Оборудование для переключения отпаек и вспомогательные обмотки. Эквивалентные габаритные размеры
Выполнение компенсирующих аппаратов с широким диапазоном регулирования токов выдвигает много проблем, среди них: точность настройки, возрастание размеров аппарата; напряжения, возникающие в неиспользуемых частях катушки; изменение в характеристике насыщения. Предложены различные решения этих проблем.
Необходимую точность настройки можно было бы получить путем регулировки величины некоторых или всех воздушных зазоров магнитной цепи, однако этот способ неэкономичен, так как он требует нескольких разборок и сборок. Значительно удобнее число отпаек в обмотке брать с некоторым запасом, так что при испытаниях можно соединить с переключающим устройством только тс отпайки, которые соответствуют необходимому диапазону регулирования. Для хорошей работы в условиях эксплуатации не требуется особо точное соответствие отпаек расчетным данным, так как при переключениях в системе настройка часто нарушается. Ток в катушке, включенной на нормальное напряжение, изменяется обратно пропорционально квадрату числа витков (пренебрегая влиянием насыщения). Так, для изменения тока в отношении 2:1 изменение числа витков равно √2:1. Максимум тока получается, когда все регулируемые секции выведены из цепи. Регулируемая часть составляет до 41% нерегулируемой, или 29,3% всей обмотки. При использовании плоской дисковой обмотки (как на рис. 290,в) проектировщик обнаружит, что нежелательно превышать эти соотношения, иначе влияние токов рассеяния создает сложные, непропорциональные изменения величины тока при переключении отпаек.
Рис. 291. Дугогасящий аппарат с регулирующей обмоткой, расположенной вдоль всей длины керна.
Отношение токов 1:3 можно получить, расположив регулирующие секции вдоль всей длины сердечника (рис. 291). В этом случае можно осуществить прямое и встречное включения регулирующих секций. При таком выполнении дугогасящего аппарата не ограничивается максимальная длина секций катушки в цепи; отсюда не ограничивается и напряжение, индуктированное в этих секциях. Это достигается за счет увеличения потерь на ряде отпаек и за счет увеличения веса меди всей обмотки.
Так, например, для отношения токов 3:1 регулируемая обмотка имеет число витков, равное 2-√3=0,27 числа витков главной обмотки.
Число отпаек для диапазона токов 2:1 может быть различным. Так, соответствующая комбинация двух катушек с различными номинальными токами дает гораздо более широкий диапазон регулирования, чем каждая катушка в отдельности, причем каждая катушка может иметь не более пяти отпаек, что было показано в § 2.1 гл. 8. Выполненная таким образом катушка при наличии переключателя на пять положений имеет ступени регулирования 12,5% максимального тока и 16,7% среднего тока. Это делает возможным получить достаточно точную настройку, даже если в системе установлена только одна дугогасящая катушка. Однако одна большая американская промышленная фирма производит стандартные переключатели отпаек на 15 положений для дугогасящих аппаратов с диапазонам токов 2:1 и переключатели отпаек на 25 положений для диапазона токов 4:1.
У 27% компенсирующих аппаратов, смонтированных в США, отпайки никогда не переключаются во время работы [Л. 4].
Обмотка с отпайками занимает больший объем, чем однородная обмотка той же мощности, рассчитанная на максимальный ток. Размеры сердечника дугогасящего аппарата определяются по эквивалентной мощности, которая зависит от максимального и минимального токов, а также от способа соединения главной и регулирующей обмоток.
Иногда (рис. 292) регулирующая часть обмотки выполняется из двух секций: обмотки А без отпаек и обмотки В с отпайками, длина которой меньше длины обмотки А на одну ступень регулирования. При минимальном токе секция В соединена последовательно с А и главной катушкой. Если далее постепенно выводить обмотку В из цепи, то ток будет возрастать. На промежуточной стадии регулирования в цепи находятся только обмотка А и главная обмотка. Затем вместо обмоток А можно включить обмотку В и продолжать процесс регулирования до достижения максимального тока, при котором в цепи остается только главная катушка. Катушка А может иметь пониженное сечение проводов, что дает некоторую экономию по сравнению с расчетом по формуле (191). Так, для регулирования токов в отношениях 1:2 и 1:4 эквивалентная мощность снижается с 1,41 и 2ΕΙмакс соответственно до 1,35 и 1.72 EΙмакс.
