Voprosy_i_otvety_k_gosam / 16 типы трансф

4.3. Типы трансформаторов. Их основные узлы и элементы. Системы охлаждения. Регулирование коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов.

Общие сведения о конструкции силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы, как и генераторы, относятся к основному оборудованию эл. станпий и подстанций ЭЭС и систем электроснабжения. Они предназначены для преобразования (трансформации) переменного тока одного уровня в переменный ток другого (иногда того же) уровня напряжения. Передача электрической энергии с одного уровня напряжения на другой происходит либо электромагнитным путем (трансформаторы), либо комбинированно - электромагнитным и электрическим путем (автотрансформаторы).

Основными элементами тр-ра с масляным охлаждением являются магнитопровод с обмоткой, бак, расширитель, поворотные катки.

В настоящее время для изготовления магнитопроводов используют текстурированную холоднокатанную электротехничсскую сталь, что снижает потери на намагничивание более чем в 3,5 раза по сравнению с магнитопроводами из горячекатанной стали. Между съемной крышкой и баком помещается прокладка из маслоупорной резины. Вводы напряженней 110 кВ и выше снабжаются встроенными трансформаторами тока для релейной защиты и измерений.

Расширитель обеспечивает заполнение маслом бака при изменении температурных условий его работы, а также сокращает поверхность соприкосновения трансформаторного масла с атмосферой. В ряде случаев расширитель заполняется инертным газом (азотная подушка).

Магнитопровод и бак надежно заземляются при помощи специального болта на корпусе трансформатора.

Увеличение мощности трансформаторов вызывает увеличение их габаритов и массы. Это, прежде всего, проблемы транспортировка, ремонта трансформаторов и их влияния на окружающую среду. На крупных энергетических объектах ремонт трансформаторов организуется на ремонтной площадке. Для облегчения подъемных устройств, устанавливаемых на ремонтных площадках, существуют две конструктивные схемы изготовления трансформаторов.

Для трансформаторов с массой активных частей меньше 25 т применяется конструктивная схема с верхним разъемом бака. При ремонте поднимают крышку вместе с укрепленными на ней активными частями трансформатора и вводами высокого и низкого напряжения.

Для трансформаторов с массой активных частей 25 т и более применяется конструктивная схема с нижним разъемом бака. В этом случае при ремонте поднимают колокол с вводами. Наиболее активные массивные части трансформатора остаются на днище. Это позволяет применятъ более легкие подъемники. Конструкция мощных трансформаторов (25 МВА и более) позволяет снять вводы напряжением 110 кВ и выше без разборки самого трансформатора, что облегчает массу поднимаемой части. В трансформаторе с нижним разъемом возникает повышенная опасность утечки трансформаторного масла при повреждении прокладки из маслостойкой резины.

Вопросы перевозки настолько сложны, что вначале решают их, а потом уже окончательно разрабатывают конструкцию трансформатора. Решают проблемы уменьшения габаритов и массы, интенсификации использования материалов (повышение отношения мощность/масса), а также охлаждения.

Увеличение токов к.з. происходит из-за уменьшения реактивного сопротивления (Х_т) при тех же относительных каталожных напряжениях короткого замыкания (U_K %).

Дальнейший рост мощности, стремление сохранить класс оборудования (выключатели, разъединители, трансформаторы тока, и тд) и ограничить потери напряжения, а также конструктивные соображения привели к появлению трансформаторов с расшепленными обмотками. Каждая часть с точки зрения режимов может работать независимо от других с нагрузкой от холостого хода до номинальной мощности данной обмотки. Суммарная мощность всех расщепленных частей равна мощности обмотки высшего напряжения (BН), т.е. номинальной мощности трансформатора. В случае, когда сопротивление системы достаточно велико, части расщепленной обмотки трансформатора могут быть соединены параллельно.

Обычно это трансформаторы подстанций мощностью 25-80 МВА. Мощность каждой из двух обмоток НН равна 50% мощности обмотки ВН.

Увеличение мощности до пределов 63–80 МВА вновь приводит к использованию двухобмоточных трансформаторов с нерасщепленными обмотками. Это обычно станционные трансформаторы, через которые подаются в сеть активная и реактивная мощности. Большие индуктивные сопротивления трансформатора здесь нежелательны, и эти соображения преобладают над желанием снизить токи к.з. и облегчить аппаратуру.

При изготовлении сверхмощных трансформаторов есть ряд других проблем, требующих решения. К ним относятся охлаждение, борьба с шумом и вибрациями магнитопроводов, борьба с добавочными потерями и местный перегревом активных частей от токов рассеяния в токов отводов НН, стойкость обмоток к сквозным к.з. и т.п.

