Общие сведения о трансформаторных подстанциях.
Трансформаторной подстанцией называется электрическая установка, предназначении для приема электрической энергии, ее преобразования (понижения или повышения напряжения) и дальнейшего распределения потребителем. Электроустановка, на которой электроэнергия высокого напряжения питающей линии преобразуется в электроэнергию более низкого напряжения, направляемую потребителям, называется понижающей трансформаторной подстанцией.
Различают районные понижающие трансформаторные подстанции (РТП) и трансформаторные подстанции потребителей (ГД). Каждая подстанция оборудована устройствами и аппаратами для приема электроэнергии, ее преобразования (понижения или повышения напряжения) и распределения электроэнергии потребителям через отходящие линии.
Помимо трансформаторных подстанций различают также распределительные пункты (РП). Они предназначены только для приема и распределения электроэнергии между отдельными линиями или потребителями, без какой-либо трансформации напряжения.
Любая понижающая подстанция состоит из распределительных устройств высокого и низкого напряжений, силового трансформатора (или трансформаторов), устройств управления и вспомогательных сооружений. Основным элементом подстанции является силовой трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии высокого напряжения в энергию низкого напряжения или наоборот. В зависимости от назначения подстанции мощность, напряжение, а также их число могут быть различными. Так, на сельских РТП устанавливают, как правило, двухобмоточные трансформаторы мощностью до 6300 кВА (или трехобмоточные более высокой мощности) на напряжения 110—35/6—10 кВ, причем на крупных подстанциях или при повышенных требованиях надежности электроснабжения таких трансформаторов может быть несколько. На ТП, подключенных к воздушным линиям 6 или 10 кВ и снабжающих электроэнергией непосредственно потребителей, используют двухобмоточные трехфазные трансформаторы мощностью до 400—630 кВА напряжением 10(6)/0,4-0,22 кВ. Однофазные трансформаторы мощностью 4—10 кВА напряжением 10/0,22 кВ устанавливают для потребителей небольшой мощности, имеющих только осветительную нагрузку.
По конструктивному выполнению трансформаторные подстанции делятся на открытые, закрытые и комплектные. На открытых подстанциях стационарного типа все электрооборудование установлено вне помещений, монтируют его на месте установки при сооружении подстанции. На закрытых стационарных подстанциях оборудование установлено в помещениях, его монтируют на месте установки или заранее — на специализированных заводах и в мастерских — и собирают на месте установки.
Комплектные подстанции имеют оборудование, размещенное в металлических шкафах. Они изготовляются и монтируются полностью на заводах и могут быть выполнены как для открытой, таки для закрытой установки.
На сельских районных подстанциях для приема электроэнергии применяют исключительно открытые сооружения (открытые распределительные устройства 110 и 35 кВ), а вторичная часть, предназначенная для распределения электроэнергии напряжением 10 кВ, выполняется закрытой стационарной или открытой, с использованием комплектных шкафов. В последнее время в сельской электрификации все шире применяются открытые комплектные подстанции как для сооружения РТП, так и для ТП потребителей. До последнего времени ТП потребителей выполнялись, как правило, открытыми, мачтовой конструкции, с установкой трансформаторов на сложных деревянных или железобетонных опорах.
Основные характеристики трансформаторов сельских подстанций.
Силовые трансформаторы сельских трансформаторных подстанций служат для повышения и понижения напряжения при передаче и распределении электрической энергии потребителям. Как уже отмечалось, их выполняют трехфазными и однофазными, двух- и трехобмоточными.
Основные параметры силовых двухобмоточных трансформаторов следующие: номинальная мощность; номинальные напряжения и токи первичной и вторичной обмоток; напряжение короткого замыкания. Эти параметры указаны на паспорте-табличке каждого трансформатора.
Номинальной мощностью Sном называется условная (расчетная) мощность в кВА, указанная на табличке; это такая наибольшая мощность, которую может передавать трансформатор при непрерывной работе в течение всего срока службы и нормальном температурном режиме. Под этим режимом понимают такой, при котором средняя годовая температура окружающего воздуха в месте установки трансформатора равна +5° С, а наибольшая температура не превышает +35оС. Если трансформатор эксплуатируется в этих условиях, то превышение температуры его обмоток над температурой окружающего воздуха не должно быть выше 70° С. Следовательно, наибольший нагрев обмоток трансформатора при его максимальной нагрузке не должен превышать полной температуры: 70 + 35 — 105° С.
