення перемикача, тобто номер ступені.

У схемах перемикачів є блокування, що забезпечує перехід вибірника тільки на один ступінь, незалежно від тривалості сигналу управління. Кількість операцій складає 5000 - 20000.

Виконання операцій по перемиканню відгалужень неприпустимо робити під час роботи трансформатора з перевантаженням, при якому струм навантаження більше дворазового номінального струму перемикаючого пристрою. Якщо схеми управління немає, то перемикання слід виконувати послідовно, не допускаючи різниці більш ніж на одну ступінь, щоб вирівнювальний струм був можливо меншим.