В описанных до сих пор схемах регулирования имеются такие режимы, когда часть обмотки не обтекается током. В конструкции, показанной на рис. 209,в, неиспользуемые части обмотки разделены на две независимые части, каждая из которых составляет не более половины регулируемой части обмотки.
Рис. 293. Регулирование тока при помощи постепенного переключения от последовательного до параллельного соединения.
На холостых секциях обмотки могут возникать существенные перенапряжения, особенно при импульсных воздействиях. В связи с этим была предложена конструкция обмотки [Л. 5], которая позволяет выполнять постепенное переключение двух секций с последовательного на параллельное соединение, что обеспечивает пределы регулирования в отношении 4:1, причем ни одна часть обмоток не остается обесточенной (рис. 293). При этом в пределах регулирования магнитная индукция должна изменяться в отношении 2:1, поэтому трудно избежать насыщения при напряжении выше фазного. Кроме того, могут иметь место местные насыщения сердечника в связи с неравномерным распределением н.с. на некоторых ступенях регулирования.
С точки зрения распределения напряжения при импульсных воздействиях некоторые преимущества имеют катушки со слоевыми обмотками (см. § 11.3.2 гл. 6). Кроме того, следует отметить, что при изготовлении обмоток даже из дисковых катушек трудности, связанные с импульсными перенапряжениями на холостых отпайках и между ними, отсутствуют, по крайней мере при отношении токов не выше 2:1.
Перенапряжений на холостых секциях не возникает, если регулирование осуществляется путем изменения индуктивности реактора низкого напряжения, включенного на вторичную обмотку. Примером такого выполнения является трансформатор Бауха (см. рис. 156).
Для диапазона регулирования тока, не превышающего 2:1, более важной проблемой является получение подходящих характеристик насыщения на всех отпайках (см. § 4.4.1 гл. 6). Магнитная индукция меняется с изменением отпайки и может уменьшиться до 71% на отпайке с минимальным током, если не приняты соответствующие меры. Естественное различие в вольт-амперных характеристиках двух крайних точек регулирования можно уменьшить, использовав для этого радиальный и осевой потоки рассеяния.
Рассмотрим применение радиального потока для изменения вольт-амперной характеристики на примере сердечника, устройство которого показано на рис. 209,в. Участок сердечника с воздушными зазорами охватывается главной обмоткой, а регулирующая обмотка расположена на части сердечника, не имеющей зазоров. Если включена только главная катушка, то н. с. полностью компенсируется и радиальный поток отсутствует. Рабочая точка на кривой намагничивания может быть достаточно точно определена заранее и обычно выбирается в начале насыщенной части характеристики. Поэтому любые отклонения от рабочей точки становятся тотчас заметными. Если теперь включается вся обмотка, то участок магнитопровода с зазорами играет роль несимметрично расположенного большого магнитного сопротивления. Для потока открывается дополнительный параллельный путь через пространство вне обмотки. Возникает радиальный поток, который лишь частично сцеплен с главной обмоткой. Такое местное уменьшение потокосцепления должно быть скомпенсировано возрастанием потока в основной магнитной цепи. В результате действительная магнитная индукция в сплошной части сердечника выше, чем средняя эффективная индукция, и отклонение вольт-амперной характеристики от линейной произойдет при меньшем напряжении, чем при неизменном потокосцеплении вдоль всей катушки.
Другой способ уменьшения изменений потока в сердечнике основывается на принципе смещения эффективных н. с. β радиальном направлении, когда катушка включена на отпайки, соответствующие наибольшим токам. Ради простоты рассмотрим обмотку, состоящую из двух концентрических катушек. Главная катушка является внешней, а регулирующая — внутренней. Регулирующая катушка намотана непосредственно на сердечнике, а главная находится от нес на существенном расстоянии. Отдельные секции спирально намотанной регулирующей катушки расположены вдоль всей высоты сердечника. Соотношение потоков в сердечнике и зазоре между обмотками изменяется при работе обмотки на разных отпайках. Если в цепь включены все катушки, н. с. стального сердечника значительно выше, чем н. с., возбуждающая поток в канале между обмотками. При отключении регулирующей катушки поток в сердечнике не изменяется обратно пропорционально числу витков, так как теперь поток в канале между обмотками возбуждается всей н. с. и сцеплен со всей включенной обмоткой, составляя, таким образом, существенную долю полного потока. Если, наконец, регулирующая и главная катушки соединены встречно, эффект получается еще более значительным, так как н. с., создающие поток в канале, становятся больше, чем н. с., возбуждающая магнитный поток в сердечнике.
