Татаров Е.И. Электроэнергетические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

ТРЕХОБМОТОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

При необходимости иметь на подстанции три рабочих напряжения целе-

сообразно использование трехобмоточных трансформаторов или, если возмож-

но, более экономичных автотрансформаторов.

Условные обозначения трехобмоточных трансформатора и автотранс-

форматора:

Sс

Sв

Uв

Uн

Sн

Sв

Sс

Sн

Uв

Uс

Uн

Схемы соединения обмоток в однофазном исполнении выглядят соответ-

ственно:

Uс

Iс

При U

ном

более 220 кВ необходимо использование Г-образной схемы за-

мещения трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов:

gт

bт

тв

rтн

тс

тв

xтс

xтн

Uв

Uн

Sс

Sн

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

При U

ном

до 220 кВ включительно для трехобмоточных трансформаторов

и автотрансформаторов используется схема замещения:

тв

rтн

тс

тв

тс

тн

Uв

Uн

Sв

Sн

∆

Px+j

∆

Основные особенности представления в справочниках паспортных дан-

ных трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов вытекают из

особенностей эксплуатационных режимов (неравномерная загрузка обмоток) и

условий экспериментального определения характеристик этих аппаратов в се-

риях из трех опытов К.З., когда поочередно оказывается отключенной одна из

обмоток. В силу этого такие важные показатели, как u

% и ∆Р

приводятся с

индексами, отвечающими парам обмоток (В-С; С-Н; В-Н ).

При этом значения u

% пар обмоток приведены к напряжению обмотки

ВН и отнесены к S

ном

Для автотрансформаторов, у которых мощность обмотки низкого напря-

жения в принципе не может быть равна номинальной мощности аппарата, ука-

зывается ее мощность (в МВ·А или долях номинальной мощности), определяе-

мая коэффициентом выгодности автотрансформатора:

номв.

номс.

ном

тип

нн

1−==

(39)

Значения

∆

−с)к(в

отнесены к номинальной мощности автотрансформа-

тора S

ном

, а значения

Р∆

−

н)к(в

Р∆

−

н)к(с

- к номинальной мощности обмотки

низкого напряжения, т.е. к

(

)

номнн

. Приведение к единой номинальной мощ-

ности реализуется по формулам:

;

∆

−

нн

н)к(в

(40)

∆

−

нн

н)к(с

(41)

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Активные сопротивления схемы замещения определяются выражениями:

( )

;

н)к(сс)к(вн)к(в

ном

РРР

r ∆

−

∆

−−−

( )

;

н)к(вн)к(сс)к(в

ном

РРР

r ∆

−

∆

−−−

(42)

( )

;

с)к(вн)к(сн)к(в

ном

РРР

r ∆

−

∆

−−−

Для трехобмоточных трансформаторов с равными номинальными

мощностями обмоток все активные сопротивления в схеме замещения рав-

ны.

Аналогично для реактивных сопротивлений:

( )

;

200

н)к(сс)к(вн)к(в

ном

−−−

−+=

( )

;

200

н)к(вн)к(сс)к(в

ном

−−−

−+=

(43)

( )

200

с)к(вн)к(сн)к(в

ном

−−−

−+=

Потери ∆Р

и ∆Q

определяются также, как и для двухобмоточных транс-

форматоров:

потери ∆Р

– известная каталожная величина;

потери ∆Q

– определяются через ток холостого хода

по выражению

(34).

Особенности расчета параметров трансформатора с расщепленными об-

мотками рассмотрим позднее на конкретном примере.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ С

РАСЩЕПЛЕННОЙ ОБМОТКОЙ НИЗШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

На электрических станциях и подстанциях нашли применение силовые

трансформаторы и автотрансформаторы с расщепленной обмоткой низшего на-

пряжения. Это существенно повышает экономичность схемы, облегчает оши-

новку и аппараты вследствие уменьшения длительных токов рабочих и форси-

рованных режимов и токов короткого замыкания.

Уже при номинальной мощности трансформатора 25 МВ·А с учетом 40%

перегрузки суммарный ток на стороне 6 кВ можно оценить:

2083

363

251,4

1,4

ном

I =

⋅

== кА.

