Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

1. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы

Лекция 8
Дмитриев Степан Александрович
1

2. Основные разделы лекции :

• Конструктивное выполнение трансформаторов и
автотрансформаторов
• Системы охлаждения трансформаторов
• Трансформаторы с расщепленными обмотками
• Особенности автотрансформаторов
• Режимы работы нейтралей
• Износ изоляции и срок службы трансформаторов
• Нагрузочная способность трансформаторов
– Предельная температура обмотки
– Нормирование перегрева
– Методы определения нагрузочной способности (ГОСТ 14209-97)
Регулирование напряжения
– РПН
– ПБВ
Выбор числа и мощности трансформаторов на ПС
2

3. Силовой трансформатор

Силовой трансформатор – электрический аппарат,
предназначенный для преобразования трехфазного
переменного тока одного класса напряжения в
трехфазный переменный ток другого класса.
Передача электрической энергии из
первичной обмотки во вторичную
осуществляется посредством
переменного магнитного потока Ф.
В основе работы трансформатора
лежит явление электромагнитной
индукции
E ~ dФ/dt
3

4. Конструкция силового трансформатора

1 – первичная обмотка с
числом витков w1
2 – вторичная обмотка с
числом витков w2
3, 4, 5 – магнитопровод:
4 – стержень
магнитопровода
3, 5 – ярмо
магнитопровода
1 U1 I2
kт
2 U 2 I1
4

5. Конструкция силового трансформатора

• Магнитопровод
предназначен для:
– усиления
электромагнитной связи
– крепления обмоток,
отводов и т.д.
Магнитопровод выполнен из
листов электротехнической
стали толщиной 0,35—0,5 мм.
Листы изолируются
жаростойкими покрытиями,
или лаковыми пленками
5

6.

1, 4
5
10
4
нижние и верхние
ярмовые балки;
2
- стержень
магнитопровода;
3
- связующие шпильки с
бумажно-бакелитовыми
трубками на крайних
стержнях;
5
- подъемные планки;
6
- полу бандажи;
7
- винты для подпрессовки
обмоток;
8, 9- стягивающие
шпильки
между стержнями;
10 - стекло бандажи,
11 - нижнее ярмо;
12 - фасонные полки
опоры обмоток;
13 - стальные
пластины
для
опорные
6

7. Конструкция силового трансформатора

• Обмотка
трансформатора
представляет собой
часть электрической
цепи (первичной и
вторичной), состоящая
из:
1, 2 – Магнитопровод; 3 – Обмотка НН;
4 – Изоляция; 5 – Обмотка ВН
– проводникового
материла (обмоточный
провод, медный или
алюминиевый);
– изоляционных деталей.
7

8. Конструкция силового трансформатора

8

9.

Конструкция силового
трансформатора
9

10. Силовые трансформаторы

• Классификация трансформаторов
Двухобмоточные
Двухобмоточные с
расщеплением
Трехобмоточные
Автотрансформаторы
10

11. Силовые трансформаторы

• Обмотки трансформаторов
Двухобмоточный
Трехобмоточный с РПН
по стороне ВН и ПБВ со
стороны СН
11

12. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
А)
Б)
XT X В X Н
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
12

13. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
XT X В X Н
А)
Б)
u К % U ном
XТ
100 S ном
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
13

14. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
XT X В X Н
А)
Б)
u К % U ном
XТ
100 S ном
u К % U ном
XВ
0,125
100 S ном
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
14

15. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
XT X В X Н
А)
Б)
u К % U ном
XВ
0,125
100 S ном
u К % U ном
XТ
100 S ном
u К % U ном
XН
0,875
100 S ном
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
15

16. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
А)
Б)
u К % U ном
XТ
XT X В X Н
100 S ном
u К % U ном
u К % U ном
0,875
XВ
0,125 X Н
100 S ном
100 S ном
X Н1 X Н 2
XН
X Н1 X Н 2
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Н1
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
X
XН2
u К % U ном
1,75
100 S ном
16

17. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
А)
Б)
Для двухобмоточного трансформатора
u К % U ном
XТ
1
100 S ном
Для двухобмоточного
трансформатора с расщеплением
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
uК % U ном
XТ
1,875
100 S ном
17

18. Силовые трансформаторы

• Расщепление обмотки НН
А)
Б)
Ток КЗ:
I КЗ
A) Схема двухобмоточного
трансформатора
Б) Схема двухобмоточного
трансформатора с расщепленной
обмоткой НН
E
X
I КЗ .K1 I КЗ .K 2
18

19. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
I1
w1
U1
I2
w2
U2
19

20. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
1 U1 I2
kт
2 U 2 I1
I1
w1
U1
Напряжение на один виток
обмотки
u=U1/w1=U2/w2=const
I2
w2
U2
20

21. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
I1
I1
w1
w1
U1
U1
I2
w2
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ
U2
ОБЩАЯ
I2
w2
U2
21

22. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Особенностью автотрансформатора
является наличие электрической
связи между обмотками.
Часть
мощности
передается
электромагнитным путем, а часть –
электрическим
22

23. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Общая обмотка:
wо=w2,
Uo = U2,
Io =I2 -I1
Последовательная обмотка:
wп=w1-w2 ,
Uп = U1 - U2,
Iп =I1
I1
wП
U1
wО
I2
U2
23

24. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Мощность последовательной
обмотки
Sп = 3Uп Iп=
wП
= 3 I1(U1 - U2);
U1
U2 =U1 /kт
Sп = 3U1 I1(1 - 1/ kт) =
=Sн kв = Sтип;
I1
wО
I2
U2
24

25. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Мощность общей обмотки
Sо = 3U2 I2(1 - 1/ kт) =
=Sн kв = Sтип;
I1
wП
U1
wО
I2
U2
25

26. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Sтип =Sн kв
Sтип – называется типовой мощностью
или представляет собой мощность,
передаваемую электромагнитным путем
26

27. Силовые трансформаторы

• Особенности автотрансформаторов
Автотрансформатор значительно
I1
U3
wп
U1
wо
I2
U2
экономичнее трансформатора
за счет экономии активных
материалов и изоляции (выброшена
вторичная обмотка).
Недостатком автотрансформатора,
ограничивающим область его
применения, является то, что
применять автотрансформаторы
можно только
в цепях с
глухозаземленной
нейтралью.
27

28. Режимы заземления нейтралей электроустановок

• Сети с глухозаземленной нейтралью
При
замыкании
одной
фазы
трехфазной
сети
на
землю
образуется короткозамкнутый контур
через землю и нейтраль источника с
малым сопротивлением. В результате
чего возникает режим короткого
замыкания с большим током.
I КЗ
В сетях с автотрансформаторами
токи однофазных КЗ могут превышать
токи трехфазных. В таких случаях
применяют частичное разземление, а
также
токоограничивающие
сопротивления.
28

29. Режимы заземления нейтралей электроустановок

• Сети с изолированной нейтралью
А)
Б)
B)
В сетях с изолированной нейтралью
замыкания не являются аварийным
режимом, требующим отключение, и
может существовать достаточно долго.
Фазная изоляция должна быть
рассчитана на линейное напряжение.
Только при напряжении до 35 кВ это не
вызывает существенного удорожания
сети.
‘
‘
U 'a 3 U a
U 'b 3 U b
U 'c 0
29

30. Режимы заземления нейтралей электроустановок

• Автотрансформатор в сети с изолированной
нейтралью
Б)
А)
При замыкании на
землю напряжение в
неповрежденных фазах
увеличивается в 3 – 8
раз.
B)
30

31. Режимы заземления нейтралей электроустановок

• Сети с резонансно-заземленными нейтралями
В сетях с изолированной нейтралью
при недопустимых токах замыкания на
землю в нейтраль источника
включается заземляющий реактор.
Намного уменьшается ток замыкания
на землю. Горение дуги становится
неустойцивым и происходит ее
гашение.
2. Малая вероятность перехода
однофазного замыкания в
многофазное.
3. Токи обратной последовательности
малы, и их действие на генераторы
несущественно.
А)
Б)
1.
I зз 3 I з I р
I р 3 I з
I L I C , I L I C 0
31

