Параллельная работа автотрансформаторов - Схемы включения

2. РАЗЛИЧНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ. МОЩНОСТЬ ТРЕТИЧНОЙ ОБМОТКИ. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
На рис. 3 даны четыре схемы включения однофазных автотрансформаторов. Схемы рис. 3,а и б относятся  к понижающим однофазным автотрансформаторам (Ё2<Е1) схемы рис. 3, в и г — к повышающим однофазным автотрансформаторам (Е2>Е1). Схемы рис. 3,а и в имеют прямое включение последовательной и общей обмотки автотрансформатора, т. е. напряжения совпадают по фазе.

Рис. 3. Различные  схемы включения однофазных автотрансформаторов.
а — понижающий автотрансформатор, прямое включение Е2<Еи б — понижающий автотрансформатор, встречное включение Е2<ЕХ\ в — повышающий автотрансформатор, прямое включение Е2>Е\\ г— повышающий автотрансформатор, встречное включение Е2>Е\.
Если у последовательной обмотки автотрансформатора (аЛ и Аа) в схемах рис. 3,6 и г изменить напряжение по фазе на 180°, то будем иметь встречное включение обмоток. Встречное включение обмоток автотрансформаторов применяется в некоторых случаях в схемах регулирования напряжения под нагрузкой.
Обмотки автотрансформаторов высокого напряжения всегда соединяются по схеме звезда с выведенным нулем, так как автотрансформаторы работают в системах с глухозаземленной нейтралью или с заземлением через небольшое реактивное сопротивление. Поэтому силовые автотрансформаторы высокого напряжения могут применяться только в сетях с большими токами замыкания на землю.
Согласно расчетам в некоторых случаях токи однофазных замыканий на землю могут быть на 10 — 20% больше токов трехфазных коротких замыканий.
Следовательно, автотрансформаторы имеют одну схему соединения обмоток высокого напряжения — это звезда с выведенным нулем. Соединение обмоток высокого напряжения автотрансформаторов в треугольник не применяется. Для подавления третьей гармоники в магнитном потоке и в э. д. с. мощные автотрансформаторы имеют дополнительную обмотку низшего напряжения 6, 10 или 35 кВ, которая соединяется в треугольник. Наличие обмотки, соединенной в треугольник, почти полностью устраняет это явление. Эта обмотка может быть использована на подстанциях для различных нужд, в частности для подключения синхронных компенсаторов, статических конденсаторов или реактивных катушек, питания добавочного трансформаторного агрегата, питания собственных нужд подстанции или для электроснабжения близлежащих потребителей.
Кроме того, иногда при испытании автотрансформаторов сверхвысокого напряжения на заводе-изготовителе обмотку, соединенную в треугольник и имеющую относительно невысокое напряжение, используют для возбуждения автотрансформатора.
В Британской энергетической системе все автотрансформаторы 132/275 кВ имеют обмотку, соединенную в треугольник, назначение которой состоит в том, чтобы избежать помех в системах связи и иметь возможность создать удовлетворительную защиту системы.
Мощность дополнительной обмотки низкого напряжения, соединенной в треугольник, для подавления токов третьей гармоники, достаточно иметь всего в размере 2—3% мощности основной обмотки автотрансформатора. Предел мощности этой обмотки определяется условиями динамической устойчивости ее при коротких замыканиях с учетом токов нулевой последовательности. Однако для стабилизации нейтрали и динамической устойчивости в аварийных режимах многие зарубежные фирмы принимают мощность третичной обмотки около одной трети (33%) проходной мощности автотрансформатора.
Некоторые авторы считают, что практически для крупных автотрансформаторов мощностью выше  120 МВА мощность дополнительной обмотки (НН) достаточно принять равной 0,7—0,8 типовой (расчетной) мощности автотрансформатора.
Мощность дополнительной обмотки низкого напряжения мощных автотрансформаторов отечественного производства выбирается различной в зависимости от условий заказа и составляет 50% проходной мощности и менее.
В табл. 2 согласно проекту нового ГОСТ на трансформаторы даны значения номинальной мощности дополнительной обмотки низкого напряжения некоторых отечественных трехфазных трехобмоточных трансформаторов с автотрансформаторным соединением обмоток ВН и СН с переключением под нагрузкой с номинальным напряжением 115 или 158 кВ.
Из табл. 2 следует, что мощность дополнительной обмотки НН составляет для рассматриваемых типов от 20 до 50% номинальной мощности автотрансформатора.
Наличие третичной обмотки автотрансформатора, как указано ранее, используется не только для устранения высших гармонических в магнитном потоке  и компенсации токов нулевой последовательности, по и как дополнительный источник или приемник трехфазного тока. Вследствие этого автотрансформатор, применяемый в электрических сетях высокого напряжения, как правило, является трехобмоточным, а в некоторых случаях— четырех- и даже пятиобмоточным .
Может возникнуть вопрос о том, есть ли в мировой практике случаи, когда мощные автотрансформаторы высокого напряжения работают без третичной обмотки, соединенной в треугольник. На сессии Международной конференции по крупным энергосистемам (CIGRE)   было доложено о двух случаях.
Таблица 2

