Регулирование напряжения трансформатора

Регулирование под нагрузкой [ править ]

Данный тип переключений применяется для оперативных переключений, связанных с постоянным изменением нагрузки (например, днём и ночью нагрузка на сеть будет разная). В зависимости от того, на какое напряжение и какой мощности трансформатор, РПН может менять значение коэффициента трансформации в пределах от ±10 до ±16 % (примерно по 1,5 % на ответвление). Регулирование осуществляется на стороне высокого напряжения, так как величина силы тока там меньше, и соответственно, устройство РПН выполнить проще и дешевле. Регулирование может производиться как автоматически, так и вручную из ОПУ или диспетчерского пульта управления. Уже в 1905 — 1920 годах были разработаны устройства для регулирования напряжения на трансформаторах под нагрузкой ( РПН ). Принцип регулирования напряжения таких устройств также основан на изменении числа витков. Сложность выполнения таких устройств заключается:

• в невозможности простого разрыва цепи при изменении числа витков, как это делается в ПБВ ( это связано с возникновением электрической дуги большой мощности и больших перенапряжений из — за действия ЭДС индукции ) что приведёт к выходу из строя трансформатора;
• использовании кратковременных ( на время переключения ступени напряжения ) замыканий части витков обмоток.

Для ограничения тока в короткозамкнутых обмотках необходимо использовать токоограничивающие сопротивления. В качестве токоограничивающего сопротивления используются индуктивности (реакторы) и резисторы.

РПН с токоограничивающими реакторами [ править ]

Каждая ступень РПН с токоограничивающим реактором состоит из двух контакторов и одного реактора. При этом реактор состоит из двух обмоток, к каждой из них подключены контакторы. В нормальном режиме оба контактора замыкают один и тот же контакт и через эти оба параллельно включённых контактора и реактор проходит ток обмотки. Во время операции переключения один из контакторов переключается на другой контакт ( соответствующий необходимой ступени регулирования ). При этом часть обмотки трансформатора замыкается накоротко — ток в этой цепи ограничивается реактором. Далее на этот же контакт переводится другой контактор, переводя трансформатор на другую ступень регулирования — на этом операция регулирования заканчивается.

РПН с токоограничивающими резисторами [ править ]

Довольно важное улучшение в работе переключателей числа витков под нагрузкой произошло в результате изобретения быстродействующего триггерного контактора, названного принципом Янсена (Janssen) по имени изобретателя. Принцип Янсена подразумевает, что контакты переключателя нагружены пружиной, и они перебрасываются из одного положения в другое после очень короткого периода соединения между двумя переключателями числа витков, через токоограничивающий резистор.

Применение реактора является альтернативой принципу Янсена с последовательностью быстрых переключений и резисторами. В переключателе числа витков реакторного типа, напротив, намного труднее прервать циркулирующий реактивный ток, и это довольно сильно ограничивает скачок напряжения, однако этот принцип хорошо работает при относительно высоких токах. В этом отличие от быстродействующего резисторного переключателя числа витков, который применим для более высоких напряжений, но не для высоких токов. Это приводит к тому, что реакторный переключатель числа витков обычно находится в низковольтной части трансформатора, тогда как резисторный переключатель витков подсоединен к высоковольтной части.

В переключателе витков реакторного типа потери в средней точке реактора благодаря току нагрузки и наложенного конвекционного тока между двумя вовлеченными переключателями числа витков невелики, и реактор может постоянно находиться в электрической цепи между ними. Это служит промежуточной ступенью между двумя переключателями числа витков, и это даёт в два раза больше рабочих положений, чем число переключателей числа витков в обмотке.

С 1970-х годов стали применяться переключатели числа витков с вакуумными выключателями. Вакуумные выключатели характеризуются низкой эрозией контактов, что позволяет переключателям числа витков выполнять большее количество операций между обязательными профилактическими работами. Однако конструкция в целом становится более сложной.

Также на рынке появлялись экспериментальные переключатели числа витков, в которых функция переключения исполняется силовыми полупроводниковыми элементами. Эти модели также направлены на то, чтобы сократить простои на проведение технического обслуживания.

В переключателях витков резисторного типа контактор находится внутри контейнера с маслом, которое отделено от масла трансформатора. Со временем масло в этом контейнере становится очень грязным и должно быть изолировано от масляной системы самого трансформатора; оно должно иметь отдельный расширительный бак со своим отдельным вентиляционным клапаном.