Рис. 294. Дугогасящая катушка с многослойной обмоткой. Номинальные данные: 19 000 кВА, 150—70 а, 220 кВ (фирма АЕО).
а — расположение обмоток; б — дугогашения катушка во время заводской сборки.
При численном анализе этого эффекта для диапазона регулирования токов 2:1 (отношение числа витков регулирующей и главной обмотки равно 1:3) пределы изменений потока в сердечнике получаются следующие:
Следовательно, концентрическое расположение регулирующей обмотки обеспечивает уменьшение изменения индукции в сердечнике при изменении настройки дугогасящего аппарата. Этот эффект не очень велик, но он имеет место в дугогасящих катушках с многослойной обмоткой, в которых регулирующая секция расположена около заземляющего вывода непосредственно на сердечнике. Пример такой конструкции показан на рис. 294,а.
Можно получить и более низкое магнитное сопротивление воздушного канала. Для этого достаточно поместить в канале пакеты из магнитного материала. Такой способ, который часто применяется для специальных трансформаторов с большим реактивным сопротивлением короткого замыкания, едва ли пригоден для дугогасящих катушек.
В качестве примера резко нелинейной характеристики намагничения можно привести данные дугогасящей катушки: Еф=9 кВ; Iмакс=70 а; Iмин=45 а (рис. 295). Устройство зазоров и обмоток такое же, как и на рис. 290,в. При отсутствии изменения в распределении н. с. на различных отпайках характеристика для низшей отпайки 'могла бы быть получена из характеристики для высшей отпайки при помощи уменьшения абсциссы и увеличения ординаты последней в отношении
(расчетное отношение витков максимальной и минимальной отпаек). Сравнение характеристики, рассчитанной таким путем, с опытной кривой (верхняя кривая на рис. 295) показывает, что последняя имеет несколько большую кривизну из-за перераспределения н. с. и последующего эффекта местного насыщения.
Рис. 295. Характеристики намагничивания для крайних отпаек компенсирующей катушки 9 кВ, 70—45 а.
Дугогасящие аппараты с ограниченным изменением индукции в пределах регулирования могут снабжаться вспомогательными обмотками (см. рис. 294,а), которые предназначены для приблизительного определения числа находящихся в работе витков первичной обмотки. Точность измерения ограничена тем, что невозможно сделать отпайки от маловитковой вспомогательной обмотки точно в соответствии с первичными отпайками. Вспомогательная обмотка наматывается на участке магнитопровода с примерно постоянным потоком, отпайки выводятся в соответствии с полным рядом первичных отпаек. В этом случае для координации переключения вторичной и первичной обмоток применяются сдвоенные переключатели отпаек. Требуемая точность, как правило, не очень высока (см. § 14.3.3 гл. 6). Чтобы получить более точное измерение, можно несколько витков вспомогательной обмотки намотать вокруг части поперечного сечения ярма (рис. 294,а).
Радиальный поток, помимо местного увеличения индукции в стали, изменяет индуктивность катушки. Когда катушка включена на отпайку, при которой током обтекаются секции, как раз охватывающие часть сердечника с зазорами, то радиальный поток отсутствует. Это обычно соответствует максимальному току катушки. Представляет интерес оценить изменение потока вдоль сердечника для случая, когда в цепь включены все витки обмотку. Для приближенного расчета используются следующие формулы [Л. 6].
Влияющие параметры:
а) S— эффективное магнитное сопротивление магнитной цепи при отсутствии н. с., создающих радиальный поток. (Оно легко подсчитывается, если известен эффективный поток при работе на отпайке с максимальным током. Поправка на изменение магнитного сопротивления стали может быть определена в соответствии с магнитной индукцией.)
б) Р—эффективная магнитная проводимость для радиального потока. (Для определения Р применима полуэмпирическая зависимость 4,5 πd, где d — диаметр сердечника, см). Если на двухстержневом сердечнике зазоры расположены на противоположных концах стержней, то Р уменьшается приблизительно на одну треть. Радиальный поток пересекает пространство между поверхностью сердечника и внешней поверхностью обмотки, диаметр которой равен D. Далее он попадает на другой стержень или возвращается обратно по пути со сравнительно малым магнитным сопротивлением.
Соотношение
может использоваться для практических оценок.
Для удобства мы введем параметр и, который определяется соотношением
(192) где h1 — высота участка магнитопровода без
зазоров;
h— высота окна.