В Канаде в течение 6 лет работают три трехфазных автотрансформатора мощностью 150 МВА, напряжением 160/245 кВ с глухозаземленной нейтралью, не имеющих третичной обмотки. Автотрансформаторы имеют трехстержневые магнитопроводы. Система, где работают автотрансформаторы, имеет дифференциальную защиту. Эксплуатация этих автотрансформаторов протекает вполне удовлетворительно
Второй случай относится к автотрансформатору мощностью 300 МВА, напряжением 138/240 кВ без третичной обмотки, который в то время изготовлялся на заводе.
В последнее время в зарубежной печати обсуждается вопрос о необязательном наличии у трансформаторов и автотрансформаторов третичной стабилизирующей обмотки (обычно НН), соединенной в треугольник при соединении обмоток ВН и СН по схеме звезда-звезда.
В частности, на одном из заседаний английского Общества инженеров электриков в 1995 г. указывалось, что с точки зрения токов третьей гармоники и токов замыкания на землю третичная обмотка, как правило, не нужна, хотя она возможна и необходима для некоторых мощных трансформаторных единиц. Один из важных моментов ъ пользу третичной обмотки заключается в возможности ее использования для подключения синхронного компенсатора, однако для питания местных потребителей и проведения испытаний на заводе, как указывается в статье, можно было бы найти и другие более целесообразные решения.
Также отмечалось, что во Франции третичная обмотка не предусматривается в трансформаторах мощностью до 180 МВА во избежание трудностей в системах.
Мощные автотрансформаторы изготовляются как в трехфазном, так и в однофазном исполнении.
С целью обеспечения высокого качества передаваемой электроэнергии при наиболее выгодных в экономическом отношении режимах работы всей ЛЭП, поддержания нужных уровней напряжения в различных точках сети, регулирования перетоков реактивной мощности к мощным высоковольтным автотрансформаторам предъявляется одно из основных требований — это возможность регулирования напряжения под нагрузкой в достаточно широких интервалах.
Регулирование напряжения целесообразно иметь в той обмотке, напряжение которой в процессе работы автотрансформатора изменяется в больших пределах. Обычно это относится к обмоткам ВН или СН.
Регулирование напряжения в автотрансформаторах представляет особые трудности, значительно большие, чем в обычных трансформаторах с раздельными обмотками. Принципиальная схема соединения обмоток (без регулирования напряжения) высоковольтного автотрансформатора класса напряжения 220, 330 кВ и выше, где последовательная часть обмотки ВН выполнена с вводом посередине, а обмотка СН — с вводом на конце, дана на рис. 4.
Регулирование напряжения высоковольтных автотрансформаторов может быть осуществлено на стороне ВН, на стороне СН и в нейтрали обмоток ВН и СН. Разберем вначале регулирование напряжения в нейтрали (рис. 5). Когда переключатель витков установлен на минимальную ступень (рис. 5,а), при питании автотрансформатора со стороны обмотки ВН индукция будет максимальной (BМакс), а напряжение обмотки СН — минимальным (С/мин). Минимальная индукция (Вмин) и максимальное значение напряжения обмотки СН (UМакс) будут при соединении автотрансформатора, когда переключатель витков установлен по схеме рис. 5,6. На рис. 5,в, г и д даны принципиальные схемы регулирования напряжения в нейтрали автотрансформатора. На рис. 5,в дана схема без реверсирования регулировочной части обмотки, на рис. 5,г — с реверсированием, а на рис. 5,(3 — с вольтодобавочным трансформатором.
На рис. 5,а, б, в и г обмотка НН не показана.

