6. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА РЕГУЛИРУЕМЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПОД НАГРУЗКОЙ
а) Общие положения параллельной работы регулируемых трансформаторов
С ростом нагрузок и развитием энергосистем важное значение приобретают вопросы параллельной работы различного оборудования, в частности, трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой.
Установка двух и более трансформаторов должна быть обоснована заранее технико-экономическими расчетами при проектировании.
Основным затруднением, возникающим при параллельной работе трансформаторов, является соблюдение равномерного распределения нагрузки между ними. При параллельной работе даже одинаковых по мощности и конструкции регулируемых трансформаторов эта равномерность может быть нарушена при их работе на различных ответвлениях, т. е. с разными коэффициентами трансформации. При этом в обмотках трансформаторов неизбежно возникнут уравнительные токи, ограничивающие возможность их дальнейшей загрузки. Величину этого тока для случая двух совершенно одинаковых трансформаторов в общем случае можно определить из выражения
Наименьшая возможная величина ∆U для двух регулируемых трансформаторов определяется размером одной ступени регулирования, равной 2—2,5%, и, таким образом, уже превышает величину ±0,5%, допустимую для отклонений коэффициента трансформации двух параллельных единиц. Наибольшая величина разности может доходить до 20% при нахождении обоих переключателей в противоположных крайних положениях. В последнем случае трансформаторы будут значительно перегружены уравнительным током.
Рис. 57. График изменения значений уравнительного тока двух регулируемых трансформаторов.
В качестве подтверждения сказанного на рис. 57 приведены расчетные значения величины уравнительного тока в долях от номинального, который может возникнуть при параллельной работе двух трансформаторов в зависимости от разницы их вторичных напряжений. С увеличением числа параллельно включенных трансформаторов уравнительный ток соответственно возрастет. Это увеличение приближенно можно выразить формулой
где п — число параллельно включенных трансформаторов. ·
При выводе формулы принималось, что полные сопротивления трансформаторов одинаковы и только один из них имеет отличный от других коэффициент трансформации. В действительности полные сопротивления трансформаторов изменяются с изменением ответвления регулировки, к тому же разница вторичных напряжений может возникнуть между любыми из параллельно включенных трансформаторов.
Основной задачей автоматизации параллельной работы регулируемых трансформаторов является создание таких схем управления, которые обеспечивают работу трансформаторов с минимальными уравнительными токами. Последнее обычно достигается ценой некоторого усложнения схем индивидуального управления трансформаторов.
Существенное влияние на выбор способа управления оказывают следующие данные: 1) величина ступени и размер диапазона регулирования параллельно включаемых трансформаторов; 2) конструкция и скорость срабатывания переключающего устройства; 3) местоположение трансформаторов (установлены ли они вблизи или на некотором расстоянии друг от друга); 4) число параллельно включаемых трансформаторов; 5) предусматривается ли частое отключение и вывод из работы отдельных трансформаторов. В зависимости от общих положений, выяснение которых должно быть сделано предварительно, определяют возможность применения конкретной схемы автоматического управления.
Существует два основных, принципиально различных метода управления — метод одновременного изменения ответвлений трансформаторов (метод «ведущий—ведомый») и метод контроля величины уравнительных токов. Поскольку до настоящего времени опыт параллельной работы регулируемых трансформаторов и применения различных схем управления освещен недостаточно, рассмотрим эти вопросы более подробно.
Рис. 58. Схематическое включение основных элементов управления для параллельной работы регулируемых трансформаторов с одинаковыми характеристиками.
а — при механическом соединении переключающих устройств; б — с промежуточными выключателями; ТТ, TH — трансформаторы тока и напряжения; КП — компенсатор падения напряжения; PH, РВ — реле напряжения и времени; КД — пусковой контактор приводного электродвигателя; ПМ — приводной механизм; Π1, П2 — переключатели ответвлений трансформаторов; ПВ — промежуточный выключатель.
