Глава XV
СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 51. Виды и типы силовых трансформаторов
Силовыми называют трансформаторы, используемые для преобразования напряжения при передаче и распределении электрической энергии на переменном токе, от электрических станций к потребителям.
На стальном магнитопроводе трансформатора расположены одна первичная и одна или две вторичные обмотки.
Первичной называют обмотку, присоединяемую к источнику питания (генератору или питающей линии).
Вторичной называют обмотку, к которой присоединяют линии распределительных сетей, шины распределительных устройств и другие приемники электроэнергии.
Двухобмоточные силовые трансформаторы имеют одну первичную и одну вторичную обмотки.
Трех обмоточные трансформаторы имеют одну первичную и две вторичные обмотки; последние выполняют на два разных напряжения.
На электрических станциях и подстанциях применяют повышающие и понижающие силовые трансформаторы.
Обмотку большего напряжения трансформатора называют обмоткой высшего напряжения, обмотку меньшего напряжения — обмоткой низшего напряжения. У трехобмоточных понижающих трансформаторов вторичную обмотку большего напряжения называют обмоткой среднего напряжения.
Повышающие трансформаторы обычно устанавливают на повысительных подстанциях. Такой трансформатор может иметь, например, напряжение первичной обмотки 6,3 кВ, а вторичной — 121 «в; в данном случае первичная обмотка будет обмоткой низшего напряжения, а вторичная — высшего напряжения.
Повышение напряжения вторичной обмоткой до 121 кВ при номинальном напряжении 110 кВ вызвано необходимостью компенсировать потери напряжения в линиях при передаче электроэнергии.
Понижающие трансформаторы устанавливают на понизительных подстанциях в районах распределения электроэнергии и у потребителей. Такой трансформатор, установленный в конце рассмотренной выше линии, будет иметь первичную обмотку 110 кВ (высшее напряжение), а вторичную — 6,6 кВ (низшее напряжение). Понижающий трансформатор последующей ступени будет иметь первичную обмотку 6,3 кВ, а вторичную 0,4 кВ.
Понижающий трехобмоточный трансформатор может, например, иметь напряжение первичной обмотки 110 кВ, а вторичных обмоток среднего и низшего напряжений — 38,5 и 6,6 кВ.
Применение мощных трехобмоточных трансформаторов на крупных (районных) понизительных подстанциях вызвано необходимостью передачи электроэнергии к потребителям, удаленным на большие расстояния. К потребителям, расположенным относительно близко, отходят линии 6,6 кВ, а к дальним — 38,5 кВ. В этом случае выгоднее установить один трехобмоточный трансформатор, чем два двухобмоточных.
Силовые трансформаторы в зависимости от числа фаз в единице делятся на однофазные, трехфазные и многофазные. Последние применяют для специальных целей.
Так как передачу электроэнергии обычно осуществляют трехфазным током, то в случае применения однофазных трансформаторов соединяют три однофазных трансформатора в общую трехфазную группу.
Наибольшее распространение имеют трехфазные трансформаторы, стоимость которых по сравнению со стоимостью трехфазной группы однофазных трансформаторов соответствующей мощности меньше, а эксплуатация проще.
Трансформаторные группы применяют только в тех случаях, когда необходимо получить большие мощности. Постройка трехфазных трансформаторов на такие мощности невыгодна из-за их большого веса и габаритов.
Силовые трансформаторы небольшой мощности на высшее напряжение до 10 кВ для внутренней установки изготовляют с естественным воздушным охлаждением. Такие трансформаторы называют сухими. Обмотки сухих трансформаторов открыто сообщаются с окружащим воздухом, естественные потоки которого уносят выделяемое трансформатором тепло в окружающую атмосферу.
Широкое распространение получили масляные трансформаторы. Их обмотки с магнитопроводом помещены в бак с трансформаторным маслом.
Трансформаторы небольшой и средней мощности на высшее напряжение от 6 до 110 кВ выполняют с естественным масляным охлаждением. В них выделяемое обмотками и магнитопроводом тепло передается маслу, что вызывает его естественную циркуляцию в баке: нагретое масло поднимается вверх под крышку и к стенкам бака, отдавая через них тепло в окружающую атмосферу. Охлажденное таким образом масло опускается вниз и снова поступает к обмоткам.
