Виды, назначение и техническая характеристика силовых трансформаторов

Силовые трансформаторы являются главным электрооборудованием электростанций, сетей и систем. Электроэнергия, производимая на электростанциях, трансформируется в повышающих трансформаторах для последующей ее передачи. Поэтому установленная мощность трансформаторов в энергосистемах превышает установленную мощность генераторов в несколько раз.

Коэффициент полезного действия (КПД) силовых трансформаторов достигает порядка 99%, а стоимость потерь в трансформаторах за год составляет значительную сумму. На основании последнего одними из основных путей экономии электроэнергии в системах электроснабжения являются сокращение числа ступеней трансформации, уменьшение установленной мощности трансформаторов и лучшее их использование.

Для удобства эксплуатации систем электроснабжения выбирают не более двух-трех стандартных мощностей трансформаторов, что ведет к сокращению складского резерва и облегчает замену поврежденных трансформаторов. Целесообразна установка трансформаторов одинаковой мощности, но такое решение не всегда выполнимо.

Силовые трансформаторы могут быть включены на параллельную работу, и для лучшего использования установленной мощности необходимо обеспечить распределение нагрузки пропорционально мощности трансформаторов, а при холостом ходе не должно быть уравнительных токов. При включении на параллельную работу трансформаторов одинаковой мощности эти условия легко выполняются.

Силовые трансформаторы классифицируют следующим образом:

  • по назначению (общего назначения и специальные); трансформаторы общего назначения предназначаются для преобразования электроэнергии или для непосредственного питания приемников электроэнергии, не отличающихся особыми режимами работы или характером нагрузок;
  • по числу фаз трансформаторы разделяются на трехфазные, однофазные и многофазные; наибольшее применение имеют трехфазные трансформаторы (меньшие потери, чем в однофазных, значительно меньшая масса активных материалов; группы из однофазных трансформаторов используют только при больших мощностях и высоких напряжениях;
  • по количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу (двухобмоточные, трехобмоточные и с расщепленными обмотками); трехобмоточные трансформаторы применяются на электростанциях и подстанциях в тех случаях, когда осуществляется передача электроэнергии на разные напряжения и на разные расстояния; трансформаторы с расщепленными обмотками низшего напряжения обеспечивают возможность присоединения нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору; кроме того, их используют на понижающих подстанциях для ограничения величины токов короткого замыкания;
  • по способу ожаждения силовые трансформаторы классифицируют на сухие, в которых основной изолирующей средой служит твердый диэлектрик, а охлаждающей — атмосферный воздух; масляные, в которых изолирующей и теплоотводящей средой является трансформаторное масло; естественное масляное охлаждение обозначается М, масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла буквой Д, масляное с дутьем и принудительной циркуляцией масла буквами ДЦ, масляно-водяное с естественной циркуляцией масла буквами МВ, масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла буквой Ц, масляное с направленной циркуляцией масла буквой Ц1; трансформаторы с заполнением негорючим жидким диэлектриком: естественное (Н) и с дутьем(НД).

Шкала номинальных мощностей трансформаторов имеет следующий вид (в кВА): 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500,4000, 6300, 10000 и т.д.

Для однофазных трансформаторов приведенные значения мощности — это мощности трехфазных групп.

Каждый трансформатор имеет следующее условное буквенное обозначение: О —однофазные; Т — трехфазные; Р — с расщепленными обмотками; Н — регулирование под нагрузкой (РПН) или переключение без возбуждения (ПБВ). После буквенного обозначения указывается номинальная мощность и класс напряжения.

Главными требованиями, предъявляемыми к трансформаторам, являются надежность и экономичность работы.

Магнитопровод трансформатора собирают из листов электротехнической стали, которые тщательно изолируются друг от друга для уменьшения потерь от вихревых токов. Он предназначен для замыкания в нем основного магнитного потока. Конструкция магнитопрово- да во многом определяет массу и габариты трансформатора, а качество стали и точность сборки — экономичность его работы.

