Регулирование напряжения обмоток ВН

 

При выборе типа обмотки ВН следует учитывать необходимость выполнения в обмотке ответвлений для регулирования напряжения. В ГОСТ 16110-82 предусмотрены два вида регулирования напряжения силового трансформатора: а) регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки без возбуждения (ПБВ) после отключения всех обмоток трансформатора от сети; б) регулирование напряжения без перерыва нагрузки (РПН) и без отключения обмоток трансформатора от сети.

а) В масляных трансформаторах мощностью от 25 до 200000 кВ·А с ПБВ, ГОСТ 12022-76, 11920-85 и 12965-85, предусмотрено выполнение в обмотках ВН (и СН) четырех ответвлений на +5; +2,5; - 2,5 и - 5 % номинального напряжения помимо основного зажима с номинальным напряжением. Повышающие трансформаторы, например трансформатор 250000 кВ·А класса напряжения 110 кВ, могут вообще не иметь ответвлений. Переключение ответвлений обмоток должно производиться специальными переключателями, встроенными в трансформатор, с выведенными из бака рукоятками управления.

Часто применяемые схемы размещения регулировочных ответвлений в трансформаторах с ПБВ показаны на рис. 6.11. В трехобмоточных трансформаторах регулирование напряжения может быть предусмотрено также и на обмотке СН.

б) В сухих трансформаторах применяется регулирование напряжения ВН на ±2 2,5% по схеме, рис. 6.11 г. Регулировочные ответвления выводятся на доску зажимов, и пересоединение с одной ступени на другую осуществляется при отключении всех обмоток трансформатора от сети перестановкой контактной пластины, зажимаемой под гайки контактных шпилек.

Рис. 6.11 Различные схемы выполнения ответвлений в обмотке ВН при регулировании напряжения без возбуждения ПБВ.

 

На рис. 6.11 показаны наиболее употребительные схемы выполнения регулировочных ответвлений в обмотке одной фазы высшего или среднего напряжения трансформаторов и стандартные обозначения начал, концов и ответвлений обмоток ВН. Схемы регулирования напряжения вблизи нулевой точки при соединении обмотки в звезду по рис. 6.11, а — в допускают применение наиболее простого и дешевого пе-реключателя — одного на три фазы трансформатора. В этих схемах рабочее напряжение между отдельными частями переключателя не превышает 10 % линейного напряжения трансформатора. В схеме рис. 6.11, г часто применяют отдельные переключатели для обмотки каждой фазы трансформатора. Выполнение одного трехфазного переключателя по схеме рис. 6.11, г представляет некоторые трудности, так как рабочее напряжение между отдельными его частями может достигать 50% номинального напряжения обмотки, однако и такие переключатели находят широкое применение.

Схема рис. 6.11 а для регулирования напряжения при многослойной цилиндрической обмотке применяется в трансформаторах мощностью до 160 кВ·А. В трансформаторах мощностью от 250 кВ·А и выше механические силы, действующие на отдельные витки при коротком замыкании трансформатора, могут быть опасными и регулировочные витки обмотки ВН, обычно располагаемые вее наружном слое, рекомендуется размещать симметрично относительно середины высоты обмотки, например по схеме рис. 6.11, б. Намотка регулировочных витков производится тем же проводом и с тем же направлением намотки, что и основных витков обмотки.

По схеме рис. 6.11, в может выполняться регулирование напряжения при многослойной цилиндрической катушечной и непрерывной катушечной обмотке при номинальном напряжении до 38,5 кВ. При этом одна половина обмотки мотается правой, а другая левой намоткой. Схема рис. 6.11, г может применяться для тех же обмоток, что и схема рис. 6.11, в, при номинальном напряжении от 3 до 220 кВ.

