2.6.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Автотрансформатор представляет собой многообмоточный трансформатор, у которого две обмотки имеют электромагнитную и электрическую связь. Наличие электрической связи между двумя обмотками является принципиальным отличием его от трансформатора, которое накладывает существенные различия на их режимы работы, распределение токов в обмотках при сохранении аналогий в определении основных соотношениях между числами витков обмоток и ЭДС. Принципиальная схема одной фазы силового автотрансформатора представлена на рис. 2.11. Часть обмотки между точками В и С с числом витков (w1–w2) называется последовательной обмоткой, другая часть обмотки между точками С и О с числом витков w2 называется общей обмоткой. Обе эти части обмотки соединены электрически и, следовательно, имеют электрическую и электромагнитную связь. Вывод С от общей точки соединения этих частей обмотки называется выводом среднего напряжения, и по аналогии общую обмотку можно назвать обмоткой среднего напряжения. Вся обмотка между точками В и О с числом витков w1 аналогично может быть названа обмоткой высшего напряжения, а вывод В – выводом высшего напряжения.
|
|
Ввиду особенностей исполнения обмоток высшего и среднего напряжений трёхфазные автотрансформаторы преимущественно выполняют со схемой их соединения звездой с заземлённой нулевой точкой. Эта схема является наилучшей по условию выгодности применения автотрансформатора по сравнению с трёхобмоточным трансформатором [22]. При таком их соединении для исключения возможности свободной циркуляции токов нулевой последовательности в них в трёхфазном автотрансформаторе выполняется обмотка низшего напряжения, соединяемая по схеме треугольника. Основное назначение этой обмотки – компенсация гармоник нулевой последовательности и уменьшение сопротивления нулевой последовательности автотрансформатора.
Рис. 2.11. Принципиальная схема однофазного автотрансформатора
Ток на стороне высшего напряжения равен току в последовательной обмотке:
Ток на стороне среднего напряжения равен
Ток в общей обмотке равен
Обмотка низшего напряжения с этими обмотками имеет только электромагнитную связь.
Полную мощность, передаваемую со стороны высшего напряжения на сторону среднего напряжения (или обратно), называют проходной (номинальной) мощностью:
(2.25)
Преобразуем выражение (2.25):
Sном = UВIВ = [(UВ - UC) + UС]×IВ = (UВ - UС)×IВ + UСIВ, (2.26)
где (UВ - UС)×IВ = SТР – доля полной мощности, передаваемая электро-магнитным путём, называемая трансформаторной или типовой;
UСIВ = SЭЛ – доля полной мощности, передаваемая без трансформации, за счёт электрической связи общей и последовательной обмоток, называемая электрической. Эта доля полной мощности не нагружает общую обмотку, так как ток IВ из последовательной обмотки проходит к выводу С, минуя общую обмотку О-С.
|
|
Отношение типовой мощности к номинальной называют коэффициентом выгодности или коэффициентом типовой мощности:
(2.27)
где = UВ / UС - коэффициент трансформации между сторонами высокого (В) и среднего (С) напряжений.
Из (2.27) видно, что коэффициент выгодности всегда меньше единицы и он будет тем меньше, чем меньше различаются напряжения UВ и UС.
Трансформаторная (типовая) мощность определяет размеры магнитопровода, его массу, расход материалов и стоимость, которые будут меньше, чем для трёхобмоточного трансформатора той же мощности.
Расчётная мощность последовательной обмотки
SПОСЛ = (UВ - UС)×IВ = SТИП. (2.28)
Расчётная мощность общей обмотки равна
SО = UС×IО = UС (IС - IВ) = UС IС (1 - ) = SНОМ×kТИП = SТИП. (2.29)
Мощность обмотки низшего напряжения по исполнению также ограничена типовой мощностью. Исходя из условия компенсации токов нулевой последовательности, её мощность должна быть не менее одной трети от номинальной мощности автотрансформатора, а по соображениям обеспечения динамической устойчивости при внешних коротких замыканиях она не должна быть меньше одной четверти номинальной мощности автотрансформатора.
Таким образом, все обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощностью, называемую иногда его расчёт-
ной мощностью.
По сравнению с трёхобмоточным трансформатором автотрансформатор обладает следующими преимуществами:
- меньше расход материалов на изготовление обмоток и магнитопровода;
- меньше размеры и вес, меньше затраты на транспортировку;
- меньше потери, а значит, выше КПД;
- меньше потери напряжения;
- меньше ток намагничивания.
