Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Трансформаторы являются основным оборудованием подстанций. В связи с тем, что производство электроэнергии происходит при генераторном напряжении 6...20 кВ, передача ее от электростанций на крупные районные подстанции осуществляется при напряжении 110...750 кВ; предприятия промышленности питаются напряжением 35...220 кВ, а потребители электроэнергии на предприятиях и в быту — напряжением 6 (10) кВ и 380/220 В; на пути электроэнергии от производителя к потребителям происходит три-четыре трансформации напряжения. Поэтому мощность трансформаторов в электрической системе в несколько раз больше, чем генераторов или приемников электроэнергии.
При выборе мощности трансформаторов необходимо руководствоваться шкалой стандартных номинальных мощностей, кВ-А, трансформаторов и автотрансформаторов:

Как следует из приведенной шкалы, отношение (шаг) рядом стоящих номинальных мощностей принято равным 1,6 для трансформаторов и автотрансформаторов мощностью до 63 000 кВ • А и 1,3 для более мощных аппаратов.   Типы выпускаемых отечественной промышленностью трансформаторов и автотрансформаторов указаны в справочниках.

Силовые трансформаторы подразделяют на сухие (рис. 1), устанавливаемые в помещениях с пожаро- и взрывоопасной средой, масляные для наружной и внутренней установки в неопасной с точки зрения пожара и взрыва среде и трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком (совтолом), устанавливаемые в закрытых помещениях повышенной пожароопасности.
Основными частями мастяного трансформатора (рис. 2) являются магнитопровод и жестко закрепленные на нем обмотки. Для защиты от воздействий окружающей среды они помещены в стальной бак 1. Бак герметически закрыт крышкой 6. Сквозь крышку с помощью проходных изоляторов (вводов) 7 — 9 электрические цепи обмоток ВН выведены наружу. Над крышкой расположен расширитель 12, сообщающийся трубопроводом с баком. В разрез этого трубопровода установлено газовое реле 11. Непосредственно из бака наружу через крышку выведена выхлопная труба 10, нормально закрытая мембраной. Труба предназначена для аварийных выбросов газов и масла наружу. На крышке смонтирована рукоятка 4 переключателя напряжения. Переключатель напряжения 16 расположен под крышкой и соединен с рукояткой валом, проходящим сквозь крышку в сальниковом уплотнении. Контакты переключателя можно электрически соединить с теми или иными регулировочными отводами 18 обмоток ВН 77. Крышка сквозными подъемными шпильками соединена с магнитопроводом, установленным на дно бака. Наружная резьбовая часть подъемных шпилек предназначена для навертывания съемных грузовых колец (рымов).
При работе трансформатор нагревается, так как в проводниках обмоток и в стали магнитопровода происходят потери энергии. Для интенсивного удаления избытка теплоты внутренний объем

Рис. 1. Силовой трансформатор ТС:
1 — активная часть; 2 — ввод ВН; 3 — крышка люка; 4 — кожух; 5 — кольцо для подъема трансформатора; 6 — шины НИ; 7— тележка; 8— каток; 9 — планка для подъема активной части
бака заполнен специальным минеральным маслом. При этом часть масла находится в расширителе, что исключает наличие воздушных пузырей под крышкой. Этому способствует небольшой уклон крышки в сторону, противоположную расширителю.
О типе трансформатора и его системе охлаждения можно судить по маркировке трансформатора. Первая буква соответствует числу фаз: Т — трехфазный, О — однофазный. Если за первой буквой идет буква Р, это указывает на расщепление вторичной обмотки; при отсутствии расщепления буква Р опускается. Далее идут одна или две буквы, указывающие способ охлаждения трансформатора: М — естественное масляное, Н — негорючее диэлектрическое, С — воздушное в сухом трансформаторе; Д — с дутьем. После этих букв в марках трехобмоточных трансформаторов ставят букву Т — трехобмоточный; в марках двухобмоточных трансформаторов эта буква опускается. Затем ставят букву Н, если трансформатор имеет устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

