3217_EI

–контакты избирателя П1 и П2 замыкаются и размыкаются без разрыва тока, т. е. при отсутствии дуги;

–привод должен обеспечить описанную последовательность работы контактов;

–реактор служит для ограничения циркулирующего тока до необходимой величины (например, до половины номинального тока нагрузки);

–в положениях контактов избирателя «два вместе» и «мост» ток нагрузки распределяется поровну между двумя обмотками реактора, установленными на одном сердечнике. Эти токи направлены навстречу друг другу и в положении «два вместе» не создают возбуждающего поля в сердечнике и падения напряжения.

Достоинство переключающих устройств с токоограничивающим реактором заключается в возможности длительно работать в промежуточном положении «мост», поэтому для привода этих устройств не требуется специальных быстродействующих механизмов, значит, они могут быть относительно простыми и дешевыми.

При весьма значительных мощностях трансформатора аппаратура РПН становится слишком громоздкой. В этом случае применяют регулирование напряжения с помощью вольтдобавочного трансформатора, состоящего из трансформатора ПТ, включенного последовательно, и регулировочного автотрансформатора РА с переключающим устройством ПУ (рис. 43) [1].

Напряжение вторичной обмотки ∆U трансформатора ПТ суммируется с напряжением линии Uл1 и изменяет его до значения Uл2 = Uл1 + ∆U. Величина ∆U может изменяться по-

71

средством РА. При этом переключателем продольного регулирования (ППР) можно изменять фазу ∆U на ±180° так, что одно положение ППР будет соответствовать увеличению напряжения Uл2 = Uл1 + ∆U, а другое – уменьшению напряжения Uл2 = Uл1 − ∆U. Кроме того, возможны и другие способы фазового воздействия на ∆U, например комбинация различных схем соединения трехфазных обмоток (звезда, треугольник) в вольтдобавочном трансформаторе, создающая фазовые сдвиги ∆U относительно Uл1 на углы 60, 120 и 90° (поперечное регулирование). В этих случаях изменение ∆U влияет не только на значение, но и на фазу напряжения Uл2.

Широкое распространение получили переключающие устройства с активными токоограничивающими сопротивлениями [9].

В переключающем устройстве с токоограничивающими резисторами (рис. 44) имеются три переключателя – П1, П2 и П3. При работе трансформатора на ответвлении Х2 переключатели П2 и П3 занимают показанное на рис. 44 положение. Чтобы перейти на соседнее ответвление Х1, сначала на это ответвление следует провести без тока переключатель П1. Затем быстродействующий переключатель П3 быстро перебрасывается по часовой стрелке в положение, при котором он замыкает контакты 1 и 2. Процесс размыкания контактов 3, 4 и замыкания контактов 1, 2 происходит таким образом, что цепь тока не прерывается, а в промежуточном положении, когда переключатель П3 замыкает одновременно контакты 1 и 4, ток в части обмотки трансформатора, расположенной между ответвлениями Х1 и Х2, ограничивается резисторами R1 и R2. Во избежание перегрева этих резисторов переключатель П3 переводится из одного рабочего положения в другое в течение сотых долей секунды.

Конструкция устройств с активными токоограничивающими сопротивлениями получается более сложной и дорогой, чем у переключающих устройств с реакторами. Однако они обладают рядом весьма существенных достоинств: громоздкий и тяжелый реактор заменен сравнительно легкими активными сопротивлениями; конструктивно эти устройства более компактны; условия гашения дуги более благоприятны.

7.4. Регулирование напряжения в трансформаторах электроподвижного состава

Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора или автотрансформатора, можно регулировать, изменяя число витков первичной или вторичной обмотки. Регулирование напряжения при этом получается не плавным, а ступенчатым (ступенчатое регулирование). Число витков вторичной обмотки трансформатора можно изменять сравнительно просто, и такой способ широко применяют на электроподвижном составе (ЭПС) переменного тока [37, 38]. Для этого вторичную обмотку разбивают на ряд ступе-

