ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И СХЕМЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПОД НАГРУЗКОЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ
1. СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЯ ОБМОТОК РЕГУЛИРУЕМЫХ И ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
а) Схемы для ступенчатого регулирования напряжения
Принудительное изменение напряжения может осуществляться специальными трансформаторами с плавным или ступенчатым регулированием напряжения под нагрузкой. Наибольшее распространение для регулирования напряжения в сетях получили более простые и надежные способы ступенчатого регулирования напряжения. При таких способах обмотки трансформаторов выполняют с ответвлениями, подключение которых осуществляется специальным переключающим устройством, без разрыва цепи тока нагрузки. За счет изменения коэффициента трансформации такого трансформатора можно получить регулирование напряжения в достаточно широких пределах.
Специальные трансформаторы выполняются по трем основным схемам, охватывающим наиболее распространенные способы ступенчатого регулирования напряжения под нагрузкой (рис. 1).
Схема, приведенная на рис. 1,а, является наиболее экономичной с точки зрения затрат активных материалов и поэтому находит применение для трансформаторов различных мощностей. Наибольшие пределы регулирования напряжения трансформаторов, выполненных по этой схеме, составляют ±10% (±4х2,5%). Основная
серия трансформаторов типа ТМН мощностью от 560 до 5 600 кВА, напряжением 3,5/6—10 кВ оборудуется только переключателями. Трансформаторы типов ТДН, ТДНГ и ТДТНГ от 10 до 75 МВА на 35—110 кВ оборудуются переключателями и контакторами (обозначены пунктиром на рис. 1,а). Технические характеристики таких трансформаторов приведены в приложениях 1—8, а их внешний вид дан на рис. П-1—П-3.
Рис. 1. Схемы ступенчатого регулирования напряжения силовых трансформаторов.
а — для трансформаторов средних мощностей с применением многоступенчатого переключателя; б — с быстродействующими контакторами и переключателями на большие пределы регулирования; в — для одноступенчатого регулирования напряжения малых распределительных трансформаторов; РО — регулировочная обмотка; П — переключатель; К — контактор; ТС — активное токоограничивающее сопротивление; Р — токоограничивающий реактор; 3—13 — ответвления регулирования.
Схема, приведенная на рис. 1,б, применяется для трансформаторов с более широкими диапазонами регулирования (более 20%); схема, приведенная на рис. 1,в, — для небольших трансформаторов типа ТСМН напряжением 6—10/0,4 кВ с одноступенчатым регулированием напряжения.
При конструировании силовых трансформаторов со встроенным переключением ответвлений под нагрузкой принципиально важным является вопрос, в какую из обмоток встраивать переключающее устройство. Наиболее правильно располагать регулировочные ответвления в той обмотке, со стороны которой происходит изменение напряжения в процессе эксплуатации трансформатора. У понижающих трансформаторов, работающих в точках сети с различными уровнями подведенного напряжения, ответвления выполняют, как правило, в обмотках высшего напряжения. Это дает возможность изменять число витков первичной обмотки в соответствии с изменениями напряжения сети и поддерживать неизменным отношение числа вольт на виток, т. е. сохранять индукцию трансформатора постоянной. Поэтому двухобмоточные регулируемые трансформаторы отечественных конструкций снабжаются ответвлениями для регулирования в обмотках высшего напряжения. В трехобмоточных трансформаторах, кроме регулирования под нагрузкой в обмотках высшего напряжения, предусматривается также регулирование на стороне среднего напряжения при отключенном от сети трансформаторе в пределах ±2-2,5%.
Характерным для существующих конструкций регулируемых трансформаторов является отсутствие ответвлений в обмотках низшего напряжения. Однако, несмотря на некоторую сложность выполнения таких ответвлений из-за больших токов, их устройство весьма желательно, так как в большинстве случаев дает возможность увеличить фактический диапазон регулирования напряжения трансформатора.
Особенно целесообразно снабжать дополнительными ответвлениями одноступенчатые регуляторы малой мощности. При этом за счет различного сочетания как регулируемых под нагрузкой, так и нерегулируемых под нагрузкой ответвлений можно расширить область применения трансформаторов, сделав их равноценными многоступенчатым конструкциям. Подключение таких ответвлений к выводам может быть глухим и не потребует установки специального переключателя, удорожающего трансформатор.
