Параллельная работа автотрансформаторов

Основным электрооборудованием высокого напряжения крупных электрических станций и линий электропередачи наряду с мощными трансформаторами являются автотрансформаторы.
В последние годы силовые автотрансформаторы широко применяются для электрического соединения высоковольтных линий электропередач различных напряжений.
ГОСТы дают следующее определение: автотрансформатор — это трансформатор, в котором две обмотки имеют общую часть. В автотрансформаторе путем электромагнитной индукции преобразовывается лишь часть мощности, подводимой к одной из его сторон, например к стороне высшего напряжения, а остальная часть передается непосредственно другой стороне, например низшего или среднего напряжения, благодаря гальванической связи между соответствующими обмотками.
Трехобмоточный автотрансформатор — это автотрансформатор, имеющий кроме двух обмоток (обычно высшего и среднего напряжения), соединенных по схеме автотрансформатора, третью обмотку (обычно низшего напряжения), изолированную от первых двух.
Автотрансформаторы экономически выгоднее обычных двух- или трехобмоточных трансформаторов. 
Развитие электрических сетей высокого напряжения часто требует соединения между собой высоковольтных линий электропередачи различных напряжений.
Известно , что для такого электрического соединения высоковольтных сетей «соседних» напряжений, как, например, 110 и 154, 154 и 220, 220 и 330, 330 и 500, 500 и 750 кВ, экономически оправдано применять автотрансформаторы.
В зарубежных странах ЛЭП 66 и 132, 132 и 220, 132 и 275, 220 и 275, 225 и 380, 275 и 380 кВ также связаны между собой главным образом автотрансформаторами.
Рассмотрим случаи, когда выгодно применение автотрансформаторов. На рис. 1 дана принципиальная схема понижающего автотрансформатора (U1>U2) при нагрузке внешней вторичной цепи током /2 на сопротивление нагрузки z„. Первичной обмоткой автотрансформатора является обмотка АХ с напряжением U\, ТОКОМ /j и числом ВИТКОВ W1. Вторичной обмоткой в пашем случае является часть обмотки аХ с напряжением U2, током /2 и числом витков w2. В автотрансформаторах часть обмотки Аа называется последовательной, а часть аХ — общей. Общая часть обмотки высшего напряжения автотрансформатора совпадает с понятием «обмотка среднего напряжениям для трехобмоточного автотрансформатора или «обмотка низшего напряжения» для двухобмоточного автотрансформатора.

Рис. 1. Принципиальная схема понижающего однофазного автотрансформатора при нагрузке.
В автотрансформаторе под обмоткой высшего напряжения понимается вся совокупность витков, в которых индуктируется напряжение, равное высшему напряжению. Мощность автотрансформатора различается как проходная мощность (номинальная мощность или транзитная) и типовая мощность (расчетная мощность). Типовая мощность определяет физические размеры авто-
трансформатора, а проходная мощность — это та, которую можно передавать через автотрансформатор.
Номинальная мощность (проходная мощность) автотрансформатора по определению ГОСТ 11677-65 есть мощность каждой из его сторон, имеющих между собой автотрансформаторную связь. В трехобмоточном автотрансформаторе третья обмотка, изолированная от обмоток с автотрансформаторной связью, имеет обычно номинальную мощность, не превышающую типовую мощность автотрансформатора. Типовая или расчетная мощность автотрансформатора 1 (Р') принимается равной мощности последовательной обмотки — участка обмотки Ла, т. е.
(1)
Проходная, транзитная или номинальная мощность автотрансформатора (Р) принимается равной
(2)
Обычно типовая (расчетная) мощность автотрансформаторов значительно меньше проходной (транзитной, номинальной) и составляет только часть ее. Для нормальных двухобмоточных трансформаторов эти мощности, т. е. типовая и 'проходная, равны между собой, а потому ранее не было необходимости вводить эти понятия.