б) Метод одновременного переключения ответвлений
Этот метод содержит схемы управления, обеспечивающие автоматическую работу всех трансформаторов на одних и тех же ответвлениях за счет одновременного переключения приводных механизмов. При параллельной работе трансформаторов с одинаковыми характеристиками, одинаковыми пределами и ступенями регулирования такой метод автоматически обеспечивает правильное распределение нагрузок между трансформаторами. При этом используются три схемы, наиболее простая из которых предполагает механическую связь переключающих устройств между собой. Для параллельной работы приводные механизмы трансформаторов жестко соединяются одним общим валом так, чтобы исключалась возможность независимого переключения какого-нибудь одного механизма. Все управление производится от аппаратуры, установленной только на одном ведущем трансформаторе; для запуска приводных электродвигателей используются пусковые контакторы каждого трансформатора, соединенные параллельно (рис. 58,а). Неудобство этого способа заключается в необходимости переоборудования приводных механизмов, выполнения самой передачи, соответствующих ограждений к ней и т. п. Такая связь используется все же в случае установки двух или более трансформаторов в непосредственной близости друг от друга или для трансформаторов с очень большими ступенями регулирования, когда даже кратковременная
работа трансформаторов на разных ответвлениях опасна из-за значительной величины уравнительного тока, возникающего вследствие большой разницы вторичных напряжений.
Вторая схема не требует механических соединений и предполагает одновременные переключения всех трансформаторов при получении сигнала от одного главного или ведущего трансформатора. В схеме используются промежуточные выключатели (рис. 58,б), которые передают пусковой сигнал ведомым трансформаторам, число которых может быть любым. Таким образом, управление можно осуществить от одного блока регулирования напряжения, установленного на главном трансформаторе. Так же как и в предыдущей схеме, здесь освобождается часть аппаратуры управления на всех ведомых трансформаторах (реле напряжения, времени и др.). При желании любой из трансформаторов может быть выбран в качестве ведущего, что несколько усложнит схему, так как потребует установки специальных переключателей. Это усложнение все же может быть оправдано в эксплуатации, так как даст возможность в случае необходимости вывести из работы любой трансформатор без ущерба для других.
В третьей схеме используются шаговые переключатели, установленные на каждом трансформаторе, они приводятся в действие от соответствующих приводных механизмов. При переключениях сначала начинает вращение приводной механизм ведущего трансформатора, электродвигатель которого подключается главным блоком регулирования. После начала движения механизма поворачивается шаговый переключатель и через цепи вспомогательных выключателей одновременно запускаются все приводные электродвигатели ведомых трансформаторов. Остановка электродвигателей после переключения на одну ступень осуществляется шаговыми переключателями каждого трансформатора в отдельности. Таким образом, шаговый переключатель на ведущем трансформаторе служит для включения всех остальных трансформаторов, а на ведомых он используется для блокировки и изолированной остановки приводных электродвигателей. При этом исключается возможность автономного запуска любого электродвигателя, что снижает вероятность ложных переключений в процессе эксплуатации. Последующие переключения в обоих последних способах могут быть начаты лишь после полной остановки приводных электродвигателей на всех ведомых трансформаторах.
