Задачи и необходимость регулирования
Любой современный потребитель электрической энергии (промышленное предприятие, жилой дом) требует получения электроэнергии в достаточном количестве и хорошего качества. Под качеством электрической энергии понимается ее частота, симметрия и величина подводимого к потребителю трехфазного напряжения.
Для экономичной и безаварийной работы любого потребителя необходимо, чтобы отклонения фактической величины подводимого к нему напряжения были минимальными. Во всяком случае, эти отклонения не должны превышать установленной для данного приемника нормы. Такие нормы определяются, например, ГОСТ 13109—67 и «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ) и не должны нарушаться. Так, для электродвигателей напряжение на зажимах не должно отличаться от номинального более чем в пределах от —5 до +10%. При снижении напряжения, например, на 10% уменьшится скорость вращения двигателя и возрастут токи ротора и статора, что приведет к перегреву обмоток двигателя и сокращению срока службы его изоляции.
Весьма чувствительны к отклонениям напряжения осветительные установки, для которых допустимое отклонение напряжения составляет ±5% для жилых помещений и от —2,5 до + 5% для общественных зданий и производственных помещений. При понижении напряжения резко ухудшается освещаемость, а при повышении, например, на 10% срок службы ламп сокращается примерно втрое.
Для некоторых дуговых электропечей снижение напряжения на 8% заставляет прекращать плавку стали, т. е. является аварийным.
Таким образом, колебания напряжения приводят к значительному ущербу и нужно стремиться сделать их минимальными. Однако выполнить это очень непросто, так как причинами колебаний напряжения являются неизбежные изменения (включения и отклонения) нагрузки и переменные режимы работы потребителей электроэнергии. Колебания напряжения являются в принципе неизбежными, поэтому для поддержания уровня напряжения постоянным требуется постоянное его регулирование.
Способы регулирования напряжения
Различают два способа регулирования напряжения: местное и централизованное.
Под местным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на месте потребления, т. е. его стабилизацию на заданном уровне у каждого отдельного потребителя (например, стабилизаторы для телевизоров) или сразу для группы потребителей (например, для одного или нескольких домов). В последнем случае в какой-то точке сети устанавливают трансформатор с устройством для регулирования напряжения. Это устройство включают, когда у всех потребителей, питаемых от этого трансформатора, надо поддержать напряжение на определенном уровне (например, 220 В).
Регулирование напряжения может быть автоматическим, без отключения трансформатора от сети. При этом потребитель даже не чувствует, что в трансформаторе происходят какие-то изменения. Такое регулирование напряжения называют регулированием под нагрузкой (РПН). Однако РПН требует применения сложных и дорогих переключающих устройств. Поэтому для трансформаторов небольшой мощности часто применяют регулирование напряжения без возбуждения, т. е. после отключения всех их обмоток от сети. Этот способ регулирования сокращенно называют ПБВ (переключение без возбуждения). После переключения трансформатор вновь включается в работу. При этом способе потребителя на какое-то время вообще отключают от сети. Особенно неудобно это там, где нагрузка меняется часто. Зато устройства ПБВ просты по конструкции и относительно дешевы.
Под централизованным регулированием понимают регулирование напряжения непосредственно на шинах генераторов электростанций при помощи изменения их возбуждения. Централизованное регулирование осуществляют обычно как «встречное», т. е. таким образом, чтобы оно заранее «встречало» колебания напряжения, вызванные нагрузкой. Так, в период наибольших нагрузок у генераторов поднимают напряжение выше номинального, чтобы компенсировать повышенные потери напряжения в сети и поддержать его у потребителя близким к поминальному. И наоборот, когда нагрузка снижается, уменьшают возбуждение у генераторов и соответственно напряжение в сети.
Регулирование напряжения без возбуждения
Допустим, что к сети с напряжением 6,3 кВ нормально подключены несколько трансформаторов с вторичными напряжениями 220 В. На практике редко случается, чтобы все эти трансформаторы непрерывно работали с полной нагрузкой. В ночные часы, когда не работает большинство заводов и потребляемая ими мощность обычно невелика, в сети 6,3 кВ проходит небольшой ток, не вызывающий заметного падения напряжения.
Когда на заводах включаются в работу станки, резко увеличивается нагрузка на каждый трансформатор. Вторичные токи в трансформаторах возрастают, растет соответственно и первичный ток, потребляемый каждым трансформатором. Складываясь, эти токи образуют в сети 6,3 кВ ток, во много раз больший, чем в ночные часы суток. Действительное напряжение сети равно уже не 6,3 кВ, а какой-то другой, меньшей величине. На столько же уменьшается и вторичное напряжение, питающее приемники энергии.