При соединении обмотки ВН в треугольник задача расположения регулировочных витков усложняется. В схемах регулирования рис. 6.11 а и б регулировочные витки каждой обмотки фазы присоединяются к линейному зажиму соседней фазы и рабочее напряжение между контактами различных фаз на переключателе достигает 100% номинального напряжения обмотки. Для многослойных цилиндрических обмоток это неизбежно. Непрерывная катушечная обмотка при соединении в треугольник с расположением регулировочных витков по схеме рис. 6.11 г допускает применение переключателей тех же типов, что и при соединении в звезду. Схема рис. 6.11 в при соединении обмотки в треугольник не применяется.

При регулировании напряжения по схеме на рис. 6.11, в и г в месте разрыва обмотки в середине ее высоты образуется изоляционный промежуток в виде горизонтального радиального масляного канала. Иногда этот канал заполняется набором шайб, изготовленных из электроизоляционного картона. Размер этого промежутка по схеме рис. 6.11, в определяется половиной напряжения фазы обмотки, а при схеме по рис. 6.11 г – примерно 0,1 напряжения фазы. Увеличение этого промежутка нежелательно, так как приводит к существенному увеличению осевых механических сил в обмотках при коротком замыкании, возрастающих также и с ростом мощности трансформатора. Именно это обстоятельство ограничивает применение схемы рис. 6.11 в напряжением не свыше 38,5 кВ и мощностью не более 1000 кВ·А. Размер изоляционного промежутка в месте разрыва обмотки и его заполнение определяются в соответствии с указаниями главы 5.

Регулировочные ответвления на обмотках ВН (или СН) служат обычно для поддержания напряжения у потребителей электрической энергии на одном уровне при колебаниях нагрузки. В меньшей мере регулировочными ответвлениями пользуются для какого-либо произвольного изменения вторичного напряжения. У понижающих трансформаторов при необходимости повысить или понизить напряжение на вторичной стороне НН следует на первичной стороне ВН переходить соответственно на меньшее или большее число витков. У повышающих трансформаторов переходят на большее или меньшее число витков обмотки ВН в соответствии с необходимостью повысить или понизить напряжение на вторичной стороне ВН. Поддержание стабильного напряжения при постоянно изменяющейся нагрузке при необходимости перерыва нагрузки и ручном управлении переключателями чрезвычайно затруднительно, так как требует много времени и не может быть автоматизировано.

Для повышения гибкости и удобства управления крупными электрическими сетями и системами большое значение имеет возможность регулирования напряжения трансформаторов без перерыва нагрузки и отключения трансформатора от сети при дистанционном ручном или автоматическом управлении, т. е. регулирование под нагрузкой. В соответствии с потребностью в трансформаторах РПН ГОСТ предусмотрен их выпуск наряду с трансформаторами ПБВ и трансформаторами без регулирования напряжения.

Трансформаторы мощностью 400 и 630 кВ·А классов напряжения 10 и 35 кВ могут выпускаться с устройствами РПН по согласованию между потребителем и изготовителем. Для других трансформаторов устанавливаются следующие пределы регулирования:

Двухобмоточные трансформаторы

1000—6300 кВ·А, 20 и 35 кВ………………….……… ±6  1,50= ±9%

2500 кВ·А. 110 кВ, РПН на стороне НН.……………+10  1,50=15%

- 8  1,50=12%

6300—125000 кВ·А, 110 кВ …………………………… ±9 l,67= ± 16 %

Трехобмоточные трансформаторы

6300 кВ·А. 35 кВ ………………………………………… ± 6  1,50= ±9%

10000—16000 кВ·А, 35 кВ …………………………….. ± 8  1,50= 12%

6300— 80000 кВ·А, 110 кВ ……………………………. ±9 1,67 = 16%

 

Рис. 6.12. Схемы регулирования напряжения под нагрузкой при различных классах напряжения обмотки:

а – до 35 кВ; б – 110 кВ; в – 110 кВ и выше

 

Наиболее употребительные схемы для регулирования напряжения под нагрузкой показаны на рис. 6.12. Трансформаторы с напряжением ВН 10 кВ мощностью до 6300 кВ·А и 35кВ до 16000 кВ·А могут выполняться с РПН по схеме рис. 6.12 а. Аппаратура РПН в обмотках класса напряжения 110 кВ имеет класс напряжения 35 кВ и встраивается в нейтраль этих обмоток (рис. 6.12 б). Нейтраль должна быть заземлена наглухо. Схема устройства по рис. 6.12 в обычно применяется при регулировании напряжения на линейном конце обмотки. Не исключено ее использование при регулировании в нейтрали.