Как следует из рассмотрения, две последние схемы одновременного переключения ответвлений являются более совершенными по сравнению со схемой простого механического соединения приводных механизмов и наиболее приемлемыми для регулируемых трансформаторов средних мощностей с одинаковым числом и напряжением ступеней регулирования, так как без существенного изменения схемы обеспечивают устойчивую параллельную работу. Развернутая схема управления на оперативном постоянном токе для автоматического управления регулируемых трансформаторов типа ТМН по такому методу показана на рис. 59,а. Подача импульса на переключение осуществляется, как обычно, от одного реле напряжения PH. Включаются реверсивные контакторы электродвигателей обоих приводных механизмов, и электродвигатели начинают вращаться одновременно. Как только начали вращение механизмы, контроллер второго (ведомого) трансформатора подключает промежуточное реле блокировки РП-2, которое после некоторой выдержки времени отключит цепь питания своего реверсивного контактора РК. После окончания перехода на требуемую ступень и нормальной остановки электродвигателя это реле отключается контроллером и, отпадая, вновь замыкает цепь контакторов, подготовив схему к последующему пуску. Этим будет обеспечена независимая остановка электродвигателя ведомого трансформатора и исключена возможность его ложного запуска через цепи контроллера ведущего механизма. Такая блокировка необходима для предотвращения несинхронной работы механизмов и появления чрезмерных циркулирующих токов. На рис. 59,б приведена временная диаграмма работы приводных механизмов параллельно включенных трансформаторов с общим пуском, но раздельной остановкой при завершении каждым из трансформаторов перехода со ступени на ступень. Запас времени для полной остановки ведомого электродвигателя (до замыкания контактов РП 2-1 и РП 2-2) составляет 0,3 сек, что вполне достаточно для независимой остановки обоих электродвигателей.
Рис. 59. Развернутая схема включения элементов управления двух регулируемых трансформаторов для автоматической параллельной работы от одного реле напряжения (а) и временная диаграмма работы приводных механизмов (б).
PH — реле регулирования напряжения; РМН — то же минимального напряжения; РК — реверсивный контактор; РВ — реле выдержки времени; РП — промежуточное реле пуска; РП-2 — реле блокировки; ЭД — приводной электродвигатель; К — следящее устройство—контроллер; БЦ — блокировочные цепи; индекс I относится к элементам ведущего, а 2 — к элементам ведомого трансформаторов.
В процессе переключения загорается красная сигнальная лампа, которая при затянувшемся переключении укажет обслуживающему персоналу на ненормальное прохождение процесса. В рабочих положениях горят зеленые лампы очередных ступеней регулирования, так как в схемах постоянного тока для указания положении переключателя используется ламповая сигнализация.
Рис. 60. Осциллограммы параллельной работы двух регулируемых трансформаторов типа ТМН при автоматическом переключении на одну ступень в направлении повышения напряжения (моменты завершения перехода отмечены звездочкой).
1 — ток в цепи основного подвижного контакта переключателя; 2 — то же вспомогательного контакта (оба контакта для переключателя ведомого трансформатора); 3 — регулируемое напряжение на выходе ведущего трансформатора; п — ступень регулирования; минимальная разница в моментах срабатывания переключателей t1=0,05 сек, максимальная t2=0,1 сек.
Рассмотренная схема управления обеспечивает устойчивую параллельную работу трансформаторов от одного реле напряжения и может быть применена также при оперативном переменном токе. На рис. 60 приведены осциллограммы параллельной работы двух переключающих механизмов (один из них установлен на действующем трансформаторе и работает под нагрузкой). На осциллограммах по выходному напряжению и положению подвижных контактов переключателя фиксировались моменты завершения перехода на очередную ступень. Как видно из рис. 60, наибольшая разница в моментах перехода составляет 0,1 сек, что вполне допустимо. Усовершенствование схемы должно идти в направлении обеспечения автоматического запуска электродвигателей при неправильных срабатываниях отдельных переключателей.
в) Метод контроля уравнительных токов
При этом методе переключения трансформаторов могут происходить не одновременно, так как каждый из них управляется своим индивидуальным блоком управления. Схема автоматического управления реагирует не только на изменения выходного напряжения, но и на величину тока, циркулирующего между трансформаторами. При этом в зависимости от тока напряжение трансформатора понижается или повышается. Таким образом, наиболее правильное распределение нагрузки между трансформаторами достигается автоматически независимо от положения переключателей отдельных трансформаторов, которые не связаны друг с другом. В общем случае допускается работа на разных ответвлениях, обеспечивающих минимальное значение уравнительного тока. Такой метод дает меньшую точность регулирования по сравнению с предыдущим, однако он может быть применен для параллельного включения регулируемых трансформаторов различной конструкции с неодинаковыми сопротивлениями обмоток, разными пределами и величинами ступеней регулирования. Это дает определенные преимущества главным образом в действующих установках с разнотипным оборудованием. Например, в случае установки на одной подстанции отечественных и зарубежных трансформаторов с различными характеристиками их параллельная работа может быть предусмотрена по одной из следующих схем: с перекрестным включением реле напряжения, со схемой реверсированного реактивного сопротивления компенсатора и по схеме, использующей принцип разделения или равновесия токов во вторичных контурах трансформаторов. .
