Глава двадцать вторая СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

22.1. Основные типы трансформаторов, элементы конструкции

Электрическая энергия, вырабатывае­мая на электростанциях, при передаче к потребителям претерпевает многократ­ную трансформацию в повышающих и понижающих трансформаторах. Поэто­му мощность трансформаторов, установ­ленных в энергосистемах, превышает установленную мощность генераторов (киловольт-амперы) в 4 —5 раз. Несмотря на относительно высокий КПД трансфор­маторов стоимость энергии, теряемой ежегодно в трансформаторах, составляет значительную сумму. Естественно поэ­тому стремление к уменьшению числа ступеней трансформации, уменьшению установленной мощности трансформа­торов и лучшему их использованию.

Трансформаторы изготовляют трех­фазными и однофазными, двух- и трех-обмоточными. Преимущественное при­менение имеют трехфазные трансфор­маторы, экономические показатели кото­рых выше показателей групп из одно­фазных трансформаторов при той же надежности. Группы из однофазных трансформаторов применяют только при самых больших мощностях, при напряже­ниях 500 кВ и выше в целях уменьше­ния транспортной массы. Трансформато­ры всех типов (в том числе и автотранс­форматоры) изготовляют в соответствии со следующей шкалой номинальных мощностей (киловольт-амперы), уста­новленной ГОСТ 9680 - 77Е:

Применительно к однофазным тран­сформаторам приведенные значения

мощности следует понимать¹ как мощ­ности трехфазных групп.

Основными требованиями, предъяв­ляемыми к трансформаторам, являются надежность работы и экономичность. Потери мощности в трансформаторах слагаются из потерь холостого хода и потерь короткого замыкания. Для уменьшения потерь мощности в магнито-проводах применяют холоднокатаную сталь с малым содержанием углерода и присадками, улучшающими свойства стали. Магнитопровод собирают из листов толщиной 0,35 мм и меньше. Потери короткого замыкания состоят из джоулевых потерь в обмотках и добавоч­ных потерь в обмотках и элементах кон­струкции трансформатора, определяе­мых напряженностью магнитного поля рассеяния. Снижения потерь короткого замыкания достигают в основном умень­шением добавочных потерь различными методами конструктивного порядка, в частности применением многопроволоч­ных проводов с изолированными жи­лами.

Напряжение короткого замыкания. При передаче мощности через трансфор­матор имеет место падение напряжения, определяемое сопротивлением трансфор­матора — напряжением короткого за­мыкания и_к. Последнее зависит в основ­ном от размеров обмоток (диаметра и ширины канала между обмотками, вы­соты обмотки), следовательно, от номи­нального напряжения и мощности транс­форматора. При относительно неболь­шом значении и_к падение напряжения в трансформаторе невелико. Однако при КЗ за трансформатором ток получа­ется большим. Это влечет за собой не­обходимость изготовления трансформа­торов с большой динамической и терми­ческой стойкостью и приводит, следо­вательно, к увеличению их стоимости. Увеличиваются также требования к ди­намической и термической стойкости коммутационных аппаратов на стороне вторичного напряжения. С учетом усло­вий работы трансформаторов в системе при конструировании трансформаторов

приходится ориентироваться на опти­мальное значение напряжения короткого замыкания. Чем выше номинальное на­пряжение и больше мощность трансфор­матора, тем выше напряжение короткого замыкания: трансформаторы мощно­стью до 6300 кВ∙А с напряжениями 10 — 35 кВ имеют напряжение короткого замыкания в пределах 5,5—7,5%, а бо­лее мощные трансформаторы с напряже­нием 110-500кВ - в пределах 10-15%.

