Автотрансформаторы

Наряду с трансформаторами для связи сетей и их элементов с разли­чающимися номинальными напряжениями широко применяют автотранс­форматоры.

Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансфор­матор, у которого две обмотки связаны магнитно и электрически (контактно). Наиболее экономически целесообразно применять автотрансформаторы для связи сетей с глухозаземленными нейтралями напряжением 110 кВ и выше с соотношением номинальных напряжений до 3-4, например, 220 и 110 кВ, 500 и 220 кВ и др. В энергосистемах нашли применение трехобмоточные ав­тотрансформаторы - трехфазные и однофазные, собираемые в трехфазные группы.

На рис. 6.4 изображена схема соединений обмоток трёхобмоточного автотрансформатора. Обмотка высшего напряжения (ВН) 1 состоит из двух обмоток - общей и последовательной. Обмотка среднего напряжения (СН) 2 является частью обмотки ВН и называется общей обмоткой, а остальная часть обмотки ВН - последовательной обмоткой. Третья обмотка 3 представляет собой обмотку низшего напряжения (НН) и связана с другими обмотка­ми только магнитно.

Рассмотрим условия работы понижающего трёхобмоточного авто­трансформатора (рис. 6.4). Автотрансформаторы могут работать в авто­трансформаторных и комбинированных режимах. При работе в автотранс­форматорном режиме мощность передаётся из сети ВН в сеть СН или наобо­рот. Третичная обмотка НН при этом не нагружена. При работе в комбини­рованном режиме к обмотке НН автотрансформатора присоединяется на­грузка или компенсирующие устройства. При этом мощность в последова­тельной и общей обмотке состоит из мощности, передаваемой в автотранс­форматорном режиме, и мощности, передаваемой через обмотку НН.

В отличие от трансформатора, где вся мощность с первичной обмотки ВН передается на вторичную обмотку СН магнитным полем, в автотранс­форматоре часть мощности передается непосредственно - без трансформа­ции, через электрическую (контактную) связь между последовательной и общей обмотками (электрическая мощность):

(6.9)

а также с помощью пронизывающего их магнитного потока, т. е. магнитным путем (трансформаторная мощность)

(6.10)

Сумма трансформаторной и электрической мощности равна проходной мощности автотрансформатора:

(6.11)

Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается пре­дельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор по обмоткам ВН и СН, имеющим между собой автотрансформаторную связь. Для отечественных автотрансформаторов мощности обмоток ВН и СН оди­наковые и равны номинальной или проходной.

Следовательно,

(6.12)

В общей обмотке протекает разность токов сетей ВН и СН. Поэтому эту обмотку рассчитывают на ток меньше номинального тока автотрансфор­матора, определяемого на стороне ВН, и она может иметь меньшую площадь сечения, чем обмотка того же напряжения двухобмоточного трансформатора. Меньшую площадь имеет и магнитопровод автотрансформатора. В результа­те, чем ближе к единице коэффициент трансформации

тем меньше расход активных материалов (меди обмоток, стали магнитопро-вода и изоляционных материалов) и приблизительно - стоимость автотранс­форматора. Поэтому понижающие автотрансформаторы оказываются дешев­ле трансформаторов равной номинальной мощности, а применение авто­трансформаторов взамен трансформаторов становится тем выгоднее, чем ближе друг к другу напряжения

Мощность общей части обмоток 2 автотрансформатора

(6.13)

где =(1-1/к)=1-U_СН/U_ВН -так называемый коэффициент выгодности.

Для характеристики автотрансформаторов введено также понятие ти­повой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка:

(6.14)

т.е. S_общ = S_посл = S_тип

Типовая мощность отображает экономическую сторону конструкции автотрансформаторов, т. е. расход активных материалов. Различие технико-экономических показателей трансформаторов и автотрансформаторов зави­сит от соотношения между номинальной и типовой (расчетной) мощностью, т. е. от коэффициента выгодности а_в. Поскольку

то очевидно, что преимущества автотрансформатора проявляются в большой степени тогда, когда с его помощью связываются сети более близкие по но­минальным напряжениям.

Мощность обмотки НН, обычно равную 50 % номинальной мощности автотрансформатора, рассчитывают на передачу типовой мощности.

В отдельных автотрансформаторах мощность обмотки НН составляет 20, 25 и 40 % и не равна типовой мощности. В этом случае коэффициент вы­годности = (1 - U_сн/U_вн) не равен отношению = S_нн/S_вн) именуемому в дальнейшем коэффициентом приведения (пересчета).

Обмотка НН соединяется в треугольник, что способствует подавлению третьей гармоники фазных ЭДС, предотвращая их появление в линиях. Тре­тья обмотка (НН) предназначена для питания нагрузок, расположенных в районе рассматриваемой подстанции, а также для подключения компенси­рующих реактивную мощность устройств (батарей конденсаторов, синхрон­ных компенсаторов и др.). Номинальное напряжение третьей обмотки в зави­симости от удаленности нагрузок может быть 6,6; 11 и 38,5 кВ.

Наличие электрической связи между обмотками ВН и СН обусловлива­ет возможность применения автотрансформаторов только в сетях с глухозаземленной нейтралью, т. е. в сетях напряжением 110 кВ и выше, а сами авто­трансформаторы изготавливают с высшим напряжением не менее 150 кВ и средним 110 кВ. При отсутствии заземления нейтрали и замыкания на землю одной фазы в сети ВН потенциал относительно земли двух других фаз сети СН повысится до недопустимого значения. Если, например, выполнить авто­трансформатор напряжением 115/38,5/11кВ с изолированной нейтралью, то при замыкании на землю фазы А сети 110 кВ потенциал относительно земли фаз а и с сети 35 кВ повысится до 3,5 U_ср. Это недопустимо как для изоляции обмотки 38,5 кВ автотрансформатора, так и аппаратуры сети 35 кВ.

