Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в электроэнергию другого напряжения.

На рис. 2.1 представлена схема простейшего трансформатора, состоящего из стального сердечника (магнитопровода), на котором намотаны две обмотки. Если к обмотке W ₁ подвести переменное напряжение U ₁, то по цепи этой обмотки будет протекать переменный ток, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику. За счет него в обеих обмотках будут наводиться ЭДС E ₁ и E ₂ соответственно. Если к обмотке W ₂ подключить нагрузку, то по ней потечет переменный ток.

 

Классификация силовых трансформаторов

И их технические параметры

Силовые трансформаторы классифицируются по ряду основных признаков. Рассмотрим некоторые из них.

По виду изолирующей и охлаждающей среды различают масляные и сухие трансформаторы, а также трансформаторы, заполненные негорючим жидким диэлектриком – совтолом, сотолом и др.

Масляные силовые трансформаторы являются самыми распространенными и применяются во всем диапазоне номинальных напряжений от 0,4 до 750 кВ. Их мощность может достигать сотен мегавольтампер. Мощность масляных трансформаторов напряжением 6 (10) кВ, широко используемых в потребительских подстанциях, находится в диапазоне от единиц до тысяч кВА. Они надежны, просты в эксплуатации, способны хорошо переносить временные перегрузки, соэдают мало шума, пригодны для размещения на открытом воздухе. Однако масляные трансформаторы содержат большое количество масла, являющегося одновременно изолятором и охлаждающей средой, и поэтому пожароопасны. Кроме того масло, находящееся в трансформаторе например типа ТМ (рис. 2.2) постоянно находится в контакте с воздухом, окисляется и может увлажняться. Для устранения этого недостатка в настоящее время выпускаются герметичные масляные трансформаторы типа ТМГ (рис. 2.3).

Сухие трансформаторы изготавливаются на номинальное напряжение до 15 кВ и мощностью до 1600 кВА. Они используются для работы в закрытых помещениях, являются пожаробезопасными и устанавливаются в сооружениях стартовых комплексов и для электроустановок собственных нужд электростанций и ТП. При работе сухие трансформаторы создают повышенный шум по сравнению с масляными. Их можно устанавливать в сухих, непыльных помещениях с относительной влажностью не более 85%. Они боятся грозовых перенапряжений.

Трансформаторы, заполненные негорючим диэлектриком, применяются там, где установка сухих трансформаторов невозможна по условиям среды, а масляных трансформаторов ‒ по условиям пожарной безопасности. Однако совтол является очень токсичным веществом, поэтому производство таких трансформаторов у нас в стране прекращено.

Трансформаторы применяются для преобразования напряжений однофазного и трехфазного переменного тока. Поэтому по числу фаз они подразделяются на однофазные и трехфазные.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные (рис. 2.5, а и 2.5, б).

Следует заметить, что обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга и от заземляющих частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками (рис. 2.5, в).

 

 

Если энергию подводят к обмотке низшего напряжения НН или среднего напряжения СН, а отбирают с обмотки высшего напряжения ВН, то такой трансформатор называют повышающим. Трансформатор, предназначенный для передачи энергии со стороны ВН на сторону НН или СН, называют понижающим.

Наибольшее распространение получили силовые трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12–15% ниже, чем в группе из трех однофазных трансформаторов той же суммарной мощности. Однофазные трансформаторы применяются в том случае, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных силовых трансформаторов на 500 кВ ‒ это три трансформатора по 533 МВА каждый, а на 750 кВ – это три трансформатора по 417 МВА каждый.

Силовые трансформаторы, как и другие электрические аппараты, имеют специфические параметры. Ниже приведены основные номинальные параметры силовых трансформаторов.

Номинальная мощность S _Н – это 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 ¦ _Н и напряжении U _Н.

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 мощность 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).

Номинальные напряженияU _Н. – это напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора – это его линейное (междуфазное) напряжение. При работе трансформатора под нагрузкой напряжение на вторичной обмотке меньше номинального на величину потери напряжения в трансформаторе.

Коэффициент трансформации трансформатора К _ТР практически определяется отношением числа витков обмоток высшего и низшего напряжения.

.                                   (2.1)

Номинальными токами трансформатора I _Н называются указанные в паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная работа трансформатора.

Напряжение короткого замыкания (КЗ) U _К % ‒ это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора и при замкнутой накоротко другой обмотке в ней (другой обмотке) протекает ток, равный номинальному I _Н. Если короткое замыкание происходит в процессе эксплуатации трансформатора при U _Н, то в обмотках возникают токи, превышающие номинальные значения в 10–15 раз и более. При этом в обмотках трансформатора возникают большие механические усилия, и повышается их температура. Такое КЗ является аварийным и требует специальной защиты, которая должна отключить трансформатор в течение долей секунды.

Если замкнуть накоротко, например, вторичную обмотку трансформатора (рис. 2.6), а к его первичной обмотке подвести пониженное напряжение U ₁ и постепенно его повышать, то при определенном значении первичного напряжения U _К во вторичной обмотке будет протекать ток короткого замыкания, равный номинальному току:

  или                     (2.2)

Напряжение короткого замыкания U _К% является очень важным эксплуатационным показателем. Равенство напряжений короткого замыкания трансформаторов – одно из условий возможности их параллельной работы.