Устройство силового масляного трансформатора мощностью 1000—6300 кВА класса напряжения 35 кВ

Рис. 1.10. Устройство силового масляного трансформатора мощностью 1000—6300 кВА класса напряжения 35 кВ:

  • 1 — бак; 2— вентиль; 3 болт заземления; 4 — термосифонный фильтр; 5 радиатор; 6 переключатель; 7 — расширитель; 8— маслоуказатель; 9 — воздухо- осушитель; 10— выхлопная труба; 11 газовое реле; 12 ввод ВН; 13 привод переключающего устройства; 14 ввод НН; 15 подъемный рым; 16 отвод НН; 17— остов; 18— отвод ВН; 19— ярмовая балка остова (верхняя и нижняя);
  • 20 регулировочные ответвления обмоток ВН; 21 обмотка ВН (внутри НН);
  • 22 каток тележки

Качество электротехнической стали влияет на величину допустимой магнитной индукции и потери в магнитопроводе. Применение в магнитопроводе холоднокатаной стали позволило значительно уменьшить его сечение за счет большей допустимой индукции, уменьшить диаметр витков обмотки, а следовательно, уменьшить массу и габариты трансформаторов.

Обмотки трансформаторов должны обладать достаточной электрической и механической прочностью. Изоляция обмоток и отводов от них должна без повреждений выдерживать коммутационные и атмосферные перенапряжения. Кроме того, обмотки должны выдерживать электродинамические усилия, возникающие при протекании токов короткого замыкания, а система охлаждения должна быть надежной. Изоляция трансформатора во многом определяет его надежность. Для присоединения обмоток трансформатора к сети служат вводы.

В масляных трансформаторах вводы устанавливают на крышке или стенке бака, причем нижняя часть ввода находится внутри бака, в масле, а верхняя — вне бака, в воздухе. Активную часть трансформатора вместе с отводами и переключающими устройствами для регулирования напряжения помешают в бак. Крышку бака используют для установки вводов, выхлопной трубы, крепления расширителя, термометров и других деталей. На стенке бака для охлаждения укрепляют радиаторы. При ремонтах после спуска масла поднимают верхнюю часть бака, тем самым открывая доступ к обмоткам и магнитопроводу.

Расширитель трансформатора имеет форму вытянутого цилиндра, который соединен трубопроводом с баком. Бак трансформатора полностью наполнен тщательно очищенным трансформаторным маслом, уровень которого изменяется при нагреве и охлаждении, что приводит к колебанию уровня масла в расширителе; при этом воздух вытесняется из расширителя. Расширитель связан с окружающей средой через селикагелевый воздухоосушитель.

Селикагель не полностью поглощает влагу из воздуха. Для более надежного предохранения масла от окисления трансформаторы большой мощности выполняют герметизированными с полной изоляцией масла, находящегося в расширителе, от атмосферного воздуха. Это осуществляется с помощью подушки, образующейся из инертного газа (азота) и расположенной между поверхностью масла и гибкой растягивающейся мембраной — азотная защита. Трансформаторы с такой защитой можно выполнять также и без расширителя.

Выхлопная труба предназначена для выброса масла и газов при внутренних повреждениях в трансформаторе, сопровождающихся значительным повышением давления в баке. Благодаря этому предотвращается разрыв бака. К баку трансформатора крепится термосифонный фильтр (для непрерывного обезвоживания и очистки масла), заполненный веществом, поглощающим продукты окисления масла. При циркуляции масла через фильтр происходит непрерывная регенерация масла.

Масляные трансформаторы из-за опасности пожара и взрыва, как правило, устанавливают в специально сооруженных помещениях с огнестойкими стенами или на открытых ограждаемых площадках. Контроль за работой масляного трансформатора осуществляется с помощью маслоуказателя, который устанавливается на расширителе, и термометра на крышке бака.

К защитным устройствам трансформатора относится реле низкого уровня масла, находящееся в расширителе (оно сигнализирует о снижении уровня масла и автоматически отключает трансформатор при недопустимом его снижении), газовая и другие виды защиты. На мощных трансформаторах с первичным напряжением 330—750 кВ дополнительно применяются устройства контроля изоляции вводов и манометры для контроля давления масла в герметичных вводах высокого напряжения.

Сухие трансформаторы устанавливают внутри зданий (в сухих закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха до 80% во избежание увлажнения обмоток). При этом главным требованием к ним является обеспечение пожарной безопасности. В эксплуатации сухие трансформаторы удобнее масляных, так как отсутствует необходимость в таких операциях, присущих масляным трансформаторам, как очистка и сушка масла.

Сухие трансформаторы выполняют открытыми (С), защищенными (СЗ) и герметизированными (СГ). Для повышения интенсивности охлаждения сухих трансформаторов применяют обдув обмоток и маг- нитопровода потоком воздуха от вентилятора. Сухие трансформаторы с воздушным дутьем обозначают СД.

Силовой трансформатор рассчитан на длительную работу при номинальном режиме. Номинальный режим работы силового трансформатора характеризуется номинальным значением напряжения, частоты, нагрузки и номинальными климатическими условиями: диапазоном рабочих температур, влажностью, высотой над уровнем моря.

