2.6. Автотрансформаторы

2.6.1. Общие положения

Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки имеют электромагнитную и электрическую связь. Наличие электрической связи между двумя обмотками является принципиальным отличием его от трансформатора, которое накладывает существенные различия на их режимы работы, распределение токов в обмотках при сохранении аналогий в определении основных соотношениях между числами витков обмоток и ЭДС. Принципиальная схема одной фазы силового автотрансформатора представлена на рис. 2.11. Часть обмотки между точками В и С с числом витков (w₁–w₂) называется последовательной обмоткой, другая часть обмотки между точками С и О с числом витков w₂ называется общей обмоткой. Обе эти части обмотки соединены электрически и, следовательно, имеют электрическую и электромагнитную связь. Вывод С от общей точки соединения этих частей обмотки называется выводом среднего напряжения, и по аналогии общую обмотку можно назвать обмоткой среднего напряжения. Вся обмотка между точками В и О с числом витков w₁ аналогично может быть названа обмоткой высшего напряжения, а вывод В – выводом высшего напряжения.

Ввиду особенностей исполнения обмоток высшего и среднего напряжений трёхфазные автотрансформаторы преимущественно выполняют со схемой их соединения звездой с заземлённой нулевой точкой. Эта схема является наилучшей по условию выгодности применения автотрансформатора по сравнению с трёхобмоточным трансформатором 22. При таком их соединении для исключения возможности свободной циркуляции токов нулевой последовательности в них в трёхфазном автотрансформаторе выполняется обмотка низшего напряжения, соединяемая по схеме треугольника. Основное назначение этой обмотки – компенсация гармоник нулевой последовательности и уменьшение сопротивления нулевой последовательности автотрансформатора.

Рис. 2.11. Принципиальная схема однофазного автотрансформатора

Ток на стороне высшего напряжения равен току в последовательной обмотке:

Ток на стороне среднего напряжения равен

Ток в общей обмотке равен

Обмотка низшего напряжения с этими обмотками имеет только электромагнитную связь.

Полную мощность, передаваемую со стороны высшего напряжения на сторону среднего напряжения (или обратно), называют проходной (номинальной) мощностью:

(2.25)

Преобразуем выражение (2.25):

S_ном = U_ВI_В = (U_В  U_C) + U_СI_В = (U_В  U_С)I_В + U_СI_В , (2.26)

где (U_В  U_С)I_В = S_ТР – доля полной мощности, передаваемая электро-магнитным путём, называемая трансформаторной или типовой;

U_СI_В = S_ЭЛ – доля полной мощности, передаваемая без трансформации, за счёт электрической связи общей и последовательной обмоток, называемая электрической. Эта доля полной мощности не нагружает общую обмотку, так как ток I_В из последовательной обмотки проходит к выводу С, минуя общую обмотку О-С.

Отношение типовой мощности к номинальной называют коэффициентом выгодности или коэффициентом типовой мощности:

(2.27)

где = U_В  U_С  коэффициент трансформации между сторонами высокого (В) и среднего (С) напряжений.

Из (2.27) видно, что коэффициент выгодности всегда меньше единицы и он будет тем меньше, чем меньше различаются напряжения U_В и U_С.

Трансформаторная (типовая) мощность определяет размеры магнитопровода, его массу, расход материалов и стоимость, которые будут меньше, чем для трёхобмоточного трансформатора той же мощности.

Расчётная мощность последовательной обмотки

S_ПОСЛ = (U_В  U_С)I_В = S_ТИП . (2.28)

Расчётная мощность общей обмотки равна

S_О = U_СI_О = U_С (I_С  I_В) = U_С I_С (1  ) = S_НОМk_ТИП = S_ТИП . (2.29)

Мощность обмотки низшего напряжения по исполнению также ограничена типовой мощностью. Исходя из условия компенсации токов нулевой последовательности, её мощность должна быть не менее одной трети от номинальной мощности автотрансформатора, а по соображениям обеспечения динамической устойчивости при внешних коротких замыканиях она не должна быть меньше одной четверти номинальной мощности автотрансформатора.