Однако потребители электроэнергии заинтересованы в получении постоянного напряжения 220 В вне зависимости от колебаний первичного напряжения. Чтобы удовлетворить эти требования, в трансформаторах предусматривают возможность регулирования напряжения.
Наибольшее распространение на практике получило регулирование напряжения при помощи изменения ступенями числа витков одной из обмоток. Подавляющее большинство трансформаторов строят с регулированием числа витков в обмотке ВН. Дело в том, что по обмотке НН протекает большой ток и, следовательно, переключающее устройство должно быть рассчитано на этот ток, т. е. оно неизбежно будет громоздким. В обмотке ВН ток в десятки раз меньше (6300/220=28,6) и, следовательно, переключающее устройство может быть сравнительно небольшим и легким, хотя его и придется изолировать от заземленных частей трансформатора на 6,3 кВ.
При изменении числа витков, например, первичной обмотки меняется величина магнитного потока, вследствие чего увеличивается (или уменьшается) напряжение во вторичной обмотке трансформатора. Так, если напряжение питающей сети (первичное) постоянно, а вторичное упало, то для его восстановления надо увеличить магнитный поток. Это достигается уменьшением числа витков ω1 первичной обмотки.
Действительно, при постоянном U1 эдс Е1 также неизменна. Из выражения Е1 = 4,44f ω1Ф0макс следует, что увеличить магнитный поток при неизменной Е1 можно, только уменьшив число витков первичной обмотки. Если же первичное напряжение упало, то соответственно упадет и величина Ф0. Для сохранения постоянной величины вторичного напряжения надо восстановить прежнее значение магнитного потока. Этого можно достигнуть также уменьшением числа витков первичной обмотки.
Принцип регулирования как раз и заключается в изменении определенными ступенями числа витков в обмотке трансформатоpa, что обеспечивает необходимые величины магнитного потока и напряжения. На практике в обмотке ВН трансформатора делают ряд ответвлений, каждое из которых соответствует заданному числу последовательно включенных витков обмотки (рисунок 1).
а — пять ответвлений в конце; б — шесть ответвлений в середине; в — оборотная схема с тремя ответвлениями в конце; г — магнитно-симметричная схема; д — магнитно-симметричная схема с пятью ответвлениями
Рисунок 1 - Вывод регулировочных ответвлений в обмотке ВН
Стандартные трансформаторы малой и средней мощности (до 630 кВА) имеют на обмотке, как правило, пять ответвлений (рисунок 1, а), из которых среднее (Х3) соответствует нормальному напряжению сети (в нашем примере 6,3 кВ), а другие — напряжениям, отличающимся от него на ±5% (±2x2,5%). Так, если напряжению 6,3 кВ соответствует 1000 витков в обмотке ВН (ответвление Х3), то напряжению 6,615 кВ (ответвление Х1), большему на 5%, соответствует 1050 витков, а напряжению 5,985 кВ (ответвление Х5), меньшему на 5%, — 950 витков. Напряжение регулируется ступенями по 157,5 В. В обмотке ему соответствует 25 последовательно включенных витков.
Отключать витки можно как на конце обмотки, так и в ее середине. Однако при отключении витков с края обмотки возможно такое положение, когда обмотка становится как бы короче. Это случается особенно при работе на ответвлении Х5 (рисунок 1, а). Различие в высотах обмоток, как известно, приводит к увеличению осевых усилий. Поэтому обычно ответвления выполняют в середине обмотки (рисунок 1, б). При небольших мощностях применяют оборотную схему (рисунок 1, в).
Ответвления в конце обмотки ВН встречаются редко - главным образом у трансформаторов малой мощности, где механические усилия незначительны, а выполнение ответвлений в середине обмотки конструктивно затруднено.
Замыкая ответвления А2—А3, А3—А4, А4—А5 и т. д. (рисунок 1,б), включают в работу одновременно все или часть витков обмотки ВН. По схеме, показанной на рисунке, напряжение регулируют в пределах ±5% двумя ступенями по 2,5% в каждой. По схеме, показанной на рисунке 1, в, г, напряжение регулируют также в пределах ±5%, но тремя ступенями (0, +5%, —5%).
Схемы, показанные на рисунке 1, г, д, являются магнитно-симметричными, они резко снижают механические усилия. Витки регулировочных ступеней в таких обмотках отключаются не с одного конца, а симметрично относительно середины обмоток (рисунок 1, г), что благоприятно сказывается на электродинамической прочности трансформатора, или по всей высоте обмотки (рисунок 1, д). Ответвления замыкаются специальным устройством — переключателем, который соединяет их в определенном порядке, включая в работу то или иное число витков.