72

ней (секций): а, б, в, г (рис. 45, а), к выводам А, Б, В и Г которых соответствующими переключателями 1, 2, 3 и 4 может подключаться приемник электрической энергии Zн. Присоединяя приемник к тому или иному выводу трансформатора, можно изменять число включенных во вторичную обмотку витков, т. е. напряжение U2, подводимое к прием-

нику. Такой способ называют регулированием на стороне низкого напряжения транс-

форматора. Регулирование напряжения U2 путем изменения числа витков первичной обмотки трансформатора практически можно осуществлять только в сравнительно узких пределах. Такой способ применяют на трансформаторах тяговых подстанций с целью компенсации колебаний напряжения в питающей подстанции сети (напряжение этих трансформаторов может изменяться от +5 до –10 % номинального значения). Использовать этот способ для регулирования напряжения в широких пределах не представляется возможным. В этом случае для увеличения напряжения потребовалось бы сильно уменьшать число витков W1, первичной обмотки, т. е. переключать провод, подающий питание от сети, с вывода Г на выводы В, Б и А (рис. 45, б). При этом будет возрастать магнитный поток трансформатора, а следовательно, ток холостого хода и потери мощности в стали. Поэтому такой способ регулирования напряжения на ЭПС не применяют. Напряжение U2, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т, можно также регулировать, если изменять каким-либо способом напряжение U1, подаваемое на его первичную обмотку. Для этой цели на ЭПС используют регулировочный автотрансформатор

AT (рис. 45, в) [37, 38]. Такой способ называют регулированием на стороне высокого на-

пряжения трансформатора. Автотрансформатор может быть выполнен на отдельном магнитопроводе или в виде дополнительной обмотки на магнитопроводе основного трансформатора.

Рис. 45. Ступенчатое регулирование напряжения в трансформаторах ЭПС

Каждый из рассмотренных способов регулирования напряжения имеет свои преимущества и недостатки. При регулировании на стороне низкого напряжения переклю-

73

чающие аппараты приходится рассчитывать на большие токи, что сильно усложняет их конструкцию. При регулировании на стороне высокого напряжения удается значительно упростить конструкцию переключающих аппаратов, так как токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны их напряжениям (практически токи в первичной обмотке трансформатора мощного электровоза составляют 200–300 А, а во вторичной достигают нескольких тысяч ампер). Однако масса и габаритные размеры трансформатора при этом возрастают, а его КПД и коэффициент мощности уменьшаются. Кроме того, переключающую аппаратуру приходится выполнять с усиленной изоляцией и с высокой степенью точности, так как несогласованность работы отдельных выключателей на стороне высокого напряжения может привести к тяжелым авариям.

Рис. 46. Трансформатор с подмагничиванием сердечника

Регулировать напряжение трансформатора можно также изменением магнитного потока, проходящего по отдельным его стержням, с помощью магнитных шунтов[37, 39]. Для этой цели можно подмагничивать шунты постоянным током и менять, таким образом, их магнитное сопротивление для переменного потока, создаваемого первичной обмоткой. Трансформаторы с подмагничиванием сердечника применяют на некоторых электровозах переменного тока для питания цепей управления и заряда аккумуляторных батарей. Такой трансформатор имеет основной магнитопровод 4 (рис. 46) и два магнитных шунта 3, отделенных друг от друга изолирующими прокладками. Первичная его обмотка 2 состоит из двух катушек, соединенных параллельно. Каждая из них охватывает три стержня: один из стержней основного магнитопровода и два стержня магнитных шунтов. Вторичная обмотка 1 также выполнена из двух параллельно включенных катушек, намотанных на стержни основного магнитопровода. На стержнях магнитных шунтов расположена обмотка управления 5, состоящая из четырех катушек. Они соединены последовательно так, чтобы маг-