Маркировка трансформаторов и их охлаждение

В новых трансформаторах буква Г опускается, так как все они изготовляются грозоупорными. В обозначении некоторых трансформаторов 35 кВ и ниже буква А, расположенная не на первом месте, означает, что обмотка изготовлена из алюминия.

Основные системы масляного охлаждения.

1) Трансформаторы с естественным масляным охлаждением (М). Охлаждение осуществляется через трубчатые охладители двух видов:1) стальные вертикальные трубы, приваренные к верхним и нижним частям бака по всей его наружной поверхности (до 1,6 МВА); 2) подвесные трубчатые охладители-радиаторы. Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, который может быть снят для замены без слива масла (до 16 МВА).

2) Для увеличения теплоотдачи масла радиаторы обдуваются вентиляторами. Охлаждение масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла (Д) (до 63 МВА). Управление дутьем осуществляется вручную или автоматически, в зависимости от способа обслуживания подстанции.

3) Масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла (ДЦ) (80 МВА и более). Масло прогоняется электронасосом через интенсивно обдуваемые вентиляторами маслоохладители, которые устанавливаются на трансформаторе.

Для обеспечения большей теплоотдачи в крупных трансформаторах движение масла внутри бака упорядочено и охлажденное масло подается по трубкам к определенным частям обмоток. Струйное реле служит для сигнализации о прекращении циркуляции масла. Имеется также сигнализация об остановке вентиляторов обдува. К маслоохладителю подключается адсорбционный фильтр непрерывной очистки масла.

4) Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла и воды (Ц). Такая система применяется для мощных и сверхмощных трансформаторов, но для ее реализации требуется мощный источник водоснабжения. Здесь нагретое масло перекачивается центробежными насосами через маслоохладители и подается в бак Давление масла в охладителе выше давления воды на 0,02 МПа, чтобы исключить подсосы воды в трансформатор. При номинальном токе нагрузки трансформатора температура верхних слоев масла не должна превышать 70^о С. При отключении части охладителей нагрузка трансформатора должна быть соответственно снижена.

5) Помимо рассмотренных систем охлаждения трансформаторов существуют еще другиe применяемые в специальных условиях:

– естественное воздушное охлаждение при защищенном кожухом исполнении (СЗ);

– естественное воздушное при герметичной исполнении (СГ);

– воздушное с дутьем (СД);

– естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком (Н);

– охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем (НД).

6) В настоящее время выпускаются также трансформаторы с форсированной системой охлаждения (НДЦ). Трансформаторы с данной системой охлаждения имеют двойною маркировку, по мощности. Это двухобмоточные трансформаторы 110/10 кВ серии ТНДЦН мощностью 16000/10000 и 25000/16000 кВА и трансформаторы с расщепленной обмоткой НН серии ТРНДЦН мощностью 40000/25000 и 63000/40000 кВА.

Маркировка НДЦ означает направленную циркуляцию масла в активной части и охлаждение масла воздушным дутьем. Базовой (проектной) мощностью (Sпр) считается мощность в знаменателе, номинальной (S_н) – мощность в числителе. Комбинация различных элементов системы позволяет получить пять ступеней охлаждения.

Напряжение короткого замыкания трансформаторов (Uк), приведенное к Sпр, равно 16,8%, а к S_Н - 10,5%. Допустимые нагрузки определяются по ГОСТ 14209-85, причем на ступени Д они исчисляются исходя из базовой мощности, на ступени НДЦГ из номянальной. Таким обрезом, получается весьма эффективное использование трансформаторов на подстанции. Естественно, что выбор трансформаторов производится по проектной мощности; номинальная мощность используется в режимах длительных перегрузок (систематических или в ремонтном режиме отключения одного трансформатора).

Понятия номинального и нормального режимов работы трансформатора

Номинальным режимом работы трансформатора при «нулевом» ответвлении ПБВ или РПН называется такой режим, когда значения напряжений, частоты, мощности нагрузки, а также условия установки и окружающей среды номинальные, т.е. равны значениям и условиям, регламентируемым в ГОСТ и указанным изготовителем на щитке трансформатора. В этой режиме он может работать в пределах срока службы (порядка 25-30 лет).

Нормальный режим предполагает, что упомянутые параметры находятся в пределах oграничений, накладываемых не только ГОСТ, но и ПТЭ. Так, ПТЭ длительно допускают превышение напряжения в пределах 5%; в пределах 10% с ограничениями по току (до 25% расчетного) или по времени (до б ч/сутки). Эти ограничения связаны с нелинейностью кривой намагничивания сердечника, благодаря чему ток намагничивания растет значительно быстрее напряжения за пределами 1,05U_ном. Далее, в ГОСТ предполагается, что среднегодовая температуре охлаждающего воздуха равна 20°С, поэтому допускаются перегрузки по току при меньших температурах и требуются снижения при больших (без ограничений по времени).

