3.2. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы.

Силовые трансформаторы, установленные на электростанциях и подстанциях, предназначены для преобразования электроэнергии одного напряжения в другое.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12 – 25% ниже, расход активных материалов и стоимость на 20 – 25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Трехфазные трансформаторы на напряжение 220 кВ изготовляют мощностью до 1000 МВ∙А, на 330 кВ до 1250 МВ∙А. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы делят на двухобмоточные и трехобмоточные. Обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, индуктивно не связанных, изолированных друг от друга и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Обмотки высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжения показаны на рисунке 3.1.

Широкое распространение трансформаторы с расщепленными обмотками НН получили в схемах питания потребителей собственных нужд (для повышения надежности электроснабжения) крупных ТЭС и АЭС с блоками мощностью 200-1200 МВт, а также на понижающих подстанциях (для ограничения токов короткого замыкания).

а) б) в)

Рисунок 3.1. Принципиальные схемы трансформаторов:

а) двухобмоточного б) трехорбмоточного

в) с расщепленными обмотками низкого напряжения.

К основным параметрам трансформатора относят: номинальные мощность, напряжение, ток, напряжение КЗ, ток ХХ, потери ХХ и потери КЗ.

Номинальной мощностью трансформатора называется указанное в заводском паспорте значение полной мощности, на которую непрерывно может быть нагружен трансформатор в номинальных условиях места установки и охлаждающей среды при номинальных частоте и напряжении.

Номинальная мощность для двухобмоточных трансформаторов – это мощность каждой обмотки. Трехобмоточные трансформаторы могут быть выполнены с обмотками как одинаковой, так и разной мощности. В последнем случае за номинальную мощность принимается наибольшая из номинальных мощностей отдельных обмоток трансформатора.

За номинальную мощность автотрансформатора принимается номинальная мощность каждой из сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь («проходная мощность»).

Номинальное напряжение обмоток – это напряжение первичной и вторичной обмоток при холостом ходе трансформатора. Для трехфазного трансформатора – это его линейное напряжение. Для однофазного трансформатора, предназначенного для включения в трехфазную группу, соединенную в звезду, - это .

Номинальными токами трансформатора называются указанные в заводском паспорте значения токов в обмотках, при которых допускается длительная работа трансформатора. Номинальный ток любой обмотки трансформатора определяют по её номинальной мощности и номинальному напряжению.

Напряжение короткого замыкания (% или о.е.) - это напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в последней проходит ток равный номинальному. Напряжение КЗ характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и в относительных единицах равно ему.

В трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах напряжение КЗ определяется для любой пары его обмоток при разомкнутой третьей обмотке. Соответственно, в каталогах приводятся три значения напряжения КЗ: , , . Величина регламентируется в зависимости от напряжения [4] для силовых трансформаторов от 5,5% при кВ; до 80% при кВ.

Увеличивая значение можно уменьшить токи КЗ на вторичной стороне трансформатора, но при этом значительно увеличивается потребляемая реактивная мощность и увеличивается стоимость трансформатора. Если, например, трансформатор 110 кВ, 250 МВ∙А выполнить с вместо 10%, то расчетные затраты на него возрастут на 16%, а потребляемая реактивная мощность возрастет вдвое (с 2,5 до 5,0 МВ∙А).

Ток холостого хода характеризует активные и реактивные потери в стали и зависит от магнитных свойств стали, конструкции и качества сборки магнитопровода и от магнитной индукции.

Ток холостого хода выражается в процентах от номинального тока трансформатора.

Потери холостого хода и короткого замыкания определяют экономичность работы трансформатора. Потери холостого хода состоят из потерь в стали на перемагничивание и вихревые токи. Для уменьшения их применяется электротехническая сталь с малым содержанием углерода и специальными присадками, холоднокатанная сталь с жаростойким изоляционным покрытием, а также шихтовка стали сердечника.

