Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств

2.2.2 Параметры и режимы работы трансформаторов и автотрансформаторов

Наиболее широкое распространение получили масляные трансформаторы. Основным преимуществом масляных трансформаторов по сравнению с сухими является защищенность их обмоток от внешних воздействий, что повышает надежность работы трансформаторов и упрощает эксплуатационный надзор за ними. Кроме того, по сравнению с сухими масляные трансформаторы имеют сравнительно малое реактивное сопротивление.

Основными параметрами номинального режима работы трансформаторов являются напряжения, токи, частота, которые указываются на заводском щитке, а также номинальная мощность трансформатора (в кВА или МВА).

Трансформаторы рассчитаны на работу при следующих номинальных условиях окружающей среды:

естественно изменяющаяся температура охлаждающего воздуха не более +40 °C и не менее -45 °C при масляно-воздушном охлаждении;

температура охлаждающей воды у входа в охладитель не более +25 °C при масляно-водяном охлаждении;

среднесуточная температура воздуха не более +30 °C.

Таблица 2.1

Окончание табл. 2.1

Номинальный ток трансформатора (линейный ток) каждой обмотки 1_л определяется по ее номинальной мощности S_ном (кВА) и номинальному напряжению U_ном (кВ):

Обмотки трансформатора могут быть соединены в звезду, при котором фазный ток равен линейному (I_ф = I_л), или в треугольник, при котором фазный ток в 3 раз меньше линейного (I_ф = I_л / 3).

Для трансформаторов, имеющих обмотки с ответвлениями, номинальным током и напряжением являются соответствующие значения для ответвления, включенного в сеть.

Трехобмоточные трансформаторы допускают в номинальном режиме любое сочетание нагрузок по обмоткам, если токи в них не превышают номинальных фазных токов.

Конструктивно автотрансформатор отличается от трансформатора тем, что две его обмотки электрически соединяются между собой, обеспечивая тем самым передачу мощности от одной обмотки к другой не только электромагнитным, но и электрическим путем. Из-за наличия электрической связи между обмотками токораспределение в автотрансформаторе отличается от токораспределения в трансформаторе. Во вторичной цепи ток нагрузки складывается из тока, обусловленного электрической связью обмоток высшего и среднего напряжений и тока I_o, обусловленного магнитной связью этих же обмоток.

Номинальная мощность автотрансформатора (S_ном) представляет собой мощность на выводах его обмоток высшего (ВН) или среднего (СН) напряжения, имеющих между собой автотрансформаторную связь, и равна:

Типовая мощность автотрансформатора (S_тип) представляет собой ту часть номинальной мощности, которая передается электромагнитным путем, и она в раз меньше номинальной мощности, то есть

где — коэффициент выгодности автотрансформатора, равный

где К_ВН-СН — коэффициент трансформации.

Из приведенных формул (2.3 и 2.4) видно, что с увеличением коэффициента а, то есть сближением друг к другу значений U_CН и U_ВН, типовая мощность становится ближе к номинальной, и наоборот, а именно: чем меньше коэффициент а, тем меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Поэтому нельзя (экономически нецелесообразно) загружать последовательную и общую обмотки автотрансформатора в номинальном режиме работы более чем на типовую мощность S_тип.

Основным назначением обмотки низшего напряжения (НН) является создание цепи с малым сопротивлением для прохождения токов третьих гармоник с целью избежания искажения синусоидального напряжения. Помимо этого обмотка НН используется для питания нагрузки, а также для подключения компенсирующих устройств и последовательно-регулировочных трансформаторов. Ее мощность выбирается из расчета не более типовой мощности (S_НН <= S_тип). В противном случае размеры автотрансформатора определялись бы мощностью этой обмотки.

Обязательное заземление нейтралей автотрансформаторов вызывает чрезмерное увеличение токов КЗ в сетях, что приводит к необходимости принятия мер по их ограничению.

Кроме того, наличие электрической связи между обмотками и сетями СН и ВН может привести к переходу перенапряжений, возникающих в сетях одного напряжения, на выводы обмоток другого напряжения. Возникновение перенапряжений усугубляется при отключении автотрансформатора с одной стороны. Для устранения воздействия перенапряжений на изоляцию автотрансформатора со стороны СН и ВН применяются разрядники, которые напрямую (без разъединителей) присоединяют к шинам, отходящим от вводов.

Автотрансформаторы могут работать в одном из следующих режимов: автотрансформаторный, трансформаторный и комбинированный (трансформаторно-автотрансформаторный).

Перераспределение нагрузок между обмотками СН и НН производится оперативным персоналом согласно местным инструкциям с использованием соответствующих таблиц и графиков.

Соотношение мощностей зависит от нагрузки и определяется из следующей формулы:

где S₂ и S₃ — относительные мощности по обмоткам СН и НН, выраженные в долях номинальной мощности автотрансформатора, то есть S₂ = S_СН / S_ном и S₃ = S_НН / S_ном;

₂ и ₃ — углы сдвига фаз токов обмоток СН и НН от напряжения обмотки ВН.

На ПС 220 кВ и выше, на которых не предусматривается нагрузка на напряжение 6—10 кВ, рекомендуется применение автотрансформаторов 220 кВ мощностью 63 или 125 МВА с третичным напряжением 0,4 кВ для питания собственных нужд ПС.

2.2.3. Допустимые перегрузки трансформаторов и автотрансформаторов

Допустимые перегрузки трансформаторов и автотрансформаторов (далее — трансформаторов) в нормальных режимах работы определяются старением изоляции его обмоток — бумаги. Старение изоляции приводит к изменению исходных электрических, механических и химических свойств изоляционных материалов трансформаторов. Сроком естественного износа трансформатора, работающего в номинальном режиме, считается срок, равный примерно 20 годам.

Для нормального суточного износа изоляции трансформатора температура наиболее нагретой точки его обмоток не должна превышать 98 °C. По правилу, предложенному немецким ученым Монтзингером, следует, что если температуру увеличить на 8 °C, срок службы изоляции сократится примерно в 2 раза. В данном случае под температурой наиболее нагретой точки подразумевается температура наиболее нагретого внутреннего слоя обмотки верхней катушки трансформатора.

На практике трансформаторы работают, как правило, с переменной нагрузкой в условиях непрерывно изменяющейся температуры охлаждающей среды. В таких условиях при перегрузках может иметь место форсированный износ изоляции. При нагрузках же меньше номинальной изоляция недоиспользуется, что также экономически нецелесообразно. Следовательно, режим работы трансформатора должен быть оптимальным, то есть близким к расчетному.