Расчетная схема замещения трехобмоточного автотрансформатора, представляющая собой трехлучевую звезду с сопротивлениями обмоток ВН ­- R_в, Х_в, СН - R_c, X_c, НН - R_н, Х_н, аналогична схеме замещения трехобмоточного трансформатора. Автотрансформаторы, как и трехобмоточные трансформа­торы, характеризуются потерями активной мощности ( Р_х) и токами холостого хода (1_х = 1_м) Сопротивления обмоток автотрансформаторов, так же как и трансформаторов, определяют по табличным данным трех опытов коротко­го замыкания.

Паспортные таблицы параметров автотрансформаторов содержат поте­ри короткого замыкания на три пары обмоток ( Р_кв-с, Р_кв-н, Р_кс-н) или на одну пару обмоток ( Р_кв-н). Указывают также и значения напряжения корот­кого замыкания (и_{к в-с}, и_{к в-н}, и_{к с-н}). Причем величины Р_{к в-с}, и_{к в-с} дают отне­сенными к номинальной мощности, а две пары других параметров в ряде случаев указывают приведенными к мощности обмотки НН или типовой мощности. Эта особенность записи параметров автотрансформаторов отра­жает условия выполнения опытов короткого замыкания.

При коротком замыкании обмотки НН, мощность которой меньше но­минальной автотрансформатора, напряжение поднимается до значения, определяющего в этой обмотке ток, соответствующий номинальной мощно­сти обмотки НН, а не номинальной мощности автотрансформатора ^ _ном. При коротком замыкании на стороне СН напряжение на стороне ВН может подняться до значения, при котором ток в последовательной обмотке дости­гает значения, определяющего номинальную мощность автотрансформатора.

В связи с этим паспортные данные автотрансформаторов на пару обмо­ток Р_{к в-с} приводятся отнесенными к номинальной мощности автотрансфор­матора, а значения Р_{к в-н} и Р_{к с-н} (обозначим в виде Рк) - к номинальной мощности обмотки НН:

(6.15)

которые необходимо пересчитать к номинальной мощности авто­трансформатора:

(6.16)

Взяв отношение выражений (6.15) к (6.16), получим

(6.17)

где = S_нн / S _ном - коэффициент приведения.

После этого расчет активных сопротивлений автотрансформатора вы­полняют по формуле (6.5), предварительно определив по выражениям (6.3) потери короткого замыкания соответствующих обмоток. Если заданы потери короткого замыкания на одну пару обмоток, например величина Р_{к в-с}, то расчет выполняют по выражениям (6.5), если известны потери Р _{к в-н}, то, учитывая, что

определяют сопротивления автотрансформатора по формулам

(6.18)

Реактивные сопротивления лучей Х_в, Х_с, Х_н схемы замещения вычисля­ют с помощью соответствующих выражений. При этом напряжения коротко­го замыкания u _{к в-н}, u _{к с-н}, отнесенные к номинальной мощности третьей об­мотки

(6.19)

должны быть приведены к номинальной мощности автотрансформатора:

(6.20)

Если выполнить деление выражений (6.19) на соответствующие вели­чины (6.20), то получим значения, приведенные к номинальной мощности автотрансформатора:

(6.21)

В технических справочниках, как правило, даются уже приведенные значения и , которые непосредственно подставляют в формулы для определения индуктивного сопротивления.

Являются ли значения приведенными, можно выяснить, вычислив по (6.4) для одного из автотрансформаторов значения u _кв, u _кс, u _кн. Если одно из них, например , будет нулевым или близким к нулю, то табличные данные автотрансформатора являются приведенными к номинальной мощности ав­тотрансформатора.

Трехобмоточные автотрансформаторы имеют несколько вариантов ре­гулирования напряжения под нагрузкой (РПН): в нейтрали обмоток ВН и СН (рис. 6.5, а), на выводах обмотки СН (рис. 6.5, б) либо со стороны ВН (рис. 6.5, в). При задании трансформации идеальными трансформаторами в схеме замещения следует учитывать расположенные РПН. Для автотранс­форматоров с РПН в общей нейтрали обмоток коэффициенты трансформации определяются следующим образом:

(6.22)

В случае автотрансформаторов с РПН только на ступени СН:

(6.23)

При установке РПН на стороне ВН определим коэффициенты транс­формации в виде

(6.24)

В этих выражениях U - добавочное напряжение при переходе на от­ветвления, при которых коэффициент трансформации отличается от номи­нального.

В схемах замещения автотрансформатора (рис. 6.6) используются толь­ко два коэффициента трансформации, например k _в-с и k _в-н в случае (а), когда поток мощности направлен от ВН к СН, k _с-в и k _с-н в случае (б), если поток мощности имеет направление СН-ВН.

Проводимости поперечных ветвей, как и двухобмоточного трансфор­матора, вычисляют по формулам (5.17) и (5.18).

ЛЕКЦИЯ 7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С РАСЩЕПЛЁННЫМИ ОБМОТКАМИ И КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

План

1. Особенности двухобмоточных трансформаторов с расщеплённой обмоткой низшего напряжения. Схема соединения обмоток, схема замеще­ния.

2. Определение параметров схемы замещения.

3. Условные и буквенные обозначения трансформаторов.

4. Определение коэффициента трансформации.

5. Назначение и необходимость использования компенсирующих уст­ройств.

6. Назначение конденсаторной батареи.

7. Применение устройства продольной ёмкостной компенсации.

8. Использование синхронных компенсаторов.

9. Принципиальные схемы и особенности применения статических ти-ристорных компенсаторов.