При многоступенчатых регуляторах в распределительных трансформаторах также желательно иметь нерегулируемые под нагрузкой ответвления для использования их в зависимости от удаленности трансформатора от центра питания. В этом случае имеющиеся пределы регулирования под нагрузкой будут использованы для компенсации колебаний напряжения в сети и могут быть приняты более узкими, что значительно упростит регулирующее устройство.
б) Схемы автотрансформаторов для регулирования напряжения
Для изменения напряжения трансформаторов, не оборудованных переключателями под нагрузкой, и для регулирования напряжения отдельных линий находят применение специальные автотрансформаторы. В зависимости от схем соединения автотрансформаторы подразделяются на линейные регуляторы и вольтодобавочные трансформаторы. На рис. 2,а показана схема линейного регулятора средней мощности. Отходящая линия Л подключается к средней точке последовательно включенной обмотки автотрансформатора, что дает возможность использовать обе ее части для повышения или снижения напряжения. Схемы непосредственного регулирования напряжения обмоток автотрансформаторов получили название «прямого» регулирования в отличие от «косвенного» регулирования, выполняемого с помощью вольтодобавочных трансформаторов с отдельными магнитопроводами (рис. 2,б). Добавочное напряжение в регулируемой цепи зависит от напряжения, приложенного к первичной обмотке, и коэффициента трансформации последовательного трансформатора. Величина добавляемого в линию напряжения может быть изменена по знаку при переключении первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора. В ряде случаев регулировочный автотрансформатор может быть заменен регулировочным трансформатором.
При помощи вольтодобавочного трансформатора можно получить дополнительную э. д. с., как совпадающую по фазе с напряжением линии, так и сдвинутую на некоторый угол. Вольтдобавочные трансформаторы, дающие совпадающую э. д. с., называют трансформаторами с продольным регулированием, а при сдвинутой на 90° э. д. с. — с поперечным регулированием. Для получения продольного регулирования к каждой из возбуждающих обмоток подводится напряжение одноименной (т. е. «своей») фазы.
Рис. 2. Схемы включения обмоток регулируемых автотрансформаторов.
а — автотрансформатор для последовательного включения в линию; б — с вольтодобавочным трансформатором; П —переключатель; К — контактор; РО — регулировочная обмотка; Р —токоограничивающий реактор; РА — регулировочный автотрансформатор; ПТ — последовательный трансформатор; 1—9 — ответвления регулирования.
Пределы регулирования при этом обычно составляют ±10—12%. Продольное регулирование применяется, как правило, в радиальных сетях, где требуется только изменение уровней напряжения.
В регуляторах с поперечным регулированием к возбуждающим обмоткам подводят напряжение, вектор которого перпендикулярен направлению вектора напряжения данной фазы. Если регулирующее устройство выполнить с двумя возбуждающими обмотками и подводить к ним различные линейные напряжения, то можно получить любые промежуточные сдвиги добавочного напряжения по отношению к напряжению сети. Пределы регулирования напряжения здесь будут более широкими, чем в предыдущем случае.
Особого внимания заслуживают схемы многообмоточных автотрансформаторов, регулирование напряжения которых имеет свои особенности. Для таких трансформаторов различают схемы регулирования напряжения на стороне ВН (рис. 3,а), .на стороне СН (рис. 3,б) и в общей нейтрали между обмотками ВН—СН (рис. 3,в). Как следует из рисунка, изменение числа регулировочных витков в первом случае приводит к изменению только напряжения U1 (ВН), во втором случае — к изменению напряжения U2 (СН), а в третьем — к одновременному изменению напряжений U1 и U2.
Выбор той или иной схемы включений обмоток определяется (так же как и для трансформаторов) тем, со стороны какой из обмоток происходит большее изменение напряжения. Если в процессе эксплуатации напряжение Ui изменяется в больших пределах, то рекомендуется применять схему рис. 3,а, и при более заметных колебаниях напряжения U2 — схему рис. 3,б.
Рис. 3. Схемы включения многообмоточных регулируемых автотрансформаторов (обмотка низкого напряжения не показана).
а — регулирование напряжения на стороне ВН; б — то же в обмотке СН; в — то же в нейтрали автотрансформатора; 1 — регулировочная обмотка; 2 — последовательная обмотка; 3 — общая обмотка.