Рис. 2. Трансформатор типа ТДТГ-16000/110:
1 — бак; 2 — трубчатый радиатор; 3 — электровентилятор; 4 — рукоятка переключателя напряжения; 5 — ребро жесткости; 6 — крышка; 7 -9 — проходные изоляторы; 10 — выхлопная труба; 11 — газовое реле; 12 — расширитель; 13 — ярмо магнитопровода; 14 — осушитель воздуха; 15 — отвод обмотки ВН; 16 — переключатель напряжения; 17 — обмотка ВН: 18 — регулировочные отводы; 19— термосифонный фильтр; 20 — силовой кран

После букв идут цифры: в числителе указывается мощность (в кВ • А), в знаменателе — номинальное напряжение обмотки высшего напряжения (в кВ). Через дефис двумя цифрами указывают год начала выпуска трансформаторов данной конструкции. Например, марка ТРМН-40000/110-91 означает: трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой, с естественным масляным охлаждением, имеет РПН, мощность трансформатора 40 MB-А, напряжение (высшее) 110 кВ, конструкция 1991 г.

Автотрансформаторы маркируют по тому же принципу, но самой первой в марке ставят букву А.
Исполнения трансформаторов, предназначенных для работы в определенных климатических районах, обозначают буквами У, XJI, Т (для умеренного, холодного, тропического климата).
По категории размещения при эксплуатации различают следующие исполнения трансформаторов: 1 и 2 (для установки на открытом воздухе и в помещениях, где колебания температуры и влажности несущественно отличаются от окружающей среды), 3 и 4 (для установки в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, где колебания температуры и влажности значительно меньше, чем на открытом воздухе, и с искусственно регулируемыми климатическими условиями); 5 (для установки в помещениях с повышенной влажностью).
В качестве примера рассмотрим, как расшифровываются следующие обозначения трансформаторов:
ТМ-100/10-97У1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор с естественным масляным охлаждением; номинальная мощность 100 кВ-А; класс напряжения 10 кВ; конструкция 1997 г.; для районов с умеренным климатом; для установки на открытом воздухе;
ТСЗ-100/10-95УЗ — трехфазный сухой (С) трансформатор защищенного (3) исполнения, номинальная мощность 100 кВ • А, класс напряжения 10 кВ, конструкция 1995 г., для районов с умеренным климатом; для установки в закрытых помещениях с естественной вентиляцией;
ТРДНС-40000/35-84Т1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор с расщепленной обмоткой НИ, с принудительной циркуляцией воздуха в системе охлаждения, с РПН, для собственных (С) нужд электростанций, номинальная мощность 40 MB А; класс напряжения 35 кВ; конструкция 1984 г.; тропическое исполнение, для установки на открытом воздухе;
АТДЦНТ-125000/220/110-98У1 — трехфазный трехобмоточный автотрансформатор с принудительной циркуляцией масла (Ц) и воздуха в системе охлаждения, с РПН; номинальная мощность 125 MB А, с обмотками ВН 220 кВ и среднего напряжения (СН) 110 кВ; конструкция 1998 г.; для районов с умеренным климатом; для установки на открытом воздухе;
ТЦ-250000/500-96ХЛ1 — трехфазный двухобмоточный трансформатор с принудительной циркуляцией масла (Ц) и воды в системе охлаждения; номинальная мощность 250 MB-А; класс напряжения 500 кВ; конструкция 1996 г.; для районов с холодным климатом, для установки на открытом воздухе.
Обмотки трансформаторов обычно соединяют по схемам звезда (Y), звезда с выведенной нейтралью (YH), треугольник (А).