Первая схема находит применение, если трансформаторы, включаемые на параллельную работу, установлены рядом и их число не больше двух. Как видно из рис. 61,а, аппаратура управления соединяется таким образом, что увеличение уравнительного тока одного из трансформаторов приводит к повышению напряжения другого трансформатора и соответственному снижению уравнительного тока.
Рис. 61. Схематическое включение основных элементов при параллельной работе регулируемых трансформаторов с различными характеристиками.
а — с перекрестным включением реле напряжения; б — с реверсированием реактивного сопротивления компенсатора; R и х— активное и реактивное сопротивления компенсатора (остальные обозначения см. на рис. 58).
В схеме могут быть использованы компенсаторы линейного падения напряжения с согласным включением элементов, имитирующих нагрузку линии. При этом размер компенсации потери напряжения в линии практически не ограничивается. Недостатком схемы является необходимость переключения аппаратуры управления с обязательным изменением настройки компенсаторов при выводе одного трансформатора из работы.
Другая схема индивидуального управления требует изменения полярности реактивного элемента компенсатора падения напряжения (рис. 61,б). Такое включение дает возможность получить уменьшение напряжения на выходе регулятора при возрастании нагрузки, т. е. работать со спадающей характеристикой регулятора в момент появления уравнительных токов. Этот метод несколько ограничивает возможности встречного регулирования напряжения в удаленном центре нагрузки, однако, подобрав определенным образом элементы компенсатора (например, увеличив его активное сопротивление), можно добиться необходимой компенсации потерь напряжения в отходящей линии. Описанный способ не требует большого количества соединительных проводов, поэтому его вполне можно применять для трансформаторов, установленных на значительном расстоянии друг от друга. Недостатками этого способа следует считать необходимость устройства вспомогательной защиты от перегрузки по току. К тому же точность компенсации и ее размер зависят от правильности выбора параметров компенсаторов и их регулировки на каждом трансформаторе в отдельности.
Укажем еще на одну схему для параллельной работы трансформаторов, которая может быть применена независимо от числа установленных трансформаторов. Такая схема использует принцип разделения токов во вторичных контурах трансформаторов. Для отделения циркулирующих токов от нагрузочных применяются специальные трансформаторы тока. Разделительная цепь предполагает питание уравнительным током реакторов, изменяющих напряжение, подведенное к основному реле. Напряжение сети регулируется с учетом компенсации падения напряжения в линии. Схема выполнена так, что возрастание уравнительного тока в цепи регулятора вызывает его срабатывание на снижение напряжения. Подобно предыдущей схеме рассмотренный метод включения реле дает необходимую компенсацию падения напряжения в линии. Преимуществами схемы являются независимая настройка компенсаторов и ее сохранение при отключении любого трансформатора от сети, а недостатком следует считать необходимость иметь столько блоков регулирования, сколько установлено трансформаторов.
Другие способы управления параллельной работой могут содержать схемы включения приборов, контролирующих величину напряжения, измеряемого между ответвлениями двух трансформаторов. Могут быть также применены обычные тепловые реле, защищающие трансформатор от перегрузок при появлении чрезмерных уравнительных токов. Все эти устройства действуют на сигнал или непосредственно на приводной механизм трансформаторов, обеспечивая нормальную работу всей установки.