Рис. 4, Схема регулирования напряжения однофазного автотрансформатора с подвижной короткозамкнутой катушкой.
а, б, в — положения регулировки.
в) Схемы для плавного регулирования напряжения
В ряде случаев для обеспечения определенных технологических процессов или в соответствии с требованиями лабораторных исследований необходимо получить изменения напряжения на выходе трансформаторов в достаточно широких пределах. Применение в этих случаях различных схем ступенчатого регулирования не дает нужного эффекта, так как требует серьезного усложнения переключающей аппаратуры. Кроме, того, как будет показано ниже, при больших диапазонах регулирования отключение значительной части витков регулировочных обмоток трансформатора нарушает равномерное распределение магнитного потока и приводит к возникновению механических усилий в обмотках, опасных при коротких замыканиях. Поэтому для очень больших диапазонов регулирования желательно иметь изменение напряжения трансформатора под нагрузкой без переключения витков обмотки.
Для этих целей получили распространение автотрансформаторы с подвижной короткозамкнутой катушкой и соединением обмоток по схеме, приведенной на рис. 4. Неподвижные катушки автотрансформатора А, Б, В и Г расположены на среднем стержне замкнутого сердечника. За счет встречной намотки витков катушки А по отношению к виткам катушки В приложенное напряжение U1 создает в сердечнике два противоположно направленных магнитных потока. Кроме неподвижных,
имеется также равная им по высоте короткозамкнутая подвижная катушка П, расположенная концентрически по отношению к катушкам А и В. В зависимости от расположения подвижной катушки приложенное напряжение будет различно распределяться между неподвижными катушками.
Определим пределы изменения вторичного напряжения автотрансформатора при холостом ходе. В первом положении (катушка П вверху, рис. 4,а) система катушек В и П может быть представлена в виде трансформатора Т1, работающего в режиме короткого замыкания (вторичная обмотка П замкнута). Напряжение на первичной обмотке В трансформатора Т1 является напряжением короткого замыкания и поэтому достаточно мало. Следовательно, можно считать, что почти все приложенное к зажимам АХ напряжение U1 падает на свободную катушку А. Последняя в соединении с катушкой Б составляет автотрансформатор с согласным включением обмоток. Таким образом, на зажимах ах возникает напряжение
, где
— положительная надбавка напряжения, индуктированная катушкой Б. Случай, противоположный рассмотренному, имеет место при расположении катушки П в крайнем нижнем положении (рис. 4,б). При этом роль трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания, выполняют катушки А и П и все приложенное напряжение приходится на свободную катушку В. Так как последняя соединена с катушкой Г встречно, напряжение на зажимах ах уменьшается, т. е. 
— отрицательная надбавка напряжения, индуктированная в противоположно намотанной катушке Г. На рис. 4,в катушка П занимает некоторое среднее положение и вторичное напряжение на зажимах ах равно +
. Кроме рассмотренных трех положений, катушка П может занимать любое положение, чему соответствует различное значение вторичного напряжения. Так, при перемещении из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение вторичное напряжение будет плавно изменяться в пределах от
.
Автотрансформатор с подвижной короткозамкнутой катушкой в зависимости от назначения может быть спроектирован в двух вариантах: как регулятор для изменения под нагрузкой в широких пределах вторичного напряжения при практически неизменном напряжении U1 и как стабилизатор для поддержания на одном уровне изменяющегося в некоторых пределах подведенного напряжения U1. В первом случае номинальная мощность аппарата соответствует только верхнему пределу вторичного напряжения, и отдаваемая мощность изменяется пропорционально отрегулированному вторичному напряжению. В отличие от регулятора номинальная мощность автотрансформатора-стабилизатора, равная 
, является неизменной и практически не зависит от изменяющегося в данных пределах напряжения U1, так как вторичное напряжение
_ остается постоянным.
Основными недостатками рассмотренной конструкции являются значительный ток холостого хода и относительно большие потери напряжения. К преимуществам следует отнести отсутствие контактной системы, различного рода гибких соединений и пазов для обмоток. Технические характеристики автотрансформаторов с подвижной катушкой приведены в приложениях 9 и 10.