С 1992 г. электротехническая промышленность России изготовляет масляные трансформаторы I и 11 габаритов (мощность до 630 кВА, класс напряжения до 35 кВ) типов ТМГ и ТМВГ новой серии. Отличительной особенностью этих трансформаторов является разъемная герметизированная конструкция бака, позволяющая исключить контакт внутреннего объема трансформатора с окружающей средой. Эти трансформаторы полностью, до крышки, заполнены трансформаторным маслом, и температурные колебания его объема компенсируются за счет изменения объема бака с гофрированными стенками. Трансформаторы заполняют дегазированным маслом под глубоким вакуумом.
В зависимости от типа трансформатора бак изготовляют овальной или треугольной формы. Он состоит из верхней уголковой рамы, гофрированной стенки из тонкой листовой стали и нижней обечайки с приваренным дном. Из конструкции бака исключены маслорасширитель, термосифонный и воздушный фильтры и радиаторы охлаждения. Герметичное исполнение и применение гофрированных стенок бака позволяют существенно снизить массу и габариты трансформатора. Срок службы трансформаторов составляет 25 лет при сокращенном объеме текущего ремонта и без проведения капитальных ремонтов. Однако трансформаторы типов ТМГ и ТМВГ требуют более высокого уровня монтажа и эксплуатации. Стенки бака, выполненные из тонколистовой стали, чувствительны к механическим воздействиям, поэтому монтажный и эксплуатационный персонал должен соблюдать повышенную осторожность при транспортировании, монтаже и текущих ремонтах герметизированных трансформаторов.
С 2000 г. внедряется новая серия трансформаторов напряжением 35 кВ мощностью 1000... 6300 кВ А. Масса трансформаторов новой серии и потери холостого хода снижены в среднем на 20 %.
В энергосистемах, а также на предприятиях в большинстве случаев применяют трехфазные трансформаторы. Группа из трех однофазных трансформаторов стоит дороже и требует приблизительно на 20 % больше меди и стали, чем один трехфазный трансформатор той же мощности. Поэтому однофазные трансформаторы устанавливают лишь в тех случаях, когда по условиям транспортирования нельзя применять трехфазные, а также при отсутствии трехфазных трансформаторов требуемой мощности.
Нагрев трансформаторов ограничивается допустимым превышением температуры обмотки (65 °С), магнитопровода (75 °С) и верхних слоев масла (55 °С) над температурой охлаждающего воздуха (20 °С). В процессе эксплуатации трансформаторов их нагрузка, а следовательно, и нагрев изменяются в значительных пределах. В период недогрузки трансформатор недоиспользуется. Поэтому при сохранении расчетного срока службы 25 лет разрешается перегружать трансформаторы, когда это требуется. На каждые 3 % недогрузки допускается на такое же время перегрузка трансформатора на 1 %; кроме того, на 1 % недогрузки трансформатора летом разрешается 1 % перегрузки в зимнее время. Это нормальная систематическая перегрузка, которая в общей сложности не должна превышать 30 % для масляных и совтоловых и 20 % для сухих трансформаторов.
В аварийных условиях, когда отключился один из двух транс форматоров, разрешается перегрузка оставшегося в работе транс форматора на 40 % выше номинальной мощности продолжительностью до 6 ч ежедневно в течение 5 сут.
Автотрансформаторы имеют две электрически связанные соединенные в звезду обмотки с общей заземленной нейтралью и третью, соединенную в треугольник и имеющую с двумя другими обмотками только электромагнитную связь.
Наличие обмотки, соединенной в треугольник, приводит к компенсации электродвижущей силы (ЭДС) третьей гармоники и других гармоник кратных трем, а также к уменьшению сопротивления нулевой последовательности в сети с заземленной нейтралью. Это важно для повышения чувствительности релейной защиты и плавких предохранителей в сетях.
Область применения силовых автотрансформаторов в системах электроснабжения — связь двух электрических сетей высокого напряжения. Для этого используются две электрически связанные соединенные в звезду обмотки. К третьей обмотке подключаются генераторы, трансформаторы собственных нужд электростанций или синхронные компенсаторы и статические конденсаторы районных подстанций, либо же она не имеет присоединений.