32. Системы охлаждения силовых трансформаторов

• С – естественное воздушное
• М – естественная
циркуляция масла
• Д – принудительный обдув и
естественная циркуляция
масла
• Ц – естественный обдув и
принудительная циркуляция
масла (масляно-водяное)
• ДЦ– принудительный обдув
и принудительный
циркуляция масла
• МВ – масляно-водяное с
естественной циркуляцией
масла
М
Д
Ц
ДЦ
32

33. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

• Способы регулирования
напряжения:
.
I
Активное регулирование напряжения
P1
r+jx
(воздействие на величину потери
P2
Q1 U1
U2 Q2
напряжения за счет изменения баланса
мощности)
– генераторы
r 3U 2 I cos ф x 3U 2 I sin ф P2 r Q2 x
U
– синхронные компенсаторы
U2
U2
– СД
– БСК и устройства на их основе
Пассивное регулирование
– Регулирование напряжения в силовом
трансформаторе
– Применение вольтодобавочных
трансформаторов
33

34. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

• Регулирование напряжения в
силовом трансформаторе
осуществляется за счет изменения
соотношения числа витков обмоток
U1
1
U2
2
u
• Виды регуляторов напряжения
I1
U1
w1
w2
I2
U2
– ПБВ (переключение без возбуждения) –
изменение числа витков происходит
только при отключенном
трансформаторе; используется для
сезонного регулирования.
– РПН (регулирование под нагрузкой) –
регулирование осуществляется в
нагрузочных режимах.
34

35. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

I1
U1
w1 ПБВ
wp
I1
U1
w1
wp
РПН
*
*
*
Характеристики регулятора напряжения
Диапазон регулирования– величина изменения напряжения в
процентах от номинального, которая достигаются на регуляторе.
Ступень регулирования – минимальная величина
регулировочного диапазона.
Ступени регулирования ПБВ: ±2,5; ±5%
Диапазон регулирования РПН до 20 %
35

36. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
36

37. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
37

38. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
38

39. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
39

40. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
40

41. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
41

42. Регулирование напряжения силовых трансформаторов

РПН
I1
w1
*
U1
wp
*
*
42

43. Нагрузочная способность силового трансформатора

S нагр.max
3
K2
K'2
S ном
1
2
S'
S
p
S'
m
S
t2
2
t1
2
1
S'
K1
1
• Нормативный срок службы
– 30 лет (изоляция) при
температуре н.н.т. равной
980С, температуре
окружающей среды 200С
и номинальной загрузке.
K
S
• Допустимость загрузки
силового трансформатора
определяется сроком
службы изоляции.
h1
hp
h2
tm
t
h
h'
T
Преобразование графика нагрузки:
1 – исходный; 2 – эквивалентный многоступенчатый;
3 – эквивалентный двухступенчатый
43

44.

U U ном
44

45.

I I ном
45

46.

θохл θном
46

47.

θном 20 C
47

48.

θн.н.т 98 C
48

49. Нагрузочная способность силового трансформатора

K
K ном
t
49

50. Нагрузочная способность силового трансформатора

h, м
Температура н.н.т.:
н.н.т. охл м н.н.т. м.
Верх обмотки
1
L Vdt
t t1
Скорость износа:
Hg
Наиболее
нагретая точка
ннт
Масло в
верхней
части
Средняя часть обмотки
Относительный износ
изоляции:
t
охл
м
м.сред
g
Масло в средней
части
Низ обмотки
м.низ
Масло в
нижней части
g –разность температур
обмотки и масла, °С;
Нg –
разность
температур наиболее нагретой
точки и масла в верхней части
обмотки
Температура , ºС
Схема распределения температуры
скорость износа при н .н .т .
н .н .т . 98 / 6
V
2
скорость износа при 98 С
50