В других конструкциях трансформаторов с плавным регулированием напряжения используется подвижный сердечник, на котором закреплена вторичная обмотка. Магнитопровод такого трансформатора имеет броневую конструкцию, причем средний стержень, несущий вторичную обмотку, допускает плавное осевое перемещение. При этом за счет относительного перемещения обмоток вторичное напряжение будет плавно изменяться от значения + U2 до значения — 'U2. Недостатками такой конструкции являются трудность выполнения подвижного стержня и значительное рассеяние обмоток.
Рассмотренные конструкции с подвижными частями получаются достаточно сложными и не вполне надежными. В ряде случаев такие конструкции не удовлетворяют требованиям регулирования напряжения. Например, при малых выдержках времени и отсутствии надежной тормозной системы отмечаются частые срабатывания, что приводит к перерегулированию и повышенному износу приводного механизма.
В связи с этим заслуживают рассмотрения схемы трансформаторов, в которых плавное регулирование напряжения осуществляется без перемещения обмоток и сердечника.
Рис. 5. Схема регулируемого трансформатора с двумя сердечниками с подмагничиванием постоянным током.
1 — сердечник а; 2 — сердечник β; S — обмотки подмагничивания; 4 — нагрузка.
Одна из них использует метод подмагничивания раздельных сердечников трансформатора постоянным током, как показано на рис. 5. Первичные и вторичные обмотки сердечнике соединены последовательно и имеют различные коэффициенты трансформации. Если в такой схеме изменять магнитную характеристику одного из сердечников, например подмагничивая его, то при неизменном значений напряжения можно получить изменение вторичного напряжения U2 в достаточно широких пределах (до 1,5UΗΟΜ). При таком способе можно получить также стабилизацию вторичного напряжения при колебаниях напряжения, подведенного к трансформатору.
Преимуществом рассмотренной схемы бесконтактного регулирования является сравнительно высокие быстродействие и удобство автоматизации изменения подмагничивающего тока в зависимости от требований регулирования напряжения. К недостаткам схемы можно отнести увеличение затрат активных материалов, некоторое снижение к. п. д. и повышенный расход реактивной мощности из-за увеличения намагничивающих токов. Теория и анализ процессов таких трансформаторов подробно рассмотрены в [Л. 11 и 12].
Благодаря относительной простоте конструкций, безинерционности регулирования напряжения и отсутствию контактов такие трансформаторы найдут широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Так, например, однофазные конструкции могут быть использованы для пофазного регулирования напряжения в условиях электроснабжения от контактных сетей электрифицированных железных дорог, где отмечаются значительные несимметрии напряжений по фазам, вызванные тяговой нагрузкой.
Другая схема трансформаторов, регулируемых подмагничиванием, использует специальный шунт для ответвления части магнитного потока трансформатора. В отличие от конструкций с двумя сердечниками трансформаторы, регулируемые подмагничиванием шунтов, выполняются, как правило, в виде отдельных единиц, что более удобно. В простейших конструкциях первичная и вторичная обмотки располагаются на отдельных стержнях, составляющих основную магнитную цепь трансформатора; вне обмоток переменного тока располагается обмотка шунта. При таком расположении обмоток магнитный поток первичной обмотки Φ1 делится на две части — поток вторичной обмотки Ф2, обусловливающий величину вторичного напряжения, и поток рассеяния Фш, проходящий по стержням магнитного шунта. Изменяя магнитное сопротивление шунта подмагничиванием, можно добиться принудительного изменения потока Ф2, сцепленного со вторичной обмоткой, и, следовательно, изменения вторичного напряжения трансформатора U2.
Однако за счет раздельного расположения основных обмоток и плохой электромагнитной связи между ними подобные конструкции имеют весьма большое магнитное рассеяние, что является их основным недостатком, так как приводит к повышенному расходу активных материалов. Существенное снижение рассеяния может быть получено, если разместить магнитные шунты вместе с их обмотками между силовыми обмотками трансформатора, как показано на рис. 6. В этих более совершенных конструкциях первичная обмотка w1 разделена на две равные части w1с и размещена на основных стержнях магнитопровода 1 и 2 (основная магнитная цепь). На стержнях 3 и 4, расположенных по обе стороны этой цепи, находится обмотка шунтов подмагничивания WdC. Такое расположение магнитных шунтов приводит к малому рассеянию и снижению затрат активных материалов. Вторичная обмотка трансформатора, также разделенная на две части w2a, охватывает как стержни 1 и 2 с. первичной обмоткой, так и стержни 3 и 4 с обмоткой шунтов. Регулирование вторичного напряжения осуществляется за счет изменения тока подмагничивания. При этом изменяется величина переменного потока, проходящего по шунтам, и, следовательно, поток, сцепленный со вторичными обмотками.