Рис 4. Принципиальная схема соединения обмоток автотрансформатора высокого напряжения с вводом обмоток ВН посередине, а обмотки СН — на конце.
Схема регулирования в общей нейтрали обмоток ВН и СН применяется для отечественных автотрансформаторов высокого напряжения 220—500 кВ как во встроенном исполнении, так и при помощи отдельных вольтодобавочных трансформаторов по схемам рис. 5,г и д.
Регулирование напряжения -в общей нейтрали применяется и зарубежными электротехническими фирмами.
Схема регулирования напряжения в нейтрали имеет большие достоинства, позволяя использовать регулировочную аппаратуру низкого класса напряжения независимо от номинального напряжения обмоток ВН и СН.

Рис. 5 Регулирование напряжения автотрансформатора в нейтрали
а — положение переключателя витков обмотки ВН, когда макс, б — положение переключателя витков обмотки ВН; в — регулирование напряжения в нейтрали без реверсирования, г — регулирование напряжения в нейтрали с реверсированием, д — регулирование напряжения в нейтрали с вольтодобавочным трансформатором.
Эти преимущества проявляются наиболее полно, когда обмотки имеют градуированную главную изоляцию. Недостаток таких схем состоит в том, что подобное регулирование можно применять ограниченно, так как оно связано со значительными колебаниями магнитной индукции, особенно при коэффициентах трансформации меньше двух. Расчетом определяется, что для компенсации колебаний первичного напряжения 10% при регулировании напряжения в нейтрали автотрансформатора 400/2-20 кВ индукция должна меняться в пределах 21%. Это влечет за собой ограничение диапазона ответвлений или значительное увеличение размеров магнитопровода. Кроме того, изменение индукции, при расположении регулировочных ступеней в нейтрали, вызывает колебания напряжения в третичной обмотке, что крайне нежелательно для тех случаев, когда к обмотке низкого напряжения подключены синхронные компенсаторы или она используется для питания вольтодобавочного трансформатора или какой-либо другой нагрузки.

Рис. 8. Принципиальные схемы регулирования напряжения на стороне ВН и СН автотрансформатора.
Схемы а, б, в и г относятся к регулированию напряжения на стороне ВН, d, е, ж и з —к регулированию напряжения на стороне СН, а, б и д — без реверсирования; в и е — с реверсированием, г, ж и з — с вотьтодобавочным трансформатором. На схемах а, б, в, д we обмотка НН не показана.
Для избежания колебания магнитной индукции, применяют другие схемы регулирования напряжения.
На рис. 6 приведены некоторые схемы регулирования напряжения автотрансформаторов на стороне ВН и СН; схемы на рис. 6,а, б, в, г, относятся к регулированию напряжения на стороне ВН автотрансформатора, а схемы рис. 6,(3, е, ж и з — к регулированию напряжения на стороне СН, рис. 6,а, б, в, д и е — «прямые», или «непосредственные», г, ж и з — «косвенные». «Прямое»— это регулирование непосредственно в обмотках автотрансформатора, а «косвенное» — регулирование, как правило с дополнительной магнитной системой.
К прямому, или непосредственному, регулированию напряжения относятся схемы, при которых имеется только одна магнитная система и регулировочная обмотка непосредственно связана с магнитным потоком главного автотрансформатора.
При косвенном регулировании напряжения имеется более одной магнитной системы и регулировочная обмотка может быть, а может и не быть связана с магнитным потоком главного автотрансформатора.
Схемы рис. 6,а, б и д— без реверсирования, т. е. без изменения направления э. д. с. в регулировочной части обмотки, а схемы рис. 6,в, г, е, ж и з — с реверсированием.
Регулирование напряжения на стороне ВН по схемам рис. 6,а и б равноценно, однако вторая схема имеет то достоинство, что требует регулировочную аппаратуру более низкого класса напряжения.
Схема рис. 6,в по сравнению с двумя предыдущими дает вдвое больший диапазон регулирования при том же напряжении в регулировочной части обмотки.
Схема рис. 6,г обеспечивает регулирование напряжения на стороне обмотки ВН регулировочной аппаратурой класса (напряжения, соответствующего классу обмотки НН главного автотрансформатора.
Сравнивая между собой различные схемы регулирования на стороне СН, следует отметить, что схема рис. 6,в, подобная схема д, обеспечивает по сравнению с последней более широкий диапазон регулирования напряжения.
Рассмотрим схему рис. 6,з. Достоинство регулирования на стороне СН (схема рис. 6,з) состоит в том, что дает возможность осуществления «косого» (продольно-поперечного) регулирования напряжения, т. е. регулирования напряжения по величине («продольного») и по углу—фазе («поперечного»). Косое регулирование напряжения может быть выполнено при условии применения вольтодобавочного трансформатора, помещенного в отдельном баке, а также если вольтодобавочный трансформатор находится в общем баке автотрансформатора. Регулировочная аппаратура в этом случае должна быть класса напряжения обмотки СН. Схема рис. 6,з широко применяется целым рядом европейских фирм (Сименс, ЛЕГ, Броун-Бовери и др.) для регулирования напряжения на стороне СН мощных автотрансформаторов.