К параметрами силового трансформатора относятся его номинальная мощность, номинальные напряжения обмоток, номинальные токи обмоток, напряжение короткого замыкания, представляющее собой напряжение, при подведении которого к одной из обмоток трансформатора при замкнутой накоротко другой обмотке в ней проходит ток, равный номинальному, ток холостого хода, характеризующий активные и реактивные потери в стали и зависящий от ее магнитных свойств, конструкции и качества сборки сердечника и от величины магнитной индукции в сердечнике, схемы и группы соединения обмоток трансформатора.

В реальных условиях эксплуатации все силовые трансформаторы допускают аварийные перегрузки. Аварийная перегрузка имеет место в аварийных ситуациях, когда, например, из строя выходит один из трансформаторов двухтрансформаторной подстанции. При этом срабатывает релейная защита, отключает с обеих сторон поврежденный трансформатор и подает сигнал на работу устройства автоматического включения резерва (АВР). Последний включает секционный выключатель, после чего оставшийся в работе второй трансформатор, кроме своей нагрузки, обеспечивает электроснабжение потребителей потерявшей питание секции шин (прежде всего первой и второй категорий надежности, и если позволяет его мощность, то и третьей категории).

При таком режиме имеет место перегрузка второго трансформатора, которая, с одной стороны, обеспечивает непрерывность питания потребителей и тем самым сохраняет надежность работы системы электроснабжения, а с другой, приводит к преждевременному износу изоляции второго трансформатора.

Критерием допустимости аварийных перегрузок силового трансформатора служит износ (старение) изоляции, который допускается значительно выше нормального, а перегрузка ограничивается только температурой наиболее нагретой точки обмотки, которая должна быть безопасной для дальнейшей нормальной эксплуатации трансформатора.

Согласно ГОСТ трансформаторы допускают кратковременную перегрузку сверх номинальной независимо от длительности и значения предшествующей нагрузки, температуры охлаждающей среды и места установки в указанных ниже пределах (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Допустимые длительности перегрузок для масляных и сухих трансформаторов

Допустимые длительности перегрузки, мин

Перегрузка по току, %

20

30

40

45

50

60

75

100

200

Масляные

трансформаторы

120

80

45

20

10

1,5

Сухие

трансформаторы

60

45

32

18

5

В аварийных случаях, если нагрузка в доаварийном режиме не превышала 93% номинальной мощности, масляные трансформаторы допускают в течение не более пяти суток перегрузку на 40% сверх номинальной на время максимума нагрузки общей продолжительностью не более шести часов в сутки (подряд или с перерывами). При аварийных перегрузках применяются все меры для форсирования охлаждения трансформаторов (например, включение резервных вентиляторов дутья).

Например, при проектировании или реконструкции системы электроснабжения номинальную мощность каждого трансформатора двухтрансформаторной главной понизительной подстанции (ГПП) принимают равной 0,7 прогнозируемого расчетного максимума нагрузки подстанции. В этом случае при аварии с одним трансформатором питание потребителей обеспечивается за счет перегрузки на 40% оставшегося в работе трансформатора (0,7 + 0,7 = 1,4).

Допустимая систематическая перегрузка ограничена по времени, а расчетное старение изоляции за установленное время (обычно за одни сутки), включающее длительность перегрузок и длительность предшествующей и последующей нагрузок, не превосходит старения изоляции за такое же время при номинальном режиме работы. Все силовые трансформаторы допускают систематические перегрузки, которые зависят от характера суточного графика нагрузки, температуры охлаждающей среды и недогрузки (в летнее время, суточной, сезонной и т.п.).

Допустимую нагрузку трансформатора, возможную для него ежедневно в часы максимума нагрузки, определяют по соотношению:

где: SH0M тп — паспортная номинальная мощность трансформатора;

— коэффициент заполнения графика;

Scp, SM — соответственно средняя и максимальная мощность из графика нагрузок трансформатора;

^доп допустимая дополнительная нагрузка трансформатора в часы максимальной нагрузки выше номинальной паспортной мощности за счет неполного использования трансформатора в течение остального времени суток.

Кроме того, трансформатор может быть перегружен зимой за счет снижения его нагрузки в летнее время, т.е. когда нагрузка снижается вообще и естественный срок службы трансформатора увеличивается за счет снижения температуры металла обмоток. В соответствии с этим допускают перегрузку в зимнее время на 1 % на каждый процент недогрузки в летнее время, но не более чем на 15%. Общая перегрузка не должна превышать 30%.