Трансформаторы большой мощности выполняют с естественным масляным и форсированным воздушным охлаждением; последнее заключается в обдувании бака трансформатора вентиляторами.
Некоторые типы мощных трансформаторов выполняют с принудительной циркуляцией масла через пристроенные на баке воздушные охладители, обдуваемые вентиляторами, или через отдельно стоящие водяные охладители, в баке которых циркулирует холодная вода, а в змеевике — нагретое в трансформаторе масло (водомасляное охлаждение).
Тип трансформатора условно обозначают буквами и цифрами на его паспортном щитке. Буквами обозначают чи&ю фаз, систему охлаждения, число обмоток и грозоупорность трансформатора, а цифрами — номинальную мощность и высшее напряжение.
Первая буква указывает число фаз (О — однофазный, Т — трехфазный); вторая (у некоторых трансформаторов и третья буква) — систему охлаждения (С — естественное воздушное охлаждение, т. е. сухой трансформатор, М—естественное масляное, Д — форсированное воздушное, т. е. с дутьем, ДЦ — то же, но с принудительной циркуляцией масла, Ц — с принудительной циркуляцией масла через водяной охладитель).
Следующие буквы указывают на наличие трех обмоток (Т) и на грозоупорность трансформатора (Г); цифра в числителе дроби — мощность (кВА), а в знаменателе — высшее напряжение (кВ).
Распространенными являются следующие типы силовых трансформаторов:
ТС и ТМ (трехфазный сухой и масляный);
ТД и ТДГ (трехфазный с дутьем с обычной или грозоупорной изоляцией);
ТДТГ (трехфазный с дутьем трехобмоточный грозоупорный);
ОДГ и ОДТГ (однофазный с дутьем двухобмоточный или трехобмоточный грозоупорный).
Полное обозначение типа трансформатора выглядит так: ТМ- 3200/10; ОДТГ-40 000/110 и т. д.
Кроме типа трансформатора, на паспортном щитке указывают основные электрические характеристики, а также вес трансформатора и масла.
§ 52. Основные характеристики силовых трансформаторов
Основными электрическими характеристиками силовых трансформаторов являются: номинальные напряжения обмоток высшего (ВН), среднего (СН) и низшего (НН) напряжений (кВ)*, номинальная мощность (кВА); номинальные токи обмоток (а); группа соединения обмоток и напряжение короткого замыкания (%).
Номинальным первичным называют междуфазное напряжение, которое необходимо подвести к первичной обмотке, чтобы на разомкнутых выводах вторичной обмотки получить номинальную величину вторичного напряжения.
Номинальным вторичным называют междуфазное напряжение, получаемое на выводах вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора, если к первичной обмотке подведено номинальное первичное напряжение.
Отношение номинальных напряжений первичной и вторичной обмоток называют коэффициентом трансформации.
Первичные обмотки отечественных трансформаторов изготовляют на все номинальные напряжения от 0,127 до 500 кВ, а вторичные— от 0,133 до 525 кВ\ в том числе обмотки СН — на 38,5 и 121 кВ.
Номинальной мощностью трансформатора называют условную расчетную мощность, которую трансформатор, установленный на открытом воздухе, может непрерывно отдавать в течение всего срока службы при номинальных температурных условиях окружающей среды. Температурные условия выбирают из расчета максимальной температуры окружающего воздуха (35° С) и среднегодовой (5° С).
Трехфазные двухобмоточные силовые трансформаторы изготовляют на номинальную мощность от 20 до 70 000 кВА\ трехфазные трехобмоточные — от 5600 до 40 000 кВА\ однофазные трехобмоточные — от 10 500 до 90 00 кВА в единице.
Если температурные условия окружающей среды отличаются от номинальных, то для обеспечения нормального срока службы трансформатора его номинальная мощность должна быть изменена.
Нагрев трансформатора определяется степенью нагрева его обмоток токами нагрузки и потерями в магнитопроводе, температурными условиями окружающей среды, а следовательно, и условиями теплоотдачи.