Повышающие транс-

форматоры и автотрансфор-

маторы с расщепленной об-

моткой низшего напряжения

используются для формиро-

вания укрупненных блоков

электростанций, особенно на

ГЭС, а понижающие транс-

форматоры и автотрансфор-

маторы применяются на под-

станциях энергосистем и

промышленных предпри-

ятий; понижающие транс-

форматоры используются

также в системе собственных

нужд мощных тепловых и

атомных электростанций.

Характерные схемы

соединений силовых транс-

форматоров и автотрансфор-

маторов с расщепленными на

две или три части обмотками

низшего напряжения и соот-

ветствующие им схемы за-

мещения приведены на Рис.1

Н1

Н2

Н1

Н2

Н3

Хв

Хн1

Хн2

Хв

Хн1

Хн2

Хн3

Н1

Н2

Н1

Н2

Н3

Хв

Хс

Хв

Хс

’

Хн1

Хн2

Хн1

Хн2

Хн3

Рис. 1.

Трансформаторы с расщепленной вторичной обмоткой широко исполь-

зуются в системах электроснабжения крупных промышленных объектов (чер-

ная и цветная металлургия, химия) при наличии там резкопеременных нели-

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

нейных нагрузок, например мощных вентильных преобразователей прокатных

станов (Рис.2)

110-220кВ

∆

- мостовые

/ - нулевые схемы

Т1

Т2

АД

6-10кВ

0,4кВ

Рис. 2. Однолинейная схема присоединения

трансформаторов с расщепленными обмотками

При установке таких трансформаторов на ГПП – Т1, - появляется воз-

можность выделить приемники с относительно спокойной нагрузкой на от-

дельную обмотку и тем самым уменьшить степень воздействия на них резко-

переменных и нелинейных нагрузок.

Трансформаторы для питания мощных нелинейных нагрузок, например

вентильных преобразователей, Т2 для уменьшения их воздействия на питаю-

щую сеть и улучшения технико-экономических показателей желательно вы-

полнять с возможно большим числом фаз.

В этом случае установ-

ка одного трансформатора с

расщепленными вторичными

обмотками предпочтитель-

нее, чем установка двух

двухобмоточных трансфор-

маторов.

При этом вторичные

обмотки должны быть вы-

полнены с разными группами

соединений.Покажем два

крайних способа размещения

вторичных обмоток на

стержне трансформатора

(Рис.3):

а1

а2

х1

х2

а1

х1

а2

х2

Рисунок 3 - Принципиальные схемы (а,б) и схе-

мы замещения (в,г) трансформаторов с расщеп-

ленными обмотками.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Если ветви вторичных обмоток вмотаны одна в другую и между ними

существует тесная магнитная связь (Рис.3, а), то их сопротивления на трехлу-

чевой схеме замещения равны нулю, все сопротивление трансформатора ока-

зывается сосредоточенным в ветви, соответствующей первичной обмотке.

Это значит, что при изменении, например, тока I

изменяется не только

напряжение этой обмотки U

, но и напряжение U

, т.к. ток I

вызывает падение

напряжения на Z

, которое приводит к изменению напряжения U

Если ветви вторичных обмоток размещены одна под другой на стержне

трансформатора (Рис.3, б) и магнитная связь между ними практически отсутст-

вует, то индуктивное сопротивление на схеме замещения можно считать сосре-

доточенными в ветвях обмоток низкого напряжения (Рис.3, г).

Очевидно, что для трансформатора Т1 на ГПП, к вторичным обмоткам

которого присоединяется разнородная нагрузка, схема замещения должна быть

аналогичной (Рис.3,г), т.к. при этом нагрузки обмоток практически не ока-

зывают влияния друг на друга и уровни напряжения на каждой обмотке за-

висят лишь от собственной нагрузки.