Потери короткого замыкания состоят из потерь в обмотках при протекании по ним токов нагрузки и добавочных потерь в обмотках и элементах конструкции трансформатора. Добавочные потери вызваны магнитными полями рассеяния, создающими вихревые токи в крайних витках обмотки и в конструктивных элементах трансформатора. Для их снижения обмотки выполняются многожильным транспонированным проводом, а стенки бака экранируется магнитными шунтами.

В современных конструкциях трансформаторов потери относительно небольшие. Например, в трансформаторе мощностью 250 МВ∙А, напряжением кВ потери электроэнергии составляют 0,43% от общего количества электроэнергии, пропущенной через трансформатор за год. Однако, в сетях энергосистем установлено большое количество трансформаторов малой и средней мощности, относительные потери в которых значительно больше, поэтому общие потери электроэнергии во всех трансформаторах страны весьма значительны. Важно для экономии электроэнергии совершенствовать конструкцию трансформаторов с целью дальнейшего уменьшения потерь электроэнергии ( и ).

Потери энергии в трансформаторах приводят к нагреву обмоток и магнитопровода, что ускоряет старение изоляции обмоток – бумаги, тканей, лаков и других материалов. Процесс старения ведет к изменению исходных электрических, механических и химических свойств материалов, то есть износу трансформатора.

Чтобы замедлить процесс износа трансформатора и увеличить одновременно передаваемую им мощность, используются охлаждающие устройства. Принято считать, что охлаждающее устройство масляного трансформатора (для силовых трансформаторов и автотрансформаторов в качестве охлаждающей жидкости используется трансформаторное масло) состоит из системы внутреннего охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты от обмоток и магнитопровода охлаждающему маслу, и системы наружного охлаждения, обеспечивающей передачу теплоты от масла окружающей среде.

В электроэнергетических системах Украины на ЭС и п/станциях применяются трансформаторы с системами охлаждения М, Д, ДЦ, ДЦН, Ц.

Система охлаждения М применяются у трансформаторов сравнительно небольшой мощности напряжением, как правило, до 35 кВ. Баки таких трансформаторов гладкие с охлаждающими трубами или навесными трубчатыми охладителями (радиаторами). Каждый радиатор представляет собой самостоятельный узел, присоединенный своими патрубками к патрубкам бака. Между фланцами патрубков встроены плоские экраны, перекрывающие доступ масла в радиатор. Естественное движение нагретых и холодных слоев масла в трансформаторе происходит за счет разной их плотности, т.е. за счет гравитационных сил. В окружающую среду теплота передается конвенционными потоками воздуха у поверхности баков и радиаторов, а также излучением.

Система охлаждения Д применяется у трансформаторов средней мощности напряжением 35, 110 и 220 кВ. В ней используются навесные радиаторы обдуваемые вентиляторами. Вентиляторы устанавливаются на консолях, приваренных к стенке бака. Включение и отключение электродвигателей вентиляторов производится автоматически или вручную. Для автоматического управления используются термические сигнализаторы.

Система охлаждения ДЦ получила распространение для охлаждения мощных трансформаторов наружной установки напряжением 110 кВ и выше. Её особенность – применение масляновоздушных охладителей с принудительной циркуляцией масла и форсированным обдувом ребристых труб охладителей воздухом. Управление охладителем ДЦ автоматическое и ручное. Аппаратура управления смонтирована в специальных шкафах автоматического управления охлаждением трансформатора типа ШАОТ – ДЦ или ШАОТ – ДЦН (ДЦ – масляное охлаждение с дутьем и ненаправленной циркуляцией масла; ДЦН – то же, но с направленной циркуляцией масла).

Система охлаждения ДЦН – отличается от ДЦ только тем, что движение масла внутри трансформатора упорядочено: охлажденное масло подается по специальным трубам к определенным частям обмоток, в результате чего создается направленная циркуляция масла по охлаждающим каналам.