Напряжение регулируют по схемам, показанным на рисунке 1, только при отключенном от сети трансформаторе. Переключать ответвления при работающем трансформаторе нельзя, так как при размыкании ответвлений между контактами переключателя возникнет электрическая дуга, которая быстро его разрушит. Следовательно, чтобы переключить обмотку трансформатора на другое напряжение, надо отключить его от сети, переключить его ответвления и вновь включить в работу. На это время все приемники остаются без питания. Это экономически невыгодно.
Регулирование напряжения под нагрузкой
Регулирование напряжения трансформаторов способом РПН производится в принципе так же, как и способом ПБВ, но число ответвлений обмотки, т. е. число регулировочных ступеней, обычно бывает больше, а диапазон регулирования — шире. Так, ГОСТ 12022—76 для трансформаторов мощностью 63—630 кВА установил диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10% ступенями по 1,67% (±6X1,67%). ГОСТ 11920—73 разрешил для трансформаторов мощностью 1000—80000 кВА иметь различные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12%. Существуют серии трансформаторов с еще большим диапазоном: ±16, ±22, ±36. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например электропечных, где отношение пределов регулирования напряжения обмотки НН нередко составляет 1 : 2, 1 : 3 и даже 1 : 5.
Рассмотрим наиболее распространенную схему работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором (рисунок 2). Переключающее устройство имеет следующие основные части: избиратель ответвлений, контактор, токоограничивающий реактор, привод устройства. В схеме имеется два отводящих (токосъемных) контакта избирателя П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор Р (Iн - номинальный ток трансформатора).
а — положение «два вместе»; б — разомкнут контакт ФК2; в — положение «мост»; г — разомкнут контакт К1
Рисунок 2 - Схемы работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором
На рисунке 2, а оба отводящих контакта установлены на одном ответвлении обмотки. Такое положение контактов называют «два вместе». Номинальный ток нагрузки делится поровну между двумя половинами переключающего устройства. При необходимости перейти на другое ответвление (ступень) обмотки привод в первую очередь размыкает контакты контактора К2 (рисунок 2, б). Эти контакты разрывают ток, равный половине номинального, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток проходит только через вторую (верхнюю) половину переключающего устройства. Отводящий контакт избирателя (П2) при отсутствии тока (цепь разорвана) переходит на другое ответвление обмотки, после чего контакты К2 вновь замыкаются (рисунок 2, в).
Такое положение переключающего устройства обычно называют положением «мост». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки делится пополам между каждой половиной переключающего устройства. Однако в положении «мост» кроме нагрузочного тока возникает циркулирующий ток, замыкающийся внутри контура, образованного частью обмотки трансформатора и реактором (рисунок 2, в). Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением контура — в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора подбирают так, чтобы величина циркулирующего тока была равна половине номинального. В этом случае ток, проходящий через отводящие контакты П1 и П2, не будет больше номинального и нет опасности их чрезмерного нагрева.
Далее размыкаются контакты К1, разрывающие номинальный ток (рисунок 2, г). После гашения дуги весь ток проходит уже через другую половину переключающего устройства. Отводящий контакт П1 избирателя при отсутствии тока переходит на ответвление, где уже стоит контакт П2, контакт К2 вновь замыкается и переключение заканчивается.
Из рассмотрения работы переключающего устройства РПН можно сделать следующие выводы:
- контакты контактора К1 и К2 замыкают и размыкают ток, т.е. подвергаются воздействию электрической дуги;
- контакты избирателя П1 и П2 замыкаются и размыкаются без разрыва тока, т. е. при отсутствии дуги;
- привод должен обеспечить описанную последовательность работы контактов;
- реактор служит для ограничения циркулирующего тока до необходимой величины (например, до половины номинального тока нагрузки);
- в положениях контактов избирателя «два вместе» и «мост» ток нагрузки распределяется поровну между двумя обмотками реактора, установленными на одном сердечнике. Эти токи направлены навстречу друг другу и в положение «два вместе» не создают возбуждающего поля в сердечнике и падения напряжения.
Достоинство переключающих устройств с токоограничивающий реактором заключается в возможности длительно работать в промежуточном положении «мост», поэтому для привода этих устройств не требуется специальных быстродействующих механизмов, значит, они могут быть относительно простыми и дешевыми.
В последние годы широкое распространение получили и другие переключающие устройства — с активными токоограничивающими сопротивлениями. Не рассматривая подробно эти устройства, отметим, что их конструкция получается более сложной и дорогой, чем у переключающих устройств с реакторами. Однако они обладают рядом весьма существенных достоинств: громоздкий и тяжелый реактор заменен сравнительно легкими активными сопротивлениями; конструктивно эти устройства более компактны; условия гашения дуги более благоприятны.
Существует много схем регулируемых обмоток трансформаторов. На рисунке 3 показана в качестве примера схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором.
Рисунок 3 - Схема обмотки ВН однофазного трансформатора, регулируемой переключающим устройством с реактором