К условиям, относящимся к нормальному режиму, примыкают условия допустимости нормальной длительной параллельной работы трансформаторов энергообъектов: тождественность групп соединении, равенство коэффициентов трансформации и U_K.

Регулирование напряжения трансформаторов

Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать определенный уровень напряжения на шинах подстанций. В электрических сетях предусматриваются способы регулирования напряжения, одним из которых является изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

Известно, что коэффициент трансформации определяется как отношение первичного напряжения ко вторичному, или . Отсюда

Устройство ПБВ позволяет регулировать напряжение в пределах ±5%, для чего трансформаторы небольшой мощности кроме основного вывода имеют два ответвления от обмотки высшего напряжения: +5% и –5% . Если трансформатор работал на основном выводе 0 и необходимо повысить напряжение на вторичной стороне U₂, то, отключив трансформатор, производят переключение на ответвление –5%, уменьшая тем самым число витков W1.

Регулирование под нагрузкой (РПН) позволяет переключать ответвления обмотки трансформатора без разрыва цепи. Устройство РПН предусматривает регулирование напряжения в различных пределах в зависимости от мощности и напряжения трансформатора (от ±10 до ±16% ступенями приблизительно по 1,5%)

Регулировочные ступени выполняются на стороне ВН, так как меньший по значению ток позволяет облегчить переключающее устройство. Для расширения диапазона регулирования без увеличения числа ответвлений применяют ступени грубой и тонкой регулировки (рис. 2.40). Наибольший коэффициент трансформации получается, если переключатель П находится в положении II, а избиратель И – на ответвлении 6. Наименьший коэффициент трансформации будет при положении переключателя I, а избирателя — на ответвлении 1.

Переключающее устройство РНТ-13 применяется на трансформаторах средней мощности.

Переход с одного ответвления регулировочной обмотки на другое осуществляется так, чтобы не разрывать ток нагрузки и не замыкать накоротко витки этой обмотки. Это достигается в специальных переключающих устройствах с реакторами или резисторами. Схема с резисторами обладает рядом преимуществ перед схемой с реакторами и получает все более широкое применение.

В переключателях данного типа используются мощные пружины, обеспечивающие быстрое переключение контактов контактора (< 0,15 с), поэтому токоограничивающие сопротивления R1, R2 лишь кратковременно нагружаются током, что позволяет уменьшить их габариты. Контакторы размещаются в герметизированном баке с маслом. Управление РПН может осуществляться дистанционно со щита управления вручную или автоматически.

Рис. 2.40 Устройство РПН трансформаторов (схема включения регулирующих ступеней)

Ab – основная обмотка; bc – ступень грубой регулировки; de – ступени плавной регулировки;

П – переключатель; И – избиратель.

В современных устройствах РПН для коммутации тока находят применение вакуумные дугогасительные камеры. Благодаря этому трансформаторное масло не используется в качестве дугогасительной среды и не требуется его смена в процессе эксплуатации.

Регулирование напряжения в автотрансформаторах имеет некоторую особенность. Если ответвления выполнить в нейтральной точке (рис. 2.42, а). то это позволяет облегчить изоляцию переключающего устройства и рассчитать его на меньший ток, так как в общей обмотке автотрансформатора проходит разность токов. Такое регулирование называется связанным, т. е. при переключении ответвлений одновременно меняется количество витков ВН и СН. Это приводит к резким изменениям индукции в сердечнике и колебаниям напряжения на обмотке НН.

Независимое регулирование в автотрансформаторе можно осуществить с помощью регулировочной обмотки на линейном конце среднего напряжения (рис.2.42, 6). В этом случае переключающее устройство должно быть рассчитано на полный номинальный ток, а изоляция его – на полное напряжение средней обмотки.

Такие переключающие устройства на ток 2000 А с изоляцией классов 110 и 220 кВ позволяют обеспечить РПН для автотрансформаторов больших мощностей. Регулирование осуществляется с помощью трех однофазных регуляторов, имеющих электропривод с автоматическим управлением.

Для регулирования напряжения под нагрузкой на мощных трансформаторах и автотрансформаторах применяются также последовательные регулировочные трансформаторы (рис. 2.43). Они состоят из последовательного трансформатора 2, который вводит добавочную ЭДС в основную обмотку автотрансформатора 1, и регулировочного автотрансформатора 3, который меняет эту ЭДС. С помощью таких трансформаторов можно изменять не только напряжение (продольное регулирование), но и его фазу (поперечное регулирование). Устройство таких трансформаторов значительно сложнее, чем РПН, поэтому они дороже и применение их ограничено.

Одним из видов последовательных регулировочных трансформаторов являются линейные регуляторы, которые включаются последовательно в линию или в цепь трансформатора без РПН, обеспечивая регулирование напряжения в пределах ±10–15%.