Номинальное вторичное напряжение (Uном) есть междуфазовое напряжение на вторичной обмотке трансформатора при холостом ходе, когда трансформатор не нагружен и к его первичной обмотке подведено номинальное первичное напряжение
Следует отметить, что номинальное вторичное напряжение трансформатора обычно устанавливается на 5% выше номинального напряжения питаемой (вторичной) сети и равно, например, 6,3 или 10,5 кВ. Это принято для того, чтобы при загрузке трансформатора на его вторичной обмотке было напряжение, близкое или равное номинальному напряжению питаемой сети, так как при полной загрузке трансформатора потери напряжения в нем составляют около 5%. По номинальным напряжениям обмоток легко определить еще один важный параметр — коэффициент трансформации трансформатора (Кт), равный отношению номинального первичного напряжения ко вторичному
Приближенное значение коэффициента трансформации определяется отношением числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки w2, т. е. kT ≈
Номинальными токами первичной и вторичной обмоток (Iном2) называют токи, определяемые при номинальной мощности и поминальных напряжениях обмоток трансформатора.
Рис. 23. Однофазный трансформатор мощностью 4—10 кВА типа ОМ:
1— кожух, 2 — болт, 3 — выводи, 4 —’рым-болты, 5 — фарфоровые вводы
Следующим важным параметром трансформаторов является напряжение короткого замыкания. Оно определяет размер потери напряжения в трансформаторе з зависимости от его нагрузки, возможность включения двух трансформаторов на параллельную работу и ряд других показателей. Напряжение короткого замыкания трансформатора (оно обозначается через ик или ек) выражают в % от номинального напряжения. Это такое напряжение, которое нужно подвести к первичной обмотке при замкнутой · накоротко вторичной обмотке, чтобы в ней установился ток, равный номинальному. Естественно, что это напряжение должно быть во много раз меньше номинального напряжения, например, первичной обмотки, во избежание повреждения трансформатора при его включении на это напряжение с закороченной вторичной обмоткой. Поэтому у силовых трансформаторов напряжение короткого замыкания составляет 4,5—7,5% (для трансформаторов малой и средней мощности).
Рассмотрим конструктивные особенности трансформаторов, устанавливаемых на сельскохозяйственных подстанциях.
Для сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности используют однофазные масляные двухобмоточные трансформаторы серии ОМ. Эти трансформаторы применяют для понижения высокого напряжения (обычно 10 кВ) и питания электроэнергией однофазных приемников напряжением 0,23 кВ. Их изготовляют на мощности 4 и 10 кВА. Общий вид однофазного силового трансформатора наружной установки с естественным масляным охлаждением серии ОМ показан на рис. 23. Магнитопровод с обмотками трансформатора помещен в кожухе 1, наполненном трансформаторным маслом. Высокое напряжение подводится к фарфоровым вводам 5, а напряжение 0,23 кВ снимается с выводов 3, размещенных на боковой стенке кожуха. Для подъема трансформатора при монтаже предусмотрены рым-болты 4. Провод заземления присоединяется к болту 2. Габаритные размеры трансформаторов 4 и 10 кВА составляют 590 X 690 X 720 мм, а их масса соответственно 150 и 165 кг.
Для потребителей, имеющих как однофазную осветительную, так и трехфазную электродвигательную нагрузки, используют трехфазные двухобмоточные трансформаторы серии ТМ с естественным масляным
охлаждением. Эти трансформаторы предназначены как для внутренней, так и наружной установки и работы при высоте над уровнем моря не более 1000 м, при максимальной температуре окружающего воздуха не выше 4-40° С и минимальной температуре не ниже—45° С. Мощность трехфазных трансформаторов единой серии ТМ при вторичном напряжении 0,4 кВ составляет 25, 40,63, 100, 160,250, 400 и 630 кВА. 11ервичное напряжение для трансформаторов мощностью 40 кВА составляет 10 кВ, 63 кВА— 10 и 20 кВ, а для трансформаторов 100—630 кВА — 10 и 35 кВ.
Конструктивно трансформаторы мощностью 25 кВА выполняют с гладким баком, 40 и 63 кВА — с ребристым баком, а трансформаторы мощностью 100 кВА и выше — со съемными радиаторами. Эти трансформаторы снабжают термосифонными фильтрами, обеспечивающими непрерывную очистку трансформаторного масла и силикагелевыми воздухоосушителями. Внешний вид трансформаторов серии ТМ мощностью 63 и 160 кВА показан на рис. 24. В баке овальной формы, наполненном маслом, размещен магнитопровод с обмотками. На крышке бака установлены три ввода высокого напряжения 1 и по четыре вывода обмоток низкого напряжения 2 (три фазы и одна нейтраль). Трансформаторы снабжены расширителями 5, уровень масла в которых изменяется при нагревании или охлаждении обмоток, а также при колебаниях температуры окружающего воздуха. Указатель температуры масла I на расширителе имеет три отметки: —45, +15 и +40° С. На боковых стенках бака для лучшего охлаждения масла предусмотрены ребра 5 (рис. 24, а) или съемные радиаторы (рис. 24, б). Трансформатор мощностью 160 кВА снабжен термосифонным фильтром 7 и ртутным термометром 6, по которому контролируется температура верхних слоев трансформаторного масла. В нижней части бака имеется болт заземления и пробка 8 отверстия для слива и взятия пробы масла. Кроме этого, трансформаторы мощностью 160 кВА и выше имеют катки для перемещения при монтаже.