Эти преимущества тем заметнее, чем меньше коэффициент выгодности.
К недостаткам автотрансформаторов следует отнести ограничение области их применения сетями с глухозаземлённой нейтралью. В случае разземления нейтрали автотрансформатора, при возникновении однофазного замыкания на землю в сети ВН или СН в противоположной сети (СН или ВН) возникают опасные для изоляции перенапряжения. Наиболее тяжёлый случай в этом отношении имеет место при работе автотрансформатора с разземлённой нейтралью в сети с глухозаземлённой нейтралью [22]). Причём перенапряжения будут тем выше, чем меньше разница напряжений UВ и UС, т е. именно в том случае, когда применение автотрансформатора наиболее выгодно.
Если в системе СН с глухозаземлённой нейтралью включить автотрансформатор с незаземлённой нейтралью, то при замыкании на землю в сети ВН [например, фаза А (рис. 2.12)] напряжение на последовательной обмотке повреждённой фазы возрастёт до фазного напряжения сети СН.
В нормальном режиме напряжение на ней , при повреждении , т.е. изменится в раз. При различных сочетаниях напряжений UВ и UС это соотношение может быть меньше, равно или больше единицы.
Рис. 2.12. Поясняющая схема и векторная диаграмма автотрансформатора при замыкании на землю в сети ВН
Потенциал нейтральной точки автотрансформатора по отношению к земле станет равен
(2.30)
Напряжения на неповреждённых обмотках среднего напряжения
(2.31)
Напряжения на неповреждённых обмотках высшего напряжения
(2.32)
Потенциал неповреждённых фаз сети ВН по отношению к земле
(2.33)
Из векторной диаграммы видно, что напряжения на общих обмотках неповреждённых фазах значительно возрастают, в соотношении В2А1/В2О (С2А1/С2О).
Если автотрансформатор с разземлённой нейтралью включен в
сеть ВН с глухозаземлённой нейтралью (понижающий режим), то при за-
|
|
мыкании на землю одной фазы [например, фазы А (рис. 2.13)] в сети СН, потенциал нейтрали автотрансформатора относительно земли станет равен
(2.34)
Рис. 2.13. Поясняющая схема и векторная диаграмма автотрансформатора
с разземлённой нейтралью при замыкании на землю в сети СН
Напряжения на неповреждённых обмотках высшего напряжения
(2.35)
Потенциал неповреждённых фаз сети СН по отношению к земле ограничивается линейными напряжениями сети СН.
В [22] показано, что при разземлении нейтрали автотрансформатора перенапряжения на линейных выводах и потенциал нейтрали как в повышающем, так и в понижающем режимах в 2¸3 раза превышают значения напряжений на них в нормальном режиме. Примеры расчёта перенапряжений в автотрансформаторе при различных сочетаниях напряжений приведены в П10.
Вероятность появления таких высоких перенапряжений учитывается при конструировании изоляции автотрансформаторов. Кроме этого, автотрансформатор следует защищать разрядниками (ограничителями перенапряжений) со сторон высшего и среднего напряжений таким образом, чтобы они оставались подключенными при отключении автотрансформатора с любой из сторон. То есть разрядники следует подключать как можно ближе к выводам автотрансформатора до ближайшего разъединителя. Правила технической эксплуатации [16] требуют защищать от перенапряжений также и неиспользуемые обмотки низшего напряжений.
2.6.2. СПЕЦИФИКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВЫХ
АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ
Наряду с общими для всех трансформаторов режимами работы, рассмотренными выше, для трёхфазных трёхобмоточных автотрансформаторов существуют характерные нагрузочные режимы.
Трансформаторный режим. В этом режиме имеет место передача мощности из обмотки НН в обмотку СН, или ВН и обратно – НН СН, или НН ВН. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в этом режиме показано на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Распределение токов в обмотках автотрансформатора
в трансформаторном режиме
Нагрузка обмотки НН не может быть больше типовой по условию исполнения, т.е.
|
|
(2.36)
Направление вектора мощности в общей и последовательной обмот-
ках будет противоположно направлению вектора мощности в обмотке НН.