Устройство переключения числа витков представляет собой клетку или изолирующий цилиндр с рядом контактов, с которыми соединяются переключатели числа витков от регулирующей обмотки. Внутри клетки два контактных рычага передвигаются пошагово поперёк регулирующей обмотки. Оба рычага электрически соединены с вводными клеммами контактора. Один рычаг находится в положении активного переключателя числа витков и проводит ток нагрузки, а другой рычаг находится без нагрузки и свободно передвигается к следующему переключателю числа витков. Контакты устройства переключения никогда не разрывают электрический ток и могут находиться в масле самого трансформатора.

Автоматическое регулирование напряжения [ править ]

Переключатель числа витков устанавливается для того, чтобы обеспечивать изменение напряжения в линиях, соединённых с трансформатором. Совсем необязательно, что целью всегда будет поддержание постоянного вторичного напряжения на трансформаторе. Чаще всего падения напряжения происходят во внешней сети — особенно это проявляется для дальних и мощных нагрузок. Для поддержания номинального напряжения на дальних потребителях может потребоваться увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Система управления ПБВ относится к релейной защите и автоматике станции — переключатель числа витков всего лишь получает команды: повысить или понизить. Однако обычно функции согласования коэффициентов трансформации между различными трансформаторами внутри одной и той же станции относятся к системе ПБВ. При соединении трансформаторов в параллель их переключатели числа витков должны двигаться синхронно. Для этого один из трансформаторов выбирается ведущим, а другие – как ведомыми, их системы управления ПБВ следят за изменением коэффициента трансформатора ведущего трансформатора. Обычно синхронным переключением числа витков добиваются исключения токов циркуляции между обмотками параллельных трансформаторов ( из — за разницы вторичных напряжений параллельных трансформаторов ) хотя на практике в момент действия ПБВ циркуляционные токи всё же возникают из — за рассогласования при переключении, однако это допускается в определённых пределах.

Последовательные регулировочные трансформаторы (Вольтодобавочные трансформаторы) [ править ]

Для регулирования коэффициента трансформации мощных трансформаторов и автотрансформаторов иногда применяют регулировочные трансформаторы (вольтодобавочные), которые подключаются последовательно с трансформатором и позволяют менять как напряжение, так и фазу напряжения. В силу сложности и более высокой стоимости регулировочных трансформаторов, такой способ регулирования применяется гораздо реже.

Трансформаторы с плавным регулированием напряжения

Для плавного регулирования напряжения возможно применение скользящих по поверхности витков обмотки контактов, аналогично тому, как это сделано в регулировочном автотрансформаторе (см. рис. 3.5). При этом плавность регулировки ограничивается значением напряжения между двумя смежными витками (0,5—1,0 В). По такому принципу выполняют однофазные и трехфазные трансформаторы и автотрансформаторы мощностью до 250 кВ-А. Однако наличие скользящих контактов снижает надежность и ограничивает применение этих трансформаторов.

Более надежны бесконтактные конструкции регулировочных трансформаторов. Рассмотрим некоторые из них.

Трансформатор с подвижным сердечником.Первичная обмотка этого трансформатора. выполнена из двух катушек, уложенных в кольцевых выемках магнитопровода (рис. 5.1, а). Катушки w’1 и w’2включены так, что создают магнитные потоки, направленные встречно друг другу. Внутри неподвижной части магнитопровода расположен подвижный сердечник ПС со вторичной обмоткой w2. При среднем положении ПС в обмотке w2 не наводится ЭДС, так как действие первичных катушек взаимно компенсируется.

Рис. 5.1. Трансформатор с подвижным сердечником

При смещении ПС влево или вправо от среднего положения вторичной обмотки в последней наводится ЭДС

. При этом фаза (направление)

зависит от того в зоне какой из первичных катушек находится вторичная обмотка: при перемещении этой обмотки из зоны одной первичной катушки в зону другой катушки фаза ЭДС

изменится на 180°. Если такой трансформатор включить в сеть аналогично вольтдобавочному трансформатору (см. § 1.15), как это показано на рис. 5.1,6, то, изменяя положение сердечника вторичной обмотки (ПС), можно плавно регулировать вторичное напряжение (продольное регулирование)

Трансформатор, регулируемый подмагничиваннем шунтов.В последнее время получили применение трансформаторы и автотрансформаторы, регулируемые подмагничиванием шунтов и обозначаемые соответственно ТРПШ и АРПШ.

Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора ТРПШ. Магнитопровод трансформатора состоит из четырех стержней (рис. 5.2, а): двух крайних, называемых главными стержнями, и двух средних, называемых шунтами. Первичная обмотка состоит из трех катушек: две катушки (w’1г и w’’1г) расположены на главных (крайних) стержнях и одна катушка (w2ш) — на шунтах. При этом все три катушки соединены последовательно и согласно. Вторичная обмотка также состоит из трех последовательно соединенных катушек (w’2Г, w’’2T и w2ш ), расположенных аналогично первичным, но катушка w2ш включена встречно относительно катушек w’2r и w’’2r.

Кроме катушек переменного тока ТРПШ имеет две катушки постоянного тока — катушки подмагничивания wп, расположенные на шунтах и соединенные последовательно.

При включении первичной обмотки в сеть переменного тока катушки w’1г и w1r создают переменный магнитный поток Фг, который замыкается по главным стержням и ярмам, сцепляется с катушками w’2r и w’’2r и наводит в них ЭДС

. Катушка w1ш также создает переменный магнитный поток Фш, разделенный на две части, каждая из которых замыкается по одному из шунтов и одному из главных стержней. При этом в одном из стержней (правом) потоки

складываются, а в другом (левом) — вычитаются. Магнитный поток

, сцепляясь с катушкой w2ш, наводит в ней ЭДС E2ш, но так как w2ш включена встречно вторичным катушкам главных стержней, то напряжение на выходе трансформатора

Рис. 5.2. Трансформатор, регулируемый подмагничиванием

При прохождении постоянного тока по катушкам подмагничивания wпвозрастает магнитное насыщение шунтов, при этом их магнитное сопротивление увеличивается и магнитный поток Фш шунтов уменьшается. В итоге уменьшается ЭДС

, что ведет к росту вторичного напряжения (5.1). Следовательно, плавному изменению постоянного тока в цепи подмагничивания соответствует плавное изменение напряжения на выходе ТРПШ (рис. 5.2, б).

Электрическое управление вторичным напряжением трансформатора упрощает дистанционное управление трансформатором или же его автоматизацию. Наряду с однофазными существуют трехфазные ТРПШ и АРПШ.

Автоматизация работы трансформаторов

Автоматизация работы трансформаторов значительно повышает надежность элек­троснабжения потребителей и позволяет выбрать наиболее экономичный режим рабо­ты. Используют следующие виды устройств автоматики трансформаторов:

— автоматическое управление обдувом, т.е. включением и отключением двигателей вентиляторов, охлаждающих трансформаторы;

— автоматическое регулирование напряжения трансформатора (АРНТ);

— автоматическое включение резервного трансформатора (АВРТ);

— автоматическая разгрузка трансформаторов (APT).

Автоматика обдува понижающего трансформатора (рис. 5.1) обеспечивает включе­ние вентиляторов при возникновении перегрузки трансформатора, а также при темпе­ратуре масла в нем свыше 65 °С. Обдув трансформаторов используется обычно в летний период. На схему обдува питание подается пакетным выключателем S. Схема позволяет производить дистанционное включение и отключение двигателя вентилятора. Для вклю­чения обдува ключ управления SA переводится во включенное положение «В». При этом контакты 1—2 замыкают цепь катушки промежуточного реле KL от фазы А до фазы С. Реле KL замыкает цепь катушки контактора КМ. Через контакты тепловых реле КК1 и КК2 на катушку КМ проходит ток. Контактор своими контактами подает напря­жение фаз А, В, С на двигатель М вентилятора, который начинает работать, охлаждая

трансформатор. Перевод ключа SA в нейтральное положение «Н» приводит к размыка­нию цепи катушки контактора и отключению вентилятора.

Перевод схемы на автоматическое управление осуществляется при переключении ключа SA в отключенное состояние «О». При этом замыкается цепь между контактами 3—4 ключа. При повышении температуры масла в трансформаторе до 55° С замыкаются контакты термосигнализатора KSK. При дальнейшем повышении температуры при 65 °С замыкается вторая пара контактов термосигнализатора KSK, подается питание на ка­тушку промежуточного реле KL, которое включает контактор КМ, а он в свою очередь подает питание на двигатель М вентилятора. Отключение контактора произойдет при снижении температуры масла ниже 55 °С, когда разомкнутся контакты термосигнали­затора KSK и прекратится питание катушки реле KL через свои контакты и контакты термосигнализатора KSK (55 °С). Температурная вилка (65—55 °С) позволяет значи­тельно уменьшить число переключений двигателя вентилятора.

При перегрузке трансформатора возбуждается токовое реле, контролирующее на­грузку трансформатора, и своим контактом КА замыкает цепь питания катушки реле времени КТ через вспомогательный контакт контактора КМ. По истечении заданной выдержки времени реле КТ замыкает цепь катушки KL промежуточного реле, которое становится на самоподпитку через свой контакт и контакт реле КА. Контакт реле KL замкнет цепь катушки пускателя КМ. На двигатель М вентилятора будет подаваться напряжение до тех пор, пока не снизится нагрузка трансформатора и токовое реле КА не разомкнет цепь питания катушки реле KL. В результате этого реле KL отключит пускатель КМ, что приведет к отключению вентилятора.

Отключение вентиляции может произойти при срабатывании термореле КК1 и КК2 тепловой защиты в цепи питания двигателя вентилятора.

Вывод автоматики обдува осуществляется переводом ключа управления SA в ней­тральное положение «Н».

Автоматика регулирования напряжения предусматривается для ограничения от­клонений напряжения на шинах подстанции от нормального значения в сторону как понижения, так и повышения. Так, например, при снижении напряжения на 5—10 % значительно снижаются вращающий момент асинхронных электродвигателей, светоот­дача осветительных установок, количество тепловой энергии, выделяемой нагреватель­ными приборами и установками и т.д. Не менее вредные последствия имеет и чрезмер­ное повышение напряжения, следствием чего является повышенный износ и ускорен­ный выход из строя электрооборудования.

На рис. 5.2 представлена структурная схема устройства автоматического регулиро­вания напряжения. Регулирование напряжения заключается в изменении коэффициен-

та трансформации трансформатора Т путем уменьшения или увеличения числа витков его первичной обмотки.

Регулируемое напряжения U₂ подается на устройство автоматического регулиро­вания напряжения трансформатора (АРНТ) через трансформатор напряжения TV. С трансформатора TV напряжение поступает на блок токовой компенсации ТК. Благо­даря токовой компенсации обеспечивается так называемое «встречное регулирование», необходимое для поддержания напряжения на шинах у потребителя. Блок токовой ком­пенсации ТК, подключенный к трансформатору тока ТА, учитывает падение напряжен ния в линии, питающей потребителя. Напряжение с учетом токовой компенсации по­дается на измерительный орган ИО, который в зависимости от результатов измерений направляет информацию на усилитель А1 в тракт «Прибавить» или А2 в тракт «Уба­вить». С помощью элементов КТ1 и КТ2 создается выдержка времени на срабатывание, обеспечивающая отстройку контролируемого напряжения от кратковременных бросков. Далее сигнал поступает на исполнительный орган KL1 или KL2 и на приводной меха­низм регулятора, двигатель М которого начинает вращаться, изменяя число витков первичной обмотки трансформатора Т.

Принцип регулирования напряжения под нагрузкой с помощью переключающего устройства РПН показан на рис. 5.3. Электрическая схема одной фазы РПН (рис. 5.3, а) состоит из двух параллельных симметричных цепей, включающих избиратели с систе­мой контактов SAC1 и SAC2, контакторы КМ1 и КМ2 и реактор LR. На схеме показано рабочее положение на одном из регулировочных ответвлений РО обмотки. Число вит­ков обмотки изменяется без разрыва цепи тока (под нагрузкой). В исходном положении контакты переключателей SAC1 и SAC2 находятся на одном и том же неподвижном контакте ответвления обмотки трансформатора, контакты контакторов КМ1 и КМ 2 замкнуты, ток I, протекающий по обмотке, в переключателе делится пополам, по ветвям протекают токи 0,5/.

Чтобы изменить напряжение на одну ступень, включают приводной механизм, который отключает один из контакторов, например КМ2, а затем передвигает контакт переключателя SAC2, соответствующий этой ветви, на следующий контакт ответвле­ния обмотки. После этого контактор КМ2 замыкает цепь, кратковременно шунтируя реактором LR витки одной ступени регулировочной обмотки. Далее размыкается кон­тактором КМ1 вторая ветвь, передвигается контакт SAC1 на контакт ответвления, где находится контакт SAC2, и вновь замыкается контактор КМ 1. На этом переход с одной

ступени регулирования на дру­гую без разрыва цепи тока / за­канчивается.

При переходе на ступень в обратном направлении последо­вательность переключения из­меняется. Сначала размыкается контактор КМ1, передвигается контакт SAC1, замыкается кон­тактор КМ1, размыкается кон­тактор КМ2, передвигается контакт SAC2 и замыкается контактор КМ2.

Размещение частей трех­фазного переключающего уст­ройства РПН в трансформаторе показано на рис. 5.3, б. Однофаз­ные избиратели 3 с контактами

SAC1 и SAC2 ответвлений фаз А, В, и С обмоток 1 и реактор 4 установлены на ярмовых балках. Избирате­ли соединены между собой бумажно-бакелитовыми трубками, а с контактором 2 — стальным валом 7. Контактная система избирателей 3 работает без раз­рыва цепи тока, их контакты при переключениях не обгорают, поэтому избиратели располагаются в баке трансформатора вместе с его активной частью. Дей­ствия контакторов 2 сопровождается разрывом цепи тока одной ветви с возникновением дуги, поэтому контакторы размещаются в отдельном кожухе, запол­ненном трансформаторным маслом, которое не со­общается с маслом бака трансформатора.

Это позво­ляет производить осмотр и ремонт контактора с заме­ной масла без вскрытия бака трансформатора. При­водной механизм РПН размещается в коробке 5, ус­тановленной на стенке бака трансформатора. Переклю­чение происходит так, что избиратели 3 и контакторы 2 всех фаз действуют одновре­менно. Полный цикл переключения со ступени на ступень происходит за один оборот главного вертикального вала 6. Длительность переключения составляет около 3 с.

Автоматическое включение резервного трансформатора (АВРТ) производится в за­висимости от схемы, принятой для нормального режима работы подстанции (рис. 5.4). Например, при секционировании шин на стороне низшего напряжения выключателем Q3, который нормально отключен при работе двух трансформаторов. Отключение од­ного из трансформаторов приводит к исчезновению напряжения на одной секции. При этом устройство АВР включает секционный выключатель Q3 и оставшийся в работе трансформатор питает обе секции шин.

Если нормально в работе находится один трансформатор, например, Т1 и секци­онный выключатель включен, то при отключении рабочего трансформатора Т1 устрой­ство АВРТ включает резервный — Т2. В случае КЗ на сборных шинах в точке К1 защита отключает секционный выключатель Q3, затем отключаются выключатели Q1 и Q2 трансформатора Т1. АВРТ включает трансформатор Т2, который будет питать одну не­поврежденную секцию.

При КЗ в точке К2 отключается выключатель Q3, трансформатор Т1 остается в работе, а автоматическое включение трансформатора Т2 на неустраненное КЗ будет неуспешным.

Автоматическая регулировка напряжения трансформатора

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (РПН и ПБВ)

Переключатели устанавливают на крышке или на активной части трансформатора. Они предназначены для поддержания заданных уровней напряжения при его регулировании. Различают местное и централизованное регулирование напряжения. Под местным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на месте потребления. Регулирование напряжения может быть автоматическим, без отключения трансформатора от сети, его называют регулированием под нагрузкой (РПН), оно требует сложных и дорогостоящих переключающих устройств, поэтому для трансформаторов небольшой мощности применяют регулирование напряжения без возбуждения (ПБВ). При этом способе потребителей электроэнергии на какое-то время отключают от сети.

Под централизованным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на шинах генераторов, изменяя их возбуждение. Централизованное регулирование осуществляют обычно как "встречное" отклонениям напряжения, вызываемым нагрузкой.

Подавляющее большинство трансформаторов строят с регулированием числа витков в обмотке высшего напряжения, так как ток в ней в десятки раз меньше, чем в обмотке низшего напряжения. Следовательно, переключающее устройство в этом случае может быть сравнительно небольшим и легким, хотя его приходится изолировать от заземленных частей трансформатора. Принцип регулирования заключается в изменении определенными ступенями числа витков. Если напряжение уменьшилось, то число витков также надо уменьшить и наоборот.

Регулирование без возбуждения выполняют по схемам с ответвлениями в конце, середине обмотки, по магнитно-симметричным схемам. При отключении витков с края обмотки обмотка становится как бы короче. Различие в высотах обмоток приводит к увеличению осевых усилий. Поэтому ответвления выполняют в середине обмотки. При небольших мощностях трансформаторов применяют оборотную схему. Наиболее широко при регулировании без возбуждения применяют магнитно-симметричные схемы.

Устройство РПН предназначено для изменения соединения ответвлений обмоток, когда трансформатор нагружен или возбужден. Оно состоит из избирателя ответвлений, контактора, токоограничивающего сопротивления, приводного механизма. Устройства РПН имеют два конструктивных исполнения: с токоограничивающим реактором; с активным токоограничивающим сопротивлением. Избиратель ответвлений служит для выбора нужного ответвления обмотки трансформатора и предназначен для длительного пропускания тока. Контактор служит для отключения тока в цепях переключающего устройства при выборе избирателя нужного ответвления обмотки. Токоограничивающее сопротивление включается между работающим и вводимым в работу ответвлениями с целью ограничения тока в переключаемой части обмотки. Одновременно токоограничивающее сопротивление обеспечивает перевод нагрузки с одного ответвления на другое без перерыва тока нагрузки трансформатора или существенного его изменения. Приводной механизм служит для приведения в действие всего устройства переключения.