74

нитные потоки, созданные каждой парой катушек одного магнитного шунта, складывались, а ЭДС еу, индуцируемые в них переменным магнитным потоком первичной обмотки, взаимно компенсировались (рис. 46). Трансформатор работает следующим образом. При отсутствии постоянного тока в обмотке управления 5 магнитный поток Ф1 трансформатора, создаваемый первичной обмоткой 2, равномерно распределяется между основным магнитопроводом и магнитными шунтами (пропорционально площади их поперечных сечений). При этом во вторичной обмотке 1 индуцируется минимальное напряжение U2. При протекании по обмоткам управления постоянного тока Iy сердечники магнитных шунтов насыщаются, и их магнитное сопротивление возрастает. При этом магнитный поток Ф2 первичной обмотки вытесняется в основной магнитопровод и проходящий по нему поток Ф2 увеличивается. Это приводит к увеличению напряжения U2, индуцируемого во вторичной обмотке. Когда сердечники магнитных шунтов будут полностью насыщены, магнитный поток Ф2 в основном магнитопроводе будет максимальным, а с трансформатора снимается максимальное напряжение U2. Таким образом, изменяя ток управления Iy, можно плавно регулировать вторичное напряжение.

8.ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРЕ

8.1.Системы охлаждения трансформаторов

При работе трансформатора часть электрической энергии расходуется на потери, превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду. Основными источниками тепла являются обмотки (потери в них составляют примерно 80 % всех потерь), магнитная система и элементы металлоконструкции.

В металле обмоток и стали магнитной системы во время работы трансформатора возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. Вследствие выделения тепла обмотки и магнитная система трансформатора начинают нагреваться, постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой – трансформаторным маслом или воздухом – и вследствие этого теплоотдача от активных материалов к окружающей среде. Таким образом, часть тепла, выделяющегося в активных материалах, идет на их нагревание, а вторая часть отводится в окружающую среду. В масляных трансформаторах вслед за активными материалами нагреваются масло и металлический бак, и устанавливается температурный перепад между внешней поверхностью бака и воздухом, окружающим трансформатор. По мере роста температуры накопление тепла постепенно уменьшается, а теплоотдача увеличивается, в конечном итоге при длитель-

75

ном сохранении режима нагрузки повышение температуры прекращается, и все выделяющееся тепло отдается в окружающую среду.

Тепловой поток проходит сложный путь, который для масляного трансформатора может быть разбит на следующие участки: от внутренних точек обмотки или магнитной системы до их наружных поверхностей, омываемых маслом; от наружной поверхности обмотки или магнитной системы в омывающее их масло; перенос тепла маслом от обмоток и магнитной системы к внутренней поверхности стенок бака; перевод тепла от масла к внутренней поверхности стенок бака; переход тепла от наружной поверхности стенок бака в окружающую среду.

На каждом из участков, проходимых тепловым потоком, возникает температурный перепад, т е. разность температур тем больше, чем больше тепловой поток.

При выделении тепла трансформатор нагревается, и температура его отдельных частей может значительно превысить температуру окружающей среды. Нагрев трансформатора − основная причина, ограничивающая его мощность при нагрузке. Элементы металлоконструкций трансформатора могут выдерживать без повреждений довольно большие температуры в отличие от изоляции, особенно бумажной (класса А), широко применяемой в трансформаторах.

Чем выше температура обмоток, тем интенсивнее происходит старение ее изоляции. Повышение температуры обмоток на 8 °С примерно вдвое сокращает срок службы изоляции.

В стандарте предусмотрены следующие виды охлаждения масляных трансформаторов и условные обозначения [2]:

естественное масляное – М; масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла – Д;

масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла – ДЦ; масляно-водяное с естественной циркуляцией масла – MB; масляно-водяное с принудительной циркуляцией масла – Ц;

для трансформаторов с заполнением негорючим жидким диэлектриком:

естественное охлаждение негорючим жидким диэлектриком – Н; охлаждение негорючим жидким диэлектриком с дутьем – НД.

При работе трансформатора листы магнитной системы и обмоточный провод служат постоянными источниками тепловой энергии, поэтому в магнитной системе и обмотках происходит постоянная передача тепла от внутренних, более нагретых частей к наружным поверхностям, отводящим тепло. Трансформаторы изготавливают так, чтобы размеры этих поверхностей были достаточны.