Для нормальной работы потребителей необходимо поддерживать требуемый уровень напряжения. С этой целью у силовых трансформаторов для регулирования напряжения используется изменение коэффициента трансформации. Переключение ответвлений обмотки может осуществляться без возбуждения (ПБВ), т.е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети или под нагрузкой (РПН). Как правило, ПБВ используется только для сезонного регулирования напряжения, РПН применяется по мере необходимости.

На рисунке 1.11 приведена схема переключающих устройств силовых трансформаторов (многоступенчатые переключатели типов РНТ-9 и РНТА). Переключатель типа РНТ-9 имеет восемь позиций и глубину регулирования ±10%. Переход между ступенями осуществляется посредством шунтирования смежных ступеней на реактор.

Переключающие устройства силовых трансформаторов

Рис. 1.11. Переключающие устройства силовых трансформаторов: а — переключатель типа РНТ; Р — реактор; РО — регулировочная обмотка;

ПК — подвижные контакты переключателя (Кр К2— контакторы); б — переключатель типа РНТА; ТС — токоограничивающее сопротивление; ПТР — переключатель тонкой регулировки; ПТР — переключатель грубой регулировки

Переключения выполняются следующим образом. Предположим, что необходимо переключиться с ответвления 5 на ответвление 4. Для этого отключается контактор Кр подвижный контакт переводится на ответвление 4 и вновь включается контактор Кг В результате этих действий секция 5—4 оказывается замкнутой на реактор. Индуктивность реактора ограничивает уравнительный ток, который возникает из-за наличия напряжения на секции 5—4. Затем отключается контактор К^, переводится подвижный контакт на ответвление 4 и включается контактор К2.

Реактор и все подвижные и неподвижные контакты переключателя размещают в баке трансформатора, а контакторы помещают в отдельный кожух, который залит маслом и находится снаружи трансформатора, что облегчает ревизию контактов и смену масла.

Отечественная промышленность выпускает также переключатели серии РНТА (с активным токоограничивающим сопротивлением), имеющие более мелкие ступени регулирования — по 1,5%. Переключатель РНТА имеет семь ступеней тонкой регулировки (ПТР) и ступень грубой регулировки (ПГР). В настоящее время электротехнической промышленностью также выпускаются статические переключатели- отпаек силовых трансформаторов, позволяющие производить быстродействующее регулирование напряжения в сетях промышленных предприятий.

К силовым трансформаторам относятся также трансформаторы, мощность которых не превышает 2500 кВА (так называемые цеховые трансформаторы). Цеховые трансформаторные подстанции выполняются на напряжения 6—10/(0,4—0,69) кВ. К шинам подстанции (обычно это КТП) цеховой трансформатор может подключаться с помощью высоковольтного выключателя, разъединителя или выключателя нагрузки в сочетании с плавким предохранителем, разъединителя с плавкими предохранителями.

Первый вариант подключения является более дорогим по сравнению с другими и применяется в особо ответственных случаях. Второй вариант — если источник питания относится к другой эксплуатирующей организации или он значительно удален (более 3 км). На стороне 6—10 кВ коммутационный аппарат необходим и для создания видимого разрыва при ремонтных работах. Третий вариант подключения является наиболее дешевым и применяется в следующих случаях: ток нагрузки трансформатора отключается аппаратами низкого напряжения, разъединитель способен отключить ток холостого хода трансформатора, при использовании предохранителя с требуемой отключающей мощностью токов короткого замыкания, при редком включении и отключении трансформатора. Кроме того, все варианты подключения зависят от конкретных требований при эксплуатации (например, от вида схем распределения электроэнергии на напряжении 6—10 кВ: радиальной, магистральной или смешанной).

На вторичном напряжении трансформаторов 0,4—0,69 кВ применяют схему с одной системой шин или схему блока трансформатор-магистраль и устанавливают автоматические воздушные выключатели (автоматы), рубильники или другие низковольтные аппараты. При больших токах короткого замыкания используют специальные автоматы. Автоматические выключатели в цепи вторичного напряжения трансформаторов и между секциями шин устанавливают при устройстве автоматического включения резерва АВР.

Трансформаторные подстанции бывают пристроенными, встроенными или отдельно стоящими. Пристроенная подстанция непосредственно примыкает к основному зданию, встроенная — вписывается в общий контур здания, отдельно стоящая располагается вне здания. Применение того или иного вида подстанции зависит от конкретных условий, в которых будет она работать, а также от требований, предъявляемых к ней. При правильной эксплуатации трансформаторы могут служить 25—30 лет.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >