Состав оборудования трансформаторных подстанций

В аэропортах распределение электрической энергии производится через ряд понизительных ТП, питание которых осуществляется от аэропортовой распределительной высоковольтной сети 6 или 10 кВ. Распределение электроэнергии на высоком напряжении является наиболее целесообразным по экономическим соображениям, ввиду рассредоточенности аэропортовых потребителей электроэнергии на большой территории. Трансформаторные подстанции в зависимости от подключения их к высоковольтной сети подразделяются на проходные и тупиковые. Проходными называются те ТП, к которым подходят и уходят высоковольтные линии, а тупиковыми (конечными) - те, в которых заканчивается высоковольтная линия. Примерная схема включения ТП для небольшого аэропорта показана на рис.1.2.

Электрическая энергия от внешних сетей подводится через вводы N1 и N2, соответственно на ТП1 и ТП2. Для обеспечения высокой надежности в электропитании ТП закольцовываются, т. е. каждая ТП получает питание по крайней мере с двух сторон, что позволяет при аварии отключать только поврежденный участок, сохраняя питание исправных ТП.

Рис.1.2

На ТП устанавливается один или несколько трансформаторов, при этом высоковольтная и низковольтная части ТП разделяются перегородками или сетчатыми ограждениями.

Основными элементами каждой трансформаторной подстанции являются: силовой трансформатор, высоковольтное распределительное устройство (РУ), низковольтное РУ.

Электротехническим распределительным устройством называется совокупность элементов, предназначенных для приема и распределения электрической энергии. К высоковольтным РУ относятся те, у которых напряжение превышает 500 В. Помимо распределительных устройств в ТП могут устанавливаться аварийные дизель-генераторы, аппаратура управления яркостью огней, различные автоматические устройства.

На рис.1.3 показана принципиальная схема однотрансформаторной ТП. Внешний источник G1 через разъединитель Q1 подключен к высоковольтным сборным шинам (СШ 6(10)кВ). От сборных шин отходят линии L1 и L2 к другим ТП. Эти линии подключаются к СШ через выключатели нагрузки Q2 и Q3. Силовой трансформатор «Т» подключен к высоковольтному РУ через выключатель нагрузки Q4, а к низковольтным сборным шинам СШ 380 В рубильником Q6. К секции шин 380 В через

Рис.1.3

автоматические выключатели QF подключены электроприемники 2 и 3 категории. Защита линий осуществляется плавкими вставками FU. На ТП также установлены измерительные трансформаторы напряжения (ТV) и тока (ТА).

Для безопасного выполнения профилактических работ установлены ножи для заземления шин и линий. Для резервирования электропитания приемников первой категории на ТП установлен дизель генератор G2 и дополнительно смонтированы шины гарантированного питания ШГП, которые через выключатель QF4 постоянно подключены к СШ380В, а при нарушении централизованного питания переключаются к вступающему в работу дизель-генератору. Эти переключения осуществляются автоматически с помощью контакторов КМ1 и КМ2.

Высоковольтное распределительное устройство. Основными элементами высоковольтного распределительного устройства являются: коммутационная аппаратура, сборные шины, защитная аппаратура, контрольно-измерительные приборы.

Распределительные устройства, в том числе и высоковольтные, должны удовлетворять следующим основным требованиям: надежность работы, безопасность обслуживания, хорошая обозреваемость при работе и доступность всех элементов при ремонте. Помещения высоковольтных РУ разбиваются на камеры (ячейки). Широкое распространение для ТП 6(10)кВ получили камеры серий КСО и КРУ, они имеют стандартизованные габариты и предназначены для монтажа элементов высоковольтного РУ. Камеры комплектуются на заводе, имеют десятки модификаций, что позволяет скомпоновать практически любую схему РУ. Наличие камер обеспечивает безопасный осмотр и ремонт отключенной линии, а также ограничивает возможность распространения аварии на соседние линии.