76

У трансформаторов мощностью в несколько киловольт-ампер наружной поверхности обмоток и магнитопровода достаточно для отвода того небольшого количества тепла, которое выделяется при их работе. Трансформаторы охлаждаются более холодным окружающим воздухом естественным излучением тепла. Специальных устройств для их охлаждения обычно не требуется.

Трансформаторы, в которых основной охлаждающей и изолирующей средой является атмосферный воздух, называют воздушными. По мере увеличения мощности потери в трансформаторе растут пропорционально его массе, т. е. приблизительно пропорционально кубу его линейных размеров. Поверхность же охлаждения увеличивается пропорционально квадрату линейных размеров, т. е. потери в трансформаторе растут быстрее, чем поверхность, отводящая тепло (согласно закону роста мощности).

Начиная с некоторой мощности этой поверхности оказывается недостаточно, и для ее увеличения делают каналы между катушками обмоток и самими обмотками, открывая свободный доступ охлаждающему воздуху. Однако этих мер достаточно только для трансформаторов мощностью до 2500 кВ·А.

Более эффективное средство для отвода тепла – использование минерального (трансформаторного) масла, сочетающего свойства изолирующего и теплоотводящего материалов. Трансформатор, в котором основной изолирующей средой и теплоносителем служит трансформаторное масло, называют масляным.

Частицы масла, заполняющего масляный трансформатор, соприкасаются с горячими поверхностями, нагреваются, поднимаются вверх и отдают свое тепло через стенки и крышку бака окружающему воздуху. Охлаждаясь у стенок, частицы масла движутся вниз, уступая место другим, более горячим (рис. 47, а). Такой способ теплопередачи называют естественной конвекцией. Температура отдельных элементов трансформатора неодинакова; ее изменение по высоте бака зависит от ряда факторов [7–9, 37].

Рис. 47. Способы охлаждения трансформаторов

77

Применение трансформаторного масла в качестве теплоносителя очень эффективно. Теплоотдача с единицы поверхности при масляном охлаждении в 6−8 раз больше, чем при воздушном, поэтому и необходимые для охлаждения поверхности обмоток и магнитопровода в масляных трансформаторах значительно меньше, чем в одинаковых с ними по мощности воздушных. Однако поверхность бака при этом должна быть такой, чтобы температура масла не достигла предельной.

Самый простой способ увеличения поверхности охлаждения – это увеличение размеров бака, но он не экономичен, поэтому увеличивают поверхность за счет трубчатых теплообменников (радиаторов), устанавливаемых на баке. Теплоотдача с поверхности бака происходит как через нагретые частицы воздуха (конвекция), так и лучеиспусканием.

Охлаждение частей масляного трансформатора естественной конвекцией масла и воздуха, охлаждающего внешнюю поверхность бака с установленными на нем охладительными элементами, называют естественным масляным и применяют для трансформаторов мощностью до 6300 кВ·А. В трансформаторах большей мощности используют другие системы с принудительным ускорением движения масла и охлаждающего воздуха или воды.

Рис. 48. Масляно-водяной способ охлаждения трансформатора

Существует несколько способов принудительного охлаждения трансформаторов: дутьевой (Д) (рис. 47, б); циркуляционный (ДЦ) (рис. 47, в) с принудительным увеличением скорости движения как масла, так и воздуха; масляно-водяной (Ц) с принудительной циркуляцией масла через охладители, охлаждаемые водой (рис. 48).

78

8.2.Дутьевая система охлаждения

Втрансформаторах мощностью более 10 MB·А отвод тепла не обеспечивается поверхностью радиаторов при естественной циркуляции масла, поэтому у них радиаторы обдуваются вентиляторами. Радиатор (рис. 47, б) состоит из нескольких рядов тонкостенных труб, собранных с помощью коробок, которые вварены в верхний и нижний коллекторы, присоединяемые патрубками с фланцами к стенке бака. Под радиатором на кронштейнах, прикрепленных к стенкам бака, установлены асинхронные электродвигатели с крыльчатками на валах. Поток воздуха, поступающий от крыльчаток, обдувает радиатор и значительно увеличивает теплосъем с его поверхности: каждый квадратный метр поверхности радиатора при обдуве способен отвести 750-850 Вт против 400–450 Вт без обдува. Число устанавливаемых радиаторов зависит от теплосъема каждого и того количества тепла, которое нужно отвести от трансформатора. В системе охлаждения Д для обдува каждого радиатора устанавливают по два осевых вентилятора серии ВОТ-400К У1 с трехфазными электродвигателями [40].