Для вентильного преобразователя, наоборот, с точки зрения ограниче-

ния токов короткого замыкания и скорости нарастания тока

при комму-

тации вентилей желательно, чтобы сопротивление трансформатора было со-

средоточено в ветви, соответствующей обмотке высшего напряжения. На

первый взгляд может показаться, что это приведет к увеличению в 2 раза паде-

ния напряжения на общем сопротивлении Z1

от токов I

и I

(Рис.3, в) в нор-

мальном режиме работы. Но при работе преобразователя в нормальных режи-

мах этого не произойдет, т.к. вторичные обмотки имеют разные группы соеди-

нений ( для мостовых схем – Y/∆ , а для нулевых – две обратные звезды

Y /

и моменты коммутаций токов в них не совпадают.

Для рассматриваемых трансформаторов и автотрансформаторов специ-

фическими параметрами являются:

сопротивление расщепления X

расщ

, равное сопротивлению между выво-

дами двух произвольных частей расщепленной обмотки. Обычно части расщеп-

ленной обмотки полностью идентичны и поэтому (См. Рис.1)

;

хххх

н3н2н3н1н2н1расщ −−−

(44)

сквозное сопротивление X

скв

, равное сопротивлению между обмотками

высшего напряжения ( или объединенными выводами обмоток высшего и

среднего напряжения при испытаниях автотрансформаторов) и объединенны-

ми выводами частей расщепленной обмотки низшего напряжения ;

коэффициент расщепления k

расщ

, равный отношению сопротивления

расщепления к сквозному сопротивлению :

хk

скврасщ.расщ

(45)

При расщеплении обмотки на две части k

расщ

≤ 4 ;

По данным испытаний k

расщ

= 3,5 ;

Для схемы Рис.3 а,в k

расщ

= 0 ;

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

Для схемы Рис.3 б,г k

расщ

≈ 4 ;

При расщеплении обмотки на три части k

расщ

≤ 6 .

Отметим, что входящие в неравенства знаки “равно” характерны для си-

ловых трансформаторов и автотрансформаторов, составленных из групп одно-

фазных аппаратов.

С учетом сказанного, параметры элементов схем замещения, показанных

на Рис.1, будут определяться следующими выражениями:

Для схемы замещения (Рис.1, а) в зависимости от объема исходной ин-

формации используются:

I. Расчетные выражения с учетом усредненного значения k

расщ

=3,5 для

случая:

Н1 Н2

Uк(в-

н)%

;

100

1250

н)к(в

ном

−

хх

н)к(в

ном

2н1н

100

751

−

(46)

II.

Н1 Н2

Uк(в-

н)%

к(н1

н2)%

При таком объеме исходной информации значение

к(н1-н2)

% может задаваться отнесенным к мощности рас-

щепленных обмоток низкого напряжения S

н1ном

= S

н2ном

В этом случае используются выражения:

;

100

н2)к(н1

н)к(в

ном













−=

−

хх

н2)к(н1

ном

н2н1

100

−

(47)

В некоторых справочниках вместо значения U

к(н1-н2)

, % может быть зада-

но значение этого же параметра, но ранее приведенное к номинальной мощно-

сти трансформатора с использованием выражения:

бм.ном.расщ.о

ном

н2)к(н1н2)к(н1 −−

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

В этом случае используется модификация выражений (47):

;

100

н2)к(н1

н)к(в

ном













−=

−

хх

)нн(к

ном

нн

100

−

(47а)

Для схемы замещения Рис. 1, б :

;

расщ

н3н2н1

ххх

===













−=













−

=−=

−

расщ

н)(в

расщ

скв

расщ

сквв

хх

(48)

Для схемы замещения Рис.1, в :

;

расщн2н1

xxx

(

)

нссвнвв

xxxx

−−−

−

(

)

нвнссвс

xxxx

−−−

−

(

)

свнснвн

xxxx

−−−

−

расщнн

xxx

−=

( )

[ ]

− св

расщ

нвсскв

расщ

(49)

Для схемы замещения Рис. 1, г :

;

расщн3н2н1

xxxx

(

)

нссвнвв

xxxx

−−−

−

(

)

нвнссвс

xxxx

−−−

−

(

)

свнснвн

xxxx

−−−

−

расщнн

xxx

−=

( )

[ ]

нсв

расщ

нвсскв

расщ

−

(50)

Отметим, что перед подстановкой в указанные выражения, все сопротив-

ления (напряжения к.з.) должны быть приведены к номинальной мощности

трансформатора или автотрансформатора.

