Электромонтер-обмотчик трансформаторов - Автотрансформаторы, нагрев и охлаждение трансформаторов. Измерительные трансформаторы тока и напряжения

§ 8. Автотрансформаторы

Автотрансформатором называется трансформатор, у которого вторичная обмотка является частью первичной.
Автотрансформатор может быть повышающий или понижающий. Принципиальная схема однофазного понижающего автотрансформатора показана на рис. 4.

Принцип действия и режим холостого хода автотрансформатора не отличаются от таковых у обычного двухобмоточного трансформатора.
В автотрансформаторе различают проходную S и типовую Sат МОЩНОСТИ.
Проходной мощностью S автотрансформатора называется номинальная мощность, поступающая к нему из первичной сети, и отходящая от него во вторичную сеть. Типовая, или электромагнитная, мощность SaT автотрансформатора эквивалентна мощности, передаваемой автотрансформатором из первичной сети во вторичную посредством электромагнитной индукции.

Рис. 4. Принципиальная схема однофазного понижающего автотрансформатора с включенной нагрузкой — ток в общей части обмотки автотрансформатора)

трансформации; I — ток на стороне высшего напряжения.
Из вышеприведенной формулы следует, что автотрансформатор наиболее выгоден при коэффициенте трансформации, близком к 1. Поэтому автотрансформаторы применяют, когда требуется изменять напряжение в небольших пределах, например при регулировании напряжения. При больших значениях k, когда первичное и вторичное напряжения относятся к разным классам, при условии заземления нейтрали автотрансформаторы находят применение в мощных ЛЭП на 750/500, 500/220 кВ и т. д.
Вообще применение автотрансформаторов тем выгоднее, чем меньше коэффициент трансформации. При больших значениях коэффициента трансформации использование автотрансформаторов становится менее неэкономичным.

Регулирование напряжения трансформаторов

В условиях эксплуатации возникает необходимость регулирования напряжения трансформатора, т. е. изменение коэффициента трансформации. Для силовых трансформаторов это вытекает на требования обеспечить постоянное значение напряжения у абонентов — потребителей энергии, находящихся на различных расстояниях от электростанций и распределительных подстанций.
Применяют два способа регулирования: а) регулирование переключением без возбуждения ПБВ; б) регулирование под нагрузкой РПН.

Регулирование ПБВ требует полного отключения трансформатора от сети, и таким образом на время переключения прерывается подача энергии.
Для крупных трансформаторов и при напряжении 110 кВ и выше чаще применяется способ РПН, при котором регулирование происходит автоматически, без отключения трансформатора от сети.
В схемах ПБВ пределы регулирования для силовых трансформаторов установлены ±2X2,5%, т. е. кроме номинальной имеются ступени +5; +2,5; 2,5 и —5% — всего 5 ступеней. В схемах РПН число ступеней и диапазон регулирования больше, например ±6X1,67% (диапазон ±10%), ±8X1,5% (диапазон ±12%) и др.
При регулировании ПБВ применяются две основные схемы обмоток — прямая и оборотная, показанные на рис. 5.

Рис. 5. Схемы регулирования напряжения ПБВ: а — прямая, б — оборотная, с регулировочными ответвлениями близ нейтральной точки (верхняя и нижняя части обмотки при оборотной схеме должны иметь разное направление намотки). А, В, С — выводные концы обмоток, А6, Be, С6, Х1, Y1 и т. д. — ответвления от обмоток
Как видно на рисунке, регулировочные витки обмоток помещают в середине ее высоты (у многослойных обмоток — в ее последних слоях). Это делается с целью уменьшения дополнительного рассеяния и осевых механических усилий, возникающих при выключении части обмотки.
Схемы РПН основаны на принципе сдвоенного переключателя.
Кроме схем РПН с реакторами получают все большее распространение быстродействующие схемы с токоограничивающими резисторами, позволяющими значительно уменьшить габаритные размеры трансформатора в целом.

Нагрев и охлаждение трансформаторов

Потери электрической энергии, возникающие при работе трансформатора, в магнитопроводе, обмотках и деталях конструкции, превращаются в тепловую энергию и вызывают нагревание отдельных частей трансформатора. При этом температура нагрева может превысить допустимую температуру. Поэтому для отдельных частей трансформатора стандартизованы нормы не абсолютных значений температур, а превышения температуры нагрева над температурой окружающего воздуха — «перегрев» (табл. 1).