Рис. 6. Устройство трансформатора с подмагничиваемым шунтом, расположенным между силовыми обмотками.
а — схема включения обмоток для конструкций с шихтованным сердечником; б — конструкция с витым сердечником.
Если использовать такие трансформаторы в качестве стабилизаторов вторичного напряжения, то при колебаниях первичного напряжения в пределах от U мин до Uмакс необходимо поддерживать неизменной величину потока Ф2, сцепленного со вторичной обмоткой w2. Последнее достигается за счет автоматического изменения величины постоянного тока подмагничивания. Изменение должно быть таким, чтобы наибольшее значение тока Id (при котором Фш~0) было при U1макс, а наименьшее (при котором φш=φш.макс) — при U1макс. При этом можно добиться постоянства потока Ф2 и поддержания вторичного напряжения U2 на одном уровне при неизменной нагрузке.
Схемы с магнитными шунтами обеспечивают регулирование напряжения в более широких пределах, чем с раздельными сердечниками, однако их распространение ограничено в основном трансформаторами малых мощностей.
Несмотря на преимущества плавного регулирования, эта проблема до настоящего времени не получила своего полного практического разрешения ввиду высокой
стоимости (рис. 7) и технических трудностей выполнения плавного регулирования на трансформаторах средних и больших мощностей.
Рис. 7. Кривые отношений стоимостей трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой и трансформаторов без регулирования в зависимости от мощности трансформаторов. (По вертикальной оси — превышение стоимости регулируемых конструкций над стоимостью нормальных, по горизонтальной оси — мощность трансформаторов).
1 — для однофазных и трехфазных автотрансформаторов с плавным регулированием напряжения мощностью до 250 кВА и напряжением до 0,5 кВ; 2 — для трехфазных силовых трансформаторов с естественным масляным охлаждением и ступенчатым регулированием напряжения в обмотке 35 кВ; 3 — для трехфазных масляных трансформаторов с форсированным воздушным охлаждением и ступенчатым регулированием напряжения в обмотке 110 кВ; 4 — то же с форсированным охлаждением и регулированием напряжения в обмотке 35 кВ; 5 — то же для трехобмоточных грозоупорных с регулированием в обмотке 110 кВ.
Для сетевых трансформаторов экономически наиболее целесообразным является применение встроенной аппаратуры ступенчатого переключения под нагрузкой. При выборе таких трансформаторов дополнительные затраты, вызванные установкой аппаратуры регулирования напряжения, оцениваются соответствующим коэффициентом удорожания. Наиболее дорогими являются автотрансформаторы с подвижной катушкой и плавным регулированием напряжения. Коэффициент удорожания для них составляет 2,9—3,2 (кривая 1). При ступенчатом регулировании более дорогими оказываются трансформаторы средних мощностей с регулированием в -обмотках 35 кВ, коэффициент удорожания которых равен 2,2—2,5 (кривая 2).
Для более крупных трансформаторов с аппаратурой в обмотках 110 кВ этот коэффициент лежит ,в пределах 1,2—1,75 (кривые 3 и 5).
Коэффициенты удорожания для отечественных регулируемых трансформаторов несколько выше, чем в некоторых зарубежных странах. Так, по данным Теплоэлектропроекта, коэффициенты удорожания трехобмоточных трансформаторов напряжением 112/38,5/6,3 кВ бельгийской фирмы Шарлеруа составляют 1,12—1,27 для мощностей 31,5—7,5 МВА соответственно. Эти же коэффициенты для трансформаторов английской фирмы Инглиш Электрик равны 1,1—1,24 при изменении мощностей трансформаторов от 40 до 5,6 МВА.
На стоимость трансформатора значительное влияние оказывает стоимость аппаратуры переключения, которая у конструкций малых и средних мощностей составляет большую часть от стоимости самого трансформатора, чем у крупных.