 

Рис 6.13. Схема устройства переключения под нагрузкой с токоограничивающим реактором и последовательность операций при переходес одной ступени на другую.

 

На рис. 6.13 показаны схема переключающего устройства и порядок перехода с одной ступени напряжения—ответвления Х_з—на другую Х₄ без перерыва рабочего тока.

Устройство по рис. 6.12 а может быть сделано для класса напряжения не более 35 кВ. Это устройство при регулировании напряже-ния у нейтрали по рис. 6.12 б может применяться также в обмотке классов напряжения 110 и 220 кВ. Для регулирования напряжения у линейного конца обмотки, что особенно важно для автотрансформаторов, может быть использовано быстродействующее устройство по рис. 6.12 в. Ток короткого замыкания участка обмотки между соседними ответвлениями при переходе с одной ступени на другую в устройствах по рис. 6.12 а и б ограничивается реактором, по рис. 6.12 в – резисторами. Время протекания ограниченного тока короткого замыкания в схеме рис. 6.12, а и б составляет около 1с, в схеме рис. 6.12 в измеряется сотыми долями секунды. Общее время перехода с одной ступени на соседнюю в том и другом случае около 3с.

В трансформаторах класса напряжения до 35 кВ включительно при мощностях до 6300 кВ·А возможно применение несколько упрощенной схемы рис. 6.12 а, но без выключателей В ₁ и В ₂. В этом случае переход с одной ступени на другую совершается в два приема: с положения 1на положение 3 и затем на 5 по рис. 6.13. При этой схеме переключатели П ₁ и П ₂ должны располагаться в отдельном баке, масло которого не сообщается с маслом в баке трансформатора.

При регулировании напряжения на катушечных обмотках ВН, даже при переключении без возбуждения с регулированием в пределах ±5 %, во время работы трансформатора на низшей ступени напряжения 10 % витков обмотки ВН отключаются и в этой части обмотки возникает небаланс токов ВН и НН. Вследствие этого существенно возрастают поперечная составляющая поля рассеяния и осевые механические силы при коротком замыкании трансформатора. В значительно большей степени на осевых силах сказывается отключение части витков обмотки ВН при регулировании без перерыва нагрузки в пределах ±(12 – 16)%.

Для повышения динамической стойкости обмоток при коротком замыкании обычно принимаются меры, направленные на уменьшение осевых сил и усиление конструкции обмоток в механическом отношении. Для уменьшения осевых сил в трансформаторах с ПБВ рекомендуется в обмотке НН на участках, находящихся на одном уровне с регулировочной частью обмотки ВН, т. е. обычно в середине высоты обмотки, делать разгон витков на половину высоты зоны регулирования.

В трансформаторах РПН регулировочную обмотку, т. е. часть обмотки ВН (СН), имеющую ответвления, переключаемые при регулировании напряжения, рекомендуется выполнять в форме цилиндра, расположенного концентрически с основной частью обмотки снаружи ее и имеющего ту же высоту. Витки, создающие напряжение каждой ступени от 1,25 до 1,67% номинального напряжения, располагаются в один слой равномерно по всей высоте обмотки. Поэтому включение или отключение одной или нескольких ступеней не создает небаланса токов на отдельных участках обмоток ВН и НН. Выполнение регулировочной обмотки возможно в виде винтовой или многослойной цилиндрической, где каждый провод или слой образует одну ступень.

Возможна различная компоновка отдельных частей регулировочной обмотки. На рис. 6.14 а показана схема простой регулировочной обмотки. Схема позволяет регулировать напряжение шестью ступенями обмотки тонкого регулирования 3, включаемыми последовательно с основной частью обмотки 1. На рис. 6.14, б представлена схема регулировочной обмотки, состоящей из двух частей—обмотки грубого регулирования 2, рассчитанной на сумму напряжений нескольких ступеней (обычно на половину общего числа ступеней), и обмотки тонкого регулирования 3, имеющей раздельные ступени.

