СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформаторы — это основное оборудование подстанций. В связи с тем, что производство электроэнергии происходит на генераторном напряжении 6...20 кВ, передача от электростанций на крупные районные подстанции осуществляется на напряжении 110...750 кВ, питание предприятий промышленности — на напряжение 35...220 кВ, а потребление электроэнергии осуществляется на напряжении 6...10 кВ и 380...220 В, на всем пути электропередачи происходит три-четыре трансформации. Поэтому мощность трансформаторов в электрической системе в несколько раз больше, чем генераторов или приемников электроэнергии.
Классификация трансформаторов по габаритам приведена в табл. 1.
Таблица 1. Распределение силовых трансформаторов по габаритам
Как следует из табл. 2, отношение (шаг) рядом стоящих в таблице номинальных мощностей принято равным 1,6 для трансформаторов и автотрансформаторов до 63 000 к В Л и 1,3 для более мощных аппаратов. Типы выпускаемых промышленностью Российской Федерации трансформаторов и автотрансформаторов даны в справочниках.
Таблица 2. Шкала мощностей ситных трансформаторов, кВ·А
Силовые трансформаторы подразделяются на сухие (рис. 1.) для установок в помещениях при пожаре- и взрывоопасных условиях, масляные для наружной и внутренней установки с неопасной по пожару и взрыву средой и трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком (совтолом) для установки в закрытых помещениях повышенной опасности по пожару.
Рис. 1. Силовой трансформатор ТС. 1 — активная часть; 2 — ввод ВН; 3 — крышка люка; 4 — кожух; 5 — кольцо для подъёма трансформатора; 6 — шины НН; 7 — тележка; 8 — каток; 9 — планка для подъема активной части.
Масляный трансформатор (рис. 2.) состоит из магии го-провода 13 и обмоток 17, жестко закрепленных на нем. Для защиты от воздействий окружающей среды они помещены в стальной бак 1. Бак герметически закрыт крышкой 6. Сквозь крышку с помощью проходных изоляторов (вводов) 7...9 электрические цепи обмоток ВЫ выведены наружу. Над крышкой расположен расширитель 12, сообщающийся трубопроводом с баком. В разрез соединительного трубопровода установлено газовое реле 11. Непосредственно из бака наружу через крышку выведена выхлопная труба 10, нормально закрытая мембраной. Труба предназначена для аварийных выбросов газов и масла наружу. На крышке смонтирована рукоятка 4 переключателя напряжения. Переключатель напряжения 16 расположен под крышкой и соединен с рукояткой валом, проходящим сквозь крышку в сальниковом уплотнении. Контакты переключателя можно электрически соединить с теми или иными регулировочными отводами 18 обмоток высшего напряжения 17. Крышка сквозными подъемными шпильками соединена с магнитопроводом, установленным на дно бака. Наружная резьбовая часть подъемных шпилек предназначена для навертывания съемных грузовых колец (рымов).
Рис. 2. Трансформатор типа ТДТГ-16000/110:
1 — бак; 2 — трубчатый радиатор; 3 — электровентилятор; 4 — привод переключателя напряжения; 5 — ребро жесткости; 6 — крышка; 7 — 9 — проходные изоляторы; 10 — выхлопная труба; 11 — газовое реле; 12 — расширитель; 13 — ярмо магнитопровода; 14 осушитель воздуха; 15 — отвод обмотки ВН; 16 — переключатель напряжения; 17 — обмотка ВН; 18 — регулировочные отводы; 19 — термосифонный фильтр; 20 — сливной кран.
При работе трансформатор нагревается, гак как в проводниках обмоток и в стали магнитопровода происходят потери энергии. Для интенсивного удаления избытка теплоты внутренний объем бака заполнен специальным минеральным маслом. При этом часть масла находится в расширителе, что исключает наличие воздушных пузырей под крышкой. Этому способствует небольшой уклон крышки в сторону, противоположную расширителю.
Тип трансформатора и система охлаждения указывается при его маркировке буквами. Первая буква указывает число фаз: Т — трехфазный, О — однофазный, вторая буква — Р указывает на расщепление вторичной обмотки, а при отсутствии расщепления буква Р опускается. На третьем месте стоят одна или две буквы, указывающие способ охлаждения трансформатора: М — естественное масляное (или Н — негорючее диэлектрическое, или С — воздушное в сухом трансформаторе); Д — с дутьем. На четвертом месте стоит буква, указывающая число обмоток трансформатора: Т — трехобмоточный, а для двухобмо-точных эта буква опускается. Затем ставится буква Н, если трансформатор имеет устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).