Отношение типовой мощности автотрансформатора к проходной называется коэффициентом выгодности, или коэффициентом экономичности (а), и равно:
(3)
1 ГОСТ 11677-65 типовую мощность автотрансформатора определяет как мощность, передаваемую электромагнитным путем через обмотки, связанные гальванически, и равную для понижающего автотрансформатора

т. е. типовая мощность автотрансформатора равна номинальной мощности автотрансформатора, умноженной на отношение напряжений последовательной части обмотки к сумме напряжений последовательной и общей части обмотки автотрансформатора.
Из рассмотренного следует, что автотрансформатор трансформирует не всю проходную мощность (P=U\I 1), а только ее часть (.а), т. е. типовую или расчетную мощность Р\ Остальная часть мощности Р—Pf передается во вторичную цепь непосредственно из первичной сети. Величина этой мощности с учетом (6) равна:
или
(8)
В случае, когда коэффициент трансформации k близок к единице I), почти вся мощность передается непосредственно из первичной во вторичную сеть и только незначительная ее часть а трансформируется, как в обычном двухобмоточном трансформаторе. Следовательно, типовая, или расчетная, мощность автотрансформатора, определяющая веса активных материалов — электротехнической стали и меди, размеры магнитопровода, обмоток, выемной части, бака и др., будет тем меньше, чем меньше отличаются друг от друга напряжения сетей, соединенных автотрансформатором. Отличительной особенностью автотрансформатора от трансформаторов тон же мощности является значительное снижение веса активных материалов, что в свою очередь приводит к уменьшению потерь холостого хода и короткого замыкания, а следовательно, к повышению эксплуатационного к. п. д. Применение автотрансформаторов дает возможность значительно увеличить предельную мощность трансформаторов, которая ограничивается габаритами и весами, связанными с их транспортировкой как железнодорожным и водным транспортом, так и по шоссейным дорогам. Это позволяет, как было указано ранее, изготовлять сверхмощные автотрансформаторы высокого напряжения мощностью в трехфазной группе до 1 250 МВА.

Рис 2. Кривая зависимости коэффициента 'выгодности а от коэффициента трансформации k при k
На рис. 2 дана кривая зависимости коэффициента выгодности а от коэффициента трансформации k при k^A. Из рассмотрения кривой следует, что величина коэффициента выгодности а изменяется в пределах от 0 (&=1) до 1 (k-=oo). Самые выгодные значения а (наименьшие) бывают, когда коэффициент трансформации близок к единице. Вполне очевидно, что применение автотрансформаторов экономически оправдано тогда, когда требуется связать сети, соотношение напряжений которых приближается к единице. Как правило, экономически выгодное значение коэффициента трансформации автотрансформаторов колеблется в пределах значений К до 4—5. Кроме того, применение силовых автотрансформаторов особо выгодно в установках большой мощности.
Автотрансформаторы неэкономичны, так как небольшие выгоды от уменьшения размеров магнитопровода и веса меди поглощаются затратами на усиленную изоляцию низковольтной части обмотки (в автотрансформаторах класс изоляции низковольтной обмотки значительно выше, чем в трансформаторах).
Правильное применение автотрансформаторов дает большую экономию за счет уменьшения их весов и габаритов, сокращения расхода активных материалов (электротехнической стали, обмоточной меди), уменьшения потерь холостого хода и короткого замыкания, а также повышения к. п. д. Кроме того, сокращаются эксплуатационные расходы. Данные сравнения основных технических показателей понижающего однофазного трансформатора производства МТЗ мощное 1ью 40/40/26,7 МВА, выполненного из горячекатаной электротехнической стали, и однофазного автотрансформатора того же завода, мощностью 40/40/20 МВА, выполненного из холоднокатаной электротехнической стали на напряжение 220/110 кВ, приведены в табл. 1.
Таблица 1