В режиме трансформации типовой мощности со стороны НН в сторону СН (режим НН ® СН) общая обмотка, как и обмотка НН, будет загружена типовой мощностью, а последовательная обмотка будет не загружена. Без учёта потерь в автотрансформаторе можно записать:
SВ = Sпосл = 0; SО = SС= SН £ Sтип. (2.37)
В режиме трансформации типовой мощности со стороны НН в сторону ВН (режим НН ® ВН) и общая, и последовательная обмотки будут недогружены: SВ = SН £ Sтип; IВ = IП = IО = IН / kВ-Н;
(2.38)
Нагрузка последовательной обмотки
Нагрузка общей обмотки
Автотрансформаторный режим. В этом режиме осуществляется обмен мощностями между сторонами ВН и СН, без передачи мощности в обмотку НН – режим ВН СН. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в этом режиме показано на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Распределение токов в обмотках автотрансформатора
в автотрансформаторном режиме
В обоих режимах при передаче номинальной мощности ток в общей обмотке равен разности токов IС и IВ. Согласно (2.29) эта разность равна (IС – IВ) = IС(1 - ) = k IС. (2.41)
Следовательно, и общая, и последовательная обмотки загружены типовой мощностью, а поэтому передаваемая в этих режимах мощность не должна превышать номинальную.
Комбинированные режимы. В этих режимах в передаче мощности участвуют все три обмотки и токи в последовательной и общей обмотках могут быть представлены состоящими из двух геометрически суммируемых составляющих: одной, определяемой наличием электрической связи между сторонами высокого и среднего напряжений, и другой, определяемой наличием электромагнитной связи между обмотками.
Наиболее характерными комбинированными режимами (подробно
см. [6]) являются режим ВН СН и одновременно ВН НН и режим ВН СН и одновременно НН СН. Распределение токов в обмотках автотрансформатора в этих режимах показано на рис. 2.16 и на рис. 2.17.
1. Режим ВН СН и одновременно ВН НН.
а) б)
Рис. 2.16. Распределение токов в обмотках автотрансформатора
в комбинированном режиме 1
Составляющие токов, обусловленные наличием электрической связи (автотрансформаторные), обозначены индексом "а". В последовательной и общей обмотках они находятся в противофазе. Составляющая, обусловленная наличием электромагнитной связи (трансформаторная), обозначена индексом "тр".
В последовательной обмотке автотрансформаторная и трансформаторная составляющие токов направлены согласно, а в общей обмотке – встречно.
(2.42)
Нагрузка последовательной обмотки
(2.43)
Нагрузка общей обмотки
(2.44)
В зависимости от величин автотрансформаторной и трансформаторной составляющих токов активная и реактивная составляющие нагрузки общей обмотки могут быть положительными или отрицательными.
Так как составляющие токов в последовательной обмотке складываются, то это может вызвать её перегрузку. Этот режим ограничивается нагрузкой последовательной обмотки, и он допустим при выполнении условия
(2.45)
Поскольку в общей обмотке составляющие токов направлены встречно (2.39), то нагрузка её значительно меньше допустимой и в пределе может быть равна нулю при полной загрузке других обмоток.
2. Режим ВН СН и одновременно НН СН.
а) б)
Рис. 2.17. Распределение токов в обмотках автотрансформатора
в комбинированном режиме 2
В этом режиме трансформаторная составляющая тока в последовательной обмотке отсутствует:
(2.46)
где SВ – полная мощность, передаваемая из системы высшего напряжения в систему среднего напряжения (или обратно).
Нагрузка последовательной обмотки
(2.47)
Из этого выражения следует, что даже при передаче номинальной мощности (SВ = SНОМ) последовательная обмотка не будет перегружена и её нагрузка будет равна типовой (расчётной) мощности.
В общей обмотке трансформаторная и автотрансформаторная составляющие токов направлены согласно, т.е.
Нагрузку общей обмотки записывают следующим образом:
(2.48)
При равенстве коэффициентов мощности на сторонах высокого, среднего и низшего напряжений уравнение (2.48) значительно упрощается:
SО = kтип SВ + SН. (2.49)
Из этих выражений видно, что автотрансформаторная и трансформаторная составляющие мощности в общей обмотке суммируются и её нагрузка является ограничивающей для данного режима работы автотрансформатора. Условие его допустимости аналогично (2.45):
(2.50)
То есть нагрузка общей обмотки в любом случае не должна превышать типовую мощность. Если со стороны НН передаётся мощность, равная типовой (SН = Sтип), то дополнительная передача мощности между сторонами ВН и СН вообще невозможна.
Пример расчёта режимов работы автотрансформатора приведен в П11.
Раздел 3.