Таблица 1. Нормы превышения температур нагрева частей трансформатора

Эти нормы установлены, исходя из принятой для Советского Союза условной наибольшей, температуры окружающего воздуха в условиях естественного сезонного и суточного его изменения, равной +40° С.
Тепловая энергия, выделяющаяся в обмотках и магнитопроводе трансформатора, рассеивается в окружающую среду. В масляном трансформаторе путь теплового потока может быть разделен на два основных участка, характеризуемых значением перепада температур — переход тепла от обмотки (или магнитопровода) к маслу и от масла через стенки бака (и охлаждающего устройства) в окружающий воздух.
Отведение тепла от обмотки (или магнитопровода) к маслу происходит путем конвекции масла. Масло, нагреваясь, расширяется и поэтому как более легкое поднимается вверх, а на его место снизу поступает более холодное масло. Соприкасаясь со стенками бака, масло охлаждается и опускается вниз. Происходит непрерывная циркуляция масла.
От стенок бака и охлаждающих устройств теплоотдача в окружающий воздух происходит двумя способами — конвекцией (аналогично циркуляции масла) и тепловым излучением.
Для масляных трансформаторов мощностью до 40 кВ-А для отвода тепла достаточно иметь стенки баков гладкими. Для больших мощностей поверхности баков приходится дополнительно увеличивать. Для трансформаторов мощностью до 10 000 кВ-А это достигается либо путем применения трубчатых баков, либо баков с навешенными на них охладителями (радиаторами). Трубчатые баки имеют трубы, вваренные в стенки в один, два, три, реже в четыре ряда, в зависимости от мощности трансформатора. Охладители также изготовляют из круглых или овальных труб.
При мощности 10 000 кВ-А и выше охлаждение при естественной циркуляции воздуха ввиду трудности размещения охладителей по периметру бака становится недостаточным. Поэтому для мощных трансформаторов применяют разного вида форсированное охлаждение — дутьевое (при котором охладители обдуваются струями воздуха), циркуляционное (с принудительной циркуляцией масла), масляно-водяное (с охлаждением водой, пропускаемой через охладитель) и др.

§11. Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Большие токи и высокое напряжение в линиях не позволяют использовать измерительные приборы (амперметры и вольтметры), включенные непосредственно в линию. Применение в таких случаях приборов было бы недопустимо по правилам техники безопасности и, кроме того, изготовление приборов для этой цели и их монтаж осуществить практически невозможно. Поэтому амперметры (и токовые обмотки ваттметров, счетчиков и других приборов) включают через промежуточные трансформаторы, называемые трансформаторами тока, а вольтметры (и обмотки напряжения других приборов) — через трансформаторы напряжения. Благодаря этому измерительные приборы оказываются изолированными от сети, что делает возможным применение стандартных приборов (с переградуированием их шкал) и тем самым расширяет пределы измеряемых ими токов и напряжений.
Хотя измерительные приборы потребляют весьма малую энергию, все же она создает в трансформаторе тока и напряжения известное падение напряжения, т. е. вносит в измерение некоторую дополнительную погрешность. В связи с этим к измерительным трансформаторам предъявляются требования в отношении гарантированного класса точности.
Согласно ГОСТ 1983—77 класс точности — это обозначение (характеристика) трансформатора, погрешности которого при заданных условиях остаются в определенных пределах. Класс точности обозначается числом, которое равно предельно допустимой погрешности тока или напряжения в процентах номинального. Для классов точности стандартами установлены следующие значения: 0,2; 0,5; 1 и 3.
Кроме допустимой погрешности по току и напряжению измерительные трансформаторы должны удовлетворять также нормам угловой погрешности. Угловой погрешностью называется угол между вектором первичного тока (напряжения) и повернутым на 180° вектором вторичного тока (напряжения), выраженный в минутах.

Контрольные вопросы

1. Для чего служит трансформатор?
2. Что называется коэффициентом трансформации?
3. Что называется режимом холостого хода трансформатора?
4. Какие эксплуатационные характеристики трансформатора определяются при опыте холостого хода?
5. Что называется режимом нагрузки трансформатора?
6. Что такое «опыт короткого замыкания»?
7. Какую величину кпд имеют силовые трансформаторы?
   
8. Чем отличается автотрансформатор от трансформатора?
9. Что такое проходная и типовая мощности автотрансформатора?
10. Для чего требуется регулирование напряжения?
11. Для чего необходимо охлаждение трансформатора?