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

ОЦЕНКА АКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ТРАНСФОРМАТОРОВ

И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИ ЧИСЛЕ ОБМОТОК БОЛЕЕ ДВУХ

Целью наших рассуждений является определение достоверных числен-

ных значений активных сопротивлений, моделирующих необратимые превра-

щения электромагнитной энергии в тепловую в обмотках трансформаторов и

автотрансформаторов с числом обмоток более двух. При этом определяющим

является наличие информации только об одном из трех значений ∆Р

к(i – j)

, опре-

деляемых в опытах к.з.

Номинальная мощность реального трансформатора (или автотрансформа-

тора), соотношение номинальных мощностей его обмоток, схема их соединения

и класс номинальных напряжений обмоток – в целом определяют номинальные

токи обмоток, следовательно, определяют различные сечения проводников и

активные сопротивления обмоток реального трансформатора.

Информацию о численных значениях активных сопротивлений получают

после обработки результатов опытов К.З., в которых всегда определяются од-

новременно параметры двух обмоток – питающей и приемной (закороченной).

Особенности опытов К.З. для трансформаторов с расщепленными обмот-

ками и автотрансформаторов рассмотрим позже.

По результатам отдельного опыта определяют так называемое сквозное

сопротивление трансформатора r

скв

, отражающее физические свойства обмоток

различных сечений, участвующих в опыте.

Для расчета параметров установившегося режима сетей, расчета потерь

электрической мощности и энергии и решения ряда других задач используются

схемы замещения элементов реальных ЭЭС, в том числе и трансформаторов.

При этом часто каждая обмотка трансформатора должна моделироваться от-

дельным сопротивлением в схеме замещения, кроме того, все параметры схемы

замещения отдельного трансформатора приводятся к высшему напряжению

обмоток.

Неполнота исходной информации, имеющейся в справочной литературе

по результатам опытов К.З. для трансформаторов с числом обмоток более двух,

не позволяет использовать ранее приведенные выражения для прямого опреде-

ления интересующих параметров схемы замещения. Воспользуемся следую-

щим логическим построением для решения поставленной задачи:

Поставим в соответствие схеме замещения силового трансформатора, как

некоторому объекту, другую физическую модель – трансформатор с тем же со-

отношением номинальных мощностей обмоток, но с единым номинальным на-

пряжением всех обмоток, что соответствует приведенному характеру парамет-

ров моделируемой схемы замещения. При таких допущениях сечения проводов,

которыми выполнены обмотки "трансформатора – модели" будут одинаковыми,

если их мощности равны, и меньшей по мощности обмотке будет соответство-

вать прямо пропорциональное снижение сечения провода. При условии одина-

кового материала обмоток существует очевидная обратно пропорциональная

связь между номинальной мощностью обмоток и их активным сопротивлением

(меньшей вдвое мощности соответствует вдвое большее сопротивление). Таким

D:\Мои документы\Борис\Часть 0 А4.doc

образом, предложенная физическая модель позволила определить закономерно-

сти, имеющие место в исследуемом объекте – схеме замещения трансформато-

ра с приведенными параметрами.

Рассмотрим несколько характерных ситуаций.

1. Расчет активных сопротивлений схемы замещения 3-х обмоточного

трансформатора с равными мощностями обмоток.

Uс

Uн

Для силового

трансформатора с S

Вном

Сном

= S

Нном

единствен-

ное известное значение

∆Р

к (В-С)

было получено в

опыте, приведенном на

схеме:

Значение сквозного сопротивления r

скв

в данном опыте К.З. определяется

параметрами обмоток высокого и среднего напряжения:

ном

с)к(в

скв

∆

−

откуда очевидна эквивалентность схем:

rскв

Из условия равенства мощностей обмоток следует равенство приведен-

ных сопротивлений:

rrr

скв

нсв

===

2. Расчет активных сопротивлений схемы замещения 3-обмоточных

трансформаторов и автотрансформаторов с неодинаковыми мощностями обмо-

ток.

Для большинства отечественных автотрансформаторов характерны соот-

ношения мощностей обмоток:

Вном

= S

Сном

= 2 S

Нном

при единственном известном значении ∆Р

к(В-Н)