Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов

В установках 110 кВ и выше широкое применение находят автотрансформаторы (AT) большой мощности. Объясняется это рядом преимуществ, которые они имеют по сравнению с трансформаторами.

Однофазный автотрансформатор имеет электрически связанные обмотки ОВ и ОС (рис. 2.20). Часть обмотки, заключенная между выводами В и С, называется последовательной, а между С и О – общей.

При работе автотрансформатора в режиме понижения напряжения в последовательной обмотке проходит ток I_В, который, создавая магнитный поток, наводит в общей обмотке ток I ₀. Ток нагрузки вторичной обмотки I_С складывается из тока I _в, проходящего благодаря гальванической (электрической) связи обмоток, и тока I₀, созданного магнитной связью этих обмоток: I_c=h+ 4, откуда I₀=I_C - I_B.

Полная мощность, передаваемая автотрансформатором из первичной сети во вторичную, называется проходной.

Если пренебречь потерями в сопротивлениях обмоток автотрансформатора, можно записать следующее выражение:

Преобразуя правую часть выражения, получаем

где (U_B — U_c) I _B= S _T – трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путем из первичной обмотки во вторичную; [/_С/_В=5_Э– электрическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счет их гальванической связи, без трансформации.

Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток Iв из последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.

В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью автотрансформатора S = S _ном, а трансформаторная мощность – типовой мощностью S _т = S _тип.

Рис. 2.20. Схема однофазного автотрансформатора

Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет лишь часть номинальной мощности:

где п _вс = U _B /U _C – коэффициент трансформации; K _т – коэффициент выгодности или коэффициент типовой мощности.

Из формулы (2.7) следует, что чем ближе U _вк U _C, тем меньше K_т и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры автотрансформатора, его масса, расход активных материалов уменьшаются по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.

Например, при U _в= 330 кВ и U _c = 110кВ K_т= 0,667, а при U _в = 550 кВ и U _C = 330 кВ K_т= 0,34.

Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов при сочетании напряжений 220/110; 330/150; 500/220; 750/330.

Из схемы (см. рис. 2.20) видно, что мощность последовательной обмотки

мощность общей обмотки

Таким образом, еще раз можно подчеркнуть, что обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчетной мощностью. Какая бы мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и общую обмотки загружать больше чем на S _типнельзя. Этот вывод особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путем.

Третья обмотка автотрансформатора (обмотка НН) используется для питания нагрузки, для присоединения источников активной или реактивной мощности (генераторов и синхронных компенсаторов), а в некоторых случаях служит лишь для компенсации токов третьих гармоник. Мощность обмотки НН S _HH не может быть больше S _тип, так как иначе размеры автотрансформатора будут определяться мощностью этой обмотки. Номинальная мощность обмотки НН указывается в паспортных данных автотрансформатора.

В автотрансформаторах с обмоткой НН возможны различные режимы работы: передача мощности из обмотки ВН в обмотку СН при отключенной обмотке НН; передача мощности из обмотки НН в СН или ВН; передача из обмоток ВН и НН в обмотку СН и другие режимы. Во всех случаях необходимо контролировать загрузку общей, последовательной обмоток и вывода СН, для этого устанавливают трансформаторы тока ТА1, ТА2 и ТА0 (рис. 2.21). Трансформаторы ТА1 и ТА2 устанавливаются на выводах В и С автотрансформатора, а ТА0 встраивается в общую обмотку.

Выводы, приведенные для однофазного AT, справедливы и для трехфазного.

Рис. 2.21. Схема включения трансформаторов тока для контроля нагрузки автотрансформатора

К особенностям конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмоток ВН и СН. Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в сети СН на последовательную обмотку этой фазы будет воздействовать полное напряжение U _BÖ`3 вместо (U <sub>B</sub>– U <sub>C</sub>)/Ö`3, напряжение выводов обмотки СН возрастет примерно до U _B, резко увеличится напряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Аналогичная картина наблюдается в случае присоединения повышающего автотрансформатора с незаземленной нейтралью к системе с эффективно заземленной нейтралью.

Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех автотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на линии со стороны ВН или СН не вызывают опасных перенапряжений, однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.

Подводя итог всему сказанному, можно отметить следующие преимущества автотрансформаторов по сравнению с трансформаторами той же мощности:

меньший расход меди, стали, изоляционных материалов;

меньшая масса, а следовательно, меньшие габариты, что позволяет создавать автотрансформаторы больших номинальных мощностей, чем трансформаторы;

меньшие потери и больший КПД;

более легкие условия охлаждения.

Недостатки автотрансформаторов:

· необходимость глухого заземления нейтрали, что приводит к увеличению токов однофазного КЗ;

· сложность регулирования напряжения;

· опасность перехода атмосферных перенапряжений вследствие электрической связи обмоток ВН и СН.