Регулирование напряжения обмоток ВН

При выборе типа обмотки ВН следует учитывать необходимость выполнения в обмотке ответвлений для регулирования напряжения. В ГОСТ 16110-82 предусмотрены два вида регулирования напряжения силового трансформатора: а) регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети; б) регулирование напряжения без перерыва нагрузки (РПН) и без отключения обмоток трансформатора от сети.

• В масляных трансформаторах мощностью от 25 до 200000 кВ·А с ПБВ, ГОСТ 12022-76, 11920-85 и 12965-85, предусмотрено выполнение в обмотках ВН (и СН) четырех ответвлений на +5; +2,5; -2,5 и -5 % номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. Повышающие трансформаторы, например трансформатор 250000 кВ·А класса напряжения 110 кВ, могут вообще не иметь ответвлений. Переключение ответвлений обмоток должно производиться специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с выведенными из бака рукоятками управления. Часто применяемые схемы размещения регулировочных ответвлений в трансформаторах с ПБВ показаны на рис. 6.6. В трехобмоточных трансформаторах регулирование напряжения может быть предусмотрено также и на обмотке СН.
• В сухих трансформаторах применяется регулирование напряжения ВН на ±2×2,5% по схеме рис. 6.6,г. Регулировочные ответвления выводятся на доску зажимов, и пересоединение с одной ступени на другую осуществляется при отключении всех обмоток трансформатора от сети перестановкой контактной пластины, зажимаемой под гайки контактных шпилек.

Рис. 6.6. Различные схемы выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения ПБВ

На рис. 6.6 показаны наиболее употребительные схемы выполнения регулировочных ответвлений в обмотке одной фазы высшего или среднего напряжения трансформаторов и стандартные обозначения начал, концов и ответвлений обмоток ВН. Схемы регулирования напряжения вблизи нулевой точки при соединении обмотки в звезду по рис. 6.6, а - в допускают применение наиболее простого и дешевого переключателя — одного на три фазы трансформатора. В этих схемах рабочее напряжение между отдельными частями переключателя не превышает 10 % линейного напряжения трансформатора. В схеме рис. 6.6, г часто применяют отдельные переключатели для обмотки каждой фазы трансформатора. Выполнение одного трехфазного переключателя по схеме рис. 6.6, г представляет некоторые трудности, так как рабочее напряжение между отдельными его частями может достигать 50 % номинального напряжения обмотки, однако и такие переключатели находят широкое применение.

Схема рис. 6.6, а для регулирования напряжения при многослойной цилиндрической обмотке применяется в трансформаторах мощностью до 160 кВ·А. В трансформаторах мощностью от 250 кВ·А и выше механические силы, действующие на отдельные витки при коротком замыкании трансформатора (см. § 7.3), могут быть опасными и регулировочные витки обмотки ВН, обычно располагаемые в ее наружном слое, рекомендуется размещать симметрично относительно середины высоты обмотки, например по схеме рис. 6.6, б. Намотка регулировочных витков производится тем же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки.

По схеме рис. 6.6, в может выполняться регулирование напряжения при многослойной цилиндрической катушечной и непрерывной катушечной обмотке при номинальном напряжении до 38,5 кВ. При этом одна половина обмотки мотается правой, а другая левой намоткой. Схема рис. 6.6, г может применяться для тех же обмоток, что и схема рис. 6.6, в, при номинальном напряжении от 3 до 220 кВ.

При соединении обмотки ВН в треугольник задача расположения регулировочных витков усложняется. В схемах регулирования рис. 6.6, а и б регулировочные витки каждой обмотки фазы присоединяются к линейному зажиму соседней фазы и рабочее напряжение между контактами различных фаз на переключателе достигает 100 % номинального напряжения обмотки. Для многослойных цилиндрических обмоток это неизбежно. Непрерывная катушечная обмотка при соединении в треугольник с расположением регулировочных витков по схеме рис. 6.6, г допускает применение переключателей тех же типов, что и при соединении в звезду. Схема рис. 6.6, в при соединении обмотки в треугольник не применяется.