Из рассмотрения табл. 1 следует, что применение автотрансформатора уменьшает по отношению к трансформатору той же мощности вес магнитопровода более чем в 2 раза, вес меди на 22,5%, общий вес в 1,7 раза, а к. п. д. повышает более чем на 0,3%. Суммарные потери одной фазы уменьшаются при поминальной нагрузке на 128,0 /сет, т. е. в 1,5 раза. При годовом числе часов использования, равном 8 760, и средней стоимости 1 кВт * ч отпущенной электроэнергии (промышленной и бытовой) 1,3 ко п. годовая экономия трехфазной группы
только сбереженной энергии от уменьшения потерь холостою хода 130—64 =66 кВт, составит:

Экономия электроэнергии от уменьшения нагрузочных потерь трехфазной группы 3(238—176) =3,62 = = 186 кв1 при коэффициенте нагрузки, равном 0,7, и стоимости 1 кВт - ч отпущенной электроэнергии 1,3 коп. в течение года составит:

Общая сумма экономииза один год определится:
или на сбереженные деньги можно меньше чем за 3 года полностью окупить стоимость всей трехфазной группы, т. е. трех автотрансформаторов типа АОДТГ-40000/220 (стоимость одной фазы АОДТГ- 40000/220 производства МТЗ составляет около 32 тыс. руб.).
Годовая экономия стоимости потерянной электроэнергии для трехфазной группы однофазных понижающих автотрансформаторов 3X60 МВА, 220/110/10 кВ при 6 000 ч годового использования и стоимости 1 кВт - ч 1 коп. составляет 60 000 руб.
Если сравнить между собой основные данные автотрансформаторов и трансформаторов одинаковой номинальной мощности производства иностранных фирм, то получим примерно такие же соотношения в потерях, весах и к. п. д., как и для трансформаторов и автотрансформаторов отечественного производства.
Так, сравнения трехфазных автотрансформаторов с трехфазными трансформаторами и группой из трех однофазных трансформаторов бельгийской фирмы АСЕС  номинальной мощностью 135 МВА с напряжениями 225/157/10,5 кВ дают следующие величины, т. е.

общий вес трехфазного автотрансформатора в 1,8 раза меньше веса трехфазного трансформатора, а суммарные потери — в 1,85 раза. По отношению к весу трехфазной группы однофазных трансформаторов общий вес автотрансформатора меньше в 2,1 раза, а суммарные потери — в 1,9 раза.
В литературе отмечается, что установка на обоих концах магистральной ЛЭП автотрансформаторов высокого напряжения с коэффициентом трансформации k= 1,2- 1,5, имеющих потери не более 0,2—0,3% передаваемой мощности, дает возможность при небольших затратах и дополнительных потерях около 0,4—0,5% повышать напряжение ЛЭП до предела допускаемого ее изоляцией. Повышение напряжения ЛЗП приводит к значительному снижению потерь в нагруженных линиях, которые в несколько раз перекрывают потери автотрансформаторов. Кроме того, повышение напряжения резко увеличивает пропускную способность существующих ЛЭП, позволяя отказаться во многих случаях от сооружения новых линий, связанных с крупными капитальными затратами.
Из изложенного следует, что применение автотрансформаторов для электрического соединения ЛЭП высокого напряжения 110, 154, 220, 330, 400 и 500 кВ между собой является оправданным и экономически выгодным. Коэффициент выгодности для этих случаев колеблется от 0,780 (500 и 110 кВ) до 0,265 (150 и 110 кВ).
За последние годы отечественными заводами выпущены мощные однофазные и трехфазные автотрансформаторы, которые успешно работают в энергетических системах страны. В качестве  примера можно указать на трехфазную группу 500 МВА трех однофазных автотрансформаторов мощностью по 167 МВА каждый, служащих для электрической связи Куйбышевской линии электропередачи 500 кВ с ЛЭП 220 кВ системы Мосэнерго, а также автотрансформаторные группы по 405 МВА (3 АОДЦТГ-135000/500 с напряжениями 500/242/38,5 /се), установленные на приемных подстанциях линий электропередачи 500 кВ.