Эффективный поток, который можно считать сцепленным со всеми витками, больше потока, рассчитанного в предположении его равномерного распределения, на величину
(193)
Поток имеет максимум в части ярма, примыкающей к участку без зазоров. Максимальный поток будет больше потока, рассчитанного для равномерного распределения, на величину
(193а)
Для получения требуемой формы характеристики насыщения в пределах всего диапазона регулирования у отдельных дугогасящих аппаратов, кроме использования радиальных и аксиальных полей рассеяния, можно во вторичную обмотку катушки включить в качестве нагрузки переменное реактивное сопротивление. Высоковольтная обмотка является первичной обмоткой трансформатора с замкнутым магнитопроводом. Потокосцепление высоковольтной обмотки остается неизменным для всех отпаек вторичной нагрузки, и необходимая степень насыщения может быть просто получена путем выбора рабочей точки на кривой намагничивания. Обмотку высокого напряжения желательно делать внешней. Потокосцепление высоковольтной обмотки включает как поток сердечника, так и поток рассеяния. Ясно, что с увеличением первичного и вторичного токов поток сердечника уменьшается. Для компенсации этого было предложено [Л. 7] одновременно уменьшать число первичных витков в цепи.
Для расширения пределов регулирования дугогасящей катушки предложен метод, состоящий в использовании двойного сердечника с общим ярмом (рис. 296). Поток имеет возможность циркулировать по сердечникам обеих катушек. Если изменять соотношение чисел витков двух катушек, то через общее ярмо потечет разность двух потоков. Если, например, применить две катушки на 7—6—5 и 12—10—8 а, то получаются следующие отпайки: 5, 6, 7, 8, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17,18, и 19а. Суммарный диапазон регулирования получается равным 3,8 при диапазонах отдельных катушек не более 1,5.
Рис. 296. Двойная катушка для большого диапазона регулирования тока.
Переключение отпаек обычно производится на отключенной дугогасящей катушке. Может быть применено стандартное переключающее устройство, которое погружено в масло и расположено в основном баке. Включено оно обычно в заземляющий вывод. На рис. 294,б дан пример совмещения в одном баке переключателя отпаек и дугогасящей катушки со слоевой обмоткой для сетей 220 кВ. На рис. 297 показан внешний вид той же катушки; виден шкаф, в котором расположен переключающий механизм. Если необходимо применить дистанционное управление, то ручное переключение дополняется электро- двигательным. Электрическая схема управления снабжается блокировкой, предотвращающей переключения под нагрузкой. Местная и дистанционная сигнализация положения переключателя не отличается от соответствующих устройств обычных трансформаторов.
Почти все дугогасящие аппараты снабжены переключателями отпаек, которые могут работать только при отсутствии нагрузки. Поэтому в условиях эксплуатации настройка катушек производится при отсутствии замыканий на землю.
Рис. 297. Внешний вид катушки рис. 294,б. Виден шкаф моторного и аварийного ручного управления переключателем отпаек. Переключатель расположен в основном баке.
Рис. 298. Переключатель отпаек под нагрузкой.
Однако в системах очень высокого напряжения, где точная настройка имеет особо важное значение, а также в случаях, когда желательно упростить работу обслуживающего персонала, применяют переключение отпаек под нагрузкой. Переключатели под нагрузкой имеют такое же устройство, как у обычных трансформаторов. В европейской практике [Л. 8] распространено переключающее устройство, показанное на рис. 298. Оно состоит из двух селекторных переключателей, расположенных в главном баке, и нагрузочного переключателя, который расположен в отдельном отсеке или дополнительном баке. Во время работы дугогасящей катушки ток протекает только по одному из двух селекторных переключателей. При регулировании второй селекторный переключатель переводится на следующую отпайку, но окончательный переход на эту отпайку осуществляется нагрузочным переключателем, который имеет два активных сопротивления для ограничения тока во время переключения. Переключение происходит при cos φ=1 и может осуществляться с большой скоростью. Заводится пружинный механизм, который потом мгновенно освобождается и обеспечивает плавное безостановочное переключение от одного положения до другого.
Полное время работы переключателя отпаек составляет примерно два полупериода. Необходимое расстояние между отпайками обычно не особенно мало. Сопротивления выбираются по расчетному току, который равен нормальному току катушки I, а мощность, определенная по нагреву, равна IΔΕ, т. е. составляет
часть номинальной мощности катушки. Поэтому кратковременное увеличение потерь мощности невелико.