Таким образом, все обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощностью, называемую иногда его расчёт-

ной мощностью.

По сравнению с трёхобмоточным трансформатором автотрансформатор обладает следующими преимуществами:

 меньше расход материалов на изготовление обмоток и магнитопровода;

 меньше размеры и вес, меньше затраты на транспортировку;

 меньше потери, а значит, выше КПД;

 меньше потери напряжения;

 меньше ток намагничивания.

Эти преимущества тем заметнее, чем меньше коэффициент выгодности.

К недостаткам автотрансформаторов следует отнести ограничение области их применения сетями с глухозаземлённой нейтралью. В случае разземления нейтрали автотрансформатора, при возникновении однофазного замыкания на землю в сети ВН или СН в противоположной сети (СН или ВН) возникают опасные для изоляции перенапряжения. Наиболее тяжёлый случай в этом отношении имеет место при работе автотрансформатора с разземлённой нейтралью в сети с глухозаземлённой нейтралью 22). Причём перенапряжения будут тем выше, чем меньше разница напряжений U_В и U_С, т е. именно в том случае, когда применение автотрансформатора наиболее выгодно.

Если в системе СН с глухозаземлённой нейтралью включить автотрансформатор с незаземлённой нейтралью, то при замыкании на землю в сети ВН например, фаза А (рис. 2.12) напряжение на последовательной обмотке повреждённой фазы возрастёт до фазного напряжения сети СН.

В нормальном режиме напряжение на ней , при повреждении , т.е. изменится в раз. При различных сочетаниях напряжений U_В и U_С это соотношение может быть меньше, равно или больше единицы.

Рис. 2.12. Поясняющая схема и векторная диаграмма автотрансформатора при замыкании на землю в сети ВН

Потенциал нейтральной точки автотрансформатора по отношению к земле станет равен

(2.30)

Напряжения на неповреждённых обмотках среднего напряжения

(2.31)

Напряжения на неповреждённых обмотках высшего напряжения

(2.32)

Потенциал неповреждённых фаз сети ВН по отношению к земле

(2.33)

Из векторной диаграммы видно, что напряжения на общих обмотках неповреждённых фазах значительно возрастают, в соотношении В₂А₁/В₂О (С₂А₁/С₂О).

Если автотрансформатор с разземлённой нейтралью включен в

сеть ВН с глухозаземлённой нейтралью (понижающий режим), то при за-

мыкании на землю одной фазы например, фазы А (рис. 2.13) в сети СН, потенциал нейтрали автотрансформатора относительно земли станет равен

(2.34)

Рис. 2.13. Поясняющая схема и векторная диаграмма автотрансформатора

с разземлённой нейтралью при замыкании на землю в сети СН

Напряжения на неповреждённых обмотках высшего напряжения

(2.35)

Потенциал неповреждённых фаз сети СН по отношению к земле ограничивается линейными напряжениями сети СН.

В 22 показано, что при разземлении нейтрали автотрансформатора перенапряжения на линейных выводах и потенциал нейтрали как в повышающем, так и в понижающем режимах в 23 раза превышают значения напряжений на них в нормальном режиме. Примеры расчёта перенапряжений в автотрансформаторе при различных сочетаниях напряжений приведены в П10.

Вероятность появления таких высоких перенапряжений учитывается при конструировании изоляции автотрансформаторов. Кроме этого, автотрансформатор следует защищать разрядниками (ограничителями перенапряжений) со сторон высшего и среднего напряжений таким образом, чтобы они оставались подключенными при отключении автотрансформатора с любой из сторон. То есть разрядники следует подключать как можно ближе к выводам автотрансформатора до ближайшего разъединителя. Правила технической эксплуатации 16 требуют защищать от перенапряжений также и неиспользуемые обмотки низшего напряжений.