Изолиния обмоток трансформатора определяется испытательными напря­жениями (промышленной частоты и им­пульсных), установленными в соответст­вии с номинальным напряжением транс­форматора, системой рабочего зазем­ления электрической сети и характеристи­ками разрядников *. Обмотки трансфор­маторов, предназначенные для присоеди­нения к эффективно-заземленным сетям снапряжением 110 кВ и выше, выполняют с изоляцией на полное испытательное напряжение только у линейного вывода. Изоляцию обмоток у второго вывода, подлежащего заземлению, рассчитывают на меньшее испытательное напряжение. Такие обмотки выполняют в виде двух концентров (рис. 22.1). При этом наруж­ный концентр состоит из двух частей, расположенных друг над другом по высоте стержня и намотанных в противо­положных направлениях. Части обмоток соединяют параллельно, а линейный вывод устраивают посередине. Таким об­разом удается существенно уменьшить изоляцию торцов обмотки.

Трехобмоточные трансформаторы. Трехобмоточные трансформаторы при­меняют в основном в качестве понижаю­щих трансформаторов. Они имеют мощ­ность до 100 MB∙А и высшее напря­жение до 220 кВ. Мощности обмоток высшего, среднего и низшего напряже­ний равны соответственно 100/100/100, 100/100/67 и 100/67/100% номинальной мощности трансформатора. Сумма на­грузок обмоток среднего и низшего напряжений не должна превышать номи­нальной мощности трансформатора.

* Эти вопросы относятся к курсу «Тех­ника высоких напряжений».

Обмотки высшего, среднего и низ­шего напряжений трех обмоточных транс­форматоров размещают на стержнях концентрически в следующем порядке: обмотку высшего напряжения — снару­жи, обмотку низшего напряжения — внутри у стержня, обмотку среднего напряжения — между обмотками выс­шего и низшего напряжений. При таком расположении обмоток напряжение КЗ между обмотками высшего и среднего напряжений имеет минимальное значе­ние, что позволяет передать большую часть мощности в сеть среднего напря­жения с минимальными потерями напря­жения. Напряжение КЗ между обмот­ками высшего и низшего напряжений относительно велико, что способствует ограничению тока КЗ в сети низшего напряжения.

Разновидностью трехобмоточного трансформатора является трансформа­тор с расщепленной обмоткой низшего напряжения [22.1], В таком трансформа­торе (рис. 22.2, а) обмотка низшег о напря­жения каждой фазы выполнена из двух частей (ветвей), расположенных симмет­рично по отношению к обмотке высшего напряжения. Номинальные напряжения ветвей обмотки одинаковы. Мощность каждой обмотки низшего напряжения

составляет часть номинальной мощно­сти трансформатора (при двух ветвях — половину, при трех ветвях — 1/3 номи­нальной мощности). В трехфазных транс­форматорах обе части расщепленной обмотки размещены на общем стержне соответствующей фазы одна над другой, а в однофазных трансформаторах части обмотки размещены на разных стержнях. Каждая ветвь расщепленной обмотки имеет самостоятельные выводы. До­пускается любое распределение нагруз­ки между ветвями расщепленной об­мотки, например при двух ветвях одна ветвь может быть полностью нагружена, а вторая отключена или обе ветви нагру­жены полностью.

Достоинством трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напря­жения является большое сопротивление короткого замыкания между ветвями, что дает возможность ограничить ток КЗ на стороне низшего напряжения, например на подстанциях. Повышаю­щие трансформаторы с расщепленной обмоткой низшего напряжения приме­няют в случаях, когда несколько гене­раторов должны быть присоединены к общему трансформатору (например, на гидростанциях).

Одной из характеристик трансфор­матора с расщепленной обмоткой яв­ляется коэффициент расщепления k_p, который для случая двух ветвей равен отношению сопротивления короткого замыкания между ветвями расщепленной обмотки Z_2-3 к сопротивлению корот­кого замыкания между обмоткой высше­го напряжения и параллельно соединен-

ными ветвями расщепленной обмотки:

Для однофазных трансформаторов коэффициент расщепления k_р ≈ 4, а для трехфазных трансформаторов k_p ≈ 3,5. Сопротивления лучей в схеме замещения трансформатора с обмоткой низшего напряжения, расщепленной на две ветви (рис. 22.2,б), могут быть определены из следующих выражений:

После подстановки в (22.1) и (22.2) соответствующих значений для k_p полу­чим:

для однофазных трансформаторов

для трехфазных трансформаторов