В системах охлаждения ДЦ и ДЦН схема автоматического управления обеспечивает:

• включение основной группы охладителей при включении трансформаторов в сеть;

• увеличение интенсивности охлаждения включением дополнительного охладителя при достижении номинальной нагрузки или заданной температуры масла в трансформаторе;

• включение резервного охладителя при аварийном отключении работающего и др.

Шкафы управления охлаждением оборудованы постоянно включенной сигнализацией о прекращении циркуляции масла, остановке вентиляторов дутья, включении резервного охладителя, переключении питания двигателей системы охлаждения с основного источника на резервный (при исчезновении напряжения или его понижении в основной сети).

Масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией типа Ц принципиально устроено так же, как система ДЦ, но в отличие от последней, охладители в системе Ц состоят из трубок, по которым циркулирует вода, а между трубами движется масло. Применяется для мощных трансформаторов наружной и внутренней установки. Она компактна, обладает высокой надежностью и тепловой эффективностью.

Для трансформаторов наружной установки охладители размещены в помещениях с положительной температурой. Предусматриваются меры, предотвращающие замерзание воды в маслоохладителях, насосах, водяных магистралях в зимнее время (например, слив воды из охладителей при отключении трансформатора, утепление охладителей и др.).

На рисунке 3.2. приведена принципиальная схема охлаждения Ц. Горячее масло из верхней части бака трансформатора 1 перекачивается насосом 2 через маслоохладители 17, охлаждается циркулирующей в нём водой и возвращается через сетчатые фильтры 7 в нижнюю часть бака.

16

Рисунок 3.2. Принципиальная схема охлаждения Ц:

1 - трансформатор; 2 – рабочий насос; 3 – резервный насос; 4 – нормально открытый обратный клапан; 5 – нормально закрытый обратный клапан; 6 – нормально открытая задвижка; 7 – сетчатый фильтр; 8 – пусковой насос; 9 – дифманометр;

10 – пробковый кран; 11 – адсорбер; 12 – манометр; 13 – расходомер воды;

14 – задвижка с электроприводом; 15 – дроссельный клапан; 16 – нормально закрытая задвижка; 17 – охладитель; 18 - водяной центробежный насос.

Циркуляция воды через охладитель осуществляется с помощью водяного центробежного насоса 18. Чтобы исключить подсосы воды в масло в случае образования неплотностей и трещин в трубах, по которым циркулирует вода, маслонасосы устанавливают перед маслоохладителем, давление масла в котором поддерживают выше давления воды не менее чем на 0,1 – 0,2 МПа.

В схеме охлаждения Ц имеется ветвь с пусковым насосом 8, который предназначен для перемешивания масла и выравнивания его температуры во всех зонах бака трансформатора. Пусковой насос 8 создает циркуляцию масла вне контура охладителей. Он автоматически включается при включении трансформатора под напряжение и отключается при достижении температуры масла . Далее включаются рабочие насосы 2, которые должны работать при всех режимах работы трансформатора.

В системах охлаждения Ц имеются (смотри рисунок 3.2) приборы для контроля температуры, расхода и давления масла и воды, для очистки масла и воды, а также аппаратура управления охлаждением и различные сигнальные устройства.

Для силовых трансформаторов и автотрансформаторов характерно наличие достаточно развитой и сложной системы контроля состояния, а для многих еще и систем (ещё более сложных) регулирования напряжения, изучаемых в специальных разделах и курсах (например, в курсе «Автоматическое регулирование электрических систем»).

Контрольные вопросы.

1. Особенности синхронных генераторов ЭС разных типов.

2. Системы охлаждения мощных синхронных генераторов.

3. Допустимые перегрузки генераторов и синхронных компенсаторов в аварийных условиях.

4. Общая характеристика особенностей силовых трансформаторов и автотрансформаторов.

5. Охлаждающие устройства силовых трансформаторов и автотрансформаторов.