Обмотки высшего напряжения трансформаторов серии ТМ имеют ответвления для регулирования напряжения при отключенном трансформаторе — ПБВ (переключение без возбуждения) в пределах ±2 X 2,5%. Полный диапазон регулирования составляет таким образом ±5%. Основные технические характеристики трехфазных двухобмоточных трансформаторов мощностью до 630 кВА приведены в приложении 2.
Силовые трехфазные двухобмоточные трансформаторы, устанавливаемые на районных сельскохозяйственных подстанциях, обычно выполняют на напряжение 35/10 кВ. Эти трансформаторы предназначены для наружной установки и их монтируют на открытой части электрической станции или подстанции. Основные технические данные таких трансформаторов типа ТМ (трансформатор с естественным масляным охлаждением) и ТМН (тоже, но с регулированием напряжения под нагрузкой — РПН) приведены в приложении 3.
Схемы соединения обмоток и понятие о параллельной работе трансформаторов.
Обмотки трехфазных двухобмоточных трансформаторов или группы из трех однофазных трансформаторов соединяются по одной из следующих схем: звезда — звезда с выведенной нулевой точкой (условное обозначение Y/Y0-12); звезда — треугольник (Y/Δ-11) и звезда с выведенной нулевой точкой — треугольник (Y0/А-11). В принятых обозначениях первый знак, например, Υ относится к схеме обмотки ВН, второй — к схеме обмотки НН, а число указывает на группу соединения обмоток, определяемую угловым смещением векторов междуфазных э. д. с. обмотки НН по отношению к обмотке ВН.
Схемы Υ/Υ0 используют в основном для трансформаторов потребителей напряжением 6—10/0,4 кВ. Нулевая точка дает возможность получить напряжение 380/220 или 220/127 В, что удобно для одновременного подключения как трехфазных, так и однофазных приемников электроэнергии (электродвигателей и ламп накаливания).
Схемы У/Δ применяют для высоковольтных трансформаторов, соединяя обмотку 35 кВ в звезду, а 6 или 10 кВ в треугольник. Схема Y0 используется в высоковольтных системах, работающих с заземленной нейтралью.
Рис. 25. Схемы и группы соединений обмоток трехфазных силовых трансформаторов
Основные схемы и группы соединений обмоток трехфазных двухобмоточных трансформаторов (по ГОСТ) показаны на рис. 25. Начала обмоток ВН у всех трансформаторов обозначаются заглавными буквами АВС, концы — буквами X, Y, Ζ, а обмоток НН — теми же, но прописными буквами.
Графики нагрузок сельскохозяйственных подстанций не остаются постоянными в течение сезонов года. При установке на подстанции двух или более трансформаторов при малых нагрузках выгоднее использовать один трансформатор, а при увеличении нагрузки — подключать и другие трансформаторы на параллельную работу.
Под параллельной понимают такую работу двух или более трансформаторов, при которой одноименные выводы как первичных, так и вторичных обмоток трансформаторов соединены между собой. Попутно отметим, что соединение только первичных, или только вторичных обмоток между собой не следует смешивать с параллельной работой трансформаторов. Такое соединение определяется, как совместная работа двух трансформаторов. Схемы параллельной и совместной работой трансформаторов Т1 и Т2 показаны на рис. 2а параллельную работу можно включать не всякие трансформаторы.
Для нормальной работы трансформаторов в этом режиме необходимости дать следующие условия:
- номинальные напряжения первичных и вторичных обмоток должны быть равны (разница в коэффициентах трансформации трансформаторов не должна превышать ±0,5%);
- группы соединений обмоток должны быть одинаковы;
- напряжения короткого замыкания должны быть равны (допускается отклонение этой величины в пределах ±10% от ее среднего значения);
- отношение номинальных мощностей трансформаторов не должно превышать 3:1.
Если не соблюдены два первых условия, то в обмотках трансформаторов появляются уравнительные токи, вызывающие излишние потери и ограничивающие возможность полезной загрузки трансформаторов. Большая разница в группах соединения может привести к появлению очень больших уравнительных токов, крайне опасных для обмоток трансформаторов. Последние условия продиктованы необходимостью белее равномерного распределения нагрузки, пропорциональной по номинальным мощностям.
Перед включением трансформаторов на параллельную работу выполняют фазировку их обмоток.