При регулировании напряжения по схеме на рис. 6.6, в и г в месте разрыва обмотки в середине ее высоты образуется изоляционный промежуток в виде горизонтального радиального масляного канала. Иногда этот канал заполняется набором шайб, изготовленных из электроизоляционного картона. Размер этого промежутка по схеме рис. 6.6, в определяется половиной напряжения фазы обмотки, а при схеме по рис. 6.6, г — примерно 0,1 напряжения фазы. Увеличение этого промежутка нежелательно, так как приводит к существенному увеличению осевых механических сил в обмотках при коротком замыкании, возрастающих также и с ростом мощности трансформатора. Именно это обстоятельство ограничивает применение схемы рис. 6.6, в напряжением не свыше 38,5 кВ и мощностью не более 1000 кВ·А. Размер изоляционного промежутка в месте разрыва обмотки и его заполнение определяются в соответствии с указаниями § 4.5.

Регулировочные ответвления на обмотках ВН (или СН) служат обычно для поддержания напряжения у потребителей электрической энергии на одном уровне при колебаниях нагрузки. В меньшей мере регулировочными ответвлениями, пользуются для какого-либо произвольного изменения вторичного напряжения. У понижающих трансформаторов при необходимости повысить или понизить напряжение на вторичной стороне НН следует на первичной стороне ВН переходить соответственно на меньшее или большее число витков. У повышающих трансформаторов переходят на большее или меньшее число витков обмотки ВН в соответствии с необходимостью повысить или понизить напряжение на вторичной стороне ВН. Поддержание стабильного напряжения при постоянно изменяющейся нагрузке при необходимости перерыва нагрузки и ручном управлении переключателями чрезвычайно затруднительно, так как требует много времени и не может быть автоматизировано.

Для повышения гибкости и удобства управления крупными электрическими сетями и системами большое значение имеет возможность регулирования напряжения трансформаторов без перерыва нагрузки и отключения трансформатора от сети при дистанционном, ручном или автоматическом управлении, т. е. регулирование под нагрузкой. В соответствии с потребностью в трансформаторах РПН ГОСТ предусмотрен их выпуск наряду с трансформаторами ПБВ и трансформаторами без регулирования напряжения.

Трансформаторы мощностью 400 и 630 кВ·А классов напряжения 10 и 35 кВ могут выпускаться с устройствами РПН по согласованию между потребителем и изготовителем. Для других трансформаторов устанавливаются следующие пределы регулирования:

· Двухобмоточные трансформаторы

·

1000—6300 кВ·А, 20 и 35 кВ - ±6×1,50 = ± 9 %

2500 кВ·А, 110 кВ, РПН на стороне НН - +10×1,50= 15%

-8×1,50= -12 %

6300—125000 кВ·А, 110 кВ - ±9×1,67= ±16%

• Трехобмоточные трансформаторы

6300 кВ·А, 35 кВ - ±6×1,50= ±9%

10000—16000 кВ·А, 35 кВ - ±8X1,50 = 12%

6300—80000 кВ·А, 110 кВ - ±9X1,67=16%

Наиболее употребительные схемы для регулирования напряжения под нагрузкой показаны на рис. 6.7. Трансформаторы с напряжением ВН 10 кВ мощностью до 6300 кВ·А и 35 кВ до 16000 кВ·А могут выполняться с РПН по схеме рис. 6.7, а. Аппаратура РПН в обмотках класса напряжения 110 кВ имеет класс напряжения 35 кВ и встраивается в нейтраль этих обмоток (рис. 6.7,6). Нейтраль должна быть заземлена наглухо. Схема устройства по рис. 6.7, в обычно применяется при регулировании напряжения на линейном конце обмотки. Не исключено ее использование при регулировании в нейтрали.

Рис. 6.7. Схемы регулирования напряжения под нагрузкой при различных классах напряжения обмотки:

а—до 35 кВ; б — 110 кВ; в — 110 кВ и выше

 

Рис. 6.8. Схема устройства переключения под нагрузкой с токоограничивающим реактором и последовательность операций при переходе с одной ступени на другую

На рис. 6.8 показаны схема переключающего устройства и порядок перехода с одной ступени напряжения — ответвления Х₃ — на другую X₄ без перерыва рабочего тока.