Ток в пределах РУ и ТП распределяется с помощью шин (силовых проводников). По назначению шины разделяют на сборные и соединительные. Первые предназначены для приема электроэнергии от источника питания и параллельного подключения, вторые - для соединения аппаратов со сборными шинами или между собой. Обычно шины изготавливают из алюминия и определенным образом маркируют. В соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) шины обозначают: шины фазы А - желтым цветом; фазы В - зеленым; С - красным; нулевая N – голубым, эта же шина, используемая в качестве нулевой защитной, маркируется продольными полосами желтого и зеленого цветов.

Низковольтные распределительные устройства. Они служат для приема и распределения электрической энергии. Выводы вторичной (низковольтной) обмотки силового трансформатора соединяют со сборными шинами низковольтных распределительных щитов. Щиты изготавливают на заводах и поставляют в виде шкафов или панелей, в которых установлены коммутационные аппараты, трансформаторы тока, контрольно-измерительные приборы и реле защиты. На изоляторах щитов монтируют сборные шины. Щиты, в зависимости от назначения, подразделяются на силовые, осветительные и оперативного тока.

На ТП с диспетчерским персоналом устанавливают так же щиты управления, которые содержат ключи, кнопки управления, контрольно-измерительные приборы. Под измерительными приборами располагают мнемосхему, отображающую схему первичных соединений элементов ТП.

Силовые трансформаторы

 

Трансформаторы являются одним из основных элементов системы электроснабжения аэропорта. На трансформаторных подстанциях аэропортов применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы, преобразующие электрическую энергию напряжения 6 или 10 кВ в напряжение 0,4 кВ, на вводных ТП - 35(110) кВ в напряжение 6 или 10 кВ. Широко также применяются трансформаторы тока в системах управления и защиты.

Принцип действия. Если к одной из обмоток подвести переменное напряжение, то протекающий по ней ток будет создавать переменный магнитный поток, который будет индуцировать в обмотках переменное напряжение. Усиление электромагнитной связи между обмотками достигается применением сердечника из электротехнической стали.

Рис.1.4

На рис.1.4 приведена схема двухобмоточного трансформатора. Напряжения и токи первичной и вторичной обмоток обозначены соответственно: U₁, U₂ и I₁, I₂. В трансформаторе различают основной магнитный поток Ф и потоки рассеяния обмоток Ф_S1, Ф_S2. Основной магнитный поток Ф замыкается по сердечнику и охватывает все обмотки трансформатора. Часть магнитного потока, создаваемого обмоткой замыкается по воздуху, образуя поток рассеяния Ф_S. Если поток Ф изменяется во времени синусоидально, т.е. Ф=Ф_msin𝜔t, то э.д.с., наводимые в обмотках будут равны:

(1.1)

где: e₁, e₂, - э.д.с. от основного потока, наводимые соответственно в первичной и вторичной обмотках; W₁,W₂, - число витков в первичной и вторичной обмотках; - амплитудное значение основного магнитного потока; f - частота питающей сети.

Уравнения (1.1) показывают, что э.д.с. и отстают по фазе от потока Ф_m на угол π/2. Действующие значения этих э.д.с. соответственно равны:

(1.2)

Отношение э.д.с. E₁/E₂=W₁/W₂=К называют коэффициентом трансформации. Токи первичной и вторичной обмоток создают также потоки рассеяния, которые наводят в этих обмотках э.д.с. рассеяния:

(1.3)

где: , , - индуктивности рассеяния соответственно первичной и вторичной обмоток.

При синусоидально изменяющихся токах i₁=I_1m sin𝜔t; i₂=I_2m sin𝜔t э.д.с. равны: (1.4)

Действующие значения э.д.с. рассеяния равны: E_S1=𝜔L_S1I₁, E_S2=𝜔L_S2I₂, где: I₁, I₂ - действующие значения токов первичной и вторичной обмоток. Коэффициенты х₁= и х₂= называются индуктивными сопротивлениями рассеяния, соответственно первичной и вторичной обмоток.