После буквы ставятся цифры: в числителе указывается мощность (в кВ·А), в знаменателе — номинальное напряжение обмотки высшего напряжения (в кВ). Через черточку двумя цифрами указывается год начала выпуска трансформаторов дайной конструкции. Например, ТРМН-40000/110—91: трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой, с естественным масляным охлаждением, имеет PПH, мощность трансформатора 40 МВА, напряжение (высшее) 110 кВ, конструкция 1991 г. Маркировка автотрансформатора та же, но на самом первом месте добавляется буква А.
Исполнения трансформаторов, предназначенных для работы в определенных климатических районах, обозначают буквами У, ХЛ, Т (с умеренным, холодным, тропическим климатом).
По категории размещения при эксплуатации различают следующие исполнения трансформаторов: 1 и 2 (установка на открытом воздухе и в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от окружающей среды), 3 и 4 (закрытые помещения с естественной вентиляцией, где колебания температуры и влажности значительно меньше, чем на открытом воздухе, и с искусственно регулируемыми климатическими условиями), 5 (помещения с повышенной влажностью).
Обмотки трансформаторов обычно соединяют по схемам:
звезда Y, звезда с выведенной нейтралью
Рис. 3. Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов и автотрансформаторов: а – трёхфазных двухобмоточных трансформаторов; б – трёхфазных трёхобмоточных трансформаторов; г – однофазных двухобмоточных трансформаторов.
Условные обозначения Y/Y0 – 0, Y0/Δ0 – 11 означают схемы соединения обмоток трансформаторов и угловое смешение векторов обмоток трансформаторов и угловое смещение векторов линейных ЭДС обмоток СН и НН по отношению к векторам ЭДС обмоток ВН. Группу соединения (угловое смещение) обозначают числом, которое при умножении на 30° дает угол отставания в градусах (11 × 30° = 330°).
В энергосистемах, а также на предприятиях в большинстве случаев применяют трехфазные трансформаторы. Группа из трех однофазных трансформаторов стоит дороже и требует приблизительно на 20% больше меди и стали, чем один трехфазный трансформатор равной мощности. Поэтому однофазные трансформаторы устанавливаются лишь в тех случаях, когда по условиям транспортировки нельзя применять трехфазные, а также при отсутствии трехфазных трансформаторов достаточной мощности.
Нагрев трансформаторов ограничивается допустимым превышением температуры обмотки (65 °С), магнитопровода (75 °С) и верхних слоев масла (55 °С) над температурой охлаждающегося воздуха (20 °С). В процессе эксплуатации трансформаторов их нагрузка, а следовательно, и нагрев изменяются в значительных пределах. В период разгрузки трансформатор недоиспользуется. Поэтому, сохраняя расчетный срок службы 25 лет, разрешается перегружать трансформаторы, когда это требуется. На каждые 3% недогрузки разрешается на такое же время перегрузка трансформатора на 1%, кроме того, на 1% недогрузки трансформатора летом разрешается 1% перегрузки в зимнее время. Это нормальная систематическая перегрузка, которая в общей сложности не должна превышать 30% на масляных и совтоловых и 20% на сухих трансформаторах.
В аварийных условиях, когда отключился один из двух трансформаторов, разрешается перегрузка оставшегося в работе трансформатора на 40% свыше номинальной мощности продолжительностью до 6 ч ежедневно в течение 5 сут. Поэтому при выборе номинальной мощности трансформатора Sт.н. на 35...220/6...10 кВ руководствуются таким соотношением мощности Sт.н. и расчетной нагрузки Sр: Sт.н.≥ Sр/1,4.
Автотрансформаторы имеют две электрически связанные обмотки с общей заземленной нейтралью Y0 и третью, включаемую в треугольник Δ и имеющую с двумя другими обмотками только электромагнитную связь.
Наличие обмотки, соединенной в треугольник, приводит к компенсации электродвижущей силы (ЭДС) третьей гармоники (и кратных трем) и к уменьшению сопротивления нулевой последовательности в сети с заземленной нейтралью. Это важно для повышения чувствительности релейной защиты и плавких предохранителей в сетях.
Область применения силовых автотрансформаторов в системах электроснабжения — связь двух электрических сетей высокого напряжения. Для этого используются две электрически связанные обмотки Y0. К третьей обмотке подключаются генераторы, трансформаторы собственных нужд электростанций или синхронные компенсаторы и статические конденсаторы районных подстанции, или же она не имеет присоединений.