Устройство по рис. 6.7, а может быть сделано для класса напряжения не более 35 кВ. Это устройство при регулировании напряжения у нейтрали по рис. 6.7, 6 может применяться также в обмотке классов напряжения 110 и 220 кВ. Для регулирования напряжения у линейного конца обмотки, что особенно важно для автотрансформаторов, может быть использовано быстродействующее устройство по рис. 6.7, в. Ток короткого замыкания участка обмотки между соседними ответвлениями при переходе с одной ступени на другую в устройствах по рис. 6.7, а и б ограничивается реактором, по рис. 6.7, в — резисторами. Время протекания ограниченного тока короткого замыкания в схеме рис. 6.7, а и 6 составляет около 1 с, в схеме рис. 6.7, в измеряется сотыми долями секунды. Общее время перехода с одной ступени на соседнюю в том и другом случае около 3 с.

В трансформаторах класса напряжения до 35 кВ включительно при мощностях до 6300 кВ·А возможно применение несколько упрощенной схемы рис. 6.7, а, но без выключателей В₁ и В₂. В этом случае переход с одной ступени на другую совершается в два приема: с положения 1 на положение 3 и затем на 5 по рис. 6.8. При этой схеме переключатели П₁ и П₂ должны располагаться в отдельном баке, масло которого не сообщается с маслом в баке трансформатора.

При регулировании напряжения на катушечных обмотках ВН, даже при переключении без возбуждения с регулированием в пределах ±5 %, во время работы трансформатора на низшей ступени напряжения 10 % витков обмотки ВН отключаются, и в этой части обмотки возникает небаланс токов ВН и НН. Вследствие этого существенно возрастают поперечная составляющая поля рассеяния и осевые механические силы при коротком замыкании трансформатора. В значительно большей степени на осевых силах сказывается отключение части витков обмотки ВН при регулировании без перерыва нагрузки в пределах ±(12—16) %.

Для повышения динамической стойкости обмоток при коротком замыкании обычно принимаются меры, направленные на уменьшение осевых сил и усиление конструкции обмоток в механическом отношении. Для уменьшения осевых сил в трансформаторах с ПБВ рекомендуется в обмотке НН на участках, находящихся на одном уровне с регулировочной частью обмотки ВН, т. е. обычно в середине высоты обмотки, делать разгон витков на половину высоты зоны регулирования.

В трансформаторах РПН регулировочную обмотку, т. е. часть обмотки ВН (СН), имеющую ответвления, переключаемые при регулировании напряжения, рекомендуется выполнять в форме цилиндра, расположенного концентрически с основной частью обмотки снаружи ее и имеющего ту же высоту. Витки, создающие напряжение каждой ступени от 1,25 до 1,67 % номинального напряжения, располагаются в один слой равномерно по всей высоте обмотки. Поэтому включение или отключение одной или нескольких ступеней не создает небаланса токов на отдельных участках обмоток ВН и НН. Выполнение регулировочной обмотки возможно в виде винтовой или многослойной цилиндрической, где каждый провод или слой образует одну ступень.

Возможна различная компоновка отдельных частей регулировочной обмотки. На рис. 6.9, а показана схема простой регулировочной обмотки. Схема позволяет регулировать напряжение шестью ступенями обмотки тонкого регулирования 3, включаемыми последовательно с основной частью обмотки 1. На рис. 6.9, б представлена схема регулировочной обмотки, состоящей из двух частей — обмотки грубого регулирования 2, рассчитанной на сумму напряжений нескольких ступеней (обычно на половину общего числа ступеней), и обмотки тонкого регулирования 3, имеющей раздельные ступени.

Рис. 6.9. Схемы расположения основной и регулировочной частей обмотки ВН в трансформаторах с РПН:

1 — основная обмотка; 2 — обмотка грубого регулирования; 3 — обмотка тонкого регулирования

Регулирование напряжения осуществляется путем включения двух этих обмоток или только обмотки тонкого регулирования при различных положениях переключателей.

Схема обмотки рис. 6.9, в позволяет выполнить регулировочную обмотку с половинным числом ступеней и реверсированием ее включения обеспечить регулирование напряжения в полном диапазоне.

При всех трех схемах число витков обмотки ВН (СН) остается одинаковым и преимущества по расходу обмоточного провода ни одна из них не имеет. В схемах рис. 6.9, б ив несколько упрощается изготовление обмотки тонкого регулирования, но при схеме рис. 6.9, в увеличиваются потери при работе на нижних ступенях.

Усиление механической прочности обмоток достигается установкой в ярмовой изоляции опорных колец, склеенных из картонных шайб, прошивкой междукатушечных прокладок снаружи обмоток картонными рейками, прессовкой обмоток в осевом направлении нажимными кольцами и некоторыми технологическими операциями — предварительной опрессовкой картонных деталей обмотки, опрессовкой обмоток во время и после сушки и др.

Применение широкого регулирования напряжения, существенно усложняя и удорожая трансформатор (усложнение обмоток, аппаратура регулирования и т. д.), приводит к увеличению расхода металла обмоток, а также размеров и массы магнитной системы.

РАСЧЕТ ОБМОТОК ВН

Расчет обмоток ВН начинается с определения числа витков, необходимого для получения номинального напряжения, для напряжений всех ответвлений. Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле

ω_н2 = ω₁ . (6.27)

Число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении обмотки ВН в звезду

ω_р = ΔU/(u_в ). (6.28)

где ΔU — напряжение на одной ступени регулирования обмотки или разность напряжений двух соседних ответвлений, В; u_в — напряжение одного витка обмотки, В.

Обычно ступени регулирования напряжения выполняются равными между собой, чем обусловливается также и равенство числа витков на ступенях. В этом случае число витков обмотки на ответвлениях:

При двух ступенях:

• верхняя ступень напряжения ω2 = ωн2 + ωр; (6.29)
• при номинальном напряжении: ωн2;
• нижняя ступень напряжения ωн2 - ωр; (6.30)

На четырех ступенях:

верхние ступени напряжения ω2 = ωн2 + 2ωр, ωн2 + ωр; (6.31)

• при номинальном напряжении: ωн2

нижние ступени напряжения ωн2 - ωр, ωн2 - 2ωр. (6.32)

Для трехфазного трансформатора или однофазного с параллельным соединением обмоток двух стержней найденное число витков ω_н2 + ω_р или ω_н2 + 2ω_р является числом витков на один стержень. В однофазном трансформаторе с последовательным соединением обмоток двух стержней на одном стержне располагается половина этого числа витков.

Осевой размер обмотки ВН l₂ принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН l₁.

Плотность тока, А/м², в обмотке ВН предварительно определяется по формуле

J₂ ≈ 2 J_ср – J₁ (6.33)

В тех случаях, когда потери короткого замыкания Р_к не заданы, для выбора плотности тока можно руководствоваться табл. 5.7.

Сечение витка обмотки ВН, мм², предварительно определяется по формуле

П₂' = I₂/(J₂ * 10^-6). (6.34)

После того как обмотка ВН рассчитана и размещена на стержне, для предварительной оценки ее нагрева определяется плотность теплового потока на ее охлаждаемой поверхности, Вт/м², по формуле

q₂ = k_д2 (6.35)

или по (7.19) — (7.19в). Полученное q не должно быть более допустимого по § 5.7.

Расчет многослойной цилиндрической обмотки из круглого провода (рис. 6.10)

Ориентировочное сечение витка n_в2' определяется по (6.34). По этому сечению и сортаменту обмоточного провода для трансформаторов (см. табл. 5.1) подбирается провод подходящего сечения или в редких случаях два параллельных одинаковых провода с диаметрами провода без изоляции d₂ и провода в изоляции d₂', мм. Подобранные размеры провода записываются так:

Марка провода ×n_в2× , мм,

где n_в2 — число параллельных проводов.

Полное сечение витка, м²,

П₂ = n_в2 П''₂ ·10^-6, (6.36)

где П''₂ — сечение одного провода, мм².

Полученная плотность тока, А/м²,

J₂ = I₂/П₂. (6.37)

 

Рис. 6.10. Многослойная цилиндрическая обмотка из провода круглого сечения

Число витков в слое

ω_сл2 = l₂·10^-3/(n_в2 d₂') – 1. (6.38)

Число слоев в обмотке

n_сл2 = ω₂/ω_сл2 (6.39)

(n_сл2 округляется до ближайшего большего числа).