Для действующих значений э.д.с. рассеяния в комплексной форме имеем: =- , =- . (1.5)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора по первичной обмотке протекает ток холостого хода I₀. Обусловленная этим током намагничивающая сила (I₀W₁) создает в трансформаторе магнитный поток. При работе трансформатора под нагрузкой магнитный поток создается суммой намагничивающих сил первичной (I₁W₁) и вторичной (I₂W₂) обмоток. Магнитный поток трансформатора Ф практически остается постоянным при различных режимах его работы, что позволяет написать следующее уравнение намагничивающих сил:

(1.6)

На основании соотношений (1.2),(1.5) и (1.6) можно записать систему уравнений трансформатора в комплексной форме

₁=- ₁+ ₁x₁+ ₁ r₁; (1.7)

₂= ₂ - ₂x₂ - ₂ r₂;

где: ₁, ₂ - соответственно напряжения на первичной и вторичной обмотках; r₁, r₂ - активные сопротивления первичной и вторичной обмоток.

Обычно W₁ W₂ и, следовательно, E₁ E₂, I₁ I₂. Особенно значительных различий достигают параметры первичной и вторичной обмоток при больших коэффициентах трансформации К. Это затрудняет построение векторных диаграмм. Для решения этой задачи приводят все параметры трансформатора к одинаковому числу витков, обычно к числу витков первичной обмотки.

Приведение осуществляется таким образом, чтобы все мощности и фазовые сдвиги параметров вторичной обмотки приведенного трансформатора должны остаться такими, как в реальном трансформаторе. Приведем параметры трансформатора. Уравнение (1.6) можно записать в виде или , где =I₂(W₂/W₁)=I₂/K - вторичный ток, приведенный к числу витков первичной обмотки. Другие параметры приводятся следующим образом: ;

Здесь с индексом " ' " обозначены приведенные параметры. Система уравнений приведенного трансформатора имеет вид:

₁=- ₁+ ₁x₁+ ₁ r₁; (1.8)

.

Рис.1.5

Этой системе уравнений будет соответствовать схема замещения трансформатора рис.1.5, где - комплексное сопротивление нагрузки трансформатора, приведенное к числу витков первичной обмотки, аналогично, как приводятся параметры вторичных элементов трансформатора. На этой схеме замещения э.д.с. представляется как падение напряжения на комплексном сопротивлении Z_m от протекающего по нему тока холостого хода: . При этом, параметры r_m и x_m выбираются так, чтобы в режиме холостого хода, когда э.д.с. , выполнялось условие: I₀E₁cos . Мощности соответствует мощность магнитных потерь в стали трансформатора. Следует также иметь в виду, что | и |. Уравнениям (1.8) и схеме размещения соответствует векторная диаграмма трансформатора рис.1.6а.

Рис.1.6

Трехфазные трансформаторы. В промышленности электрическая

энергия передается по трехфазным электрическим сетям, что обусловило широкое использование трехфазных трансформаторов.

Трансформирование трехфазного тока можно осуществлять или тремя отдельными одинаковыми однофазными трансформаторами, или же одним трехфазным трансформатором с общим сердечником для всех фаз. В аэропортах применяют трехфазные трансформаторы, у которых обмотки расположены на трех стержнях, объединенных в общий магнитопровод двумя ярмами (рис.1.6б). Трехстержневой трансформатор имеет меньшую массу, чем три однофазных трансформатора на ту же мощность.

Начала первичных обмоток обозначают большими латинскими буквами А, В, С и концы соответственно X, Y, Z, начала вторичных обмоток - малыми латинскими буквами a, b, c и их концы x, y, z. Соединение первичных и вторичных обмоток трехфазных трансформаторов может быть одинаковым, когда обе обмотки соединяются звездой - (Y/Y) или треугольником - (𝜟/𝜟), и смешанным -(Y/𝜟), при соединении одной обмотки звездой, а другой - треугольником. Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов обозначают дробью, указывая в числителе схему соединения обмоток высшего напряжения, а в знаменателе - обмоток низшего напряжения.