Напряжение короткого замыкания определяют по падению напряжения в трансформаторе, оно характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах U _К%определяется для любой пары их обмоток при замкнутой третьей обмотке. Поэтому в каталогах приводятся три значения напряжения короткого замыкания: U _К% _В–Н, U _К% _В–С, U _К% _С–Н, т.е. напряжения короткого замыкания при замкнутых обмотках среднего, низшего и высшего напряжения соответственно.

Чем больше высшее напряжение и мощность трансформатора, тем больше U _К%. Например, при мощности трансформатора S, равной 630 кВА и U _ВН = 10 кВ, напряжение КЗ (U _К%) равно 5,5%, а при U _ВН, равном 35 кВ, – U _К% = 6,5%. При S, равном 80 МВА и U _ВН = 35 кВ, U _К% будет равно 9%, а при U _ВН = 110 кВ и той же мощности U _К% = 10,5%.

Увеличивая значение U _К, можно уменьшить токи КЗ во вторичной обмотке трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая мощность и увеличивается стоимость трансформатора. Если трансформатор мощностью 25 МВА при U _ВН = 110 кВ выполнить с U _К% = 20%, вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 15,7%, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5 МВАр).

Ток холостого хода (ХХ) I _ХХ – это ток, который протекает по первичной обмотке трансформатора, подключенного к сети с U _Н, когда цепь его вторичной обмотки разомкнута. Величина тока холостого хода зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода, плотности магнитного потока.

Потери холостого хода D Р _ХХ состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи.

При холостом ходе трансформатор не передает электрическую энергию, так как вторичная обмотка разомкнута. Потребляемая им активная мощность тратится на тепловые потери в стальном сердечнике магнитопровода и частично в первичной обмотке. Так как потери в активном сопротивлении обмотки при холостом ходе незначительны, то вследствие малой величины тока холостого хода ими пренебрегают и считают, что мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе D Р _ХХ, расходуется только на потери в стали D Р _СТ, то есть D Р _ХХ.» D Р _СТ.

Потери в стали магнитопровода вызваны периодическим его перемагничиванием и вихревыми токами. Перемагничивание стали связано с выделением тепла и, как любой другой вид работы, требует затрат энергии. Потери энергии, расходуемой на перемагничивание стали, называют потерями от перемагничивания (гистерезиса).

Магнитопровод собирается из электротехнической стали и находится в переменном магнитном поле, поэтому согласно закону электромагнитной индукции в нем индуцируются токи. Эти токи протекают в плоскостях, перпендикулярных направлению магнитного потока, и называются вихревыми. Их величина тем больше, чем толще стальные пластины, из которых собран магнитопровод, и чем меньше их удельное электрическое сопротивление. Вихревые токи являются паразитными, так как, замыкаясь в стали магнитопровода, они нагревают его и вызывают бесполезные потери энергии.

При сплошном стальном магнитопроводе вихревые токи были бы огромны и привели бы к недопустимому его нагреву. Поэтому для уменьшения потерь магнитопроводы собираются из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга. Изоляционная пленка препятствует прохождению тока от листа к листу.

Потери в стали оцениваются удельными потерями, т.е. потерями в 1 кг стали. Они невелики и составляют несколько ватт на килограмм магнитопровода. Удельные потери данной марки стали зависят от ее магнитной проницаемости, частоты переменного тока, величины магнитной индукции и толщины листов.

При номинальной работе трансформаторов потери холостого хода D Р _ХХ составляют 0,2–1,8% его номинальной мощности (S _Н). Тем не менее, их стремятся максимально снизить. Дело в том, что время, в течение которого трансформаторы работают в году, велико, а так как магнитная индукция, а, следовательно, потери в стали практически не зависят от того, работает трансформатор вхолостую или загружен и остаются постоянными, то суммарные годовые потери холостого хода составляют значительную величину.

Потери короткого замыкания D Р _КЗ состоят из потерь в обмотках и конструкциях трансформатора. При опыте короткого замыкания напряжение КЗ (U _К) в 5–20 раз меньше номинального напряжения и намагничивающий поток, замыкающийся через магнитопровод, составляет не более 5% основного магнитного потока. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что мощность D Р _КЗ, потребляемая трансформатором при КЗ, полностью расходуется на потери в активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток и на добавочные потери от потоков рассеивания в стальных конструкциях трансформатора (стенки бака, ярмо и т.п.), которые обусловлены их перемагничиванием и вихревыми токами. Для их снижения обмотки выполняются из многожильных транспонированных проводов, а стенки бака экранируются магнитными шунтами.

Вследствие того, что токи и потери КЗ по величине такие же, как при полной нагрузке трансформатора, их часто называют нагрузочными потерями.

КПД трансформатора η определяется потерями в нем. При нормальной работе трансформатора под нагрузкой происходят нагрузочные потери энергии в стали и обмотках. Зная потери ХХ и КЗ, а также мощность, выдаваемую трансформатором в сеть, можно определить h и судить об экономичности трансформатора:

.                               (2.3)

В качестве примера приведем номинальные данные силового масляного трехфазного трансформатора типа ТМ–1000/35: S _Н = 1000 кВА; U _ВН = 35 кВ; U _НН = 6,3 кВ; I _ХХ = 1,4 %; U _К% = 6,5%; D Р _ХХ = 2,1 кВт; D Р _КЗ = 12,2 кВт.