Рабочее напряжение двух слоев, В,

U_мсл = 2ω_сл2u_в (6.40)

По рабочему напряжению двух слоев по табл. 4.7 в соответствии с указаниями § 4.5 выбираются число слоев и общая толщина δ_мсл кабельной бумаги в изоляции между двумя слоями обмотки.

В большинстве случаев по условиям охлаждения обмотка каждого стержня выполняется в виде двух концентрических катушек с осевым масляным каналом между ними. Число слоев внутренней катушки при этом должно составлять не более 1/3—2/5 общего числа слоев обмотки. В случае применения этого типа обмотки на стороне НН между двумя цилиндрами числа слоев внутренней и наружной катушек делаются равными.

Минимальная ширина масляного канала между катушками а₂₂' выбирается по табл. 9.2. В трансформаторах мощностью на один стержень не более 3—6 кВ·А возможно применение обмотки, состоящей из одной катушки без осевого канала.

Радиальный размер обмотки, м:

одна катушка без экрана

а₂ = [d₂' n_сл2 + δ_мсл(n_сл2 - 1)]·10^-3; (6.41)

две катушки без экрана

а₂ = [d₂' n_сл2 + δ_мсл(n_сл2 - 1) + а₂₂']·10^-3; (6.42)

В обмотках классов напряжений 20 и 35 кВ под внутренним слоем обмотки устанавливается металлический экран — незамкнутый цилиндр из алюминиевого листа толщиной 0,5 мм. Экран соединяется электрически с линейным концом обмотки (начало внутреннего слоя) и изолируется от внутреннего слоя обмотки обычно междуслойной изоляцией. Такая же изоляция экрана устанавливается со стороны масляного канала.

При наличии экрана радиальный размер обмотки определяется по формуле

a_2экр = a₂ + [δ_экр + 2 δ_мсл]·10^-3, (6.43)

где а₂ определяется по (6.41) или (6.42); δ_экр = 0,5 мм; δ_мсл по табл. 4.7.

Для рабочего напряжения 35 кВ можно принять дополнительное увеличение радиального размера обмотки за счет экрана и двух слоев междуслойной изоляции на 3 мм.

Минимальный радиальный размер a'₁₂ мм, осевого канала между обмотками НН и ВН и толщина изоляционного цилиндра выбираются по испытательному напряжению обмотки ВН согласно § 4.5 для масляных и § 4.6 для сухих трансформаторов.

В обмотках с экраном радиальный размер а_2экр, определенный по (6.43), принимается в расчет только при определении размеров обмотки. При подсчете ЭДС рассеяния для этих обмоток следует в расчет вводить размер а₂, определенный по (6.41) или (6.42), и соответственно увеличивать расчетную ширину масляного канала между обмотками, т. е. принимать

а_12экр = (а'₁₂ + δ_экр + 2 δ_мсл)·l0^-3; (6.44)

Внутренний диаметр обмотки (при наличии экрана — до его внутренней изоляции), м,

D'₂ = D''₁ + 2 а₁₂; (6.45)

Наружный диаметр обмотки: без экрана

D''₂ = D'₂ + 2а₂; (6.46)

с экраном

D''₂ = D'₂+ 2а_2экр. (6.47)

Изоляционное расстояние между наружными обмотками соседних стержней а₂₂= а''₂₂ ·10^-3, где а''₂₂, мм, находится по табл. 4.5 для масляных и по табл. 4.15 для сухих трансформаторов.

Поверхность охлаждения, м²,

П_о2 = cnkπ (D'₂ + D''₂) l₂, (6.48)

где с — число стержней магнитной системы.

Для одной катушки, намотанной непосредственно на цилиндр, по рис. 5.22, a n = l,0; D'2=0; k = l,0.

Для одной катушки по рис. 5.22,б n = 1,0; k = 0,88.

Для двух катушек по рис. 5.22, г n = 1,5; k = 0,83 и по рис. 5.22, д n = 2; k = 0,8.

Коэффициент k в (6.48) учитывает закрытие части поверхностей обмотки изоляционными деталями и число внутренних и наружных поверхностей. Для внутренних поверхностей k = 0,75. Для наружной поверхности при свободном доступе охлаждающего масла k = 1,0. При применении этого типа обмотки на стороне НН (внутренняя обмотка, рис. 5.22,в) в (6.48) надлежит принимать k = 0,75; n = 2.