Способ соединения обмоток трансформатора между собой называют группой соединения. На практике чаще всего используются две группы соединений, представленные в таблице 1.1. Обозначение Y/Y-0 означает, что первичная и вторичная обмотки соединены в звезду и векторы линейных э.д.с. первичной и вторичной обмоток совпадают по фазе (сдвиг между одноименными фазами равен 0). Вторая группа смешанного соединения обмоток по схеме звезда – треугольник обозначается условным знаком (Y/𝜟)-11, в котором число 11 указывает угловое отставание на 330⁰ вторичной линейной э.д.с. от первичной, полученное умножением этого числа на 30⁰. Условное обозначение группы соединений
указывается на щитке силового трансформатора. Трансформаторы с различными группами соединений широко применяются в автономных источниках питания, выпрямителях; при включении трансформаторов на параллельную работу так же важно учитывать группу соединений.

На вводных ТП аэропортов применяют трехфазные двухобмоточные трансформаторы с вторичным линейным напряжением 6 или 10 кВ, на других ТП устанавливаются понижающие трансформаторы: 6(10)кВ/400В.

В зависимости от изолирующей и охлаждающей среды различают трансформаторы масляные и сухие. В масляных трансформаторах изолирующей средой является трансформаторное масло, в сухих - стекло и кремнийорганическая изоляция обмоток и воздух. Сухие трансформаторы в 2-3 раза дороже масляных, но они пожаробезопасны, поэтому их устанавливают в ТП объектов с большим сосредоточением людей (аэровокзалы, ангары) и пожароопасных объектов (склады ГСМ, автобазы, КДП). На ТП других объектов устанавливают масляные трансформаторы. Масляный трансформатор представляет собой бак, наполненный маслом, внутри которого помещается активная часть (обмотки и магнитопровод) трансформатора. Масло обеспечивает необходимую электрическую прочность между обмотками трансформатора и обеспечивает отвод тепла к радиаторам бака.

Концы обмотки низшего напряжения (НН) соединяют в звезду, а обмотка высшего напряжения (ВН) имеет дополнительные отводы, которые с помощью реечного переключателя могут переключаться, изменяя ступенчато коэффициент трансформации трансформатора. Обычно трансформатор имеет три ступени регулирования: первая ступень обеспечивает максимальное напряжение (1,05U_Н), вторая – U_Н (U_Н – номинальное напряжение), третья ступень минимальное напряжение (0,95U_Н). Подвижные контакты размещаются внутри бака и управляются с помощью привода, установленного на крышке трансформатора.

Трансформаторы с масляным охлаждением оснащают также приборами и устройствами, которые облегчают его обслуживание (маслоуказатель, термометры), обеспечивают защиту внутренних частей от повреждений (газовое реле) и перенапряжений (пробивные предохранители и разрядники).

Каждый трансформатор характеризуется техническими данными: номинальная мощность, напряжение (линейное) обмоток ВН и НН, токи в обмотках, ток и потери мощности холостого хода, напряжение короткого замыкания, группа и схема соединения обмоток. Срок службы трансформатора обычно составляет 20-25 лет. Шкала серийно выпускаемых трансформаторов (в кВА) кратна коэффициенту 1,6: 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250 и т.д. Силовые трансформаторы обозначаются буквами и цифрами. Буквы означают: Т - трехфазный, М - масляный С - сухой, Н - с регулированием под нагрузкой; цифры после букв - номинальная мощность в кВА, следующие цифры - номинальное напряжение обмотки ВН. Например, ТМ-100/10 - трансформатор трехфазный с масляным охлаждением, мощностью 100 кВА, с первичным напряжением 10 кВ.