8.3.Дутьевая циркуляционная система охлаждения

Для трансформаторов мощностью 63000 кВ·А и более, где дутьевое охлаждение не обеспечивает отвода тепла, применяют специальные охладители (рис. 47, в), у которых принудительная циркуляция масла сочетается с дутьем. Они обдуваются вентиляторами, расположенными один над другим. Охладитель представляет собой калорифер, состоящий из нескольких рядов оребренных труб, вваренных в верхнюю и нижнюю трубные доски. Вверху и внизу охладителей имеются камеры для масла. К патрубку верхней камеры присоединяют электронасос, а к патрубку нижней – струйное реле, с помощью которого контролируют циркуляцию масла в охладителе.

Электронасосзабираетгорячеемаслоизверхнейчастибакатрансформатораипрогоняет его через охладитель. Охладившись, масло поступает в нижнюю часть бака. Интенсивная принудительная циркуляция масла достигается с помощью специальных центробежных герметичных электронасосов с встроенным асинхронным электродвигателем. В основном применяют электронасосы АНМТ100/8 (63/10, 63/20, 100/15) с подачей 100 м3/ч и напором 8 м [41]. Охладители устанавливают на стенках бака или выносят на отдельные фундаменты и соединяют с баком трубами. При выносном исполнении их устанавливают на отдельном фундаменте вблизи трансформатора; при групповом – систему охлаждения комплектуют отдельными групповыми унифицированными охлаждающими устройствами, устанавливаемымивозлетрансформаторанафундаментилирельсы.

79

Групповое охлаждающее устройство представляет собой единый агрегат, состоящий из трех и более параллельно соединенных самостоятельных устройств и шкафа управления, смонтированных на общей раме. Основанием рамы служат всасывающий и нагнетательный коллекторы устройства. Устройство оборудовано поворотными каретками, что позволяет устанавливать его на рельсы.

В настоящее время применяют в основном групповые устройства типов ГОУ-3 и ГОУ-4, состоящие из трех и четырех самостоятельных охлаждающих устройств соответственно.

8.4. Циркуляционная система охлаждения

Наиболее эффективный способ охлаждения мощных трансформаторов – водомасляная система Ц, где циркулируют принудительно масло и вода (рис. 48).

Такая система охлаждения применяется в трансформаторах мощностью 630 MB·А и выше, а также в специальных трансформаторах: электропечных; для питания анодных цепей; устанавливаемых на электровозах, где требуется снижение объема трансформатора и транспортируемой массы. В охладителях такой системы нагретое масло прогоняется насосом через охладительную колонку, омываемую водой, охлаждается в ней и поступает в нижнюю часть бака трансформатора.

Основным элементом системы охлаждения являются водомасляные охладители, имеющие масляные и водяные полости. Масляные полости соединены маслопроводом с баком трансформатора, а водяные – водопроводом с источником водоснабжения. Для предотвращения замерзания воды маслоохладители размещают, как правило, в помещении с положительной температурой воздуха. В южных районах страны, где среднегодовая температура воздуха не ниже 10÷15° С, допускается наружная установка охладителей. В охладителях гидростатическое давление масла всегда должно превышать давление воды.

Система подачи воды в охладители должна обеспечить: требуемый расход воды через водяные полости охладителей, ограничение давления воды в полости до требуемых значений, возможность полного слива воды из охладителей.

Подачу воды в водяные полости охладителей осуществляют при помощи водяных центробежных насосов или самотеком. Давление воды на входе в охладитель обычно ограничивают при помощи дроссельных клапанов. На случай отказа дроссельного клапана на общих трубопроводах охладителей делают изгибы типа «утка» высотой, заданной расчетом. Для охлаждения применяют пресную и морскую воду с температурой не более 25 °С, предварительно очищая ее от механических примесей.

80