51. Нагрузочная способность силового трансформатора

K
м. уст
1 dK
м.nom
1
d
2
н.н.т. м. уст н.н.т. м.nom K
X
K2
K1
t
Y
м.t м. уст м.нач м. уст e
н.н.т. охл м н.н.т. м.
ннт.
м.уст
1
t
ннт.
2
м.уст
t
ннт.
нач
ст
м.
t
м.
нач
м.у
Өок
р.ср
t
t
4t
4t
Изменение температуры
1 – температура масла в верхних слоях;
2 – температура наиболее нагретой точки обмотки
51

52. Нагрузочная способность силового трансформатора

K
K ном
t
52

53. Нагрузочная способность силового трансформатора

K
K ном
t
н.н.т.доп
t
53

54. Виды перегрузок силовых трансформаторов

Трансформаторы
Тип нагрузки
Распредели–
тельные
Режим систематических нагрузок
Нагрузка, отн. ед.
1,5
Температура наиболее нагретой точки и
металлических частей, соприкасающихся с
140
изоляционным материалом, °С
Температура масла в верхних слоях, °С
105
Средней
мощности
Большой
мощности
1,5
1,3
140
120
105
105
Режим продолжительных аварийных перегрузок
Нагрузка, отн. ед.
1,8
1,5
Температура наиболее нагретой точки и
металлических частей, соприкасающихся с
150
140
изоляционным материалом, °С
Температура масла в верхних слоях, °С
115
115
Режим кратковременных аварийных перегрузок
Нагрузка, отн. ед.
2,0
1,8
Температура наиболее нагретой точки и
металлических частей, соприкасающихся с
Доп. условия
160
изоляционным материалом, °С
Температура масла в верхних слоях, °С
Доп. условия
115
1,3
130
115
1,5
160
115
54

55. Выбор числа и мощности трансформаторов

Выбор числа и мощности
трансформаторов
сведения о прилегающем участке сети
энергетической системы (ЭЭС) и ее режимах
работы
–
–
–
–
–
число РУ ПС и их классы напряжения;
схема подключения ПС к ЭЭС и характеристика
присоединений;
структура оперативного и ремонтного обслуживания
предприятия электрических сетей.
сведения об электропотреблении:
график нагрузки (летний и зимний); абсолютный
максимум;
характер потребителей и деление по категориям
надежности, наличие возможности их резервирования по
потребительским сетям;
К ПС №3
К ПС №2
Проект.
К ПС №1
ПС
Pнагр
сведения о климатических условиях в районе
сооружения ПС:
данные об эквивалентных температурах
окружающей среды
55

56. Выбор числа и мощности трансформаторов

• На ПС рекомендуется
устанавливать два
трансформатора.
РУВН
РУВН
РУВН
• Установка одного
трансформатора не
рекомендуется по условиям
надежности.
РУНН
РУНН
РУНН
Вар. 1
Вар. 2
• Установка более двух, как
правило, нецелесообразна.
Вар. 3
Варианты трансформаторных подстанций
S ном.т
S нагр.max ( 1 откл )
( nт 1 ) 1,4
,
56

57. Рекомендуемая литература:

• 1. Электрическая часть станций и подстанций. Учебник для
вузов/ Под ред. А.А.Васильева. - М.: Энергия, 1990. - 576с.
• 2. Электрическая часть электростанций/ Под ред. С.В.Усова.
- Л.: Энергия, 1987. - 616с.
• 3. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций
и подстанций. - М.: Энергия, 1987. - 623с.
• 4. Справочник по проектированию подстанций 35-500 кВ/
Под ред. С.С.Рокотяна и Я.С.Самойлова. – М.: Энергоиздат,
1982. – 266с.
• 5. Электротехнический справочник/ Под ред.
В.Г.Герасиимова, П.Г.Грудинского, Л.А.Жукова и др. , 7-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985-1988. Т1, 1985 -500с; Т2, 1985 -500с;
Т3, 1988 -500с.
57

58.

Спасибо за внимание !
58