Металлические части трансформатора могут длительное время выдерживать высокие температуры нагрева. Изоляция обмоток, от стойкости которой главным образом зависит надежность работы трансформатора, при нагреве постепенно изнашивается, стареет. По мере старения изоляция становится менее прочной, в результате этого трансформатор может выйти из строя.
Для трансформаторов принята такая допустимая температура нагрева изоляции обмоток, при которой срок службы трансформатора продолжается около 20 лет.
Превышение температуры обмоток трансформаторов над температурой охлаждающей среды должно быть не более 70° С. Следовательно, при максимальной температуре окружающего воздуха (35° С) нагрев обмоток трансформатора будет составлять 70 + 35 = -105° С.
Нормировано также превышение температуры верхних слоев масла у крышки трансформатора над температурой окружающего воздуха. При температуре окружающего воздуха 35° С температура масла не должна превышать 95° С. Правилами технической эксплуатации электростанций и сетей рекомендуется в нормальных условиях не допускать нагрева верхних слоев масла трансформаторов выше 85° С. Такой режим работы предупреждает ускоренное старение масла.
При эксплуатации трансформатор в течение суток нагружается неравномерно, причем значительную часть суток его нагрузка меньше номинальной. В то же время изменяется и температура окружающей среды. Поэтому можно, не уменьшая срока службы трансформатора, допускать его работу с некоторой перегрузкой. Допустимые перегрузки трансформаторов определяются соответствующими инструкциями.
Номинальные токи первичной и вторичной обмоток определяют по номинальной мощности трансформатора и номинальным напряжениям соответствующих обмоток:
Схемы и группы соединения обмоток определяют угол сдвига фаз между первичным и вторичным напряжениями трансформатора.
Начала обмоток трех фаз высшего напряжения обозначают буквами А, В, и С, а их концы — X, У, Ζ. Начала обмоток трех фаз низшего напряжения обозначают буквами а, b и с, а их концы — X, У, Ζ.
Каждая из трехфазных обмоток трансформатора может быть соединена в звезду или треугольник, при этом в звезду могут быть соединены как начала, так и концы обмоток. В треугольник соединяют конец первой фазы с началом второй, конец второй с началом третьей и конец четвертой с началом первой. Но соединение в треугольник может быть выполнено и в ином порядке: путем соединения начала первой фазы с концом второй, начала второй с концом третьей и т. д. Та или иная комбинация соединения обмоток высшего и низшего напряжений трехфазного трансформатора создает определенный угол сдвига фаз междуфазных напряжений первичной и вторичной обмоток. В соответствии с этим трансформаторы могут быть разбиты на 12 групп соединений.
Трехфазные двухобмоточные трансформаторы с обмотками, соединенными по схеме «звезда — звезда с выведенной нейтралью» (Υ/Υο), относят к 12-й группе и изготовляют на номинальное напряжение обмоток низшего напряжения 230/133 или 400/230 в (для четырехпроводных сетей).
Во всех остальных случаях эти трансформаторы изготовляют с обмотками, соединенными по схеме «звезда — треугольник» (Υ/Δ) или «звезда с выведенной нейтралью — треугольник» (Υο/Δ) и относят к 11-й группе соединения.
Трехфазные трехобмоточные трансформаторы изготовляют со схемой соединения обмоток «две звезды с выведенными нейтралями— треугольник» (Υο/Υο/Δ), что соответствует группе соединения 12—11.
Обмотки однофазных трансформаторов, включаемых в трехфазные группы, соединяют по схеме «звезда — треугольник» (Υ/Δ) или «две звезды с выведенными нейтралями — треугольник» (Υ0/Υ0/Δ).
Рис. 151. Схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
На рис. 151 приведены стандартные схемы соединения трехфазных трансформаторов. Другие группы соединения обмоток трансформаторов применяют лишь в специальных случаях.
Напряжение короткого замыкания UK, обозначаемое на паспортном щитке трансформатора, определяет то напряжение, которое надо приложить к одной из его обмоток (другая замкнута накоротко), чтобы в обмотках установились номинальные токи. Величина ί/κ выражается в процентах от номинального напряжения и в зависимости от конструкции, мощности и напряжения трансформатора колеблется в пределах от 5,5 до 17. Чем выше номинальная мощность и номинальное напряжение трансформатора, тем больше его UK.