Рис. 6.14 Схемы расположения основной и регулировочной частей обмотки ВН в трансформаторах с РПН:

1 – основная обмотка; 2 – обмотка грубого регулирования; 3 – обмотка тонкого регулирования

 

Регулирование напряжения осуществляется путем включения двух этих обмоток или только обмотки тонкого регулирования при различных положениях переключателей.

Схема обмотки рис. 6.14 в позволяет выполнить регулировочную обмотку с половинным числом ступеней и реверсированием ее включения обеспечить регулирование напряжения в полном диапазоне.

При всех трех схемах число витков обмотки ВН (СН) остается одинаковым и преимущества по расходу обмоточного провода ни одна из них не имеет. В схемах рис. 6.14 б и в несколько упрощается изготовление обмотки тонкого регулирования, но при схеме рис. 6.14 в увеличиваются потери при работе на нижних ступенях.

Усиление механической прочности обмоток достигается установкой в ярмовой изоляции опорных колец, склеенных из картонных шайб, прошивкой междукатушечных прокладок снаружи обмоток картонными рейками, прессовкой обмоток в осевом направлении нажимными кольцами и некоторыми технологическими операциями – предварительной опрессовкой картонных деталей обмотки, опрессовкой обмоток во время и после сушки и др.

Применение широкого регулирования напряжения, существенно усложняя и удорожая трансформатор (усложнение обмоток, аппаратура регулирования и т. д.), приводит к увеличению расхода металла обмоток, а также размеров и массы магнитной системы.

 

Расчет обмоток ВН

 

Расчет обмоток ВН начинается с определения числа витков, необходимого для получения номинального напряжения, для напряжений всех ответвлений. Число витков при номинальном напряжении определяется по формуле

                           (6.33)

Число витков на одной ступени регулирования напряжения при соединении обмотки ВН в звезду

,                           (6.34)

где Δ U – напряжение на одной ступени регулирования обмотки или разность напряжений двух соседних ответвлений;

В; u _в – напряжение одного витка обмотки, В.

Обычно ступени регулирования напряжения выполняются равными между собой, чем обусловливается также и равенство числа витков на ступенях. В этом случае число витков обмотки на ответвлениях:

При двух ступенях:

верхняя ступень напряжения.... ω ₂= ω _н2 + ω _р;         (6.35)

при номинальном напряжении: ω _н2;

нижняя ступень напряжения…. ω _н2 - ω _р                 (6.36)

На четырех ступенях:

верхние ступени напряжения

ω ₂= ω _н2 +2 ω _р, ω _н2 + ω _р                        (6.37)

при номинальном напряжении ω _н2

нижние ступени напряжения

ω _н2 -2 ω _р, ω _н2 - ω _р                           (6.38)

Для трехфазного трансформатора или однофазного с параллельным соединением обмоток двух стержней найденное число витков ω _н2 +2 ω _р или ω _н2 + ω _р является числом витков на один стержень. В однофазном трансформаторе с последовательным соединением обмоток двух стержней на одном стержне располагается половина этого числа витков.

Осевой размер обмотки ВН l ₂ принимается равным ранее определенному осевому размеру обмотки НН l _1.

Плотность тока, А/мм², в обмотке ВН предварительно определяется по формуле

                 (6.39)

В тех случаях, когда потери короткого замыкания Р_к не заданы, для выбора плотности тока можно руководствоваться табл. 5.5.

Сечение витка обмотки ВН, мм², предварительно определяется по формуле

                     (6.40)

После того как обмотка ВН рассчитана и размещена на стержне, для предварительной оценки ее нагрева определяется плотность теплового потока на ее охлаждаемой поверхности, Вт/м², по формуле:

                             (6.41)

или по (7.15) – (7.18). Полученное q не должно быть более допустимого по рекомендациям раздела 6.2.