Рис. 7. Некоторые схемы «прямого» и «косвенного» регулирования напряжения автотрансформаторов. а, б, в, г и д — «прямое» регулирование на линейном конце; е — «косвенное» регулирование при помощи вольтодобавочного трансформатора (переключатель на линейном конце автотрансформатора); ж—-схема косвенного регулирования напряжения вольтодобавочным автотрансформатором, включением в нейтраль автотрансформатора.

Некоторые из схем прямого и косвенного регулирования напряжения на линейном конце автотрансформаторов, служащих для связи сетей высокого напряжения 220 и 150 кВ, 330 и 220 /се, даны па рис. 7. На рис. 7,6 и е даны схемы прямого регулирования на линейном конце. Схема рис. 7,г применяется при больших диапазонах регулирования. На рис. 7,д дана схема прямого регулирования для связи сетей, имеющих одинаковые уровни изоляции.
Косвенное регулирование при помощи вольтодобавочного трансформатора (рис. 7,е) имеет по сравнению с  прямым регулированием более простые по конструкции обмотки и изоляционную конструкцию основного трансформатора. Главный и регулировочный трансформаторы могут находиться как в раздельных баках, так и в общем баке. Привод вольтодобавочного трансформатора пригоден, как было указано ранее, не только для продольного регулирования напряжения, но также и для поперечного регулирования. Все это делает косвенный метод регулирования наиболее подходящим для автотрансформаторов и трансформаторов предельных мощностей. К недостаткам этого метода следует отнести увеличенный расход активных материалов.
Косвенный метод регулирования напряжения в нейтрали имеет тот недостаток, что приходится иметь отдельную единицу. Преимуществом является то, что при неисправностях в переключающем устройстве последнее можно отключить и автотрансформатор может продолжать работу, но без регулирования напряжения. В трехфазной группе, состоящей из трех однофазных автотрансформаторов, можно ограничиться одним приводным механизмом для регулирования напряжения вместо трех в случае регулирования напряжения в каждой фазе. Па рис. 7,ж дана схема регулирования напряжения вольтодобавочным трансформатором, включенным в нейтраль автотрансформатора.
Преимуществом такой схемы является относительно небольшой уровень изоляции переключающего устройства. Недостатком схем регулирования напряжения в нейтрали, на что было указано ранее, является общее регулирование напряжения обмоток ВН и СН. 
Добавление напряжения к этим обмоткам происходит одновременно. Кроме того, колебание возбуждения автотрансформатора при регулировании путем дополнительной обмотки, включенной в нейтраль, является очень серьезным недостатком, так как вынуждает снижать расчетное возбуждение при нормальном режиме. Колебания возбуждения также вызывают колебания напряжения третичной обмотки, что весьма нежелательно, особенно если эта обмотка несет какую-либо нагрузку.
Кроме рассмотренных методов, существуют и другие методы регулирования напряжения, которые нами рассматриваться не будут, но с которыми можно ознакомиться в указанной выше литературе.
Для предотвращения повреждения изоляции обмоток автотрансформаторов от перенапряжений к линейным вводам ВН и СН наглухо подключают вентильные разрядники соответствующего класса напряжения. Значительно улучшенными характеристиками по сравнению со стандартными обладают магнитно-вилитовые разрядники.